Regenerierbarer Russfilter für das Abgas von Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft einen regenerierbaren Rußfilter für das Abgas von Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse, das Ein- und Austrittsstutzen für das Abgas und eine Wärmeisolierung aufweist, mit mindestens einem Filterkörper im Gehäuse und mit einem Filtervorraum zwischen dem Abgas-Eintrittsstutzen und dem Filterkörper, in welchem abgeschiedene Rußpartikel zwecks Regeneration des Filterkörpers verbrannt werden können, wobei das Gehäuse geteilt ist und im geöffneten Zustand einen Zugang zum auswechselbar angeordneten Filterkörper freigibt.

Derartige Fußfilter werden beispielsweise zur Reinigung des Abgases nicht-stationärer Dieselmotoren verwendet. Der Rußfilter etwa eines in dieser Weise ausgerüsteten Gabelstaplers scheidet während des arbeitstäglichen Betriebs die im Abgas enthaltenen Rußpartikel ab. Am Ende der Arbeitszeit wird nach Stillsetzen des Dieselmotors der Filtervorraum durch Beheizen auf eine Temperatur gebracht, bei der sich die Rußpartikel im Filterkörper - unter gleichzeitigem Zutritt von Verbrennungsluft entzünden und verbrennen; dabei wird in der Regel die Zündtemperatur der Rußpartikel katalytisch herabgesetzt.

Bei dem eingangs geschilderten, beispielsweise aus der DE-A-36 08 371 bekannten Rußfilter dieser Art sind die Filterkörper (im allgemeinen hat ein Rußfilter mehrere parallel geschaltete Filterkörper) nebeneinander derart gehalten, daß der Innenraum des Gehäuses in einen Filtervorraum und einen Sammelraum für das gefilterte Abgas unterteilt ist. Ein die Filterkörper abströmseitig übergreifender und abgedichtet einspannender sowie den Sammelraum enthaltender Deckel kann nach Lösen von Schrauben oder anderer Verschlüsse vom restlichen Gehäuse abgenommen werden, so daß die Filterkörper zur Inspektion und ggf. zum Austausch zugänglich sind.

Diese Ausbildung des Gehäuses und Anordnung der Filterkörper hat sowohl konstruktive als auch vertriebstechnische Nachteile. Da das Gehäuse (nur) abströmseitig geöffnet werden kann, ist der Filterraaum praktisch unzugänglich. Ferner müssen stets auch die Anschlüsse des übrigen Abgassystems gelöst werden, wenn das Gehäuse geöffnet werden soll.

Schon deshalb, aber auch wegen konstruktiver Unmöglichkeit, ist ein schneller Austausch der von der Regenerierung betroffenen Komponenten des gesamten Rußfilters, nämlich des Filterraums und der Filterkörper, ausgeschlossen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß ein Rußfilter der hier behandelten Art regelmäßige Regenerationsphasen erfordert, während derer kein Abgas hindurchgeleitet werden kann und daher der Verbrennungsmotor stillgesetzt werden muß. Dies wiederum bedeutet eine Arbeitspause der damit ausgerüsteten Anlage, etwa des schon erwähnten Gabelstaplers. Wollte man den Gabelstapler kontinuierlich betreiben, so müßte man entweder die gesamten Filter auswechseln (was wegen des hohen Montageaufwandes praktisch ausscheidet) oder zwei Filteranlagen vorsehen, die parallel betreibbar bzw. regenerierbar sind; wenn letzteres beim Betrieb der Gesamtanlage erfolgen soll, müßten neuerliche Schwierigkeiten beseitigt oder in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Aufbau des Rußfilters so zu gestalten, daß nicht nur ein einfacher Zugang zu den Filterkörpern, sondern auch deren rascher Wechsel gewährleistet ist und überdies auf das Stillsetzen des Rußfilters während der gesamten Dauer seiner Regenerationsphase verzichtet werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß Filtervorraum als vom Gehäuse getrennte Kammer ausgebildet und diese mit dem Filterkörper zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist, welche lösbar im Gehäuse gehalten ist.

Die erfindungsgemäße Zusammenfassung der Filterkörper mit einer - vom übrigen Gehäuse getrennten - Kammer für den Filtervorraum bringt eine Reihe baulicher und betrieblicher Vorteile mit sich. So kann apparativ der Einsatz thermisch hochfester (und damit teurer) Werkstoffe auf die Wandung der Kammer beschränkt bleiben, während das übrige Gehäuse aus billigerem Material besteht. Ferner läßt sich die Einheit aus Kammer und Filterkörpern - mit dem während eines Arbeitszyklus angesammelten Ruß - leicht aus dem Gehäuse herausnehmen und durch eine andere gleichartige Einheit ersetzen; mit dem neuen bzw. regenerierten Einsatz kann der Verbrennungsmotor sofort weiterbetrieben werden, während die mit Ruß beladene Baueinheit an anderer Stelle, beispielsweise in einem stationär betriebenen Filtergehäuse ähnlichen Aufbaus regeneriert wird.

Vorteilhaft kann eine Stirnwand des Gehäuses als Deckel eines Kastens ausgebildet sein, wobei der Deckel die Baueinheit trägt sowie am Kasten lösbar und gasdicht befestigt ist. Letzteres läßt sich nicht nur mit Schrauben, sondern zum Beispiel auch mit Hilfe eines Schnellspannverschlusses bewerkstelligen.

Vorzugsweise ist jedoch die- Anordnung so getroffen, daß der Deckel die Baueinheit zwischen sich und der gegenüberliegenden Stirnwand des Gehäuses einspannt, wobei zwischen dem Deckel einerseits und dem Kasten sowie der Baueinheit andererseits eine wärmeisolierende und abdichtende Platte angeordnet ist. Dann ist die Kammer (mit der Halterung für die Filterkörper) ein vollständig unabhängiges Bauteil, was hinsichtlich Werkstoffauswahl, Herstellung und Wartung (Austausch) besonders vorteilhaft ist.

Die Montagearbeit bei der Wartung oder Reparatur bzwder vorstehend beschriebenen Auswechslung der ganzen Baueinheit wird weiter vermindert, wenn die Einund Austrittsstutzen in der dem Deckel gegenüberliegenden Stirnwand des Kastens angeordnet sind und zwischen dem Eintrittsstutzen und einer Einlaßöffnung der Kammer eine Dichtung vorgesehen ist. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die Einlaßöffnung der Kammer außenseitig von einem Rohrstück umgeben ist, welches im Einbauzustand konzentrisch in den Eintrittsstutzen ragt, welcher eine außen am Rohrstück anliegende Ringdichtung trägt. Beim Öffnen des Dekkels und Herausziehen der Baueinheit aus dem Gehäuse wird dann nicht nur die Dichtung zwischen dem Deckel und dem Kasten gelöst, sondern auch die dichtende Verbindung zwischen dem Eintrittsstutzen und dem Filtervorraum im Innern der Kammer geöffnet. Umgekehrt wird beim Einsetzen einer anderen oder der regenerierten Baueinheit die dichtende Verbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und dem Eintrittsstutzen für das Abgas automatisch wiederhergestellt.

Die Regenerierung der Filterkörper erfordert eine besondere Aufheizung des Brennraumes und damit der Filterkörper, damit unter Zutritt von Verbrennungsluft die Rußpartikel verbrennen. Jene Erwärmung und die Verbrennungswärme führen zu einer Ausdehnung des Gases, und die dadurch einsetzende Abströmung zieht Verbrennungsluft nach. Sofern die Regenerierung des Filters, und zwar spezifisch der Baueinheit aus Kammer und Filterkörpern nicht innerhalb des Gehäuses vorgenommen wird, bedarf es nicht notwendigerweise der herkömmlichen Anordnung einer Heizeinrichtung und eines Einlasses für die Verbrennungsluft. Vielmehr könnte beispielsweise die - nach Entnahme der Baueinheit aus dem Gehäuse freiliegende - Abgas-Eintrittsöffnung der Kammer zur Erwärmung ihres Innenraums (etwa durch Einführen einer Heizvorrichtung) und zum Zuführen von Verbrennungsluft genutzt werden.

Soweit aber - in bekannter Weise; vgl. z.B. EP-A-151 558 und US-A-4 641 496 eine in den Brennraum ragende Heizvorrichtung vorgesehen ist, ist diese vorzugsweise am Deckel befestigt und ragt in die Kammer. Dann kann der Träger für die Heizvorrichtung auch einen (üblicherweise regelbaren) Einlaß für die Verbrennungsluft enthalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand anderer Unteransprüche.

Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, darin zeigt:

• Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt gemäß der Linie I-I in Figur 2;
• Fig. 2 teils eine Stirnansicht von rechts in Fig. 1, teils einen Vertikalschnitt gemäß der Linie 11-11 in Fig. 1;
• Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
• Fig. 4 eine teilweise Stirnansicht in Richtung des Pfeiles A in Fig. 3.

Das in Fig. 1 im ganzen mit 1 bezeichnete Gehäuse besteht aus einem Kasten 2 und einem dessen eine Stirnseite verschließenden Deckel 3. Letzterer hat einen umlaufenden Flansch 4, der im Beispiel mit einem entsprechenden Gegenflansch 5 des Kastens 2 verschraubt ist (Schrauben 6). Statt der zahlreichen, in Fig. 2 nur angedeuteten Schrauben 6 kann auch ein - nicht dargestellter Schnellspannverschluß vorgesehen sein. In jedem Falle ist zwischen dem Deckel 3 und dem Kasten 2 eine Dichtung 7 angeordnet, welche im geschlossenen Zustand des Gehäuses 1 dessen Innenraum insoweit gasdicht abschließt.

Sowohl der Kasten 2 als auch der Deckel 3 haben eine Innenwand 8 und eine Außenwand 9, zwischen denen eine Schicht 10 aus wärmeisolierendem Material angeordnet ist. Pratzen la dienen zur Befestigung des Gehäuses 1, beispielsweise am Rahmenwerk eines Gabelstaplers.

Am Deckel 3, nämlich dessen Innenwand 8, ist eine Kammer 11 befestigt, und zwar mit der einen Stirnkante ihrer umlaufenden, mehrfach abgekröpften Seitenwandung 12. An der anderen Stirnkante der Seitenwandung 12 ist eine Stirnwandung 13 der Kammer 11 befestigt und diese dadurch abgeschlossen, auch gegenüber dem übrigen Innenraum des Gehäuses 1. Die Wandungen 12, 13 bestehen beispielsweise aus V2A-Stahl, während die Außen- und Innenwände 8, 9 des Gehäuses 1 aus weniger hitzebeständigem Material, beispielsweise Stahl St37, bestehen können; lediglich die Innenwand 8 des Deckels 3 wäre - jedenfalls im Bereich der Kammer 11 davon auszunehmen.

In den oberen Abschnitt 12a der Wandung 12 der Kammer 11 sind Filterkörper 14 gasdicht eingesetzt, so daß das den Filter durchströmende Abgas die in bekannter Weise lamellenartig ausgebildeten Filterkörper durchströmen muß. Außerhalb der Kammer 11 umgibt die Filterkörper 14 ein Sammelraum 15 für das von Rußpartikeln befreite Abgas.

In der dem Deckel 3 des Gehäuses 1 gegenüberliegenden Stirnwand 16 des Kastens 2 sind ein Eintrittsstutzen 17 und ein Austrittsstutzen 18 für das Abgas befestigt, und zwar jeweils nur mit der Innenwand 8 verschweißt, während gegenüber der Außenwand 9 ein Ringspalt 19 offen ist, der eine Wärmebrücke von der Innenwand 8 über den Stutzen 17 oder 18 zur Außenwand 9 verhindert. Der Ringspalt 19 kann um das Eindringen von Regen oder anderen Flüssigkeiten (auch Farbe) in die Schicht 10 zu vermeiden durch einen schlecht wärmeleitenden Ring geschlossen werden (nicht dargestellt).

Während der Austrittsstutzen 18 aus einem einfachen Rhrstück besteht, hat der Eintrittsstutzen 17 einen außen- wie innenseitig gestuften Ringkörper 20 mit einer ringförmigen Ausnehmung 21, in deren Bereich eine Ringdichtung 22 angeordnet ist. In ie Ausnehmung 21 - ist in dem in Fig. 1 dargestellten Betriebszustand - ein Rohrstück 23 eingeschoben, welches die Eintrittsöffnung 24 der Kammer 11 umgibt und in deren Stirnwandung 13 befestigt ist. Mit seiner Außenseite liegt das Rohrstück 23 an der Dichtung 22 an, so daß eine gasdichte Verbindung zwischen dem Abgas-Eintrittsstutzen 17 und dem Filtervorraum in der Kammer 11 hergestellt ist.

Koaxial zum Eintrittsstutzen 17 ist in einem Durchbruch des Deckels 3 ein Träger 25 für das Heizelement 26 einer im ganzen mit 27 bezeichneten elektrischen Heizvorrichtung befestigt. Das Heizelement 26 ragt in der dargestellten Weise in den Innenraum der Kammer 11, so daß dieser in der Regenerationsphase erhitzt werden kann. In nicht dargestellter Weise erfolgt die Stromzufuhr über den Anschlußteil 28 der Heizvorrichtung 27.

Durch den Träger 25 erstreckt sich nicht nur das Heizelement 26, sondern es kann - im wesentlichen konzentrisch zu diesem - Verbrennungsluft zugeführt werden, welche durch einen mengenregelbaren Einlaß 29 einströmt. Die bei der Regeneration entstehenden Verbrennungsgase entweichen ebenso wie im Filterbetrieb das Abgas durch den Austrittsstutzen 18 in die Atmosphäre.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Kammer 11' nicht dauerhaft am Deckel 3 befestigt. Vielmehr hat sie auch im Bereich des Dekkels eine Stirnwandung 13, welche parallel zur gegenüberliegenden Stirnwandung 13 am anderen Ende der Kammer 11' verläuft. Ein (dem Rohrstück 23 entsprechendes) Rohrstück 30 ist in die Stirnwandung 13" eingesetzt und greift im Betriebszustand konzentrisch in den Träger 25' des Heizelements 26' ein. Zwischen dem Rohrstück 30 und dem Träger 25' sind Dichtungen 31 vorgesehen.

Zwischen dem Deckel 3' und einerseits dem Flansch 5 des Kastens 2, andererseits der Stirnwandung 13" der Kammer 11' ist eine Platte 32 aus wärmedämmendem Material vorgesehen, die zugleich den Deckel 3' gegenüber dem Flansch 5 abdichtet.

Die Kammer 11' mit ihrer Seitenwandung 12' den Stirnwandungen 13' und 13" sowie einem Boden 33 ist also ein geschlossenes, separates und lösbar im Gehäuse 1 gehaltenes Bauteil (aus hitzefestem Werkstoff), in das die Filterkörper - in bekannter Weise wiederum lösbar, aber gegenüber ihrer Ringhalterung abgedichtet - eingesetzt sind.

Mit 34 ist in den Fig. 3 und 4 ein Handgriff am Deckel 3' bezeichnet.