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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kohlenstoffpartikelreduktion.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Kohlenstoffpartikelreduktion, die Kohlenstoffpartikel wie z.
B. Ruß und
Rauch, die im Abgas zum Beispiel eines Dieselmotors enthalten sind,
ein- bzw. auffangen und akkumulieren kann und dann ermöglicht,
daß die
Kohlenstoffpartikel oxidieren und verbrennen, wodurch sie reduziert
und/oder eliminiert werden.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Im
Abgas eines Dieselmotors sind feine Kohlenstoffpartikel enthalten,
d. h. Kohlenstoffpartikel PM (Partikelsubstanz), die der durch unvollständige Verbrennung
eines Brennstoffes erzeugter Ruß und Rauch
sind.
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Werden
solche Kohlenstoffpartikel PM direkt in die freie Luft ausgestoßen, werden
sie zum Schadstoff und sind schädlich.
Es ist daher ein wichtiges Thema, die Kohlenstoffpartikel zu verringern
oder zu eliminieren.
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4 ist
eine erklärende
Querschnittansicht, die eine Eliminiervorrichtung für die Kohlenstoffpartikel
PM gemäß des Standes
der Technik dieser Art zeigt. Ein Abgasrohr 2, 3 für von einem
Dieselmotor abgegebenes Abgas 1 ist mit einem katalytischen Konverter 4 dazwischen
vorgesehen. Der katalytische Konverter 4 ist mit einer
Reinigungseinrichtung 5 zum Reinigen von CO, HC etc. und
einer Eliminiervorrichtung 6 für die Kohlenstoffpartikel PM
in dieser Reihenfolge versehen.
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Die
Reinigungseinrichtung 5 weist einen Wabenkern 7 auf,
der mit Zellwänden 8 versehen
ist, die zum Haften gebracht und mit einem Oxidationskatalysator
wie z. B. Pt überzogen
werden. Es wird nicht nur bewirkt, daß die Reinigungseinrichtung 5 CO,
HC etc. oxidiert, verbrennt und dann eliminiert, sondern auch, daß sie gestattet,
NO im Abgas zu NO2 zu oxidieren.
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Die
Eliminiervorrichtung 6 für die Kohlenstoffpartikel PM
weist einen porösen
Filter 9 mit hoher Dichte auf, der aus Keramik hergestellt
ist, die mit Porenwänden 10 versehen sind,
die zum Haften gebracht werden und mit einem Oxidationskatalysator wie
z. B. Pt überzogen
sind. Es wird bewirkt, daß die Eliminiervorrichtung 6 nicht
nur die Kohlenstoffpartikel PM im Abgas 1 auffängt und
akkumuliert, sondern die Kohlenstoffpartikel PM auch oxidiert, verbrennt und
dann eliminiert.
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Erstes Problem
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Im
Stand der Technik wurde auf die folgenden Probleme hingewiesen.
Als erstes wird die Eliminiervorrichtung für die Kohlenstoffpartikel PM
des katalytischen Konverters 4 im Betrieb leicht zerstört.
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In
der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung 6 wird nämlich der poröse Filter 9 von
hoher Dichte, hergestellt aus Keramik, eingesetzt, worin eine große Menge
Kohlenstoffpartikel PM, nachdem sie von jeder Porenwand 10 des
Filters 9 aufgefangen und akkumuliert werden, oxidiert,
verbrennt und dann insgesamt eliminiert worden sind. In diesem Fall
belief sich ein Auffangverhältnis
und/oder Eliminierungsverhältnis
der Kohlenstoffpartikel PM auf 95% oder mehr. Weil die große Menge
der auf solche Weise aufgefangenen und akkumulierten Kohlenstoffpartikel
PM intensiv oxidiert und insgesamt verbrannt wird, tritt ein scharfer
Temperaturanstieg auf, und die maximale Temperatur erreicht beinahe
etwa 1.200 K.
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Daher
besteht in der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung 6 für die Kohlenstoffpartikel PM
das Problem, daß der
Filter 9 unter einer solch hohen Betriebstemperatur zerstört wird.
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Zweites Problem
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Die
Lebensdauer der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung 6 für Kohlenstoffpartikel PM ist
kurz.
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Es
wurde nämlich
erwartet, daß diese
Eliminiervorrichtung 6 regeneriert werden würde, um
danach kontinuierlich verwendet zu werden. Sobald der Filter 9 die
aufgefangenen und akkumulierten Kohlenstoffpartikel PM nämlich oxidiert,
verbrennt und dann eliminiert, wird der Filter 9 regeneriert,
um einen Zyklus des Auffangens neuer Kohlenstoffpartikel PM, der
Akkumulierung, Oxidation, Verbrennung und dann Eliminierung zu wiederholen.
Daher wurde erwartet, daß der
Filter 9 eine Serie von Zyklen von Regeneration, Auffangen, Akkumulieren,
Oxidation, Verbrennen und Eliminieren in dieser Reihenfolge wiederholen
würde.
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Wie
oben erwähnt,
tritt aber bei hoher Temperatur die Hitzezerstörung des Filter 9 dieser
Eliminiervorrichtung 6 leicht auf, und der Filter 9 wurde
in etwa einer Woche zerstört.
Entsprechend weist der Filter 9 wegen seiner extrem kurzen
Lebensdauer einen Nachteil auf, und die Kostenlast ist schwer.
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Drittes Problem
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Als
drittes wird darauf hingewiesen, daß im Abgas 1 enthaltener
Schwefel (S) Auffangen, Akkumulierung, Oxidation, Verbrennung und
Eliminierung der Kohlenstoffpartikel PM beeinflussen kann.
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Der
Schwefel (S) im Erdöl
verbleibt nämlich im
Abgas 1. Zur Zeit sind etwa 500 ppm Schwefel (S) im Abgas 1 enthalten,
aber dies wird in der Zukunft auf etwa 50 ppm reduziert. Es ist
deshalb darauf hingewiesen worden, daß Schwefel (S) in der Eliminiervorrichtung 6 für Kohlenstoffpartikel
PM Sulfat SO4 2– bildet,
an den Kohlenstoffpartikeln PM haftet und Verstopfen verursacht
etc.
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Als
Ergebnis war es schwierig, die Kohlenstoffpartikel PM im Filter 9 aufzufangen,
zu akkumulieren, zu oxidieren, zu verbrennen und dann zu eliminieren.
Insbesondere sind die durch den Schwefel (S) verursachten Probleme
im Abgas 1, das eine hohe Konzentration an Schwefel (S)
von etwa 500 ppm enthält,
oder im Abgas 1, das eine große Menge Kohlenstoffpartikel
PM enthält,
offensichtlich.
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Im
katalytischen Konverter 4 bewirkt die sich an der stromaufwärtigen Seite
davon befindende Reinigungseinrichtung 5, daß Stickstoffoxid
NO zu Stickstoffdioxid NO2 oxidiert wird,
welches dann der Eliminiervorrichtung 6 für die Kohlenstoffpartikel
PM auf der stromabwärtigen
Seite zugeführt
wird.
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Das
Stickstoffidoxid NO2 hat die Funktion, die
Oxidation und Verbrennung und Eliminierung der Kohlenstoffpartikel
PM in der Eliminiervorrichtung 6 zu beschleunigen, und
man erwartet daher, daß es die
oben beschriebenen, von Schwefel (S) verursachten Probleme beträchtlich
lösen wird.
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Eine
solche Funktion von Stickstoffdioxid NO2 ergibt
sich bei einem Temperaturniveau von etwa 600 K. Wie oben beschrieben,
wird in der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung jedoch ein scharfer Temperaturanstieg auf etwa
1.200 K beobachtet. Entsprechend war es bisher nahezu unmöglich, das Stickstoffdioxid
NO2 eine solche Funktion ausüben zu lassen.
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WO-A-0034632
offenbart ein System zur Nachbehandlung von Abgasen, das zwei Katalysatoren
umfaßt.
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WO-A-9944725
offenbart ein System zum Entfernen von Partikeln aus Diesel, das
einen Katalysator und ein Partikelfalle umfaßt.
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EP-A1055805
offenbart ein System zum Entfernen von Schmutz aus Abgasen, das
zwei aufeinander folgende Prozeßstufen
aufweist.
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Um
einige der im Stand der Technik vorhandenen Probleme zu lösen, ist
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vorrichtung zum Entfernen von Kohlenstoffpartikeln
aus Dieselmotorabgasen vorgesehen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine
Mehrzahl Metallfilter mit einer Drahtgeflechtstruktur, wobei die
Filter angeordnet sind, um bei Benutzung Kohlenstoffpartikel einzufangen,
wobei sich die Filter im Betrieb regenerieren, um danach kontinuierlich
benutzt zu werden, und wobei wenigstens einige der Filter den gleichen äußeren Durchmesser
aufweisen;
ein zylindrisches Gehäuse zum Aufnehmen der Filter im
Betrieb; gekennzeichnet durch:
einen Zwischenraum, der zwischen
dem Gehäuse und
den Filtern vorgesehen ist;
einen im Zwischenraum zwischen
dem Gehäuse
und den Filtern positionierten Halter, der angeordnet ist, um im
Betrieb die Filter im Gehäuse
zu halten;
eine Platte, die im Betrieb ein Ende des Filters schließt, das
der stromaufwärtigen
Seite der Vorrichtung am nächsten
ist;
eine Öffnung,
die in einem zentralen Abschnitt mindestens einiger der Filter im
Betrieb zur Verbindung zwischen Filtern und zur Verbindung mit einem
Abgasrohr an der stromabwärtigen
Seite der Vorrichtung vorgesehen ist; und
wobei mindestens
einige der Filter unterschiedliche Maschendichten aufweisen.
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Es
werden nun Betriebsweisen der Vorrichtung zur Kohlenstoffpartikelreduktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Darin
ist ein Abgasrohr für
Abgas von einem Dieselmotor oder dergleichen mit einer Vorrichtung zur
Kohlenstoffpartikelreduktion vorgesehen, die einen oder mehrere
Filter mit einer Drahtgeflechtstruktur verwendet. Es wird bewirkt,
daß diese
Reduziervorrichtung Kohlenstoffpartikel aus dem Abgas auffängt, akkumuliert,
oxidiert, verbrennt, reduziert und/oder eliminiert.
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Ein
Auffangverhältnis
und/oder ein Eliminierungsverhältnis
der Kohlenstoffpartikel ist auf etwa 5%~80, z. B. etwa 60%~80% eingestellt.
Das Einstellen und/oder Anpassen dieses Auffangverhältnisses und/oder
Eliminierungsverhältnisses
wird unter Berücksichtigung
des Gehalts der Kohlenstoffpartikel im Abgas durch eine selektive
Kombination von (a) essentieller Aufnahme von einem oder mehreren
Filtern mit einer Drahtgeflechtstruktur, (b) Haftung und Überzug eines
Oxidationskatalysators wie z. B. Platin an/auf den Filtern, (c)
Aufnahme einer Mehrzahl Filter mit verschiedenen Maschendichten,
(d) Abstände
in seitlicher Richtung zwischen den Filtern, (e) Einfügen eines
Hilfsabschnitts für
den Oxidationskatalysator wie z. B. Platin in die Abstände etc.
realisiert.
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In
der Reduziervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel wird zuerst eine kleine Menge der Kohlenstoffpartikel
durch die Filter aufgefangen und akkumuliert und unter einem solchen
Auffangverhältnis
und/oder Eliminerungsverhältnis
schnell oxidiert und verbrannt.
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Daher
werden die Filter bei einem Temperaturniveau von etwa 600 K gesteuert
(die maximale Temperatur ist z. B. etwa 900 K), und als Ergebnis wird
die Hitzezerstörung
verhindert. Da die Filter außerdem
mit einer Drahtgeflechtstruktur versehen sind, sind sie flexibel
und leicht zu reinigen. Eine Zerstörung kann auch unter diesem
Aspekt verhindert werden.
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Zweitens
wiederholen die Filter einen Zyklus von Auffangen und Akkumulierung
der Kohlenstoffpartikel → Oxidation
und Verbrennung → Reduktion und/oder
Eliminierung → Regeneration,
um kontinuierlich verwendet zu werden.
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Wenn
in dieser Reduziervorrichtung ein oder mehrere Filter verwendet
werden, ist es drittens auch möglich,
einen solchen schädigenden
Einfluß,
daß im
Abgas enthaltener Schwefel ein Sulfat bildet, an den Kohlenstoffpartikeln
haftet und dadurch Oxidation und Verbrennen erschwert und Verstopfen
und dergleichen verursacht, zu reduzieren.
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Was
oben als Erstes beschrieben wurde, kann in Kombination mit einer
Reinigungseinrichtung weiterhin sichergestellt werden. Die Reinigungseinrichtung
weist einen oder mehrere Wabenkerne auf, die mit Zellwänden versehen
sind, auf die ein Oxidationskatalysator wie z. B. Platin aufgetragen
und dazu gebracht wird, daran zu haften. Die Wabenkerne bewirken,
daß Stickstoffoxid
zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, um dadurch die Oxidation und
Verbrennung der Kohlenstoffpartikel in den Filtern der Reduziervorrichtung,
die auf der stromabwärtigen
Seite vorgesehen sind, zu beschleunigen.
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Was
oben als Zweites beschrieben wurde, kann weiterhin in Kombination
mit einem oder mehreren Zuführabschnitten
für einen
Brennstoffzusatz sichergestellt werden. Die Zuführabschnitte können durch
einen oder mehrere Staudrucksensoren gesteuert werden, die nahe
den Filtern vorgesehen sind und einen Dieselmotor mit Cer und einem
Oxidationskatalysator wie z. B. Platin als Brennstoffzusatz versorgen.
Auf diese Weise werden Auffangen und Akkumulierung sowie Oxidation
und Verbrennung der Kohlenstoffpartikel in den Filtern durch den Brennstoffzusatz
im Abgas des Dieselmotors beschleunigt.
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Drittens
können
auch ein oder mehrere Filter in einem äußeren zylindrischen Gehäuse vorgesehen
sein, indem ein Raum zwischen den Filtern und dem Gehäuse vorgesehen
wird, und die Filter sind weiterhin an einer Mittelposition davon
mit einer Öffnung
zur Verbindung versehen.
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Die
obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit den begleitenden Zeichnungen noch offensichtlicher.
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1 ist
eine erklärende
Querschnittansicht einer vergleichbaren Reduziervorrichtung für Kohlenstoffpartikel;
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2 ist
eine Vorderansicht, die ein gesamtes Abgassystem einer vergleichbaren
Reduziervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel erklärt;
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3 ist
eine erklärende
Querschnittsansicht einer Reduziervorrichtung für Kohlenstoffpartikel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4 ist
eine erklärende
Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Eliminiervorrichtung für Kohlenstoffpartikel.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. 3 ist vorgesehen, um eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu erklären.
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1 ist
eine erklärende
Querschnittsansicht einer vergleichbaren Reduziervorrichtung für Kohlenstoffpartikel,
und 2 ist eine Vorderansicht, die ein gesamtes Abgassystem
erklärt. 3 ist
eine erklärende
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf 2 wird ein katalytischer Konverter 4 erklärt. Ein
interner Verbrennungsmotor, z. B. ein Dieselmotor 11, findet
nicht nur in Automobilen breite Verwendung, sondern auch bei der
Stromerzeugung, in Wasserfahrzeugen, Lokomotiven, Flugzeugen, verschiedenen
Maschinerieteilen oder dergleichen.
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Vom
internen Verbrennungsmotor, z. B. dem Dieselmotor 11 ausgestoßenes Abgas 1 enthält Kohlenmonoxid
CO, Kohlenwasserstoff HC, Stickstoffoxide NOx, Kohlenstoffpartikel
PM etc.
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Wenn
das Abgas 1, das einen solchen nachteiligen Schadstoff
enthält,
direkt in die Luft ausgestoßen
wird, ist er für
den menschlichen Körper
und die Umwelt schädlich.
Entsprechend ist ein Abgasrohr 2, 3 für das Abgas 1,
das im Dieselmotor 11 etc. verwendet wird, mit einem katalytischen
Konverter 4 oder dergleichen in der Mitte davon versehen,
um Umweltverschmutzung zu vermeiden.
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Der
katalytische Konverter 4 ist allgemein in einer zylindrischen
oder quadratrohrartigen Form gebildet und zwischen dem Abgasrohr 2 auf
der stromaufwärtigen
Seite und dem Abgasrohr 3 auf der stromabwärtigen Seite
eingesetzt. Der katalytische Konverter 4 ist lösbar mit
einer Reinigungseinrichtung 5 für Kohlenstoffmonoxid CO und
Kohlenwasserstoff HC sowie mit einer Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel
PM in dieser Reihenfolge in einem äußeren zylindrischen Gehäuse 21 versehen.
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Die
Reinigungseinrichtung 5 weist einen oder mehrere Wabenkerne 7 auf,
die mit Zellwänden 8 versehen
sind, auf die ein Oxidationskatalysator wie z. B. Pt aufgetragen
und zur Haftung gebracht ist.
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Die
Reinigungseinrichtung 5 ist vorgesehen, um zu bewirken,
daß im
durchtretenden Abgas 1 enthaltenes CO, HC etc. oxidiert
wird und verbrennt, wodurch es reduziert und/oder eliminiert wird.
Zusätzlich
gestattet die Reinigungseinrichtung 5, daß NO von
NOx zu Stickstoffdioxid NO2 oxidiert wird.
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Es
wird bewirkt, daß die
Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM im
durchtretenden Abgas 1 enthaltene Kohlenstoffpartikel PM
auffängt
und akkumuliert und dann oxidiert und verbrennt, wodurch die Kohlenstoffpartikel
PM reduziert und/oder eliminiert werden. Der katalytische Konverter 4 ist
wie oben beschrieben aufgebaut.
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Eine Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM
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Eine
vergleichbare Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM wird
mit Bezug auf 1 beschrieben. Die Reduziervorrichtung 12 übernimmt einen
oder mehrere Filter 13 mit einer Drahtgeflechtstruktur,
die veranlaßt
werden, die Kohlenstoffpartikel PM aus dem Abgas 1 einzufangen
und zu akkumulieren → die
Kohlenstoffpartikel PM zu oxidieren und zu verbrennen → die Kohlenstoffpartikel
PM zu reduzieren und/oder zu eliminieren. Daher wird die Reduziervorrichtung 12 auch
regeneriert und danach kontinuierlich verwendet.
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Die
vergleichbare Reduziervorrichtung 12 wird nun unten im
Detail beschrieben. Zunächst
werden die Kohlenstoffpartikel PM durch unvollständige Verbrennung von Brennstoff
in einem Dieselmotor 11 erzeugt (siehe 2)
und bestehen aus unreinem Material von feinen Kohlenstoffpartikeln,
sogenanntem Ruß und
Rauch, die Asche des Brennstoffs sind. Die Filter 13 bestehen
aus einer Drahtgeflechtstruktur, in der extrafeine Metalldrähte vertikal
und lateral in einer feinen und dichten Netzform (maschenartig) ineinandergreifen.
Die Filter 13 sind typischerweise aus Metall wie z. B.
rostfreiem Stahl gebildet, können aber
auch durch ein faserartig gewobenes Aggregat oder ein gestanztes
Aggregat gebildet sein.
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Die
Filter 13 der Reduziervorrichtung 12 können auf
verschiedene Arten gebildet sein, wie unten gezeigt:
- (a) Die oben beschriebene Drahtgeflechtstruktur wird gemeinsam
von einem oder mehreren Filtern 13 angenommen.
- (b) Sie wird als eine Struktur aufweisend angesehen, durch die
ein Oxidationskatalysator wie z. B. Pt an den Filtern 13 haftet
und die Filter 13 mit dem Oxidationskatalysator wie z.
B. Pt überzogen sind.
Es
wird nämlich
eine Struktur betrachtet, durch die ein oder mehrere Filter 13 mit
einer Drahtgeflechtstruktur vorgesehen sind, um als Körper zum
Fassen eines Oxidationskatalysators zu dienen, worin bewirkt wird,
daß die
Drähte
durch Imprägnierung,
Auftragung, Haftung, Überziehen oder
dergleichen ein Metall und ein Metalloxid wie z. B. Pt, V, Cu oder
Mn als Oxidationskatalysator halten. Im Gegensatz dazu ist es auch
möglich, daß der Oxidationskatalysator
angeordnet ist, um nicht an den Filtern 13 zu haften, und
die Filter 13 nicht mit dem Oxidationskatalysator überzogen sind.
- (c) Es wird auch eine Struktur betrachtet, wodurch in der Reduziervorrichtung 12 eine
Mehrzahl Filter 13 mit unterschiedlicher Maschendichte
verwendet wird. Genauer kann die Mehrzahl Filter 13 mit der
Drahtgeflechtstruktur von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite
hin vorgesehen sein, wobei die Filter auch mit unterschiedlicher
Maschendichte kombiniert sein können,
wie dies in den Figuren gezeigt ist. Der Grund, warum die Filter
mit unterschiedlicher Maschendichte verwendet werden, ist, Kohlenstoffpartikel
PM mit unterschiedlichen Größen zu bewältigen.
Im
Fall, in dem die Gesamtmaschendichte zum Beispiel 40% in einer Reduziervorrichtung 12 beträgt, können die
Filter 13 mit mittlerer Maschendichte von etwa 10%, die
Filter 13 mit geringer Maschendichte von etwa 5% und die
Filter 13 mit sehr starker Maschendichte von etwa 25% verwendet
werden, indem sie nach Größenordnung kombiniert
werden. Es ist natürlich
möglich,
daß in der
Reduziervorrichtung 12 eine Mehrzahl Filter 13 mit
der gleichen Maschendichte kombiniert werden kann.
- (d) Im Fall, daß die
Mehrzahl Filter 13 in einer Reduziervorrichtung 12 verwendet
wird, können
in einer lateralen Richtung zwischen jedem Filter 13 auch
(Zwischen)Räume
bzw. Abstände 14 vorgesehen
sein.
Obwohl die Zwischenräume 14 zwischen
jedem Filter 13 vorgesehen sein können, ist es auch möglich, zu
ermöglichen,
daß benachbarte
Filter 13 in Kontakt kommen, so daß zwischen den Filtern 13 kein
Zwischenraum vorgesehen ist. In 1 gibt es
insgesamt fünf
(5) Filter 13, und zwei (2) Zwischenräume 14 sind in einer
lateralen Richtung gebildet. Es gibt auch zwei (2) Stellen, an denen
die Filter 13 miteinander in Kontakt stehen.
- (e) Im Fall, daß einer
oder mehrere Zwischenräume 14 in
einer lateralen Richtung zwischen jedem Filter 13 vorgesehen
sind, ist es möglich,
die Zwischenräume 14 leer
zu lassen oder einen Hilfsabschnitt 15 in einen oder mehrere
der Zwischenräume 14 einzufügen. In 1 ist
nur ein Hilfsabschnitt 15 in einem Zwischenraum 14 eingeführt.
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Dieser
Hilfsabschnitt 15 macht aus jeder Zellwand 17 eines
Wabenkerns 16, hergestellt aus Metall wie z. B. rostfreiem
Stahl, einen Körper
zum Tragen eines Oxidationskatalysators. Der Oxidationskatalysator
wie z. B. Pt wird von der Zellwand 17 durch Haftung und Überzug getragen.
Haftung von und Überzug
mit dem Oxidationskatalysator an/auf dem Wabenkern 16 ist
einfacher als Haftung von und Überzug
mit dem Oxidationskatalysator an/auf dem Filter 13 mit
der Drahtgeflechtstruktur.
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In
der vergleichbaren Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel
PM ist ein Auffangverhältnis
und/oder ein Eliminierungsverhältnis
der Kohlenstoffpartikel PM durch verschiedene Kombination der Filter 13,
oben in (a), (b), (c), (d) und (e) beschrieben, auf etwa 5%~80%,
typischerweise etwa 60%~80%, eingestellt.
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Im
Fall, daß ein
herkömmlicher
Dieselmotor 11 verwendet wird, dessen prozentualer Gehalt
und Ausstoßverhältnis der
Kohlenstoffpartikel PM hoch ist, wird das Auffangverhältnis und/oder
das Eliminierungsverhältnis
auf etwa 60%~80% eingestellt. Im Gegensatz dazu wird im Fall, daß der neueste
Dieselmotor 11 verwendet wird, dessen prozentualer Gehalt
und/oder Ausstoßverhältnis der
Kohlenstoffpartikel PM niedrig ist, das Auffangverhältnis und/oder das
Eliminierungsverhältnis
auf etwa 5%~30% eingestellt.
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Wie
oben beschrieben, können
die in der Reduziervorrichtung 12 vorgesehenen Filter 13 auf
verschiedene Arten konstruiert sein. Das Auffangverhältnis, das
Eliminierungsverhältnis
und der Filtrationsanteil werden auf einen vorbestimmten Wert (%) eingestellt, indem
die Struktur dieser (a), (b), (c), (d) und (e) als Reaktion auf
den Gehalt der Kohlenstoffpartikel PM im Abgas 1 selektiv
ausgewählt
wird.
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Im
Fall, daß der
Oxidationskatalysator wie z. B. Pt zum Beispiel nicht an einer Mehrzahl
Filter 13 mit einer Drahtgeflechtstruktur [siehe (a)] haftet
und darauf nicht aufgetragen ist [siehe (b)], wird der Hilfsabschnitt 15 zwischen
einen oder mehrere Zwischenräume 14 eingeführt [siehe
(d)], die in einer lateralen Richtung zwischen der Mehrzahl Filter
vorgesehen sind [siehe (c)], wenn der Gehalt an Kohlenstoffpartikeln
PM im Abgas 1 groß ist,
während
jeder Zwischenraum 14 als ein leerer Raum unausgefüllt gelassen
wird [siehe (e)], wenn der Gehalt an Kohlenstoffpartikeln PM klein
ist.
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Die
Kombination der obigen (a), (b), (c), (d) und (e) wird auf verschiedene
Arten durchgeführt.
Mit Bezug auf die Mehrzahl Filter 13 wird zum Beispiel ungeachtet
der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen auch erwogen,
ob der Oxidationskatalysator wie z. B. Pt haftet oder aufgetragen
ist oder ob es Zwischenräume 14 gibt.
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Betrieb etc.
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Eine
vergleichbare Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM ist
wie oben beschrieben konstruiert.
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Kohlenstoffpartikel
PM wie z. B. Ruß und Rauch
sind in einem treibenden Zustand im Abgas 1 vom Dieselmotor 11 etc.
enthalten. Entsprechend ist ein Abgasrohr 2, 3 für das Abgas 1 darin
mit einem katalytischen Konverter 4, der mit einer vergleichbaren
Reduziervorrichtung 12 versehen ist, für die Kohlenstoffpartikel PM
vorgesehen.
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Die
vergleichbare Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM übernimmt
eine Mehrzahl Filter 13 mit einer feinen Drahtgeflechtstruktur,
in der aus Metall wie z. B. rostfreiem Stahl hergestellte Drähte (maschenartig)
verflochten sind. Jeder Filter 13 fängt Kohlenstoffpartikel PM
aus dem passierenden Abgas 1 auf und akkumuliert sie und
oxidiert und verbrennt dann die Kohlenstoffpartikel PM, wodurch die
Kohlenstoffpartikel PM um etwa 5% bis 80% eliminiert werden, z.
B. um etwa 60% bis 80%. Auf diese Weise werden Kohlenstoffpartikel
PM reduziert.
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Die
Abgastemperatur des Abgases 1 beträgt normalerweise etwa 600 K,
und wenn der Dieselmotor 11 bei hoher Geschwindigkeit betrieben
wird, wird sie etwa 800 K. Die Kohlenstoffpartikel PM, die von jedem
Filter 13 aufgefangen und akkumuliert werden, fangen bei
einer solchen Abgastemperatur natürlich Feuer und verbrennen.
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Daher
werden zum Beispiel etwa 60% bis 80% der Kohlenstoffpartikel PM
im Abgas 1 eliminiert. Die verbleibenden 20% bis 40% der
Kohlenstoffpartikel PM werden durch jeden Filter 13 geschickt,
um einen gewissen Grad der Partikelgröße zu erhalten, und dann direkt
ins Freie ausgestoßen. Dieser
Anteil an Ausstoß von
Kohlenstoffpartikeln PM in die Luft wird derzeit als erlaubter Bereich
angesehen.
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Zum
Beispiel werden die Kohlenstoffpartikel PM durch jeden Filter 13 von
200 mg/m3 auf 60 mg/m3 reduziert
und/oder eliminiert. Mit anderen Worten werden die Kohlenstoffpartikel
PM um etwa 70% reduziert und/oder eliminiert (wenn Schwefel S 50
ppm beträgt).
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Daher
ist das Auffangverhältnis
und/oder Eliminierungsverhältnis
von Kohlenstoffpartikeln PM in jedem Filter 13 der Reduziervorrichtung 12 zum
Beispiel auf etwa 60% bis 80% und etwa 5% bis 30% als Reaktion auf
den vorhersagbaren Gehalt an Kohlenstoffpartikeln PM im Abgas 1 eingestellt
worden.
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Einstellen
und/oder Abgleichen auf ein solches Auffangverhältnis und/oder Eliminierungsverhältnis kann
unter Betrachtung der Leistung des Dieselmotors 11 und
des Gehalts der Kohlenstoffpartikel PM im Abgas 1 durch
selektive Kombination von (a) Übernahme
der Filter 13 mit einer Drahtgeflechtstruktur, (b) Haftung
und Überzug
des Oxidationskatalysators wie z. B. Pt an/auf jedem Filter 13, (c)
Kombination einer Mehrzahl Filter 13 mit verschiedenen
Maschendichten, (d) Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Zwischenräumen 14 zwischen
jedem Filter 13, (e) Einfügung oder Nichteinfügung eines
Hilfsabschnitts 15 zwischen jedem Zwischenraum 14 etc.
realisiert werden.
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Mit
Bezug auf die Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM werden
die folgenden drei Beschreibungen gegeben.
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Erstens
werden die Kohlenstoffpartikel PM unter dem verbesserten Auffangverhältnis und/oder Eliminierungsverhältnis von
etwa 5%~80%, z. B. etwa 5%~30% und etwa 60% 80% (verglichen mit dem
Verhältnis
von 95% oder mehr im Stand der Technik beträchtlich reduziert) in einer
vergleichsweise kleinen Menge durch die in der Figur gezeigte Mehrzahl
Filter 13 aufgefangen und akkumuliert und dann sofort oxidiert
und verbrannt. Entsprechend ist es möglich, einen scharfen Temperaturanstieg
in jedem Filter 13 zu vermeiden. Die Temperatur jedes Filters 13 durch
Oxidation und Verbrennung wird normalerweise auf dem Niveau von
600 K gesteuert. Die maximale Temperatur beträgt etwa 900 K und erreicht
1.200 K nicht.
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Daher
kann die Zerstörung
unter Erhitzen jedes Filters 13 auf hohe Temperaturen verhindert
werden. Da jeder Filter 13 aus einer Auffang-Drahtgeflechtstruktur
besteht, ist er flexibel, und obwohl die Kohlenstoffpartikel PM
akkumuliert werden, gibt es einen Freiheitsgrad. Es ist auch einfach,
die Asche der Kohlenstoffpartikel PM zu entfernen, und auch von
diesem Aspekt her kann eine mögliche
Zerstörung
verhindert werden.
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Zweitens
wiederholt der Filter 13, da die Zerstörung jedes Filters 13 wie
oben beschrieben verhindert werden kann, einen Zyklus der folgenden
regenerativen Verwendung der Reihenfolge nach: Auffangen und Akkumulieren
neuer Kohlenstoffpartikel PM → Oxidation
und Verbrennung → Reduktion
und Eliminierung → Auffangen
und Akkumulieren neuer Kohlenstoffpartikel PM → Oxidation und Verbrennung → Reduktion
und Eliminierung. Daher kann der Filter 13 den Zyklus der
regenerativen Verwendung wiederholen, um fortlaufend verwendet zu
werden. Er ist daher in seiner Lebensdauer überlegen. Zum Beispiel kann der
Filter 13 fortlaufend für
mindestens etwa 250 Stunden verwendet werden.
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Drittens
ist es auch möglich,
einen schädlichen
Einfluß aufgrund
von Schwefel (S) zu vermeiden, der sowohl im Brennstoff als auch
im Abgas des Dieselmotors 11 enthalten ist.
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Wie
oben beschrieben, können
die Kohlenstoffpartikel PM im Abgas 1 in einer vergleichsweise geringen
Menge bei einem Auffangverhältnis und/oder
einem Eliminierungsverhältnis
von etwa 5%~80%, z. B. etwa 60%~80% aufgefangen und akkumuliert
und dann sofort oxidiert und verbrannt werden, wodurch sie reduziert
und/oder eliminiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, das
Auftreten des Phänomens
zu reduzieren, wodurch der Schwefel (S) im Abgas 1 Sulfat
SO4 2 bildet, an
den Kohlenstoffpartikeln PM haftet und die Oxidation und die Verbrennung
schwierig macht und Verstopfen oder dergleichen verursacht.
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Andere
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Erstens
kann das Obige weiterhin durch Verwendung in Kombination mit einer
Reinigungseinrichtung 5 sichergestellt werden, die auf
der stromaufwärtigen
Seite vorgesehen ist.
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Diese
Reinigungseinrichtung 5 ist nämlich auf der stromaufwärtigen Seite
der Reduziervorrichtung 12 im äußeren zylindrischen Gehäuse 21 des katalytischen
Konverters 4 vorgesehen. Die Reinigungseinrichtung 5 weist
einen Wabenkern 16 auf, der mit Zellwänden 17 versehen ist,
die aus Metall wie z. B. rostfreiem Stahl hergestellt sind, an denen ein
Oxidationskatalysator wie z. B. Pt haftet und auf die er aufgetragen
wird. Die Reinigungseinrichtung 5 gestattet nicht nur,
daß CO,
HC etc. im Abgas 1 oxidiert werden und verbrennen, um sie
zu reduzieren und zu eliminieren, sondern auch, daß NO im
Abgas 1 zu NO2 oxidiert wird, das
der stromabwärtigen
Seite zugeführt
wird.
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Auf
diese Weise werden Oxidation, Verbrennung, Reduktion und Eliminierung
der Kohlenstoffpartikel PM durch NO2 beschleunigt,
das im Abgas 1 an der Mehrzahl Filter 13 der Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel
PM auf der stromabwärtigen Seite
enthalten war.
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Eine
beschleunigende Funktion der Oxidation und Verbrennung durch NO2 wird auch vom Standpunkt der Temperatur
sichergestellt, weil die Temperatur jedes Filters 13 normalerweise,
wie oben beschrieben, auf einem Niveau von etwa 600 K gesteuert
wird.
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Zweitens
ist das Obige weiterhin durch Verwendung in Kombination mit einem
Zuführabschnitt 19 für einen
in 2 gezeigten Brennstoffzusatz 18 sichergestellt.
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Der
Zuführabschnitt 19 kann
einen Dieselmotor 11 nämlich
mit Cer und einem Oxidationskatalysator wie z. B. Pt als Brennstoffzusatz 18 versorgen.
Der Zuführabschnitt
ist auf eine solche Weise angeordnet, daß Zufuhr, Notwendigkeit des
Zusatzes und Menge des Zusatzes basierend auf einem Auspuff- oder
Staudruckwert gesteuert werden, der von zwei (2) Staudrucksensoren
SE ermittelt wird, die nahe jedem Filter 13 vorgesehen
sind.
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Daher
werden Auffang und Akkumulierung, Oxidation und Verbrennung sowie
Reduktion und Eliminierung von Kohlenstoffpartikeln PM durch den Brennstoffzusatz 18 beschleunigt,
der im Abgas 1 jedes Filters 13 der Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel
PM enthalten ist.
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Nachfolgend
erfolgt eine weitere Beschreibung bezüglich des Zuführabschnitts 19.
Der Zuführabschnitt 19 für den Brennstoffzusatz 18 fügt den Brennstoffzusatz 18 zum
Beispiel in einem Verhältnis von
7,5 ml je 50 l Brennstoff in einem Brennstofftank 20 hinzu.
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Der
Brennstoffzusatz 18 von 7,5 ml darin im Lösemittel
enthält
etwa 5 ppm Ce und etwa 0,5 ppm Pt.
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Die
Notwendigkeit des Zusatzes und die spezifische Menge der Zugabe
oder das Zugabeverhältnis
des Brennstoffzusatzes 18 durch den Zuführabschnitt 19 werden
wie folgt gesteuert und bestimmt. Der Gehalt von Kohlenstoffpartikeln
PM im Abgas 1 und die Größe des Auffangverhältnisses
und/oder Eliminierungsverhältnisses
der Kohlenstoffpartikel PM werden nämlich basierend auf der Zunahme
oder Abnahme eines Staudruckwertes ermittelt, der durch zwei (2)
Staudrucksensoren SE ermittelt wird, und dann als Reaktion darauf
gesteuert und bestimmt.
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Auf
diese Weise beschleunigt Ce im Brennstoffzusatz 18 das
Auffangen und die Akkumulierung von Kohlenstoffpartikeln PM in der
Mehrzahl Filter 13 basierend auf einem synergistischen
Effekt, wenn der Brennstoffzusatz 18 im Abgas 1 vom
Dieselmotor 11 enthalten ist. Der Oxidationskatalysator
wie z. B. Pt im Brennstoffzusatz 18 beschleunigt die Oxidation und
Verbrennung von Kohlenstoffpartikeln PM, die von jedem Filter 13 aufgefangen
und akkumuliert werden, basierend auf dem synergistischen Effekt.
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Daher
werden das Auffangverhältnis und/oder
das Eliminierungsverhältnis
von etwa 5%~80%, z. B. etwa 60%~80% der Kohlenstoffpartikel PM in
jedem Filter 13 sowie Oxidation und Verbrennung beim Temperaturniveau
von etwa 600 K sicher realisiert.
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Drittens
sind ein oder mehrere Staudrucksensoren SE nahe den Filtern 13 vorgesehen.
Zwei (2) Staudrucksensoren SE sind in der Figur vor und hinter den
Filtern 13 vorgesehen.
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Der
Zuführabschnitt 19 für den Brennstoffzusatz 18 wird
zunächst
basierend auf dem Staudruckdetektionswert beider Staudrucksensoren
SE gesteuert, wie dies oben beschrieben ist. Weiterhin wird auch
die Notwendigkeit, jeden Filter 13 zu reinigen, basierend
auf dem Staudruckdetektionswert von beiden Staudrucksensoren SE
beurteilt.
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Asche
der Kohlenstoffpartikel PM haften nämlich allmählich an jedem Filter 13,
aber die Zeitwahl des Reinigens und/oder Eliminierens der Asche wird
basierend auf dem Staudruckdetektionswert erkannt und gefühlt. Ein
Kriterium für
die Zeitwahl ist zum Beispiel etwa 25 Kpa.
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Viertens
sind ein oder mehrere Filter 13 so vorgesehen, daß sie im
wesentlichen den gleichen Durchmesser wie den inneren Durchmesser
eines äußeren zylindrischen
Gehäuses 21 des
in 1 gezeigten katalytischen Konverters aufweisen,
aber es können
verschiedene Filterformen angenommen werden.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann, wie in 3 gezeigt,
eine Mehrzahl Filter 13 auch von einem Halter im äußeren zylindrischen
Gehäuse 21 gehalten
werden, indem ein Abstand bzw. Zwischenraum 22 zwischen
den Filtern 13 und dem äußeren zylindrischen
Gehäuse 21 vorgesehen
wird. Eine Öffnung 24 zur
Verbindung ist im zentralen Abschnitt jedes Filters 13 gebildet.
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In 3 sind
vier (4) Filter 13 in Kontakt kombiniert, die den gleichen äußeren Durchmesser aufweisen,
und es sind obere und untere Zwischenräume 22 zwischen dem äußeren zylindrischen
Gehäuse 21 und
den Filtern 13 vorgesehen. Ein Filter an der am weitesten
stromaufwärtigen
Seite weist keine ausgebildete Verbindungsöffnung 24 auf, und
die verbleibenden drei (3) Filter 13 sind jeweils mit einer Öffnung 24 zur
Verbindung miteinander versehen. Diese Verbindungsöffnungen 24 sind
angeordnet, um mit einem Abgasrohr 3 auf der stromabwärtigen Seite
in Verbindung zu stehen. Bezugszahl 25 in 3 ist
eine Platte zum Schließen
eines Endes des Filters 13 auf der stromaufwärtigen Seite.
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In
der Reduziervorrichtung 12 für Kohlenstoffpartikel PM in 3 basieren
weiterhin Konstruktion, Funktion, Betrieb etc. auf denen in 1. Entsprechend
werden hier die gleichen Bezugszahlen wie in 1 verwendet,
und ihre Beschreibung wird ausgelassen.
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Die
vorliegende Erfindung weist die folgenden Effekte auf.
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Erster Effekt
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Als
erstes kann eine Hitzezerstörung
etc. verhindert werden. Es ist nämlich
eine Reduziervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, in der ein Auffangverhältnis und/oder ein Eliminierungsverhältnis von
Kohlenstoffpartikeln auf etwa 5%~80%, z. B. etwa 60%~80% eingestellt
wird.
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Die
Kohlenstoffpartikel werden schnell in geringer Menge oxidiert und
verbrannt, bevor sie in großer
Menge aufgefangen und akkumuliert werden. Daher kann ein scharfer
Temperaturanstieg in den Filtern vermieden werden, und die Temperatur
wird auf einem vergleichsweise niedrigeren Niveau gesteuert.
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Dies
kann weiterhin sichergestellt werden, indem von der Reinigungseinrichtung
an der stromaufwärtigen
Seite zugeführtes
Stickstoffdioxid verwendet wird, oder indem Cer und ein Oxidationskatalysator
wie z. B. Platin als Brennstoffzusatz verwendet werden.
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In
der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel, die aus Keramik hergestellt ist, wird eine
große
Menge Kohlenstoffpartikel aufgefangen und akkumuliert und dann gleichzeitig
oxidiert und verbrannt. Als Ergebnis beträgt das Auffangverhältnis und/oder
das Eliminierungsverhältnis
95% oder mehr, und die maximale Temperatur beträgt etwa 1.200 K. Im Gegensatz
dazu wird die Temperatur bei der Reduziervorrichtung für Kohlenstoffpartikel
gemäß der vorliegenden
Erfindung auf einem niedrigeren Niveau gesteuert, und die Hitzezerstörung der
Filter bei hoher Temperatur kann verhindert werden.
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Da
die Filter eine Drahtgeflechtstruktur umfassen, sind sie flexibel,
und eine Reinigung kann leicht ausgeführt werden. Die Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist daher in der Stärke überlegen
und kann, verglichen mit der aus Keramik hergestellten herkömmlichen
Eliminiervorrichtung, nicht so leicht zerstört werden.
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Zweiter Effekt
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Die
Reduziervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel ist bezüglich
ihrer Lebensdauer überlegen.
Die Reduziervorrichtung für
Kohlenstoffpartikel gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nämlich,
wie oben beschrieben, nicht leicht zerstört, und es kann auch eine Hitzezerstörung bei
hoher Temperatur verhindert werden.
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Die
Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Reihenfolge nach den Zyklus Auffangen und Akkumulieren
von Kohlenstoffpartikeln → Oxidation
und Verbrennung → Reduktion und
Eliminierung → regenerative
Verwendung wiederholen, um fortlaufend verwendet zu werden.
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Obwohl
die herkömmliche
Eliminiervorrichtung in etwa einer Woche zerstört wird, weil bei hoher Temperatur
eine Hitzezerstörung
auftritt, ist die Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich Lebensdauer
und Kosten überlegen,
weil ihre Lebenserwartung lang ist.
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Dritter Effekt
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Ebenfalls
kann ein schädlicher
Einfluß aufgrund
von Schwefel verhindert werden. In der Reduziervorrichtung für Kohlenstoffpartikel
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Kohlenstoffpartikel im Abgas nämlich, wie
oben beschrieben, in vergleichsweise kleiner Menge aufgefangen und
akkumuliert und dann schnell oxidiert und verbrannt, wodurch sie
reduziert und/oder eliminiert werden.
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Da
das Auffangverhältnis
und/oder das Eliminierungsverhältnis
der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung 95% oder mehr beträgt, besteht die Möglichkeit,
daß der
im Abgas enthaltene Schwefel ein Sulfat bildet, an den Kohlenstoffpartikeln
haftet und Oxidation und Verbrennung schwierig macht, wodurch Verstopfen
oder dergleichen verursacht wird. In der Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es jedoch möglich,
eine solche Möglichkeit
deutlich zu reduzieren. Ein solcher schädlicher Einfluß kann in
der Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung vermieden werden, obwohl Schwefel von etwa 50 ppm bis
500 ppm im Abgas enthalten ist.
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Wie
oben beschrieben, wird die Temperatur eines oder mehrerer Filter
in der Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau gesteuert.
Entsprechend kann von der Reinigungseinrichtung auf der stromaufwärtigen Seite
zugeführtes
Stickstoffdioxid sicher eine Funktion des Beschleunigens der Oxidation
und Verbrennung von Kohlenstoffpartikeln hervorbringen, die in der
herkömmlichen
Eliminiervorrichtung nicht verfügbar
ist. Daher kann in der Reduziervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein
schädlicher
Einfluß aufgrund
von Schwefel vermieden werden.
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Wie
oben beschrieben, können
alle in der herkömmlichen
Eliminiervorrichtung festgestellten Probleme durch die vorliegende
Erfindung gelöst werden,
und daher ist der Effekt, den die vorliegende Erfindung hervorbringt,
außergewöhnlich groß.