DE3407172C2 - Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren - Google Patents

Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren

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DE3407172C2
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Edgar Dr 8755 Alzenau Koberstein
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses hintereinander angeordneten Filterelementen zur Abtrennung von Rußteilchen, wobei mindestens ein Filterelement, welches einen die Zündtemperatur des Rußes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt, mit mindestens einem Filterelement, welches einen die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt, einander mehrfach abwechseln.

Description

a) Lithiumoxid,
b) Vanadinpentoxid,
c) Vanadinpentoxid plus Oxid eines oder mehrerer der Elemente
Li, Na, K, Rb, Cs;
Mg1Ca1Sr1Ba;
B1Al;
Si, Sn:
Sb, Bi;
Cu1Ag;
Zn;
Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd1Tb;
Ti1Zr1Hf;
Nb;
Cr1Mo1W;
Mn1 Re;
Fe1Co1Ni,
wobei der Oxidzusatz 1 —30 Gew.-%, bezogen auf V2O5 beträgt,
45
d) Vanadat von einem oder mehreren der unter c) für den Oxidzusatz aufgeführten Metalle und
e) Perrhenat vorzugsweise von Li, K, Ag, V
oder aus einer Kombination einer solchen Zusammensetzung mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial, wobei dieses entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder, aufgebracht auf dem Filterelement, dem Katalysator als Unterlage dient,
und daß als Katalysator für das Filterelement B eines oder mehrere Platingruppenelemente oder eines oder mehrere Platingruppenelemente zusammen mit einem oder mehreren Unedelmetallen, in Kombination mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial eingesetzt werden, wobei letzteres entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder, auf dem Filter aufgebracht, dem Katalysator als Unterlage dient
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren von oxidierbaren festen, flüssigen und gasförmigen Schadstoffen mit einem im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filter, welcher mit einem die Zündtemperatur ausgefilterter Rußteilchen senkenden und ihren Abbrand fördernden sowie mit einem die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator versehen ist.
Dieselmotoren emittieren neben den auch von Ottomotoren ausgestoßenen Schadstoffen, wie Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und CO1 bedingt durch ihre Betriebsweise, auch Rußteilchen bzw. feinste Kondensattröpfchen oder ein Konglomerat von beiden (»particuiates«). Diese »particulates«, im folgenden einfach als »Dieselruß« oder schlicht »Ruß« bezeichnet, sind besonders reich an kondensierbaren, polynuklearen Kohlenwasser-
V stoffen, von denen einige als krebserregend erkannt worden sind.
it Zur Vermeidung der Partikelemissionen wurden z. B. in Amerika eine Limitierung der Partikelmassen in?
g Abgas eingeführt So darf in Kalifornien ab Modelljahr 1986 die Partikelemission den Grenzwert von 0,2 g/Meile
' j nicht überschreiten. Dies kann allein durch innennotorische Maßnahmen nicht erreicht werden. Für eine
ί ■" technische Lösung müssen daher Abgasnachbehandlungseinrichtungen herangezogen werden. s
v\ Es ist schon vorgeschlagen worden, Dieselruß in Filtern einzufangen und diese durch periodisches Abbrennen
'■ri der angesammelten Partikel zu regenerieren. Die Betriebsweise eines Dieselmotors beeinflußt, wie durch
■Ä- thermogravimetrische Analyse von Partikeln im Filter festgestellt werden konnte, insoweit die Zusammenset-
i| zung des in Filtern abgeschiedenen Dieselrußes, als dieser unter den relativ hohen Abgastemperaturen bei hoher
fü Motorlast überwiegend Kohlenstoffpartikel, unter den relativ niedrigen Abgastemperaturen bei niedriger Mo-
p toriast aber neben den Kohlenstoffpartikeln noch erhebliche Anteile an verflüchtigbaren Stoffen enthält Bei
Ii; hoher Motorlast wird daher aus einem gegebenen Abgasvolumen weniger Dieselruß abfiltriert, während flüchti-
P| ge Dieselrußbestandteile das heiße Filter gasförmig passieren.
Il Unter normalen Betriebsbedingungen reichen die Temperaturen von Dieselabgasen zum Abbrennen des f| angesammelten Rußes nicht aus — dazu sind je nach motor- bzw. belastungsbedingter Rußzusammensetzung jK mindestens 500—6000C nötig. Es muß daher für eine rechtzeitige Erhöhung der Abgastemperatur zur Regenelf rierung des Filters gesorgt werden, um eine zu starke Akkumulation von Ruß und damit Erhöhung des Abgasgej|: gendrucks bis zur Verstopfung zu vermeiden. Dies kann u. a. so geschehen, daß das im Motor gebildete lil Luft/Kraftstoff-Gemisch periodisch angefettet wird und damit höhere Abgastemperaturen erzeugt werden.
|| Eine andere Möglichkeit sieht die Anordnung eines Brenners im Abgassystem vor dem Filtft-vor, welcher bei K Bedarf gezündet wird und das Filter auf die. für den Rußabbrand benötigte Temperatur heizt
H Diese Lösungswege sind aber mit zusätzlichem Brennstoffverbrauch verbunden und reduzieren damit teilwei- 'Ά se einen wichtigen Vorteil des Dieselmotors. In der DE 31 41 713 A 1 sowie in der deutschen Patentanmeldung P ;, 32 32 729.3 ist bereits vorgeschlagen worden, die Zündtemperatur von Dieselruß durch Ausrüstung eines Rußfil-I* ters bzw. einer Rußfalle mit speziellen Katalysatoren herabzusetzen, wodurch sich insbesondere eine wesentlif| ehe Verminderung des Brennstoffverbrauchs während der Regenerationsphase des Filters erreichen läßt Ein φ hierfür geeigneter Katalysator ist z. B. Silbervanadat oder -perrhenat Er kann, gegebenenfalls in Kombination P mit einem Trägermaterial, auf ein Filterelement aufgebracht werden, welches neben seiner eigentlichen Funk-H tion diejenige eines strukturellen Verstärkers für den Katalysator übernimmt In Betracht kommende Filtersy- fß sterne sind z. B. eine Packung aus temperaturbeständiger Metall- oder Mineralwolle, ein Filterelement gemäß ff DE 29 44 841 A 1 oder DE 29 51 316 A 1 oder ein vou parallelen Strömungskanälen durchzogener Keramikmoli nolith, bei dem jeweils ein an einer Stirnfläche offener Kanal auf der anderen Stirnfläche verschlossen ist, so daß Φ die makroporös ausgebildeten Kanalwandungen als Filterflächen wirken.
Ii Die beschriebenen, mit Katalysator ausgerüsteten Filtersysteme haben gemeinsam, daß sie in der sogenannten
L'; Rußbeladungsphase den Ruß, genauer den nach dem jeweiligen Betriebszustand überhaupt abfiltrierbaren
■vi Abgasanteü, auf ihren Füterfiächen ansammeln, bis beim Auftreten von Temperaturspitzen im Abgas die
\i Zündung mit der anschließenden Abbrennphase erfolgt Die Temperaturspitzen können absichtlich, z. B. durch
l\ Gemischüberfettung, herbeigeführt werden.
Yi Die Zündtemperaturen werden durch die katalytische Aktivierung bei Sauerstoffgehalten des Abgases von ca.
ti 2—14 Vol.-°/o im allgemeinen um ca. 50—8O0C erniedrigt und es wird eine vollständige Abreinigung des Filters
if erzielt, welche bislang als »vollständiger Rußabbrand« gedeutet wurde.
yi Indessen hat sich gezeigt daß mit den zündtemperatursenkenden Katalysatoren keine vollständige Durchoxi-
i. dation anströmender flüchtiger Dieselrußkomponenten sowie des während einer Rußbeladungsphase am Filter
U angesammelten und dann gezündeten Dieselrußes erzielt werden kann und bei den Abbrandbedingungen
g gegebenenfalls an den Kohlenstoffpartikeln adsorbierte Kohlenwasserstoffe, meist mehrkernige Aromaten,
% verflüchtigt oder eventuell sogar zu teilweise flüchtigen Produkten gespalten oder unvollständig oxidiert wer-
tß den.
v:. Als Folge davon ist nicht nur ein Anstieg der Emission von Kohlenmonoxid und eventuell sogar von bei
|| normaler Außentemperatur flüchtigen Kohlenwasserstoffen in einem erheblichen Ausmaß über die sonst an sich
jf! günstig beurteilte Emission des Dieselmotors hinaus zu beobachten, sondern beim »Abbrand« verdampfte, bei so
|| normaler Außentemperatur nichtflüchtige Kohlenwasserstoffe passieren das Filter gasförmig, kondensieren
0 beim Eintritt in die Umgebungsluft und vergrößern damit die Emission an »particulates« in unerwünschtem
iA Maße.
|£ Erkennbar wird der Abbrennvorgang durch ein sprunghaftes Absinken des Abgasgegendrucks vor dem Filter.
SS Gemäß der älteren, noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 32 32 7293, von der iiii Oberbe-
j§ griff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist schon versucht worden, diesem Problem dadurch zu begegnen, daß
>!> die dort beschriebenen, nach dem zweistufigen Rußbeladungs- und Abbrandzyklus arbeitenden Filtereinheiten
|| auf ihrer Abgaseintrittsseite mit einem Zündkatalysator und auf ihrer Abgrnaustrittsseite mit einem Edelmetall-
§3 katalysator belegt werden.
Il Die konstruktive Ausbildung dieser auf der stromaufwärtigen Seite einer Filtermembran mit dem Zündkataly·
|i sator und auf deren stromabwärtiger Seite mit dem Edelmetallkatalysator versehenen einstückigen Systeme war
h jedoch insoweit verbesserungsbedürftig, als die beiden unterschiedlichen Katalysatorschichten auf Vorder- und
l| Rückseite der Membran bzw. der Membranen eines solchen Filters nur schwierig und umständlich anzubringen
Il sind und diese vom zu reinigenden Abgas jeweils nur ein einziges Mal durchströmt werden, wodurch sowohl die
ti| Rußrückhaltung als auch die Nachverbrennung flüchtiger Schadstoffe begrenzt und die Grenzfläche zwischen
β beiden Katalysatoren thermisch außerordentlich stark belastet wird. Es bestand die Aufgabe, diese Nachteile zu
H vermeiden.
jf! Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, für jede der beiden Katalysatorarten ein selbständiges Filterlement
als struktureller Verstärker vorzusehen und die verschiedenen aktivierten Einzelelemente in Form einer mehrfa- ;
che:i Aufeinanderfolge zu schalten. α
Die Erfindung betrifft demgemäß eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit einem 5)
im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filter, welcher mit einem die Zündtem- $
s per« tür ausgefiltertcr Rußteilchen senkenden und ihren Abbrand fördernden sowie mit einem die Verbrennung ^
gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator versehen ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem |j
Getiäuse unmittelbar oder im Abstand hintereinander Filterelemente zur Abtrennung der Rußteilchen angeord- ff
net sind, wobei mindestens ein Filterelement A, welches den die Zündtemperatur des Rußes senkenden und ί
seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt und mindestens ein Filterelement B, welches den die Verbrennung
gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt, einander mehrfach abwechseln. t„.
Die Reihungen mit der kleinsten Anzahl von Filterelementen, auf die sich das Patent erstrecken soll, sind ' * A-BA und B-A-B.
Um den die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator vor einer Inaktivierung durch abgeschiedene »particulates« zu bewahren, sieht eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung vor, daß '
eine Serie alternierender einzelner Filterelemente oder Filterelementgruppen der Spezies A und B in Richtung .
des Abgasstroms mit einer Spezies A beginnt und mit einer Spezies B endigt Diese schließt eine umgekehrte '..! Anordnung nicht aus.
Im allgemeinen werden Filterelemente der Spezies A bzw. B in gleicher geometrischer Form eingesetzt; bei !
entsprechender Gestaltung des Gehäuses können jedoch aach Elemente unterschiedlicher geometrischer Form ~ nacheinander angeordnet werden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Filterelemente A bzw. B gleicher geometrischer Form in einem Abstand von höchstens der doppelten Stärke des Filterelements aufeinander folgen. Das Abgas wird dadurch bei jedem Austritt aus einem Filterelement in den Zwischenraum erneut
verwirbelt was die Konversion der Schadstoffe günstig beeinflußt. ;
Durch die kaskadenartige Anordnung mehrerer Filterelemente der verschiedenen Spezies wird nicht nur die Filtration und Konversion der »particulates« und die Nachverbrennung vorhandener oder gebildeter gasförmi- :
ger Schadstoffe mehrfach wiederholt sondern auch die in vorderen Abschnitten der Abgasreinigungseinrichtung' entwickelte Wärme in hinteren Abschnitten nutzbar gemacht Dies ermöglicht, den Strömungswiderstand des Filters herabzusetzen und bei mittleren und höheren Betrk bslasten unter Verzicht auf eine ausgeprägte »Rußbeladungsphase«, einen weitgehend kontinuierlichen Umsatz der »particulates« auf ihrem Weg durch die
Abgasreinigungseinrichtung herbeizuführen.
Allgemein verwendbare Filterelemente können sein: Offenporig gesinterte Keramikscheiben; Scheiben aus gepreßter Keramikfaser, insbesondere AI2O3-, SiO2-, Aluminumsilikat- oder ZrO2-Faser; Scheiben aus Sinterme- '
tall; Scheiben aus gepreßter Stahlwolle; Schüttkörperschichtungen aus temperaturbeständigem keramischen oder metallischen Material.
Als besonders geeignetes Filterelement für ein Gehäuse beliebigen, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts kann dafür eine gegebenenfalls mit einer metallischen Einfassung als Halterung umgebene flache Scheibe aus verdichtetem Drahtgewebe verwendet werden, welche durch axiales Pressen eines in mehreren Lagen aus einem einzigen hochtemperaturfesten und korrosionsunempfindlichen Draht geflochtenen Strumpfes hergestellt ist Solche Filterelemente sind in der DE 32 03 237 A 1 im einzelnen beschrieben.
Der Katalysator für das Filterelement A, welcher das Zünden und Abbrennen der »particulates« fördern soll, besteht gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einer oder mehreren der nachstehenden, für diesen Sonderfall einer heterogenen Katalyse der Umsetzung eines teilchenförmigen Stoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel als überaus wirksam befundenen Zusammensetzungen a) bis e):
a) Lithiumoxid,
b) Vanadinpentoxid,
c) Vanadinpentoxid plus Oxid eines oder mehrerer der Elemente
Li1Na1K1Rb1Cs; Mg1Ca1Sr1Ba;
B.Al;
Si7Sn;
Sb1Bi;
Cu, Ag; Zn;
:5c Y. La, Ce, Pr, Nd, Tb;
Ti1Zr1Hf;
Nb;
Cr1Mo1W; Mn5Re;
Fe,Co,Ni,
wobei der Oxidzusatz vorzugsweise 1 —30 Gew.-%, bezogen auf V2OS beträgt j;
d) Vanadat von einem oder mehreren der unter c) für den Oxidzusatz aufgeführten Metalle und ^
e) Perrhenat, vorzugsweise von Li, K, Ag, V
oder aus einer Kombination einer solchen Zusammensetzung mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial, U
wobei dieses entweder mit dem Katalysator vermischt ist oder, aufgebracht auf dem Filterelement, dem Katalysator als Unterlage dient,
und das als Katalysator für das Filterelement B eines oder mehrere Platingruppenelemente oder eines oder mehrere Platingruppenelemente zusammen mit einem oder mehreren Unedelmetallen, in Kombination mit einem temperaturbeständigen Trägermaterial eingesetzt werden, wobei letzteres entweder mit dem Katalysator s vermischt ist oder, auf dem Filter aufgebracht, dem Katalysator als Unterlage dient.
Geeignete Trägermaterialien für die Katalysatoren von Filterelementen A wie B, welche einzeln oder in Abti'..schungen verwendet werden können, sind z. B. MgO, AI2O3, insbesondere ^-AhOa, CeO2, S1O2, SnC>2, T1O2, ZrOj, HfO2, ThO2, N^Os, WO3, Magnesiumsilikat, Aluminiumsilikat und/oder Magnesiumtitanat oder Kombinationen davon.
Von besonderer Bedeutung ist die Wahl des Werkstoffes für das Filterelement A. Es wurde gefunden, daß sich Werkstoffe mit chemischen Zusammensetzungen (in Gew.-%), wie
C Mn P S Cr Si V Co Al Zr Y
a) 0,09 0,29 0,02 0,02 12,93 0,22 0,03 0,48 5,05 0,15 0
b) 0,11 030 0,02 0,02 13,17 0,22 0,07 0,56 · 4,92 0,23 0
c) Ö.Ö3 03 i 0,02 0,00 20,0 0,44 Λ 4 *% 0,48 4,3 5,3 r\ i <t 0
oder auch
d) 0,17 0,28 0,02 0,02 1539 O32 0,02 0,34 5,53 0,005 0,45
(Werkstoffe a) und B) entsprechen DIN 1.4725 und Werkstoff c) der DlN 1.4767), ferner Eisenlegierungen mit hohem Nickelgehalt, Eisenlegierungen mit einem Nickelüberzug sowie Aluminium-beschichtete oder mit einer Aluminium-Diffusionsschicht überzogene Eisenlegierungen besonders gut eignen.
Als Werkstoff für das Filterelement B wird ein aluminiumhaltiger Chromstahl bevorzugt, welcher durch Tempern an Luft bei Temperaturen von 800—1300°C mit einer haftfesten Aluminiumoxidschicht überzogen werden kann. Auf dieser Verankerungsschicht werden dann Trägermaterial und katalytisch aktive Komponente gleichzeitig oder nacheinander nach bekannten Methoden aufgebracht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt
F i g. 1 ein 12 Filterelemente enthaltendes Abgasfilter;
F i g. 2 den Verlauf der Rußsammei- und Abrennphase bei einer Serie von 12 unbeschichteten Filterelementen;
F i g. 3 den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A;
F i g. 4 den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei einer Serie von 6 Filterelementen der Spezies A, gefolgt von δ Filterelementen der Spezies B und
F i g. 5 den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A und B, wobei jeweils ein Element der Spezies A mit einem Element der Spezies B einander abwechseln.
Für die Durchführung der Ausführungsbeispiele wurde jeweils ein Abgasfilter aus einem zylinderförmigen -i" Blechgehäuse aus Chrom-Nickelstahl verwendet, welches an den Frontseiten jeweils mit einem zu einem Rohrstutzen für den Abgaseintritt bzw. -austritt konisch zulaufenden Deckel verschlossen war und in dem zylinderförmigen Innenraum jeweils 12 hintereinander angeordnete Filterelemente aus Drahtgestrickscheiben gemäß DE 32 03 237 A 1 der Knecht Filterwerke GmbH, 7000 Stuttgart, enthielt, wobei diese Filterelemente mit ihrem Umfang eng an der Gehäusewand anlagen.
Die Drahtgestrickscheibe aus Werkstoff 1.4767 (Zusammensetzung in Gew.-°/o: C 0,03, Mn 031, P 0,02, S 0,00, Cr 20,0, Si 0,44, V 0,12, Co 0,48, Al 4,8, Zr 0,12) hatte einen Durchmesser von 72 mm, eine Dicke von 3,2 mm und wog 10,2 g. Sie war durch exaktes Pressen eines in mehreren Lagen aus einem 75 m langen Draht von 0,15 mm Dicke geflochtenen Strumpfes gefertigt.
Zur Herstellung von Filterelementen der Spezies A wurden die Drahtgestrickscheiben zunächst 1 Stunde bei 7000C vorgetempert, danach bei Raumtemperatur in einen pulverförmigen Gemisch aus 99 Gewichtsteilen Vanadinpentoxid (Reinheit 97%) und 5 Gewichtsteilen Silbervanadat gewälzt und der dabei erzeugte Belag 30 min bei 7000C behandelt Dabei entstand eine festhaftende, geschlossene Katalysatorschicht von 1 —10 μπι Dicke (Katalysatormasse je Scheibe=ca. 2 g).
Zur Herstellung von Filterelementen der Spezies B wurden pro Scheibe 9 g ^»-AbOa und 0,07 g Platin aufgebracht Die Aufbringung des Aluminiumoxids erfolgte durch Tauchen der Scheibe in einer 30 Gew.-%-igen wäßrigen Aluminiumoxiddispersion, Ausblasen und Trocknen bei 2000C, wobei diese Vorgänge 3—6 mal wiederholt wurden. Der Katalysatorbelag wurde daraufhin 120 min bei 7000C getempert Die Aufbringung des Platins erfolgte durch mehrmaliges Imprägnieren der AfeOs-gecoateten Drahtgestrickscheibe mit einer wäßrigen Lösung von [Pt(NHs)4](OH)2 und Trocknen bei 2000C sowie durch darauffolgendes 1-stündiges Calcinieren bei 500° C und eine abschließende 2-stündige Reduktionsbehandlung in Formiergas (Zusammensetzung: 95 Vol.-% N2+5 VoL-% H2)bei550cC
Für die einzelnen Versuche wurden jeweils 12 Filterelemente in unbeschichteter Form oder gemäß den Spezies A und B in dem in F i g. 1 gezeigten Gehäuse untergebracht
Nach F i g. 1 besteht der in den Beispielen verwendete Testkonverter aus einem zylindrischen Gehäuseteil 1 aus Werkstoff 1.4571, das am anströmseitigen Ende einen zur Gehäuselängsachse senkrecht ausladenden Flansch mit 6 gleichverteilten Bohrungen 5 zur Aufnahme einer Schraubbolzenverbindung aufweist
Am abströmseitigen Ende verläuft das Gehäuse mit einem Konus zu einem zylindrischen Austrittsstutzen für
das Abgas, auf den die rückwärtige Auspuffleitung aufgesteckt wird.
Im Gehäuseteil 1 sind hintereinander, jeweils in einem Abstand von 6 mft, 12 der vorhin erläuterten scheibenförmigen Filterelemente 2 der gewünschten Spezies eingesetzt Ihre Umfange liegen dem Gehäusemantel eng an. Die Abstände zwischen den Filterscheiben werden durch eingeschobene Zwischenringe 3 aus Werkstoff 1.4571 gehalten. Die Abstände dienen zur Verbesserung der Gasdurchmischung.
Auf der Anströmseite des Konverters ist das Gehäuseteil 1 mit einem Anströmkopf 4 aus demselben Material verbunden. Der Anströmkopf besteht aus einem in den Innenmantel des Gehäuses eingepaßten und in diesen einschiebbaren Ring (Länge entspricht etwa der Stärke des Gehäuseflansches), welcher mit einem zum Eintrittsstutzen für das Abgas zulaufenden Konus verbunden ist In den Abgaseintrittsstutzen wird die vom Motor ίο kommende Auspuffleitung eingesteckt An dem Konus des Kopfteils ist ein mit 6 Bohrungen zur Aufnahme der genannten Schraubbolzenverbindung versehener Gegenflansch zum Flansch des Gehäuses 1 so angebracht, daß seine Dichtfläche in der durch den Ringansatz am Konus verlaufenden Ebene liegt. Zwischen den beiden Flanschen ist eine Dichtscheibe 6 aus Asbest (Montanit ®) vorgesehen.
Durch das Anziehen der Schraubbolzen werden die Filterelemente 2 über die Zwischenringe 3 zusammengepreßt. Sie legen sich dadurch an ihrem Umfang noch enger an den Innenmantel des Gehäuses an, womit ein Bypaß des Abgases vermieden wird und das gesamte Abgas gezwungen wird, sämtliche Filterelemente zu passieren.
Das montierte Abgasfilter wird in die Auspuffleitung eines mit einer Wasserwirbelstrombremse mit elektrischer Drehzahl und Lastregelung versehenen Dieselmotors mit folgenden Daten eingebaut:
VW-4-Zyinder-Diesel-Motor
Leistung: 40 kW
Hubvolumen: 1500 cm3
Höchstdrehzahl unbelastet:5550 UmdrehVMin.
Leerlaufdrehzahl: 825 UmdrehVMin.
Die Abgasanalyse umfaßt eine Bestimmung von HC, CO, NOx vor und nach dem Abgasfilter sowie eine Rußmessung nach dem Filter mittels eines Opacimeters (Trübungsmesser).
Der Abgasgegendruck (Druckverlust) vor dem Filter wird mittels eines Dosen-Kontakt-Manometers und die Abgastemperatur vor Filter mit einem Ni-Cr-Ni-Thermoelement erfaßt.
Für die in den Beispielen geschilderten Tests wurde unter Verwendung vorstehend erläuterter Prüfanlage folgendes Meßverfahren angewandt:
Der Dieselmotor wird zu Beginn auf eine konstante Last und Drehzahl eingestellt und so lange unter diesen Bedingungen betrieben, bis ein Ladedruck am Filter von 150 mbar erreicht ist (Sammelphase). Die dafür erforderliche Zeit sowie die anderen Parameter werden kontinuierlich von einem 6-Kanalschreiber aufgezeichnet
Vor Beginn des eigentlichen Prüfzyklus erfolgt die Ermittlung der Ruß-Zündtemperatur, indem die Last vom Ladedruck 150 mbar aus stufenweise bis zum Erreichen eines Gieichgewichtsdruckes (Zfinddruck P2) gesteigert wird. Als Zündtemperatur Tz wird diejenige Abgastemperatur definiert bei der unter konstant gehaltenen Motorbetriebsbedingungen kein weiterer Druckanstieg mehr stattfindet d. h. der sich am Filter ablagernde bzw. am Filter ankommende Ruß sofort wieder verbrennt
Nach 5 Minuten Betrieb unter konstanten Bedingungen wird die Motorlast angehoben, bis die oberhalb Tz liegende Regenerationstemperatur erreicht ist Dann beginnt der abgelagerte Ruß zu verbrennen und der Druck vor dem Filter sinkt rasch bis zu einem Grenzwert des Regenerationsgrades ab, der je nach Filtertyp bzw. -anordnung verschieden ist Nach 20 Minuten wird die Regeneration als beendet angesehen und danach der Zyklus wiederholt
Die Zeit vom Beginn der Regeneration bis zum Erreichen des Enddruckes wird für die Bewertung der Katalysatorbeschichtung(en) herangezogen. Sie charakterisiert die Ruß-Abbrenngeschwindigkeit. Für die Auswertung wird ein aus der Summe von Einzelzyklen gebildeter Mittelwert verwendet
Neben der Ruß-Zündtemperatur wird auch die Partikelabscheidung mit Hilfe eines der Filtereinrichtung (Testkonverter) nachgeschalteten Trübungsmessers (Opacimeter) bestimmt
Beispiel 1
j 55 Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Partikel-Sammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 nicht mit
Katalysator beschichteten Filterelementen.
12 Filterelemente der beschriebenen Konstruktion, ohne katalytische Beschichtung, wurden in dem in F i g. 1 dargestellten Konverter an der Prüfanlage mit Dieselabgas beaufschlagt
Die gemessenen Daten sind aus der den Beispielen nachgestellten Tabelle und aus F i g. 2 zu ersehen. Es ergibt sich:
In der sog. Sammelphase, die bei konstanter Drehzahl und Motorlast abläuft beladen sich die Filterelemente mit den im Abgas enthaltenen Rußpartikeln, wodurch der Druckverlust (bzw. Abgas-Gegendruck) im System zunimmt Bei Erhöhung der Motorlast stellen sich Gleichgewichtsdruck Pz und Gleichgewichtstemperatur Tz allmählich ein.
Bei weiterer Anhebung der Motorlast steigt die Abgastemperatur an, wodurch sich der Abbrand der Rußpartikei beschleunigt Ais Foige davon fäiit die Druckverfustkurve relativ steii ab und verläuft sodann bis zur Erreichung des Enddruckes Pf nahezu horizontal.
Der Verlauf der in F i g. 2 abgebildeten Druckverlustkurve zeigt: Zündtemperatur, Zünddruck und Enddruck
liegen hier relativ hoch. Eine Konvertierung von flüchtigen Kohlenwasserstoffen und von CO ist nicht feststellbar. Im Filter erfolgt eine Verringerung der anfänglichen Partikelkonzentration um 74% durch Abscheidung, entsprechend einer Partikelemission aus dem Filter von 26% des Ausgangswertes.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt den Verlauf der Ruß-Sammel- und Abbrennphase bei einer Serie von 12 Filterelementen der Spezies A.
Die Filterelemente wurden in den Konverter eingesetzt und an der Prüfanlage getestet Die Meßdaten sind der den Beispielen nachgestellten Tabelle zu entnehmen.
Daraus und aus F i g. 3 geht hervor, daß Partikelsammelphase, Rußzündung und Regeneration des Filters etwa wie in Beispiel 1 verlaufen, allerdings mit dem Unterschied, daß hier die Zündung dank der Katalysatorwirkung bereits bei geringerem Druckverlust und niedrigerer Temperatur — und demgemäß auch in kürzerer Zeit — einsetzt.
Die Filterregenerierung verlief vollständiger, erkennbar an der Erreichung eines gegenüber Beispiel 1 erheblieh niedrigeren Enddrucks Pe.
Die Kohlenwasserstoff- und CO-Konvertierung ändert sich (im Rahmen der Meßgenauigkeit) gegenüber Beispiel 1 nicht, d. h. der Zündkatalysator ist zur Konvertierung dieser Stoffe nicht imstamde.
Die gegenüber Beispiel 1 geringere prozentuale Partikelabnahme erklärt sich durch den katalysierten Rußabbrand, der zu einem dünneren und damit schlechter filtrierenden Filterbelag führt.
Beispiel 3
Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei einer Serie von 6 Filterelementen der Spezies A, gefolgt von 6 Filterelementen der Spezies B.
Die Filterelemente der Spezies A, gefolgt von den Filterelementen der Spezies B wurden in den Konverter eingesetzt und an der Prüfanlage getestet. Die Meßdaten sind aus der den Beispielen nachgestellten Tabelle und aus F i g. 4 zu ersehen.
Es ergab sich, daß Sammel- ;»nd Abbrennphase ähnlich wie in den Beispielen 1 und 2 verlaufen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Rußzündung bei einem gegenüber Beispiel 2 noch weiter abgesenkten Druckverlust und bei noch geringerer Abgastemperatur einsetzt.
Nach Abschluß der Regenerierungsphase wurde auch ein weiter abgesenkter Enddruck Pe erreicht. Durch die mitverwendeten Filterelemente der Spezies B konnte ferner eine erhebliche Absenkung der CO- und HC-Konvertierung erzielt werden. Zusätzlich ergab sich durch die Kombination der beiden Filitereiementspezies gegenüber Beispiel 2 eine geringfügige Verbesserung des Filterwirkungsgrades. .
Beispiel 4
Das Beispiel beschreibt den Verlauf der Rußsammei- und Abbrennphase bei Einsf.iz von 12 Filterelementen der Spezies A und B, wobei jeweils ein Element der Spezies A mit einem Elemenil der Spezies B einander abwechseln.
In den Konverter wurden die Elemente in der Reihenfolge A-B-A-B — etc. eingesetzt und das Filtersystem an der Prüfanlage getestet. Die Meßdaten sind aus der nachfolgenden Tabelle und aus F i g. 5 zu ersehen.
Der in F i g. 5 dargestellte Kurvenverlauf zeigt einen wesentlich flacheren Anstieg des Druckverlustes über die Betriebszeit als bei den vorangegangenen Beispielen. Der Partikelabbrand erfolgte hier schon bei Abgastemperaturen, die bei geringer Motorlast erreicht werden, wobei ein erheblicher Teil der ankommenden Rußpartikel ohne wesentliche Ansammlung sofort am Filter verbrennt
Dadurch ist hier eine ausgeprägte Rußsammeiphase nicht mehr vorhanden, was als wesentlicher Vorteil der alternierenden A-B-A-B-Anordnung zu werten ist
Das Beispiel veranschaulicht, daß bei alternierender Anordnung von Filterelementen der Spezies A und B die niedrigsten Zündtemperaturen, der geringste Druckanstieg und die größte Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Konvertierung bei weiterer Verbesserung des Filterwirkungsgrades erreicht werden können.
Si Meßdatentabelle zu den Beispielen
' Beispiel Pz Tz Pe Partikel- "C mbar % Partikel Abgaskonvertierung bei 400° C CO NOx
(Zünddruck) Zündtem.) (Enddruck) abnähme 475 110 74 emission % • *
mbar 408 70 63 % HC • *
l(Fig.2) 200 375 65 65 26 70
2(Fig.3) 175 350 60 68 37 * 87 ·
3(Fig.4) 157 * = Werte üegen innerhalb der Meßgenaui 35 72
4(Fig.5) 100 32 87
t
i- 		gkeit, d. h. sie sind vernachlässigbar klein.
Spezies A und B als auch eine alternierende Anordnung A-B-A-B usw. erhebliche Vorteile gegenüber Filtersy-
Sternen erbringen, welche entweder keinen Katalysator oder nur einen ZOndkataiysator (für den Abbrand der Rußpartikel) enthalten. In beiden Fällsn kann der durch die Filtereinrichtung hervorgerufene Druckverlust niedriger gehalten werden und der Rußabbrand gelingt bereits bei niedrigen Motorlasten. Dies bedeutet für den praktischen Einsatz im Fahrzeug eine erhöhte Betriebssicherheit der Rußfiltereinrich-
5 tung, eine verringerte Schadstoffemission und einen verringerten Treibstoffverbrauch des Motors. Die in Beispiel 4 vorgestedte Ausführungsform der Erfindung ist dabei noch derjenigen von Beispiel 3 Oberlegen. Indessen übertrifft letztere schon die Effektivität von Systemen, bei denen parallel geschaltete Filtennembranen anströmseitig den Zündkatalysator und abströmseitig den Nachverbrennungskatalysator für flüchtige bzw. verflüchtigte Schadstoffe tragen.
ίο Die für den Katalysator der Filterelemente A entwickelten speziellen Stoffzusammensetzungen schaffen eine entscheidende und auch selbständig in anderem Rahmen verwertbare Voraussetzung für die Bewältigung der durch die relativ kühlen Abgase des Dieselmotors aufgeworfenen Probleme von Rußzündung und -abbrand.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
15
40 iti

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit einem im Querschnitt eines vom Abgas durchströmten Gehäuses angeordneten Filter, welcher mit einem die Zündtemperatur ausgefilterter RüBteilchen senkenden und ihren Abbrand fördernden sowie mit einem die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse unmittelbar oder im Abstand hintereinander Filterelemente angeordnet sind, wobei mindestens ein Filterelement A, welches den die Zündtemperatur des Rußes senkenden und seinen Abbrand fördernden Katalysator trägt und mindestens ein Filterelement B, welches den die Verbrennung gasförmiger Schadstoffe fördernden Katalysator trägt, einander mehrfach abwechseln.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe alternierender einzelner Filterelemente oder Füterelementgruppen der Spezies A und B in Richtung des Abgasstroms mit einer Spezies A beginnt und einer Spezies B endigt
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Filierelemente A und B gleicher geometrischer Form in einem Abstand von höchstenr der doppelten Stärke des Filterelements aufeinander folgen.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterelement der Spezies A und/oder B für ein Gehäuse kreisförmigen Querschnitts eine mit einer metallischen Einfassung als Hsjterung umgebene flache Scheibe aus verdichtetem-and durch punktförmiges Verlöten, Verschweißen oder Versintern forjrstabilisierten Drahtgewebe verwendet wird, welche durch axiales Pressen eines in mehreren Lagen aus einem einzigen hochtemperaturfesten und korrosionsunempfindlichen Draht geflochtenen Strumpfes hergestellt ist
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Katalysator für das Filterelement A aus einer oder mehreren der nachstehenden Zusammensetzungen a) bis e) besteht:
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