DE3043996A1

DE3043996A1 - Abgasdurchstroemter schwebeteilchenfilter fuer dieselmaschien

Info

Publication number: DE3043996A1
Application number: DE19803043996
Authority: DE
Inventors: Robert John Grosse Pointe Woods Mich. Outland
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1980-11-20
Publication date: 1981-06-19
Also published as: CA1145269A; GB2064361B; JPS56124418A; FR2473113B1; US4276071A; GB2064361A; FR2473113A1

Description

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Abgasdurchströmte Schwebeteilchenfilter für Diese lmaschlnen sind beispielsweise durch die OE-OS 2248 359 bekannt·

Die dort vorgesehenen gebohrten Ein-und Auslasskanäle für die Abgase ergeben nur eine verhältnismässig geringe Jilterflache bei einem vorgegebenen Yolumen des Filters.

Aufgabe der Erfindung ist es bei einem abgasdurchströmten Schwebeteilchenfilter gemäss dem Gattungsbegriff, der eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höhere Filterflache gewährleistet, die Betriebszeit bis zur erforderlichen Reinigung ^zu verlängern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellte Ausbildung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen„

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Figo 1 eine Teilansicht eines Kraftfahrzeugchssis mit einer Dieselmaschine und zugeordneter Abgasanlage mit Schwebeteilchenfilter in perspektivischer Darstellung,

Fig« 2 eine perspektivische ^eilansicht eines Schwebeteilchenfilters der Anlage nach

3 eine perspektivische leilansicht einer

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BAD

anderen Bauform eines Kraftfahrzeugschassis

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mit Dieselmaschine und zugeordneter Abgas-

anlage, \

Figo 4 eine perspektivische £eila:|isicht des Schwebeteilchenfilters der Anlage gemäss Fig»3,

Fig, 5 a bis k, m, η und ρ verschiedene Ausbildungen der Kanäle in eine|i Schwebeteilchen-.

filter nach Fig„ 2_e \

Ein Kraftfahrzeugchassis 10 weist/gemäss Fig« 1 einen Rahmen 11 auf, der eine DieselmasChinfe 12 mit zwei im

V angeordneten Zylinderreihen trägt. Jeder &ylinderreihe ist ein Abgassammeikasten 14 zugeordnete Die beiden Abgassammeikästen 14 sind über Abgasleitungen 15 mit jjp einem zugeordneten Schwebeteilchenfilter 16 verbunden, die| von den Abgasen

durchströmt die in diesem enthaltenen Schwebeteilchen im wesentlichen zurückhalten,, Die Ausläaae der Sphwebeteilchenfil· ter 16 sind über ein Y-Rohr 18 mit einem Schalldämpfer 19

I 10/ verbunden, aus dem die Abgase über ein Auspuffrohr/ins Freie

abströmen« J

J Jeder Schwebeteilchenfilter 16 enthält ein Gehäuse

I geeigneter Form, das am Rahmen 11 befestigt!ist. Innerhalb

des Gehäuses ist ein keramisches Filterelemint angeordnet,

1 das eine beliebige, jeweils geeignete Form Aufweisen kann.

i Gemäss Fig_e 2 ist ein keramischer Monolith £2 verwendet, der

von einer zylindrischen Aussenwand 23 umsch|Lossen ist und in

te-

ORIGINAL INSPECTED S

seinem Inneren eine Vielzahl von porösen Zwischenwänden 24 enthält. Durch diese werden zwei Gruppen von zueinander parallelen Kanälen gebildet, die sich von der einen Seite 28 des Monoliths 22 zu dessen anderer Seite 30 erstrecken. Die eine Gruppe bilden Einlasskanäle 26, die an der Seite 28 ofijen und an der Seite 30 geschlossen sind, während die andere Gruppe Auslasskanäle 27 darstellen, die an der Seite 28 geschlossen und an der Seite 30 offen sind.

Bei der Bauform nach Pig. 2 haben die Kanäle 26 und 27 quadratischen Querschnitt, obwohl auch andere Querschnitt sformen möglich sind, wie noch beschrieben werden wirdο Die Einlass- und Auslasskanäle sind in vertikalen und horizontalen Reihen angeordnet, wobei die Einlasskanäle 26 zu den Auslasskanälen schachbrettartig gestaffelt liegen. Es liegt daher jede Zwischenwand 24 zwischen einem Einlasskanal^ und einem Auslasskanal 27. Es wird somit eine sehr grosse Pilterfläche geschaffen.

Die Zwischenwände 24 des Monoliths 22 haben eine Solche Porosität, dass die Abgase durch sie aus den Einlasskanälen 26 in die Auslasskanäle 27 strömen können, und die Poren sind so bemessen, dass ein wesentlicher Teil der in den Abgasen enthaltenen Schwebeteilchen von den Zwischenwänden 24 zurückgehalten wird. Eine ausreichend wirksame Filterung wurde versuchsweise festgestellt, wenn eine mittlere Porosität von 10$, eine mittlere Porengrösse zwischen 2 und 15 Mikron und eine Einzelgrösse der Poren zwischen

0,5 "bis 70 Mikron gewählt wurden» Dies wurde erreicht, wenn die quadratischen Kanäle 26 und 27 einen Querschnitt mit etwa 1,524 mm Seitenlänge und die Zwischenwände 24 eine Starke von etwa 0,381 mm aufwiesen. Ba praktisch die gesamten Flächen der Kanäle als Filterfläche wirksam sind, ergibt sich

2 3 eine Filterfläche von mehr als 78,6 mm ^e enr Monolithvolumen. Bei sehr geringem Strömungswiderstand ist "bei geringe^ Raumbedarf eine sehr grosse Filterfläche geschaffen« Eine Vergrösserung der Porosität über den Wert von 10$ würde eine weitere Verringerung des Strömungswiderstands erwarten,zum mindesten soweit, bis die Querschnitte der Einlass- und Auslasskanäle die den Gasstrom begrenzenden Faktoren werden.

Während des Betriebes treten die von der Dieselmaschine 12 kommenden Abgase durch die offenen Enden der Einlasskanäle 26 in den Schwebeteilchenfilter 16 ein und verteilen sich über deren gesamte länge, um durch die Poren der Zwischenwände 24 in die benachbarten Auslasskanäle 27 zu gelangen.

Ein grosser leil der in den Abgasen enthaltenen. Schwebeteilchen setzt sich an den Innenflächen der Einlasskanäle 26 ab und bildet dort eine Schicht, die bis zu einer den Durchstrom der Abgase störenden Dicke anwachsen kann«,

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Die gereinigten Abgase gelangen duph die offenen Enden der Auslasskanäle in den anschliessenden ^eil der Abgasanlage.

Fach einer gewissen Betriebszeit erreicht die Schicht der abgeschiedenen.Schwebeteilchen in den Einlass-

kanälen die den Durchstrom der Abgase störende Dicke. Es is dann die Reinigung des Filters oder dessen Austausch gegen einen neuen Filter erforderlich. Das ^einigen des Filters wird am vorteilhaftesten durch Erhitzen des Monoliths auf eine temperatur vorgenommen, "bei der die angesammelten Schwe beteilchen durch Reaktion mit Sauerstoff aus den Abgasen gezündet und verbrannt werden. Der Werkstoff des Monoliths hält diese Temperaturen ohne weiteres aus. Das Reinigen in dieser Weise kann während des Betrieb der Dieselmaschine erfolgen, wobei natürlich eine geeignete Überwachung der Brenrtemperaturen vorgesehen werden muss« Das Reinigen kann aber auch nach Ausbau dee Filters in einem Ofen erfolgen, der auf die Zündtemperatur der gesammelten Schwebeteilchen gebracht wird. Danach ist der gereinigte Monolith wieder einsatzbereit.

Damit der Monolith 22 den gegebenen Betriebsund Reinigungstemperaturen, sowie den auftretenden Spannungen widerstehen kann, ist seine Herstellung aus einem geeigneten Werkstoff erforderlich. Obwohl hierfür zahlreiche Werkstoffe

sein/
geeignet/werden, wird zur Zeit ein keramischer Werkstoff nach der US-.PS 3 954 672 verwendet, der für andere Bauarten von Schwebeteilchenfiltern entwickelt wurde. Es wird hierzu besonders auf die Beschreibung dieser Patentschrift Spalte 6, ^zeile 17 bis Spalte 7, Zeile 48 verwiesen, in denen eine bevorzugte VerfahrensfUhrung zur herstellung von stranggepressten Monolithen mit offenen Kanälen beschrieben ist.

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Ausgehend von dieser Form des Monolithen werden die einen Seiten der Einlass- und Auslasskanäle in der "be-* reits erwähnten Weise verschlossen„ Hierzu wird ein Zement verwendet, der anschliessend gehärtet wird. Als geeignet hat sich eine Mischung aus 71,5 ^ gemahlenem und durch ein 1OO-*Maschensieb passierten Dichroit und 28,5 f<> kolloidialer Silika (3O^ Peststoffe und lOfo Wasser) erwiesen. Dieser Zement kann in beliebiger Weise in die Enden der Kanäle eingebracht werden, beispielsweise mit einer Injektionskanüle, worauf er zum Setzen für 8 bis 10 Stunden in einen Ofen mit einer ^xemperatur zwischen 90 und 104- ⁰G eingebracht wird. Abschliessend erfolgt ein Härten bei einer temperatur von 538⁰G für eine halbe Stunde, Das Dichroit kann durch Vermählen von Abfallmonolithen gewonnen werden_β Die kolloidale Silika. ist handelsüblich und unter dem Kamen Ludox AS Collodial Silica (30^ Solids) der E_eI.Du Pont liemours and Comp₀ Inc., Industrial Chemical Division, Wilmington, Delaware,USA bekannt«,

Auch andere abweichende Ausführungsformen weisen gegenüber dem Stand der Technik noch beachtliche Vorteile auf, Als Beispiel ist daher eine weitere Bauform in den Pig 3 und 4 dargestellt»

Bei dieser weist ein Kraftfahrzeugchassis 32 einen Rahmen 33 auf, der eine Dieselmaschine 34 mit zwei im V ange ordneten Zylinderreihen trägt« Jeder Zylinderreihe ist ein Abgassammeikasten 35 zugeordnet, die beide .an einen gemeinsa

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men Schwebeteilchenfilter 37 angeschlossen sind. Hierzu sind von den Abgassammeikästen kommende Abgasleitungen 38 tzw. 39 an einander gegenüberliegenden lotrechten Stirnwänden angeschlossen. Ein Rohr 41 ist an die Auslasskanäle des Schwebeteilcheiifilters 37 an der Bodenfläche angeschlossen und führt zum restlichen ^eIl der Abgasanlage_o

Das in einem Gehäuse enthaltene Filterelement ist ein Monolith 44, der in Fig_e 4 näher dargestellt ist. Es handelt sich um den Typ Thermaeomb der 3M Company. Dieser Monolith enthält übereinander mehrere Schichten von zueinander parallelen Kanälen, die sich In Längsrichtung jeweils in einer Schicht erstrecken, die zwischen benachbarten Schichten liegt, in der die Kanäle sich in Querrichtung erstrecken. Die in Längsrichtung liegenden Kanäle 46 sind von den in Querrichtung liegenden Kanälen 47 durch poröse Zwischenwände 49 getrennt,,

Im Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 46 als Einlasskanäle verwendet, während die Kanäle 47 die Auslasskanäle sind. Bei der getroffenen Anordnung sind aus den Filterfläehen bildenden Zwischenwänden 49 zwischen den Einlass— und Auslasskanälen noch Trennwände 50 zwischen den Kanälen

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jeder Schicht vorgeehen, die keine Filterwirkung ausüben, da sie gleichartige Kanäle voneinander trennen» Es wird hier also nur die Hälfte der Zwischenwände als Filterfläche wirksam, so dass eine entsprechende "Vergrösserung des Monolithen bei gleicher Leistungsfähigkeit gegenüber der ersten

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Der Monolith 44 wird in das Gehäuse so eingebaut, dass die Auslasskanäle 48 in der Lotrechten liegen und deren obere Enden verschlossen sind, während die unteren Enden Yerj» bindung mit dem Rohr 41 haben« Die E^nlasskanäle 46 sind an beiden Enden offen und nehmen die Abgase beider Abgassammelkästen auf«,

Im Rahmen der Erfindung können andere Bauformen des Schwebeteilchenfilters verwendet werden,

Ferner ist auch eine vielgestaltige Ausbildung der Ein-und Auslasskanäle im Monolith möglich, wie dies die Pig 5 a bis k, m, η und ρ zeigen,, Diese sind im Grundaufbau entsprechend der Mg« 2 mit zueinander parallelen Kanälen ausgebildet«

Pig.5a zeigt zum Beispiel eine schachbrettartige Anordnung von Einlasskanälen 26a und Auslasskanalen 27a. Die Zeichnung lässt erkennen, dass der weitaus grösste Teil der Innenflächen der Kanäle als Filterflachen wirksam ist.

Dies gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispie Ie. Bei der Ausbildung nach Figo5b haben die Einlasskanäle 26b und die Auslasskanäle 27b rechteckige Querschnitte gleicher trosse, die durch die porösen Zwischenwände 24b voneinander getrennt sind. Die Kanäle 26 c bis e, 27c bis e in den Figuren 5c bis e haben dreieckige Querschnitte unterschied« licher Form, wobei aber die Zwischenwände 24 c bis e ebenfalls stets einen Einlasskanal von einem Auslasskanal trennen. Fig. 5f zeigt eine Ausführungsform, bei der die Einlass

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kanäle 26f und die Auslasskanäle 27f rautenförmigen Quer« schnitt gleicher ^rösse aufweisen, die von den Zwischenwänden 24f voneinander getrennt sind.

Bei der Bauform nach ffig. 5g ist die Filterfläche dadurch ver'nrössert, dass die Kanäle Querschnitte mit wellenförmigen Kanten, anstelle von geraden Kanten erhalten» Anstelle des dargestellten schachbrettartigen Musters könnten auch Anordnungen entsprechend den Pig. 5g bis e mit gewellten Kanten der Querschnitte getroffen werden.

Allen diesen Beispielen ist gemeinsam, dass ausser der grossen FiIterflache durch die Zwischenwände 24 die Querschnitte von Einlasskanälen und Auslasskanälen gleich gross sind. Da sich im -^etrieti in den Einlasskanälen 26 aber eine sich.dauernd vergrössernde Schicht aus abgeschiedenen S_chwebeteilehen bildet, vermindert sich der für den Gasstrom verbleibende Querschnitt* Erfindungsgemäss ist daher vorgesehen, den Querschnitt der Einlasskanäle von sich aus grosser als den der Auslasskanäle zu machen. Auch hier bleibt die F^lterwirkung im Bereich aller Zwischenwände erhalten, jedoch wird die ^etriebszeit bis zur erforderlichen Reinigung oder zum Austausch beträchtlich verlängert.

Derartige -Bauformen sind in den Pig» 5h, 5i und dargestellt. In lig. 5h sind Einlasskanäle 26h mit sechseck! gern· Querschnitt in Querrichtung in Spitzen zusanimenstossend vorgesehen und weitere Einlasskanäle senkrecht hierzu in Spitzen zusammenstossend gestaffelt angeordnet, wobei die eeere· ttt -ae-

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die Auslasskanäle 27h "bilden, wobei deren Gesamtquerschnitt kleiner als der der Einlass kanal e ist«. Die Bauformen nach der. Figo 5i und 5 j zeigen Varianten der vorerwähnten Bauform "bezüglich Gestalt der Querschnitte und deren Zuordnung zueinander,,

Eine andere Möglichkeit, unterschiedliche Querschnitte der Einlass~und Auslasskanäle unter Beibehaltung
prosper Filterflächen zu erhalten, besteht darin, die Kanten der Querschnitte "bogenförmig auszubilden, wobei sie zum Ein— lasskanal nach aussen, beim Auslasskanal nach innen ausgebogen sindο Bei der Bauform nach FIg₀ 5k ist bei schachbrettförmiger Anordnung der Ein-und Auslasskanäle 26k bzw, 27k
das Ausbuchten nur an den in einer Richtung- liegenden Zwischenwänden 24k vorgenommen, während die zu diesen senkrechten
Zwischenwände gerade Flächen aufweisen. Ein:grösserer Unterschied zwischen den Querschnitten kann dann;erreicht werden, wenn gemäss Fig.5m das Ausbuchten an sämtlichen Zwischenwänden 27m vorgenommen wird. Die gleiche Wirkung ist gemäss
Figo 5n dadurch erreicht, dass ausgerichtete Einlasskanäle
26n dreieckigen Querschnitt mit nach aussen;gewölbten Kanten erhalten. Eine weitere Bauform gemäss Fig. fp siekir Einlasskanäle 26p kreisförmigen Querschnitts vor, wobei die Auslasskanäle 27p durch die Zwickel zwischen den sich berührenden
Einlasskanälen 26p gebildet sind_o Die Anordnung der Einlasskanäle 26p könnte hier auch in einem dreieckigem Muster vorgenommen werden.

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Bei den beschriebenen Beispielen ist die Anordnung stets so getroffen, dass eine optimale PiIterflache wirksam ist, wie sie der Bauform nach Fig, 2 eigen ist. Die Erfindung ist jedoch auch noch vorteilhaft, wenn andere den obigen Beispielen ähnliche Bauformen getroffen werden, "bei denen nicht alle Zwischenwände eine J?j.lterwirkung ausüben, die also ähnlich der Bauforia nach Pig. 4 ausgebildet sind.

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Claims

Dipi.-lng. K. Walther

BERUN19

20„November 1980 W-w-3455

General Motors Corporation, Detroit, Michigan, T₀St₀A₈

Abgasdurchströmter S_chwebeteilchenfilter für Dieselmaschinen

Patentansprüche :

Mo/ Abgas durchströmt er Schwebeteilchenfilter für Dieselmaschinen mit folgenden Merkmalen:

a) Ein keramischer Monolith enthält im Inneren poröse Zwi-* schenwände, die mehrere parallel zueinander liegende Kanäle (26,27) voneinander trennen;

b) diese Kanäle erstrecken sich von der einen Seite des Monolithen zu dessen anderer Seite;

c) die Kanäle sind an ihrem einen Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen;

d) die Kanäle bilden je eine Gruppe von Einlasskanälen (26) deren geschlossenes Ende an der einen Seite des Monolthen liegt, und eine Gruppe von Auslasskanälen (27), deren geschlossenes Ende an der anderen ^toeite des Monolithen liegt;

e) jede Zwischenwand (24) trennt einen Auslasskanal von einem Einlasskanal und bildet eine Miterflache für die durchtretenden Abgaee;

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f) die Porosität der Zwischenwände (24) ist so gewählt, dass ein wesentlicher Teil der in den Abgasen enthaltenen Schw< beteilchen von den Zwischenwänden zurückgehalten wird,

gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

g) die Querschnitte der Einlasskanäle (26) sind wesentlich grosser gewählt als die der Auslasskanäle (27).
2. Schwebeteilchenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mnlasskanäle (26) einen sechseckigen Querschnitt und die Auslasskanäle (27) einen dreieckigen Querschnitt aufweisen,,
3. Schwebeteilchenfliter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Einlasskanäle (26) nach aussen ausgebogene Kanten hat, und der Querschnitt der Auslasskanäle (27) die Form eines Yielecks mit nach innen ausgebogenen Kanten hat«,
4. Schwebeteilchenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (26) einen kreisförmigen Querschnitt haben und sich gegenseitig berühren, und dass die Auslasskanäle (27) durch die zwischen ihnen liegenden Zwickel gebildet werden,,

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