WO2005038203A1

WO2005038203A1 - Reinigungsaggregat für abgase aus brennkraftmaschinen

Info

Publication number: WO2005038203A1
Application number: PCT/DE2004/002307
Authority: WO
Inventors: Gustave Trippe
Original assignee: Gustave Trippe
Priority date: 2003-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2005-04-28
Also published as: DE10349352B3

Abstract

Ein Reinigungsaggregat für Abgase aus Brennkraftmaschinen weist eine hoch poröse Membran und dieser Membran beidseitig zugeordnete hoch poröse Stützmatrices auf. Die Membran zwischen den Stützmatrices ist mehrfach gefaltet, wobei die Zwischenräume zwischen den von der Membran gebildeten Falten nahezu vollständig, insbesondere vollständig, von den Stützmatrices ausgefüllt sind. Alle drei Strukturkörper (Membran, Stützmatrices) sind in allen Raumrichtungen durchströmbar. Die Erfindung offenbart für ein solches Aggregat eine Kombination spezieller Ausgestaltungen für die in einem Gehäuse aufgenommene Membran mit den Stützmatrices, welche bei äußerst kompakter Bauweise zu besonders effizienten Reinigungswirkungen des Reinigungsaggregats führt.

Description

Reinigungsaggregat für Abgase aus Brennkraftmaschinen

Darlegung der Bedarfssituation und der Dringlichkeit für die Erfindung

Die Erfindung betrifft die Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen und offenbart ein dafür bestens geeignetes Reinigungsaggregat. Die Erfindung ist nicht auf die Reinigung von Abgasen bei Dieselmotoren beschränkt, sie erstreckt sich vielmehr auf die Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen aller Art.

Neuere bereits ergangene oder in Zukunft noch zu erwartende gesetzliche Bestimmungen verlangen besondere Maßnahmen für die Reinigung der von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen Abgase, um den verschärften Anforderungen an die Umweltverträglichkeit der Abgase gerecht zu werden.

Aktuell sind Rußfilter für Dieselmotoren in den Schlagzeilen ganz nach oben gerückt. Insbesondere Umweltverbände fordern den generellen Einbau von Rußfiltern in Dieselfahrzeuge. Folgt man Ihren Forderungen, erhält man den Eindruck, mit dem Einbau von Rußfiltern heutiger Technik sei das Problem der Umweltbeeinflussung durch den Autoverkehr gelöst. Die Wirklichkeit sieht allerdings anders aus, denn mit der derzeit zur Verfügung stehenden Technik ist die Abgasfilterung noch keinesfalls zufriedenstellend gelöst: Rußfilter heutiger Technik führen zu einem nicht unerheblichen Mehrverbrauch an Kraftstoff; außerdem ist durch die Abgasnachbehandlung neben der vollständigen Verbrennung auch die Entstickung der Abgase zu leisten.

Durch den Druck der Öffentlichkeit sind die deutschen Automobilbauer dazu übergegangen, bereits jetzt Rußfitter in den Abgastrakt der Brennkraftmaschinen einzubauen. Hierzu steht aber derzeit nur das seit drei Jahren in französischen Pkw angebotene, zu Kraftstoff-Mehrverbrauch führende Rußfilter-Prinzip als erprobt zur Verfügung. Innovative Konzepte, die die Abgasreinigung ohne Mehrverbrauch an Kraftstoff ermöglichen, brauchen nach Meinung der Fachleute noch mindestens ein bis zwei Jahre bis zur Serienreife. Demgegenüber drängt die heutige Nachfragesituation.

Stand der Technik

Um die Russfiltertechnik entscheidend vorwärts zu bringen, muss aus physikalischen Gründen zunächst von den derzeit allgemein verwendeten keramischen Wabenzellenmonolϊthen auf dünne Filtermembranen übergegangen werden. Neuerdings am Markt auch schon angeboten werden hier so genannte Sintermetallfilter mit vielfach gefalteten, unter 1 mm dicken Filtermembranen aus gesintertem Metallpulver, die als nahezu hundertprozentiger Oberflächenfilter wirken. Diese Filter sind zwar robuster als die keramischen Wabenzellenmonolithen, bringen aber immer noch sehr viel Gegendruck in der Abgasführung. Naturgemäß haben Filter aus gesintertem Pulver mit unter 50 % Porosität sehr wenig fluiddynamisch wirksame freie Querschnitte, sodass eine äußerst große Membranfilterfläche nötig ist, um den Gegendruck der keramischen Monolithe zu unterschreiten. Dadurch wird aber das Filteraggregat sehr schwer und verbraucht einen großen Bauraum im Fahrzeug nur für die Russfilterfunktion aHein. Auch die energetisch für die naturgemäß hochtemperaturbedürftige Regeneration höchst wünschenswerte motornahe Positionierung ist auf Grund der Größe nicht möglich. So wird neben dem deutlichen Energiemehrverbrauch für den Gegendruck auch noch recht viel Energie für die Regeneration des Russfüters gebraucht. im Vergleich mit diesen aus gesintertem Pulver gebildeten Filtermembranen entsteht in Feinfaserfiltermembranen bei gleicher Filterfeinheit ein um etwa Faktor 10 niedrigerer Gegendruck bei der Durchströmung, wie aus der Literatur bekannt ist. Darüber hinaus wirken diese Feinfaserfiltermembranen als ideale Tiefenfilter und besitzen eine sehr große Partikelspeicherfähigkeit. Hierzu wird eine Porosität von über 70 % für die Membran gewählt. Verwendet werden hierzu heute gesinterte Metallfasern, die eine entsprechende Hochtemperatur- und Korrosionsfestigkeit sowie eine ausreichende mechanische Stabilität im Membranverbund besitzen.

Darauf beruhende technische Lösungen sind an weltweit drei Stellen entwickelt, bekannt gemacht und erprobt worden. Die dazugehörigen Patente bzw. Patentanmeldungen, die für die hier angemeldete Erfindung relevant sind, sind das Patent DE 195 24 399 C2 bzw. das dem entsprechende EP-Patent EP 0 836 672 B1 bzw. das dem entsprechende US-Patent US 005 873 918, angemeldet bereits 1995. Eine interessante Weiterentwicklung zu dieser weltweit bereits patentgeschützten Lösung zeigt die Patentanmeldung EP 1 270 886 A1 im Jahr 2001. Diese beiden Lösungen bringen erfreulich niedrige Gegendrücke und hohe Russspeicherfähϊgkeiten und KombinationsmöglJchkeiten mit katalytisch beschichteten Strukturen für Oxidation und Entstickung. Diese Lösungen konzentrieren sich aber auf eine elektrische Regeneration des Russfiiters, die sehr hohe elektrische Stromstärken und / oder teure und in der Automobilindustrie offensichtlich unbeliebte technische Einrichtungen benötigen. Darüber hinaus benötigen beide Lösungen einen sehr großen Bauraum, weshalb diese Lösungen so heute fast keine Chance mehr im Automobilmarkt haben, um für Standardfahrzeuge in der Erstausrüstung zum Einsatz zu kommen. Ein anderes Lösungsprinzip, bei dem ebenfalls gesinterte Metallfeinfasermembranen verwendet werden, sind in den zwei Offenlegungsschriften DE 100 26 696 A1 und DE 101 53 284 A1 beschrieben. Sie stammen aus den Jahren 2000 und 2001. Auch hier handelt es sich um intelligente Lösungen mit einigen pfiffigen Ideen. Diese Lösungen sind offensichtlich allen anderen derzeit bekannten Lösungen überlegen, und zwar durch niedrigen Abgasgegendruck, weiterhin durch prinzipbedingten Ausschluss von Filterblockaden, die unter bestimmten ungünstigen Betriebsbedingungen bei den auf Pulversinterung basierenden o.g. Filterprinzipien entstehen können, und durch Universalität.

Dennoch ist auch das letztgenannte Lösungsprinzip noch nicht in allen Aspekten optimal und auch noch nicht universell genug. Die Filtermembran ist hier als Glattlage. in aufgewickelten Anordnungen von gewellten Metallfolien, wodurch sich Strömungskanäle bilden, verwendet Dadurch ergeben sich prinzipbedingt einige Schwächen: Die spezifischen inneren Oberflächen der Abgasnachbehandlungsaggregate sind noch nicht groß genug. Auch die Aggregate als ganzes sind noch nicht kompakt genug und haben auch noch immer viel Druckverlust bezogen auf die Filterleistung. Insbesondere störend ist, dass der aus mehreren Gründen erwünschte Querausgleich in der Abgashauptströmung innerhalb des Aggregates, notwendig insbesondere bei ungleichförmiger Anströmung, trotz Perforierungen in den gewellten Folien nur mäßig befriedigend gelöst ist. Nur mäßig intensiv ist auch die Turbulenzerzeugung in der Abgasströmung innerhalb des Aggregates, erwünscht für den intensiven und häufigen Kontakt des Abgasstromes mit den inneren Oberflächen, d.h. für die Heranführung der Russpartikel an die Wände und für die Intensivierung der an der Wand durch die Katalysatoren unterstützten chemischen Reaktionen. Auch ist die Ansprechzeit beim Kaltstart noch weiter verbesserbar, ebenso wie die universelle Ersetzbarkeit. Die zu lösende Aufgabe

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, bieten die bekannten Lösungen zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen einen Raum für weitere Optimierungen. Dabei sind vorrangig die Zusammenhänge zu berücksichtigen, die sich aus den Unterschieden in den Optimierungszielen bezüglich Fluiddynamik, Thermodynamik, Mechanodynamik und Chemodynamik ergeben. Dabei ist ein Lösungsprinzip zu finden, das für alle, doch äußerst unterschiedlichen Anwendungen der Brennkraftmaschinen gleichermaßen einsetzbar ist und dabei jeweils die effizientesten Varianten auszuführen zulässt. Weiterhin muss es der Abstimmung mit der Brennkraftmaschine vorbehalten bleiben, welche DeNOx-Strategie gewählt wird, und ggf. welche Regenerationsstrategie für zwischengespeicherte Mengen von Ruß oder Stickoxid.

Ganz besonderer Schwerpunkt liegt auf der höchstmöglichen Kompaktheit des erfindungsgemäßen Aggregates zur Kombination von Entrußung, Entstickung und Nachverbrennung der Abgase. Durch hocheffiziente Erfüllung der Reinigungsaufgabe muss das Aggregat so klein werden, dass es auch in einem äußerst beengten Motorraum noch Platz finden kann, d.h. nicht im Unterflurbereich platziert werden muss. Bei rohemissionsarmen modernen Motoren ist dann u.U. sogar die gesamte Abgasnachbehandlung noch vor dem Abgasrückführ-Abzweig unterzubringen, wodurch entrußtes Abgas rückgeführt werden kann und somit eine Reihe Motorenprobleme auf einen Schlag zu lösen sind. Dazu ist es natürlich für den Motorwirkungsgrad wichtig, dass im Aggregat weder Druck noch Temperatur wesentlich abnehmen. Schließlich ist unter günstigen Anwendungsfällen und Randbedingungen durch geeignetes Thermomanagement ein Verzicht auf aktive Regenerationseinrichtungen denkbar und somit auch Ziel dieser Erfindung.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein den vorgenannten Anforderungen besser als die bekannten Vorrichtungen gerecht werdendes Aggregat zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen aufzufinden. Es gilt, die hochkomplexen Wirkmechanismen, ggf. inklusive DeNOx, in einem Kompaktgerät mit optimalen Thermomanagementmöglichkeiten zusammenzufassen. Die Herstellung der Einheit aus Brennkraftmaschine + Nachbehandlung und der Betrieb dieser Einheit müssen letztlich jeweils zu höchster Wirtschaftlichkeit führen.

Die Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, nämlich durch ein Reinigungsaggregat für Abgase aus Brennkraftmaschinen, mit einer hochporösen Membran und mit dieser Membran beidseitig zugeordneten hochporösen Stutzmatrices, wobei die Membran zwischen den Stutzmatrices mehrfach gefaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den von der Membran gebildeten Falten nahezu vollständig, insbesondere vollständig, von den Stutzmatrices ausgefüllt sind und dass alle drei Strukturkörper (Membran, Stutzmatrices) in allen Raumrichtungen durchströmbar sind.

Anspruch 1 beschreibt somit die elementare, einfachste Version des kompakten Nachbehandlungsaggregates. Ankommende Rußpartikel aller Größen, inklusive der motortypisch kleinsten Partikelgrößen ab ca. 20 μm, können höchst wirkungsvoll aus dem Abgasstrom herausgefiltert und zwischengespeichert werden, bis sie durch geeignete Bedingungen nachverbrannt werden. Die sensible Rußfiltermembran ist durch die Stutzmatrices so gut geschützt, dass sie auch in den kritischen

Randbereichen über einen sehr langen Zeitraum den in der Nähe zum Brennraum auftretenden hohen Strömungsdruckschlägen und den hohen Temperaturen bis 700°C und zeitweise sogar bis über 1000°C dauerhaft standhält

Durch die engest mögliche Faltung der Membran ist eine kompakte Außenform möglich, sodass das Aggregat in unmittelbarer Motornähe, falls gewünscht sogar vor dem

Abzweig zur Abgasrückführung und gegebenenfalls gehäusemäßig zusammengefasst mit dem Abgaskrümmer, positionierbar ist. Dadurch kann die Nachverbrennung es zwischengespeicherten Rußes über große Bereiche des Motorkennfeldes passiv erfolgen.

Die Abstandshalter zwischen den gefalteten Membranflächen füllen als hochporöse

Matrices mit Mehrfachfunktionen das Volumen vollständig auf. Nur aufgrund fertigungstechnischer Optimierungen könnten gegebenenfalls geringfügige

Restvolumina im Aggregat ungenutzt bleiben. Somit gibt es keine nicht Funktionen erfüllende Bereiche innerhalb des Aggregates, was das erste Wesensmerkmal der

Erfindung ist.

Ein zweites Wesensmerkmal der Erfindung ist die Tatsache, dass alle drei

Strukturkörper, d.h. die Membran und die zwei Stutzmatrices, in allen Raumrichtungen durchströmbar sind. Bei Einlaufvorgängen von Strömungen aller Art können innerhalb der zentralen Einheit, obwohl lückenlos aufgefüllt mit den drei Funktionsstrukturen, durch Überlagerung von Querströmungen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung vorhandene Druckgefälle sehr gut ausgenutzt werden. Dadurch wird eine gleichmäßige

Ausnutzung des Membranvolumens ermöglicht. So können auch unter ungünstigsten

Anströmbedingungen höchste Filtereffizienzen und eine weitgehend gleichmäßige

Belegung der Speicherräume in der Membran erzielt werden.

Letzteres wiederum bewirkt beim Rußbrand eine weitgehend gleichmäßige

Temperaturentwicklung, insbesondere ohne Hotspot-Effekte, was v.a. bei Abbrand nach

Abschalten des Motors wichtig ist Außerdem sorgt die gleichmäßige Belegung der

Filtermembran für einen geringst möglichen Gegendruck.

In dieser Ausführungsform, d.h. durch die hochporöse Struktur sowohl der

Filtermembran als auch der Abstandshalter-Matrices bleibt auslegungsgemäß der

Gegendruck auf dem geringst möglichen Niveau von ca. 5 mbar, ansteigend bis ca. 50 mbar bei voll mit Ruß beladenem Filter. Dieser niedrige Gegendruck korrespondiert bei dieser Erfindung mit dem geringst möglichen Bauraumverbrauch. Bereits prinzipbedingt kann keines der geschilderten anderen Rußrückhalteprinzipien solche Baugrößen erreichen!

Dieser erfindungsgemäße Aufbau ist das Fundament für eine Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungsfällen zur Abgasnachbehandlung bei

Brennkraftmaschinen. Weitere vorteilhafte Prinzipien sind in den Folgeansprüchen niedergelegt.

In Anspruch 2 ist dargelegt, dass die bereits ohnehin vorhandenen drei Strukturkörper weitere Funktionen übernehmen können, z.B. Katalysierung von chemischen

Reaktionen. So kann die stromaufwärts liegende Stützmatrix als Oxidationskatalysator wirken oder die Filtermembran mit Rußzündhilfe-Katalysatoren belegt sein. Die stromab von der Membran positionierte zweite Stützmatrix kann Entstickungsaufgaben schwerpunktmäßig übernehmen, oder ebenfalls als Oxidationskatalysator wirken.

Durch die Integration dieser chemischen Funktionen in die bereits vorhandene Funktion der Rußfilterung ergeben sich sowohl in fluiddynamischer bzw. aerodynamischer als auch in thermodynamischer Hinsicht höchst erwünschte Effekte.

Zum einen entsteht für die katalytischen Maßnahmen kein zusätzlicher Druckverlust, da ein oder zwei zusätzliche Katalysatoren entfallen. Zum zweiten wird die durch das Abgas eingetragene latente Wärme und die durch die cherrüschen Reaktionen freigesetzte Wärme optimal genutzt. Die Wärmeabgabe nach außen an die Umgebung ist zusammen mit der Aggregatsaußenoberfläche minimiert und die verschiedenen, teilweise komplexen chemischen Prozesse, die alle möglichst nahe an 500°C heranreichende Temperaturniveaus für gute Effizienz benötigen, unterstützen sich gegenseitig. Die hineinströmende, und intern freigesetzte Wärme erzielt also mehrfachen Nutzen.

In den Ansprüchen 3 bis 6 sind die Stutzmatrices festgelegt. Da das Aggregat als Filter und insbesondere als Fiiterkatalysatorkombination unterschiedlichste Einsatzfelder und DeNOx-Strategien und Rußfilterstrategien abdecken muss, wird ein recht breiter Bereich von Ausführungsformen beansprucht In Anspruch 3 ist elementar, dass die Stützmatrix ein Labyrinth mit vielen, relativ dünnen inneren Stegen bzw. Fasern ist, die sowohl Strömungsdruckpuϊsationen als auch motor- und kraftfahrzeugtypischen Erschütterungen dauerhaft standhält. Die innere Oberfläche pro Volumen ist groß, um möglichst viel Turbulenz entstehen zu lassen. Dadurch wird zum einen die deutlich empfindlichere Filtermembran geschützt. Zum anderen wird eine bestmögliche Vermischung des Abgasstromes und dessen möglichst häufiges Auftreffen auf katalysierende Partikel erzielt.

Bevorzugt sind die Stutzmatrices als Faserlabyrinth ausgeführt, da sich dabei in dreidimensionaler Sicht Varianten zu gestalterischen Möglichkeiten ergeben. So lassen sich bei gleichbleibend großer innerer Oberfläche parallel und senkrecht zur Vorzugsströmungsrichtung unterschiedliche Porenweiten einstellen. Über ffuiddynamische bzw. aerodynamische Optimierungsrechenprogramme und entsprechende dreidimensionale Formgebung können also weitere Effizienzverbesserungen erzielt werden.

Aus aerodynamischen Gründen sind hohe Porositäten unabdingbar und höchste Porositäten erwünscht. Das Aggregat muss nur die mechanodynamische Robusfheit für z.B. 6000 Betriebsstunden aufweisen. Da trotz dieser hohen Porositäten die Stege bzw. Fasern der Stutzmatrices genügend Robustheit ergeben, sind die genannten Mindestporositäten ausreichend. Unter günstigeren Bedingungen, z.B. motorfernere Anordnung oder größere Abmessungen der Matrix, sind auch noch deutlich größere Porositäten bis zu ca. 95 % ohne weiteres denkbar.

In der kompaktesten Version eines schlichten Rußfilters können die Stutzmatrices so weit abmagern, dass die eine nur aus einem Drahtgitter besteht und die andere nur 1 mm Schichtdicke aufweist Je nach geometrischer Ausgestaltung der Membranfaltung ergeben sich bevorzugt Durchströmlängen von mehreren cm bis ca. 40 cm, je nach Motorgröße und Einsatzfaü.

Die in Anspruch 6 festgelegten inneren Stegdurchmesser variieren ebenfalls je nach Einsatzfeld und Auslegungsfall beträchtlich. Bevorzugt sind Steg- bzw. Faserdurchmesser von 80 bis 300 μm in Standardanwendungen. Sie ergeben sich vorrangig aus der Auswahl der Steg- oder Feinfaserdurchmesser der Filtermembran, da sie dieser einen optimalen Schutz und eine optimale Abstützung bieten müssen. Es kann durchaus sinnvoll sein, dass die stromaufwärts liegende Stützmatrix einen anderen Aufbau hat als die stromabwärts positionierte.

Die in den Ansprüchen 7 bis 10 beschriebene geometrische Ausgestaltung der Filtermembran ergibt sich vorrangig aus der geforderten Rußabscheideeffizienz und den individuellen Wünschen bezüglich des Gegendrucks. Die inneren Steg- bzw. Faserdurchmesser der Stützmatrix sind wegen der Stütz- und Schutzfunktion allgemein um Faktoren größer als die der Filtermembran.

Die Durchströmdicke der Filtermembran ist v.a. durch die Wahl der Rußfilterregenerationsstrategie beeinfiusst. Entsprechendes gilt für die Porosität. Es ist aus Untersuchungen an verschiedenen Orten bekannt, dass selbst bei Porositäten von 90 bis 95 %, die für die Aerodynamik natürlich hoch erwünscht sind, über das gesamte motortypische Größenspektrum von Rußpartikeln hinweg gute Abscheideraten realisierbar sind.

Der ganz besondere Vorteil dieser höchst porösen Feinstrukturfiltermembranen liegt aber darin, dass offensichtlich die motorabgastypischen, nicht brennbaren Partikel nur in äußerst geringem Umfang zurückgehalten werden. Somit akkumulieren solche nicht abbrennbaren Partikel im diesem Filtertyp nicht sonderlich stark und der Gegendruck des unbeladenen Filters steigt auch nach 4000 Betriebsstunden nicht merklich an. Dieses semipermeable Verhalten solcher Filtertypen darf als ganz besonderer Vorteil gesehen werden, da die Menge der nicht brennbaren Partikel in Relation zur Rußmenge selbst dann vernachlässigbar ist, wenn eine Rußfilterregeneration benutzt wird, die auf Kraftstoffadditiven beruht. Auch in letzterem Fall ist die kleine Menge der im Filter nicht zurückgehaltenen Partikel nur unbedeutend höher, also bezogen auf die übrigbleibenden, nicht motorischen verkehrsbedingten Partikelemissionen im Promillebereich.

In Anspruch 11 sind Beispiele für die Materialauswahimöglichkeiten für Feinfaserfiltermembranen benannt. Um die zunächst bevorzugten, an Faserkontaktstellen gesinterten und auf eine gewünschte Durchströmdicke gepresste Feinfasermembranen mit wirrem Faserlabyrinth und mit Porendurchmessern, die ein Vielfaches der Faserdurchmesser aufweisen, materialmäßig auszuwählen, ist die Marktsituation bei den Materiallieferanten zum Herstellzeitpunkt entscheidend. Aktuell von potenziellen Lieferanten genannte Bezugspreise werden sich insbesondere durch Massenfertigung recht unterschiedlich stark reduzieren in Zukunft. Die Marktsituation ist momentan schwer überschaubar und insbesondere die Kostensenkungspotenziale sind schwer einschätzbar. Der Membranpreis beeinflusst aber die Herstellkosten maßgeblich. So ist eine Festlegung der Materialauswahl und des konkreten Fertigungsverfahrens der Filtermembran nicht möglich heute.

In Anspruch 12 und 13 sind zwei Membranfaltungsprinzipien beschrieben, die zu quaderförmiger und walzenförmiger Außenkontur führen. Figur 1 zeigt hier eine typische Walzenkontur, Figur 2,3 und 4 je eine Quaderkontur bzw. hier eine Würfelkontur. Die zum Schutz beanspruchten Aggregatskonturen sind wegen dem Thermomanagement, insbesondere für die chemischen Reaktionen im Aggregat, bevorzugt so kompakt wie möglich, also im Längs- und im Querschnitt möglichst nahe beim Quadrat. An den Umfangsseiten, durch welche die Abgase führbar sind, können nochmals hochporöse Abdeckschichten angebracht sein. Diese übernehmen im entsprechenden Auslegungsfall einen Teil der Schutz- und Stützfunktionen der Stutzmatrices. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn im Auslegungsfall die Stutzmatrices z.B. aus Herstellkostengründen noch leichter als üblich ausgeführt sein sollen. In Anspruch 14 und 15 ist beschrieben, wie die elementare, zentrale Einheit des Aggregates, bestehend aus den drei Strukturkörpern (Membran + zwei Stutzmatrices), durch Einbau in ein Gehäuse zu einem Komplettaggregat mit Öffnungen zum Ein- und Ausströmen des Abgases wird. Beispiele hierfür sind die Figuren 1 bis 4. In allen 4 Figuren ist zu erkennen, dass der Rußfilter etwa in der Mitte oder, insbesondere bei größeren DeNOx-Aufgaben für das Aggregat, bevorzugt stromaufwärts von der Mitte der Durchström-Gesamtdistanz platziert ist. Dadurch wird vor allem der Vorteil erzielt, dass die Produkte aus dem Rußabbrand, das sind chemisch freigesetzte Wärme und für die DeNOx-Aufgabe Reduktionspotenzial aufweisendes Kohlenmonoxid (CO), stromabwärts noch gebraucht werden können.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine 180°-Umlekung des Hauptabgasstromes. Da die relativ höchsten Temperaturen für den Rußabbrand benötigt werden, ist es thermodynamisch sinnvoll, den rußspeichernden Filter direkt an den Eingang zu setzen und die abströmenden Gase im Mantelraum zu führen.

Der aerodynamische Nachteil der Umlenkung, das ist der Anstieg des Gegendrucks des Aggregates, wird dadurch akzeptabel, dass sich durch Faltung des Hauptabgasstromes die Schalldämpfleistung, die das Aggregat zusätzlich zu seinen bisher beschriebenen Funktionen erbringt, verbessert. Je mehr aber die Schalldämpfleistung, die ohnehin bereits durch die Durchströmung der porösen zentralen Einheit aus den drei Strukturkörpern erbracht wird, gesteigert wird, desto mehr kann in dem im Abgassystem ohnehin noch folgenden Endschalldämpfer des Kraftfahrzeugs beim Gegendruck eingespart werden.

Der durch das Feinfilterkatalysatorkompaktaggregat (FFKK) verursachte Gegendruck kann also kompensiert werden durch Einsparungen beim Gegendruck des Schalldämpfers. Diese Kompensation gelingt voraussichtlich in vollem Umfang, da das erfindungsgemäße Feinfilterkatalysatorkompaktaggregat (FFKK) wie beschrieben nur ganz geringen Gegendruck verursacht. Damit erfolgt die Abgasnachbehandlung zum Nulltarif, sprich ohne Kraftstoffmehrverbrauch.

Eine weitere Verbesserung der Schalldämpfung kann durch gezielte Positionierung von relativ dickwandigen Platten oder dergleichen an geeigneten Stellen des Aggregates erzielt werden, wie im Anspruch 17 aufgeführt.

Nach Anspruch 17 können solche relativ dickwandigen Platten oder dergleichen auch weitere Funktionen im Aggregat übernehmen. Als nnechanodynamische Aufgabe kann z.B. das Eigenschwingungsverhalten der zentralen Einheit aus den drei hochporösen Strukturkörpern geeignet beeinflusst werden.

Eine dritte Funktion kann dann erzielt werden, wenn solche dickwandige Platten in Strömungsrichtung etwas stromabwärts in dem Aggregat platziert werden. Sie helfen dann, die Temperaturen im Aggregat auf dem für die chemische Reaktionseffizienz erwünschten Niveau zu halten, wenn der Motor schwächer belastet wird. Eine solche Wärmespeicherfähigkeit ist nämlich von den hochporösen drei Strukturkörpern selbst nicht zu leisten. Vielmehr folgen diese mit ganz geringer Trägheit der Abgastemperatur, was ja den Vorteil hat, dass das Aggregat ein bestmögliches Ansprechverhalten aufweist, insbesondere erwünscht z.B. beim Kaltstart.

Zurückspringend auf Anspruch 16 ist noch eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung zu verdeutlichen, nämlich die weitgehende Auffüllung der Räume für Einströmung und Abströmung, d.h. der Räume zwischen dem Mantel des Aggregates und der zentralen Einheit, mit ebenfalls hochporösem Strukturmaterial. Damit können diese verbliebenen Räume ebenfalls als Funktionsvolumina genutzt werden. So kann durch die Formgebung dieses Strukturmaterials- das sowohl bezüglich innerer Strömungswiderstände als auch bezüglich Außenkontur variabel gestaltet werden kann, die Durchströmung der zentralen Einheit in idealer Weise mittels aerodynamischer Rechenprogramme optimiert werden, ohne einen sonst üblichen wesentlichen Anstieg des Gesamtgegendruckes in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung der zentralen Einheit sichergestellt, und zwar im gesamten, um etwa Faktor 5 bei Brennkraftmaschinen typischerweise variierenden Abgasgeschwindigkeitsbereich. Wie in Figur 2,3 und 4 angedeutet, kommt dieser Strömungsoptimierung v.a. bei nicht rotationssymmetrischen Aggregaten, wie es sich bei Verwendung eines Quaders z.B. ergibt, besondere Bedeutung zu. Hier können beispielsweise kleine Bereiche komplett von Strukturmaterial freigehalten werden, um entsprechend kleine Abgasstromwirbel zur Strömungsgegendruckreduzierung in geeigneten Räumen zuzulassen. Dadurch ist die Vergleichmäßigung der Durchströmung der zentralen Einheit aus den 3 Strukturkörpem schon zu größeren Teilen bereits im Strömungsabschnitt vor der Einheit erfolgt, was zu einer noch besseren Ausnutzung der Einheit führt. Generell ist durch diese Maßnahme der Einbringung von zusätzlichem hochporösem Strukturmaterial in die Ein- und Abströmräume die nahezu ideale Strömungsoptimierung erst möglich. In Anspruch 18 und 19 werden nochmals weitere wichtige vorteilhafte Ausführungen beschrieben, die nicht nur das Thermomanagement verbessern, sondern im sogar im Bereich des Erreichbaren liegenden Ideaifall eine rein passive Regeneration des Rußfilters ermöglichen können. Wenn diese Stufe erreicht ist, entfallen ein größerer Teil der Herstellkosten als auch der sonst unvermeidliche Kraftstoffmehrverbrauch für die Energiebereitstellung zur aktiven Rußfilterregeneration.

Das Erreichen dieser Stufe erfolgt beim FFKK dann aber nicht durch Verzicht auf Filterabscheideleistung oder durch Zusetzen von Kraftstoffadditiven, wie es dem heutigen Stand der Technik entspricht. Vielmehr wird diese höchste Stufe erreicht durch die erfindungsgemäße aerodynamisch und thermodynamisch optimale Ausführung eines Multifunktionsaggregates.

Weitere Vorteile ergeben sich bei Ausführung des Aggregatmantels als luftspaltisolierter Doppelmantel (Anspruch 18) dadurch, dass die Innenwand als Wärmespeicher im Sinne von Anspruch 17 Zusatzfunktionen übernehmen kann und der Außenmantel, im Mittel auf niedrigerem Temperaturniveau befindlich, weniger der Außenkorrosion ausgesetzt ist. Die wärmeisolierende Außenbeschichtung, wie in Anspruch 19 genannt, muss ebenfalls nicht mehr so hohen Temperaturen standhalten. Beide Maßnahmen gemeinsam können dazu führen, dass die Außentemperatur des wärmeisolierten Aggregates auch bei Dauervolllastbetrieb den wünschenswerten Bereich von 100°C nicht wesentlich übersteigt und bei Mittellast nur noch handwarm ist. Die daraus resultierenden, deutlich höheren Temperaturen im Inneren des Aggregates erhöhen die Effizienz sowohl für die Rußregeneration als auch für die Entstickung, egal welches Verfahren und welche Strategie angewendet werden. Diese Erhöhung der chemischen Ausbeute wirkt naturgemäß positiv auf den Kraftstoffverbrauch. So sind beispielsweise die Zeitanteile der Gemischanfettung zur Regeneration eines Stickstoffspeicherkatalysators mit ansteigender Katalysatoroberflächentemperatur bekanntermaßen stark verkürzbar. Auch die selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Ammoniak-Systeme oder durch Kohlenwasserstoffe wird durch höhere Reaktionsumgebungstemperatur begünstigt, wie allgemein bekannt. Weiterhin zeigen Entwicklungsarbeiten zu Simultankatalysatoren für gleichzeitige Entrußung und Entstickung, z.B. zu Eisen-Alkalimetall-Mischoxiden als übrigens erfreulich effiziente Promotoren bei hohen Produktselektivitäten für Stickstoffmoleküle und Kohlenstoffdioxid, beste Umsätze bei Reaktionsumgebungstemperaturen zwischen ca. 300°C und 500°C. Bei chemischen Reaktionsstrategien auf der Basis von über lonengeneratoren bereitgestellten Radikalen kann die Energie für die lonenbereitstellung mit Anstieg der Temperatur schließlich auch reduziert werden. Andererseits können aber auch die Verweilzeiten des Abgases in den katalysierenden Strukturen aufgrund der temperaturbedingten Effizienzsteigerung kurz gehalten werden. Das bedeutet, dass das Volumen des Aggregates klein gehalten werden kann, da geringe Raumgeschwindigkeiten ausreichen. Hier ist im Einzelfall zu optimieren zwischen zusätzlichem Energieaufwand für die Regeneration und den negativen Auswirkungen einer Vergrößerung des Aggregates.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung im chemodynamischen Bereich ist in Anspruch 20 dargelegt. Durch die Vielzahl von ggf. fünf verschiedenen hochporösen Strukturkörpern des Aggregates mit jeweils großen inneren Oberflächen und jeweils turbulenzerzeugenden Labyrinthstrukturen kann auch eine Vielzahl von chemischen Strategien mit diesem Aggregat realisiert werden. So können alle gleichartig z.B. mit einer Mischung aus oxidierenden, Stickoxide speichernden und reduzierenden Katalysatorpartikeln belegt sein. Eine ganze Menge interessanter Möglichkeiten ergibt sich jedoch durch die gezielte Hintereinanderschaltung unterschiedlicher katalysierenden Materialien oder Materialmischungen, die hier jedoch nicht aufgezählt werden sollen.

Die in Anspruch 21 aufgeführte elektrische Direktbeheizung zur Temperaturanhebung im FFKK-Aggregat kommt dann vorrangig zum Einsatz, wenn ein Eingriff ins Motormanagement nicht stattfinden soll, z.B. bei Nachrüstmaßnahmen.

Fazit

Nach allem ist die gestellte Aufgabe mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsaggregat in einer den bisher gebotenen Stand der Technik erheblich bereichernden Weise gelöst. Die offenbarte innovative Abgasnachbehandlungstechnik berücksichtigt die Notwendigkeit der gleichermaßen fluiddynamischen, thermodynamischen, mechanodynamischen und chernodynamischen Optimierung. Sie beruht dabei insbesondere auf dem Einsatz von in allen Raumrichtungen durchströmbaren, höchstporösen und faserartigen Strukturen in der jeweils kompaktesten aller Anordnungsmöglichkeiten. Diese lassen das freie Atmen der "Strömungsmaschine" Verbrennungsmotor zu, bei gleichzeitig höchst wirkungsvoller Entgiftung der Verbrennungsabgase.

Damit können ohne Mehrverbrauch an Kraftstoff auch noch die zukünftig zu erwartenden höchsten Emissionsanforderungen erfüllt werden. Schließlich ist durch Wahl preiswerter Materialien und Hersteliverfahren auch für den Massenmarkt der nicht hochpreisigen Fahrzeuge Umweltschutz realisierbar. Dadurch erst wird ein bedeutender Fortschritt in der Atemluftverbesserung weltweit möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Reinigungsaggregat für Abgase aus Brennkraftmaschinen, mit einer hochporösen Membran und mit dieser Membran beidseitig zugeordneten hochporösen Stutzmatrices, wobei die Membran zwischen den Stutzmatrices mehrfach gefaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den von der Membran gebildeten Falten nahezu vollständig, insbesondere vollständig, von den Stutzmatrices ausgefüllt sind und dass alle drei Strukturkörper (Membran, Stutzmatrices) in allen Raumrichtungen durchströmbar sind.

2. Aggregat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der drei Strukturkörper (Membran, Stutzmatrices) , insbesondere zwei oder alle drei, mit katalysierenden Partikeln belegt sind.

3. Aggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stutzmatrices aus offenporiger Schaumstruktur oder als Labyrinth von Fasern gebildet sind, wobei die Fasern an Berührungsstellen miteinander verbunden sind, z.B. durch Kleben oder Sintern oder mechanisches Verknüpfen.

4. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stutzmatrices mindestens ca. 70 % Porosität, insbesondere mindestens ca. 85 % Porosität aufweisen.

5. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Stutzmatrices, insbesondere beide mindestens 1 mm Schichtdicke aufweisen und dass beide Stutzmatrices zusammen maximal ca. 400 mm Schichtdicke bzw. Durchströmlänge aufweisen.

6. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stutzmatrices innere Stegdurchmesser von mindestens ca. 40 μm , insbesondere mindestens ca. 80 μm, und maximal ca. 500 μm, insbesondere maximal ca. 300 μm aufweisen.

7. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus offenporiger Schaumstruktur oder aus Feinfasern gebildet ist, wobei die Feinfasern als Labyrinth angeordnet und an Berührungsstellen miteinander verbunden sind, z.B. durch Kleben oder Sintern oder durch mechanisches Verknüpfen.

8. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Porosität von mindestens ca. 70 %, insbesondere mindestens ca. 85 % aufweist.

9. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine im Bereich von 0,2 bis 2,0 mm liegende Dicke aufweist.

10. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Schaumstrukturstege bzw. der Feinfasern im Bereich zwischen 5 μm und ca. 35 μm liegt.

11.Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinfasern der Membran aus hochtemperatur- und korrosionsfester Metalllegierung oder aus Keramik, insbesondere Oxidkeramik, z.B. Mullit, oder aus Quarzglas bestehen, derart, dass sie ca 6.000 Betriebsstunden bei Dauertemperaturen von ca. 500°C und bei kurzzeitigen Spitzentemperaturen von über 1.000°C in motorabgastypisch korrosiver Umgebung ohne erhebliche Schädigung überstehen.

12. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zwischen den Stutzmatrices so gefaltet ist, dass sich eine einem Würfel weitgehend angenäherte quaderförmige Außenkontur ergibt, und dass vier der Quaderseiten durch Abdeckungen verschlossen sind, während zwei der Quaderseiten, durch welche die Abgase führbar sind, keine verschließende Abdeckung aufweisen.

13. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zwischen den Stutzmatrices so gefaltet ist, dass sich angenähert die Außenkontur einer Hohlwalze ergibt, und dass die Stirnseiten der Hohlwalze durch Abdeckungen verschlossen sind, während die runden Umfangsseiten, durch welche die Abgase führbar sind, keine verschließende Abdeckung aufweisen, und dass die Länge der Hohlwalze nicht sehr viel größer als ihr Außendurchmesser ist.

14. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die kompakte quaderförmige bzw. hohlwalzenförmige Einheit aus den drei hochporösen Strukturkörpern mit den Abdeckungen an den Seiten als Ganzes in einem Gehäuse aufgenommen ist, das wenigstens je eine Öffnung zum Ein- bzw. Ausströmen des Abgases aufweist.

15. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Gehäuse eingeleitete und nach dem Durchströmen der kompakten Einheit aus dem Gehäuse abgeführte Abgas innerhalb des Gehäuses unter einem beliebigen bestimmten 'Raumwinkel zwischen der Abgaszu- und- abströmung geführt werden kann, insbesondere auch mit einer 180° Umlenkung des Hauptabgasstromes.

16. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse und der kompakten Einheit ein oder mehrere Einström- sowie Abströmräume gebildet sind, wobei einer oder mehrere dieser Räume mit demselben, insbesondere mit katalysierenden Partikeln belegten Strukturmaterial, wie bei den Stutzmatrices verwendbar, weitgehend ausgefüllt ist, wobei diese vierte und ggf. fünfte Strukturmatrix je so ausgebildet werden kann, dass eine erwünschte, z.B. möglichst gleichmäßige Durchströmung der zentralen Einheit aus den drei Strukturkörpern erzielt wird.

17. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses wärmespeichernde, insbesondere dickwandige Platten oder dgl. integriert sind, zum Zurückhalten von Wärme in dem Gehäuse und zur bedarfsgerechten Einstellung des Schwingungsverhaltens der zentralen Einheit, bestehend aus den drei hochporösen Strukturkörpern, und zur Verbesserung der Schaildämpfung im Abgasstrang.

18. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen Doppelmantel mit isolierendem Luftspalt zwischen den Mantelwänden aufweist, zum Zurückhalten von Wärme in dem Gehäuse.

19. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine resistente Außenbeschichtung von mind. 1 mm Dicke aufweist, zum Zurückhalten von Wärme in dem Gehäuse und als Korrosionsschutz.

20. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die 3 Strukturkörper (Membran, Stutzmatrices) mit gleichartigen oder mit für jede Schicht unterschiedlichen katalysierenden Partikeln belegt sind, so dass sich eine Kaskade von drei Katalysatoren in Richtung der Abgasströmung aufeinander folgend ergibt, bzw. von 4 oder 5 Katalysatoren, wenn in den Zu- und/oder Abströmungsräumen weiteres Strukturmaterial angeordnet ist, wie in Anspruch 10 beschrieben.

21. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Membran und/oder der Stutzmatrices elektrisch leitend und somit elektrisch direkt heizbar ausgeführt ist.