DE3916556A1 - Vorrichtung zum reinigen der abgase von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen der Ab­ gase von Verbrennungskraftmaschinen, insbesonders von Diesel­ motoren, mit einem Abgasfiltertopf, der zur Aufnahme eines oder mehrerer Rußfilter dient und in den auch die Motorab­ gase geleitet werden, die dann durch die Rußfilter oder Katalysatoren von Rußteilchen oder von Partikeln sonstiger Schadstoffe befreit werden und über die Filterabgasrohre wieder abströmen.

Die Vorrichtung ist besonders für Diesel- oder Gasmaschinen geeignet, die in ihren Abgasen eine sehr hohe Rußbildung aufweisen, aber durch ihre thermische Konzeption eine zu niedrige Abgastemperatur erzeugen, die geeignet wäre, Rück­ stände oder Rußteilchen in den Kapillaren eines Filters oder Katalysators abzubrennen bzw. reinzuglühen, so daß die Ruß­ filterwirkung oder die katalytische Oberfläche eines Kata­ lysators auf Dauer gewährleistet und eine Verstopfung der Filterkapillaren ausgeschlossen wäre.

Bekannterweise liegen die Abgastemperaturen von Verbrennungs- Kraftmaschinen, die nach dem Dieselprozeß arbeiten um ca. 500°C bis 600°C niedriger als bei Ottomotoren und obwohl die Abgase der Dieselmotoren als sauber gelten, ist die starke Rußbildung äußerst schädlich, da in die Rußteilchen noch wesentliche Mengen von Kohlewasserstoffteilchen mitein­ gebunden sind. Da aber die Abgastemperatur des Dieselmotors nicht ausreicht, um Rußpartikel in den Kapillaren der Fil­ ter abzubrennen, wird bereits versucht, durch zeitweise Ein­ spritzung von Brennstoff in den Abgasfiltertopf, in dem die Rußfilter untergebracht sind, also durch Wärmezufuhr, die nötige Abbrenntemperatur zu erreichen, bei der die Filter zeitlich so aufgeheizt werden, daß die Rußteilchen in den Filterkapillaren wegbrennen und Filterverstopfungen ver­ mieden werden.

Wird also die Temperaturerhöhung im Abgasfiltertopf durch Einspritzung von Dieselbrennstoff vorgenommen, so verbrennt diese Flamme wieder mit hoher Rußentwicklung. Soll aber ver­ hindert werden, daß die Aufheizungsflamme im Abgasfilter­ topf wieder Ruß entwickelt und dabei wieder einen Anteil an der Verstopfung der Filterkapillaren beiträgt, so muß ein ziemlich hoher technischer Aufwand getrieben werden, damit die Abbrenn- oder Reinigungsflamme rußfrei und mit wenig Schadstoffen belastet brennt. Aufwendige Maßnahmen für die Brennstoff-Luftdosierung und komplizierte Brenner sind die Folge.

Eine zweite Möglichkeit ist, einen anderen Brennstoff zu ver­ wenden, der die Nachteile von Rußbildung und sonstigen Schad­ stoffen wie Dieselöl, Gasöl oder Schweröl nicht aufweist. Jedoch ist auch diese Methode sehr aufwendig und unbequem, da zweierlei Brennstoff, einmal Brennstoff für den Motor und einmal für die Abbrennvorrichtung von Ruß in den Filtern verwendet werden müßte.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorher genannten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zu schaffen, die weitgehend unabhängig von der Art der Brenn­ stoffe, mit der sie betrieben wird, wie z.B. Heizöl, Diesel­ öl, Benzin oder Gas, eine rußfreie und mit wenig Schadstof­ fen belastete, also weitgehend saubere Abbrenn- und Reinglüh­ flamme erzeugt, die zur Reinigung und Abbrennen der Rußteil­ chen in den Filterkapillaren benutzt wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Abgasfiltertopf ein Heißgasgenerator in Form eines Pulso- Strahlrohres mit selbständiger Resonanz-Stoßwellenzündung vorgeschaltet ist, wobei mit Hilfe von Strömungsleit- und Strömungsbremsblechen der heiße Gasstrahl aus dem Pulso- Strahlrohr strömungsverlangsamt wird und durch die Kapilla­ ren des oder der Rußfilter dabei so geführt wird, daß er mittels einer vorher festgelegten, geeigneten Abbrenntem­ peratur und Strömung die in den Kapillaren der Filter anhaf­ tenden Partikel, die zur Verstopfung der Filter oder zur Unwirksamkeit der katalytischen Oberfläche oder Beschich­ tung eines Katalysators führen würde, abbrennt und rein­ glüht, so daß die Wirksamkeit des oder der Filter bzw. des Katalysators dauerhaft gewährleistet ist.

Die Vorrichtung arbeitet mit einem hohen thermischen Wir­ kungsgrad bezüglich der Wärmeübertragung auf die Rußfilter und ist in ihrem Aufbau einfach und unkompliziert, sowie äußerst raumsparend.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Patent­ ansprüchen zu entnehmen. Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mit zwei Radial-Rußfiltern und

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1.

Ein Abgasfiltertopf 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs enthält zwei Rußfilter 2, die zur Reinigung der Motorabgase 3 des Kraftfahrzeugs dienen, das beispiels­ weise von einem Dieselmotor angetrieben wird. Dem Abgasfil­ tertopf 1 ist ein Heißgasgenerator in Form eines Pulso- Strahlrohres 4 vorgeschaltet, das einen periodisch pulsie­ renden Heißgasstrahl 6 erzeugt.

Im wesentlichen besteht das Pulso-Strahlrohr 4 aus Platten­ ventilen 8, die die Pulso-Brennkammer 9 nach außen abschlie­ ßen, und einem Pulso-Auspuffrohr 10, durch das die heißen Verbrennungsgase nach einer Explosion in der Brennkammer 9 nach außen abströmen. Wenn nun Brennstoff 11 über die Brenn­ stoffdüsen 12 eingespritzt wird und Frischluft 13 über die Plattenventile 8 und den Frischluftkanal 19 ebenfalls in die Brennkammer 9 eingeblasen wird, entsteht ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch, das mit einer Zünd- oder Glühkerze 14 in der Brennkammer 9 zur Explosion gebracht wird. Der Ver­ brennungsdruck in der Brennkammer 9 schließt die Plattenven­ tile 8, so daß die heißen Verbrennungsgase nur über das Pulso- Auspuffrohr 10 nach außen entweichen können. Durch das Ab­ strömen der Verbrennungsgase durch das Auspuffrohr 10 ent­ steht an den Plattenventilen 8 in der Brennkammer 9 ein Unter­ druck, der die Plattenventile 8 öffnet, so daß dabei Frisch­ luft 13 und Brennstoff 11 angesaugt wird und in der Brenn­ kammer 9 ein neues zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch ent­ steht.

Bei nun entsprechend abgestimmter Pulso-Rohrlänge entsteht eine Resonanzstoßwelle der Verbrennungsgase im Pulso-Strahl- Rohr 4, die zurückschlägt bis zur Brennkammer 9 und das frisch angesaugte Brennstoff-Luftgemisch selbst zündet, ohne Einwirkung einer Fremdzündung. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch immer wieder, so daß am Austritt des Pulso-Aus­ puffrohres 10 ein pulsierender Heißgasstrahl 6 entsteht. Die Zündung mit Hilfe der Zünd- oder Glühkerze 14 ist nur für die erste Explosion erforderlich.

Der vom Pulso-Strahlrohr 4 gelieferte Heißgasstrahl 6 be­ sitzt je nach Auslegung und Brennstoffverwendung eine Tem­ peratur von ca. 600°C bis 1000°C und ist daher völlig aus­ reichend für die vollständige Abbrennung von Rußteilchen in den Filter-Kapillaren 7 oder zum Reinglühen eines Katalysa­ tors, wobei der Heißgasstrahl 6 noch mit sehr hoher Aus­ strömgeschwindigkeit aus dem Pulso-Auspuffrohr 10 ausströmt. Bei Einleitung dieses Heißgasstrahles 6 in den sich erwei­ ternden Abgasfiltertopf 1 mit den Rußfiltern 2 wird die hohe Strömgeschwindigkeit einerseits durch die Raumerweiterung des Abgasfiltertopfes 1 und anderseits durch die im Abgas­ filtertopf 1 angebrachten Strömungsleit- und Strömungs­ bremsbleche 5 sehr stark verlangsamt.

Außerdem strömt der Heißgasstrahl 6 im Abgasfiltertopf 1, in dem sich die Rußfilter 2 befinden, über eine Fangdüse 15 in einen Feuerkanal 16, der sich nach hinten erweitert und als Diffusor wirkt, so daß die Heißgasstrahlgeschwindigkeit weiter herabgesetzt wird und dann durch die Strömungsleit­ bleche 5 so umgelenkt wird, daß der Heißgasstrahl 6 sich teilweise im Gegenstrom 17 zu den ebenfalls in den Abgasfil­ tertopf 1 einströmenden Motorabgasen 3 befindet und so der Heißgasstrahl 6 gut vermischt an den Rußfiltern 2 vorbei­ streicht und diese in kurzer Zeit so aufheizt, daß die Ruß­ teilchen oder sonstige Partikel in den Filter-Kapillaren 7 abgebaut werden. Durch diese Strömungsführung des Heißgas­ strahles 6 entsteht eine kreisende, heiße Strömung, die im Zentrum in den Feuerkanal 16 eingeblasen wird und an den Außenseiten zurückströmt, um von neuem durch die Injektor­ wirkung des eingeblasenen Heißgasstrahles 6 angesaugt, wie­ der am Ende des Diffusors austritt.

Der Heißgasstrahl 6 selbst weist keine Rußbildung und nur geringe Mengen an sonstigen Schadstoffen auf, da durch die selbstzündende Resonanzstoßwelle im Pulso-Strahlrohr 4 eine saubere Verbrennung zustande kommt. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn rußbildende Brennstoffe im Pulso-Strahlrohr 4, wie Heizöl oder Dieselöl, zur Entrußung der Filter 2 ver­ wendet werden.

Wie bereits vorher erwähnt, benötigt das Pulso-Strahlrohr 4 für den Start, also für die erste Explosion, in der Brenn­ kammer 9 Frischluft 13 und Brennstoff 11 von außen und eine Fremdzündung durch die Zündkerze 14. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß der Frischlufteinlaß 13 des Pulso-Strahlrohres 4 mit dem Kühlgebläse des Motors 18 oder mit der Druckluftbremsanlage des Fahrzeuges über einen Frischluftverbindungskanal 19 verbunden ist, so daß bei laufendem Motor an den Plattenventilen 8, die die Pulso- Brennkammer 9 nach außen verschließen, ein Luftüberdruck vorhanden ist, der die Plattenventile 8 öffnet und die Frischluft in die Pulso-Brennkammer 9 einströmt und bei Brennstoffeinspritzung über die Brennstoffdüsen 12 die erste Explosion des Brennstoff-Luftgemisches mittels der Zünd- oder Glühkerze 14 in der Pulso-Brennkammer 9 erfolgen kann und dann für weitere Zündungen der periodisch angesaugten, neuen Brennstoff-Luftgemische in der Pulso-Brennkammer 9 keine weiteren Fremdzündungen mehr erforderlich sind.

Die Einschaltung der Abgas-Reinigungsvorrichtung geschieht automatisch in Abhängigkeit vom Verstopfungsgrad der Fil­ ter 2, z.B. durch eine Vergleichsmessung von Motorabgas­ druck oder Strömung, ein Mal gemessen an einem Meßpunkt 22 vor dem Eingang in den Abgasfiltertopf 1 und an einem Meß­ punkt 23 am Ausgang des Abgasfiltertopfes 1 an den Abgas- Filterrohren 21. So ist es möglich, schon bei geringsten Druck- oder Strömungsunterschieden, die auch auf geringe Verunreinigungen der Filterkapillaren 7 schließen lassen, die Vorrichtung in bekannter Weise über die Vergleichs­ messung 24 automatisch einzuschalten. Dabei wird bei einem vorher festgelegten Verstopfungsgrad der Filter 2 durch die Vergleichsmessung 24 die Drosselklappe 20, die sich im Frisch­ luftverbindungskanal 19 zwischen Motorkühlgebläse 18 und dem Lufteinlaß 13 zur Pulso-Brennkammer 9 des Pulso-Strahlroh­ res 4 befindet, geöffnet und die Brennstoffzufuhr 11 für das Pulso-Strahlrohr 4 sowie die Zündung über die Zündkerze 14 freigegeben, so daß die erste Explosion in der Pulso- Brennkammer 9 erfolgen kann.

Besonders zweckmäßig ist der Einbau der Vorrichtung in den Bereich des Motorauspuffrohres 3, in dem die Motorabgastem­ peratur noch über 150°C beträgt und das Pulso-Strahlrohr 4 durch die Motorabgase aufgeheizt wird, was den Start des Pulso-Strahlrohres 4 wesentlich erleichtert. Dies wird vor allem dadurch erreicht, daß das Pulso-Auspuffrohr 10 zum Teil in den Abgasfiltertopf 1 hineinreicht, so daß es von den heißen Motorabgasen 3 umströmt und damit aufgeheizt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungs­ kraftmaschinen, insbesonders von Dieselmotoren, mit einem Abgasfiltertopf, der zur Aufnahme eines oder mehrerer Rußfilter dient und in den auch die Motorabgase geleitet werden, die dann durch die Rußfilter oder Katalysatoren von Rußteilchen oder von Partikeln sonstiger Schadstoffe befreit werden und über Filter-Abgasrohre wieder abströ­ men, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgasfiltertopf (1) ein Heißgasgenerator in Form eines Pulso-Strahlrohres (4) mit selbständiger Resonanz-Stoßwellenzündung vorge­ schaltet ist, wobei mit Hilfe von Strömungsleit- und Strömungsbremsblechen (5) der heiße Gasstrahl (6) aus dem Pulso-Strahlrohr (4) strömungsverlangsamt wird und durch die Kapillaren (7) des oder der Rußfilter (2) da­ bei so geführt wird, daß er mittels einer vorher festge­ legten, geeigneten Abbrenntemperatur und Strömung die in den Kapillaren (7) der Filter (2) anhaftenden Partikel, die zur Verstopfung der Filter (2) oder zur Unwirksam­ keit der katalytischen Oberfläche oder Beschichtung eines Katalysators führen würde, abbrennt und reinglüht, so daß die Wirksamkeit des oder der Filter (2) bzw. des Katalysators dauerhaft gewährleistet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlaß (13) in die Pulso-Brennkammer (9) des Pul­ so-Strahlrohres (4) mit dem Kühlgebläse (18) des Motors oder mit der Druckluftbremsanlage des Fahrzeuges über einen Frischluftverbindungskanal (19) verbunden ist, so daß bei laufendem Motor an den Plattenventilen (8), die die Pulso-Brennkammer (9) nach außen verschließen, ein Luftüberdruck vorhanden ist, der die Plattenventile (8) öffnet und die Frischluft in die Pulso-Brennkammer (9) einströmen läßt und bei Brennstoffeinspritzung über die Brennstoffdüsen (12) die erste Explosion des Brennstoff- Luftgemisches mittels einer Zünd- oder Glühkerze (14) in der Pulso-Brennkammer (9) erfolgen kann und dann für wei­ tere Zündungen der periodisch angesaugten, neuen Brenn­ stoff-Luftgemische in der Pulso-Brennkammer (9) keine weiteren Fremdzündungen mehr erforderlich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Frischluftverbindungskanal (19) zwischen Motor-Kühlgebläse (18) und Lufteinlaß (13) zu den Platten­ ventilen (8) des Pulso-Strahlrohres (4) eine Drosselklappe (20) eingebaut ist, die den Frischluftstrom des Motor­ kühlgebläses (18) zum Pulso-Strahlrohr (4) erst nach Aktivierung der Vorrichtung freigibt und in bekannter Weise die Brennstoffzufuhr (11) für das Pulso-Strahl­ rohr (4) öffnet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Pulso-Strahlrohr (4) er­ zeugte Heißgasstrahl (6) über eine Fangdüse (15) in einen Feuer-Kanal (16) geleitet wird, der sich nach hin­ ten erweitert und als Diffusor wirkt, so daß die Heißgas- Strahlgeschwindigkeit weiter herabgesetzt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einstückiger Ausführung des Ruß­ filters (2) oder des Katalysators, der meist aus Keramik oder Metall besteht, die Fangdüse (15) und der als Diffu­ sor wirkende Feuerkanal (16) im Rußfilter (2) oder im Ka­ talysator integriert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangdüse (15) und der Feuerkanal (16) durch ein hitzebeständiges Lochblech gebildet ist, das als Strömungsleit- und Strömungsbremsblech (5) den heißen Gasstrahl (6) vom Feuerkanal (16) nach außen so umlenkt, daß er an den Rußfilter (2) entlang im Gegen­ strom (17) zum einströmenden Motorabgas (3) für eine gute Durchmischung der Gase sorgt und die Filterkapil­ laren (7) sowie die ganzen Filter (2) schnell und gleich­ mäßig mit der nötigen Abbrenntemperatur aufheizt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulso-Strahlrohr (4) während laufendem Motor in Abhängigkeit vom Verstopfungsgrad des oder der Filter (2) durch eine Vergleichsmessung (24) von Motorabgasdruck oder Strömung am Eingang und am Ausgang des Abgasfiltertopfes (1) automatisch eingeschaltet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Auspuffrohr (10) des Pulso-Strahl­ rohres (4) zum Teil in den Abgasfiltertopf (1) hinein­ reicht, so daß das Pulso-Auspuffrohr (10) von den eben­ falls in den Abgasfiltertopf (1) einströmenden heißen Mo­ torabgasen (3) umströmt und damit aufgeheizt wird, was den Start des Pulso-Strahlrohres (4) erleichtert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in den Bereich des Motorabgasauspuffrohres gelegt wird, wo die Motorabgas­ temperatur über 150°C liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in die Motorauspuff- Schalldämpferanlage integriert ist, oder als selbständige Vorrichtung vor der Motorauspuff-Schalldämpferanlage in die Auspuffleitung des Motors gelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei dieser Vorrichtung sowohl Radial­ filter mit radialen Kapillaren (7) als auch Axialfilter mit axial verlaufenden Kapillaren (7) verwendet werden.