EP0358140A1 - Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren - Google Patents

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EP0358140A1 EP89116272A EP89116272A EP0358140A1 EP 0358140 A1 EP0358140 A1 EP 0358140A1 EP 89116272 A EP89116272 A EP 89116272A EP 89116272 A EP89116272 A EP 89116272A EP 0358140 A1 EP0358140 A1 EP 0358140A1
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Werner Dr. Hüther
Axel Rossmann
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MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F01N3/027—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means
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    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a device for exhaust gas purification of diesel engines.
  • Such devices are intended to reduce the emission of soot particles in the exhaust gas from diesel engines.
  • a known device provides ceramic soot filters in the exhaust system of diesel engines. Filters of this type are neither space-saving nor maintenance-free and, depending on their capacity, must be maintained, regenerated, replaced or destroyed, depending on their capacity. During regeneration, a soot filter with the collected residues is heated under oxygen or air, the soot burning off. If the filter residue burns off, there is a risk of local overheating and thus unintentional destruction of the filter.
  • the object of the invention is to provide a generic device that works maintenance-free and constantly regenerates itself, which ensures a low flow resistance in the exhaust gas flow and represents a low installation weight.
  • a helical or spiral housing is arranged in the exhaust pipe for the centrifugal separation of soot particles on a radially outer circumferential surface and in that heating elements are provided in the region of the circumferential surface for combustion of the soot particles.
  • the device according to the invention not only achieves the stated object, it also has the advantage that the exhaust gas flow which is deflected in a screw or spiral manner, due to the centrifugal forces that occur, causes the soot particles to be deposited on the radially outer peripheral surface of the screw or spiral housing, without the need for additional drive devices such as rotating radial compressor wheels or centrifugal disks.
  • the soot separation on the curved, radially outer circumferential surface does not significantly reduce the cross section of the exhaust gas duct, so that the flow resistance advantageously remains virtually unchanged, unlike filters in the exhaust gas stream.
  • the deposited soot-containing layer is burned on this curved surface with the residual oxygen of the exhaust gas on appropriately designed heating elements.
  • the combustion energy that occurs can be used advantageously in continuous operation to reduce the heating power of the heating elements.
  • soot collecting pockets are provided on the radially outer circumference of the screw-shaped or spiral-shaped housing, which hold the heating elements such as glow plugs and burn the collected soot continuously or at intervals of time, which is entrained in gaseous form by the exhaust gas stream after oxidation.
  • This solution works with smooth polished surfaces in the area of the curved circumferential surfaces and with rough, rough or structure-etched surfaces in the area of the soot collecting pockets equipped with heating elements.
  • an interaction between an exhaust gas turbine and the device according to the invention is provided.
  • the rotational energy of the exhaust gas which is generated in the screw or spiral housing, is transferred to the radial rotor of the turbine via the exhaust gas turbine inlet and is used to advantage.
  • a porous filter element is provided as the radially outer peripheral surface, which at the same time comprises the heating element.
  • the filter element material is supplied with electrical current and kept red-hot so that the deposited soot burns completely.
  • This filter element can fill the entire outer circumferential surface or can only be partially attached. It can be heated both continuously and at intervals.
  • the porous, heatable filter element is advantageously followed by a collecting duct into which the cleaned exhaust gas flows, which is then fed back to the main exhaust gas duct.
  • a collecting duct or bypass has the advantage that the effective heating surface of the heatable filter element is increased due to the volume flow through the filter pores.
  • a preferred arrangement of the porous filter element can be achieved in a screw-type or spiral-type exhaust duct with an oval cross-section. From this channel, the main exhaust gas flow is conducted in a radially inner cross-sectional area and the cleaned exhaust gas flow in a smaller, radially outer cross-sectional area, while between the heatable filter element is arranged in these two areas.
  • Silicon-based semiconductors can be used particularly advantageously for such heatable filter elements.
  • the filter grains can be doped in an electrically conductive manner on their surface by doping elements such as boron or phosphorus, while the grain volume remains high-resistance, so that a high heating output can be achieved with relatively low currents.
  • the filter grains can be sintered together in a gas-permeable, porous and low-resistance manner to form any required form of a heatable filter.
  • a protective self-healing protective layer of silicon dioxide which cannot be further oxidized is formed in the heating mode.
  • Coarse-grained silicon carbide is preferably used as the filter grain.
  • heatable filter element materials are foamed, felt or fabric-like heating metal alloys, provided they have sufficient resistance to oxidation at the required soot combustion temperatures. Their electrical resistance is comparatively low and therefore requires a correspondingly large current source when burning soot.
  • Fig. 1 shows a device for exhaust gas purification with a helical housing 1 in longitudinal section into which the exhaust gas stream enters via a flange 2. Soot particles are separated from the exhaust gas flow by the centrifugal effect on the radially outer circumference. In the soot collecting pockets 4 distributed on the peripheral surface 3, heating elements 5 are arranged in the form of glow plugs or heatable filter elements which burn the soot particles in gaseous form.
  • the helical housing 1 merges into an exhaust gas turbine inlet 6 of an exhaust gas turbine 8. The rotational energy of the exhaust gas, which is generated in the helical housing 1, is thus transmitted to the impeller 7 of the exhaust gas turbine 8 and the cleaned exhaust gas is fed to the muffler via an exhaust gas flange 13.
  • Fig. 2 shows a curved exhaust duct 9 as part of a screw or spiral housing 1 in cross section with a soot collecting pocket 4, in which a soot-rich layer 10 is formed on the radially outer circumferential surface 3 due to the centrifugal effect in the curved exhaust duct 9 on the soot particles in the exhaust gas , wherein the soot particles in the soot collecting pocket 4 are burned by means of a heating element 5 such as a glow plug or a heatable filter element.
  • a heating element 5 such as a glow plug or a heatable filter element.
  • Fig. 3 shows a curved exhaust duct 9 with a collection duct 12 arranged radially outwards in cross section.
  • a Heated, porous filter element 11 is arranged between the radially inner exhaust duct 9 and the radially outer collecting duct 12 so that the radially outer layers 10 of the exhaust gas enriched with soot by centrifugal flow through the hot pores of the heated filter element 11 and the soot contained in the exhaust gas is burned is, so that only cleaned exhaust gas reaches the collection channel 12.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren. Dazu werden die Rußpartikel zentrifugal in einem schrauben- oder spiralförmigen Gehäuse (1) an einer radial äußeren Umfangsfläche (3) abgeschieden und von Heizelementen (5) im Bereich der Umfangsfläche (3) verbrannt. Eine derartige Vorrichtung regeneriert sich selbst und ist praktisch wartungsfrei.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren.
  • Mit derartigen Vorrichtungen soll der Ausstoß von Rußpartikeln im Abgas von Dieselmotoren vermindert werden. Eine bekannte Vorrichtung sieht dazu keramische Rußfilter im Abgassystem von Dieselmotoren vor. Derartige Filter sind weder raum­sparend nocht wartungsfrei und müssen nachteilig in Abhängig­keit von ihrer Kapazität nach entsprechenden Intervallen gewartet, regeneriert, ausgewechselt oder vernichtet werden. Beim Regenerieren wird ein Rußfilter mit den gesammtelten Rückständen unter Sauerstoff oder Luft erhitzt, wobei der Ruß abbrennt. Beim Abbrennen der Filterrückstände besteht die Gefahr der lokalen Überhitzung und damit der unbeab­sichtigten Zerstörung des Filters.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vor­richtung anzugeben, die wartungsfrei arbeitet und sich ständig selbst regeneriert, die einen niedrigen Strömungs­widerstand im Abgasstrom gewährleistet und ein niedriges Einbaugewicht darstellt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß in der Abgasleitung zur Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche ein schrauben- oder spiralförmiges Gehäuse angeordnet ist und daß im Bereich der Umfangsfläche Heizelemente zur Verbrennung der Rußpartikel vorgesehen sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst nicht nur die gestellte Aufgabe, sie hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Ab­gasstrom, der schrauben- oder spiralartig umgelenkt wird, aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte eine Abscheidung der Rußpartikel auf der radial äußeren Umfangsfläche des schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses bewirkt, ohne daß zusätzliche Antriebsvorrichtungen wie rotierende Radialver­dichterräder oder Zentrifugalscheiben erforderlich werden.
  • Durch die Rußabscheidung an der gekrümmten radial äußeren Umfangsfläche wird der Querschnitt des Abgaskanals nicht wesentlich vermindert, so daß der Strömungswiderstand vorteilhaft nahezu unverändert niedrig bleibt im Gegensatz zu Filtern im Abgasstrom.
  • Die abgeschiedene rußhaltige Schicht wird auf dieser gekrümmten Oberfläche mit dem Restsauerstoff des Abgases an entsprechend ausgebildeten Heizelementen verbrannt. Die auftretende Ver­brennungsenergie kann bei kontinuierlichem Betrieb zur Verminderung der Heizleistung der Heizelemente vorteil­haft genutzt werden.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden am radial äußeren Umfang des schrauben- oder sprial­förmigen Gehäuses Rußsammeltaschen vorgesehen, die die Heizelemente wie beispielsweise Glühkerzen aufnehmen und kontinuierlich oder in Zeitintervallen den gesammelten Ruß verbrennen, der nach der Oxidation gasförmig vom Abgas­strom mitgerissen wird. Diese Lösung arbeitet mit glatten polierten Oberflächen im Bereich der gekrümmten Umfangsflächen und mit rauhen geschruppten oder strukturgeätzten Ober­flächen im Bereich der mit Heizelementen bestückten Rußsammel­taschen.
  • In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ein Zusammen­wirken zwischen einer Abgasturbine und der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen. Dabei wird die Rotationsenergie des Abgases, die im schrauben- oder spiralförmigen Gehäuse ent­steht, über den Abgasturbineneinlauf auf den Radialläufer der Turbine übertragen und vorteilhaft genutzt.
  • Als weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist als radial äußere Umfangsfläche ein poröses Filterelement vor­gesehen, das gleichzeitig das Heizelement umfaßt. Dazu wird das Filterelementmaterial mit elektrischem Strom beaufschlagt und rotglühend gehalten, so daß der abgeschiedene Ruß voll­ständig verbrennt. Dieses Filterelement kann die gesamte äußere Umfangsfläche ausfüllen oder auch nur partiell ange­bracht werden. Es kann sowohl kontinuierlich als auch in Intervallen beheizt werden.
  • Vorteilhaft wird dem porösen beheizbaren Filterelement ein Sammelkanal nachgeschaltet, in den das gereinigte Abgas strömt, das anschließend dem Hauptabgaskanal wieder zuge­führt wird. Ein derartiger Sammelkanal oder Bypass hat den Vorteil, daß die wirksame Heizfläche des beheizbaren Filter­elements aufgrund des Volumenstromes durch die Filterporen vergrößert wird.
  • Eine bevorzugte Anordnung des porösen Filterelements läßt sich in einem schrauben- oder spiralartigen Abgaskanal mit ovalem Querschnitt erreichen. Von diesem Kanal wird in einem radial inneren Querschnittsbereich der Hauptabgas­strom und in einem kleineren radial äußeren Querschnitts­bereich der gereinigte Abgasstrom geführt, während zwischen diesen beiden Bereichen das beheizbare Filterelement ange­ordnet ist.
  • Für derartige beheizbare Filterelemente lassen sich Halb­leiter auf Siliciumbasis besonders vorteilhaft einsetzen. Zum einen können die Filterkörner durch Dotierelemente wie Bor oder Phosphor an ihrer Oberfläche elektrisch leitend dotiert werden, während das Kornvolumen hochohmig bleibt, so daß eine große Heizleistung mit relativ geringen Strömen erreichbar ist. Zum anderen lassen sich durch Zu­gabe von reinem hochdotiertem Siliciumpulver die Filter­körner gasdurchlässig, porös und niederohmig zu jeder er­forderlichen Form eines beheizbaren Filters zusammensintern. Ferner entsteht an den Oberflächen derartiger poröser Sinter­körper auf Siliziumbasis im Heizbetrieb eine schützende selbstheilende nicht weiter oxidierbare Schutzschicht aus Siliziumdioxid. Als Filterkorn wird vorzugsweise grob­körniges Siliziumkarbid eingesetzt.
  • Andere beheizbare Filterelementmaterialien sind geschäumte, filz- oder gewebeartige Heizmetalllegierungen, sofern sie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit bei den erforder­lichen Rußverbrennungstemperaturen besitzen. Ihr elektrischer Widerstand ist vergleichsweise niedrig und erfordert des­halb bei der Rußverbrennung eine entsprechend große Strom­quelle.
  • Die Zeichnungen zeigen schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung.
    • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit schraubenförmigem Gehäuse im Längsschnitt.
    • Fig. 2 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal als Teil eines schrauben- oder spiralförmigen Ge­häuses im Querschnitt .
    • Fig. 3 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal mit einem radial nach außen angeordneten Sammelkanal im Querschnitt.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung mit einem schraubenförmigen Gehäuse 1 im Längsschnitt in das der Abgas­strom über einen Flansch 2 eintritt. Aus dem Abgasstrom werden Rußpartikel durch die Zentrifugalwirkung am radial äußeren Umfang abgeschieden. In den auf der Umfangsfläche 3 verteilten Rußsammeltaschen 4 sind Heizelemente 5 in Form von Glühkerzen oder beheizbaren Filterelementen angeordnet, die die Rußpartikel gasförmig verbrennen. Das schraubenförmige Gehäuse 1 geht über in einen Abgasturbineneinlauf 6 einer Ab­gasturbine 8. Die Rotationsenergie des Abgases, die im schraubenförmigen Gehäuse 1 erzeugt wird, wird damit auf das Laufrad 7 der Abgasturbine 8 übertragen und das gereinigte Abgas über einen Abgasflansch 13 dem Schalldämpfer zugeführt.
  • Fig. 2 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal 9 als Teil eines schrauben- oder spiralförmigen Gehäuses 1 im Querschnitt mit einer Rußsammeltasche 4, in dem sich auf der radial äußeren Umfangsfläche 3 eine rußreiche Schicht 10 aufgrund der Zentri­fugalwirkung im gekrümmten Abgaskanal 9 auf die Rußpartikel im Abgas bildet, wobei die Rußpartikel in der Rußsammeltasche 4 mittels eines Heizelementes 5 wie beispielsweise einer Glühkerze oder eines beheizbaren Filterelementes verbrannt werden.
  • Fig. 3 zeigt einen gekrümmten Abgaskanal 9 mit einem radial nach außen angeordneten Sammelkanal 12 im Querschnitt. Ein beheizbares, poröses Filterelement 11 ist zwischen dem radial inneren Abgaskanal 9 und dem radial äußeren Sammelkanal 12 so angeordnet, daß die durch Zentrifugalwirkung mit Ruß ange­reicherten radial äußeren Schichten 10 des Abgases durch die heißen Poren des beheizten Filterelementes 11 strömen und der im Abgas enthaltene Ruß verbrannt wird, so daß nur gereinigtes Abgas in den Sammelkanal 12 gelangt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung zur Zentrifugalabscheidung von Rußpartikeln an einer radial äußeren Umfangsfläche (3) ein schrauben- oder spiral­förmiges Gehäuse (1) angeordnet ist und daß im Bereich der Umfangsfläche (3) Heizelemente (5) zur Verbrennung der Rußpartikel vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (5) in eigens vorgesehenen Rußsammel­taschen (4) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Umfangsfläche (3) als poröses Filterelement (11) ausgebildet ist, welches die Heizelemente (5) umfaßt.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß in der Abgasleitung eine Abgasturbine (8) angeordnet ist und das schrauben- oder spiralförmige Gehäuse (1) vor dem Abgasturbineneinlauf (6) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß radial außerhalb des porösen Filter­elements (11) ein Sammelkanal (12) für das gereinigte Abgas angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß das poröse Filterelement (11) aus einem porösen Halbleiter wie SiC besteht, der gleich­zeitig als Heizelement (5) ausgebildet ist.
EP89116272A 1988-09-09 1989-09-04 Vorrichtung zur Abgasreinigung von Dieselmotoren Expired - Lifetime EP0358140B1 (de)

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