DE3806324A1 - Russabbrennfilter fuer dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rußabbrennfilter für Diesel­ motoren, bestehend aus einem porösen, keramischen Filter­ material mit dieses durchziehenden Gaskanälen.

Filter der genannten Art zur Absonderung von festen Ver­ brennungsrückständen, wie Rußpartikeln, aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine sind allgemein bekannt (vgl. Automobil Revue Jg. 82, Nr. 44 vom 29.10.1987, Seite 41 ff). Es handelt sich dabei üblicherweise um monolithische Filter­ blöcke aus gasdurchlässigem, porösen Keramikmaterial, wie z.B. Cordierit. Dieser Keramikkörper wird in seiner Längs­ richtung von geraden, parallel zueinander verlaufenden Kanälen durchzogen. Ein Teil dieser Kanäle ist nur zur Motorseite hin offen, während der andere Teil nur Öffnun­ gen zur Auspuffseite hin aufweist. Die Anordnung dieser zwei genannten Abgaskanalarten ist dabei so gewählt, daß immer Kanäle verschiedener Art benachbart sind. Die die motorseitigen Kanäle durchströmenden, rußhaltigen Abgase treten durch die porösen Kanalwände in die benachbarten auspuffseitigen Kanäle unter Ablagerung der Rußpartikel über und verlassen über diese Kanäle das Filtersystem in Richtung zum Auspuff. Ein längerer Betrieb bei niedrigen Drehzahlen und dementsprechend niedrigen Abgastemperaturen verstopft das Filter durch die Rußpartikel in immer stärkerem Maße, ohne daß eine Regenerierung des Filters durch Oxidation der Rußpartikel dabei möglich ist. Dies hat einen höheren Abgasgegendruck zur Folge, der insbe­ sondere die Starteigenschaften und das Motorverhalten in der Warmlaufphase beeinträchtigt. Ein hoher Abgasgegen­ druck verschlechtert außerdem das Ansprechverhalten eines eventuell eingesetzten Abgasturboladers.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rußabbrennfilter zu schaffen, das auch bei hoher Rußkonzentration bei einem möglichst geringen Abgasgegendruck ein Abbrennen des Rußes ohne zusätzliche Einrichtungen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Ein an sich bekannter keramischer Filterkörper ist derart ausgestaltet, daß Abgaskanäle ihn mäanderförmig durchgehend von der motorseitigen Zuströmöffnung bis zur auspuffsei­ tigen Ausströmöffnung durchziehen. An den Außenbögen der mäanderförmigen Windungen verzweigen sich diese Abgaskanäle in jeweils sich in Längsrichtung zur Abströmseite des Fil­ ters hin erstreckende Blindkanäle. An den Außenbögen der Abgaskanalwindungen werden feste Bestandteile, wie Rußpar­ tikel, infolge ihrer Masse wegen der von ihnen beschrie­ benen Kurvenbahn aus dem Abgasstrom abgeschieden und ge­ langen aufgrund der Fliehkräfte in die Blindkanäle, in denen sie gesammelt werden. Sobald eine für eine Oxidation der Rußpartikel erforderliche Abgastemperatur erreicht wird, entzünden sich die Rußpartikel in den Blindkanälen. Benachbart zu den Blindkanälen, z.B. gerade gestreckt und parallel zu ihnen verlaufend, sind Abfuhrkanäle im Filter vorgesehen. Das bei der Oxidation der Rußpartikel in den Blindkanälen entstehende Restgas gelangt durch die poröse Trennwand in die an der Abströmseite offenen Abfuhrkanäle. Auf diese Weise treten an der Abströmseite des Filters einerseits das durch die mäanderförmigen Abgaskanäle strömende Abgas und andererseits das bei der Oxidation der Rußpartikel in den Blindkanälen entstandene durch die Abfuhrkanäle trans­ portierte Restgas aus.

Um die Oxidation der Rußpartikel trotz der bei Dieselmotoren niedrigen Abgastemperaturen zu fördern, kann auf die Ober­ fläche der Blindkanäle vorzugsweise eine katalytische Beschichtung aufgebracht werden.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß wegen der durchgehenden Abgaskanäle auch bei hoher Rußbelastung des Filters ein niedriger Abgasgegendruck erzielt werden kann. Niedrige Abgasgegendrücke sind aber für ein einwand­ freies Startverhalten und Betriebsverhalten während der Warmlaufphase erforderlich. Außerdem begünstigen niedrige Abgasgegendrücke das Ansprechverhalten von eventuell verwen­ deten Abgasturboladern, die auf Gegendrücke empfindlich reagieren.

Um einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine ausreichen­ den Gesamtströmungsquerschnitt der Kanäle im Filter zu er­ halten, müssen die vorstehend beschriebenen Kanalanord­ nungen in entsprechender Anzahl neben- und übereinander angeordnet werden.

Eine Möglichkeit ein solches Filter auszuführen, besteht darin, es aus mehreren Filterelementen aufzubauen. Ein Filterelement umfaßt dabei die Anordnung mehrerer Abgas­ kanäle mit den zugeordneten Blind- und Abfuhrkanälen in einer Ebene nebeneinander. Das gesamte Filter besteht so­ mit aus einer Schichtung solcher einzelnen Filterelemente, die durch Deckplatten voneinander getrennt werden. Die Ver­ bindung der Filterelemente und Deckplatten zu einem fer­ tigen Filter kann z.B. durch Sintern erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an­ hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Filter­ element,

Fig. 2 den Aufbau eines Filters aus den ein­ zelnen Filterelementen.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch ein Filterelement 1 zu sehen. Ein solches Filterelement 1 besteht aus porösem keramischem Filtermaterial 2, das von mäanderförmigen Abgaskanälen 3 von der Zuströmseite zur Abströmseite durchzogen wird. An den Außenbögen der Abgaskanäle 3 zweigen jeweils Blindkanäle 4 ab, die mit einer katalytischen Beschichtung zur Senkung der Zünd­ temperatur von Rußpartikeln versehen sein können. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Blindkanäle 4 in Längsrichtung des Filterelementes 1 an­ geordnet und parallel zu ihnen verlaufen die nur zur Ab­ strömseite hin offenen Abfuhrkanäle 5. Selbstverständlich sind auch noch andere Verläufe für diese Kanäle vorstellbar, dabei sollten jedoch Blindkanäle 4 und Abfuhrkanäle 5 vor­ zugsweise äquidistant über einen möglichst großen Bereich verlaufen. Von einer Brennkraftmaschine kommendes, feste Verbrennungsrückstände, wie z.B. Rußpartikel, enthaltendes Abgas 6 strömt durch die Abgaskanäle 3. Die Rußpartikel im Abgas durchströmen mit diesem die Windungen der Abgas­ kanäle 3. Dabei müssen sie eine Kurvenbahn beschreiben. Infolge ihrer gegenüber dem Gas größeren Masse gelangen sie aufgrund von Fliehkräften in die von den Außenbögen der Abgaskanäle 3 abzweigenden Blindkanäle 4 und werden dort gesammelt. Auf diese Weise bleiben die Abgaskanäle 3 weit­ gehend frei von festen Verbrennungsrückständen und können daher auch keinen durch Verstopfen verursachten erhöhten Abgasgegendruck aufbauen.

Durch eine katalytische Beschichtung der Blindkanäle 4 entzünden sich die dort gesammelten Rußpartikel schon bei niedrigeren Temperaturen, als dies ohne Katalysator der Fall wäre. Dies ist vor allen Dingen wichtig bei Diesel­ motoren, da eine Entzündung der Rußpartikel wegen der niedrigen Abgastemperaturen von Dieselmotoren nicht ohne äußere Einflußnahme möglich ist. Hat eine Zündung einmal stattgefunden, so wird der Oxidationsvorgang weiter auf­ rechterhalten durch die bei der Verbrennung der Rußpartikel freiwerdende Energie. Die bei der Oxidation entstehenden Restgase 8 gelangen durch die zwischen Blindkanälen 4 und Abfuhrkanälen 5 liegende, aus dem porösen Filtermaterial 2 bestehende, Trennwand in die Abfuhrkanäle 5 und verlassen durch diese das Filter. Die durch die Abgaskanäle 3 strömen­ den Gase verlassen auf der Abströmseite das Filter als von festen Verbrennungsrückständen gereinigtes Abgas 7.

Die Fig. 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines solchen Filters aus einzelnen Filterelementen 1. Ein einzelnes solches Filterelement 1 besteht aus einer Platte von po­ rösem keramischem Filtermaterial 2. In diese Platte ist eine Anzahl von nebeneinander liegenden Abgaskanälen 3, in dieser Figur nicht sichtbaren Blindkanälen 4 und Abfuhr­ kanälen 5 eingebracht. Diese Kanäle können schon bei einer gießtechnischen Herstellung der einzelnen Filterelemente 1 eingebracht werden, oder auch erst durch nachträgliches Ein­ fräsen in das Filterelement 1 hergestellt werden.

Zur Erzielung eines ausreichenden Gesamtströmungsquer­ schnitts für das Rußfilter wird eine entsprechende Anzahl von einzelnen Filterelementen 1 übereinander angeordnet. Dabei erfolgt jeweils eine Trennung der einzelnen Filter­ elemente voneinander durch Einbringen von Deckplatten 9. Die Verbindung aller Filterelemente 1 und Deckplatten 9 zu einem fertigen Filter kann dann z.B. durch Sintern erfolgen.

Claims (7)

1. Rußabbrennfilter für Dieselmotoren, bestehend aus einem porösen, keramischen Filtermaterial mit dieses durch­ ziehenden Gaskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß Abgaskanäle (3) das Filter mäanderförmig von der Zu­ strömseite zur Abströmseite durchziehen, diese Abgaskanäle (3) an ihren Außenbögen abzweigende Blindkanäle (4) auf­ weisen und diesen Blindkanälen (4) benachbarte zur Abström­ seite hin offene Abfuhrkanäle (5) zugeordnet sind.

2. Rußabbrennfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindkanäle (4) sich in Richtung zur Abströmseite hin erstrecken.

3. Rußabbrennfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfuhrkanäle (5) parallel zu den Blindkanälen (4) verlaufen.

4. Rußabbrennfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindkanäle (4) mit einer katalytischen Beschich­ tung versehen sind.

5. Rußabbrennfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus einzelnen Filterelementen (1) besteht, die schichtweise übereinander angeordnet sind.

6. Rußabbrennfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (1) durch Deckplatten (9) voneinander getrennt sind.

7. Rußabbrennfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (1) und ihre Deckplatten (9) durch Sintern verbunden sind.