DE3801634C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filter- und Nachver­ brennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brenn­ kraftmaschinen, bei der zwischen einem Eintrittstrichter und einem Austrittstrichter innerhalb eines Gehäuses mehrere Lagen von radial durchströmbaren zylindrischen Filter­ elementen von kreisring- oder ovalringförmigem Querschnitt mit radialem Abstand äquidistant ineinander unter Bildung von Eintritts- und Austrittsräumen ähnlicher Form angeord­ net sind, wobei jedes Filterelement einen gasdurchlässigen Filterkörper aus Drahtgestrick, Keramikfasern oder einer Kombination beider umfaßt, der beidseits durch einen gas­ durchlässigen metallischen Mantel eingefaßt ist, wobei die Filterkörper unter Verwendung von Abstandselementen zu einem spiraligen Wickelkörper mit einem spiraligen Einlaß­ kanal und Auslaßkanal aufgewickelt sind, die jeweils auf der Gegenseite verschlossen sind und wobei die als gelochte Metallbänder oder Metallgestrickbänder ausgebildeten Einfassungs- Mäntel mit einer katalytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe versehen sind.

Bei einer in der DE-OS 32 28 325 beschriebenen Filter- und Nachverbrennungseinrichtung werden konzentrische, ineinan­ dergestellte Filterelemente verwendet, wobei die Zwischenkanäle durch Blechringe in Austrittskanäle für den innenliegenden und einen Gaseintrittskanal für den außen­ liegenden Filter-Ringkörper unterteilt sind. Dies erfordert einen sehr hohen fertigungstechnischen Aufwand, so daß der­ artige Filter außerordentlich teuer sind. Hinzu kommt noch, daß durch die in dieser Offenlegungsschrift beschriebene katalytische Beschichtung nicht nur des Filtermaterials, sondern ggfs. auch des inneren Einfassungsmantels oder von zusätzlichem in die Gaseintrittskanäle eingebrachtem beschichtetem Material eine voll befriedigende Nachverbrennung und Filterung nicht erreicht werden kann.

Bei einer aus der DE-OS 29 51 316 bekannt gewordenen Anordnung der eingangs genannten Art ist anstelle des Ineinander­ stellens konzentrischer Teile vorgesehen, daß die gesamte Anordnung gewickelt wird, was die relativ komplizierte Vorfertigung der konzentrisch umeinander anzuordnenden Teile vermeidet. Die dabei vorgesehene Art des Wickelns und der Abdichtung der Kanäle abwechselnd an der Innen- und Außenseite ist jedoch mit einem vernünftigen Fertigungsauf­ wand nicht realisierbar. Bei der Fertigung des Wickels treten unweigerlich solche Toleranzen auf, daß das nachträgliche abwechselnde Verschließen der Kanäle durch aufzubringende Stopfen nicht sinnvoll möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Filter- und Nachverbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine einfache Fertigung in einem Wickelvorgang möglich ist, bei der mit dem Wickeln auch die Abdichtstreifen mit eingebracht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Filterkörper aus einer 8-fach-Schichtfolge aus zwei Filtermatten und vier Metallbändern sowie den zugehörigen Abstandselementen und Abdichtstreifen gewickelt ist, wobei die Abdichtstreifen durch die umgeschlagenen Ränder der Filtermatten gebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich - trotz der auf den ersten Blick kompliziert erscheinenden 8-fach- Schichtfolge - eine sehr einfach zu wickelnde Vorrichtung, die vor allem den entscheidenden Vorteil hat, daß beim Wickel­ vorgang auch die Abdichtstreifen gleich mit eingearbeitet bzw. gebildet werden, so daß ein nachträgliches Ver­ schließen der Kanäle auf der Eintritts- und Austrittsseite, wie sie bei der Offenlegungsschrift 29 51 316 notwendig ist, entfallen kann. Neben bzw. anstelle der bevorzugten Bildung der Abdichtstreifen durch die umgeschlagenen Ränder der Filtermatten könnten aber auch randseitige Abwinklungen oder Umbördelungen der die Filter umfassenden Metallbänder vorgesehen sein.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergeben sich neben der im Verhältnis zu beiden eingangs genannten Druckschriften vereinfachten Wickelfertigung eine verbesserte Funktions­ weise durch die Beschichtung beider Einfassungsmäntel der eigentlichen Filterkörper mit einer katalytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe im Abgas. Durch diese wird nämlich erreicht, daß die Metallbänder wesentlich stärker erhitzt werden als der Abgasstrom selbst. Das Filtermaterial mit dem darauf abgeschiedenen Ruß oder anderen Feststoffteilchen liegt dann zwischen zwei heißen Metallbändern, wodurch der Abbrand des Rußes, bzw. der Feststoffteilchen, gefördert werden kann. Daß darüber hinaus auch ein gesonderter Katalysator zur Förderung des Rußabbrandes noch zusätzlich auf dem Filtermaterial vorge­ sehen sein kann, versteht sich von selbst. Mit dieser speziellen selektiven Erhitzung der Einfassungsmäntel der Filterkörper geht die Erfindung einen ganz anderen Weg als die eingangs angesprochene Offenlegungsschrift 32 28 325, bei der zum einen nur einer der Mängel ggfs. katalytisch be­ schichtet ist und darüber hinaus ja auch als vorteilhafte Lösung vorgesehen ist, daß man den ganzen Einlaßraum zusätzlich mit einem porösen Gemenge füllt, welches katalytisch beschichtet ist. Auf diese Art und Weise wird aber dann gerade nicht erreicht, daß selektiv nur die Einfassungs­ bänder stark erhitzt werden, und zwar um bis zu mehrere hundert Grad über die Temperatur des Abgases selbst, um auf diese Weise einen selektiven Abbrand der Feststoff­ teilchen auf den Filterkörpern zu erreichen und damit eine kontinuierliche Selbstreinigung zu erhalten. Durch die erfindungsgemäße Förderung des Rußabbrandes durch die selektiv stärker gegenüber dem Abgasstrom erhitzten Einfassungs­ mäntel der Filterkörper kann die Temperatur des Abgases niedriggehalten werden, so daß praktisch keine Stickoxide gebildet werden, die ja erst bei hohen Abgastemperaturen, dann aber unvermeidlich, entstehen. Gleichwohl erreicht man eine äußerst wirksame Oxidation beispielsweise von Kohlen­ monoxid oder Kohlenwasserstoffen, die noch im Abgas vorhanden sind, d. h. eine wirksame Nachverbrennung gasförmiger Schadstoffe.

Die Reaktionswärme aus dieser Nachverbrennung der gas­ förmigen Schadstoffe dient dann zur selektiven Erhitzung der Einfassungsbänder und damit zur Förderung des Abbrandes der im Filter sich ansammelnden festen Schadstoffe, also vor­ zugsweise Ruß.

Die Abstandselemente, die die von den Einfassungsmänteln eingefaßten Filterbahnen beim Aufwickeln auf Abstand von­ einander halten, so daß sich die bereits angesprochenen Gasein- und -austrittskanäle bilden können, können entweder Wellbänder sein, die als Zwischenlagen mit aufgewickelt werden. Darüber hinaus hat es sich aber auch als vorteil­ haft erwiesen, die Abstandselemente als Auf- oder Durchzüge der die Filter einfassenden Metallbänder selbst auszubilden, so daß gesonderte Bauteile, wie die bereits genannten Wellbänder, überhaupt nicht mehr erforderlich sind. Durch entsprechende Ausbildung der Auf- oder Durchzüge, beispielsweise in Form von Längsrippen, welche die Zwischen­ kanäle unterbrechen, kann dabei auch erreicht werden, daß der Abgasstrom nicht von einem Eintrittsringraum unter Durchsetzung einer Filterlage in den benachbarten Ring als Austrittskanal geleitet wird, sondern mehrfach mäander­ förmig umgelenkt eine Vielzahl von Filterlagen durchsetzt. Dadurch kann der Filter gleichmäßiger ausgenutzt werden und damit seine Wirksamkeit erhöht werden.

Bei Ausbildung der Einfassungsmäntel als Metallbänder hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, sie in einer Stärke zwischen etwa 0,03 und 1 mm auszubilden.

Neben der katalytischen Beschichtung der Einfassungsmäntel der Filterelemente mit einer Oxidations- oder 3-Wege- Beschichtung sowie der katalytischen Beschichtung ggfs. des Filtermaterials selbst mit einem den Festkörperabbrand fördernden anderen Filtermaterial können ggfs. auch der Diffusor und die Ein- und Auslaßtrichter des den Wickelkörper aufnehmenden Metallgehäuses mit speziellen Katalysatoren beschichtet sein. Die Filterelemente selbst aus Drahtge­ strick oder Keramikfasern können dabei nicht nur voll­ ständig aus dem einen oder anderen Material, sondern ggfs. auch aus einem Mischgestrick sowie ggfs. in Form eines Vlieses, Gewebes, Blankets oder Filzes ausgebildet sein. Bei der Verwendung eines Mischgestricks kann gegebenenfalls auf die Lochfolien verzichtet werden.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß die Gaseintritts- und -austrittskanäle zwischen den mit Einfassungsmänteln versehenen Filterlagen unterschiedliche Dicken aufweisen, was sehr einfach durch Verwendung unter­ schiedlich starker Abstandhalter erreicht werden kann. Dabei kann ggfs. sogar vorgesehen sein, daß der Abstand von der Abgaseintrittsstirnfläche zur -austrittsstirnfläche des Wickelkörpers sich ändert, um auf diese Art und Weise eine gleichmäßigere Durchsetzung des Filtermaterials erreichen zu können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Filter- und Nachverbrennungseinrichtung, bei der im unteren Teil verschiedene Varianten der Abdichtstreifen gegenüber der oben dargestellten Umbördelung der Filtermatten angedeutet sind,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wickelkörper der Filter- und Nachverbrennungseinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Teilschnitt durch einen abgewandelten Filterkörper mit anderer Aus­ bildung der Abdichtstreifen und der Abstands­ elemente, und

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Schicht­ folge zur Wickelfertigung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Filterkörpers.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Filter- und Nachverbrennungseinrichtung umfaßt ein metallisches Außengehäuse 1, welches im dargestellten Ausführungs­ beispiel (in Fig. 1 oben angedeutet) einen Außenmantel 2 und einen Innenmantel 3 umfaßt, die durch Keramikfa­ sermatten 4, vorzugsweise in Form sog. Quellmatten, gegeneinander isoliert sind. Die Querschnittsform des zylindrischen Mittelabschnitts zwischen dem Eingangs­ trichter 5 und dem Auslaßtrichter 6 kann dabei kreis­ förmig, oval oder auch ggfs. mehreckig sein. Die Form läßt sich dabei sehr günstig durch entsprechende Wahl der Querschnittsform des hohlen Wickeldorns 7 vorge­ ben, der auf seiner Einlaßseite einen Diffusor 8 in Form eines Lochkegels aus Metall oder ggfs. auch Kera­ mik trägt, während er ausgangsseitig an eine Leitung 9 an eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff und/oder Sauerstoff angeschlossen ist, der dem Abgasstrom 10 entgegengesetzt im Eingangsraum der Filtervorrichtung eingebracht wird, um ggfs. die Nachverbrennung günstig zu beeinflussen.

Der eigentliche Filter besteht aus einem spiralig aufgewickelten Wickelkörper 11, in welchem Filtermat­ ten 12, die beidseits durch gelochte Metallbänder 13 und 14 eingefaßt sind, mit Hilfe von Abstandselementen aufgewickelt sind, die im Falle der Fig. 1 und 2 als Wellbänder 15 ausgebildet sind. Die die Wellbänder 15 aufnehmenden Kanäle sind an der Einlaß- und Auslaß­ seite abwechselnd verschlossen, so daß sich ein im Querschnitt spiraliger Gaseintrittskanal 16 und durch die Filterlagen 12 mit ihrer Metallbändereinfassung 13, 14 getrennter spiraliger Auslaßkanal 17 ergeben. Die Abdichtung ist im Falle der Fig. 1, obere Hälfte dadurch gebildet, daß die Ränder 18 und 19 der Filter­ matten 12 umgeschlagen und auf der Außenseite des jeweiligen Metallblechs 13, 14 befestigt sind. In der unteren Hälfte der Fig. 1 sind zwei andere Varianten angedeutet, nämlich einmal eine Abwinklung der nicht gelochten Ränder 20 und 21 der Metallbänder 13, 14, die ggfs. durch ein Teil 22 zusammengehalten sein können. Darüber hinaus ist auch noch eine weitere Möglichkeit einfacher umgelegter aufeinanderliegender Ränder 20′ und 21′ zur Bildung der Abdichtung der Gaseintritts- bzw. -austrittskanäle angedeutet.

Zwischen den Gaseintrittskanälen 16 und Gasaustrittskanälen 17 können auch Abstandsstege 23 vorgesehen sein, die entweder auf die Metallbänder 13, 14 in Längsrichtung aufgelegt oder aber direkt durch Verformung in diese eingeformt sein können. Durch diese Stege 23 werden nicht nur die Filterlagen auf Abstand gehalten - der besseren Über­ sichtlichkeit halber sind die Metallbänder 13, 14 in Fig. 3 nicht im einzelnen eingezeichnet - sondern man erreicht auf diese Weise eine zwangsweise mäanderförmige Durchset­ zung der Filtermatten, mit deren Hilfe eine gleichmäßi­ gere Auslastung und damit eine bessere Ausnutzung der Wirksamkeit des Filters erreicht werden kann.

Anstelle der Wellbänder oder der Stege 23 können auch Auf- oder Durchzüge der Metallbänder in Form von Nop­ pen oder Domen vorgesehen sein, um als Abstandshalter zu dienen.

In Fig. 4 ist eine 8fach-Schichtfolge von Bändern dargestellt, mit deren Hilfe der in Fig. 1 oben bzw. Fig. 2 gezeigte Filterkörper gewickelt werden kann.

Claims (8)

1. Filter- und Nachverbrennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei der zwischen einem Eintrittstrichter und einem Aus­ trittstrichter innerhalb eines Gehäuses mehrere Lagen von radial durchströmbaren zylindrischen Filterele­ menten von kreisring- oder ovalringförmigem Quer­ schnitt mit radialem Abstand äquidistant ineinander unter Bildung von Eintritts- und Austrittsräumen ähn­ licher Form angeordnet sind, wobei jedes Filterele­ ment einen gasdurchlässigen Filterkörper aus Drahtge­ strick, Keramikfasern oder einer Kombination beider umfaßt, der beidseits durch einen gasdurchlässigen metallischen Mantel eingefaßt ist, wobei die Filter­ körper unter Verwendung von Abstandselementen zu einem spiraligen Wickelkörper mit einem spiraligen Ein­ laßkanal und Auslaßkanal aufgewickelt sind, die jeweils auf der Gegenseite verschlossen sind und wobei die als gelochte Metallbänder oder Metallgestrickbänder ausgebildeten Einfassungs-Mäntel mit einer kata­ lytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper aus einer 8-fach-Schichtfolge aus zwei Filtermatten (12) und vier Metallbändern (13, 14) sowie den zugehörigen Abstandselementen und Abdichtstreifen gewickelt ist, wobei die Abdicht­ streifen durch die umgeschlagenen Ränder (18, 19) der Filtermatten (12) gebildet sind.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtstreifen durch rand­ seitige Abwicklungen oder Umbördelungen (20, 21; 20′, 21′) der Metallbänder (13, 14) gebildet sind.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente Auf- oder Durchzüge der Metallbänder (13, 14) sind.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, Größe und Form der Aufzüge in den Metallbändern (13, 14) so gewählt ist, daß sie den Abgasstrom radial und axial derart leiten, daß eine gleichmäßige Filterbeladung gewährleistet wird.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente Wellbänder (15) sind.

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Metallbänder (13, 14) zwischen 0,03 und 1,0 mm liegt.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Beschichtungen des Konverter-Einlaßringkanals (16) und/oder des Konverter-Auslaßringkanals (17) Oxidationsbeschichtungen sind.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Beschichtungen des Konverter-Auslaßringkanals (17) 3-Wege-Beschichtungen sind.