DE3907939A1 - Einrichtung zur reinigung der abgase von dieselmotoren - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung der Ab­ gase von Dieselmotoren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Abgase von Dieselmotoren enthalten, nebst den auch von Ottomo­ toren ausgestoßenen Schadstoffen, wie Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und CO, aufgrund ihrer Verbrennungsart auch Rußpartikeln. Bezüglich Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen liegt die Emission bei Dieselmotoren weit besser als ver­ gleichsweise bei Ottomotoren, dies aufgrund des dort vorhan­ denen verbrennungsmäßigen Luftüberschusses. Demgegenüber ist festzustellen, daß der NOx-Ausstoß gegenüber demjenigen eines Ottomotors einen höheren Wert aufweist. Indessen liegt dieser NOx-Ausstoß immer noch weit unterhalb des zulässigen Grenzwertes, so daß diesbezüglich keine gesetzgeberische Ein­ schränkungen zu erwarten sind.

Ein großes Problem im Hinblick auf die Umweltbelastung stellt beim Dieselmotor zweifelsohne die Emission von Rußpartikeln dar, welche nach wie vor allein durch innermotorische Maßnahmen nicht zu beheben sind.

Bezüglich Ottomotors liegt mittlerweile die ideale Lösung des 3-Weg-Katalysators vor, in welchem hinsichtlich Nachoxidation und Reduktion Wirkungsgrade von mehr als 80% möglich sind. Damit ist für den Dieselmotor der Maßstab der zu erbringenden Abgasverbesserung vorgegeben. Auf dem Weg zu einer Abgasver­ besserung beim Dieselmotor sind folgende Gesichtspunkte zu be­ rücksichtigen:

Es ist richtig, daß eine Katalysator-Wirkung beim Dieselmotor nicht mehr auszuschließen ist, seit sich die Situation bezüg­ lich zuviel Schwefel im Dieselöl entspannt hat. Die Bestrebungen, den Schwefelgehalt im Dieselöl auf 0,05% zu re­ duzieren, wird sich mit Sicherheit durchsetzen, so daß der Bildung von Schwefelsäure und schweflige Säure im Katalytpro­ zeß substantiell entgegen gewirkt werden kann.

Auch diese Maßnahme wird aber die Bildung von Rußpartikeln nicht aufzuheben vermögen. In der Druckschrift SAE Technical Paper, Series 8 60 013, 1986, SAE, USA-Warrendale, PA 15 096, ist eine Lösung vorgeschlagen worden, welche in einer Einrichtung zur Reinigung der Abgase vor dem Katalysator eine Filterung vorsieht. Indessen wird auch hierdurch das zugrundeliegende Problem, wonach Rußpartikeln nie 100% ausgefiltert werden können, nicht gelöst. Selbst wenn kurzfristige Versuche ein gutes Resultat zu zeitigen vermögen, so darf nicht übersehen werden, daß langfristige Anteile an Rußpartikeln durch den Filter strömen werden und den nachgeschalteten Katalysator nach und nach verstopfen und zupflastern werden. Es ist somit nur eine Frage der Zeit, bis der Katalysator seine Wirkung verlieren wird.

Es ist mittlerweile erkannt worden, daß die Regenerierung des Abgaspartikelfilters eine zentrale Rolle einnimmt.

Aus EP-A-00 72 059 ist ein Vorschlag bekanntgeworden, in welchem im Hochdruckteil eines Abgassystems, vor einem dort plazierten Druckwellenlader, ein Abgaspartikelfilter angeord­ net ist. Analog zu einem Katalysator muß auch der Druckwel­ lenlader vor Rußpartikeln geschützt werden. Die hier vorgesehene Regenerierung spielt sich nun wie folgt ab:

Titel bei Teillast eine Verstopfung des Abgaspartikelfilters auf, dann bewirkt der daraus resultierende Druckverlust primär eine Behinderung des Gaswechsels des Motors, was eine Reduk­ tion der Nutzleistung zur Folge hat. Diese Leistungseinbuße wird vom Fahrzeuglenker durch eine größere Brennstoffzufüh­ rung wettgemacht. Fordert der Fahrzeuglenker dem Fahrzeug ge­ nügend Leistung ab, so steigt die Abgastemperatur stark an, und es kommt automatisch zu einem Abbrennen der im Filter ab­ gelagerten Rußpartikeln. Diese sporadische Regenerierung darf nicht darüber hinwegtäuschen, daß der Abgaspartikelfilter einer stetigen Verstopfung ausgesetzt ist, die zu einem schlechten thermodynamischen Verhalten des Motors führt. Auch darf nicht außer acht gelassen werden, daß das Abbrennen der Rußpartikeln hohe Temperaturen benötigt, die zu einem zufäl­ ligen, unkontrollierten Brennvorgang führen. Die hier vorhan­ denen hohen Temperaturgradienten und Wärmespannungen indizie­ ren eine rasche Zerstörung des Abgaspartikelfilters selbst. Zuletzt ist festzustellen, daß eine hohe Quantität von nicht ausgefilterten Rußpartikeln die oben beschriebene schädigende Wirkung auf die dem Abgaspartikelfilter nachgeschalteten Ag­ gregate zu entfalten vermögen.

In der Druckschrift EP-B-01 54 145 ist eine Einrichtung zur Rei­ nigung der Abgase von Dieselmotoren beschrieben, welche vor­ zugsweise aus einer kaskadenartigen Anordnung mehrerer Filter­ elemente besteht. Im Gehäuse sind scheibenförmige Filterele­ mente hintereinander angeordnet, wobei einem ersten Filterele­ ment, das einen die Zündtemperatur des Rußes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt, ein zweites Filterelement folgt, das einen die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt. Zwar ist es hier richtig, daß durch die katalysatorisch bedingte Absenkung der Zündtemperatur der Rußpartikeln eine Regenerierung des ersten Filterelementes während des normalen Fahrbetriebs möglich ist; indessen ist damit das Problem nicht gelöst, daß das zweite Filterelement, das eine ähnliche Wirkung wie der 3-Weg-Kataly­ sator beim Ottomotor zu entfalten hat, rasch mit Rußpartikeln verstopft werden kann. Die in dieser Druckschrift vorgesehenen Konversionskammern zwischen den einzelnen Filterelementen ver­ mögen zwar eine gute Ausscheidung der Rußpartikeln erfolgen zu lassen, entfalten aber bezüglich einer durchgehenden Rege­ nerierung, selbst wenn der Abstand zwischen den einzelnen Ele­ menten minimiert wird, keine positiven Wirkungen. Dies be­ deutet, daß die Filterelemente, die mit einem Material ähn­ lich demjenigen eines 3-Weg-Katalysators eines Ottomotors be­ schichtet sind, rasch durch Rußpartikeln verstopft werden und auch nicht, selbst bei offenporiger Ausführung derselben, wegen fehlender durchgehender Abbrennung, regeneriert werden können, was rasch zu einer Außerkraftsetzung ihrer angestamm­ ten Funktion führt. Der Übergang von einem Element zum anderen, selbst wenn die Elemente anliegend sind, entfaltet zu sehr eine Isolationswirkung, welche einen Unterdruck der Ab­ brandimpulse darstellt.

Des weiteren, sobald sich die Elemente berühren, entsteht wegen Temperaturdehnungen und Vibrationen ein stetiger gegenseitiger Abrieb, der die aneinanderliegenden Fläche mit der Zeit verstopft und mit Rußpartikeln zusammen, zupflastert.

Aufgabe der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren der eingangs genannten Art, bezüglich Abgaswerte die gleiche Qualitätsstufe zu erzielen, wie dies bei einem Ottomotor mit 3-Weg-Katalysator vorgegeben wird, unter gleich­ zeitiger Minimierung des Ausstoßes an Rußpartikeln, jeden­ falls unterhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte.

Zu diesem Zweck wird eine Einrichtung vorgesehen, die aus einem einzigen monolithischen Filterelement mit offenporiger Struktur besteht. Eine in Anströmungsrichtung vordere Filter­ zone dieses Filterelementes ist mit einem Katalysator zur Ver­ minderung der Zündtemperatur der Rußpartikeln beschichtet; der restliche Teil des Filterelementes trägt einen Katalysator zur Förderung der Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Durchführung der Rußabscheidung, deren Verbrennung sowie der Nachoxidation der restlichen Schadstoffe im Abgas in einem einzigen Filterelement zustande kommen. Die Regenerierung der abgelagerten Rußpartikeln durch Initalzündung in der vorderen Filterzone wird sich wegen der ununterbrochen zusammenhängen­ den Offenporigkeit über das ganze Filterelement ungehindert fortpflanzen, dergestalt, daß Restablagerungen im zweiten Teil dieses Filterelementes ebenfalls zur Abbrennung gelangen. Dadurch daß die Zündtemperatur der Rußpartikeln durch den Katalysator im vorderen Teil des Filterelementes auf etwa 360°C abgesenkt werden kann, findet die Regenerierung bereits während des normalen Fahrbetriebes statt, d. h. eine echte Ver­ stopfung des Filterelementes kommt überhaupt nicht auf. Dies erweist sich insofern als vorteilhaft, als die mit einem für die Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe fördernden Kata­ lysator beschichtete Filterzone auch nicht durch eine minimale Belegung mit Rußpartikeln in ihrer Wirkung gehemmt wird. Indem sich der Abbrand, wie gesagt, ungehindert durch das ganze Filterelement ausbreiten kann, wird es erst möglich, im hinteren Teil des Filterelementes jene höhere Temperatur zur Verfügung zu haben, welche benötigt wird, um die dort ausge­ filterten Rußpartikeln sicher zum Abbrand zu bringen.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabelösung sind in den abhängigen Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Figur

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Filterelement, das aus zwei Zonen besteht, die jeweils mit einem spezifischen Katalysator beschichtet sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt ein Filterelement 1, aus einem Schaumfilter bestehend, für den Einsatz in Dieselmotoren. Dieses Filterele­ ment 1 ist in einem durchströmten Gehäuse 3 angeordnet. Eine erste Filterzone 1 a in Strömungsrichtung 2 wird auf eine be­ stimmte Tiefe mit einem Katalysator beschichtet, der die Eigenschaft hat, die Zündtemperatur der dort ausgeschiedenen Rußpartikeln herabzusetzen. Üblicherweise setzt die Entzün­ dung von Rußpartikeln bei einer Temperatur um ca. 550°C ein, sofern eine Sauerstoffkonzentration von 3-6% vorliegt. Bekannte Katalysatoren, in Schaumfiltern angewendet, vermögen die Zündtemperatur von Rußpartikeln auf ca. 360°C zu reduzie­ ren; in Zellenfiltern reduziert sich die diesbezügliche Zünd­ temperatur demgegenüber auf lediglich ca. 420°C. Bei Schaum­ filtern ist somit zu erwarten, daß eine Regenerierung dieser Filterzone 1 a bereits bei normalem Fahrbetrieb einsetzt. Dies ist insofern von Wichtigkeit, als bei PKW die Fahrten bei kleiner Last dominieren, so daß ein Abbrennen nicht nur aus­ schließlich in den seltenen Hochleistungsperioden erfolgen muß. Die durch den Katalysator in der Filterzone 1 a mini­ mierte Zündtemperatur der Rußpartikeln kommt auch dem Fahrer zugute, der dem Fahrzeug sehr wenig Leistung abfordert.

Was den Grad der Porosität des Filters betrifft, so ist zu sagen, daß eine fein verteilte Porosität angestrebt wird. Bei einer Porosität von beispielsweise 50 ppi nimmt die Konzentra­ tion des ausgeschiedenen Rußes in Abhängigkeit zur Dicke des Filters entlang einer e-funktionsähnlichen Kurve ab. Wenn also bei einer Dicke des Filters von 1 cm die Konzentration des ausgeschiedenen Rußes noch ca. 25 mg/cm³ beträgt, so weist eine 4 cm dicke Filterscheibe bloß noch eine Konzentration von ca. 5 mg/cm³ auf. Ab 4 cm wird die Kurve signifikant asymptotisch. Demgegenüber weist ein Filter mit einer Porosi­ tät von 35 ppi bei einer Dicke des Filters von 1 cm bloß eine Konzentration des ausgeschiedenen Rußes von ca. 15 mg/cm³. Eigenartig verhält sich hingegen bei dieser Porosität von 35 ppi die Konzentration bei zunehmender Filterdicke: Sie beträgt bei einer 4 cm dicken Scheibe immer noch ca. 12 mg/cm³, also ca. 250% der durch eine 50 ppi-Porosität ausgehenden Rußkon­ zentration. Erfolgt bei einer starken Filterbelegung keine rasche Regenerierung, so ist mit einem Druckabfall zu rechnen. Zwar ließe sich hiergegen eine größere Filteroberfläche vor­ sehen, alleine führt dies zu einer großen Filtermasse und, da bei feiner Porosität mit nahezu vollständigem Wärmeaustausch zu rechnen ist, zu einer großen Zeitkonstante. Demgegenüber kann vorliegende Filterzone 1 a so ausgelegt werden, daß eine feinere Porosität als üblich vorgesehen werden kann, denn die hier ablaufende Regenerierung findet, wegen der nunmehr benö­ tigten tiefen Zündtemperatur, fortlaufend statt. Bei dieser Vorgabe kann man davon ausgehen, daß bei guter Filterung in der vorderen Filterzone 1 a nur noch ein minimaler Teil, wenn überhaupt, von Rußpartikeln in die anschließende Filterzone 1 b gelangen wird, und dort höchstwahrscheinlich nur über eine minimale Tiefe vordringen. Aber selbst wenn der kleine Anteil der in der Filterzone 1 a nicht ausgeschiedenen Rußpartikeln sich über die ganze Filterzone 1 b verteilen würde, ist dies nicht weiter schlimm: Da das ganze Filterelement eine ununter­ brochen zusammenhängende Offenporigkeit aufweist, kann sich der einmal in der Filterzone 1 a in Gang gekommene Abbrand un­ gehindert über die ganze Filterzone 1 b fortpflanzen, derge­ stalt, daß Restablagerungen problemlos verbrannt werden können. Die ganze Filterzone 1 b, die mit einem Katalysator, gut zur Nachoxidation der HC- und CO-Schadstoffe, beschichtet ist, erleidet mithin weder sporadisch noch kontinuierlich eine Beeinträchtigung ihrer Funktion. Der Abbrand, der sich unge­ hindert über das ganze Filterelement ausbreitet, vermag auch jene Temperatur sicherzustellen, die für die Verbrennung der Rußpartikeln, in einer hinsichtlich Katalysator zur Herab­ setzung der Zündtemperatur nicht bevorzugten Filterzone, benö­ tigt wird. Diese integrale Ausfilterung von Rußpartikeln, gepaart mit einer auf tiefen Temperaturen stattfindenden Rege­ nerierung, sowie die Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe anhand eines einheitlichen Filterelementes entfaltet auch ihre Vorteile in jenen Fällen, in welchen der Dieselmotor mit einem Lager, vorzugsweise einem Druckwellenlader, aufgeladen ist. Der Druckwellenlader, der stromabwärts des Filters plaziert ist, muß einerseits vor möglichen Rußpartikeln verschont bleiben, andererseits soll er jeweils rasch ansprechen, was nur möglich ist, wenn die Wärmesenkeigenschaft des Filters minimiert werden kann. Beide Voraussetzungen werden hier er­ füllt: Die Ausfilterung der Rußpartikeln ist eine vollstän­ dige; eine dauernde Regenerierung ist gewährleistet. In diesem Zusammenhang läßt sich die Filterzone 1 a ohne weiteres dahin­ gehend verbessern, als diese im Kern in Ausströmungsrichtung 2 eine in der Figur andeutungsweise dargestellte strömungsein­ leitende Ausnehmung 4 aufweist, welche eine gezielte Kanali­ sierung der Abgasströmung in die Kernzone des Filters ermög­ licht, wie dies in EP-A1-01 83 066 beschrieben wird. Selbstver­ ständlich kann vorgesehen werden, daß diese kanalisierende Abgasströmung auf eine Filterpartie der Filterzone 1 a trifft, deren Struktur gegenüber der umliegenden und nachgeschalteten Partien zwar offenporig ist, aber bezüglich Porosität unter­ schiedliche Werte aufweist: Vermag der in der Filterzone 1 a vorgesehene Katalysator die Zündtemperatur der Rußpartikeln konkret zu vermindern, so steht einer weiteren Erhöhung der Porenzahl pro Längeneinheit (ppi) nichts im Wege, denn in einem solchen Fall käme eine durch eine potentiell zunehmende Rußbelegung sich vergrößernde Wärmesenkeigenschaft des Filters wegen der dauernd stattfindenden Regenerierung nicht zum Tragen. Ein dem Filterelement 1 nachgeschalteter Druckwel­ lenlader wird sonach unmittelbar ansprechen, d. h. Ladedruck abgeben können. Was die Filterart anbelangt, läßt sich fest­ stellen, daß bei einem Schaumfilter die Regenerierung gegen­ über andersartigen Filtern wesentlich besser abläuft, weil sich bei dieser Filterart ein einmal gestarteter Brand durch das ganze Filterelement hindurch ausbreiten kann. Dies im Gegensatz beispielsweise zu einem Zellenfilter, bei welchem von Zelle zu Zelle eine starke Isolationswirkung vorherrscht, daher auch nur ein inselartiges Abbrennverhalten zu erwarten ist. Ein ähnliches Verhalten kann auch bei einem Schaumfilter festgestellt werden, der aus einzelnen aneinanderliegenden Scheiben besteht.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filterelementen, die jeweils mit unter­ schiedlich wirkenden Katalysatoren beschichtet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß im Querschnitt des vom Abgas durchströmten Gehäuses (3) ein Filterelement (1) mit offenporiger Struktur angeordnet ist, dessen eine in Aus­ strömungsrichtung (2) vordere Filterzone (1 a) einen Kata­ lysator zur Verminderung der Zündtemperatur der Rußpar­ tikeln trägt, und dessen andere der vorderen Filterzone (1 a) nachgeschaltete Filterzone (1 b) einen Katalysator zur Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe trägt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (1) ein Schaumfilter ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Filterelement (1) ein Lader nachgeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader ein Druckwellenlader ist.