DE3734197A1 - Einrichtung zum entfernen von festkoerperpartikeln, insbesondere russteilchen, aus dem abgas einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art, auch Abgasreinigungsvorrichtung genannt (DE-OS 35 26 074) besteht die Trennvorrichtung aus einem Agglomerator, auch elektrische Filterröhre oder elektrostatische Rußweiche genannt, und aus einem dem Agglomerator im Abgasstrom nachgeschalteten Fliehkraftabscheider, dem sog. Zyklon. Im Agglomerator ist ein elektrostatisches Hochspannungsfeld vorhanden, in welchem die Festkörperpartikel durch elektrische Aufladung zu größeren Agglomeraten koagulieren, die sich infolge ihres relativ großen Gewichtes aus dem Abgasstrom mechanisch gut abscheiden lassen. Die mechanische Abscheidung erfolgt in dem Fliehkraftabscheider oder Zyklon, dem der die Agglomerate enthaltende Abgasstrom mit relativ hoher tangentialer Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. In dem Fliehkraftabscheider wird eine Drehströmung hervorgerufen, durch welche sich die schweren Agglomerate an den Außenwänden niederschlagen und spiralförmig nach unten wandern, um von dort mit einem geringen Teil des einen Trägerstrom bildenden Abgasstromes als sog. partikelangereicherter Abgasnebenstrom der Entsorgungsvorrichtung zugeführt zu werden. Der größte Teil des Abgasstromes verläßt weitgehend partikelfrei als Kernströmung zentral den Fliehkraftabscheider und wird als Abgashauptstrom der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine zugeführt. Der mit Ruß und sonstigen Festkörper-Agglomeraten hoch beladene Abgasnebenstrom macht ca. 1% des weitgehend partikelfreien Abgashauptstromes aus.

Die Entsorgungsvorrichtung ist bei der bekannten Einrichtung als Verbrennungsvorrichtung konzipiert und besteht aus einer Brennkammer und einem Zündbrenner. Der als Tauchrohr ausgebildete Einlaßstutzen für den Abgasnebenstrom mündet frei im Innern der Brennkammer direkt vor einer Überströmöffnung in einer den Zündbrenner von der eigentlichen Brennkammer trennenden Kammerwand. Über die Überströmöffnung wird vom Zündbrenner her brennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer eingeführt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird bei Inbetriebnahme der Entsorgungsvorrichtung mittels eines Glühstiftes elektrisch entflammt, wonach die Flamme bei gesteuerter Gemischzufuhr selbsttätig fortbrennt. Die Flamme umfaßt das Ende des Tauchrohrs und brennt zusammen mit den über das Tauchrohr eingebrachten Festkörperpartikeln in der Brennkammer ab. Die Verbrennungsprodukte der verbrannten Festkörperpartikel und die übrigen Restgase, im allgemeinen insgesamt als gasförmige Abbrand bezeichnet, werden koaxial zum Tauchrohr über die Auslaßöffnung abgeleitet.

Wie Versuche gezeigt haben, kann mit einer solchen Entsorgungsvorrichtung mit sog. direkter Rußverbrennung bei instationären Verhältnissen der Brennkraftmaschine, wie diese insbesondere bei Verwendung der Brennkraftmaschine als Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge auftreten, ein nur mäßiger Wirkungsgrad erreicht werden, was insbesondere an der kurzen Verweilzeit der Ruß- oder Festkörperpartikel in der Brennkammer begründet liegt. Die kurze Verweilzeit bedingt aber auch eine sehr hohe Abbrandtemperatur von ca. 1000°C, was sich auf die Materialanforderungen für den Zündbrenner und der Brennkammer kostenungüstig auswirkt. Da die Entsorgungsvorrichtung keine Speichermöglichkeit für die eintretenden Festkörperpartikel aufweist, sondern diese direkt verbrannt werden, muß die Entsorgungsvorrichtung während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine ständig eingeschaltet werden. Der erforderliche Kraftstoffbedarf ist damit nicht unbeachtlich. Bei Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Leistungen muß die Entsorgungsvorrichtung an die individuelle Brennkraftmaschine angepaßt werden, um die für die optimale Rußverbrennung erforderliche Temperatur in der Brennkammer einhalten zu können. Diese Anpassung ist wegen der unterschiedlichen Abgasmengen und Abgastemperaturen konstruktiv aufwendig.

Bei einer ebenfalls bekannten Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen (DE-OS 31 21 274) wird der gesamte Abgasstrom durch einen in der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine eingebauten Filter hindurchgeleitet. In dem Filter werden jedoch nur die größeren Festkörperpartikel zurückgehalten, so daß der Entsorgungswirkungsgrad relativ ungünstig ist. Auf der Einlaßseite des Filters ist eine Brennkammer vorgesehen, in welcher mittels eines Zündbrenners eine Flamme erzeugt wird, welche die Oberfläche des Filters beaufschlagt. Die Entsorgungsvorrichtung wird intermittierend betrieben und immer nur dann eingeschaltet, wenn der Filter einen bestimmten Verschmutzungsgrad erreicht hat. Durch den intermittierenden Betrieb würde sich zwar gegenüber der erstgenannten Entsorgungsvorrichtung eine relativ große Kraftstoffersparnis ergeben, doch muß hier der gesamte Abgasstrom und nicht nur der extrem kleine Abgasnebenstrom auf die erforderliche Abbrenntemperatur gebracht werden. Damit liegt die erforderliche Brennerleistung wesentlich höher, was nicht nur einen mindest gleich hohen Kraftstoffverbrauch zur Folge hat, sondern auch große Zündbrenner erfordert. Bei im Abgasstrom angeordnetem Filter besteht außerdem ein relativ hohes Risiko der Filterzerstörung, wenn die Filterbeladung, z.B. durch zeitweisen Ausfall des Brenners oder aufgrund eines erhöhten Rußanfalls im Abgas, zu hoch wird und durch den anschließenden hohen Rußumsatz bei der Verbrennung das Filtermaterial thermisch überhitzt wird. Auch ist die Gefahr der Filterverstopfung durch nicht brennbare Festkörperpartikel nicht zu unterschätzen, die zu einer nur recht begrenzten Lebensdauer des Filters führt.

Bei einer ebenfalls bekannten Abgasreinigungseinrichtung (DE-OS 34 24 196) ist der partikelangereicherte Abgasnebenstrom ebenfalls einer Entsorgungsvorrichtung zugeführt, in welcher die brennbaren Festkörperteilchen verbrannt werden. Die Entsorgungsvorrichtung weist eine Brennkammer auf, in welche der Abgasnebenstrom axial eingeführt wird. In der Brennkammer ist ein elektrischer Heizkörper vorhanden, der von dem Abgasnebenstrom unter Luftbeimischung durchströmt wird. Hinter dem Heizkörper ist ein Filter angeordnet, mit dem lediglich in den Abbrandgasen enthaltene nicht brennbare Festkörperpartikel aufgefangen werden. Die elektrische Beheizung des Heizkörpers erfolgt permanent während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine. Eine solche elektrische Beheizung hat den Nachteil, daß hohe Ströme beherrscht werden müssen. Für 1000 W Heizleistung sind dies bei einer 12 V Anlage bereits 83 A. Die elektrische Beheizung ist daher nur für kleinere Abgasreinigungseinrichtungen geeignet und erfordert dann noch einen wesentlich größer ausgelegten Stromgenerator der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad. Durch die Trennung des Abgasstromes in einen partikelgereinigten Abgashaupt- und in einen partikelangereicherten Abgasnebenstrom und die Anordnung eines Filters in der mit einem Zündbrenner versehenen Brennkammer für den Abgasnebenstrom ist nur ein kleiner Filter erforderlich, der daher auch nur eine kleine Heizleistung zum Aufheizen benötigt. Die Filterfläche beträgt etwa nur ein Zehntel bis ein Viertel der eines im Gesamtabgasstrom angeordneten Filters. Der Filter erhöht durch seine Speicherwirkung zudem die Verweilzeit der Festkörperpartikel in der Brennkammer beträchtlich, so daß diese mit wesentlich geringerer Abbrenntemperatur, etwa 550°C, verbrannt werden können, die noch durch katalytische Beschichtung des Filters um weitere 200°C reduziert werden kann. Die Speicherwirkung des Filters ermöglicht außerdem einen intermittierenden Brennerbetrieb, wodurch der Kraftstoffverbrauch wesentlich reduziert wird. Insgesamt beträgt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die erforderliche Brennerleistung pro 100 kW Leistung der Brennkraftmaschine etwa 1-2 kW.

Der Entsorgungswirkungsgrad kann über die Wahl des Filtermaterials bestimmt werden und liegt bei ca. 90%. Das Filtermaterial ist durch die niedrigere Abbrenntemperatur wesentlich geringeren Belastungen ausgesetzt. Das gleiche gilt für die Brennermaterialien, so daß die Standzeiten der Brenn- und Filterkomponenten gemessen an der Kilometerleistung der Brennkraftmaschine wesentlich gesteigert werden kann.

Da der Filter von dem Abgasnebenstrom beaufschlagt wird, in welchem durch die vorgenannte Koagulation nur relativ große Festkörperagglomerate enthalten sind, kann der Filter großporig ausgeführt werden, so daß die Verstopfungsgefahr durch nichtbrennbare Festkörperpartikel gering ist. Auch der wesentlich geringere Abgasdurchsatz durch den sehr viel kleineren Abgasnebenstrom trägt zur Reduzierung der Verstopfungsgefahr bei. Verstopft der Filter trotzdem, so wird der Betrieb der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt, auch wenn eine Rußentsorgung dann nicht mehr gegeben ist, da der Abgasnebenstrom gesperrt ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Durch die tangentiale Zuströmung des Abgasnebenstroms in den Filtervorraum gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein gewisser Zykloneffekt erzielt, wodurch große und damit schwere Agglomerate bereits in dem Filtervorraum abgeschieden und verbrannt werden und nicht erst in die Filterkanäle gelangen. Dadurch wird die Verstopfungsgefahr des Filters weiter vermindert.

Besonders gering ist dabei die Verstopfungsgefahr von Filtern die gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Keramik-Monolithen mit vertikaler Durchströmungsrichtung ausgebildet sind, da die nicht brennbaren Bestandteile, wie Asche und Rost, sich im Filtervorraum sammeln. Durch die Fahrzeugerschütterungen wird außerdem das Loslösen von und das Herausfallen aus dem Filter von solchen nicht brennbaren Bestandteilen unterstützt. Der Zykloneffekt im Filtervorraum wird durch ebenfalls tangentiale Zuführung der Brennerflamme in den Vorfilterraum wesentlich verstärkt.

Durch die doppelwandige Ausbildung des Filternachraums in Form eines hohlkegelstumpfförmigen Abströmkonus für die Abbrandgase und die Einleitung des Abgasnebenstromes in die Hohlwand des Abströmkonus gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in einfacher Weise eine Wärmerückgewinnung erzielt, die insbesondere dann von Vorteil ist, wenn aus Einbaugründen zwischen Trennvorrichtung und Entsorgungsvorrichtung eine lange Verbindungsleitung erforderlich ist, die zu einer beträchtlichen Abkühlung des Abgasnebenstroms führen kann.

Wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Brennkammer zumindest im Bereich des Filters und des Filtervorraums mit einer Isolierschicht versehen, so werden weitere Wärmeverluste vermieden. Durch die konzentrische Anordnung von Filtervorraum, Filterraum und Filternachraum gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entsteht eine Temperaturschichtung in der Brennkammer, die eine solche Isolierung der Brennkammer überflüssig macht.

Wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Auslaßöffnung der Brennkammer an eine Abgasleitung angeschlossen, die im Abgashauptstrom über ein von diesem beaufschlagtes Venturirohr mündet, wird auch bei hoher Beladung des Filters eine für den Partikeltransport ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Abgasnebenstroms aufrecht erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Zündbrenner als Drallbrenner mit tangentialer Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr ausgebildet. Drallbrenner bieten eine ausreichende Standfestigkeit der Flamme über einen großen Bereich der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Die Luftversorgung erfolgt über ein Magnetventil aus einem Druckluftspeicher oder von einer elektromotorischen Luftpumpe, vorzugsweise Flügelzellenpumpe. Die Dosierung des Kraftstoffes wird mit einem getakteten Magnetventil oder einer Kraftstofförderpumpe vorgenommen. Im ersten Fall muß ein Druckbegrenzungsventil zum Aufstauen des Kraftstoffrücklaufes zum Kraftstofftank vorgesehen werden. Das Entflammen des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt durch eine Glühkerze. Die Flamme brennt bei ausreichendem Gemisch selbsttätig fort. Der Sauerstoff für die Rußverbrennung wird mit dem Abgasnebenstrom und dem Luftüberschuß aus dem Gemisch zur Verfügung gestellt. Dieses Sauerstoffangebot ist relativ begrenzt, so daß auch bei hoher Filterbeladung eine unkontrollierte Verbrennung nicht stattfinden kann und so die Gefahr des thermischen Überhitzens des Filters wirkungsvoll gebannt ist.

Wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein PI-Regler vorgesehen, der die zugeführte Kraftstoff­ und/oder Luftmenge in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal eines die Temperatur am Filter erfassenden Temperatursensors regelt, wird eine für die Verbrennung optimale Temperatur bei geringstem Kraftstoffverbrauch erzielt. Der Brenner kann dabei in kontinuierlichem Betrieb mit oder ohne Startverzug sowie in diskontinuierlichem Betrieb arbeiten. Letztere Betriebsart ist wegen besonders geringem Kraftstoffverbrauch vorzuziehen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt einer Brennkammer längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Brennkammer in der Einrichtung nach Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 einen Schnitt der Brennkammer längs der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 und 6 jeweils eine schematische Darstellung eines Längsschnittes der Brennkammer in Fig. 1 gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 einen Schnitt der Brennkammer längs der Linie VII-VII in Fig. 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das von einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine abgegebene Abgas gelangt über einen Agglomerator 10, auch elektrostatische Rußweiche oder Elektrofilterröhre bezeichnet, zu einer Trennvorrichtung 11 in Form eines Fliehkraftabscheiders, auch Zyklon genannt, an dessen einem Ausgang 12 ein weitgehend partikelfreier Abgashauptstrom und an dessen anderem Ausgang 13 ein mit zu Agglomeraten koagulierten Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, hochbeladener Abgasnebenstrom austritt. Der Agglomerator 10 und der Fliehkraftabscheider 11 sind in Aufbau und Wirkungsweise beispielsweise in der DE-OS 34 24 196 beschrieben. Der Ausgang 12 ist mit einer Abgashauptleitung 21 verbunden, die zu der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine führt, während der andere Ausgang 13 an eine Entsorgungsvorrichtung 14 angeschlossen ist.

Die Entsorgungsvorrichtung 14 umfaßt eine rotationssymmetrische Brennkammer 15 und einen sich daran koaxial anschließenden Zündbrenner 16. Die Brennkammer 15 ist in drei Räume unterteilt, und zwar in den kreiszylindrischen Filterraum 17, an dem sich auf der einen Seite ein Filtervorraum 18 und auf der anderen Seite ein Filternachraum 19 anschließt. Im Filterraum 17 ist ein Filter 42 aus einem beliebigen, für Rußfiltration erprobten Material eingesetzt. Als Materialien eignen sich Keramik-Monolithe, Keramikschäume, Keramikwickelfilter und Drahtgestrick-Filter. Filtervorraum 18 und Filternachraum 19 sind jeweils hohlkegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Filternachraum 19 einen Abströmkonus für die Abbrandgase vom Filterraum 18 und der Filtervorraum 18 einen Zuströmkonus für ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Filterraum 17 bildet.

Die querschnittskleinere Stirnöffnung des Filternachraums 19 bildet die Auslaßöffnung 20 für die Abbrandgase, die über eine Abgasnebenleitung 22 mit der Abgashauptleitung 21 verbunden ist. Vorzugsweise ist an der Mündungsstelle der Abgasnebenleitung 22 in der Abgashauptleitung 21 ein Venturirohr 23 angeordnet, so daß in der Abgasnebenleitung 22 ein gewisser Saugdruck erzeugt wird. Der Filternachraum 19 ist doppelwandig ausgebildet, wobei in dem dazwischen vorhandenen Hohlraum 24 einerseits ein Einlaßstutzen 25, der an dem Ausgang 13 des Fliehkraftabscheiders 11 angeschlossen ist, und andererseits ein Axialkanal 26 mündet (vergl. auch Fig. 2), der den Filterraum 17 durchzieht, vorzugsweise in dessen Wand verläuft, und mit einer Einlaßöffnung 27 tangential in den Filtervorraum 18 nahe dem Filterraum 17 eintritt. Durch diese konstruktive Gestaltung des Filternachraums 19 wird ein Wärmetauscher geschaffen, durch welchen der von dem Fliehkraftabscheider 11 kommende partikelbeladene Abgasnebenstrom vor Eintritt in den Filtervorraum 18 der Brennkammer 15 durch die den Filternachraum 19 durchströmenden heißen Abbrandgase aufgeheizt wird.

Die querschnittskleinere Stirnöffnung des als Zuströmkonus ausgebildeten Filtervorraums 18 bildet eine Überströmöffnung 28 zwischen Zündbrenner 16 und Brennkammer 15, durch welche das im Zündbrenner 16 erzeugte brennbare Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Filtervorraum 18 der Brennkammer 15 eintritt und dort mit dem Abgasnebenstrom verbrannt wird. Der Zündbrenner ist als an sich bekannter Drallbrenner mit tangentialer Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr ausgebildet. Ein solcher Drallbrenner ist beispielsweise aus der DE-OS 35 26 074 in Aufbau und Wirkungsweise bekannt. Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, erfolgt die Luftzufuhr über eine nahe der Überströmöffnung 28 angeordneten Zuströmöffnung 29. Die Verbrennungsluft wird gleichzeitig als Kühlluft für den Zündbrenner 16 eingesetzt, wozu die Wand des Brennerraums 30 doppelwandig ausgeführt ist und der dadurch gebildete Hohlraum einerseits mit der tangentialen Zuströmöffnung 29 in Verbindung steht und andererseits an eine Luftzuführleitung 31 angeschlossen ist, die zu einem Druckluftspeicher 32 führt. In der Luftzuführleitung 31 ist ein Magnetventil 33 angeordnet, das zur Dosierung der Verbrennungsluft von einer Regeleinrichtung 34 gesteuert wird. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt über eine Zuströmöffnung 35 mit ebenfalls tangentialer Zuströmrichtung, die an eine Kraftstoffversorgungsleitung 36 angeschlossen ist. Die Kraftstoffversorgungsleitung 36 mündet in einem Kraftstoffrücklauf 37, der über ein Druckbegrenzungsventil 38 mit einem Kraftstofftank 39 in Verbindung steht. Zur Dosierung des Kraftstoffes ist in der Kraftstoffversorgungsleitung 36 ein Magnetventil 40 angeordnet, das ebenfalls von der Regeleinrichtung 34 gesteuert wird. Anstelle von Druckluftspeicher 32 und Magnetventil 33 kann eine Luftpumpe, vorzugsweise eine Flügelzellenpumpe, verwendet werden. In gleicher Weise kann das Magnetventil 40 durch eine Kraftstofförderpumpe ersetzt werden. In diesem Fall kann das Druckbegrenzungsventil 38 entfallen. Flügelzellenpumpe und Kraftstofförderpumpe würden dann ebenfalls von der Regeleinrichtung 34 in ihrer Einschaltperiode gesteuert.

Das von der Regeleinrichtung 34 dosierte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird beim Starten der Entsorgungsvorrichtung 14 mittels einer Glühstiftkerze 41 oder eines Glühkörpers mit zusätzlicher Zündeinrichtung entflammt. Die Flamme brennt durch die Überströmöffnung 28 hindurch in den Filtervorraum 18 und bis in den Filterraum 19 hinein und bildet stromabwärts der Überströmöffnung 28 eine Entflammungszone. Die in dieser Entflammungszone vorhandenen brennbaren Festkörperpartikel, die sich entweder infolge ihrer Größe an den Wänden des Filtervorraums 18 abgesetzt haben oder im Filter 42 aufgefangen worden sind, werden verbrannt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte verlassen zusammen mit den Restgasen die Brennkammer 15 über die Auslaßöffnung 20 im Filternachraum 19. Nach der Entflammung brennt die Flamme laufend fort, so daß die elektrische Beheizung der Glühstiftkerze 41 wieder abgeschaltet werden kann. Ein als Thermoelement ausgebildeter Temperatursensor 43, der brennerabwärts nahe am Filter 42 angeordnet ist, überwacht die Oberflächentemperatur des Filters 42. Von der Regeleinrichtung 34, die vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet ist, wird mit Hilfe des Ausgangssignals des Temperatursensors 43 nunmehr die Kraftstoff- und Luftmenge so dosiert, daß die Temperatur am Filter 42 einen Sollwert einhält. Dieser Sollwert beträgt etwa 550°C. Bei katalytischer Beschichtung des Filters 42 kann dieser Wert um etwa 200°C reduziert werden. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist die Brennkammer 15 mit einer Isolierschicht 44 versehen, wobei es ausreichend ist, wenn die Isolierschicht 44 den Bereich des Filtervorraums 18 und des Filterraums 17 überdeckt.

Die Regeleinrichtung 34 ist Teil eines Steuergeräts, das neben der Ein- und Ausschaltung der Glühstiftkerze 41 auch das Zu- und Abschalten des Zündbrenners 16 durch Freigabe oder Unterbinden der Kraftstoffzufuhr bewirkt. Dabei können folgende Betriebsarten des Zündbrenners 16 realisiert werden:

• a) Permanenter Betrieb: Hier wird der Zündbrenner 16 unmittelbar nach Start der Brennkraftmaschine eingeschaltet und mit Stillsetzen der Brennkraftmaschine wieder abgeschaltet. Start und Stillstand der Brennkraftmaschine können von dem Steuergerät über die Drehzahl der Brennkraftmaschine oder über die Ladekontrolle für die Batterie erkannt werden.
• b) Kontinuierlicher Betrieb mit Startverzug: Der Zündbrenner 16 wird mit Zeitverzug nach dem Start der Brennkraftmaschine eingeschaltet und mit Abstellen der Brennkraftmaschine wieder abgeschaltet. Der Zeitverzug kann beispielsweise als Betriebszeit der Brennkraftmaschine, vom Zeitpunkt des Starts an gerechnet, als Anzahl der seit dem Start erfolgten Umdrehungen oder nach der seit Start verbrauchten Kraftstoffmenge bemessen werden. Im zweiten Fall ist ein Drehzahlfühler, im letzten Fall ein Drehzahl- und ein Einspritzmengenfühler erforderlich. Wird zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Starts der Brennkraftmaschine der Zeitverzug nicht erreicht, so wird beim nachfolgenden Start die Verzugszeit reduziert. Nach Einschalten des Zündbrenners 16 wird dieser mindestens so lange in Betrieb gehalten (z.B. 10 min), bis der Filter 42 nahezu vollständig generiert ist. Wird diese Mindestbetriebszeit wegen vorzeitigen Abschaltens mit dem Stillsetzen der Brennkraftmaschine nicht erreicht, so wird beim nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine der Zündbrenner 16 ohne Zeitverzug eingeschaltet.
• c) Diskontinuierlicher Betrieb (Takten): Der Zündbrenner 16 wird mit Zeitverzug eingeschaltet, wobei der Zeitverzug vom vorausgehenden Einschalten des Zündbrenners 16 an gerechnet wird. Der Zündbrenner 16 wird unabhängig von der Brennkraftmaschine abgeschaltet, sobald eine vorgegebene, zur vollständigen Regenerierung des Filters 42 ausreichende Brenndauer (z.B. 10 min) abgelaufen ist.

In Fig. 3 und 4 ist eine modifizierte Brennkammer 115 dargestellt, die anstelle der Brennkammer 15 in der Einrichtung in Fig. 1 eingesetzt werden kann. Soweit gleiche Bauelemente der Brennkammer 115 mit solchen der Brennkammer 15 übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die jedoch zur Unterscheidung um 100 erhöht sind.

In Einbaulage der Brennkammer 115 liegt die Längsachse der Brennkammer 115 etwa vertikal, und der in dem Filterraum 117 angeordnete Filter 142 ist als Keramik-Monolith mit axialer Durchströmungsrichtung ausgebildet, der damit eine ebenfalls vertikale Ausrichtung ausweist. Der Keramik-Monolith ist mittels eines Drahtgestricks 145 im Filterraum 117 gehalten. Der Keramik-Monolith besteht aus einer Vielzahl von parallelen vertikalen Schächten 154, die durch poröse Wände 155 voneinander getrennt sind. An gegenüberliegenden Stirnenden sind die Schächte 154 wechselweise mit Keramikstopfen 146 verschlossen, so daß jeder Schacht 154 an einem Stirnende offen und am anderen Stirnende verschlossen ist. Ist der eine Schacht 154 an seinem den Filtervorraum 118 zugekehrten Ende verschlossen, so sind die unmittelbar benachbarten Schächte 154 an dem an dem Filternachraum 119 liegenden Ende verschlossen und umgekehrt. Der Zündbrenner 116 ist quer zur Achse der Brennkammer 115 angeflanscht, wobei die Überströmöffnung 128 zwischen Brenneraum 130 und Filtervorraum 118 eine zum Filtervorraum 118 tangential verlaufende Mündungsachse aufweist. Auf diese Weise wird die Brennerflamme tangential dem Vorfilterraum 118 zugeführt, wobei der durch die tangentiale Zuführung des Abgasnebenstromes in dem Filtervorrraum 118 bewirkte Zykloneffekt noch verstärt wird und größere Festkörperpartikel bereits im Filtervorraum 118 abbrennen und nicht in den als Tiefenfilter wirkenden Keramik-Monolithen gelangen. Die kleineren und leichteren Festkörperpartikel durchströmen in vertikaler Richtung den Filter 142 und werden darin festgehalten. Nicht brennbare Festkörperpartikel, wie Asche und Rost, werden durch Fahrzeugerschütterungen gelöst und fallen aus dem Filter 142 heraus, so daß die Gefahr der Filterverstopfung durch nicht brennbare Festkörperpartikel weitgehend reduziert ist.

In der in Fig. 5 schematisch im Längsschnitt dargestellten weiteren Ausführungsform einer Brennkammer 215 sind Filtervorraum 218, Filterraum 217 und Filternachraum 219 konzentrisch zueinander angeordnet. Der Filtervorraum 218 ist dabei als gelochtes Rohr 246 ausgebildet, das auf einer Stirnseite die Einlaßöffnung 227 für den Abgasnebenstrom und auf der gegenüberliegenden Stirnseite die Überströmöffnung 228 zum Zündbrenner 216 trägt. Abgasnebenstrom und Brennerflamme treten damit axial auf gegenüberliegenden Stirnseiten in den Filtervorraum 218 ein und gelangen durch die Löcher 247 des Rohrs 246 in den Filterraum 217.

Filterraum 217 und Filternachraum 219 bilden eine Baueinheit und sind von einem gemeinsamen Gehäusezylinder 247 umschlossen, der gasdicht mit dem Rohr 247 verbunden ist. Der Filterraum 247 wird von einem hohlzylindrischen Filter 242 ausgefüllt, der unmittelbar auf dem Rohr 246 sitzt und von dem Abgasnebenstrom und den Abgasen des Zündbrenners 216 radial durchströmt wird. Der Filter ist als Tiefenfilter ausgebildet und kann mit Keramikschaum oder Wickelfilter realisiert werden. Bei Verwendung von Keramikmaterial ist stirnseitig die Einfassung mit Drahtgestrick 245 erforderlich. Der Filter 242 endet mit einem radialen Abstand vor dem Innenmantel des Gehäusezylinders 247, und begrenzt damit den im Querschnitt ringförmigen Filternachraum 219, der eine gleiche axiale Länge wie Filter 242 und Rohr 246 aufweist. Mittig im Filternachraum 219 ist radial die Auslaßöffnung 220 angeordnet, die wiederum an die Abgasnebenleitung 222 angeschlossen ist. Der Zündbrenner 216 ist in gleicher Weise aufgebaut wie zu Fig. 1 beschrieben. Bei dieser Ausbildung der Brennkammer 215 wird der Filter 242 vom rußbeladenen Abgasnebenstrom von innen nach außen radial durchströmt. Die gleiche Durchströmungsrichtung haben die Abgase des Zündbrenners 216. Infolge der dadurch bewirkten Temperaturschichtung ist keine zusätzliche Isolation der Brennkammer 215 notwendig.

Die in Fig. 6 und 7 im Längsschnitt und Querschnitt schematisch dargestellte Brennkammer 315 weist insofern einen gleichartigen Aufbau mit der Brennkammer 215 in Fig. 5 auf, als auch hier der Filtervorraum 318, der Filterraum 317 und der Filternachraum 319 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der vordere Teil des Filtervorraums 18 ist als Einströmkonus 353 ausgebildet, dessen querschnittskleinere Stirnöffnung die Überströmöffnung 328 zum Zündbrenner 316 bildet. Filterraum 317, Filtervorraum 318 und Filternachraum 319 werden von einem gemeinsamen kreiszylindrischen Gehäusetopf 348 umschlossen, der auf seiner dem Topfboden 349 gegenüberliegenden Stirnseite über eine Radialschulter 350 einstückig in einen zentralen konusförmigen Topfstutzen 351 übergeht, der den Einströmkonus 353 umschließt. Im Bereich der Radialschulter 350 und des Topfstutzens 351 ist die äußere Wand des Gehäusetopfes 348 mit einer Isolierschicht 344 belegt. Im Innern des Gehäusetopfes 348 ist koaxial der hohlzylindrisch ausgebildete Filter 342 angeordnet, der einerseits am Topfboden 349 und an den Radialschulter 350 gehalten ist und andererseits mit seinem Außenumfang an Rippen 352 anliegt, die vom Innenmantel des Gehäusetopfes 348 radial nach innen vorstehen. Bei Filtern 342 aus Keramikmaterial ist zur Realisierung der axialen Verspannung die stirnseitige Anordnung von Drahtgestricken 245 zwischen Filter 342 und Topfboden 349 bzw. Radialschultern 350 erforderlich. Durch diese Rippen 352 wird die radiale Breite des Filternachraums 319 festgelegt. Die Auslaßöffnung 320 für die Abbrandgase befindet sich an dem dem Einströmkonus 353 des Filtervorraums 318 abgekehrten Ende des Filternachraums 319, unmittelbar am Topfboden 349. Die Achse der Auslaßöffnung 320 ist dabei radial ausgerichtet. Der an den Topfstutzen 351 axial angesetzte Zündbrenner 316 ist in gleicher Weise ausgebildet wie vorstehend beschrieben. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen, die zur Unterscheidung um 300 erhöht sind.

Der tangential über den Einlaßstutzen 325 und die Einlaßöffnung 327 in den Einströmkonus 353 des Filtervorraums 318 einströmende rußbeladene Abgasnebenstrom wird zusammen mit dem axial einströmenden entflammten Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Zündbrenner 316 verwirbelt und die brennbaren Festkörperpartikel verbrannt. Die Abbrandgase treten radial durch den Filter 342 hindurch und gelangen in den im Querschnitt ringförmigen Filternachraum 319 am Umfang des Filters 342. Von dort treten sie über die Auslaßöffnung 320 in die Abgasnebenleitung 322 und werden der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine zugeführt. Durch katalytische Beschichtung des Filters 342 kann die für die optimale Verbrennung des Rußes erforderliche Oberflächentemperatur des Filters 342 von ca. 550°C um 200°C reduziert werden.

Claims (16)

1. Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Trennvorrichtung zur Auftrennung des Abgasstromes in einen weitgehend partikelfreien Abgashauptstrom und einen partikelangereichterten Abgasnebenstrom, die über getrennte Auslässe austreten, und mit einer Entsorgungsvorrichtung, die eine Brennkammer mit einer an dem Abgasnebenstrom-Auslaß angeschlossenen Einlaßöffnung, einen Zündbrenner zum Erzeugen einer die Festkörperpartikel abbrennenden Abbrennflamme in der Brennkammer und eine Auslaßöffnung zum Abführen des gasförmigen Abbrandes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (15; 115; 215; 315) zwischen der brennkammerseitigen Ein- und Auslaßöffnung (27, 20; 127, 120; 227, 220; 327; 320) ein Filter (42; 142; 242; 324) angeordnet ist, der die Brennkammer (15; 115; 215; 315) in einen Filtervor- und einen Filternachraum (18, 19; 118, 119; 218, 219; 318, 319) unterteilt, wobei die Abbrennflamme in den Filtervorraum (18; 118; 218; 318) hineinbrennt und die Auslaßöffnung (20; 120; 220; 320) in dem Filternachraum (19; 119; 219; 319) liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (27; 127; 327) in dem Filtervorraum (17; 117; 317) nahe dem Filter (42; 142; 342) mit tangentialer Einströmrichtung angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (42; 142; 242; 342) als Tiefenfilter ausgebildet ist, der in einem von Filtervor- und Filternachraum (18, 19; 118, 119; 218, 219; 318, 319) eingeschlossenen hohlzylindrischen Filterraum (17; 117; 217; 317) der Brennkammer (15; 115; 215; 315) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (142) als Keramik-Monolith mit axialer Durchströmungsrichtung ausgebildet ist, der in vertikaler Ausrichtung mittels eines Drahtgestricks (145) im Filterraum (117) gehalten ist, und daß der Zündbrenner (116) über eine Überströmöffnung (128) mit zur Brennkammer (115) tangentialer Einströmrichtung mit der Brennkammer (115) in Verbindung steht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filternachraum (19) doppelwandig und Form eines hohlkegelstumpfförmigen Abströmkonus für die Abbrandgase ausgebildet ist, dessen querschnittsgrößere Stirnöffnung dem eine axiale Durchströmungsrichtung aufweisenden Filter (42) zugekehrt ist und dessen querschnittskleinere Stirnöffnung die Auslaßöffnung (20) bildet, daß in dem zwischen der Doppelwand vorhandenen Hohlraum (24) des Abströmkonus einerseits an seiner die Auslaßöffnung (20) tragenden Stirnseite ein mit dem Abgasnebenstrom-Auslaß (13) der Trennvorrichtung (10, 11) verbundener Einlaßstutzen (25) etwa radial und andererseits an seiner dem Filter (42) zugekehrten Stirnseite ein Überströmkanal (26) axial mündet, an dessen anderem, von der Mündung abgekehrten Ende die Einlaßöffnung (27) liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtervorraum (18) in Form eines hohlkegelstumpfförmigen Zuströmkonus ausgebildet ist, dessen querschnittsgrößere Stirnöffnung dem Filter (42) zugekehrt ist und dessen querschnittskleinere Stirnöffnung eine Überströmöffnung (28) vom Zündbrenner (16) zur Brennkammer (15) bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (42) aus einem Keramik-Monolithen, aus Keramikschaum oder einem Keramikwickel mit axialer Durchströmungsrichtung gebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtervorraum (218), der Filterraum (217) und der Filternachraum (219) hohlzylindrisch mit geschlossenen Stirnseiten ausgebildet und konzentrisch zueinander mit in der genannten Reihenfolge sich vergrößernden Durchmessern angeordnet sind, daß die Trennwand (246) zwischen Filtervorraum (218) und Filterraum (217) gelocht ist und die Einlaßöffnung (227) für den Abgasnebenstrom auf der einen Stirnseite und eine den Zündbrenner (216) mit der Brennkammer (215) verbindende Überströmöffnung (228) auf der gegenüberliegenden Stirnseite des hohlzylindrischen Filtervorraums (218) liegt, daß der Filter (242) eine radiale Durchströmungsrichtung aufweist und daß die Auslaßöffnung (220) für die Abbrandgase etwa mittig in der Zylinderwand (247) des Filternachraums (219) angebracht ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (242) als Keramikschaum oder Keramikwickel ausgebildet ist und unmittelbar auf der Trennwand (246) sitzt und stirnseitig mittels eines Drahtgestricks (245) an den Stirnwänden des Filterraums (217) befestigt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtervorraum (318), der Filterraum (317) und der Filternachraum (319) konzentrisch zueinander angeordnet sind, daß dem Filtervorraum (318) ein hohlkegelstumpfförmiger Einströmkonus (353) koaxial vorgelagert ist, dessen querschnittskleinere Stirnöffnung eine Überströmöffnung (328) vom Zündbrenner (316) zur Brennkammer (315) bildet, daß die konzentrische Anordnung von Filtervorraum (318), Filterraum (317) und Filternachraum (319) von einem Gehäusetopf (348) umschlossen ist, der an seiner vom Topfboden (349) abgekehrten Stirnseite einstückig über eine Radialschulter (350) in einen den Einströmkonus (353) umschließenden konusförmigen Topfstutzen (351) übergeht und dessen Innenwand radial vorspringende Axialrippen (352) trägt, an welchen ein vorzugsweise aus Keramikschaum bestehender oder als Keramikwickel ausgebildeter hohlzylindrischer Filter (342) mit radialer Durchströmungsrichtung anliegt, und daß die Auslaßöffnung (320) für die Abbrandgase in der Zylinderwand des Gehäusetopfes (348) nahe dem Topfboden (349) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (15; 115; 315) zumindest teilweise, vorzugsweise im Bereich des Filterraums (17; 117; 317) und des Filtervorraums (18; 118; 318), mit einer Isolierschicht (44; 144; 344) umschlossen ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auslaßöffnung (20) für die Abbrandgase eine Abgasnebenleitung (22) angeschlossen ist, die im Abgashauptstrom über ein von diesem beaufschlagtes Venturirohr (23) mündet.

13. Einrichtung nach einem Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (42; 142; 242; 342) mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündbrenner (16; 116; 216; 316) als Drallbrenner mit tangentialer Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr ausgebildet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Temperatur am Filter (42; 342) erfassender Temperatursensor (43; 343) und eine Regeleinrichtung (34), vorzugsweise ein PI-Regler, vorgesehen ist, welche die dem Drallbrenner (16) zugeführte Kraftstoff­ und/oder Luftmenge in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Temperatursensors (43; 343) regelt.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündbrenner (16) im kontinuierlichen Betrieb, bei welchem er bei Start der Brennkraftmaschine mit oder ohne Zeitverzug eingeschaltet und mit Abstellen der Brennkraftmaschine wieder abgeschaltet wird, oder im diskontinuierlichen Betrieb betrieben wird, bei welchem unabhängig von der Brennkraftmaschine die Brenndauer des Zündbrenners so bemessen ist, daß eine ausreichende Regeneration des Filters (42) durch Rußabbrand sichergestellt ist.