DE102006009164B4

DE102006009164B4 - Vorrichtung zur Separation von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln

Info

Publication number: DE102006009164B4
Application number: DE102006009164A
Authority: DE
Inventors: Shadi Oakville Saberi; Alexander Dr.-Ing. Böhm; Dirk Mississauga Naumann; Lloyd Burlington Timberg
Original assignee: Alantum Corp
Current assignee: Alantum Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: DE602007010738D1; CN101384799B; JP2009530523A; KR101030591B1; EP1991765B1; GB0815221D0; CA2641993A1; DE102006009164A1; CA2641993C; CN101384799A; WO2007096085A1; KR20080094050A; US8444734B2; JP5162478B2; ATE489538T1; GB2448648A; EP1991765A1; US20090185962A1

Abstract

Vorrichtung zur Separation von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln, bei der der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine durch ein Filtermedium geführt ist und im Filtermedium Partikel aus dem Abgasstrom aufgenommen und zurück gehalten werden, wobei das Filtermedium (1) aus einem metallischen offenporigen Schaum mit mindestens zwei Schichten (1.1, 1.2, 1.3) gebildet ist und dabei sich die Dicke, die mittlere Porosität und/oder die mittlere Porengröße der Schichten (1.1, 1.2, 1.3) in Durchströmungsrichtung durch das Filtermedium (1) verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass
der freie Querschnitt eines Einlasskanals (2) in Strömungsrichtung des Partikel enthaltenden Abgases sich verkleinernd ausgebildet ist und/oder
sich die Porosität und/oder die mittlere Porengröße des Filtermediums (1) zumindest in einer der Schichten (1.1, 1.2, 1.3) in Einströmrichtung des Partikel enthaltenden Abgases in einen Einlasskanal (2) verkleinert, wobei die Einströmrichtung parallel zu der zuerst vom Abgas durchströmten Schicht des Filtermediums (1) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separation von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln, die üblicherweise auch als Dieselrusspartikelfilter bezeichnet werden können.
Für diese Einsatzfälle werden bisher überwiegend solche eingesetzt, bei denen die Separation mit keramischen Körpern, bevorzugt aus Siliciumcarbid, durchgeführt wird. Diese Keramiken sind zwar für einen Hochtemperatureinsatz gut geeignet, weisen aber werkstoffbedingt einige wesentliche Nachteile auf. Dies betrifft einmal die infolge der relativ hohen Dichte zu verzeichnende große Eigenmasse, die sich insbesondere beim mobilen Einsatz in Fahrzeugen den Kraftstoffverbrauch erhöhend auswirkt. Außerdem sind Keramiken spröde und bei schwingender Wechselbeanspruchung anfällig gegenüber Zerstörung oder Beschädigung.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch eine von Metallen, die üblicherweise für die Gehäuse verwendet werden, erheblich abweichende Wärmeausdehnung, was nur mit erhöhtem Aufwand kompensiert werden kann.
Weitere bekannte Lösungen nutzen Faserstrukturen. Diese erfordern Eigenschaften, die die Herstellungskosten erhöhen. So müssen Faserstrukturen neben der Temperaturbeständigkeit auch ein ausreichendes dauerhaftes Separationsvermögen erreichen. Solche Faserstrukturen weisen aber auch ohne zusätzliche Maßnahmen keine ausreichend hohe Festigkeit auf.
Eine weitere an sich bekannte Möglichkeit ist der Einsatz von Partikeln, die als lose Schüttung oder in lokalem Verbund der einzelnen Partikel eingesetzt werden. Auch hier ist die eigene Festigkeit nicht ausreichend gegeben.
Aus DE 102 45 510 A1 ist ein Abgasfilter für Verbrennungsmotoren bekannt, bei dem ein poröser Metallschaum eingesetzt ist.
Die EP 1 317 950 A1 betrifft einen Dieselpartikelfilter, der mit mehreren Schichten gebildet ist.
Möglichkeiten zur Reinigung des Abgases von Dieselmotoren sind in EP 0 216 729 A1 beschrieben. Dort wird offenporige Schaumkeramik für Filterkerzen eingesetzt.
Die DE 196 11 150 A1 betrifft Partikelfilter für Brennkraftmaschinen, die aus Fasern gebildet sind. Es sollen variable Porengrößen in Richtung der Gasströmung gewählt werden.
Aus DE 27 50 960 A1 sind Russfilter im Abgasstrom von luftverdichteten Brennkraftmaschinen beschrieben, bei denen keramisches Fasermaterial in hohlzylindrischer Form eingesetzt werden soll.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Separation von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln in kostengünstiger Form zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Partikel enthaltendes Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durch ein Filtermedium geführt. Das Filtermedium ist aus einem offenporigen metallischen Schaum und dabei aus mindestens zwei Schichten eines solchen Schaumes gebildet. Die Dicke, die Porosität und/oder die mittlere Porengröße der einzelnen Schichten unterscheiden sich. So soll die Schicht, die vom Partikel enthaltenden Abgas zuerst durchströmt wird eine größere Dicke, eine größere Porosität und/oder eine größere mittlere Porengröße aufweisen, als die nachfolgend vom Abgas durchströmte(n) Schicht(en). Bilden mehr als zwei Schichten ein Filtermedium so reduzieren sich die jeweilige Schichtdicke, die Porosität und/oder die mittlere Porengröße in Durchströmungsrichtung sukzessive.
Das Partikel enthaltende Abgas kann über mindestens einen Einlasskanal in die Vorrichtung eingeführt und nach Durchströmung eines Filtermediums über mindestens einen Auslasskanal abgeführt werden.
Der die Schichten bildende offenporige Schaum für das Filtermedium kann bevorzugt mit Nickel, Eisen oder einer Nickellegierung bzw. Eisenlegierung gebildet sein. Wobei besonders Chrom und ggf. weitere Legierungselemente enthaltende Legierungen vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Bevorzugt sollten solche Nickellegierungen eingesetzt werden.
Für ein gutes Separationsvermögen sollten möglichst drei Schichten, maximal jedoch zehn Schichten eines solchen offenporigen metallischen Schaumes ein Filtermedium bilden. Die Schichten sollten möglichst in berührendem Kontakt zueinander stehen und Hohlräume zwischen den einzelnen Schichten möglichst vermieden werden. Hierzu können die das Filtermedium bildenden Schichten am äußeren Rand, der für die Separation ohnehin nicht genutzt werden kann, miteinander verbunden sein. Die Verbindung kann auf sich diametral gegenüberliegende Stirnseiten begrenzt sein.
Die das Filtermedium bildenden Schichten sollten eine Gesamtdicke von mindestens 1,5 mm aufweisen.
Dabei sollte die zuerst vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmte Schicht mindestens eine mittlere Porengröße von 200 μm aufweisen.
Sie sollte mindestens 40% der Gesamtschichtdicke des aus den Schichten gebildeten Filtermediums ausmachen.
Eine danach durchströmte zweite Schicht sollte eine mittlere Porengröße, die mindestens 100 μm kleiner als die zuerst durchströmte Schicht ist, aufweisen.
Eine dritte zuletzt vom Abgas durchströmte Schicht sollte eine mittlere Porengröße, die wiederum mindestens 100 μm kleiner, als die der davor angeordneten Schicht aufweist, aufweisen.
Das aus den Schichten gebildete Filtermedium kann plattenförmig mit ebener Oberfläche ausgebildet sein.
Es kann aber auch in Rohrform ausgebildet sein und einen Hohlzylinder bilden. In diesem Fall kann das Innere einen Ein- oder auch einen Auslasskanal bilden. Radial außen oder auch innen können auch mehr als ein Aus- oder Einlasskanal durch entsprechende Trennwände ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform muss keine Rotationssymmetrie eingehalten werden. Es können auch andere Querschnittsgeometrien, wie z. B. quadratische oder rechteckige Formen gewählt und so eine Anpassung an gewünschte Einbaubedingungen beispielsweise in einem Kraftfahrzeug berücksichtigt werden.
Ein aus mehreren Schichten gebildetes Filtermedium kann auch spiralförmig um eine Längsachse gewickelt sein.
Filtermedium sowie die Ein- und Auslasskanäle können in U-Form ausgebildet sein und dabei Abgas auch in U-Form durch eine so ausgebildete Vorrichtung entlang strömen, wobei Abgas beim Durchströmen sukzessive auch durch das Filtermedium aus einem Einlasskanal in einen Auslasskanal strömt.
Die Einströmrichtung von Partikel enthaltendem Abgas in einen Einlasskanal kann parallel zur Oberfläche einer zuerst vom Abgasdurchströmten Schicht ausgerichtet sein. Das gegenüberliegende stirnseitige Ende eines solchen Einlasskanals kann dann verschlossen sein, so dass der gesamte Abgasvolumenstrom durch das Filtermedium hindurch strömen muss und nach dieser Durchströmung frei von Partikeln über einen Auslasskanal an die Umgebung abgeführt werden kann. Dabei steht die gesamte Länge des Filtermediums entlang eines vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmten Einlasskanals mit der entsprechenden Oberfläche des Filtermediums für die Separation zur Verfügung. Hierbei soll unter frei von Partikeln ein Abgas verstanden werden, dass zumindest vorgegebene gesetzliche Bestimmungen einhält.
Vorteilhaft kann es sein, den freien Querschnitt eines Einlasskanals in Richtung mit der das Partikel enthaltende Abgas in den Einlasskanal einströmt zu reduzieren. Dadurch erhöht sich beim Strömen des Partikel enthaltenden Abgases durch den Einlasskanal dessen Strömungsgeschwindigkeit mit dem sich verkleinernden freien Querschnitt, was zu einer verbesserten Separation von Partikeln führen kann. Die Verringerung des freien Querschnitts eines Einlasskanals in Strömungsrichtung kann dabei kontinuierlich ausgeführt sein. Die Strömungsgeschwindigkeit des Partikel enthaltenden Abgases im Einlasskanal kann so ausgehend vom Eintritt in den Einlasskanal bis in die Nähe des gegenüberliegenden stirnseitigen Endes des Einlasskanals etwa verdoppelt werden.
Dies kann durch entsprechende Gestaltung eines Gehäuses, mit dem auch der eine oder mehrere Einlasskanal/-kanäle gebildet werden kann, erreicht werden. Es kann aber auch eine entsprechende Trennwand eingezogen werden, die diesen Effekt bewirkt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Gesamtschichtdicke eines Filtermediums in Einströmrichtung des Partikel enthaltenden Abgases zu vergrößern, so dass dadurch der freie Querschnitt verkleinert und die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Dabei kann lediglich die zuerst vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmte Schicht in dieser Richtung dicker werden.
Das Filtermedium kann aber auch so ausgebildet sein, dass zumindest eine der Schichten eine sich in gestufter Form verändernde Porosität und/oder mittlere Porengröße aufweist. Dies sollte so erfolgen, dass sie sich in Einströmrichtung von vorn nach hinten verkleinert.
Eine solche Ausführungsform kann mit einer vorab erläuterten, bei der ein oder mehrere Einlasskanäle mit reduziertem Querschnitt vorhanden sind, kombiniert werden.
Zusätzlich kann die Oberfläche des offenporigen metallischen Schaumes zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung versehen sein. So kann beispielsweise lediglich die nach außen in Richtung Einlasskanal weisende Oberfläche der zuerst vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmten Schicht beschichtet sein.
Mit einer Beschichtung kann eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche der Schicht(en) und/oder eine katalytische Wirkung erreicht werden, was zu einer Erhöhung des Separationsvermögens für Partikel bzw. einer Verbesserung der Qualität des an die Umgebung abgeführten Abgases führen kann.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren parallel zueinander ausgerichteten Ein- und Auslasskanälen sowie Filtermedien,
2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Vorrichtung nach Beispiel 1;
3 ein Beispiel mit jeweils zwei Ein- und Auslasskanälen sowie Filtermedien;
4 ein Beispiel mit zwei getrennten Einlasskanälen über die Partikel enthaltendes Abgas ein- und zwei Filtermedien durchströmt und über einen gemeinsamen Auslasskanal abgeführt wird;
5 ein Beispiel mit einer Stützstruktur;
6 in schematischer Form ein Beispiel mit einem Einlasskanal, dessen freier Querschnitt verkleinert wird und
7 in schematischer Form eine Ausführung mit gradierter Porosität bzw. mittlerer Porengröße an einem Filtermedium.
Mit 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, in die über Anschlussrohre Abgas eingeführt und auch an die Umgebung wieder abgeführt wird. Dazwischen ist der wirksame Teil mit mehreren Einlasskanälen 2 und Auslasskanälen 3, die jeweils mittels eines Filtermediums 1 voneinander getrennt sind. Das Partikel enthaltende Abgas kann in die einzelnen Einlasskanäle einströmen, dann die einzelnen Filtermedien 1 durchströmen und über Auslasskanäle 3 abgeführt werden. Die Ein- und Auslasskanäle 2 und 3 sowie die Filtermedien 1 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet und das Ganze weist einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die Einlasskanäle 2 und die Auslasskanäle 3 sind dabei wechselseitig an ihren Stirnseiten verschlossen, um den Abgasstrom durch die Filtermedien 1 und aus den Auslasskanälen 3 abzuführen.
Mit dem vergrößerten Detail von 1, wie es in 2 gezeigt ist, wird ein Aufbau eines Filtermediums 1, das mit drei Schichten 1.1, 1.2 und 1.3 gebildet ist, verdeutlicht. Die Schichten 1.1, 1.2 und 1.3 sind aus einem offenporigen Schaum mit einer Nickellegierung gebildet.
Die in Richtung eines Einlasskanals 2, also zuerst vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmte Schicht 1.1 hat eine mittlere Porengröße von 0,8 mm.
Die zweite Schicht 1.2 hat eine mittlere Porengröße von 0,58 mm. Die in Richtung eines Auslasskanals 3 angeordnete Schicht 1.3 eines Filtermediums 1 hat eine mittlere Porengröße von 0,45 mm.
Die 3 verdeutlicht eine Möglichkeit mit jeweils zwei Ein- und Auslasskanälen 2 und 3, die wieder gesondert mit einem Filtermedium 1 voneinander getrennt sind, durch das Abgas für die Separation von Partikeln strömt. Hierbei wird deutlich, wie die Strömung des Abgases gerichtet ist und stirnseitige sich gegenüberliegend angeordnete Enden von Ein- und Auslasskanälen 2 und 3 gasdicht verschlossen sind.
4 zeigt ein Beispiel mit zwei Einlasskanälen 2 für Partikel enthaltendes Abgas, das jeweils ein Filtermedium 1 durchströmt und danach partikelfreies Abgas über einen gemeinsamen Auslasskanal 3 an die Umgebung abgeführt wird.
In schematischer Form ist in 5 eine Möglichkeit für eine Erhöhung der Stabilität oder auch Festigkeit mittels einer Stützstruktur 4 dargestellt. Eine solche Stützstruktur kann stoffschlüssig mit einem Filtermedium 1 einer Gehäusewand oder der Wand eines Ein- oder Auslasskanals 2 oder 3 verbunden sein. Dies kann mit Stegen oder Blechen erreicht werden, die eine Stützstruktur 4 bilden können. Dabei kann der Abstand einzelner Komponenten zueinander dauerhaft an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingehalten werden. Eine Stützstruktur 4 sollte jedoch so ausgebildet, angeordnet und dimensioniert sein, dass die Strömungsverhältnisse für das Abgas nicht nachteilig beeinflusst werden.
In 6 ist ein Beispiel mit einem sich in Einströmrichtung von Partikel enthaltendem Abgas konisch verjüngenden freien Querschnitt eines Einlasskanals 2 gezeigt.
Dementsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit des Partikel enthaltenden Abgases beim Durchströmen des Einlasskanals 1 ausgehend vom Eintritt in den Einlasskanal 2 bis in die Nähe des gegenüberliegenden Endes des Einlasskanals 2 erhöht werden. Kurz vor dem stirnseitigen Ende wirkt sich die Stauwirkung der gasdicht geschlossenen Stirnseite des Einlasskanals 2 aus und die Strömungsgeschwindigkeit ist dort wieder geringer.
Die Verkleinerung des freien Querschnitts eines Einlasskanals 2 ist hier schematisch mit einer zusätzlichen Trennwand 5 angedeutet.
7 zeigt ein Beispiel, bei dem in Richtung des in einen Einlasskanal 2 einströmenden Partikel enthaltenden Abgases, ein in gradierter Form ausgebildetes Filtermedium 1 gewählt worden ist. Dabei verkleinern sich die Porosität und mittlere Porengröße am Filtermedium 1 in dieser Richtung, so dass der Strömungswiderstand für das durch das Filtermedium 1 strömende Abgas in Richtung des Endes des Einlasskanals 2 ansteigt. Dies kann zu einer Vergleichmäßigung der Strömung des Partikel enthaltenden Abgases im Einlasskanal 2 führen.
Auch bei einer solchen Ausführungsform kann lediglich ein Bereich des Filtermediums 1 mit einer Beschichtung versehen sein, die wiederum katalytisch wirksam sein kann.

Claims

Vorrichtung zur Separation von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln, bei der der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine durch ein Filtermedium geführt ist und im Filtermedium Partikel aus dem Abgasstrom aufgenommen und zurück gehalten werden, wobei das Filtermedium (1) aus einem metallischen offenporigen Schaum mit mindestens zwei Schichten (1.1, 1.2, 1.3) gebildet ist und dabei sich die Dicke, die mittlere Porosität und/oder die mittlere Porengröße der Schichten (1.1, 1.2, 1.3) in Durchströmungsrichtung durch das Filtermedium (1) verkleinert, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt eines Einlasskanals (2) in Strömungsrichtung des Partikel enthaltenden Abgases sich verkleinernd ausgebildet ist und/oder sich die Porosität und/oder die mittlere Porengröße des Filtermediums (1) zumindest in einer der Schichten (1.1, 1.2, 1.3) in Einströmrichtung des Partikel enthaltenden Abgases in einen Einlasskanal (2) verkleinert, wobei die Einströmrichtung parallel zu der zuerst vom Abgas durchströmten Schicht des Filtermediums (1) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas über mindestens einen Einlasskanal (2) durch das Filtermedium (1) und über mindestens einen Auslasskanal (3) abgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (1) mit offenporigem Schaum, der mit Nickel, Eisen oder einer Legierung davon gebildet ist, besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (1) mit bis zu zehn Schichten (1.1, 1.2, 1.3) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuerst vom Partikel enthaltenden Abgas durchströmte Schicht (1.1) eine mittlere Porengröße von mindestens 200 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Schichten (1.1, 1.2, 1.3) gebildetes Filtermedium eine Gesamtdicke von mindestens 1,5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (1) plattenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (1) rohrförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (1) in spiralform gewickelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filtermedium (1), Einlasskanal/-kanäle (2) und Auslasskanal/-kanäle (3) in U-Form ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel enthaltendes Abgas in einen Einlasskanal (2) mit einer Strömungsrichtung, die parallel zur Oberfläche der zuerst durchströmten Schicht (1.1) ausgerichtet ist, eingeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel enthaltendes Abgas über voneinander getrennte Einlasskanäle (2) eintritt und nach Durchströmung mindestens eines Filtermediums (1) über einen gemeinsamen Auslasskanal (3) austritt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des Einlasskanals (2) kontinuierlich verkleinert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und/oder mittlere Porengröße in gestufter Form verkleinert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke des Filtermediums und/oder die Dicke mindestens einer der Schichten in Strömungsrichtung des in den Einlasskanal einströmenden Partikel enthaltenden Abgases vergrößert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des offenporigen metallischen Schaums des Filtermediums (1) zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung die spezifische Oberfläche vergrößert und/oder katalytisch wirksam ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stützstruktur (4) am Filtermedium (1) angreift.