DE4004861C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für die Reinigung des
Abgases von Brennkraftmaschinen mit Filterkerzen, die in einem mit
einer Eintrittskammer und einem Austrittstrichter versehenen Gehäuse
zwischen Halteplatten angeordnet sind und aus einem mit Abgasdurchtrittsöffnungen
versehenen, mit Filtermaterial belegten Tragrohr
gebildet sind und denen aus einer Wärmequelle zusätzlich Wärme für
die Regeneration durch Abbrennen zugeführt wird.
Derartige Partikelfilter werden für die Reinigung von Abgasen aus
Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Fahrzeugen, die mit Dieselkraftstoff
betrieben werden, benötigt, um die Rußpartikel, die gesundheitsschädlich
sind und eine hohe und gefährliche Umweltbelastung darstellen,
herauszufiltern. Diese Partikelfilter sind in zwei Ausführungen
bekannt. Bei der einen Ausführung erfolgt die Filterung des Abgases
beim Durchströmen eines Keramikblockes (Monolithen), der eine Vielzahl
von Durchgangskanälen aufweist, von denen schachbrettartig jeweils ein
Kanal eintrittsseitig und ein Kanal austrittsseitig verschlossen ist,
so daß das Abgas in den einen Kanal einströmt, sodann durch den als
Filter wirkenden umgebenden Monolithabschnitt in den benachbarten
Kanal einströmt und diesen, von Rußpartikel befreit, verläßt. Einen
solchen Rußfilter beschreibt z. B. die DE-OS 32 17 357.
Die andere Ausführungsart verwendet zur Partikelfilterung Filterkerzen.
Diese Filterkerzen sind vorzugsweise als Wickelfilter ausgebildet.
Dabei wird ein mit Abgasdurchtrittsöffnungen versehenes Tragrohr
mehrlagig mit Filtermaterialfäden umwickelt, so daß ein mit einer
Textilgarnspule vergleichbares Element entsteht. Eine derartige Anordnung
zeigt z. B. die DE-OS 38 15 148 mit besonderer Darstellung der
Lagerung der Filterkerzen in Halteplatten. Die Filterkerzen können
auch durch einen Schlauchüberzug aus Filtermaterial über ein Tragrohr
entsprechend der DE-OS 38 23 205 gebildet sein. Auch die Filterkerzen
werden von außen nach innen durchströmt, das zu reinigende Abgas tritt
durch das Filtermaterial in die Tragrohre, die eintrittsseitig verschlossen
sind ein, die Rußpartikel werden beim Durchströmen des
gewickelten Filtermaterials zurückgehalten und das gereinigte Abgas
strömt durch die Tragrohre in den Austrittstrichter und wird von dort
abgeführt. Die Filterkerzen sind dabei auf konzentrischen Kreisen im
Filtergehäuse angeordnet und sind von einheitlicher Bauform. Anstelle
der mit Abgasdurchtrittsöffnungen versehenen eintrittsseitigen Halteplatte
kann auch ein Haltegitter angeordnet sein.
Während des Betriebes der Brennkraftmaschine erfolgt beim Durchströmen
des Partikelfilters eine Aufrußung, d. h., das Filtermaterial setzt sich
zunehmend mit Rußpartikel zu, und der Ruß muß nach einer relativ
geringen Betriebsdauer entfernt werden. Eine mechanische Entfernung
scheidet praktisch aus, da hierzu der gesamte Filter ausgebaut werden
und der Ruß entsorgt werden müßte. Man ist daher auf ein Abbrennen
oder Freibrennen des angereicherten Rußes angewiesen. Hierzu werden
dem Abgas aus einem Vorratsbehälter Oxidationsmittel als Additive
zugesetzt, so daß der gesammelte Ruß mit diesen die Rußzündtemperatur
herabsetzenden und die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöhenden Mitteln
in Kontakt kommt und abgebrannt werden kann. Diese Art des Freibrennens
des angesammelten Rußes hat jedoch den Nachteil, daß die Additive
chemische Verbindungen sind, die leicht entflammbar sind und das Abgas
mit unerwünschten Bestandteilen anreichert, deren Umweltverträglichkeit
noch nicht erwiesen ist. Man hat daher bereits versucht, einen
Dieselbrenner als externe Wärmemodelle anzuschließen, konnte mit der
bekannten Anordnung aber nicht im Fahrbetrieb des Fahrzeuges die
Filter regenerieren. Daher ist man bei dieser Lösung auf sehr große
Filter angewiesen, um eine Speicherkapazität zu erhalten, die einen
längeren Fahrbetrieb zwischen den Regenerationsphasen zuläßt. Diese
Ruhepausenregeneration ist bei Fahrzeugen möglich, die im Intervallbetrieb
arbeiten, z. B. Busse im innerstädtischen Betrieb. Für andere
Fahrzeuge muß die Regeneration während des Fahrbetriebes erfolgen.
Hierfür hat man z. B. zwei Filter parallel zueinander angeordnet und
regeneriert jeweils einen der beiden Filter.
Bei Anordnung nur eines Partikelfilters mit mehreren Filterkerzen oder
eines Monolithblockes mit vielen Kanälen wird zur "Fahrregeneration",
sobald sich eine höhere Belegung mit Rußpartikel z. B. über den Abgasgegendruck
feststellen läßt, eine externe Wärmequelle zugeschaltet,
die das zu reinigende Abgas so weit erhitzt (<600°C), daß der
Freibrennvorgang erfolgen kann. Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß
vor allem in Lastzuständen mit geringem Abgasmassenstrom während der
Regeneration die Filterkerzen nicht auf ihrer gesamten Länge freigebrannt
werden, daß ferner je nach Beaufschlagung die inneren Filterkerzen
weiter als die äußeren freigebrannt werden. Ursache hierfür
ist, daß bereits ein Freibrennen der etwa vorderen Hälfte der Filterkerzen
für einen ausreichend niedrigen Strömungswiderstand sorgt und
damit der hintere Teil bzw. die äußersten Filterkerzen nicht genügend
durchströmt werden. Aus dieser unvollkommenen Regeneration ergeben
sich immer kürzere Wiederaufrußungszeiten, die im ungünstigsten Fall
zum Ausfall des Filters führen können. Versuche haben gezeigt, daß die
Aufrußungszeit von z. B. 135 Minuten bei Erstaufrußung auf 15 bis 20
Minuten zurückging.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Partikelfilter aufzuzeigen, der eine Regeneration
während des Fahrbetriebes ermöglicht und bei dem ein hoher Freibrenngrad
über der gesamten Filterlänge erzielt wird, so daß die Wiederaufrußzeit
etwa konstant ist und der Erstaufrußungszeit entspricht.
Diese Aufgabe wird bei einem Partikelfilter dadurch gelöst, daß über
dem Querschnitt des Gehäuses verteilt in mindestens einer Halteplatte
gelagerte Überströmrohre angeordnet sind, und daß die eintrittsseitige
Halteplatte in der nicht von Filterkerzentragrohren und Überströmrohren
besetzten Fläche Abgasdurchtrittsöffnungen aufweist. Diese
Lösung ist nach naheliegenden, eventuell erforderlichen Abwandlungen
bei allen Partikelfiltern anwendbar, auch bei solchen, bei denen die
Filterung über mit Kanälen versehenen Monolithen erfolgt. In diesem
Fall werden die Überströmrohre durch beidseits offene, in die - hier
später beschriebene - Zusatzkammer mündende Kanäle gebildet.
Bei einem gattungsgemäßen, mit Rußfilterkerzen bestückten Partikelfilter
sind die Filterkerzen in einer stromab vorderen und einer
hinteren Halteplatte gelagert. Das zu reinigende Abgas wird dem
Filterkerzenbereich (der Reinigungszone) durch Abgasdurchtrittsöffnungen
in der vorderen Halteplatte und durch die Überströmrohre aus
dem Eintrittstrichter oder der Eintrittskammer zugeführt. Während der
Regeneration wird dem Abgas externe Wärme, in der Eintrittskammer z. B.
durch einen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Brenner zugeführt, so
daß über das auf die Zündtemperatur erhitzte Abgas der Freibrennvorgang
initiiert wird. Die Überstromrohre, die im stromabseitigen Bereich
Abgasaustrittsöffnungen aufweisen und austrittsseitig verschlossen
sind, leiten während der Aufrußphase Abgas in den stromab unteren
Bereich der Filterkerzen und bewirken damit eine gleichmäßigere Beaufschlagung
der Filterkerzen über deren Länge. In der Freibrennphase
(Regenerationsphase) wird durch diese Überströmrohre entsprechend
heißes Abgas (zu reinigendes Abgas gemischt mit heißem Abgas der
externen Wärmequelle) dem stromab hinteren Bereich der Filterkerzen
zugeführt, so daß auch dieser Abschnitt der Filterkerzen durch
Freibrennen gleichzeitig regeneriert wird.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige weitere Ausgestaltungen
der Erfindung aufgezeigt, die zumindest teilweise alleine
oder in Kombination selbständige erfinderische Merkmale aufweisen.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelfilters
zeigt das Merkmal, daß ein Überströmrohr in der Längsachse des
Gehäuses und weitere Überströmrohre konzentrisch hierzu angeordnet
sind, wobei die Anzahl der Überströmrohre pro Kreis nach außen
zunimmt. Dadurch sind die Überströmrohre derart angeordnet, daß jedes
Überströmrohr von möglichst vielen Filterkerzen umgeben ist, so daß
die Filterkerzen alle über ihre Länge möglichst gleichmäßig angeströmt
werden. Damit wird ferner erreicht, daß der mit Filterkerzen bestückte
Abschnitt des Partikelfilters auch bei niedrigen Lastzuständen gleichmäßig
über die gesamte Länge durchströmt wird. Damit wird automatisch
ein gleichmäßiges Beladen bzw. Freibrennen der umgebenden Filterkerzen
erreicht und eine ausreichend lange Wiederaufrußungszeit bei gleichmäßiger
Aufrußung sichergestellt.
Da die Partikelfilter Teil der Schalldämpfungsanlage des Fahrzeugmotors
sind, ist es vorteilhaft, dem Partikelfilter auch Schalldämpfeigenschaften
zuzuordnen. Es hat sich gezeigt, daß dies bei
gleichzeitiger Verbesserung der Filtereigenschaften, sowohl hinsichtlich
der Aufrußung als auch des Freibrennens, dadurch möglich ist, daß
in dem Partikelfilter stromab hinter dem Filterkerzenbereich eine
weitere Kammer durch einen eingesetzten Boden gebildet ist, die von
den das Filtermaterial tragenden Rohren durchdrungen wird und in die
beidseitig offene Überströmrohre münden, so daß das Abgas bzw.
Abgas/Heißgasgemisch in diese Kammer eintreten kann. Diese Zusatzkammer
wirkt mit den Tragrohren als Resonatorkammer schalldämpfend
und dient gleichzeitig der Führung des ungereinigten Abgases bzw.
des Abgas/Heißgasgemisches zurück in den Filterabschnitt des Partikelfilters,
so daß die Filterkerzen auch im stromabliegenden Bereich angeströmt
werden. Hierzu ist auch der eingesetzte Boden mit Abgasdurchtrittsöffnungen
versehen. Das gereinigte Abgas strömt durch die eintrittsseitig
verlängerten Tragrohre der Filterkerzen, die diese Zusatzkammer
durchdringen, in den Austrittstrichter und von dort über
die Abgasleitung ab.
Um während der Regenerationsphase eine möglichst gleichmäßige
Beaufschlagung der Filterkerzen über den Gesamtquerschnitt mit
aufgeheiztem Abgas zu erreichen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung
in Strömungsrichtung vor dem mit Filterkerzen und
Überströmrohren versehenen Filterraum des Partikelfilters als
Eintrittskammer eine Mischkammer angeordnet. In diese Mischkammer
wird zum einen vorzugsweise radial oder tangential das zu reinigende
Abgas zugeführt und zum anderen vorzugsweise axial das Heißgas.
Hierdurch tritt eine gute Durchmischung und damit eine gleichmäßige
Aufheizung des Abgases auf und der gesamte Filterquerschnitt wird
gleichmäßig beaufschlagt. Das Heißgas kann dabei einer externen Wärmequelle
entnommen werden oder das Abgas eines angesetzten Brenners
sein. Die axiale Zuführung dieses Heißgases kann aber auch über einen
eingangsseitig axial an der Mischkammer angeordneten Eintrittstrichter
erfolgen. In dieser Mischkammer können, falls erforderlich, auch
strömungslenkende Elemente, wie z. B. Leitflächen, angebracht werden.
Gemäß einer Weiterführung können die Überströmrohre über mindestens
einen Teil ihrer Länge Abgasdurchtrittsöffnungen aufweisen, so daß den
jeweils benachbarten Filterkerzen über der gesamten Länge zusätzlich
Abgas zugeführt werden kann. Dabei sind die Überströmrohre bei der
Anordnung ohne die Zusatzkammer hinter dem Filterabschnitt austrittsseitig
verschlossen, so daß das gesamte die Überströmrohre durchströmende
Abgas den Filterkerzen zugeführt wird. Um eine gleichmäßige
Aufrußung und auch ein vollständiges Freibrennen zu erreichen, sind
die Abgasdurchtrittsöffnungen in den Überströmrohren derart angeordnet,
daß die Anzahl der Abgasdurchtrittsöffnungen stromab zunimmt.
Gleichwertig ist natürlich auch, daß die Größe der Abgasdurchtrittsöffnungen
stromab zunimmt. Entscheidend ist, daß stromab mehr Abgas
den Filterkerzen zugeführt wird, damit insbesondere beim Freibrennen
die gesamte Länge der Filterkerzen erfaßt wird. Dieser gleichmäßigen
Zuführung des Abgases dient auch die Weiterführung, nach der die Überströmrohre
unterschiedliche Durchmesser aufweisen, z. B. in Abhängigkeit
von der Abgaszuströmung aus dem Eintrittstrichter oder der Eintrittskammer,
wobei die Durchmesser radial nach außen zunehmen. Eine
Weiterführung zeigt das Merkmal, daß die Eintrittskammer mindestens
einen Anschluß für die zu reinigenden Motorabgase und einen Anschluß
für die externe Wärmezufuhr aufweist. Diese Anordnung hat gegenüber
den bekannten Anordnungen, bei denen die Motorabgase und die Heißgase
über einen Einlaßtrichter zugeführt werden den Vorteil, daß eine
bessere Durchmischung erreicht werden kann. Als besonders vorteilhaft
hat sich erwiesen, daß die Eintrittskammer einen Anschlußflansch für
einen Brenner aufweist, dessen heiße Abgase den zu reinigenden
Motorabgasen zugemischt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft als
Brenner einen Flachbrenner zu verwenden. Ein derartiger Brenner ist
beispielsweise in der DE-OS 34 10 716 beschrieben.
Es sind zur Einleitung des Abgases bzw. des Abgas/Heißgasgemisches in
den stromab hinteren Bereich der Filterkerzen gemäß einer noch weiteren
Ausgestaltung der Erfindung in der eintrittsseitigen Halteplatte
in der nicht von Filterkerzentragrohren besetzten Fläche in den Filterraum
ragende Einströmrohre angeordnet. Damit ist ein gezielteres
Zuleiten des Abgases zu den Filterkerzen, insbesondere in den stromab
hinteren Bereich möglich, wobei gemäß einer Weiterführung diese Einströmrohre
unterschiedlich weit in den Filterraum ragen. Da in der
Längsachse des Gehäuses insbesondere beim Freibrennen, bei zentraler
Anordnung der Heißgaszuführung z. B. durch den Brenner eine etwa kegelförmige
freigebrannte Zone entsteht, d. h. im in Längsachse zentralen
(Mitten-)Bereich eine tiefere Abrennzone erfolgt, kann über die
Anordnung der Einströmrohre und deren unterschiedliche Eindringtiefe
in den Filterraum ein gleichmäßigeres Freibrennen erzielt werden. In
diesem Fall - also abhängig von dem Freibrennprofil - werden von den
auf konzentrischen Kreisen angeordneten Einströmrohren die radial
äußeren weiter in den Filterraum ragend angeordnet. Dabei können die
Einströmrohre ebenfalls Abgasdurchtrittsöffnungen aufweisen, die auch
ungleichmäßig über die Länge der Einlaßrohre verteilt sein können.
Die Verbesserung des Freibrennens kann auch durch eine besonders vorteilhafte
Anordnung unterstützt werden, die das Merkmal aufweist, daß
an mindestens einigen der Überströmrohre oder der Filterkerzentragrohre
Einlaßtulpen angeformt sind. Diese werden durch eintrittsseitiges
Aufweiten der entsprechenden Rohre gebildet und bewirken eine Verbesserung
der Einströmung des Abgases bzw. des Abgas/Heißgasgemisches.
Dadurch kann eine gewisse Steuerung des Aufrußens bzw. des Freibrenners
über den Querschnitt und auch über die Länge des Filterraumes
durch Verbesserung der Einströmung erreicht werden.
Bei der Regeneration des Partikelfilters durch Freibrennen treten
Temperaturen im Bereich von <700°C auf. Obwohl durch die vorgenannten
Merkmale eine gewisse Vergleichsmäßigung der Aufrußung bzw. des
Freibrenners erreicht werden kann, treten doch Spannungen auf, die zu
einem Verziehen des aus den einzelnen, in Halteplatten gelagerten
Filterkerzen und Überströmrohren gebildeten Filterkörpers führen.
Hierzu reichen bereits relativ geringe unterschiedliche Wärmedehnungen
der einzelnen Rohre aus. Diese sind schon dadurch bedingt, daß die umwickelten
Filterkerzen andere Wärmeleitwerte aufweisen als die Überströmrohre.
Diese Spannungen können zu einem vorzeitigen Ausfall der
Partikelfilter führen. Die bekannten Maßnahmen, die Rohre in einer
Halteplatte zu lagern, die mit einem Schiebesitz im Gehäuse befestigt
ist, hat sich als nicht ausreichend erwiesen, weil bei dieser Lösung
zwar der Filterblock als ganzes sich ausdehnen kann, aber die einzelnen
Längenänderungen doch zu zu starken Spannungen führen. Es sind
daher gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung sowohl die
Filterkerzentragrohre als auch die Überströmrohre jeweils einseitig in
einem Schiebesitz in einer der Halteplatten gelagert. Damit hat jedes
Rohr die Möglichkeit sich auszudehnen, ohne daß es zu Spannungen im
Gesamtsystem kommt. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Filterkerzentragrohre und die Überströmrohre
abwechselnd mit einem ausreichend dichten Schiebesitz in der
eintrittsseitigen oder der austrittsseitigen Halteplatte gelagert
sind. Damit ergibt sich eine besondere hohe Stabilität der Filteranordnung
auch bei unterschiedlicher Temperaturbelastung, so daß im
Bedarfsfall sogar für die Filterkerzentragrohre und die Überströmrohre
unterschiedlich - aber natürlich jeweils wärmefeste - Werkstoffe
verwendet werden können, z. B. Stahle unterschiedlicher Legierung.
Die Erfindung ist in den Figuren vereinfacht und schematisch in Ausführungsbeispielen
dargestellt und wird im folgenden einschließlich
noch weiterer Ausführungen beschrieben. Zur Vereinfachung sind dabei
in den Figuren jeweils zwei Ausführungsbeispiele dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Partikelfilters
Fig. 2 einen zugehörigen Schnitt an der Stelle A-A
Fig. 3 einen zugehörigen Schnitt an der Stelle B-B
Fig. 4 einen Längsschnitt weiterer Varianten eines Partikelfilters
Fig. 5 einen zugehörigen Schnitt an der Stelle C-C
Fig. 6 einen zugehörigen Schnitt an der Stelle D-D
Fig. 7 einen Längsschnitt weiterer Varianten des Partikelfilters.
Der Partikelfilter besteht aus einem Gehäuse 1, in welchem zwischen
einer eintrittsseitigen Halteplatte 2 und einer austrittsseitigen
Halteplatte 3 der Filterraum 4 gebildet ist. Das Gehäuse 1 kann dabei
einen beliebigen Querschnitt aufweisen, vorzugsweise rund oder oval.
Eintrittsseitig ist vor dem Filterraum 4 eine Eintrittskammer 5 angeordnet,
in die das zu reinigende Abgas des Motors über Anschlußstutzen
6, 7 - bei Zweirohranlagen - zugeführt wird. Ferner ist ein weiterer
Anschluß 8 der Zufuhr externer Wärme vorgesehen. In den Figuren ist
dieser Anschluß 8 als "black box" dargestellt, da die externe Wärme
sowohl weiter abliegend erzeugt und über einen Stutzen zugeführt als
auch in einem an den Anschlußflansch 9 angesetzten Brenner erzeugt und
unmittelbar zugeführt werden kann. Als Brenner wird dabei vorzugsweise
ein Flachbrenner vorgesehen. Ein Beispiel für eine externe Wärmezufuhr
zeigt die Patentanmeldung P 34 45 437.7. Eine als Flachbrenner verwendbare
Anordnung zeigt beispielsweise die Patentanmeldung
P 34 10 716.9. Der Eintrittskammer 5 kann auch ein - nicht dargestellter
- Einlaßtrichter vorgeschaltet sein, über den dann sowohl das
Motorabgas als auch die externe Wärme zugeführt wird. Die Eintrittskammer
5 ist zugleich als Mischkammer zur Mischung des zugeführten
Motorabgases und der zugeführten externen Wärme als Heißgas für die
Freibrennungsphase ausgebildet. Eine gute Durchmischung läßt sich z. B.
durch tangentiale Einleitung eines der Medien erreichen, es können
natürlich auch strömungsleitende Mittel in der Eintrittskammer 5 angeordnet
sein. Der Eintrittstrichter bzw. die Eintrittskammer ist an den
Filterraum 4 mittels einem Flansch (9) angeflanscht. Die Eintrittskammer
5 kann auch ein Abschnitt des Eintrittstrichters sein. Austrittsseitig
schließt sich an den Filterraum 4 über eine Flanschverbindung
10 eine Austrittskammer 11 mit einem Austrittstrichter 12 an,
über die das gereinigte Abgas abströmt. Der gesamte Partikelfilter ist
durch eine Isolation 13 aus Wärmedämm-Material gegen Wärmeverluste
durch Abstrahlung geschützt.
Der Filterraum 4 wird eintrittsseitig von der Halteplatte 2 begrenzt,
austrittsseitig durch die Halteplatte 3. In diesen Halteplatten 2, 3
sind die den Filterraum 4 durchdringenden Filterkerzen 14 angeordnet.
Diese bestehen aus einem Filterkerzentragrohr 15, das mit Filtermaterial
16 belegt ist. Diese Belegung kann als Wicklung oder in Form von
einzelnen gewirkten Schläuchen aufgebracht sein. Die Filtertragrohre
15 weisen Abgasdurchtrittsöffnungen 17 auf, durch die das Abgas bzw.
das Abgas/Heißgasgemisch von außen durch das Filtermaterial 16 eintreten
kann. Die Filterkerzentragrohre 15 sind eintrittsseitig geschlossen
und austrittsseitig offen. Die Zuführung des Abgases bzw. des
Abgas/Heißgasgemisches - im folgenden nur als Abgas bezeichnet, wobei
für die Freibrennphase immer ein Abgas/Heißgasgemisch verstanden wird
- erfolgt gemäß Fig. 1 über Abgasdurchtrittsöffnungen 25 in der eintrittsseitigen
Halteplatte 2. Die austrittseitige Halteplatte 3 ist
bei den beiden Anordnungen nach Fig. 1 ohne Abgasdurchtrittsöffnungen
ausgebildet. Nach Fig. 1 mit den Schnitten Fig. 2 und 3 sind in den
beiden Halteplatten 2, 3 noch Überströmrohre 18, 19 angeordnet. Diese
Überströmrohre 18, 19 sind austrittsseitig verschlossen. In der in
Fig. 1 - untere Hälfte - dargestellten Ausführung sind die Überströmrohre
18 über ihrer gesamten Länge mit Abgasdurchtrittsöffnungen 20
versehen und weisen eine Einlaßtulpe 21 auf. Diese ist für die Einleitung
des Abgases in die Überströmrohre 18 vorteilhaft. Die Überströmrohre
18 bzw. 19 werden von innen nach außen durchströmt und
leiten insbesondere in der Freibrennphase das heiße Abgas zu den
Filterkerzen 14, wobei durch die Perforation der Überströmrohre 18, 19
heißes Abgas auch den stromab unteren Bereich der Filterkerzen 14 geleitet
werden, wodurch ein gleichmäßiges Freibrennen erzielt wird. In
Fig. 1 - ober Hälfte - sind Überströmrohre 19 dargestellt, die nur in
ihrem stromabseitigen Bereich Abgasaustrittsöffnungen 21 aufweisen.
Damit erfolgt insbesondere in der Freibrennphase die Zuführung des
heißen Abgases in den stromab hinteren Bereich des Filterraumes 4 und
damit zu den Filterkerzen 14, was dazu führt, daß gerade dieser
Bereich, der bei einer Anordnung ohne Überströmrohre nicht freigebrannt
wird, jetzt von Rußpartikeln durch Freibrennen gereinigt wird,
wodurch sich die angestrebte lange Aufrußzeit ergibt. Die Anordnung
der Abgasdurchtrittsöffnungen 21 in dem stromabseitigen Abschnitt der
Überströmrohre 19 kann dabei progressiv erfolgen, d. h., es kann dem
Ende des Überstromrohres 19 zu eine größere Abgasaustrittsfläche erzielt
werden. Dies kann entweder durch eine Progression der Anzahl
oder der Größe der Abgasaustrittsöffnungen 20 erreicht werden. Die
Überströmrohre 18, 19 sind so über den Querschnitt des Filterraumes 4
verteilt, daß eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der Filterkerzen
14 erfolgt, d. h., daß der Abstand zu den nächstgelegenen Filterkerzen
14 kurz und jeweils gleich ist. Da das Freibrennprofil ohne
Überströmrohre 18, 19 etwa Kegelform aufweist, können auch zur stärkeren
Zufuhr des heißen Abgases in den Randbereich des Filterraumes 4
die Überstromrohre 18, 19 über den Querschnitt des Filterraumes 4 verteilt
unterschiedliche Durchmesser aufweisen, nämlich außen einen
größeren Durchmesser als innen.
Infolge der hohen thermischen Belastung bei dem Freibrennen mit Temperaturen
in der Größenordnung von <700°C und der ungleichen Wärmeverteilung
über dem Filterraum 4 (die Filterkerzentragrohre 15 weisen
infolge der Beschichtung mit Filtermaterial 16 eine andere Temperatur
auf als die Überströmrohre 18, 19) treten unterschiedliche Wärmedehnungen
bei den Filterkerzen 14 und den Überströmrohren 18, 19 auf. Bei
den Anordnungen der Fig. 1 bis 7 sind daher die Filterkerzentragrohre
15 und die Überströmrohre 18, 19 abwechselnd in der eintrittsseitigen
Halteplatte 2 und der austrittsseitigen Halteplatte 3 mit
einem ausreichend dichten Schiebesitz gelagert wegen der Gefahr des
Ausströmens von Rußpartikel.
In der Fig. 4 mit den Schnitten Fig. 5 und 6 ist eine weitere Variante
dargestellt, bei der stromab eine weitere Kammer 22 angeordnet ist.
Diese wird durch einen eingesetzten Boden 23 gebildet und trägt als
Resonatorkammer zu einer besseren Schalldämpfung des Partikelfilters
bei, der in dem Abgasstrang einer Schalldämpferanlage integriert ist.
Der Boden 23 schließt den Filterraum 4 ab und ist, wie bei den zuvor
beschriebenen Varianten, als Halteplatte für die Filterkerzen 14 ausgebildet
und mit Abgasdurchtrittsöffnungen 24 versehen. Die Überströmrohre
18, 19 münden in die weitere Kammer 22, die Filterkerzentragrohre
15 durchdringen diese weitere Kammer 22 und münden mit ihrem
stromabseitig offenen Ende in der Austrittskammer 11. In der oberen
Hälfte der Fig. 4 und der zugehörigen Schnitte Fig. 5 und 6 ist eine
Variante mit glatten, nicht perforierten Überströmrohren 19 dargestellt.
Bei dieser Ausführung ist sowohl die eintrittsseitige Halteplatte
2 als auch der als Halteplatte für die Überstromrohre 19 wirkende
Boden 23 mit Abgasdurchtrittsöffnungen 24 bzw. 25 versehen. Bei
dieser Ausführung strömt das Abgas zu einem Teil durch die Abgasdurchtrittsöffnungen
25 in den Filterraum 4 und von dort durch die Filterkerzen
14 in die Austrittskammer 11, zum anderen Teil durch die Überströmrohre
19 in die Kammer 22 und von dort zurück durch die Abgasdurchtrittsöffnungen
24 in den Filterraum 14 und von dort über die
Filterkerzen 14 ab.
In der unteren Hälfte der Fig. 4 und der zugehörigen Schnitte Fig. 5
und 6 ist eine Variante dargestellt, bei welcher das Überströmrohr 18
beidseitig offen ist, eintrittsseitig eine Einlaßtulpe 21 und
Abgasaustrittsöffnungen 20 aufweist. Diese Abgasaustrittsöffnungen 20
sind über der gesamten Länge des Überströmrohres 18 angeordnet, evtl.
mit einer Progression stromab. In der Fig. 5, untere Hälfte, sind die
Abgasaustrittsöffnungen 25 nicht eingezeichnet.
Die Fig. 7 zeigt Varianten, bei denen die Überströmrohre 18, 19 der
bisherigen Figuren ersetzt sind durch Einströmrohre 26, 27, die als
verkürzte Überströmrohre ausgebildet sind. Der andere Aufbau entspricht
den zuvor besprochenen Figuren, insbesondere der Fig. 1
mit den dazugehörigen Schnitten nach Fig. 2 und 3. In der oberen Hälfte
der Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Abgas
aus der Eintrittskammer 5 zum einen Teil über die Abgasdurchtrittsöffnungen
25 dem Filterraum 4 zugeführt wird und zum anderen Teil über
ein Einströmrohr 27, das als glattes, beidseitig offenes Rohr ausgebildet
ist. Die Eindringtiefe dieses Einströmrohres 27 reicht bis
mindestens zur Hälfte des Filterraumes 4. Bei den über den Querschnitt
des Filterraumes 4 verteilten Einströmrohren 27 kann die Eindringtiefe
jedoch variieren, wobei in den Randzonen die Eindringtiefe stromab
weitergeht als z. B. bei dem in der Längsachse oder benachbart zur
Längsachse angeordneten Rohr.
In der unteren Hälfte der Fig. 7 ist eine ähnliche Variante dargestellt,
bei welcher das Einströmrohr 27 Abgasdurchtrittsöffnungen 28
aufweist sowie eine Einlaßtulpe 21. An dem Einströmrohr 27 ist ferner
eine als Düse wirkende austrittsseitige Querschnittsverminderung auf
ein Endstück 29 dargestellt, mit dem die Einströmverhältnisse im
Bedarfsfall verbessert werden können.
In der Fig. 6 sind noch in der eintrittsseitigen Halteplatte 2 wahlweise
vorgesehene Abgasdurchtrittsöffnungen 30 im Randbereich der
Einströmung in den Filterraum 4 dargestellt.
Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, daß über die Überströmrohre
18, 19 bzw. den Einlaßrohren 26, 27 dem mit Filterkerzen 14 bestückten
Filterraum 4 während der Aufrußphase das zu reinigende Abgas - zusätzlich
auch durch Abgasdurchtrittsöffnungen 25 in der eintrittsseitigen
Halteplatte 2 - zugeführt wird und daß während der, bei Betrieb des
Motors möglichen Freibrennphase ein Gemisch von Abgas und Heißgas,
letzteres aus einer externen Wärmequelle oder einem angesetzten Brenner
zugeführt wird. Damit ist eine über die ganze Länge und den ganzen
Querschnitt des Partikelfilters sich erstreckende in etwa gleichmäßige
Beladung und Freibrennung möglich. Insbesondere wird durch ein völliges
Freibrennen des Partikelfilters eine lange Aufrußphase erreicht.
Claims (16)
1. Partikelfilter für die Reinigung des Abgases von Brennkraftmaschinen
mit Filterkerzen, die in einem mit einer Eintrittskammer
und einem Austrittstrichter versehenen Gehäuse zwischen Halteplatten
angeordnet sind und aus einem mit Abgasdurchtrittsöffnungen
versehenen, mit Filtermaterial belegten Tragrohr gebildet
sind und denen aus einer Wärmequelle zusätzlich Wärme für die
Regeneration durch Freibrennen zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß über den Querschnitt des Gehäuses (1) verteilt in mindestens
einer Halteplatte (2, 3) gelagerte Überströmrohre (18, 19)
angeordnet sind, und daß die eintrittsseitige Halteplatte (2) in
der nicht von Filterkerzentragrohren (15) und Überströmrohren (18,
19) besetzten Fläche Abgasdurchtrittsöffnungen (25) aufweist.
2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Überströmrohr (18) in der Längsachse des Gehäuses und weitere
Überströmrohre (18 bzw. 19) konzentrisch hierzu angeordnet sind,
wobei die Anzahl der Überströmrohre (18, 19) pro Kreis nach außen
zunimmt.
3. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
stromab eine weitere Kammer (22) durch einen eingesetzten Boden
(23) gebildet ist, die von den das Filtermaterial (16) tragenden
Rohren (15) durchdrungen wird und in die eintrittsseitig offene
Überströmrohre (18, 19) münden.
4. Partikelfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in Strömungsrichtung vor dem mit Filterkerzen (14) und Überströmrohren
(18, 19) versehenen Filterraum (4) als Eintrittskammer
eine Mischkammer (5) angeordnet ist.
5. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überströmrohre (18, 19) über mindestens einen
Teil ihrer Länge Abgasdurchtrittsöffnungen (20) aufweisen.
6. Partikelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anzahl der Abgasdurchtrittsöffnungen (20) stromab zunimmt.
7. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintrittskammer (5) mindestens einen Anschluß (6
bzw. 7) für die zu reinigenden Motorabgase und einen Anschluß (8)
für die externe Wärmezufuhr aufweist.
8. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenzeichnet,
daß die Eintrittskammer (5) einen Anschlußflansch (9)
für einen Brenner aufweist.
9. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der eingesetzte Boden (23) Abgasdurchtrittsöffnungen
(24) aufweist.
10. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überströmrohre (18, 19) unterschiedliche Durchmesser
aufweisen.
11. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß in der eintrittsseitigen Halteplatte (2) in
der nicht von Filterkerzentragrohren (15) besetzten Fläche in den
Filterraum (4) ragende Einströmrohre (26, 27) angeordnet sind.
12. Partikelfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einströmrohre (26, 27) unterschiedlich weit in den Filterraum (4)
ragen.
13. Partikelfilter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einströmrohre (27, 28) Abgasaustrittsöffnungen (28)
aufweisen.
14. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß an mindestens einigen der Überströmrohre (18, 19)
oder der Filterkerzentragrohre (14) Einlaßtulpen (21) angeformt
sind.
15. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl die Filterkerzentragrohre (14) als auch die
Überströmrohre (18, 19) jeweils einseitig in einem Schiebesitz
gelagert sind.
16. Partikelfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Filterkerzentragrohre (14) und die Überströmrohre (18, 19)
abwechselnd einen ausreichend dichten Schiebesitz in der eintrittsseitigen
Halteplatte (2) oder der austrittsseitigen Halteplatte
(3) aufweisen.
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