DE19611150A1

DE19611150A1 - Partikelfilter für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19611150A1
Application number: DE19611150A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Mattes; Martin Dr Ing Freitag; Erwin Dr Ing Effelsberg; Hans Dipl Ing Sudmanns
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1997-05-28

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, bestehend aus einem vom Abgas durchströmten porösen Filterelement, das in Richtung der Abgasströmung variierende Porengrößen aufweist.

Zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine haben ein poröses Filterelement enthaltende Filtereinrichtungen zunehmend Verbreitung gefunden. Bei einem Dieselmotor kommt insbesondere der Entfernung von Rußpartikeln besondere Bedeutung zu.

Eine Schwierigkeit bei der Realisierung eines Partikelfilters für einen Dieselmotor besteht darin, daß der Filter aus verschiedenen Gründen im Verhältnis zu der anfallenden Partikelmenge relativ klein auszubilden ist. Insbesondere im Falle eines aufgeladenen Dieselmotors, bei dem der Filter mit großem Vorteil in der Abgasleitung vor der Turbine angeordnet ist, steht für den Filter nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung. In Anbetracht der Menge der auftretenden Partikel und der damit verbundenen Flächenbela stung des Filters kommt der Einsatz von Oberflächenfiltern nicht in Betracht, da der sich beim Betrieb bildende Filterkuchen, auf dem die Filterwirkung eines Oberflächenfilters beruht, nach kurzer Betriebszeit zu einem hohen Filterdruckverlust führt. Um die Bildung eines solchen Filterkuchens zu verhindern, muß der Filter in Form eines porösen Tiefenfilters ausgebildet sein, bei dem die Ablagerung der Partikel an den Porenoberflächen im Inneren des Filters erfolgt. Damit die Partikel in die Tiefe des Filters eingetragen werden können, und damit der Strömungsdruckverlust in Grenzen bleibt, muß die Größe der Poren des Filters ausreichend sein. Andererseits reduzieren große Poren aber den Abscheidegrad des Filters.

Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, Filter einzusetzen, bei denen die Porengröße in Strömungsrichtung des Abgases abnimmt. Hierbei findet in einer stromaufwärts befindlichen ersten Filterschicht mit großen Poren lediglich eine Abscheidung der größten im Abgasstrom enthaltenen Partikel statt. Die restlichen Partikel werden in die Tiefe des Filters eingetragen und in einer Schicht mit kleinen Poren abgeschieden. Auf diese Weise wird trotz einer kleinen Filterfläche insgesamt ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig tolerierbarem Druckverlust erzielt.

Aus der DE 35 38 107 A1 ist ein Filter zur Reinigung des Abgases eines Dieselmotors bekannt, das ein aus Drahtgewebe oder poröser Keramik gebildetes Filterelement enthält, das eine in Richtung der Abgasströmung abnehmende Porengröße aufweist, wobei die Porengröße kontinuierlich oder stufenweise variiert. Weiterhin ist aus der DE 35 01 182 C2 ein Abgasfilter für Dieselmotoren bekannt, das ein Filterelement in Form eines monolythischen Filterblocks aus poröser Keramik enthält, der in Strömungsrichtung des Abgases mehrere Zonen abnehmender Porengröße aufweist, wobei der Filterblock wechselseitig verschlossene Kanäle aufweist, so daß das Abgas gezwungen wird, beim Übergang von einem Kanal zu einem anderen durch das Keramikmaterial des Filterblocks hindurchzutreten und dabei die Zonen mit in Strömungsrichtung abnehmender Porengröße zu passieren. Schließlich ist aus der DE 39 41 698 A1 ein Rußfilter bekannt, das aus einem porösen, metallischen Sintermaterial intermetallischer Phase aus Ni₃Al oder NiAl besteht. Der Sinterkörper ist durch Sintern von Pulvern oder Spänen des metallischen Materials oder aus einem metallischen Drahtgeflecht gebildet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Partikelfilter der vorausgesetzten Art zu schaffen, das über eine lange Betriebsdauer eine gute Filterwirkung und einen geringen Druckverlust aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß das Filterelement aus Fasern gebildet ist und zur Variierung der Poremgröße in Richtung der Abgasströmung Fasern mit unterschiedlichem Faserdurchmesser enthält.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Filters ist, daß es auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.

Vorzugsweise ist das Filterelement aus metallischen Fasern gebildet, die durch Sintern verbunden sind.

Ein Vorteil hiervon ist, daß das Filterelement trotz seines Aufbaus aus Fasern als ein starrer Verbund ausgebildet ist, der in der Lage ist, den im Abgasstrom auftretenden Strömungskräften zu widerstehen und somit nicht zusammengedrückt wird, wodurch die Porengröße aufrechterhalten und der Filterdruckverlust gering gehalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Querschnittsansicht eines Ausschnitts eines Filterelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Querschnittsansicht eines Ausschnitts eines Filterelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Querschnittsansicht eines Ausschnitts eines Filterelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filterelements, das in Form eines Kreiszylinders ausgebildet ist; und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Dieselmotor mit zwei Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung, zur Erläuterung der Einbaulage der Filter.

Fig. 1 zeigt ein Filterelement 4, das durch drei Filterschichten 1, 2, 3 gebildet ist und in Richtung der Abgasströmung abnehmende Porengröße aufweist. Jede der Filterschichten 1, 2, 3 besteht aus einem gesinterten Verbund von metallischen Fasern, die aus einer Nickel- Basis-Legierung bestehen und als Hauptkomponenten Ni-Cr oder Ni-Al aufweisen. Die einzelnen Filterschichten 1, 2, 3 bestehen jeweils aus Fasern mit einem unterschiedlichen Faserdurchmesser, wobei die stromaufwärtige, der mit Partikeln beladenen Abgasströmung A zugewandte Filterschicht 1 Fasern mit dem größten Faserdurchmesser und damit die größten Poren aufweist, während die in Strömungsrichtung folgenden Filterschichten 2 und 3 jeweils abnehmende Faserdurchmesser und damit abnehmende Porengröße aufweisen. Der Faserdurchmesser der Filterschicht 1 an der stromaufwärtigen Seite des Filterelements 4 beträgt zwischen 100 und 200 µm, der Faserdurchmesser der stromabwärtigen Filterschicht 3 beträgt zwischen 10 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 µm, und der Faserdurchmesser der dazwischen liegenden Filterschicht 2 beträgt zwischen 50 und 100 µm. Unter der Porengröße ist der mittlere Durchmesser eines zwischen den Fasern gebildeten Zwischenraums zu verstehen.

Durch die Fasern großen Durchmessers der ersten Filterschicht 1 wird neben großen Porendurchmessern zusätzlich eine hohe mechanische Festigkeit dieser Filterschicht und da mit des gesamten Filterelements 4 erreicht. Durch die Fasern der dritten Filterschicht 3, die mit 10 bis 20 µm einen sehr kleinen Durchmesser haben, ist das Filterelement 4 in der Lage, auch feinste, besonders toxische Partikel abzuscheiden.

Durch die Abnahme der Porengrößen des Filterelements 4 in der Strömungsrichtung des Abgases werden in der ersten Schicht 1 nur die größten Teilchen abgeschieden. Die verbleibenden Partikel werden in die Tiefe des Filterelements 4 eingetragen und von diesen die größeren in der zweiten Filterschicht 2 mit den geringeren Porengrößen abgeschieden. In der dritten Filterschicht 3 schließlich werden dann die allerfeinsten Partikel abgeschieden. Somit wird trotz einer verhältnismäßig kleinen Filterfläche ein hoher Abscheidungsgrad und gleichzeitig ein tolerierbarer Druckverlust erreicht.

Die Porosität des Filterelements 4 beträgt in seiner stromaufwärtigen Filterschicht zwischen 75 und 95%, vorzugsweise zwischen 85 und 90%; die Porosität der stromabwärtigen Filterschicht 3 zwischen 50 und 85%, vorzugsweise zwischen 70 und 75%, ebenso die der dazwischenliegenden Filterschicht 2.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Filterelement 4 wiederum aus drei Filterschichten 1,2,3 aufgebaut, die abnehmende Porengrößen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen. Auf der stromabwärtigen Seite des Filterelements 4 ist eine Stützstruktur 5 vorgesehen, die durch ein Drahtgitter gebildet ist. Diese Stützstruktur dient dazu, das Filterelement 4 gegen den Druck der Abgasströmung abzustützen und eine Verformung des Filterelements zu verhindern.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Filterelement 4 eine stromaufwärtige erste Filterschicht 1 und eine stromabwärtige dritte Filterschicht 3, zwischen denen sandwichartig eine gewellt ausgebildete zweite Filterschicht 2′ angeordnet ist. Durch die Wellung der zweiten Filterschicht 2′ wird dem Filterelement 4 eine erhöhte Stabilität und damit Widerstandsfähigkeit gegen Verformung durch den Druck der Abgasströmung verliehen. Wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen haben die Filterschichten 1, 2′, 3 in dieser Reihenfolge abnehmende Faserdurchmesser und damit abnehmende Porengrößen, nämlich einen Faserdurchmesser von 100 bis 200 µm für die dritte Filterschicht 3 und einen Faserdurchmesser von 50 bis 100 µm für die zweite, gewellte Filterschicht 2′.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist das Filterelement 4 bei diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Kreiszylinders gebildet, der durch koaxial angeordnete kreiszylindrische Filterschichten 1, 2, 3 gebildet ist, die von dem mit Partikeln beladenen Abgasstrom A radial von außen nach innen durchströmt werden. Das von den Partikeln gereinigte Abgas wird durch eine Abgasleitung 6 als gereinigter Abgasstrom B abgeführt, zum Beispiel zur Turbine eines nachgeschalteten Laders.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, kann eine solche kreiszylindrische Anordnung des Filterelements 4 auf eine sehr raumsparende Weise parallel an den Zylinderbänken eines aufgeladenen Dieselmotors M angeordnet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, weil durch eine solche Anordnung das Filterelement 4 im Abgasstrom stromaufwärts der Turbine des Laders untergebracht werden kann.

Alternativ zu den dargestellten Ausführungsbeispielen, bei denen sich die Porengrößen des Filterelements 4 durch den Aufbau in Schichten in Richtung der Abgasströmung stufenweise ändern, kann auch vorgesehen sein, daß sich die Porengrößen in Richtung der Abgasströmung kontinuierlich ändern. Dies kann entweder erreicht werden durch eine all mähliche Änderung der Anteile der in dem Filterelement enthaltenen Fasern mit unterschiedlichen Faserdurchmessern oder/und durch Variation der Packungsdichte der Fasern.

Claims

1. Filter zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, bestehend aus einem vom Abgas durchströmten porösen Filterelement (4), das in Richtung der Abgasströmung variierende Porengrößen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) aus Fasern gebildet ist, und zur Variierung der Porengröße in Richtung der Abgasströmung Fasern mit unterschiedlichem Faserdurchmesser enthält.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) in Richtung der Abgasströmung abnehmende Porengröße aufweist, und daß das Filterelement (4) in Richtung der Abgasströmung Fasern mit abnehmendem Faserdurchmesser enthält.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser an der stromaufwärtigen Seite des Filterelements (4) zwischen 50 und 300 µm, vorzugsweise zwischen 100 und 200 µm beträgt.

4. Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser an der stromabwärtigen Seite des Filterelements (4) zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 µm beträgt.

5. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) in Richtung der Abgasströmung mindestens drei Filterschichtbereiche (1, 2, 3) mit unterschiedliche Faserdurchmesser aufweisenden Fasern enthält, von den der Faserdurchmesser des stromaufwärtigen Filterschichtbereichs (1) 100 bis 200 µm beträgt, der Faserdurchmesser des stromabwärtigen Filterschichtbereichs (3) 10 bis 50 µm beträgt, und der Faserdurchmesser eines dazwischen liegenden Filterschichtbereichs 50 bis 100 µm beträgt.

6. Filter nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des Filterelements (4) im stromaufwärtigen Filterschichtbereich (1) zwischen 75 und 95%, vorzugsweise zwischen 85 und 90% beträgt.

7. Filter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität des Filterelements (4) im stromabwärtigen Filterschichtbereich (3) zwischen 50 und 85%, vorzugsweise zwischen 70 und 75% beträgt.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) aus metallischen Fasern besteht.

9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Fasern durch Sintern verbunden sind.

10. Filter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Fasern aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehen.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Fasern aus einer Ni-Cr-Legierung bestehen.

12. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Fasern aus einer Ni-Al-Legierung bestehen.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Porengrößen des Filterelements (4) in Richtung der Abgasströmung kontinuierlich ändern.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Porengrößen des Filterelements (4) in Richtung der Abgasströmung stufenweise ändern.

15. Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) mehrere Filterschichten (1, 2, 3) mit unterschiedliche Faserdurchmesser aufweisenden Fasern enthält.

16. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) die Form eines Kreiszylinders hat, der in radialer Richtung von dem zu reinigenden Abgas durchströmt wird.

17. Filter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) radial von außen nach innen von dem zu reinigenden Abgas durchströmt wird.

18. Filter nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) aus mehreren kreiszylindrischen, koaxial angeordneten Filterschichten (1, 2, 3; 1, 2′, 3) besteht.

19. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf der stromabwärtigen Seite des Filterelements (4) eine Stützstruktur (5), vorzugsweise in Form eines Drahtgitters, vorgesehen ist.

20. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (4) eine gewellte Filterschicht (2′) enthält.

21. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mehrere Filterschichten (1, 2′, 3) enthält, von denen mindestens eine als gewellte Filterschicht (2′) ausgebildet und zusammen mit mindestens einer weiteren Filterschicht (1, 3) sandwichartig angeordnet ist.

22. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (4) in der Abgasleitung eines aufgeladenen Dieselmotors in Strömungsrichtung vor der Turbine angeordnet ist.