DE19931307B4

DE19931307B4 - Vorrichtung zum Filtern eines Rußpartikel transportierenden Abgases

Info

Publication number: DE19931307B4
Application number: DE19931307A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Fränkle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: ITRM20000354A0; DE19931307A1; IT1315948B1; FR2795973B1; US6398836B1; ITRM20000354A1; FR2795973A1

Abstract

Eine Vorrichtung dient zum Filtern eines mit Partikeln behafteten Fluids, insbesondere eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine. Die Vorrichtung ist mit einem Außenbehälter und wenigstens einer Filtereinrichtung aus einem porösen Material versehen. Das poröse Material jeder der wenigstens einen Filtereinrichtung weist mehrere in Strömungsrichtung verlaufende Faltungen auf. Außerdem weist das poröse Material in seinem Querschnitt eine geschlossene geometrische Form mit wenigstens einer inneren Öffnung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine.

Allgemein bekannt sind Filtereinrichtungen aus porösen Materialien, wobei diese Filtereinrichtungen üblicherweise in einem Außenbehälter angeordnet sind. Als Material für die Filtereinrichtungen dient dabei im allgemeinen ein poröses Material, welches z. B. ein Sintermaterial aus metallischen Werkstoffen oder auch aus Glas oder Kunststoffen sein kann.

Üblicherweise sind die Filtereinrichtungen, insbesondere wenn sie als Rußfilter für Abgasanlagen von Maschinen gedacht sind, aus hintereinanderliegenden Filterplatten aus dem oben genannten porösen Material in einem Außenbehälter aufgebaut.

Beim Einsatz der Filtereinrichtungen als Rußfilter für die Abgase einer Maschine werden dabei häufig Filtereinrichtung und Schalldämpfer im Abgasstrang der Maschine zu einer Einheit zusammengefaßt.

Das zu filternde Fluid muß bei diesem üblichen Aufbau der Filteranlagen eine oder mehrere Schichten aus dem porösen Material durchdringen, um eine ausreichende Reinigungswirkung zu erzielen. Dabei entstehen, durch die erforderlichen großen Oberflächen an porösem Material, vielschichtige Filter, welche dem strömenden Fluid einen sehr hohen Strömungswiderstand entgegenstellen.

Alternativen hierzu liegen darin, die Partikelfilter aus Metallgestricken oder aufgerauhtem Aluminiumoxyd-Garn herzustellen.

Aus der DE 295 02 730 U1 ist ein Filterelement als Wasserfilter bekannt, welches einen zylindrisch gefalteten Filterkörper aufweist, welcher wenigstens zwei stirnseitige Abschlußelemente hat, welche auf dem Filterkörper aufsitzen. Der Filterkörper ist dabei aus einem gesinterten Kunststoff hergestellt, welcher weitgehend starre Falten bildet. Es ergibt sich somit eine im Querschnitt sternförmige Filtereinheit, welche in einem Filtergehäuse angeordnet ist.

Außerdem beschreibt die DE 42 07 023 C2 eine Filtervorrichtung mit Gehäuse und in dem Gehäuse befindlichen Filterelementen. Diese Filtervorrichtung, deren Filterelemente sowohl beim Einsetzen in das Gehäuse als auch beim Rausziehen einfach und sicher handhabbar und beherrschbar sind, ist dabei so aufgebaut, daß jedem Filterelement je eine Stützstange zugeordnet ist, die oberhalb des Filterscheitels verläuft. Im Bereich der Filterrückseite ist eine die Stützstange übergreifende Hängevorrichtung mit dem Filterelement verbunden, die von der Stützstange lösbar und entlang der Stützstange verschiebbar ist. Dabei können mehrere der zur Filterung von mit Staubpartikeln verunreinigten Gasen vorgesehene Filterelemente in einem größeren, die Filtervorrichtung bildenden Gehäuse untergebracht werden, wobei diese zum Zwecke des Austauschs bzw. der Reinigung durch den Aufbau mit den Stützstangen und der Hängevorrichtung sehr einfach auszuwechseln sind.

Aus der US 2,926,743 ist ein Freifluss-Schalldämpfer für eine Abgasanlage bekannt, welcher aus zwei ineinanderliegenden Rohrelementen besteht, wobei das Innere der Rohrelemente eine in seinem Querschnitt sternförmige Form aufweist, welche mit einem Abschlusselement in der Art einer Venturi-Düse in das Außenrohr mündet. Dieser Freifluss-Schalldämpfer ist dabei in der Lage die Abgase zu kühlen, ihre Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren und ihre Druckschwankungen effektiv zu vermeiden. Dadurch wird eine sehr effiziente Kühlung und Schalldämpfung der Abgase in der Abgasanlage erreicht.

Aus der DE 196 30 852 A1 ist eine Filtereinrichtung bekannt, welche im Ansaugbereich einer Brennkraftmaschine angewendet werden kann, um eine Reduzierung der Geräuschemission des Ansauggeräusches und eine Partikelabscheidung der Ansaugluft durchzuführen. Die Filtereinrichtung ist aus einem offenporigen Element und einem Trägerelement gebildet, wobei das offenporige Element aus einem Kunststoff-Sintermaterial besteht. Das Filterelement kann beispielsweise mäanderförmig aufgebaut sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Filtern eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine zu schaffen, welches bei idealer Raumausnutzung in einem vorgegebenen Außenbehälter eine große Oberfläche an porösem Filtermaterial aufweist und das außerdem Schallwellen und Druckschwankungen in dem Abgas zu vermindern hilft.

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

Die eigentliche Filtereinheit in dem Außenbehälter wird erfindungsgemäß dadurch gebildet, daß ein sich in Strömungsrichtung erstreckendes poröses Material entlang dieser Strömungsrichtung mehrfach gefaltet und mit den freien Enden zusammengefügt wird, so daß eine im Querschnitt geschlossene geometrische Form entsteht, welche wenigstens eine innere Öffnung aufweist. Das Material kann also z. B. in der Art eines vielzackigen Sterns gefaltet werden, so daß eine Art Rohr mit sternförmigen Querschnitt aus dem porösen Material entsteht.

Das zu filternde Abgas durchdringt diese sternartige Struktur dann von innen nach außen oder von außen nach innen, dadurch daß das Abgas entweder in das poröse Material eingeleitet wird und von dort in den Bereich des Außenbehälters einströmt oder daß das Fluid in den Außenbehälter eingelassen wird und aus der wenigstens einen inneren Öffnung des Querschnitts des porösen Materials abgezogen wird.

Durch die Faltungen ist man dabei in der Lage je nach Anzahl eine an die Erfordernisse bestmöglichst angepaßte bzw. größtmögliche Oberflächenquantität in dem üblicherweise in seinen geometrischen Abmessungen vorgegebenen Außenbehälter unterzubringen.

Dadurch, daß lediglich die Anzahl und die Form der Faltungen verändert werden muß, kann aus einem endlosen Band des porösen Materials die jeweils erforderliche Filtereinrichtung hergestellt werden. Da diese üblicherweise mit numerisch gesteuerten Maschinen produziert wird, reicht es hier aus, für die jeweils erforderliche Filtereinrichtung ein leicht geändertes Steuerungsprogramm zu bevorraten, welches aus dem jeweils selben Material, ohne ein großes Umrüsten an der Maschine erforderlich zu machen, die an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Filtereinrichtung herstellen kann.

Dabei dient der Außenbehälter mit der Filtereinrichtung neben der Filterung des mit Rußpartikeln behafteten Abgases gleichzeitig als Schalldämpfer. Dies bedeutet, daß durch die Einheit aus Außenbehälter und Filtereinrichtung gegebenenfalls vorliegende Druckwellen in den Abgasen vermindert werden, so daß keine störenden Geräusche an die Umgebung der Anlage gelangen können. Auch hierfür ist die große poröse Oberfläche annähernd ideal, da sie entsprechende akustische Effekte ermöglicht, welche es den Schallwellen in dem Abgas erlaubt sich "totzulaufen".

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der Linie I-I in 1;
3 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 einen Längsschnitt gemäß der Linie IV-IV in 3;
5 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kombination mehrerer Filtereinrichtungen; und
6 eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kombination mehrerer Filtereinrichtungen.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Filtern eines mit Rußpartikeln beladenen Abgases bzw. eines Partikelfilters 1. Dabei ist die Filtereinrichtung 2 in einem Außenbehälter 3 angeordnet und weist in einer inneren Öffnung 4 ein Innenrohr 5 als Stützkonstruktion 5 auf.
Das Innenrohr 5 bzw. Stützkonstruktion 5 dient zur Stabilisierung der Filtereinrichtung 2, welche aus einem porösen Material 6 bzw. Sintermaterial 6 besteht und durch zahlreiche Faltungen in eine Vielzahl von zackenartigen Teilbereichen 7 aufgeteilt ist.
Das Innenrohr 5 ist in dem im Inneren der Filtereinrichtung 2 verlaufenden Bereich aus einem gelochten Material oder gitterartigen Material ausgebildet (in der Darstellung nicht erkennbar) oder weist zumindest Öffnungen auf, welche die innere Öffnung 4 mit den Innenräumen 8 der zackenartigen Teilbereiche 7 verbinden.
In 2 ist ein Querschnitt gemäß der Linie II-II in 1 dargestellt. Der Außenbehälter 3 umschließt dabei die Filtereinrichtung 3 mit ihren zackenartigen Teilbereichen 7. An dem dargestellten Endbereich des Außenbehälters 3 ist ein den Außenbehälter abdichtendes Abschlußblech 9 angebracht, durch welches ein Endbereich 5a des Innenrohrs 5 läuft. Dieser Endbereich 5a des Innenrohrs 5 weist dabei im Gegensatz zu dem Innenrohr 5 im Bereich innerhalb der Filtereinrichtung 2 keine radialen Öffnungen auf.
Zwischen der Filtereinrichtung 2 und dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 liegt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Sammelscheibe 10, welche für einen gasdichten Übergang des strömenden Fluids zwischen der Filtereinrichtung und dem Endbereich des Innenrohrs 5 sorgt.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform des Partikelfilters 1 dargestellt. Er arbeitet nach demselben Funktionsprinzip und weist auch einen vergleichbaren Aufbau wie die unter 1 dargestellte Ausführungsform auf. Lediglich die Form des Außenbehälters 3 zeigt hier im Vergleich zu 1 keine runde sondern eine ovale geometrische Form. Vergleichbares gilt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel für das Innenrohr 5. Es wäre jedoch auch durchaus denkbar ein kreisrundes Innenrohr 5 einzusetzen, selbst wenn der Außenbehälter 3 einen ovalen Querschnitt aufweist.
Die zackenartigen Teilbereiche 7 sind hier durch die Faltungen in der Art angeordnet, daß sie von dem Innenrohr 5 zu dem Außenbehälter 3 eine jeweils andere radiale Ausdehnung aufweisen. Somit kann das poröse Material 6 durch eine einfache Veränderung der Abstände zwischen den einzelnen Faltungen so angepaßt werden, daß die Filtereinrichtung 2 den zur Verfügung stehenden Raum zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenbehälter 3 möglichst ideal auszunutzen vermag.
In 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, die Filtereinrichtung 2 mit dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 zu verbinden. Dazu wird das poröse Material 6 der Filtereinrichtung 2 um den Endbereich 5a des Innenrohrs 5 zusammengedrückt und durch Verkleben, Verlöten oder Verschweißen mit dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 verbunden.
Prinzipiell sind die in den 2 und 4 dargestellten Möglichkeiten bei jeder denkbaren Form und Anordnung der zackenartigen Teilbereiche 7 bzw. des Außenbehälters 3 einzusetzen. Eine alternative Möglichkeit, welche in den Ausführungsbeispielen nicht dargestellt ist, kann dabei auch auf die Verwendung eines Innenrohrs verzichten, wobei dann die zusammengedrückten Enden der Filtereinrichtung 2 auch von innen in ein mit dem Endbereich 5a des Innenrohrs 5 vergleichbares Anschlußrohrstück gedrückt und verschweißt bzw. verlötet oder verklebt werden können.
Die prinzipielle Funktionsweise der Filtereinrichtung 2 ist dabei in beide Strömungseinrichtungen annähernd gleich, so daß das mit Rußpartikeln behaftete Abgas einerseits in den Außenbehälter 3 eingeleitet und aus der inneren Öffnung 4 der Filtereinrichtung 2 abgeleitet oder andererseits über die innere Öffnung 4 eingeleitet und über den Außenbehälter 3 abgezogen werden kann. Prinzipiell ändert sich durch die eine oder andere Strömungsrichtung nichts an der Funktionsweise und dem Aufbau des Partikelfilters 1.
Um die jeweils gewünschte Betriebsweise zu realisieren, kann z. B. auf einer Seite eine Verbindung zwischen einem Rohrende gemäß der in 4 erläuterten Ausführungsform vorgesehen sein, während an dem anderen Ende über eine Sammelscheibe 10 das Abgas so eingeleitet oder abgezogen wird, daß das dortige Anschlußrohr eine Verbindung zu dem Raum zwischen Außenbehälter 3 und Filtereinrichtung 2 aufweist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Partikelfilter 1, wobei hier acht Filtereinrichtungen 2 zu einer Einheit kombiniert wurden. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde dabei auf die Verwendung von Innenrohren 5 verzichtet. Dies ist möglich, wenn das Sintermaterial 6 eine ausreichende Wandstärke und Festigkeit aufweist um die Filtereinrichtung 2 als selbsttragendes Teil konzipieren zu können. Die annähernd quadratische Ausführungsform der jeweiligen Filtervorrichtung 2 zeigt, daß auch die innere Öffnung 4 jeweils eine beliebige, hier ebenfalls quadratische Form aufweisen kann.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Kombination von drei Filtereinrichtungen 2, welche einen jeweils rechteckigen Raum zu seinem größten Teil ausfüllen, und zu einer Gesamteinheit zusammengefaßt sind. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist erkennbar, daß nicht jede der Filtereinrichtungen 2 einen eigenen Außenbehälter 3 aufweisen muß, sondern daß mehrere Filtereinrichtungen in einem einzigen Außenbehälter 3 zusammengefaßt werden können.
Die Verarbeitung, insbesondere das Biegen von Sintermaterialien, stellt zwar eine produktionstechnische Herausforderung dar, aber mit entsprechenden Materialien und Techniken, wie z. B. dem Vorwärmen der zu biegenden Stellen mittels Lasertechnologie, ist dies prinzipiell keine unlösbare Schwierigkeit.

Claims

Vorrichtung zum Filtern eines Rußpartikel transportierenden Abgases einer Maschine, mit einem Außenbehälter (3) und wenigstens einer Filtereinrichtung (2) aus einem porösen Material (6), wobei das poröse Material (6) von jeder der wenigstens einen Filtereinrichtungen (2) mehrere in Strömungsrichtung verlaufende Faltungen aufweist, wobei das poröse Material (6) in seinem Querschnitt eine geschlossene geometrische Form mit wenigstens einer inneren Öffnung (4) aufweist, und wobei der Außenbehälter (3) mit der wenigstens einen Filtereinheit (2) einen Schalldämpfer in einem Abgassystem der Maschine bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (6) von jeder der wenigstens einen Filtereinrichtungen (2) sich im Querschnitt zu der jeweils im Bereich einer in Strömungsrichtung verlaufenden Längsachse befindlichen inneren Öffnung (4) hin, öffnende zackenartige Teilbereiche (7) aufweist, wobei die zackenartigen Teilbereiche (7) durch jeweils eine der Faltungen von einander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zackenartigen Teilbereiche (7) eine radiale Ausdehnung zu der jeweiligen Längsachse aufweist, welche den wenigstens annähernd größten Teil eines Raums zwischen der im Bereich der Längsachse befindlichen inneren Öffnung (4) und dem Außenbehälter (3) oder der jeweils nächsten Filtereinrichtung (2) einnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Außenbehälter (3) mehrere Filtereinrichtungen (2) mit ihren jeweiligen Längsachsen wenigstens annähernd parallel zueinander so angeordnet sind, daß der Innenraum des Außenbehälters (3) zu wenigstens zu seinem überwiegend größten Teil von den Filtereinrichtungen (2) ausgefüllt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (6) aus einem Sinterwerkstoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterwerkstoff zu seinem wenigstens annähernd größten Teil aus metallischen Materialien besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der innerer Öffnungen (4) eine Stützkonstruk tion (5) aus einer für das Fluid und die Partikel durchlässigen Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (5) einen runden oder ovalen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (5) aus einem rohrartig geformten Lochblech besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens einem ihrer längsseitigen Endbereiche ein Abschlußelement (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens einem der längsseitigen Endbereiche zusammengeführt und jeweils mit einer Austritts- oder Eintrittsöffnung des Außenbehälters (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filtereinrichtungen (2) an wenigstens einem der längsseitigen Endbereiche in der Art zusammengeführt ist, daß der Endbereich mit der Stützkonstruktion (5, 5a) verbindbar ist.