DE3402960A1

DE3402960A1 - Filtersystem fuer dieselmotorabgase

Info

Publication number: DE3402960A1
Application number: DE19843402960
Authority: DE
Inventors: Vemulapalli Durga Nageswar 48013 Bloomfield Township Mich. Rao; Wallace R. 48018 Farmington Hills Mich. Wade
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-02-03
Filing date: 1984-01-28
Publication date: 1984-08-09
Also published as: GB2134409B; GB2134409A; CA1210335A; US4494375A; GB8402713D0; DE3402960C2

Description

Patentanmeldung P " -" "--' ' ' ^; Ford/US-1336/23. Jan. 1984

-y-v.

Patentanmeldung

Filtersystem für Dieselmotorab gase
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtersystem für Dieselmotorab gase zum Festhalten und fallweisen Entfernen von oxyidierbaren Feststoffpartikeln.

Bei der heutigen Motorentechnologie können Abgase von Dieselmotoren etwa 0,37 g/km (0,6 gm/mile) Feststoffpartikel aufweisen. Für 1985 sind in den Vereinigten Staaten Abgasvorschriften vorgesehen, die nur 0,12 g/km (0,20 gm/mile) Feststoffpartikel im Abgas zulassen. Diese strengeren Abgasvorschriften können nur eingehalten werden, wenn ein Filtersystem für diese Feststoffpartikel vorgesehen wird. Für solche Filtersysteme ist es bereits bekannt starre oder faserförmige Keramikmaterialien, oder Drahteinsätze zu verwenden, wobei jedes Material eine eigene Filtercharakteristik aufweist. Einige dieser Materialien wurden mit

Katalysatoren überzogen, um die Veraschung zu fördern, doch die Anordnung solcher Oberzüge als Beschichtung des gesamten Filtermaterials führte nicht zu einer wirksamen Verringerung der Veraschungstemperatur und erzeugte unerwünschte Sulfate.

Die Fest stoff partikel, die mit dem Abgas austreten, können im Filtersystem nicht für die gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges festig
gehalten werden, da sich hierbei ein Volumen von ungefähr 0,56 m (20

3
ft ) bei einer Fahrtstrecke von 160.900 km (100.000 miles) ergibt.

Bei zunehmendem Festhalten der Feststoffpartikel im Filtersystem wird hierbei auch der Strömungswiderstand im Abgassystem erhöht. Daher werden Einrichtungen erforderlich, die fallweise für ein Entfernen der festgehaltenen Feststoffpartikel sorgen. Die wirksamste Methode hierzu ist die thermische Oxydation der kohlen stoff artigen Feststoffpartikel, die bei einer Temperatur von etwa 600 ° C (1.200° F) veraschen.

Patentanmeldung P - '·-" ^: Ford/US-1336/23. Jan. 1984

Die Abgastemperatur eines normalen Dieselmotors erreicht jedoch während des normalen Betriebes nur sehr selten diese Temperatur. Daher ist es erforderlich, eine Hilfseinrichtung vorzusehen, die eine Temperaturerhöhung auf die erforderliche Veraschungstemperatur ermöglicht. Solche

Hilfsvorrichtungen können aus einem mit Kraftstoff betriebenen Brenner, siehe US-PS 4 167 852 und JP-PS 55-19 934, bestehen, einer elektrischen Heizeinrichtung, siehe US-PS 4 270 936, 4 276 076 und 4 319 896, oder aus Verstimmungseinrichtungen bestehen (die mit den oben erwähnten Einrichtungen kombiniert werden können), um die Temperatur der Abgase

fallweise auf die erwünschte Veraschungstemperatur zu erhöhen, siehe US-PS 4 211 075 und 3 499 269. Diese Möglichkeiten wurden bisher benutzt, um die im Filtersystem über einen längeren Zeitraum festgehaltenen Feststoffpartikel fallweise zu entfernen, in dem sie unter

Sauerstoff oxydiert wurden.
15

Bei den bekannten Filtersystemen wurde hierbei während des Regeneriervorganges das Filtermaterial nach wie vor vom Abgas durchströmt, siehe US-PS 4 257 225 und 4 167 852, oder das Filtermaterial wurde während des Regeneriervorganges von den Abgasen voll umgangen,

wobei diese nicht gereinigt wurden, siehe JP-PS 55-19 934, 1980.

Bei den erstgenannten Filtersystem zeigte es sich, daß dies unvorteilhaft war, da eine erhebliche Energiezufuhr erforderlich war, um die gesamte Abgasmenge auf die für den Regeneriervorgang erforderliche Temperatur

zu erhitzen, obwohl bei einem normalen Betrieb das gesamte Filtersystem nicht voll benutzt wird. Bei dem zweitgenannten Filtersystem zeigte es sich, daß es unvorteilhaft ist, daß während des Regeneriervorganges keine Filterung erfolgt und daß für den abgeleiteten Abgasstrom zusätzliche Abgasdämpfer vorgesehen werden müssen, die wieder während

des normalen Betriebes nicht benutzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filtersystem der eingangs erläuterten Art zu schaffen, das die Ausnützung des gesamten Filtermaterials während der Filterung und während der Regenerierung er-

möglicht, bei dem die erforderliche Energiezufuhr zur Erreichung der Veraschungstemperatur so niedrig gehalten wird, daß lediglich ein

Patentanmeldung P- --' "-. '--' Ford/US-1336/23. Jan. 1984

Einleiten der Oxydation bewirkt wird und diese sich dann in einer exothermen Reaktion ohne weitere Energiezufuhr fortsetzt und bei der eine einfachere Steuerung, die unabhängig von Betriebszuständen des Motors arbeitet, möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird ein Filtersystem für Dieselmotorabgase geschaffen, bei dem ein Festhalten der Feststoffpartikel während des normalen Betriebes durch das gesamte Filtermaterial erfolgt, bei dem jedoch während des Regeneriervorganges nur eine geringe Energiezufuhr erforderlich ist, um nur einen Teil des Filtermaterials auf die erforderliche höhere Veraschungstemperatur zu bringen, worauf der weitere Re generier vor gang durch die exotherme Reaktion der oxydierbaren Feststoffpartikel fortgesetzt wird.

Gemäß der Erfindung weist hierbei ein Filtersystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erläuterten Art die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 aufgezeigte Kombination von Merkmalen auf.

In den Patentansprüchen 2 bis 12 sind weitere Einzelheiten und zweck-

massige Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.

Durch die erfindungs gemäß en Maßnahmen wird sichergestellt, daß das gesamte Filtermaterial während des normalen Betriebes des Dieselmotors zur Filterung der Abgase benutzt werden kann und daß auch während

des Regeneriervorganges eine ausreichende Filterung des Abgases sichergestellt wird.

Weiterhin wird der zur Erzielung der Veraschungstemperatur erforderliche Energieaufwand soweit wie möglich gering gehalten.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Figur gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt eine perspektivische Phantomansicht eines Filter-

systems gemäß der Erfindung.

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-X-I-

Das in der Figur gezeigte Filtersystem 10 besteht im wesentlichen aus einer Filtereinrichtung 11, einer Oxydiereinrichtung 12 und einer Strömungssteuereinrichtung 13. Die Filtereinrichtung 11 weist ein Filterelement 14 auf, das wirksam ist, um wesentliche Teile der im Abgas

enthaltenen Feststoffpartikel festzuhalten. Das Filterelement 14 kann hierbei vorzugsweise aus einem starren oder faserigen Kermikmaterial, wie Aluminium silikat oder mullartigem Aluminiumtitanat oder Dichroit bestehen. Auf jeden Fall weist das Filtermaterial 14 einen im wesentlichen

honigwabenförmigen Querschnitt bekannter Art auf.
10

Das Filterelement 14 ist in einen ersten Filterteil 15 und einen zweiten Filterteil 16 aufgeteilt, die voneinander durch eine horizontale Trennwand 17 getrennt sind. Die beiden Filterteile 15 und 16 sind in einem Filtergehäuse 18 angeordnet, das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht. Das Filterelement 14 ist hierbei unter Zwischenschaltung einer Isolation 19 vom Filtergehäuse 18 umfaßt.

Das Filterelement 14 weist hierbei ein durchschnittliches Volumen von 1,6

2
bis 3,6 1 und eine Eintrittsquerschnittfläche 9 von 96 bis 161 cm bei einem Dieselmotor mit 2,3 1 Hubraum auf.

Es ist vorteilhaft, das Filterelement 14 mit einem Oxydationskatalysator, wie z. B. fein verteiltem Platin oder Palladium zu überziehen und zwar auf eine Tiefe von etwa 2,5 bis 5 cm von der Eintrittsquerschnittsfläche

9, um ein Entzünden des Ruß zu erleichtern. Das Festhalten der Feststoff partikel im Filterelement 14 erfolgt hierbei durch Abscheidung, d. h. Feststoffpartikel, die größer oder annähernd gleich sind der mittleren Porengröße des Filtermaterials 14 werden festgehalten. Die Herstellung solcher Filtermaterialien ist an sich bekannt und wird daher hier nicht im einzelnen erläutert.

Die Oxydiereinrichtung 12 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Brenner 50, der über einen Trichter 51 zum Kanal 22 eines Einlaß 21 führt. Über eine Leitung 42 wird dem Brenner 50 Dieselkraft-

stoff für eine Brennerdüse 53 zugeführt, in deren Bereich eine Zündeinrichtung 54 angeordnet ist, um das zündfähige Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden.

Patentanmeldung P--- "--" *--" "--" " Ford/US-1336/23. Jan. 1984

-X-g.

Der von dem Dieselmotor kommende Abgasstrom wird über eine Leitung 55 einem Kanal 23 am Einlaß 21 zugeführt und der Abgasstrom wird am Ende des Filtersystems über einen Trichter 56 einer Abgasleitung zugeleitet .

Der Brenner 50 ist in der Lage, einen erhitzten Gasstrom von einer Temperatur zwischen 565 bis 787° C (1.050 bis 1.450° F) zu erzeugen. Dieser erhitzte Gasstrom wirkt auf die Eintrittsquerschnittsfläche 9 des Filterelements 14 ein und entzündet die hier festgehaltenen Ruß- bzw. Feststoffpartikel, wobei der in diesem Bereich aufgetragene Oxydationskatalysator diese Reaktion fördert. Sobald die exotherme Oxydation der Feststoffpartikel in Gang gekommen ist, wird die Energiezufuhr zum Brenner 50 eingestellt und der weitere Regeneriervorgang läuft durch den fortschreitenden exothermen Oxydations-

Vorgang ab, bis die gesamte Menge der im Filterelement festgehaltenen Fe st stoff partikel verbrannt sind.

Die Strömungssteuereinrichtung 13 wirkt mit der horizontalen Wand 17, die die beiden Filterteile 15 und 16 voneinander trennt, zusammen und

weist einen Strömungsteiler 20 auf, der im normalen Betrieb die gesamte Abgasmenge durch beide Filterteile 15 und 16 strömen läßt, der jedoch wahlweise das Abgas nur durch den einen Filterteil (z. B. 15) strömen läßt während er den erhitzten Gasstrom von der Oxydiereinrichtung 12

durch den anderen Filterteil (z. B. 16) strömen läßt.
25

Im einzelnen besteht der Strömungsteiler 20 aus dem Einlaß 21 mit zwei getrennten Kanälen 22 und 23, die beide mit beiden Filterteilen 15 und 16 in Verhbindung stehen. Der eine Kanal 22 erhält den erhitzten Gasstrom von der Oxydiereinrichtung 12 und der andere Kanal 23 erhält den

Abgasstrom. Die Strömungssteuereinrichtung 13 weist eine Ventileinrichtung 24 auf, die aus einem Paar Ventilklappen 25 und 26 auf einer gemeinsamen Betätigungsachse 27 besteht. Jede der Ventilklappen 25 und 26 ist in jeweils einem der Kanäle 22 und 23 angeordnet und werden

wechselseitig betätigt.
ί

Patentanmeldung? ■'-■' *■-" "-·" ^: Ford/US-1336/23. Jan. 1984

Befindet sich daher die Betätigungsachse 27 in einer ersten Stellung (wie in der Figur gezeigt), so kann der erhitzte Gasstrom von der Oxydiereinrichtung 12 ungehindert den unteren Filterteil 16 beaufschlagen während der Abgasstrom durch den oberen Filterteil 15 geführt wird. In

einer zweiten Stellung der Betätigungsachse 27 wird der erhitzte Gasstrom in den oberen Filterteil 15 geführt während der Abgasstrom den unteren Filterteil 15 durchströmt.

Eine Betätigungseinrichtung 30 mit einem Winkelhebelarm 41 und zwei Solenoiden 42 und 43 ist vorgesehen, um die Betätigungsachse 27 in ihre beiden unterschiedlichen Stellungen zu bringen.

Vorzugsweise sind hierbei die beiden Filterteile 15 und 16 im Volumen gleich groß gehalten und der Regeneriervorgang innerhalb eines Filterteiles benötigt lediglich eine Zeitspanne von 1 bis 8 Minuten während der alle oxydierbaren Feststoffpartikel verbrannt werden. Das Filterelement weist hierbei vorzugsweise ein Volumen von 0,8- bis 2,5-facher Größe des Hubraumes des Dieselmotors auf. Der erhitzte Gasstrom soll hierbei etwa ein Strömungsvolumen von 0,056 bis 1,132 cm /-

3

min. (2 bis 40 ft /min.) besitzen, wohingegen das Strömungsvolumen des Abgasstromes vorzugsweise zwischen 0,849 bis 2,548 cm /min. (30 bis 90 ft /min.) liegt. Das geringere Strömungsvolumen während des Regeneriervorganges vermeidet einen überhöhten Rückdruck infolge des verringerten Durchfluß querschnitts. Während eines Betriebes des

Dieselmotors ist es wünschenswert, daß die Abgastemperatur im

Filterelement möglichst hoch gehalten wird, d. h. daß sie etwa zwischen 176 und 260° C (350 bis 500° F) liegt, das Filtersystem ist jedoch auch bis hinab zu einer Abgastemperatur von etwa 65,5 C (150 F)

funktionsfähig.
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- Leerseite -

Claims

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Patentansprüche

Filtersystem für Dieselmotorabgase zum Festhalten und fallweisen Entfernen von oxydierbaren Feststoffpartikeln, gekenn zeichnet durch die Kombination:

a) einer Filtereinrichtung (11) mit einem Filterelement (14) zum Festhalten und Ansammeln eines wesentlichen Anteils der im Abgas enthaltenen Feststoff partikel;

b) einer Oxydiereinrichtung (12) zum Erzeugen eines Gasstroms, der durch Energiezufuhr erhitzt wird und durch

zumindest einen Teil des Filterelementes (14) geführt

wird, um die Feststoff partikel zu entzünden;

c) einer Strömungssteuereinrichtung (13), die das Filterelement (14) über eine horizontale Wand (17) in einen

ersten Filterteil (15) und einen zweiten Filterteil (16)

aufteilt und die einen Strömungsteiler (20) aufweist, der

im Normalbetrieb den Abgasstrom durch beide Filterteile (15 und 16) führt und fallweise über Ventilklappen (25 und 26) den Abgasstrom nur durch den einen Filterteil

(15) und den erhitzten Gasstrom durch den anderen

Filterteil (16) und umgekehrt führt.
2. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem

erhitzten Gasstrom durch die Oxydiereinrichtung (12) nur solange

Energie zugeführt wird, bis die Feststoff partikel an der Eintrittsquerschnittsfläche (9) des jeweiligen Filterteiles (15 bzw. 16) entzündet werden und hierauf die Energiezufuhr beendet wird.

Patentanmeldung P -' '--' " - Ford/US-1336/23. Jan. 1984
3. Filtersysten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filterteil (15) und der zweite Filterteil (16) des Filterelementes (14) im wesentlichen gleiches Volumen aufweisen.
4. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

erhitzte Gasstrom aus einem brennbaren Gemisch von Luft und Kraftstoff besteht, das gezündet wird.
5. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

erhitzteGasstrom aus einem brennbaren Gemisch von Abgas und Kraftstoff besteht, das gezündet wird.
6. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Oxydiereinrichtung (12) derart ausgelegt ist, daß die Feststoffpartikel in einem Filterteil (15 bzw. 16) des Filterelementes

(14) während einer Zeitspanne von 1 bis 8,5 Minuten verbrannt

werden.
7. Filtersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strömungssteuereinrichtung (13) bestehend aus:
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a) einem Einlaß (21) mit zwei getrennten Kanälen (22 und 23), die beide Filterteile (15 und 16) des Filterelementes (14) im Normalbetrieb beaufschlagen und von denen einer

den erhitzten Gasstrom von der Oxydiereinrichtung (12)

und der andere den Abgasstrom führt;

b) einem Strömungsteiler (20) mit zwei Ventilklappen (25 und 26), die jeweils in einem der beiden getrennten Kanäle (22

bzw. 23) angeordnet und auf einer gemeinsamen Betäti-

gungsachse (27) angeordnet sind und derart wechselseitig

betätigbar sind, daß in einer ersten Stellung der erhitzte

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Gasstrom in den einen Filterteil (16) und der Abgasstrom in den anderen Filterteil (15) geleitet wird, wohingegen in einer zweiten Stellung der erhitzte Gasstrom in den anderen Filterteil (15) und der Abgasstrom in den einen Filterteil (16) geführt wird.
8. Filtersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das

Filterelement (14) aus einem honigwabenförmigen Keramikmaterial besteht.
9. Filtersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an

der Betätigungsachse (27) ein Winkelhebelarm (41) angeordnet ist, der über Solenoide (42 und 43) betätigbar ist, um den Strömungsteiler (20) zwischen seiner ersten und seiner zweiten Stellung zu bewegen.
10. Filtersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das

Strömungsvolumen des erheblichen Gasstroms während des Renge-

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neriervorganges etwa 0,056 bis 1,1328 cm /min. (2 bis 40 ft /-min.) und der Abgasstrom eine Volumenströmung von etwa 0,849

bis 4,248 cm³/min. (30 bis 150 ft³/min.) aufweist.
11. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchflußwiderstand des Filterelementes (14) im Normalbetrieb nicht größer als 0,2 bar ist.

12'. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Abgastemperatur im normalen Betrieb des Dieselmotors im Filterelement (14) nicht unter 65,5° C (150° F) abfällt.