DE3627734A1 - Dieselrussfilter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Dieselrußfilter
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Das erfindungsgemäße Dieselrußfilter entfernt
aus den mit Ruß beladenen Abgasen einer
Dieselmotoranlage Rußpartikel. Damit wird
eine Gefahrenquelle für die Umgebung einer
solchen Anlage bzw. die in ihrer Nähe
befindlichen Personen entschärft bzw.
beseitigt. Dieselrußpartikel haben nämlich
einerseits aufgrund ihrer stofflichen
Zusammensetzung eine große Oberfläche, an
der sich zahlreiche chemische Substanzen,
darunter auch die als Karzinogen bekannten
chemischen Verbindungen anlagern, welche bei
der Verbrennung des Dieselkraftstoffes in der
Brennkraftmaschine freigesetzt werden.
Andererseits sind die Rußpartikel klein und
daher lungengängig. Darauf beruht ihre
erhebliche Gesundheitsschädlichkeit. Abgesehen
hiervon ist die Verschmutzung und die
Kontaminierung der umgebenden Atmosphäre durch
die Rußpartikel von Dieselmotoranlagen nicht
tolerierbar.
Die Erfindung ist anwendbar auf Kraftfahrzeuge
und Verkehrsmittel, die mit Dieselmotoren
ausgerüstet sind, läßt sich aber auch auf
stationäre Dieselmotoren anwenden. Das
Zylindergehäuse wird im allgemeinen in das
Auspuffsammelrohr einer solchen Dieselmotoranlage
eingebaut. Das erfolgt so, daß alle Abgase durch
den Abgaseinführungsstutzen des Gehäuses
einströmen und die von den Rußpartikeln befreiten
Abgase durch den Abgasabführungsstutzen das
Gehäuse verlassen. Das keramische Gitter besteht
vorzugsweise aus einem Monoblock von poröser
Struktur, z.B. aus Magnesium-Aluminium-Silikat
und an ihren Enden verschlossenen Kanälen, welche
die einströmenden Abgase durch die Poren des
Monoblocks zwingen, in denen die Rußpartikel
hängenbleiben. Solche keramischen Filter verstopfen
nicht, weil sich der Ruß durch Abbrennen beseitigen
läßt, sobald sich im Filter eine ausreichend hohe
Temperatur eingestellt hat. In dem erfindungsgemäßen
Dieselrußfilter lassen sich die für die Verbrennung
der Rußpartikel erforderlichen, relativ hohen
Temperaturen auf unterschiedliche Weise sicher
stellen: Neben motorinternen Maßnahmen mit dem
Ziel einer Erhöhung der Abgastemperatur und
Maßnahmen im keramischen Gitter mit dem Ziel der
Absenkung der Verbrennungstemperaturen kommen bei
dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter auch besondere
Wärmequellen zur Erhöhung der Abgastemperatur in
Betracht.
Die Anwendung von Dieselrußfiltern insbesondere
auf dem Gebiet der Nutzfahrzeugmotoren hängt
wesentlich davon ab, wie die geforderte
Abscheidung der Rußpartikel die Filter ohne
nennenswerte Leistungseinbußen und ohne
Verbrauchsverschlechterung an Kraftstoff herge
stellt werden kann. Die Anforderungen, die der
Gesetzgeber an die Reinhaltung der Luft stellt,
verschärfen sich. Sie haben für Dieselmotoranlagen
Emissionswerte erreicht, welche eine Absenkung der
Emissionen nur mit einer Abgasnachbehandlungs
einrichtung gestattet. Setzt man hierfür
Dieselrußfilter ein und erhöht man deren
Abscheidungswirkungsgrad entsprechend, so muß
gleichwohl die Erhöhung des Filterwiderstandes
in Grenzen gehalten werden, um den Gegendruck
der Auspuffanlage nicht zu stark anwachsen zu
lassen.
Die Erfindung geht von einem vorbekannten
Dieselrußfilter aus. Hierbei münden beide
Abgasstutzen axial in das zylindrische, mit
konischen Deckeln versehene Blechgehäuse. In
diesem ist der walzenförmige Monolith mit axial
angeordneten Gitterkanälen koaxial angeordnet.
Die Filterwirkung beruht daher allein auf der
Porengröße des Keramikfilters. Bei starken
Rußanfall wird das Gitter entsprechend
hoch beansprucht, wodurch entsprechend häufig
abgebrannt werden muß. Da grundsätzlich im
Dieselmotor relativ niedrige Temperaturen erzeugt
werden, erreichen die Abgase nur bei Vollast oder
im oberen Teillastbereich die für die selbsttätige
Verbrennung der Rußpartikel notwendigen
Temperaturen, die regelmäßig bei 500 bis 600 Grad C
liegen. Infolgedessen muß der Filterwiderstand
zur Erhöhung der Abgastemperatur dienen,
vergrößert aber gleichzeitig den Gegendruck der
Auspuffanlagen und wirkt daher leistungsmindernd.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Abscheidungswirkungsgrad des als bekannt
vorausgesetzten Dieselrußfilters zu verbessern,
ohne daß dadurch die Motorleistung nennenswert
herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausführungs
formen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung führt die tangentiale
Einströmung der Abgase in den dem Gitter
vorgeschalteten, innen rotationssymmetrischen
Keramikhohlkörper durch die Bewegungsenergie der
Abgase zu einer Drallströmung, welche infolge der
Massenbeschleunigung die Rußpartikel nach außen
treibt, die auf der inneren Oberfläche des
Keramikhohlkörpers abgebremst und abgelagert
werden. Das gilt wegen der höheren Masse
vorzugsweise für die gröberen Rußpartikel, die
deshalb das keramische Gitter nicht erreichen, so
daß in diesem vorzugsweise die feineren
Rußpartikel abgeschieden werden. In dem
erfindungsgemäßen Dieselrußfilter findet demnach
eine Vorklassierung der Rußpartikel statt, die
eine erhebliche Erhöhung des Abscheidungswirkungs
grades insbesondere bei den in den Abgasen
enthaltenen kleinsten und wegen ihre Lungengängig
keit auch gefährlichsten Rußpartikel zur Folge
hat.
Die auf der Innenwand des hohlzylindrischen,
keramischen Monoblocks zurückgehalten Rußpartikel
werden bei entsprechender Abgastemperatur
verbrannt. Dadurch tritt die Regeneration des
Dieselrußfilters auch im Bereich der
Vorklassierung ein. Diese entzieht der
Strömungsenergie der Abgase nur einen geringen
Anteil und verbraucht daher auch nur ein geringes
Druckgefälle. Deswegen verursacht das
erfindungsgemäße Dieselrußfilter keine nennenswerte
Herabsetzung der Motorleistung, obwohl es
andererseits eine wesentliche Verbesserung des
Abscheidungswirkungsgrades herbeiführt.
Vorzugsweise und mit den Merkmalen des Patent
anspruches 2 vergrößert man die Zentripedal
beschleunigung im Keramikhohlkörper in
Strömungsrichtung, um dadurch ein größeres
Kornspektrum der gröberen Rußpartikel abdecken
zu können. In dieser Ausführungsform der Erfindung
werden beginnend von der Einströmseite im Hohlraum
des Keramikkörpers bis zu dem diesen verschließenden
keramischen Gitter gröbere Partikel mit zunehmender
geringerer Korngröße abgeschieden.
Mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 wird in
dem erfindungsgemäßen Dieselrußfilter die sich bei
einer offenen Einströmseite bildende, entgegen
gerichtete Axialströmung unterdrückt und gleichzeitig
eine Isolierung nach außen geschaffen, die erhebliche
Abgastemperaturen ohne Schaden für die Auspuffanlage
zuläßt. Das beruht darauf, daß die anstehenden
Abgase mit dem keramischen Deckel zurückgehalten
werden.
Die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung eignet
sich auch besonders für Maßnahmen, welche eine
Erhöhung der Abgastemperatur unbeschadet einer
etwaigen Modifizierung der Dieselbrennkraftmaschine
ermöglichen. Die Zusatzheizung läßt sich dann als
Strahlungsheizung ausführen, weil die Wärme
ebenfalls durch den keramischen Deckel zurückgehalten
wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung ist in Anspruch 4 dargestellt. Trotz
der auf die Rußpartikel einwirkenden Zentripedal
kräfte, die die schweren Partikel auf der Innenfläche
des Keramikhohlkörpers abscheiden, verbleiben immer
noch zu viele Rußpartikel in der achselnahen Zone
des Innenraumes des Hohlkörpers. Diese nicht
abgeschiedenen Teilchen gelangen auf das
keramische Gitter und setzen dieses sehr
schnell zu. Daher ist bei dieser alternativen
Ausführungsform in der Mitte des Gehäuses
ein sogenannter Verdrängerkegel eingebaut,
um den herum ein spiralförmiger Kanal vom
Abgaseinführungsstutzen bis in den freien
Raum unterhalb des keramischen Gitters
angeordnet ist. Dieser Kanal sorgt dafür, daß
so gut wie alle Rußpartikel am Keramikhohlkörper
abgeschieden werden. Zum Abbrand der abgeschiedenen
Partikel ist in dem Kanal eine Zusatzaufheiz
vorrichtung vorgesehen. Gemäß dem Anspruch 5
besteht diese Zusatzaufheizvorrichtung aus
einer in dem Kanal verlegten Heizspirale.
Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen
anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen
Fig. 1 das erfindungsgemäße Dieselrußfilter im
Längsschnitt (erste Alternative) und
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Gegenstand der
Fig. 1, welche im Schnitt längs der Linie
II-II der Fig. 1 gehalten ist.
Fig. 3 das erfindungsgemäße Dieselrußfilter im
Längsschnitt (zweite Alternative).
In einem aus Blech bestehenden Gehäuse (1), welches
rotationssymmetrisch zur Achse (14) ausgebildet
ist, befindet sich ein Keramikhohlkörper (2),
welcher ebenfalls innen, jedoch auch außen
rotationssymmetrisch ausgebildet ist und daher
das Blechgehäuse (1) auskleidet. Am Gehäuse (1)
befindet sich ein Abgaseinführungsstutzen (6),
welcher tangential in das Gehäuse und in den
Hohlraum (3) des Keramikhohlkörpers (2) mündet.
In axialer Richtung weist dagegen der am
gegenüberliegenden Gehäuseende angeordnete
Abgasabführungsstutzen (15). Vor dem
Abgasabführungsstutzen (15) ist ein keramisches
Gitter (4) angeordnet. Das keramische Gitter
bildet einen Deckel, welches den kleineren
Querschnitt des rotationssymmetrischen Keramik
hohlkörpers (2) verschließt. In dem keramischen
Gitter sind Axialkanäle ausgebildet, deren Enden
verschlossen sind. Dadurch werden die Abgase,
welche in Richtung des Pfeiles (9) der Fig. 2
eintreten und das Dieselrußfilter in Richtung
des Pfeiles (10) der Fig. 1 verlassen, durch die
Poren des keramischen Körpers gezwungen, welcher
den Deckel bildet.
Dem axialen Abgasabführungsstutzen (15) gegenüber
ist ein keramischer Deckel (8) angeordnet. Dieser
ist geschlossen porig ausgeführt und verschließt
den Hohlraum (3) des Keramikhohlkörpers (2).
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der
den größeren Querschnitt des keramischen
Hohlkörpers (2) verschließende Deckel (8) mit
einer elektrischen Zusatzheizung versehen. Diese
besteht aus einem Glühdraht (13), welcher in dem
Deckel (8) verankert ist und einem Anschluß (12)
für die elektrische Stromquelle.
Anstelle der dargestellten Zusatzeinrichtung kann
auch eine brennstoffbeheizte Heizung vorgesehen
werden.
Der Keramikhohlkörper (2) ist ebenso wie der Deckel
(8) geschlossenporig ausgebildet. Die von einem
Dieselmotor kommenden, mit Ruß beladenen Abgase
passieren den Abgaseinführungsstutzen (6) mit hoher
Geschwindigkeit. Durch die tangentiale Anordnung
des Abgaseinführungsstutzens (6) wird den mit Ruß
beladenen Abgasen eine Rotationsbewegung aufgeprägt,
welche aus der Fig. 2 ersichtlich und infolge
der Verjüngung des Hohlraumes (3) durch die
beschriebene rotationssymmetrische Form noch
verstärkt ist.
Die hierdurch auf die Rußpartikel aufgebrachte
Zentripedalbeschleunigung führt zur Abscheidung
der spezifisch schwereren Rußpartikel auf der
Oberfläche des Keramikhohlkörpers (2), sobald die
Rußpartikel die Oberfläche erreichen, auf der sie
abgebremst werden. Die feineren Rußpartikel, die
die Oberfläche des Keramikhohlkörpers (2) nicht
erreichen, gelangen mit den Abgasen in das keramische
Gitter (4), in dem sie abgeschieden werden.
Mit zunehmender Abscheidung der feineren Rußpartikel
auf der Porenoberfläche des keramischen Gitters (4)
steigt der Widerstand des Dieselrußfilters an.
Dadurch wächst die Abgastemperatur. Sobald die
Selbstentzündungstemperatur des Rußes erreicht
ist, verbrennen die abgeschiedenen Rußpartikel
auf dem Keramikhohlkörper (2) und in dem keramischen
Gitter (4). Das gilt auch für den sich hiernach
weiter ablagernden Ruß.
Der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff
wird dem Abgas vor Eintritt in den Filter
beigemischt, sofern nicht schon die Abgase hin
reichend Sauerstoffmengen enthalten. Die
vorgesehene Zusatzheizeinrichtung (12, 13)
gewährleistet, daß die Prozeßtemperatur schneller
erreicht wird.
Die Fig. 3 stellt eine alternative Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes dar. Dieser Filter
besteht wie der Filter gemäß Fig. 1 ebenfalls
aus einem Gehäuse (1), welches rotationssymmetrisch
zur Achse (14) ausgebildet ist. Darin befindet
sich ein Keramikhohlkörper (2), der das Blech
gehäuse (1) auskleidet. Am Gehäuse (1) befindet
sich ein Abgaseinführungsstutzen (6), welcher
tangential in das Gehäuse mündet. Weiterhin
ist ebenfalls ein keramisches Gitter (4)
vorgesehen, welches als Deckel den kleineren
Querschnitt des Keramikhohlkörpers (2) ver
schließt. Der größere Querschnitt des
Keramikhohlkörpers wird von dem Deckel (8)
verschlossen. In die zur Achse (14) zeigende
Wand des Keramikhohlkörpers (2) ist ein
spiralförmig verlaufender Kanal (24),
der einerseits am Abgaseinführungsstutzen (6)
mündet, andererseits in einem Raum (22)
unterhalb des keramischen Gitters (4).
Der zur Achse (14) hin offene Kanal (24)
wird von der Außenfläche (21)
eines kegelförmigen Keramikkörpers
(20) verschlossen, dessen Basis
auf dem Deckel (8) steht und dessen oberes
Ende den Raum (22) unterhalb des
keramischen Gitters (4) nach unten
abschließt. In den Kanal (24) ist diesem
folgend ein Heizdraht (26)
eingelegt. Dieser Heizdraht dient als Zusatz
aufheizvorrichtung. Die in den Abgaseinführungs
stutzen (6) eingeleiteten Abgase werden in den
Kanal eingeführt und bewegen sich mit hoher
Geschwindigkeit auf spiralförmiger Bahn in
Richtung des keramischen Filters (4). Somit
ist gewährleistet, daß kein Abgaspartikel in
die strömungsberuhigte Zone in der Nähe der
Mittellängsachse gerät, so daß praktisch alle
Rußkartikel infolge der Zentripedalkraft
auf der Wand des Keramikhohlkörpers (2)
abgeschieden werden. Somit ist eine längere
Lebensdauer und Einsatzbereitschaft insbesondere
des keramischen Gitters (4) gewährleistet.
Claims (9)
1. Dieselrußfilter, bestehend aus einem
Gehäuse mit einem Abgaseinführungs
und einem axialen Abgasabführungsstutzen,
sowie einem von den Abgasen durchströmten,
zwischen den Stutzen ausgebildeten
keramischen Gitter, welches Rußpartikel
zurückhält, deren Ansammlung im kerami
schen Gitter durch Verbrennung mit Hilfe
einer Aufheizung beseitigt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen
tangentialen Abgaseinführungsstutzen (6)
aufweist, welcher in einen Keramikhohlkörper
(2) mündet, auf dem sich durch Zentripedal
beschleunigung abgeschiedene gröbere Rußpartikel
absetzen, und daß das keramische Gitter (4)
zwischen dem Keramikhohlkörper (2) und dem
Abgasabführungsstutzen (15) angeordnet ist und
zum Zurückhalten der feineren Rußpartikel
dient.
2. Dieselrußfilter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umrißlinie des
Hohlraumlängsschnittes des Keramikhohlkörpers
(2) trapezförmig ist und das keramische
Gitter (4) einen Deckel bildet, der den
kleineren Querschnitt des keramischen
Hohlkörpers (2) verschließt.
3. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
tangentiale Abgaseinführungsstutzen (6)
unter einem keramischen Deckel (8) mündet,
der den größeren Querschnitt des keramischen
Hohlkörpers (2) verschließt.
4. Dieselrußfilter nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Gehäuse (1) koaxial ein sich
vom Deckel (8) nach oben konisch verjüngender
Keramikkörper (20) angeordnet ist, dessen
Außenfläche (21) eine Wand eines vom Abgas
einführungsstutzen (6) spiralförmig zu einem
Raum (22) unterhalb des keramischen Gitters
(4) verlaufenden Kanals (24) in der Keramikhohl
körperwand bildet und in dem Kanal eine
Zusatzaufheizvorrichtung (26) vorgesehen ist.
5. Dieselrußfilter nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zusatzaufheizvorrichtung
(26) aus einer in dem spiralförmigen Kanal
verlegten und diesem folgenden Heizspirale
besteht.
6. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem den
größeren Querschnitt des Keramikhohlkörpers
(2) verschließenden Deckel (8) im Hohlraum (3)
eine Zusatzaufheizvorrichtung (12, 13) vorge
sehen ist.
7. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Keramikhohlkörper (2) und seine Deckel (4 u. 8)
eine Auskleidung der Innenwand des Gehäuses
(1) bilden.
8. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzheizvorrichtung eine elektrische
Strahlungsheizung ist.
9. Dieselrußfilter nach einem der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzheizung brennstoffbeheizt ist.
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---|---|---|---|---|
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-
1986
- 1986-08-16 DE DE19863627734 patent/DE3627734A1/de active Granted
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EP0580005A3 (de) * | 1992-07-15 | 1994-02-09 | Linde Aktiengesellschaft | Verfahren und Abscheidesystem zur Entfernung von Partikeln aus Prozessgasen chemischer oder petrochemischer Anlagen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3627734C2 (de) | 1991-02-14 |
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