DE2835741A1

DE2835741A1 - Russabschneider fuer abgase von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2835741A1
Application number: DE19782835741
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Charzinski; Erwin Prof Dr Eisele
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1978-08-16
Filing date: 1978-08-16
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2835741C2

Description

Rußabscheider für Abgase von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Rußábscheider für Abgase von Brennkraftmaschinen, mit einem zylindrischen Gehäuse mit tangentialem Abgaseintritt sowie einem konzentrisch im Innern des Gehäuses angeordneten, mit einer gasundurchlässigen Wandung versehenen axialen Strömungskanal für den einseitigen Abgasaustritt, welcher Kanal im Abstand von der inneren Stirnseite (Gasumlenkseite) des zylindrischen Gohäuses offen endigt und der an der Außenseite seiner Wandung mit einer schraubenförmig verlaufenden Leitwendel versehen ist.
Es ist ein Abgasreiniger insbesondere für Brennkraftmaschinen bekannt (DE-PS 831 177), welcher nach den Zyklonprinzip, mit Umkehrung des Gasstromes, der zentral abgeführt wird, arbeitet, wobei der Luftwirbel, bevor er seinen naturlichen Umkehrpunkt erreicht hat, durch einen Einsatzboden zur Richtungsänderung gezwungen wird und wobei die mitgeführten flüssigen und festen Bestandteile durch im Einsatzboden vorgesehene Schlitze hindurch in einen darunterliegenden der Wiederaufwirbelung entzogenen Sammelraum gelangen.
Aus diesem in senkrechter Lage angeordneten Abgasreiniger müssen von Zeit zu Zeit die aus dem Abgas ausgeschiedenen Bestandteile manuell entfernt werden.
Es ist des weiteren ein Rußfilter mit Abgasstrom von luftverdichtenden Drernilcraftinaschinen bekannt (PA - P 27 50 96)0.0), welcher durch ein in Auslaßnähe der Brennkraftmaschine angeordnetes zylindrisches Filtergohause, an das radial oder tangential von der Bronnkraftmaschine ausgehende Einlaßstutzen angeschlossen sind, in dem mit Abstand von der Umfangswandung in hohl zylindrischer Form keramisches Fasermaterial angeordnet ist, das aus einer äuf3eren Lage loser Keramikfasermatte besteht, und von dem der IIohlraum innerhalb des Fasermaterials in Achsrichtung an die Auspuffleitung angeschlossen ist.
Durch die nahe Anordnung des Rußfilters an der Brennkraftmaschine werden tlio heißen Abgase zwar unmittelbar gefiltert und die noch glühenden RuXteilchen können den anderen auf dem keramischen Fasermaterial haftengebliebenen nuß entzünden und nacliverbrennen. Dadurch aber, daß die gesamton Abgase durch den Filter hindurchströmen müssen und die Rußteilchen dann möglichst weitgehend zurückgehalten werden, baut sich bald ein gewisser Gegendruck auf, welcher nicht nur zu einem Leistungsabfall der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer vermehrten Rußbildung in der Brennkraftmaschine selbst führt - wobei ja gerade möglichst jegliche Rußbildung im Sinno der Aufgabenstellung vermieden werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pußabscheider derart auszubildon und anzuordnen, daß einerseits ein selbsttätiges Abbrennen des ausgeschiedenen Rußes durch die gegebenen physikalischen Betriebszustände der Ilrennkraftmaschine wie Luftüberschuß und Abgastemperatur begünstigt wird, andererseits jedoch ein vermehrter Gegendruck und somit eine vermehrte Rußbildung in der flronnicraftmaschine selbst weitgehendst vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zylindrische Gehäuse nach außen wärmeisoliert ist, auf seiner Innenseite mit einem hitzebeständigen Oberflächenfiltermaterial, wie z.fl. Aluminiumoxydfaser, Stahlwolle, poröse Sinterkeramik, keramisches Fasermaterial u.a. ausgelegt und daß die Stirnseite (Gasumlenkseito für den gesamten Abgasstrom) des Gehäuses vorzugsweise beheizbar ist.
Durch eine nahe Anordnung des Rußabscheiders an der Brennkraftmaschine gelangen die noch heißen Abgase unmittelbar in das zylindrische Gehäuse, wo verstärkt durch eine im Innern eventuell angeordnete Leitwendel eine Zentrifugal-Separierung der im Vergleich zum heißen Abgas schwereren Rußpartikel nach aul3en gegen das Oberflächenfiltermaterial begünstigt wird, wo sie zum Teil schon haften bloiben, wjhrend die spezifisch wesentlich leichteren, heißen Gase sich nach innen verschieben. Der Gesamtabgasstrom samt den noch nicht ausgeschleuderten Rußpartikeln prallt an die Stirnseite (Gasumlenkseite) des Gehäuses auf, wird zu einer etwa 1800-Umkehr seiner Axialströmung gezwungen und fließt schließlich in einem im Innern des Gehäuses angeordneten vor der Stirnseite endigenden Strömungskanal ab.
Da die Brennkraftmaschine je nach Belastung mit mehr oder weniger Luftüberschuß arbeitet, können sich die im Oberflächenfiltermaterial oder/und in der an der Gehäusestirnseite (Gasumlenkseite) angeordneten Filterpackungen haftenden Rußpartikelii aufoxydioren und durch die noch glühenden Rußteilchen und/oder durch rjine Zusatzheizung erzwungen entzünden und nachverbrennen. Vor allem werden an der 180°-Gasumlenkstelle an der der Gesamtabgasstrom auf Geschwindeit Null plötzlich verzögert und weder voll beschleunigt wird an dieser vorzugsweise beheizbaren Prallwand weitere Rußteilchen ausgeschieden und bei entsprechend hohen Prallwandtemperaturen verzögerungsarm nachverbrannt, so daß im Strömungskanal angenähert rußfreie Abgase abfließen, ohne daß eine Gegendrucksteigerung eintritt, wie sie beim Durchströmen eines Vollstrom-Durchgangfilters gegeben ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann im Bereich der 180°-Gasumlenkseite des zylindrischen Gehäuses innerhalt> des Abstandes zwischen der Eintrittsstirnfläche des inneren Strömungskanals und der inneren Stirnseite des zylindrischen Gehäusees oder seines Verkürzungsdeckels eine radial von außen nach innen ragende gleichachsig zur Gehäuseachse ausgebildete Strömungseinschnürung, insbesondere eine Blende zur Begünstigung des Abgasaufpralls auf die Stirnseite des Gehäuses und des Ausfalls von Rißteilchen in den Turbulenzbereichen des Gasumkehrraumes vorgesehen ist.
Durch die Blende wird die Verwirbelung und der Aufprall des Abgases auf die Gasumlenlcseite des Gehäuses verstärkt, wodurch noch eventuelle im Gasstrom enthaltene Rußteilchen ausgefällt werden, zumal durch die Blende der Raum, in dem Strömungsgeschwindigkeit Null der Abgase herrscht, wesentlich vergrößert ist.
Ferner kann an der inneren Stirnseite des zylindrischen Gehäuses gleichachsig zur Gehäuseachse ein vorzugsweise mit Oberflächenfiltermaterial ummantelter oder aus Durchgangsfiltermaterial bestehender Spitzkegel in mehr oder weniger großem Abstand zur Eintrittsstirnfläche des inneren Strömungskanals angeordnet sein.
Dadurch wird einerseits die Heizfläche an der Gasumlenkstelle vergrößert, andererseits durch die Kegelführung der Drall des Abgases ungehindert in den Strömungskanal weitergeleitet. In die Ummantelung des Spitzkegels mit Oberflächenfiltermaterial oder in das DurchUangsfiltermaterial des Spitzkegels werden die durch die Luftverwirbelung zur Ablagerung gezwungenen Rußteilchen festgehalten (zwischengelagert) und wenn die momentane Temperatur - wie z.B. bei niederen Drehzahlen - zur Nachverbrennung nicht ausreicht, dann bei anderen !otorbetriebspunIcten wie Vollast und hohe Drehzahlen verfügbaren höheren Temperaturen nachverbrannt. Diese Nachverbrennung kann auch durch eine zusätzliche Beheizung der Stirnseite bzw.
des Spitzkegels eingeleitet bzw. erzwungen werden. Außerdem kann im Bereich der Gasumlenkseite des zylindrischen Gehäuses eine Luftzufuhr vorgesehen sein, um für die bei hohen Abgastemperaturen meist sauerstoffarmen Abgase ausreichenden Sauerstoff zur Nachverbrennung zur Verfügung zu stellen.
Die Steuerung der Zusatzluft kann z.B. über die Regelstange der Einspritzpumpe oder über das Gaspedal erfolgen, derart, daß bei Vollast, wo wie gesagt, kein oder nur ein geringer Luftüberschuß vorherrscht, mehr Luft zugeführt wird als im Teillastbetrieb. Die Temperatursteigerung durch die Beheizung der Stirnseite des Gehäuses erfolgt vermehrt im Teillastbereich.
Um die Rußabscheidung während des gesamten Durchströmens durch den Rußabscheider zu gewährleisten, kann ein Abschlußdockol am zylindrischen Gehäuse vorgesehen werden, wolcher mit einer hitzbeständigen Filtormaterialpackung als Durchgangsfiltermatorial für dio Abgase gefüllt ist und os kann die Eintrittsfläche für die Abgase einen mehr oder weniger großen Abstand von der Eintrittsstirnfläche des inneren Ströniungskanals haben. Ferner kann die Filtermaterialpackung aus Durchgangsfilterschichten unterschiedlicher Porosität und/oder aus zusätzlichen Heizwendelschichten zur Nachverbrennung von zurückgehaltenem Ruß aufgebaut soin.
Darüber h-inaus ist das zylindrische Gehäuse nach außen wärmeisoliert.
Durch geringe Wärmeverluste bleibt auch bei anschließendem längerem Teillastbotriob die zur Verbrennung notwendige Temperatur im Rußabscheider erhalten, bzw. wird der erforderliche zusätzliche Heizaufwand klein gehalten.
Schließlich kann das zylindrische Gehause als Doppelrohr ausgeführt sein und eine wärmeabfuhrheinmende Isolationszwischenlage aufweisen.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Rußabscheiders im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II, Fig. 3 topfartige Ausbildung der Stirnseite als Deckel mit Filterpackung, Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Gehäuse an der Gasumlenkseite mit beheizbarer Stirnseite, Fig. 5 einen Teilschnitt durch das Gehäuse mit einem auf der Stirnseite angeordneten Spitzkegel, Fig. 6 dasselbe mit Luftzufuhr im Spitzkegel und Fig. 7 eine andere Ausführung nach Fig. 5.
Der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellte Rußabscheider besteht aus einem hinsichtlich Wärmeabfuhr nach außen isolierten zylindrischen Gehäuse 1, das auf seiner Innenseite mit einem Oberflächenfiltermaterial 2 wie z.n. Aluminiumoxydfaser, Stahlwolle, poröse Sinterkeramik, keramisches Fasermatorial u.a. ausgelegt ist.
Das Gehäuse 1 kann zwecks besserer Wärmeisolierung als Doppelrohr und/oder an seiner Außenseite mit einem entspre clrenden Wjrme schutzbe lag 3 überzogen sein. Das zylindrische Gehause weist (je nach Zylinderzalil der Brennkraftmaschine) seitlich tangential einmündende Einlaßstutzon 4 auf, die unmittelbar mit dem jeweiligen Auslaß einer nicht gezeichneten Brennkraftmaschine verbunden sind. Im Innern des Gehäuses 1 ist in axialer Richtung ein Strömungskanal 5 für einseitigen Gasaustritt angeordnet, welcher mit wenigstens einer schraubenförmig verlaufenden Leitwondel 6 versehen ist. Im Innern des Gehäuses 1 ondigt der Strsimung6kanal 5 mit Abstand von der inneren Stirnseite 7 (Gasumlenkseite) offen, so daß das durch die Einlaßstutzen 4 einströmende Abgas das zylindrische Gehäuse bis zur Stirnseite 7 in der einen Richtung und nach einer im wesentlichen um etwa 180°-Umlenkung durch den Strömungskanal 5 in der anderen Richtung durchströmen muß. Durch diese etwa 180°-Umlenkung werden die hohen Axialgeschwindigkeiten des Abgasstromes an der Umlenkstelle auf die Geschwindigkeit Null verzögert und anschließend im Strömungskanal 5 die Abgase in Gegenrichtung wieder auf hohe Geschwindigkeitswerte beschleunigt.
Dadurch wird die TJmlenkseite 7 zusätzlich eine bevorzugte Depositionsstelle für die im Abgasstrom enthaltenen Rußpartikeln.
Beim Durchströmen des Gehäuseinnenraumes, d.h. des Raumes wischen Filterbelag 2 und Strömungskanal 5 wird, eventuell geführt durch eine Leitwendol 6, eine Zentrifugal-Separierung der im Vergleich zum heißen Abgas schwereren Rußpartikeln nach außen und der spezifisch wesentlich leichteren, heißen Gase nach innen erzwungen. Ein Teil der Rußpartikeln lagert sich an der Oberfläche des Filtermaterials 2 ab, ein weiterer Teil wird, wie beschrieben, an der Umlenkstirnfläche 7 abgelagert, und zwar verstärkt dann, wenn diese Stirnseite 7 des Gehäuses, z.B.
nach Fig. 3, mit einer in einem Gehäusedeckel 13 angeordneten Filtermaterialpackung 14 ausgestattet ist. Die so auf dem Filtermaterial 2 und durch die 1800 Umkehr auf der Stirnflache 7 bzw. im Filterpaket 14 zeitweilig zwischengeIagerten Rußpartikeln werden bei intermittierendem Erreichen entsprechender Oxydationsbedingungen nachverbrannt.
Die Filtermaterialpackung 14 bzw. deren Eintrittsfläche 15 fur die Abgase ist in einem melir oder weniger großen Abstand +a, -a.16 von der Eintrittsstirnfläche 10 des inneren Strömungskanals 5 angeordnet. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß beim Durchströmen des Abgases durch ein solches Filtersystem praktisch kein Gegendruck aufgebaut wird. In Betriebsphasen hohen Rußanfalls (geringer Luftüberschuß) wird der Ruß temporär gesammelt und in Phasen hoher Abgastemperatur die erforderlichen Bedingungen für die Rußoxydation sowohl in den dünn abgelagerten Rußschichten selbst als auch in dem unmittelbar darunterliegenden Filtermaterial geschaffen. Anschließend kann der Ruß in Betriebsphasen hohen Luftüberschusses - verzögerungsarm -verbrannt werden.
Zur Vergrößerung der Oberfläche der Filterschicht an der 1800 -Umlenkstelle kann die Stirnseite 7 des Gehäuses 1 mit einem Spitzkegel 8 (Fig. 5 - 7) versehen sein.
Wegen der gezielten Axialunikehr des Abgasstromes an diesor definierten, konzentrischen Aufprallstelle kann die Stirnfläche 7 auch als Heizfläche 9 (Fig. 4) ausgebildet sein, die z.B. elektrisch beheizt wird und die bei Start, Leerlauf, niederer Teillast und in der Warmlaufphase betrieben werden kann, um die Rußteilchen bei in diesen Betriebsbe-reichen zu niederen Abgastemperaturen auf das zur Oxydation notwendige Temperaturniveau anzuheben.
Um die Turbulenz und den Aufprall des Abgases auf die Stirnseite 7 zu erhöhen, kann zwischen dieser und der Stirnkante 10 des Strömungskanals 5 eine Blende 11 vorgesehen werden.
Im Spitzkegel 8 an der Stirnseite 7 kann gegebenenfalls ein Kanal 12 (Fig. 6, 7) für Zusatzluft angeordnet werden, wobei die Einblasung der Zusatzluft durch eine Luftpumpe oder mittels Ejektor erfolgen kann.
Der Strömungskanal 5 kann innen gegebenenfalls zusätzlich auch noch mit einem Oberflächenfiltermaterial ausgekleidet sein.
L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche 1. Rußabscheider für Abgase von Brennkraftmaschinen, mit einem zylindrischen Gehäuse, mit tangentialem Abgaseintritt sowie einem konzentrisch im Innern des Gehäuses angeordneten, mit einer gasundurchläsigen Wandung versehenen axialen Strömungskanal für den einseitigen Abgasaustritt, welcher Kanal im Abstand von der inneren Stirnseite (Gasumlenkseite) des zylindrischen Gehäuses offen endigt und der an der Außenseite seiner Wandung mit wenigstens einer schraubenförmig verlaufenden Leitwende el versehen ist, cl a d u r c h g o k e n n z e i c h -n e t , daß das zylindrische Gehäuse (1) nach außen wärmeisoliert ist, auf seiner Innenseite mit einem Oberflächenfiltermaterial (2), wie z.B. Aluminiumoxydfaser, Stahlwolle, poröse Sinterkeramik, keramisches Fasermaterial u. ä. ausgelegt ist, daß vorzugsweise die Stirnseite (Gasumlenkseite) (7) des Gehäuses (1) beheizbar ist und daß die Abgase am Eintritt in den inneren Abströmkanal in ihren axialen Strömungskomponenten zu einer 180°-Umkehr gezwungen werden.
2. Rußabscheider nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -Ic e n n z e i c h n e t , daß im Bereich der 180°-Gasumlenlcseite (7) des zylindrischen Gehäuses (1) innerhalb des Abstands zwischen der Eintritts-Stirnfläche (10) dos inneren Strömungskanals (5) und der inneren Stirnseite (7) des zylindrischen Gehäuses (1), oder seines Verlängerungsdeckels eine radial von außen nach innen ragende gleichachsig zur Gehäuseachse ausgebildete Strömungseinschnüruncr. insbesondere eino Blende (11) zur Begünstigung des Abgasaufpralls auf die Stirnseite (7) des Gehäuses (1) und des Ausfalls von Rußteilchen in den Turbulonzbereichon des Gasumkehrraumes vorgesehen ist.
3. Rußabschoider nach den Anspriichen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der inneren Stirnseite (7) des zylindrischen Gehäuses (1) gleichachsig zur Gehäuseachse oin vorzugsweise mit Oberflächenfiltermaterial ummantelter oder aus Durchgangsfiltermaterial bestehender Spitzkegel (8) in mehr oder weniger großem Abstand (+a oder -a) zur Eintrittsstirnfläche des inneren Strömungskanals angeordnet ist.
4. Rußabscheider nach den Ansprüchen 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich der Gasumlenkseite (7) des zylindrischen Gehäuses (1) ein Luftzufuhrkanal (12) vorgesehen ist.
5. Rußabscheider nach den Ansprüchen 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Abschlußdeckel (13) am zylindrischen Gehäuse (1) vorgesehen ist, welcher mit einer hitzebeständigen Filtermaterial-Packung (14) als Durchgangsfiltermaterial für die Abgase gefüllt ist und daß die Eintrittsfläche (15) für die Abgase einen mehr oder weniger großen Abstand (16) von der Eintrittsstirnfläche (10) des inneren Strömungskanals (5) hat.
6. Rußabscheider nach den Ansprüchen 1 - , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n c t , daß die Filtermaterial-Packung (14) aus Durchgangsfilterschichten unterschiedlicher Porosität und/oder aus zusätzlichen Heizwendelschichten zur Nachverbrennung von zurückgehaltenem Ruß aufgebaut ist.
7. Rußabscheider nach den Ansprüchen 1 - 5, d a d u r c h g e k o n n Z e i c h n c t , daß das zylindrische Gohause (1) nach außen wärmeisoliert ist.
8. Rußabscheider nach den Ansprüchen 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das zylindrische Gohäuse (1) als Doppelrohr ausgeführt ist und eine wärmehemmende Isolationszwischenlage aufweist.