DE3341177A1

DE3341177A1 - Auswechselbarer filtereinsatz, insbesondere zur reinigung von dieselmotorabgasen

Info

Publication number: DE3341177A1
Application number: DE19833341177
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 3200 Hildesheim Wiederhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1983-11-14
Publication date: 1984-04-05

Description

Auswechselbarer Filtereinsatz, insbesondere zur Reini-
gung von Dieselmotorabgasen Die Erfindung betrifft einen auswechselbaren Filtereinsatz zur Abfilterung teilchenförmiger Verunreinigungen aus gasförmigen Medien, insbesondere zur Abfilterung von Rußpartikeln aus Dieselmotorabgasen.
Aufgrund zunehmender Umweltverschmutzung und steigendem Umweltbewußtsein ist damit zu rechnen, daß auch in Deutschland für die Zulassung von Diesel fahrzeugen Grenzwerte für die Partikelemission gesetzlich festgelegt werden. Beispielsweise wurden in den USA bereits im Jahre 1982 entsprechende Grenzwerte eingeführt. Die hier faatgelegten Werte sind ohne die Verwendung spezieller Partikelfilter in der Regel nur sehr schwer erreichbar. Es besteht daher ein Bedürfnis an geeigneten Partikelfiltern,' wobei diese Partikelfilter insbesondere aufgrund ökonomischer Überlegungen als auswechselbare Filtereinsätze ausgebildet sein sollten, also nach einer entsprechenden Reinigung bzw Regeneration wieder verwendbar sein sollten.
Es ist ein auswechselbarer Filtereinsatz für die Abfilterung von Rußpartikel aus Dieselmotorabgasen bekannt, der zylindrisch geformt ist und aus Keramik besteht und parallel zur Zylinderachse verlaufende Kanäle aufweist1 die wechselseitig verschlossen sind. Das zu reinigende Abgas wird hierbei im wesentlichen in axialer Richtung durch den Keramikfilter geleitet, wobei sich der Ruß in den labyrinthartig angeordneten Kanälen absetzt. Strömungstechnisch gesehen handelt es sich hierbei um eine Art Labyrinthatrömung, deren Verlauf mehr oder weniger als ohaotisch anzusprechen ist.
Filtertechnisch ist der Reinigungseffekt im wesentlichen siebtechnisch bedingt.
Mit einem solchen Keramikzellenfilter durchgeführte Versuche wiesen zwar einerseits recht gute Wirkungsgrade auf, andererseits jedoch traten im Filter durch die häufig erforderlichen Regenerierzyklen und durch hohe Temperaturen bei unkontrolliertem Abbrennen Mikrorisse auf, die die Wirksamkeit der Filter stark herabsetzten.
Weiterhin ist mit einem solchen Keramikzellenfiltereinsatz eine im wesentlichen erschütterungsfreie Lagerung des Filtertopfes erforderlich, um Beschädigungen des Keramikzellenfilters zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auswechselbarer Filtereinsatz insbesondere zur Abfilterung von Rußpartikeln aus Dieselmotorabgasen zu schaffen, der festigkeitstechnisch weitgehend unabhängig von Temperatur- und Erschütterungseinflüssen bleibt und der eine gute Reingiung der zu reinigenden Gase bei langen Standzeiten gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Filtereinsatz mehrere zylindrische Lochsiebe jeweils unterschiedlichen Durchmessers umfaßt, die ineinanderliegend angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Sieben jeweils eine freier Ringraum gebildet wird, und die von dem zu reinigenden gasförmigen Medium in radialer Richtung von innen nach außen durchströmt werden. Vorzugsweise besteht eine solcher auswechselbarer Filtereinsatz aus Metall. Bei einem solchen Filtereinsatz lagern sich die abgefilterten Partikel im freien Ringraum zwischen den vorzugsweise konzentrisch angeordneten zylindrischen Lochsieben ab, wobei die Filterung durch die strömungsdynamischen Verhältnisse an den engmaschig angeordneten, feinen Siebldchern der Lochsiebe erfolgt. Der abgesättigte Filtereinsatz kann nach Entnahme aus seiner Halterung durch Ausglühen bzw.
Oxydation oder durch hochfrequentes Rütteln zur Wiederverwendung gereinigt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes gegenüber den bekannten Konstruktionen sind sowohl technischer als auch wirtschaftlicher Art. In technischer Hinsicht besteht eine große Variationsbreite durch die Auswahl der konstruktiven Elemente des Filtereinsatzes, nämlich durch geeignete Auswahl der Länge und Anzahl der zylindrischen Lochsiebe, durch Auswahl der Größe der freien Ringräume zwischen den einzelnen Lochsieben, und durch Anpassung der Sieblochdurchmesser an die Größenordnung der auszufilternden Partikel. Der erfindungsgemäße Filtereinsatz ist völlig unabhängig von Temperatureinflüssen und insbesondere aufgrund seiner Ganzmetallausführung gegen Erschütterungen, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug auftreten, weitestgehend unempfindlich. In wirtschaftlicher Hinsicht ist insbesondere die leichte, problemlose Reinigungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes und die hieraus folgende Wiederverwendbarkeit des Filtereinsatzes auch nach mehreren Reinigungszyklen hervorzuheben. Im übrigen ist davon auszugehen, daß beim erfindungsgemäßen Filtereinsatz gegenüber dem Filtereinsatz gemäß dem Stand der Technik die auf den aus den auszufilternden Verunreinigungen bestehenden Ablagerungen beruhenden Druckverluste relativ langsamer wachsen und sich die Standzeiten des Filtereinsatzes dementsprechend vergrößen.
Obwohl der erfindungsgemäße auswechselbare Filtereinsatz insbesondere im Zusammenhang mit der Abfilterung von Rußpartikeln aus Dieselmotorabgasen vorteilhaft ist, ist dem Fachmann klar , daß der erfindungsgemäße Filtereinsatz auch in anderen technischen Bereichen vorteilhaft anwendbar ist, insbesondere beispielsweise bei der Reinigung von mit teilchenförmigen Verunreinigungen beladener Abluft.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhang der Zeichnung näher erläutert ist.
In der Zeichnung zeigen in halbschematischer Darstellung: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Auspufftopf eines Dieselfahrzeuges samt Filtereinsatz, Fig. 2 einen Schnitt durch den Auspufftopf samt Filtereinsatz gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A, wobei der Filtereinsatz relativ schwach mit Verunreinigungen beladen ist, Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 2, wobei der Filtereinsatz stärker mit Verunreinigungen beladen ist, und Fig. 4 eine Darstellung des Prinzips der Partikelablagerung bei einem erfindungsgemäßen Filtereinsatz.
Aus Fig. 1 geht das Konstruktionsprinzip des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes hervor. Mit der Bezugsziffer 1 ist das Ende eines Auspuffrohres bezeichnet, welches vom Motor eines nicht dargestellten Dieselkraftfahrzeuges zu einem zylindrischen Auspufftopf 2 führt, dessen eines Ende über einen Kragen 3 am Auspuffrohr 1 befestigt ist, und dessen gegenüberliegendes Ende offen ist.
Der im ganzen mit 4 bezeichnete Filtereinsatz ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und innerhalb des Auspufftopfes 2 und koaxial mit diesem angeordnet.
Der Filtereinsatz 4 umfaßt eine Anzahl von zylindrischen Lochsieben 5 bis 8 jeweils gleicher axialer Länge, die konzentrisch um die Längsachse des zylindrischen Filtereinsatzes 4 angeordnet sind und an ihren Enden an Endflanschen 9 bzw. 10 befestigt sind, deren Durchmesser dem Durchmesser des äußersten Lochsiebes 5 entspricht. Während der dem Auspuffrohr 1 gegenüberliegende Endflansch 9 geschlossen ausgebildet ist, weist der dem Auspuffrohr 1 zugewandte Enflansch 10 eine zentrale tiffnung auf, an dem ein sich in Richtung des Auspuffrohres 1 erstreckender Rohrstutzen 11 ausgebildet ist, welcher ein Außengewinde 12 aufweist, das mit einem entsprechenden Innengewinde an Kragen 3 zusammenwirkt, so daß auf diese Weise der Filtereinsatz 4 am Auspufftopf 2 leicht auswechselbar gehalten ist.
Es sei angemerkt, daß der Filtereinsatz am Auspufftopf 2 auch auf andere geeignete Weise austauschbar befestigt sein kann, beispielsweise über geeignete Abstandshalter, Rasteinrichtungen und dergleichen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Auspufftopf 2 einen Durchmesser Dt auf, der um etwa den zweifachen Betrag der zwischen den einzelnen Lochsieben 5 bis 8 definierten Freiraumdicke größer ist als der Durchmesser D5 des äußersten Lochsiebes 5. Der Durchmesser der Lochsiebe 5 bis 8 nimmt zwischen den einzelnen konzentrischen Lochsieben so zu, daß zwischen benachbarten Lochsieben jeweils ein freier Ringraum 13 bis 15 zur Ablagerung der abgefilterten Partikel verbleibt.
Dieser Ringraum hat je nach Motorleistung eine Dicke in der Größenordnung vorzugsweise zwischen 5 bis 10 mm, d. h. der Durchmesser eines jeden zylindrischen Lochsiebes nimmt gegenüber dem nach innen hin benachbarten Lochsieb um das doppelte dieses Betrages zu. Die dünnwandigen metallenen Lochsiebe 5 bis 8 können vorzugsweise eine Dicke von ca. 0,2 bis 0,3 mm aufweisen und der Durchmesser der Löcher der Lochsiebe liegt vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 0,1 bis 0,5 mm.
Die Anzahl der Sieblöcher beträgt hierbei je nach Lochdurchmesser d vorzugsweise zwischen 2 bis 5 Löcher 5 pro Quadratzentimeter des Lochsiebes. Selbstverständlich können je nach Anwendungsgebiet auch andere Dimensionierungen als die vorgenannten zweckmäßig sein.
Die Abscheidung der abzufilternden Partikel ist bei dem erfindungsgemäßen Filtereinsatz strömungsdynamisch bedingt. Der Strömungsverlauf der Abgase ist in Fig. 1 skizziert, wobei zwei Strömungsfäden S das innerste zylinderförmige Lochsieb 8 durchströmen und jeweils radial durch die Sieblöcher des darüber liegenden Lochsiebes 7 bzw. 6 bzw. 5 bis in den Ringraum 16 zwischen den Filtereinsatz 4 bzw. dem äußersten Lochsieb 5 und dem Auspufftopf 2 hindurchtrömen. Versuchstechnisch hat sich gezeigt, daß die Sieblöcher der einzelnen zylindrischen Lochsiebe radial gegeneinander versetzt sein können, ohne den Filtereffekt zu beeinträchtigen. Die gereinigten Abgase strömen über den äußersten Ringraum 16 schließlich aus dem Auspufftopf 2 aus.
Der strömungsdynamisch bedingte Abscheidungsvorgang, d. h. der Filtereffekt, ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt, wobei die Ablagerungen mit der Bezugsziffer 17 abzeichnet sind.Das durch die Sieblöcher des innersten Lochsiebes 8 hindurchströmende Medium bewirkt eine strömungsdynamisch bedingte kraterförmiqe Ablagerljnq vor dem Sebloch des nächsten Lochsiebes 7 und diese Prallfiltration setzt sich in gleicher Weise in den freien Ringräumen 14 und 13 der folgenden Lochsiebe 6 und 5 fort. Hierbei nimmt das Mengenverhältnis der Ablagerungen bzw. Filtration in den radial durchströmten Ringräumen in einem in etwa exponentiellen Verhältnis sehr schnell ab.
Wird die Filtration noch weiter getrieben, so setzt sich der innerste Ringraum 15 allmählich vollständig zu, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei bleiben die Strömungskanäle in den Ablagerungen 17 mit dem gleichen Durchmesser der Sieblöcher auch bei völlig zugesetztem Ringraum erhalten und die weitere Ablagerung erfolgt in dem nächsten Ringraum mit dem gleichen Effekt bezüglich der Strömungskanäle in der Ablagerung. Naturgemäß wächst dabei der Strömungswiderstand, und der Filtereffekt, d. h. die Reinigung des Mediums hängt von der Anzahl der Siebzylinder ab. Die Größe des Sieblochdurchmessers Ds ist abhängig von der Größenordnung der abzu-5 filternden Partikel, und die Kapazität bzw. Aufnahmefähigkeit des Filtereinsatzes ist einerseits abhängig von der Größe der freien Ringräume, andererseits von der Menge der Partikel der Abgase. Die Standzeiten des Filtereinsatzes ist durch den wachsenden Filterwiderstand, letztlich durch die Gesamtqröße des Filters und die wirtschaftlichen Bedingungen bestimmt.
Die strömungsdynamischen Verhältnisse der Prallfiltration sind in Fig. 4 gezeigt. Die Strömung in einem Siebloch erfährt vor demselben eine starke Beschleunigung, die dem mitgeführten Partikel P eine entsprechend erhöhte kinetische Energie erteilt. Hinter dem Siebloch herrscht eine verzögerte Geschwindigkeit und die aufgeladene Energie des Massenpartikeis P bewirkt eine seitliche Kraftkomponente, die das Partikel auf eine spiralische Bahn 18 zwingt und zu der kraterförmigen Ablagerung 17 rund um das Siebloch des folgenden Lochsiebes führt.
Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem sogenannten Schneeza tine ffekt.
Sobald die Ablagerungen innerhalb des Filtereinsatzes 4 eine Reinigung des Siebeinsatzes erforderlich machen, wird der Siebeinsatz 4 aus dem Auspufftopf 2 herausgenommen und durch die üblichen Maßnahmen wie Ausglühen bzw. Oxidation der Rußpartikel oder durch hochfrequente Rüttelung (Ultraschall) so gereinigt, daß er praktisch als neuwertiger Filtereinsatz wieder verwendbar ist.
Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenderl Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Leerseite

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1) Auswechselbaer Filtereinsatz zur Abfilterung teilchenförmiger Verunreinigungen aus gasförmigen Medien, insbesondere zur Abfillerung von Rußpartikeln aus Dieseimoterabgasen, d a d u r c h () e k e n Ei -z e i c h n e t, daß der Filtereinsatz (4) mehrere zylindrische @ochsiebe (5 bis 8) jeweils unterschiedlichen Durchmessers (D5 bis D8) umfaßt, die ineinanderliegend angenrdnet sind, wobei zwischen benachbarten @ochsieben jeweils ein freier Ringraum (13 bis 15) gebildet wird, und die von dem zu reinigen-0 den gasförmigen Medium in radialer Richtung von innen nach außen durchströmt werden.
2) Filtereinsatz nach Auspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t.

daß er aus Metall besteht.
3) Filtereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die @ochsiebe (5 bis 8) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
4) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Lochsieben (5, 6; 6, 7; 7, 8) jeweils gleich groß ist.
5) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Ringraum (13, 14, 15) eine Dicke von 5 bis 10 mm aufweist.
6) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Lochsiebe (5 bis B) zwischen 0,2 und 0,3 mm liegt.
7) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochdurchmesser (d5) der Lochsiebe (5 bis 8) zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.
8) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d ) der Löcher der Lochsiebe (5 bis 8) vom innersten (8) zum äußersten Sieb (5) hin abnimmt.
9) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß daß die Anzahl der Löcher pro Quadratzentimeter der Lochsiebfläche 2 bis 5 beträgt.
10) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Löcher pro Quadratzentimeter der Lochsiebfläche bei allen Lochsieben (5 bis 8) konstant ist.
11) /Auswechse4-barer Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Gesamtzahl der Löcher eines Lochsiebes definierte freie Durchgangsflch bei allen Loch- sieben gleich ist.
12) Filtereinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Lochsiebe (5 bis 8) zwischen zwei die Lochsiebe endseitig verschließenden Endflanschen (9, 10) angeordnet sind, an denen sie endseitig befestigt sind, wobei der eingangsseitige Flansch (10) eine zentrale Eingangsöffnung für das gasförmige Medium aufweist, deren Durchmesser höchstens gleich ist dem Durchmesser (D8) des innersten Lochsiebes (8).