DE69204061T2

DE69204061T2 - Abgasfilter.

Info

Publication number: DE69204061T2
Application number: DE69204061T
Authority: DE
Inventors: Nancy Clock; Willard Hoeppner; Darrell Jahn; Edgar Stesniak; Mervin Wright
Original assignee: Donaldson Co Inc
Current assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1992-04-13
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2012-04-14
Also published as: JPH06510221A; EP0581834A1; AU1676392A; BR9205924A; CA2108544A1; DE69204061D1; WO1992018226A1; ZA922925B; EP0581834B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entfernen schädlicher Partikel und Gase aus Motorabgas und insbesondere einen Filter und einen Katalysator zum Entfernen von Partikeln und Gasen aus Dieselabgas.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Entfernen schädlicher Partikel und Gase aus Abgas.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Verwendete Einrichtungen zum Reinigen von Motorabgas sind bislang nicht geeignet gewesen, sämtliche Arten von schädlichen Absonderungen aus Verbrennungsmotoren zu beseitigen. Am Arbeitsplatz stellt die Verschmutzung infolge von arbeitenden Motoren eine ernsthafte Gefahr für die Gesundheit der Arbeiter dar. Insbesondere Dieselmotoren stoßen Abgas aus, das zu einem starken, unerwünschten Geruch neigt, und das eine große Konzentration von ausgestoßenem Ruß aufweist, insbesondere beim Betrieb unter Vollgasbedingungen. Unerwünschte Elemente, wie z.B. Kohlenstoffrauch und unverbrannter Brennstoff, treten bei Dieselemissionen in größeren Mengen auf. Zusammen mit den Partikeln werden ferner schädliche Gase mit dem Dieselabgas ausgestoßen. Das Problem wird in geschlossenen Räumen, wie z.B. Lagerräumen, verstärkt, in welchen Fahrzeuge, wie z.B. Dieselgabelstapler, arbeiten.
Das Filtrieren mit Metall- oder Keramikfiltern ist ein geläufiges Verfahren zum Beseitigen von unerwünschten, aus Partikeln bestehenden Bestandteilen des Dieselabgases. Filtrieren alleine ist jedoch nicht geeignet, sämtliche schädliche Elemente des Diesesabgases zu beseitigen, und katalytische Konverter sind bei Dieselmotoren praktisch nicht anwendbar, da das Dieselabgas zu viel aus Partikeln bestehende Substanz enthält. Gase, wie z.B. Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid, aus Dieselmotoren durchströmen Filtersysteme. Diese Gase stellen eine Gefahr für die Gesundheit der Arbeiter in geschlossenen Räumen dar, wenn die Konzentration zu hoch ist. Zusätzlich durchströmen die mit der Verbrennung von Dieselbrennstoffen verbundenen, starken Gerüche infolge dieser und anderer Gase die Filtersysteme.
Zur Reduzierung der schädlichen Gase aus dem Abgas ist es notwendig, die Abgase durch einen Katalysator zu leiten, so daß die Gase zu weniger schädlichen Gasen geändert oder abgebaut werden, während sie durch die Katalysatormaterialien strömen. Ein Katalysator schafft ferner die Reduzierung der mit den Gasen im Dieselabgas verbundenen Gerüche. Um wirksam zu arbeiten, muß der Kohlenstoffruß und andere Partikel in dem Abgas entfernt werden, bevor es durch den Katalysator strömt, um eine Verschmutzung des Katalysators infolge der sich anreichernden Partikel zu verhindern. Der Katalysator muß ebenfalls imstande sein, zu arbeiten, ohne einen Druckaufbau zu erzeugen, der die Motorleistung beeinflussen kann und den Motor sowie das Abgas- bzw. Auspuffsystem beschädigen könnte.
Eine Einrichtung, welche diese Probleme lösen soll, ist in EP- A-0 384 853 dargestellt.
Zur Reduzierung von schädlichen Gasen aus dem Abgas von Motoren mit einer Niedrigtemperaturabgasströmung, wie z.B. intermittierend eingesetzte Dieselmotoren, bei denen die Beschleunigungsvorrichtung zwischen Leerlaufperioden vollständig hinuntergedrückt wird, muß der Katalysator in der Lage sein, in einer Abgasströmung mit verhältnismäßig niedrigen Temperaturen im Bereich von Umgebungstemperatur bis 320ºC (600ºF) wirksam zu arbeiten, im Gegensatz zu Motoren mit konstanter Drehzahl, die Abgastemperaturen im Bereich von 425ºC bis 600ºC (800ºF bis 1100ºF) aufweisen. Die in dem Katalysator mit den Abgasen stattfindenden Reaktionen sind jedoch exotherm, so daß der Katalysator über einen großen Temperaturbereich arbeiten muß, da sich Wärme in dem Katalysator aufbaut. Es ist ebenfalls Wichtig, daß das Volumen des Katalysators konstant verbleibt, während die Temperaturen variieren, so daß die Abgase das Katalysatormaterial nicht durch Zwischenräume bzw. Lücken umgehen können, die sich beim Ausdehen und Kontrahieren des Katalysators bilden.
Es ist zu erkennen, daß eine Vorrichtung benötigt wird, welche die schädliche, aus Partikeln bestehende Substanz ebenso wie Gerüche und schädliche Abgase über einem großen Temperaturbereich reduziert. Die vorliegende Erfindung wendet sich an diese ebenso wie andere Probleme, die mit der Reinigung von Motorabgas verbunden sind.
Erfindungsgemäß werden die obigen Probleme durch eine Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 und durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5 gelöst. Erfindungsgemäß werden die Partikel aus dem Abgas mit einem Filter entfernt, der zu reinigen und wiederwendbar ist. Nach dem Filtern der Abgase strömen die Gase durch einen Katalysator, der mit schädlichen, in dem Abgas ausgestoßenen Gasen reagiert. Die stattfindenden Reaktionen reduzieren die Menge von toxischen Gasen, so daß das Abgas anschließend sicher in die Umgebung abgegeben werden kann.
Nach Durchströmen eines von dem Motor kommenden Rohrstückes, das über einen Auspufftopf bzw. Schalldämpfer führen kann, treten die Gase in eine Abgasreinigungseinheit ein. Beim Eintritt in die Einheit werden die Gase zum Inneren eines Filtereinsatzes geleitet und strömen anschließend radial nach außen durch das Filterelement des Einsatzes. Der Filtereinsatz ist im wesentlichen zylindrisch, so daß das Verschließen der Enden die gesamte Strömung von dem Inneren des Einsatzes nach außen zwingt. Der Einsatz wird mittels einer Endkappe in seiner Position gehalten, wobei ein (Schrauben-)Bolzen und eine Mutter die Endkappe halten. Durch Lösen der Endkappe kann der Einsatz zum Reinigen aus der Filtereinheit gezogen werden. Während der Handhabung des Filtereinsatzes zum Reinigen, können die Enden verschlossen werden, so daß keine Partikel von dem Inneren des Einsatzes, wo die Partikel abgeschieden worden sind, entweichen. Außerdem verringert eine gefaltete Filtermaterialstruktur zur zusätzlichen Abscheidung von Ruß nicht die Filterleistung und kann die Leistung sogar erhöhen. Nach dem Reinigen des Filtereinsatzes kann der Einsatz immer wieder wiederverwendet werden.
Da die Partikel schnell mit jedem Katalysator reagieren oder den Katalysator überziehen, müssen die Abgase zuerst gefiltert werden, bevor sie einen Katalysator durchströmen. Erfindungsgemäß durchdringen die Gase daher den Katalysator nach dem Durchströmen des Filtereinsatzes. Umlenkeinrichtungen leiten die gefilterten Gase in einem gleichmäßigen Muster bzw. Struktur durch das Katalysatormaterial. Die Gase reagieren dann mit dem Katalysatormaterial, so daß schädliche Gase, wie z.B. Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Kohlenstoffmonoxid, reduziert werden. Dieses reduziert ebenfalls den mit Dieselmotoren verbundenen Geruch.
Die Reaktion zwischen dem katalysator und den Abgasen ist exotherm, so daß die Ausdehnung und Kontraktion des Katalysatormaterial zu Zwischenräumen bzw. Lücken in dem Material führen würde, und dadurch den Abgasen eine Umgehung ("Bypass") des Katalysators verschafft wird. Es ist deshalb wichtig, daß das Katalysatormaterial in dem auftretenden Betriebstemperaturbereich nicht expandiert oder kontrahiert. Es ist ferner wünschenswert, Haltescheiben zu haben, die das Material schwimmend halten, so daß Schwankungen in dem Gehäuse bei dem katalysator nicht zum Verbiegen bzw. Verbeulen infolge der Expansions- und Kontraktionsunterschiede führen.
Der Katalysator ist bevorzugt in einem Modul eingebaut, das an der Abgasreinigungseinheit befestigt werden kann, so daß die Strömung von dem Filtereinsatz nach außen durch die Katalysatoreinheit geleitet und anschließend in die Atmosphäre ausgegeklemmt oder geschraubt, so daß ein Modul entfernt und zur Wiederverwendung erneuert oder durch ein neues Modul ausgetauscht werden kann. Dieses ermöglicht die Reinigung sowie die Wiederverwendung oder den Austausch sowohl vom Filter- als auch vom Katalysatorbauteil.
Auf diese und verschiedene andere Vorteile und neue Merkmale, welche die Erfindung kennzeichnen, wird in den Ansprüchen ausführlich hingewiesen, die dieser Schrift beigefügt sind und einen Teil davon bilden. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile sowie der bei ihrem Einsatz erzielten Gegenstände wird gleichwohl auf die Zeichnungen Bezug gehommen, die einen weiteren Teil dieser Schrift bilden, sowie auf die begleitende Beschreibung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und erläutert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Rückansicht eines Gabelstaplers mit einer daran befestigten Filter-Katalysatoreinheit gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt der in Fig. 1 dargestellten Filter- und Katalysatoreinheit;
Fig. 3 eine Endansicht im Schnitt entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2; und
Fig. 4 eine Endansicht im Schnitt entlang der Linie 4-4 aus Fig. 2.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine im ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungsfiltereinrichtung, die an einem Auspufftopf 18 befestigt ist und Abgase von einem Motor (nicht dargestellt) zieht. Die Verbrennungsfiltereinrichtung 10 weist ein Agglomerierrohr 12 auf, das von einer Wärmeschutzhülle 14 umgeben ist. Die dargestellte Verbrennungsfiltereinrichtung 10 ist an einem Diesel-Gabelstapler 16 befestigt, wobei jedoch zu beachtenist, daß die Verbrennungsfiltereinrichtung 10 ebenso bei anderen mit Kohlenwasserstoffbrennstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden könnte.
Das Agglomerierrohr 12 führt zu einer im ganzen mit 20 bezeichneten Abgasreinigungsbaugruppe. Das Abgas strömt in ein Filtergehäuse 24, das an einem oberen Rahmenabschnitt des Gabelstaplers 16 befestigt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Reinigungsbaugruppe 20 eine Wärmedämmung 28 auf, um Arbeiter vor Verbrennungen zu schützen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält die Abgasreinigungsbaugruppe 20 das Filtergehäuse 24 zusammen mit einem Katalysatormodul 30, das an einem dem Agglomerierrohr 12 gegenüberliegenden Ende des Filtergehäuses 24 befestigt ist. Das Filtergehäuse 24 nimmt einen zylindrischen Filtereinsatz 22 auf. In dem bevorzugten Ausführungsbeipiel ist der Filtereinsatz 22 zylindrisch mit einer ringförmigen Form ausgebildet. Die Zylinderenden sind mit Endringen 22a bedeckt, welche mit einem gefalteten Faserfilterelement 22b in Verbindung stehen. Der Filtereinsatz wird in dem Filtergehäuse 24 mittels einer Endkappe 44 gehalten, welche den von dem Agglomerierrohr 12 entfernten Endring 22a bedeckt. Die Endkappe 44 wird mittels einer Flügelmutter 48 gehalten, die an einem sich durch die Mitte des Filtereinsatzes 22 erstreckenden (Schrauben-)Bolzen 46 befestigt ist.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist der Filtereinsatz im Inneren des Filterelements 22b um den Haltebolzen 46 herum eine Kammer 31 auf. Es ist zu beachten, daß der Filtereinsatz 22 beim Entfernen des Katalysatormodules 30 durch Lösen der Flügelmutter 48 und Entfernen der Endkappe 44 leicht aus dem Filtergehäuse 24 herausgeschoben werden kann, so daß der Filtereinsatz 22 aus dem Filtergehäuse 24 herausgleitet bzw. herausgeschoben wird. Auf diese Art und Weise und durch Entfernen des Katalysatormoduls 30 kann der Filtereinsatz 22 einfach entfernt, anschließend gereinigt und wiederverwendet oder ausgetauscht werden.
Das Katalysatormodul 30 ist an bzw. über ein Ende des Filtergehäuses 24 mit (Schrauben-)Bolzen oder Klemmen befestigt. Das Katalysatormodul 30 enthält Katalysatormaterial 40, üblicherweise in Form von Pellets, das von Scheiben 26 und 42 gehalten bzw. aufbewahrt wird. Wie in Fig. 2 und 4 zu erkennen ist, wird die Strömung durch das Katalysatormodul 30 sowie durch Umfangsöffnungen 36 und eine zentrale Öffnung 38 durch Umlenkeinrichtungen 32 und 34 geleitet.
Beim Betrieb strömt das Abgas von dem Agglomerierrohr 12 in ein erstes Ende des Filtergehäuses 24, wie dieses in Fig. 2 dargestellt ist. Der Filtereinsatz 22 ist in dem Filtergehäuse 24 so eingebaut, daß die Endringe 22a an dem Einlaßende des Filtergehäuses 24 mit dem Ende des Filtergehäuses 24 in Eingriff sind, so daß die gesamte Strömung durch den Endring 22a in die Kammer 31 im Inneren des Filtereinsatzes 22 geleitet wird. Die Endkappe 44 bedeckt die Öffnung des Endringes 22a in der Nähe des Katalysatormodules 30. Das Abgas wird daher gezwungen, in die Kammer 31 sowie radial nach außen durch das Filterelement 22b zu strömen. Die Kohlenstoffteilchen sowie Ruß von dem Dieselabgas werden in dem Inneren des Filterelementes 22b abgeschieden. Wenn eine Reinigung erforderlich sein sollte, kann daher der Filtereinsatz 22 entfernt werden, wobei der Filtereinsatz 22 durch Abdecken der Endringe 22a gehandhabt werden kann, ohne daß der Ruß oder die Kohlenstoffteilchen entweichen.
Nachdem des Filterelement 22b nach außen durchquert worden ist, strömt das gefilterte Abgas zwischen der Endkappe 22a und dem Filtergehäuse 24 in die Nähe des Katalysatormoduls 30. Die Strömung wird durch die Umfangsöffnungen 36 mit Hilfe der Umlenkeinrichtungen 32 geleitet. Ein Teil der Strömung verbleibt in der Nähe des Filtergehäuse 24 und strömt durch die innere Scheibe 42, während ein Teil der Strömung mit Hilfe der Umlenkeinrichtungen 34 durch die zentrale Öffnung 38 und anschließend durch die innere Scheibe 42 geleitet wird. Das Abgas strömt dann durch das Katalysatomaterial 40 und durch die äußere Scheibe 46 in die Umgebung. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Scheiben 42 und 36 schwimmende Scheiben, die gehalten, jedoch nicht befestigt werden, um eine gewisse Ausdehnung sowie Kontraktion infolge von Temperaturschwankungen zu ermöglichen, ohne daß sich die Scheiben verbiegen oder verbeulen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Katalysator 40 aus einer Mangandioxid- (MnO&sub2;) und Kupferoxid- (CuO)Mischung. In den von der Umgebungstemperatur bis zur maximalen Betriebstemperatur liegenden Temperaturbereichen kontrahiert oder expandiert der Katalysator aus Mangandioxid und Kupferoxid nicht. Es ist wichtig, daß der Katalysator 40 nicht expandiert oder kontrahiert, so daß keine Zwischenräume bzw. Lücken in dem Strömungsweg gebildet werden. Sollten Zwischenräume bzw. Lücken in dem Strömungsweg entstehen, würde das Abgas die Zwischenräume durchqueren, ohne den Katalysator zu durchqueren, und dadurch die Neutralisierungsstufe der scädlichen Gase umgehen. Der Katalysator aus Mangandioxid und Kupferoxid reagiert mit Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid sowie Kohlenstoffmonoxid, um diese und andere Gase abzubauen bzw. zu reduzieren. Die Katalysatorreaktion mit den Abgasen reduziert ferner die mit dem Dieselabgas verbundenen Gerüche. Die stattfindenden Reaktion sind exotherm, so daß es kritisch ist, daß der Katalysator 40 bei erhöhten Temperaturen nicht expandiert und wirksam bleibt, da der Katalysator Temperaturen in der Größenordnung von 200ºC bis 500ºC (400ºF bis 900ºF) erreichen kann. Es ist ebenfalls wichtig, daß der Katalysator unter Umgebungsbedingungen arbeitet, da Abgase durch den Katalysator 40 passieren können, bevor eine Temperaturerhöhung auftritt.
Es ist wichtig, daß das Abgas unbedingt zu filtern ist, um die zu dem Dieselabgas gehörenden Kohlenstoffpartikel zu entfernen. Die Dieselabgaspartikel würden andernfalls durch den Katalysator 40 passieren und die Wirkungen der Reaktionen mit den schädlichen Gasen annulieren.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich das gesamte Katalysatormodul 30 in einem Gehäuse 25, das entfernbar und austauschbar ist. Daher kann der Katalysator 40 bei entsprechender Behandlung erneuert und wiederverwendet werden. Es wird eher das gesamte Modul 30 als lediglich das Katalysatormaterial ausgetauscht, um eine Behandlung bzw. Berührung des Katalysatormaterials und jeden möglichen Abfall zu vermeiden. Obwohl der Katalysator sicher ist, wenn er mit den Abgasen reagiert, könnte er bei einer unkorrekten Handhabung gefährlich sein, da er mit anderen Substanzen reagieren kann.
Es ist wichtig, daß erfindungsgemäß das Abgas zunächst zur Entfernung von Partikeln gefiltert wird und anschließend durch einen Katalysator strömt, um die übrigen scädlichen Gase zu reduzieren. Diese Schritte wenden sich an die beiden Probleme, welche die größte Gefahr für die Gesundheit bewirken, und zwar sowohl an die Kohlenstoffpartikel als auch an die schädlichen Gase, die von einem Dieselmotor abgegeben werden. Zusätzlich werden die Arbeitsbedingungen verbessert, da ebenso der mit den Gasen verbundene Dieselgeruch reduziert wird. Es ist ferner wichtig, daß die vorliegende Erfindung eine Wiederverwendung der Reinigungselemente vorsieht. Das Katalysatormodul wird entfernt, ohne das Katalysatormaterial 40 zu berühren bzw. zu handhaben, da das Katalysatormaterial 40 durch die Scheiben 26 und 42 jederzeit gehalten bzw. aufbewahrt wird, auch wenn das Modul 30 entfernt wird, so daß das Katalysatormaterial 40 abgeteilt bzw. -geschlossen ist und von Arbeitern nicht berührt wird. Der Katalysator 40 kann anschließend erneuert werden, und das Modul 30 kann wiederverwendet oder ausgetauscht werden. Außerdem kann der Filtereinsatz 22 ebenfalls entweder gereinigt und wiederverwendet oder ausgetauscht werden. Die Konstruktion bzw. Gestaltung des Filtereinsatzes 22 sieht eine Handhabung des Einsatzes 22 mit dem Ruß vor, der im Inneren des Einsatzes durch Abdecken der Endringe 22a während der Handhabung gehalten wird. Auf diese Weise entweicht der Ruß nicht und stellt keine Gefahr für die Arbeiter dar. Die resultierende Verbrennungsfiltereinrichtung 10 schafft ein wirksames, wiederverwendbares Mittel zur Abgasbehandlung, um Schadstoffe zu redzieren.

Claims

1. Eine Einrichtung (20) zur Reduzierung unerwünschter Gase und Partikel von Abgasen, die umfaßt:

einen auswechselbaren Filtereinsatz (22) in einem Filtergehäuse (24) mit einem Einlaß zum Leiten von Abgasen zum Inneren des Filtereinsatzes, um Materialpartikel aus den Abgasen herauszufiltern;

ein nahe dem Auslaß des Filtergehäuses befestigtes, auswechselbares Katalysatormodul (30) zum Halten bzw. Speichern einer Katalysatormischung (40) mit konstantem Volumen, die geeignet ist, mit unerwünschten Gasen in dem gefilterten Abgas zur Reduzierung der Menge von unerwünschten Gasen zu reagieren, wobei das Katalysatormodul (30) unabhängig von dem Filtereinsatz (22) auswechselbar ist;

dadurch gekennzeichnet, daß der Filtereinsatz (22) einen zylindrischen Einsatz mit einem zylindrischen Filterelement (22b) enthält, das ringförmige Endringe (22a) und an dem dem Katalysatormodul nahen Ende eine Endkappe (44) aufweist, welche die Abgase leiten, daß diese radial nach außen durch das Filterelement (22b) strömen, und daß das Katalysatormodul (30) Umlenkeinrichtungen (32, 34) enthält, um die gefilterten Abgase gleichmäßig durch die Katalysatormischung (40) und schwimmende Haltescheiben (26, 42), welche die Katalysatormischung (40) halten bzw. speichern, zu leiten.

2. Eine Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormodul eine Katalysatormischung (40) aus Mangandioxid und Kupferoxid enthält.

3. Eine Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormodul (30) abgedichtet ist, um einen Zugang zur Katalysatorsubstanz und eine Beeinflussung der Katalysatormischung (40) zu verhindern.

4. Ein Verfahren zum Entfernen von schädlichen Partikeln und Gasen aus Abgasen, das die Schritte umfaßt:

Durchströmen der Abgase durch ein Rohrstück (12);

Weiterleiten der Abgase, daß sie radial nach außen durch ein zylindrisches, auswechselbares und austauschbares Filterelement (22b) strömen, und dadurch Abscheiden der Partikel in dem Filterelement (22b);

Durchströmen der gefilterten Abgase durch Umlenkeinrichtungen (32, 34) zur gleichmäßigen Weiterleitung der Strömung durch ein unabhängig auswechsebares und austauschbares Katalystormodul (30), das schwimmende Scheiben (26, 42) aufweist, welche eine Katalysatormischung (40) halten bzw. speichern, und getrennt von dem Filterelement (22b) ist;

Ablassen des gefilterten und katalysierten Gases an die Umgebung.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, durchströmen des gefilterten Abgases durch einen Katalysator, umfaßt, Durchströmen des Abgases durch einen Katalysator aus Mangandioxid und Kupferoxid.