EP0325111A2 - Filter- und Nachverbrennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brennkraftmaschinen - Google Patents
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- F01N3/36—Arrangements for supply of additional fuel
Definitions
- the invention relates to a filter and afterburning device for exhaust gases, in particular internal combustion engines, in which between an inlet funnel and an outlet funnel within a housing several layers of radially flowable cylindrical filter elements of essentially circular or oval ring-shaped cross section with radial spacing equidistantly from one another with formation of entry and exit spaces of a similar shape are arranged, each filter element comprising a gas-permeable filter body made of wire mesh or ceramic fibers, which is bordered on both sides by a gas-permeable metallic jacket.
- Such a filter and afterburning device uses concentric nested filter elements, the intermediate channels being divided by sheet metal rings into outlet channels for the inside and a gas inlet channel for the outside filter ring body.
- This requires a very high manufacturing outlay, so that such filters are extremely expensive.
- the catalytic coating described in this laid-open publication does not only apply to the filter material a completely satisfactory afterburning and filtering cannot be achieved as, but possibly also of the inner casing or of additional coated material introduced into the gas inlet channels.
- the invention is therefore based on the object of designing a filter and afterburning device of the type mentioned at the outset in such a way that it can be produced very easily and, in addition to optimal filtering and afterburning, also avoids the formation of nitrogen oxides.
- the filter bodies are wound up using a spacer elements to form a spiral winding body with a spiral inlet and outlet channel, each of which is closed on the opposite side, and that the casing sheaths formed as perforated metal strips or metal knitted strips are also included are provided with a catalytic coating for converting gaseous pollutants.
- the winding design of the filter according to the invention Due to the winding design of the filter according to the invention, this can be produced with considerably less effort than the previously known filter, with the fact that the winding design according to the invention is equally suitable for all sizes and cross-sectional shapes of the filter.
- the decisive factor here is the coating of both surround sleeves of the actual filter body with a catalytic coating for converting gaseous pollutants in the exhaust gas. This means that the metal strips are heated much more strongly than the exhaust gas stream itself.
- the filter material with the soot or other solid particles deposited thereon then lies between two hot metal strips, which promote the burning of the soot or the solid particles.
- a separate catalyst for promoting the soot burn-off can also be provided on the filter material.
- the invention goes a completely different way than the aforementioned publication, in which only one of the coats is optionally catalytically coated and, moreover, is also provided as an advantageous solution that the entire inlet space is additionally filled with a porous mixture which is catalytically coated.
- selectively only the binding bands are heated to a great extent, namely by up to several hundred degrees above the temperature of the exhaust gas itself, in order in this way to selectively burn off the solid particles on the filter bodies and thus to receive continuous self-cleaning.
- the temperature of the exhaust gas can be kept low, so that practically no nitrogen oxides are formed, which only arise at high exhaust gas temperatures, but then inevitably. Nevertheless, extremely effective oxidation of carbon monoxide or hydrocarbons, for example, which are still present in the exhaust gas, is achieved, ie effective post-combustion of gaseous pollutants.
- the heat of reaction from this afterburning of the gaseous pollutants then serves for the selective heating of the binding bands and thus for the conveyance tion of the erosion of the solid pollutants accumulating in the filter, so preferably soot.
- a winding mandrel can be provided, which can preferably be made hollow.
- the cross-sectional shape of the winding mandrel immediately determines the shape of the resulting filter arrangement, that is to say, for example, whether it should be a circular or oval-cylindrical body.
- Due to the hollow design of the central winding mandrel there is the possibility of arranging an optionally provided injection device for introducing fuel and / or oxygen for afterburning in such a way that it is connected to the outlet end of the winding mandrel and thus the fuel or, contrary to the inflow direction of the exhaust gases Introduces oxygen into it and mixes and swirls it particularly effectively.
- the winding mandrel can serve on the input side as a carrier for a diffuser for uniform filter application. Such a diffuser can be designed very simply as a perforated cone or the like.
- the sealing strips which alternately close the spiral channels between the filter elements in order to form a spiral inlet channel and a spiral outlet channel separated by the filter elements, can be formed in a further development of the invention by the folded edges of the filter mats themselves.
- a multilayer layer of two filter material tapes with their metallic casing shells is then to be provided as the starting material, so that the filter structure according to the invention can be produced by simple spiral winding.
- sealing strips can also be formed by angled edges or flanges of the metal strips enclosing the filter.
- the spacer elements which keep the filter webs bordered by the casing coats at a distance from each other during winding, so that the gas inlet and outlet channels already mentioned can form, can either be corrugated strips, which are also wound up as intermediate layers.
- the exhaust gas flow is not directed from an inlet annular space through the passage of a filter layer into the adjacent ring as an outlet channel, but is deflected several times in a meandering manner a variety of filter layers interspersed.
- the filter can be used more evenly and its effectiveness can be increased.
- the casing sheaths As metal strips, it has proven to be expedient to form them in a thickness between approximately 0.03 and 1 mm.
- the diffuser and the in and Outlet funnel of the metal housing receiving the winding body may be coated with special catalysts.
- the filter elements themselves made of knitted wire or ceramic fibers can not only be made entirely of one or the other material, but possibly also of a mixed knitted fabric and possibly in the form of a fleece, fabric, blankets or felt. If a mixed knitted fabric is used, the perforated films may be omitted.
- the gas inlet and outlet channels have different thicknesses between the filter layers provided with casing sleeves, which can be achieved very easily by using spacers of different thicknesses. It may even be provided that the distance from the exhaust gas inlet end face to the outlet end face of the winding body changes in order to achieve a more uniform penetration of the filter material in this way.
- the filter and afterburning device shown in Figures 1 and 2 comprises a metallic outer housing 1, which in the illustrated embodiment (indicated in Fig. 1 above) comprises an outer jacket 2 and an inner jacket 3, which by ceramic fiber mats 4, preferably in the form of so-called swelling mats , are isolated from each other.
- the cross-sectional shape of the cylindrical central section between the inlet funnel 5 and the outlet funnel 6 can be circular, oval or possibly polygonal.
- the shape can be given very cheaply by appropriate selection of the cross-sectional shape of the hollow mandrel 7, which carries on its inlet side a diffuser 8 in the form of a perforated cone made of metal or, if necessary, also ceramic, while on the output side it is connected to a line 9 to an injection device for fuel and / or oxygen is connected, which is introduced opposite to the exhaust gas flow 10 in the input space of the filter device, in order to possibly influence the afterburning favorably.
- the actual filter consists of a spirally wound bobbin 11, in which filter mats 12, which are bordered on both sides by perforated metal strips 13 and 14, with the aid of spacer elements are wound up, which in the case of FIGS. 1 and 2 are designed as corrugated strips 15.
- the channels receiving the corrugated strips 15 are alternately closed on the inlet and outlet sides, so that there is a gas inlet channel 16 with a spiral cross section and a separate spiral outlet channel 17 through the filter layers 12 with their metal band surround 13, 14.
- the upper half is formed by the edges 18 and 19 of the filter mats 12 being folded over and fastened on the outside of the respective metal sheet 13, 14.
- spacer webs 23 can also be provided, which can either be placed on the metal strips 13, 14 in the longitudinal direction or can be molded directly into them by deformation. These webs 23 not only keep the filter layers at a distance - for the sake of clarity, the metal strips 13, 14 are not shown in detail in FIG. 3 - and the sealing strips are also formed, but in this way a forced meandering penetration of the filter mats is achieved , with the help of which a more even utilization and thus a better utilization of the effectiveness of the filter can be achieved.
- the metal strips in the form of knobs or domes can also be drawn up or pulled through to serve as spacers. In this case, however, either separate sealing strips or flanging the edges of the filter mats again are required to seal the gas inlet channels 16 and the gas outlet channels 17.
- FIG. 4 shows an 8-fold layer sequence of tapes, with the aid of which the filter body shown in FIG. 1 above or FIG. 2 can be wound.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Filter- und Nachverbrennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei der zwischen einem Eintrittstrichter und einem Austrittstrichter innerhalb eines Gehäuses mehrere Lagen von radial durchströmbaren zylindrischen Filterelementen von im wesentlichen kreisring- oder ovalringförmigem Querschnitt mit radialem Abstand äquidistant ineinander unter Bildung von Eintritts- und Austrittsräumen ähnlicher Form angeordnet sind, wobei jedes Filterelement einen gasdurchlässigen Filterkörper aus Drahtgestrick oder Keramikfasern umfaßt, der beidseits durch einen gasdurchlässigen metallischen Mantel eingefaßt ist.
- Eine derartige Filter- und Nachverbrennungseinrichtung, wie sie in der DE-OS 32 28 325 beschrieben ist, verwendet konzentrische ineinandergestellte Filterelmente, wobei die Zwischenkanäle durch Blechringe in Austrittskanäle für den innenliegenden und einen Gaseintrittskanal für den außenliegenden Filter-Ringkörper unterteilt sind. Dies erfordert einen sehr hohen fertigungstechnischen Aufwand, so daß derartige Filter außerordentlich teuer sind. Hinzu kommt noch, daß durch die in dieser Offenlegungsschrift beschriebene katalytische Beschichtung nicht nur des Filtermateri als sondern ggfs. auch des inneren Einfassungsmantels oder von zusätzlichen in die Gaseintrittskanäle eingebrachten beschichtetem Material eine voll befriedigende Nachverbrennung und Filterung nicht erreicht werden kann.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Filter- und Nachverbrennungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie sehr einfach hergestellt werden kann und neben einer optimalen Filterung und Nachverbrennung auch die Entstehung von Stickoxiden vermeidet.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Filterkörper unter Verwendung von Abstandselementen zu einem spiraligen Wickelkörper mit einem spiraligen Ein- und Auslaßkanal aufgewickelt sind, die jeweils auf der Gegenseite verschlossen sind, und daß die als gelochte Metallbänder oder Metallgestrickbänder ausgebildeten Einfassungs-Mäntel mit einer katalytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe versehen sind.
- Durch die erfindungsgemäße Wickelbauweise des Filters läßt sich dieser mit einem erheblich kleineren Aufwand herstellen als der vorbekannte Filter, wobei noch hinzu kommt, daß sich die erfindungsgemäße Wickelbauweise sowohl für alle Baugrößen als auch Querschnittsformen der Filter gleichermaßen eignet. Entscheidend ist dabei die Beschichtung beider Einfassungsmäntel der eigentlichen Filterkörper mit einer katalytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe im Abgas. Durch diese wird nämlich erreicht, daß die Metallbänder wesentlich stärker erhitzt werden als der Abgasstrom selbst. Das Filtermaterial mit dem darauf abgeschiedenem Ruß oder anderen Feststoffteilchen liegt dann zwischen zwei heißen Metallbändern, wodurch der Abbrand des Rußes bzw. der Feststoffteilchen gefördert werden. Daß darüber hinaus auch ein gesonderter Katalysator zur Förderung des Rußabbrandes noch zusätzlich auf dem Filtermaterial vorgesehen sein kann, versteht sich von selbst. Mit dieser speziellen selektiven Erhitzung der Einfassungsmäntel der Filterkörper geht die Erfindung einen ganz anderen Weg als die eingangs angesprochene Offenlegungsschrift, bei der zum einen nur einer der Mäntel ggfs. katalytisch beschichtet ist und darüber hinaus ja auch als vorteilhafte Lösung vorgesehen ist, daß man den ganzen Einlaßraum zusätzlich mit einem porösen Gemenge füllt, welches katalytisch beschichtet ist. Auf diese Art und Weise wird aber dann gerade nicht erreicht, daß selektiv nur die Einfassungsbänder stark erhitzt werden, und zwar um bis zu mehrere Hundert Grad über die Temperatur des Abgases selbst, um auf diese Weise einen selektiven Abbrand der Feststoffteilchen auf den Filterkörpern zu erreichen und damit eine kontinuierliche Selbstreinigung zu erhalten. Durch die erfindungsgemäße Förderung des Rußabbrandes durch die selektiv stärker gegenüber dem Abgasstrom erhitzten Einfassungmäntel der Filterkörper kann die Temperatur des Abgases niedriggehalten werden, so daß praktisch keine Stickoxide gebildet werden, die ja erst bei hohen Abgastemperaturen, dann aber unvermeidlich, entstehen. Gleichwohl erreicht man eine äußerst wirksame Oxidation beispielsweise von Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen, die noch im Abgas vorhande sind, d.h. eine wirksame Nachverbrennung gasförmiger Schadstoffe.
- Die Reaktionswärme aus dieser Nachverbrennung der gasförmigen Schadstoffe dient dann zur selektiven Erhitzung der Einfassungsbänder und damit zur Förde rung des Abbrandes der im Filter sich ansammelnden festen Schadstoffe, also vorzugsweise Ruß.
- Zur Vereinfachung der Wickelfertigung der erfindungsgemäßen Filter- und Nachverbrennungseinrichtung kann ein Wickeldorn vorgesehen sein, der bevorzugt hohl ausgebildet werden kann. Durch die Querschnittsform des Wickeldorns wird gleich die Form der sich ergebenden Filteranordnung vorgegeben, also beispielsweise, ob es sich um kreis- oder ovalzylindrische Körper handeln soll. Durch die hohle Ausbildung des zentralen Wickeldorns ergibt sich die Möglichkeit, eine ggfs. vorgesehene Einspritzvorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff und/oder Sauerstoff zur Nachverbrennung so anzuordnen, daß sie an das ausgangsseitige Ende des Wickeldorns angeschlossen ist und somit entgegen der Einströmrichtung der Abgase den Kraftstoff oder Sauerstoff in diese einbringt und damit besonders wirkungsvoll vermischt und verwirbelt. Darüber hinaus kann der Wickeldorn eingangsseitig als Träger für einen Diffusor zur gleichmäßigen Filterbeaufschlagung dienen. Ein solcher Diffusor kann dabei sehr einfach als Lochkegel od. dgl. ausgebildet sein.
- Die Abdichtstreifen, die wechselweise die spiraligen Kanäle zwischen den Filterelementen verschließen, um einmal einen spiraligen Einlaßkanal und zum anderen einen durch die Filterelemente davon getrennten spiraligen Auslaßkanal zu bilden, können in Weiterbildung der Erfindung durch die umgeschlagenen Ränder der Filtermatten selbst gebildet sein. Bei dieser Fertigung ist dann jeweils als Ausgangsmaterial eine Mehrschichtlage aus zwei Filtermaterialbändern mit ihren metallischen Einfassungsmänteln vorzusehen, damit durch einfaches spiraliges Aufwickeln die erfindungsgemäße Filterstruktur entstehen kann.
- Die Abdichtstreifen können aber auch durch randseitige Abwinklungen oder Umbördelungen der die Filter einfassenden Metallbänder gebildet sein.
- Die Abstandselemente, die die von den Einfassungsmänteln eingefaßten Filterbahnen beim Aufwickeln auf Abstand voneinander halten, so daß sich die bereits angesprochenen Gasein- und -austrittskanäle bilden können, können entweder Wellbänder sein, die als Zwischenlagen mit aufgewickelt werden. Darüber hinaus hat es sich aber auch als vorteilhaft erwiesen, die Abstandselemente als Auf- oder Durchzüge der die Filter einfassenden Metallbänder selbst auszubilden, so daß gesonderte Bauteile, wie die bereits genannten Wellbänder, überhaupt nicht mehr erforderlich sind. Durch entsprechende Ausbildung der Auf- oder Durchzüge, beispielsweise in Form von Längsrippen, welche die Zwischenkanäle unterbrechen, kann dabei auch erreicht werden, daß der Abgasstrom nicht von einem Eintrittsringraum unter Durchsetzung einer Filterlage in den benachbarten Ring als Austrittskanal geleitet wird, sondern mehrfach mäanderförmig umgelenkt eine Vielzahl von Filterlagen durchsetzt. Dadurch kann der Filter gleichmäßiger ausgenutzt werden und damit seine Wirksamkeit erhöht werden.
- Bei Ausbildung der Einfassungsmäntel als Metallbänder hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, sie in einer Stärke zwischen etwa 0,03 und 1 mm auszubilden.
- Neben der katalytischen Beschichtung der Einfassungsmäntel der Filterelemente mit einer Oxidations- oder 3-Wege-Beschichtung sowie der katalytischen Beschichtung ggfs. des Filtermaterials selbst mit einem den Festkörperabbrand fördernden anderen Filtermaterial können ggfs. auch der Diffusor und die Ein- und Auslaßtrichter des den Wickelkörper aufnehmenden Metallgehäuses mit speziellen Katalysatoren beschichtet sein. Die Filterelemente selbst aus Drahtgestrick oder Keramikfasern können dabei nicht nur vollständig aus dem einen oder anderen Material sondern ggfs. auch aus einem Mischgestrick sowie ggfs. in Form eines Vlieses, Gewebes, Blankets oder Filzes ausgebildet sein. Bei der Verwendung eines Mischgestricks kann gegebenenfalls auf die Lochfolien verzichtet werden.
- Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, daß die Gaseintritts- und -austrittskanäle zwischen den mit Einfassungsmänteln versehenen Filterlagen unterschiedliche Dicken aufweisen, was sehr einfach durch Verwendung unterschiedlich starker Abstandhalter erreicht werden kann. Dabei kann ggfs. sogar vorgesehen sein, daß der Abstand von der Abgaseintrittsstirnfläche zur -austrittsstirnfläche des Wickelkörpers sich ändert, um auf diese Art und Weise eine gleichmäßigere Durchsetzung des Filtermaterials erreichen zu können.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Filter- und Nachverbrennungseinrichtung, bei der im unteren Teil verschiedene Varianten der Abdichtstreifen gegenüber der oben dargestellten Umbördelung der Filtermatten angedeutet sind,
- Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wickelkörper der Filter- und Nachverbrennungseinrichtung nach Fig. 1,
- Fig. 3 einen schematischen Teilschnit durch einen abgewandelten Filterkörper mit anderer Ausbildung der Abdichtstreifen und der Abstandselemente, und
- Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Schichtfolge zur Wickelfertigung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Filterkörpers.
- Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Filter- und Nachverbrennungseinrichtung umfaßt ein metallisches Außengehäuse 1, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel (in Fig. 1 oben angedeutet) einen Außenmantel 2 und einen Innenmantel 3 umfaßt, die durch Keramikfasermatten 4, vorzugsweise in Form sog. Quellmatten, gegeneinander isoliert sind. Die Querschnittsform des zylindrischen Mittelabschnitts zwischen dem Eingangstrichter 5 und dem Auslaßtrichter 6 kann dabei kreisförmig, oval oder auch ggfs. mehreckig sein. Die Form läßt sich dabei sehr günstig durch entsprechende Wahl der Querschnittsform des hohlen Wickeldorns 7 vorgeben, der auf seiner Einlaßseite einen Diffusor 8 in Form eines Lochkegels aus Metall oder ggfs. auch Keramik trägt, während er ausgangsseitig an eine Leitung 9 an eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff und/oder Sauerstoff angeschlossen ist, der dem Abgasstrom 10 entgegengesetzt im Eingangsraum der Filtervorrichtung eingebracht wird, um ggfs. die Nachverbrennung günstig zu beeinflussen.
- Der eigentliche Filter besteht aus einem spiralig aufgewickelten Wickelkörper 11, in welchem Filtermatten 12, die beidseits durch gelochte Metallbänder 13 und 14 eingefaßt sind, mit Hilfe von Abstandselementen aufgewickelt sind, die im Falle der Figuren 1 und 2 als Wellbänder 15 ausgebildet sind. Die die Wellbänder 15 aufnehmenden Kanäle sind an der Einlaß- und Auslaßseite abwechselnd verschlossen, so daß sich ein im Querschnitt spiraliger Gaseintrittskanal 16 und durch die Filterlagen 12 mit ihrer Metallbändereinfassung 13, 14 getrennter spiraliger Auslaßkanal 17 ergeben. Die Abdichtung ist im Falle der Figur 1, obere Hälfte dadurch gebildet, daß die Ränder 18 und 19 der Filtermatten 12 umgeschlagen und auf der Außenseite des jeweiligen Metallblechs 13, 14 befestigt sind. In der unteren Hälfte der Figur 1 sind zwei andere Varianten angedeutet, nämlich einmal eine Abwinklung der nicht gelochten Ränder 20 und 21 der Metallbänder 13, 14, die ggfs. durch ein Teil 22 zusammengehalten sein können. Darüber hinaus ist auch noch eine weitere Möglichkeit einfacher umgelegter aufeinanderliegender Ränder 20′ und 21′ zur Bildung der Abdichtung der Gaseintritts- bzw. -austrittskanäle angedeutet.
- Anstelle der vorstehend beschriebenen Abdichtung der Gaseintrittskanäle 16 und Gasaustrittskanäle 17 können auch Abstandsstege 23 vorgesehen sein, die entweder auf die Metallbänder 13, 14 in Längsrichtung aufgelegt oder aber direkt durch Verformung in diese eingeformt sein können. Durch diese Stege 23 werden nicht nur die Filterlagen auf Abstand gehalten - der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Metallbänder 13, 14 in Fig. 3 nicht im einzelnen eingezeichnet - und auch die Abdichtstreifen mitgebildet, sondern man erreicht auf diese Weise eine zwangsweise mäanderförmige Durchsetzung der Filtermatten, mit deren Hilfe eine gleichmäßigere Auslastung und damit eine bessere Ausnutzung der Wirksamkeit des Filters erreicht werden kann.
- Anstelle der Wellbänder oder der Stege 23 können auch Auf- oder Durchzüge der Metallbänder in Form von Noppen oder Domen vorgesehen sein, um als Abstandshalter zu dienen. In diesem Fall sind aber dann entweder gesonderte Abdichtstreifen oder aber wieder die Umbördelung der Ränder der Filtermatten zur Abdichtung der Gaseintrittskanäle 16 und der Gasaustrittskanäle 17 erforderlich.
- In Fig. 4 ist eine 8-fach-Schichtfolge von Bändern dargestellt, mit deren Hilfe der in Fig. 1 oben bzw. Fig. 2 gezeigte Filterkörper gewickelt werden kann.
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