DE3729367A1 - Vorrichtung zur partikel-verbrennung in der abgasanlage eines dieselmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rußpartikel- Verbrennung in der Abgasanlage eines Dieselmotors.

Bekanntlich enthalten die Abgase von Dieselmotoren neben den gasförmigen Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid, Kohlen­ wasserstoff-Verbindungen und Stickoxiden, auch organische und anorganische Partikeln. Diese Partikeln bestehen im wesentlichen aus Kohlenstoff, kondensierbaren und an Kohlen­ stoff angelagerten Kohlenwasserstoff-Verbindungen, Schwefel- Verbindungen sowie sonstigen Teilchen. Aus Gründen des Um­ weltschutzes versucht man, einen möglichst hohen Anteil dieser im Abgasstrom enthaltenen Partikeln zurückzuhalten. Hierzu werden Filtersysteme eingesetzt, in welchen sich die Partikeln bis zu einem bestimmten Beladungsgrad ansammeln sollen und welche danach durch eine sogen. Filterregenera­ tion wieder in einen für den einwandfreien Betrieb des Mo­ tors erforderlichen Zustand gebracht werden.

Diese Regeneration muß spätestens beim Erreichen des zuläs­ sigen Abgas-Gegendruckes durchgeführt werden. Bekannt sind hierfür mehrere Methoden, bei welchen die oxidierbare Par­ tikelbeladung verbrannt wird. Falls die Abgase beim Aus­ tritt aus dem Motor eine ausreichend hohe Temperatur auf­ weisen, kann dies durch Selbstentzündung erfolgen. Eine andere Maßnahme besteht darin, eine zusätzliche externe Be­ heizung oder eine Fremdzündung vorzunehmen. Des weiteren kann eine Partikeln-Verbrennung durch Senkung der Selbst­ entzündungstemperatur durch Katalyse oder Zugabe von oxidationsfördernden Mitteln erfolgen. Diese Maßnahme wird im Hinblick darauf ausgeführt, daß die Zündtemperatur des Rußes an sich relativ hoch liegt. Die katalytische Be­ schichtung führt unter günstigen Bedingungen aber bereits zu einem Abbrand bei Temperaturen unterhalb dieses Bereichs, so daß auf eine externe Zündhilfe verzichtet werden kann.

Bei verschiedenen Betriebszuständen eines Dieselmotors liegt die Temperatur der Abgase trotzdem noch immer unter­ halb der Zündtemperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Rußpartikelverbrennung der eingangs genannten Art an­ zugeben, mit welcher die Temperatur der Partikeln auf ein­ fache Weise erhöht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein ringförmiger Strömungskanal mit einem tangentialen Eintritt und mit einer radialen Leiteinrichtung vorhanden ist, daß der Leit­ einrichtung in Strömungsrichtung ein zylinderförmiger Aus­ trittsraum mit einem axialen Austritt nachgeschaltet ist, und daß im Strömungskanal Drahtgestrick angeordnet ist, das Reibungswiderstand für die durchströmenden Partikeln er­ zeugt.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß die kynetische Energie der mit hoher Geschwindigkeit aus dem Motor austretenden Partikeln durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt wird, die zu einer Erhöhung der Partikeltempera­ tur führt. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist es hierbei möglich die Partikelntemperatur bis zu 80°C zu er­ höhen. Die Erfindung hat den Vorteil, daß Rußpartikeln auch dann durch Selbstentzündung verbrannt werden, wenn die Ab­ gastemperatur beim Austritt aus dem Motor unter dem Zünd­ punkt liegt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich in der Startphase Rußpartikeln im Drahtstrick ansam­ meln können und daß diese nachfolgend verbrannt werden, wenn das Drahtgestrick durch die Reibungwärme genügend aufgeheizt ist. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß ein Vorschalldämpfer entfallen kann. Ein Kraftstoffmehrver­ brauch oder ein Leistungsverlust wird vermieden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die radiale Leiteinrichtung aus einem Spiralgehäuse besteht. Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, daß die radiale Leiteinrichtung aus Leitlamellen besteht, die tangential oder radial ausgerichtet sind.

Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Leiteinrichtung aus einem dickwandigen, mit einer Vielzahl von Durchtritts­ öffnungen versehenen Hohlzylinder aus katalytisch beschich­ tetem Material besteht, daß dieser Hohlzylinder mit dem Drahtgestrick umwickelt ist, und daß um das Drahtgestrick ein Ringraum zur Zirkulation der Partikeln vorhanden ist. Alternativ kann dieser Hohlzylinder auch aus einer Schaum­ keramik ausgebildet sein.

Zur mechanischen Stabilisierung des Drahtgestricks und des hochporösen Hohlzylinders kann es zweckmäßig sein, daß das Drahtgestrick mit einem Lochblechmantel umgeben ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß die mit hoher Geschwindig­ keit aus dem Motor austretenden Partikeln Drahtgestrick oder poröses Material abtragen.

Es kann auch vorteilhaft sein, das Drahtgestrick mit kata­ lytischem Material zu beschichten. Auf diese Weise kann der hochporöse Hohlzylinder verkleinert oder eingespart werden. Als weitere Alternative für die radiale Leiteinrichtung ist es möglich, zwischen dem zylinderförmigen Austrittsraum und einem äußeren Ringraum das Drahtgestrick in der Form eines Hohlzylinders anzuordnen und den inneren und äußeren Zylin­ dermantel aus Lochblech herzustellen.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß nach dem Austritt ein weiteres Drahtgestrick quer zur Strömungsrichtung ange­ ordnet ist, in welchem eventuell noch unverbrannte Par­ tikeln oxidiert werden.

Die Verbrennung wird ferner dadurch gefördert, daß der Strömungskanal mit einer Sauerstoffzuführung versehen ist. Vorzugsweise umfaßt die Zuführung einen Wärmetauscher am Motorgehäuse und/oder an der Abgasanlage.

Für den Fall, daß die Leiteinrichtung aus radial, tangen­ tial oder spiralförmig ausgerichteten Leitflächen besteht, ist es besonders vorteilhaft, daß im zylinderförmigen Austrittsraum ein von den Abgasen angetriebenes Schaufel­ rad angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird das Umlen­ ken und Ausströmen des Abgases in axialer Richtung er­ leichtert. Zusätzlich kann an der Welle des Schaufelrades eine Hilfsenergie abgegriffen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter be­ schrieben.

Fig. 1, 2 u. 4 zeigen jeweils in einer teilweise angeschnittenen perspektivischen Ansicht schematisch eine Vor­ richtung zur Rußpartikelverbrennung in der Abgas­ anlage eines Dieselmotors.

Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der Vorrichtung gem. Fig. 2.

Die Fig. 1 veranschaulicht ein zylinderförmiges Gehäuse 1 aus rostfreiem Edelstahl in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Motorblock 2 eines Dieselmotors, mit welchem es über Abgas-Austrittsstutzen 3 verbunden ist. Die Abgase werden tangential in einen ringförmigen Strömungskanal 4 eingeleitet, in welchem sie gemäß Pfeilen 5 um einen schichtweise aufgebauten Hohlzylinder 6 strömen. Auf diese Weise gelangen die im Abgas enthaltenen Partikel groß­ flächig in Kontakt mit der Manteloberfläche des Hohlzylin­ ders 6 und dessen Schichten.

Der Hohlzylinder 6 besteht von außen nach innen aus einem Lochblechmantel 7, einer Wicklung aus Drahtgestrick 8 und aus einem mit interkonnektierenden Poren versehenen, ka­ talytisch beschichteten Material 9. Der Hohlzylinder 6 umschließt einen zylinderförmigen Austrittsraum 10 mit einem axialen Austritt 11, der mit einem Ausgangsrohr 12 verbunden ist. Der Lochblechmantel 7 ist bevorzugt aus rostfreiem Stahl gefertigt.

Bei dieser Konstruktion werden die Abgase und die darin enthaltenen Partikeln radial von außen durch den Hohlzylin­ der 6 geleitet und treten dann axial in das Ausgangsrohr 12 aus.

Bei ihrer Zirkulation um den Hohlzylinder 6 erzeugen die Partikeln am Lochblechmantel 7 und insbesondere am Draht­ gestrick 8 Reibungswärme, die zu einer Aufheizung der Par­ tikeln, des Lochblechmantels 7 und des Drahtgestricks 8 führt. Bei genügender kynetischer Energie wird das Draht­ gestrick zum Glühen gebracht. Diese Temperaturerhöhung und der katalytische Zusatz führen dazu, daß die Selbstent­ zündungstemperatur der Rußpartikeln erreicht wird. Beim Durchtritt durch den Hohlzylinder 6 werden also die Ruß­ partikeln verbrannt.

Das Drahtgestrick 8 hat die Funktion eines Wärmespeichers. Zugleich dient es auch als elastische Lagerung für das ka­ talytische Material 9, welches mechanisch relativ empfind­ lich ist, wenn es als poröse Schaumkeramik ausgeführt ist.

Das Drahtgestrick 8 kann in einer einzigen Lage oder in mehreren Lagen um das katalytische Material 9 gewickelt sein. Grundsätzlich ist auch möglich anstelle des Drahtgestricks 8 Stahlwolle zu verwenden.

Zur Förderung des katalytischen Effekts kann das Drahtge­ strick 8 auch mit katalytischem Material beschichtet sein.

Zur Nachreinigung der Abgase und zur Nachverbrennung von eventuell noch vorhandenen Rußpartikeln ist im Ausgangs­ rohr 12 quer zur Strömungsrichtung eine Einlage aus wei­ terem Drahtgestrick 13 angeordnet, das in einem Käfig aus rostfreien Gittersieben 14 oder Lochblech umgeben ist. Daran schließt sich nach einem Zwischenraum 15 eine wei­ tere, quer zur Strömungsrichtung angeordnete Einlage aus hochporösem katalytischem Material 16 oder aus einem ka­ talytisch beschichteten Wabenkörper an. Das weitere Drahtgestrick 13, welches mit katalytischem Material be­ schichtet sein kann, dient wie das Drahtgestrick 8 als Wärmespeicher und Glühkörper, welche die Rußpartikel­ verbrennung begünstigen.

In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß diese Teile im einzelnen nicht weiter erläutert werden. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel verläuft der Strömungskanal 4 spiralförmig, wobei das Gehäuse 1 als Spiralgehäuse ausgebildet ist. In die Spirale ist eine lose Schicht aus Drahtgestrick 8 einge­ legt, welches mit katalytischem Material beschichtet ist. Die Verbrennung der Rußpartikeln im Abgas des Dieselmotors wird wiederum dadurch gefördert, daß aufgrund der Teil­ chenreibung am Drahtgestrick 8 Reibungshitze entsteht, welche die Rußpartikeln in den Selbstentzündungstemperatur­ bereich bringt. Durch Zusatz des katalytischen Materials wird dieser Bereich abgesenkt. Um Reibungswärme zu erzeugen, kann die Oberfläche des Gehäuses 1 auch angerauht sein. Im Austrittsraum 10 ist eine Welle 17 koaxial zum Gehäuse 1 angeordnet. Sie trägt ein Schaufelrad 18, welches von dem aus dem Spiralgehäuse austretenden Abgas angetrieben wird. Die Steigung des Schaufelrades 18 ist so gewählt, daß die Abgase aus dem Austrittsraum 10 in das Ausgangs­ rohr 12 geblasen werden.

Zusätzlich ist an einem Wellenende 19 eine Antriebsscheibe 20 drehfest angebracht, die als Hilfsantrieb dienen kann.

Eine Ansicht des Schaufelrades 18 in Achsrichtung zeigt Fig. 3.

Die Fig. 2 veranschaulicht ferner eine Sauerstoffzufüh­ rung in die Austrittsstutzen 3, mit welchen eine Sauer­ stoffanreicherung des Abgases vor dem Eintritt in das Gehäuse 1 zur Unterstützung des Verbrennungsvorgangs vor­ genommen wird. Die Sauerstoffzuführung umfaßt einen Ver­ teiler 25 sowie eine erste und zweite Zuleitung 21, 22. Die erste Zuleitung 21 führt von einem ersten Wärmetau­ scher 23 unmittelbar am Motorblock 2 zu einem zweiten Wärmetauscher 24, der in Form einer Spirale stromabwärts nach dem Einsatz 16 im Ausgangsrohr 12 angeordnet ist. Von dort wird der vorgewärmte Sauerstoff über die zweite Zuführleitung 22 in den Verteiler 25 geleitet. Die Tempe­ ratur des zugeführten Sauerstoffs wird somit einerseits durch die Motorwärme und andererseits durch die Abgas­ wärme erhöht.

Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausbildungsform des Hohlzylinders 6′, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Er besteht hierbei aus einem äußeren Lochblechmantel 7 und einem Lochblech-Innenmantel 26, beide bevorzugt aus rost­ freiem Edelstahl. Dazwischen befindet sich Drahtgestrick 8, das in mehreren Lagen aufgewickelt sein kann. Das Drahtgestrick 8 ist mit katalytischem Material zur Senkung der Selbstentzündungstemperatur der Rußpartikel beschich­ tet. Auch dieser Hohlzylinder 6 hat die Funktion einer Leiteinrichtung, welche die um den Hohlzylinder 6 mit hoher Geschwindigkeit zirkulierenden Partikeln radial von außem nach innen in den Austrittsraum 10 lenkt, der vom Lochblech-Innenmantel 26 begrenzt ist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Rußpartikel-Verbrennung in der Abgasanlage eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Strömungskanal (4) mit einem tangentialen Eintritt und mit einer radialen Leit­ einrichtung vorhanden ist, daß der Leiteinrichtung in Strömungsrichtung ein zylinderförmiger Austritts­ raum (10) mit einem axialen Austritt (11) nachge­ schaltet ist und daß im Strömungskanal (4) Drahtge­ strick (8) angeordnet ist, das Reibungswiderstand für die durchströmenden Partikeln erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Leiteinrichtung aus einem Spiralge­ häuse besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Leiteinrichtung aus Leitlamellen be­ steht, die tangential oder radial ausgerichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung aus einem dickwandigen, mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen versehenen Hohlzylinder aus katalytisch beschichtetem Material (9), insbesondere aus einer Schaumkeramik besteht daß dieser Hohlzylinder mit dem Drahtgestrick (8) um­ wickelt ist, und daß um das Drahtgestrick (8) ein Ring­ raum zur Zirkulation der Partikeln vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgestrick (8) mit einem Lochblech-Mantel (7) umgeben ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung aus einem inneren und äußeren Lochblech-Mantel (7, 26) besteht, zwischen welchen das Drahtgestrick (8) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austritt (11) ein weiteres Drahtgestrick (13) quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgestrick (8) und/oder das weitere Draht­ gestrick (13) mit katalytischem Material beschichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoff-Zuführung für den Strömungskanal (4) vorhanden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Zuführung einen Wärmetauscher (23, 24) am Motorgehäuse und/oder an der Abgasanlage um­ faßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im zylinderförmigen Austrittsraum (10) ein von den Abgasen angetriebenes Schaufelrad (18) angeord­ net ist.