DE4206812C2 - Motorabgasfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen im Abgas von Dieselmotoren.

Einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen im Abgas von Dieselmotoren of­ fenbart zum Beispiel die japanische Patentveröffentlichung 56-124417.

Dieser Filter besteht aus einer Vielzahl sehr kleiner Flußkanäle, die in Fluß­ richtung des Abgases in einem Keramikblock angeordnet sind. Die stromauf­ wärts und stromabwärts liegenden Enden benachbarter Flußkanäle sind ab wechselnd geschlossen. Abgas tritt in den Flußkanal ein, dessen stromauf­ wärts liegendes Ende offen ist, dringt durch eine die Flußkanäle trennende keramische Wand in den benachbarten Flußkanal, tritt am stromabwärts lie­ genden Ende dieses Flußkanals aus und strömt weiter stromabwärts. Feine Teilchen im Abgas können die keramische Wand nicht durchdringen und sammeln sich deshalb im Filter an. Diese angesammelten Teilchen verbren­ nen, sobald das Abgas bei belastetem Motor hohe Temperaturen erreicht, so daß der Filter regeneriert wird.

Derartige Filter, deren Wirkungsweise auf der Porosität eines Keramikmateri­ als beruht, haben eine sehr hohe Einfangrate für feine Teilchen. Es wird je­ doch auch Asche, wie zum Beispiel Oxyde von Öladditiven, eingefangen, die nicht verbrannt werden kann und somit dazu neigt, den Filter zu verstopfen.

Die japanische Patentveröffentlichung 62-45309 beschreibt einen Ablage­ rungsfilter.

Dieser Filter benutzt ein Filterelement aus einem dreidimensional offenpori­ gen Keramikschaum mit einer großen Anzahl kompliziert geformter, kleiner, aus zusammenhängenden Blasen gebildeter Flußkanäle. Wenn Abgas durch diese Flußkanäle strömt, werden feine Teilchen an den Wänden der Flußka­ näle abgelagert. Außerdem hat der Keramikschaum eine zylindrische oder Tassenform zum Vergrößern der Abgaseinlaßfläche.

Allerdings haben derartige Ablagerungsfilter grundsätzlich eine niedrige Ein­ fangrate für feine Teilchen, und da eine genügend große, mit dem Abgas in Kontakt stehende Filterfläche benötigt wird, sind diese Filter oft unhandlich groß. Obwohl dieser Filter nur schwer durch Asche verstopft wird, werden abgelagerte feine Teilchen als schwarzer Rauch in die Umwelt geblasen, so­ bald der Abgasdruck durch starkes Beschleunigen des Motors ansteigt.

Da darüber hinaus beide oben erwähnten Filtertypen Keramikmaterial ver­ wenden, neigen sie dazu, durch die bei der Verbrennung ungleichmäßig ver­ teilter feiner Teilchen entstehenden thermischen Spannungen zu zerbre­ chen, so daß sie nicht sehr haltbar sind.

DE 29 37 757 A1 beschreibt eine Siebgewebeanordnung aus Metall, die als Strukturteil sowohl für Abgaskatalysatoren als auch für Abgasfilter vorgesehen ist und die in der Anwendung als Abgasfilter dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegt. Diese Siebgewebeanordnung weist eine glatte erste Metall­ platte und eine gewellte zweite Metallplatte mit einer netzartigen Struktur auf. Diese Metallplatten sind abwechselnd übereinandergeschichtet und bil­ den mehrere koaxiale Zylinder, die koaxial in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet sind. Die siebförmige gewellte Metallplatte ist so geformt, daß das Wellenprofil an einem Ende dem Wellenprofil am anderen Ende entgegenge­ setzt ist, so daß in den Wellentälern keine durchgehenden Strömungskanäle gebildet werden, sondern das Abgas zwangsweise durch das Siebmaterial hin­ durchtreten muß. Auch hier besteht deshalb ähnlich wie bei Keramikfiltern die Gefahr der Verstopfung des Filtermaterials.

Aus DE 39 23 094 ist ein Katalysator-Trägerkörper bekannt, der mehrere zy­ lindrische, zueinander koaxiale Wellbandlagen aufweist. Diese Wellbandlagen sind abwechselnd derart orientiert, daß die zueinander offenen Wellentäler zweier aneinandergrenzender Lagen einander kreuzen. Auf diese Weise wer­ den in dem Katalysator Querrinnen gebildet, die eine erhöhte Turbulenz in der katalytisch zu reinigenden Abgasströmung hervorrufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasfilter nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 zu schaffen, der es gestattet, die eingefangenen feinen Teilchen gleichmäßig im gesamten Filterelement zu verteilen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgasfilter ist die gewellte, netzartige Metall­ platte in Längsrichtung des Filterelements in eine Vielzahl von Streifen un­ terteilt, in denen die Wellenkämme und -täler jeweils abwechselnd in entge­ gengesetzte Richtungen zur Längsachse des Filterelements geneigt sind.

Die Wellentäler bilden somit Strömungskanäle, die dem durchströmenden Abgas einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand entgegensetzen, jedoch auf der Länge des Filterelements mehrmals ihre Richtung ändern, so daß die mitgeführten Partikel abgeschieden werden und sich im wesentli­ chen gleichmäßig verteilt in den die Strömungskanäle begrenzenden netzar­ tigen Strukturen verfangen. Auf diese Weise kann auch bei feinen Teilchen das Ausblasen in die Umwelt vermieden werden. Weiterhin wird durch die Ausbildung des Filterelements aus Metall eine erhöhte Haltbarkeit erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die gewellte zweite Metallplatte kann aus einer flachen Platte mit einer Viel­ zahl von Schlitzen bestehen, die in Querrichtung der Schlitze auseinanderge­ zogen ist. Wahlweise kann es sich auch um eine Platte mit einer Vielzahl klei­ ner Löcher handeln.

Die erste Metallplatte kann ein ähnliches Netzwerk wie die zweite Metall­ platte aufweisen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ab­ gasfilter;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fil­ terelements;

Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Filterelements;

Fig. 4 zeigt den Grundriß einer zweiten Metallplatte eines erfindungs­ gemäßen Filterelements;

Fig. 5 ist ein vergrößerter Grundriß eines Teils einer zweiten Metall­ platte eines erfindungsgemäßen Filterelements und veranschau­ licht eine Methode zur Herstellung der zweiten Metallplatte;

Fig. 6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines erfindungs­ gemäßen Filterelements und zeigt die Strömung des Abgases;

Fig. 7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zweiten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filterelements;

Fig. 8 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines dritten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filterelements;

Fig. 9 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines vierten Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filterelements.

In dem in Fig. 1 gezeigten Abgasfilter ist ein zylindrisches Filterelement 4 mit einem Dämpfungsmaterial 5 koaxial in einem zylindrischen Gehäuse 1 gehalten.

Das Gehäuse 1 ist an einem Ende mit einem konischen Einlaß 1a und am an­ deren Ende mit einem ähnlich geformten Auslaß 1b versehen.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, besteht das Filterelement 4 aus einer ersten Me­ tallplatte 6 und einer darüber liegenden zweiten Metallplatte 7, die zu einem Zylinder zusammengerollt sind.

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, ist die erste Metallplatte 6 flach, und ihre Breite entspricht der Länge des Filterelements 4 in axialer Richtung.

Die zweite Metallplatte 7 entsteht aus einem Maschenblech, dem mit einer Zahnradwalze Wellen so eingeprägt werden, daß die Wellenkämme und -tä­ ler in einem vorbestimmten Winkel zur Längsachse des Filterelements 4 ver­ laufen.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Metallplatte 7 in vier gleich breite Streifen 7a, 7b, 7c, 7d geteilt, und die Wellenkämme und -täler benach­ barter Streifen weisen abwechselnd in verschiedene Richtungen, wie Fig. 4 zeigt. In dieser Figur bezeichnet die Linie A einen Wellenkamm und die Linie B ein Wellental.

Wie Fig. 5 zeigt, wird die zweite Metallplatte 7 dadurch hergestellt, daß eine dünne Metallplatte mit einer Vielzahl von gegeneinander versetzten Schlitzen 9 versehen wird, und dann die Platte in Richtung C-C senkrecht zu den Schlitzen 9 auseinandergezogen wird, so daß ein rautenförmiges Gitter ent­ steht.

Die zweite Metallplatte 7 mit den Steifen 7a-7d wird auf die erste Metallplat­ te 6 in der in Fig. 4 gezeigten Weise gelegt. Die beiden Platten 6 und 7 wer­ den zu einem Zylinder zusammengerollt und durch Punktschweißen oder ähnliches fest miteinander verbunden. Danach wird ein Katalysator auf die Oberfläche der Metallplatten 6 und 7 aufgebracht.

Die erste Metallplatte 6 kann ebenso wie die zweite Metallplatte 7 in vier gleich breite Teile geteilt und sodann paarweise mit den Streifen 7a-7d zu einzelnen Zylindern zusammengefügt werden, die anschließend in axialer Richtung aneinandergesetzt werden.

Wie Fig. 3 zeigt, wird in diesem Filterelement 4 eine Vielzahl von kleinen Flußkanälen 8 durch die erste Metallplatte 6 und die Wellenkämme und -tä­ ler der zweiten Metallplatte 7 gebildet. Diese kleinen Flußkanäle 8 sind in Bezug auf die Längsachse des zylindrischen Filterelements 4 spiralförmig ge­ neigt, wobei die Neigungsrichtung benachbarter Streifen 7a-7d wechselt.

Abgas tritt durch den Einlaß 1a in das Gehäuse 1 ein, strömt in axialer Rich­ tung durch das Filterelement 4 und verläßt den Filter durch einen Auslaß 1b. Wie in Fig. 6 gezeigt wird, tritt bei dem Filterelement 4 das Abgas in die gro­ ße Zahl der kleinen, durch den Streifen 7a gebildeten Flußkanäle 8 unter ei­ nem schrägen Winkel ein, wie der Pfeil G zeigt. Dadurch dringt ein Teil des Abgases durch das Netz des Streifens 7a und strömt so in Richtung des Pfeils G1 quer zum Flußkanal 8. Der Großteil des Abgases strömt allerdings in Rich­ tung des Pfeils G2 den Flußkanal 8 entlang. Diese beiden durch G1 und G2 gekennzeichneten Ströme treffen aufeinander und führen so zu einer turbu­ lenten Strömung.

Diese Strömung tritt in den nächsten, durch den benachbarten Streifen 7b gebildeten Flußkanal 8. der einen anderen Neigungswinkel hat. Da die Rich­ tung der Eintrittsströmung von der Richtung des Flußkanals 8 verschieden ist, wird die Eintrittsströmung erneut in eine Strömung längs des Flußkanals 8 und in eine Strömung durch den Streifen 7b hindurch geteilt.

Dadurch wird im Filterelement 4 eine sehr komplexe Strömung erzeugt, die zur Folge hat, daß das Abgas sehr viele Möglichkeiten hat, mit der zweiten Metallplatte 7 und der ersten Metallplatte 6 in Kontakt zu kommen. Wenn Abgas entweder durch die zweite Metallplatte 7 hindurchströmt oder wenn es mit der ersten Metallplatte 6 oder der zweiten Metallplatte 7 in Kontakt kommt, werden Kohlenstoff und andere feine Teilchen effektiv abgelagert und gesammelt. Darüber hinaus führt die Turbulenz des Abgases zu einer ho­ hen Kontaktrate mit dem auf die Oberfläche der Metallplatten 6 und 7 aufge­ brachten Katalysator, so daß eine hohe Regeneration und katalytische Abgas­ reinigung erreicht werden.

Da dieser Ablagerungsfilter Metallnetzplatten verwendet, findet übermäßige Ansammlung von Teilchen kaum statt. Die nach Verbrennen der feinen Teil­ chen zurückbleibende Asche wird durch die Strömung des Abgases leicht ausgeblasen, so daß es kaum ein Verstopfen des Filterelements 4 durch Asche gibt.

Auf der anderen Seite werden selbst feine Teilchen, die im Filterelement 4 abgelagert und aufgrund starker Motorbeschleunigung ausgeblasen werden, durch die Turbulenz des Abgases leicht wieder weiter stromabwärts eingefan­ gen. Als Ergebnis dieses langsamen Ausblasens werden die feinen Teilchen weiträumig im gesamten Filterelement 4 verteilt und so der Ausstoß aus dem Filterelement 4 heraus erschwert.

Wenn feine Teilchen durch die Hitze des Abgases verbrannt werden, kann wegen der ungleichmäßigen Verteilung der Teilchen eine ungleichmäßige Wärmeverteilung entstehen. Da aber das gesamte Filterelement 4 eine Metall­ konstruktion ist, besteht keine Gefahr der Zerstörung durch thermische Spannungen.

Da das Filterelement 4 aus dünnen Metallplatten besteht, hat es eine geringe Wärmekapazität, so daß seine Temperatur schnell ansteigt. Dadurch wird die Regeneration des Filterelements 4 durch die Hitze des Abgases schnell durchgeführt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Katalysator auf die Oberfläche der Me­ tallplatten 6 und 7 aufgebracht.

Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Darin ist die erste Metallplatte 6 ähnlich wie die zweite Metallplatte 7 eine Metallnetzplatte. Dadurch steigen die Ströme des Abgases durch die kleinen Flußkanäle 8 und die Einfangrate für feine Teilchen durch die erste Metallplatte 6.

Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, worin das Netz aus einer Vielzahl kleiner Löcher 10 in der zweiten Metallplatte 7 gebildet wird.

Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. In diesem Fall haben die erste Metallplatte 6 und die zweite Metallplatte 7 ein Netzwerk aus kleinen Lö­ chern 10. Bei der Verwendung derartiger Metallplatten wird die Stabilität des Filterelements 4 erhöht.

Claims (6)

1. Abgasfilter zum Einfangen feiner Teilchen in Motorabgasen, mit einem zylindrischen Gehäuse (1), das einen Abgaseinlaß (1a) und einen Abgasauslaß (1b) aufweist, und einem im Gehäuse (1) untergebrachten Filterelement (4), das eine flache erste Metallplatte (6) und eine gewellte zweite Metallplatte (7) mit einer netzartigen Struktur aufweist, die zu einem koaxial im Gehäuse angeordneten Zylinder zusammengerollt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallplatte (7) in Richtung der Längsachse des Filterelements (4) in eine Vielzahl von Streifen (7a, 7b, 7c, 7d) aufgeteilt ist, und daß die Wellen­ kämme (A) und -täler (B) benachbarter Streifen (7a, 7b, 7c, 7d) abwechselnd in verschiedenen Richtungen schräg zur Längsachse des Zylinders verlaufen.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallplatte (7) aus einer flachen Platte mit einer Vielzahl von Schlitzen (9) hergestellt ist, die in Querrichtung (C-C) der Schlitze (9) auseinandergezogen ist.

3. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallplatte (7) eine flache Platte mit einer Vielzahl kleiner Löcher (10) ist.

4. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallplatte (6) eine flache Platte mit einer netzartigen Struk­ tur ist, die der netzartigen Struktur der zweiten Metallplatte (7) ähnlich ist.

5. Abgasfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallplatte (6) eine flache Platte mit einer Vielzahl kleiner Lö­ cher (10) ist.

6. Abgasfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lochmu­ ster der ersten Metallplatte (6) dem der zweiten Metallplatte (7) ähnlich ist.