-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere für ein Abgassystem
einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Aus
der
EP 1 502 640 A1 ist
ein Filterelement bekannt mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit
einer Vielzahl von Eintrittskanälen
und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen bekannt, wobei die Eintrittskanäle einen
sechseckförmigen
Querschnitt und die Austrittskanäle
einen quadratischen oder rautenförmigen
Querschnitt aufweisen, und wobei die Eintrittskanäle und die
Austrittskanäle
durch eine Filterwand aus einem offenporigen Material getrennt sind.
-
Dabei
strömt
das zu reinigende Abgas durch die Filterwände zwischen den Eintrittskanälen und den
Austrittskanälen
hindurch. Bei dem bekannten Filterelement lagern sich mit der Zeit
an der stromaufwärts
gelegenen Oberfläche
der Filterwand Rußpartikel
ab. Diese Rußpartikel
führen
zu einer Verringerung der Durchlässigkeit
der Filterwand und in Folge dessen zu einer Erhöhung des Druckabfalls, der beim
Durchtritt des Gasstroms durch die Filterwand auftritt. Entsprechend
erhöht
sich der sogenannte "Abgasgegendruck". Überschreitet
dieser einen bestimmten Wert, wird der Filter regeneriert, indem
die abgeschiedenen Rußpartikel
verbrannt werden. Hierzu wird die Temperatur des Abgases, welches
durch die Filtereinrichtung geleitet wird, erhöht, was wiederum durch die
Einspritzung von zusätzlichem
Kraftstoff bewirkt wird.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, den zusätzlichen Kraftstoffbedarf für die Regenerierung
der Filtereinrichtung zu reduzieren.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Filterelement,
insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine,
mit einer Eintrittsfläche
und einer Austrittsfläche,
mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl
von Austrittskanälen,
wobei die Eintrittskanäle
und die Austrittskanäle
durch Filterwände
aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gelöst, dass
die Querschnittsflächen
von einem Eintrittskanal und zwei Austrittskanälen ein Parallelogramm mit
vier Ecken und zwei Paaren von Nachbarseiten bilden, und dass eine
erste Teilstrecke der Paare von Nachbarseiten und eine zusätzliche
Filterwand einen Austrittskanal begrenzen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Geometrie
der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen erlaubt
es, innerhalb sehr weiter Grenzen das Verhältnis der Querschnittsflächen von
dem einen Eintrittskanal zu den beiden Austrittskanälen in weiten
Grenzen zu variieren. Das Gleiche gilt für das Verhältnis der Oberflächen der
Filterwände,
die den Eintrittskanal begrenzen und die Oberflächen der Filterwände, welche
die Austrittskanäle
begrenzen.
-
Die
genannten Verhältnisse
sind wichtige Parameter, mit deren Hilfe die Zahl und Intensität der Filtereinrichtungen
gesteuert werden kann. Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Geometrie
der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen den
Aufbau eines Filterelements, das relativ unempfindlich gegen thermische
Spannungen ist, die aus lokal unterschiedlichen Temperaturbelastungen herrühren.
-
Des
Weiteren ist die erfindungsgemäße Gestaltung
der Querschnitte von Einlasskanälen
und Auslasskanälen
fertigungstechnisch gut zu beherrschen, was insbesondere bei der
kostengünstigen Herstellung
von Filtereinrichtungen mit einer Vielzahl von kleinen Eintrittskanälen und
noch kleineren Austrittskanälen
von großer
wirtschaftlicher Bedeutung ist.
-
Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
einer zusätzlichen
Filterwand, welche zwei Nachbarseiten des Parallelogramms miteinander
verbindet, wird jede Seite des Parallelogramms in eine erste Teilstrecke
und in eine zweite Teilstrecke unterteilt.
-
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
sieht vor, dass die erste Teilstrecke und die zweite Teilstrecke der
Seiten des Parallelogramms gleich lang sind. Dadurch wird sichergestellt,
dass alle Eintrittskanäle
einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
allseitig von Austrittskanälen
begrenzt werden. Dadurch erhöht sich
die Effektivität
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
-
Eine
erste, besonders einfache Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung sieht
vor, dass die Querschnittsfläche
jedes Austrittskanals die Form eines Dreiecks aufweist.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung sehen
vor, dass sich die Querschnittsfläche jedes Austrittskanals aus einem
Dreieck und einem Polygon zusammensetzt. Dies bedeutet nichts anderes,
als dass die zusätzliche
Filterwand im Querschnitt nicht geradlinig, sondern aus verschiedenen
geraden oder gekrümmten Teilstücken zusammengesetzt
ist. Dabei schließen jeweils
zwei aneinander anschließende
Teilstücke der
zusätzlichen
Filterwand einen Winkel miteinander ein.
-
Dadurch
wird erstens die Oberfläche
der zusätzlichen
Filterwand vergrößert, was
sich in einer erhöhten
Filterleistung bzw. einem reduzierten Abgasgegendruck der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
niederschlägt.
Außerdem
wird die zusätzliche Filterwand,
da sie nicht mehr gerade verläuft, "weicher", so dass die Empfindlichkeit
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
gegenüber
Wärmespannungen
oder plötzlichen
Temperaturänderungen
reduziert wird. Dadurch wird die Funktionssicherheit und Lebensdauer
der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
signifikant erhöht.
-
Alternativ
ist es möglich,
dass das Polygon, welches einen Teil der Querschnittsfläche jedes
Austrittskanals bildet, ein konkaves oder ein konvexes Polygon ist.
Als konvex wird ein Polygon bezeichnet, bei dem jede Verbindungsstrecke
zweier beliebiger Ecken des Polygons in seinem Inneren verläft. Es hat deshalb
keinen Winkel, der größer als
180° ist.
Ein Polygon, bei dem die Verbindungsstrecke mindestens von zwei
beliebigen Punkten des Polygons nicht in seinem Inneren verläuft, weist
mindestens einen Winkel auf, der 180° übersteigt, und wird im Zusammenhang
mit der Erfindung als konkaves Polygon bezeichnet. Dieses konkave
Polygon hat mindestens eine sogenannte einspringende Ecke. Die Begriffe konkaves
und konvexes Polygon werden nachfolgend im Zusammenhang mit den
Figuren noch näher erläutert werden.
-
Das
aus den Querschnittsflächen
von einem Eintrittskanal und zwei Austrittskanälen gebildete Parallelogramm
kann ein Quadrat, ein Rechteck, ein Rhombus (Raute) oder ein Rhomboid
sein. Die Auswahl eines dieser Parallelogramme bei der Konstruktion
des erfindungsgemäßen Filterelements
hängt von
den Umständen
des Einzelfalls ab.
-
Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens die stromaufwärts gelegene
Oberfläche
der Filterwände
eine katalytische Beschichtung aufweist. Durch die große Oberfläche wird
die katalytische Wirkung beispielsweise bei einer Regenerierung
des Filterelements verstärkt.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn mindestens die stromaufwärts gelegene
Oberfläche
der Filterwand eine katalytische Beschichtung aufweist. Durch die
große
Oberfläche
wird die katalytische Wirkung beispielsweise bei einer Regenerierung
der Filtereinrichtung verstärkt.
-
Die
erfindungsgemäßen Filterelemente
können
vorteilhafter Weise durch Extrudieren eines keramischen Werkstoffs,
bevorzugt Cordierit oder Siliziumcarbid, oder aus Sintermetall hergestellt
werden.
-
Alternativ
ist es auch möglich,
das Filterelement aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Lagen
vorgeformter Flachmaterialien herzustellen.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
-
Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung;
-
2 ein
erfindungsgemäßes Filterelement im
Längsschnitt
und
-
3 bis 8 Querschnitte durch Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Filterelemente.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
In 1 trägt eine
Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein
Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet
ist. Mit dieser werden Rußpartikel
aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert.
Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich,
um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
-
Die
Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel
rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf die Geometrie beschränkt. Die Filterelemente können beispielsweise
im Querschnitt auch oval oder rechteckig geformt sein.
-
In 2 ist
ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt.
Das Filterelement 18 kann beispielsweise als extrudierter Formkörper aus
einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt
werden.
-
Das
Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von
nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine Eintrittsfläche hat
in 2 das Bezugszeichen 22, während eine
Austrittsfläche
in 2 das Bezugszeichen 24 hat. Parallel
zu einer Längsachse 26 des
Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im
Wechsel mit Austrittskanälen 30.
Die Eintrittskanäle 28 sind
an der Austrittsfläche 24 verschlossen.
Die Verschlussstopfen sind in 2 ohne Bezugszeichen
dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an
der Austrittsfläche 24 offen und
im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
-
Der
Strömungsweg
des ungereinigten Abgases führt
also in einen der Eintrittskanäle 28 und
von dort durch eine Filterwand 31 in einen der Austrittskanäle 30.
Exemplarisch ist dies durch Pfeile 32 dargestellt.
-
Durch
Umkehren der Strömungsrichtung
des Abgases wird die Fläche 24 zur
Einstrittsfläche
und die Fläche 22 zur
Austrittsfläche.
Dadurch werden die Kanäle 28 zu
Austrittskanälen,
während
die Kanäle 30 zu
Eintrittskanälen
werden. Die Umkehr der Strömungsrichtung
des Abgases kann durch eine geänderte
Einbaulage des Filterelements 18 im Gehäuse 16 auf einfachste
Weise erreicht werden. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird
aus Gründen
der Verständlichkeit
immer nur eine Strömungsrichtung
und in Folge dessen einer Funktion der Kanäle 28 und 30 ausgegangen,
obwohl die Funktion der Kanäle 28 und 30 durch
Umdrehen des Filterelements 18 im Gehäuse 16 auch geändert werden
kann.
-
In 3 sind
Querschnitte eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 dargestellt.
In der 3a ist ein "Grundelement", bestehend aus einem Eintrittskanal 28 und zwei
Austrittskanälen 30,
vergrößert dargestellt.
Die Querschnittsflächen
der beiden Austrittskanäle 30 und
des einen Eintrittskanals 28 ergänzen sich bei diesem Ausführungsbeispiel
zu einem Quadrat. Das Quadrat ist eine Sonderform eines Parallelogramms, wobei
als Parallelogramm beispielsweise ein Quadrat, ein Rechteck, ein
Rhombus oder ein Rhomboid bezeichnet werden. Sowohl beim Quadrat
als auch beim Rechteck schließen
zwei benachbarte Seiten jeweils einen Winkel von 90° ein. Wenn
die Winkel zwischen zwei benachbarten Seiten nicht 90° betragen,
geht das Quadrat in einen Rhombus über und das Rechteck in einen
Rhomboid.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Filterelement 18 bilden
jeweils zwei Paare von Filterwänden 31 eine
Ecke 34. Die Ecken 34 liegen einander gegenüber. Zwischen
den Paaren von Filterwänden 31 ist
jeweils eine zusätzliche
Filterwand 36 vorgesehen. Die zusätzlichen Filterwände 36 teilen
die Filterwände 31 in
eine erste Teilstrecke 38 und eine zweite Teilstrecke 40.
Die zusätzliche Filterwand 36 sowie
die ersten Teilstrecken 38 der Filterwände 31 begrenzen die Austrittskanäle 30.
Wegen der Symmetrie der Austrittskanäle 30 sind die Bezugszeichen
nur an einem Austrittskanal angebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
weist die zusätzliche
Filterwand 36 in der Mitte einen Knick 42 auf.
Der Knick 42 führt
dazu, dass der Querschnitt des Eintrittskanals 28 ein konkaves
Polygon mit acht Ecken wird. Konkav ist das Polygon deshalb, weil
die Verbindungslinie 43 zwischen zwei Ecken des Polygons
außerhalb des
Eintrittskanals 28 verläuft.
-
Dies
bedeutet, dass die Querschnittsfläche der Austrittskanäle 30 aus
zwei mit ihren Grundflächen
aufeinander liegenden Dreiecken gebildet wird. Mit anderen Worten:
Bei diesem Ausführungsbeispiel haben
die Austrittskanäle 30 im
Querschnitt die Form eines Drachens. Die Querschnitte der Austrittskanäle 30 bilden
ein konvexes Polygon mit vier Ecken, welches als Drachen bezeichnet
wird.
-
Wenn
man nun die Quadrate gemäß 3a, bestehend aus einem Eintrittskanal 28 und
zwei Austrittskanälen 30,
nebeneinander anordnet, ergibt sich die in 3b dargestellte
Struktur. Diese Struktur ist ein Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18.
-
Da
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 die
erste Teilstrecke 38 und die zweite Teilstrecke 40 gleich
lang sind, werden die Eintrittskanäle 28 allseitig von
Austrittskanälen 30 eingeschlossen. Dies
ist erwünscht,
da nur durch den Wechsel der Abgase von einem Eintrittskanal 28 in
einen Austrittskanal 30 die gewünschte Filterwirkung erzielt
werden kann. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind in der 3b nur die Bezugszeichen
eines Eintrittskanals 28 und der diesen Eintrittskanal 28 umgebenden Austrittskanäle 30 eingetragen.
-
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Filterelements 18.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 setzt
sich der Querschnitt der Austrittskanäle 30 aus einem Dreieck 44 und
einem darauf aufgesetzten Trapez 46 zusammen. Dieses „Grundelement", bestehend aus einem
Eintrittskanal 28 mit zehneckigem Querschnitt und zwei
Austrittskanälen 30 mit
jeweils fünfeckigem Querschnitt,
ergibt wiederum einen quadratischen Querschnitt des Grundelements.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 hat
der Eintrittskanal 28 im Querschnitt die Form eines konkaven
Polygons mit zehn Ecken.
-
In
der 4b sind mehrere Grundelemente gemäß 4a nebeneinander angeordnet.
-
Die 4c zeigt eine alternative Anordnung der
quadratischen Grundelemente. Bei der Anordnung gemäß 4b sind die Längsachsen der Querschnitte
der Eintrittskanäle 28 parallel
zueinander angeordnet, während
sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4c teilweise um 90° zueinander versetzt angeordnet
sind. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
bei allen anderen Ausführungsbeispielen
die Drehung einzelner Module relativ zu den anderen um 90° vorzusehen.
-
In 5 ist
ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
weisen die Austrittskanäle 30 im
Querschnitt die Form eines Dreiecks 44 mit einem aufgesetzten
konkaven Polygon mit fünf Ecken
(ohne Bezugszeichen) auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Querschnitt
des Eintrittskanals 28 die Form eines zwölfeckigen
konkaven Polygons.
-
In 5b ist wieder die Aneinanderreihung mehrerer
Grundelemente gemäß 6a dargestellt. Auch hier können, wie
bereits erwähnt,
die Grundelemente relativ zueinander um 90° verdreht angeordnet werden.
-
In 6a ist ein weiteres Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Filterelements
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist das Grundelement, bestehend aus zwei Austrittskanälen 30 und
einem Eintrittskanal 28, die Form eines Rechtecks auf.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 ergänzen sich
die Querschnittsflächen
der Austrittskanäle 30 und
des zugehörigen
Eintrittskanals 28 eines Elements zu einem Rhomboid. Selbstverständlich können auch
bei rechteckigem Querschnitt der Grundelemente und rhombusförmigem Querschnitt der
Grundelemente die anhand der 3 bis 6 erläuterten
Querschnitte der Austrittskanäle 30 realisiert
werden.
-
Anhand
der beschriebenen Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Filterelemente 18 wird deutlich,
dass durch die erfindungsgemäßen Geometrien
der Querschnittsflächen
von Eintrittskanälen 28 und
Austrittskanälen 30 das
Verhältnis
der Querschnittsflächen
von Eintrittskanälen 28 zu
den Querschnittsflächen
der Austrittskanäle 30 in
sehr weiten Grenzen variierbar ist. Auch das Verhältnis zwischen den
Oberflächen
der Eintrittskanäle 28 und
der Austrittskanäle 30 kann
durch die erfindungsgemäß beanspruchten
Geometrien in weiten Grenzen entsprechend den Anforderungen des
Einzelfalls eingestellt werden.
-
Auch
die Steifigkeit des Filterelements bzw. dessen Elastizität und damit
Unempfindlichkeit gegenüber
Temperaturspannungen oder schnellen Temperaturänderungen kann durch die erfindungsgemäße Geometrie
der Eintrittskanäle 28 und
der Austrittskanäle 30 beeinflusst
werden.
-
Bei
den in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen
sind in einem Grundelement jeweils ein Eintrittskanal 20 und
zwei Austrittskanäle 30 vorgesehen.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
das Filterelement 18 umzudrehen, so dass die mit