DE19963774A1

DE19963774A1 - Filtervorrichtung zum Filtern von Feststoffen aus einem Gasstrom

Info

Publication number: DE19963774A1
Application number: DE19963774A
Authority: DE
Inventors: Sen Anton Mangold
Original assignee: Oberland Mangold GmbH
Current assignee: Oberland Mangold GmbH
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2001-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zum Filtern von Feststoffen aus einem Gasstrom, insbesondere zum Reinigen des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Filtermedium aus Fasermaterial zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr. Aufgabe der Erfindung ist eine Filtervorrichtung anzugeben, welche verbesserte Filtereigenschaften bei einer erhöhten Partikelaufnahme aufweist. Die Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Filtervorrichtung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Fasermaterial mittels Abstandhalter zumindest ein vom Innenrohr in Richtung auf das Außenrohr verlaufender Strömungskanal für das Abgas gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zum Filtern von Feststoffen aus einem Gasstrom, insbesondere zum Reini gen des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Filter medium aus Fasermaterial zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr.

Eine derartige Filtervorrichtung ist aus EP 0 334 910 B1 im Zusammenhang mit rohrförmigen Filterkerzen bekannt. Auf einem gelochten Innenrohr befindet sich ein Filtermaterial aus Keramikgarn. Zu reinigendes Abgas strömt vom Innenrohr radial nach außen durch das Fasermaterial und tritt über das Außenrohr aus.

Systembedingt erfolgt die Beladung des Fasermaterials mit Feststoffpartikeln von innen nach außen. Ab einem bestimm ten Punkt ist das Fasermaterial im Bereich des Innenrohres zugesetzt und die gesamte Filtervorrichtung muss regene riert werden, obwohl die außenliegenden Bereiche des Faser materials noch Feststoffpartikel aufnehmen könnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtervorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche verbesserte Filtereigenschaften bei einer erhöhten Partikelaufnahme aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Fasermate rial mittels Abstandhalter zumindest ein vom Innenrohr in Richtung auf das Außenrohr verlaufender Strömungskanal für das Abgas gebildet ist.

Ein derartiger Strömungskanal hat den Vorteil, dass der Ab gasstrom in außenliegende Bereiche des Fasermaterials ge leitet wird, so dass die Aufnahmefähigkeit der äußeren Fil terbereiche ausgenützt und damit der Beladungsgrad insge samt erhöht werden kann. Der Beladungsgradient wird auf diese Weise verbessert. Da durch das Abgas und damit her auszufilternde Feststoffpartikel in die strömungsäußeren Filterbereiche gelangen, werden einerseits strömungsinnere Filterbereiche entlastet und die Verteilung von ausgefil terten Feststoffpartikeln innerhalb des Fasermaterials wird gleichmäßiger. Selbst wenn die Innenfilterbereiche an die Grenze ihrer Aufnahmekapazität gelangen und der Durchströ mungswiderstand dort entsprechend groß ist, wird die Fil terfunktion der äußeren Bereiche ausgenutzt. Somit ergibt sich eine Tiefenfilterwirkung mit erhöhter Aufnahmekapazi tät für Partikel, bevor die Filtervorrichtung regeneriert werden muss. Da die Wände des Strömungskanals im Wesent lichen durch das Filtermaterial gebildet werden, wird vom Strömungskanal eine zusätzliche Filteroberfläche gebildet, an welcher sich aufgrund der Adhäsionskräfte Partikel ab setzen. Diese gute Adhäsionswirkung ergibt sich dadurch, dass Fäden- und Gewebeteilchen des Fasermaterials, z. B. Fadenenden, in den Strömungskanal hinein abstehen.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hat man somit den Vorteil, dass für den Abgasstrom eine gegenüber herkömmli chen Filtervorrichtungen längere, mit Filtermaterial verse hene Wegstrecke vorgegeben ist. Durch diese verlängerte, radiale Wegstrecke erhält man auch bei sehr feinem Filter material eine große Partikelaufnahme und Abscheiderate, so dass bevorzugt auch sogenannte Nanopartikel herausgefiltert werden. Bei herkömmlichen Filtern mit axialer Anströmung und feinem Filtermaterial setzt sich dagegen die zylindri sche Innenfläche relativ rasch mit Partikeln zu. Setzt man zur Vermeidung dieses Nachteils grobes Filtermaterial ein, ist die Filterwirkung gering.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Filterkerze;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Filterkerze;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Beispieles eines Abstandshalters;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Abstandshalter gemäß Fig. 3 entlang der Schnittlinie II-II;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels eines Abstandshalters;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines dritten Beispiels eines Abstandshalters und

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Abstandshalter gemäß Fig. 6 entlang der Schnittlinie V-V.

Fig. 1 veranschaulicht eine Filtervorrichtung zum Filtern von Feststoffen aus einem Gasstrom, die als Wickelkerze 10 ausgebildet ist. Sie umfasst ein gelochtes Innenrohr 11 und ein gelochtes Außenrohr 12. Dazwischen ist Fasermaterial 13 angeordnet, welches beispielsweise als Gewebe oder Faser vlies in Verbindung mit einem Gestrick ausgebildet sein kann. Ein geeignetes Material hierfür ist beispielsweise Glasfaser. Die Wickelkerze 10 ist an einer Stirnseite ge schlossen. An der anderen Stirnseite ist der Zwischenraum zwischen Innenrohr 11 und Außenrohr 12 mit einem Kreisring verschlossen (nicht dargestellt). In das Innenrohr 10 wird von dieser Stirnseite das zu reinigende Abgas zugeführt.

Im Fasermaterial 13 verläuft vom Innenrohr 11 in Richtung auf das Außenrohr 12 spiralförmig ein Strömungskanal 14 für das Abgas. Er wird von einem metallischen Abstandshalter 15 in der Weise gebildet, dass im Bereich des Abstandshalters 15 das anschließende Fasermaterial 13 in einem vorgegebenen Abstand gehalten oder zumindest die Dichte des Fasermateri als 13 in diesem Bereich gegenüber den benachbarten Berei chen stark verringert ist.

Das unter Druck in das Innenrohr 11 eingeleitete Abgas wird durch das Fasermaterial 13 hindurchgeführt, wobei sich Feststoffpartikel am Fasermaterial 13 anlagern. Das gerei nigte Abgas tritt durch das Außenrohr 12 aus.

Durch den Strömungskanal 14 wird erreicht, dass das Abgas zur Verbesserung der Tiefenwirkung der Filtervorrichtung tief in das Fasermaterial 13 gelangen kann, so dass der Be ladungsgrad des Fasermaterials mit Feststoffpartikeln im Innen- und Außenbereich angeglichen wird. Anders ausge drückt, es wird verhindert, dass sich das Fasermaterial 13 im Bereich des Innenrohrs 11 mit Feststoffpartikeln zu setzt, während der Außenbereich noch aufnahmefähig ist.

Der Abstandshalter 15 wird bevorzugt aus einer geprägten Metallstruktur gebildet, d. h. einem flächigen Metall, in welches ein- oder beidseitig aus der ursprünglichen Ebene herausragende Prägungen eingebracht sind, so dass eine dreidimensionale Struktur entsteht. In dem in Fig. 1 dar gestellten Beispiel ist die Prägung des Abstandshalters wellenförmig ausgebildet. Die Höhe der Prägung bestimmt den wirksamen Querschnitt des Strömungskanals 14.

Da bei dieser Struktur die Wände des Strömungskanals 14 von dem auf Abstand gehaltenen Fasermaterial 13 gebildet wer den, können sich Feststoffpartikel des Abgases am Faser material entlang des Strömungskanals 14 anlagern. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist das eine Ende des Ab standshalters 15 in tangentialem Kontakt mit dem Innenohr 11, so dass eine Eintrittsöffnung für den Strömungskanal 14 gebildet wird. Nach relativ kurzem Verlauf nimmt der Ab stand des Strömungskanals 14 bzw. des Abstandshalters 15 vom Innenrohr 11 zu, wobei Fasermaterial 13 dazwischen an geordnet ist. Nach mindestens einer Umdrehungen endet der Abstandshalter 15 beabstandet vom Außenrohr 12 und es wird vor dem Außenrohr 12 eine ununterbrochene Lage Fasermate rial 13 angeordnet. Das äußere Ende des Abstandshalters 15 ist dabei bevorzugt unmittelbar auf die letzte Wicklung des Abstandshalters gelegt, wie bei Einzelheit 9 veranschau licht ist. Das außenrohrseitige Ende des Strömungskanals 14 ist somit durch Fasermaterial verschlossen, so dass sicher gestellt ist, dass Abgas aus dem Strömungskanal 14 in jedem Fall durch Fasermaterial 13 hindurchtreten muss.

Eine derartige Wickelkerze 10 kann dadurch hergestellt wer den, dass der Abstandshalter 15 auf eine Lage Fasermaterial 13 gelegt und beide zusammen um das Innenrohr 11 gewickelt werden. Aufgrund der Wicklung wird ein in radialer Richtung abwechselnd aus dem Fasermaterial 13 und dem Abstandshalter 15 gebildetes Paket erzeugt, welches dann in das Außenrohr 12 eingesteckt wird.

Die Dicke der Lage des Fasermaterials 13 sowie die Anzahl der Wicklungen des Abstandshalters 15 und des Fasermateri als 13 kann im Hinblick auf die Einsatzbedingungen des Abgasvolumenstroms und der Raumgeschwindigkeit ausgewählt und angepasst werden.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ei ner Filterkerze 10' unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten ersten Beispiel dadurch, dass der Abstands halter 15 eine vollständige Wicklung 16 unmittelbar auf dem Innenrohr 11 ausführt. Auf diese Weise wird die Verteilung des Abgases beim Eintritt in das Fasermaterial 13 und in die Öffnung des Strömungskanals 14 unterstützt.

Außerdem ist in einem beispielhaft dargestellten Ausschnitt 17 ersichtlich, dass der offene Querschnitt des Strömungs kanals 14 in diesem Beispiel dadurch vor einer unerwünsch ten, z. B. beim Wickeln oder beim Betrieb entstehenden Ver engung geschützt ist, dass auf die Prägung des Abstandshal ters 15 gasdurchlässiges metallisches Flachmaterial 18, 19 aufgebracht ist, bevorzugt ein Drahtgestrick, Streckmetall oder ein Lochblech. In dem dargestellten Beispiel ist die ses Flachmaterial 18, 19 auf die geprägten Wellen des Ab standshalters 15 von zwei Seiten aufgelegt. Wenn es sich im konkreten Einsatzfall als ausreichend erweist, kann auch lediglich eine Lage Flachmaterial oder Fasergewebe aufge legt werden. Es kann sich auch als ausreichend erweisen, dass das Flachmaterial 18, 19 lediglich in einem vorgegebe nen Umfangsbereich und über eine vorgegebene Länge des Ab standshalters 15 eingesetzt wird.

Ferner ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 eine äußere, ab schließende Lage aus Metallfaservlies 20 vorhanden, die un mittelbar an das Außenrohr 12 angrenzt und welche um die äußere Lage des Fasermaterials 13 gewickelt ist. Es kann sich dabei um in sich willkürlich ungeordnetes, insgesamt gleichmäßig verteiltes, gasdurchlässiges, gesintertes Me tall-Faservlies oder um ungesintertes Keramik- oder Glasfa servlies handeln.

Das Metallfaservlies garantiert hohe Stabilität und lange Lebensdauer durch eine gleichmäßige Verteilung des Abgas austritts und sorgt somit für eine genau definierbare Par tikelabscheidung. Die Abscheiderate wird jeweils durch die Feinheit des Metallfaservlieses bestimmt. Das Keramik- oder Glasfaservlies kann nach mindestens einer Wicklung in die Zwischenlagen eingefügt werden. Die abschließende Wicklung aus Metallfaservlies hat den Vorteil, dass das Paket aus Fasermaterial 13 und Abstandshalter 15 im Betrieb stabili siert wird und dass bei der Fertigung das Einschieben des Pakets in das Außenrohr 12 erleichtert wird. Das Metallfa servlies 20 hat darüber hinaus auch abhängig von der Faser struktur eine Filterwirkung.

Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass der Abstandshal ter 15 und/oder das Flachmaterial 18, 19 gleichzeitig als Stützstruktur für das Fasermaterial 13 dient. Das heißt, dass es im Einsatz der Filtervorrichtung ein Verfestigen und Verdichten des Filtermaterials 13 und damit eine Ver ringerung der Filterwirkung verhindert. Der Abstandshal ter 15 und/oder das Flachmaterial 18, 19 kann ferner über seine Länge unterschiedlich sein. Auf diese Weise kann den unterschiedlichen Druckverhältnissen bei der Beaufschla gung mit Abgas über den Längenverlauf des Strömungskanals 14 Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann die Höhe der Prägungen mit zunehmendem Abstand vom Innenrohr 11 verringert und damit der Querschnitt des Strömungskanals 14 verkleinert werden. Wenn die Höhe der Prägung am au ßenrohrseitigen Ende des Abstandshalters gegen null geht, erhält man auf diese Weise einen Verschluss des Strömungs kanals 14. Das Flachmaterial 18, 19 kann abhängig vom Abstand zum Innenrohr 11 unterschiedliche Maschenweiten oder Lochgrössen haben.

Fig. 3 veranschaulicht in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt aus einem Drahtgestrick 21, in welches eine Wel lenform eingeprägt ist. Es stellt ein erstes Beispiel eines Abstandshalters 15 dar. Im eingebauten Zustand verlaufen die Wellenberge und Wellentäler 22 parallel zum Innen- und Aussenrohr 11, 12.

Gemäss Fig. 4 verläuft daher der Hauptstrom 23 im zugehöri gen Strömungskanal 14 quer zu den Wellenbergen/Wellentälern durch die Wellenprägung hindurch.

Fig. 5 zeigt als zweites Beispiel eines Abstandshalters 15 einen Ausschnitt eines mit einer Wellenprägung versehenen Streckblechs. Der Wellenverlauf entspricht im eingebauten Zustand dem vorstehenden Beispiel gemäss Fig. 3 und 4.

Gemäss Fig. 6 besteht ausschnittsweise ein drittes Beispiel eines Abstandshalters 15 aus einem Wellblech 27, welches bevorzugt auch als Lochblech ausgebildet sein kann. Die Wellenberge und Wellentäler verlaufen bei diesem Beispiel in eingebautem Zustand in Umfangsrichtung der Wickelkerze 10 bzw. in Wickelrichtung des Abstandshalters 15.

Wie auch der Querschnitt gemäss Fig. 7 zeigt, sind die Wel lenberge in vorgegebenen Abständen mit Einschnitten 25 in der Weise versehen, dass Verbindungspunkte 26 im Bereich der Wellentäler verbleiben. Somit kann das Wellenblech 27 entlang seiner Wellenlinien spiralförmig gebogen und zusam men mit dem Fasermaterial gewickelt werden.

Claims

1. Filtervorrichtung zum Filtern von Feststoffen aus einem Gasstrom, insbesondere zum Reinigen des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Filtermedium aus Faserma terial zwischen einem Innenrohr und einem Aussenrohr, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fasermaterial mittels Abstandhalter zumin dest ein vom Innenrohr in Richtung auf das Aussenrohr verlaufender Strömungskanal für das Abgas gebildet ist.

2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal zum Strömungsaustritt hin ver engt oder verschlossen ist.

3. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass der Strömungskanal im Bereich des Strömungsaus tritts durch das Fasermaterial, vorzugsweise aus Faser gewebe, verengt oder verschlossen ist.

4. Filtervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss durch eine Lage Fasermaterial gebil det wird.

5. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal im Bereich des Strömungsaus tritts durch ein Metallfaservlies verschlossen ist.

6. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal spiralförmig um das Innenrohr verläuft.

7. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter aus einer geprägten Metallstruk tur besteht.

8. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter ein Streckmetall ist.

9. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter ein Drahtgestrick ist.

10. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung als Wellenform ausgebildet ist.

11. Filtervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur ein Wellblech ist.

12. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenberge und Wellentäler der Prägung in Um fangsrichtung des Innen- und Aussenrohres verlaufen.

13. Filtervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Wellblechs in der Weise gebildet ist, das senkrecht zur Wellung in festgelegten Abständen nahezu bis zum Wellengrund eingeschnitten und beim Wickeln um die verbliebenen Verbindungsstellen gebogen ist.

14. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auf eine Seite der geprägten Struktur des Abstandshalters eine flache Lage eines Metallgestricks oder eines Lochbleches aufgebracht ist.

15. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Filterkerze gebildet ist, bei welcher der Kern aus Glasfasergestrick oder -Gewebe besteht und ferner eine äussere, abschliessende Lage aus Metallfaservlies vorhanden ist.

16. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter als Stützstruktur für das Faserma terial ausgebildet ist.

17. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet dass der Abstandshalter zusammen mit dem Fasermaterial um das Innenrohr gewickelt ist.

18. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Abstandshalters über die Wickellänge Abschnitte mit unterschiedlichen Abstandsstrukturen aufweist.

19. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich unmittelbar auf dem Innenrohr mindestens eine ununterbrochene Lage Abstandshalter befindet, und dass sich die Eintrittsöffnung des Strömungskanals hinter dieser inneren Lage befindet.

20. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Filterkerzen parallel nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet sind.