DE3614812A1 - Partikelfilter fuer abgase - Google Patents
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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.
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MAN TECHNOLOGIE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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