EP0212396A2 - Vorrichtung zum Beseitigen von Russ o. dgl. ausden Abgasen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Beseitigen von Russ o. dgl. ausden Abgasen einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0212396A2
EP0212396A2 EP86110665A EP86110665A EP0212396A2 EP 0212396 A2 EP0212396 A2 EP 0212396A2 EP 86110665 A EP86110665 A EP 86110665A EP 86110665 A EP86110665 A EP 86110665A EP 0212396 A2 EP0212396 A2 EP 0212396A2
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EP
European Patent Office
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exhaust
resonator
soot
filter
soot filter
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EP86110665A
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French (fr)
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EP0212396B1 (de
EP0212396A3 (en
Inventor
Herbert A. Dipl.-Ing. Püschner
Johann Fürtauer
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/027—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means
    • F01N3/028—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means using microwaves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for removing soot or the like. from the exhaust gases of an internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine, with a microwave source which is coupled to an intermediate piece of the exhaust pipe and excites an electromagnetic field there, and with a soot filter made of dielectric material in the intermediate piece in the flow path of the exhaust gases.
  • soot filter is held by a metal body in the intermediate piece of the exhaust pipe and is flowed through essentially radially by the exhaust gases.
  • the soot filter serves to retain soot particles suspended in the exhaust gases. If the soot deposits exceed a predetermined level, an electromagnetic field is excited in the intermediate piece, whereby the soot is to be burned on the soot filter.
  • a disadvantage of the arrangement known from DE-PS 30 24 539 is that the soot filter is held by a metallic support body which projects coaxially into the intermediate piece and ends a short distance in front of the end wall of the intermediate piece.
  • the electromagnetic field therefore forms essentially between the end wall of the carrier body and the end wall of the intermediate piece.
  • the energy density of the electromagnetic field is therefore negligibly low in the area of the filter mat, the intended combustion of the soot particles deposited on the soot filter cannot be realized for this reason.
  • the area of high energy density namely on the front wall of the support body, there is no filter mat.
  • the object of the invention is to further develop the device and the method of the type mentioned at the outset in such a way that the soot can be effectively removed in a simple manner.
  • the intermediate piece is designed as a cavity resonator and contains a metal grille at each of its two exhaust gas openings, and in that the soot filter is arranged in the cavity resonator in a region of relatively high energy density of the electromagnetic field.
  • the intermediate piece is designed as a cavity resonator in which an electromagnetic field of high energy density can be generated, and that the soot filter is arranged in the region of relatively high energy density, so that the soot particles separated on the soot filter are constantly or during predetermined intervals are burned by the sufficiently strongly excited electromagnetic field.
  • the soot filter Due to the attachment of the soot filter in the area of high energy density, the flow lines of the exhaust gases inevitably also run through this area and are therefore - with sufficient amplitude of the excited electromagnetic field - partially burned during the approach to the soot filter, so that the filter only with part of the soot particles entering the resonator are acted upon.
  • the amount of soot deposited on the soot filter is therefore small per unit of time; In order to fall below a certain soot concentration in the exhaust gases flowing off, a filter with lower efficiency or lower flow resistance may be sufficient.
  • the soot filter can be designed either entirely or in sections in a self-supporting construction.
  • An embodiment of such a self-supporting soot filter has several axially aligned channels. Adjacent channels are closed on opposite end sides, so that the exhaust gases entering the open channels at the end flow through the partition walls made of filter material and on the other end side - in the adjacent channels - emerge from the soot filter.
  • Such an arrangement has the advantage of not requiring a separate support body.
  • soot filter If such a self-supporting soot filter is inserted axially into the flow path of the exhaust gases, a particularly homogeneous guidance of the exhaust gases in the resonator and thus also in the resonator area of high energy density is ensured, whereby the soot particles both during their flow movement and during or after deposition on the filter be burned effectively.
  • the soot filter is designed as a filter mat or filter layer which is arranged on a sufficiently gas-permeable dielectric carrier body.
  • the filter-coated carrier body has the shape of a tube, which extends essentially from the first exhaust opening to the second exhaust opening.
  • one exhaust gas opening of the resonator lies within the filter cross section, and the other exhaust gas opening lies outside the filter cross section, so that the exhaust gases also have to flow through the filter mat and the carrier body when flowing through the cavity resonator.
  • the exhaust gases are introduced within the filter cross-section, they flow through the filter mat provided with an axial and a radial component and then emerge from the resonator in a flow with, for example, an annular cross section through the other exhaust gas opening lying in a ring around the support body and the filter mat .
  • the exhaust gases can flow through the resonator in the opposite direction, they then pass through an annular exhaust gas opening which surrounds the carrier body and the filters is arranged around, into the resonator and out of the resonator through a circular exhaust gas opening within the filter cross section.
  • the filter unit consisting of carrier body and filter mat can be provided at the upstream or downstream end with a conical flow divider, which preferably projects into the adjoining exhaust pipe and forms the central core of the annular exhaust opening.
  • the nominal width of the carrier body is particularly preferably equal to the nominal width of the exhaust gas line adjoining the first end wall, and the exhaust gas opening in this end wall likewise has this nominal width.
  • the exhaust opening on the opposite second end wall is then annular and surrounds the flow divider projecting through this exhaust opening. In this way, unnecessary jumps in diameter between the exhaust pipe and the filter unit are prevented and additional flow resistance is avoided.
  • a dielectric, gas-tight insert is arranged as a tube with a nominal width that is larger than the diameter of the soot filter and the support body and the exhaust pipe and is arranged concentrically to the soot filter and forms the outer wall of the exhaust gas duct in the region of the resonator.
  • the end walls of the resonator can be provided with gas-tight dielectric inserts at a predetermined distance. In this way, the hot exhaust gases are kept away from the walls of the resonator, which is therefore less thermally stressed and is subject to less thermal expansion.
  • These inserts are also suitable to direct the gas flow in the resonator through the areas of relatively high energy density.
  • the greatest energy density of the excited electromagnetic field is either concentrically formed on the inside or outside around the tubular support body / filter mat, so that the flow of the exhaust gases through the resonator runs before and after flowing through the soot filter in the area of high energy density which can also directly burn the suspended moving soot particles.
  • the metal grids on the two exhaust gas openings of the resonator ensure that there is sufficient metallic limitation for the microwave field in the area of the exhaust gas openings, as a result of which the high quality of the resonator required to achieve high energy densities and a homogeneous field profile is achieved and the radiation of microwave energy by the exhaust pipe is effectively suppressed. This creates the prerequisite for being able to generate the high energy density required to burn the suspended or deposited soot particles on the soot filter.
  • the metal grids are advantageously designed as honeycomb grids with a predetermined axial minimum length and extend from the exhaust gas openings into the exhaust gas line. This will change the field configuration in the cavity resonates as little as possible, the areas of high energy density can be specified in the resonator in the known manner.
  • resonators can be coupled by means of coupling elements which couple the microwave energy from one resonator to the adjacent resonator.
  • the resonator and the microwave source are preferably decoupled thermally from the exhaust gas line as effectively as possible.
  • the cooling water system of the internal combustion engine which allows its cooling water to flow through an outer cooling jacket of the resonator, is particularly advantageous for this purpose.
  • the resonator is expediently made of a metal with a low thermal expansion value.
  • the exhaust gases from an internal combustion engine are continuously or during predetermined Operating intervals passed through a soot filter which is arranged in an electromagnetic microwave field of high energy density in order to burn the soot particles suspended in the exhaust gas stream and deposited on the soot filter.
  • a microwave cavity resonator 1 is inserted as an intermediate piece in an exhaust pipe 15 of a diesel internal combustion engine (not shown).
  • the cavity resonator 1 has a first end wall 2, at a predetermined axial distance from it a second end wall 3 and a peripheral wall 4, which in the example shown forms a circular cylinder and connects the end walls 2 and 3 to one another.
  • the exhaust pipe 15 opens out via a first Ab gas opening 6 in the first end wall 2, and via a second exhaust opening 8 in the second end wall 3 into the cavity resonator 1.
  • the exhaust line 15 either passes in one piece or via flange connections into the end walls 2 and 3 or corresponding inlet or outlet connections.
  • the resonator consists of a metal with a low thermal expansion value, for example stainless steel, and may be coated on its inner surface with an electrically highly conductive layer.
  • microwave energy is fed into the resonator 1 at a frequency of a suitable type from a microwave source 18 with a frequency such that the electromagnetic Field with a desired vibration mode, e.g. an E010 mode, which has a decreasing electric field and a decreasing electrical energy density with increasing distance from the axis of the resonator.
  • a desired vibration mode e.g. an E010 mode
  • the two exhaust openings 6, 8 are each provided with a metal grille 14, which e.g. is formed from a thin metal sheet as a honeycomb grid and a predetermined minimum axial length protrudes into the exhaust line 15 in order to generate a sufficient metallic limitation of the resonator volume for the electromagnetic field and nevertheless to be able to pass the exhaust gases through the resonator 1 without greater flow resistance.
  • a metal grille 14 e.g. is formed from a thin metal sheet as a honeycomb grid and a predetermined minimum axial length protrudes into the exhaust line 15 in order to generate a sufficient metallic limitation of the resonator volume for the electromagnetic field and nevertheless to be able to pass the exhaust gases through the resonator 1 without greater flow resistance.
  • a soot filter 20 is arranged coaxially with the exhaust pipe 15, which extends from the first end wall 2 to the second end wall 3.
  • the soot Filter 20 contains a filter mat 22, which is arranged on a gas-permeable, tubular support body 24 made of dielectric material on the inside or outside surface and completely covers this area.
  • the nominal width of the first exhaust opening 6 and the nominal width of the carrier body 24 are equal to the nominal width of the exhaust pipe 15 adjoining the first end wall 2.
  • the opposite second end wall 3 closes the tubular support body 24 with a central section at this end 3a, which forms a conical flow divider 13 protruding into the adjoining exhaust pipe 15.
  • the second exhaust opening 8 is designed in a ring shape, and the end wall 3 merges into the exhaust line 15 with a conical line section 16.
  • the nominal width of the second exhaust opening is larger than the nominal width of the carrier body 24 and the filter mat 22, so that exhaust gases entering through the first exhaust opening 6 pass through the carrier body 24 and the filter mat 22 with a radial movement component when flowing through the resonator 1 and then through the ring-shaped one second exhaust opening 8 leave the resonator 1 again.
  • the index n or m is a measure of the relative axial length L of the resonator, measured in whole multiples of half the resonance wavelength.
  • the generated electromagnetic field burns the soot particles deposited on the filter mat 22, and it can also burn soot particles contained in the exhaust gases if such a vibration mode is used that the energy density in the central area of the resonator increases accordingly.
  • the structure of the device according to FIG. 2 essentially corresponds to that of FIG. 1 with the exception that the exhaust gases enter the resonator through the annular second exhaust opening 8 and then from the outside with a radial component through the filter mat 22 and the support body 24 in the Enter the central interior of the soot filter and then leave the resonator 1 through the first exhaust opening 6.
  • the nominal width of the support body 24 is also equal to the nominal width of the first exhaust gas opening 6, which is equal to the nominal width of the exhaust gas line 15 downstream.
  • the resonator 1 of the device according to FIG. 2 additionally contains a gas-tight dielectric insert 7 which is designed as a tube and has a nominal diameter which corresponds to the nominal diameter of the second exhaust gas opening 8.
  • the insert 7 is arranged over the entire axial length of the resonator 1 from the end wall 2 to the end wall 3. While the insert 7 influences the electromagnetic field in the resonator 1 only insignificantly, it forms an outer boundary wall for the exhaust gas flow, which prevents the exhaust gases from coming into contact with the peripheral wall 4 of the resonator and undesirably heating the resonator.
  • the resonator can preferably be operated as a H010 resonator which receives microwave energy through the waveguide 12 and the coupling hole 10 from the microwave source 18 to excite a H010 mode.
  • the area of high energy density is in the form of a ring zone, so that the tubular soot filter 20 lies in this excellent high-energy area.
  • the soot particles deposited on the filter mat 22 are therefore burned particularly effectively, and the flow resistance is only slightly increased by the filter.
  • the resonator 1 is provided on its two end walls 2 and 3 with equal-sized exhaust gas openings 6, 8, which have the nominal size of the exhaust pipe 15 adjoining on both sides.
  • a metal grid 14 is inserted in each of the two exhaust gas openings 6, 8, which is designed as a honeycomb grid and protrudes into the exhaust pipe 15.
  • a self-supporting soot filter 20 is inserted coaxially with the exhaust line 15, the outer diameter of which is slightly larger than the nominal width of the exhaust line 15 and has a gas-tight outer wall.
  • the self-supporting soot filter 20 contains a plurality of axially aligned channels 21, the intermediate walls of which are made of filter material. Adjacent channels are closed on opposite end sides, so that the exhaust gases entering the channels 21 pass through the intermediate walls and exit at the downstream end in the adjacent channels from the resonator 1 into the exhaust line 15.
  • the microwave source 18 excites an electromagnetic field in the resonator with a suitable vibration mode, which has the maximum energy density in the area of the soot filter 20 and therefore burns the soot particles deposited on the soot filter.
  • a tuning device (not shown) is present in each resonator 1, which ensures compliance with the resonance conditions, for example by an automatic mechanical change in the resonator cavity. Alternatively, the corresponding change in the resonance frequency is also possible.
  • an inherently rigid ring body made of dielectric, ceramic foam can be provided in the exemplary embodiment according to FIG. 1. This embodiment is advantageous if a large filter with a relatively low flow resistance can be implemented in a relatively small resonator volume.
  • the filter mat 22 and its gas-permeable support body 24 can be replaced by a soot filter 20 with axially aligned channels 21 according to the example of FIG. 3, this soot filter 20 in the gas-tight dielectric Insert 7 is arranged.

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Abstract

Die Vorrichtung enthält eine Mikrowellen-Quelle (18), welche an ein Zwischenstück (1) der Abgasleitung angekoppelt ist und dort ein elektro­magnetisches Feld erregt. In dem Zwischenstück ist ein Rußfilter (20) aus dielektrischem Material in dem Strömungs­pfad der Abgase angeordnet. Um eine wirksame Beseitigung des Rußes zu erzielen, ist das Zwischenstück (1) als Hohl­raumresonator ausgebildet, der an seinen beiden Abgas­öffnungen (6, 8) je ein Metallgitter (14) zur Abschirmung des er­regten elektromagnetischen Feldes enthält, und der Ruß­filter (20) ist im Hohlraumresonator (1) in einem Bereich rela­tiv grosser Energiedichte des elektromagnetischen Feldes angeordnet, damit die auf das Rußfilter (20) zuströmenden sowie die am Rußfilter (20) abgelagerten Teilchen durch das Mikrowellenfeld wirksam verbrannt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver­fahren zum Beseitigen von Ruß o.dgl. aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-­Brennkraftmaschine, mit einer Mikrowellen-Quelle, die an ein Zwischenstück der Abgasleitung angekoppelt ist und dort ein elektromagnetisches Feld erregt, und mit einem Rußfilter aus dielektrischem Material in dem Zwischenstück im Strömungspfad der Abgase.
  • Aus der DE-PS 30 24 539 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der das Rußfilter von einem Metallkörper in dem Zwischenstück der Abgasleitung gehalten wird und im wesentlichen radial von den Abgasen durchströmt wird. Das Rußfilter dient dazu, in den Abgasen sus­pendierte Rußpartikel zurückzuhalten. Überschreiten die Rußablagerungen ein vorgegebenes Maß, so wird in dem Zwischenstück ein elektromagnetisches Feld erregt, wodurch der Ruß auf dem Rußfilter zur Verbrennung ge­bracht werden soll.
  • Nachteilig bei der aus der DE-PS 30 24 539 bekannten Anordnung ist es, dass das Rußfilter von einem koaxial in das Zwischenstück hineinragenden metallischen Trä­gerkörper gehalten wird, der einen geringen Abstand vor der Stirnwand des Zwischenstücks endet. Das elek­tromagnetische Feld bildet sich daher im wesentlichen zwischen der Stirnwand des Trägerkörpers und der Stirn­wand des Zwischenstückes aus. Auf der zylindrischen Umfangsfläche des Trägerkörpers, auf dem die Filter­ matte liegt, enden dagegen nur sehr wenige elektrische Feldlinien. Die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes ist daher im Bereich der Filtermatte vernach­lässigbar gering, die beabsichtigte Verbrennung der am Rußfilter abgelagerten Rußpartikel ist aus diesem Grunde nicht verwirklichbar. Im Bereich hoher Energie­dichte, nämlich an der Stirnwand des Trägerkörpers, ist dagegen keine Filtermatte vorhanden.
  • Nachteilig ist es ausserdem, dass die in das Zwischen­stück einströmenden Abgase - aufgrund des gegen den Abgaseinlass gerichteten Trägerkörpers -im Zwischen­stück in den Bereich geringer Energiedichte gelenkt werden, und dass möglicherweise von der Filtermatte nicht zurückgehaltene kleinere Rußpartikel nach dem Durchlaufen des Filters in eine feldfreie Zone, näm­lich den Innenraum des metallischen Trägerkörpers ge­langen und dann ungestört abströmen können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Vor­richtung und das Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine wirksame Beseitigung des Rußes in einfacher Weise möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Zwischenstück als Hohlraumresonator ausge­bildet ist und an seinen beiden Abgasöffnungen je ein Metallgitter enthält, und dass das Rußfilter im Hohl­raumresonator in einem Bereich relativ grosser Ener­giedichte des elektromagnetischen Feldes angeordnet ist.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass das Zwischenstück als Hohlraumresonator ausge­bildet ist, in dem ein elektromagnetisches Feld hoher Energiedichte erzeugbar ist, und dass das Rußfilter im Bereich relativ hoher Energiedichte angeordnet ist, so dass die am Rußfilter abgeschiedenen Rußpartikel ständig oder während vorgegebener Intervalle durch das ausreichend stark angeregte elektromagnetische Feld verbrannt werden. Aufgrund der Anbringung des Rußfilters im Bereich hoher Energiedichte verlaufen die Strömungslinien der Abgase zwangsweise ebenfalls durch diesen Bereich und werden daher - bei ausreichender Amplitude des erregten elektromagnetischen Feldes - teilweise schon während der Annäherung an das Ruß­filter verbrannt, wodurch das Filter nur noch mit einem Teil der in den Resonator eintretenden Rußpartikel be­aufschlagt wird. Die am Rußfilter abgeschiedene Ruß­menge ist daher pro Zeiteinheit gering; um eine be­stimmte Rußkonzentration in den abströmenden Abgasen zu unterschreiten, genügt möglicherweise ein Filter mit geringerem Wirkungsgrad bzw. geringerem Strömungs­widerstand.
  • Das Rußfilter lässt sich entweder ganz oder abschnitt­weise in einer selbsttragenden Konstruktion ausführen. Eine Ausführungsform eines derartigen selbsttragenden Rußfilters besitzt mehrere axial ausgerichtete Kanäle. Benachbarte Kanäle sind dabei an einander gegenüber­liegenden Endseiten geschlossen, so dass die endseitig in die offenen Kanäle eintretenden Abgase durch die Zwischenwände aus Filtermaterial hindurchströmen und an der anderen Endseite - in den benachbarten Kanälen - aus dem Rußfilter austreten. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, keinen separaten Trägerkörper zu benötigen. Wird ein derartiges selbsttragendes Ruß­filter axial in den Strömungspfad der Abgase einge­fügt, so ist eine besonders homogene Führung der Abgase in dem Resonator und damit auch in dem Reso­natorbereich hoher Energiedichte gewährleistet, wo­durch die Rußpartikel sowohl während ihrer Strömungs­bewegung als auch bei oder nach Ablagerung auf dem Filter wirksam verbrannt werden.
  • Um einen relativ geringen Strömungswiderstand zu erzielen, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Rußfilter als eine Filtermatte oder Filterschicht ausgebildet, die auf einem ausreichend gasdurchlässigen dielektrischen Trägerkörper angeord­net ist. Der filterbeschichtete Trägerkörper besitzt die Form eines Rohres, welches sich im wesentlichen von der ersten Abgasöffnung bis zur zweiten Abgasöff­nung hin erstreckt. Erfindungsgemäss liegt dabei eine Abgasöffnung des Resonators innerhalb des Filterquer­schnitts, und die andere Abgasöffnung ausserhalb des Filterquerschnitts, so dass die Abgase beim Durch­strömen des Hohlraumresonators auch durch die Filter­matte und den Trägerkörper hindurchströmen müssen. Werden die Abgase innerhalb des Filterquerschnitts eingeleitet, so strömen diese mit einer Axial- und einer Radialkomponente versehen durch die Filtermatte hindurch und treten dann in einer Strömung mit z.B. ringförmigem Querschnitt durch die ringförmig um den Trägerkörper und die Filtermatte herum liegende andere Abgasöffnung aus dem Resonator aus. Alternativ können die Abgase in umgekehrter Richtung durch den Resonator hindurchströmen, sie treten dann durch eine ringförmige Abgasöffnung, die um den Trägerkörper und die Filter­ herum angeordnet ist, in den Resonator ein und durch eine kreisförmige Abgasöffnung innerhalb des Filter­querschnitts aus dem Resonator aus.
  • Die aus Trägerkörper und Filtermatte bestehende Filter­einheit kann am stromauf- oder stromabseitigen Ende mit einem kegelförmigen Strömungsteiler versehen wer­den, der bevorzugt in die sich anschliessende Abgas­leitung hineinragt und den zentralen Kern der ring­förmigen Abgasöffnung bildet.
  • Besonders bevorzugt ist die Nennweite des Trägerkörpers gleich der Nennweite der an der ersten Stirnwand an­schliessenden Abgasleitung, und die Abgasöffnung in dieser Stirnwand besitzt ebenfalls diese Nennweite. Die Abgasöffnung an der gegenüberliegenden zweiten Stirnwand ist dann ringförmig ausgebildet und umgibt den durch diese Abgasöffnung hindurchragenden Strömungs­teiler. Auf diese Weise werden unnötige Durchmesser­sprünge zwischen Abgasleitung und der Filtereinheit verhindert und zusätzlicher Strömungswiderstand vermieden.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein dielektrischer, gasdichter Einsatz als Rohr mit einem gegenüber dem Durchmesser des Rußfilters und des Tragkörpers und der Abgasleitung vergrösserten Nennweite konzentrisch zum Rußfilter angeordnet und bildet im Bereich des Resonators die Aussenwand des Abgaskanals. Zusätzlich lassen sich auch die Stirn­wände des Resonators in vorgegebenem Abstand mit gas­dichten dielektrischen Einsätzen versehen. Auf diese Weise werden die heissen Abgase von den Wänden des Re­sonators ferngehalten, der dadurch thermisch weniger belastet wird und einer geringeren Wärmeausdehnung unterliegt. Ausserdem sind diese Einsätze geeignet, den Gasstrom im Resonator konzentriert durch die Be­reiche relativ grosser Energiedichte zu leiten.
  • Besonders bevorzugt wird der Resonator als E01n-Re­sonator ausgebildet und betrieben, mit n = 0, 1, 2... Alternativ lässt sich jedoch auch der Resonator als H01m-Resonator ausbilden und betreiben, m = 1, 2, 3..., obwohl auch andere geeignete Resonatorformen und Be­triebsmoden möglich sind. Bei den genannten Ausbildungs­formen der Resonatoren ist die grösste Energiedichte des angeregten elektromagnetischen Feldes entweder innen oder aussen konzentrisch um den rohrförmiqen Tragkörper/­Filtermatte ausgebildet, so dass die Strömung der Ab­gase durch den Resonator vor und nach dem Durchströmen des Rußfilters im Bereich hoher Energiedichte läuft, in dem auch noch eine direkte Verbrennung der suspendier­ten bewegten Rußpartikel stattfinden kann.
  • Die Metallgitter an den beiden Abgasöffnungen des Reso­nators stellen sicher, dass auch im Bereich der Abgas­öffnungen eine ausreichende metallische Begrenzung für das Mikrowellenfeld gegeben ist, wodurch die zur Er­zielung hoher Energiedichten und eines homogenen Feld­verlaufes benötigte hohe Güte des Resonators erreicht wird und die Abstrahlung von Mikrowellen­energie durch die Auspuffleitung wirksam unterdrückt wird. Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen, um die zum Verbrennen der suspendierten oder auf dem Rußfilter ab­gelagerten Rußpartikel benötigte hohe Energiedichte er­zeugen zu können.
  • Die Metallgitter sind vorteilhafterweise als Wabengitter mit einer vorgegebenen axialen Mindestlänge ausgebildet und erstrecken sich von den Abgasöffnungen in die Ab­gasleitung hinein. Dadurch wird die Feldkonfiguration in dem Hohlraumresonator möglichst wenig gestört, die Bereiche hoher Energiedichte lassen sich in dem Reso­nator in der bekannten Weise angeben.
  • Wird eine geringe Belastung des Rußfilters gewünscht, oder sollen Filter unterschiedlicher Eigenschaften nacheinander zur Anwendung gelangen, so lassen sich auch bevorzugt mehrere Resonatoren mit gleichen oder unterschiedlichen Rußfiltern in die Abgasleitung ein­fügen, wobei alle Resonatoren von einer Mikrowellen­quelle gespeist werden können. Soll dagegen der Strö­mungswiderstand weiter herabgesetzt werden, so kann es alternativ wünschenswert sein, mehrere Resonatoren parallel zueinander in die Abgasleitung einzusetzen. Die Ankopplung der Resonatoren kann mittels Koppelorganen erfolgen, die die Mikrowellenenergie von einem Resonator zu dem benachbarten Resonator weiterkoppeln.
  • Damit der Resonator und/oder die Mikrowellenquelle nach Möglichkeit während des Betriebes in der Frequenz nicht verstimmt werden müssen, wird der Resonator sowie die Mikrowellenquelle bevorzugt von der Abgasleitung ther­misch möglichst wirksam entkoppelt. Zusätzlich kann es notwendig sein, den bzw. die Resonatoren mittels eines Kühlsystems zu kühlen. Besonders vorteilhaft eignet sich hierzu das Kühlwassersystem der Brennkraftmaschine, welches sein Kühlwasser durch einen äusseren Kühlmantel des Resonators strömen lässt. Zusätzlich wird zweck­mässigerweise der Resonator aus einem Metall mit gerin­gem Wärmedehnungswert hergestellt.
  • Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden die Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-­Brennkraftmaschine ständig oder während vorbestimmter Betriebsintervalle durch ein Rußfilter hindurchgeleitet, welches in einem elektromagnetischen Mikrowellenfeld hoher Energiedichte angeordnet ist, um die im Abgas­strom suspendierten und die am Rußfilter niedergeschla­genen Rußpartikel zu verbrennen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Aus­führungsform der erfindungsgemässen Vor­richtung;
    • Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Aus­führungsform der Vorrichtung; und
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Aus­führungsform der Vorrichtung.
  • Fig. 1 und 2 zeigen einen Längsschnitt durch eine erste und zweite Aus­führungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. In eine Abgasleitung 15 einer nicht dargestellten Diesel-­Brennkraftmaschine ist ein Mikrowellen-Hohlraumresonator 1 als Zwischenstück eingefügt. Der Hohlraumresonator 1 besitzt eine erste Stirnwand 2, in vorgegebenem axialem Abstand hierzu eine zweite Stirnwand 3 und eine Umfangs­wand 4, die im dargestellten Beispiel einen Kreiszylin­der bildet und die Stirnwände 2 und 3 miteinander ver­bindet. Die Abgasleitung 15 mündet über eine erste Ab­ gasöffnung 6 in der ersten Stirnwand 2, und über eine zweite Abgasöffnung 8 in der zweiten Stirnwand 3 in den Hohlraumresonator 1. Die Abgasleitung 15 geht ent­weder einstückig oder über Flanschverbindungen in die Stirnwände 2 und 3 oder entsprechende Einlass- oder Auslaßstutzen über. Der Resonator besteht aus einem Metall mit geringem Wärmedehnungswert, z.B. aus Edel­stahl, und kann ggfs. an seiner inneren Oberfläche mit einer elektrisch hochleitenden Schicht beschichtet sein.
  • Über einen Hohlleiter 12, der an der Umfangswand 4 des Resonators 1 endet und ein in den Innenraum des Reso­nators mündendes Koppelloch 10 enthält, wird von einer Mikrowellenquelle 18 geeigneter Bauart Mikrowellenener­gie in den Resonator 1 mit einer solchen Frequenz ein­gespeist, dass sich im Resonator das elektromagnetische Feld mit einer gewünschten Schwingungsmode, z.B. einer E₀₁₀-Mode, ausbildet, die mit zunehmendem Abstand von der Achse des Resonators ein abnehmendes elek­trisches Feld und eine abnehmende elektrische Energie­dichte besitzt.
  • Die beiden Abgasöffnungen 6, 8 sind mit je einem Metall­gitter 14 versehen, welches z.B. aus einem dünnen Metall­blech als Wabengitter ausgebildet ist und eine vorgege­bene axiale Mindestlänge in die Abgasleitung 15 hinein­ragt, um für das elektromagnetische Feld eine ausreichen­de metallische Begrenzung des Resonatorvolumens zu er­zeugen und gleichwohl die Abgase ohne grösseren Strömungs­widerstand durch den Resonator 1 hindurchleiten zu können.
  • In dem Resonator 1 ist koaxial mit der Abgasleitung 15 ein Rußfilter 20 angeordnet, welches sich von erster Stirnwand 2 zur zweiten Stirnwand 3 erstreckt. Das Ruß­ filter 20 enthält eine Filtermatte 22, die auf einem gasdurchlässigen, rohrförmigen Trägerkörper 24 aus dielektrischem Material auf der Innen- oder Aussen­fläche angeordnet ist und diese Fläche vollständig be­legt.
  • Gemäss der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Nenn­weite der ersten Abgasöffnung 6 und die Nennweite des Trägerkörpers 24 gleich der Nennweite der an die erste Stirnwand 2 anschliessenden Abgasleitung 15. Die ge­genüberliegende zweite Stirnwand 3 verschliesst an die­sem Ende den rohrförmigen Tragkörper 24 mit einem zen­tralen Abschnitt 3a, der einen in die anschliessende Abgasleitung 15 hineinragenden kegelförmigen Strömungs­teiler 13 bildet. Um diesen zentralen Abschnitt 3a der zweiten Stirnwand 3 ist die zweite Abgasöffnung 8 ring­förmig ausgebildet, und die Stirnwand 3 geht mit einem konischen Leitungsabschnitt 16 in die Abgasleitung 15 über. Die Nennweite der zweiten Abgasöffnung ist grösser als die Nennweite des Trägerkörpers 24 und der Filter­matte 22, so dass durch die erste Abgasöffnung 6 ein­tretende Abgase beim Durchströmen des Resonators 1 mit einer radialen Bewegungskomponente durch den Träger­körper 24 und die Filtermatte 22 hindurchtreten und an­schliessend durch die ringförmige zweite Abgasöffnung 8 den Resonator 1 wieder verlassen. Das durch den Hohl­leiter 12 und das Koppelloch 10 von der Mikrowellen­quelle 18 eingespeiste elektromagnetische Feld ist in der Frequenz so auf die Abmessungen des Resonators 1 ab­gestimmt, dass der Resonator 1 in Resonanz mit einer be­stimmten Schwingungsmode, z.B. der H01m-Mode mit m = 1, 2, 3.., oder mit der E01n-Mode betrieben wird, mit n = 0, 1, 2. Der Index n bzw. m ist dabei ein Maß für die relative axiale Länge L des Resonators, gemessen in ganzen Vielfachen der halben Resonanzwellenlänge Das erzeugte elektromagnetische Feld verbrennt die auf der Filtermatte 22 abgelagerten Rußpartikel, und es kann ausserdem in den Abgasen enthaltene Rußpartikel verbrennen, wenn mit einer solchen Schwin­gungsmode gearbeitet wird, dass sich die Energiedichte im zentralen Bereich des Resonators entsprechend erhöht.
  • Der Aufbau der Vorrichtung gemäss Fig. 2 entspricht im wesentlichen demjenigen der Fig. 1 mit der Ausnahme, dass die Abgase durch die ringförmige zweite Abgasöff­nung 8 in den Resonator eintreten, und dann von aussen mit Radialkomponente durch die Filtermatte 22 und den Tragkörper 24 in den zentralen Innenraum des Rußfilters eintreten und dann durch die erste Abgasöffnung 6 den Resonator 1 verlassen. Um den Strömungswiderstand der Vorrichtung gering zu halten, ist auch in dieser Ausführungsform die Nennweite des Tragkörpers 24 gleich der Nennweite der ersten Abgasöffnung 6, die gleich der Nennweite der abstromseitigen Abgasleitung 15 ist.
  • Der Resonator 1 der Vorrichtung nach Fig. 2 enthält zu­sätzlich einen gasdichten dielektrischen Einsatz 7, der als Rohr ausgebildet ist und eine Nennweite besitzt, welche der Nennweite der zweiten Abgasöffnung 8 entspricht. Der Einsatz 7 ist über die gesamte axiale Länge des Re­sonators 1 von Stirnwand 2 zu Stirnwand 3 angeordnet. Während der Einsatz 7 das elektromagnetische Feld im Resonator 1 nur unwesentlich beeinflusst, so bildet er für den Abgasstrom eine äussere Begrenzungswand, die ver­hindert, dass die Abgase mit der Umfangswand 4 des Reso­nators in Berührung kommen und den Resonator unerwünscht erhitzen.
  • Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 lässt sich der Re­sonator bevorzugt als H₀₁₀-Resonator betreiben, der durch den Hohlleiter 12 und das Koppelloch 10 von der Mikrowellenquelle 18 Mikrowellenenergie zur Anregung einer H₀₁₀-Mode erhält. Bei dieser Schwingungsmode be­sitzt der Bereich hoher Energiedichte die Form einer Ringzone, so dass das rohrförmige Rußfilter 20 in die­sem ausgezeichneten hochenergetischen Bereich liegt. Die an der Filtermatte 22 sich ablagernden Rußpartikel werden daher besonders wirkungsvoll verbrannt, der Strömungswiderstand wird durch das Filter nur wenig erhöht.
  • Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfin­dungsgemässen Vorrichtung. Der Resonator 1 ist an seinen beiden Stirnwänden 2 und 3 mit gleich grossen Abgasöffnungen 6, 8 versehen, welche die Nennweite der sich beidseitig anschliessenden Abgasleitung 15 besitzen In den beiden Abgasöffnungen 6, 8 ist je ein Metallgitter 14 eingefügt, welches als Wabengitter ausgebildet ist und in die Abgasleitung 15 hineinragt.
  • Zwischen die beiden Stirnwände 2 und 3 ist koaxial mit der Abgasleitung 15 ein selbsttragendes Rußfilter 20 eingefügt, dessen Aussendurchmesser geringfügig grösser als die Nennweite der Abgasleitung 15 ist und eine gasdichte Aussenwand besitzt. Das selbsttragende Ruß­filter 20 enthält mehrere axial ausgerichtete Kanäle 21, deren Zwischenwände aus Filtermaterial bestehen. Benachbarte Kanäle sind an einander gegenüberliegenden Endseiten geschlossen, so dass die in die Kanäle 21 eintretenden Abgase durch die Zwischenwände hindurch­treten und am stromabseitigen Ende in den benachbarten Kanälen aus dem Resonator 1 in die Abgasleitung 15 aus­treten.
  • Über eine Koppeleinrichtung 10, 12, die z.B. aus einem Hohlleiter 12 mit Koppelloch 10 besteht, wird von der Mikrowellenquelle 18 ein elektromagnetisches Feld im Resonator mit geeigneter Schwingungsmode erregt, wel­ches im Bereich des Rußfilters 20 die maximale Energie dichte besitzt und daher die am Rußfilter abgelagerten Rußpartikel verbrennt.
  • Aufgrund der unvermeidlichen Erwärmung des Resonators sowie wegen möglicher Ablagerung von verbrennbaren/un­verbrennbaren Partikeln auf den Resonatorwänden oder auf dem Rußfilter 20 lässt sich eine Verstimmung der Resonatoren während des Betriebs nicht verhindern. Um die Resonanzbedingungen in den Resonatoren ständig ein­zuhalten, ist in jedem Resonator 1 eine Abstimmvorrich­tung (nicht dargestellt) vorhanden, die z.B. durch eine automatische mechanische Veränderung im Resonator-Hohl­raum die Einhaltung der Resonanzbedingungen sicherstellt. Alternativ ist auch die entsprechende Änderung der Re­sonanzfrequenz möglich.
  • Im Rahmen der Erfindung kann beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 anstelle der Filtermatte 22 und ihres gasdurchlässigen Träger­körpers 24 ein eigensteifer Ringkörper aus dielektrischem, kera­mischem Schaum vorgesehen sein. Diese Ausführung ist vorteilhaft, wenn in einem relativ kleinen Resonatorvolumen ein großes Filter bei relativ geringem Strömungswiderstand zu verwirklichen ist.
  • Weiter können im Rahmen der Erfindung zur Erzielung großer Filterflächen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Filtermatte 22 und ihr gasdurchlässiger Trägerkörper 24 ersetzt werden durch ein Rußfilter 20 mit axial ausgerichteten Kanälen 21 gemäß Beispiel nach Fig. 3, wobei dieses Rußfilter 20 in dem gasdichten dielektri­schen Einsatz 7 angeordnet ist.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Beseitigen von Ruß o.dgl. aus den Ab­gasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine
- mit einer Mikrowellen-Quelle (18),
- die an ein Zwischenstück der Abgasleitung (15) ange­koppelt ist und dort ein elektromagnetisches Feld erregt,
- und mit einem Rußfilter aus dielektrischem Material in dem Zwischenstück im Strömungspfad der Abgase,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Zwischenstück als Hohlraumresonator (1) aus­gebildet ist und an seinen beiden Abgasöffnungen (6, 8) je ein Metallgitter (14) enthält,
- und dass das Rußfilter (20) im Hohlraumresonator (1) in einem Bereich relativ grosser Energiedichte des elektromagnetischen Feldes anoeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rußfilter (20) ganz oder abschnittweise selbsttragend ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das selbsttragende Rußfilter (20) mehrere axial ausgerichtete Kanäle mit Zwischenwänden aus Filtermaterial enthält,
- und dass benachbarte Kanäle an einander gegen­überliegenden Endseiten geschlossen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rußfilter (20) eine Filtermatte (22) bildet, die einen gasdurchlässigen Trägerkörper (24) aus dielektrischem Material auf mindestens einer Oberfläche umgibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der filterbeschichtete Trägerkörper (24) als Rohr ausgebildet ist und sich im wesent­lichen von Stirnwand (2) zu Stirnwand (3) des Hohlraumresonators (1) erstreckt,
- dass die erste Abgasöffnung (6) an der ersten Stirnwand (2) des Resonators (1) innerhalb des Filterquerschnittes,
- und die zweite Abgasöffnung (8) ausserhalb des Filterquerschnittes liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die zweite Abgasöffnung (8) an der zweiten Stirnwand (3) des Resonators (1) konzentrisch den filterbeschichteten Trägerkörper (24) umgibt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der von der zweiten Abgasöffnung (8) um­gebene Abschnitt (3a) der zweiten Stirnwand (3) einen in die anschliessende Abgasleitung hin­einragenden kegelförmigen Strömungsverteiler (13) besitzt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die erste Abgasöffnung (6) gleich der Nenn­weite der anschliessenden Abgasleitung (15) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Nennweite des Trägerkörpers (24) gleich der Nennweite der an der ersten Stirnwand (2) anschliessenden Abgasleitung ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Rußfilter (20) selbsttragende Volumen­bereiche besitzt.
11. Vorrichtung nach einem der vorstenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein dielektrischer gasdichter Einsatz (7) als Rohr mit einer gegenüber dem Durchmesser des Ruß­ filters (20) bzw. des Tragkörpers (24) und der Ab­gasleitung (15) vergrösserten Nennweite konzen­trisch zum Rußfilter (20) angeordnet ist
- und die Aussenwand (4) des Resonators (1) für den Abgaskanal bildet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Nennweite des gasdichten Einsatzes (7) gleich der Weite der zweiten Abgasöffnung (8) ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Resonator (1) als E01n-Resonator ausge­bildet und angeregt ist, mit n = 0, 1, 2... .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Resonator (1) als H01m Resonator ausge­bildet und angeregt ist, mit m = 1, 2, 3... .
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Metallgitter (14) als Wabengitter mit vor­gegebener axialer Mindestlänge ausgebildet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Metallgitter (14) sich von den Abgasöff­nungen (6, 8) eine vorgegebene axiale Mindestlänge in die Abgasleitung (15) hineinerstrecken.
17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass mehrere Resonatoren (1) mit je einem Rußfilter (20) in Serie in die Abgasleitung (15) eingefügt sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
- dass mehrere Resonatoren (1) mit je einem Rußfilter (20) parallel zueinander in die Abgasleitung (15) eingefügt sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die mehreren Resonatoren (1) zur Mikrowellen­ankopplung eine Speisekopplung (10, 12) und in ge­meinsamen Wänden der Resonatoren je ein Koppelorgan besitzen.
20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der /die Resonatoren (1) thermisch von der Ab­gasleitung (15) entkoppelt sind.
21. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die zur Mikrowellen-Quelle (18) führende An­koppelleitung (12) thermisch von der Mikrowellen-­Quelle (18) entkoppelt ist.
22. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der/die Resonatoren (1) mit dem Kühlwasser­system der Brennkraftmaschine kühlbar sind.
23. Verfahren zum Beseitigen von Ruß o.dgl. aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, bei dem die Rußpartikel der Abgase ausgefiltert werden,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Abgase durch ein elektromagnetisches Mikro­wellenfeld hoher Energiedichte hindurchgeleitet und dort gefiltert werden,
- welches die im Abgasstrom suspendierten und die am Rußfilter niedergeschlagenen Rußpartikel verbrennt.
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