Rußpartikelfilter
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Heizanlagen oder Brennkraftmaschinen für flüssige und/oder feste Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Art des Brenners, dessen bestimmungsgemäßer Verwendung und der Art des Brennstoffs Anwendung finden kann.
Von derartigen Filtervorrichtungen wird erwartet, dass die Rußpartikel oder andere Feststoffe im Abgas von Brennkraftmaschinen, Heizbrennern oder Öfen mit insbesondere flüssigen und/oder festen Brennstoffen in ausreichendem Maße zurückgehalten werden. Weiter wird erwartet, dass schädliche Bestandteile des Abgases bestmöglich gefiltert werden. Weiter soll eine derartige Filtervorrichtung während eines längeren Betriebs- und Nutzungszeitraum mit einer gleichbleibend hoher Absorbtionswirkung betreffend Ruß kontinuierlich arbeiten. Weiter soll eine derartige Filtereinrichtung das Abgas hinreichend wartungsfrei reinigen. Durch eine derartige Filtervorrichtung wird die Leistung eines Ofens bzw. die mechanische Leistung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, beeinträchtigt bzw. vermindert.
Es sind eine Vielzahl von Partikelfiltern und Oxitationskatalysatoren bekannt. Mit der Abgasströmung durchströmen die Rußpartikel zu deren Sammlung beispielsweise metallische und/oder keramische Filterkörper. Anschließend werden diese Rußpartikel mit Hilfe einer elektrischen Beheizung verbrannt. Außerdem werden die Filtereinheiten zum Regenerieren und zur Oxidation mit verschiedenartigen Edelmetallen beschichtet. Das ist beispielsweise aus den Patentschriften DE 10200504449, DE19923781 und den Europäischen Schriften EP 1262641 und EP 0998627 /WO 9905402 be- kannt. Die Problematik der bekannten Rußpartikelfilter liegt hauptsächlich darin, dass deren Funktion nicht dauerhaft gewährleistet ist. Oftmals wird das Filtermedium bei zu hoher Brenntemperatur porös und/oder instabil. Weiter besteht die Gefahr, dass sich von dem Filtermedium lösende Teilchen in die Umgebung gelangen.
Auch werden chemische Mittel zum Zünden und Abbrennen der Rußpartikel verwendet. Diese werden zeitweise in den Dieseltreibstoff zur Erhöhung und oder zum Senken der Abgastemperatur eingespeist. Bei dieser Alternative besteht die Möglichkeit, dass andere Schadstoffe in die Umgebung gelangen. Weiter ist diese Technik auf- wendig und kostenintensiv. Erfahrungsgemäß entstehen beim Einsatz von chemischen Mitteln und Wärmeeinwirkung Nebenprodukte, die wiederum ungefiltert als Schadstoffe in die Umgebung gelangen können. Es werden somit Schadstoffe mit anderen Schadstoffe ausgetauscht.
Auch ist aus Versuchsreihen mit offenen Partikelfilter, die zum Nachrüsten angeboten werden, hinreichend bekannt, dass eine Rußabsorbtion zwischen 30 % und 40 % erreicht wird. Die meisten nachrüstbaren Partikelfilter müssen nach einer Laufleistung von ca. 80.000 km ausgewechselt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Rußpartikelfilter zur Abgasreinigung zur Verfügung zu stellen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
A1 Ein erfindungsgemäßer Rußpartikelfilter ist insbesondere für den Einsatz in an Kraftfahrzeugen oder Heizanlagen mit flüssigen und festen Brennstoffen bestimmt. Die Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine zeitlich gesteuerte variable Regeneration des Rußpartikelspeichers und Rußpartikelabbrennung aus. Weiter wirkt die Vorrichtung insbesondere katalysatorisch. Die Vorrichtung weist wenigstens ein Filtergehäuse mit einem Eingang, einem Ausgang und ein Filterelement auf. In dem Filtergehäuse befindet sich ferner mindestens ein Rußpartikelspeicherraum. Dieser weist einen Zugang auf, welcher insbesondere nach innen abgewinkelt und verengt ist. Weiter ist der Innenraum des Rußpartikelspeichers mit Edelmetallscheiben ausgekleidet. Diese sind insbesondere gelocht, abgewinkelt und/oder gewellt. Die Edel- metallscheiben und das Edelmetallgestrüpp sind wenigstens teilweise katalysatorisch beschichtet. Im Filtergehäuse ist eine Zündeinrichtung angeordnet, beispielsweise eine Glühkerze und/oder eine Glühspirale.
Die Rußpartikel werden insbesondere an den Edelmetallscheiben beispielsweise mit Hilfe einer Glühkerze und/oder Glühspirale verbrannt.
Vorteilhaft sammelt der erfindungsgemäße Rußpartikelfilter nach einem Kaltstart zu- nächst die Rußpartikel. Später erfolgt ein überwiegender Abbrand der gesammelten Rußpartikel, insbesondere ohne weitere Energiezufuhr. So wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst.
Vorteilhaft leistet ein erfindungsgemäßer Rußpartikelfilter eine kontinuierliche Reini- gung. Weiter hat die Vorrichtung durch die scheibenartige wechselseitige Anordnung der Filterscheibenelemente auch eine katalytische Wirkung. Dies hat den Vorteil, dass Schadstoffe wie CO, NOx, CO2 und Rußpartikel, deren Anteile an der Zusammensetzung der Abgases voneinander abhängen, bestmöglich verringert werden. Weiter werden schädliche Abgase in harmlose Abgase umgewandelt. Der Filter kann in ei- nem relativ kleinen Gehäuse ohne großen Montageaufwand an einem Kraftfahrzeug und/oder in einem Heizabzugsrohr untergebracht werden. Insbesondere bei Dieselfahrzeugen mit größerem Hubraum können auch mehrere Rußpartikelfilter parallel geschaltet werden.
Vorteilhaft leistet der erfindungsgemäße Rußpartikelfilter, dass für den Abbrand der Rußpartikel der Bedarf an insbesondere elektrischer Energie minimiert wird. Der erfindungsgemäße Rußpartikelfilter arbeitet weitgehend wartungsfrei und bietet über einen hinreichend langen Betriebs- und Nutzungszeitraum einen nahezu gleichbleibenden Abbrand der Rußpartikel.
Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Rußpartikelfilter technisch einfach und modular ausgebildet. Eine hohe Haltbarkeit des Rußpartikelfilters ist auch bei festen Brennstoffen gegeben.
Ein erfindungsgemäßer Rußpartikelfilter hat ein Filtergehäuse, an dem sich ein Eingang und ein Ausgang befindet. In diesem Filtergehäuse befindet sich an der Innenseite eine feuerfeste Ummantelung zur Umgebung hin. Diese Ummantelung dient gleichzeitig zur Lagerung der Filtereinheiten. Diese Anordnung aus Ummantelung und Filtereinheiten hat die Aufgabe thermisch zu isolieren, sowie Erschütterungen aufzu-
fangen und abzuschwächen. Weiter wird die Wärmeeinwirkung zur Straßenseite verringert. Die Innereien des Gehäuses werden gemeinsam mit der feuerfesten Umman- telung, in der sich Filterscheiben befinden als Einheit in das Gehäuse eingepresst.
Die Filterscheiben weisen durchgehende Öffnungen in Richtung des Partikelspeichers auf. Mehrere solcher Anordnungen können in einer Reihe hintereinander eingebracht werden. Mit Aneinanderreihen der gelochten Filterscheiben entstehen durchgehende und offene Kanäle in Richtung des Rußspeichers, die von wenigstens einem Leerraum unterbrochen sein können. Dieser Leerraum bzw. Leerräume können eine bes- sere Verwirbelung der Abgase und der Rußpartikel bewirken. Die Filterscheiben sind wenigstens teilweise, vorzugsweise im gesamten Querschnitt des Rußspeichers, mit Kanälen durchzogen. Nur ein Teil der Kanäle wird mit verunreinigten Abgasen durchflutet. Die Kanäle, die sich am äußeren Rand des Querschnitts des Rußspeichers befinden, sind für den Austritt des gereinigten Abgasstromes vorgesehen.
Wenn die Filterscheiben hintereinander angebracht sind, entstehen durchgehende Fugen zur Umgebung hin. Diese Fugen sind so eng gestaltet, dass nur der Abgasstrom in Richtung der Umgebung strömen kann. Die Rußpartikel werden mit der Abgasströmung und den Kanälen, die auf den Rußspeicher gerichtet sind, zwangsweise im Rußspeicher ablagern. Im Rußspeicher setzen sich die Partikel zwangsweise in den sich in dem Rußspeicher befindlichen hochtemperaturbeständigen Edelmetallscheiben ab. Diese Edelmetallscheiben sind in der Struktur gelocht, abgewinkelt und gewellt und mit verschiedener Feinheit ausgebildet. Die Rußpartikel lagern sich hauptsächlich an den Edelmetallscheiben ab.
Der Rußspeicher ist je nach Bedarf so gestaltet, dass mit einer Glühzündung ein Selbstbrand der gespeicherten Rußpartikel in Gang gesetzt werden kann. Als Glühzündung ist ein Heizdraht und/oder eine Glühkerze vorgesehen. Der Zeitpunkt, an dem der Speicherraum mit Ruß voll ist, wird abhängig vom Fahrzeugtyp, der zurück- gelegten Strecke und/oder mit Hilfe eines Rückstaumelders ermittelt. Dann kann ein Selbstbrand durch Zünden der Glühkerze und/oder des Heizdrahtes in die Wege geleitet werden. Das Zünden ist am Armaturenbrett durch Lichtzeichen ersichtlich.
Am Eingang der Abgasströmung befinden sich die für katalysatorische Wirkung beschichteten Vorfilterscheiben. So durchströmt zunächst das ganze Volumen der Abgasströmung die katalysatorisch beschichteten Filterscheiben. Diese beschichteten Filterscheiben können wahlweise versetzt eingebracht werden und mit verschiedenar- tigen Edelmetallen beschichtet sein. Die Filterscheiben bewirken ein Oxidieren der Rußpartikel und die Umwandlung von Abgasen. Nachdem die Abgasströmung den Eingangsbereich durchströmt hat, wird die Abgasströmung mit einer trichterförmigen Abweichung bzw. Verengung so verengt, dass die Querschnittsfläche der mit Rußpartikel beladenen Abgasströmung im wesentlichen mit Umfang und Querschnitt des Rußpartikelspeichers übereinstimmt. So setzen sich die Rußpartikel überwiegend im Rußspeicher ab und werden dort eliminiert. Um einen Rückstrom, insbesondere eine Rückverwirbelung der Rußpartikel in den Abgasstrom abzuschwächen, ist am Eingang des Rußspeichers eine umlaufende Abkantung angebracht. Diese kann rund und/oder eckig geformt sein. Das Inhaltvolumen des Rußspeichers muss so berech- net ist, dass beim Abbrand der Rußpartikel eine Materialschädigung infolge der Brenntemperatur vermieden wird. Vorzugsweise sind die im Rußspeicher befindlichen Edelmetallscheiben mit Materialien beschichtet, welche die Oxidation der Rußpartikel unterstützen.
Vorzugsweise werden abwechselnd mit Edelmetall beschichtete Fliese und/oder ge- presste Metallgestricke eingelegt. Für größere Abgasvolumen sind an den Öffnungen der Filterscheiben im wesentlichen horizontal vorstehende Muffen angebracht. Diese Muffen sind an einer Seite, insbesondere an der vorderen Stirnseite der Filterscheibe mit einer Nut und auf der anderen Seite, insbesondere an der gegenüberliegenden hinteren Rückseite mit einer Feder versehen, die im wesentlichen, insbesondere passgenau ineinander passen und bei Bedarf in Reihe ineinander gesteckt werden.
Die meisten, vorzugsweise aber alle rußführenden Kanäle der Filtereinheit münden in den Rußspeicher, wobei die rußführenden Kanäle insbesondere am Ausgangsende durch den Rußspeicher geschlossen sind. Die Abgasströmung muss durch die vorhandenen Muffen strömen, bis sie durch die dafür vorgesehenen horizontalen Öffnungen abzieht, die zur Umgebung offen sind. Um einen Rückstau des Abgasstromes zu verhindern, sind die Nuten und/oder Federn an den Filterscheiben vorzugsweise stirnseitig mit feinen Kronen, stern- oder kammartigen Öffnungen und Schlitzen versehen.
Die Filterscheiben inkl. Nut und Federn werden aus Gründen der Wärmespeicherung vorzugsweise aus poröser Keramik hergestellt. Auch geschäumte Werkstoffe können zur Herstellung Verwendung finden.
Bei Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe reicht üblicherweise der Abgasdruck zum Beschicken eines Filters nicht aus. Vorzugsweise wird vor den Filter ein Gebläse geschaltet, welcher für genügende Strömungsgeschwindigkeit sorgt. Zur Anpassung der festen Brennstoffe im Ofen und/oder Herd wird das Gebläse vorzugsweise mit einer stufenlosen Regelung versehen. Diese ist an den Bedarf der Heizleistung angepasst.
Als vorteilhaft hat sich eine Benetzung der sich im Rußspeicher befindlichen Edelmetallscheiben mit einer dementsprechenden Flüssigkeit erwiesen. Andere Versuche haben ergeben, dass das Trockenvolumen der Rußpartikel bei einer auch nur kurzzeitigen Besprühung mit Hilfe eines Reglers um 3A reduziert wird. So wird das Speicher- volumen entsprechend erhöht.
Meist ist der Sauerstoffgehalt des Abgasstromes zum Abbrand zu gering. So ist am Rußspeicherraum ein Luftzufuhrventil angebracht, das vorzugsweise entsprechend des Bedarfs mit einer Steuerung geregelt ist.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußpartikelfilters im Schnitt,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußpartikelfilters im Schnitt,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußpartikelfilters mit Gebläse für Festbrennstoffe im Schnitt,
Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Grundplatte eines Rußpartikelfilters gemäß Fig.5,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rußpartikelfilters zur Verwendung in einem Abgasstrang eines KFZ.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Filtern von Rußpartikeln und zur Abgasreinigung im Schnitt. An einem Gehäuse 2 befinden sich ein Eingang 3 und ein Ausgang 4. In diesem Gehäuse sind folgend beschriebene Anordnungen zur Abgasreinigung untergebracht. Die gesamte Abgasreinigungsanlage wird zur besseren Wärmeisolierung und gleichzeitiger Lagerung mit Hilfe von Keramikmatten 5 in das Gehäuse eingepresst. Weiter werden die Filterscheiben 6 nach Belieben aneinandergefügt, und teilweise mit katalysatorischer Beschichtung 7 versehen. Im Eingangsbereich wird das volle Volumen der Filterscheiben zum Filtern und zur Abgasreinigung eingesetzt. Anschließend an die Filterscheiben ist eine Verengung angebracht, deren Austritt der Öffnung des Rußspeichers 10 entspricht. Nachfolgend werden die Rußpartikel mit den sich im Rußspeicher befindlichen Edelmetallscheiben und/oder einem Edelmetallgestrüpp 11 festhalten und gespeichert. Zeitweise werden die Rußpartikel mit einer Glühkerze o- der einer Glühspirale 12 verbrannt. Die Sauerstoffzufuhr ist nicht immer in ausreichendem Maße vorhanden. So wird die zur Unterstützung des Abbrands benötigte Menge Sauerstoff bzw. Luft durch ein Sauerstoffventil 13 zugeführt.
In Fig. 2 ist ein sich nach innen verengender Trichter 14 dargestellt. Dieser führt durch seine Trichterform die Rußpartikel in den Rußspeicher. Die Maschenweite entlang des Übergangs von b. nach a. ist so engmaschig gehalten, dass Partikel überwiegend, vorzugsweise vollständig in den dafür vorgesehenen Rußspeicher geführt werden. Edelstahlspäne 15 im Vorraum des Rußspeichers unterstützen das Einfangen der Rußpartikel. Auch verringern die Edelstahlspäne eine bedeutende Verwirbelung der Rußpartikel. Im Innern des Gehäuses sind gelochte Monolithscheiben 16 aneinander gereiht. Diese Monolithfilterscheiben sind an den Stirnseiten wenigstens teilweise mit umgehenden Muffen oder mit Federn eingesäumt. Diese sind mit Einsschneidungen in Sternform, Schlitzen und leichten Öffnungen versehen. Diese haben die Aufgabe, die Abgasströmung aus den in den Monolithen befindlichen Öffnungen 17 gereinigt und ohne Rückstau in die Umgebung zu entlassen, insbesondere als Querstrom. Es ist auch möglich, den Außenbereich des Gehäuses als Filterraum zu benutzen, wobei dann der innere Bereich als Ausgang dient. Auch diese Anordnung kann mit den Filterscheiben wie zuvor beschreiben aufgebaut werden.
Fig. 3 zeigt zum Beispiel einen Partikelfilter für einen Holz-Ofen mit einem Gebläse 18, welches die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases steuert.
Fig. 5: An einigen Kraftfahrzeugen kann ein Partikelfilter aus Platzmangel nicht an einem bestimmten Ort angebracht werden, beispielsweise weil der Partikelfilter nicht abgewinkelt werden kann. Eine Reihe von Versuchen hat ergeben, dass sich an Stelle von Filterscheiben auch einzelne gelochte Perlen 25, hergestellt aus Keramik und/oder aus sonstigen feuerfesten Materialien 24, bewährt haben. Diese gelochten feuer- festen Perlen weisen auf einer Seite der Öffnung eine Nut und auf der gegenüberliegenden Seite eine Feder auf. Diese Nut und Feder passen genau ineinander. An den Federn sind stellenweise kleine Noppen 17 angebracht, die abhängig von Fugen mehr und/oder weniger Abgas durchlassen. Diese Perlen werden auf die von der Grundplatte 27 abstehenden Drähte von gewünschter Länge gefädelt. Sind alle Körbe aus Drähten mit Perlen gefüllt, wird die Endscheibe 26 angebracht. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform bzw. Filtereinheit ist die veränderbare Zusammensetzung der Einzelteile, insbesondere der Perlen, die durch die unvermeidlichen Vibrationen nicht dauerhaft mit Rußpartikel verschließen können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Drahtkörbe zu unterschiedlicher Gestalt angeordnet werden können. So kann ein Korb gewellt ausgeführt werden, mit dem Vorteil, dass die Perlen beim Einbringen in die gewellten Körbe zwangsweise der Form der Körbe folgen. So kann ein gewisser Drall entstehen, der den Abgasstrom inkl. der Partikel verwirbelt.