DE3614812C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für Abgase mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Partikelfilter dieser Art ist aus der DE-AS 21 30 436 bekannt. Dabei ist ein hohlzylindrisches Filterelement vor­ gesehen, das mit seiner Innendurchgangsbohrung direkt an ein gelochtes Rohr angrenzt. Das gelochte Rohr ist an eine Zu­ leitung angeschlossen, über das die Abgase zugeführt werden. Die Zuleitung steht insofern mit einer Heißgaserzeugungsein­ richtung für die zur Regenerierung des Filters erforderli­ chen Heißgase in Verbindung, da sie praktisch den Brennraum eines entsprechenden Brenners bildet. Diese Lösung ist im Hinblick auf einen günstigen Brennerwirkungsgrad nicht opti­ mal. Das gelochte Rohr bildet einen Strömungsteiler, in den die Gase hineinströmen und über die Löcher in viele Einzel­ strömungen aufgeteilt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Form der Abgasführung und Heißgasführung unwirt­ schaftlich ist, da entweder die Filterkapazität nicht voll genutzt werden kann oder die Heißgase nicht ihre volle Wir­ kung entfalten können. Letzteres deshalb, weil durch die Aufteilung des Gesamtstromes das Filterelement praktisch nur hinter den Löchern durchströmt wird, vom Rohr ansonsten ab­ gedeckte Bereiche sowohl bei der Beladung als auch bei der Regenerierung nur teilweise erreicht werden. Dadurch, daß die Beladung des Filterelementes mit Partikeln im wesentli­ chen nur hinter den Löchern des Lochrohres erfolgt, ergibt sich der Nachteil einer relativ häufigen Regenerierung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Parti­ kelfilter der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Filterkapazität weitgehend genützt, außerdem eine ra­ sche, möglichst vollständige Reinigung des Filters erreicht und zudem die Häufigkeit notwendiger Regenerierungen redu­ ziert werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Partikelfilter der gattungsgemäßen Art durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß zwischen der Heißgaserzeugungseinrichtung und dem Strömungs­ teiler ein Speisekanal vorgesehen ist, welcher einen ge­ trennten Fluß von Heißgasen und Abgasen erlaubt. Außerdem sind die Durchlässe des Strömungsteilers mit solchem Ab­ stand von der Eintrittsfläche des Filterelementes angeord­ net, daß zwischen Strömungsteiler und Filterelement-Eintritts­ fläche ein Freiraum bleibt, der so bemessen ist, daß die durch die Durchlässe des Strömungsteilers bestimmte Zwangs­ führung der Heißgasteilströme sich beim Regenerieren im we­ sentlichen im Filterelement fortsetzt und daß die Abgase beim Filtern über den Freiraum unter Umgehung des Strömungsteiles zur Eintrittsfläche des Filterelementes gelangen.

Bedingt durch diese Umgehungsmöglichkeit können die Abgase ungehindert die gesamte Fläche des Filterelementes und damit das gesamte Volumen beaufschlagen, so daß die Belegung des Filters über die gesamte Oberfläche bzw. über das gesamte Volumen gleichmäßig erfolgen kann. Aufgrund von gewissen Strömungsverhältnissen können zunächst Filterstellen stärker als andere Stellen mit Partikeln belegt werden. Dabei werden dann die schwachbelegten Filterstellen aufgrund einer höhe­ ren Abgasdurchströmung eine entsprechend höhere Partikelab­ lagerung erfahren. Es erfolgt demnach ein automatischer Re­ geleffekt, der eine gleichmäßige Ablagerung von Partikeln sicherstellt.

Bei der Regenerierung dagegen wird das Heißgas durch den Strömungsteiler auf die Filteroberfläche verteilt, derart, daß die gesamte Filteroberfläche vom Heißgas gleichermaßen beaufschlagt wird und damit eine vollständige Regenerierung möglich ist. Der Effekt, daß zuerst abgebrannte Filterstel­ len eine größere Gasmenge durchlassen, mit der Folge, daß ungünstig liegende Filterpartien nicht mehr beaufschlagt werden, wird dabei unterbunden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dabei kann sich der durch den Abstand zwischen Filterelement- Eintrittsfläche und Strömungsteiler gegebene Freiraum am zu­ strömseitigen Abschnitt des Abgaskanales anschließen, der durch einen Vorraum im Filtergehäuse gebildet und vom Spei­ sekanal für die Heißgaszuleitung getrennt ist.

Aus der US-PS 43 22 387 ist zwar ein mit Abstand vor dem Filterelement angeordneter Strömungsteiler bekannt. Dieser Filter ist jedoch so ausgestaltet, daß zwischen dem Strö­ mungsteiler und dem Filterelement ein Expansionsraum vorge­ sehen ist, der die eingangs erwähnten Effekte wieder umkehrt. Sowohl die Abgase als auch die Heißgase werden durch den Strömungsteiler geführt. Durch den nachgeschalte­ ten Expansionsraum wird die Zwangsführung in beiden Fällen aufgehoben, so daß beide Gasströme bei der Beaufschlagung ei­ nes freiliegenden Filterelementes im wesentlichen freie Strö­ mungswege verwenden.

Bei als Filterkerzen ausgebildeten Filterelementen kann der Strömungsteiler vorzugsweise ein gelochtes Verteilerrohr sein, das konzentrisch mit Abstand zur Filterkerze angeord­ net ist. Je nach Strömungsrichtung der Abgase wird das ge­ lochte Verteilerrohr innerhalb oder außerhalb der Filterker­ ze angeordnet, und zwar derart, daß das Verteilerrohr in Strömungsrichtung der Abgase vor dem Filterelement zu liegen kommt.

Der Raum zwischen dem Filterelement und dem Strömungsteiler ist direkt mit dem Abgaskanal verbunden. Zur optimalen Aus­ nutzung der Filterkapazität ist es wichtig, daß im Abgas­ strom vor und nach dem Filter keine strömungsleitenden Bau­ teile, wie gelochte Stützbleche und dergleichen, vorgesehen sind damit der Abgasstrom das Filterelement über die gesam­ te Anströmfläche gleichmäßig beaufschlagen kann und beim Aus­ tritt aus dem Filter sich keine bevorzugten Strömungsrich­ tungen einstellen.

Das Heißgas ist vorzugsweise zusätzlich beheiztes Abgas, das vom Abgasstrom vor dem Filter abgezweigt, mit einem elektri­ schen Heizgerät oder einem Brenner aufgeheizt und zum Strö­ mungsteiler geführt wird. Das Heißgas kann auch von einem Brenner mit Gebläse eingeblasen werden.

Für in Fahrzeugen verwendete Filter wird vorzugsweise als Heizaggregat ein Brenner vorgesehen, der in einem vom Abgas­ kanal vor dem Filter abzweigenden Kanal angeordnet ist, wo­ bei dieser Kanal in einen vom Strömungsteiler zumindest teilweise umschlossenen Raum mündet. Im normalen Betrieb strömt dabei das Abgas durch einen Abgaskanal direkt zum Filterelement. In den Regenerierphasen wird das Abgas in den mit dem Brenner versehenen Nebenkanal geleitet, wo es bis auf die erforderliche Zündtemperatur der im Filter gesammel­ ten Partikel aufgeheizt und dann durch den Strömungsteiler zum Filterelement geführt wird.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Partikelfilter in Betriebs­ stellung bzw. in Regenerierphase.

In der Abgasleitung 10, 10′ eines nicht näher dargestell­ ten Verbrennungsmotors ist ein Filter 11 zwischengeschal­ tet, der aus einem Gehäuse 12 mit darin angeordneten, als Filterkerzen 13 ausgebildeten Filterelementen besteht. Das Filtergehäuse 12 ist über einen Einlaß 14 mit dem motor­ seitigen Abgasrohr 10 verbunden. Von hier strömen die Ab­ gase 15 in einen Vorraum 16 des Filtergehäuses 12 ein, gelangen dann weiter in den Innenraum der Filterkerzen 13, durchströmen diese von innen nach außen und gelangen über einen Ausgangsraum 17 sowie über den zweiten Abgaskanalab­ schnitt 10′ als gereinigtes Abgas 18 ins Freie. Der direkte Durchgang der Abgase vom Vorraum 16 in den Ausgangsraum 17 wird durch ein die Filterkerzen 13 tragendes Blech 19 verhindert. Die Filterelemente sind so ausgestaltet, daß sie selbsttragend und ohne Stützbauteile versehen sind, welche die Abgasströmung unmittelbar vor dem Eintritt in das Filter­ element und beim Austritt aus diesem beeinflussen könnten. Auf diese Weise kann das Abgas sämtliche Durchströmkanäle des Filterelementes 13 ungehindert durchströmen, wobei die im Abgas enthaltenen Partikel im Filterelement 13 zurückge­ halten werden. Aufgrund einer nicht vollkommen homogenen Struktur des Filterelementes werden sich am Filterelement stellenweise unterschiedlich starke Strömungen ausbilden, wodurch das Filterelement 13 zunächst örtlich unterschied­ lich mit Partikeln bzw. Ruß belegt wird. Aber es stellt sich automatisch ein Regeleffekt ein, indem die Strömung in den stärker belegten Filterstellen zugunsten der schwachbelegten Filterstellen abnimmt, so daß über die Zeit eine weitgehend homogene Ablagerung von Partikeln erfolgt.

Wenn das Filterelement 13 seine Füllkapazität erreicht hat, wird der Regeneriervorgang eingeleitet. Fig. 2 zeigt den Strömungsablauf in der Regenerierphase.

Mittels einer Drossel 20 in der Abgasleitung 10 wird der Zu­ gang der Abgase 15 in den Vorraum 16 gesperrt, um die Abgase über eine als Brenner ausgebildete Heißgaserzeugungseinrichtung 21 umzuleiten. Dazu ist ein Nebenka­ nal 22, 22′ vorgesehen, der vom motorseitigen Abgaskanal 10 abzweigt und in einen zweiten vom ersten 16 getrennten Vor­ raum 23 des Filtergehäuses 12 einmündet. Das Abgas 15 wird im Brenner aufgeheizt und als Heißgas 24 zur Regenerie­ rung der Filterelemente 13 verwendet. Das Heißgas 24 wird dafür über als gelochte Verteilerrohre 25′ ausgebildete Strö­ mungsteiler 25 geführt, die jeweils konzentrisch innerhalb der Filterkerzen 13 angeordnet sind. Die Verteilerrohre haben eine Vielzahl von auf den Rohrumfang und auf die innerhalb der Filterelemente 13 hineinragende Rohrlänge gleichmäßig verteilte Löcher 27.

Über einen als Verteilerrohr ausgebildeten Strömungsteiler 25 wird das Heißgas 24 in auf das zu­ gehörige Filterelement 13 verteilte sowie in den durch den Abstand 30 gebildeten Freiraum 31 eingeleitete Teilströme aufgeteilt und dadurch gezwungen, auch stärker beladene Fil­ terstellen zu durchströmen, so daß der Abbrand von festge­ haltenen Partikeln sich über das gesamte Filterelement 13 erstrecken kann. Das Heißgas 24 strömt dann ebenfalls wie die Abgase 18 über den Ausgangsraum 17 und den zweiten Ab­ gasrohrabschnitt 10′ ins Freie.

Es hat sich gezeigt, daß die Einführung des Strömungstei­ lers 25 eine gründlichere Regenerierung mit kürzerer Ab­ brandzeit ermöglicht. Damit wird gleichzeitig der Energie­ verbrauch für das Aufheizen des Abgases verringert. In Ver­ bindung mit der Umgehung des Strömungsteilers 25 durch die Ab­ gase über die sich an den Vorraum 16 anschließenden Freiräu­ me wird im Normalbetrieb somit die Häufigkeit der Regene­ rierphasen ebenfalls verringert. Bei der aufgezeigten Vor­ richtung ist im Normalbetrieb der Anteil der zum Heizaggregat der Heißgaserzeugungseinrichtung 21 rückströmende Abgase relativ gering.

Die Trennung der Abgas- und Heißgasströmungen sowie die Ein­ schaltung von Strömungsteilern läßt sich bei allen Filter­ element-Ausführungen verwirklichen. Bei umgekehrter Strö­ mungsrichtung der Abgase zum Beispiel werden rohrförmige Strömungsteiler außerhalb des jeweiligen Filterrohres vorgesehen. Bei Filterplatten könnten diese quer im Filter­ gehäuse angeordnet sein, wobei das Filtergehäuse in Strö­ mungsrichtung vor dem Filterelement zwei Kammern bildet, die voneinander durch eine Lochscheibe getrennt sind. Die Abgase vom Verbrennungsmotor würden dabei in die Kammer zwischen dem Filterelement und der Lochscheibe einströmen, während das Heißgas in die zweite Kammer hinter der Lochscheibe ein­ strömen würde.

Claims (5)

1. Partikelfilter für Abgase, mit einem von den Abgasen und von zu seiner Regenerierung erzeugten Heißgasen durch­ strömbaren Filterelement und mit einer der kanalisierten Gaszuführung in den Bereich des Filterorganes dienenden Zuleitung, an die sich ein Strömungsteiler anschließt, der mit einer Heißgaserzeugungseinrichtung (21) in Verbindung steht, der außerdem in Strömungsrichtung vor der Ein­ trittsfläche des Filterelementes angeordnet ist und der den Gasstrom in eine Vielzahl von in das Filterelement einleitbarer Teilströme aufteilende Durchlässe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Heißgaserzeu­ gungseinrichtung (21) und dem Strömungsteiler (25) ein Speisekanal (22′, 23) vorgesehen ist und daß die Durchläs­ se (27) des Strömungsteilers (25) mit solchem Abstand (30) vor der Eintrittsfläche des Filterelementes (13) angeord­ net sind, daß zwischen dem Strömungsteiler (25) und der Eintrittsfläche des Filterelementes ein Freiraum (31) ge­ bildet wird, der so bemessen ist, daß die durch die Durchlässe (27) des Strömungsteilers (25) bestimmte Zwangsführung der Heißgasteilströme sich beim Regenerie­ ren im wesentlichen im Filterelement (13) fortsetzt und daß die Abgase beim Filtern über den Freiraum (31) unter Umgehung des Strömungsteilers (25) zur Eintrittsfläche des Filterelementes (13) gelangen.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Abstand (30) zwischen Filterelement- Eintrittsfläche und Strömungsteiler (25) gegebene Raum (31) sich am zuströmseitigen Abschnitt (16) des Ab­ gaskanals (10) anschließt, der durch einen Vorraum im Filtergehäuse (12) gebildet und vom Speisekanal (22′, 23) für die Heißgaszuleitung getrennt ist.

3. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (13) aus mindestens einer hohlzylindrischen Filterkerze und der Strömungsteiler (25) aus mindestens einem ringsum viel­ fach gelochten Verteilerrohr besteht, das bzw. die je­ weils nach Strömungsrichtung innerhalb bzw. außerhalb der Filterkerze konzentrisch und mit Abstand dazu angeordnet ist bzw. sind.

4. Partikelfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerrohr des Strömungsteilers (25) von einem durch einen Vor­ raum (23) gebildeten Abschnitt des Heißgasspeisekana­ les (22′, 23) abzweigt, der über den anderen Teil (22′) der Heißgasspeiseleitung mit einem Heizaggregat der Heißgaserzeugungseinrichtung) (21) in Verbindung steht, das wiederum mit dem zuströmseitigen Abschnitt (10) des Abgaskanales (10, 10′) zur Heißgaser­ zeugung unter Verwendung von Abgasen verbindbar ist.

5. Partikelfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizaggregat der Heißgaserzeugungseinrichtung (21) ein Brenner ist.