DE3602154A1 - Partikelfilter fuer abgase - Google Patents

Partikelfilter fuer abgase

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelfilter für Abgase, bestehend aus einem Wickelkörper aus temperaturbeständigen Fasern.
Unter den verschiedenen Filterkonstruktionen, wie aus Keramikschaum, Fasermatten, Drahtgestrick und als Wickelkörper haben die letzteren gegenüber den vorherstehenden Varianten den Vorteil, daß das Verhältnis der Filterbaugröße zur Filterwirkung günstiger, d.h., geringer ist als bei Filtern anderer Konstruktionen.
Um diesen Vorteil besonders deutlich zu machen, müssen Fasern mit Elementarfasern möglichst geringer Faserdicke, im Bereich von einigen µm verwendet werden. Weiterhin ist auf eine möglichst lockere Bewicklung zu achten, die eine Tiefenfiltrierung von Partikeln erlaubt.
Ein derartiger Wickelkörper besitzt aber keine ausreichende Steifigkeit, die einen Einsatz des Wickelkörpers als Filter ohne Stützeinrichtung erlaubt. Aus Wickelkörpern bestehende Filter werden daher, wie aus der DE-PS 30 07 642 bekannt, auf Stützrohren aufgewickelt, die mit Durchgangsöffnungen versehen sind.
Bei der bekannten Einrichtung strömen die Abgase im Betrieb des Filters in radialer Richtung in das Filterrohr ein und verlassen es in axialer Richtung. Die im Abgas enthaltenen Partikel werden dabei am Wickelkörper festgehalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß aufgrund der unterschiedlichen Strömungskonfigurationen zwischen Filtermaterial und Stützkörper sich die Abgase unregelmäßig ablagern. Der Abscheidegrad des Filters wird hierdurch stark beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die dem Filtermaterial eigene Filterwirkung möglichst voll genutzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Hierbei dient ein Teil der Fasern, nämlich die Hilfsfasern, neben der Funktion als Filter, als Gerüst für den Wickelkörper, so daß von Stützkörpern abgesehen werden kann. Es entfällt damit jede Beeinträchtigung des Abscheidegrades des Filters.
Durch eine damit erreichbare homogene Struktur baut sich im Betrieb ein homogenes Strömungsfeld auf, das eine gleichmäßige Ablagerung der Partikel durch den gesamten Filter ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filters liegt darin, daß ein einheitlicher Filter herstellbar ist, der je nach Bedarf entweder in der einen oder in der anderen Richtung durchströmbar ist.
Als Grundfasern können Rovings oder Garne aus Keramik, Quarz, Silizium, Glas oder ähnlichen temperaturbeständigen Materialien sein. Wobei die Elementarfäden der Rovings oder Garne äußerst kleine Querschnitte haben können, so daß eine Erhöhung der Wirkfläche des Filters durch die Wahl entsprechend dünner Elementarfäden bewirkt werden kann.
Die Elementarfäden der Grundfasern haben vorzugsweise einen Durchmesser von höchstens 10 µm, vorzugsweise unter 7 µm.
Als Hilfsfaser kann vorzugsweise Stahldraht verwendet werden, der je nach Art der Verwendung bzw. Mengenverhältnis im Filterkörper einen Durchmesser von 0,1 bis 0,7 mm hat. Die Drahtdicke verhält sich dabei umgekehrt proportional zum Verhältnis der Drahtmenge zur Grundfasermenge im Filterkörper. Die Grundfasern und die Hilfsfasern können nach verschiedenen Mustern kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist der im wesentlichen aus Grundfasern bestehende Filterkörper mit den Hilfsfasern versetzt. Dieses kann dadurch geschehen, daß die Hilfsfasern zusammen mit den Grundfasern in einem Arbeitsgang gewickelt werden, in dem je nach gewünschtem Mengenverhältnis eine Hilfsfaser und mehrere Grundfaserstränge gleichzeitig verwickelt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung von Hilfsfasern innerhalb des Filterkörpers. Es ist aber auch möglich, die Verteilung der Hilfsfasern beliebig zu wählen, indem zum Beispiel an den Außenschichten mehr Hilfsfasern eingebracht werden als in der Innenschicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die Hilfsfasern im wesentlichen an den Oberflächen des Filterkörpers, wobei zwischen den beiden Lagen mit Hilfsfasern vorwiegend Grundfasern vorgesehen sind. Hierbei lassen sich die Hilfsfasern entweder wickeln, oder in der Form eines Netzwerkes verwenden.
Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die Hilfsfasern die Grundfasern verankern, die nämlich aufgrund ihres reduzierten Querschnittes und gegebenenfalls aufgrund ihrer Porosität zumindest an der Oberfläche reißen können.
Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Ausführungen zu kombinieren, d.h., Hilfsfasern an den Oberflächen des Filterkörpers vorzusehen und zusätzlich Hilfsfasern durch den Wickelaufbau der Grundfasern durchzuziehen.
Unabhängig vom jeweils gewählten Muster wird die erforderliche Steifigkeit durch entsprechende Wahl der eingebrachten Menge bzw. der Dicke der Hilfsfasern bestimmt derart, daß der lediglich aus Grundfasern und- Hilfsfasern bestehende Filterkörper für sich alleine, d.h., ohne Stützelemente einsatzfähig ist. Die Hilfsfasern sind dabei ein integraler Bestandteil des Filterkörpers bzw. des Filtermaterials.
Der erfindungsgemäße Filter kann jede geometrische Form annehmen, die im Wickelverfahren herstellbar ist. So ist es möglich, den Filter sowohl platten- als auch rohrförmig auszubilden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Fasern im Wickelkörper sich kreuzend gewickelt, wobei insbesondere durch Verwendung eines offenen Wickelvorganges Zwischenräume zwischen Fasersträngen geschaffen werden können, die dem Wickelkörper eine für die Durchströmung und Umlenkung des zu reinigenden Gases erforderliche Porosität verleihen. Hierdurch können die Partikeln zum Teil durch unterschiedliche Lagen strömen und sich innerhalb des Wickelkörpers ablagern, wodurch eine Tiefenfilterwirkung Dieser Effekt läßt sich durch Maßnahmen verstärken, die die Verknotungen von sich kreuzenden Faser- bzw. Garnsträngen vermindern. Es ist ferner vorteilhaft, wenn beim Wickeln des Filters zumindest die Grundfasern locker geführt werden, um eine entsprechende Porosität in den Filter einzubringen, die eine Tiefenfilterwirkung herbeiführt.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Detail aus Fig. 2 und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein als Wickelkörper ausgebildeter, plattenförmiger Filter (10) gezeigt, der aus Grundfasern (11 und 12) aus Keramik, Glas oder ähnlichem temperaturbeständigen Material und aus Hilfsfasern (13) aus Stahl oder einem anderen temperaturbeständigen Metall besteht. Die Grundfasern (11 und 12) sind Faserstränge, die jeweils mehrere Elementarfäden (14) mit sehr kleinem Durchmesser, im Bereich von einigen µm enthalten. Die Elementarfäden (14) können dabei einen Roving bildend parallel zueinander angeordnet oder zu einem Garn verdrillt sein.
Die Hilfsfasern (13) sind Metalldrähte, die während des Wickelvorganges der Grundfasern (11 und 12) mitgewickelt werden und dadurch den Filter (10) in allen Schichten durchsetzen. Durch Richtungswechsel der Fasern (11 bis 13) in unterschiedlichen Lagen wird in Verbindung mit einer offenen Wicklungstechnik, (d.h., daß nebeneinanderliegende Fasern (11 bzw. 12) mit Abständen (15) voneinander gelegt werden), eine Porosität im Wickelkörper erreicht, durch die der Filter (10) eine Tiefenfilterwirkung erhält.
Die Entstehung der Porenkammern kann anhand der Fig. 2 verdeutlicht werden. Zur Vereinfachung sind in Fig. 2 (stark vergrößert) vier Faserlagen mit quer zueinanderliegenden Fasern (110 bzw. 120) im Querschnitt dargestellt. Die Grundfaserstränge (110 und 120) sind aus Elementarfäden (140) gesponnene Garne. In den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen werden im Wickelprozeß drei Grundfasern gleichzeitig gewickelt, so daß sie in einer Lage nebeneinander mit dem entsprechenden Abstand (150) zu liegen kommen. Die Quergrundfasern (120) legen sich jeweils in den verschiedenen Lagen auf die Längsfasern (110) und bilden dabei Porenkammern (20), wie es in der linken Hälfte der Fig. 2 dargestellt ist. In Übergangsbereichen (210) (21 in Fig. 1) erfolgt ein Lagenwechsel zwischen Fasern unterschiedlicher Orientierung. In diesen Bereichen, den sogenannten Knotenstellen (210) reduzieren sich die Faserabstände verschiedener Lagen, so daß die Bildung von Porenkammern gewissermaßen gehindert wird. Es ist daher zweckmäßig, möglichst viele Fasern gleichzeitig beim Wickelprozeß zu führen, um die Knotenpunkte (21 bzw. 210) zu reduzieren.
Das Abgas (22) wird auf diese Weise durch das lockere Geflecht unter zahlreichen Umlenkungen durchströmen und die Partikeln zum Teil mit in das Innere des Filters (10) mitreißen. Im Verlauf des Strömungsweges durch den Filter (10) treffen die Partikeln nacheinander auf Fasern (11 bis 13) und lagern sich dort ab. Die Filtrierung erfolgt daher hier nicht an der Oberfläche des Filters, sondern das gesamte Volumen bzw. die Summe der Oberflächen der Fasern (11 bis 13) bzw. der Elementarfäden (14) trägt zur Filtrierung der Gaspartikeln bei.
Um die Ablagerung der Partikel möglichst homogen im gesamten Filter (10) zu verteilen, muß für ein homogenes Netzwerk der Fasern im gesamten Filtervolumen gesorgt werden. Nachdem die Grundfasern (11 und 12) den wesentlichen Anteil der Filterwirkung ausmachen, werden diese in einer symmetrischen Form gewickelt, während die Hilfsfasern (13) innerhalb der Lücken (15) gelegt werden.
Die Möglichkeiten, die Hilfsfasern (13) im Filter zu integrieren, sind vielseitig. Diese können homogen im Wickelkörper integriert sein oder auch verstärkt in einer Filterebene oder an den Oberflächen des Filters angebracht sein.
In Fig. 3 ist bei einem rohrförmigen Filter (101) eine Ausführung gezeigt, bei der die Hilfsfasern (141) am Innenumfang und am Außenumfang des Rohrkörpers angeordnet sind, während der Innenbereich des Filterrohres (101) nur Grundfasern (111, 121) enthält.
Die Hilfsfasern (141) sind gemäß Fig. 3 zu einem Netzwerk (30) verarbeitet. In diesem Fall wirken die Hilfsfasern außen als Filtermaterial und zur Versteifung des Wickelkörpers auch zum Schutz und zur Verankerung der Oberflächengrundfasern. Insbesondere bei spröden und sehr dünnen Grundfasern (111, 121) können diese durch Hantierung usw., insbesondere an der Oberfläche des Wickelkörpers leicht reißen.
Die Umfangshilfsfasern (141), die auch gewickelt sein können, stellen keine Barriere, sondern vielmehr ein Filterteil dar. Bei Bedarf können zusätzlich Hilfsfasern im Grundfaser-Wickelkörper vorgesehen werden, etwa in der Art wie in Fig. 1 dargestellt.
Filter der hier beschriebenen Art sind richtungsunabhängig, so daß ein einheitlicher Filter für beide Gasströmungsrichtungen hergestellt werden kann. Beim rohrförmigen Filter (101) ist die Filterwirkung beispielsweise die gleiche, gleichgültig ob das Gas von innen nach außen oder von außen nach innen des Filterrohres (101) gerichtet wird.

Claims (11)

1. Partikelfilter für Abgase, bestehend aus einem Wickelkörper aus temperaturbeständigen Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (10, 11) aus Grundfasern (11, 12, 110 bzw. 111, 121), die im wesentlichen für die Filterwirkung verantwortlich sind, und aus Hilfsfasern (13, 130 bzw. 131) besteht, die zur Versteifung des Wickelkörpers dienen.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfasern (11, 12) Rovings oder Garne aus Keramik, Glas oder anderen hochtemperaturfesten Materialien sind.
3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfasern (11, 12) aus mehreren Elementarfäden (14) von unter 100 µm, vorzugsweise unter 10 µm Dicke bestehen.
4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfasern (14, 140) aus hochtemperaturfesten Metallen, insbesondere Stahldraht bestehen.
5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfasern (14, 140) aus 0,1 bis 0,7 mm dickem Stahldraht oder Draht aus einem anderen hochtemperaturfesten Metall bestehen.
6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper (10) mit Hilfsfasern (14) durchsetzt ist.
7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsfasern (131) sich im wesentlichen an den Oberflächen des Filterkörpers (101) befinden.
8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfasern (131) zu einem Netzwerk (30) verstrickt sind.
9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11 bis 13) im Wickelkörper (10) in sich kreuzenden Lagen gewickelt sind.
10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfasern (11, 12) im Filter (10) möglichst wenig Verknotungen (21) aufweisen.
11. Filter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (10) durch loses Wickeln der Grundfasern (11, 12) eine lockere Struktur hat.
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