DE3935095C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen im Abgasstrom einer Brenn­ kraftmaschine angeordneten Partikelabscheider gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 8 31 177 ist ein Partikelabscheider nach dem Gattungsbegriff bekannt, bei dem im Abgas einer Brennkraft­ maschine vorhandene Partikel nach dem Zyklonprinzip aus dem Abgas ausgeschieden und gesammelt werden. Zu diesem Zweck wird der Rohabgasstrom in ein Gehäuse eingeleitet, welches ein zu ihm konzentrisches Innenrohr trägt. Das Innenrohr ist an seiner einen Seite zum Innenvolumen des Gehäuses hin geöffnet und an seiner anderen Seite zu einem Auspuff hin. Zwischen Innenrohr und Gehäuse ist eine auf dem Innenrohr verlaufende Schraubenfläche angeordnet, durch welche der am oberen Gehäuseende eingeleitete Roh­ abgasstrom in einer schraubenförmigen Drehbewegung entlang des Innenrohres nach unten strömt. Am unteren Ende des Innenrohres, an dem die Schraubenfläche ebenfalls endet, gelangt der Abgasstrom auf eine Prallfläche. Die durch die Drallbewegung des Abgasstroms nach außen zur Gehäusewand gelangten Partikel fallen nach unten und treten durch in der Prallfläche angeordnete Schlitze in ein Sammelvolumen aus. Das von den durch Zentrifugalkraft ausgeschiedenen Partikeln gereinigte Abgas wird an der Prallfläche umge­ lenkt und gelangt in das Innenrohr, durch welches es das Gehäuse verläßt und zu einem Auspuff gelangt.

Von Nachteil bei diesem bekannten Partikelabscheider ist, daß die gesamte Abgasmenge, unabhängig davon, welche Par­ tikelmenge durch Fliehkraft schon abgeschieden ist, ent­ lang der gesamten Schraubenfläche strömen muß und erst nach Erreichen des Endes der Schraubenfläche auf die Prallfläche auftrifft und in das Innere des Innenrohres umgelenkt wird. Durch den langen Weg des Abgasstromes im Partikelabscheider wird die Abgasströmung behindert und der Strömungswiderstand steigt. Außerdem tritt ein Teil des Abgasstromes zusammen mit den abgeschiedenen Partikeln durch die Schlitze der Prallfläche in den Sammelraum und verläßt denselben wieder durch diese Schlitze. Auch durch diese Tatsache steigt der Strömungswiderstand im Parti­ kelabscheider an.

In der DE-PS 8 02 205 ist zwar schon ein Schalldämpfer be­ schrieben, welcher zur Aufgabe hat, feste Bestandteile aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine auszusondern, doch müssen bei dieser Vorrichtung die Abgase durch aufwendige Umlenkeinrichtungen mehrfach umgelenkt werden, bis sie die Vorrichtung zur Auspuffseite hin verlassen. Dieses Umlenken des Abgasstromes vergrößert jedoch den Strömungswiderstand für das Abgas in unerwünschter Weise.

Das DE-GM 86 00 167 zeigt einen Rußfilter für Dieselmotoren mit einem konzentrisch im Gehäuse angeordneten, zur Auspuffseite hin offenen Innenrohr zur Abfuhr von gereinigtem Abgas aus der Vorrichtung. Das Innenrohr trägt dabei an seiner Oberfläche ein gasdurchlässiges, aber rußfilterndes Gewebe. Eine solche Filterschicht erhöht jedoch zwangsläufig den Strömungswiderstand der Filtervorrichtung. Dies trifft in gleicher Weise auch für den im DE-GM 73 13 618 beschriebenen Filter zu.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Partikelab­ scheider der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß bei gutem Abscheidungsgrad der Strömungswiderstand des Abscheiders gering gehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Haupt- bzw. Nebenanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Das konzentrisch im Gehäuse eines Partikelabscheiders verlaufende Innenrohr, welches an seiner einen Seite ab­ geschlossen ist und an seiner anderen Seite zu einem Aus­ puff hin offen ist, weist über seine Oberfläche verteilte Durchtrittsbohrungen für den Abgasstrom auf, der an einem Ende in das Gehäuse eintritt. Zwischen Innenrohr und Ge­ häusewandung ist eine wendelförmige Leiteinrichtung vor­ gesehen, die den Rohabgasstrom in eine schraubenförmige Drehbewegung versetzt. Durch die dabei entstehende Zen­ trifugalkraft werden im Rohabgasstrom enthaltene Partikel in Richtung auf die Gehäusewandung beschleunigt, während die leichteren gasförmigen Bestandteile des Abgases an der Oberfläche des Innenrohres entlang geführt werden. Dieser von Partikeln derart gereinigte Teil des Abgases kann durch die in der Oberfläche des Innenrohres angeordneten Durchtrittsbohrungen in das Innere desselben eintreten und zu einem Auspuff hin abströmen. Die abgeschiedenen Parti­ kel werden gesammelt und treten über eine Öffnung aus dem Gehäuse aus. Dadurch, daß das von Partikeln gereinigte Abgas im Bereich der Oberfläche des Innenrohres durch die Durchtrittsbohrungen direkt zum Auspuff gelangt und nicht erst den gesamten Partikelabscheider durchströmen muß, wird der Strömungswiderstand des Partikelabscheiders ge­ senkt. Der Durchtritt der gereinigten Abgase durch diese Durchtrittsbohrungen wird durch den sich in Abgasströmungsrichtung verringernden Strömungsquerschnitt zwischen Innenrohr und Gehäuse und den damit in Strö­ mungsrichtung ansteigenden Strömungswiderstand erzwungen.

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

Fig. 1 teilweise geschnitten einen erfindungsgemäßen Partikelabscheider,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelabscheiders,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Par­ tikelabscheider,

Fig. 4 vergrößert die Draufsicht auf eine spezielle Ausführungsform einer der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Durchtrittsbohrungen,

Fig. 5 einen Schnitt durch diese Durchtrittsbohrung gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 teilweise geschnitten einen Partikelabscheider.

In der Fig. 1 ist in einem Teilschnitt ein nach dem Ge­ genstromprinzip arbeitender Partikelabscheider 1 darge­ stellt, der eine Eintrittsöffnung 2 für die in Pfeilrich­ tung 3 einströmenden Rohabgase einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine aufweist. Innerhalb des Gehäuses 4 und konzentrisch zu diesem ist ein über seine Oberfläche ver­ teilte Durchtrittsbohrungen 5 aufweisendes Innenrohr 6 angeordnet, dessen eines Ende 7 verschlossen ist und des­ sen anderes Ende 8 zu einem Auspuff hin geöffnet ist. Der Strömungsquerschnitt zwischen der Wandung des Gehäuses 4 und dem Innenrohr 6 verringert sich in Strömungsrichtung 3 des Rohabgasstromes. Zwischen Innenrohr 6 und Gehäuse 4 ist eine wendelförmige Leiteinrichtung 9 vorgesehen, die dem Rohabgasstrom einen Drall gibt, so daß dieser in einer schraubenförmigen Drehbewegung durch den kanalförmigen Strömungsquerschnitt zwischen der Leiteinrichtung 9 des Partikelabscheiders 1 strömt. Durch die dabei auftretende Zentrifugalkraft werden die gegenüber den gasförmigen Be­ standteilen eine größere Masse aufweisenden im Abgasstrom mitgeführten Partikel nach außen zur Wand des Gehäuses 4 gedrängt, während in den Bereichen um das Innenrohr 6 ein von diesen Partikeln gereinigtes Abgas vorliegt. Dieses partikelfreie bzw. partikelarme Abgas am Innenrohr 6 kann durch die über die Oberfläche des Innenrohres 6 verteilt angeordneten Durchtrittsbohrungen 5 in Pfeilrichtung 10 in das Innere des Innenrohres 6 eintreten und verläßt dieses in Pfeilrichtung 11 zu einem nicht dargestellten Auspuff hin. Die in die Wandbereiche des Gehäuses 4 gedrängten Partikel verlassen das Gehäuse 4 über eine Austrittsöff­ nung 12 in ein nicht gezeigtes Sammelvolumen. Ebenso kön­ nen an der Wandung des Gehäuses 4 - hier in vereinfachter Form dargestellte - Sammeleinrichtungen 13 vorgesehen wer­ den, in denen die sich an der Wandung ablagernden Partikel gesammelt werden und die in geeigneter Weise bei Bedarf geleert werden können.

Dadurch, daß das am Innenrohr 6 entlangströmende Abgas von den Partikeln gereinigt ist, kann dieses Abgas, ohne die gesamte Länge des Partikelabscheiders 1 durchströmen zu müssen, schon frühzeitig über die Durchtrittsbohrungen 5 den Partikelabscheider 1 verlassen und es kann somit der Strömungswiderstand des Partikelabscheiders 1 verringert werden. Der frühe Durchtritt des Abgase durch die besagten Durchtrittsbohrungen 5 wird durch den sich in Strömungs­ richtung der Rohabgase verringernden Strömungsquerschnitt zwischen Gehäuse 4 und Innenrohr 6 erzwungen.

Die Fig. 2 zeigt in gleicher Darstellungsweise ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Partikelabscheider 1, der jedoch in diesem Falle nach dem Gleichstromprinzip arbeitet. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel treten die von der Brennkraft­ maschine kommenden Rohabgase durch die Eintrittsöffnung 2 in Pfeilrichtung 3 in den Partikelabscheider 1 ein. Im Gehäuse 4 ist wieder ein Innenrohr 6 angeordnet, das zum Zweck der Verringerung des Strömungsquerschnitts zwischen Gehäuse 4 und Innenrohr 6 konisch ausgebildet ist und ebenfalls Durchtrittsbohrungen 5 an seiner Oberfläche aufweist. Der Rohabgasstrom wird auch hier durch die wendelförmige Leiteinrichtung 9 in eine schraubenförmige Drehbewegung versetzt, wodurch die in ihm vorhandenen Partikel zur Wandung des Gehäuses 4 gedrängt werden und damit das weiter innen strömende Abgas von diesen Parti­ keln gereinigt ist. Dieses gereinigte Abgas strömt in Pfeilrichtung 10 durch die Durchtrittsbohrungen 5 in das Innere des Innenrohres 6 und verläßt dieses an seinem Ende 8 in Pfeilrichtung 11 zum Auspuff hin. Die abgeschiedenen Partikel verlassen den Partikelabscheider - wie schon oben beschrieben - über die Austrittsöffnung 12 bzw. werden in entsprechenden Sammeleinrichtungen 13 zur späteren Leerung gesammelt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung, welches nach dem Prinzip des in Fig. 2 ge­ zeigten Partikelabscheiders arbeitet. Die in Fig. 3 ge­ zeigten Teile stimmen mit den in Fig. 2 gezeigten über­ ein, tragen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 und brauchen daher hier nicht nocheinmal beschrieben zu wer­ den. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 beschriebenen Aus­ führungsbeispiel weist die wendelförmige Leiteinrichtung 9 hier jedoch keine gleichbleibende Steigung auf, sondern diese variiert in Strömungsrichtung des Rohabgasstromes 3. Unabhängig von der hier dargestellten Leiteinrichtung 9 kann die Steigung dabei kontinuierlich oder diskontinu­ ierlich vergrößert oder verkleinert werden. Durch eine solche Variation der Steigung der Leiteinrichtung 9 kann eine Beschleunigung des Abgases und damit der in ihm ent­ haltenen Partikel in radialer Richtung auf gewünschte Werte erzielt werden.

Eine weitere hier nicht näher beschriebene Maßnahme zur Einflußnahme auf die Abgasströmung besteht darin, die Verteilung der Durchtrittsbohrungen auf der Oberfläche des Innenrohres 6 zu variieren. Zum Beispiel ist es vorstell­ bar, die Abstände zwischen den einzelnen Durchtrittsboh­ rungen umgekehrt proportional zur Radialbeschleunigung des Abgases zu wählen. Auch die Form bzw. der Durchmesser der Durchtrittsbohrungen kann unterschiedlich gewählt werden. So ist es denkbar, anstelle einer Kreisform eine sich in Abgasströmungsrichtung erstreckende Langlochform für die Durchtrittsbohrungen 5 zu wählen.

Aus Fig. 4 ist eine spezielle Ausführungsform für die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Durchtrittsbohrungen 5 zu entnehmen. Die in einer Draufsicht abgebildete Bohrung 5 selbst weist eine kreisrunde Öffnung 14 auf, deren in Ab­ gasströmungsrichtung 15 liegende Kanten 16 und 17 jeweils erhöht bzw. abgesenkt ausgebildet sind. Diese Ausbildung der Bohrung 5 ist in Fig. 5 in vergrößerter Form in einem Querschnitt gemäß der Schnittlinie V-V aus Fig. 4 darge­ stellt. Mit 17 ist die Wandung des Innenrohres 6 bezeich­ net, die den vom Rohabgas durchströmten Raum 18 zwischen dem Innenrohr 6 und der nicht dargestellten Wandung des Gehäuses des Partikelabscheiders vom Innenraum 19 des In­ nenrohres 6 abtrennt. Das Rohabgas strömt in Richtung der eingezeichneten Pfeile. Dabei sind die der Wandung 17 des Innenrohres 6 nahen Strömungsschichten aufgrund der weiter oben beschriebenen Fliehkraftwirkung von den Partikeln gereinigt und treten - wie durch Pfeile 20 gezeigt - durch die Öffnung 14 in das Innere des Innenrohres 6 über, von wo aus sie in nicht näher beschriebener Weise zu einem Auspuff gelangen. Die noch Partikel enthaltenden, von der Wandung 17 weiter entfernten Schichten des Abgasstromes strömen dabei - wie durch den Pfeil 21 angedeutet - an dieser Öffnung 14 vorbei, um im weiteren Verlauf von den noch vorhandenen Partikeln gereinigt zu werden. Durch die Ausbildung der Durchtrittsbohrung 5 dahingehend, daß die in Strömungsrichtung des Rohabgasstromes aufwärts liegende Kante 16 der Bohrung 5 in den Rohabgasstrom hineinragt bzw. die abwärts liegende Kante 17 in das Innere 19 des Innenrohres 6 hineinragt, resultiert die Tatsache, daß nur extrem nahe und damit auch gut von Partikeln gereinigte Randschichten in das Innere 19 des Innenrohres 6 abströmen können. Der Reinigungseffekt ist damit sehr hoch.

Zur weiteren Verbesserung des Reinigungseffektes kann das Innenrohr 6 zusätzlich noch mit einer die Durchtrittsboh­ rungen 5 übergreifenden Beschichtung aus einem porösen keramischen Filtermaterial versehen sein, die die Aufgabe hat, eventuell noch im Abgasstrom vorhandene Partikel am Innenrohr 6 auszufiltern. Auch ist es vorstellbar, das Innenrohr 6 selbst aus einem derartigen Filtermaterial herzustellen.

Die Fig. 6 zeigt einen anderen zur Lösung der der Erfin­ dung zugrundeliegenden Aufgabe geeigneten Partikelab­ scheider. Der Rohabgasstrom 3 tritt durch eine Eintritts­ öffnung 2 in das Gehäuse 4 eines Partikelabscheiders 1 ein. Wie in den vorhergehenden Figuren schon gezeigt, wird der Abgasstrom mittels einer wendelförmigen Leiteinrich­ tung 9 in eine schraubenförmige Drehbewegung versetzt, wobei Partikel aus dem Abgasstrom unter der Fliehkraftwirkung nach außen getragen werden. Der dieser­ art von den Partikeln gereinigte Abgasstrom durchströmt das Gehäuse hauptsächlich im zentralen Bereich des Gehäu­ ses 4, von wo aus er durch ein Innenrohr 6 in Pfeilrich­ tung 11 das Gehäuse 4 verläßt und zu einem nicht darge­ stellten Auspuff gelangt. Die noch Partikel enthaltenden Abgasanteile, die durch die Drallwirkung in den Wandbe­ reich des Gehäuses 4 gedrängt werden, strömen am Innenrohr 6 vorbei - wie durch die Pfeile dargestellt - durch ein Rußfilter 23, in dem die noch in ihnen enthaltenen rest­ lichen Partikel ausgefiltert werden. Dieses Rußfilter 23 kann z. B. aus einem üblichen keramischen Monolithen be­ stehen. Außerdem ist an der Wandung des Gehäuses 4 für die sich dort ablagernden Partikel eine Sammeleinrichtung 13 angeordnet, wie sie schon weiter oben erwähnt wurde. Der Strömungswiderstand des Partikelabscheiders 1 ist dabei, da der Hauptabgasstrom einen ungehinderten Weg durch das Innenrohr 6 nehmen kann, gering gehalten und der Reini­ gungseffekt auf das Abgas dennoch durch die Fliehkraftabscheidung hoch.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorstellbar, den eben beschriebenen Partikelabscheider in Abgasströmungsrichtung hinter einem Partikelabscheider der zuvor beschriebenen Art anzuordnen. Auf diese Weise wird die Reinigungswirkung der Partikelabscheider noch gesteigert und der Strömungswiderstand dennoch nicht we­ sentlich verschlechtert, da der den hauptsächlichen Anteil am Widerstand bildende keramische Rußfilter in diesem Falle durch den zuvor erzielten erhöhten Reinigungsgrad in seinem Volumen geringer ausfallen kann.

Claims (9)

1. Im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneter Partikelabscheider mit einem Gehäuse zur Führung der Roh­ abgase, einem konzentrisch im Gehäuse angeordneten, zur Auspuffseite hin offenen Innenrohr zur Abfuhr von gerei­ nigtem Abgas aus dem Partikelabscheider, einer Öffnung zum Austritt der abgeschiedenen Partikel in ein Sammelvolumen sowie einer den Rohabgasstrom im Gehäuse führenden, an der Gehäuseinnenwand anliegenden wendelförmigen Leiteinrichtung zur Erzeugung eines Dralls im Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet,
daß die wendelförmige Leiteinrichtung (9) in ihrem Zentrum einen offenen Durchschnittsquerschnitt aufweist, in welchem das an seiner einen Seite (7) abgeschlossene Innenrohr (6) angeordnet ist,
daß das Innenrohr (6) über seine Oberfläche verteilte Durchtrittsbohrungen (5) aufweist,
daß der durch das Innenrohr (6) und das Gehäuse (4) ge­ bildete Strömungsquerschnitt sich in Strömungsrichtung des Rohabgasstromes (3) verringert und
daß das Innenrohr (6) konisch geformt ist.

2. Partikelabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der den Rohabgasstrom (3) führenden Leit­ einrichtung (9) in Strömungsrichtung des Rohabgasstromes (3) variiert.

3. Partikelabscheider nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Durchtrittsbohrungen (5) auf der Oberfläche des Innenrohres (6) variiert.

4. Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsbohrungen (5) Kreisform aufweisen.

5. Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsbohrungen (5) Langlochform in Strömungs­ richtung des Rohabgasstromes (3) aufweisen.

6. Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung des Rohabgasstromes (3) auf­ wärts liegenden Kanten (16) der Durchtrittsbohrungen (5) in den Abgasstrom hineinragen und daß die in Strömungs­ richtung des Rohabgasstromes (3) abwärts liegenden Kanten (17) der Durchtrittsbohrungen (5) in das Innere (19) des Innenrohres (6) hineinragen.

7. Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) mit einem porösen keramischen Mate­ rial beschichtet ist.

8. Partikelabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (6) aus einem porösen keramischen Mate­ rial besteht.

9. Im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angeordneter Partikelabscheider mit einem Gehäuse zur Führung der Roh­ abgase, einem konzentrisch im Gehäuse angeordneten, zur Auspuffseite hin offenen Innenrohr zur Abfuhr von gerei­ nigtem Abgas aus dem Partikelabscheider, einer Öffnung zum Austritt der abgeschiedenen Partikel in ein Sammelvolumen sowie einer den Rohabgasstrom im Gehäuse führenden, an der Gehäuseinnenwand anliegenden wendelförmigen Leiteinrichtung zur Erzeugung eines Dralls im Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innenrohr (6) und Gehäuse (4) ein die Parti­ kel aus dem Rohabgasstrom (3) ausfilternder aus einem mono­ lithischen Keramikmaterial bestehender Filter (23) ange­ angeordnet ist.