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Partikelfilter mit einem Filtermedium und einem Katalysator - Dokument DE19933442A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19933442A1 18.01.2001
Titel Partikelfilter mit einem Filtermedium und einem Katalysator
Anmelder Filterwerk Mann + Hummel GmbH, 71638 Ludwigsburg, DE
Erfinder Moser, Nikolaus, Dr., 71254 Ditzingen, DE;
Weber, Olaf, Dr., 71229 Leonberg, DE
DE-Anmeldedatum 16.07.1999
DE-Aktenzeichen 19933442
Offenlegungstag 18.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.2001
IPC-Hauptklasse B01D 53/94
IPC-Nebenklasse B01D 53/88   F01N 3/28   B01D 39/00   
Zusammenfassung Es wird ein Partikelfilter, insbesondere zur Reinigung von Abgasen, vorgeschlagen. Dieses besitzt ein gewickeltes Filterelement 17, dem ein ebenfalls zylindrischer Katalysator 14 vorgeschaltet ist. Das Abgas durchtritt zunächst den Katalysator, wobei Stickstoffdioxyd gebildet wird, welches zu einer kontinuierlichen Verbrennung der im Filterelement 17 abgelagerten Partikel führt. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise ein Ausbrennen des Filterelementes verhindert. Die Wickeltechnik für das Filterelement führt zu einer wirtschaftlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filters.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Partikelfilter, insbesondere ein Rußfilter für das Abgas einer Brennkraftmaschine, welches ein Filtermedium und einen Katalysator aufweist, nach der Gattung des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen Filtereinsatz, der zum Einbau in das Partikelfilter geeignet ist.

Die US 47 32 594 offenbart einen Abgasreiniger, welcher ein Filterelement aus porösem Keramikmaterial aufweist. Dieser ist zur Aufnahme von Rußpartikeln geeignet. Sobald die Menge von im Filterelement eingefangenen Abgasteilchen ein vorher festgelegtes Maß erreicht hat, werden die Abgasteilchen mit einem Brenner oder durch die Hitze des Abgases verbrannt, so daß das Filterelement regeneriert wird. Diese Einrichtung arbeitet jedoch nicht in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zuverlässig. Werden z. B. durch häufigen Kurzbetrieb der Brennkraftmaschine die zum Ausbrennen notwendigen Temperaturen des Abgases nicht erreicht, sammeln sich die abgeschiedenen Partikel an und führen aufgrund ihrer Menge zum Ausbrennen des Rußfilters, sobald das nächste Mal die Abgastemperaturen den zur Verbrennung nötigen Wert erreichen.

Aus der DE 42 07 005 A1 ist ein Rußfilter für das Abgas von Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welcher zusätzlich zum keramischen Rußfilter eine Umgehung in Form eines katalytischen Umwandlers besitzt. Ein Ausbrennen des keramischen Filtereinsatzes wird dadurch vermieden, daß bei Erreichen einer kritischen Grenzbeladung gleichzeitig der Luftwiderstand des Partikelfilters ansteigt und so der katalytische Umwandler als Umgehung genutzt wird. Der katalytische Umwandler weist jedoch ein schlechteres Abscheideverhalten als der Partikelabscheider auf, wodurch die Qualität des Abgases bei langfristigem Betrieb der Brennkraftmaschine im niedrigen Geschwindigkeitsbereich sinkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Partikelfilter zu schaffen, das über einen großen Temperaturbereich des zu filternden Fluids eine zuverlässige Abscheidung von Partikeln erlaubt, ohne daß dabei die Gefahr des Ausbrennens des Partikelfilters entsteht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Partikelfilter ist insbesondere als Rußfilter für das Abgas einer Brennkraftmaschine geeignet. Es weist ein Filtermedium und einen Katalysator auf, welche durch eine entsprechende Anbringung in einem Gehäuse durch das zu filternde Medium durchströmt werden. Filtermedium und/oder Katalysator sind strangförmig ausgebildet, so daß sie sich zur Bildung eines Filtereinsatzes wickeln lassen. Auf diese Weise lassen sich wirtschaftliche Filtereinsätze fertigen, indem die Stränge z. B. auf einen Stützkörper aufgewickelt werden. Dabei ist zu beachten, daß in Strömungsrichtung des zu filternden Fluids gesehen der Katalysator vor dem Filtermedium angeordnet sein muß. Der Katalysator ist dazu geeignet, im zu filternden Medium Stickstoffdioxyd zu produzieren, mit dessen Hilfe im nachgeschalteten Partikelfilter die angesammelten Partikel kontinuierlich abgebrannt werden können. Der wesentliche Vorteil dabei ist, daß die Konzentration der Partikel im Partikelfilter nie über einen kritischen Wert ansteigt, bei dem durch die Oxydation der Partikel so viel Wärme entstehen würde, daß der Partikelfilter ausbrennt.

Das Gehäuse des Partikelfilters weist einen Einlaß und einen Auslaß auf, so daß das zu filternde Fluid hindurchgeleitet werden kann. Das Gehäuse kann z. B. aus einem Auspufftopf bestehen, welcher einen Teil der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bildet. Dabei können Katalysator und Filtermedium gleichzeitig den Nebeneffekt einer Dämpfung des Auspuffgeräusches bewirken.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Filtermedium und der Katalysator jeweils als Elementarzylinder ausgebildet. Jeder wird also für sich gewickelt. Die beiden Elementarzylinder können zur Bildung eines Filtereinsatzes ineinandergesteckt werden. Je nach Durchströmungsrichtung des Filtereinsatzes liegt der Katalysator außen oder innen vom Filtermedium. Wichtig ist, daß das zu filternde Fluid zuerst durch den Katalysator strömt.

Eine weitere Möglichkeit der Bildung des Filtereinsatzes wird dadurch erreicht, daß Filtermedium und Katalysator in mehreren Schichten zu einer Filterkerze gewickelt werden. Dabei entsteht ein besonders kompaktes Filterelement, welches z. B. in einen Auspufftopf eingebaut werden kann. Dabei ist es vorteilhaft, die Filterkerze von innen nach außen zu durchströmen. Der Katalysator kann bei entsprechender Wahl des Materials, z. B. Metalldraht, gleichzeitig zur Stützung des Filtermediums dienen. Auf diese Weise wird der Aufwand für ein Stützmittel im Filtereinsatz gespart.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Katalysator gleichzeitig Filterfunktion übernehmen. Das Filtermedium kann z. B. aus Keramikfasern, z. B. Siliziumoxyd bestehen, die vorzugsweise einen Durchmesser von 3 bis 20 µm besitzen und zu Strängen von mehreren tausend Elementarfäden zusammengefaßt sein können. Diese Stränge werden dann in der beschriebenen Weise gewickelt. Zur Bildung des Katalysators können diese Filterstränge metallisch bedampft werden, wobei die metallische Bedampfung als Katalysator wirkt. Gleichzeitig stehen die Stränge noch zu einer Filterung zur Verfügung. Der Katalysator kann auf diese Weise gleichzeitig als Vorabscheider genutzt werden. Die in diesem Bereich abgeschiedenen Partikel lassen sich dann besonders wirkungsvoll verbrennen, weil hier gleichzeitig der Entstehungsort für das Stickstoffdioxyd ist.

Als Katalysator eigenen sich insbesondere metallische Oberflächen, die zur Herabsetzung der zur Bildung von Stickstoffdioxyd notwendigen Aktivierungsenergie verwendet werden.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen Auspufftopf, in den ein aus zwei Elementarzylindern bestehender Filtereinsatz eingebaut ist und

Fig. 2 eine Filterkerze, bei der das Filtermedium auf einen als Katalysator dienenden Drahtkörper aufgewickelt ist, im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Auspufftopf 10 gemäß Fig. 1 weist einen Einlaß 11 und einen Auslaß 12 auf. Durch diesen strömen die Abgase, was durch Pfeile angedeutet ist, wobei diese zwei Elementarzylinder 13a, 13b passieren. Der Elementarzylinder 13a dient als Katalysator 14 und kann z. B. aus einem Streckmetallkorb bestehen, der mit den katalysatoraktiven Stoffen bedampft ist und der an einen Deckel 15 des Auspufftopfes mit Hilfe einer Lötverbindung 16 befestigt sein kann. Der Streckmetallkörper wird zur Herstellung um einen Dorn gewickelt und an der Nahtstelle verlötet.

Der Elementarzylinder 13b weist ein Filtermedium 17 auf, welches auf ein Stützrohr 18 gewickelt ist. Das Stützrohr 18 dient gleichzeitig zur Befestigung des Elementarzylinders 13b am Auslaß 12 des Deckels 15 und weist an der dem Auslaß 12 abgewandten Seite eine Endscheibe 19 auf. Diese dient zur Abdichtung des Innenraums des Stützrohrs 18, welcher eine Reinseite 20 des Filters bildet und trennt damit eine Rohseite 21 des Filters ab. Gleiches gilt auch für den Elementarzylinder 13a, der in der beschriebenen Weise von der Endscheibe 19 abgedichtet wird, so daß die Auspuffgase durch den Katalysator 14 strömen müssen.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung für das Filter. Dargestellt ist eine Filterkerze 22, die in der Weise in einen Auspufftopf eingebaut werden kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Filterkerze weist ein Gitter, bestehend aus gewickeltem Draht 23 auf, wobei hierdurch ein stabiler Verband entsteht. Dieser ist mit Endscheiben 19 fest verbunden, wodurch die Filterkerze gebildet wird. Auf den Draht, der als Katalysator dient, ist das strangförmige Filtermedium 17 aufgewickelt. Die Durchströmungsrichtung der Filterkerze ist durch Pfeile angedeutet.


Anspruch[de]
  1. 1. Partikelfilter, insbesondere Rußfilter für das Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei dieser ein Filtermedium (17) und einen Katalysator (14) aufweist, welche in einem Gehäuse mit einem Einlaß (11) und einem Auslaß (12) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß Filtermedium (17) und Katalysator (14) strangförmig ausgebildet sind und zur Bildung eines zylindrischen Filtereinsatzes (13a, 13b, 22) aufgewickelt sind, wobei in Strömungsrichtung des zu filternden Fluides gesehen der Katalysator vor dem Filtermedium angeordnet ist.
  2. 2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Filtermedium (17) und Katalysator (14) jeweils als Elementarzylinder (13a, 13b) ausgebildet sind, die zur Bildung des Filtereinsatzes ineinander gesteckt sind.
  3. 3. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Filtermedium (17) und Katalysator (14) mehrere Schichten der Wicklung einer Filterkerze (22) bilden.
  4. 4. Partikelfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auf eine Stützfaser aufgedampft wird.
  5. 5. Partikelfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (14) gleichzeitig zur Stützung des Filtermediums dient.
  6. 6. Partikelfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zusätzlich Filtereigenschaften aufweist.
  7. 7. Partikelfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtereinsatz in einem Auspufftopf (10) einer Brennkraftmaschine untergebracht ist, wobei der Auspufftopf des Gehäuse bildet.
  8. 8. Filtereinsatz (13a, 13b, 22), dadurch gekennzeichnet, daß dieser zum Einbau in einen Partikelfilter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.






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