SE463529B - Anordning foer avlaegsnande av sot ur avgaserna fraan en foerbraenningsmotor, foeretraedesvis en dieselmotor - Google Patents

Description

2 leder till den förväntade volym- och därmed viktsminskningen, vilka är en förutsättning för användandet av massgodsfiltret i ett fordon.

En utväg att trots detta kunna använda granulatstrukturer med mindre vikt för genomförandet av ett djupfilterkoncept erbjuder en bindning av massgodset.

Grundtanken är härvid följande: vid (sedvanliga) granulatfilter är den tillåtna volymströmmen per genomströmningsytenhet mycket nära be- roende av ett bestämt värde på förhållandet mellan de båda krafter som angriper det enskilda massgodskornet under driften. Det rör sig härvid om den på kornytan angripande medbringande kraften som är beroende av ström- ningshastigheten (som verkar mot tyngdkraften), och vilken motverkar tyngd- kraften på samma korn. överstiger den medbringande kraften tyngdkraften (krafternas förhållande överstiger värdet i) följer det oönskade bortförandet av kornet. Anordnas däremot en bortförselspärr i form av en sil, så medger denna avsevärt högre strömningshastigheter i det inre av filtret, ända upp till ett värde hos tryckfallet som fortfarande kan tolereras som mottryckskompo- nent hos motorns avgassystem. Det är lätt att inse att ett sådant filter utmärker sig genom ett förhållandevis litet behov av massgods, och därmed också utlovar en användbarhet vid fordon.

Till grund för uppfinningen ligger uppgiften att vid ett sotfilter med granulatfyllning åstadkomma en särskilt väl verkande, driftsäker och förhållandevis enkel massgodsbindning, medelst vilken filtret ges en mycket hög sotavskiljningsgrad. I vidare omfattning inbegriper uppgiften naturligtvis även säkerställandet av ett säkert sotavlägsnande.

Denna uppgift löses vid en anordning av aktuellt slag genom att hållarelementet består av två lodrätt och koaxiellt anordnade perforerade rörkroppar vilka bildar ett första cirkelringutrymme, att de ytor hos de perforerade rörkropparna som är vända mot det första cirkelringutrymmet är belagda med en respektive finmaskig sil samt med en därtill anslutande grovmaskig sil, att avgasen strömmar genom den på så sätt uppbyggda filterinsatsen tvärs tyngdkraftpåverkan på granulatpartiklarna, samt att det första cirkelringutrymmet via ett i anslutning till ett i övre området av filterhöljet för handenvarande andra cirkelringutrymme kan påverkas medelst tryckluft för komprimering av granulatfyllningen.

Medelst uppfinningen uppnås en dubbel bindning av massgodset, för det första med hjälp av silinläggen och för det andra med hjälp av tryckluftpåverkan. Härvid understödes denna effekt ännu mer genom det :i- xD 7 fffi, J L)¿.

C,\ 3 särskilda anordnandet respektive utformningen av fílterinsatsen liksom även genom den beskrivna ledningen av avgaserna. På detta sätt hindras det av avgaser åstadkomma tryckfallet i massgodset att luckra upp detta, vilket skulle leda till en oönskad försämring av sotavskiljningsgraden.

I vidare utformning av uppfinningen tillföres övertrycket till det andra cirkelringutrymmet genom en ledning medelst en tryckminskningsan- ordning av sedvanlig konstruktion. Om de skakrörelser, som alstras av avgassysternets naturliga mekaniska svängningar och avgasens tryckvariatio- ner, inte räcker till för att förhindra proppbildning under tryckluftsinkopp- lingen i granulatet, kan detta avhjälpas medelst en på resonans avstämd ultraljudsvibrator, vilken via en fastkroppsvågledare är fäst vid filterhusets botten. För det fall att sot- och askinnehållet hos avgasen har lett till en oönskad höjning av strömningsmotstàndet' hos filtret tilFfölTd av porminsk- ning, kan en uppluckring och därmed en expansion av granulatvolymen inledas medelst en avspärrning av trycklufttillförseln medelst en magnetventil (vid samtidigt inkopplande av ultraljudsvibrator). Genom förnyad tryckpåverkan komprimeras sedan granulatfyllningen återigen varvid ultraljudsvibratorn bör förbli inkopplad under tiden för det korta formeringsförloppet. Detta förlopp kan exempelvis styras medelst en fjäderbunden metallbälgtryckmätdosa, som vid överskridande av ett kritiskt avgasmottryck (slutande av en kontakt) sätter igång orsakskedjan: spärrning av tryckluft - inkoppling av ultraljuds- vibrator - inkoppling av tryckluft - urkoppling av ultraljudsvibrator.

För elektrisk sotavlägsnande är det med granulat fyllda första cirkelringutrymmet försett med en spänningsförande silcylinderelektrod (av grovmaskig tråd), som är anordnad i närheten av anströmningsytan (här finns sotavskiljningens maximum) och vilken lägesfixeras medelst isolerande distansstycken (t.ex. kulor). Denna silcylinderelektrod står i förbindels med en elektrisk försörjningsenhet via en elektrisk ledning som är förd genom en isolering i filterhöljets bottenplatta. Härvid ombesörjer plattformiga distans- stycken av keramik (som antingen består av enskilda delar eller av en enda runtomgående del) för en tryckkraftavlastning av isolatorn.

På ett fördelaktigt sätt övertar den vid finsilen anslutande grov- maskiga silen elektrodfunktionen för den pålagda strömkällans jordpotential.

Denna är härvid så utformad att genomträdet av de elektriska fältlinjerna till finsilen (vilket skulle leda till att denna förstörs) i det närmaste är uteslutet.

Vidare fördelar hos uppfinningen ges av kopplingsaspekterna enligt de beroende kraven 5 och 6. Härvid har i en strömstyrenhets urladdningsväg 4 6 'á 5 2 9 4 infogad varistor syftet att framtvinga en tidsformering av urladdnings- strömmen för att undvika en termisk förstörelse av granulat- respektive elektrodmaterialet.

Nedan beskrives uppfinningen närmare med hänvisning till rit- ningen. Här visar: Fig. l en längdsektion genom ett massgodsfilter enligt uppfin- ningen.

F ig. 2 ett förstorat delsnitt av den av avgas anströmmade filterinsatsen enligt fig. 1 för förklarande av det elektriska skeendet i närheten av den anströmmade filterytan.

Fig. 3 ett elektriskt kopplingsschema för styrkretsen för tändning av den elektriska sotförbränningen medelst den med effektreglerat arbetande strömförsörjningen. '_'^'”"°"' Sotfiltret 1 uppvisar ett filterhölje 2 som består av en cylindrisk plâtmantel vilken är sluten vid ändarna medelst gavelplattor 2a och 2b.

Härvid utgör 2a topplattan och 2b bottenplattan. l det inre av detta finns en filterinsats som är uppbyggd som följer: Tvà lodrätt och koaxiellt anordnade perforerade rörkroppar 10 och ll bildar ett hällarelement för en finkornig granulatfyllning 6. Fyllningen (som består av ett icke ledande, temperaturfast material, exempelvis SiOz) inrymmes härvid i ett medelst rörkropparna 10 och ll bildar första cirkelringutrymme 12. För förhindrande av ett radiellt utträde av granulat är de ytor hos de perforerade rörkropparna lÛ och ll som är vända mot cirkelringutrymmet 12 vardera belagda med en temperatur- beständig finmaskig sil 13 respektive l3a. Dessas maskvidd skall väljas så att de, pà grund av den ändliga bandbredden hos kornstorleksfördelningen, minsta förekommande partiklarna hos fyllningen säkert halles tillbaka.

Avgastillförseln till den just beskrivna, axelparallellt med granu- latpartiklarnas tyngdkraftpäverkan riktade filterinsatsen 5 sker via ett tan- gentiellt vid filterhöljet 2 i närheten av bottenplattan Zb anbringat inloppsrör 3 (för att utjämna strömningen och undvika stötzoner). Avgasen med däri innehållet sot passerar sedan, under utveckling av en virvelströmning, först en cirkelringformig ràgaskammare 8, genomströmmar sedan filterinsatsen 5 och lämnar sedan filtret renad via ett centralt anordnad cylindriskt uppsam- lingsrum (rengaskammaren 9), respektive över en centriskt i topplattan insatt utloppsrör 4 (ifråga om avgasens strömning jämför pilarna 26).

I filterhöljets l övre omrâde ansluter sig ett andra cirkelringut- rymme 15 över det första cirkelringutrymmet 12. Detta utrymme utgör en 4 6 “- 2 9 5 kompensationsvolym för granulatvolymen som kontinuerligt anrikas med aska och därigenom expanderar i liten grad, men konstant. Detta andra cirkelring- utrymme 15 bildas genom de inåt förlängda cylindriska utloppsröret 4 och en stödring 16 (som tjänar till stöd för det perforerade röret ll). Det andra perforerade röret 10 stöder sig på utloppsröret 4. Båda rören 10 och 11 är förbundna med bottenplattan 2b.

Detta andra cirkelríngsutrymme 15 kan trycksättas medelst tryckluft via en ledning 17 för komprimering av granulatfyllningen 6.

Tryckluften tas från en sedvanlig icke visad tryckminskningsanordning och kan tillkopplas eller urkopplas medelst en magnetventil 18. Tryckluftpåverk- ningen kan utföras tillsammans med en vid filterhusets 2 bottenplatta Zb fäst (och likaledes icke visad) ultraljudsvibrator (tjänar till uppluckring av granu- latet). Naturligtvis kan även ultraljudsvibrátorn arbeta ensam? För elektriskt avlägsnande av sot, som sker genom direkt upphett- ning av sotet med elektrisk effekt, är det första cirkelringutrymmet 12 försett med en grovmaskig silcylinderelektrod 19, vilken lägesfixeras medelst isolerande distansstycken 20. I utföringsexemplet är detta kulor som är belägna i fördjupningar med halvsfärisk form i silcylinderelektroden 19. Via en elektrisk ledning 23, som är förd genom bottenplattan 2b inuti en isolator 22 och är förbunden med elektroden 19, anslutes en elektrisk försörjningsen- het till elektroden 19. För att tryckkraften från elektroden 19 inte skall verka på isolatorn 22 är plattformiga distansstycken 21 av keramik anordnade i cirkelringutrymmets 12 nedre del.

Grovmaskiga silcylindrar 14 respektive l4a (med maskvidd på ca 0,8 mm) ansluter sig direkt inåt till de finmaskiga silcylindrarna 13 respektive 13a (de granulatkvarhållande silarna) hos cirkelringutrymmet 12. Dessa grov- maskiga silcylindrar står i förbindelse med den pålagda strömkällans jordpo- tential. Denna grovsilbeläggning 14 respektive l4a utesluter vid en motsva- rande utformning tillträde av ström till finsilbeläggningen 13 respektive 13a per potentialstyrning. Detaljer till detta kan ses i fig. 2.

Fig. 2 visar ett förstorat utsnitt av filterinsatsen och återger skissartat det elektriska händelseförloppet i närheten av den anströmmade filteröverytan. Dm man utgår från en makroskopisk homogen fördelning av avskilt sot inuti granulatet, uppstår den i fig. 2 antydda täthetsfördelningen av den elektriska strömmen. Härvid är det viktigt att fältlinjerna i sitt över- vägande flertal slutar på den termiskt högre belastbara trådytan hos 14.

Skulle de däremot sluta pa den filigrana kvarhållande silen 13, maste man 4 6 3 2 9 6 räkna med att denna förstörs på grund av allt för hög termisk belastning (för hög mikroskopisk elektrisk effekttäthet vid tändvägsutformningenl). Ju mind- re maskvidden, respektive ju större tråddiametern hos silen l4 väljes, desto mindre blir risken för "elektriskt genomslag" genom det potentialstyrande gallret 14. Å andra sidan bör tråddiametern bara väljas så stor som strömtät- hetsförhållandena vid trådöverytan i tändzonsområdet kräver. Härigenom säkerställas att de fältlinjefria utrymmet 24 kan hållas minimal ifråga om sin volym på önskat sätt. Så säkerställas samtidigt att den elektriskt startade och självständigt forsättande avbränningen som vandrar mot strömningsrikt- ningen berör utrymmena 24 ända fram till den kvarhållande silen 13 och utesluter igensättning av dessa med sot. På samma sätt utvecklas en upphett- ningsströmfördelning i riktning mot den jordpotentiallagda silväggen l4a hos avgasutloppet. Då den i cirkelringutryrnmet uppkommandeëotävskiljningspro- filen har sitt maximum vid anströmningssidan är det lämpligt att utforma elektrodcylindern 19 på så sätt med avseende på sin diameter, att dess radiella avstånd till anströmningssidan är mindre än till utströmningssidan.

För säker start av den elektriska sotförbränningen tjänar en elektrisk kopplingsanordning enligt fig. 3.

Den i föreliggande fall nödvändiga effektreglerat arbetande strömkällan Q är elektriskt parallellt kopplad med en stötströmkälla. Den består väsentligen av en kondensator C, som med hjälp av en timerstyrd kopplingsanordning S (reläkontakt eller tyristor) via en varistor RZ (spän- ningsberoende motstånd av kiselkarbid) kopplas på granulatfiltrets elektrod- system, i sista hand alltså på sotersättningsmotståndet Rl.

Via Llrkflpplíngsdifidefl 52 hålles kondensatorn C med hjälp av högspänningskällan H kontinuerligt i uppladdat tillstånd. En ytterligare ur- kopplingsdiod Dl förhindrar en oönskad urladdning av C in i strömkällan Gl.

För kondensatorurladdningens taktsekvens kommer ett frekvensområde av l-Û,2 Hz ifråga, till vilket hänsyn måste tas vid timerutformningen (frilöpan- de multivibrator).

Syftet med användningen av stötströmsalstraren är följande: Skall sotfiltret startas med utgångspunkt från helt fyllt tillstånd, kan detta medöra ett mycket lågohmigt sotersättningsmotstånd, framförallt då när sotföre- komsten kommer från en fullastfas hos motorn med lång varaktighet.

För det härvid emitterade sotets kvalitet är dess "torrhet" be- tecknande. Härmed skall förstås avsaknandet av elektriskt isolerande konden- sathöljen av kolväten, vilka normalt alstrar ett högt övergångsmotstånd Åf7 C' Lïøx) Q PO \.D 7 mellan de enskilda sotpartiklarna och till och med vid hög avskiljningsgrad av "vått sot" leder till jämförelsevis höga ersättningsmotstånd (dellasttillstånd hos motorn). I ovannämnda fall med torrsot saknas dock dessa övergångsmot- stånd vilket gör nämnda lågohmighet begriplig.

Då nu emellertid det effektreglerat (likbetydande med strömbe- gränsat) arbetande nätaggregatet Q endast kan avge små strömmar (vilka är fullt tillräckliga för upprätthållande av den s.k. "brännzonen") kan det följaktligen inte alstra en sådan strömtäthet inuti den i det närmaste homogena lägesfördelningen av sotmotståndet, att en upphettning ända till uppkomsten av en brännzon säkerställas.

Med en hjälpströmkälla - sådan den utgöres av kondensatorn C - som under en mycket kort tid alstrar en så hög strömtäthet i sotavlag- ringen att brännzonuppkomsten (denna 'är å ena sidan-natt återföra på mikroinhomogeniteten hos motståndsfördelningen före tändtidpunkten och å andra sidan till den, med hänseende på strömfördelningen lägeskoncentrerat verkande, negativa temperaturkoefficienten hos det specifika elektriska mot- ståndet för sot) precis startas, kan ovan beskrivna svårigheter effektivt förbigås. Har brännzonen en gång alstrats på detta sätt utgör den en extremt lågohmig diskontinuitet i motståndsfördelningen mellan elektrodytorna, vil- ken på grund av den negativa temperaturkoefficienten hos det specifika elektriska motståndet lavinartat utvecklar egenskapen att förena elektrisk energi från områden utanför brännzonen till sig och förstora både energiom- sättning som även temperatur på kortaste tid på så sätt, att- om inte dessförinnan sörjts för en strömsänkning - man måste räkna med termisk förstörelse av den ifrågakommande brännzonen.

För att säkert utesluta det senare bör kondensatorurladdnings- strömmens tidsförlopp påverkas som följer: Brännzonen alstras till att börja med av en toppström med kort varaktighet, men omedelbart därefter bör denna ström sjunka till sådana värden att brännzonen med sin strömkoncentrerande verkan precis ännu upprätthålles, detta dock vid en lokal energiomsättning som säkerställer den termiska toleransen med omgivningen.

Strömmens avtagande till värdet noll med tiden bör kännetecknas av en tidslängd som är större än det inverterade värdet av strömförsörj- ningens Q impulsgivningsfrekvens.

På detta sätt säkerställas brännzonens upprätthållande till följd av Övertagande av den lokala energialstringen från strömmen som kommer 4 6 5 5 2 9 8 fran strömalstringsenheten Gl. Det ovannämnda förloppet för stötströmmen later sig framtvingas genom att urladdningsströmmen ledes över varistorn RZ. Egenheten hos detta motstånd, som bestar av kiselkarbid, bestar däri, att dess ögonblickliga motstandsvärde beror pa den ögonblickliga urladdnings- spänningen vid kondensatorn C. Hög begynnelseladdningsspänning hos konden- satorn betyder lagt motstandsvärde hos Rz dvs. hög önskad stötström; avtagande laddningsspänning har växande motstand och därmed mindre men längre varande strömmar till följd (jämfört med urladdning över normalt motstånd med konstant motstandsvärde).

Pa grund av det ändliga värdet hos brännzonens ersättningsmot- stand, vilket dessutom uppvisar strömberoende, kan för mycket stora av elektrodytorna inslutna granulatvolymer förutses, att sotersättningsmotstan- det hos den icke tända sotavlagringen är mindre än soteöšïattïïngsmotstandet hos tändzonen, i den utsträckning denna matas med den termiskt högsta tillåtna upphettningsströmmen.

I ett sådant system kan en brännzonsalstring 'inte realiseras medelst stötströmskällan, da man i detta fall maste räkna med termisk förstörelse. Detta kan avhjälpas medelst uppdelning i flera elektriskt skilda elektrodzoner som i sin tur medelst timerstyrda omkopplare (t.ex. reläkedja) i snabb tidsföljd efter varandra (i ändlös upprepning) kopplas till parallellkopp- lingen av nätdelen Q och strömstötenheten. Uppdelningen av elektrodytan i flera mindre avsnitt med lika stor yta kan ga hand i hand med en uppdelning av filtret i flera strömningstekniskt parallellkopplade granulatfilterenheter, vilka är inrymda i ett gemensamt filterhölje. Härvid utgör varje filterelement samtidigt en inkopplingsbar elektroddelyta. Under vissa förhållanden är detta även lämpligt av formgivningsskäl.

Avslutningsvis bör även visas pa en ytterligare användning av tryckluftsurkopplingen, t.ex. vid de driftstillstand hos dieselmotorn som kännetecknas av en sa pass liten sotemission att ingen filtrering skulle behövas med hänsyn till lagens krav. Skulle man under sadana driftstillstand köra med uppluckrad granulat skulle detta pa grund av det mindre tryckfallet i filtret medföra mindre förluster hos motorn som önskvärt. Det vore tänkbart att medelst sensorstyrning via magnetventilen bara aktivera filtret pa ovan beskrivet sätt när det verkligen är nödvändigt.

Vidare skulle utöver filtret, och da uppströms om filtret, en elektrostatisk koagulator kunna komma till användning. Genom det där upp- komna bildandet av agglomerat (ur primärt vid motorutloppet uppkomna 465 E29 9 sotpartiklar uppstår nya sotpartiklar med avsevärt större diameter) skulle en filterdimensionering kunna företas som utlovar mindre tryckfall i granule- torn.

Detta kan realiseras antingen genom minskning av cirkelringut- rymmet 12 - vid samma granulatkorndiameter - eller till följd av användning av större granulatkorndiameter vid en storlek pâ cirkelringutrymmet som hälles konstant (genomsnittliga mikroskopiska porgenomgàngsdiametern får bli större). Förstnämnda åtgärd har fördelen av viktsminskning; den andra åtgärden har en mera grovmaskig, och därmed stabilare, kvarhällande sil 13 respektive l3a till följd.

Claims (6)

463 529 10 PATENTKRAV

1. l. Anordning för avlägsnande av sot ur avgaserna från en förbrän- ningsmotor, företrädesvis en dieselmotor, bestående av ett metalliskt hölje med till- och avledningsrör för avgasströmmen samt en i höljet anordnad filterinsats som innehåller ett icke-metalliskt högtemperaturbeständigt fil- termaterial i form av en granulatfyllning som är anordnad i ett hållarele- ment, varvid filterinsatsen skiljer en rågaskammare från en rengaskammare i filterhöljet samt en elektrisk strömkälla användes för styrd avbränning av det filtermaterialet avsatta sotet, k ä n n e t e c k n a d därav, att hållarelemen- tet består av två lodrätt och axiellt anordnade, perforerade rörkroppar (10, ll) vilka bildar ett första cirkelringsutrymme (12), att de ytor hos de perforerade rörkropparna (10, ll) som är vända mot det första cirkelringsut- rymmet (12) vardera är belagda med en finmaskig sil (13 respektive l3a) samt med en därtill anslutande grovmaskig sil (14 respektive l4a), att avgasen strömmar genom den på så sätt uppbyggda filterinsatsen tvärs tyngdkraftpå- verkan på granulatpartiklarna (6), samt att det första cirkelringsutrymmet (12) via ett i anslutning till ett i övre omrâdet av filterhöljet (2) förhanden- varande andra cirkelringsutrymme (15) kan påverkas medelst tryckluft för komprimering av granulatfyllningen (6).

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att tryck- luftpåverkan, som erhålles från en tryckminskningsanordning via en ledning (17) och en ventil (18), kan kopplas med en ultraljudsvibrator som är anordnad på filterhöljets (2) bottenplatta (2b).

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett första cirkelringsutrymme (12) är försett med en elektrisk silcylinderelektrod (19) för elektriskt avlägsnande av sot, vilken centreras i närheten av anström- ningsväggen medelst isolerande distansstycken (20) samt tryckkraftavlastas i närheten av höljets bottenplatta (2b) medelst keramikplattor (Zl) hos en genom höljets bottenplatta (2b) förd isolator (22) för isolering av en elektrisk tillförselledning (23) till elektroden (19).

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att grovsil- anordningen (14 respektive 14a) övertar elektrodfunktionen för jordpotentia- len och samtidigt utesluter strömtillträde till finsilanordningen (13 resp. 13a) per potentialstyrning.

5. Anordning enligt kraven 3 och 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att en strömstötenhet (25) via en diod (Dl) är parallellkopplad med en effekt- reglerat arbetande strömförsörjning (Q) som står i förbindelse med (l) A63 529 11 elektroderna (lll, lita, 19).

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att ström- stötenheten (25) väsentligen består av en kondensator (C) som matas fran en högspänningskälla (H) via en diod (02) och vilken med hjälp av ett tlmerstyrt koppllngsorgan (reläkontakt eller tyrlstor) via en varistor RZ (spännings- beroende motstånd av kiselkarbid) kopplas på granulatfiltrets elektrodsystem, dvs. i sista hand på det ögonblickllga sotersättnlngsmotstandet Rl).