EP0325111B1

EP0325111B1 - Filter- und Nachverbrennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP0325111B1
Application number: EP89100115A
Authority: EP
Inventors: Walter Dr. Stoepler; Alfons Zachmann; Axel Böhmer; Manfred Sagitzki
Original assignee: Leistritz AG
Current assignee: Leistritz AG
Priority date: 1988-01-21
Filing date: 1989-01-05
Publication date: 1993-03-17
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: EP0325111A2; DE3801634A1; EP0325111A3; ES2039046T3; ATE87069T1; DE3801634C2; DE58903760D1

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-A-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 Filtermaterials 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 Einlaßkanal 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 Förderung 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.

Claims

Filter- und Nachverbrennungseinrichtung für Abgase, insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei der zwischen einem Eintrittstrichter (5) und einem Austrittstrichter (6) innerhalb eines Gehäuses (1) 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 (12) aus Drahtgestrick, Keramikfasern oder einer Kombination beider umfaßt, der beidseits durch einen gasdurchlässigen metallischen Mantel (13, 14) eingefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper unter Verwendung von Abstandselementen zu einem spiraligen Wickelkörper (11) mit einem spiraligen Einlaßkanal (16) und Auslaßkanal (17) aufgewickelt sind, die jeweils auf der Gegenseite verschlossen sind, und daß die als gelochte Metallbänder (13, 14) oder Metallgestrickbänder ausgebildeten Einfassungs-Mäntel mit einer katalytischen Beschichtung zur Konvertierung gasförmiger Schadstoffe versehen sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise hohlen Wickeldorn (7).
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einspritzvorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff und/oder Sauerstoff zur Nachverbrennung.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente durch die umgeschlagenen Ränder (18, 19) der Filtermatten (12) gebildet sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente durch randseitige Abwinklungen oder Umbördelungen (20, 21; 20', 21') der Metallbänder (13, 14) gebildet sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente Auf- oder Durchzüge der Metallbänder (13, 14) sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, Größe und Form der Aufzüge in den Metallbändern (13, 14) so gewählt ist, daß sie den Abgasstrom radial und axial derart leiten, daß eine gleichmäßige Filterbeladung gewährleistet wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente Wellbänder (15) sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkörper aus einer 8-fach-Schichtfolge aus zwei Filtermatten (12) und vier Metallbändern (13, 14) sowie den zugehörigen Abstandselementen und Abdichtstreifen gewickelt ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Metallbänder (13, 14) zwischen 0,03 und 1,0 mm liegt.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Beschichtungen des Konverter-Einlaßringkanals (16) und/oder des Konverter-Auslaßringkanals (17) Oxidationsbeschichtungen sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytischen Beschichtungen des Konverter-Auslaßringkanals (17) 3-Wege-Beschichtungen sind.