DE4402577A1 - Rußfilter für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Rußfilter für Kraftfahrzeuge

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Description

Die Erfindung betrifft Rußfilter für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dieselfahrzeuge werden zunehmend mit Rußfiltern ausgerüstet, um die Rußpartikel aus dem Abgas auszufiltern, bevor dieses die Abgasanlage verläßt. Nach dem Stand der Technik werden die Rußfilter entsprechend der zu filternden Menge Abgas aus einzelnen Filterpatronen zusammengesetzt, die parallel zueinander in einem Filtertopf untergebracht sind, der die Größe eines Abgasschalldämpfers besitzt. Ein Beispiel für die herkömmliche Konstruktion zeigt die DE-U 87 10 710.
Sobald das Rußfilter mit einer gewissen Menge Ruß beladen ist, wird ein Regenerationsvorgang eingeleitet. Da die selbst bei Motorvollast erzeugte Temperatur nicht ausreicht, den Ruß in den Rußfiltern nach dem Stand der Technik zu zünden, sind hierzu besondere Zündvorrichtungen erforderlich, die die erforderliche Temperatur entweder durch elektrische oder durch kraftstoffgefeuerte Heizung erzeugen.
Herkömmliche Dieselrußfilter besitzen einige Nachteile. Zunächst einmal benötigt das Filtergehäuse Platz unter dem Boden des Kraftfahrzeuges, der insbesondere bei Personenkraftwagen mit reduziertem Luftwiderstandsbeiwert oft kaum zur Verfügung steht. Außerdem verteuern die für die Filterregeneration erforderlichen Zusatzbeheizungen die Dieselrußfilter ganz entscheidend.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rußfilter der eingangs genannten Art anzugeben, welches praktisch keinen zusätzlichen Platz benötigt und welches insbesondere ohne Fremdbeheizung regeneriert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Rußfilter mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs
Das erfindungsgemäße Rußfilter besitzt die Form eines langgestreckten Rohres, dessen Außendurchmesser kaum größer ist als der Außendurchmesser eines herkömmlichen Abgasrohres; das erfindungsgemäße Rußfilter kann daher beginnend im Motorraum untergebracht werden, und zwar vorzugsweise direkt anschließend an den Zylinderauslaß bzw. den Motorkrümmer. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Konstruktion zusätzlich den Abgaslärm hervorragend dämpft, so daß sogar auf den üblichen Vorschalldämpfer verzichtet werden kann, was zu einer weiteren Platzersparnis unter dem Boden des Kraftfahrzeuges führt.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch ist die Filterregeneration ohne zusätzliche Fremdheizung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der ganze Abgasstrom den vordersten Abschnitt des Filtersatzes aufheizt, bevor sich das Abgas an Rohrwänden abkühlen kann, wobei der Filtersatz selbst für eine zusätzliche thermische Isolation gegenüber dem außenliegenden Ableitungsrohr sorgt. Es konnte beobachtet werden, daß auch bei Motorleistungen unterhalb Vollast der im Filter zurückgehaltene Ruß gezündet wurde und daß sich dieser Prozeß auch auf weiter abliegende Filtergebiete ausbreitete. Dies ist besonders vorteilhaft, da es auch im normalen Straßenbetrieb immer wieder zu einer spontanen Regeneration von wenigstens großen Teilen des Rußfilters kommt. Anschließend strömen die heißen Abgase an der kalten Außenwand entlang und kühlen sich ab, so daß Schäden durch Übertemperaturen nicht zu erwarten sind.
Wie schon erwähnt, kann der Filtersatz aus einem einheitlichen, langgestreckten Filterelement bestehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung jedoch besteht der Filtersatz aus mehreren Filterpatronen hintereinander auf dem bereichsweise perforierten Zuleitungsrohr.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erweitert sich der Spalt, durch den das gefilterte Abgas abströmt, in Strömungsrichtung. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß entweder der Durchmesser des Ableitungsrohres sich in Strömungsrichtung erweitert oder der Durchmesser des Zuleitungsrohres sich entsprechend verjüngt. Eine Kombination beider Maßnahmen ist ebenfalls denkbar.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind in einem Ableitungsrohr wenigstens zwei Zuleitungsrohre mit je einem Filtersatz nebeneinander verlegt. Eine solche Konstruktion ist geeignet für Hochleistungsmotoren, bei denen die Abgasrohre im Hinblick auf eine Steigerung der Motorleistung exakt dimensioniert werden.
Alternativ dazu können in einem Ableitungsrohr mehrere, beispielsweise zwei Zuleitungsrohre mit je einem Filtersatz konzentrisch zueinander verlegt sein, wobei das zu filternde Abgas in dem Spalt zwischen zwei Zuleitungsrohren zuströmt. Dies ermöglicht gegebenenfalls eine Vergrößerung des Filtervolumens, ohne daß der Außendurchmesser des Rußfilters im gleichen Maße anwachsen muß.
Im einfachsten Falle besitzen die Zu- und Ableitungsrohre kreisrunde Querschnitte. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Querschnitte oval, was gegebenenfalls eine bessere Platzverteilung oder auch die Anordnung mehrerer Zuleitungsrohre in einem Ableitungsrohr ermöglicht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Filtersatz aus einem Gewirk, Gestrick, Wickel und/oder Vlies von Keramik-, Glas- und-oder Metallfasern bzw. -fäden wie z. B. aus der EP 0 334 910 bekannt. Es versteht sich, daß dabei Materialien, die thermisch isolieren, aus den oben genannten Gründen bevorzugt werden, da dies die spontane Einleitung der Filterregeneration begünstigt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Filtersatz durch einen Metallkäfig zusammengepreßt, wie er aus der schon erwähnten DE-U 87 10 710 bekannt ist.
Grundsätzlich ist es möglich, die konzentrische Anordnung von Ableitungsrohr, Filtersatz und Zuleitungsrohr zunächst im gestreckten Zustand zu montieren und anschließend entsprechend den räumlichen Verhältnissen im Motorraum und unter dem Fahrzeugboden zu biegen. Dies gilt insbesondere dann, wenn nur wenige oder einfache Krümmungen nötig sind. Eine erhebliche Montageerleichterung wird jedoch möglich, wenn das Ableitungsrohr entweder aus zwei aufgeschnittenen Rohrhälften oder aus zwei tiefgezogenen Blechschalen zusammengeschweißt wird.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung kann ein erfindungsgemäßes Rußfilter als Vorfilter vor einem Oxidations-Katalysator für Dieselabgase finden. Abgaskatalysatoren konnten sich in Dieselfahrzeugen bisher nicht recht durchsetzen, weil aufgrund des manchmal sehr hohen Partikelgehaltes der Dieselabgase die Gefahr besteht, daß die Kanäle des Monolithen verstopfen, worauf der Motor abstirbt. Dank der Verwendung als Vorfilter muß die Filterwirkung auch nicht hundertprozentig sein, so daß sich ein insgesamt preiswerter Aufbau ergibt. Dank der erfindungsgemäßen Rohrform läßt sich ein solcher Vorfilter auch in praktisch allen Fällen an bereits existierenden Fahrzeugen nachrüsten.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Rohr-Rußfilter,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Rohr-Rußfilter,
Fig. 3 eine Vergrößerung des Ausschnitts III aus den Fig. 1 und 2,
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein drittes Rohr-Rußfilter und
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein viertes Rohr-Rußfilter.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohr-Rußfilters. Man erkennt ein Zuleitungsrohr 1 für das zu filternde Abgas eines Dieselmotors. Das Zuleitungsrohr 1 ist zu diesem Zweck möglichst nahe am Zylinderauslaß bzw. Motorkrümmer positioniert und möglichst kurz. Das Ende des Zuleitungsrohrs 1 ist verschlossen.
Über das Zuleitungsrohr 1 ist ein Ableitungsrohr 3 für das gefilterte Abgas geschoben, wobei der Anfang des Ableitungsrohrs 3 mit dem Zuleitungsrohr 1 dicht verbunden ist.
Das Zuleitungsrohr 1 besitzt in dem Bereich, in dem es vom Ableitungsrohr 3 überdeckt ist, eine durchgehende Perforation 4. Im Bereich der Perforation 4 ist auf das Zuleitungsrohr 1 ein sogenannter Tiefenfilter, d. h. Filtersatz 2.0 aus einem Gewirk, Gestrick, Wickel und/oder Vlies von Keramik-, Glas- und/oder Metallfasern bzw. -fäden aufgebracht, das beispielsweise durch einen Metallkäfig 7 zusammengepreßt ist. Dieser Aufbau ist in der vergrößerten Darstellung der Fig. 3 gut zu erkennen.
Es versteht sich, daß Tiefenfilter ohne Käfig ebenfalls einsetzbar sind.
Dank eines an die Motorleistung angepaßten Filtervolumens läßt sich der Ruß ohne störenden Abgasgegendruck ausfiltern. Dabei kann durch eine entsprechende Gestaltung des Spaltes 5 zwischen Ableitungsrohr 3 und Filtersatz 2 bzw. Außenkäfig 7 der Ort, an dem sich der Ruß bevorzugt ablagert, in gewissen Grenzen gesteuert werden. In jedem Falle wird jedoch der Anfang des Filtersatzes 2.0, benachbart zum Zylinderauslaß bzw. Motorkrümmer, maximal erwärmt, insbesondere bei Verwendung von Filtersätzen aus thermisch isolierendem Material. Es kommt daher speziell in diesem Bereich immer wieder zu einer spontanen Zündung des abgelagerten Rußes, und zwar auch bei Motorleistungen unterhalb Vollast und insbesondere ohne Fremdenergie. Dank der erfindungsgemäßen Anordnung wird verhindert, daß sich das Abgas auf dem Weg zum Rußfiltertopf abkühlt. Außerdem wird verhindert, daß mehrere parallel angeordnete Filterpatronen erwärmt werden müssen, wodurch die Wärme aufgeteilt und die maximal erreichbare Temperatur reduziert wird.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Hier ist das Zuleitungsrohr 1 in mehreren Bereichen 4.1, 4.2, 4.3 perforiert und über jeden Bereich ist eine Filterpatrone 2.1, 2.2, 2.3 montiert. Dadurch ist es möglich, den Filtersatz 2 ohne Krümmungen auszubilden, was Herstellung und Montage erleichtert. Die Filterpatronen können zunächst auf die gestreckten Rohre 1, 3 montiert und diese danach gemeinsam gebogen werden. Entsprechende Biegetechniken, beispielsweise unter Verwendung von Eis, Sand, Granulat und dergleichen sind bekannt.
Auch können in den Abschnitten zwischen den Filterpatronen 2.1, 2.2, 2.3 Rohrabstandshalter 8 positioniert werden.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform. Hier besteht das Ableitungsrohr aus zwei tiefgezogenen Rohrschalen 3.1, 3.2, die mit seitlichen Schweißnähten 9 gasdicht miteinander verbunden sind. Im Inneren erkennt man zwei parallele Zuleitungsrohre 1.1, 1.2 mit je einem Filtersatz 2.0.1, 2.0.2, der durch je einen Außenkäfig 7.1, 7.2 für optimale Filterwirkung zusammengepreßt ist. Ein ovaler Querschnitt hat bekanntlich Vorteile bezüglich Einbauhöhe und Körperschallabstrahlung.
Fig. 5 schließlich zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform. Hier sind zwei konzentrische Zuleitungsrohre 1.3, 1.4 vorgesehen, wobei das innere Zuleitungsrohr 1.3 einen inneren Filtersatz 2.0.3, das äußere Zuleitungsrohr 1.4 einen äußeren Filtersatz 2.0.4 besitzt. Das zu filternde Abgas wird in dem Ringspalt 6 zwischen den konzentrischen Zuleitungsrohren 1.3, 1.4 zugeleitet. Darüber hinaus sind auch zwei konzentrische Ableitungsrohre 3.3, 3.4 vorgesehen, wobei das außenliegende Ableitungsrohr 3 aus zwei zunächst getrennten und mittels Längsnähten 9 wieder verschweißten Rohrhälften besteht. Das innere Ableitungsrohr 3.4 ist gegebenenfalls entbehrlich. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß insbesondere der innere Filtersatz 2.0.3 sehr schnell aufgeheizt wird, da aus dem zentralen Abgaskanal 5.1 keine Wärme über kalte Rohrwände abgeleitet wird.

Claims (12)

1. Rußfilter für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotor, umfassend ein Zuleitungsrohr (1) für das zu filternde Abgas, einen Filtersatz (2) und ein Ableitungsrohr (3) für das gefilterte Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (1) am Ende verschlossen und wenigstens bereichsweise perforiert ist, daß der Filtersatz (2) auf das Zuleitungsrohr (1) aufgebracht ist, daß das Ableitungsrohr (3) über Zuleitungsrohr (1) und Filtersatz (2) geschoben ist, wobei ein Spalt (5) für das gefilterte Abgas verbleibt, und daß der Anfang des Ableitungsrohrs (3) mit dem Zuleitungsrohr (1) dicht verbunden ist.
2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtersatz (2) aus mehreren Filterpatronen (2.1, 2.2, 2.3) hintereinander besteht.
3. Rußfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (5) sich in Strömungsrichtung erweitert.
4. Rußfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ableitungsrohr (3) wenigstens zwei Zuleitungsrohre (1.1, 1.2) mit je einem Filtersatz (2.0.1, 2.0.2) nebeneinander verlegt sind.
5. Rußfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ableitungsrohr (3) konzentrische Zuleitungsrohre (1.3, 1.4) mit je einem Filtersatz (2.0.3, 2.0.4) verlegt sind, wobei das zu filternde Abgas in dem Spalt (6) zwischen zwei Zuleitungsrohren (1.3, 1.4) zuströmt.
6. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungsrohr (1) und/oder Ableitungsrohr (3) einen ovalen Querschnitt besitzen.
7. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtersatz (2) aus einem Gewirk, Gestrick, Wickel und/oder Vlies von Keramik-, Glas- und/oder Metallfasern bzw. -fäden besteht.
8. Rußfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallkäfig (7) den Filtersatz (2) zusammenpreßt.
9. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtersatz (2) nahe beim Zylinderauslaß bzw. Motorkrümmer positioniert ist.
10. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitungsrohr (3) aus zwei Rohrhälften geschweißt ist.
11. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitungsrohr (3) aus zwei tiefgezogenen Blechschalen (3.1, 3.2) geschweißt ist.
12. Verwendung eines Rußfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Vorfilter vor einem Abgas-Katalysator.
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