DE68902417T2 - Geraet zum vermindern der von verbrennungsmotorabgasen verursachten luftverschmutzung. - Google Patents

Geraet zum vermindern der von verbrennungsmotorabgasen verursachten luftverschmutzung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduktion der Luftverschmutzung durch die Auspuffgase eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verminderung der Luftverschmutzung durch das Auspuffgas von Dieselmotoren, die entweder in Fahrzeugen oder fest installiert sein können (z.B. in Generatoranlagen).
  • Es ist bekannt, dass die Auspuffgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, welche mit Dieselöl betrieben werden, zahlreiche giftige Substanzen enthalten, z.B. unverbrannte Kohlewasserstoffe, Partikel, Stickstoffoxyde, Russ u.dgl.
  • Es gibt zahlreiche bekannte Systeme und Vorrichtungen zur Reduktion der Luftverschmutzung durch die Abgase von Verbrennungsmotoren. Im allgemeinen sind diese vom Typ enthaltend ein hohles Gehäuse mit einem Einlass für das zu reinigende Auspuffgas und einem Auslass für das gereinigte Auspuffgas, sowie Reinigungsmittel, die zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet sind.
  • Beispielsweise ist es bekannt, Keramik als Fangeinrichtungen zu verwenden, welche die im Auspuffgas enthaltenen Partikel zurückhalten, wobei diese dann mittels einer geeigneten Heizflamme verbrannt werden, die durch einen passenden Brenner geliefert wird. Solche Vorrichtungen haben keine verbreitete Anwendung gefunden, weil sie sehr teuer sind.
  • Aus der US-A 4 175 107 ist eine katalytische Auspuffgas- Reinigungsvorrichtung bekannt, in welcher der Reinigungskörper aus einer Mehrzahl von Schichten metallischer Fasern gebildet ist, die zwischen zwei rohrförmigen Gittern gehalten sind, welche an Endscheiben befestigt sind, die ihrerseits in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Reduktion der Luftverschmutzung durch die Abgase von Verbrennungsmotoren des Dieseltyps zu schaffen, mit welcher eine Reinigung wie eine drastische Reduktion der Giftigkeit dieser Abgase bei geringen Herstellkosten erzielt werden kann verglichen mit bekannten Vorrichtungen des erwähnten Typs.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform davon ausschliesslich als nicht-einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
  • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Vorrichtung,
  • Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II - II in Fig. 1 in vergrössertem Massstab,
  • Fig. 3 ein Detail aus Fig. 1 in vergrössertem Massstab,
  • Fig. 4 ein Detail eines Herstellschrittes der erfindungsgemässen Vorrichtung, und
  • Fig. 5 die Struktur eines Details aus Fig. 4 in vergrössertem Massstab.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient zur Reduktion der Luftverschmutzung durch Auspuffgase eines Verbrennungsmotors.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst ein hohles Gehäuse 2 mit einem Einlass 3 für die zu reinigenden Auspuffgase und einem Auslass 4 für die gereinigten Auspuffgase, sowie ein Reinigungselement 5, das zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 angeordnet ist.
  • Das Gehäuse 2 hat einen zylindrischen Aufbau mit einer rohrförmigen Seitenwand 7, einer oberen Wand 8 und einer unteren Wand 9. Die obere Wand 8 hat eine axiale Durchgangsöffnung 11 und stützt einen konischen Diffusor 12 ab, der eine progressive Expansion der vom Einlass 3 kommenden, zu reinigenden Auspuffgase bezweckt. Die untere Wand 9 hat eine seitlich versetzte Durchgangsöffnung 13, in welcher ein rohrförmiger Anschluss 14 befestigt ist.
  • Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Reinigungselement 5 im wesentlichen gebildet durch Mineralfasern 6, welche durch einen Edelmetall-Katalyten aktiviert sind, der auf ihnen deponiert ist. Die Fasern 6 sind vorzugsweise gebildet durch Quarz und/oder Silikat-Fasern, während der Edelmetall-Katalyt vorzugsweise ein Platin-Katalyt ist.
  • Gemäss einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung 1 Stützmittel 15 für die Mineralfasern 6, welche im wesentlichen durch einen Strumpf aus fadenförmigem Material gebildet sind, welcher diese Fasern 6 derart kontaktiert, dass zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 alternierende Schichten von fadenförmigem Material 15 und Minderalfasern 6 gebildet sind.
  • Der Strumpf 15 aus gewirktem fadenförmigem Material, von welchem ein Teil im Detail in Fig. 5 dargestellt ist, wird gebildet durch eine Vielzahl von elastisch deformierbaren Maschen, die zweckmässig durch mechanisches Stricken eines rostfreien Stahldrahtes gebildet werden, der gegen hohe Temnperaturen, wie sie in den Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors auftreten, beständig ist.
  • Es sei bemerkt, dass die Mineralfasern 6 und der Strumpf 15 von gewirktem, fadenförmigem Material zu einer Spule aufgewikkelt sind (wie in Fig. 4 dargestellt), derart, dass eine rohrförmige Matte 17 gebildet ist, die zwischen zwei rohrförmigen Metallgittern, d.h. einem inneren Gitter 18 und einem äusseren Gitter 19 gehalten ist. Vorzugsweise werden die Metallgitter 18, 19 als Streckmetall aus einem rostfreien Stahlblech gebildet, das die oben erwähnte hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
  • Die Mineralfasern 6, der Strumpf 15 und die festen Gitter 18, 19 bilden zusammen eine Kartusche 20, die in einer axialen Position innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und so dimensioniert ist, dass der Durchmesser des inneren Gitters 18 im wesentlichen dem Durchmesser der Durchgangsöffnung 11 in der oberen Wand 8 des Gehäuses 2 entspricht.
  • Der obere Abschnitt der Kartusche 20 ist im Gebrauch zwischen einem inneren und äusseren Zentrierkragen 21, 22 positioniert, die von der Innenseite der oberen Wand des Gehäuses 2 abstehen.
  • Der untere Abschnitt der Kartusche 20 ist in einer ringförmigen Schale 24 gehalten, die im wesentlichen durch einen flachen Ring 25 und zwei Kragen 26, 27 gebildet ist, welche senkrecht vom Ring 25 abstehen und den Kragen 21, 22 entsprechen.
  • Um im Gebrauch die Expansion der Kartusche innerhalb des Gehäuses 2 zu ermöglichen, ohne dabei mechanische Spannungen zwischen diesen beiden Komponenten zu erzeugen, wird die Kartusche 20 in der Arbeitsstellung mittels einer Scheibe 30 gehalten, welche gegen die untere Fläche der ringförmigen Schale 24 anliegt. Die Scheibe 30 ist durch eine axiale Zugstange 32 mechanisch mit einer Querstrebe 31 verbunden, welche im Kragen 21 abgestützt ist. Dazu hat die Stange 32 ein Gewindeende 33, das die Scheibe 30 mittels einer Mutter 34 hält. Das Material der Zugstange 32 ist vom selben Typ wie jenes der starren Gitter 18, 19 der Kartusche 20, derart, dass es im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die Gitter 18, 19.
  • Die Scheibe 30 ist mit drei radialen Zungen 35 versehen, die über den Umfang gleichmässig verteilt sind und gegen die innere Oberfläche der Seitenwand 7 des Gehäuses 2 vorstehen (Fig. 2 und 3). Die Zungen 35 sind gegenüber der Fläche der Scheibe 30 derart abgekröpft, dass sie mit jener einen Winkel von im wesentlichen 45º bilden und einen kreisförmigen Aussenrand haben, derart, dass die Zungen 35 bei der axialen Bewegung der Kartusche 20 durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur sich nicht in die Wand 7 eingraben.
  • Um die Auspuffgase gleichmässig über die innere Oberfläche der Kartusche 20 zu verteilen, hat die Vorrichtung 1 zwei Strömungsablenker 37, 38, die im wesentlichen durch rohrförmige Elemente von konischem Profil unterschiedlichen Durchmessers gebildet sind und koaxial an der Querstrebe 31 befestigt sind.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die Scheibe 30 eine Durchgangsöffnung 40 passenden Durchmessers, welche eine direkte Verbindung zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 des Gehäuses 2 schafft.
  • Die Vorrichtung 1 funktioniert im wesentlichen ähnlich wie bekannte Vorrichtungen dieses Typs in dem Sinne, dass die Auspuffgase durch den Einlass 3 ins Innere des Gehäuses 2 gelangen und anschliessend durch den Auslass 3 wieder austreten, nachdem sie die Kartusche 2 traversiert haben und durch das darin enthaltene Reinigungselement 5 gereinigt worden sind.
  • Bei detaillierter Betrachtung der Vorrichtung 1 fallen mehrere Merkmale auf, welche die Vorrichtung sehr effizient machen.
  • Vor allem erfüllt der Strumpf 15 von gewirktem, drahtähnlichem Material zwei wichtige Funktionen:
  • Eine Hauptfunktion besteht darin, die Mineralfasern 6 korrekt zu unterstützen, um sie jederzeit gleichmässig verteilt innerhalb der Kartusche 20 zu halten und dadurch den Reinigungseffekt über die Zeit homogen zu machen.
  • Eine zweite, jedoch ebenso wichtige Funktion besteht darin, zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 alternierende Sätze von Mineralfasern und Drahtmaterial zu bilden, wobei das letztere eine gewisse Trennung zwischen angrenzenden Schichten von Mineralfasern bewirkt und damit eine gute Verteilung der Strömung des Gases zwischen den Mineralfasern selbst, und, schliesslich, einen optimalen Reinigungseffekt.
  • Die Art der Befestigung der Kartusche 20 am Gehäuse 2 mittels der Zugstange 32 (mit gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie die starren Gitter 18, 19) ermöglicht gleichzeitig die Befestigung der Kartusche 20 am Gehäuse 2 und die freie Expansion der Gitter 18, 19, ohne dass durch Ueberschreiten der Streckgrenze die Gefahr des Bruchs dieser Gitter besteht.
  • Die Anwesenheit der Durchgangsbohrung 40 in der Scheibe 30 hat bei normalem Betrieb im wesentlichen keinen Effekt, d.h. in dem Falle, in welchem die Verbrennungsrückstände durch Teile des Reinigungselementes 5 derart konsumiert werden, dass sie sich nicht zwischen den Fasern 6 ansammeln. Wenn ein solcher Fall eintreten sollte, führt das momentane Verstopfen der Kartusche 20 und der konstante Zustrom von Gasen in deren Inneres zu einem Ueberdruck, der einen vorgegebenen Sicherheitspegel nicht überschreitet, weil das Auspuffgas vorübergehend durch die Durchgangsbohrung 40 fliessen kann. Dies ermöglicht dem Reinigungselement 5, die Ueberlast an Verbrennungsrückständen zu verdauen.
  • Schliesslich führt die kombinierte Wirkung des Diffusors 12 und der Deflektoren 37, 38 zu einer Reduktion der Gefahr der Beschädigung durch rasche Entspannung des Auspuff-Gasstrahls, der ins Innere der Kartusche 20 fliesst.
  • Aus einem Studium der Charakteristiken der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die damit erzielbaren Vorteile evident.
  • Die hohe Effizienz des Reinigungselementes 5, vorteilhaft unterstützt durch den Strumpf 15 aus elastisch deformierbarem, gewirktem Metalldraht ermöglicht eine drastische Reduktion in den giftigeren und wiederholten Emissionen, wie Teilchen, Stickstoffoxyde, Kohlenoxyde und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, wobei der Rückstaudruck wesentlich unter den zulässigen Grenzen liegt.
  • Nebst der allgemeinen Verbesserung der Reinigungseffizienz und der Funktionalität ist zu bemerken, dass die Vorrichtung 1 zu Kosten hergestellt werden kann, die wesentlich unter den Kosten der gegenwärtig verwendeten keramischen Vorrichtungen sind.
  • Was die möglichen Anwendungen der erfindungsgemässen Vorrichtung betrifft, ist zu bemerken, dass sie vorteilhaft zur Behandlung der Auspuffgase von Dieselmotoren eingesetzt wird, welche in Fahrzeugen oder stationär (z.B. in Generatorgruppen) montiert sind sowie zur Behandlung der Abgase von Heizkesseln für die industrielle oder häusliche Anwendung.
  • Schliesslich ist es klar, dass die oben beschriebene Vorrichtung 1 verschiedene Modifikationen und Abwandlungen aufweisen kann, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Zum Beispiel ist es offensichtlich, dass breite Aenderungen in der Struktur der Kartusche 20 eingeführt werden können, wobei das Prinzip der Anordnung alternierender Lagen von Mineralfasern und Strümpfen von gewirktem drahtähnlichem Material zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 des Gehäuses 2 beibehalten wird. In dem Falle, in welchem diese zwei Elemente in einer Spirale gewunden sind (wie in Fig. 4 dargestellt), kann der Strumpf 15 auf einer einzigen Seite der Schicht 6 von Fasern angeordnet werden, weil während des Aufwickelns das Alternieren der Schichten automatisch erreicht wird.
  • Die Montage der Kartusche 20 kann mit mehreren Zugstangen erreicht werden, die entweder innerhalb oder ausserhalb der Kartusche angeordnet sein können, wobei das Konzept der Verwendung eines Materials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der so nahe als möglich bei jenem der starren Gitter 18, 19 ist, gleichbleibt. Es leuchtet ein, dass andere Montagearten ebenfalls denkbar sind, z.B. die Verwendung von Federelementen, welche die Kartusche in der korrekten dass andere Montagearten ebenfalls denkbar sind, z.B. die Verwendung von Federelementen, welche die Kartusche in der korrekten Arbeitsstellung halten und gleichzeitig die thermische Ausdehnung in Längs- und Querrichtung innerhalb des Gehäuses zulassen.
  • Die Anzahl der Deflektoren könnte grösser oder kleiner als zwei sein, und die damit verbundene Struktur könnte unterschiedlich von der oben beschriebenen konischen Struktur sein.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Reduktion der Luftverschmutzung durch die Auspuffgase eines Verbrennungsmotors, enthaltend ein hohles Gehäuse (2) mit einem Einlass (3) für die zu reinigenden Auspuffgase, einem Auslass (4) für die gereinigten Auspuffgase sowie Reinigungselementen (5), die zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) angeordnet sind und im wesentlichen Mineralfasern (6) enthalten, gekennzeichnet durch Stützmittel (15) für die Mineralfasern (6), die im wesentlichen aus gewirktem, fadenförmigein Material bestehen, das derart in Kontakt mit den Fasern (6) ist, dass zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) im wesentlichen abwechselnde Schichten von fadenförmigem Material (15) und Mineralfasern (6) gebildet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützmittel (15) im wesentlichen durch einen Strumpf aus fadenförmigem Material gebildet sind, der mehrere elastisch deformierbare, freie Schlaufen enthält, die vorzugsweise durch mechanisches Stricken eines rostfreien Stahldrahtes von hoher Temperaturbeständigkeit erhalten wurden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern aus Quarz und/oder Kieselerde bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern (6) durch einen Katalysator aktiviert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern (6) und der Strumpf (15) aus fadenförmigem Material in eine Spirale aufgewickelt sind, derart, dass eine rohrförmige Matte (17) zwischen einem inneren (18) und einem äusseren rohrförmigen Metallgitter (19) angeordnet ist, wobei die Mineralfasern (6), der Strumpf (15) und die festen Gitter (18,19) zusammen eine Kartusche (20) bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (20) in ihrer Arbeitsstellung innerhalb des Gehäuses (2) durch eine Scheibe (30) gehalten ist, die gegen einen Aussenteil der Kartusche (20) anliegt und mechanisch mit einer Einlasswand (8) des Gehäuses (2) durch mindestens eine axiale Zugstange (32) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (32) aus derselben Art von Material besteht wie die Gitter (18,19), so dass ihre thermische Ausdehnung jener der Gitter (18,19) entspricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (30) mit Abstands- und Führungsmitteln (35) für die Verschiebung des Auslassteils der Kartusche (20) längs einer Seitenwand (7) des Gehäuses (2) versehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstands- und Führungsmittel mehrere gleichmässig beabstandete Zungen (35) umfassen, die radial von der Scheibe (30) gegen die Innenseite der Seitenwand (7) abstehen, ohne diese zu berühren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (35) gegenüber der Ebene der Scheibe (3) zur Einlasswand (8) hin abgebogen sind und ein kreisförmiges äusseres Profil haben, derart, dass sie sich auch nach der Expansion infolge der Arbeitstemperatur nicht in die Seitenwand (7) eingraben.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (30) eine Durchgangsbohrung (40) zur direkten Verbindung zwischen dem Einlass (3) und dem Auslass (4) aufweist, wobei der Auslass (4) eine Durchgangsöffnung (13) hat, die gegenüber dem Einlass (3) versetzt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) mit einer Durchgangsöffnung (11) der Einlasswand (8) mittels eines Diffusors (12) verbunden ist, der stromabwärts des Einlasses (3) angeordnet ist, wobei mindestens ein Deflektor (37,38) mit einem konischen Profil zwischen dem Einlass (3) und der Kartusche (20) koaxial zu Zentriermitteln (21,22) für einen oberen Teil der Kartusche (20) bezüglich der Einlasswand (8) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) mit dem Auspuff eines Dieselmotors und der Auslass (4) mit einer Wärmerückgewinnungseinheit verbunden ist.
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