[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rußpartikel-Verbrennung in der Abgasanlage
eines Dieselmotors.
[0002] Bekanntlich enthalten die Abgase von Dieselmotoren neben den gasförmigen Schadstoffen,
wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff-Verbindungen und Stickoxiden, auch organische
und anorganische Partikeln. Diese Partikeln bestehen im wesentlichen aus Kohlenstoff,
kondensierbaren und an Kohlenstoff angelagerten Kohlenwasserstoff-Verbindungen, Schwefel-Verbindungen
sowie sonstigen Teilchen. Aus Gründen des Umweltschutzes versucht man, einen möglichst
hohen Anteil dieser im Abgasstrom enthaltenen Partikeln zurückzuhalten. Hierzu werden
Filtersysteme eingesetzt, in welchen sich die Partikeln bis zu einem bestimmten Beladungsgrad
ansammeln sollen und welche danach durch eine sogen. Filterregeneration wieder in
einen für den einwandfreien Betrieb des Motors erforderlichen Zustand gebracht werden.
[0003] Diese Regeneration muß spätestens beim Erreichen des zulässigen Abgas-Gegendruckes
durchgeführt werden. Bekannt sind hierfür mehrere Methoden, bei welchen die oxidierbare
Partikelbeladung verbrannt wird. Falls die Abgase beim Austritt aus dem Motor eine
ausreichend hohe Temperatur aufweisen, kann dies durch Selbstentzündung erfolgen.
Eine andere Maßnahme besteht darin, eine zusätzliche externe Beheizung oder eine
Fremdzündung vorzunehmen. Des weiteren kann eine Partikeln-Verbrennung durch Senkung
der Selbstentzündungstemperatur durch Katalyse oder Zugabe von oxidationsfördernden
Mitteln erfolgen. Diese Maßnahme wird im Hinblick darauf ausgeführt, daß die Zündtemperatur
des Rußes an sich relativ hoch liegt. Die katalytische Beschichtung führt unter günstigen
Bedingungen aber bereits zu einem Abbrand bei Temperaturen unterhalb dieses Bereichs,
so daß auf eine externe Zündhilfe verzichtet werden kann.
[0004] Bei verschiedenen Betriebszuständen eines Dieselmotors liegt die Temperatur der Abgase
trotzdem noch immer unterhalb der Zündtemperatur.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Rußpartikelverbrennung
der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher die Temperatur der Partikeln auf
einfache Weise erhöht wird.
[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein ringförmiger Strömungskanal mit einem
tangentialen Eintritt und mit einer radialen Leiteinrichtung vorhanden ist, daß der
Leiteinrichtung in Strömungsrichtung ein zylinderförmiger Austrittsraum mit einem
axialen Austritt nachgeschaltet ist, und daß im Strömungskanal Drahtgestrick angeordnet
ist, das Reibungswiderstand für die durchströmenden Partikeln erzeugt.
[0007] Ein Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß die kinetische Energie der
mit hoher Geschwindigkeit aus dem Motor austretenden Partikeln durch Reibung in Wärmeenergie
umgewandelt wird, die zu einer Erhöhung der Partikeltemperatur führt. Abhängig von
der Strömungsgeschwindigkeit ist es hierbei möglich, die Partikelntemperatur bis zu
80 °C zu erhöhen. Die Erfindung hat den Vorteil, daß Rußpartikeln auch dann durch
Selbstentzündung verbrannt werden, wenn die Abgastemperatur beim Austritt aus dem
Motor unter dem Zündpunkt liegt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich
in der Startphase Rußpartikeln im Drahtstrick ansam meln können, und daß diese nachfolgend
verbrannt werden, wenn das Drahtgestrick durch die Reibungwärme genügend aufgeheizt
ist. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß ein Vorschalldämpfer entfallen kann. Ein
Kraftstoffmehrverbrauch oder ein Leistungsverlust wird vermieden.
[0008] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die radiale Leiteinrichtung
aus einem Spiralgehäuse besteht. Alternativ dazu kann es auch zweckmäßig sein, daß
die radiale Leiteinrichtung aus Leitlamellen besteht, die tangential oder radial ausgerichtet
sind.
[0009] Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Leiteinrichtung aus einem dickwandigen, mit
einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen versehenen Hohlzylinder aus katalytisch beschichtetem
Material besteht, daß dieser Hohlzylinder mit dem Drahtgestrick umwickelt ist, und
daß um das Drahtgestrick ein Ringraum zur Zirkulation der Partikeln vorhanden ist.
Alternativ kann dieser Hohlzylinder auch aus einer Schaumkeramik ausgebildet sein.
[0010] Zur mechanischen Stabilisierung des Drahtgestricks und des hochporösen Hohlzylinders
kann es zweckmäßig sein, daß das Drahtgestrick mit einem Lochblechmantel umgeben ist.
Auf diese Weise wird verhindert, daß die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Motor
austretenden Partikeln Drahtgestrick oder poröses Material abtragen.
[0011] Es kann auch vorteilhaft sein, das Drahtgestrick mit katalytischem Material zu beschichten.
Auf diese Weise kann der hochporöse Hohlzylinder verkleinert oder eingespart werden.
Als weitere Alternative für die radiale Leiteinrichtung ist es möglich, zwischen dem
zylinderförmigen Austrittsraum und einem äußeren Ringraum das Drahtgestrick in der
Form eines Hohlzylinders anzuordnen und den inneren und äußeren Zylindermantel aus
Lochblech herzustellen.
[0012] Es kann auch vorteilhaft sein, daß nach dem Austritt ein weiteres Drahtgestrick quer
zur Strömungsrichtung ange ordnet ist, in welchem eventuell noch unverbrannte Partikeln
oxidiert werden.
[0013] Die Verbrennung wird ferner dadurch gefördert, daß der Strömungskanal mit einer Sauerstoffzuführung
versehen ist. Vorzugsweise umfaßt die Zuführung einen Wärmetauscher am Motorgehäuse
und/oder an der Abgasanlage.
[0014] Für den Fall, daß die Leiteinrichtung aus radial, tangential oder spiralförmig ausgerichteten
Leitflächen besteht, ist es besonders vorteilhaft, daß im zylinderförmigen Austrittsraum
ein von den Abgasen angetriebenes Schaufelrad angeordnet ist. Durch diese Maßnahme
wird das Umlenken und Ausströmen des Abgases in axialer Richtung erleichtert. Zusätzlich
kann an der Welle des Schaufelrades eine Hilfsenergie abgegriffen werden.
[0015] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
weiter beschrieben.
Figur 1, 2 u. 4 zeigen jeweils in einer teilweise angeschnittenen perspektivischen
Ansicht schematisch eine Vorrichtung zur Rußpartikelverbrennung in der Abgasanlage
eines Dieselmotors.
Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der Vorrichtung gem. Fig. 2.
[0016] Die Figur 1 veranschaulicht ein zylinderförmiges Gehäuse 1 aus rostfreiem Edelstahl
in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Motorblock 2 eines Dieselmotors, mit welchem
es über Abgas-Austrittsstutzen 3 verbunden ist. Die Abgase werden tangential in einen
ringförmigen Strömungskanal 4 eingeleitet, in welchem sie gemäß Pfeilen 5 um einen
schichtweise aufgebauten Hohlzylinder 6 strömen. Auf diese Weise gelangen die im Abgas
enthaltenen Partikel großflächig in Kontakt mit der Manteloberfläche des Hohlzylinders
6 und dessen Schichten.
[0017] Der Hohlzylinder 6 besteht von außen nach innen aus einem Lochblechmantel 7, einer
Wicklung aus Drahtgestrick 8 und aus einem mit interkonnektierenden Poren versehenen,
katalytisch beschichteten Material 9. Der Hohlzylinder 6 umschließt einen zylinderförmigen
Austrittsraum 10 mit einem axialen Austritt 11, der mit einem Ausgangsrohr 12 verbunden
ist. Der Lochblechmantel 7 ist bevorzugt aus rostfreiem Stahl gefertigt. Bei dieser
Konstruktion werden die Abgase und die darin enthaltenen Partikeln radial von außen
durch den Hohlzylinder 6 geleitet und treten dann axial in das Ausgangsrohr 12 aus.
[0018] Bei ihrer Zirkulation um den Hohlzylinder 6 erzeugen die Partikeln am Lochblechmantel
7 und insbesondere am Drahtgestrick 8 Reibungswärme, die zu einer Aufheizung der
Partikeln, des Lochblechmantels 7 und des Drahtgestricks 8 führt. Bei genügender
kynetischer Energie wird das Drahtgestrick zum Glühen gebracht. Diese Temperaturerhöhung
und der katalytische Zusatz führen dazu, daß die Selbstentzündungstemperatur der
Rußpartikeln erreicht wird. Beim Durchtritt durch den Hohlzylinder 6 werden also die
Rußpartikel verbrannt.
[0019] Das Drahtgestrick 8 hat die Funktion eines Wärmespeichers . Zugleich dient es auch
als elastische Lagerung für das katalytische Material 9, welches mechanisch relativ
empfindlich ist, wenn es als poröse Schaumkeramik ausgeführt ist.
[0020] Das Drahtgestrick 8 kann in einer einzigen Lage oder in mehreren Lagen um das katalytische
Material 9 gewickelt sein. Grundsätzlich ist auch möglich, anstelle des Drahtgestricks
8 Stahlwolle zu verwenden.
[0021] Zur Förderung des katalytischen Effekts kann das Drahtgestrick 8 auch mit katalytischem
Material beschichtet sein.
[0022] Zur Nachreinigung der Abgase und zur Nachverbrennung von eventuell noch vorhandenen
Rußpartikeln ist im Ausgangsrohr 12 quer zur Strömungsrichtung eine Einlage aus weiterem
Drahtgestrick 13 angeordnet, das in einem Käfig aus rostfreien Gittersieben 14 oder
Lochblech umgeben ist. Daran schließt sich nach einem Zwischenraum 15 eine weitere,
quer zur Strömungsrichtung angeordnete Einlage aus hochporösem katalytischem Material
16 oder aus einem katalytisch beschichteten Wabenkörper an. Das weitere Drahtgestrick
13, welches mit katalytischem Material beschichtet sein kann, dient wie das Drahtgestrick
8 als Wärmespeicher und Glühkörper, welche die Rußpartikelverbrennung begünstigen.
[0023] In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen,
so daß diese Teile im einzelnen nicht weiter erläutert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
verläuft der Strömungskanal 4 spiralförmig, wobei das Gehäuse 1 als Spiralgehäuse
ausgebildet ist. In die Spirale ist eine lose Schicht aus Drahtgestrick 8 eingelegt,
welches mit katalytischem Material beschichtet ist. Die Verbrennung der Rußpartikeln
im Abgas des Dieselmotors wird wiederum dadurch gefördert, daß aufgrund der Teilchenreibung
am Drahtgestrick 8 Reibungshitze entsteht, welche die Rußpartikeln in den Selbstentzündungstemperaturbereich
bringt. Durch Zusatz des katalytischen Materials wird dieser Bereich abgesenkt. Um
Reibungswärme zu erzeugen, kann die Oberfläche des Gehäuses 1 auch angerauht sein.
Im Austrittsraum 10 ist eine Welle 17 koaxial zum Gehäuse 1 angeordnet. Sie trägt
ein Schaufelrad 18, welches von dem aus dem Spiralgehäuse austretenden Abgas angetrieben
wird. Die Steigung des Schaufelrades 18 ist so gewählt, daß die Abgase aus dem Austrittsraum
10 in das Ausgangsrohr 12 geblasen werden.
[0024] Zusätzlich ist an einem Wellenende 19 eine Antriebsscheibe 20 drehfest angebracht,
die als Hilfsantrieb dienen kann.
[0025] Eine Ansicht des Schaufelrades 18 in Achsrichtung zeigt Figur 3.
[0026] Die Figur 2 veranschaulicht ferner eine Sauerstoffzuführung in die Austrittsstutzen
3, mit welchen eine Sauerstoffanreicherung des Abgases vor dem Eintritt in das Gehäuse
1 zur Unterstützung des Verbrennungsvorgangs vorgenommen wird. Die Sauerstoffzuführung
umfaßt einen Verteiler 25 sowie eine erste und zweite Zuleitung 21, 22. Die erste
Zuleitung 21 führt von einem ersten Wärmetauscher 23 unmittelbar am Motorblock 2
zu einem zweiten Wärmetauscher 24, der in Form einer Spirale stromabwärts nach dem
Einsatz 16 im Ausgangsrohr 12 angeordnet ist. Von dort wird der vorgewärmte Sauerstoff
über die zweite Zuführleitung 22 in den Verteiler 25 geleitet. Die Temperatur des
zugeführten Sauerstoffs wird somit einerseits durch die Motorwärme und andererseits
durch die Abgaswärme erhöht.
[0027] Die Figur 4 zeigt eine alternative Ausbildungsform des Hohlzylinders 6′, wie er in
Fig. 1 dargestellt ist. Er besteht hierbei aus einem äußeren Lochblechmantel 7 und
einem Lochblech-Innenmantel 26, beide bevorzugt aus rostfreiem Edelstahl. Dazwischen
befindet sich Drahtgestrick 8, das in mehreren Lagen aufgewickelt sein kann. Das Drahtgestrick
8 ist mit katalytischem Material zur Senkung der Selbstentzündungstemperatur der Rußpartikel
beschichtet. Auch dieser Hohlzylinder 6 hat die Funktion einer Leiteinrichtung, welche
die um den Hohlzylinder 6 mit hoher Geschwindigkeit zirkulierenden Partikeln radial
von außen nach innen in den Austrittsraum 10 lenkt, der vom Lochblech-Innenmantel
26 begrenzt ist.
1. Vorrichtung zur Rußpartikel-Verbrennung in der Abgasanlage eines Dieselmotors,
dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Strömungskanal (4) mit einem tangentialen Eintritt und mit einer
radialen Leiteinrichtung vorhanden ist, daß der Leiteinrichtung in Strömungsrichtung
ein zylinderförmiger Austrittsraum (10) mit einem axialen Austritt (11) nachgeschaltet
ist und daß im Strömungskanal (4) Drahtgestrick (8) angeordnet ist, das Reibungswiderstand
für die durchströmenden Partikeln erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Leiteinrichtung aus einem Spiralgehäuse besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Leiteinrichtung aus Leitlamellen besteht, die tangential oder radial
ausgerichtet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung aus einem dickwandigen, mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen
versehenen Hohlzylinder aus katalytisch beschichtetem Material (9), insbesondere aus
einer Schaumkeramik besteht, daß dieser Hohlzylinder mit dem Drahtgestrick (8) umwickelt
ist, und daß um das Drahtgestrick (8) ein Ringraum zur Zirkulation der Partikeln
vorhanden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgestrick (8) mit einem Lochblech-Mantel (7) umgeben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung aus einem inneren und äußeren Lochblech-Mantel (7,26) besteht,
zwischen welchen das Drahtgestrick (8) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austritt (11) ein weiteres Drahtgestrick (13) quer zur Strömungsrichtung
angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgestrick (8) und/oder das weitere Drahtgestrick (13) mit katalytischem
Material beschichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoff-Zuführung für den Strömungskanal (4) vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Zuführung einen Wärmetauscher (23, 24) am Motorgehäuse und/oder
an der Abgasanlage umfaßt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß im zylinderförmigen Austrittsraum (10) ein von den Abgasen angetriebenes Schaufelrad
(18) angeordnet ist.