DE3529684A1 - Russfilter fuer dieselmotore - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Filter zur Entrußung der Abgase von Dieselmotoren, bei dem eine Vielzahl von porösen keramischen Flächen den Ruß mechanisch zurückhalten.

Filter der bekannten Art bestehen meist aus einem keramischen Filterkörper aus vielen, nebeneinander liegenden Kanälen, die an beiden Seiten, der Eingangsseite und der Ausgangsseite, gegeneinander versetzt durch Propfen verschlossen sind. Dadurch können die Abgase von der Eingangsseite des Filters in die Kanäle eintreten und die porösen Wandungen der Kanäle durchströmen. Sie treten sodann in die jeweils benachbarten Kanäle über und verlassen danach den Filter durch diese Kanäle an der Ausgangsseite. Durch die versetzte Abpfropfung an den beiden Filterenden wird somit eine sehr kleine Filteranordnung mit einer sehr großen Durchgangsfläche geschaffen.

Solche Filter haben jedoch den Nachteil, daß der Ruß nach einiger Zeit die Filterfläche bedeckt und dadurch verschließt. Dadurch wird der Abgasstrom verringert und schließlich ganz abgestellt.

Es müssen deshalb Mittel angewendet werden, die den Ruß aus der Filterfläche entfernen. Dazu kann beispielsweise der Ruß auf etwa 600 Grad erhitzt werden, so daß er sich entzündet und dann mit dem Sauerstoffrestgehalt des Abgases verbrennt.

Die erforderliche Aufheizung erfolgt meist mittels eines im Abgaskanal angeordneten Gasbrenners, weil mit solchen Gasbrennern eine ausreichende Erwärmung des Abgasstromes erreicht werden kann.

Der Aufwand für diese Anlagen ist beträchtlich, weil nicht nur Zündung und Abbrand unter den in dieser Umgebung ungünstigen Verhältnissen sicher erfolgen müssen. Es muß außerdem noch ein zweiter Energieträger, das Gas, mitgeführt werden.

Elektrische Heizungen sind andererseits zur Aufheizung weniger geeignet, weil dazu sehr hohe Stromstärken erforderlich sind. Das ist insbesondere bei ortsveränderlichem Betrieb, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, schon wegen der Erzeugung der elektrischen Energie, darüber hinaus aber auch wegen der hohen Ströme und der zu ihrer Steuerung benötigten Schaltelemente problematisch.

Beispielsweise sind etwa 10 KW elektrischer Energie nötig, um das Abgas eines 50 KW Dieselmotors auf Brenntemperatur zu bringen. Das führt bei den herkömmlichen 12 V Bordnetzen dann zu Strömen von etwa 1000 A. Solche Werte lassen sich nicht mehr mit praktikablem Aufwand beherrschen.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, den Abbrand der Rußbelegung des Filters zu erreichen, ohne daß hohe elektrische Ströme oder aufwendige Zusatzbrenner erforderlich sind.

Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß Teilsegmente des Filters mit elektrischen Heizelementen versehen sind und daß die die Teilsegmente durchströmende Abgasmenge segmentweise nacheinander elektrisch zur Entzündungstemperatur des Rußes aufheizbar sind.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß einmal die elektrische Leistung um Faktoren verringert werden, daß aber auch der Filterkörper geschont werden kann. Wird nämlich der gesamte Ruß auf einmal verbrannt, erhitzt sich der Filterkörper sehr stark und es kommt zu Schmelz- und Bruchvorgängen. Hingegen entstehen bei segmentaler Erhitzung solche Belastungen nicht. Außerdem kühlt sich in den Pausen zwischen den Schaltzeiten der Filter schnell ab. Der Vorteil der elektrischen Aufheizung, ohne bewegliche Teile auszukommen, bleibt jedoch bestehen.

Die Methode zum Betrieb des Filters besteht darin, daß die die Teilsegmente des Filters aufheizenden elektrischen Heizungen sequentiell eingeschaltet werden und daß diese Einschaltung in Intervallen wiederholt wird.

Das hat den Vorteil einer geringeren Belastung des Bordnetzes, vor allem der Batterie, deren Lebensdauer durch Stoßlasten besonders dann begrenzt wird, wenn keine Erholungspausen eingehalten werden können.

Das Ruhe-Arbeitsverhältnis eines Intervalls liegt bei kontinuierlicher Arbeitsweise vorzugsweise bei etwa 10 : 1, die Zykluslänge etwa 2 Minuten.

Die Einschaltungen können aber nicht nur in festen Intervallen erfolgen, sondern auch durch einen Sensor, beispielsweise durch einen Drucksensor für Differenzdruck bestimmt werden. Wenn nämlich der Rußanfall gering ist, wie bei Dauerbetrieb unter Optimallast, kann die Entrußung erst nach einigen Stunden erforderlich werden, so daß die Anordnung in der Zwischenzeit ausgeschaltet bleiben kann. Stellt der Drucksensor nämlich einen Druckanstieg des strömenden Abgases über dem Filter fest und schaltet er dann einen Abbrandzyklus über den gesamten Filterquerschnitt, - also über alle Heizdrähte nacheinander -, ein, dann ist dadurch eine Regelung der Entrußung entstanden, die sich jeweils dem Bedarf anpaßt, also optimierbar geworden ist.

In Ausführung der Erfindung sind mehrere elektrische Heizdrähte am Eingang des Filterkörpers vorgesehen.

Insbesondere sind diese Heizdrähte auf einem vom Filterkörper unabhängigen Heizungsträger angeordnet.

Das ist ein Vorteil für die Filtermontage, weil die Heizdrähte mit den Zuleitungen am Träger fertig verschweißt werden können und der Heizungsträger bei der Montage in das Blechgehäuse, das vorzugsweise als Teil der Abgasleitung ausgebildet sein kann, dem eigentlichen Filterkörper beigepackt werden kann.

Die Anordnung der Heizdrähte auf dem Heizungsträger kann parallel (bei Rechteckquerschnitt des Filters) oder radial sein (bei zylindrischem oder elliptischem Filter).

In der Zeichnung, anhand derer die Erfindung erläutert wird, zeigt

Fig. 1 ein halb aufgeschnittenes Filtergehäuse mit Heizungsträger,

Fig. 2 einen Querschnitt durch Filterkanäle,

Fig. 3 verschiedene Heizungsträger.

In Fig. 1 ist in einem Gehäuse 10 einer Abgasleitung 11 ein keramischer Filterkörper 12 angeordnet. Das Abgas A durchströmt den Filterkörper aus poröser Keramik. Dabei werden die Rußteilchen zurückgehalten. Ein Heizrahmen 15 trägt mehrere Heizdrähte 160, 161. ., die mit vorzugsweise angeschweißten elektrischen Zuleitungen 170, 171, . . versehen sind. Die Heizdrähte werden bei Betrieb einzeln für etwa 10 bis 20 Sek aufgeheizt. Dadurch werden auf dem jeweils dem Heizdraht gegenüberliegenden Segment 120 des Filters 12 durch das aufgeheizte Abgas und die Strahlungswärme der dort befindliche Ruß entzündet und dieser brennt sodann unter dem Druck des Abgases in die Filterkanäle des Segmentes hinein. Dadurch werden die Kanäle dieses Segmentes freigebrannt. Es entsteht dadurch kein weiterer Abfall, weil der den Ruß bildenden Kohlenstoff rückstandsfrei verbrennt. Dabei sind im Abgas keine beweglichen Teile, wie Klappen oder Steuermittel erforderlich.

Drucksensoren 20 können zur Überwachung des Filterzustandes verwendet sein. Ein Druckabfall entsteht erst, wenn der Widerstand durch Verrußung zu groß geworden ist.

In Fig. 2 ist dieser Vorgang im Einzelnen dargestellt: Das Abgas A tritt in die Einlaufkanäle 1200 ein, durchströmt dann die Stege 1201, die die Längswände der einzelnen Kanäle 1200 bilden und die aus Keramik einer solchen Porosität bestehen, daß die Rußteilchen des Abgasstromes abgefangen werden. Durch die Stege 1201, die diesen Ruß tragen, tritt das Abgas in die Auslaufkanäle 1205 ein und ist damit vom Ruß gereinigt. Die Kanäle sind in versetzter Anordnung durch Propfen 1202 verschlossen. Dadurch entsteht eine quer zum Abgasstrom liegende, aus vielen Einzelflächen bestehende Filterfläche. Die Heizelemente 160, 161. . heizen das Abgas A auf und es entsteht der gewünschte Abbrand an und in den Kanälen 1200, wenn die Temperatur von etwa 600 Grad erreicht worden ist.

In Fig. 3 sind separate Heizungsträger dargestellt. In einem keramischen Rahmen 15 sind die Heizdrähte 160, 161. . einzementiert und werden durch vorzugsweise angeschweißte Drähte 170, 171. ., die zweckmäßig als bewegliche Litzen ausgebildet sind, mit einer Schaltung 18, die nacheinander die Heizdrähte 160, 161. . einschaltet, verbunden, so daß jeder Einzeldraht mit wesentlich geringerer Heizleistung als bisher die Zündtemperatur des Rußes erreicht. Die Drucksensoren 20 können dazu verwendet werden, den Zyklus zur jeweils aufeinanderfolgenden Erhitzung der Drähte einzuleiten, so daß eine selbstoptimierte Entrußung abläuft.

Die Heizungsträger 15 sind in ihrer Form dem Querschnitt der Abgasleitung angepaßt und können rechteckig oder quadratisch sein oder andere Formen aufweisen.

Claims (8)

1. Keramisches Filter zur Entrußung der Abgase von Dieselmotoren, bei dem eine Vielzahl von porösen keramischen Flächen den Ruß mechanisch zurückhalten, dadurch gekennzeichnet, daß Teilsegmente (120. .) des Filters (12) mit elektrischen Heizungen (160, 161. .) versehen sind und daß die die Teilsegmente (120) durchströmende Abgasmenge (A) segmentweise nacheinander elektrisch zur Entzündungstemperatur des Rußes aufgeheizt wird.

2. Methode zum Betrieb des Filters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Teilsegmente (120) des Filters (12) aufheizenden elektrischen Heizungen (160, 161. .) sequentiell eingeschaltet werden und daß diese Einschaltung in Intervallen (18) wiederholt wird.

3. Methode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ruhe-Arbeitsverhältnis vorzugsweise etwa 10 : 1 beträgt und daß das Intervall eine Länge von etwa 2 Minuten hat.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zykluslänge durch Sensoren (20), beispielsweise durch Differenzdrucksensoren, bestimmt wird, die eine Schaltung (18) zur konsekutiven Einschaltung der Heizungen (160, 161. .) auslösen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrische Heizdrähte (160, 161. .) am Eingang des Filterkörpers (12) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdrähte (160, 161. .) auf einem vom Filterkörper ( 12) unabhängigen Heizungsträger (15) angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12) und die Heizung (15) als Teil der Abgasleitung (10, 11) ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdrähte (160, 161. .) auf dem Heizungsträger (15) parallel (bei Rechteckquerschnitt des Filters) oder radial (zylindrisches Filter) angeordnet sind.