DE3111228C2

DE3111228C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beseitigen von Ruß aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3111228C2
Application number: DE3111228A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 7140 Ludwigsburg Erdmannsdörfer; Manfred 7000 Stuttgart Wagner; Gerd Chem.-Ing.(grad.) 7250 Leonberg Weyh
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1981-03-21
Filing date: 1981-03-21
Publication date: 1986-07-31
Also published as: SE454717B; US4436535A; FR2502244B1; FR2502244A1; GB2098086B; DE3111228A1; SE8200667L; GB2098086A

Abstract

Die Abgase werden durch das Filtermittel (10) eines Rußfilters (1) geleitet und der abgeschiedene Ruß unter Verwendung eines Rußentferners während des Betriebs der Brennkraftmaschine zum Verbrennen gebracht. Der pulverförmige oder flüssige Rußentferner wird bei Erreichen eines vorbestimmten Durchflußwiderstandes des Filtermittels (10) sowie einer vorbestimmten Temperatur im Rußfilter aus einem Vorratsbehälter (30) in dosierter Menge durch Druckluft fein verteilt den Abgasen stromauf des Filtermittels (10) zugegeben. Der Rußentferner verteilt sich auf dem Filtermittel (10) und senkt die Entzündungstemperatur des abgesetzten Rußes ab. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat einen Vorratsbehälter (30) für den Rußentferner, der über eine in ihrem gesamten Verlauf Gefälle aufweisende Rohrleitung (32) und eine Dosierventileinrichtung (36) mit der Rohgaskammer (12) des Rußfilters (1) verbunden ist. Nach dem Dosiervorgang strömt Druckluft durch eine Bypassleitung (43) stromab der Dosierventileinrichtung (36) in die Rohrleitung (32) und bläst diese frei.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beseitigen von Ruß aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines !solchen Verfahrens.

Abgase insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen enthalten Rußteilchen, die zur Vermeidung von Umweltverschmutzung möglichst nicht ins Freie gelangen sollen. Man ordnet deshalb im Abgasstrom Rußfilter an, die ein hochtemperaturfestes Filtermittel zum Ablagern des Rußes haben. V/ährend des Betriebs der Brennkraftmaschine bildet sich auf dem Filtermittel allmählich eine Schicht aus abgelagertem Ruß aus, die den Durchflußwiderstand des Filtermittels erhöht Ließe man den Durchflußwiderstand beliebig ansteigen, so würde schließlich das Filtermittel verstopfen ode.- der

ίο Ruß durch das Filtermittel hindurchgerissen und unerwünscht ins Freie gelangen.

Es ist bekannt, das Ansteigen des Durchflußwiderstandes des Rußfilters dadurch zu begrenzen, daß der abgesetzte Ruß von Zeit zu Zeit abgebrannt wird. Bei bekannten Verfahren benötigt man hierzu neben der Anwesenheit von Sauerstoff Temperaturen, die die Auspuffgase mindestens bei Leerlauf oder Teillast im allgemeinen nicht aufweisen. Zum Beispiel die DE-OS 27 50 960 schlägt ein Rußfilter im Abgasstrom von luftverdichtenden Brennkraftmaschinen vor, bei dem der auf Keramikfasern abgelagerte Ruß selbsttätig abbrennen soll. Wie vorstehend ausgeführt, gelingt dies nur begrenzt
Die Vorrichtung zum Entfernen des Rußes aus den Abgasen von Brennkraftmaschinen der DE-OS 25 19 609 arbeitet mit einer Initialzündqueüe, z. B. einer Heißglühkerze oder einer Flammglühkerze oder einem Strahlglühkörper. Dadurch soll ermöglicht werden, die Verbrennung des Rußes unabhängig von der jeweiligen Abgastemperatur der Maschine einzuleiten, wobei die Zündung in Abhängigkeit vom Durchflußwiderstand des Filtermittels erfolgen kann. Zur Steuerung der für die Verbrennung des Rußes zur Verfügung stehenden Luftmenge und damit der thermischen Beanspruchung des Filters wird im Abströmweg der Abgase ein das Filter umgehender absperrbarer Bypass für die Abgase vorgeschlagen, der temperaturabhängig steuerbar sein kann. Ein solches den Ruß bevorzugt an der Oberfläche ablagerndes Filter verstopft rasch, weshalb der Ruß verhältnismäßig häufig abgebrannt werden muß. Die Initialzündquellen erfordern die Zufuhr von relativ viel Fremdenergie. Die Anordnung der mit Klappen versehenen Bypassleitung ergibt einen komplizierten, reparaturanfälligen Aufbau.

Um die Temperatur zu verringern, bei der der auf dem Abgasfilter abgelagerte Ruß verbrannt werden kann, schlägt die DE-OS 23 53 346 Katalysatoren vor, die auf den Fasern des Abgasfilters abgelagert oder in den Fasern absorbiert sein sollen. Neben anderen Sloffen wird für einen solchen Katalysator Kupfer in elementarer Form oder in Form eines Oxyds genannt. Eine derartige Anordnung eines Katalysators ist unbefriedigend, weil nur die unterste Rußschicht unmittelbar mit dem Katalysator in Berührung kommt, während darüber abgelagerter Ruß unbeeinflußt bleibt.

In der US-Zeitschrift »Automotive Engineering«, März 1981, Seite 87, ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem zur Verringerung der Entzündungstemperatur des auf dem Abgasfilter gesammelten Rußes dem Dieselkraftstoff Blei-Tetraethyl als flüssiger Rußentferner hinzugefügt wird. Hierdurch will man eine bessere Verteilung des Rußentferners erreichen. Ein solches Verfahren ist jedoch für die Praxis allein schon wegen der Giftigkeit des Blei-Tetraethyls ungeeignet, zumal die Konzentration ungefähr gleich hoch wie bei der bekannten Verwendung als Antiklopfmittel in Motorbenzinen sein müßte.
Ausgehend von diesem, in der US-Zeitschrift »Auto-

motive Engineering« beschriebenen Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein umweltfreundliches, verhältnismäßig niedrige Zündtemperaturen erforoerndes und damit energiesparendes Verfahren zum Abbrennen des am Filtermittel abgesetzten Rußes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen. Das Verfahren kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß den Abgasen Kupfer(I)-chlorid als pulverförmiger Rußemferner in einer Dosierung von 0,5 bis 2,5 cm³ pro 70 kW Motorleistung nur bei Erreichen eines vorbestimmten Druckflußwiderstandes des Filtermittels sowie einer Temperatur im Rußfilter von mindestens 350° C aus einem Vorratsbehälter durch Druckluft fein verteilt zugegeben wird.

Kupfer(l)-chlorid als pulverförmiger Rußentferner setzt die Entzündungstemperatur des am Filtermittel anhaftenden Rußes bis auf annähernd 350° C herab und steht in ausreichender Menge preiswert zur Verfügung. Es läßt sich als Pulver leicht handhaben und ausreichend fein auf dem Filtermittel verteilen. Durch das Kupfer(l)-chlorid entstehen in den Abgasen keine Stoffe, die die Umwelt belasten könnten. Die verringerte Entzündungstemperatur verursacht beim Abbrennvorgang im Rußfilter insgesamt nur verhältnismäßig niedrige Temperaturen, so daß an das verwendete Material und die Konstruktion des Filters geringere Anforderungen hinsichtlich der Temperaturfestigkeit gestellt werden können. Die innerhalb des angegebenen Bereichs liegende optimale Dosiermenge des Kupfer(I)-chlorids hängt insbesondere davon ab, welche ausgefilterte Rußmenge und damit welcher Durchflußwiderstand des Filtermittels als Maximalwert zugelassen wird, und muß durch Versuche ermittelt werden.

Aus der FR-PS 12 60 971 ist es bekannt, Chloride in wäßriger Lösung aus einem Vorratsbehälter durch Druckluft fein zerstäubt den Abgasen von Brennkraftmaschinen zur Verringerung der schädlichen Bestandteile hinzuzugeben. Irgendein Hinweis auf Ruß fehlt, wie auch ein Filter zum Auffangen der im Abgas anfallenden festen Bestandteile nicht vorgesehen ist. Offenbar ist ein solches Verfahren lediglich zum Fördern der Nachverbrennung schädlicher gasförmiger Bestandteile in den Abgasen von Brennkraftmaschinen vorgesehen, nicht aber zum Beseitigen von Ruß. Ferner fehlt ein Hinweis auf Kupfer(I)-chlorid, die nötige Dosierung und die für das Verfahren nötigen Betriebsbedingungen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß nach dem Dosiervorgang die Rohrleitung stromab der Dosiereinrichtung durch Druckluft freigespült wird. Auf diese Weise ist verhindert, daß sich die Rohrleitung schließlich mit pulverförmigem Rußentferner zusetzt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 ist so aufgebaut, daß sie wenig Raum beansprucht und mit verhältnismäßig kleiner Energiemenge auskommt, sich dementsprechend besonders gut auch für Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen eignet. Durch die Ausstattung der Rohrleitung in ihrem gesamten Verlauf mit Gefalle ist sichergestellt, daß sich nirgendwo Kondenswasser absetzt, das bei pulverförmigem Rußentferner zum Verstopfen der Leitung führen und bei flüssigem Rußentferner dessen Konzentration und damit optimale Wirkung beeinträchtigen könnte. Mit der Anordnung der Dosiereinrichtung in der Rohrleitung kann der an die Druckluftleitung angeschlossene Vorratsbehälter für den Rußentferner ständig unter Druck stehen, womit sich die Dosiergenauigkeit erhöht.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung der Erfindung in schematischer Darstellung und

F i g. 2 die Vorrichtung der F ig. 1 in anderer schema tischer Darstellung.

Ein Rußfilter 1 hat ein Filtergehäuse 2, das einen zylindrischen Gehäusemantel 3 aufweist und an seinen

ίο beiden Stirnseiten durch jeweils mit einem Anschlußstutzen 4 und 5 versehene Gehäusedeckel 6 und 7 verschlossen ist Ein Filtereinsatz 9 hat ein zylindrisches Filtermittel 10 aus Siliciumdioxyd-Fasern, also einem hoch temperaturfesten Material. Mit einer Stirnseite liegt das Filtermittel 10 abgedichtet gegen den Gehäusedeckel 7 an und ist an der anderen Stirnseite durch eine Endscheibe 11 verschlossen. Der Filtereinsatz 9 trennt im Filtergehäuse 2 eine Rohgaskammer 12 von einer Reingaskammer 13 ab.

Die Temperatur in der Rohgaskammer 12 wird durch ein Thermoelement 20 überwacht, das auf einen Temperaturschalter 21 einwirkt und dessen elektrischen Kontakt bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur schließt. Den Druck in der Rohgaskammer 12 überwacht ein durch einen Rohrstutzen 22 angeschlossener Druckschalter 23, der bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks seinen elektrischen Kontakt schließt

Eine Druckluftleitung 29 mündet in einen Vorratsbehälter 30, der Kupfer(I)-chlorid als Rußentferner 31 enthält. Eine Rohrleitung 32 durchsetzt den Behälterdeckel 33 und erstreckt sich als Tauchrohr 34 bis in die Nähe des Behälterbodens 35. Die Rohrleitung 32 mündet im Bereich des Gehäusedeckels 6 des Rußfilters 1 in die Rohgaskammer 12 und hat, wie aus F i g. 2 ersichtlich, in ihrem gesamten Verlauf Gefälle. Sie enthält eine Dosierventileinrichtung 36, die aus zwei elektromagnetisch betätigten, je mit einer Rückholfeder versehenen und als 2-Stellungs-Wegeventile ausgebildeten Absperrventilen 37 und 39 sowie einem Verzögerungsrelais 40 besteht.

An die Druckluftleitung 29 ist eine Bypassleitung 43 angeschlossen, die ein als 2-Stellungs-Wegeventil ausgebildetes Absperrventil 44 enthält und stromab der Dosierventileinrichtung 36 in die Rohrleitung 32 einmündet.

Im praktischen Betrieb ist das Rußfilter 1 mit seinen Anschlußstutzen 4 und 5 an eine nicht dargestellte Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeschlossen und in Pfeilrichtung durchströmt. Dabei durchqueren die

so Abgase das Filtermittel 10 radial von außen nach innen, wobei der im Abgas enthaltene Ruß abgeschieden wird. Durch die zunehmende Rußschicht auf dem Filtermittel 10 steigt der Druck in der Rohgaskammer 12 an, bis schließlich ein vorbestimmter Wert erreicht wird und der Druckschalter 23 seinen elektrischen Kontakt schließt. Wird nun die Brennkraftmaschine mit einer Leistung betrieben, die die Temperatur in der Rohgaskammer 12 über einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 38O⁰C, ansteigen läßt, so schließt unabhängig vom Druckschalter 23 auch der Temperaturschalter 21 seinen elektrischen Kontakt. Nun kann elektrischer Strom von der Batterie 45 über die Leitung 50 und die geschlossenen elektrischen Kontakte des Temperaturschalters 21 sowie des Druckschalters 23 zum Absperrventil 39 fließen und dessen Elektromagnet erregen, so daß der Ventilkörper von der in Fig. 1 dargestellten Ruhestellung entgegen der Kraft der Rückholfeder in die Offenstellung bewegt wird und den Weg für die

Druckluft freigibt. Die Druckluft strömt dann durch die Druckluftleitung 29 und den Vorratsbehälter 30, aus dem sie Kupfer(I)-chlorid als Rußentferner 31 über die Rohrleitung 32 und die beiden offenen Absperrventile 39 und 37 in die Rohgaskanimer 12 transportiert. Durch die gleichzeitig strömenden Abgase wird der Rußentferner 31 fein verteilt auf die auf dem Filtermittel 10 abgeschiedene Rußschicht aufgebracht, die nun verbrennt.

Nach einer vorbestimmten Zeit, die der gewünschten zuzudosierenden Menge des Rußentferners 31 proportional ist, schließt das Verzögerungsrelais 40, und elektrischer Strom kann über die elektrische Leitung 51 zum Absperrventil 37 fließen und dessen Elektromagnet erregen. Der in F i g. 1 in Ruhestellung dargestellte Ventilkörper des Absperrventils 37 wird nun entgegen der Kraft der Rückholfeder in seine andere Stellung bewegt, in der er die Rohrleitung 31 verschließt und damit den Dosiervorgang beendet. Gleichzeitig erhält das Absperrventil 44 über die elektrische Leitung 52 Strom, und sein Elektromagnet verschiebt den in F i g. 1 in Ruhestellung gezeigten Ventilkörper entgegen der Kraft der Rückholfeder in seine Offenstellung. Nunmehr ist die Bypassleitung 43 freigegeben, und es kann Druckluft unter Umgehung der Dosierventileinrichtung 36 die Rohrleitung 32 stromab der Dosierventileinrichtung 36 freispülen.

Durch das Abbrennen des Rußes im Rußfilter 1 sinkt der Durchflußwiderstand des Filtermittels 10, so daß der Druckschalter 23 seinen elektrischen Kontakt öffnet. Der Stromdurchgang ist unterbrochen, und die Ventilkörper der Absperrventile 37, 39 und 44 kehren in ihre in F i g. 1 gezeigte Ruhestellung zurück. Nunmehr ist die Rohrleitung 32 durch das Absperrventil 39 und die Bypassleitung 43 durch das Absperrventil 44 wieder geschlossen.

Wird als Rußentferner Kupfer(I)-chlorid in Pulverform verwendet, so leitet man die Druckluft vor dem Vorratsbehälter 30 wegen der hygroskopischen Eigenschaften des Kupfer(I)-chlorids zweckmäßig über ein Trockenmittel.

Anstelle des beim Ausführungsbeispie! benutzen elektrischen Stroms kann als Hilfsenergie auch Druckluft oder Druckflüssigkeit verwendet werden. Dementsprechend müssen dann die Regelelemente einen für pneumatischen oder hydraulischen Betrieb geeigneten Aufbau aufweisen. Als Verzögerungselement könnte beispielsweise eine Drossel in einer Rohrleitung Verwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen so

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beseitigen von Ruß aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, bei dem die Abgase durch das Filtermittel eines Rußfilters zum Abscheiden des Rußes geleitet werden und der abgeschiedene Ruß unter Verwendung eines in dosierter Menge stromauf des Filtermittels zugegebenen Rußentferners während des Betriebs der Brennkraftmaschine zum Verbrennen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß den Abgasen Kupfer(I)-ch!orid als pulverförmiger Rußentferner (31) in einer Dosierung von 0,5 bis 2,5 cm³ pro 70 kW Motorleistung nur bei Erreichen eines vorbestimmten Durchfhißwiderstandes des Filtermittels (10) sowie einer Temperatur im Rußfilter (1) von mindestens 350⁰C aus einem Vorratsbehälter (30) durch Druckluft feinverteilt zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit der Zugabe des Rußentferners über eine Rohrleitung, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Dosiervorgang die Rohrleitung (32) stromab der Dosiereinrichtung (36) durch Druckluft freigespült wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einem Filtergehäuse und einem Filtereinsatz, der in dem Filtergehäuse eine Rohgaskammer von einer Reingaskammer abtrennt und ein hochtemperaturfestes Filtermittel zum Ablagern des Rußes hat, sowie mit einer Einrichtung zum gesteuerten Abbrennen des an dem Filtermittel abgelagerten Rußes, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinem oberen Bereich an eine Druckluftleitung (29) anschließbarer, geschlossener Vorratsbehälter (30) für den Rußentferner (31) mit dem Rußfilter (1) durch eine in die Rohgaskammer (12) einmündende, sich als Tauchrohr (34) von oben bis in die Nähe des Behälterbodens (35) erstreckende Rohrleitung (32) verbunden ist, die in ihrem gesamten Verlauf Gefälle aufweist und nahe dem Vorratsbehälter (30) ein mit Erreichen eines vorbestimmten Durchflußwiderstandes des Filtermittels (10) und einer vorbestimmten Temperatur in der Rohgaskammer (12) für eine vorbestimmte Zeit öffnende Dosierventileinrichtung (36) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die Druckluftleitung (29) anschließbare Bypassleitung (43) vorgesehen ist, die stromab der Dosierventileinrichtung (36) in die Rohrleitung (32) einmündet und ein Absperrventil (44) enthält, das mit der Beendigung des Dosiervorgangs in die Offenstellung bewegt und unterhalb des vorbestimmten Durchflußwiderstandes des Filtermittels (10) und/oder der vorbestimmten Temperatur in der Rohgaskammer (12) geschlossen ist.