DE3637331A1 - Vorrichtung zum beseitigen von russ aus den abgasen einer brennkraftmaschine, insbesondere dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beseitigen von Ruß aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, bestehend aus einem metallischen Ge­ häuse mit Zu- und Ableitungsstutzen für den Abgasstrom und einem im Gehäuse angeordneten Filtereinsatz, welcher ein nicht­ metallisches hochtemperaturfestes Filtermittel in Form eines auf einen Stützkörper aufgebrachten Wickelverbandes enthält, wobei der Filtereinsatz im Filtergehäuse eine Rohgaskammer von einer Reingaskammer abtrennt und eine elektrische Stromquelle zum gesteuerten Abbrennen des an dem Filtermittel abgelagerten Rußes Verwendung findet, und der Filtereinsatz hierfür mit einer ent­ sprechenden Elektrodenkonfiguration versehen ist, nach Patent (Anmeldung P 36 22 623.8).

Gemäß Hauptanmeldung P 36 22 623.8 kommen Oberflächenfilter zur Anwendung, die durch Bewickeln eines perforierten Rohrkörpers mit dichtem Quarzglas- oder Keramikfaserngewebe, welches einen orthogonalen Fasernverband aufweist, hergestellt werden. Dabei dienen zweispiralig aufgewickelte Drahtelektroden zur Fixierung des Gewebewickels sowie zur Einleitung der elektrischen Hilfs­ energie in die, an der angeströmten Wickeloberfläche abgeschiedene Rußschicht. Der Ruß dient dabei selbst als elektrischer Heiz­ leiter.

Die Herstellung derartiger Oberflächenfilter (insbesondere der Elektrodenkonfiguration) ist recht aufwendig. Zudem ergab sich eine noch nicht optimale Rußabscheidung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Ober­ flächenfilter der eingangs erwähnten Art einerseits eine weniger fertigungsaufwendige Ausführung der Elektrodenkonfiguration zu schaffen und andererseits soll sich ein sehr hoher Rußabscheide­ grad ergeben.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, daß der Stützkörper als die Elektrodenanordnung über­ nehmender Wickelkäfig ausgebildet ist und daß zur Bildung des Wickelverbandes unverdrillte Roving-fäden zur Anwendung kommen, die umfangsparallel, d. h. senkrecht zur Wickelkäfigachse, ge­ wickelt werden.

Durch die Erfindung übernimmt der Stützkörper zugleich die Elek­ trodenkonfiguration bzw. die Funktion eines Wickelkäfigs. Die eigentliche Filterwirkung wird durch Bewickeln des Stützkörpers mit unverdrillten Roding-fäden erreicht. Unter Roving-faden wird ein Faden aus mehreren Einzelfasern verstanden (z. B. enthält ein 4 mm breiter und 0,2 mm dicker Roving-faden ca. 4800 Einzel­ fasern mit je 9µ Durchmesser). Diese Roving-fäden (aus Quarzglas) werden extrem dicht (Windung neben Windung) gewickelt. Dabei er­ gibt sich in den parallel zu den Einzelfasern des Rovings aus­ gerichteten Kapillarspalten eine sehr hohe Rußabscheidung. Auch die elektrische Leitfähigkeit der gebildeten Rußschicht hat eine Vorzugsrichtung, nämlich in Ausbildungsrichtung der Kapillarspalte, also in Umfangsrichtung des Wickels. Da sie mit der Richtung des zwischen den Elektroden befindlichen elektrischen Feldes zu­ sammenfällt, hat dies den erwünschten Effekt, daß bereits kleinste Mengen abgeschiedenen Rußes fadenartig ausgebildete leitfähige Pfade bilden, die elektrisch aufgeheizt und demzu­ folge abgebrannt werden können. Die praktische Konsequenz ist, daß es bei ständig eingeschalteten Elektroden nur zu einer ganz geringen Druckabfallsteigerung des Filterwickels als Folge des Rußabscheidevorganges kommt (Rußdepot wird bereits im Ent­ stehungsstadium abgebrannt).

Ein weiterer Vorteil des Wickels ist sein Vermögen, elastische Nachgiebigkeit zwischen den Einzelfäden entwickeln zu können (in axialer Richtung des Wickels). Diese Eigenschaft ist z. B. dann willkommen, wenn sich Ascheteilchen im Filterwickel an­ sammeln. Der dann anwachsende Druckabfall im Wickel erhöht die Wahrscheinlichkeit eines druckbedingten Aufweitens von solchen (mit Asche gefüllten) Kapillarspalten, bei denen in der näheren Umgebung sich lokale Zonen größerer axialer Nachgiebigkeit ver­ bunden mit höherem radialen Durchströmungswiderstand befinden (statistisch ortsverteilte Mikroinhomogenitäten der axialen Ver­ teilung von "Nachgiebigkeit" und radialem Strömungswiderstand). Das Austragen von Ascheteilchen aus dem geweiteten Spalt ist damit in erwünschter Weise gegeben. Der nunmehr höhere Gasdurch­ satz des von Asche befreiten Spaltes läßt wiederum die Wahr­ scheinlichkeit steigen, daß dort mehr Ascheteilchen - ver­ glichen mit nicht aufgeweiteten Stellen - abgelegt werden. Eine Art selbstregelnder Prozeß also, der das Bestreben hat, eine ebenfalls erwünschte Homogenisierung der Verteilung des radialen Strömungswiderstandes aufrechtzuerhalten.

Für die konstruktive Ausbildung des Wickelstützkäfigs kommen zwei Möglichkeiten in Betracht. Einmal kann der Wickelkäfig aus mehreren, metallischen (den Umfang bildend) winkelver­ setzten Stehbolzen sowie winkelversetzten Rohrelementen gebildet sein, die mit einem Bodenelement und einen Eingangselement in Verbindung stehen. Es kann aber auch ein Keramikkäfig Verwen­ dung finden, welcher aus einem mit einen Bodenelement inte­ griertem Hohlzylinder und einer daran anschließenden ebenfalls integrierten, einen Teil des Eingangselementes bildenden, Flanschfläche besteht. Dabei weist der Hohlzylinder am Umfang über einen bestimmten Bereich (Wickelbereich) verlaufende Längs­ ausnehmungen auf, wodurch sich zwischen den Ausnehmungen ver­ bleibende stegartige Hohlzylinderwandungen ergeben. Die Ober­ flächen der wicklungtragenden Stege sind metallisiert und sind damit in der Lage, die Elektrodenfunktion zu übernehmen. Bei der erstbeschriebenen Ausbildung des Wickelkäfigs werden jeweils die Elektrodenfunktionen durch die Stehbolzen bzw. Rohrelemente in Verbindung mit Teilen des Bodenelementes bzw. Eingangselementes übernommen.

Um bei dieser Ausführung ein Reißen des Rovings aufgrund zu hoher Fadenzugspannung - als Folge unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der metallischen Teile des Boden- bzw. Eingangselementes gegenüber dem Roving - auszu­ schließen, weisen die Enden der Rohrelemente am Umfang mehrere, verschieden lang ausgebildete, Längsschlitzungen auf, wodurch sich eine radiale Federung ergibt. Bei der Keramikausführung tritt dieses Problem nicht auf, da Käfig und Filtermittel den gleichen Temperaturausdehungskoeffizientenaufweisen . Auch ist die Keramikausführung weniger aufwendiger bezüglich Fertigung (weniger Einzelteile).

Um sicherzugehen, daß kein gasdurchlässiger Spalt zwischen den Einzelwindungen des Roving-Wickelverbandes entsteht, ist einer zweilagigen Wicklung der Vorzug zu geben. Es könnte aber auch überlappend gewickelt werden. Vorteilhaft ist ferner, die Lagen­ zahl an den jeweiligen Enden des Filterwickels aus Dichtheits­ gründen zu erhöhen.

Nachstehend wird anhand der Zeichnung die Erfindung näher er­ läutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung einer Vorrichtung nach der Erfindung (ohne Filterwickel),

Fig. 2 den durch Stehbolzen und Rohrelemente gebildeten Wickelkäfig mit Wickelfilter gemäß der Fig. 1,

Fig. 3 ein Ende der jeweiligen Rohrelemente gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführung einer Vorrichtung nach der Erfindung, bei der ein Wickel­ käfig aus Keramik zur Anwendung kommt (ebenfalls dargestellt ohne Filterwickel).

Die Fig. 1 zeigt einen Rußfilter 1 mit einen Filtergehäuse 2, bestehend aus einem zylindrischen Blechmantel. Dieser ist auf der einen Stirnseite mit einer Kreisscheibe 2 a abgeschlossen, während die andere Stirnseite von einer Kreisringscheibe 2 b gebildet wird, die zugleich die Funktion des Befestigungs­ flansches für die Flanschfläche 3 a eines Eintrittsstutzens 3 übernimmt. Radial am Gehäusemantel 2 befindet sich ein Aus­ trittsstutzen 4.

Im Inneren des Filtergehäuses 2 liegt ein Filtereinsatz 5 vor. Durch diesen wird das Innere des Filtergehäuses 2 in eine Roh­ gaskammer 6 und eine Reingaskammer 7 unterteilt. Der Filterein­ satz 5 ist wie folgt aufgebaut: Drei um 120° winkelversetzt mit dem Flanschteil 3 a des Eintrittsstutzens 3 verschweißte Steh­ bolzen 8 stellen ein Traggerüst für ein Bodenelement 10 sowie ein Eingangselement 11 dar (Sandwichverband). Dabei besteht das Bodenelement 10 aus zwei zylindrischen metallischen Platten 15 und 16 sowie einer metallischen Kreisringscheibe 17, die eben­ falls mit den Stehbolzen 8 verschweißt ist. Zwischen diesen Teilen (15, 16, 17) sind jeweils isolierende Elemente (Scheibe 18 und Kreisringscheibe 19) aus Keramik- oder Glimmer-Phlogopit bzw. Textilstrukturen aus Keramik oder Quarzglas angeordnet.

Den Stehbolzen 8 jeweils diametral gegenüber (vergleiche Fig. 2) sind in Sacklöchern der inneren Platte 16 (des Bodenelementes 10) sowie in Sacklöchern einer Kreisringscheibe 20 des Eingangs­ elementes 11 Rohrelemente 9 (die also ebenfalls um 120° umfangs­ versetzt sind) vorgesehen. Diese Rohrelemente weisen an ihren Enden verschieden lang ausgebildete Längsschlitzungen 9 a auf (vergleiche Fig. 3).

Die äußere Platte 15 sowie die Kreisringscheibe 17 (des Boden­ elementes 10) übernehmen in Verbindung mit den Stehbolzen 8 die Funktion der Masseelektroden. Die spannungsführende Elektrodenfunktion wird durch die innere Platte 16 in Verbin­ dung mit den Rohrelementen 9 und der metallischen Kreisring­ scheibe 20 des Eingangselementes 11 übernommen.

Elektrisch isoliert wird die innere Platte 16 gegen die Steh­ bolzen 8 mit Hilfe von Isolierscheiben 22. Die Isolierung der Rohrelemente 9 gegenüber der Kreisringscheibe 17 erfolgt mit Isolierscheiben 23 und die Isolierung der Stehbolzen 8 gegen­ über der Kreisringscheibe 20 des Eingangselementes 11 erfolgt mit Isolierscheiben 24. Flanschseitig des Eintrittsstutzens 3 sorgt die elektrisch isolierende Kreisringscheibe 21 zur Isolierung der Kreisringscheibe 20 gegen Masse. Die erwähnten Isolierscheiben bzw. Isolierelemente haben auch jeweils ab­ dichtende Funktion (bzw. Zentrierfunktion). Hergestellt wird der Kraftschluß des Sandwichverbandes mittels Schraubverbin­ dung 24, wobei die Abstützung von der mit den Stehbolzen­ schäften verschweißten Kreisringscheibe 17 bereitgestellt wird.

Die eigentliche Filterwirkung wird durch Bewickeln des aus den Stehbolzen 8 und den Rohrelementen 9 gebildeten Käfigs erzielt. Dabei kommen, wie in der Fig. 2 dargestellt, unverdrillte Roving-fäden 27 zur Anwendung, die extrem dicht umfangsparallel, d. h. senkrecht zur Wickelkäfigachse x gewickelt werden. Um sicherzugehen, daß kein gasdurchlässiger Spalt zwischen den Einzelwindungen entsteht, ist einer zweilagigen Wicklung der Vorzug zu geben.

Alle metallischen Werkstoffe, insbesondere die Elektrodenfunktion zu übernehmen haben, sind aus zunder- und warmfestem Metall ge­ fertigt. Gleiches gilt auch für eine potentialführende Leitung 25, die über eine Isolierung 26 aus der Rohgaskammer 6 geführt ist.

Das rußbeladene Abgas (vergleiche Pfeile 28) strömt über den Eintrittsstutzen 3 in die Rohgaskammer 6 ein, durchströmt radial den Filterwickel 27 und verläßt, die Reingaskammer 7 passierend, über den Austrittsstutzen 4 gereinigt wieder das Filtergehäuse 2.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der als Stützkörper für das Filtermittel ein keramischer Wickelkäfig zur Anwendung kommt. Hierbei sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern wie in der Fig. 1 belegt.

Der keramische Formkörper besteht ebenfalls aus einem Boden­ element 10 a. Daran integriert ist ein Hohlzylinder 12, dem wiederum ein Eingangselement 11 a folgt. Der Hohlzylinder 12 weist am Umfang über einen bestimmten Bereich (Wickelbereich) verlaufende Längsausnehmungen 13 auf. Die zwischen den Aus­ nehmungen 13 gebildeten Hohlzylinderwandungen, als wicklungs­ tragende Stege 14 bezeichnet, sind an der Oberfläche metalli­ siert und sind damit in der Lage, die Elektrodenfunktion zu übernehmen (die notwendigen Zuleitungen und isolierenden Durchführungen sind der Übersicht halber weggelassen).

Ein Zentrierbolzen 30 übernimmt die bodenseitige Halterung des keramischen Wickelkäfigs. Dieser wird mit Hilfe einer Feder 31 aus hochwarmfestem Material mit seiner Flanschfläche 12 a (Teil des Eingangselementes 11 a) gegen eine warmfeste Weich­ stoffdichtung 29 gedrückt, die so geformt ist, daß sie zugleich eine radiale Abstützung der Flanschpartie 12 a gegen das Filter­ gehäuse 2 sicherstellt.

Abschließend ist noch folgendes zu erwähnen: Bei der jeweiligen Elektrodenanordnung ist darauf zu achten, daß jeder Elektrode eine Gegenpolarität der beiden unmittelbar benachbarten Elektroden gegenübersteht. Damit sind nur Elektrodenzahlen möglich, die ein geradzahliges Vielfaches der Zahl zwei betragen. Hinsichtlich der Gestaltung der Stromversorung wird auf die Hauptanmeldung P 36 22 623.8 bzw. auf die Zusatzanmeldung P 36 35 038.9 zu dieser verwiesen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Beseitigen von Ruß aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, bestehend aus einem metallischen Gehäuse mit Zu- und Ablei­ tungsstutzen für den Abgasstrom und einem im Gehäuse ange­ ordneten Filtereinsatz, welcher ein nichtmetallisches hoch­ temperaturfestes Filtermittel in Form eines auf einen Stütz­ körper aufgebrachten Wickelverbandes enthält, wobei der Filtereinsatz im Filtergehäuse eine Rohgaskammer von einer Reingaskammer abtrennt und eine elektrische Stromquelle zum gesteuerten Abbrennen des an dem Filtermittel abgelagerten Rußes Verwendung findet, und der Filtereinsatz hierfür mit einer entsprechenden Elektrodenkonfiguration versehen ist, nach Patent (Anmeldung P 36 22 623.8), dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper als die Elektrodenan­ ordnung übernehmender Wickelkäfig ausgebildet ist und daß zur Bildung des Wickelverbandes unverdrillte Roving-fäden (27) zur Anwendung kommen, die umfangsparallel, d. h. senkrecht zur Wickelkäfigachse (x), gewickelt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkäfig aus mehreren, metallischen, den Umfang bildend, winkelversetzten Stehbolzen (8) sowie winkelversetzten Rohr­ elementen (9) gebildet ist, die mit einem Bodenelement (10) und einem Eingangselement (11) in Verbindung stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer Wickelkäfig zur Anwendung kommt, welcher aus einem mit einem Bodenelement (10 a) integriertem Hohlzy­ linder (12) und einer daran anschließenden ebenfalls inte­ grierten, einen Teil des Eingangselementes (11 a) bildenden, Flanschfläche (12 a) besteht, wobei der Hohlzylinder (12) am Umfang über einen bestimmten Bereich (Wickelbereich) ver­ laufende Längsausnehmungen (13) aufweist, und die zwischen den Ausnehmungen (13) verbleibenden stegartigen Hohlzylinder­ wandungen (14) äußerlich metallisiert sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bodenelement (10) aus zwei zylindrischen metallischen Platten (15, 16) sowie einer metallischen Kreis­ ringscheibe (17) besteht, zwischen denen jeweils isolierende Elemente (18, 19) angeordnet sind, wobei die äußere Platte (15) und die Kreisringscheibe (17) in Verbindung mit den Stehbolzen (8) die Funktion der Masseelektroden und die innere Platte (16) in Verbindung nit den Rohrelementen (9) und einer metallischen, gegen Masse isolierten, Kreisringscheibe (20) des Eingangselementes (11) die spannungsführende Elektroden­ funktion übernehmen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die metallisierten stegartigen Umfangswandungen (14) des keramischen Wickelkäfigs abwechselnd Masseelektroden- bzw. Spannungselektrodenfunktion übernehmen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Enden der Rohrelemente (9) am Umfang mehrere, verschieden lang ausgebildete, Längsschlitzungen (9 a) auf­ weisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelverband aus einer zweilagigen Wicklung besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterwickel an seinen Enden durch mehrlagiges Wickeln radial verstärkt ist.