DE2756570A1 - Kontrollierbar beheizbarer rauchfilter fuer brennkraftmaschine - Google Patents

Kontrollierbar beheizbarer rauchfilter fuer brennkraftmaschine

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DE2756570A1
DE2756570A1 DE19772756570 DE2756570A DE2756570A1 DE 2756570 A1 DE2756570 A1 DE 2756570A1 DE 19772756570 DE19772756570 DE 19772756570 DE 2756570 A DE2756570 A DE 2756570A DE 2756570 A1 DE2756570 A1 DE 2756570A1
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Description

DR. GERHARD SCHUPFNER
PATENTASSESSOR
IM HAUSE DEUTSCHE TEXACO AO
Cb«r«»e.ing 4C SOOO Hamburg BO T.l.fon (ΟΛΟ) 63 TB 27 SS FinnUirtib« O2 17ΟΟ9
Hamburg, den 20.12.1977 T 77 054 DT (D # 76,120)
TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 (V.St.A.)
KONTROLLIERBAR BEHEIZBARER RAUCHFILTER FOR BRENNKRAFTMASCHINE
809839/0666
Die Erfindung betrifft einen kontrollierbar beheizbaren Rauchfilter für Brennkraftmaschine zur Reinigung des aufgrund des Verbrennungsvorgangs eines Gemischs aus kohlenwasserstoffhaltigem Kraftstoff und Luft von der Maschine abgegebenen, kohlenstoffteilchenhaltigen Auspuffgases, wobei der Filter ein Einlaß und Auslaß aufweisendes, eine Strömungskammer bildendes Filtergehäuse umfaßt.
Die meisten Brennkraftmaschinen sind in ihrem Betrieb mit Vorrichtungen zur Reinigung der Auspuffgase versehen. Derartige Reinigungsvorrichtungen dienen ganz allgemein dazu, durch Entfernen von Schadstoffen aus den Auspuffgasen die Atmosphäre und allgemein die Umwelt zu schützen.
Eine derartige Auspuffgasreinigervorrichtung besteht aus einer Einheit, in welche die heißen Auspuffgase eingeleitet werden. Die in den Auspuffgasen enthaltenen schädlichen Bestandteile werden entweder ausgefiltert oder oxidiert oder durch chemische Reaktion eliminiert. Die aus dem Filter austretenden, aufbereiteten, d.h. gereinigten Auspuffgase sind daher verhältnismäßig unschädlich, frei von Feststoffteilchen wie z.B. Kohlenstoff und können ohne weiteres in die Atmosphäre abgegeben werden.
Derartige Auspuffgas- oder Rauchfilter werden in bezug auf die Brennkraftmaschine in einer solchen Weise angeordnet, daß die heißen Auspuffgase mit möglichst hoher Temperatur in den Filter eintreten. Wenngleich der Strömungsweg, auf welchem die Auspuffgase zugeführt werden, erwärmt wird, reichen die dabei erzielten Temperaturen nicht immer aus, um die im Gasstrom enthaltenen Kohlenstoffteilchen durch Verbrennung wirksam zu entfernen. Bei Verwendung eines Filters mit einem Katalysatormaterial wird durch den heißen Auspuffgasstrom die Temperatur der Katalysatorbettdurchlässe
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angehoben. Die dabei erzielte Temperatur reicht jedoch unter Umständen nicht zur Verbrennung der zurückgehaltenen Kohlenstoffteilchen aus, da die Abgastemperaturen im allgemeinen zwischen etwa 370 bis 430 0C betragen.
Im normalen Betrieb einer Vorrichtung zum Aufbereiten von Auspuffgasen befindet sich der Filter normalerweise auf atmosphärischer Temperatur, wenn die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist, und ist daher verhältnismäßig wirkungslos, abgesehen davon, daß er Feststoffe zurückhält. Bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine werden jedoch verhältnismäßig heiße Auspuffgase abgegeben, die innerhalb einer kurzen Zeitspanne am Austrittspunkt eine Temperatur von etwa 370 bis 430 0C erreichen können. Zum wirksamen Abbrennen von Kohlenstoff teilchen in einem Auspuffgasstrom müssen jedoch die Kohlenstoffteilchen auf eine Temperatur von etwa 480 bis 650 0C gebracht werden.
Ein weiterer Nachteil, der bei Rauchfiltern in Verbindung mit Kraftfahrzeugen auftritt, ist der mit der Zeit zunehmend höher werdende Staudruck innerhalb der Filter. Das ist darauf zurückzuführen, daß sich innerhalb des Filters Kohlenstoff teilchen ansammeln, die Durchfluß- oder Durchströmkanäle verengen und dadurch den freien Durchlaßquerschnitt für das Auspuffgas verringern. Der Filter wird damit allmählich verstopft, wobei der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine entsprechend abfällt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zur Reinigung der von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Auspuffgase dienenden Rauchfilter zu schaffen, der im Betrieb der Brennkraftmaschine einen sehr geringen Staudruck im Filter hervorruft, indem die inneren Durchströmwege des Filters verhältnismäßig frei von der Ansammlung von Kohlenstoffteilchen gehalten werden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird nunmehr ein Rauchfilter vom eingangs genannten Typ vorgeschlagen, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch ein im Filtergehäuse angeordnetes, eine Vielzahl an Durchlässen für Gasdurchgang von dem Einlaß zu dem Auslaß bildendes, gasdurchlässiges, jedoch Kohlenstoffteilchen zurückhaltendes Filterbett und ein im Filtergehäuse angeordnetes Heizelement, welches mit wenigstens einem Teil des gasdurchlässigen Filterbetts in Berührung steht und dazu dient, dieses auf eine zur Verbrennung von Kohlenstoffteilchen ausreichend hohe Temperatur aufzuheizen.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Rauchfilter ist geeignet insbesondere zur Aufbereitung und/oder zum Verbrennen von im Auspuffgasstrom einer Brennkraftmaschine enthaltenen Kohlenstoff teilchen, wodurch die vorgenannten Nachteile bekannter Anordnungen beseitigt sind. Der Auspuffgasstrom wird zu diesem Zweck entweder durch ein katalytisches oder ein nichtkatalytisches Bett hindurchgeleitet, in welchem die Feststoffteilchen aus dem Gasstrom ausgeschieden und an der Oberfläche des Filterelements zurückgehalten v/erden. Bei Eintritt des Gasstroms in den Filter befinden sich sowohl der Gasstrom als auch das Teilchenrückhaltebett in einem heißen Zustand. Das Filterbett kann jedoch nach Bedarf auf eine erhöhte Temperatur erhitzt werden, bei welcher die Teilchen verbrannt werden.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Rauchfilter gestattet darüber hinaus, das Filterbett vorzuheizen, so daß sich die vom Auspuffgasstrom ausgeschiedenen Kohlenstoffteilchen leicht verbrennen lassen.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Rauchfilter ist im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh-
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rungsbeispiels näher erläutert, in welcher
Fig. 1 eine Ansicht des Filters in Verbindung mit einer Brenkraftmaschine und
Fig. 2 ein in einem größeren Maßstab gehaltener Längsschnitt durch den Filter ist.
Die in der Zeichnung dargestellte Brennkraftmaschine, in Verbindung mit welcher der erfindungsgemäß vorgeschlagene Rauchfilter verwendet wird, braucht keinen besonderen Kriterien zu entsprechen, so lange als ein ausreichender Sauerstoff Überschuß im Auspuffgasstrom enthalten ist. Der erforderliche Sauerstoffbestandteil ist bei Diesel- und Schichtladungsmaschinen normalerweise vorhanden. Zur Veranschaulichung der Erfindung soll die Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben werden, das den Zylindern der Maschine entweder über ein Vergasersystem oder durch ein Kraftstroff-Einspritzsystem zugeführt wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 umfaßt ein Motorgehäuse 11, in welchem mehrere hin und her bewegliche Kolben (Hubkolben) angeordnet sind. Der Ansaugverteiler 12 ist mit einem Luftfilter 13 oder dgl. zum Ansaugen atmosphärischer Luft verbunden. Bei jedem Ansaughub eines Kolbens gelangt somit Luft in die entsprechende Verbrennungskammer eines Zylinders.
Jeder Zylinder weist eine Einspritzdüse 14 auf, die über eine Einspritzpumpe 16 mit einem Kraftstoff-Vorratsbehälter 17 verbunden ist. Die Leistung der Einspritzpumpe 16 hängt von der Drehzahl und der Belastung der Maschine ab. Die während des Ansaughubs in dem Verbrennungsraum jedes Zylinders eingespritzte Kraftstoffmenge wird entsprechend verändert, wohingegen eine praktisch stets gleichbleibende Luftmenge angesaugt wird.
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Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase werden mit einer Temperatur von etwa 260 bis 480 0C in einen Auspuffsammler 18 abgegeben, der über eine Rohrleitung 19 mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Rauchfilter 21 verbunden ist. Wie oben erwähnt, wird der räumliche Abstand zwischen dem Auspuffsammler 18 und dem Einlaß des Rauchfilters 21 vorzugsweise möglichst kurz bemessen. Dadurch wird die Arbeitsweise des Filters begünstigt, indem der Auspuffgasstrom in möglichst heißem Zustand zugeführt wird.
Unter normalen Betriebsbedingungen hängt die Beschickung der Maschine mit Kraftstoff-Luft-Gemisch von ihrer Belastung (Leistung) und der Drehzahl ab. In entsprechender Weise ändern sich die Eigenschaften der Auspuffgase, insbesondere deren Temperatur. Außerdem ändern sich Menge und Zusammensetzung der Bestandteile im Auspuffgasstrom.
Bei dieser Anordnung führt der heiße Auspuffgasstrom unterschiedliche Mengen an Rauch in Abhängigkeit von der Belastung der Maschine mit. Dieser Rauch besteht zu einem großen Teil aus sehr kleinen Teilchen aus unverbranntem Kohlenstoff. Diese vom Gasstrom mitgeführten Teilchen sind schwarz und bewirken ggf. eine schwarze Rauchbildung.
Der heiße, rauchreiche Auspuffgasstrom wird in den Einlaß des Filters 21 eingeleitet, im Filter durch Abscheiden und Verbrennen der Kohlenstoffteilchen aufbereitet und dann durch das Auspuffrohr 22 hindurch an die freie Atmosphäre abgegeben.
Der Rauchfilter 21 besteht im wesentlichen aus einem langgestreckten Gehäuse 23 von vorzugsweise kreisrundem Querschnitt. Selbstverständlich kann das Gehäuse auch einen ovalen oder elliptischen oder irgendwie anders gearteten
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Querschnitt aufweisen, was im allgemeinen jeweils von der Lage des Filters innerhalb oder am Kraftfahrzeug abhängig ist, das mit dem Filter ausgerüstet ist.
Das Gehäuse 23 besteht normalerweise aus Stahlblech mit verschweißten Nähten und ist widerstandsfähig gegenüber den bei der Gasaufbereitung auftretenden hohen Temperaturen. Außerdem muß das Gehäuse widerstandsfähig sein gegenüber äußeren Einflüssen wie z.B. den Einwirkungen von Spritzwasser, Witterung und dgl..
Beide Enden des Gehäuses 23 sind jeweils mit einer kegelstumpf förmigen Endwand 24 bzw. 26 versehen. Diese Endwände können fest mit den Endrändern des langgestreckten Gehäuses
23 verschweißt sein. Eine gasdichte Verbindung, die ihre Gasdichtigkeit beibehält, ist jedoch gleichfalls ausreichend, um den Filterinnenraum nach außen abzuschließen.
Zwecks leichterer Austauschbarkeit der innerhalb des Filters befindlichen Teile kann wenigstens ein Ende des Filtergehäuses mit einem lösbaren Verschluß versehen sein. Entsprechend der Darstellung kann zu diesem Zweck die Endwand
24 einen umlaufenden Randflansch 25 aufweisen, der einem entsprechend ausgebildeten Randflansch an dem Gehäuse 23 entspricht, wobei sich diese Flansche vermittels Bolzen, Klemmringen oder dgl. miteinander verbinden lassen.
Die einlaßseitige Endwand 24 des Filters 21 ist von kegelstumpf förmiger Formgebung und bildet einen sich erweiternden Durchlaß zwischen dem einlaßseitigen Rohrleitungsabschnitt 27 und dem Filtergehäuse 23. Das einlaßseitige Ende des Filters bildet eine Muffe oder dgl., vermittels welcher der Filter lösbar mit der Rohrleitung 19 einer Kraftfahrzeugauspuff anlage verbindbar ist.
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Die am entgegengesetzten Ende des Gehäuses 23 angeordnete Endwand 26 ist im wesentlichen von gleicher Beschaffenheit wie die einlaßseitige Endwand 24. Insbesondere besteht die Endwand 26 aus einem sich verjüngenden Abschnitt, durch den der Durchmesser des Gasdurchlasses vom Gehäusedurchmesser auf den Durchmesser des Auspuffrohrs 22 verringert wird.
Das Innere des Filtergehäuses 23 bildet eine langgestreckte Strömungskammer, in der sich ein Filterbett 29 befindet, das aus einer gasdurchlässigen Masse besteht, die eine Vielzahl gewundener Durchflußwege bildet. Diese kann entsprechend einer Ausführungsform aus einer mit Tonerde beschichteten Stahlwollpackung bestehen. Andererseits kann die Strömungskammer auch einen Katalysator wie z.B. katalysatorbeschichtete Metallfasern enthalten, die in Querausrichtung zur Kammer in der Weise angeordnet sind, daß sie in Berührung mit dem hindurchtretenden Gas stehen.
Innerhalb der Endwand 2 4 ist konzentrisch zu dieser ein Gasdiffusor 31 angeordnet, der dazu dient, Gas mit geringster Turbulenz zur Stirnseite des Filterbetts 29 zuzuführen. Eine gasdurchlässige Platte 32 ist querstehend zum Filtergehäuse 2 3 angeordnet und bildet die Hinterwand des Filterbetts 29. Das Filterbett 29 kann wie angedeutet von unterschiedlicher Beschaffenheit sein, um die erforderlichen Teilchenrückhalteeigenschaften für das hindurchströmende Gas aufzuweisen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Filterbett 29 aus hintereinandergreifenden Fasern, die mit einem Katalysator beschichtet sind. Somit werden die Feststoffteilchen nicht nur zurückgehalten, sondern ihre Verbrennung wird durch den Katalysator ausgelöst. Eine gasdurchlässige vordere Platte 36 an der Stirnseite des Katalysatorbetts 29 dient als Halterung für ein Heizelement 37, das aus einer oder mehreren elektrischen Heizwicklungen bestehen kann.
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Zur Erzielung des größtmöglichen Wirkungsgrades sind die Heizwicklungen in geeigneten gegenseitigen Abständen so verteilt angeordnet, daß sie die Stirnseite des Filterbetts 29 aufheizen, jedoch praktisch keine Beeinträchtigung für den in das Filterbett 29 einströmenden Gasstrom darstellen. Entsprechend einer Ausführungsform können die Heizelemente mit einer Asbestschicht oder dgl. beschichtet oder ummantelt sein. Dazu werden die isolierten Heizwicklungen beispielsweise in die Stirnseite des Filterbetts 29 eingebettet, wonach die ganze Einheit mit einem Katalysator beschichtet wird.
Die elektrischen Verbindungen zu dem einzelnen Heizelement oder zu mehreren Heizelementen 37 sind zur Außenseite des Gehäuses 23 an Anschlußklemmen 33 und 34 geführt, welche mit entsprechenden Speisevorrichtungen wie z.B. einer Gleichstromquelle in Form einer Batterie oder dgl. verbunden sind. Als Stromquelle kann auch ein äußerer elektrischer Generator vorgesehen sein.
Die am hinteren Ende des Filterbetts 29 angeordneten gasdurchlässige Platte 32 ist ausgelegt für den ungehinderten Durchgang an teilchenfreiem Auspuffgas zur Endwand 26 und von dieser zum Auspuffrohr 22.
Das Heizelement 37 kann kontinuierlich betrieben werden, wird jedoch vorzugsweise nur intermittierend eingeschaltet. Im letzteren Falle erfolgt die Einschaltung des Heizkreises in Abhängigkeit von dem innerhalb des Filters herrschenden Stau- oder Rückdruck, d.h. daß bei Erreichen eines bestimmten Werts für den Staudruck das Heizelement 37 eingeschaltet wird. Andererseits kann das Heizelement 37 auch zum Abbrennen von angesammeltem Kohlenstoff in vorbestimmten Zeitabständen eingeschaltet werden.
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Zu dem letztgenannten Zweck kann die einlaßseitige Endwand 2 4 mit einem oder mit mehreren Fühlern versehen sein, die in die Endwandseiten eingelassen oder am Gasdiffusor 31 befestigt sind.
Zur Erzielung des erwünschten teilchenfreien Gasstroms muß das Heizelement auf eine Temperatur von angenähert 980° erhitzt werden. Wenngleich bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nur ein einziges Heizelement 37 dargestellt ist, können selbstverständlich auch mehrere derartige Heizelemente in gleicher Ausrichtung quer zum Gasströmungsweg vorgesehen sein.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche :
    (1.^Kontrollierbar beheizbarer Rauchfilter für Brennkraft-—maschine zur Reinigung des aufgrund des Verbrennungsvorgangs eines Gemische aus kohlenwasserstoffhaltigem Kraftstoff und Luft von der Maschine abgegebenen, kohlenstoffteilchenhaltigen Auspuffgases, mit einem Einlaß und Auslaß aufweisenden, eine Strömungskammer bildenden Filtergehäuse, gekennzeichnet durch ein im Filtergehäuse (23) angeordnetes, eine Vielzahl an Durchlässen für Gasdurchgang von dem Einlaß (27) zu dem Auslaß (22) bildendes, gasdurchlässiges, jedoch Kohlenstoffteilchen zurückhaltendes Filterbett (29) und ein im Filtergehäuse (23)angeordnetes Heizelement (37) , welches mit wenigstens einem Teil des gasdurchlässigen Filterbetts (29) in Berührung steht und dazu dient, dieses auf eine zur Verbrennung von Kohlenstoffteilchen ausreichend hohe Temperatur aufzuheizen.
  2. 2. Rauchfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (37) quer zur Strömungsrichtung innerhalb des Filtergehäuses (23) zwischen Einlaß (27) und dem gasdurchlässigen Filterbett (29) angeordnet ist.
  3. 3. Rauchfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (37) mehrere quer zum Filtergehäuse (23) verlaufende Heizwicklungen aufweist.
  4. 4. Rauchfilter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß aufstromseitig des Filterbetts (29) eine das Heizelement (37) tragende gasdurchlässige Platte £6 ) quer zum Filtergehäuse (23) angeordnet ist.
  5. 5. Rauchfilter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (37) aus wenigstens einer,
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    ORIGINAL INSPECTED
    am vorderen Ende des Filterbetts (29) angeordneten und
    über Anschlußklemmen (33, 34) mit einer elektrischen
    Stromquelle verbindbaren elektrischen Heizwicklung besteht,
  6. 6. Rauchfilter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett (29) aus einem zur katalysierten Verbrennung von Kohlenstoffteilchen bei erhöhter Temperatur dienenden Katalysator gebildet ist.
  7. 7. Rauchfilter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der durch den Einlaß (27) eintretenden Auspuffgase ein zum Abfühlen der Temperatur derselben vor ihrem Eintritt in das Filterbett (29) dienender Temperaturfühler vorgesehen ist.
  8. 8. Rauchfilter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse (23) einen die Strömungskammer bildenden, langgestreckten, mittigen Abschnitt und eine über Befestigungsmittel (25) abnehmbar mit dem mittigen Abschnitt verbindbare Endwand (24) aufweist.
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DE19772756570 1977-03-21 1977-12-19 Kontrollierbar beheizbarer rauchfilter fuer brennkraftmaschine Withdrawn DE2756570A1 (de)

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US77937277A 1977-03-21 1977-03-21

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