DE3830761C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgas­ reinigung von Dieselmotoren mittels Zentrifugalabscheidung von Rußpar­ tikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche eines schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses.

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 raumsparend noch wartungsfrei und müssen nachteilig in Abhängigkeit 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 ab­ brennt. Beim Abbrennen der Filterrückstände besteht die Gefahr der lokalen Überhitzung und damit der unbeabsichtigten Zerstörung des Filters.

Eine Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche eines spiralförmigen Gehäuses ist aus DE-OS 37 31 319 bekannt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Rußpartikel in ange­ reicherter Form am Turbolader vorbei unverbrannt einem Auspuffrohr zugeführt werden und die Verbrennungsenergie des Rußes sowie die kinetische Energie des rußangereicherten Auspuffgases nicht im Tur­ bolader genutzt werden. Eine separate Sammlung und Verbrennung des Rußes ist aus JP-OS 59-85 415 bekannt, mit dem Machteil einer dis­ kontinuierlichen Rußverbrennung an elektrischen Heizdrähten, die jeweils durch einen Entladungsvorgang an Rußsammelscheiben ausgelöst wird. Ein derart diskontinuierlicher Verbrennungsvorgang hat den Nachteil, daß die Verbrennungsenergie des Rußes verpufft und nicht genützt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzu­ geben, die wartungsfrei arbeitet und sich ständig selbst regeneriert, die einen niedrigen Strömungswiderstand im Abgasstrom gewährleistet die Verbrennungsenergie des Rußes und die kinetische Energie des Abgases nutzbar macht sowie ein niedriges Einbaugewicht darstellt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Umfangsfläche mindestens partiell aus mindestens einem beheizbaren von elektrischem Strom durchflossenen porösen Filterelement besteht, das von einem radial außen angeordneten Abgassammelkanal umgeben ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst nicht nur die gestellte Aufga­ be, sie hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Abgasstrom, 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 Radialverdichterräder oder Zentrifugalscheiben erforderlich werden.

Durch die Rußabscheidung an der gekrümmten radial äußeren Umfangs­ fläche wird der Querschnitt des Abgaskanals nicht wesentlich ver­ mindert, so daß der Strömungswiderstand vorteilhaft nahezu unverän­ dert niedrig bleibt im Gegensatz zu Filtern im Abgasstrom.

Die abgeschiedene rußhaltige Schicht wird auf dieser gekrümmten Ober­ fläche mit dem Restsauerstoff des Abgases an entsprechend ausge­ bildeten porösen Filterelementen verbrannt. Die auftretende Ver­ brennungsenergie kann bei kontinuierlichem Betrieb vorteilhaft zur Verminderung der Heizleistung der Heizelemente genutzt werden.

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

In einem bevorzugten Verfahren zur Abgasreinigung von Dieselmotoren wird die mindestens partiell als poröse Wand ausgebildete Umfangs­ fläche während des Abscheidens auf Rotglut aufgeheizt. Dazu wird das Filterelementmaterial mit elektrischem Strom beaufschlagt, so daß der abgeschiedene Ruß vollständig verbrennt. Es kann sowohl kon­ tinuierlich als auch in Intervallen beheizt werden.

Vorteilhaft wird dem porösen beheizbaren Filterelement ein Sammelka­ nal nachgeschaltet, in den das gereinigte Abgas strömt, das an­ schließend dem Hauptabgaskanal wieder zugeführt wird. Ein derartiger Sammelkanal oder Bypass hat den Vorteil, daß die wirksame Heizfläche des beheizbaren Filterelements aufgrund des Volumenstromes durch die Filterporen vergrößert wird und durch die anschließende Zusammen­ führung von Abgassammelkanal und Hauptabgasstrom die kinetische Ener­ gie des gesamten Abgases genutzt werden kann. In einem bevorzugten Verfahren treiben die gesamten Abgase aus Abgassammelkanal und Haupt­ abgasstrom eine Abgasturbine an, wodurch vorteilhaft auch die Ver­ brennungsenergie des Rußes genutzt 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 Quer­ schnittsbereich der Hauptabgasstrom und in einem kleineren radial äußeren Querschnittsbereich der gereinigte Abgasstrom geführt, wäh­ rend zwischen diesen beiden Bereichen das beheizbare Filterelement angeordnet ist.

Für derartige beheizbare Filterelemente lassen sich Halbleiter 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 Zugabe von reinem hochdotiertem Siliciumpulver die Filterkörner gasdurchlässig, porös und niederohmig zu jeder erforderlichen Form eines beheizbaren Filters zusammensintern. Ferner entsteht an den Oberflächen derar­ tiger poröser Sinterkörper auf Siliziumbasis im Heizbetrieb eine schützende selbstheilende nicht weiter oxidierbare Schutzschicht aus Siliziumdioxid. Als Filterkorn wird vorzugsweise grobkörniges Sili­ ziumkarbid eingesetzt.

Andere beheizbare Filterelementmaterialien sind geschäumte, filz­ oder gewebeartige Heizmetalllegierungen, sofern sie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit bei den erforderlichen Rußverbrennungstempe­ raturen besitzen. Ihr elektrischer Widerstand ist vergleichsweise niedrig und erfordert deshalb bei der Rußverbrennung eine entspre­ chend große Stromquelle.

Die Zeichnungen zeigen schematische Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung.

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

Fig. 2 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal mit einem radial nach außen angeordneten Sammelkanal im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit einem schrau­ benförmigen Gehäuse 1 im Längsschnitt in das der Abgasstrom 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 Bereichen 4 sind Heizelemente 5 in Form von beheizbaren Filterelementen angeordnet, die die Rußpartikel gasförmig verbrennen. Das schraubenförmige Gehäuse 1 geht über in einen Abgasturbineneinlauf 6 einer Abgasturbine 8. Die Rotations­ energie 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 zuge­ führt.

Fig. 2 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 Zentrifugalwirkungmit Ruß angereicherten 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 (4)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren mittels Zentri­ fugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Um­ fangsfläche eines schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche mindestens partiell aus mindestens einem beheizbaren von elektrischem Strom durchflossenen porösen Filterelement besteht, das von einem radial außen ange­ ordneten Abgassammelkanal umgeben ist.

2. Verfahren zur Abgasreinigung von Dieselmotoren mittels Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens partiell als poröse Wand ausgebildete Umfangsfläche während des Abscheidens auf Rotglut aufgeheizt wird.

3. Verfahren zur Abgasreinigung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abgase des Abgassammelkanals und des Haupt­ abgasstromes zusammengeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengeführten Abgase aus Abgassammelkanal und Hauptabgasstrom eine Abgasturbine antreiben.