[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Reinigung der Abgase von mit wesentlichem
Sauerstoffüberschuß betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren,
insbesondere von Fahrzeugen, mit mindestens einem in einer Abgasführung angeordneten,
zumindest mit einer Teilmenge der Abgase in Kontakt bringbaren, insbesondere von demselben
durchströmten Rückhalte-, insbesondere Filterorgan, für feinteilige Kondensate, wie
besonders Ruß, und mindestens einer, vorzugsweise absatzweise in Betrieb nehmbaren
Einrichtung für einen Abbrand der vom Rückhalteorgan zurückgehaltenen Konoensate.
[0002] Für die Herabsetzung der Schadstoffmenge in den Abgasen von mit Ottomotoren betriebenen
Fahrzeugen ist eine Anzahl von Methoden bekanntgeworden, nach welchen die Überführung
von C0, Stickstoffoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in wenig umweltbelastende
Gase erfolgen kann. In einer Anzahl von Industriestaaten bestehen auch schon gesetzliche
Regelungen, welche den Einbau von Katalysatoren in Kraftfahrzeuge zwingend vorschreiben.
[0003] Ähnliche Bemühungen für die Herabsetzung der durch Abgase von mit Sauerstoff-Überschuß-betriebenen
Verbrennungskraftmaschinen, wie insbesondere Dieselmotoren von Fahrzeugen verursachten
Emissionen sind ebenfalls seit einigen Jahren in Gang und haben auch schon zu Empfehlungen
und in einigen Staaten, z.B. USA zu gesetzlichen Regelungen der Schadstoff-Emissions-Begrenzung
geführt. Bei den Abgasen von Dieselmotoren bilden weniger CO und Stickstoffoxide das
besondere Problem, bei ihnen stellen jedoch die, insbesondere im höheren Lastbereich
in großen Mengen auftretenden, äußerst feinteiligen Kondensate, die insbesondere als
Rußteilchen anfallen, eine unangenehme Emission der, wobei oeren Gesundheitsschädlichkeit
unter anderem ihrer äußersten Feinteiligkeit zugeschrieben wird. Zur Reduktion der
Rußemission sind verschiedene Methoden bekanntgeworden, von welchen Filterung an keramischen
Schaumstoffen, in keramischen Röhrenfiltern, mit feinmaschigen Metallfilamentvliesen
und auch elektrostatisches Abscheideverfahren die wichtigsten sind.
[0004] Größere Erfahrung auch in der Praxis des Fahrbetriebes mit Kraftfahrzeugen wurden
schon mit Filtern auf Cordieritbasis gewonnen. Z.B. sind in der DE-PS 26 31 875 die
Zusammensetzung und Eigenschaften solcher Filter mit Wabenaufbau beschrieben. Diese
keramischen Filter sind länglich prismatisch und weisen eine hohe Anzahl von nebeneinander
verlaufenden Kanälen auf, deren Trennwände fein-porös gasdurchlässig und jeweils wechselseitig
an den Enden mit einem Keramikstopfen verschlossen sind. Die in die motorseitig offenen
Kanäle einströmenden Abgase sind gezwungen, ihren Weg durch die porösen Wände in die
motorseitig verschlossenen und zum Auspuffsystem hin offenen benachbarten Kanäle zu
nehmen. Ruß- und Kondensatteilchen schlagen sich an den Wandungen der Kanäle nieder,
womit Rußabscheidung von über 90 % erreichbar ist.
[0005] Um zu starke Erhöhung des Abgasgegendruckes bei höherer Beladung des Filters zu verhindern,
muß in Abständen eine Regeneration des Filters, üblicherweise durch ein Abbrennen
des Rußes erfolgen, indem für eine zum Auslösen des Abbrandes ausreichend hohe Temperatur
gesorgt wird. Das Abbrennen, für das der in Abgas vorhandene überschüssige Sauerstoff
herangezogen wird, wird durch die relativ nied- ri
gen Temperaturen der Abgase von Dieselmotoren erschwert. Die nötigen Temperaturen können
z.B. durch Erhöhung der Abgastemperatur aurch längeres Fahren im Voll-Lastbereich
erreicht werden, sie betragen bei unbeschichteten Keramikkörpern etwa 600 - 900°C.
Mit katalytischen Beschichtungen der Filter oaer katalytisch wirksamen Kraftstoffzusätzen
kann eine Verminderung der zum Ruß-Abbrand nötigen Temperatur erreicht werden.
[0006] Um das beschriebene Voll-Lastfahren zu umgehen, ist eine Anzahl von Hilfseinrichtungen
vorgeschlagen worden, mittels welchen der Rußabbrand am FiltEr ausgelöst und gefördert
werden kann. Z.B. ist bekanntgeworden, fremdversorgte Gasbrenner im Abgasstrom selbst
anzuordnen, die diesen aufheizen, sodaß vom Abgas das Filter auf die für den Ruß-Abbrand
nötige Temperatur erhitzt wird. Diese Art der Regenerierung ist aufwendig und zur
Aufheizung des Abgases sind beträchtliche Brennerleistungen, z.B. bei einem Zweiliter-Motor,
sind dann bei 2500 U/min etwa 20 kW erforderlich. Bei Einsatz von mit Katalysatoren
versehenen Kondensatfiltern kann, wie erwähnt, eine Erniedrigung der Temperatur, die
für das Abbrennen des Rußes erforderlich ist, erreicht werden, allerdings ist die
Dauer eines Regenerationsvorganges mit meist mehr als zehn Minuten sehr lange. Die
Weiterentwicklung ist daher auf eine weitere Absenkung der Ruß-Abbrandtemperaturen
gerichtet, wobei ein gleichmäßig durch die Filter wandernder Abbrand angestrebt wird.
;
[0007] Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
welche geringe spezifische Energieleistungen beim Einleiten und Aufrechterhalten der
Regenerierung des Kondensatfilters erfordern, wobei letztere in möglichst kurzer Zeit
erfolgen soll.
[0008] Gegenstand der Erfindung ist eine Abgas-Reinigungseinrich- tun
g oer eingangs genannten Art, welche im wesentlichen darin besteht, daß das Rückhalte-,
insbesondere Filterorgan mindestens einen mit Katalysatormaterial, vorzugsweise auf
Basis der Metalle der Platingruppe, gegebenenfalls zusätzlich mit Mo, W, Co und/oder
V, versehenen hitzebeständigen Rückhalte-, insbesondere Filterkörper mit zumindest
einem an diesem unmittelbar anliegend angeordneten, vorzugsweise von einer Stromquelle
eines Fahrzeuges, absatzweise mit Strom versorgbares Abbrand-Initiationsorgan, vorzugsweise
mit Elektro-Widerstandserhitzungsorgan, aufweist. Die neue Einrichtung hat den Vorteil,
daß in jedem Lastbereich und mit geringem Aufwand mit einem problemlosen Schaltvorgang,
bevorzugt versorgt von der Fahrzeugbatterie - wenn erwünscht - in relativ geringen
zeitlichen Abständen eine Regeneration des Filters durch Ruß-Abbrand eingeleitet werden
kann, womit das Auftreten höherer Gegendrucke im Abgassystem infolge höherer Beladung
des Filters mit Ruß vermieden werden kann. Die Unterbringung der Einrichtung kann
z.B. im Vorschalldämpfergehäuse oder in einer sonstigen, vorteilhaft motornahen Erweiterung
der Abgasleitung erfolgen. Zusammen mit den Katalysatoren, z.B. auf Basis von Platin
oder auch an deren Stelle können Oxidationskatalysatoren, wie z.B. auf Basis von V
2O
5 bzw. solche mit Spinellstruktur auf dem Filterkörper angeordnet sein. Besonders wesentlich
für die Wirksamkeit der neuen Filtereinrichtung ist der durch das unmittelbare bevorzugt
flächige Anliegen erreichte innige Kontakt des Abbrandinitiationsorganes bzw. von
dessen Oberfläche mit dem Material des katalytisch beschichteten Filterkörpers, wobei
eine hohe Anzahl von Kontaktstellen erreicht ist, wodurch unter Vermeidung von Energieverlusten
ein gezieltes und unmittelbares Anspringen der Abbrandfront des Rußes gleichzeitig
an vielen Zentren, wo Filterkörper und Initiationsorgan unmittelbar eng aneinanderliegen,
infolge ungehemmten Wärmeüberganges erreicht und die Abbrandfront .. auf breiter Basis
eingeleitet wird und dann den Filterkörper durchwandert.
[0009] Gemäß einer im Rahmen der Erfindung ganz besonders bevorzugten Ausführungsform, bei
welcher der Übergang des Abbrandes in den Filterkörper beim Einschalten der Initiationseinrichtung
besonders intensiv erfolgen kann, ist vorgesehen, daß das Abbrand-Initiationsorgan
an seiner an den Filterkörper anliegenden Fläche mit Katalysatormaterial, insbesondere
auf Basis der Metalle der Platingruppe, versehen ist, vorzugsweise eine an bzw. in
dem Rückhalte-, insbesondere Filterkörper unmittelbar anliegend angeordnete, hitzebeständige
und außen mit Katalysator versehene Hülle aufweist, in welcher mindestens ein Widerstands-Heizleiter
angeordnet ist. Dabei ist der Vorteil gegeben, daß während des Motorbetriebes auf
dem Abbrand-Initia- tionsor
gan selbst die Kondensate und Ruß sich auf dessen katalytisch beschichteter Außenseite
in gleicher Art und Weise abscheiden, wie auf der katalytisch beschichteten Oberfläche
des Filterkörpers, sodaß beim Aufheizen des Widerstandserhitzungsorganes bei relativ
niedriger Temperatur schon am Initiationsorgan selbst der Abbrand des dort niedergeschlagenen
Rußes eingeleitet wird und von den gemeinsamen Kontaktstellen bzw. -flächen mit dem
Filterkörper aus ohne jede Hemmung in den Filterkörper überspringt.
[0010] Es kann auch vorgesehen sein, daß die Hülle des Abbrand-Initiationsorgans durch einen
Teil des Rückhaltekörpers selbst gebildet, also mit diesem integral ausgebildet ist.
Z.B. kann der Heizleiter direkt in einer oder mehreren der Längswaben eines keramischen
Wabenfilters angeordnet sein. wenn das Abbrand-Initiationsorgan, das vorteilhaft längliche
Gestalt aufweist, in das Innere des Rückhalte-, insbesondere Filterkörpers hinein
sich erstreckend angeordnet ist, ist größtmöglicher Kontaktbereich zwischen Initiationsorgan
und Filterkörper gegeben, wodurch die Abgasfront besonders große Ausgangsfläche hat.
[0011] Wenn, wie weiters in vorteilhafter Weise vorgesehen, das Abbrand-Initiationsorgan
im wesentlichen vom abgasstromaufwärtigen Ende des Zurückhalte-, insbesondere Filterkörpers
im wesentlichen in Abgasströmungshauptrichtung in dessen Inneres sich erstreckend
angeordnet ist, ist die radiale Komponente der Fortpflanzung der Ruß-Abbrandfront
verstärkt, wodurch sichergestellt werden kann, daß der Filterkörper über seinen Querschnitt
gleichmäßiger regeneriert wird. Es können zur Verbreitung der Abbrandfront auch mehrere
Abbrand-Initiationsorgane über den Filterkörperquerschnitt verteilt in Abgasströmungshauptrichtung
angeordnet sein. Vorteil der axialen Ausrichtung ist, daß der ab
gasstromabwärtig einer Heizpatrone liegende Bereich des Filterkörpers, der zumindest
bei Wabenfiltern praktisch keine Filterfunktion ausüben kann, gering gehalten ist.
Um diesen Bereich zu nützen, kann bezogen auf den Querschnitt des Filterkörpers in
gleicher Lage wie der beschriebene Heizpatrone hinter dieser zumindest eine weitere
gleich ausgerichtete Heizpatrone angeordnet sein, gemäß einer weiteren Variante kann
auch ein längliches Abbrandinitiationsorgan den Filterkörper in Abgasstromhauptrichtung
fast oder ganz durchsetzen.
[0012] Wenn das Abbrand-Initiationsorgan, vorzugsweise im abgasstromaufwärtigen Bereich
des Zurückhalte-, insbesondere Filterkörpers, im wesentlichen quer zur Abgasströmungshauptrichtung
in dessen Inneres sich erstreckend angeordnet ist, ist leichtere Zugänglichkeit, insbesondere
bei patronenartiger Ausbildung, gegeben.
[0013] Als überraschend wirksam hat sich die neue Einrichtung erwiesen, wenn der Zurückhalte-,
insbesondere Filterkörper, im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Abgasführung
'einnehmend mit gegen Hitze und vorzugsweise gegen Kohlenstoff und/oder Sauerstoff
beständigem dreidimensionalem, mit metallischen Filamenten, Draht-, Band- od. dgl.
-Elementen, insbesondere aus Stahl, mit Interstitien aufgebautem Träger gebildet ist,
wobei die Filamente, Bänder, Drähte zumindest teilweise eine Zwischen-Beschichtung
mit mindestens einer aus der Gasphase aufgebrachten Schicht zumindest eines Karbides
und/oder Nitrides und/oder Oxides, sowie gegebenenfalls Borides, vorzugsweise eines
Oxikarbonitrides, minoestens eines der Elemente aus der Gruppe Ti, Zr, V, Ta, Nb,
Mo, W, Al, Si aufweisen, über welcher Beschichtung das Katalysatormaterial angeordnet
ist. Die durch Aufdampfen auf das metallische Trägerkörpergerüst aufgebrachte Zwischenlage
der genannten Hartstoffe, wobei deren Stärke üblicherweise unter 10
/um beträgt, läßt, wie sich zeigte, ein Zusammenbacken des metallischen Filterkörpergerüstes
infolge örtlicher Überhitzungen beim Ruß-Abbrand vermeiden. Darüberhinaus bewirkt
die Zwischenbeschichtung, wie sich gezeigt hat, eine synergistische Erhöhung der Wirkung
des Katalysators am Filterkörper, wodurch die Abbrandtemperatur erniedrigt und der
Ruß-Abbrand beschleunigt wird. Dieser Effekt dürfte daher rühren, daß die Zwischenlage
eine vorteilhafte Änderung der Mikrostruktur der auf ihr angeordneten Katalysatorschicht
bewirkt.
[0014] Es hat sich gezeigt, daß der schon erwähnte Effekt des ungehemmten Übersprin
gens der Abbrandfront noch gesteigert weroen kann, wenn in vorteilhafter Weise die
in das Innere oes Ruckhalte-, insbesondere Filterkörpers, sich erstreckende, an diesem
anliegende Hülle des Abbrand-Initiaticnsorganes mit hitzefestem Metall, insbesondere
Stahl, gebildet ist, wobei dessen Außenfläche zumindest teilweise eine Zwischenbeschichtung
mit mindestens einer aus der Gasphase aufgebrachten Zwischenbeschichtung zumindest
eines Karbides, Nitrides und/oder Oxides, sowie gegebenenfalls Borides, vorzugsweise
eines Oxikarbonitrides, mindestens eines Elementes aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb,
Ta, Mn, W, Al und Si aufweist, über welcher Beschichtung das Katalysatormaterial angeordnet
ist. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit der Metallhülle ist hiebei das Überspringen
der Abbrandfront in den Filterkörper durch Angleichung der Eigenschaften der Mikrostruktur
der katalytischer Beschichtung an jene des Filterkörpers weiter erleichtert.
[0015] Im Sinne einer zusätzlichen Verbesserung des Anspringens und Wanoernsder Abbrandfront
durch den Filterkörper ist es besonoers bevorzugt, wenn zumindest eine Lage der Zwischenbeschichtung
des mit Draht- bzw. Bandelementen, insbesondere aus Stahl, gebildeten Trägers des
Rückhalte-, insbesonaere Filterkörpers, und/oder Abbrand-Initiationsorganes, insbesondere
von dessen Hülle, vorzugsweise epitaktisch auf das Substrat aufgewachsen, im wesentlichen
kristallin ausgebildet ist. Durch diese Ausbildungsform wird das Anspringen der Rußverbrennung,
wie sich zeigte, noch verbessert.
[0016] Um sparsamen Einsatz der Regenerationsenergie während des Fahrbetriebes zu erreichen,
kann gemäß einer aufbaumäßig besongers einfachen Ausführungsform vorgesehen werden,
daß z.B. mittels einer Steuereinrichtung dafür Sorge getragen wird, daß in gegebenenfalls
einstellbaren regelmäßigen Intervallen das Abbrand-Initiationsorgan automatisch eingeschaltet
wird, wodurch unabhängig von der jeweiligen Beladung des Filters der Ruß-Abbrand durchgeführt
wird.
[0017] Um den Energieeinsatz für das Abbrand-Initiationsorgan optimiert gering zu halten,
ist es im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung
vorteilhaft, die Dauer oer Energiezufuhr zum Abbrand-Initiationsorgan zu begrenzen.
Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn der Rückhalte-, insbesondere Filterkörper in
seinem abgasstromabwärtigen Bereich zumindest einen Temperatursensor aufweist, der
über ein temperaturschwellenwerteinstellbares Steuerorgan mit einem Schaltorgan der
Stromversorgung des Abbrand-Initiationsorganes wirkverbunden ist. Mit einer solchen
Einrichtung kann jedenfalls dann, wenn die Re
generationsfront im wesentlichen den Endbereich des Filters erreicht hat, was dort
zu einer starken Temperaturerhöhung führt, die Stromversorgung zum Initiationsorgan
abgeschaltet werden, sodaß Zufuhr von Energie nach beendetem Abbrand unterbleibt.
[0018] Ein besonders ökonomischer Einsatz der für die Einleitung und Aufrechterhaltung des
Abbrandes nötigen Energie ist besonders gewährleistet, wenn das Einschalten des Initiationsorganes
tatsächlich abhängig davon erfalgt, ob der Filterkörper über einen gewissen Schwellenwert
hinaus mit Ruß und Kondensat belegt ist, was sich durch Ansteigen des Druckes im Abgassystem
vor dem Filterkörper manifestiert. Es ist also gemäß einer weiteren vorteilhaften
Variante vorgesehen, daß_in der Abgasführung stromaufwärts des Rückhalte-, insbesondere
Filterorganes, ein Drucksensor angeordnet ist, der über ein druckschwellenwerteinstellbares
Steuerorgan mit einem Schaltorgan der Stromversorgung des Abbrand-Initiationsorganes
wirkverbunden ist. Der Drucksensor kann z.B. auf Piezo-Basis arbeiten.
[0019] Besonders günstig ist es, wenn bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform dem
Steuerorgan ein oberer und ein unterer Druckschwellenwert eingebbar ist, sodaß bei
Überschreitung des oberen vorgegebenen Abgasgegendruckes durch Einschalten der Stromversorgung
der Abbrand begonnen wird und bei Unterschreiten der Gegendruck-Untergrenze nach Freilegung
des Filters das Heizorgan abgeschaltet wird.
[0020] Anhand der Zeichnung wird beispielhaft eine erfindungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung
(1) näher erläutert.
[0021] In einem beidseitig mit Flanschen 111 zur Verbindung mit einem Auspuffsystem versehenen,
zwei konische Ansätze 12 und einen zylindrischen Mittelteil aufweisenden, vom Abgas
in Strömungsrichtung r durchströmten Gehäuse 10, das im zylindrischen Teil doppelmantelig
ausgeführt ist, wobei der Zwischenraum mit Mineralwolle als Wärmedämmung 101 gefüllt
ist, befindet sich, gehalten von einem mineralischen Wärmedämmaterial 102, der Filterkörper
20 des Partikel-Rückhalte- bzw. Filterorganes 2, der beispielsweise von einem gewickelten
Stahlvliesmaterial mit katalysatorbeschichteten Metallfilamenten 23 mit Interstitien
24 oaer einem katalytbeschichteten Wabenfilter gebildet ist. Vom abgasstromaufwärtigen
Ende ragt - in voller Linie gezeigt - ein etwa patronenartig ausgebildetes Abbrand-Initiationsorgan
5 mit Hülle 53, die eine Schichtzone 54, bestehend aus einer etwa 3 µm dicken Katalysatorträgerschicht
mit den Bestandteilen Ti, Al, C, N und Sauerstoff und einer Pt und Pd aufweisenden
Katalysatorbeschichtung aufweist, und innerhalb welcher sich ein Widerstandsheizleiter
50 befindet, in den abgasstromaufwärtigen Bereich 21 des Filterkörpers 20. Die zum
Heizleiter 50 führenden Stromleitungen 51, 52 sind mit einer Stromquelle 6, z.B. Fahrzeugbatterie,
verbunden. Der in Leitung 52 befindliche Schalter 55 ist mit einem Steuerorgan 78
verbunden, welches auf jeweils gewünschte Temperatur(t)- bzw. Druck(p)-Schwellenwerte
einstellbar ist, wobei der Druckschwellenteil p des Steuerorgans 78 über eine Wirkleitung
71 mit einem Drucksensor 7, z.B. auf Piezo-Kristall-Basis, welcher abgasstromaufwärtig
des Filterkörpers 20 angeordnet ist, verbunden ist. Der Temperaturschwellenteil t
ist über eine Wirkleitun
g 81 mit einem sich im abgasstromabwärtigen Endbereich 22 des Filterkörpers 20 befindlichen
Temperatursensor 8 verbunden. Steigt während des Betriebes des Dieselmotors infolge
Beladung des katalytisch beschichteten Filterkörpers 20 mit Kondensat-Partikelchen
der Abgasdruck über einen jeweils eingestellten Schwellenwert an, so wird vom Drucksensor
7 über Leitung 71 mittels Steuer- or
gans78 über den Schalter 55 der Stromfluß durch den Heizleiter 50 der Heizpatrone 5
eingeschaltet, es wird deren Hülle 53 erhitzt und von deren katalytischem Belag, auf
dem sich der Ruß ebenfalls niedergeschlagen hat, springt die dort unmittelbar entstehende
Abbrandfront in den Filterkörper 20 über. Das Durchwandern der Abbrandfront erfolgt
innerhalb einiger Minuten. Ein automatisches Abschalten der Heizpatrone 5, das spätestens
unmittelbar nach erfolgter Regenerierung erfolgen soll, kann vorgenommen werden, indem
das Steuerorgan auch auf einen unteren Schwellenwert des Abgasgegenstromes einstellbar
ist. Bei fortschreitender Regenerierung sinkt der Druck ab und bei Unterschreiten
des unteren Schwellenwertes schaltet das Steuerorgan 78 die Stromzufuhr zur Patrone
5 ab. Das Abschalten kann auf andere Weise erfolgen, indem zu dem Zeitpunkt, wenn
die exotherme Abbrandfront den Endbereich 22 des Filterkörpers 20 erreicht hat, am
Temperatursensor 8 ein lemperaturschwellenwert überschritten wird und das Steuerorgan
78, durch Betätigen des Schalters 55 die Stromzufuhr zum Initiationsorgan 5 unterbricht.
In der Zeichnung schematisch angedeutet ist, wie von dem abgasstromabwärtigen Ende
in gleicher Lage, bezogen auf den Querschnitt des Filterkörpers 2, eine zweite Heizpatrone
5" in der Filterkörper 2 ragt, mit welcher z.B. ein Absterben der Regeneration vor
Erreichen des abwärtigen Endes des Filterkörpers verhindert werden kann. Mit unterbrochener
Linie angedeutet ist weiters, wie eine Heizpatrone 5' in den abgasstromaufwärtigen
Bereich 21 des Filterkörpers 20 auch radial hineinragend und an diesen kontakt-anliegend
angeordnet sein kann. Diese gezeigte Art der Anordnung bringt bei Reparaturen oder
Auswechseln Vorteile. Mit der gezeigten Einrichtung läßt sich eine äußerst ökonomische
Kondensatfilter-Regeneration erreichen.
Beispiel
[0022] Auf einem Versuchsstand mit einem Zweiliter-PKW-Dieselmotor mit üblicher Abgasführung
war anstelle des Vorschalldämpfers in einem thermisch isolierten Gehäuse ein spiralig
gerollter, eine Katalysatorbeschichtung mit Platin aufweisender Filterkörper aus Stahldrahtvlies
mit einer spezifischen Oberfläche von 0,40 m
2-/g angeordnet, welcher etwa 20 cm Durchmesser und 35 cm Län-ge aufwies. In den Filterkörper
von der Abgaszuströmseite mittig und axial hineinragend und mit diesem in anliegendem
Kontakt stehend war eine elektrische Heizpatrone von 3 cm Durchmesser und 30 cm Länge
eingebaut, die von einem vom Motor versorgten Akkumulator gespeist wurde. Die maximale
Leistungsaufnahme der Heizpatrone betrug bei 12 V 1 kW. Im Bereich des abgasstromabwärtigen
Endes des Filterkörpers
[0023] war seitlich 3 cm vom Filterrand entfernt ein Thermoelement angeordnet, das mit einem
automatischen Schreiber verbunden war. Der Dieselmotor wurde mit 25, 50 und 75 % der
Vollast betrieben und mit einem vor dem Filter angeordneten Druckgeber wurde der Abgasgegendruck
gemessen; überstieg dieser 0,3 bar wurden die Heizpatrone eingeschaltet und die Zeit
zwischen Inbetriebnahme der Heizpatrone und mittels Thermoelementes angezeigtem Temperaturanstieg
bestimmt. Die Einschaltzeit der Heizpatrone war auf 2 min eingestellt. Es wurden bei
den drei angegebenen Motorbelastungen jeweils aus drei Testreihen mittlere Zeiten
des Durchwanderns der Abbrandfront durch den Filterkörper ab dem Einschalten der Heizpatrone
von 8,6, 6,4 und 5,2 min ermittelt.
[0024] Bei Einsatz einer Heizpatrone, deren Stahlhülle gemäß der erfindungsgemäß besonders
bevorzugten Ausführungsform außen mit dem gleichen Katalysator auf Platin-Basis wie
der Stahlwollefilterkörper belegt war, konnte bei sonst gleichen Testbedingungen die
genannte Zeit zwischen dem Einschalten der Heizpatrone und Beendigung des Durchwanderns
der Regenerationsfront durch den Filterkörper auf 7,2, 5,8 und 4,5 min gesenkt werden.
Beispiel 2:
[0025] Analog zu Beispiel 1 wurde ein mit Pt und Pd beschichteter Filter aus keramischen
Schaum, eingesetzt. In den Filterkörper war axial hineinragend und diesen durchdringend
eine elektrische Heizpatrone mit einem Durchmesser von 30 mm, einer Länge von 120
mm und einer Leistungsaufnahme von 1 kW (bei 12 V) eingesetzt. Die Heizpatrone war
mit einer 2 µm dicken kristallinen Beschichtung aus TiN mit geringen Gehalten an Kohlenstoff
und Sauerstoff versehen. Auf dieser Beschichtung war in feinster Form durch thermische
Zersetzung eine guthaftende katalytisch wirksame Beschichtung aus Pt und Pd abgeschieden.
[0026] Beim Betrieb der Filtereinrichtung war zu Beginn des Versuches unter Vollast bei
einer Drehzahl von 1500 U/min ein Abgasgegendruck von 320 mbar zu verzeichnen. Die
Partikelemission gemessen nach Schwärzungszahl SZ (Bosch) betrug 0,22. Nach einer
Betriebsdauer von 35 Minuten stieg der Gegendruck auf 355 mbar und nach weiteren 10
Minuten auf 370 mbar.
[0027] Nach Einschalten der Heizpatrone hat sich der Gegendruck während einer Zeit von 4
Minuten auf 350 mbar und nach weiteren 2 Minuten auf 330 mbar gesenkt. Die Stromzufuhr
wurde daraufhin abgestellt. Für die Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung war
somit ein Energieaufwand von 0,1 kWh notwendig.
Beisoiel 3:
[0028] Analog zu Beispiel 1 wurde auf einem Versuchsstand eine erfindungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung
getestet, die anstelle des Vorschalldämpfers in die Abgasleitung eines Zweiliter-PKW-Dieselmotors
eingebaut wurde. Es wurde ein mit Pt und Pd beschichteter keramischer Wabenfilterkörper,
welcher etwa 20 cm Durchmesser und 35 cm Länge aufwies, mit zwei ebenfalls mit Pt
und Pd katalytisch beschichteten Heizoatronen mit 2 cm Durchmesser und 15 cm Länge,
die axial hintereinander mittig angeordnet waren, verwendet. Die maximale Leistungsaufnahme
der Heizpatrone betrug 1,1 kW. Der Dieselmotor wurde mit 75 % der Vollast betrieben,
und mit einem vor dem Filter angeordneten Druckgeber wurde der Abgasgegendruck gemessen.
Dieser betrug zu Beginn des Versuches 115 mbar. Überstieg der Gegendruck 300 mbar,
wurden die Heizpatronen eingeschaltet und die Zeit zwischen Inbetriebnahme der Heizpatrone
und Unterschreiten des vom Druckgeber angezeigten Gegendruckes von 200 mbar bestimmt.
Die für die Regeneration benötigte Zeit betrug im Mittel 5,2 min.
1. Vorrichtung für die Reinigung der Abgase von mit Sauerstoffüberschuß betriebenen
Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, insbesondere von Fahrzeugen,
mit mindestens einem in einer Abgasführung angeordneten, zumindest mit einer Teilmenge
der Abgase in Kontakt bring- baren, insbesondere von demselben durchströmten Rückhalte-. insbesondere Filterorgan,
für feinteilige Kondensate, wie besonders Ruß, und mindestens einer, vorzugsweise
absatzweise in Betrieb nehmbaren, Einrichtung für einen Aborand der vom Rückhalteorgan
zurückgehaltenen Kondensate, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückhalte-, insbesondere
Filterorgan (2) mindestens einen mit Katalysatormaterial, vorzugsweise auf Basis der
Metalle der Platingruppe, gegebenenfalls zusätzlich mit Mo, W, Co und/oder V, versehenen
hitzebeständigen Rückhalte-, insbesondere Filterkörper (20) mit zumindest einem an
diesem unmittelbar anliegend angeordneten, vorzugsweise von einer Stromquelle (6)
eines Fahrzeuges, absatzweise mit Strom versorgoaren Abbrand-Initiationsorgan (5),
vorzugsweise mit Elektre-Widerstandserhitzungsorgan (50), aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbrand-Initiationsorgan
(5) an. seiner an dem Filterkörper (20) anliegenden Seite mit Katalysatormaterial
(54), insbesondere auf Basis der Metalle der Platingruppe, versehen ist, vorzugsweise
eine an bzw. in dem Rückhalte-, insbesondere Filterkörper (20) anliegend angeordnete
hitzebeständige und außen mit Katalysator (54) versehene Hülle (53) aufweist, in welcher
mindestens ein Widerstands-Heizleiter (50) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (53)
des Abbrand-Initiationsorganes (5) mit dem Rückhalte-, insbesondere Filterkörper (20)
integral ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
Abbrand-Initiationsorgan (5) in das Innere des Rückhalte-, insbesondere Filterkörpers
(20) hinein sich erstreckend angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Abbrand-Initiationsorgan (5), vorzugsweise vom abgasstromaufwärtigen Ende (21)
des Zurückhalte-, insbesondere Filterkörpers (20) im wesentlichen in Abgasströmungshauptrichtung
(r) in dessen Inneres sich erstreckend angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Abbrand-Initiationsorgan (5), vorzugsweise im abgasstromaufwärtigen Bereich (21)
des Zurückhalte-, insbesondere Filterkörpers (20), im wesentlichen quer zur Abgasströmungshauptrichtung
(r) in dessen Inneres sich erstreckend angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zurückhalte-,
insbesondere Filterkörper (20), im wesentlichen den gesamten Querschnitt der Abgasführung
einnehmend mit gegen Hitze und vorzugsweise gegen Kohlenstoff und/oder Sauerstoff
beständigem dreidimensionalem, mit metallischem Filamenten, Draht-, Bandod. dgl. Elementen
(23), insbesondere aus Stahl, mit Interstitien (24) aufgebautem Träger gebildet ist,
wobei die Filamente, Bänder, Drähte (23) zumindest teilweise eine Zwischen-Beschichtung
mit mindestens einer aus der Gasphase aufgebrachten Schicht zumindest eines Karbides
und/ooer Nitrides und/oder Oxides, sowie gegebenenfalls Borides, vorzugsweise eines
Oxikarbonitrides, mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Ti, Zr, V, Ta, Nb,
Mo, W, Al, Si aufweist, über welcher Beschichtung das Katalysatormaterial angeordnet
ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in
das Innere des Rückhalte-, insbesondere Filterkörpers (2), sich erstreckende, an diesem
anliegende Hülle (53) des Abbrand-Initiationsorganes (5) mit hitzefestem Metall, insbesondere
Stahl, gebildet ist, wobei dessen Außenseite zumindest teilweise eine Zwischen- Beschichtung
mit mindestens einer aus der Gasphase aufgebrachten Lage zumindest eines Karbides,
Nitrides und/oder Oxides, sowie gegebenenfalls Borides, vorzugsweise eines Oxikarbonitrides,
mindestens eines Elementes aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Al und Si
aufweist, über welcher Beschichtung das Katalysatormaterial (54) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
eine Lage der Zwischen-Beschichtung des mit Draht- bzw. Bandelementen (23), insbesondere
aus Stahl, gebildeten Trägers des Rückhalte-, insbesondere Filterkörpers (20) und/oder
des Abbrand-Initia- tionsorganes (5), insbesondere von dessen Hülle (53), vorzugsweise epitaktisch
auf das Substrat aufgewachsen, im wesentlichen kristallin ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Abgasführung stromaufwärts des Rückhalte-, insbesondere Filterorganes (2), ein Drucksensor
(7) angeordnet ist, der über ein druckschwellenwerteinstellbares Steuerorgan (78)
mit einem Schaltorgan (55) der Stromversorgung des Abbrand-Initiationsorganes (5)
wirkverbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rückhalte-, insbesondere Filterkörper (20) in seinem abgasstromabwärtigen Bereich
(22) zumindest einen Temperatursensor (8) aufweist, der über ein temperaturschwellenwerteinstellbares
Steuerorgan (78) mit einem Schaltorgan (55) oer Stromversorgung des Abbrand-Initiationsorganes
(5) wirkverbunden ist.