PARTIKELFILTER, INSBESONDERE RUSSFILTER FÜR ABGASE VON DIESELVERBRENNUNGSMASCHINEN
Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter, insbesondere Rußfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Ein Partikelfilter der einleitend bezeichneten Art ist bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift DT-A-25 57 444 bekannt geworden. In dieser Schrift ist ein Faltenabstandshalter zum Einsetzten in jeweils eine Windung eines in Falten gelegten Filters offenbart, der aus einer Vielzahl von annähernd parallelen, doppelseitigen Wellungen besteht und zumindest entlang des Randbereiches, der bei eingesetztem Abstandshalter dem Faltenbug des gefalteten Filters benachbart ist, eine nachgiebige Oberfläche aufweist. Hierdurch sollen sich längere Filterstandzeiten erzielen lassen, in dem die gefährdeten Zonen der Faltenbuge von Zerreißbelastungen durch Nachgeben des Materials weitgehend entlastet werden.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter der einleitend bezeichneten Art
bereitzustellen, der vergleichsweise robuster ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung geht von einem Partikelfilter, insbesondere Rußfilter für Abgase für Dieselverbrennungsmotoren aus, der eine zick-zack, bzw. mäanderartige Faltenstruktur eines Filterelements besitzt, wobei die zick-zack bzw. mäanderartige Faltenstruktur sich quer zur Durchströmrichtung erstreckt und der zwischen den Falten der Faltenstruktur angeordnete Drainageelemente aufweist .
Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass Stabilisierungsmittel derart vorgesehen sind, dass das . Filtermedium insbesondere durch Druckschwankungen im zu filternden Fluidstrom, z.B. Gasstrom sich nicht bzw. nicht nennenswert verformen bzw. bewegen kann. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DT-A-25 57 444 eine Beanspruchung des Filtermediums auf Biegung so weit wie möglich reduziert werden sollte, um die mechanische Haltbarkeit zu erhöhen. Vorzugsweise sind die Stabilisierungsmittel so ausgelegt, dass sich das Filtermedium auch in Bezug auf die Drainagelage im Wesentlichen nicht verformen kann, d.h. das Filtermedium mit Drainageelemente liegt in einer weitgehend starren Einheit vor. Dies lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass das Filtermedium mit Drainageelementen durch mechanisches Verspannen unter Druck gehalten wird, damit dieses auch bei vergleichsweise hohen Druckschwankungen im Filter keine Relativbewegungen ausführt.
In einer überdies bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
das Filtermedium mit dem Drainageelement zumindest teilweise durch Sintern, Löten, Schweißen, Kleben oder einer vergleichbaren Verbindungsart verbunden. Es sollten so viele punkt- und/oder linienförmige bzw. lächenförmig ausgedehnte Verbindungsstellen vorgesehen werden, dass eine starre Einheit entsteht, d.h. ein Filterblock aus Filtermedium und Drainageelementen, der auch bei vergleichsweise hohen mechanischen Beanspruchungen keine Eigenbewegung ausführt .
Ein Verbindungsvorgang, z.B. das Vereintem von Filtermedium und Drainageelementen wird vorzugsweise unter Druck ausgeführt, so dass das Filtermedium und die Drainageelemente in dichtem Kontakt zueinander stehen.
Die Drainageelemente sollten auf das Filtermedium so abgestimmt werden, dass durch die Drainageelemente das Filtermedium in ausreichendem Maße durch einen Aussteifungseffekt in Lage fixiert ist .
Eine solche Anordnung lässt sich in ihrer Dimension, d.h. in der Länge, Breite oder Höhe in weitem Maße frei variieren, wodurch ein so aufgebauter Filter in einem großen Einsatzbereich benutzt werden kann.
Vorzugsweise ist das Filtermedium mit seiner Zick-Zack- bzw. Mäanderstruktur so angeordnet, dass die Längserstreckung einer Biegung oder Kante der Struktur (Faltenbug) , die eine Richtungsänderung des Filtermediums herbeiführt, quer zur Gasstromrichtung verläuft. Vorzugsweise besteht die Eingangsseite für den Gasstrom abwechselnd aus Biegungen bzw. Kanten der Mäander- bzw. Zick-zack-Struktur sowie geöffneten Bereichen der Mäander- bzw. Zick-zack-Struktur mit einer vorgegebenen Faltentiefe. Mit einer Erhöhung der Faltentiefe kommt es in einem stärkeren Ausmaß zu Querströmungen, was die Filtereigenschaften verbessert . Insbesondere die Abscheiderate von vergleichsweise kleinen Partikeln erhöht
sich bei gleichbleibender Größe der Porenöffnungen. Durch den innigen Kontakt des Filtermediums zu den Drainageelementen wird eine gleichmäßige Wärmeableitung im Partikelfilter begünstigt, wodurch bei der Reinigung durch z.B. Erhitzen, wenn der Partikelfilter als Rußfilter verwendet wird, die dabei entstehende Verbrennungswärme sich in ausreichendem Maße gleichmäßig abführen lässt, was die Entstehung von Hotspots verhindert.
Die durch die Drainageelemente entstehenden Freiräume können für die Einlagerung von nicht brennbaren Ascherückständen genutzt werden, ohne dass es zu übermäßigen Druckverlusten im Betrieb eines solchen Filters kommt. Dies erhöht die Lebensdauer eines so ausgestalteten Partikelfilters erheblich.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Querschnitte von Zu- und/oder Abströmräumen in einem Gehäuse vor bzw. nach einer Filtereinheit aus Filtermedium und Drainageelementen zunehmend kleiner bzw. zunehmend größer. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Strömungsgeschwindigkeiten in Zu- und Abströmräumen zunehmend kleiner wird, was sich negativ auf das Filtrationsverhalten der Filtereinheit auswirken kann. Die Zu- und/oder Abströmräume können so ausgestaltet werden, dass eine gleichmäßige Belastung der Filterfläche gewährleistet ist. In diesem Fall wird der Raumquerschnitt derart gewählt, dass die Strömungsgeschwindigkeit an jeder Stelle gleich ist, obwohl ein Teil des Stromes bereits in die Filtereinheit eingeströmt ist.
In entsprechender Weise können auch die Drainageelemente ausgeformt sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Durchlassquerschnitte von Drainageelementen in Strömungsrichtung, d.h. in Faltentiefe sich verkleinern. Das lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass die Höhe der
Drainageelemente in Strömungsrichtung abnimmt, wodurch im Querschnitt betrachtet eine keilförmige Struktur des Filtermediums entsteht. Bei einer Mäander- oder Zick-zack- Struktur wird hierdurch unter der Voraussetzung eines gleichbleibenden Volumens eine entsprechende Gegenstruktur auf der Auslassseite erzeugt, was insgesamt eine zusätzliche Vergleichmäßigung der Durchströmung des Filtermediums bewirkt .
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Filtermedium und/oder die Drainageelemente aus Metall . Vorzugsweise werden Materialien eingesetzt, z.B. Metall und Keramik oder Metall/Metall, die sich versintern lassen. Solche Materialien haben den Vorteil, dass sie sich zur Reinigung des Filters beheizen lassen. Wenn sowohl Drainageelemente als auch Filtermedium aus einem Material mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit bestehen wird zudem eine gleichmäßige Wärmeableitung, ohne die Entstehung von Hotspots, ermöglicht.
Als Drainageelemente können z.B. Lagen aus wellblechartigen Gebilden mit Queröffnungen in den Wellen zur Anwendung kommen, die bei einer konstanten Höhe einen konstanten Strömungsquerschnitt haben.
Die Drainageelemente können jedoch auch eine Gewebestruktur umfassen, gegebenenfalls vollständig aus Gewebe bestehen. Gewebe hat den Vorteil, dass die Kontaktflächen zum Filtermedium größer werden. Das schont das Filtermedium sowohl in der Herstellung als auch in Betriebsphase. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei stark pulsierenden Fluidströmen zur Geltung, vor allem auch wenn gleichzeitig hohe Temperaturen herrschen, bei denen die Festigkeit der üblicherweise verwendeten Materialien z.B. Metall oder Kunststoff reduziert ist.
Die Verwendung von Geweben anstatt wellenförmigen Elementen hat den Vorteil, dass der Filter steifer wird und sich weniger unter den pulsierenden Betriebsdrücken verformen kann. Mit kleiner werdenden noch möglichen Verformungen werden auch die Biegewechselbeanspruchungen reduziert, was sich günstig in längerer Haltbarkeit einer Filtereinheit auswirkt .
Zur weiteren Vergrößerung der Kontaktfläche kann ein Gewebe auch kalandert werden. Bei diesem Vorgang bilden sich an Kröpfungen kleine ebene Flächen. Durch das Kalandern wird auch die Dicke eines Drainageelements konstanter, was zu einer präziseren Fertigung von Filterblöcken führt.
Im Weiteren kann durch Walzen oder ein anderes formgebendes Verfahren die Dicke eines Drainageelements in Form eines Gewebes derart eingestellt werden, dass im eingebauten Zustand in einem Filterblock in Strömungsrichtung gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeiten begünstigt werden.
Die Elemente einer Filtereinheit können aus Kunststoff, Keramik, Glas, aber auch aus Metall, insbesondere aus hitze- und korrosionsbeständigem Stahl bestehen. In allen Fällen kann eine Versinterung zur Erhöhung der Stabilität herbeigeführt werden.
Die Filtereigenschaften lassen sich durch die Auswahl des Filtermediums wesentlich beeinflussen. Falls es sich um ein Gewebe handelt, kann es durch Kalandern in der Feinheit stark verbessert werden. Neben Gewebe können auch weitere bekannte Filtermedien, wie Fließe, Pulverschichten, Lochbleche, Streckmetall und andere poröse Membranen oder Kombinationen aus den genannten Filtermedien zur Anwendung kommen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Filtermedium und/oder das Drainageelement mit einer
Beschichtung versehen. Hierdurch kann die Abscheidewirkung eines Filters verbessert werden. Als Beschichtung eignet sich insbesondere Pulver aus Metall, Keramik oder Glas in reiner Form oder als Mischung. Pulvrige BeSchichtungen können in kugeliger Form als auch abgeflacht, spratzig aufgetragen werden. Spratzig bedeutet eine plättchenförmige Struktur der Pulverpartikel. Insbesondere durch ein spratziges Auftragen können sich Kanalformen, z.B. spaltförmige Kanäle bilden, in denen Partikel vergleichsweise effektiver abgeschieden werden. Die Beschichtung kann z.B. durch Einstreuen von Material mit anschließendem Versintern oder durch Aufspritzen erfolgen. Eine Beschichtung lässt sich sowohl einseitig als beidseitig aufbringen. Sie kann homogen sein, aber auch einen unterschiedlichen Aufbau besitzen, so dass sich Kanalverengungen in der Tiefe ergeben oder umgekehrt .
Bei manchen Anwendungsfällen, z.B. bei der Verwendung in einem Katalysator, ist es von Vorteil, wenn das Filtermedium und die Drainageelemente beschichtet sind. Vorteilhafterweise wird eine solche Beschichtung vor dem Falten und Verpressen der Filterelemente eines Filterblocks am jeweiligen Rohmaterial durchgeführt. Es ist auch eine selektive Beschichtung, d.h nur in bestimmten Flächenbereichen denkbar.
Falls die Filtereinheit, die Drainageelemente und Filtermedium umfasst, aus Metall oder einem anderen leitfähigen Material besteht, kann dieser Filterblock durch Anlegen elektrischer Spannung beheizt werden. Insbesondere bei der Verwendung als Rußfilter hat das den Vorteil, dass ein Reinigen von zurückgehaltenen Rußpartikeln durch Abbrennen unabhängig von den Betriebszuständen des Motors erfolgen kann.
Durch den beschriebenen kompakten Aufbau des Partikelfilters über Stabilisierungsmittel, die eine starre oder fast starre Struktur herbeiführen kann bei der Verwendung als Rußfilter
z.B. für die Abgase einer Dieselverbrennungsmaschine zudem eine deutliche Geräuschminimierung der austretenden Gase erreicht werden. Damit besteht die Möglichkeit auf einen separaten Schalldämpfer im Abgasstrang zu verzichten. Die Filtereinheit hat neben der Filterationswirkung somit auch einen Geräuschdämpfungseffekt und kann die Aufgaben eines Schalldämpfers übernehmen.
Außerdem vorteilhaft ist es, wenn die umgebogenen Bereiche bzw. Kantenbereiche der Faltenstruktur (der Faltenbug) mit Verstarkungsmitteln versehen sind. Hierdurch lässt sich die Steifigkeit der Filtereinheit noch weiter verbessern. Als Verstärkungsmittel eignet sich z.B. eine Beschichtung des Faltenbugs mit Lot und/oder Pulver. Alternativ oder zusätzlich kann der Faltenbug auch durch Einlegen von Aussteifungsmitteln, z.B. eines Runddrahtes verstärkt werden.
Durch den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Partikelfilters mit seiner hohen Stabilität und der Möglichkeit den Filter weitgehend automatisiert und damit preisgünstig herzustellen, ist dieser Filter prädestiniert für die Automobilindustrie, insbesondere als Rußfilter.
Zeichnungen :
Mehrere Zeichnungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten nachstehend näher erläutert . Es zeigen
Figur 1 einen Partikelfilter in einer stark schematisierten Draufsicht,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A- A durch den Partikelfilter gemäß Figur 1,
Figur 3a in einer schematisierten Draufsicht einen weiteren Partikelfilter,
Figur 3b einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-- B durch den Partikelfilter gemäß Figur 3a,
Figur 4 den prinzipiellen Aufbau eines Filtermediums mit Drainageelementen in Schnittdarstellung,
Figur 5 eine weitere Aus ührungsform eines Filtermediums mit Drainageelementen in einer Ansicht gemäß Figur 4 und
Figur 6a einen Ausschnitt eines und 6b Filtermediumverlaufes in einer geschnittenen Seitenansicht (Figur 6a) mit stark vergrößerten Geometrien des Drainageelements in zwei Bereichen Bl und B2 , die in Figur 6b übereinandergelegt sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
In Figur 1 und 2 ist ein Partikelfilter 1, z.B. ein Rußfilter mit schematisch eingezeichneten Strömungspfeilen 2, 3 zur Symbolisierung eines Gasstromes dargestellt, der einen Filterblock 4 mit einem Zuströmraum 5 und einem Abströmraum 6 in einem Gehäuse 7 umfasst. Der Filterblock 4 besteht aus einem im Querschnitt gemäß Figur 2 maanderförmig verlaufendem Filtermedium 8 das zusammen mit symbolisch dargestellten Drainagelagen 9, z.B. in Form eines Gewebes, zu einer im Wesentlichen starren Einheit verbunden ist. In Figur 2 ist durch die Wellenlinien z.B. ein Längsdraht 10 und mit den
Punkten ein Querdraht 11 im Querschnitt der jeweiligen Drainagelage 9 symbolisiert.
Die Pfeile 2 veranschaulichen das Einströmen von Gas in den Zustrδmraum 5 und die Pfeile 3 das Ausströmen des gefilterten Gases nach Durchströmen des Filterblocks 4 im Abströmraum 6.
Bei konstantem Querschnitt der Zu- und Abströmräume 5, 6 wird die Strömungsgeschwindigkeit zunehmend kleiner, was zu einem veränderten Filtrationsverhalten entlang des Filterblocks 4 führen kann.
In Figur 3a ist ein Partikelfilter 12 dargestellt, der bei sonst gleichem Aufbau wie der Partikelfilter 1 einen Zuströmraum 13 besitzt, der sich im Querschnitt in Strömungsrichtung verkleinert und eine Abströmraum 14 aufweist, der von einem kleinen Strömungsquerschnitt beginnend sich in Strömungsrichtung aufweitet .
Durch diese Maßnahme kann die Strömungsgeschwindigkeit an jeder Stelle durch den Filterblock gleich eingestellt werden, obwohl ein Teil des Stromes bereits in den Filterblock eingeströmt ist.
In gleicher Weise kann eine Verjüngung des Querschnitts des Filtermediums 8 in Strömungsrichtung in Faltentiefe des Filtermediums 8 betrachtet eine gleichmäßige Durchströmung des Filtermediums 8 bewirken (siehe Figur 6a) . Um eine solche Geometrie des Filtermediums 8 im Querschnitt, d.h. entsprechend der Darstellung wie in Figur 2, zu erreichen, verkleinert sich in zunehmendem Maße die Höhe des Drainagegewebes von hx auf h2, wie in Figur 6b durch die übereinandergelegten Ausschnitte des Drainagegewebes 15 in den Bereichen Bl bzw. B2 von Figur 6a verdeutlicht ist. Bei sonst unveränderten Volumen des entsprechenden Filterblocks 4 entsteht auf der Auslassseite 16 des Filtermediums 8 eine
entsprechende Gegenstruktur, die sich in Strömungsrichtung 17 zunehmend aufweitet. Dies begünstigt zudem ein homogenes Durchströmen des Filtermediums 8.
In Figur 3b ist der Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch den Partikelfilter 12 dargestellt. In dieser Schnittansicht wird deutlich, dass im Zuströmraum 13 einströmendes zu reinigendes beispielsweise Abgas einer Dieselmaschine, die offenen Bereiche 18 des maanderförmig gelegten Filtermediums 8 sieht bzw. in dieses einströmt, wobei diese Bereiche durch Drainagegewebe 20 ausgesteift sind. Dabei hat das Drainagegewebe 20 nicht nur Aussteifungszwecke sondern hilft ebenfalls der Ablagerung bzw. beim Herausfiltern von Partikeln. Alternierend zu den offenen Bereichen 18 sind die Faltenbüge 19 angeordnet (siehe hierzu auch Figur 4 und Figur 5) , die verschlossen sein können, z.B. durch Lot, um deren Stabilität zu erhöhen, oder auch zur Filterung beitragen.
In Figur 4 ist in einer vergrößerten Schnittansicht quer zum Schnitt entlang der Schnittlinie B-B das Filtermedium 8 mit Drainagelage 9 in Form eines Metallgewebes dargestellt. Das Metallgewebe besteht aus Längs- und Querdrähten 10, 11. Durch eine alternierende Verwebung mit unten und oben liegendem Querdraht liegt die Drainagelage 9 punktuell am Filtermedium 8 an.
In Figur 5 sind in einer vergleichbaren Darstellung Drainagelagen 20 abgebildet, bei welchem das Gewebe z.B. in einer Richtung eine Köperbindung von 2:2 aufweist, d.h. zwei Drähte 21 auf einer Seite und zwei Drähte 22 auf der gegenüberliegenden Seite getrennt durch einen Längsdraht 23.
Dabei ist in Figur 5 nur beispielhaft eine Köperbindung von 2:2 dargestellt. Es sind andere Köperbildungen möglich, z.B. 3:3, 4:1 USW..
Eine weitere Variante für ein Drainagegewebe ist ein Gewebe mit einer Atlasbindung, z.B. von 4:1. Dieses Gewebe hat den Vorteil einer großen Dicke im Verhältnis zum Drahtdurchmesser, z.B. Dicke = 3 x Drahtdurchmesser. Hierdurch wird der Raum zwischen den Filtermediumebenen vergrößert, was eine verbesserte Durchströmung ermöglicht. Zudem lässt sich hierdurch eine weitgehend glatte Oberfläche erzeugen, wodurch die Anlage von einem Filtermedium verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste :
1 Partikelfilter 2 Strömungspfeil 3 Strömungspfeil 4 Filterblock 5 Zuströmraum 6 Abströmraum 7 Gehäuse 8 Filtermedium 9 Drainagelage 10 Längsdraht 11 Querdraht 12 Partikelfilter 13 Zuströmraum 14 Abströmraum 15 Drainagegewebe 16 Auslassseite 17 Strömungsrichtung 18 offener Bereich 19 Faltenbug 20 Drainagelage 21 Draht 22 Draht 23 Draht