DE4415507C2 - Partikelfilter mit teilflächenweise durchströmtem Filterelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter zur Abgasreinigung in einer Abgasströmung, mit einem Filtergehäuse und einem darin drehbar angeordneten, teilflächenweise durchströmten Filterelement, dessen Filteroberflächen sich beidseitig koaxial zur Drehachse erstrecken. Ein solcher Partikelfilter ist in der DE 41 40 942 A1 offenbart.

Partikelfilter werden u. a. in Auspuffsystemen von Dieselmotoren zur Aussonderung von Ruß aus den Abgasen verwendet. Ein Nachteil dieser Partikelfilter besteht darin, daß das Filtermaterial bei längerer Betriebsdauer verstopft und der Dieselmotor zum Ausschieben seiner Abgase durch das Auspuffsystem einen zunehmend hohen Gegendruck bei entsprechendem Abfall des Wirkungsgrades überwinden muß.

Die oben benannte Patentveröffentlichung beschreibt einen Rußfilter für das Auspuffsystem eines Dieselmotors. Durch das Abbrennen der im Filter abgelagerten Rußpartikel soll dieser regeneriert werden. Hierzu ist der Rußfilter im Gehäuse drehbar gelagert. Zuleitungs­ kanäle sind zuströmseitig an Sektoren des Gehäuses angeschlossen. Durch einen Zuleitungskanal wird ein Sektor des Filters auf der Zuströmseite mit Abgas beaufschlagt, während ein zweiter Sektor des Filters über einen weiteren Zuleitungskanal mit aufgeheizter Luft beaufschlagt wird, deren Temperatur und Sauerstoffgehalt hoch genug ist, um die Rußpartikel abzubrennen. Zur Aufheizung der zugeführten Luft ist eine elektrisch oder mit Brennstoff betriebene Heizvorrichtung vorgesehen. Ein Nachteil ist darin zu sehen, daß die bei der Verbrennung von Ruß entstehenden Rückstände, vorwiegend Asche, sich im Filter ansammeln, so daß die Durchlässigkeit des Filters trotz des Verbrennens von Ruß mit zunehmender Betriebsdauer abnimmt.

Aus der EP 0 307 414 B1 geht ein Abgasreinigungssystem für Dieselbrennkraftmaschinen mit einem Filterblock aus zylindrischen Filterröhren als bekannt hervor. Die Filterröhren sind an ihren Stirnseiten in Wandscheiben gehaltert, die ihrerseits mit einer in einem die Filterröhren einschließenden Gehäuse gelagerten Welle drehbar verbunden sind. Der Zuführraum für die zu reinigenden Abgase befindet sich auf einer Stirnseite, so daß die Abgase axial in die Filterröhren einströmen. Da die Filterröhren am anderen Ende verschlossen sind, strömen die gereinigten Abgase radial durch die Wandungen der Filterröhren ab. Zur Beseitigung des sich auf den Innenseiten der Filterröhren ansammelnden Rußes ist im ansonsten zylindrischen Zufuhrraum ein sektorförmiger Raum ausgenommen, der mit einem Brenner in Verbindung steht. Die vom Brenner erzeugten Abgase heizen zur Regenerierung die dem Sektorraum jeweils gegenüberliegenden Filterröhren auf, bis der Zündpunkt des abgelagerten Rußes erreicht ist. Nach dem Regenerieren der betroffenen Filterröhren wird der Filterblock mittels eines Motors um eine Sektorbreite weitergedreht, so daß nach und nach alle Filterröhren des Filterblocks regeneriert werden.

In der US 3,607,133 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Gasen offenbart, deren scheibenförmiger Katalysator ebenfalls drehbar in einem Gehäuse angeordnet ist und sektorweise von Gas beaufschlagt wird. Dem zuführenden Sektor gegenüberliegend wird aus dem Katalysator austretendes Gas umgelenkt und einem zweiten Sektor zur gegengerichteten Durchströmung des Katalysators zugeführt. Bei Anwendung auf einen Partikelfilter können bei Drehung des Filters Aschepartikel in der gegengerichteten Strömung ausgeblasen werden. Im Umlenkbogen kann es jedoch zu einer unerwünschten Ansammlung von Aschepartikeln kommen, zumal der 180° Umlenkbogen einen erhöhten Druckverlust im Abgasstrom verursacht.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Partikelfilter zu schaffen, dessen Durchlässigkeit unabhängig von der Betriebsdauer erhalten bleibt und strömungsseitig in eine Abgasanlage integrierbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Partikelfilter hat den Vorteil, aufgrund der Anordnung des drehbar gelagerten Filterelements in einem Abschnitt gegengerichteter Abgasströmung der Abgaskanäle eine zweiseitige Be­ aufschlagung des Filterelements in voneinander getrennten Teilflächen der Filteroberfläche erfolgt, so daß Rußpartikel aus der Abgasströ­ mung zurückgehalten werden. Aufgrund der Verweilzeit in der Filter­ oberfläche und der hohen Abgastemperatur am Filterelement brennen diese dann zu Asche ab. Bei Drehung des Filterelements um seine Dreh­ achse wird die zunächst vom Abgasstrom direkt beaufschlagte Teil­ fläche in den Bereich des benachbarten Abgaskanals mit gegengerich­ teter Abgasströmung gedreht, so daß die Verbrennungsrückstände, also die Aschepartikel, aufgrund der nun gegengerichteten Durchströmung ausgeblasen und von der austretenden Abgasströmung vom Partikelfilter wegtransportiert.

Je nach Betriebszustand kann die Drehung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen, wobei durch eine Steuerung der Dreh­ bewegung durch einen Regler sich die Effektivität des Partikel­ filters optimieren läßt.

Die gewählte Kanalführung, wonach die Abgasströmung eines Abgaskanals jeweils nur einmal durch das Filterelement hindurchgeführt wird, erlaubt zum einen eine kompakte Bauweise des Partikelfilters und vermeidet zum anderen eine Zusetzung des Filterelements mit Asche­ partikel. Um eine noch kompaktere Bauweise des Partikelfilters zu erzielen, sind Weiterbildungen der Erfindung gemäß der Merkmale der Patentansprüche 2 bis 5 vorgesehen. Insbesondere ergibt sich durch die S-förmige Führung der Abgaskanäle die Möglichkeit, den Partikel­ filter in einen geradlinigen Abgasstrang bei geringem Umlenkungswin­ kel zwischenzuschalten. Der geringe Umlenkungswinkel kommt wiederum einem anzustrebenden niedrigen Druckverlust des Partikelfilters zu Gute. Hieraus resultiert unmittelbar eine kleinere Baugröße des Par­ tikelfilters da die für die strömungsmechanische Güte maßgeblichen Kanalradien kleiner gehalten werden können.

Eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Filterober­ fläche ergibt sich durch Weiterbildung der Erfindung nach den Merkmalen der Patentansprüche 6 und 7, wonach durch den sektor­ förmigen Öffnungsquerschnitt im Mündungsbereich der Abgaskanäle zum Filterelement die Filteroberfläche bei Drehung voll ausgenutzt wird.

Die mit den Patentansprüchen 8 und 9 vorgesehene Ausbildung des Partikelfilters führt durch seine hochsymmetrische Ausbildung zu einer Fertigungsvereinfachung und macht den Filter kosten­ günstig.

Die Ausstattung des Partikelfilters mit Heizvorrichtungen gemäß der Patentansprüche 12 und 13 gewährleistet, daß Rußpartikel auch bei niedriger Abgastemperatur aus dem Abgas zurückgehalten werden ohne dabei das Filterelement dauerhaft zuzusetzen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Partikelfilters,

Fig. 2 einen gegenüber dem Schnitt nach Fig. 1 um 90° gedrehten Längsschnitt des Partikelfilters,

Fig. 3 eine Ansicht auf den zuströmseitigen Kanalanschluß des Partikelfilters und

Fig. 4 eine Ansicht auf den abströmseitigen Kanalanschluß des Partikelfilters.

Der in Fig. 1 gezeigte Partikelfilter 1 umfaßt ein im Filtergehäuse 2 drehbar gelagertes Filterelement 3 zum Herausfiltern von Partikeln wie Ruß aus dem Abgas eines nicht weiter dargestellten Dieselmotors. Der Partikelfilter 1 umfaßt weiterhin zwei nebeneinander verlaufende Abgaskanäle 4 und 5 deren S-förmiger Verlauf dem Partikelfilter eine zopfförmige Kontur gibt. Weiterhin sind zwei gehäusefeste Heizvor­ richtungen 6a, 6b zum Abbrennen der im Filterelement 3 zurückge­ haltenen Partikel vorgesehen (siehe Fig. 2).

Zum Anschluß an eine geradlinig verlaufende Abgasleitung des Diesel­ motors weist der Partikelfilter 1 einen eintritts- und austritts­ seitigen Kanalanschluß 7a, 7b mit Flanschen 8 auf. Die Kanalanschlüsse 7a, 7b sind mit ihren Öffnungen zentrisch zur Filterlängsachse L ange­ ordnet, die die generelle Strömungsrichtung S durch den Partikel­ filter vorgibt. Die beiden Flansche 8 sind dementsprechend parallel zueinander ausgerichtet. Desweiteren sind die beiden Abgaskanäle 4 und 5 ein- und austrittsseitig im Bereich der Kanalanschlüsse 7a bzw. 7b zusammengeführt. Eintrittsseitig sorgt ein gehäusefester Ström­ ungsteiler 9 für eine Separierung des Abgasstromes S in gleiche Abgas-Teilströme S1, S2, während ein austrittsseitig gelegener Ström­ ungssammler 10 die partikelgereinigten Abgasströme S1, S2 aus den beiden Abgaskanälen 4 und 5 zum gemeinsamen Kanalanschluß 7b zusam­ menführt. Die beiden zwischen Strömungsteiler 9 und Strömungssammler 10 sich erstreckenden Abgaskanäle 4, 5 weisen jeweils einen gegenge­ richteten S-förmigen Schlag auf, in dessen mittleren Abschnitt die Abgasströme S1 und S2 der beiden Abgaskanäle 4 bzw. 5 etwas wind­ schief zueinander gegengerichtet sind. In diesem Abschnitt werden die beiden Abgaskanäle 4, 5 durch das, in die Strömungsquerschnitte der Abgaskanäle 4, 5 hineinragende, kreisscheibenförmig ausgebildete Fil­ terelement 3 unterbrochen. Es trennt somit jeweils einen stromauf- und stromabwärtigen Kanalarm 4a, 5b bzw. 4b, 5b der beiden Abgaskanäle 4 und 5 ab. Aufgrund der punktsymmetrischen Ausbildung des Partikel­ filters 1 sind die Kanalarme 4a,b und 5a,b im wesentlichen identisch zueinander und somit austauschbar.

Die Anordnung des Filterelements 3 im mittleren Abschnitt der beiden Abgaskanäle 4, 5 erfolgt mit senkrecht zur Filterlängsachse L stehen­ der Drehachse D, wobei die auf der Filterlängsachse L liegende Mitte des Filterelements das Zentrum Z des Partikelfilters 1 definiert. In diesem Abschnitt ist das Filtergehäuse 2 koaxial zur Drehachsse D zylindrisch ausgebildet. Die Kanalarme 4a,b und 5a,b schließen in Sektoren beidseitig des zylindrischen Abschnitts des Filterelements 3 an. Dabei liegen die zum Abgaskanal 4 gehörigen Sektoren den zum Abgaskanal 5 gehörigen Sektoren bezüglich der Filterlängsachse L diametral gegenüber. Die Sektoren weisen untereinander den gleichen Sektorwinkel auf, wobei die Sektoren eines Abgaskanals 4 bzw. 5 sich beidseitig des Filterelements 3 fluchtend überdecken, so daß die Abgasströmung S1 bzw. S2 nach Austritt aus dem sektorförmigen Öff­ nungsquerschnitt des Kanalarmes 4a bzw. 5a das Filterelement 3 im wesentlichen parallel zur Drehachse durchströmt und dann durch den fluchtend anschließenden sektorförmigen Öffnungsquerschnitt des stromabwärtigen Kanalarms 4b u. 5b abströmt. Die fluchtende Anordnung gewährleistet die verlustarme Durchströmung des Partikelfilters 1. Bei unterschiedlicher Größe des Strömungsquerschnitts der Abgaskanäle 4 und 5 ist eine entsprechende Anpassung der Sektorwinkel erforder­ lich.

Zur Verbrennung der in den beiden gegenüberliegenden Filteroberflä­ chen 11 zurückgehaltenen Rußpartikel ist für die beidseitigen Filter­ oberflächen 11 jeweils eine Heizvorrichtung 6a,b vorgesehen, die dem Öffnungsquerschnitt des stromaufwärtigen Kanalarms 4a bzw. 5a in Drehrichtung unmittelbar nachgeordnet sind und außerhalb der Abgas­ strömungen S1, S2 liegen. Den Heizvorrichtungen 6a,b schließt sich dann weiter in Drehrichtung der Öffnungsquerschnitt des stromabwär­ tigen Kanalarmes 5b bzw. 4b an. Durch die Anordnung der Heizvorrich­ tungen 12 in diametral gegenüberliegenden Sektoren beidseitig des Filterelements 3 ergibt sich eine optimale Raumausnutzung des Parti­ kelfilters 1 und begünstigt somit die kompakte Bauweise.

Bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Partikelfilters 1 ergibt sich folgende Funktionsweise: Die in den Kanalanschluß 7a eintretende Abgasströmung S wird vom Strömungsteiler 9 in die beiden nebeneinan­ der verlaufenden Abgaskanäle 4 und 5 aufgeteilt um dann in einem Bogen aus der zur Filterlängsachse parallelen Strömungsrichtung in eine Richtung quer zur Filterlängsachse L zum Filterelement 3 hinge­ führt zu werden, wobei die Abgasströme S1 und S2 der Abgaskanäle 4 bzw. 5 im mittleren Abschnitt der Abgaskanäle 4, 5 gegengerichtet sind um dann bei Drehung wechselnde diametral gegenüberliegende Teilflä­ chen des Filterelements 3 gegengerichtet zu durchströmen. In der bogenförmigen Kanalführung der Kanalarme 4b und 5b werden dann die aus dem Filterelement 3 austretenden Abgasströme S1 und S2 wieder in eine Strömungsrichtung parallel zur Filterlängsachse L gebracht um dann im Strömungssammler 10 vereinigt den Partikelfilter 1 durch den stromabwärtigen Kanalanschluß 7b zu verlassen. Die jeweils auf der einen Filteroberfläche 11 beaufschlagte Teilfläche dreht sich kon­ tinuierlich oder zyklisch in Drehrichtung weiter und wird an der Heizvorrichtung 6a bzw. 6b zur Verbrennung der in der beaufschlagten Filteroberfläche 11 zurückgehaltenen Partikel vorbeigeführt um dann am Öffnungsquerschnitt des stromabwärtigen Kanalarms 4b bzw. 5b vor­ beizuwandern, wo die zu Asche verbrannten Rußpartikel durch den aus­ tretenden Abgasstrom ausgeblasen und aus dem Partikelfilter 1 heraus weggetragen werden. Somit werden ständig beidseitig der Filterober­ flächen 11 gelegene Teilflächen vom Abgasstrom S1, S2 beaufschlagt, um nach Weiterdrehung in eine diametral gegenüberliegende Lage vom Abgasstrom 52 bzw. 51 des benachbarten Abgaskanals 4 bzw. 5 ausge­ blasen zu werden. Somit wird eine lang anhaltende Betriebstüchtigkeit des Partikelfilters 1 gewährleistet.

Claims (10)

1. Partikelfilter zur Abgasreinigung in einer Abgasströmung, mit einem Filtergehäuse und einem darin drehbar angeordneten, teilflächenweise durchströmten Filterelement, dessen Filteroberflächen beidseitig koaxial zur Drehachse liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) zwei nebeneinander verlaufende, aus jeweils zwei von verschiedenen Seiten an das Filterelement heranführenden Kanalarmen gebildete Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) mit getrennten Abgasströmungen (51 und 52) aufweist und das Filterelement (3) derart in einem Abschnitt gegengerichteter Abgasströmung (S1, S2) der Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) angeordnet ist, daß je Abgaskanal (4a,b; 5a,b) eine bei Drehung wechselnde Teilfläche der Filteroberfläche (11) auf der einen bzw. anderen Seite des Filterelements (3) vom Abgasstrom (S1, S2) beaufschlagt wird.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (3) bezüglich seiner Drehachse (D) lotrecht auf einer gemeinsamen Querschnittsebene der Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) stehend, im Abschnitt gegengerichteter Abgasströmung (S1, S2) ange­ ordnet ist.

3. Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (3) bezüglich der Drehachse (D) rotationssymme­ trisch ausgebildet ist.

4. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausrichtung der stromab- bzw. -aufwärts des Filterelements (3) gelegenen Kanalanschlüsse (7a,b) in eine gemeinsame Strömungsrichtung (S) die Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) S-förmig gekrümmt sind, wobei in einem mittleren Abschnitt der Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) das Filterelement (3) vorgesehen ist.

5. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum (Z) des Filterelements (3) im wesentlichen auf einer zur An- und/oder Abströmrichtung (S) des Partikelfilters (1) koaxialen Strömungsachse (L) liegt.

6. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) im Anschluß an die Filteroberfläche (11) einen zum Filterelement (3) konzentrischen, sektorförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen.

7. Partikelfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungsquerschnitte bezüglich der Drehachse (D) diametral gegenüberliegen.

8. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse (2) mit seinen Abgaskanälen (4a,b; 5a,b) bezüglich der Drehachse (D) punkt- oder achsensymme­ trisch ausgebildet ist.

9. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskanäle (4a,b; 5a,b) jeweils einen stromauf- und stromabwärtigen Kanalarm (4a, 5a bzw. 4b, 5b) auf­ weisen, die untereinander im wesentlichen identisch ausgebildet sind.

10. Partikelfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (1) einen eintrittsseitigen Kanalanschluß (7a) mit zwischen dem Filterelement (3) und dem Kanalanschluß (7a) gelegenem Strömungsteiler (9) zur Separierung der Abgaskanäle (4, 5) aufweist.