DE3538108A1 - Filter zum trennen von feststoffpartikeln aus diesel-abgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter zur Trennung von Feststoffpartikeln aus Diesel-Abgasen, bestehend aus einem Filterelement, das die Partikel aus dem durch das Filterelement durchströmenden Gas zurückhält und das in einem Gehäuse angeordnet ist.

Filter dieser Art sind vielseitig bekannt, (DE-PS 9 53 753). Sie bestehen in der Regel aus einem Gehäuse mit einem Abgaseinlaß und einem Abgasauslaß, zwischen denen ein oder mehrere poröse Filterkörper mit dem Gehäuse fest verbunden sind. Derartige Filter müssen, um ihren Ab­ scheidegrad aufrechtzuerhalten, gereinigt bzw. rege­ neriert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filter der eingangs genannten Art zu entwickeln, der einen möglichst hohen Abscheidegrad aufweist und kontinuierlich regeneriert, d.h. gereinigt werden kann.

Die Erfindung wird mit den im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmalen gelöst.

Durch das bewegliche Filterelement eröffnen sich breite Anwendungsmöglichkeiten von Regeniereinrichtungen, die während des Betriebes der Verbrennungsmaschine konti­ nuierlich oder intermittierend die Regenerierung des Filterelementes vornehmen können. Das Filterelement kann somit seinen optimalen Abscheidegrad beibehalten, womit gleichzeitig nur geringe Druckverluste im Abgaslei­ tungssystem entstehen.

Das Filterelement kann als ein rotierbares Rohr ausge­ bildet werden. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß das Filterelement in jeder Form, Schaumkeramik, Faserfilter, Metallnetz und dergleichen hergestellt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführung des Filterelementes besteht in der Bildung eines umlaufenden, endlosen Bandes. Ein derartiges Band-Filterelement kann z.B. aus einem Metallge­ strick hergestellt werden, das um zwei Umlenkrollen ge­ spannt ist und stetig oder intermittierend bewegt werden kann. Um Festigkeit mit optimalem Abscheidegrad zu kom­ binieren, kann das Filterelement aus einem dünnen und biegsamen Metallnetz hergestellt werden, auf das ein hitzebeständiges Metallfaser-Vlies aufgesintert wird. Dabei wird das biegsame Metallnetz für die auferlegte Beanspruchung entsprechend ausgelegt, während die ge­ wünschten Filtereigenschaften mit dem Vlies realisiert werden. Das Metallnetz dient gleichzeitig als Stütze für das Vlies, so daß dieses trotz der Umlaufbewegung seine Filtereigenschaften auf die Dauer beibehalten kann.

Das erfindungsgemäße Filterelement ist geeignet, in einem als Mehrkammer-Schalldämpfer ausgebildeten Gehäuse angeordnet zu werden, indem das Filterelement eine der Kammern zumindest teilweise umgibt. Damit läßt sich die Funktion der Filterung und der Schalldämpfung in einer Baueinheit integrieren. Das Filterelement wird dabei die vom Abgas durchströmten Wandungen der entsprechenden Kammer vollständig umgeben, um den Durchtritt ungerei­ nigten Abgases zu vermeiden.

Eine konstruktiv einfache und platzsparende Ausführung besteht in einem Hauptgehäuse, das den Einlaß für den Abgasstrom enthält. Dieses Gehäuse kann zylindrisch mit rundem, rechteckigem oder allgemein polygonalem und auch ovalem Querschnitt hergestellt werden. In der Ebene des größten Durchmessers des Hauptgehäuses wird eine zweite Kammer angeordnet, die vom Filterelement umgeben ist und deren Formgebung sich somit nach der Ausführung des Filterelementes richtet. Für das Endlos­ band-Filterelement wird die zweite Kammer vorzugsweise ein flacher Quader sein. Die Trennwand zwischen dem Hauptgehäuse und der zweiten Kammer kann direkt vom Filterelement gebildet werden, oder aber auch ein Sieb­ blech sein, auf das sich das Filterelement abstützt.

Schließlich kann eine dritte, als Abgassammler ausge­ bildete Kammer vorgesehen werden, die mit dem Abgas­ austritt versehen ist und über Resonanzdrosseln mit der zweiten Kammer verbunden ist. Der Abgassammler kann innerhalb oder auch außerhalb des Hauptgehäuses ange­ ordnet sein. Ein derartiges Gebilde kann von der Form­ gebung her an die zur Verfügung stehende Räumlichkeit angepaßt werden. So ein Filtergehäuse kann beispiels­ weise mit großer flächiger Ausdehnung, jedoch geringer Bauhöhe ausgebildet werden, so daß eine großflächig wirksame Anströmung durch das Abgas möglich ist und gleich­ zeitig eine geringe Bauhöhe für den Einbau des Filters notwendig ist.

Der Vorschub des Filterelementes kann kontinuierlich oder auch intermittierend, ungeregelt oder geregelt erfolgen, je nachdem was für ein Regeneriersystem für den Filter verwendet wird. Für einen geregelten Antrieb, sei es kontinuierlich oder diskontinuierlich, eignet sich ein Elektromotor. Bei einer ungeregelten, diskontinuierlichen Bewegung kann vorzugsweise ein Pendel-Klinken-Mechanismus gewählt werden. Ein derartiges System wird vorzugsweise bei Fahrzeugen eingesetzt, wobei durch entsprechende An­ ordnung des mit einer Masse behafteten Pendels dieser bei Beschleunigungsbewegungen des Fahrzeugs den Klinken- Mechanismus bewegt und damit jeweils einen gewissen Vor­ schub des Filterelementes auslöst. Dieses System ist insofern gut geeignet, indem es keine Fremdenergie be­ darf und seine Pendelbewegungen aufgrund des Fahrbetriebes gesichert ist, bei dem in relativ kurzen Abständen Be­ schleunigungen und Verzögerungen des Fahrzeugs vorgenommen werden.

Die Regenerierung des Filterelementes kann infolge dessen Bewegung unter Beachtung mehrerer Gesichtspunkte optimal ausgelegt werden. So kann zunächst die räumliche Anordnung der Regeneriereinrichtung relativ frei gewählt werden, indem diese nur auf ein Teil des rotierbaren Filter­ elementes einzuwirken braucht.

Bei der Verwendung von Brennern für die Regenierung läßt sich eine Trennung zwischen den vom Abgas durch­ strömten Räumen des Hauptgehäuses und der Brennkammer ein­ führen, so daß der Brenner ohne nennenswerten Gegendruck arbeiten kann. Nachdem nur ein Teil des Filterelementes jeweils den Regeneriervorgang durchläuft, sind hier die Anwendungen von kleinen Brennern möglich. Auch wenn die Wärmezufuhr vom Brenner zum Filterelement über einen Wärmetauscher erfolgt, ist ein geringerer Aufwand not­ wendig, als es bei den stehenden Filtern der Fall ist.

Anstelle eines Öl- oder Gasbrenners kann auch ein elektrischer Heizstab verwendet werden, der z.B. zwecks optimaler Nutzung seiner Heizleistung im Brennpunkt eines parabolförmigen Hohlspiegels angeordnet sein kann.

Eine auf elektrostatischem Weg arbeitende Regenerier­ einrichtung kann vorzugsweise aus einer die Abgaspartikel ionisierenden Elektrode und einer Abscheidungselektrode bestehen, die langsam rotierend die ionisierten Partikel aufnimmt und über einen mechanischen Abstreifer an einen Sammelbehälter abgibt, von wo die Partikel beispielsweise wieder der Verbrennungsmaschine zurückgeführt werden können.

Durch das rotierende Filterelement ist es auch möglich, die vom Filterelement aufgenommenen Partikel abzusaugen. Eine dazu verwendete Düse kann mit dem Ansaugsystem des Motors für dessen Verbrennungsluft in Verbindung ge­ setzt werden. Ebenso ist es möglich, das mit Partikeln behaftete Filterelement mittels Druckluftdüsen zu reinigen.

Bei einem umlaufenden Band-Filterelement bietet sich der Bereich an einer Umlenkrolle an, um dort die Regenerier­ einrichtung anzuordnen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 jeweils einen Längsschnitt, eine Drauf­ sicht bzw. einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles und

Fig. 4-6 je ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1-3 ist ein Filtergehäuse aus drei Räumen mit unterschiedlich groß bemessenen Volumina gezeigt. Ein Hauptgehäuse 10, das einen Eintrittsflansch 11 für den Abgasstrom 12 aufweist, umschließt eine erste Kammer 13. In der Kammer 13 ist ein zweites Gehäuse 14 mit Durchlässen 15 angeordnet, das eine zweite Kammer 16 bildet. Über einen Resonator 20 und einer Drossel­ stelle 21 ist die zweite Kammer 16 mit einer dritten Kammer 23 eines Abgassammlers 24 verbunden, der die gereinigten Abgase 25 aufnimmt und in die Atmosphäre leitet.

Das so ausgestaltete Filtergehäuse bildet gleichzeitig einen Reihenresonator bzw. -schalldämpfer. Die Kammern 13, 16 und 23 sind so ausgelegt, daß deren Rauminhalte in Abgasströmungsrichtung abnehmen. Die Rauminhalte der Kammern 13, 16, 23 können beispielsweise im Verhältnis 1,6/1,2/1,0 ausgebildet sein.

Das Gehäuse 14 der zweiten Kammer 16 ist innerhalb der ersten Kammer 13 so angeordnet, daß um das zweite Gehäuse 14 mit Hilfe von Umlenkrollen 30, 31 ein als Endlosband ausgebildetes Filterelement 32 umlaufen kann. Das Filter­ element 32 kann aus einem dünnen und biegsamen Teilnetz bestehen, auf das ein hitzebeständiges Metallfaser- Vlies 34 aufgesintert ist. Das Filterelement 32 wird in Pfeilrichtung 37 in Bewegung gesetzt, indem eines der Umlenkrollen 31 angetrieben wird. Der Antrieb ist gemäß Fig. 1 ein Pendel mit Gewicht 38, das in Kombination mit einem nicht näher dargestellten Klinkenmechanismus die Umlenkrolle 31 und damit das Filterelement 32 in Be­ wegung versetzt.

Ein Pendelbetrieb ist geeignet, wenn das Filtersystem in Fahrzeugen Verwendung finden soll. Bei Anordnung der Pendelebene in Fahrzeuglängsachsenrichtung wird das Pendelgewicht aufgrund dessen Massenträgheit bei Beschleunigungen und Verzögerungen des Fahrzeuges Pendelbewegungen ausführen. Mit Hilfe des Klinken­ mechanismus wird der Pendel je nach Anordnung des Systemes nur bei einer Beschleunigung oder einer Verzögerung des Fahrzeuges einen Vorschub der Umlenk­ rolle 31 bzw. des Filterelementes 32 auslösen. Bei einem Pendelantrieb wird das Filterelement 32 inter­ mittierend bewegt.

Es kann jedoch jeder beliebige Antrieb verwendet werden, In Fig. 2 ist als Antrieb ein Elektromotor 39 vorgesehen, mit dem geregelte, intermittierende oder kontinuierliche Vorschubbewegungen des Filterelementes 32 durchgeführt werden können.

Anstelle eines als Band ausgebildeten Filterelementes kann jede andere Ausführung, z.B. rotierende Rohre oder dergleichen verwendet werden.

Unabhängig von der Ausgestaltung des Filterelementes hat dessen Beweglichkeit den entscheidenden Vorteil, daß der Regenerierprozeß sich nicht auf das Gesamtvolumen bzw. das gesamte Ausmaß des Filterelementes erstrecken muß. Es können vielmehr, je nach Ausbildung, Schmalseiten oder dergleichen genutzt werden, um dort eine raum­ und energiesparende Regeneriereinrichtung vorzusehen.

Gemäß Fig. 1 ist die Umlenkstelle 40 an der Umlenkrolle 30 für die Filterregenerierung vorgesehen. Das Haupt­ gehäuse 10 ist an diesem Ende mit einer Isolierschicht 41 versehen, die gleichzeitig einen Regenerierraum 42 innerhalb des Hauptgehäuses 10 abtrennt. Für die Re­ generierung ist ein Brenner 43 vorgesehen, dessen Heiß­ gase 44 in den abgetrennten Regenerierraum 42 einströmen und über eine Öffnung 45 in den Abgassammler 24 ge­ langen, wo Atmosphärendruck herrscht. Der Regenerier­ raum 42 ist somit nicht vom Gegendruck der ersten Kammer beeinflußt, so daß der Brenner 43 auch während des Be­ triebes der Verbrennungsmaschine arbeiten kann.

Andere Regeneriermethoden sind bei dem hier beschriebenen Konzept anwendbar und mit geringem fertigungstechnischen Aufwand realisierbar.

Fig. 4 zeigt eine Regenerierung auf elektrostatischem Wege, bei der die im Filterelement 32 aufgenommenen Partikel mittels einer Elektrode 50 ionisiert und einer langsam rotierenden Abscheidungselektrode 51 aufgenommen werden. Mittels eines Abstreifers 42 werden die Partikel 53 von der Elektrode 51 abgestreift und in einem Sammel­ behälter 54 gesammelt.

Ein weiteres Beispiel besteht gemäß Fig. 5 in einem elektrischen Heizstab 60, der parallel zur Umlenkrolle 30 angeordnet ist und zwecks optimaler Nutzung seiner Heizleistung im Brennpunkt eines parabolförmigen Hohl­ spiegels 61 angeordnet sein kann.

Fig. 6 zeigt schließlich eine Ausführung mit einem Saugsystem 65, das beispielsweise mit dem Verbrennungs­ luft-Ansaugsystem des Verbrennungsmotors verbunden sein kann.

Ein großer Vorteil ist bei dem beschriebenen Konzept, daß die Regenerationskammer 42 bei den thermischen Re­ generationsverfahren nach Fig. 1 und 5 mit kleinst­ möglichem Volumen ausgebildet werden kann, womit die Wärmezufuhr zum Aufheizen der beteiligten Massen auf die Entzündungstemperatur der Partikel bzw. des Rußes so gering wie möglich gehalten wird.

Der Abgasstrom 12 strömt über den Flansch 11 in die erste Kammer 13 des Hauptgehäuses 10. Über das Filter­ element 32 und den Durchlässen 15 des Gehäuses 14 gelangt das Abgas gereinigt in die zweite Kammer 16, von wo aus das gereinigte Abgas 25 entweder durch eine oder mehrere Drosselstellen 21 und/oder einen Resonator 20 in den Abgassammler 24 einströmt, von wo aus es an die Atmosphäre gelangt. Währenddessen wird entweder kontinuierlich oder intermittierend das Filterelement 32 in Pfeilrichtung 37 bewegt, wobei jeweils der die Umlenkstelle 40 erreichende Bereich des Filterelementes 32 elektrostatisch, mechanisch oder durch Verbrennung gereinigt wird. Durch die Expansions­ kammern 13, 16, 23 und der dazwischenliegenden Drossel­ stellen wird gleichzeitig eine wirksame Dämpfung der Schallwellen des Abgases 12 erreicht.

Die Regeneriereinrichtung wird zweckmäßigerweise inter­ mittierend im Takt der Filter-Vorschubbewegung angesteuert. Es ist natürlich ein kontinuierlicher Betrieb der Regenerier­ einrichtung möglich, wenn z.B. das Filter stetig umläuft.

Claims (14)

1. Filter zur Trennung von Feststoffpartikeln aus Diesel-Abgasen, bestehend aus einem Filterele­ ment, das die Partikel aus den durch das Filter­ element durchströmenden Gas zurückhält und das in einem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filterelement (32) innerhalb des Gehäuses (10) bewegbar angeordnet ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement als rotierbares Rohr aus­ gebildet ist.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement aus poröser Keramik oder Keramik- oder Metallfasern besteht.

4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (32) als ein umlaufendes, endloses Band ausgebildet ist.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (32) aus Metallvlies (34) besteht.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallvlies (34) auf ein wärmebeständiges Endlosband (33) aufgesintert ist.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse als Mehrkammerschalldämpfer ausgebildet ist, wo­ bei das Filterelement (32) eine Kammer (16) zu­ mindest teilweise umgibt.

8. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektroantrieb (39) für die Filterelementbewegung vorgesehen ist.

9. Filter für den Einsatz in Fahrzeugen, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pendel-Klinkenmechanismus (38) für den An­ trieb des Filterelementes (32) vorgesehen ist, der durch die Beschleunigungsbewegung des Fahrzeuges ansteuerbar ist.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Filterelement (32) eine thermische Regeneriereinrichtung (43, 60) zugeordnet ist.

11. Filter nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Raum (42) für die Regenerier­ einrichtung (43) mit einer Kammer des Filter­ gehäuses in Verbindung steht, das in Abgasström­ richtung nach dem Filterelement (32) angeordnet ist.

12. Filter nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatisch arbeitende Regeneriereinrichtung (50, 51, 52) vorgesehen ist.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeneriereinrichtung eine Saugvorrichtung (65) vorgesehen ist.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß als Regeneriereinrichtung eine oder mehrere Druckluftdüsen vorgesehen sind.