DE102005022419A1

DE102005022419A1 - Partikelfilter

Info

Publication number: DE102005022419A1
Application number: DE102005022419A
Authority: DE
Inventors: Werner Overhoff
Original assignee: Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-05-14
Filing date: 2005-05-14
Publication date: 2006-11-16
Also published as: WO2006122715A1

Abstract

Ein Partikelfilter (1) zur Abscheidung von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine weist einen Filterkörper (6) auf, der mehrere, abwechselnd zueinander angeordnete, zu einem Einströmbereich (7) hin geöffnete und zu einem Ausströmbereich (8) hin geschlossene Einströmkanäle (9) und zu dem Ausströmbereich (8) hin geöffnete und zu dem Einströmbereich (7) hin geschlossene Ausströmkanäle (10) aufweist. Die Einströmkanäle (9) und die Ausströmkanäle (10) sind jeweils durch im Wesentlichen ebene, parallel zueinander angeordnete, benachbarte Filterplatten (11) gebildet, welche jeweils vier Seitenkanten (11a, 11b, 11c, 11d) aufweisen. Die benachbart zueinander angeordneten Filterplatten (11) sind an jeweils zwei benachbarten Seitenkanten (11a, 11b, 11c, 11d) derart gasdicht miteinander verbunden, dass die Einströmkanäle (9) sich jeweils über zwei ihrer benachbarten Seitenflächen (9) erstreckende Einströmöffnungen (12) und die Ausströmkanäle (10) sich jeweils über zwei ihrer benachbarten Seitenflächen erstreckende Ausströmöffnungen (13) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter zum Abscheiden von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aus der DE 42 34 930 A1 ist ein Filter zum Abscheiden von Verunreinigungen aus Abgasen bekannt, der einen Filterkörper mit einer Vielzahl von aus gesintertem Metallpulver bestehenden Filterplatten aufweist, die so angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Strömungskanälen bilden. Die einzelnen Filterplatten sind wellenförmig geprägt und werden in Längsrichtung bzw. in axialer Richtung durchströmt. Allerdings ergeben sich durch die Wellenform der Filterplatten jeweils gegeneinander abgegrenzte Längskanäle, die sich sehr schnell mit Asche verstopfen und somit die Wirkung des Filters beeinträchtigen können. Ein weiteres Problem dieser Partikelfilter ist die aufwändige axiale Abdichtung durch das seitliche Verspannen der einzelnen Filtertaschen und die Tatsache, dass der Filterkörper nur von einer Seite angeströmt werden kann, was zu höheren Abgasgegendrücken führt.

Einen ähnlichen Partikelfilter beschreibt die DE 102 19 415 A1 . Allerdings sind die einzelnen Filterplatten bei dieser Lösung V-förmig zueinander angeordnet, so dass Filtertaschen bzw. Ein- und Ausströmkanäle entstehen, die sich keilförmig verjüngen. Auch hier ergibt sich bei der Verbindung der einzelnen Filtertaschen und der hierzu erforderlichen Abdichtung ein Problem, das nur mittels konstruktiv aufwändiger Lösungen beseitigt werden kann.

Eine Filteranordnung, bei der die oben beschriebenen Dichtungsprobleme nicht auftreten, ist aus der DE 100 35 544 A1 bekannt. Dabei kann das Abgas von allen Seiten flächig anströmen und den Filter durch eine zentrale Ausströmbohrung verlassen. Hierbei ist jedoch wiederum problematisch, dass ein Teil der Filterfläche zum Erzeugen der zentralen Ausströmbohrung ausgestanzt werden muss, was zum einen zu einem erhöhten Fertigungsaufwand und zum anderen zum Entstehen von Verschnitt und somit einer verkleinerten Filterfläche führt. Ein weiterer Nachteil dieser Filteranordnung besteht darin, dass durch die zentrale Ausströmbohrung zwangsläufig ein mehrfaches Umlenken des Abgasstroms erforderlich ist, was zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks führt. Eine Verringerung des Abgasgegendrucks kann bei einer solchen Lösung nur durch eine Vergrößerung des gesamten Partikelfilters erreicht werden, was jedoch häufig Bauraumprobleme mit sich bringt. Des weiteren wurde bei solchen Filteranordnungen bereits eine Ansammlung von Ruß um die zentrale Ausströmbohrung beobachtet, was bei der Regeneration des Partikelfilters zu teilweise starken exothermen Reaktionen führen kann.

Des weiteren ist aus der WO 02/102494 A1 ein Partikelfilter bekannt, der aus einzelnen, sternförmig um den Umfang einer zentralen Bohrung angeordneten Filtertaschen besteht. Diese Filtertaschen werden umströmt und sind in der Lage, eine verhältnismäßig große Aschenmenge zu speichern. Allerdings lässt diese bekannte Filtergeometrie nur den Aufbau von Filtern mit relativ geringen Durchmessern zu, da aufgrund des sternförmigen Aufbaus in ein vorgegebenes Volumen keine ausreichend große Filterfläche integriert werden kann.

Bei sämtlichen der genannten Partikelfilter ergeben sich außerdem relativ große Änderungen der Geschwindigkeit vor und nach dem Filterelement, was zu einer zusätzlichen Erhöhung des Abgasgegendrucks sowie zu unerwünschten Geräuschentwicklungen führen kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelfilter zur Abscheidung von Partikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine zu schaffen, der eine möglichst geringe Umlenkung des Abgasstroms und einen möglichst niedrigen Abgasgegendruck erzeugt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Partikelfilters, bei der sowohl die Einströmkanäle als auch die Ausströmkanäle an jeweils zwei ihrer Seitenflächen jeweilige Ein- bzw. Ausströmöffnungen aufweisen, ist die Eintrittsoberfläche in den Filterkörper wenigstens annähernd gleich groß wie die Austrittsoberfläche aus dem Filterkörper, wodurch sich bei der Durchströmung durch den Filterkörper annähernd keine Geschwindigkeitsänderungen ergeben. Dies führt zu insgesamt niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten und damit vorteilhafterweise zu geringeren Strömungsgeräuschen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Partikelfilters besteht darin, dass sowohl innerhalb als auch außerhalb des Filterkörpers nur sehr geringe Umlenkungen des Abgasstroms erforderlich sind, wodurch der Druckabfall und damit der Abgasgegendruck auf eine Minimum reduziert werden kann. Dadurch ergibt sich für einen dem erfindungsgemäßen Partikelfilter gegebenenfalls vorgeschalteten Katalysator ein gleichverteilter Gegendruck, wodurch auch nur ein sehr geringer Einfluss auf die Strömungsgleichverteilung innerhalb des Katalysators gegeben ist.

Gegenüber Partikelfiltern, bei denen das Abgas durch eine zentrale Bohrung ausströmt, sind zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelfilters zwei Prozessschritte weniger er forderlich, nämlich das Ausstanzen und das spätere Verschweißen der Ausströmbohrung. Des weiteren ergibt sich gegenüber solchen Partikelfiltern eine vergrößerte Filterfläche, da kein Lochausschnitt erforderlich ist und sich somit auch kein Verschnitt ergibt, was ebenfalls zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit beiträgt. Des weiteren weist jeder Ausströmkanal seinen eigenen Ausströmbereich auf, wodurch die aus einem Ausströmkanal austretenden Abgase unmittelbar in das sich daran anschließende Ausströmrohr gelangen können und nicht an weiteren Ausströmkanälen vorbeiströmen.

Eine einfache Möglichkeit zur Bildung der Aus- oder Einströmkanäle ergibt sich, wenn die benachbarten, einen Ausströmkanal oder einen Einströmkanal bildenden Filterplatten durch Falten einer größeren Filterplatte gebildet sind.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die benachbarten, einen Einströmkanal oder einen Ausströmkanal bildenden Filterplatten durch Schweißen gebildet sind. Da der Filterkörper des erfindungsgemäßen Partikelfilters eine Vielzahl von Ein- und Ausströmkanälen aufweist, kann es außerdem sinnvoll sein, z.B. jeweils die Ausströmkanäle durch Falten und die Einströmkanäle durch Schweißen oder umgekehrt herzustellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Partikelfilters;
2 eine detaillierte perspektivische Ansicht des Filterblocks des erfindungsgemäßen Partikelfilters; und
3 eine weitere perspektivische Ansicht des in einem Gehäuse untergebrachten Filterblocks.
1 zeigt einen Partikelfilter 1 zur Abscheidung von Partikeln aus einem Abgasstrom einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, der ein Gehäuse 2 aufweist. Das Gehäuse 2 ist in der dargestellten Ausführungsform über seine gesamte Länge mit einem runden Querschnitt, d.h. zylinderförmig, ausgebildet und weist ein Einströmrohr 3 sowie ein Ausströmrohr 4 auf, die in eine nicht dargestellte Abgasleitung der Brennkraftmaschine integrierbar sind. In einem sich zwischen dem Einströmrohr 3 und dem Ausströmrohr 4 befindlichen Mittelabschnitt 5 des Gehäuses 2 ist ein im wesentlichen quaderförmiger Filterkörper 6 angeordnet, der einen Einströmbereich 7 und einen Ausströmbereich 8 aufweist. Der Einströmbereich 7 befindet sich an der dem Einströmrohr 3 zugewandten Seite des Filterkörpers 6 und der Ausströmbereich 8 befindet sich an der dem Ausströmrohr 4 zugewandten Seite des Filterkörpers 6.
In 2 ist der Aufbau des Filterkörpers 6 detaillierter dargestellt. Dieser weist mehrere, abwechselnd zueinander angeordnete, zu dem Einströmbereich 7 hin geöffnete und zu dem Ausströmbereich 8 hin geschlossene Einströmkanäle 9 und zu dem Ausströmbereich 8 hin geöffnete und zu dem Einströmbereich 7 hin geschlossene Ausströmkanäle 10 auf. Die Abgasströmung betritt den Filterkörper 6 durch die Einströmkanäle 9, durchströmt eine der Filterplatten 11, wodurch die unerwünschten Partikel gefiltert werden, und verlässt den Filterkörper 6 durch die Ausströmkanäle 10. Sowohl die Einströmkanäle 9 als auch die Ausströmkanäle 10 sind jeweils durch im wesentlichen ebene, parallel zueinander angeordnete, benachbarte Filterplatten 11 gebildet, die jeweils vier Seitenkanten 11a, 11b, 11c und 11d aufweisen. Im vorliegenden Fall bilden die beiden unteren Filterplatten 11 einen Einströmkanal 9, wohingegen die zweite und die dritte Filterplatte 11 von unten betrachtet einen Ausströmkanal 10 bilden. Somit wechseln sich Einströmkanäle 9 und Ausströmkanäle 10 ab, wo bei durch die Darstellung in 2 jeweils die Einströmkanäle 9 vollständig und die Ausströmkanäle 10 nur teilweise zu erkennen sind.
Um einen Einströmkanal 9 zu bilden, sind die beiden untersten Filterplatten 11 an zwei benachbarten bzw. aneinander angrenzenden Seitenkanten 11a und 11b gasdicht miteinander verbunden, so dass der hierdurch gebildete Einströmkanal 9 eine sich über zwei benachbarte seiner Seitenflächen erstreckende Einströmöffnung 12 aufweist. Der unterste Ausströmkanal 10 des Filterkörpers 6 ist dadurch gebildet, dass die von unten betrachtet zweite und dritte Filterplatte 11 an ihren beiden benachbarten bzw. aneinander angrenzenden Seitenkanten 11c und 11d, die den Seitenkanten 11a und 11b diagonal gegenüberliegen, gasdicht miteinander verbunden sind, so dass der Ausströmkanal 10 eine sich über zwei benachbarte seiner Seitenflächen erstreckende Ausströmöffnung 13 aufweist.
Die drei in 2 dargestellten Einströmkanäle 9 werden also durch die erste und zweite, die dritte und vierte sowie die fünfte und sechste Filterplatte 11 gebildet. Dagegen werden die beiden in 2 zu erkennenden Ausströmkanäle 10 durch die zweite und dritte sowie die vierte und fünfte Filterplatte 11, jeweils von unten betrachtet, gebildet. Durch die beschriebene Verbindung der Filterplatten 11 an ihren Seitenkanten 11a, 11b, 11c und 11d ergibt sich eine diagonale Durchströmung des Filterkörpers 6 mit einer sehr geringen und dabei äußerst gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit.
Das Verbinden der benachbarten Filterplatten 11 zur Bildung der Einströmkanäle 9 und Ausströmkanäle 10 kann durch Falten einer größeren Filterplatte hergestellt werden, es ist jedoch alternativ oder auch zusätzlich möglich, die Filterplatten 11 durch Schweißen miteinander zu verbinden. Es bietet sich insbesondere eine Kombination aus Falten und Schweißen an, beispielsweise indem die Einströmkanäle 9 jeweils durch Falten einer größeren Filterplatte erzeugt werden, wohingegen die Ausströmkanäle 10 durch jeweiliges Verschweißen der aufeinander gelegten, die Einströmkanäle 9 bildenden Filterplatten 11 hergestellt werden. Theoretisch ist auch eine Herstellung des gesamten Filterkörpers 6 durch Falten denkbar.
In der Darstellung gemäß 3, in dem der Filterblock 6 in dem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 2 angeordnet ist, ist erkennbar, dass der Einströmbereich 7 von dem Ausströmbereich 8 durch außerhalb des Filterkörpers 6 in diagonaler Richtung über denselben verlaufende Trennelemente 14 gasdicht abgetrennt ist. Die vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Trennelemente 14 können sowohl mit dem Filterkörper 6 als auch mit dem Gehäuse 2 verschweißt sein.
Um den rechteckigen Querschnitt des Filterkörpers 6 in einer gegenüber der Umgebung dichten Art und Weise innerhalb des Gehäuses 2 anzuordnen, ist sowohl der Einströmbereich 7 als auch der Ausströmbereich 8 mittels jeweiliger kreissegmentförmiger Dichtungselemente 15 abgedichtet. Durch diese Ausgestaltung der Dichtungselemente 15 können die Abgase durch die sich über den vorderen und den seitlichen Bereich des Filterkörpers 6 erstreckenden Einströmöffnungen 12 in die Einströmkanäle 9 einströmen. Der Austritt der gereinigten Abgase aus dem Filterkörper 6 kann in gleicher Weise durch die sich über den hinteren und den seitlichen Bereich des Filterkörpers 6 erstreckenden Ausströmöffnungen 13 erfolgen. Somit werden bei der Anordnung des quaderförmigen Filterkörpers 6 innerhalb des zylindrischen Gehäuses 2 insgesamt drei der vier entstehenden Kreisabschnittsflächen sowohl zur Ein- als auch zur Ausströmung genutzt, was zu einer weiteren Verringerung des Abgasgegendrucks beiträgt. Selbstverständlich könnte das Gehäuse 2 auch einen rechteckigen oder andersartigen Querschnitt aufweisen.
In nicht dargestellter, jedoch an sich bekannter Weise können die Filterplatten 11 mit Vertiefungen und/oder Erhebungen in Richtung der benachbarten Filterplatte 11 versehen sein, um einen gleichbleibenden Abstand zweier benachbarter Filterplatten 11 zu gewährleisten. Dies ist insbesondere in den Einströmkanälen 9, in denen sich die zu filternden Partikel ansammeln, sinnvoll.

Claims

Partikelfilter zur Abscheidung von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, mit einem Filterkörper, der mehrere, abwechselnd zueinander angeordnete, zu einem Einströmbereich hin geöffnete und zu einem Ausströmbereich hin geschlossene Einströmkanäle und zu dem Ausströmbereich hin geöffnete und zu dem Einströmbereich hin geschlossene Ausströmkanäle aufweist, wobei die Einströmkanäle und die Ausströmkanäle jeweils durch im wesentlichen ebene, parallel zueinander angeordnete, benachbarte Filterplatten gebildet sind, welche jeweils vier Seitenkanten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbart zueinander angeordneten Filterplatten (11) an jeweils zwei benachbarten Seitenkanten (11a, 11b, 11c, 11d) derart gasdicht miteinander verbunden sind, dass die Einströmkanäle (9) sich jeweils über zwei ihrer benachbarten Seitenflächen erstreckende Einströmöffnungen (12) und die Ausströmkanäle (10) sich jeweils über zwei ihrer benachbarten Seitenflächen erstreckende Ausströmöffnungen (13) aufweisen.
Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten, einen Ausströmkanal (10) oder einen Einströmkanal (9) bildenden Filterplatten (11) durch Falten einer größeren Filterplatte gebildet sind.
Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten, einen Einströmkanal (9) oder einen Ausströmkanal (10) bildenden Filterplatten (11) durch Schweißen gebildet sind.
Partikelfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (11) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Partikelfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (7) von dem Ausströmbereich (8) durch außerhalb des Filterkörpers (6) in diagonaler Richtung über denselben verlaufende Trennelemente (14) gasdicht abgetrennt ist.
Partikelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (14) mit dem Gehäuse (2) verschweißt sind.
Partikelfilter nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Partikelfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (6) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und dass der Einströmbereich (7) und/oder der Ausströmbereich (8) mittels jeweiliger im wesentlichen kreissegmentförmiger Dichtungselemente (15) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.
Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterplatten (11) mit Vertiefungen und/oder Erhebungen in Richtung der benachbarten Filterplatte (11) versehen sind.