DE4205357A1 - Motorabgasfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen aus Kohlen­ stoff und anderen Substanzen in Motorabgasen.

Einen Filter zum Einfangen feiner Teilchen aus Kohlenstoff und anderen Sub­ stanzen in Motorabgasen offenbart zum Beispiel die Japanische Patentveröf­ fentlichung 56-1 24 417.

Dieser Filter besteht aus einer Vielzahl sehr Kleiner Flußkanäle, die in Fluß­ richtung des Abgases in einem Keramikblock angeordnet sind. In jedem Paar benachbarter Flußkanäle sind das stromaufwärts liegende Ende des einen Flußkanals und das stromabwärts liegende Ende des anderen Flußkanals 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 im Filter an. Diese angesammelten Teilchen werden durch Verbrennung beseitigt, sobald das Abgas bei belastetem Motor hohe Tempera­ turen erreicht.

Da die Einfangrate derartiger Filter sehr hoch ist, besteht die Neigung, daß zu viele Teilchen eingefangen werden, und wenn diese nicht sofort verbrannt werden, besteht die Möglichkeit, da alle auf einmal verbrannt werden und so den Filter beschädigen.

Außerdem fangen Filter dieses Typs leicht Asche ein, die nicht verbrannt werden kann, wie zum Beispiel Oxyde von Öladditiven, und so dazu neigt, den Filter zu verstopfen.

Die Japanische Patentveröffentlichung 62-45 309 beschreibt einen Ablage­ rungsfilter. Dieser Filter benutzt einen keramischen Schaum mit einer Viel­ zahl kompliziert geformter, kleiner, aus zusammenhängenden Blasen gebilde­ ter Flußkanälen als Filterelementen. Wenn Abgas durch diese Flußkanäle strömt, werden feine Teilchen an den Wänden der Flußkanäle abgelagert. Der Keramikschaum hat eine zylindrische oder Tassenform zum Vergrößern der Einlaßfläche.

In der Japanischen Patentveröffentlichung 51-23 615 wird ein Filterelement offenbart, das aus einem Stapel dünner, hitzebeständiger Fiberplatten be­ steht, auf deren Oberfläche ein Katalysator aufgebracht wurde.

In derartigen Ablagerungsfiltern kann übermäßiger Teilcheneinfang nur schwer auftreten. Es werden aber viele Teilchen am Abgaseinlaß angesam­ melt, so daß es schwierig ist, eine gleichmäßige Verteilung eingefangener Teilchen im Filterelement zu erreichen. Darüber hinaus werden an den Stel­ len, an denen sich feine Teilchen ansammeln, Teilchen auf anderen Teilchen abgelagert, so daß die Ablagerungsleistung des Filters gesenkt wird und viele Teilchen als schwarzer Rauch in die Umwelt geblasen werden, sobald der Ab­ gasdruck durch starkes Beschleunigen des Motors ansteigt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, feine Teilchen gleichmäßig im ge­ samten Filterelement eines Ablagerungs-Abgasfilters einzufangen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung des Ausblasens feiner Teilchen aus einem Ablagerungs-Abgasfilter.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Abgasfilter mit ei­ nem zylindrischen Filterelement aus in radialer Richtung gestapelten Filter­ einheiten, die jeweils aus einer Anordnung einer flachen Metallmaschenplat­ te und einer Metallmaschenplatte in annähernd Rechteck-Wellenform beste­ hen, und mit einem Gehäuse zur Aufnahme dieses Filterelements, in dem das Filterelement derart gehalten ist, daß das Abgas in radialer Richtung vom In­ neren des Filterelements nach außen strömt.

Vorzugsweise besteht das Filterelement aus einer Anordnung einer flachen Metallmaschenplatte und zwei Sorten von Maschenplatten in Rechteck-Wel­ lenform.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen Katalysator zur Unterstützung der Ver­ brennung der feinen Teilchen auf die Oberfläche der Metallmaschenplatten anzubringen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Grundriß eines erfindungsgemäßen Abgasfilters;

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

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes Filterelement;

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt ähnlich wie in Fig. 3, al­ lerdings mit einer geänderten Stapelung der Filtereinheiten;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch Metallmaschenplatten eines er­ findungsgemäßen Filterelements.

Fig. 1 zeigt einen Abgasfilter mit einem Filterelement 5 in einem Gehäuse 1. Dieser Abgasfilter kann zum Beispiel im Auspuffsystem eines Dieselmotors eingebaut sein. Das Gehäuse 1 besteht aus einem zylindrischen Körper mit ei­ nem Abgaseinlaß 2 an einem Ende und einem am anderen Ende ange­ schweißten Deckel 3, der mit einem Abgasauslaß 4 versehen ist.

Das Filterelement 5 ist zylindrisch und wird durch eine zwischen das Ele­ ment 5 und den Deckel 3 gesetzte Feder 7 an den Einlaß 2 gedrückt. Die Fe­ der 7 liegt am Filterelement 5 an einer Federauflage 6 an. Das Element 5 wird mit einer Halterung 8 gegen die den Einlaß 2 umgebende Stirnseite des Gehäuses 1 gepreßt. Die dem Auslaß 4 zugewandte Seite des Filterelements 5 wird mit der Federauflage 6 verschlossen.

Das Filterelement 5 ist konzentrisch im Gehäuse 1 befestigt. Der äußere Durchmesser des Filterelements 5 ist so bestimmt, daß er um einen vorgege­ benen Wert kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses 1. Dadurch wird zwischen der äußeren Umfangsfläche des Filterelements 5 und der in­ neren Umfangsfläche des Gehäuses 1 ein Abgaskorridor 9 mit kreisringför­ migem Querschnitt gebildet. Das durch den Einlaß 2 in das Gehäuse 1 einge­ tretene Abgas strömt in das Innere des Filterelements 5, durchdringt in radi­ aler Richtung das Filterelement 5 bis in den Abgaskorridor 9 und strömt dann durch den Auslaß 4 in ein nicht gezeigtes Auspuffrohr.

Fig. 2 zeigt die Gestalt des Filterelements 5. Die Fig. 3 bis 5 zeigen den genauen Aufbau des Filterelements 5.

Das Filterelement 5 enthält eine Vielzahl von einschichtigen Filtereinheiten, die zylindrisch gestapelt sind und jeweils aus drei verschiedenen Metallma­ schenplatten 11, 12, 13 gebildet werden, wie Fig. 5 zeigt.

Die Metallmaschenplatten 11-13 bestehen jeweils aus einer dünnen Metall­ platte mit einer Vielzahl von Schlitzen, die in Querrichtung der Schlitze auf­ geweitet ist und so ein Netz bildet.

Wie Fig. 5 zeigt, ist die erste Metallmaschenplatte 11 flach. Die zweite Metall­ maschenplatte 12 ist der Metallmaschenplatte 11 ähnlich, außer daß sie in eine Rechteck-Wellenform gebogen ist, so daß Rinnen 12a mit gleichen Wei­ ten T in konstanten Abständen P in axialer Richtung des Filterelements 5 ge­ bildet werden. Die Weite T der Rinnen 12a beträgt ungefähr 1/4 des Abstan­ des P.

Die dritte Metallmaschenplatte 13 hat einen ähnlichen Aufbau wie die zweite Metallmaschenplatte 12, und ihre innen 13a haben dieselbe Höhe wie die Rinnen 12a. Der Abstand P′ der Rinnen 13a kann derselbe sein wie der Ab­ stand P der Rinnen 12a, aber in Anbetracht der geringen Differenz zwischen den Umfängen der Metallplatten 12 und 13, wenn diese in zylindrische Form gebogen sind, ist es vorteilhaft, daß der Abstand P′ etwas kleiner ist als der Abstand P. Die Weite T′ der Rinnen 13a beträgt ungefähr 1/4 des Abstandes P′.

Diese Metallmaschenplatten 11-13 werden so zusammengefügt, daß die Rin­ nen 12a der zweiten Platte 12 und die Rinnen 13a der umgedreht an die zweite Platte 12 gesetzten dritten Platte 13 in gleichen Abständen angeord­ net sind, wie Fig. 3 zeigt. Darüber hinaus sind diese Platten entweder einzeln oder nach dem Zusammenbau mit einer keramischen Beschichtung versehen, die einen Katalysator enthält.

Das Filterelement 5 besteht aus einer Vielzahl von einschichtigen Filterein­ heiten, die jeweils aus Metallmaschenplatten 11-13 wie oben beschrieben zu­ sammengesetzt sind, die Schicht für Schicht auf die äußere Umfangsfläche eines stabilen Metallmaschen-Innenrohres 14 gewickelt sind. Alternativ hier­ zu kann eine dieser Filtereinheiten in einer kontinuierlichen Spirale auf die äußere Umfangsfläche des Metallmaschen-Innenrohres 14 gewickelt werden, so daß eine Vielzahl von Schichten gebildet wird. Die auf das Innenrohr 14 gewickelten Filtereinheiten werden durch Punktschweißen befestigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, liegt in diesem Filterelement 5 eine dritte Metall­ platte 13 an der äußeren Umfangsfläche einer flachen ersten Metallplatte 11 einer inneren Filtereinheit an. Als Ergebnis liegen zwischen zwei und vier Metallplatten in radialer Richtung übereinander. Dies hängt ab von der Über­ lappung der Boden der Rinnen 12a und 13a der beiden aneinanderliegenden Filtereinheiten. Jede Schicht weist gleiche Lücken 16 auf.

Die Filtereinheiten können auch in einer anderen Art und Weise gestapelt werden, wie Fig. 4 zeigt. In dieser Anordnung gibt es einige Stellen, an denen die Lücken 16 in verschiedenen Schichten nur durch die erste Metallplatte 11 voneinander getrennt sind.

Das Abgas strömt auf seinem Weg vom Zentrum des Filterelements 5 nach au­ ßen durch diejenigen Stellen, an denen weniger Metallplatten 11-13 über­ einander liegen, d. h. durch die Stellen mit einem niedrigeren Strömungswi­ derstand, wie die Pfeile in den Fig. 3 bzw. 4 zeigen. Deshalb strömt das Abgas nicht auf direktem Weg radial nach außen, sondern umströmt in Um­ fangsrichtung auf vielen verschiedenen Wegen die Stellen, an denen viele Me­ tallplatten 11-13 gestapelt sind. Das Abgas muß deshalb wesentlich länger durch das Filterelement 5 strömen als bei dem direkten Weg radial nach au­ ßen.

Selbst beim Ausblasen von anfänglich im Filterelement 5 abgelagerten feinen Teilchen durch starke Beschleunigung des Motors werden nicht alle Teil­ chen zusammen ausgeblasen, sondern die Teilchen neigen vielmehr dazu, bei ihrem weiteren Weg stromabwärts erneut an den Metallplatten 11-13 hän­ genzubleiben.

Dadurch findet das Ausblasen langsam im Inneren des Filterelements 5 statt, so daß die feinen Teilchen weit im gesamten Element 5 verteilt werden. Da­ durch wird die Gefahr der örtlichen Überhitzung durch Verbrennung feiner Teilchen vermieden, die sich an bestimmten Stellen angesammelt haben.

Da jede Schicht Zucken 16 aufweist, ist die Kontaktfläche zwischen dem Ab­ gas und den Metallplatten 11-13 vergrößert, so daß eine hohe Teilchenein­ fangrate ohne übermäßigen Anstieg des Strömungswiderstandes erreicht wird. Darüber hinaus steigert die keramische Beschichtung auf der Oberflä­ che der Metallplatten 11-13 die Einfangrate. Außerdem unterstützt die kata­ lytische Wirkung des auf die Platten 11-13 aufgebrachten Katalysators die Verbrennung der feinen Teilchen und reinigt das Abgas.

Da dieser Abgasfilter vollständig aus Metall besteht, hat er eine niedrige Wär­ mekapazität, und wegen des guten Temperaturanstiegs während der Motor­ aufwärmphase hat das Filterelement 5 eine hohe Regenerationsrate.

Das Filterelement 5 kann auch aus einer Anordnung aus einer flachen Metall­ maschenplatte mit wenigstens einer Art von wellenförmigen Metallmaschen­ platten bestehen.

Claims (3)

1. Abgasfilter zum Einfangen feiner Teilchen in Motorabgasen, mit einem zylindrischen Filterelement (5) und einem Gehäuse (1) zur Aufnahme des Fil­ terelements (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (5) aus ei­ ner Vielzahl von Filtereinheiten gebildet wird, die in radialer Richtung gesta­ pelt sind und jeweils aus einer Anordnung aus einer flachen Metallmaschen­ platte (11) und wenigstens einer wellenförmigen Metallmaschenplatte (12, 13) bestehen, und daß das Filterelement (5) derart in dem Gehäuse (1) gehalten ist, daß das Abgas in radialer Richtung vom Inneren des Filterele­ ments (5) nach außen strömt.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterein­ heiten jeweils aus einer Anordnung aus einer flachen Metallmaschenplatte (11) und zwei Sorten von Metallmaschenplatten (12, 13) mit Rechteck-Wel­ lenform bestehen.

3. Abgasfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche der Metallmaschenplatten (11, 12, 13) mit ei­ nem Katalysator versehen ist, der die Verbrennung feiner Teilchen unter­ stützt.