DE3017784A1 - Diesel-motor mit russfilter - Google Patents

Diesel-motor mit russfilter

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DE3017784A1
DE3017784A1 DE19803017784 DE3017784A DE3017784A1 DE 3017784 A1 DE3017784 A1 DE 3017784A1 DE 19803017784 DE19803017784 DE 19803017784 DE 3017784 A DE3017784 A DE 3017784A DE 3017784 A1 DE3017784 A1 DE 3017784A1
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DE19803017784
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English (en)
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Walter Ing.(grad.) 8600 Bamberg Hornung
Claus Dipl.-Ing. 8720 Schweinfurt Waker
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ZF Sachs AG
Original Assignee
Fichtel and Sachs AG
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    • F01N2330/06—Ceramic, e.g. monoliths

Description

  • Diesel-Motor mit Rußfilter
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Diesel-Motor, insbesondere zum Antrieb einer Wärmepumpe, wobei im Abgasstrom nach dem Austritt aus dem Zylinder eine mit einem Rußfilter versehene und mit Fremdenergie versorgte Nachverbrennungskammer für den im Abgas enthaltenen Ruß angeordnet ist.
  • Nachteilig beim Diesel-Motor ist, daß es bei nicht optimalen Brennbedingungen zu einer relativ hohen Rußemission kommt. Dies beruht insbesondere darauf, daß örtlich Sauerstoffmangel vorhanden ist. Gemessen an der Rußemission von blfeuerungen beträgt die eines Diesel-Motors ein Mehrfaches. Beim Einsatz von Diesel-Motoren zum Antrieb von Wärmepumpen zur Heizungs- und Warmwasserversorgung, beispielsweise von Ein- und Zweifamilienhäusern, wird eine möglichst geringe Rußbildung angestrebt, die ohne nach dem Motor im Abgasstrom angeordnete Anlagen bisher nicht technisch realisierbar ist. So wurde es bekannt, Filteranlagen in den Abgasstrom einzubauen, die jedoch einer ständigen Wartung bedürfen und somit recht problematisch sind, da dieselmotorisch angetriebene Wärmepumpen innerhalb eines kurzen Zeitraumes hohe Betriebsstunden aufweisen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Konstruktionen zu vermeiden und eine Reinigungsanlage zu schaffen, die den im Abgas vorhandenen Ruß auf einfache Weise beseitigt und mit einem Minimum an Wartungsaufwand auskommt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die der Nachverbrennungskammer zugeführte Fremdenergie durch elektrische Energie gebildet ist und Heizspiralen mit dem Rußfilter in Verbindung stehen. Die zur Rußverbrennung in der Nachverbrennungskammer.erforderliche Temperatur muß größer als 500°C sein, wobei zur Durchführung der Kohlenstoffoxydation - Ruß ist Kohlenstoff - der hierzu erforderliche Sauerstoff vorhanden sein muß.
  • Reicht der im Abgas noch vorhandene Sauerstoffanteil zur Verbrennung des Rußes in CO2 nicht aus, so kann der Nachverbrennungskammer gezielt Luft zugeführt werden.
  • Für die Verbrennung des Rußes ist von großer Wichtigkeit, daß eine ausreichend große Reaktionszeit vorhanden ist. Dies wird im wesentlichen dadurch erreichte daß sich der Ruß auf einer die Verbrennungstemperatur aufweisenden Fläche niederschlägt. Ein solches Abscheiden des Rußes aus dem Abgasstrom wird entsprechend einem Merkmal der Erfindung erzielt, indem.die Nachverbrennungskammer einen langen Gaskanal auSweist, der von einem porösen Material begrenzt ist. Im Vergleich zu den anderen Abgaskomponenten weist der Ruß das höchste spezifische Gewicht aufs so daß dieser durch Fliehkraft abgeschieden werden kann. Eine solche Fliehkraftabscheidung wird flach der Erfindung dadurch erzielt, daß der Gaskanal schraubenförmig zur Achse der Nachverbrennungskammer geführt ist und an seinem äußeren Durchmesser der aus porösem Material bestehende Filter angeordnet ist. Dabei hat das als Filter bezeichnete Bauteil nicht die Aufgabe, den gesamten Gasstrom durchzulassen, sondern dient als Niederschlagswand für den Ruß und ist gasdurchlässag sowie mit einer rauhen Oberfläche versehen, damit bessere Haft-und Abscheidebedingungen für den Ruß geschaffen werden.
  • Eine sehr einfache Ausbildung des Gaskanals wird erzielt, indem entsprechend der Erfindung dieser ein schraubenförmig ausgebildetes Leitblech besitzt.
  • Wie ein weiteres Merkmal der Erfindung zeigte sind die Heizspiralen in Aussparungen des aus porösem Material bestehenden und im wesentlichen rohrförmig ausgebildeten Filters angeordnet. Dadurch wird nicht nur eine sehr innige Verbindung zwischen den Heizspiralen und dem Filter erzielt, sondern gleichzeitig auch eine Beschädigung der Heizspiralen weitgehend vermieden. Eine sehr einfache Ausbildung der Heizspiralen wird entsprechend einem weiteren Merkmal dadurch erzielt, daß die Aussparungen im Filter gewindeartig angeordnet sind, so daß die Möglichkeit besteht, eine einzige Heizspirale über die gesamte Länge des Filters zu verwenden.
  • Die der Nachverbrennungskammer zugeführte elektrische Energie wird erfindungagemäß einer vom Motoraggregat unabhängigen Stromquelle entnommen. Als Stromquelle kann bei einer stationären Anlage, wie dies eine Wärmepump-e darstellt, der elektrische Strom dem Netz entnommen werden, wodurch es möglich ist, vor dem Anlaufen des Diesel-Motors die Nachverbrennungskammer auf die zur Rußverbrennung erforderliche- Temperatur aufzuheizen. Um andererseits vom Stromnetz unabhängig zu sein, erhält man entsprechend der.Erfindung eine Ausführungsvariante dadurch, daß die elektrische Energie aus einem als Puffer wirkenden Batteriespeicher entnommen wird. Die Ladung der Batterie erfolgt in der üblichen Weise über eine mit dem Diesel verbundene Lichtmaschine.
  • Damit nicht mehr Energie als zur Verbrennung des Rußes erforderlich ist, der Nachverbrennungskammer zugeführt wird, ist entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal die Zufuhr der elektrischen Energie durch einen Thermostat gesteuert, dessen Temperaturfehler in der Nachverbrennungskammer angeordnet ist.
  • Durch dieerfindungsgemäße Beschichtung des Filters mit einem Oxydationskatalysator wird eine Verbesserung der -Rußverbrennung erzielt.
  • Um die der Nachbrennkammer zugeführte Energie und auch die durch die Rußverbrennung freiwerdende Wärmemenge zumindest größtenteils zu.rAckzugevinnen, ist der Nachverbrennungskammer ein WErmetauacher nachgeschaltet.
  • Wie ein weiteres Merkmal der Erfindung zeigt, ist in der Nachverbrennungskanlmer im Bereich der gereinigten Abgaszone ein Abgasrü'ckführungsanschluß angeordnet. Eine solche Abgasrckführung dient zur Reduzierung der NOx-Emission.
  • Anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird der Aufbau und die Wirkungsweise der Nachverbrennungskammer nachfolgend näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Nachverbrennungskammer und Fig. 2 einen Querschnitt im Bereich der Kanäle, welche den Ringraum mit dem Innenraum verbinden Der nicht gezeichnete Diesel-Motor eignet sich besonders gut als Antrieb für Wärmepumpen, wobei die mechanische Arbeit zum Antrieb des Verdichters dient und die beim Verbrennungsvorgang entstehende Wärine mittels Wärmeaustauscher größtenteils zurückgewohnen wird.
  • Da sowohl der Diesel-Motor als auch die Wärmeaustauscher hinreichend bekannt sind, wird sowohl in den Zeichnungen als auch in der nachfolgenden Beschreibung nicht näher darauf eingegangen.
  • Die in den Zeichnungen dargestellte Nachverbrennungskammer 1 hat die Aufgabe, die Rußemsson der Diesel-Maschinen wesentlich zu Verringern.
  • Die Nachverbrennungskammer 1 besitzt den Einlaßstutzen 2 für das vom Diesel-Motor kommende Abgas. In den Innenraum 4 ragt das den Auslaßstutzen 3 bildende Rohr, welches stirnseitig verschlossen ist, und das schraubenförmig ausgebildete Leitblech 8 trägt. Im Bereich der gereinigten Abgas zone des Innenraumes 4 sind radiale oeffnungen 9 im Rohr des Auslaßstutzens 3 vorgesehen. Durch das Leitblech 8 wird der Gaskanal 5 gebildet, der im Bereich des Sußeren Durchmessers vom Filter 6 begrenzt ist. Dieser Filter 6 besteht aus gasdurchlässiger, poröser Keramik. Um die zur Rußverbrennung notwendige Verbrennungstemperatur zu schaffen, ist in Aussparungen lO des Filters die Heizspirale 7 eingelassen, die über entsprechende Anschlüsse mit elektrischer Energie versorgt wird. Im Behälter 11 ist der Filter 6 durch Abstandsringe 12, die im vorliegenden Fal.l einstückig mit dem Filter 6 ausgebildet sind, zentriert. Dabei entsteht der Ringraum 13, welcher über Kanäle 14 mit dem Innenraum 4 im Bereich der gereinigten'Abgaszone verbunden ist. Zur partiellen Rückführung der Rauchgase in den Ansaugstutzen des Desel-Motors.ist in der Nachverbrennungskammer 1 ein AbgasrAckPAhrungsanschluß 15 vorgesehen. Im Filter 6 befindet sich außerdem der Temperaturfühler 16 eines Thermostatschalters Da die Verbrennung dea aus fast reinem Kohlenstoff bestehenden Rußes zu CO2 bei Temperaturen, die größer als etwa 500 0C sind, und entsprechender Sauerstoffzufuhr erfolgt, wird vor dem Start des Diesel-Motors die Nachverbrennungskammer 1 über die im Filter 6 angeordneten ünd mit elektrischer Energie versorgten Heizspiralen auf die erforderliche Verbrennungstemperatur gebracht. Das Erreichen der Verbrennungstemperatur wird durch den Temperaturfühler 16 signalisiert, der über eine entsprechende Steuerung den Start des Diesel-Motors freigibt. Gerade in der Anlaufphase entsteht ein sehr hoher Rußanteil im Abgas. Dieses Abgas tritt über den Einlaßstutzen 2 in den Innenraum 4 der Nachverbrennungskammer 1. Durch das auf dem Rohr des Auslaßstutzens 3 befindliche Leitblech 8 wird im Gaskanal 5 dem Abgas eine Rotationsbewegung aufgezwungen. Das im Verhältnis zu den restlichen Abgaskomponenten hohe apezifische Gewicht des Rußes bewirkt, daß dieser durch die Fliehkraft gegen die auf Verbrennungstemperatur gebrachte Innenwand des Filters 6 geschleudert wird und infolge des Restsauerstoffgehaltes im Abgas verbrennt. Dabei kann dem Innenraum 4 zur besseren Oxydierung des Rußes gezielt Luft zugeführt werden. Zur besseren Oxydation des Rußes bei etwas niedrigeren Temperaturen kann der Filter mit einem Oxydationskatalysator beschichtet werden. Bedingt durch den recht langen Gaskanal 5 wird eine hohe Einwirkzeit und eine ausreichende Sauerstoffzufuhr zur Verbrennung des Rußes erzielt. Die sich im Ringraum 13 infolge der Gasdurchlässigkeit des Filters 6 ansammelnden Gase können über die Kanäle 14 in den Bereich der gereinigten Abgaszone des-Innenraums 4 zurückströmen.
  • In diesem Bereich des Innenraumes 4 strömt das von Ruß bereinigte Abgas über die radialen oeffnungen 9 in den Auslaßstutzen 3. Ebenfalls im Bereich der gereinigten Abgaszone befindet sich der Abgasrückführungsanschluß, durch welchen die partielle Rückführung der Rauchgase in den Ansaugstutzen des Motors erfolgt. Bei Erreichen der erforderlichen Verbrennungstemperatur wird die Zufuhr von elektrischer Energie durch den Temperatur fühler 16 abgeschaltet. Ent8prechend schaltet dieser Temperaturfühler 16 bei Unterschreiten der Verbrennungstemperatur die Zufuhr elektrischer Energie ein.
  • Um die im Abgas enthaltene Wärme und somit auch die der Nachverbrennungskammer zugeführte Fremdenergie und die bei der Rußverbrennung entstehende Wärme größtenteils wieder zurück zu gewinneun, ist dem Auslaßstutzen 3 ein Wärmetauscher nachgeschaltet.
  • Der W§rmetauscher und die Nachverbrennungskammer können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden.

Claims (8)

  1. Patentansprüche Diesel-Motor, insbesondere zum Antrieb einer Wärmepumpe, wobei im Abgasstrom nach dem Austritt aus dem Zylinder eine mit einem Rußfilter versehene und mit Fremdenergle versorgte Nachverbrennungskammer fUr den im Abgas enthaltenen Ruß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die der Nachverbrennungskammer (1) zugeführte Fremdenergie durch elektrische Energie gebildet ist und Heizspiralen (7) mit dem Rußfilter (6) in Verbindung stehen.
  2. 2. Diesel-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachyerbrennungskamrner (1) einen langen Gaskanal (5) aufweist, der von einem porösen Material (6) begrenzt ist.
  3. 39 Diesel-Motor nach den AnsprUchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (5) achraubenförmig zur Achse der Nachverbrennungskammer (1) geführt iat und an seinem äußeren Ende der aus porösem Material hestehende Filter (6) angeordnet ist.
  4. 4« Diesel-Motor nach den Ansprechen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskanal (5) ein schraubenförmig ausgebildetes Leitblech (8) angeordnet ist.
  5. 5. Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hezspiralen (7) in Aussparungen (10) des aus porösem Material bestehenden und im wesentlichen rohrförmig ausgebildeten Filters (6) angeordnet sind.
  6. 6. Diesel-Motor nach den Ansprechen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (10) im Filter (6) gewindeartig angeordnet sind.
  7. 7, Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 is 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische- Energie einer vom Motoraggregat unabhängigen Stromquelle entnommen wird.
  8. 8. Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenno chnet, daß die elektrische Energie aus einem als Puffer wirkenden Batteriespeicher entnommen wird 9q Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der elektrischen Energie durch einen Thermostat gesteuert ist, dessen Temperaturfühler (16) in der Nachyerbrennungskammer (1) angeordnet ist.
    10. Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Filter (6) an seinen Enden mit Abstandsringen (12) versehen ist und mit der Innenwand d'es Behälters (11) einen Ringraum (13) bildet, welcher im Bereich des Gasaustritts mit dem Innenraum (4) der Nachbrennkammer (1) über Kanäle (14) in Verbindung steht.
    11* Diesel-Motor nach. den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (6) mit einem Oxydationskatalysator beschichtet. ist.
    12, Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (6) aus porösen, gasdurchlässigem Keramikmaterial besteht.
    13q Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (6) aus einem gasundurchlässigen Material gebildet ist.
    14. Diesel-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverbrennungsknmmer (1) ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
    15e Diesel-Motor nach den Anspruche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachverbrennungskammer (1) im Bereich der gereinigten Abgaszone ein Abgasrückführungsanschluß (15) angeordnet ist.
    16. Diesel-Motor nach den AnsprUchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (11) der NachverbrennungskPmmer (1) durch einen Wärmeisolationswerkstoff gebildet ist.
    17. Diesel-Motor nach den Anspruche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolationswerkstoff Keramik ist.
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