DE19503067A1 - Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln aus dem Abgas eines Dieselmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Zur Minderung der NO_x-Emissionen eines Dieselmotors ist es bekannt, der Frischluft des Dieselmotors gekühltes Abgas beizufügen. Vor der Vermischung des Abgases mit der Frischluft muß das Abgas gereinigt werden, da es sonst zu unerwünschten Ölstandszeitverkürzungen, Verschmutzung des Dieselmotors und erhöhtem Verschleiß kommt. Kondensierende Bestandteile im Abgas können Kühleinrichtungen, wie z. B. Wärmetauscher, verschmutzen und zu verschlechtertem Wärmeaustausch führen, wobei kondensierende, saure Bestandteile auch chemisch mit den Wärmetauschern reagieren, so daß die Wärmetauscher relativ schnell verschleißen.

Bekannt ist aus der DE-OS 41 09 227 ein Abgasfilter zur Beseitigung von schädlichen Bestandteilen aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors, der zusätzlich als Wärmetauschkörper für das zu reinigende Abgas ausgebildet ist. Das Abgasfilter ist mit vom Abgas durchströmten Wärmetauscherrohren durchsetzt, um gleichmäßige Betriebstemperatur des Abgasfilters zu erreichen. Nachteilig bei dem Abgasfilter gemäß dem genannten Stand der Technik ist, daß die verschmutzten Abgase die Wärmetauscher­ rohre beaufschlagen und diese mit der Zeit daher von einer Schmutzschicht überzogen werden, so daß der Wärmaustausch beeinträchtigt wird. Die verschmutzten Abgase beaufschlagen die innere Oberfläche der Wärmetauscherrohre vollständig und die äußere Oberfläche der Wärmetauscherrohre teilweise, so daß die Verschlechterung des Wärmeaustausches sowohl von innen und außen erfolgt. Die kreisförmigen Oberflächen der Wärmetauscher bedingen eine relativ geringe Fläche für den Wärmeaustausch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors zu schaffen, in den Wärmetauscher zur Kühlung des Abgases aus dem Dieselmotor integriert sind, die nicht verschmutzen, hohe Betriebsstandzeiten und gute Wärmeaustauscheigenschaften aufweisen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Abgasfilter zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Abgasfilter eines Dieselmotors mit Wärmetauschern versehen, in denen eine Wärmetauschflüssigkeit enthalten ist, die an inneren Oberflächen der Wärmetauscher keine Ablagerungen ergibt. Die Wärmetauscher sind von metal­ lischen Filtern aus vorzugsweise plattenförmigen Elementen vollständig umgeben, die in der Summe große Oberflächen ergeben und aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zu hohem Wärmeaustausch beitragen, so daß verschmutztes Abgas aus dem Dieselmotor beim Durchströmen der plattenförmigen Elemente auch gekühlt und von Partikeln und kondensierenden Abgasbestandteilen gereinigt wird. Gemäß der Erfindung sind die metallischen Filter den Wärmetauschern vorgeschaltet, so daß nur gereinigtes Abgas an die äußere Oberfläche der Wärmetauscher gelangt. Vorzugsweise ist die Filter- Wärmetauscher-Einheit in einer Abgasrückführleitung zur Kühlung eines der Frischluft zugeführten Abgasstroms angeordnet.

Die metallischen Filter sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasfilters aus chemisch sehr beständigem Sintermetall gefertigt, das zweckmäßigerweise austenitischen Stahl oder Nickellegierung enthält, so daß korrosive Angriffe auf die metallischen Filter unschädlich sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Wärmetauscher parallele Rohre, die von metallischen Filtern aus gefalteten, plattenförmigen Elementen vollständig umgeben sind. Abgas aus dem Dieselmotor kann mit der äußeren Oberfläche der parallelen Rohre des Wärmetauschers erst in Berührung kommen, nachdem das verschmutzte Abgas die metallischen Filter aus gefalteten, plattenförmigen Elementen passiert hat, wobei es von Partikeln und kondensierenden Abgasbestandteilen gereinigt wird. Danach gelangt das Abgas zu den äußeren Oberflächen der parallelen Rohre des Wärmetauschers, wird weiter gekühlt und strömt von da zu einem Ableitungskanal aus dem Filtergehäuse für gereinigtes Abgas.

Zur Verbesserung des Wärmeaustauschs in dem erfindungsgemäßen Abgasfilter sind die gefalteten, plattenförmigen Elemente des metallischen Filters an die Wärmetauscher gelötet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmetauscher plattenförmig. Metallische Filter aus Sintermetallplatten sind parallel zu den plattenförmigen Wärmetauschern angeordnet und umgeben die Wärmetauscher vollständig Verschmutztes Abgas aus dem Dieselmotor durchströmt die metallischen Filter aus Sintermetallplatten, wobei es von Partikeln und kondensierenden Abgasbestandteilen gereinigt wird. Das Abgas wird an den plattenförmigen Wärmetauschern gekühlt und strömt weiter zu einem Ableitungskanal aus dem Filtergehäuse für gereinigtes Abgas.

Vorzugsweise ist Wasser in den Wärmetauschern des Abgasfilters gemäß der Erfindung enthalten, das im Kühlkreislauf des Dieselmotors bereits verfügbar ist, oder Polysiloxan, das als hochtemperaturfestes Wärmetausch-Öl auch bei erhöhten Temperaturen am Wärmetauscher seinen Siedepunkt nicht erreicht oder überschreitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasfilters weisen die metallischen Filter eine elektrische Heizvorrichtung auf, so daß nach einer bestimmten Laufzeit die Temperatur der mittlerweile verschmutzten, metallischen Filter so weit erhöht werden kann, daß zurückgehaltener Ruß abgebrannt wird. Vorzugsweise ist die elektrische Heizvorrichtung im Sintermetall integriert, so daß die gute Wärmeleitfähigkeit des Sintermetalls für die elektrische Heizvorrichtung genutzt ist. In diesem Fall ist gemäß der Erfindung in den Wärmetauschern vorzugsweise elektrisch isolierendes Polysiloxan enthalten. Alternativ können aber auch elektrische Heizdrähte um die metallischen Filter angebracht werden.

Die erfindungsgemäßen Abgasfilter können metallische Filter enthalten, die katalytisch beschichtet sind, so daß Ruß bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von den metallischen Filtern abgebrannt wird, und damit die Überhitzungsgefahr der Wärmetauscherflüssigkeit, die Wärmeverluste an die Wärmetauscherflüssigkeit und die Temperatur des gereinigten Abgas reduziert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Abgasfilter kann die Zufuhr der Wärmetauscherflüssigkeit zu einigen Wärmetauschern wahlweise abgeschaltet oder gedrosselt werden, so daß diese Wärmetauscher bei der Verwendung von Wasser als Wärmetauscherflüssigkeit vor dem Abbrennen des Rußes entleert werden können und Sieden im Wärmetauscher vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird Ruß nur von einigen und nicht von allen metallischen Filtern des erfindungsgemäßen Abgasfilters gleichzeitig abgebrannt, so daß sich die Temperatur des gereinigten Abgases insgesamt beim Abschalten der Wärmetauscherflüssigkeit durch die zugehörigen Wärmetauscher nur tolerierbar erhöht. Bei der Verwendung von Wärmetauscherflüssigkeit mit hohem Siedepunkt, wie beispielsweise Polysiloxan, brauchen die Wärmetauscher der metallischen Filter, von denen Ruß abgebrannt wird, nicht wegen Siedens der Wärmetauscherflüssigkeit abgeschaltet werden, sondern können vorzugsweise weiter gedrosselt durchströmt sein, insbesondere wenn die Rußzündtemperatur durch katalytische Beschichtung der metallischen Filter herabgesetzt ist.

Die Wärmetauscher können gemäß der Erfindung mit flexiblen Ab- und Zuleitungen ausgestattet sein, so daß diese nicht abgebaut werden müssen, wenn nach einer gewissen Laufzeit der erfindungsgemäße Abgasfilter vom Abgas abgetrennt wird, und im Gegenstrom eine Reinigungslösung durch die metallischen Filter geführt wird, um diese von nichtbrennbaren Ablagerungen zu reinigen.

Zufuhr- und Ableitungskanal für das Abgas des erfindungsgemäßen Abgasfilters sind abtrennbar, so daß Leitungen für die Reinigungslösung an das Abgasfilter angeschlossen werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Abgasfilter mit Wärmetauschern aus parallelen Rohren,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Segment eines Rohres eines Wärmetauschers mit metallischem Filter,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Abgasfilters mit plattenförmigen Wärmetauschern, in Richtung der in Fig. 4 eingezeichneten Schnittlinien III-III gesehen,

Fig. 4 eine Sintermetallplatte, in Richtung der in Fig. 3 eingezeichneten Schnittlinien IV-IV gesehen und

Fig. 5 einen plattenförmigen Wärmetauscher, in Richtung der in Fig. 3 eingezeichneten Schnittlinien V-V gesehen,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Abgasfilters in Richtung der in Fig. 4 eingezeichneten Schnittlinien VI-VI gesehen.

Fig. 1: Ein Abgasfilter 1 in einer Auspuffanlage, z. B. in der Abgasrückführleitung eines Dieselmotors (nicht dargestellt) weist einen Zufuhrkanal 2 zu einem Filtergehäuse 3 für verschmutztes Abgas und einen Ableitungskanal 4 aus dem Filtergehäuse 3 für gereinigtes Abgas auf. Vom Ableitungskanal 4 kann das gesamte oder ein Teil des gereinigten und gekühlten Abgases der Frischluft des Dieselmotors zugeführt werden.

Zuleitungen 5 in das Filtergehäuse 3 und Ableitungen 6 aus dem Filtergehäuse 3 für Wärmetauscherflüssigkeit, insbesondere Wärmetauscheröl, sind jeweils mit Wärmetauschern aus parallelen Rohren 7 verbunden. Die Zuleitungen 5 sind mit Absperr­ und/oder Drosselorganen 8 und Muffen 9 ausgestattet.

Metallische Filter 10 aus Sintermetall, wobei das Material zweckmäßigerweise aus austenitischem Stahl oder einer Nickellegierung besteht, sind mit einem Blech 11 und mit axial beweglichen Lagern 12 zum Ausgleich der Wärmedehnung der metallischen Filter 10 in dem Filtergehäuse 3 befestigt. Die metallischen Filter 10 umgeben die parallelen Rohre 7 vollständig. An der den Zuleitungen 5 zugewandten Seite der parallelen Rohre 7 ist ein Raum 14 zwischen metallischen Filtern 10 und parallelen Rohren z. B. durch ein Blech 13 verschlossen, während auf der den Ableitungen 6 zugewandten Seite der parallelen Rohre 7 der Raum 14 zwischen metallischen Filtern 10 und parallelen Rohren 7 offen ist. Auf der den Ableitungen 6 zugewandten Seite ist ein Raum 15 zwischen den metallischen Filtern 10 vom Blech 11 verschlossen. Das Filtergehäuse 3 ist mit einem Masseanschluß 16 geerdet.

Fig. 2: Das metallische Filter 10 weist gefaltete, plattenförmige Elemente 17 aus Sintermetall auf, das austenitischen Stahl oder Nickellegierung enthält. Die plattenförmigen Elemente 17 sind im wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rohre 7 gefaltet, und an Kontaktstellen 18 an die Rohre 7 gelötet.

Fig. 3, 4, 5, 6: In den Fig. 3 und 6 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur die in der Schnittebene liegenden Kanten dargestellt. Die hinter der Schnittebene liegenden, an sich auch sichtbaren Linien sind nicht gezeichnet. Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 und Fig. 2 gekennzeichnet. Das Abgasfilter 1 enthält plattenförmige Wärmetauscher 21, zwischen denen metallische Filter 10 aus Sintermetallplatten 22, die austenitischen Stahl oder Nickellegierung enthalten, angeordnet sind. Ein Zuführkanal (nicht dargestellt) für verschmutztes Abgas, ein Ableitungskanal (nicht dargestellt) für gereinigtes Abgas, und Zu- und Ableitungen für Wärmetauscherflüssigkeit (nicht dargestellt) sind an dem Abgasfilter 1 vorgesehen. Die aus Wärmetauscherplatten 60 gebildeten Wärmetauscher 21 schließen jeweils dicht an die Sintermetallplatten 22 an.

Die Sintermetallplatten 22 (Fig. 3, 4 und 6) grenzen mit Abschnitten 23 an den Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas an, mit Abschnitten 24 an den Ableitungskanal für gereinigtes Abgas, mit Abschnitten 25 an die Zuleitung und Abschnitten 26 an die Ableitung für Wärmetauscherflüssigkeit an. Im Bereich der Abschnitte 25 und der Abschnitte 26 der Sintermetallplatten 22 sind dichtende Ringe 27 angeordnet, die den Übertritt von Abgas verhindern. Von den Abschnitten 23 des Zufuhrkanals führen Öffnungen 41 in Ringen 50 das Abgas in Zwischenräume zwischen den Sintermetallplatten 22 zu den Abschnitten 24 in den Ableitungskanal. Um von den Abschnitten 23 am Zufuhrkanal zu den Abschnitten 24 am Ableitungskanal zu gelangen, muß das Abgas durch die Sintermetallplatten 22 und dann an den plattenförmigen Wärmetauschern 21 entlangströmen. Das in den Sintermetallplatten 22 gereinigte Abgas strömt durch Öffnungen 44 in Ringen 51, 52 in den Ableitungskanal. Die Ringe 51, 52 sind beispielsweise an einem radialen Rand mit mehreren über dem Umfang verteilten Aussparungen versehen, die die Öffnungen 44 bilden. Die Sintermetallplatten 22 weisen jeweils Umrandungen 31 auf, die den Austritt von Abgas aus dem Abgasfilter 1 verhindern.

Die plattenförmigen Wärmetauscher 21 (Fig. 3, 5 und 6) mit den Wärmetauscherplatten 60 enthalten jeweils Abschnitte 33, die an den Zufuhrkanal für verschmutztes Abgas, Abschnitte 34, die an den Ableitungskanal für gereinigtes Abgas, Abschnitte 35, die an die Zuleitung und Abschnitte 36, die an die Ableitung für Wärmetaucherflüssigkeit angrenzen. Die Abschnitte 35 der Zu- und die Abschnitte 36 der Ableitung für Wärmetauscherflüssigkeit des plattenförmigen Wärmetauschers 21 sind miteinander verbunden, während die Abschnitte 33 des Zufuhrkanals für verschmutztes Abgas und die Abschnitte 34 des Ableitungskanals für gereinigtes Abgas jeweils durch Ringe 37 getrennt sind. Die plattenförmigen Wärmetauscher 21 weisen jeweils eine Umrandung 39 auf, die den Austritt von Wärmetauscherflüssigkeit aus dem Abgasfilter 1 verhindert. Die plattenförmigen Wärmetauscher 21 und Sintermetallplatten können mit vergrößerten wellenförmigen Oberflächen 40 versehen sein.

Verfahren zum Betrieb des Abgasfilters 1

Abgas strömt aus der Auspuffanlage des Dieselmotors durch Zufuhrkanal 2 zu dem Filtergehäuse 3 des Abgasfilters 1.

Wärmetauscherflüssigkeit, insbesondere Wärmetauscheröl, fließt durch Zuleitungen 5 in das Filtergehäuse 3, und durch Wärmetauscher aus parallelen Rohren 7 und Ableitungen 6 aus dem Filtergehäuse 3. Die Zuleitungen 5 können mit Absperr- und/oder Drosselorganen 8 wahlweise von der Wärmetauscherflüssigkeit getrennt werden.

Das Abgas des Dieselmotors passiert im Filtergehäuse 3 die metallischen Filter 10, wobei es von Partikeln und kondensierenden Bestandteilen im Abgas gereinigt wird, streicht dann zur Kühlung an den parallelen Rohren 7 des Wärmetauschers entlang zu Öffnungen 20 eines Abgasaustritts und gelangt zu dem Ableitungskanal 4 aus dem Filtergehäuse 3 für gereinigtes Abgas.

Der Abgasfilter 1 gemäß Fig. 3 wird von an den Abschnitten 23 aus dem Zufuhrkanal zuströmendem verschmutztem Abgas durchströmt, das an den Abschnitten 24 als gereinigtes Abgas zu dem Ableitungskanal ausströmt. Sintermetallplatten 22 werden dabei vom Abgas entsprechend den Pfeilen 45 passiert und gereinigt, bevor das Abgas an den Wärmetauschern 21 vorbeiströmt und abgekühlt wird. Wärmetauscherflüssigkeit fließt von den Abschnitten 35 an der Zuleitung zu den Abschnitten 36 an der Ableitung für Wärmetauscherflüssigkeit der plattenförmigen Wärmetauscher 21.

Die metallischen Filter 10 sind zum Abbrennen von Ruß mit einer elektrischen Heizvorrichtung (nicht dargestellt) versehen, die in das Sintermetall integriert oder in der Form von Heizdrähten am metallischen Filter 10 angebracht sein kann. Die metallischen Filter 10 können zum Abbrennen von Ruß alternativ aber auch katalytisch beschichtet sein (nicht dargestellt). Werden nur einige der metallischen Filter 10 regeneriert, übernehmen die restlichen metallischen Filter 10 im Bypass die Kühlung und Filtrierung der Abgase. Die erhöhte Austrittstemperatur der Abgase aus den metallischen Filtern 10, die regeneriert werden, ist vertretbar, da diese Abgase mit den vollständig gekühlten Abgasen aus den metallischen Filtern 10 im Bypass vermischt werden und so die Kühlung der Abgase insgesamt ausreichend hoch ist.

Reinigungslösung kann vorzugsweise in Gegenstromrichtung durch die metallischen Filter (10) geleitet werden. Die Ab- und Zuleitung 5, 6 für die Wärmetauscher 7, 21 können flexibel sein. Der Zufuhr- und der Ableitungskanal 2, 4 für das Abgas sind abtrennbar sind und Leitungen für Reinigungslösung können an die metallischen Filter (10) angeschlossen werden.

Claims (12)

1. Abgasfilter (1) zur Beseitigung von Partikeln und kondensierbaren Bestandteilen aus dem Abgas eines Dieselmotors, insbesondere eines Dieselmotors mit Abgasrückführung, mit einem Zufuhrkanal (2) für verschmutztes Abgas zu einem Filtergehäuse (3), einem Ableitungskanal (4) aus dem Filtergehäuse (3) für gereinigtes Abgas, metallischen Filtern (10) im Filtergehäuse (3), die den Zufuhrkanal (2) mit dem Ableitungskanal (4) verbinden, und Wärmetauschern (7, 21), die an den metallischen Filtern (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg des Abgases die metallischen Filter (10) den Wärmetauschern (7, 21) vorgeschaltet sind, Zuleitungen (5) in das Filtergehäuse (3) und Ableitungen (6) aus dem Filtergehäuse (3) für Wärmetauscherflüssigkeit der Wärmetauscher (7, 21) vorgesehen sind, und die Wärmetauscher (7, 21) vollständig von den metallischen Filtern (10) umgeben sind.

2. Abgasfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Filter (10) plattenförmige Elemente (17, 22) aus Sintermetall aus vorzugsweise hochwarmfestem Material wie z. B. austenitischem Stahl oder Nickellegierung enthalten.

3. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetatischer parallele Rohre (7) enthalten, die von metallischen Filtern (10) aus gefalteten, plattenförmigen Elementen (17) vollständig umgeben sind.

4. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gefalteten, plattenförmigen Elemente (17) an die parallelen Rohre (7) gelötet sind.

5. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (21) plattenförmig sind, und metallische Filter (10) aus Sintermetallplatten (22) von den parallelen, plattenförmigen Wärmetauschern (21) vollständig umgeben sind.

6. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (7, 21) Wasser oder eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt wie z. B. Polysiloxan enthalten.

7. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Filter (10) eine elektrische Heizvorrichtung enthalten, die in das Sintermetall integriert ist oder elektrische Heizdrähte aufweist, die um die Wärmetauscher (7, 21) angeordnet sind.

8. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Filter (10) katalytisch beschichtet sind.

9. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Wärmetauscherflüssigkeit zu einigen Wärmetauschern (7) wahlweise mittels Absperr­ und/oder Drosselorganen (8) abgeschaltet oder gedrosselt werden, und die Temperatur der zugehörigen metallischen Filter (10) zum Abbrennen von Ruß wahlweise erhöht werden kann.

10. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- und Zuleitung (5, 6) für die Wärmetauscher (7, 21) flexibel sind.

11. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhr- und der Ableitungskanal (2, 4) für das Abgas abtrennbar sind und Leitungen für Reinigungslösung an die metallischen Filter (10) angeschlossen werden können.

12. Abgasfilter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasfilter (1) in der Abgasrückführleitung angeordnet ist.