DE4012719A1

DE4012719A1 - Verfahren zur beseitigung von schaedlichen bestandteilen aus abgasen von brennkraftmaschinen, insbesondere von dieselmotoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE4012719A1
Application number: DE19904012719
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-21
Filing date: 1990-04-21
Publication date: 1991-10-24

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung schädlicher Bestandteile aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren bei denen die Abgase durch eine Filteranordnung geleitet werden, die aus wenigstens einem inneren und einem äußeren Filter besteht, wobei das Filtermaterial wenigstens teilweise aus thermisch hoch belastbaren Fasern besteht, die wenigstens ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid enthalten.

Das zunehmende Umweltbewußtsein hat schon seit langem, so z. B. in den Vereinigten Staaten von Amerika seit 1978, dazu geführt, daß für Kraftfahrzeuge mit Otto-Motoren Katalysatoren vorgeschrieben werden, um in den Abgasen die Emissionen an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und NO_x zu minimieren.

Erst seit wenigen Jahren sind auch Dieselfahrzeuge unter Kritik geraten, nachdem der Verdacht geäußert wurde, daß die im Abgas dieser Fahrzeuge enthaltenen Rußpartikel möglicherweise krebserzeugend sind.

Zahlreiche Fahrzeughersteller und andere Fachleute haben sich daher während der letzten Jahre intensiv mit Lösungsmöglichkeiten befaßt, die Emission von Rußpartikeln zu vermeiden bzw. zumindest weitgehend zu vermeiden.

Obgleich als Folge zahlreiche Patentanmeldungen auf diesem Gebiet bekannt wurden, ist bis heute keine Lösung erkennbar, die auf sichere und vor allem für Diesel-PKW-Fahrer wirtschaftlich tragbare Weise die Rußemission vollständig bzw. nahezu vollständig unterbindet.

Es sind ferner sehr zahlreiche Patentanmeldungen und Patente bekannt, welche Katalysatoren und Vorrichtungen zur Reduktion von NO_x, Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid betreffen.

Nur ein Teil des Standes der Technik kann daher im folgenden Abschnitt zitiert werden.

Ein Katalysator, der nur die Oxidation von CO und Kohlenwasserstoffen betrifft, ist in DE-OS 21 55 338 offenbart. Er kann Lanthan und seltene Erden, Strontium, Barium, Nickel, Kobalt, Eisen, Zink, Kupfer, Ruthenium, Osmium, Titan, Molybdän, Wolfram, Niob, Mangan, Vanadium, Tantal u. a. enthalten.

Die DE-OS 23 03 695 offenbart einen Oxidationskatalysator, der Manganoxid und Platin und/oder Palladium enthält. Katalysatoren, die nur zur Reduktion von NO_x dienen, sind in der DE-OS 21 33 271 offenbart. Sie bestehen aus Manganoxid, Palladium und Eisenoxid oder Nickel-, Kobalt-, Kupfer-, Zink- oder Ceroxid auf einem geglühten Aluminiumoxidträger. Auch die DE-OS 21 40 852 offenbart einen Reduktionskatalysator, der aus Palladium und Rhodium auf einem geglühten Träger besteht.

Die DE-OS 21 58 877 offenbart ein Zweibett-System bestehend aus einem Reduktions- und einem Oxidationsbett. Reduktionskatalysatoren sind Rhodium, Iridium oder Palladium. Der Reduktionskatalysator in DE-OS 23 55 418 ist Nickel-Kupfer. Ein Katalysator zur gleichzeitigen Entfernung von NO_x, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ist in DE-OS 29 28 249 offenbart. Es wird ein Katalysator verwendet, der Cer, Lanthan, Rhodium, Platin, Palladium und Phosphor auf einem feuerfesten anorganischen Träger enthält.

Nach DE-OS 23 06 395 und DE-OS 24 16 753 besteht ein solcher Katalysator aus einem Metall aus der Gruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium und Platin und einem Metall aus der Gruppe Aluminium, Titan, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel. Träger ist ein stoßfestes, schwach poröses, keramisches Material. Auch der in der DE-OS 26 02 286 offenbarte Katalysator ermöglicht die gleichzeitige Reduktion und Oxidation von Schadstoffen. Die aktiven Metalle sind Palladium, Platin, Ceroxid, Zirkonoxid und Nickeloxid. Träger ist Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid.

Die DE-OS 3 22 23 500 offenbart einen Katalysator, der aus Palladium, Rhodium, Ceroxid und Eisenoxid auf Aluminiumoxid als Träger besteht. Schließlich offenbart die DE-OS 33 25 292 einen Katalysator aus Eisen, Nickel und Kobalt auf Keramik aus Aluminiumoxid oder Titanoxid. Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, welche die Entfernung von Ruß betreffen, sollen im folgenden Abschnitt kurz beschrieben werden. Nur in wenigen Fällen wird nach diesem Stand der Technik bei der Rußverbrennung mit einem Oxidations- Katalysator gearbeitet.

In der DE-OS 25 19 609 ist eine Vorrichtung zum Abtrennen von Ruß beschrieben, in der ein gefalteter Filter beschrieben ist, in dem sich an mehreren Stellen Initialzünder und Temperaturfühler befinden. Durch Differenzdruckmessung vor und hinter dem Filter wird an einer bestimmten Stelle die Zündung in Gang gesetzt, so daß in diesem Bereich der Ruß abbrennt. Da es sich bei den hier verwendeten Filtern um Materialien handelt von nur begrenzter thermischer Belastbarkeit (S. 8, Absatz 2), wird durch die obengenannten Temperaturfühler bei Erreichen einer bestimmten Temperatur ein Bypass geöffnet, so daß ein Teil des Abgases ungefiltert abströmt.

In der DE-OS 30 17 784 wird ein Rußfilter aus poröser Keramik beschrieben, in dem eine Heizspirale eingelassen ist, die mit dem Filter in Verbindung steht. Das Filter ist röhrenförmig, wobei das ungereinigte Abgas ins Innere der Röhre geleitet wird, in dem sich ein schraubenförmiges Leitblech befindet, so daß der Ruß aufgrund seines höheren spezifischen Gewichts durch Fliehkraft auf der inneren Wand des Filters abgeschieden wird.

Die DE-OS 30 24 539 offenbart eine Vorrichtung zum Beseitigen von Ruß aus Abgasen, die im wesentlichen aus einem Filter besteht, das gemäß angegebenem Beispiel aus SiO₂-Fasern besteht. Das Abbrennen des abgelagerten Rußes erfolgt durch Mikrowellen, wobei Wandelemente reingasseitig am Filter angeordnet sind, die für Mikrowellen undurchlässig sind.

Vom gleichen Anmelder wird in der DE-OS 31 11 228 ein Rußfilter ebenfalls aus SiO₂-Fasern offenbart, wobei nach Beladung der abgeschiedene Ruß mit Hilfe eines pulverförmigen oder flüssigen Rußentfernungsmittels zum Verbrennen gebracht wird. Als ein solches Mittel wird Kupfer-(I)-chlorid genannt. Diese Erfindung bemüht sich um die Lösung der Aufgabenstellung auf dem Gebiet der Rußentfernung aus Abgasen von Dieselbrennkraftmaschinen, die Temperatur zur Verbrennung des abgeschiedenen Rußes auf <600°C zu senken.

Ein weiteres Verfahren zur Abtrennung und Verbrennung des abgetrennten Rußes wird in der DE-OS 36 22 623 beschrieben. Das Filter besteht aus gesponnenen Quarzglas- oder Keramikfasern oder aus offenporiger Schaumkeramik oder feinem Oxidkeramikgranulat. Wesentliches erfinderisches Merkmal ist die Verbrennung des am Filter abgelagerten Rußes durch Nutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Rußes selbst.

Die DE-OS 36 35 038 offenbart Rußfilter, wie sie vom gleichen Anmelder in der DE-OS 36 22 623 beschrieben sind, die jedoch zusätzlich fein- und grobmaschige Siebe enthalten, wobei das verwendete Filtergranulatmaterial durch Druckluft verdichtet wird.

Auch die DE-OS 23 53 346 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von brennbaren teilchenförmigen Stoffen aus Abgasen von Verbrennungsmotoren. Es werden Filter aus feuerfestem, polykristallinem Material verwendet, wobei die Temperatur der in das Filter geleiteten Abgase so hoch sein muß, daß zumindest ein Teil der herausfiltrierten festen Teilchen verbrennt. Das Filter kann auch Katalysatoren zur Verbesserung der Verbrennung enthalten sowie Katalysatoren zur Entfernung von CO, NO_x und Kohlenwasserstoffen. Um im Falle der Rußverbrennung genügend hohe Abgastemperaturen einhalten zu können, wird das Filter im allgemeinen möglichst dicht hinter dem Motor angebracht. Unter Kaltstartbedingungen sammelt sich daher zunächst Ruß im Filter an, der anschließend bei hoher Belastung nach Erreichen der erforderlichen Temperatur verbrennt. Die Filtermaterialien können die Form von Stapelfasern, Papier, Tüchern, Bahnen, Platten und Filzen besitzen aber auch Zylinder, Pfropfen oder Kissen aus Fasern sein, wobei bei den letzteren eine verhältnismäßig kleine Oberfläche vorliegt. Hohle Zylinder werden durch Wicklung der zuerst genannten Materialien auf einem rohrförmigen Dorn hergestellt, der auch im Filter verbleiben kann.

Um einen zu hohen Rückdruck bei entsprechender Ablagerung fester Partikel und damit eine Beschädigung des Filters zu vermeiden, ist bei einem Teil des Standes der Technik ein Umwegventil vorgesehen, um für diesen Fall Abgas ungefiltert am Filter vorbeileiten zu können.

In der DE-OS 34 44 397 ist ein Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Formteilen offenbart, die sich auch zur Verwendung als Filterelemente für Abgase aus Verbrennungsmotoren eignen. Die Formteile werden aus einer Aufschlämmung feuerfester Fasern und zusätzlicher feinteiliger feuerfester Materialien hergestellt. Es werden Fasern bestimmter Länge beansprucht. Die feinteiligen Materialien werden durch Flockungsmittel auf den Fasern abgeschieden. Das Wasser wird aus der Aufschlämmung abgesaugt und auf das Formteil Druck von 2 bar durch Aufpressen eines Stempels ausgeübt. Das Absaugen erfolgt aus einem mit Siebboden versehenen Formkasten, wesentlich ist jedoch, daß gleichzeitig Druck ausgeübt wird. Die feuerfesten Fasern sind übliche keramische Fasern mit Al₂O₃-Gehalten von 45 Gew.-%. Die feinverteilten Materialien können sein: SiO₂, Al₂O₃, Schamotte, Kaoline, ZrO₂, Zirkonsilikat, TiO₂ und Cr₂O₃. Durch die Anwendung von Druck werden gewünschte Dichten bis zu 1 g/cm³ erhalten. Als Bindemittel werden anorganische Phosphate und organische Bindemittel verwendet.

In der DE-OS 24 47 678 ist eine Vorrichtung zur Entfernung von Schadstoffen aus Autoabgasen, nämlich NO_x, CO und Kohlenwasserstoffen beschrieben, bei der ein Keramikkörper aus feuerfesten Fasern in einem Gehäuse angebracht ist. Auf dem Katalysatorkörper ist der eigentliche Katalysator aufgebracht. Das Fasermaterial ist vorzugsweise polykristallines Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.

Keines der beschriebenen Filtersysteme hat bisher Eingang in die Technik gefunden, da Wirtschaftlichkeit und ggfs. auch die technische Brauchbarkeit nicht gegeben sind.

In den europäischen Patenten EP-B-00 89 751 und EP-B-00 89 756 werden Rußfilter beschrieben, die aus einem Keramikblock bestehen, der durch Spritzguß hergestellt wird und sehr zahlreiche Kanäle enthält, wobei die Kanäle, in die das zu reinigende Abgas strömt ausgangsseitig geschlossen sind und parallele Kanäle eingangsseitig geschlossen und ausgangsseitig offen sind.

Diese von Corning Glass Works in USA entwickelten Keramikkörper werden technisch als Rußfilter eingesetzt.

Der größte Keramikblock von 38 cm Länge und einem Durchmesser von 38 cm enthält in einer Richtung ca. 17 600 Kanäle und ebensoviele parallele Kanäle. Die Kanäle haben eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von ca. 0,2 mm. Das Abgas fließt durch die sehr dünnen porösen Wände der Eingangskanäle in die ausgangsseitig offenen Reingaskanäle. Die volle Filtrierwirkung der Filter, sie liegt bei den auf dem Markt erhältlichen Filtern je nach Typ zwischen 65 bis 95% des ungereinigten Abgas vorhandenen Rußes, wird erst nach mindestens einer Stunde Betriebszeit erreicht, da dann genügend Ruß abgelagert ist, um selbst als Filter zu wirken.

Der Gegendruck steigt je nach Filtertyp bereits nach 1,5 bis 4 Stunden auf 130-150 mbar an.

Da die Kanalwandungen sehr dünn sind, treten leicht Rißbildung und Druck auf, wobei ungefiltertes Abgas austritt. Die Materialempfindlichkeit wird erhöht durch Kristallisationsvorgänge im Keramikmaterial, insbesondere beim Regenerieren, wodurch zusätzliche Versprödung auftritt.

Die Filter und ihre Eigenschaften sind im einzelnen in der Corning-Glass- Schrift "Dieselfilter von Corning" beschrieben.

Hiermit im Zusammenhang ist von großem Interesse, daß von Daimler-Benz ein Rußfilter für LKW's erprobt wird, das Kupferoxid als Verbrennungskatalysator enthält, wobei zusätzlich Acetylaceton eingespritzt wird. Für die Vorrichtung werden 20 000 DM veranschlagt ("Auto, Motor, Sport", Januar 1989). In "Auto-Zeitung" März 1989, S. 84, werden Entwicklungsarbeiten von VW beschrieben, bei denen ein Rußfilter aus Keramikmaterial eingesetzt wird und als Verbrennungskatalysator dem Kraftstoff Eisenoxid zugemischt wird.

Hierbei ist zu beachten, daß bei kontinuierlicher Zuführung eines Oxidationskatalysators, das Oxidationsmittel selbst emittiert werden kann oder daß durch unvollständige Verbrennung von Verbrennungshilfsmitteln unerwünschte Emissionen auftreten.

Der geschilderte Stand der Technik macht deutlich, daß der Fachmann noch weit von einer technisch und wirtschaftlich optimalen Lösung entfernt ist.

Überraschend hat nunmehr die Anmelderin eine Lösung der geschilderten Aufgabenstellung gefunden, die zu einem hochwirksamen und insbesondere sehr wirtschaftlichen Verfahren zur Entfernung von schädlichen Bestandteilen aus Abgasen von Brennkraftmaschinen und zu einer Vorrichtung zur Duchführung des Verfahrens führt, nämlich durch ein Verfahren zum Beseitigen von schädlichen Bestandteilen aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, bei dem die Abgase durch ein für Gase durchlässiges, zumindest teilweise aus thermisch hoch belastbaren Fasern bestehendes Filtermaterial geleitet werden, dessen Fasern wenigstens ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid enthalten und das ggfs. Bindemittel und ggfs. thermisch hoch belastbare Zusätze und ggfs. Stützmaterialien und ggfs. wenigstens einen Katalysator zur Oxidation verbrennbarer Partikel, insbesondere von Ruß und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder zur Reduktion von NO_x enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas in wenigstens einen Raum einer Filteranordnung geleitet wird, die aus wenigstens einem inneren und einem um das (die) innere(n) Filter angeordneten äußeren Filter besteht und daß der Raum in den das zu reinigende Abgas eingeleitet wird, ausgangsseitig geschlossen ist und daß das gefilterte Abgas aus wenigstens einem Raum der Filteranordnung abgeleitet wird, der eingangsseitig geschlossen ist und daß das Filtermaterial eine Dichte von 0,03-1,5 g/cm³, bevorzugt von 0,06-1 g/cm³ und besonders bevorzugt von 0,06-0,5 g/cm³ besitzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Beseitigen von schädlichen Bestandteilen aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, die Filtermaterial zum Durchleiten des zu reinigenden Abgases enthält, das zumindest teilweise aus thermisch hoch belastbaren Fasern besteht, die wenigstens ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid enthalten, wobei das Filtermaterial ggfs. Bindemittel und ggfs. thermisch hoch belastbare Zusätze und ggfs. Stützmaterialien und ggfs. wenigstens einen Katalysator zur Oxidation verbrennbarer Partikel, insbesondere von Ruß und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder zur Reduktion von NO_x enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigung in einer Filteranordnung erfolgt, die aus wenigstens einem inneren und einem um das (die) innere(n) Filter angeordneten äußeren Filter und wenigstens einem Raum zum Einleiten des zu reinigenden Abgases und wenigstens einem Raum zum Ableiten des gefilterten Abgases besteht und daß der Raum in den das zu reinigende Abgas eingeleitet wird, ausgangsseitig geschlossen ist und der Raum aus dem das gefilterte Abgas abgeleitet wird, eingangsseitig geschlossen ist und daß das Filtermaterial eine Dichte von 0,03-1,5 g/cm³, bevorzugt von 0,06-1 g/cm³ und besonders von 0,06-0,5 g/cm³ besitzt.

Die Erfindung ist in folgenden Figuren näher dargestellt:

In Fig. 1 ist beispielhaft die Eingangsseite einer erfindungsgemäßen Filteranordnung aus 2 Filtern dargestellt.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Eingangsseite einer erfindungsgemäßen Filteranordnung aus 3 Filtern dargestellt.

In Fig. 3 ist beispielhaft ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Filteranordnung dargestellt.

Die Fig. 4 und 5 stellen elektrische Beheizungen zur Regenerierung mit Ruß beladener Filter dar.

Es ist allgemein bekannt, daß sowohl Abgaskatalysatoren für Otto-Motoren als auch Rußfilter mit oder ohne Oxidationskatalysatoren für Dieselmotoren erst bei einer ausreichend hohen Temperatur volle Aktivität entfalten.

Dieselfahrzeuge erreichen bei Kurzstreckenverkehr und Stadtfahrt eine Abgastemperatur von bestenfalls 300°C. Nur bei schneller und länger andauernder Autobahnfahrt können 500-600°C erreicht werden. Diese Temperatur ist jedoch zum Verbrennen der Rußpartikel in Abgasfiltern zumindest erforderlich, sofern nicht zusätzlich ein Oxidationskatalysator eingesetzt wird. Mit Hilfe dieser Katalysatoren wird eine Verbrennungstemperatur von etwa 250-300°C angestrebt.

Wie der geschilderte Stand der Technik zeigt, beschäftigt sich die Fachwelt intensiv mit Maßnahmen, entweder genügend hohe Temperaturen auch bei langsamer Fahrweise zu erreichen, wie beispielsweise durch zeitweisen Einsatz von Brennern, durch über den Filter verteilte Initialzündungen, oder in einem anderen Verfahren durch Nutzung des Rußes als elektrischer Leiter, so daß durch den elektrischen Widerstand die benötigten Temperaturen erreicht werden. Als weitere Alternative fügt man dem Kraftstoff Katalysatoren hinzu oder man ordnet den Filter so dicht hinter dem Motor an, daß die Verbrennungstemperatur des Rußes erreicht wird.

Die Anmelderin hat nunmehr überraschend gefunden, daß die erfindungsgemäße Filteranordnung mit ihrer spezifischen Struktur hervorragend zum Entfernen der im Abgas enthaltenen Rußteilchen geeignet ist, wobei das zu reinigende Abgas in einen Raum in der Filteranordnung geleitet wird, der ausgangsseitig geschlossen ist, so daß das gesamte Abgas durch den Filter strömt. Die Filter der erfindungsgemäßen Filteranordnung sind bevorzugt röhrenförmig, wobei der Querschnitt einer solchen Röhre jedoch beliebig geformt sein kann, wie beispielsweise rund, oval, viereckig, rechteckig, trapezförmig oder unregelmäßig. Diese Formen sind beispielhaft genannt. Die Filter können auch unterschiedliche Formen über die Länge des Filters besitzen, d. h. konisch verlaufen, oder sich über die ganze Länge oder bestimmte Abschnitte verjüngen oder erweitern. Bei einer aus einem inneren und einem äußeren Filter bestehenden Filteranordnung ist es vorteilhaft, in einen zwischen innerem Filter und äußerem Filter liegenden Raum, der ausgangsseitig geschlossen ist, das zu reinigende Abgas einzuleiten. Das gereinigte Abgas kann dann durch den inneren Filter in einen Raum treten, der an der Eingangsseite des zu reinigenden Abgases geschlossen und an der Ausgangsseite offen ist, und kann ferner durch den äußeren Filter in einen um diesen liegenden Raum treten, der ebenfalls eingangsseitig geschlossen und ausgangsseitig offen ist.

Bei einer aus 3 Filtern bestehenden Anordnung tritt das zu reinigende Abgas bevorzugt in einen zentral angeordneten Raum, der sich im Inneren des inneren Filters befindet sowie in den Zwischenraum zwischen dem 2. und 3. Filter, während das filtrierende Abgas aus dem Zwischenraum zwischen innerem und 2. Filter sowie außerhalb des 3. Filters abströmt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Filteranordnung muß das zu reinigende Abgas vollständig durch die Filter hindurchtreten.

Analog aufgebaut sind erfindungsgemäße Filteranordnungen, die aus mehr als 3 Filtern bestehen. Länge, Wanddicke und Innendurchmesser der Filterröhren können je nach Motortyp in weiten Grenzen variieren. In Abhängigkeit von der Motorstärke, im allgemeinen mit zunehmender Motorstärke, können größere oder auch mehrere Filter eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Filter können Längen von einigen Zentimetern bis zur Größenordnung von Metern besitzen. Übliche Längen liegen bei 30-60 cm. Auch die Durchmesser der Zufluß- und Abflußräume und die Filterwände können wenige Millimeter bis viele Zentimeter stark sein. Hier hat der Kraftfahrzeugfachmann einen breiten Raum, nach für ihn wichtigen Gesichtspunkten diese Werte auszuwählen. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß sich die Dichte des erfindungsgemäß eingesetzten Materials und die Wandstärke des Filters ergänzen können.

In Verbindung mit der spezifischen Struktur der erfindungsgemäßen Filteranordnung ist die Dichte des Materials ein wichtiges erfinderisches Merkmal. Sie liegt bei 0,03-1,5 g/cm³, bevorzugt bei 0,06-1 g/cm³ und besonders bevorzugt bei 0,06-0,5 g/cm³, wobei die Dichte im angegebenen Bereich im Filter örtlich auch unterschiedlich sein kann.

Obgleich hochtemperaturbeständige Fasermaterialien mit Dichten in diesem Bereich bekannt sind, ist bisher nicht erkannt worden, daß die erfindungsgemäßen Filter mit den erfindungsgemäßen Dichten eine vollständige Entfernung fester Partikel durch Abfiltrieren zulassen, ohne daß sich ein unerwünscht hoher Druck aufbaut, der zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch des das Abgas erzeugenden Fahrzeugs führt.

Bei den erfindungsgemäßen Filtermaterialdichten liegen übliche Filterwanddicken bei ca. 3 bis 15 mm, wobei im Falle der hohen Dichten diese Dicken unterschritten und im Falle der niederen Dichten diese Dicken überschritten werden können.

Dichte und Wandstärke sind nicht nur von besonderer Bedeutung dafür, daß der Ruß im Abgas unmittelbar nach Starten des Motors vollständig aufgefangen wird, sondern auch bezüglich des sehr wichtigen durch das Filter verursachten Druckaufbaus. Bekanntlich verursacht zunehmender Druck motorausgangsseitig vor dem Filter, zunehmenden Kraftstoffverbrauch bzw. bei Einhaltung eines geringen Drucks häufiges Abbrennen des abfiltrierten Rußbelags.

Bei genügender Wandstärke können erfindungsgemäß Filtermaterialien mit einer Dichte <0,2 g/cm³ besonders günstig sein. Grundsätzlich können Anordnung und Anzahl der Filterröhren, Form, Wandstärke, Durchmesser und Länge der Filterröhren sowie die Steuerung der Beheizung zur Regeneration der Filter nach Rußbeladung dem jeweiligen Fahrzeugtyp angepaßt werden.

Wie dem Fachmann bekannt ist, sind sehr zahlreiche Materialien bekannt, die sich als hoch-temperaturfeste Fasern zum Abfiltrieren fester Partikel aus heißen Abgasen eignen. Die Fasern bestehen im allgemeinen aus dem hochtemperaturfesten oxidischen Fasermaterial selbst, aus Bindemitteln und weiteren im allgemeinen sehr feinkörnigen Zusätzen, können jedoch auch nur aus Fasermaterial oder Fasermaterial und Bindemittel bestehen. Erfindungsgemäß sind hohe Faseranteile bzw. Filter, die nur aus Fasern bestehen, bevorzugt. Die Fasern können glasig oder kristallin sein. Glasige Fasern sind im allgemeinen spröder als kristalline Fasern. Die erfindungsgemäßen Filtermaterialien können nur kristalline bzw. polykristalline Fasern enthalten oder nur glasige oder Gemische der beiden. Die Fasern können auch mit anderen Materialien beschichtet sein.

Fasern aus kristallinem und glasartigem Material, insbesondere Mischungen dieser Fasern, können durch Erhitzen miteinander verschmolzen werden, so daß Bindungen zwischen den Fasern entstehen und die Festigkeit des Filtermaterials bei hoher Porosität erhöht wird. Beispielhaft seien Materialien genannt, die sich allein oder als aus wenigstens 2 Komponenten bestehende Gemische zur Herstellung von Fasern eignen: Aluminiumsilikate, Aluminiumsilikate mit hohem Aluminiumoxidanteil, Chromoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Eisenoxide, Silikate, wie beispielsweise Erdalkalisilikate, Erdalkali- und Alkalioxide, Titanoxid, Boroxid, Aluminiumborosilikate, natürliche Aluminiumsilikate wie Gesteinsbildner, Tone, Tonerden und sonstige Aluminiumsilikatmineralien, Kohlenstoff, Karbide, wie z. B. Silizium- und Borcarbid, Manganoxide, Germaniumoxid, Seltene Erdoxide. Die Aufzählung von geeigneten Materialien ist beispielhaft. Auch weitere Komponenten können nach dem Stand der Technik verwendet werden. Erfindungsgemäß einsetzbar sind auch beschichtete Fasern, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind oder auch neu hergestellt werden können. Bevorzugt sind Fasern auf Aluminiumsilikatbasis, die neben Al₂O₃ und SiO₂ wenigstens ein zusätzliches Metall- oder Halbmetalloxid enthalten. Bevorzugte zusätzliche Metalloxide sind Zirkondioxid oder Titandioxid. Beispielhaft ist bei einer Kombination von Al₂O₃, SiO₂ und zusätzlichem Metall- bzw. Halbmetalloxid die Al₂O₃-Menge 30-40 Gew.-%, die SiO₂-Menge 40-50 Gew.-% und die zusätzliche Metall- bzw. Halbmetalloxidmenge 10-20 Gew.-%. Eine weitere beispielhafte Zusammensetzung besteht aus 15-70 Gew.-% Al₂O₃, 30-80 Gew.-% SiO₂ und 5-35 Gew.-% Metall- bzw. Halbmetalloxid. Grundsätzlich können die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen in sehr weiten Grenzen gewählt werden, nämlich zwischen 0,5-99,5 Gew.-% Al₂O₃, 0,5-99,5 Gew.-% SiO₂ und 0,1-75 Gew.-% sonstige Oxide, wobei die Einzelmengen so gewählt werden, daß sie sich zu 100% ergänzen.

Erfindungsgemäß sind zur Herstellung der Filtermaterialien auch Gemische aus wenigstens zwei der genannten Fasern verwendbar. In den hochtemperaturfesten Fasern und Filtermaterialien können, wie im Stand der Technik bekannt, organische und anorganische Bindemittel verwendet werden, wobei die organischen Bindemittel beim späteren Brennen verbrennen. Beispielhaft seien genannt: Tone, Tonerde, Sulfitablauge, Phosphate wie beispielsweise Alkali- und Aluminiumphosphate, Boroxid, Phosphorpentoxid, künstliche und natürliche Aluminiumsilikate, kolloide Kieselsäure, Alkalisilikate, Porzellanmehl, kolloidale Tonerde, Aluminiumoxidhydrate und -hydroxid, Aluminate, wie z. B. Calciumaluminat, Schamottemehl, Zemente, Glasmaterialien u. a., Carboxymethylzellulose, Stärke, Cellulose, Melasse, organische Kunststoffe, wie Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyether und zahlreiche andere, wie sie aus dem Stand der Technik zu entnehmen sind.

Als fein verteilte Zusatzmaterialien in Fasern und Filtermaterialien seien beispielhaft genannt:
Aluminiumpulver, Siliziumpulver, Kieselerde, Aluminiumoxidhydrat, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Chromoxid, Porzellanmehl, Schamottemehl, künstliche und natürliche Aluminiumsilikate, Tone und Tonerden, Korund, sonstige Aluminiumoxide, Carbide, wie z. B. Silizium- und Borcarbid, gebrannter Bauxit, Quarz, Kobaltoxide, Eisenoxide, Manganoxide, Zirkonsilikate, Aluminiumborosilikate, Kohlenstoff, wie z. B. Graphit, Koks und Ruß und zahlreiche andere elementare und oxidische Materialien.

Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß die Eigenschaften der erfindungsgemäß genannten Materialien weitgehend erhalten bleiben, auch wenn kleine sonstige Beimengungen darin enthalten sind, die wesentlichen Bestandteile jedoch die genannten Verbindungen sind. Beispielhaft wird eine Methode zur Herstellung der Aluminiumsilikatfasern und sonstiger thermisch stabiler Fasern beschrieben. Die Oxide werden gemischt, ggfs. ein anorganischer und/oder organischer Binder zugemischt und dieses Gemisch zu Fasern verdüst. Das Produkt wird gebrannt. Aus diesen Fasern lassen sich Maischen zur Weiterverarbeitung herstellen. Auch unterschiedliche Aluminiumsilikate lassen sich zu solchen Materialien verarbeiten. Es sind zahlreiche Methoden zur Herstellung erfindungsgemäß verwendeter Fasern in der Fachliteratur beschrieben, so daß diese hier nicht näher erläutert werden müssen. Bekannte Methoden zur Erzeugung von Fasern sind das Zieh-, Schleuder-, Blas-, Blas- Zieh- und Schleuder-Blas-Verfahren. Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Materials kann beispielsweise bei 200-1200°C zwischen 0,03 und 1,5 W/mk liegen, da diese stark von der Art der verwendeten Materialien abhängt. Ein typischer Bereich ist 0,05-0,6 W/mk, bevorzugt 0,05-0,4 W/mk.

Die erfindungsgemäßen Filter können nach allen bekannten Methoden hergestellt werden. So können die Filter aus Fasermatten hergestellt werden, aus Faserwatte oder auch durch Vakuumformung. Besonders wirksame Filter, die sich zudem durch geringen Druckaufbau zwischen Abgasausgang am Motor und Filter auszeichnen, können durch lockere Schichtung der Fasern in einer käfigartigen Stützvorrichtung, erhalten werden, wobei die Schichtung in der gewünschten Dichte durch einfaches Einblasen der Fasern in die Stützvorrichtung erzeugt werden kann. Stützvorrichtungen sind auch dann von Vorteil, wenn man die Filter durch Einbringen von Fasermatten oder Watte in die Stützvorrichtung herstellt. Solche Stützvorrichtungen sollen hohen Gasdurchfluß ermöglichen und selbst nicht zu nennenswertem zusätzlichen Druckaufbau beitragen. Sie bestehen aus thermisch stabilen Materialien, wie Metallen, Keramik, temperaturbeständigem anorganischen Fasergewebe, temperaturbeständigen Kunststoffasern und dergl. Sie können sowohl an der Innen- als auch an der Außenwand, sowie an Innen- und Außenwand in Form eines hochdurchlässigen Käfigs angeordnet sein.

Zur Herstellung der Filter können auch unterschiedliche Fasermaterialien eingesetzt werden, die dann schicht- oder segmentweise im Filter vorliegen. Die Oberflächen der Filter können auch durch bestimmte Gestaltungen wie Rippen, Rillen, Nuten und dergl. vergrößert werden.

Beispielhaft wird eine Methode zur an sich bekannten Vakuumformung beschrieben.

Das fein verteilte Filtermaterial wird mit einer Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, angemaischt. Mittels eines Rohres, das dem späteren Innendurchmesser des Filters entspricht und welches feine Öffnungen besitzt, wird die Maische, die ggfs. gerührt oder auf andere Weise in Mischung gehalten werden kann, durch Anlegen von Vakuum an das Innere des Rohres auf demselben niedergeschlagen bis zur gewünschten Filterdicke.

Anschließend wird das Rohr entfernt und das Filter getrocknet und gebrannt. Das Rohr kann im Filter verbleiben, aber auch entfernt werden.

Die einzelnen Filter können dann eingangsseitig und ausgangsseitig mit deckelartigen Vorrichtungen verschlossen werden, in denen sich Nute befinden, in welche die einzelnen Filter eingesetzt werden. Mit Hilfe einer im Zentrum der Filteranordnung vorliegenden Stange, die an beiden Enden mit einem Gewinde versehen ist, können die deckelartigen Verschlußplatten beidseitig auf der Filteranordnung festgezogen werden. Die Verschlußplatten enthalten die für zu reinigendes Abgas und filtriertes Abgas erforderlichen Ein- und Ausgänge.

Die Verschlußplatten können auch den Behälter, in dem sich die gesamte Filteranordnung befindet, umfassen. Grundsätzlich kann auch ein an einer Seite geschlossener Filter bereits bei der Herstellung angefertigt werden, wobei der Verschluß aus dem Filtermaterial besteht. Stützmaterialien können auch im Inneren des Filtermaterials angeordnet sein, wie z. B. Gewebe, Gitter, Längs- und Querrippen und dergl. Zusätzlich können zwischen den Filtern und den Verschlußplatten Dichtungen angebracht werden.

Es ist erfindungsgemäß ferner von Vorteil auf der Oberfläche des Filters auf der das gefilterte Abgas austritt, eine dünne textilartige, aus temperaturfestem Material bestehende auf dem Filter liegende Schicht z. B. in Form eines Fasertuches oder einer Fasermatte anzubringen. Diese soll hierbei so dicht sein, daß feines bzw. feinstes Fasermaterial aus dem Filter nicht mit dem gefilterten Abgasstrom mitgerissen wird, jedoch andererseits in möglichst geringem Umfang ein zusätzlicher Druckaufbau eintritt.

Die erfindungsgemäßen Filter können auch Träger für Oxidationskatalysatoren zur Oxidation von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Ruß sowie für Reduktionskatalysatoren zur Reduktion von NO_x sein.

Es ist allgemein bekannt, daß die sog. ungeregelten Abgaskatalysatoren im Falle von Ottomotoren ca. 50% der Schadstoffe NO_x, CO und Kohlenwasserstoffe entfernen. Sog. geregelte Dreiwege-Abgaskatalysatoren, in denen mit Hilfe einer Sonde die erforderliche Sauerstoffzufuhr geregelt wird und die aus einem Katalysatorsystem bestehen, das sowohl die Reduktion von NO_x als auch die Oxidation von CO und Kohlenwasserstoffen katalysiert, können etwa 90% der Kohlenwasserstoffe und des CO sowie 83% des NO_x entfernen. Große Probleme bestehen noch immer bei dem Anfahren mit kalten Katalysatoren. Bei niederen Temperaturen wird die volle Aktivität des Katalysators nicht erreicht. Erst bei Temperaturen, wie sie sich nach längerem Fahrbetrieb einstellen, können auch bis zu 91% der Schadstoffe entfernt werden. Es ist daher von großer Bedeutung, daß der Katalysator schnell auf Betriebstemperatur kommt. Durch die zeitweise geringe Aktivität des kalten Katalysators gelangen noch immer relativ große Mengen an Schadstoffen in die Atmosphäre.

Bei den Katalysatoren des Standes der Technik wird das Abgas im allgemeinen über die Oberfläche des den Katalysator tragenden Materials geleitet. Es werden daher zum Teil sehr aufwendige Konstruktionen verwendet zur Vergrößerung der den Katalysator tragenden Oberfläche und zur Umlenkung des Abgases, um einen innigen Kontakt zwischen Abgas und Katalysator herbeizuführen. So wird beispielsweise in der DE-OS 31 16 967 ein metallischer Wickelkörper offenbart. Nach DE-OS 27 59 559 werden gewellte beschichtete Metallbänder verwendet oder in DE-OS 29 05 241 und DE-OS 29 47 694 wird eine Kombination von gewickelten Wabenkörpern und glatten Metallbändern verwendet, die mit Katalysator beschichtet sind. Gemäß vorliegender Erfindung werden die Katalysatoren in fein verteilter Form auf und/oder in dem erfindungsgemäßen Filter mit seiner spezifischen Struktur eingebracht, wobei das Abgas vollständig durch den Filter geleitet wird. Der Katalysator kann sich auch in und an der Oberfläche des Fasermaterials selbst befinden. Durch seine gleichmäßige hochporöse Struktur von nur geringer Dichte, wird ein äußerst inniger Kontakt zwischen Abgas und Katalysatormaterial herbeigeführt. Mit dem erfindungsgemäßen Material werden schon kurz nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine die volle Aktivität des Katalysators und damit hohe Umsätze der Schadstoffe erreicht, so daß erfindungsgemäß insgesamt eine weitgehende Entfernung der Schadstoffe CO, NO_x, Kohlenwasserstoffe und Ruß erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Ergebnis, daß der Abtrag an Katalysator von dem erfindungsgemäßen Material wesentlich geringer ist als bei Katalysatoren, die sich auf Oberflächen gemäß dem Stand der Technik befinden, insbesondere dann, wenn die Katalysatoren in dem Fasermaterial selbst eingearbeitet sind.

Es soll hier nicht weiter erläutert werden, wie solche Katalysatoren auf oder in dem Material auf- bzw. eingebracht werden, da hierfür sehr zahlreiche Verfahren für den Fachmann zugänglich sind und ohne weiteres im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Erfindungsgemäß können alle Reduktions- und Oxidations-Katalysatoren bzw. deren Kombinationen verwendet werden. Zahlreiche Beispiele, sie sind jedoch keineswegs limitierend, da der Stand der Technik hier nicht vollständig wiedergegeben werden kann, sind im beschriebenen Stand der Technik angegeben. Es handelt sich beispielsweise, ohne daß diese Aufzählung vollständig ist, um folgende Elemente, deren Verbindungen und sonstige Verbindungen: Ruthenium, Rhodium, Osmium, Iridium, Platin, Palladium, Vanadium, Chrom, Mangan, Zinn, Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal, seltene Erden und andere sowie um Vanadate, Chromate, Chromite, Manganate, Manganite, Stannate, Molybdate, Wolframate, Niobate, Tantalate von Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Cu, Zn, Ag, Cd, seltenen Erden und zahlreiche andere Verbindungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Die erfindungsgemäßen Filter sind für die Entfernung der Schadstoffe NO_x, Kohlenmonoxid und der Kohlenwasserstoffe sowie von Ruß hervorragend geeignet, daß sie den Ruß vollständig und mit nur sehr geringem Druckaufbau abtrennen, einen innigen Kontakt zwischen Schadstoffen und Katalysator ermöglichen, schnell auf die Temperatur der vollen Aktivität des Katalysators gebracht werden können und beim Abtrennvorgang von Ruß mit nur geringem Wärmeaufwand sehr schnell auf Verbrennungstemperatur des Rußes gebracht werden können und zudem der Abtrag von Katalysator sehr gering ist. Die vorliegende Erfindung führt demgemäß zu bisher unerreichten Eigenschaften von Vorrichtungen zur Entfernung von Schadstoffen aus Abgasen.

Rußfilter müssen nach einer bestimmten Betriebsdauer, in der sich durch Rußablagerung auf oder im Filter der Gegendruck bis zu einer bestimmten Druckgrenze erhöht hat, regeneriert werden, d. h. der abgelagerte Ruß muß verbrannt werden.

Nach dem Stand der Technik kann dies durch Einschalten einer elektrischen Beheizung, die sich beispielsweise als eine Heizwendel in einem Filterkörper befinden kann oder durch Einschalten eines Brenners erfolgen, wobei der Brenner mit Kraftstoff oder auch mit Heizgas aus einem zusätzlichen Druckgasbehälter betrieben werden kann. Hat das Filter die Verbrennungstemperatur des Rußes erreicht, kann im Bedarfsfall mittels eines Minikompressors Luft oder Sauerstoff über ein Kapillarsystem zugeführt werden. Nach Erreichen der Temperatur, ggfs. bei Luftzuführung, kann bereits nach wenigen Minuten die Heizung abgeschaltet werden und das Filter steht für den nächsten Einsatz bereit.

Brenner sind im allgemeinen eingangsseitig vor der Filteranordnung angebracht. Sie dienen sowohl dazu, das in die Filter einströmende Abgas so hoch zu erhitzen, daß der Ruß abbrennt, als auch zur direkten Befeuerung der Filter, wobei die Brenner auch in die Filter hineinragen können. Sie können ferner den Zwischenraum zwischen den Filtern angepaßt sein und beispielsweise als Ringbrenner ausgebildet sein.

Durch das Vorhandensein von Oxidationskatalysatoren im Filter bzw. auf dem Filter zur Oxidation des Rußes zu CO₂ kann im günstigsten Fall sogar erreicht werden, daß die Abgastemperatur selbst bereits zur Verbrennung des Rußes ausreicht.

Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Filter nahe am Abgasaustritt aus dem Motor angeordnet sind.

In jedem Fall hat der Oxidationskatalysator die Wirkung, die Verbrennungstemperatur des Rußes herabzusetzen.

Die Regeneration kann in der Weise erfolgen, daß zwei parallele Filteranordnungen vorliegen von denen eine im Abgasfiltrierbetrieb ist und die andere regeneriert wird. Es kann jedoch auch in der Weise regeneriert werden, daß bei Vorliegen nur einer Filteranordnung während des Filtrierbetriebs regeneriert wird.

Schließlich kann neben einer erfindungsgemäßen Filteranordnung zusätzlich ein einfaches zuschaltbares Filterrohr vorhanden sein, auf das während der in wenigen Minuten ablaufenden Regeneration der erfindungsgemäßen Filteranordnung auf Filtrierbetrieb umgeschaltet wird, wobei kurzzeitig eine Druckerhöhung aufgrund der geringeren Oberfläche der Einzelfilterröhre auftritt. Da je nach Fahrzeug mehrere Filteranordnungen eingesetzt werden können, werden in solchen Fällen diese bevorzugt durch eine Taktschaltung oder ein Zeitrelais gesteuert, nacheinander aufgeheizt.

Bei Einsatz einer elektrischen Heizung können die Heizwendeln oder andere Heizvorrichtungen, wie Stäbe, Gitter und dergl., wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Ein gut geeignetes Material ist beispielsweise Nickeldraht. Man kann die Leerräume in den Filteranordnungen auch zusätzlich mit einem temperaturbeständigen, porösen Material befüllen. Beispielhaft sei Blähton genannt. Das Material darf nicht elektrisch leitend sein, soll einen geringen Wärmeverbrauch beim Aufheizen haben, gute Rußabscheideeigenschaften, die Verbrennung des abgeschiedenen Rußes begünstigen und nicht zur Schlackebildung neigen.

Auch Fasermaterialien oder Filtermaterialien selbst können in sog. wirrer oder ungeordneter Anordnung im Leerraum vorhanden sein.

Die Inbetriebnahme der Beheizung kann durch Druckdifferenzmessung vor und hinter dem Filter erfolgen, so daß bei einer bestimmten Druckdifferenz die Heizung in Betrieb geht. Grundsätzlich kann die Inbetriebsetzung auch nach einer jeweils bestimmten Kilometerleistung oder einer festgelegten Zeit erfolgen. Diese Schaltungen sind jedoch weniger bevorzugt, da bei unterschiedlichen Fahrweisen ganz unterschiedliche Rußmengen gebildet werden.

Die eingangs- und ausgangsseitig an der Filteranordnung angebrachten Verschlußplatten können bei elektrischer Beheizung für den Masseanschluß der Heizleiter verwendet werden.

In Tabelle 1 sind Ergebnisse zusammengestellt, die bei 100stündigem Betrieb eines erfindungsgemäßen Röhrenfilters hinter einem Dieselmotor ermittelt wurden.

Hierzu wurde ein weißer Testpapier-Filter verwendet, welches am Ausgang der Filteranordnung angebracht wurde. Durch das Testpapier-Filter wurde 1 Liter gereinigtes Abgas geleitet und die Verfärbung des Testpapiers geprüft.

Zum Vergleich wurde das ungereinigte Abgas des Dieselmotors mit dem Testpapier- Filter geprüft. Nach Durchfluß eines Liters Abgas war das Filter schwarz.

Als Dieselmotor wurde ein 2-Liter-, 4-Zylinder-Motor, Baujahr 1981 verwendet.

Die Länge der Filteranordnung betrug 300 mm, der Durchmesser 70 mm. Die verwendeten Testpapier-Filter wurden nach dem Test zusätzlich unter dem Mikroskop untersucht. In nahezu allen Fällen konnten keinerlei Rußpartikel nach erfindungsgemäßer Reinigung festgestellt werden.

Tabelle 1

In Tabelle 2 ist der Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Filters F mit den Wirkungsgraden auf dem Markt befindlicher Filter A, B und C in Abhängigkeit von der Betriebsdauer dargestellt, wobei der Filter F bei Erreichen von 100% Wirkungsgrad die Rußpartikel zu 100% abfiltriert, während A, B und C bei Erreichen von 100% Wirkungsgrad die Rußpartikel zu 90%, 75% und 65% abfiltrieren. Nur das erfindungsgemäße Filter entfernt daher die im zu reinigenden Abgas vorhandenen Rußpartikel vollständig.

Filtertyp
100% Wirkungsgrad
F
sofort nach Inbetriebnahme
A	nach ca. 1,5 Stunden
B	nach ca. 1,5 Stunden
C	nach ca. 3,5 Stunden

In Tabelle 3 ist der Aufbau des Gegendrucks in mbar während des Filtrierbetriebs mit den Filtern wie in Tabelle 2 dargestellt. Die Dichte des Filters F betrug 0,28 g/cm³. Ähnlich gute Ergebnisse wurden bei anderen Dichten erhalten.

Tabelle 3

Tabelle 3 zeigt, daß bei Vergleichsfilter A, welches maximal 90% des Rußes abfiltriert, schon nach 2 Stunden ein Gegendruck von 150 mbar erreicht wird. Der weitere Anstieg nach mehr als 2 Stunden ist aus dem zugänglichen Schrifttum nicht zu ermitteln. Nur im Falle des Vergleichsfilters C, der maximal 65% des Rußes abfiltriert, liegt ein Druckanstieg vor, der nach 3 Stunden Betriebsdauer etwa dem Anstieg des erfindungsgemäßen Filters F entspricht.

Aus den Tabellen 2 und 3 wird die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Filters gegenüber dem Stand der Technik deutlich. Ein weiteres wichtiges Merkmal von Rußfiltern ist die Regenerierbarkeit des Filters nach Erreichen eines bestimmten Gegendrucks als Folge von abgelagertem Ruß. In Tabelle 4 ist die Abbrenndauer in einer erfindungsgemäßen Filteranordnung dargestellt, die aus 2 Filtern besteht. Das zu reinigende Abgas wurde in den Zwischenraum zwischen inneren und äußeren Filter eingeleitet, in dem sich in den Versuchen 1-3 in 3 Segmenten angeordnete Heizwendeln befanden, die durch Batteriebetrieb auf Abbrenntemperatur gebracht wurden, wobei der Abstand zwischen innerem und äußerem Filter 4 mm, 8 mm und 10 mm betrug. Die Heizleistung betrug 300 W. Die Filterlänge betrug 300 mm. In Versuch 4 wurde mit einem auf den Filterzwischenraum gerichteten Brenner regeneriert, der mit Kraftstoff betrieben wurde.

Tabelle 4

Während des Abbrennens wurde durch eine Kapillare Luft in das Filterinnere geblasen. Erfindungsgemäß kann die Luft auch vom Ausgang der Filtervorrichtung her eingesaugt werden, so daß keine zusätzlichen Emissionen während des Abbrennens auftreten. Zur weiteren Prüfung der Regenerierbarkeit der erfindungsgemäßen Filter wurde ein Filterrohr von 300 mm Länge und einem Abstand zwischen innerem und äußerem Filter von 10 mm jeweils 30 Minuten betrieben und anschließend mit einem Brenner jeweils 2 Minuten regeneriert. Insgesamt wurde 1000 (tausend) Mal regeneriert. Teilweise wurde bis auf 1200°C (eintausendzweihundert) aufgeheizt. Nach Beendigung des Versuchs war die Filteranordnung in einwandfreiem Zustand. Abrieb und mechanische Schäden waren nicht feststellbar. Der Filtertest mit dem Testpapier-Filter ergab ein völlig weißes Papierfilter.

Mit Hilfe der Figuren wird die Erfindung zusätzlich erläutert.

Fig. 1 stellt eine aus einem inneren und einem äußeren Filter bestehende Filteranordnung dar. (3) und (5) sind inneres und äußeres Filter. Das zu filtrierende Abgas tritt durch (7) gekennzeichnet in den Zwischenraum (4) zwischen innerem und äußerem Filter ein. Das gefilterte Abgas tritt aus Raum (1) über (8) und außen über (9) aus der Filteranordnung aus. (2) und (6) sind tuchartige Materialien, die den Abtrag feiner und feinster Faserpartikel verhindern. (10) stellt das Gehäuse um die Filteranordnung dar.

Fig. 2 stellt eine aus 3 Filtern bestehende Filteranordnung dar. Das zu reinigende Abgas tritt in die Räume (1) und (7) gemäß Pfeilen (10) und (11) in die Filteranordnung ein.

Das gefilterte Abgas tritt aus dem Raum (4) und um die Filteranordnung gekennzeichnet durch die Pfeile (12) und (13) aus. (2), (6) und (8) stellen die Filter dar, (3), (5) und (9) die tuchartigen Umhüllungen. (14) ist das Gehäuse um die Filteranordnung.

Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch eine aus 3 Filtern bestehende Filteranordnung dar. Zu filtrierendes Abgas tritt über (14), (15) und (16) in die Räume (1) und (5)=(6) ein. Das gereinigte Abgas fließt aus (4)=(10) und um die Filteranordnung (7) gemäß den Pfeilen (19), (20), (21) und (22) aus dem Gehäuse bei (26) ab. Die Filter sind dargestellt durch (2), (8) und (13), die tuchartigen Umhüllungen durch (3), (11) und (12). (17), (18) und (23) stellen die Abdeckungen der Filteranordnung dar, d. h. insgesamt auf beiden Seiten je eine Platte mit den erforderlichen Durchlochungen. (24) ist die Verschraubung der Gewindestange (25) mit der die Abdeckplatten und die Filteranordnung fest miteinander verbunden werden. (9) ist die Gehäusewand um die Filteranordnung.

Fig. 4 stellt beispielhaft eine Schaltung für die Regenerierung von 5 Filteranordnungen nach Beladung mit Ruß dar, wobei die Beheizung elektrisch erfolgt. Grundsätzlich sind auch andere dem Fachmann bekannte Schaltungen einsetzbar. (1) sind die Filteranordnungen. (2) ist die Stromzuführung. (3) ist ein Rechteckgenerator, (4) stellen Widerstände dar. (5) ist ein Kondensator, (6) sind Transistoren, (7) elektronische Sicherungen und (8) Relais. Schließlich ist (9) eine Steuerkette zum Aussteuern der Transistoren. Die Impulsdauer wird von (3) über die Dimensionierung von (10) und (5) bestimmt. Das Rechtecksignal gelangt an (9). Über (9) wird ein Signal über einen Widerstand (4) an einen Transistor (6) gelegt. (6) wird leitend, wonach ein Relais (8) anzieht. Die Heizung einer Filteranordnung (1) liegt beispielsweise bei 12 Volt. Beim nächsten Impuls sperrt (6), ein zweiter Transistor (6) wird leitend und die Heizung von einer zweiten Filteranordnung geht in Betrieb usw. Bei Takt 6 wird (9) zurückgestellt. Auf diese Weise werden alle Filteranordnungen regeneriert. Eine Umschaltung auf eine 2. Kombination von Filteranordnungen kann nach Freigabe der ersten Kombination über eine Magnetschalter-Klappensteuerung erfolgen. Diese Reservesteuerung kann für die erste und zweite Kombination installiert werden, d. h., wenn mehrere Relais anziehen, wird die elektronische Sicherung (7) ansprechen und über einen Relaiskontakt auf das Reservesystem umschalten. Die wenigen Bauteile lassen sich auf einem Steckmodul unterbringen. Zur Anzeige eines defekten Filterteils oder einer Umschaltung des Steuersystems kann eine Signalisierung für den Fahrer des Dieselfahrzeugs vorgesehen werden. In Fig. 4 ist ferner beispielhaft eine kreisförmige Anordnung der 5 Filteranordnungen, bestückt mit 5 Heizleitern dargestellt, wobei der abgelagerte Ruß keine Kurzschlüsse verursacht. Um ein gleichmäßiges Abbrennen der Filter zu erreichen, kann eine Taktsteuerung mit Zeitbasis verwendet werden. Hierbei wird der Einzelzeittakt auf eine bestimmte Zeitspanne festgelegt. In dieser Zeit verbrennt der angesammelte Ruß in einem Filter vollständig. Auch eine Stufenschaltung ist möglich. Bei der Taktsteuerung handelt es sich, wie oben bereits beschrieben, um einen dekadischen Zähler, wobei eine Reihe von Leistungstransistoren eine Relaiskette ansteuern. Die Ansteuerung des dekadischen Zählers erfolgt durch einen Taktgenerator. Die Impulsdauer des Taktgenerators ist bestimmbar. Der Vorteil dieser Steuerung liegt darin, daß nur immer ein Relais angesteuert wird und somit das Bordnetz nicht überlastet wird. Sollte es wider Erwarten zu einer Störung kommen, die einen hohen Stromfluß zur Folge hätte, kann dieses System in zweifacher Ausfertigung installiert werden, wobei das erste System abgekoppelt wird und das zweite System die Steuerung übernimmt. Die einzelnen Heizungen können über Netzsicherungen überwacht werden. Da es sich bei der beschriebenen Regenerierung um ein Zweiwege-System handelt, kann die Ansteuerung des Heizsystems der jeweiligen Filteranordnung je nach Rußbelastung über eine Druckdifferenzschaltung erfolgen. Es kann auch grundsätzlich eine Regeneration wechselseitig, zeitlich festgelegt erfolgen. Wenn es im Extremfall zum Ausfall der gesamten Anlage kommen sollte kann über einen Bypass und ein verplombtes Sicherheitsventil die Anlage umfahren werden.

Fig. 5 stellt eine taktgesteuerte Anordnung von 4 Heizspiralen (1) dar. Die Ansteuerung erfolgt über einen Taktgenerator und einen dekadischen Zähler, wie in Fig. 4 dargestellt, der in schneller Reihenfolge immer nur einen Ausgang mit Spannung versorgt. Obwohl dem Fachmann solche Schaltungen grundsätzlich bekannt sind, ergibt sich bei der vorliegenden neuen Verwendung ein besonders hoher Wirkungsgrad. Eingebettete oder eingeleitete Heizspiralen innerhalb von Röhren, die aus thermisch stabilen Fasern aus Oxiden, Keramik oder ähnlichen Materialien bestehen, die einen schlechten Wärmeleitwert besitzen, können in kurzer Zeit fast gleichzeitig aufgeheizt werden, wobei immer nur eine Heizspirale das Bordnetz belastet. Es entsteht durch die niedrigen Wärmeverluste innerhalb einer Röhre ein in zahlreichen Versuchen beobachteter Wärmepumpeffekt, wobei sich jede Röhre bei einer Bordspannung von 12 Volt und einem Laststrom von ca. 28 A auf fast 1200°C aufheizen ließ. Durch die Röhren wird ungefiltertes Abgas in Richtung Filter geleitet. Die Ausgangstemperaturen betrugen bei einer Eingangstemperatur von 230-300°C nahezu 680-700°C, wobei es dann zu einer Verbrennung der angesammelten Rußpartikel kommt.

Die dabei verwendeten Taktfrequenzen können im Bereich von Kilohertz, aber auch nur von wenigen Hertz oder Megahertz liegen. Die Anschlüsse (2) der Heizspiralen können beispielsweise eingeschraubt sein, wie es bei Zündkerzen bekannt ist. Masseanschluß liegt zentral an einer Verbindung (3) am Gehäuse (4) des Filters. Die Leistungselektronik (5) läßt sich leicht am Fahrzeugboden unterbringen, wobei der Fahrtwind für ausreichende Kühlung sorgt. Die Filteranordnung ist durch (6) dargestellt. Das zu reinigende Abgas tritt bei (7) ein, das filtrierte Abgas tritt bei (8) aus.

Die Ergebnisse zeigen, daß durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit durchgeführte Verfahren zur Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, ohne das dem Stand der Technik entsprechende Vorliegen von tausenden von Kanälchen im Filter, die leicht verstopfen und deren sehr dünne Zwischenwände, die leicht brechen und beschädigt werden, deutlich überlegene Ergebnisse erzielt werden. Der Ruß wird unmittelbar zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme vollständig abfiltriert. Der Druckaufbau findet trotz vollständiger Rußentfernung langsamer statt als bei zur Zeit technisch eingesetzten Filtern, so daß weniger häufig regeneriert werden muß, das erfindungsgemäß eingesetzte Fasermaterial ist außerordentlich temperaturbeständig, wobei auch bei sehr häufigen, starken Temperaturschwankungen keine schädlichen Kristallisationsvorgänge stattfinden, die das Material unbrauchbar machen, die Rußablagerungen können schnell und vollständig entfernt werden und die Filter sind leicht auswechselbar. Durch die kostengünstigen Fasern, den einfachen Filteraufbau und die sehr häufig, ohne Materialschäden mögliche Regenerierung wird insbesondere dem Diesel-PKW-Fahrer ein dem Stand der Technik weit überlegenes Abgasfilter zur Verfügung gestellt. Es ist jedoch hervorzuheben, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch hervorragend für die Abgasreinigung von Otto-Motoren geeignet sind.

Claims

1. Verfahren zum Beseitigen von schädlichen Bestandteilen aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, bei dem die Abgase durch ein für Gase durchlässiges, zumindest teilweise aus thermisch hoch belastbaren Fasern bestehendes Filtermaterial geleitet werden, dessen Fasern wenigstens ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid enthalten und das ggfs. Bindemittel und ggfs. thermisch hoch belastbare Zusätze und ggfs. Stützmaterialien und ggfs. wenigstens einen Katalysator zur Oxidation verbrennbarer Partikel, insbesondere von Ruß und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder zur Reduktion von NO_x enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas in wenigstens einen Raum einer Filteranordnung geleitet wird, die aus wenigstens einem inneren und einem um das (die) innere(n) Filter angeordneten äußeren Filter besteht und daß der Raum in den das zu reinigende Abgas eingeleitet wird, ausgangsseitig geschlossen ist und daß das gefilterte Abgas aus wenigstens einem Raum der Filteranordnung abgeleitet wird, der eingangsseitig geschlossen ist und daß das Filtermaterial eine Dichte von 0,03-1,5 g/cm³, bevorzugt von 0,06- 1 g/cm³ und besonders bevorzugt von 0,06-0,5 g/cm³ besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, um welches für Gasdurchfluß geeignetes Stützmaterial angeordnet ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, die durch Einbringen der thermisch hoch belastbaren Fasern in das Stützmaterial hergestellt worden sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, die an der Seite, an der das gefilterte Abgas austritt, eine tuch- oder mattenartige, gasdurchlässige Umhüllung aufweisen, die aus thermisch hoch belastbarem Material besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, die durch Einblasen der thermisch hoch belastbaren Fasern in das Stützmaterial hergestellt worden sind.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, in denen die thermisch hoch belastbaren Fasern ganz oder überwiegend als Al₂O₃, SiO₂ und wenigstens einem weiteren Metalloxid und/oder Halbmetalloxid bestehen.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, in denen die thermisch hoch belastbaren Fasern ganz oder überwiegend aus Al₂O₃, SiO₂ und ZrO₂ und/oder TiO₂ bestehen.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beladen der Filter mit festen, verbrennbaren Partikeln eine Heizvorrichtung zum Abbrennen der auf dem Filtermaterial abgeschiedenen, verbrennbaren Partikel eingeschaltet wird und zumindest ein Teil derselben verbrannt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizvorrichtung ein Brenner eingesetzt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Abgas durch Filter geleitet wird, deren Filtermaterial die im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Katalysatoren einzeln oder in jeder möglichen aus mindestens zwei Katalysatoren bestehenden Kombination aufweisen kann.

11. Vorrichtung zum Beseitigen von schädlichen Bestandteilen aus Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, die Filtermaterial zum Durchleiten des zu reinigenden Abgases enthält, das zumindest teilweise aus thermisch hoch belastbaren Fasern besteht, die wenigstens ein Metalloxid und/oder Halbmetalloxid enthalten, wobei das Filtermaterial ggfs. Bindemittel und ggfs. thermisch hoch belastbare Zusätze und ggfs. Stützmaterialien und ggfs. wenigstens einen Katalysator zur Oxidation verbrennbarer Partikel, insbesondere von Ruß und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder zur Reduktion von NO_x enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigung in einer Filteranordnung erfolgt, die aus wenigstens einem inneren und einem um das (die) innere(n) Filter angeordneten äußeren Filter und wenigstens einem Raum zum Einleiten des zu reinigenden Abgases und wenigstens einem Raum zum Ableiten des gefilterten Abgases besteht und daß der Raum in den das zu reinigende Abgas eingeleitet wird, ausgangsseitig geschlossen ist und der Raum, aus dem das gefilterte Abgas abgeleitet wird, eingangsseitig geschlossen ist und daß das Filtermaterial eine Dichte von 0,03-1,5 g/cm³, bevorzugt von 0,06-1 g/cm³ und besonders von 0,06-0,5 g/cm³ besitzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß um die Filter für Gasdurchfluß geeignetes Stützmaterial angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch hoch belastbaren Fasern in das Stützmaterial eingebracht sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter an der Seite, an der das gefilterte Abgas austritt, eine tuch- oder mattenartige Umhüllung aufweisen, die aus thermisch hoch belastbarem Material besteht.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die thermisch hoch belastbaren Fasern in eingeblasener Form im Stützmaterial befinden.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Filtern vorhandenen thermisch hoch belastbaren Fasern ganz oder überwiegend aus Al₂O₃, SiO₂ und wenigstens einem weiteren Metalloxid und/oder Halbmetalloxid bestehen.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-16, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Filtern vorhandenen thermisch hoch belastbaren Fasern ganz oder überwiegend als Al₂O₃, SiO₂ und ZrO₂ und/oder TiO₂ bestehen.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abbrennen des auf oder in den Filtern abgelagerten Rußes eine Heizvorrichtung vorhanden ist.

19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein Brenner ist.

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial die im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Katalysatoren einzeln oder in jeder möglichen Kombination aus mindestens zwei Katalysatoren aufweist.