DE3830761A1 - Vorrichtung zur abgasreinigung von dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren.

Mit derartigen Vorrichtungen soll der Ausstoß von Rußpartikeln im Abgas von Dieselmotoren vermindert werden. Eine bekannte Vorrichtung sieht dazu keramische Rußfilter im Abgassystem von Dieselmotoren vor. Derartige Filter sind weder raum­ sparend nocht wartungsfrei und müssen nachteilig in Abhängig­ keit von ihrer Kapazität nach entsprechenden Intervallen gewartet, regeneriert, ausgewechselt oder vernichtet werden. Beim Regenerieren wird ein Rußfilter mit den gesammelten Rückständen unter Sauerstoff oder Luft erhitzt, wobei der Ruß abbrennt. Beim Abbrennen der Filterrückstände besteht die Gefahr der lokalen Überhitzung und damit der unbeab­ sichtigten Zerstörung des Filters.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vor­ richtung anzugeben, die wartungsfrei arbeitet und sich ständig selbst regeneriert, die einen niedrigen Strömungs­ widerstand im Abgasstrom gewährleistet und ein niedriges Einbaugewicht darstellt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in der Abgasleitung zur Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche ein schrauben- oder spiralförmiges Gehäuse angeordnet ist und daß im Bereich der Umfangsfläche Heizelemente zur Verbrennung der Rußpartikel vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst nicht nur die gestellte Aufgabe, sie hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Ab­ gasstrom, der schrauben- oder spiralartig umgelenkt wird, aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte eine Abscheidung der Rußpartikel auf der radial äußeren Umfangsfläche des schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses bewirkt, ohne daß zusätzliche Antriebsvorrichtungen wie rotierende Radialver­ dichterräder oder Zentrifugalscheiben erforderlich werden.

Durch die Rußabscheidung an der gekrümmten radial äußeren Umfangsfläche wird der Querschnitt des Abgaskanals nicht wesentlich vermindert, so daß der Strömungswiderstand vorteilhaft nahezu unverändert niedrig bleibt im Gegensatz zu Filtern im Abgasstrom.

Die abgeschiedene rußhaltige Schicht wird auf dieser gekrümmten Oberfläche mit dem Restsauerstoff des Abgases an entsprechend ausgebildeten Heizelementen verbrannt. Die auftretende Ver­ brennungsenergie kann bei kontinuierlichem Betrieb zur Verminderung der Heizleistung der Heizelemente vorteil­ haft genutzt werden.

In einer ersten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden am radial äußeren Umfang des schrauben- oder spiral­ förmigen Gehäuses Rußsammeltaschen vorgesehen, die die Heizelemente wie beispielsweise Glühkerzen aufnehmen und kontinuierlich oder in Zeitintervallen den gesammelten Ruß verbrennen, der nach der Oxidation gasförmig vom Abgas­ strom mitgerissen wird. Diese Lösung arbeitet mit glatten polierten Oberflächen im Bereich der gekrümmten Umfangsflächen und mit rauhen geschruppten oder strukturgeätzten Ober­ flächen im Bereich der mit Heizelementen bestückten Rußsammel­ taschen.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ein Zusammen­ wirken zwischen einer Abgasturbine und der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen. Dabei wird die Rotationsenergie des Abgases, die im schrauben- oder spiralförmigen Gehäuse ent­ steht, über den Abgasturbineneinlauf auf den Radialläufer der Turbine übertragen und vorteilhaft genutzt.

Als weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist als radial äußere Umfangsfläche ein poröses Filterelement vor­ gesehen, das gleichzeitig das Heizelement umfaßt. Dazu wird das Filterelementmaterial mit elektrischem Strom beaufschlagt und rotglühend gehalten, so daß der abgeschiedene Ruß voll­ ständig verbrennt. Dieses Filterelement kann die gesamte äußere Umfangsfläche ausfüllen oder auch nur partiell ange­ bracht werden. Es kann sowohl kontinuierlich als auch in Intervallen beheizt werden.

Vorteilhaft wird dem porösen beheizbaren Filterelement ein Sammelkanal nachgeschaltet, in den das gereinigte Abgas strömt, das anschließend dem Hauptabgaskanal wieder zuge­ führt wird. Ein derartiger Sammelkanal oder Bypass hat den Vorteil, daß die wirksame Heizfläche des beheizbaren Filter­ elements aufgrund des Volumenstromes durch die Filterporen vergrößert wird.

Eine bevorzugte Anordnung des porösen Filterelements läßt sich in einem schrauben- oder spiralartigen Abgaskanal mit ovalem Querschnitt erreichen. Von diesem Kanal wird in einem radial inneren Querschnittsbereich der Hauptabgas­ strom und in einem kleineren radial äußeren Querschnitts­ bereich der gereinigte Abgasstrom geführt, während zwischen diesen beiden Bereichen das beheizbare Filterelement ange­ ordnet ist.

Für derartige beheizbare Filterelemente lassen sich Halb­ leiter auf Siliciumbasis besonders vorteilhaft einsetzen. Zum einen können die Filterkörner durch Dotierelemente wie Bor oder Phosphor an ihrer Oberfläche elektrisch leitend dotiert werden, während das Kornvolumen hochohmig bleibt, so daß eine große Heizleistung mit relativ geringen Strömen erreichbar ist. Zum anderen lassen sich durch Zu­ gabe von reinem hochdotiertem Siliciumpulver die Filter­ körner gasdurchlässig, porös und niederohmig zu jeder er­ forderlichen Form eines beheizbaren Filters zusammensintern. Ferner entsteht an den Oberflächen derartiger poröser Sinter­ körper auf Siliziumbasis im Heizbetrieb eine schützende selbstheilende nicht weiter oxidierbare Schutzschicht aus Siliziumdioxid. Als Filterkorn wird vorzugsweise grob­ körniges Siliziumkarbid eingesetzt.

Andere beheizbare Filterelementmaterialien sind geschäumte, filz- oder gewebeartige Heizmetalllegierungen, sofern sie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit bei den erforder­ lichen Rußverbrennungstemperaturen besitzen. Ihr elektrischer Widerstand ist vergleichsweise niedrig und erfordert des­ halb bei der Rußverbrennung eine entsprechend große Strom­ quelle.

Die Zeichnungen zeigen schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit schraubenförmigem Gehäuse im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal als Teil eines schrauben- oder spiralförmigen Ge­ häuses im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal mit einem radial nach außen angeordneten Sammelkanal im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit einem schraubenförmigen Gehäuse 1 im Längsschnitt in das der Abgas­ strom über einen Flansch 2 eintritt. Aus dem Abgasstrom werden Rußpartikel durch die Zentrifugalwirkung am radial äußeren Umfang abgeschieden. In den auf der Umfangsfläche 3 verteilten Rußsammeltaschen 4 sind Heizelemente 5 in Form von Glühkerzen oder beheizbaren Filterelementen angeordnet, die die Rußpartikel gasförmig verbrennen. Das schraubenförmige Gehäuse 1 geht über in einen Abgasturbineneinlauf 6 einer Ab­ gasturbine 8. Die Rotationsenergie des Abgases, die im schraubenförmigen Gehäuse 1 erzeugt wird, wird damit auf das Laufrad 7 der Abgasturbine 8 übertragen und das gereinigte Abgas über einen Abgasflansch 13 dem Schalldämpfer zugeführt.

Fig. 2 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal 9 als Teil eines schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses 1 im Querschnitt mit einer Rußsammeltasche 4, in dem sich auf der radial äußeren Umfangsfläche 3 eine rußreiche Schicht 10 aufgrund der Zentri­ fugalwirkung im gekrümmten Abgaskanal 9 auf die Rußpartikel im Abgas bildet, wobei die Rußpartikel in der Rußsammeltasche 4 mittels eines Heizelementes 5 wie beispielsweise einer Glühkerze oder eines beheizbaren Filterelementes verbrannt werden.

Fig. 3 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal 9 mit einem radial nach außen angeordneten Sammelkanal 12 im Querschnitt. Ein beheizbares, poröses Filterelement 11 ist zwischen dem radial inneren Abgaskanal 9 und dem radial äußeren Sammelkanal 12 so angeordnet, daß die durch Zentrifugalwirkung mit Ruß ange­ reicherten radial äußeren Schichten 10 des Abgases durch die heißen Poren des beheizten Filterelementes 11 strömen und der im Abgas enthaltene Ruß verbrannt wird, so daß nur gereinigtes Abgas in den Sammelkanal 12 gelangt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung zur Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche (3) ein schrauben- oder spiral­ förmiges Gehäuse (1) angeordnet ist und daß im Bereich der Umfangsfläche (3) Heizelemente (5) zur Verbrennung der Rußpartikel vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (5) in eigens vorgesehenen Rußsammel­ taschen (4) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Umfangsfläche (3) als poröses Filterelement (11) ausgebildet ist, welches die Heizelemente (5) umfaßt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Abgasleitung eine Abgasturbine (8) angeordnet ist und das schrauben- oder spiralförmige Gehäuse (1) vor dem Abgasturbineneinlauf (6) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß radial außerhalb des porösen Filter­ elements (11) ein Sammelkanal (12) für das gereinigte Abgas angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das poröse Filterelement (11) aus einem porösen Halbleiter wie SiC besteht, der gleich­ zeitig als Heizelement (5) ausgebildet ist.