DE19910259A1

DE19910259A1 - Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE19910259A1
Application number: DE1999110259
Authority: DE
Inventors: Georg Huethwohl; Jochen Koll; Carsten Kohberg
Original assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2000-09-14

Abstract

Eine Filteranordnung 1 zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors (Dieselpartikelfilteranordnung) ist dadurch bestimmt, daß die Filteranordnung 1 ein in den Abgasstrom des Dieselmotors eingeschaltetes Hauptfilter 4 und ein parallel zu dem Hauptfilter 4 geschaltetes, motornah angeordnetes und zweckmäßigerweise in seiner Dimensionierung bezüglich des Hauptfilters 4 kleineren Vorfilter 3 umfaßt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Reinigens von Abgasströ men von Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors.

Derartige Filteranordnungen, auch Dieselpartikelfilter genannt, werden in den Abgasstrom von Dieselmotoren, insbesondere von in Kraftfahrzeugen eingesetzten Dieselmotoren zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes verwendet. Diese Dieselpartikelfilter sind bezüglich ihrer Dimensionierung und ihrer Filterkapazität so ausgelegt, daß zum einen eine ausreichende Filterfläche zur Verfügung steht und zum anderen der durch das Filter hervorgerufene Abgasgegendruck nicht unnötig hoch ist. Da beim Betrieb eines solchen Dieselmotors die zu filternde Abgasmenge größer ist als bei einem Teillastbetrieb, richtet sich die Dimensionierung eines solchen Die selpartikelfilters nach der maximal zu erwartenden Abgasmenge. Die aus dem Abgasstrom mit Hilfe eines solchen Filters herausgefilterten Rußpar tikel lagern sich auf der anströmseitigen Oberfläche der bereitgestellten Filterfläche ab. Durch die zunehmende Ablagerung von Rußpartikeln auf der Filterfläche erhöht sich der Durchströmungswiderstand des Filters und entsprechend der Abgasgegendruck. Aus diesem Grunde muß ein sol ches Filter kontinuierlich oder intermittierend gereinigt werden. Um in dem Filter eine gewisse Rußpartikelmenge aufnehmen zu können, jedoch ohne dadurch über Maßen den Abgasgegendruck zu erhöhen, übersteigt in der Regel die bereitgestellte Filterfläche derjenigen, die zum Reinigen der maximal auftretenden Abgasmenge vorgesehen sein könnte. Die sich aufgrund dieser Bedingungen ergebende Größe eines solchen Dieselpar tikelfilters ist für einen Einsatz eines solchen Dieselpartikelfilters im Nutz fahrzeugbereich unproblematisch, da bei Nutzfahrzeugen im allgemeinen auch in Motornähe ausreichend Einbauraum zur Verfügung steht. Eine motornahe Anordnung eines Dieselpartikelfilters ist zweckmäßig, da bei einem Betrieb des Dieselmotors unter einer bestimmten Last das Abgas eine solche Temperatur erreicht, daß sich die auf dem Filter abgelagerten Rußpartikel selbst entzünden, verbrennen und sich somit das Filter durch Abbrennen des Rußes selbst reinigt. Ist die von dem Abgasstrom zurück zulegende Strecke zwischen dem Dieselmotor und dem Filter zu groß, kann ein solcher selbsttätiger Rußabbrand nicht ohne weiteres oder nur bei einem Vollastbetrieb, wenn das Abgas die benötigte Temperatur er reicht hat, erfolgen. Zur Unterstützung einer Filterregeneration kann vor gesehen sein, dem Dieselkraftstoff Additive beizumengen, die die Zünd temperatur der gebildeten Rußpartikel absenken. Ebenfalls kann einem solchen Dieselpartikelfilter eine zusätzliche Brennereinrichtung zugeord net sein, durch die eine Rußentzündung und somit ein Filter reinigender Rußabbrand ausgelöst werden kann.

Bei einem Einsatz eines solchen Dieselpartikelfilters in einem Personen kraftwagen ist im allgemeinen im Motorraum nicht genügend Freiraum vorhanden, um einen solchen Filter motornah anordnen zu können. Aus diesem Grunde kann ein solcher Dieselpartikelfilter nur unterhalb der Bo dengruppe eines Pkws angeordnet werden. Diese Anordnung hat jedoch zur Folge, daß sich der Dieselpartikelfilter in einem solchen Abstand zum Dieselmotor befindet, daß das einströmende ungereinigte Abgas nur bei besonderen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Vollast eine ausrei chend hohe Temperatur aufweist, um einen reinigenden Rußabbrand selbsttätig auslösen zu können. Auf einen übermäßigen Einsatz von Zündpunkt herabsetzenden Kraftstoffadditiven soll möglichst verzichtet werden, da hierbei ein unnötig hoher Anteil an nicht brennbaren Aschen gebildet wird, die den Filter verblocken. Auch ein Einsatz eines zusätzli chen Brennersystems ist aufgrund des benötigten Raumbedarfes bei ei nem Pkw nicht ohne weiteres möglich.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors bereitzustellen, mit der eine zufriedenstellende Abgasreinigung ohne einen Einsatz zusätzli cher Brenner oder zündpunktherabsetzender Additive gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Filteran ordnung einen in den Abgasstrom des Dieselmotors eingeschalteten Hauptfilter und einen parallel zu dem Hauptfilter geschalteten, motornah angeordneten Vorfilter umfaßt.

Die erfindungsgemäße Dieselpartikelfilteranordnung umfaßt einen in den Abgasstrom des Dieselmotors eingeschalteten Hauptfilter, der beispiels weise unter der Bodengruppe eines Pkws angeordnet sein kann, und ei nen dem Hauptfilter im Abgasstrom vorgeschalteten, jedoch motornah angeordneten und zweckmäßigerweise in seiner Dimensionierung bezüg lich des Hauptfilters kleineren Vorfilter. Der motornah angeordnete kleine re Vorfilter ist ausreichend nah am Abgaskrümmer des Dieselmotors an geordnet, daß das austretende Abgas bereits bei einem Teillastbetrieb des Dieselmotors eine solche Temperatur am Eingang des Vorfilters auf weist, die ausreicht, um die auf dem Vorfilter abgelagerten Rußpartikel entzünden zu können. Die zweckmäßigerweise kleinere Dimensionierung des Vorfilters bedingt auch die Bereitstellung einer gegenüber dem Hauptfilter nur kleineren Filterfläche. Aufgrund der parallel geschalteten Anordnung von Vorfilter und Hauptfilter ist der durch die Filteranordnung bedingte Abgasgegendruck in keinem Zeitpunkt bei einem Betrieb des Dieselmotors unerwünscht hoch. Bei einem Betrieb des Dieselmotors im geringen Teillastbereich lagern sich zunächst die Rußpartikel sowohl im Vorfilter als auch im Hauptfilter ab. Im Unterschied zum Hauptfilter erfolgt jedoch im Vorfilter aufgrund seiner motornahen Anordnung eine intermit tierende Reinigung durch Rußabbrand, da der eintretende Abgasstrom eine ausreichend hohe Temperatur aufweist. Ist nach einem längeren Be trieb des Dieselmotors im geringen Teillastbereich der Hauptfilter durch darauf abgelagerte Rußpartikel weitestgehend bezüglich seiner Filterlei stung blockiert, ist für diesen Teillastbereich gleichwohl nur ein geringer Abgasgegendruck feststellbar, da für einen solchen Teillastbereich durch das Vorfilter eine ausreichende Filterfläche zur Verfügung gestellt ist. Bei dem Übergang aus einem solchen Teillastbereich in einen Vollastbereich ist durch den blockierten Hauptfilter zunächst der Abgasgegendruck er höht. In einem solchen Vollastbereich ist jedoch zum einen die Abga stemperatur höher und insbesondere auch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes größer, so daß das in das Hauptfilter einströmende Abgas eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, die zu einer Selbst entzündung von auf dem Hauptfilter abgelagerten Rußpartikeln führt. Durch den einsetzenden Rußabbrand reinigt sich dann das Hauptfilter, so daß der durch die Filteranordnung bedingte Abgasgegendruck nach voll zogener Selbstreinigung wieder die gewünschten Werte einnimmt.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung einer solchen Filteranordnung ist vorgesehen, daß die Filter - Vorfilter und Hauptfilter - Filtertaschen bildend aus einzelnen Filterplatten aufgebaut sind, die in Hauptströmungsrichtung des Abgasstromes hintereinander angeordnet sind. Die Filterplattenan ordnungen sind radial von dem ungereinigten Abgasstrom angeströmt, so daß das gereinigte Abgas achsial aus der Filterplattenanordnung heraus geführt wird. Bei einer solchen Anordnung ist es zweckmäßig, zunächst den gesamten Abgasstrom durch das Gehäuse des Vorfilters zu leiten und in dem Gehäuse einen Bypass vorzusehen, so daß das ungereinigte Abgas zunächst gleichermaßen das Vorfilter und das Hauptfilter beauf schlagt. In Abhängigkeit von der Rußpartikelablagerung auf dem jeweili gen Filter regelt sich die durch das jeweilige Filter gefilterte Abgasmenge selbsttätig in Abhängigkeit von dem jeweiligen Durchströmungswiderstand des Filters. Eine solche Anordnung benötigt einen geringeren Einbauraum als das Vorsehen paralleler jeweils einen Teilabgasstrom den beiden Fil tern zuführender Rohrleitungen.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein solches Vorfilter mit dem Hauptfilter durch ein doppelwandiges Rohrstück verbunden, welches Rohrstück, einen zentralen Rohrkanal und eine diesen konzentrisch um gebende Rohrkammer aufweist. Der innere Rohrkanal dient zum Abführen des gereinigten Teilabgasstromes des Vorfilters, während in der äußeren Rohrkammer der ungereinigte, an dem Vorfilter vorbeigeströmte Teilab gastrom geführt wird. Der innere Rohrkanal mündet in den abströmseiti gen Bereich des Hauptfilters; die äußere Rohrkammer mündet in den an strömseitigen Bereich des Hauptfilters. Somit vermischt sich der durch das Vorfilter gereinigte Teilabgasstrom mit demjenigen des Hauptfilters im ab strömseitigen Filterbereich des Hauptfilters. Von dem Hauptfilter kann der Abgasstrom in einem einzigen Abgasrohr weitergeleitet werden.

Mit einer solchen Dieselfilterpartikelanordnung können auch Pkws ausge rüstet werden, wobei aufgrund des geringen möglichen Platzbedarfes des Vorfilters dieser auch im Motorraum oder unmittelbar daran angrenzend angeordnet werden kann. Das Hauptfilter befindet sich dann im Abstand zum Vorfilter unterhalb der Bodengruppe.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, sowie Weiterbildungen sind Be standteil der übrigen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschrei bung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Fig. 1, die in einem schematisierten Längsschnitt eine Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors zeigt.

Eine Dieselpartikelfilteranordnung 1 ist in den Abgasstrom eines nicht nä her dargestellten Dieselmotors eingeschaltet. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes ist durch den Pfeil 2 dargestellt. Die Dieselpartikelfilteran ordnung 1 umfaßt einen Vorfilter 3 und einen Hauptfilter 4. Beide Filter 3, 4 sind aus einzelnen Filterplatten Filtertaschen bildend zusammengesetzt, wobei die Filterplatten des Vorfilters 3 mit dem Bezugszeichen F_V und diejenigen des Hauptfilters 4 mit dem Bezugszeichen F_H gekennzeichnet sind. Die aus den Filterplatten F_V, F_H jeweils gebildeten Filterkörper 5, 6 sind so aufgebaut, daß diese durch den Abgasstrom radial, wie durch die Strömungspfeile kenntlich gemacht, angeströmt sind. Der jeweils gerei nigte Abgasstrom tritt in achsialer Richtung aus den Filterkörpern 5 bzw. 6 aus.

Die beiden Filterkörper 5, 6 sind in jeweils ein Filtergehäuse 7, 8 einge setzt. Über ein doppelwandiges Rohrstück 9 ist das Vorfilter 3 mit dem Hauptfilter 4 verbunden. Das Rohrstück 9 umfaßt einen inneren Rohrkanal 10 und eine äußere Rohrkammer 11. Die äußere Rohrkammer 11 dient zum Zuleiten eines Teilabgasstromes, nämlich desjenigen Teilabgasstro mes, der an dem Filterkörper 5 des Vorfilters 3 vorbeiströmt, zur Anström seite des Filterkörpers 6 des Hauptfilters 4. Der durch den Filterkörper 5 des Vorfilters 3 gereinigte Teilabgasstrom strömt achsial aus dem Filter körper 5 aus und in den inneren Rohrkanal 10 des Rohrstückes 9 ein. Der innere Rohrkanal 10 mündet in den abströmseitigen Bereich des Filterkör pers 6 des Hauptfilters 4. In diesem achsialen Bereich des Filterkörpers 6 vereinigen sich die beiden gereinigten Teilabgasströme um anschließend gemeinsam durch ein ausgangsseitig am Hauptfilter 4 angeschlossenes Abgasrohr 12 abgeführt werden zu können.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Filterkörper 6 des Hauptfilters 4 sowohl anströmseitig als auch abströmseitig durch ei nen Abgasstrom - ersterer ungereinigt, letzterer gereinigt - beaufschlagt. Diese beidseitige Anströmung wirkt sich günstig auf eine rasche Erwär mung, insbesondere der inneren Filterkörperanteile zum Auslösen eines gewünschten Rußabbrandes aus.

Die bei dieser Filteranordnung verwendeten Filterplatten F_V, F_H sind aus einem Sintermetall aufgebaut, was die Wärmeleitfähigkeit bei einem Ruß abbrand, insbesondere im Hauptfilter 4 fördert. Überdies ist ein Überhitzen der Filterplatten bei einem Rußabbrand vermieden. Bei der Ausbildung der Filterplatten F_V, F_H kann vorgesehen sein, daß diese unterschiedliche Filtercharakteristika aufweisen können, so daß der Vorfilter etwa zum Fil tern größerer und der Hauptfilter zum Filtern kleinerer Rußpartikel vorge sehen sein kann.

Den beiden Filtern 3, 4 ist jeweils ein Partikelsammelbehältnis 13, 14 im Bereich des Tiefsten der beiden Filter 3, 4 zugeordnet. Diese Partikel sammelbehältnisse 13, 14 dienen zum Auffangen von den anströmseiti gen Filterflächen herabfallender Ruß- und Aschepartikel. Zum Verbrennen der aufgesammelten Rußpartikel in den beiden Partikelsammelbehältnis sen 13, 14 ist in jedes Partikelsammelbehältnis 13 bzw. 14 eine Glühkerze G eingesetzt, die zum Entzünden des angesammelten Rußes dient. Die durch die Filteranordnung zurückgehaltenen Aschepartikel, die durch ei nen Rußabbrand nicht beseitigt werden können, sammeln sich im Zuge der Betriebsdauer der Filteranordnung 1 in den Sammelbehältnissen 13, 14 an. Damit diese in bestimmten Intervallen entleert werden können, sind die Partikelsammelbehältnisse 13, 14 nach unten verjüngt ausgebildet und unterseitig mit einer Verschlußschraube V verschlossen. Durch Öff nen der Verschlußschrauben V wird die in den Partikelsammelbehältnis sen 13, 14 angesammelte Asche bei gleichzeitigem Betrieb des Diesel motors quasi von selbst ausgeblasen. Ein aufwendiges Ausbauen der Filterkörper 5, 6, um diese zu ihrer Reinigung waschen zu können, ist so mit vermieden.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1

Dieselpartikelfilteranordnung

2

Pfeil, Hauptströmungsrichtung

3

Vorfilter

4

Hauptfilter

5

Filterkörper

6

Filterkörper

7

Filtergehäuse

8

Filtergehäuse

9

Rohrstück

10

Rohrkanal

11

Rohrkammer

12

Abgasrohr

13

Partikelsammelbehältnis

14

Partikelsammelbehältnis
F_V

Filterplatte
F_H

Filterplatte
G Glühkerze
V Verschlußschraube

Claims

1. Filteranordnung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgas strom eines Dieselmotors (Dieselpartikelfilteranordnung), dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (1) ein in den Abgass trom des Dieselmotors eingeschaltetes Hauptfilter (4) und ein par allel zu dem Hauptfilter (4) geschaltetes, motornah angeordnetes Vorfilter (3) umfaßt.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorfilter (3) in seiner Dimensionierung bezüglich des Hauptfil ters (4) kleiner ist.

3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Filter Filtertaschen bildend aus in Hauptströmungs richtung des Abgasstromes hintereinander angeordneten Filter platten (F_V, F_H) aufgebaut und radial angeströmt sind und die Filter anordnung (1) ausgelegt ist, daß der gesamte Abgasstrom das Fil tergehäuse (7) des Vorfilters (3) durchströmt, wobei das Vorfilter (3) einen Bypass zum Vorbeileiten eines ungereinigten, den Hauptfilter (4) unmittelbar anströmenden Teilstromes aufweist.

4. Filteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorfilter (3) über ein doppelwandiges Rohrstück (9) mit dem Hauptfilter (4) verbunden ist, wobei der zentrale Rohrkanal (10) zum Transportieren des durch das Vorfilter (3) gereinigten Teilab gasstromes und die konzentrisch zu diesem Kanal (10) angeord nete äußere Rohrkammer (11) zum Transportieren des an dem Vorfilter (3) vorbeiströmenden ungereinigten Teilabgasstrom dient und wobei die äußere Kammer (11) des Rohrstückes (9) in den an strömseitigen und der innere Rohrkanal (10) in den abströmseitigen Bereich des Hauptfilters (4) mündet.

5. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß jedem Filter (3, 4) ein Partikelsammelbehältnis (13, 14) im Bereich seines Tiefsten zugeordnet ist.