DE4205357C2 - Motorabgasfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen aus Kohlen­ stoff und anderen Substanzen in Motorabgasen.

Einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen aus Kohlenstoff und anderen Sub­ stanzen in Motorabgasen offenbart zum Beispiel die Japanische Patentveröf­ fentlichung 56-124417.

Dieser Filter besteht aus einer Vielzahl sehr kleiner Flußkanäle, die in Fluß­ richtung des Abgases in einem Keramikblock angeordnet sind. In jedem Paar benachbarter Flußkanäle sind das stromaufwärts liegende Ende des einen Flußkanals und das stromabwärts liegende Ende des anderen Flußkanals ab­ wechselnd geschlossen. Abgas tritt in den Flußkanal ein, dessen stromauf­ wärts liegendes Ende offen ist, dringt durch eine die Flußkanäle trennende keramische Wand in den benachbarten Flußkanal, tritt am stromabwärts lie­ genden Ende dieses Flußkanals aus und strömt weiter stromabwärts. Feine Teilchen im Abgas können die keramische Wand nicht durchdringen und sammeln sich im Filter an. Diese angesammelten Teilchen werden durch Verbrennung beseitigt, sobald das Abgas bei belastetem Motor hohe Tempera­ turen erreicht.

Da die Einfangrate derartiger Filter sehr hoch ist, besteht die Neigung, daß zu viele Teilchen eingefangen werden, und wenn diese nicht sofort verbrannt werden, besteht die Möglichkeit, daß alle auf einmal verbrannt werden und so den Filter beschädigen.

Außerdem fangen Filter dieses Typs leicht Asche ein, die nicht verbrannt werden kann, wie zum Beispiel Oxyde von Öladditiven, und so dazu neigt, den Filter zu verstopfen.

Die Japanische Patentveröffentlichung 62-45309 beschreibt einen Ablage­ rungsfilter. Dieser Filter benutzt einen keramischen Schaum mit einer Viel­ zahl kompliziert geformter, kleiner, aus zusammenhängenden Blasen gebilde­ ter Flußkanälen als Filterelementen. Wenn Abgas durch diese Flußkanäle strömt, werden feine Teilchen an den Wänden der Flußkanäle abgelagert. Der Keramikschaum hat eine zylindrische oder Tassenform zum Vergrößern der Einlaßfläche.

In der Japanischen Patentveröffentlichung 51-23615 wird ein Filterelement offenbart, das aus einem Stapel dünner, hitzebeständiger Fiberplatten be­ steht, auf deren Oberfläche ein Katalysator aufgebracht wurde.

In derartigen Ablagerungsfiltern kann übermäßiger Teilcheneinfang nur schwer auftreten. Es werden aber viele Teilchen am Abgaseinlaß angesam­ melt, so daß es schwierig ist, eine gleichmäßige Verteilung eingefangener Teilchen im Filterelement zu erreichen. Darüber hinaus werden an den Stel­ len, an denen sich feine Teilchen ansammeln, Teilchen auf anderen Teilchen abgelagert, so daß die Ablagerungsleistung des Filters gesenkt wird und viele Teilchen als schwarzer Rauch in die Umwelt geblasen werden, sobald der Ab­ gasdruck durch starkes Beschleunigen des Motors ansteigt.

Aus DE 33 30 020 A1 ist ein Abgasfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, dessen zylindrisches Filterelement durch mehrere abwechselnde, in Radialrichtung aufeinanderfolgende Lagen von flachem und gewelltem Siebgewebe gebildet wird, die von dem Abgas radial durchströmt werden. Die Zwischenräume zwischen den Siebgewebelagen sind abwechselnd an entge­ gengesetzten Enden des Filterelements verschlossen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasfilter nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 zu schaffen, bei dem eine gleichmäßigere Verteilung feiner Teil­ chen im gesamten Filterelement erreicht und das schlagartige Ausblasen grö­ ßerer Mengen feiner Teilchen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß sind jeder flachen Metallmaschenplatte des Filterelements in Radialrichtung zwei gewellte Metallmaschenplatten überlagert, die jeweils Rinnen mit annähernd rechteckigem Querschnitt aufweisen. Die Rinnen der beiden gewellten Metallmaschenplatten sind in Umfangsrichtung des Filtere­ lements abwechselnd und in gleichen Abständen angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß in Umfangsrichtung des Filterelements Bereiche, in denen mehrere Siebgewebelagen übereinanderliegen mit Bereichen abwechseln, in denen die Anzahl der übereinanderliegenden Siebgewebelagen kleiner ist. Aufgrund der in Umfangsrichtung unterschiedlichen Strömungswiderstände wird so eine intensive Verteilung der Abgasströmungen und der mitgeführten Partikel in Umfangsrichtung des Filterelements erzwungen. Außerdem wird so der Weg des Abgases durch das Filterelement verlängert, so daß Teilchen, die bei starker Beschleunigung des Motors ausgeblasen werden, weiter stromabwärts in dem Filterelement wieder eingefangen werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Grundriß eines erfindungsgemäßen Abgasfilters;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fil­ terelements;

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes Filterelement;

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt ähnlich wie in Fig. 3, al­ lerdings mit einer geänderten Stapelung der Filtereinheiten;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch Metallmaschenplatten eines er­ findungsgemäßen Filterelements.

Fig. 1 zeigt einen Abgasfilter mit einem Filterelement 5 in einem Gehäuse 1. Dieser Abgasfilter kann zum Beispiel im Auspuffsystem eines Dieselmotors eingebaut sein. Das Gehäuse 1 besteht aus einem zylindrischen Körper mit ei­ nem Abgaseinlaß 2 an einem Ende und einem am anderen Ende ange­ schweißten Deckel 3, der mit einem Abgasauslaß 4 versehen ist.

Das Filterelement 5 ist zylindrisch und wird durch eine zwischen das Ele­ ment 5 und den Deckel 3 gesetzte Feder 7 an den Einlaß 2 gedrückt. Die Fe­ der 7 liegt am Filterelement 5 an einer Federauflage 6 an. Das Element 5 wird mit einer Halterung 8 gegen die den Einlaß 2 umgebende Stirnseite des Gehäuses 1 gepreßt. Die dem Auslaß 4 zugewandte Seite des Filterelements 5 wird mit der Federauflage 6 verschlossen.

Das Filterelement 5 ist konzentrisch im Gehäuse 1 befestigt. Der äußere Durchmesser des Filterelements 5 ist so bestimmt, daß er um einen vorgege­ benen Wert kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses 1. Dadurch wird zwischen der äußeren Umfangsfläche des Filterelements 5 und der in­ neren Umfangsfläche des Gehäuses 1 ein Abgaskorridor 9 mit kreisringför­ migem Querschnitt gebildet. Das durch den Einlaß 2 in das Gehäuse 1 einge­ tretene Abgas strömt in das Innere des Filterelements 5, durchdringt in radi­ aler Richtung das Filterelement 5 bis in den Abgaskorridor 9 und strömt dann durch den Auslaß 4 in ein nicht gezeigtes Auspuffrohr.

Fig. 2 zeigt die Gestalt des Filterelements 5. Die Fig. 3 bis 5 zeigen den genauen Aufbau des Filterelements 5.

Das Filterelement 5 enthält eine Vielzahl von einschichtigen Filtereinheiten, die zylindrisch gestapelt sind und jeweils aus drei verschiedenen Metallma­ schenplatten 11, 12, 13 gebildet werden, wie Fig. 5 zeigt.

Die Metallmaschenplatten 11-13 bestehen jeweils aus einer dünnen Metall­ platte mit einer Vielzahl von Schlitzen, die in Querrichtung der Schlitze auf­ geweitet ist und so ein Netz bildet.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die erste Metallmaschenplatte 11 flach. Die zweite Metall­ maschenplatte 12 ist der Metallmaschenplatte 11 ähnlich, außer daß sie in eine Rechteck-Wellenform gebogen ist, so daß Rinnen 12a mit gleichen Wei­ ten T in konstanten Abständen P in axialer Richtung des Filterelements 5 ge­ bildet werden. Die Weite T der Rinnen 12a beträgt ungefähr 1/4 des Abstan­ des P.

Die dritte Metallmaschenplatte 13 hat einen ähnlichen Aufbau wie die zweite Metallmaschenplatte 12, und ihre Rinnen 13a haben dieselbe Höhe wie die Rinnen 12a. Der Abstand P′ der Rinnen 13a kann derselbe sein wie der Ab­ stand P der Rinnen 12a, aber in Anbetracht der geringen Differenz zwischen den Umfängen der Metallplatten 12 und 13, wenn diese in zylindrische Form gebogen sind, ist es vorteilhaft, daß der Abstand P′ etwas kleiner ist als der Abstand P. Die Weite T′ der Rinnen 13a beträgt ungefähr 1/4 des Abstandes P′.

Diese Metallmaschenplatten 11-13 werden so zusammengefügt, daß die Rin­ nen 12a der zweiten Platte 12 und die Rinnen 13a der umgedreht an die zweite Platte 12 gesetzten dritten Platte 13 in gleichen Abständen angeord­ net sind, wie Fig. 3 zeigt. Darüber hinaus sind diese Platten entweder einzeln oder nach dem Zusammenbau mit einer keramischen Beschichtung versehen, die einen Katalysator enthält.

Das Filterelement 5 besteht aus einer Vielzahl von einschichtigen Filterein­ heiten, die jeweils aus Metallmaschenplatten 11-13 wie oben beschrieben zu­ sammengesetzt sind, die Schicht für Schicht auf die äußere Umfangsfläche eines stabilen Metallmaschen-Innenrohres 14 gewickelt sind. Alternativ hier­ zu kann eine dieser Filtereinheiten in einer kontinuierlichen Spirale auf die äußere Umfangsfläche des Metallmaschen-Innenrohres 14 gewickelt werden, so daß eine Vielzahl von Schichten gebildet wird. Die auf das Innenrohr 14 gewickelten Filtereinheiten werden durch Punktschweißen befestigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, liegt in diesem Filterelement 5 eine dritte Metall­ platte 13 an der äußeren Umfangsfläche einer flachen ersten Metallplatte 11 einer inneren Filtereinheit an. Als Ergebnis liegen zwischen zwei und vier Metallplatten in radialer Richtung übereinander. Dies hängt ab von der Über­ lappung der Böden der Rinnen 12a und 13a der beiden aneinanderliegenden Filtereinheiten. Jede Schicht weist gleiche Lücken 16 auf.

Die Filtereinheiten können auch in einer anderen Art und Weise gestapelt werden, wie Fig. 4 zeigt. In dieser Anordnung gibt es einige Stellen, an denen die Lücken 16 in verschiedenen Schichten nur durch die erste Metallplatte 11 voneinander getrennt sind.

Das Abgas strömt auf seinem Weg vom Zentrum des Filterelements 5 nach au­ ßen durch diejenigen Stellen, an denen weniger Metallplatten 11-13 über­ einander liegen, d. h. durch die Stellen mit einem niedrigeren Strömungswi­ derstand, wie die Pfeile in den Fig. 3 bzw. 4 zeigen. Deshalb strömt das Abgas nicht auf direktem Weg radial nach außen, sondern umströmt in Um­ fangsrichtung auf vielen verschiedenen Wegen die Stellen, an denen viele Me­ tallplatten 11-13 gestapelt sind. Das Abgas muß deshalb wesentlich länger durch das Filterelement 5 strömen als bei dem direkten Weg radial nach au­ ßen.

Selbst beim Ausblasen von anfänglich im Filterelement 5 abgelagerten feinen Teilchen durch starke Beschleunigung des Motors werden nicht alle Teil­ chen zusammen ausgeblasen, sondern die Teilchen neigen vielmehr dazu, bei ihrem weiteren Weg stromabwärts erneut an den Metallplatten 11-13 hän­ genzubleiben.

Dadurch findet das Ausblasen langsam im Inneren des Filterelements 5 statt, so daß die feinen Teilchen weit im gesamten Element 5 verteilt werden. Da­ durch wird die Gefahr der örtlichen Überhitzung durch Verbrennung feiner Teilchen vermieden, die sich an bestimmten Stellen angesammelt haben.

Da jede Schicht Lücken 16 aufweist, ist die Kontaktfläche zwischen dem Ab­ gas und den Metallplatten 11-13 vergrößert, so daß eine hohe Teilchenein­ fangrate ohne übermäßigen Anstieg des Strömungswiderstandes erreicht wird. Darüber hinaus steigert die keramische Beschichtung auf der Oberflä­ che der Metallplatten 11-13 die Einfangrate. Außerdem unterstützt die kata­ lytische Wirkung des auf die Platten 11-13 aufgebrachten Katalysators die Verbrennung der feinen Teilchen und reinigt das Abgas.

Da dieser Abgasfilter vollständig aus Metall besteht, hat er eine niedrige Wär­ mekapazität, und wegen des guten Temperaturanstiegs während der Motor­ aufwärmphase hat das Filterelement 5 eine hohe Regenerationsrate.

Das Filterelement 5 kann auch aus einer Anordnung aus einer flachen Metall­ maschenplatte mit wenigstens einer Art von wellenförmigen Metallmaschen­ platten bestehen.

Claims (5)

1. Abgasfilter zum Einfangen feiner Teilchen in Motorabgasen, mit einem zylindrischen Filterelement (5), das an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen ist und mindestens eine flache erste Metallmaschenplatte (11) sowie eine dieser in Radialrichtung überlagerte gewellte zweite Metall­ maschenplatte (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenprofil der zweiten Metallmaschenplatte (12) die Form von Rinnen (12a) mit annä­ hernd rechteckigem Querschnitt hat und daß der zweiten Metallmaschen­ platte (12) in Radialrichtung eine gewellte dritte Metallmaschenplatte (13) mit im Querschnitt annähernd rechteckigen Rinnen (13a) derart überlagert ist, daß die Rinnen (12a, 13a) der zweiten und dritten Metallmaschenplatten in Umfangsrichtung des Filterelements abwechselnd und in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterele­ ment (5) in einem Gehäuse (1) angebracht ist, das einen Abgaskorridor (9) längs der äußeren Umfangsfläche des Filterelements bildet und einen mit dem offenen Ende des Filterelements (5) verbundenen Abgaseinlaß (2) sowie einen mit dem Abgaskorridor (9) verbundenen Auslaß (4) aufweist.

3. Abgasfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (12a, 13a) der zweiten und dritten Metallmaschenplatten (12, 13) je­ weils eine Weite (T, T′) aufweisen, die etwa ein Viertel des Rinnenabstands (P, P′) der betreffenden Metallmaschenplatte beträgt.

4. Abgasfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten und dritten Metallmaschenplatten einander derart überlagert sind, daß die offenen Seiten ihrer Rinnen (12a, 13a) einander ent­ gegengesetzt sind.

5. Abgasfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche der Metallmaschenplatten (11, 12, 13) mit ei­ ner katalytischen Beschichtung versehen ist, die die Verbrennung feiner Teilchen unterstützt.