DE4314238A1 - Rußfilter zur Verwendung in einem Abgasstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußfilter zur Verwendung in einem Abgasstrom, umfassend einen in einem Gehäuse enthal­ tenen Flächenfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln.

Derartige Rußfilter sind allgemein bekannt. Dabei ist aller­ dings zu beachten, daß die Regeneration des Filters nach der Beladung wenig befriedigend ist. Erfolgt beispielsweise eine Rußverbrennung auf dem Filter durch heiße Flammengase, führt dies zu lokalen Überhitzungen des Filters, wodurch Risse im Filterkörper beziehungsweise Verschmelzungen/Verstopfungen des Filters während einer langen Gebrauchsdauer bedingt sind. Vorschläge, einen Flächenfilter so zu entsorgen, daß die Rußpartikel durch Preßluft von der Filteroberfläche entfernt werden und anschließend separat nach elektrischer Zündung verbrannt werden, haben nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt, da ein extrem hoher Energieverbrauch für die Bereit­ stellung der Druckluft sowie für die elektrische Zündung und Verbrennung der Rußpartikel in einem separaten Behälter benötigt wurden. Zudem verbrennt dabei der separierte Ruß nicht vollständig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rußfilter der vorbekannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die Tempera­ turbeanspruchung des Flächenfilters bei der Entsorgung deutlich vermindert ist und der Energieverbrauch zur Regene­ ration des Filters gleichzeitig gering ist. Darüber hinaus sollen bei vollständigem Abbrand des gefilterten Rußes eine verbesserte Dauerhaltbarkeit und geringe Abmessungen des Rußfilters erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß der Flächenfilter bei der Regeneration zyklisch entgegen der Durchtrittsrichtung des zu reinigenden Abgasstromes mit sauerstoffhaltigem Heißgas durchströmbar ist, daß das Heißgas eine Temperatur aufweist, die zumindest so hoch ist, wie die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel und daß der Flächen­ filter in bezug auf die Einwirkung des Heißgases beständig ist. Hierbei ist von Vorteil, daß durch diese Merkmale eine verbesserte Dauerhaltbarkeit des Flächenfilters durch Senkung der thermischen Belastung, insbesondere des Filters selbst und eine Verminderung von Baugröße und Gewicht des Rußfilters erreicht werden. Die Rußpartikel werden in Teilmengen schritt­ weise entsorgt, wobei die Regeneration in einem separierten Regenerationsraum durch Verbrennung derart erfolgt, daß der jeweils zu entsorgende Teil des Flächenfilters in umgekehrter Strömungsrichtung wie bei der Filterung selbst durchströmt wird. Die Verminderung der thermischen Belastung des Flächen­ filters wird insbesondere dadurch erreicht, daß bei der Verbrennung der Rußpartikel auf dem Filter das Heißgas nicht durch den Filter hindurchströmt, wodurch lokale Überhitzungen vermieden werden. Die besonders heißen Zonen entstehen durch die Diffusionsverbrennung der Rußpartikel oberhalb des Flächenfilters, das heißt im Gasraum. Gelangt als Heißgas beispielsweise Luft zur Anwendung, werden bei der Regene­ ration durch den hohen O₂-Gehalt der Heißgase sehr niedrige Zünd- und Regenerationstemperaturen erzielt.

Das Heißgas kann durch eine Schlitzdüsenanordnung, vorzugs­ weise eine Schlitzdüse, zuführbar sein, wobei der Flächen­ filter relativ zu der Schlitzdüse in Querrichtung bewegbar ist. Der Flächenfilter wird bevorzugt in festen Winkel­ schritten bewegt, wobei jeweils separierte und zu regene­ rierende Teilbereiche entstehen. Hierbei ist von Vorteil, daß die zu regenerierenden Teilbereiche des Flächenfilters von den benachbarten Teilbereichen separiert sind, wodurch eine segmentweise Regenerierung problemlos möglich wird. Dabei werden nur Teilbereiche des Filters entsorgt, während im Hauptteil des Filters weiterhin das Abgas gefiltert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Flächenfil­ ter als Filtertrommel ausgebildet und in radialer Richtung durchströmbar sein. Die Filtertrommel mit den faltenförmigen Konturen ist mit der Lage der Schlitzdüse abgestimmt zugeord­ net fixierbar. Die Filtertrommel kann gleichmäßig in Umfangs­ richtung verteilte Falten bzw. faltenförmige Konturen auf­ weisen, wobei die Falten/Konturen mit der Schlitzdüse zur Deckung bringbar sind. Das ungefilterte Abgas tritt dabei in die Filtertrommel ein, wobei das Abgas vom Zentrum des Filters aus radial durch das Faltenfilter hindurchströmt, um den Rußfilter gereinigt zu verlassen. Die Filtertrommel wird bevorzugt getaktet angetrieben, um im Anschluß an die Regene­ ration von einem Segment eines der benachbarten Segmente zu regenerieren. Eine räumliche Trennung der Segmente ist durch die Falten gewährleistet, wobei vorzugsweise nur die Rußpar­ tikel der Falte verbrannt werden, die der Schlitzdüse benach­ bart zugeordnet ist. Die Verminderung der Baugröße und des Gewichts wird insbesondere durch die Verwendung des Falten­ filterprinzips erreicht. Vorteilhafterweise kann ein Metall­ faser-Filtervlies, das durch Biegung verformbar ist, zur Anwendung gelangen.

Gegenüber anderen, durch Biegung verformbaren Werkstoffen, hat ein Metallfaser-Filtervlies den Vorteil höherer mechanischer Festigkeit bei hoher Temperaturbeständigkeit und besonders guter Wärmeabfuhr durch die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen, z. B. im Vergleich zu keramischen Anordnungen. Anstelle des metallischen und vorzugsweise gefalteten Vlies­ filters kann aber grundsätzlich auch ein entsprechend ge­ formtes Filterelement, z. B. aus Keramik verwendet werden.

Die Filtertrommel kann getaktet und segmentweise drehbar sein, wobei jeweils durch die Drehung eine Regenerationsraum gebildet ist, der durch Abdichtleisten gegenüber den dem Regenerationsraum benachbarten Segmenten abgedichtet ist. Die Schlitzdüse kann in den Regenerationsraum einmünden und im wesentlichen auf der den Rußpartikeln abgewandten Seite des Flächenfilters angeordnet sein. Hierbei ist von Vorteil, daß über die Notwendigkeit einer Regeneration durch die Messung der Differenz der Abgasdrücke vor und hinter dem Filter im Bereich des zu regenerierenden Segments entschieden werden kann. Der Regenerationsraum ist durch die Dichtleisten gegenüber den benachbarten Filterbereichen weitgehend sepa­ riert, so daß ein Übertritt von ungefiltertem Abgas in den Regenerationsraum nahezu ausgeschlossen ist.

Die Schlitzdüse kann eine Heizeinrichtung zur Temperierung des Heißgases enthalten. Die Heizeinrichtung kann beispiels­ weise durch einen Wärmetauscher gebildet sein, dem zusätzlich in der Zündungsphase eine elektrische Zusatzheizung zugeord­ net ist. Die Zusatzheizung kann dann abgeschaltet werden, wenn die Verbrennung an zumindest einer Stelle des durch die Rußpartikel gebildeten Filterkuchens auf der Oberfläche des Flächenfilters eingesetzt hat. Die Verbrennung der Rußpar­ tikel schreitet dann selbständig fort. Des weiteren ist von Vorteil, daß durch die elektrisch betätigbare Zusatzheizung beispielsweise eine unvollendete Verbrennung zum Abschluß gebracht werden kann. Bedarfsweise kann die Heizung jederzeit eingeschaltet werden. Die Heizeinrichtung kann durch einen Brenner gebildet sein, wobei der Brenner als Wärmeübertrager ausgebildet und vom Abgasstrom des Motors durchströmbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rußfilters wird nachfolgend anhand der Zeichnungen weiter verdeutlicht. Diese zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 den Filtervorgang, wobei der Flächenfilter von außen mit Rußpartikeln beladen wird;

Fig. 2 den Entsorgungsvorgang, bei dem die Rußpartikel verbrannt werden;

Fig. 3 den Gesamtaufbau eines Ausführungsbeispiels des beanspruchten Rußfilters;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Rotations-Falten­ filter; und

Fig. 5 einen Teilschnitt durch den Faltenfilter gemäß Fig. 4, wobei der Antrieb für die Winkelverstellung des Rotationsfilters dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt schematisch den Filtervorgang an einer Filter­ trommel 8, die als Filterkerze ausgebildet ist. Die Filter­ kerze wird beim Filtervorgang von außen mit Rußpartikeln 4 aus dem Abgasstrom 1 beladen. Durch einen ersten Drucksensor 12 wird der Druck auf der Filteroberfläche ermittelt, die dem mit Rußpartikeln 4 verunreinigten Abgasstrom 1 zugewandt ist.

Auf der dem verunreinigten Abgasstrom 1 abgewandten Seite des Flächenfilters 3 ist ein zweiter Drucksensor 13 angeordnet, der den Druck des durch den Flächenfilter 3 durchgetretenen Gases ermittelt.

In Fig. 2 ist der Entsorgungsvorgang gezeigt. Dazu wird Heißgas 6 in einer der Hauptströmungsrichtung 14 des Abgas­ stroms 1 durch den Flächenfilter 3 entgegengesetzten Richtung 15 in den Flächenfilter 3 eingeblasen. Als Heißgas können ein Brenngas oder vorgewärmte Luft zur Anwendung gelangen. Dabei kommt es durch die hohe Temperatur des Heizgases 6 im Ein­ strömbereich des Flächenfilters 3 zu einer Zündung der Rußpartikel 4, die auf der Oberfläche des Flächenfilters 3 einen Filterkuchen bilden. Nach erfolgter Zündung kann die Temperatur des zur Regeneration verwendeten Heißgases 6 abgesenkt werden, weil sich die Verbrennungsfront auch bei verringerter Heißgastemperatur durch den Filterkuchen hin­ durch bewegt. Die Verringerung der Heißgastemperatur bedingt eine geringere thermische Belastung des Filtervlieses.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des beanspruchten Rußfilters gezeigt. Dabei gelangt eine Filtertrommel 8 zur Anwendung, die im Bereich ihrer beiden Stirnseiten in einem Gehäuse 2 gelagert ist. Zur Erzielung der getakteten Bewegung der Filtertrommel 8 in Umfangsrichtung ist in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel eine pneumatisch angetriebene Stelleinrichtung 16 vorgesehen, die einen Antriebszylinder, eine Zahnstange und ein Zahnrad umfaßt. Die Stelleinrichtung 16 ist signal­ leitend mit einem Steuergerät 17 verbunden. Abweichend von den Prinzipskizzen aus den Fig. 1 und 2 strömt das ungefil­ terte Abgas durch den Filtereintritt 18 im Bereich des Zentrums in die Filtertrommel 8 ein, wobei das Abgas vom Zentrum in radialer Richtung durch die Falten 9 des Filters hindurchströmt, um den Rußfilter gereinigt durch den Filter­ austritt 19 zu verlassen. Der trommelförmige Flächenfilter 3 ist in radialem Abstand von einem Gehäuse 2 umschlossen, wobei diese beiden Teile einen Regenerationsraum 20 begren­ zen. Auf der dem Gehäuse 2 abgewandten Seite des Flächenfil­ ters 3 ist der im wesentlichen aus Rußpartikeln 4 bestehende Filterkuchen abgelagert. Die Regeneration erfolgt segmentwei­ se, wozu über den Regenerationsraum 20 die Heißgase 6 dem zu entsorgenden Teil des Filterelements zugeführt werden. Im Regenerationsraum 20 herrscht ein Druck, der geringfügig höher ist, als der Druck des Abgases, das in den Flächenfil­ ter 3 einströmt.

Die Regelung der Druckverhältnisse im Regenerationsraum 20 gegenüber dem Abgasdruck, der in Strömungsrichtung 14 vor dem Flächenfilter 3 besteht, erfolgt über eine drehzahlgeregelte Luftpumpe, wobei der eingestellte, relative Überdruck inner­ halb des Regenerationsraums 20 eine Durchströmung des belade­ nen Filterelements mit dem Heißgas 6 entgegen der Durch­ trittsrichtung 5 des zu reinigenden Abgasstroms bedingt. Die Temperatur des Heißgases liegt bevorzugt bei 500 bis 600°C, wobei im Zusammenwirken mit einer bekannten katalytischen Beschichtung der Filteroberfläche diese Temperaturen im Mittel um ca. 200°C abgesenkt werden können. Die Erwärmung des Heißgases 6 erfolgt über eine Heizeinrichtung 11, die beispielsweise durch einen Wärmetauscher 21 und eine elektri­ sche Zusatzheizung 22 gebildet ist. Die Zusatzheizung 22 ist mit dem Steuergerät 17 signalleitend verbunden und bewirkt die Zündung der Rußpartikel 4.

Mit Hilfe eines Temperaturfühlers 23 und des zweiten Druck­ sensors 13, der innerhalb des Regenerationsraums 20 angeord­ net ist, werden die Temperaturen und Drücke der Regenerations­ luft gemessen. In Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Motors wird daraus mit Hilfe eines Kennfeldes, das im Steuergerät 17 gespeichert ist, die angepaßte Regenerationstemperatur ermittelt. Das Steuergerät kann einen Bestandteil der elek­ tronischen Motorsteuerung bilden, wobei neben der Motordreh­ zahl und der Motorlast auch die Werte bezüglich der Tempera­ turen und Drücke innerhalb des Rußfilters verarbeitet werden. Unter Berücksichtigung dieser Parameter werden in diesem Ausführungsbeispiel die Luftpumpe und die Heizeinrichtung 11 sowie der Vorschub der Filtertrommel 8 angesteuert.

Das Heißgas wird vorzugsweise über den mit Bezugsziffer 25 versehenen Keramikkörper, der dünne Kanäle umfaßt, zugeführt. Der Keramikkörper 25 ist über Luftspalte 26 gegenüber dem übrigen Rußfilter wärmeisoliert angeordnet. Die Kanäle sind gezielt auf die Seitenwände des Faltenfilters gerichtet. Eine Aufheizung der Kanäle innerhalb des Keramikkörper 25 kann beispielsweise über Widerstandselemente 27 erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Zündung an in radialer Richtung einander gegenüberliegenden Stellen des Flächenfil­ ters 3. Nach Einleitung der Verbrennung, die zum Beispiel durch eine Temperaturerhöhung im Abgasstrom hinter dem Filter erkennbar ist, kann die Zündtemperatur reduziert werden, da die Verbrennung der Rußpartikel selbständig fortschreitet.

In Fig. 4 ist ein Teilschnitt durch die Filtertrommel 8 aus Fig. 3 gezeigt, wobei als Filterträger 24 vorzugsweise ein Stahlrahmen zur Anwendung gelangt, der eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Das Abgas strömt dabei aus dem Achsbe­ reich radial nach außen auf die Oberfläche des Filters. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Flächenfilter 3 mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Falten 9 auf.

Nach Ermittlung der Notwendigkeit einer Regeneration, bei­ spielsweise durch die Differenz der Abgasdrücke in Durch­ trittsrichtung 5 vor und hinter dem Filter 12, 30, wird die Filtertrommel 8 in Umfangsrichtung um ein Segment gedreht, wobei durch Dichtleisten 10 der Regenerationsraum 20 begrenzt wird. Aus dem Regenerationsraum 20 heraus ist ein Gasaus­ tausch nur über die Filteroberfläche möglich, die der Schlitz­ düse 17 gegenüberliegend angeordnet ist. Ein Übertritt von ungefiltertem Abgas in den Regenerationsraum 20 wird einer­ seits durch die entsprechende Gestaltung der Dichtleisten 10 und andererseits durch die genaue Anpassung an der Außenseite des Filterträgers 24 sowie insbesondere auch durch den zumeist bestehenden Überdruck im Regenerationsraum gegenüber dem Druck vor dem Filter nahezu ausgeschlossen. Sollte - zum Beispiel während des Weitertransports des Filters - ungefilter­ tes Abgas in den Regenerationsraum 20 gelangen, so wird dieses Abgas an der Rückseite des Filterelements während der Regenerationsphase gefiltert und der dabei abgelagerte Ruß verbrannt.

In Fig. 5 ist ein Teilschnitt dargestellt, der die Filtertrom­ mel 8 und den Antrieb zur Winkelverstellung zeigt. Um ein Schutz der in diesem Ausführungsbeispiel pneumatischen Stelleinrichtung 16 vor äußeren Verunreinigungen zu gewährleisten, ist diese durch einen Metallfaltenbalg 28 geschützt. Dadurch werden gute Gebrauchseigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer bedingt. Die Stelleinrichtung 16 ist mit einem Druckluftsystem eines Fahrzeugs verbunden, wobei nach Betätigung eines Elektromagnetventils 29 ein Stellweg erzeugt wird. Bei der nachfolgenden Entlüftung des Ventils 29 wird das Stellelement wieder in seine Ausgangsposition zurückgefahren. Der Stellweg entspricht einer Winkelver­ stellung der Filtertrommel 8. Davon abweichende Lösungen zur getakteten Weiterbewegung der Filtertrommel 8 sind ebenfalls denkbar.

Claims (9)

1. Rußfilter zur Verwendung in einem Abgasstrom, umfassend einen in einem Gehäuse enthaltenen Flächenfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenfilter (3) bei der Regeneration zyklisch entgegen der Durchtrittsrichtung (5) des zu reinigenden Abgasstromes (1) mit sauerstoffhaltigem Heißgas (6) durchströmbar ist, daß das Heißgas (6) eine Temperatur aufweist, die zumindest so hoch ist wie die Verbrennungs­ temperatur der Rußpartikel (4) und daß der Flächenfilter (3) in bezug auf die Einwirkung des Heißgases (6) bestän­ dig ist.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißgas (6) durch eine Düsenanordnung, vorzugsweise eine Schlitzdüse (7) zuführbar ist und daß der Flächen­ filter (3) relativ zu der Schlitzdüse (7) in Querrichtung bewegbar ist.

3. Rußfilter nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenfilter (3) als Filtertrommel (8) ausgebil­ det und in radialer Richtung durchströmbar ist.

4. Rußfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtertrommel (8) gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Falten (9) aufweist und daß die Falten (9) mit der Schlitzdüse (7) zur Deckung bringbar sind.

5. Rußfilter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtertrommel getaktet und segmentweise drehbar ist, daß jeweils durch die Drehung ein Regenerationsraum (20) gebildet ist und daß der Regenerationsraum (20) durch Abdichtleisten (10) gegenüber den dem Regenerations­ raum (20) benachbarten Segmenten abgedichtet ist.

6. Rußfilter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (7) in den Regenerationsraum (20) einmündet und im wesentlichen auf der den Rußpartikeln (4) abgewandten Seite des Flächenfilters (3) angeordnet ist.

7. Rußfilter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (7) eine Heizeinrichtung (11) zur Temperierung des Heißgases (6) enthält.

8. Rußfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (11) durch einen Brenner gebildet ist.

9. Rußfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner als Wärmeübertrager ausgebildet und vom Abgasstrom (1) durchströmbar ist.