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Die
Erfindung betrifft einen abreinigbaren Partikelfilter gemäß des
ersten Patentanspruchs sowie Ruß- und Dieselrussfilter
gemäß der Patentansprüche 27 bzw. 28.
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Der
Partikelfilter dient der Filtration von festen Partikelfraktionen
aus Gasen wie z. B. Rauchgasen, insbesondere von Russpartikeln aus
Verbrennungsprozessen, vorzugsweise aus mobilen Dieselmotoren und
-aggregaten. Als Gase werden im Rahmen dieser Erfindung insbesondere
trockene Fluide genannt, d. h. sowohl das Gas wie auch der darin suspendierte
Partikelanteil sind trockene Gase bzw. Feststoffe. Sie weisen keine
flüssigen Anteile und unterscheiden sich damit von Aerosolen,
Nebeln oder Dämpfen.
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Für
die Abtrennung von festen Schwebstoffen aus Gasen ist eine Vielzahl
von Schwebstofffiltern bekannt.
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Beispielsweise
wird in der
DE 100
25 141 C2 ein Filterelement beschrieben, welches dichtend
in ein Filtergehäuse einsetzbar ist. Das Filterelement umfasst
eine gasdurchlässige Filterfläche in der Form
eines Faltenpacks als Trennung zwischen einer Rohgasseite und einer
Reingasseite. Erwähnt werden verschiedene Ausführungsformen,
unter anderem auch rohr- und zylinderförmige Geometrien
des Filterelements.
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Partikelfraktionen
scheiden sich üblicherweise auf einem Filterelement ab,
was mit zunehmender Filtrationszeit zu einem allmählichen
Zusetzen der Filterelemente mit einem sog. Filterkuchen, d. h. einer
Schicht verdichteter, oftmals auch aneinander klebender Partikelfraktionen
führt.
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Eine
Abreinigung von Schwebstofffiltern erfolgt bevorzugt durch kurzzeitige
Druckgasimpulse, sog. Jet-Pulse mit sauberem Spülgas durch
die Filterflächen in Gegenrichtung, d. h. im Gegenstrom von
der Reinraumseite her. Die Eingabe der erforderlichen Druckstöße
erfolgt reingasseitig bevorzugt mit einem Spülgas über
Düsensysteme. Dies bewirkt ein flächiges Ablösen
des rohgasseitig an der Filterfläche anhaftenden Filterbelags.
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Beispielhaft
offenbart die
DE 199
17 168 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abreinigen von
Kassettenfiltern durch Rückspülung der gefalteten
Filterfläche. Das Spülgas wird hierzu seitlich
in einen Zwischenraum zwischen der Filterfläche und einer
zweiten reingasseitig die Filterfläche überdeckende
und als strömungsdynamischen Schalter konzipierte Fläche
eingeblasen. Dies erfolgt vorzugsweise Spülgasdruckimpulsen,
wobei die genannte Fläche als strömungsdynamischer
Schalter gestaltet bei Druckstößen während
einer Abreinigung einen deutlich erhöhten Strömungswiderstand
aufweist als bei einer Gasdurchströmung im laufenden Filterbetrieb.
Dabei wird zur Reduzierung des für eine Abreinigung erforderlichen
Spülgasstroms ein Spülluftverteiler vorgesehen,
der ein selektives Abreinigen bestimmter Filterflächenbereiche
ermöglicht und während des Filtrationsvorganges,
d. h. des Filterbetriebs geschlossen, d. h. deaktiviert ist.
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Auch
sind Filtersysteme für mit Stäuben beladene Gase
wie z. B. Absaugungen, Staubsauger, Umluftfilter, Abgasfilter wie
Dieselrussfilter bekannt, die oftmals nicht für einen Dauerbetrieb
konzipiert sind oder sich nur über längere Zeiträume
zusetzen. Anstelle der Abreinigung erfolgt üblicherweise
ein Austausch der Filterflächen oder ganzen Filtersystemen
(z. B. Staubsaugerbeutel) oder ein thermischer oder chemischer Abbau
der Filterbeladung (z. B. Dieselrussfilter).
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Beispielsweise
offenbart die
DE 103
00 718 A1 eine elektrische Heizungseinrichtung für
die Abreinigung eines Dieselrußfilters durch Rußausbrennen.
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Außerdem
wird in der
DE 101
30 338 A1 ein Dieselrußfilter mit einem offenporigen
Körper als Partikelfilter offenbart, bei dem ein feindispers
verteilter Katalysator die Oxidation von Ruß partikeln mit
dem Restsauerstoff der Abgase kontinuierlich fördert und damit
einem vorzeitigen Zusetzen des Filters entgegenwirkt.
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Beispielhaft
in der
EP 1 160 435
B1 wird zudem zur Regeneration eines Partikelfilters eines
Dieselfahrzeugs eine Zugabe von Brennstoffadditiven zu einem Dieselkraftstoff
vorgeschlagen, die sich auf einen Partikelfilter niederschlagen,
um die Verbrennungstemperatur der von diesem aufgefangenen Partikel
zu erniedrigen.
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Alle
genannten Vorrichtungen und Verfahren zum Abreinigen von Partikelfilter
arbeiten diskontinuierlich. Vor allem ändern sich zwischen
den Abreinigungsintervallen die Filterbelegung und damit der Druckverlust
und der Strömungswiderstand durch den Partikelfilter. Gerade
aber bei Verbrennungsmotoren bewirken erhöhte oder sich ändernde
Durchströmungswiderstände im Abgassystem eine
Leistungsreduzierung bzw. sich ständig ändernde
Verbrennungsbedingungen und damit eine Erfordernis einer ständigen
Anpassung der Motorsteuerung an sich ändernde Rahmenbedingungen.
Sich ständig ändernde Verbrennungsbedingungen
erhöhen wie auch ein erhöhter Gegendruck bei Verbrennungsmaschinen
grundsätzlich auch den Schadstoffausstoß, was
wiederum eine laufende Anpassung im Abreinigungssystem erfordert.
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Davon
ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen abreinigbaren
Partikelfilter mit kontunierlicher Abreinigung vorzuschlagen, der
insbesondere sich im laufenden Abreinigungsbetrieb durch einen gleich
bleibenden Strömungswiderstand auszeichnet. Ferner soll
der Partikelfilter sich durch eine kompakte Bauform und ein grundsätzlich
geringes absolutes Druckverlustniveau auszeichnen. Auch soll eine
Filterabreinigung ohne eine Unterbrechung des Saugvorgangs erfolgen.
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Der
abreinigbare Partikelfilter soll sich insbesondere für
einen Einsatz als Dieselrußfilter für Verbrennungsmotoren
insbesondere für mobile Dieselmotoren wie in Lokomotiven,
Schiffen, Baufahrzeugen, Straßenfahrzeuge (LKW und PKW)
oder Stromgeneratoren eigenen.
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Die
Aufgabe wird mit einem abreinigbaren Partikelfilter mit den Merkmalen
des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausführungsformen dieser Vorrichtung
wieder.
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Die
Aufgabe wird durch einen abreinigbaren Partikelfilter für
mit Feststoffpartikeln wie Feinstaub oder Dieselruß beladene
Gase gelöst, bei dem das Gas durch einen Schwebstofffilter,
d. h. ein Filterfläche eines Filterelements geleitet wird.
Die Filterflächen des Filterelements dienen als gasdurchlässige Barriere
zwischen einem Reingasraum und einem Rohgasraum. Vorzugsweise ist
das Filterelement dichtend in ein Filtergehäuse mit jeweils
roh- und reingasraumseitige Gasanschlüsse. Es liegt im
Rahmen der Erfindung, das System mehrstufig, z. B. mit zwei Filterstufen,
zusätzlich mit einen vor der vorgenannten Filterfläche
vorgeschalteten Grobfilter (Vorabscheider) vorzusehen. Das Filterelement
mit der Filterfläche erstreckt sich mit seinen Mantelflächen rotationssymmetrisch
um eine Symmetrieachse. Vorzugsweise umspannen das Filterelement
oder das Filterflächen oder die Mantelflächen
(und die ggf. dazwischen angeordneten Zwischenflächen)
des Filterelements ein Rotationsvolumen, vorzugsweise zylindrischer
oder kegelstumpfförmiger Natur. Bei einer alternative Ausführung
ist das Filterelement scheibenförmig, wobei die Mantelflächen
und ggf. vorhandene Zwischenflächen orthogonal zur Symmetrieachse
eben sind.
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Ferner
ist eine Spülgasleitung im Reingasraum mit einem Spülgasaustritt
für einen kontinuierlichen oder gepulsten Spülgasstrom
vorgesehen, wobei der Spülgasstrom eine Orientierung in
Richtung der Filterfläche aufweist und dabei vorzugsweise
maximal 25%, weiter bevorzugt maximal 15%, weiter bevorzugt maximal
10% sowie minimal vorzugsweise 0,01%, weiter bevorzugt minimal 1%,
weiter bevorzugt minimal 5% der Filterfläche erfasst. Wesentlich ist,
dass der Spülgasaustritt und die Filterfläche
mit einer Relativbewegung um die Symmetrieachse relativ zuein ander
drehbar angeordnet. Der Spülgasaustritt ist folglich konzentrisch
zu der reingasseitigen Mantelfläche des Filterelements
relativ drehbar angeordnet. Dabei ist entweder der Spülgasaustritt oder
die Filterfläche allein oder sowohl der Spülgasaustritt
als auch die Filterfläche um die Symmetrieachse (gegenläufig
oder gleichläufig, gleichläufig mit unterschiedlicher
Drehgeschwindigkeit) drehbar konzipiert. Diese Relativbewegung zwischen
Spülgasaustritt und Filterfläche ermöglicht
in vorteilhafter Weise ein Abfahren der gesamten Filterfläche
durch den Spülgasaustritt. Erfolgt die Relativbewegung kontinuierlich,
vorzugsweise mit konstanter Relativwinkelgeschwindigkeit, wird die
gesamte Filterfläche kontinuierlich durch den Spülgasaustritt überfahren, wobei
jeder Filterbereich vorzugsweise in zeitlichen Abständen
durch den Spülgasstrom in Gegenstromrichtung durchdrungen
wird und abgreinigt wird.
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Besonders
vorteilhaft wirkt sich aus, wenn der Spülgasstrom nach
dem Durchtritt durch die Filterfläche mit dem abgelösten
Filterbelag nicht mehr mit dem noch abzureinigendem Rohgasstrom
in Verbindung kommt, sich mit diesem zumindest partiell vermischt
und im Filterbetrieb sich erneut auf den Filterflächen
absetzt. Vorzugsweise umfasst der abreinigbare Partikelfilter einen
rohgasraumseitig auf die Filterfläche ausgerichteten Spülgasauslass,
wobei Spülgasaustritt und Spülgasauslass einen
gleichen Flächenanteil der Filterfläche überspannen
und nicht relativ zueinander bewegbar sind. Spülgasauslass und
Spülgasaustritt sind vorzugsweise gekoppelt und werden
gemeinsam relativ zum Filterelement bewegt.
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Eine
Ausführung des Spülgasauslasses wird durch eine
passive Auffangvorrichtung für die von den Filterflächen
entfernte Partikelbeladung gebildet. Sie weist vorzugsweise keine
aktiven Betriebsmittel wie eine Absaugung auf. Die Partikelbeladung
wird durch die Schwerkraft betrieben oder durch den Spülgasstrom
getragen direkt in einen Auffangbehälter, z. B. einen Filtersack
geleitet, in dem die Filterbeladung von dem Spülgas getrennt
wird. Während die Filterbeladung im Auffangbehälter
ge sammelt wird, erfolgt eine Weiterleitung des Spülgases
mit ggf. vorhandenen Restanteilen der Filterbeladung z. B. in das
noch abzureinigende Rohgas. Vorzugsweise wird im Rahmen dieser Ausführungsform
der Spülgasauslass und der Spülgasaustritt fest
an einem sich um die Symmetrielinie drehenden Filterelement angeordnet, wobei
der Spülgasauslass bevorzugt unterhalb des Filterelements
angeordnet von oben die abgereinigte Filterbeladung aufnimmt.
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Eine
alternative Ausführung des Spülgasauslasses umfasst
eine aktive Auffangvorrichtung für die von den Filterflächen
entfernte Partikelbeladung, wobei das aktive Element durch eine
Unterdruck-Spülgasabsaugung gebildet wird. Der Spülgasauslass
entspricht damit einer auf die Filterfläche gerichteten
Saugvorrichtung (Partikelssauger), die die Filterbelegung mit dem
Spülgasstrom ansaugt und in einen Auffangbehälter
der vorgenannten Art weiterleitet. Die Spülgasabsaugung
verbessert eine zuverlässige Ableitung der Filterbeladung
mit dem Spülgas in jeder Ausrichtung des Spülgasauslasses und
begünstigt dabei auch eine bewegliche wie z. B. eine relativ
um das Filterelement bewegliche Anordnung. Andererseits sind aber
zusätzliche Absaugmittel erforderlich, beispielsweise ein
Gebläse oder ein Anschluss an ein Unterdruckreservoir (z.
B. Kurbelwellenentlüftung eines Dieselmotors), die grundsätzlich
z. B. eine Einleitung in das Rohgas erschweren.
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Wesentlich
an der Erfindung ist, dass die Filterfläche nicht bei einer
Unterbrechung des Filterbetriebs abgereinigt wird, sondern segmentweise
in einer festgelegten Abfolge zyklisch durch einen Spülgas-Gegenstrom,
wobei über eine Spülgasleitung mit einem Spülgasaustritt,
vorzugsweise einer Düse, ein Spülgas von der Reingasseite
durch die Filterfläche geleitet wird. Dies bedeutet, dass
die Flächeanteile der Filterfläche, die gerade
nicht durch den vorzugsweise stetig umlaufenden Spülgasaustritt
abgedeckt sind und im Gegenstrom abgereinigt werden, für
den Filterbetrieb zur Verfügung stehen. Damit wird jeder Filterbereich
während der Relativbewegung mit jedem Umlauf des Spülgas austritts
auf der Filterfläche mit jeder Umdrehung, d. h. in zyklisch
wieder kehrenden Abfolge abgereinigt. Dies bewirkt auch, dass jeder
der Filterbereiche grundsätzlich für ein alle
Filterbereiche gleiches Zeitintervall zwischen zwei Abreinigungen
für einen Filterbetrieb zur Verfügung steht.
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Folglich
weist der abreinigbare Partikelfilter in vorteilhafter Weise eine
integral auf die gesamte Filterfläche gesehen eine konstante
oder annähernd konstante Filterbelegungsverteilung auf.
Der Filterwiderstand bleibt damit konstant oder annähernd
konstant, was den abreinigbaren Partikelfilter für einen Einsatz
als Abgasfilter, Rauchgasfilter, Rußfilter oder Dieselrußfilter
besonders prädestiniert.
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Außerdem
bewirkt die vorgenannte kontinuierliche Abreinigung des Partikelfilters
eine laufende Befreiung der Filterflächen von der Partikelbelegung in
kurzen Abständen (Abreinigungsfrequenz), d. h. vorzugsweise
bei jeder Umdrehung im Rahmen der Relativbewegung zwischen Spülgasaustritt
und Filterfläche. Bei einer Auslegung einer erforderlichen Filterfläche
muss nicht mehr die größtmögliche auf den
Filterflächen akkumulierbare Filterbelegung beachtet werden,
sondern ein sich einstellender integraler Filterbelegungswert.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die sich einstellende
Filterbelegung und damit der Durchströmungswiderstand allein
durch eine Änderung der Abreinigungsfrequenz, d. h. durch
die Geschwindigkeit der vorgenannten Relativbewegung jederzeit beeinflussen
lässt. Dies ist insbesondere bei sehr instationären
Verbrennungsprozessen vorteilhaft, beispielsweise in Dieselfahrzeugen,
bei dem die Abreinigungsgeschwindigkeit sich unmittelbar an einen
sich laufend ändernden Betriebszustand anpassbar ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich über
ein Filterbereich nicht nur reingasraumseitig ein Spülgasaustritt
zur Einleitung eines Spülgasstroms, sondern in der gegenüberliegen den
rohgasraumseitigen Seite des Filterbereich ein Spülgasauslass
zum Ableiten des Spülgases mit der Filterbelegung. Vorzugsweise
sind Spülgasaustritt und Spülgasauslass mechanisch
gekoppelt und damit nicht zueinander relativ bewegbar, d. h. sie
sind nur gemeinsam relativ zum Filterelement bewegbar und überspannen
folglich den gleichen Flächenanteil der Filterfläche.
Damit wird vorteilhaft die von der Filterfläche entfernte
Partikelbelegung nicht in das Rohgas zurückgespült,
sondern in den Spülgasaustritt abgesondert. Vorteilhafter
Weise vermeidet man dadurch ein mögliches erneutes Einmischen
in das abzureinigende Rohgas mit einem erneuten Abscheiden auf der
Filterfläche.
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Die
Filterflächen des Filterelements sind plan (vorzugsweise
mindestens eine der Mantelfläche bildend), gewellt oder
gefaltet. Bevorzugt sind sie als Faltenpack mit einer vorzugsweise
periodisch gefalteten oder zusammengesetzten umlaufenden Filterfläche
gestaltet. Sie weisen abwechselnd reingasraumseitig und rohgasraumseitig
liegende Faltenrücken auf, zwischen denen sich die roh-
und reingasseitige Faltentaschen erstrecken. Die Faltungen an den
Faltenrücken umfassen im Rahmen der Erfindung nicht nur
Knickungen mit Innenknickradien z. B. kleiner 0,5 mm, sondern im
Falle z. B. von schlecht knickbaren (da dickere) Filterflächen
auch Biegungen mit Innenknickradien oberhalb 0,5 mm. Vorzugsweise
weisen zumindest die reingasraumseitigen Faltenrücken eine
Verstärkung in der Form eines stabförmigen Gegenstandes
oder einer Versteifung z. B. durch Tränkung mit einem aushärtenden
oder erstarrenden Material wie Epoxid-Harz oder einer Glas- oder
Metallschmelze auf.
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Zusammengesetzte
Filterflächen sind bevorzugt dann vorzusehen, wenn die
Filterflächen aus einem nicht oder nur mit Beschädigungen
knickbaren Filterflächenmaterial, wie z. B. aus offenporige
Keramiken, Kunststoffe oder Metalle und/oder mit größeren
Materialstärken (größer ca. 1 mm) gefertigt
sind, aus dem genannten Grund auch nicht knick- oder biegbar oder
ein gewünschter Biegeradius mit dem Filterflächenmaterial
nicht möglicht ist. In diesem Fall sind in den Faltenrücken
Verstärkungen wie Stangen oder Leisten mit Aufnahmen eine
bevorzugt form- oder stoffschlüssige Befestigung der Filterflächenstücke
vorgesehen.
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Die
reingasraumseitigen Faltenrücken sind vorzugsweise in einem
gleichen Abstand zueinander angeordnet, umfassend jeweils einen
Zwischenraum. Diese Zwischenräume zwischen den reingasraumseitigen
Faltenrücken spannen reingasraumseitige Faltentaschen auf,
die vorzugsweise ein und dieselbe geometrischen Abmessungen aufweisen.
Dadurch wird im Falle einer gleich bleibenden Relativbewegung zwischen
Filterfläche und Spülgasaustritt vorteilhaft jede
dieser geometrisch gleichen reingasraumseitigen Faltentaschen in
gleicher Abfolge (Geschwindigkeit, Zeitdauer, Wiederholungsfrequenz) einerseits
mit dem Spülgasstrom durchströmt und abgereinigt,
andererseits im Filterbetrieb eingesetzt.
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Bevorzugt
erstrecken sich die Faltenrücken sowohl auf einer reingasraumseitigen
und einer rohgasraumseitigen Mantelfläche des Filterelements.
In einer weiteren Ausführungsvariante erstrecken sie sich
auch auf mindestens einer zwischen den Mantelflächen angeordneten
und mit dieser konzentrisch umlaufenden Zwischenfläche.
Im letztgenannten Fall liegt ein Faltenpack mit nicht konstant hohen
Faltungen vor, wodurch sich im Falle einer rotationssymmetrischen
Ausgestaltung des Filterelements (zylinderförmige, kegelstumpfförmige
oder sonstige rotationssymmetrischen Mantelflächen) die
Filterfläche in den außen liegenden Bereichen
durch Zwischenfaltungen erhöhen lässt. Vorzugsweise
erstrecken sich die Zwischenfaltungen, vorzugsweise nur reingasraumseitige
Zwischenfaltungen auf Zwischenflächen zwischen den beiden
Mantelflächen.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante sind die Verstärkungen,
die auf der reingasraumseitigen Mantelfläche angeordnet
sind, als Gleitdichtungsschiene ausgebildet, die vorzugsweise mit
dem Spülgasaustritt eine Gleitdichtung bilden. Alternativ
wird die reingasraumgasseitige Mantelfläche durch ein Blech
oder Platte mit Durchbrüchen gebildet, auf die der Spülgasautritt
gleitend dichtend aufgesetzt ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung,
dass sich diese Gestaltung der Faltenrücken bzw. der Mantelflächen auch
oder nur auf die Stirnflächen des Filterelements erstreckt.
Dabei weisen nur die reingasraumseitigen Faltentaschen eine stirnseitige Öffnung
auf, während die rohgasraumseitigen Faltentaschen stirnflächenseitig
verschlossen sind. In einer Ausführungsvariante erfolgt
beim Abreinigen ausschließlich ein stirnflächenseitiges
Einleiten des Spülgasstrom in die reingasraumseitigen Faltentaschen,
wobei die vorgenannten Zwischenräume auf den Mantelflächen
zur Vermeidung eines Einströmens von Spülgas in
den Reingasraum abzudecken sind. Dies erfolgt z. B. mittels einer
Abdeckung, die Synchron mit dem Spülgasaustritt und ggf.
dem Spülgasauslass über das Filterelement bewegt
wird und damit Spülgasaustritt und Abdeckung denselben
Anteil Filterfläche überspannt.
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Vorzugsweise
ist die rohgasseitige Mantelfläche als eine weitere Filterfläche
(Vorabscheider) gestaltet, die jedoch zwingend eine größere
Maschenweite als die Filterfläche des Filterelements aufweist.
Damit wird in besonders vorteilhafter Weise ein vorzeitiges Zusetzen
der Filterfläche durch Vorabscheidung von Partikelfraktionen
mit großen Abmessungen vermieden. Der Aufbau entspricht
dann einem Filterelement mit zwei hintereinander geschalteten Filterflächen,
wobei diese in vorteilhafter Weise mit demselben Spülgasstrom
abreinigbar sind. Durch einen auf die äußere Mantelfläche
wirkenden mechanischen Abstreifer lassen sich die auf dem Vorabscheider
Partikelfraktionen mit großen Abmessungen abstreifen und
separat auffangen. Vorzugsweise ist der Abstreifer in seiner Relativbewegung
zur Filterfläche mit dem Spülgasaustritt verbunden.
Vorzugsweise liegt bei dieser Ausführungsform mit nicht
ebenen Mantelflächen der Reingasraum innen und der Rohgasraum
außen, wobei die rohgasraumseitige Mantelfläche
nach außen weist und gegenüber der reingasseitigen
inneren Mantelfläche flächenmäßig
größer ist und damit einen größeren
Vorabscheider bewirkt.
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In
einer bevorzugten Ausführung sind die Faltenrücken
auf der rohgasraumseitigen Mantelfläche in gleichen Abstand
zueinander angeordnet. Eine mögliche Ausführungsform
umfasst rohgasraumseitige Faltenrücken auf einer Zwischenebene zwischen
den Mantelflächen. Dadurch lässt sich der Abstand
zwischen den Faltenrücken auf den Mantelflächen
aneinander anpassen oder damit die Mantelflächen in korrespondierende
Filtersegmente unterteilen.
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Die
Antriebsmittel für die Relativbewegung umfassen im Rahmen
der Erfindung separate Antriebsaggregate wie Elektromotoren oder
Turboantriebe, Anbindungskomponenten an vorhandene Antriebe wie
z. B. Kurbelwellen oder Turbolader von Motoren oder auch eine entsprechende
Gestaltung des Partikelfilters. Die genannte Gestaltung setzt eine Anströmung
des Rohgases und/oder des Spülgases durch Anströmung
oder Umlenkung in die Relativbewegung um. Eine mögliche
Ausführung umfasst eine Gasumlenkung als Antriebsmittel
für eine Rotation des Filterelements, ggf. auch der um
die Symmetrieachse, beispielsweise durch eine Gestaltung des achsensymmetrischen
Filterelements mit einer Vielzahl von schräg zur Rohgas-
und/oder Spülgasanströmung angestellten Anströmungsflächen.
Im Rahmen dieser Ausführung ist auch eine Gestaltung als ein
dem Filterelement und/oder dem Spülgasaustritt (ggf. auch
mit dem Spülgasauslass und ggf. der Abdeckung) fest verbundener
im Rohgas- oder Reingasstrom angeordneter separater Turbinenläufer oder
Propeller möglich. Alternativ sind Antriebsmittel, die
für die Relativbewegung oder für eine Rotation des
Spülgasaustritts um die Symmetrieachse eine Orientierung
des Spülgasstroms windschief zur Symmetrieachse umfassen.
Gemein sind die um die Symmetrielinie jeweils für eine
Rotation in eine Drehrichtung wirkenden Antriebsmittel, umfassend
einen Kraftangriffswiderstand oder eine Umlenkung für eine Gasanströmung
(Roh- oder Reingas).
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Das
Spülgas wird zur Abreinigung mit Überdruck durch
die Filterflächen geleitet. Zur Erzeugung des Überdrucks
ist die Spülgasrohrleitung an einen Kompressor, Gebläse
oder einen Druckbehälter für einen kontinuierlichen
Spülgasstrom angeschlossen.
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Bei
einem Einsatz in Fahrzeugen wird hierzu Druckluft aus vorhandenen
Druckbehältern wie z. B. Bremsdruckbehälter bei
LKW oder Lokomotiven entnommen. Eine Gleitdichtung am Spülgasaustritt,
auf die Mantelfläche wirkend, reduziert ungewolltes Entweichen
von Spülgas in den Reingasraum und damit die erforderliche
Menge an bereitzustellenden Spülgas in vorteilhafter Weise.
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Die
Abreinigung ist durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. durch
eine auf die Filterfläche im Bereich des Spülgasaustritts
einwirkende Ultraschalleinrichtung oder mechanische Impulseinrichtung. Dies
erhöht die Effizienz der Abreinigung und reduziert damit
auch die erforderliche Spülgasmenge vorteilhaft.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Russfilter, umfassend einen abreinigbaren
Partikelfilter gemäß der vorgenannten Ausführungen.
In diesem Fall bestehen die abzureinigenden Partikel ganz oder zum überwiegenden
Teil aus Russpartikel aus Verbrennungsprozessen oder sonstigen Prozessen
mit Kohlenstoffhaltigen Emissionen.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Dieselrussfilter für Fahrzeuge
oder sonstige Dieselaggregate (z. B. Stromaggregate, stationäre
Antriebe), umfassend einen abreinigbaren Partikelfilter gemäß der
vorgenannten Ausführungen. In diesem Fall ist die Spülgasrohrleitung
vorzugsweise an ein Druckluftsystem oder an einen Turbolader des
Fahrzeuges angeschlossen. Ebenso ist die Unterdruckabsaugung vorzugsweise
fluidisch mit der Kurbelwellenentlüftung oder mit einem
Zwischenpuffer auch der Tankentlüftung verbunden. Der Zwischenpuffer
umfasst z. B. eine zusätzliche Abscheidestufe für
insbesondere Russpartikel, die zudem eine Abkühlung der Spülgase
bewirkt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mit Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft
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1a bis
f je eine schematische Draufsicht und eine Seitenschnittansicht
von drei verschiedenen Ausführungsformen mit rotierenden
Filterelementen und feststehenden Spülgasaustritten,
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2a bis
f je eine schematische Draufsicht und eine Seitenschnittansicht
von drei verschiedenen Ausführungsformen mit feststehenden
Filterelementen und rotierenden Spülgasaustritten,
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3a bis
c je eine Seitenschnittansicht eines abreinigbaren Partikelfilters
in horizontaler Bauform,
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4a bis
b mögliche Anordnung des abreingbaren Partikelfilters als
Dieselrussfilter am Beispiel eines Nutzfahrzeugs,
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5 ein
Querschnitt eines Filterelements mit Faltenpack mit einheitlicher
Faltenhöhe sowie
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6a bis
c die Querschnitte von Filterelementen mit Faltenpack mit variierenden
Faltenhöhen.
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Die
in 1 und 2 jeweils a
bis e dargestellten Ausführungsformen des abreinigbaren
Partikelfilters für mit Feststoffpartikeln beladene Gase
umfassen je ein Filterelement 1 mit konzentrischen reingasraumseitige
und rohgasraumseitige Mantelflächen 2, 3,
die sich achsensymmetrisch um eine Symmetrielinie 14 erstrecken.
Mindestens eine umlaufende Filterfläche, die in allen Figuren
symbolisch mit einer die Durchflussrichtung im Filterbetrieb angedeuteten Pfeilrichtung
angegeben sind, sind auf oder zwischen den Mantelflächen
angeordnet und bilden eine gasdurchlässige Barriere zwischen
Reingasraum 4 und einem Rohgasraum 5 mit einer
Rohgaszuführung 6 und einer Reingasableitung 7 in
ein Filtergehäuse 8. Ferner umfassen die Vorrichtung
jeweils eine Spülgasleitung 9 mit einem Spülgasaustritt 10 für
einen kontinuierlichen oder gepulsten Spülgasstrom 11 vorn
der Reingasraumseite in Richtung des Rohgasraums 5, wobei
der Spülgas strom den Spülgasaustritt verlassend
eine Orientierung in Richtung der Filterfläche aufweist.
Ferner umfassen die Ausführungformen je einen Sammelbereich 12 für
die mit dem Spülgas abgereinigten Partikelmengen im Rohgasraum 5.
Der Spülgasaustritt 10 und die Filterfläche (reingasseitige
Mantelfläche oder Stirnfläche) sind über
eine Relativbewegung um die Symmetrieachse relativ zueinander drehbar
angeordnet, wobei die Relativbewegung ein Abfahren der gesamten
Filterfläche durch den Spülgasaustritt 10 ermöglicht.
Mit Pfeilen ist zudem die Drehrichtung 13 des Filterelements 1 um
den Spülgasaustritt 10 (1a bis
e) oder der Spülgasleitung 9 und des Spülgasaustritts 10 um
das Filterelement 1 (2a bis
e) im Rahmen dieser Relativbewegung angegeben. Die Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 jeweils e und f weisen stirnseitig in
das rotationssymmetrisch zylindermantelflächenförmig
gestaltete Filterelement 1 ausmündende Spülgasaustritte 10 auf,
was für eine effektive Abreinigung die vorgenannte Abdeckung 15 auf,
der ein Entweichen des Spülgases in den Reingasraum verhindert
und sie so in Richtung des Rohgasraums durch die Filterfläche
zwangsgeführt. Das Filterelement ist zylinderförmig
und ist an einem Ende mit einer Abschlussdeckel 16 verschlossen.
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1 und 2 geben die Grundbewegungen wieder und
repräsentieren damit auch Ausführungen, bei denen
Filterelement und Spülgasaustritt drehbar angeordnet sind,
d. h. mit gegenläufig oder gleichläufig drehbaren
Filterelementen und/oder Spülgasaustritten. Im Falle einer
gleichläufigen Drehbewegung ist für eine Relativbewegung
eine unterschiedliche Winkelgeschwindigkeit zwischen Filterelement
und Spülgasaustritt zwingend erforderlich.
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1 und 2 zeigen vertikale Anordnungen an, während 3a eine
horizontale Bauform repräsentiert, beispielhaft und bevorzugt,
aber grundsätzlich nicht einschränkend auf eine
Ausführung mit feststehendem Spülgasaustritt 10 und
um diesen rotierenden Filterlement mit nach innen gerichteter Gasströmung
im Filterbetrieb (analog zu 1c und
d). Diese Ausführung ist bevorzugt, da sie einen Sammelbereich 12 aufweist,
der in einen Schacht 17 unterhalb des rohgasseitigen Mantelfläche 3 stets
gegenüber dem Spülgasaustritt angeordnet ist und
vom Rohgas des Filterbetriebs praktisch nicht angeströmt wird.
Das Spülgas wird seitlich an den Sammelbereich in den Rohgasraum
umgeleitet und vermischt sich mit dem Rohgas. Die Filterbeladung
fällt schwerkraftbetrieben in den Sammelbereich in den
Schacht, wobei einen Resuspendierung der Filterbeladung in das Rohgas,
transportiert durch das Spülgas zwar reduziert wird, aber
nicht vermieden wird.
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Bei
einer vertikalen Anordnung des Filterelements kommt es bei einer
Abreinigung im unteren Bereich zwangsläufig zu einer gravimetrischen
Anreicherung der abgelösten Filterbelegung. Durch eine abweichende,
bevorzugt erweiternden Gestaltung der Strömungswege gerade
in diesem Bereich z. B. durch eine nach unten hin zusammenlaufende
kegelstumpfförmige Gestaltung der Zwischenflächen
für äußere Faltenrücken lassen
sich eine bevorzugte Wiederabscheidung der abgelösten Filterbelegung auf
den frisch gereinigten Filterflächen beeinflussen und bevorzugt
auch vermeiden.
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Wesentlich
effektiver, aber auch aufwendiger ist dagegen die letztgenannte
Ausführungsform gem. 3a, wenn
der vorgenannte Schacht 17 bis zu der rohgasraumseitigen
Mantelfläche 3 reicht und durch diese zum Rohgasraum 5 hin
vorzugsweise mit einer Gleitdichtung dichtend abgeschlossen ist.
Das Spülgas und mit diesem ggf. ein Filterbeladungsrest
kann dann jedoch nicht mehr seitlich in den Rohgasraum ausweichen,
sondern muss dann separat abgeführt oder z. B. durch eine
Spülgasabsaugung 22 abgesaugt werden (vgl. 3b).
Die Schachtöffnung zur rohgasraumseitigen Mantelfläche 3 bildet
dann einen Spülgasauslass 18, wobei Spülgasaustritt 10 und Spülgasauslass 18 einen
gleichen Flächenanteil der Filterfläche überspannen
und nicht relativ zueinander bewegbar sind.
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Der
rohgasraumseitig auf die Filterfläche ausgerichteten und
in Relativbewegung und Wirkungserstreckung an den Spülgasaustritt
gekoppelten den Spülgasauslass gemäß der
in 3b beschriebenen Konzeption lässt sich
im Rahmen der Erfindung in grundsätzlich an alle in 1 bis 3 dargestellten horizontal und vertikal
ausgerichteten Ausführungsformen adaptieren.
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3c gibt
eine horizontale Ausführung wieder, bei dem der stirnseitige
Abschlussdeckel durch eine Auffangvorrichtung für die abgereinigte
Filterbeladung in Form eines Blindvolumens 27, der von
dem Roh- und Reingas nicht durchströmt wird, ersetzt wurde.
Dieses Blindvolumen ist ortsfest und folgt nicht der Drehbewegung 13 des
Filterelements 1.
-
4a und
b geben mögliche Anordnung des abreingbaren Partikelfilters
als Dieselrussfilter 19 (sehr vereinfachte Schnittdarstellung
mit Anordnung des Filterelements 1, sichtbarer Spülgasleitung 9 und Sammelbereich 12)
in einer Abgasanlage eines Fahrzeugs wieder, beispielhaft für
ein Nutzfahrzeug 20 (z. B. Zugmaschine, Schlepper, Traktor,
Radlader). Der Dieselrussfilter befindet sich vorzugsweise im relativ
kalten Endbereich der Abgasanlage (direkt am Auspuffrohr 21),
wobei eine Anordnung ohne eine Verschalung durch Karosserieteile
oder ein Gehäuse zusätzlich eine verbesserte Wärmeabfuhr
ermöglicht. Diese Anordnung lässt sich ohne konzeptionelle Änderungen
z. B. auch auf Sattelschlepper, LKW, Gabelstapler, Baumaschinen
wie Planierraupen, Bagger, Militärfahrzeuge wie Panzer
oder Radfahrzeuge, Schiffe und rußemittierende Lokomotiven
und sonstige Schienenfahrzeuge jeglicher Art übertragen.
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Bei
PKW, LKW oder Bussen oder andere Fahrzeugen oder Rußquellen
sonstiger Art, bei dem eine in 4a und
b dargestellte offene Anordnung unerwünscht ist, lässt
sich ein Dieselrussfilter am Unterboden, vorzugsweise unmittelbar
nach Austritt des Hosenrohrs oder des Krümmers und vor
dem ersten Schalldämpfer, im Bereich des Endtopfes anordnen oder,
im Falle einer Anbindung der Relativbewegung an die Kurbelwelle
oder am Getriebe direkt an der Motor-Gebtriebeeinheit anordnen.
Eine Anordnung im heißen Rohgasbereich begünstigt
zudem aufgrund des höheren Temperaturniveaus grundsätzlich eine
Verbrennung der abgereinigten Filterbelegung
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5 gibt
den horizontalen Querschnitt eines Filterelements 1 mit
gasdurchlässiger innerer Mantelfläche 23 sowie
einer optionalen, der Führung für die Filterfläche 24 dienenden äußeren
Mantelfläche 25 wieder. Die Perspektive entspricht
dem Querschnitt aus 1 und 2 jeweils
a, c, e. Die Höhe aller Faltungen im Faltenpack des Filterelements
sind bei dieser Ausführungsform einheitlich groß.
Die Stirnflächen der Filterelemente sind vorzugsweise mit
ringförmigen Abschlusselementen strömungshemmend verklebt,
die sich in ihren Abmessungen die Fläche zwischen inneren
Mantelfläche 23 und äußeren
Mantelfläche 25 überspannen. Die Begriffe
der Faltungen, Faltenhöhen und Faltenpacks umfassen im Rahmen
der Erfindung nicht nur gefaltete oder gewellt gebogene (z. B. um
eine Verstärkung gebogen oder gespannte) Filterflächen,
sondern auch aus ungefalteten Einzelfilterelementen mit oder ohne
zusätzlichen Verbindungselemente wie Führungsleisten
zusammengesetzte Faltenpacks.
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6a bis
c zeigen dagegen Ausführungsformen des Filterlements mit
unterschiedlichen Faltenhöhen. Wie bei der in 5 gezeigten
Ausführungsform weisen aber auch die hier dargestellten Filterelemente 1 periodisch
gefaltete oder aus z. B. ungeknickten Einzelfilterflächen
zusammengesetzte umlaufenden Filterflächen mit abwechselnd
innen und außen liegenden Faltenrücken. Dabei
erstrecken sich die Faltenrücken sowohl auf eine innere
Mantelfläche 23 als auch auf einer äußeren
Mantelfläche 25 des Filterelements sowie im Falle
der Ausführungsformen gem. 6a bis
c auch auf mindestens einer dazwischen angeordneten umlaufenden
Zwischenfläche 26.
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Zumindest
die innen liegenden Faltenrücken des Filterelements 24 weisen
eine Verstärkung auf, die ein Ausweichen des Faltenpacks
behindern oder vermeiden. Als Verstärkung dient vorzugsweise
die vorgenannte innere gasdurchlässige innere Mantelfläche 23 (z.
B. Blech mit Durchbrüchen) als separates Bauteil eine Tränkung
der Faltenrücken mit einem Polymer, ein gespannter Draht
oder Leisten in oder außerhalb verbunden mit der Faltung.
Vorzugsweise sind die Verstärkungen, die auf der inneren
Mantelfläche angeordnet sind, als Gleitdichtungsschiene
ausgebildet oder die innere Mantelfläche durch ein Blech mit
Durchbrüchen gebildet wird. Verstärkungen auf einer
Zwischenfläche 26 umfassen vorzugsweise je eine
in die Faltenrücken eingelegten stabförmigen Gegenstand
wie z. B. einen gespannten Draht oder alternativ eine Tränkung
mit einem Polymer.
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Die äußere
Mantelfläche wird im Falle einer Durchströmung
während des Filterbetriebs von Außen nach Innen
optional durch eine weitere separate Filterfläche mit einer
größeren Maschenweite wie die Filterflächen,
d. h. funktionell als Vorabscheider gebildet (z. B. Lochblech).
Damit wird nicht nur eine weitere Vorabscheidung erzielt, sondern
in vorteilhafte Weise eine zusätzliche Abstützung
des Faltenpacks von außen und damit eine Entlastung der
vorgenannten Verstärkungen. In äquivalenter Weise
lässt sich bei umgekehrter Durchströmungsrichtung
auch die innere Mantelfläche als Vorabscheider konzipieren Alternativ
zu der vorgenannten äußeren Mantelfläche als
separate Filterfläche sind die äußeren
Faltenrücken für eine zusätzliche Filterstabilität
auch auf andere Weise fixier- oder verfestigbar, beispielsweise durch
die vorgenannten Verstärkungen.
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6a und
b zeigen jeweils eine Ausführungsform, bei denen sich auf
einer Zwischenfläche 26 nur innen liegende Faltenrücken
erstrecken. Durch die in seiner Grundform in 6a dargestellte W-Faltung
wird das Kreisringvolumen zwischen innerer und äußerer
Mantelfläche besser ausgenutzt, da die Einfaltung von zusätzlicher
Filterfläche auf einer gegebenen Kreisringfläche
ermöglicht wird. Gleichzeitig kann die Faltenhöhe
zwischen den beiden genannten Mantelflächen wesentlich
vergrößert werden. Beide Maßnahmen ermöglichen
eine um bis zu 60–80% vergrößerte Filterfläche
des Filterelements 24. Die Falten weisen vorzugsweise alle
den gleichen Faltenabstand auf der äußeren Mantelfläche
auf. Es treten keine verengten Falten mehr auf. Der anfiltrierte
Staub ist damit wesentlich effektiver entfernbar.
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Das
Einbringen einer nach innen gerichteten W-Faltung (vgl. 6a und
b) ermöglicht auch eine Optimierung der Anströmung.
Auf diese Weise lassen sich nicht nur wesentlich größere
und dabei trotzdem vollständig zugängliche Filterflächen
in einem Filterelement unterbringen, sondern auch über
die gesamte Filterfläche ein bestimmter Druckverlust sowie
eine bestimmte Durchströmungsgeschwindigkeit und damit
eine gleichmäßigere Beladung der Filterflächen
realisieren. Vorzugweise sind die Abstände der Faltenrücken
an der inneren Mantelfläche 23 und äußeren
Mantelfläche 25 gleich, ebenso für eine
bessere Filteranströmung die Zwischenräume zwischen den
Filterflächen im Faltenpack, wobei die Faltenrücken
wiederum vorzugsweise nicht scharfkantig geknickt sondern zur Erzielung
eines Mindestabstands zwischen den Filterflächen in einem
bestimmten Radius gleich dem halben Mindestabstand gebogen sind.
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6c zeigt
zudem eine weitere Ausführungsform eines abreinigbaren
Filterelements, wobei sich auf einer zweiten Zwischenfläche 26 nur
außen liegende Faltenrücken erstrecken. In der
dargestellten Variante enden beispielsweise nur zwei von drei nach
außen hin orientierten Faltenrücken periodisch an
der äußeren Mantelfläche 25.
Durch eine derartige Gestaltung ist auch der Staugausweg der bei
einer Abreinigung abgelösten Filterbelegung optimierbar,
z. B. durch eine gezielte Strömungswegerweiterung als Expansionsdüse
oder einer zusätzlichen Verwirbelungskammer, wodurch ein
erneutes Zusetzen der abgereinigten Filterbereiche des jeweiligen Segmentes
erschwert wird.
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Grundsätzlich
sind die dargestellten Zwischenflächen 26 sowie
die äußere und die innere Mantelflächen 23 bzw. 25 rotationssymmetrisch
konzentrisch zueinander, d. h. sie erstrecken sich wie der Filterelement 1 um
eine gemeinsame Symmetrielinie 14.
-
Weitere
Ausführungsformen umfassen anstelle einer bevorzugten zylindrischen
Gestaltung aller genannten Mantelflächen und Zwischenflächen mindestens
eine dieser Flächen, die nicht zylindrisch, sondern bevorzugt
kegelstumpfförmig gestaltet ist, wobei die Querschnitte
grundsätzlich denen der in 5 und 6 dargestellten gleichen und die vorgenannte
konzentrische Anordnung dieser Flächen zueinander beibehalten
wird.
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- 1
- Filterelement
- 2
- reingasraumseitige
Mantelfläche
- 3
- rohgasraumseitige
Mantelfläche
- 4
- Reingasraum
- 5
- Rohgasraum
- 6
- Rohgaszuführung
- 7
- Reingasableitung
- 8
- Filtergehäuse
- 9
- Spülgasleitung
- 10
- Spülgasaustritt
- 11
- Spülgasstrom
- 12
- Sammelbereich
- 13
- Drehrichtung
- 14
- Symmetrielinie
- 15
- Abdeckung
- 16
- Abschlussdeckel
- 17
- Schacht
- 18
- Spülgasauslass
- 19
- Dieselrußfilter
- 20
- Nutzfahrzeug
- 21
- Auspuffrohr
- 22
- Spülgasabsaugung
- 23
- innere
Mantelfläche
- 24
- Filterfläche
- 25
- äußere
Mantelfläche
- 26
- Zwischenfläche
- 27
- Blindvolumen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10025141
C2 [0004]
- - DE 19917168 C2 [0007]
- - DE 10300718 A1 [0009]
- - DE 10130338 A1 [0010]
- - EP 1160435 B1 [0011]