DE3614812A1 - Partikelfilter fuer abgase - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelfilter für Abgase mit einem von den Abgasen und Heißgas durch­ strömbaren Filterelement und mit einem Strömungsteiler, der in Strömungsrichtung vor dem Filter angeordnet ist und zumindest den Heizgasstrom in mehrere Ströme aufteilt.

Ein Filter dieser Art ist aus der DE-AS 21 30 436 bekannt, wobei ein hohlzylinderisches Filterelement vorgesehen ist, daß am Innenumfang durch ein Lochrohr begrenzt ist. Die Abgase strömen in normaler oder aufgeheizter Form in das Lochrohr hinein, das die Gasströmung in viele Einzelströmungen aufteilt. Dieses geschieht unmittelbar an der Innenwandung des Filterelementes. Es hat sich doch gezeigt, daß diese Form der Abgasführung insoweit unwirtschaftlich ist, als die Filterkapazität nicht voll genützt werden kann. Durch die Aufteilung des Abgasstromes wird auch das Filterelement zumindest einströmseitig nur hinter den Öffnungen des Lochrohres durchströmt.

In der Regenerationsphase des Filterelementes dagegen wird die Verbrennung der im Filterelement zurückgehaltenen Partikeln begünstigt, indem die überhitzten Abgase zwar auch nur in den Öffnungsbereichen, aber etwa gleichmäßig verteilt, über das gesamte Filterelement strömen müssen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß Partikel auch an stärker verstopften Filterstellen abgebrannt werden. Dieser Vorteil wird allerdings durch den vorstehenden Nachteil geschmälert, indem trotz einer guten Reinigung des Filters der Regenerierungsvorgang häufig eingeschaltet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Filterkapazität möglichst weitgehend genützt, eine schnelle und möglichst vollständige Reinigung des Filters gewährleistet und zudem die Regenerierhäufigkeit reduziert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Durch die Umgebung des Strömungsteilers können die Abgase ungehindert die gesamte Fläche des Filterelementes und damit das gesamte Volumen beaufschlagen, so daß die Belegung des Filters über die gesamte Oberfläche bzw. über das gesamte Volumen gleichmäßig erfolgen kann. Aufgrund von gewissen Strömungsverhältnissen können zunächst Filterstellen stärker als andere Stellen mit Partikeln belegt werden. Dabei werden dann die schwachbelegten Filterstellen aufgrund einer höheren Abgasdurchströmung eine entsprechend höhere Partikelablagerung erfahren. Es erfolgt demnach ein automatischer Regeleffekt, der eine gleichmäßige Ablagerung von Partikeln sicherstellt.

Bei der Regenerierung dagegen wird das Heißgas durch den Strömungsteiler auf die Filteroberfläche verteilt derart, daß die gesamte Filteroberfläche vom Heißgas gleichermaßen beaufschlagt wird und damit eine vollständige Regenerierung möglich ist. Der Effekt, daß zuerst abgebrannte Filterstellen eine größere Gasmenge durchlassen, mit der Folge, daß ungünstig liegende Filterpartien nicht mehr beaufschlagt werden, wird dabei unterbunden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Strömungsteiler mit einem Abstand in Strömungsrichtung der Heißluft vor dem Filterelement angeordnet, wobei der Abstand so bemessen ist, daß die durch den Strömungsteiler bestimmte Zwangsführung der Heißluft sich im wesentlichen im Filterelement fortsetzt. Die Abgase werden dabei in Strömungsrichtung hinter dem Strömungsteiler zum Filterelement geführt.

Aus der US-PS 43 22 387 ist zwar ein mit Abstand vor dem Filterelement angeordneter Strömungsteiler bekannt. Dieser Filter ist jedoch so ausgestaltet, daß zwischen dem Strömungsteiler und dem Filterelement ein Expansionsraum vorgesehen ist, der die eingangs erwähnten Effekte wiederum umkehrt. Sowohl die Abgase als auch die Heißluft werden durch den Strömungsteiler geführt. Durch den nachgeschalteten Expansionsraum wird die Zwangsführung in beiden Fällen aufgehoben, so daß beide Gasströme bei der Beaufschlagung eines freiliegenden Filterelementes im wesentlichen freie Strömungswege verwenden.

Bei als Filterkerzen ausgebildeten Filterelementen kann der Strömungsteiler vorzugsweise ein gelochtes Verteilerrohr sein, das konzentrisch mit Abstand zur Filterkerze angeordnet ist. Je nach Strömungsrichtung der Abgase wird das gelochte Verteilerrohr innerhalb oder außerhalb der Filterkerze angeordnet und zwar derart, daß das Verteilerrohr in Strömungsrichtung der Abgase vor dem Filterelement zu liegen kommt.

Der Raum zwischen dem Filterelement und dem Strömungsteiler ist direkt mit dem Abgaskanal verbunden. Zur optimalen Ausnutzung der Filterkapazität ist es wichtig, daß im Abgasstrom vor und nach dem Filter keine strömungsleitenden Bauteile, wie gelochte Stützbleche und dergleichen vorgesehen sind, damit der Abgasstrom das Filterelement über die gesamte Anströmfläche gleichmäßig beaufschlagen kann und beim Austritt aus dem Filter sich keine bevorzugten Strömungsrichtungen sich einstellen.

Das Heißgas ist vorzugsweise zusätzlich beheiztes Abgas, das vom Abgasstrom vor dem Filter abgezweigt, mit einem elektrischen Heizgerät oder einem Brenner aufgeheizt und zum Strömungsteiler geführt wird. Das Heißgas kann auch von einem Brenner mit Gebläse eingeblasen werden.

Für in Fahrzeugen verwendete Filter wird vorzugsweise als Heizaggregat ein Brenner vorgesehen, der in einem vom Abgaskanal vor dem Filter abzweigenden Kanal angeordnet ist, wobei dieser Kanal in einen vom Strömungsteiler zumindest teilweise umschlossenen Raum mündet. Im normalen Betrieb strömt dabei das Abgas durch einen Abgaskanal direkt zum Filterelement. In den Regenerierphasen wird das Abgas in den mit dem Brenner versehenen Nebenkanal geleitet, wo es bis auf die erforderliche Zündtemperatur der im Filter gesammelten Partikel aufgeheizt wird und durch den Strömungsteiler zum Filterelement geführt wird.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Partikelfilter in Betriebsstellung bzw. in Regenerierphase.

In der Abgasleitung (10, 10′) eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors ist ein Filter (11) zwischengeschaltet, der aus einem Gehäuse (12) mit darin angeordneten als Filterkerzen (13) ausgebildeten Filterelementen besteht. Das Filtergehäuse (12 ) ist über einen Einlaß (14) mit dem motorseitigen Abgasrohr (10) verbunden. Von hier strömen die Abgase (15) in einen Vorraum (16) des Filtergehäuses (12) ein, von wo aus die Abgase die Filterkerzen (14) von innen nach außen durchqueren und über einen Ausgangsraum (17) als gereinigtes Abgas (18) und über den zweiten Abgaskanal Abschnitt (10) ins Freie gelangen. Der direkte Durchgang der Abgase vom Vorraum (16) in den Ausgangsraum (17) wird durch ein die Filterkerzen (13) tragendes Blech (19) verhindert. Die Filterelemente sind so ausgestaltet, daß sie selbsttragend und ohne Stützbauteile versehen sind, die die Abgasströmung unmittelbar vor dem Eintritt in das Filterelement und beim Austritt desselben die Abgasströmung beeinflussen könnten. Auf diese Weise kann das Abgas ungehindert sämtliche Durchströmkanäle des Filterelementes (13) durchströmen, wobei die im Abgas enthaltenden Partikeln im Filterelement (13) zurückgehalten werden. Aufgrund einer nicht vollkommen homogenen Struktur des Filterelementes werden sich am Filterelement stellenweise unterschiedliche starke Strömungen ausbilden, wodurch das Filterelement (13) zunächst örtlich unterschiedlich mit Partikeln bzw. Ruß belegt wird. Aber es stellt sich automatisch ein Regeleffekt ein, indem die Strömung in den stärker belegten Filterstellen zugunsten der schwachbelegten Filterstellen abnimmt, so daß über die Zeit eine weitgehend homogene Ablagerung von Partikeln erfolgt.

Wenn das Filterelement (13) seine Füllkapazität erreicht hat, wird der Regeneriervorgang eingeleitet. Fig. 2 zeigt den Strömungsablauf in der Regenerierphase.

Mittels einer Drossel (20) wird der Zugang der Abgase (15) in den Vorraum (16) gesperrt, um die Abgase über einen Brenner (21) umzuleiten. Dazu ist ein Nebenkanal (22, 22′) vorgesehen, der vom motorseitigen Abgaskanal (10) abzweigt und in einen zweiten Vorraum (23) des Filtergehäuses (11) einmündet. Das Abgas (15) wird im Brenner (21) aufgeheizt und als Heißgas (24) zur Regenerierung der Filterelemente (13) verwendet. Das Heißgas (24) wird dafür über als gelochte Verteilerrohre (25) ausgebildete Strömungsleiter geführt, die jeweils konzentrisch innerhalb der Filterkerzen (13) angeordnet sind. Die Verteilerrohre haben eine Vielzahl von auf den Rohrumfang und auf die innerhalb der Filterelemente (13) hineinragende Rohrlänge gleichmäßig verteilte Löcher (27).

Über ein Verteilerrohr (25) wird das Heißgas (24) in auf das zugehörige Filterelement verteilte Teilströme aufgeteilt, so daß das Heißgas (24) gezwungen wird, auch durch stärker beladene Filterstellen durchzuströmen, so daß der Abbrand von festgehaltenen Partikeln sich über das gesamte Filterelement (13) erstrecken kann. Das Heißgas (24) strömt dann ebenfalls wie die Abgase (18) über den Ausgangsraum (17) und dem zweiten Abgasrohrabschnitt (10′) ins Freie.

Es hat sich gezeigt, daß die Einführung des Heißgasverteilers (25) eine gründlichere Regenerierung mit kürzerer Abbrandzeit ermöglicht. Damit wird gleichzeitig der Energieverbrauch für das Aufheizen des Abgases verringert. In Verbindung mit der Umgebung des Strömungsverteilers durch die Abgase im Normalbetrieb wird somit die Häufigkeit der Regenerierphasen ebenfalls verringert. Bei der aufgezeigten Vorrichtung sind rückströmende Abgase in Normalbetrieb zum Heizgerät (21) relativ gering.

Die Trennung der Abgas- und Heißgasströmungen sowie die Einschaltung von Strömungsverteilern läßt sich bei allen Filterelementsausführungen verwirklichen. Bei umgekehrter Strömungsrichtung der Abgase zum Beispiel werden rohrförmige Strömungsteiler außerhalb des jeweiligen Filterrohres vorgesehen. Bei Filterplatten könnten diese quer im Filtergehäuse angeordnet sein, wobei das Filtergehäuse in Strömungsrichtung vor dem Filterelement zwei Kammern bildet, die miteinander mit einer Lochscheibe getrennt sind. Die Abgase vom Verbrennungsmotor würden dabei in die Kammer zwischen dem Filterelement und der Lochscheibe einströmen, während die Heißluft in die zweite Kammer hinter der Lochscheibe einströmt.

Claims (6)

1. Partikelfilter für Abgase mit einem von den Abgasen und Heißgas durchströmbaren Filterelement und mit einem Strömungsleiter, der in Strömungsrichtung vor dem Filterelement angeordnet ist und zumindest den Heißgasstrom (24) in mehrere Teilströme (33) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasführung (10, 16, 21) so verläuft, daß die Abgase (15) unter Umgehung des Strömungsteilers (25) das Filterelement (13) beaufschlagen.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsteiler (25) mit Abstand (30) vor dem Filterelement (13) angeordnet ist und daß der Abstand so bemessen ist, daß die durch den Strömungsteiler bestimmte Zwangsführung des Heißgases (24) sich im wesentlichen im Filterelement fortsetzt.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Abstand (30) gebildete Raum (31) zwischen dem Filterelement (13) und dem Strömungsteiler (25) in den motorseitigen Abgaskanal (10) mündet.

4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (13) aus mindestens einer hohlzylindrischen Filterkerze besteht und daß der Strömungsleiter aus mindestens einem gelochten Verteilerrohr (25) besteht, das bzw. die jeweils je nach Strömungsrichtung innerhalb bzw. außerhalb der Filterkerze konzentrisch und mit Abstand dazu angeordnet ist bzw. sind.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerrohr (25) in einem Heißgaskanal (22′) mündet, der über ein Heizaggregat (21) mit dem Abgasrohr (10) verbindbar ist.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizaggregat ein Brenner (21) ist.