DE102006021737B4

DE102006021737B4 - Filterelement für einen Rußpartikelfilter einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006021737B4
Application number: DE102006021737.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Wolff; Siegbert Griesinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2026-05-11
Also published as: DE102006021737A1

Abstract

Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche (22) und mit einer Austrittsfläche (24), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (31) aus einem offenporigen Material getrennt sind, wobei die Eintrittskanäle (28) im Querschnitt die Form eines Kreuzes mit vier Schenkeln (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) aufweisen, wobei die Schenkel (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) eine Länge (L₁, L₂) und eine Breite (B₁, B₂) aufweisen, und wobei jeweils zwei Schenkel (34.1, 34.4 und 34.2, 34.3) von zwei benachbart angeordneten Eintrittskanälen (28.1, 28.2) einen ersten Austrittskanal (30.1) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten (36) der Schenkel (34.2, 34.2, 34.3, 34.4) von vier benachbart angeordneten Eintrittskanälen (28.1, 28.2, 28.3, 28.4) einen zweiten Austrittskanal (30.2) begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2004 026 060 A1 ist ein Filterelement bekannt mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, 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 das Filterelement geleitet wird, erhöht, was wiederum durch die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff bewirkt wird.
Aus der US 2006/0 093 784 A1 sind Filterelemente mit kreuzförmigen Kanälen bekannt. Aus der EP 1 538 133 A1 ist eine Honigwabenstruktur bekannt, welche Kanäle mit unterschiedlich großem Querschnitt aufweist. Aus der US 4 416 676 A sind Honigwabenfilter mit Auslasskanalgeometrien bekannt, welche flexible Verbindungen zwischen Kanalwänden des Filters bilden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Betriebsverhalten und die Lebensdauer des Filterelements weiter zu verbessern und den zusätzlichen Kraftstoffbedarf für die Regenerierung der Filtereinrichtung zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche und mit 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 voneinander getrennt sind, dadurch gelöst, dass die Eintrittskanäle im Querschnitt die Form eines Kreuzes mit vier Schenkeln aufweisen, dass die Schenkel eine Länge und eine Breite aufweisen, dass jeweils zwei Schenkel von zwei benachbart angeordneten Eintrittskanälen einen ersten Austrittskanal begrenzen und dass die Stirnseiten der Schenkel von vier benachbart angeordneten Eintrittskanälen einen zweiten Austrittskanal begrenzen.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen hat den Vorteil, dass alle Eintrittskanäle ausschließlich von Austrittskanälen umgeben sind, so dass die gesamte Oberfläche der Innenwände der Eintrittskanäle als aktive Filterfläche zur Verfügung steht.
Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Geometrie es auch, den Strömungsquerschnitt sowohl der Eintrittskanäle als auch der Austrittskanäle optimal an den Volumenstrom des zu reinigenden Abgases anzupassen. Außerdem ist es möglich, auch den Anteil der Filterwände am Gesamtvolumen des Filterelements innerhalb weiter Grenzen zu steuern. Dieser Anteil der Filterwände am Gesamtvolumen des Filterelements hat maßgeblichen Einfluss auf die spezifische Wärmekapazität des Filterelements und kann infolgedessen eingesetzt werden, um örtliche Überhitzungen oder Temperaturbelastungen zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen erlaubt es, innerhalb weiter Grenzen das Verhältnis der Querschnittsflächen von dem einen Eintrittskanal zu den beiden Austrittskanälen zu variieren. Das Gleiche gilt für das Verhältnis der Oberflächen der Filterwände, die den Eintrittskanal begrenzen und der Oberflächen der Filterwände, welche die Austrittskanäle begrenzen.
Die genannten Verhältnisse sind wichtige Parameter, mit deren Hilfe die Zahl der erforderlichen Regenerationen des Filterelements gesteuert werden kann. Des Weiteren führt die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen zu einem Filterelement, das relativ unempfindlich gegen thermische Spannungen sind, die aus lokal unterschiedlichen Temperaturbelastungen herrühren.
Bei vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindungen ist vorgesehen, dass die ersten Austrittskanäle im Querschnitt die Form eines Parallelogramms aufweisen, und dass die Kantenlängen des Parallelogramms im Wesentlichen den Längen der Schenkel der Eintrittskanäle entsprechen. Des Weiteren ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweiten Austrittskanäle ebenfalls im Querschnitt die Form eines Parallelogramms aufweisen, und dass die Kantenlängen des Parallelogramms im Wesentlichen den Breiten der Schenkel der Eintrittskanäle entspricht.
Durch diese erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Filterelements ist es möglich, sowohl die Querschnittsfläche der ersten Austrittskanäle als auch die Querschnittsflächen der zweiten Austrittskanäle konstruktiv zu beeinflussen. Ebenso kann durch die Wahl der die Geometrie der Austrittskanäle bestimmenden Parameter, nämlich die Länge der Schenkel und die Breite der Schenkel, auf einfache Weise der hydraulische Durchmesser beziehungsweise die aktive Oberfläche in den Austrittskanälen relativ zu den entsprechenden Parametern der Eintrittskanäle variiert werden.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Schenkel der Eintrittskanäle orthogonal zueinander angeordnet sind und dass die ersten und zweiten Austrittskanäle im Querschnitt die Form eines Rechtecks oder eines Quadrats aufweisen.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Schenkel zweier benachbarter Eintrittskanäle einen Winkel zwischen 100° und 170° oder zwischen 10° und 80° einschließen und dass die ersten und zweiten Austrittskanäle im Querschnitt die Form eines Rhomboids oder einer Raute aufweisen.
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.
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 und 4 Querschnitte erfindungsgemäßer Eintrittskanäle und
5 einen Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements.
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.
In 2 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt. Das Filterelement 18 kann beispielsweise ist 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.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Eintrittskanals 28 im Querschnitt dargestellt. Dieser Eintrittskanal 28 hat im Querschnitt die Form eines Kreuzes, bestehend aus vier Schenkeln 34.1 bis 34.4. Die Schenkel 34.1 bis 34.4 werden jeweils von Filterwänden 31, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle mit Bezugszeichen versehen wurden, begrenzt. Am Ende eines jeden Schenkels 34 ist eine Stirnfläche 36 vorhanden, welche ebenfalls als Filterwand 31 ausgebildet ist.
In 3 sind die wichtigsten geometrischen Größen, nämlich die Länge L₁ der Schenkel 34 und deren Breiten B₁ eingezeichnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weisen alle Schenkel 34 die gleiche Länge L₁ und die gleiche Breite B₁ auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel eines Eintrittskanals 28 gemäß 4 hat der Schenkel 34.1 eine größere Länge als die anderen Schenkel 34.2 bis 34.4.
Des Weiteren haben die Schenkel 34.1 und 34.3 eine Breite B₁, während die Schenkel 34.2 und 34.4 eine gegenüber der Breite B₁ reduzierte Breite B₂ aufweisen. Durch den Vergleich der beiden Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4 wird deutlich, dass bezüglich der geometrischen Parameter Länge und Breite der Schenkel 34 viele Variationen des kreuzförmigen Querschnittes der Eintrittskanäle 28 möglich sind, die zur Auslegung und Optimierung eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 eingesetzt werden können.
In 5 ist ein Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass das Filterelement 18 durch das Aneinanderreihen mehrerer Eintrittskanäle 28 mit den zugehörigen Filterwänden 31 gebildet wird. Exemplarisch ist ein erster Eintrittskanal 28.1 mit einem Bezugszeichen in 5 versehen. Rechts oberhalb des Eintrittskanals 28.1 ist ein zweiter Eintrittskanal 28.2 vorgesehen. Die Schenkel 34.1 und 34.4 des Eintrittskanals 28.1 sowie die Schenkel 34.2 und 34.3 des Eintrittskanals 28.2 umschließen einen ersten Austrittskanal 30.1.
Da bei den Eintrittskanälen 28.1 und 28.2 die Längen L₁ der Schenkel 34 gleich sind, hat der erste Austrittskanal 30.1 einen quadratischen Querschnitt.
Die Stirnseite von jeweils einem Schenkel 34 der Eintrittskanäle 28.1, 28.2, 28.3 und 28.4 begrenzen einen zweiten Austrittskanal 30.2. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel haben auch die zweiten Austrittskanäle 30.2 einen quadratischen Querschnitt, wobei deren Kantenlänge der Breite B₁ der Schenkel 34 entspricht.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 5 nicht alle Schenkel 34 und alle Kanäle 28 und 30 mit Bezugszeichen versehen. Durch Anfügen weiterer Eintrittskanäle 28 in der zuvor beschriebenen Weise kann ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 mit beliebig großem Querschnitt gebildet werden.
Der Eintrittskanal 28.4 weist gegenüber den Eintrittskanälen 28.1 bis 28.3 die Besonderheit auf, dass sein Schenkel 34.2 länger ist als die anderen Schenkel 34.1, 34.3 und 34.4 (ohne Bezugszeichen). Bei dem benachbart dazu angeordneten Eintrittskanal 28.5 ist entsprechend die Länge L des Schenkels 34.4 verlängert. Infolgedessen hat der von den Eintrittskanälen 28.4 und 28.5 eingeschlossene erste Eintrittskanal 30.1 einen rechteckigen Querschnitt.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass durch Änderungen der Breite und/oder der Länge der Schenkel 34 das Verhältnis der Querschnittsflächen der Eintrittskanäle 28 zu den Querschnittsflächen der ersten Austrittskanäle 30.1 und der zweiten Austrittskanäle 30.2 in weiten Grenzen den Anforderungen des Anwendungsfalls entsprechend variiert werden kann. Auch kann der Anteil der Filterwände 31 (ohne Bezugszeichen in 5) bezogen auf das Gesamtvolumen des Filterelements 18 variiert werden. Dadurch kann die Wärmekapazität des Filterelements 18 den Erfordernissen des Anwendungsfalls auf einfache Weise angepasst werden.

Claims

Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche (22) und mit einer Austrittsfläche (24), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (31) aus einem offenporigen Material getrennt sind, wobei die Eintrittskanäle (28) im Querschnitt die Form eines Kreuzes mit vier Schenkeln (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) aufweisen, wobei die Schenkel (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) eine Länge (L₁, L₂) und eine Breite (B₁, B₂) aufweisen, und wobei jeweils zwei Schenkel (34.1, 34.4 und 34.2, 34.3) von zwei benachbart angeordneten Eintrittskanälen (28.1, 28.2) einen ersten Austrittskanal (30.1) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten (36) der Schenkel (34.2, 34.2, 34.3, 34.4) von vier benachbart angeordneten Eintrittskanälen (28.1, 28.2, 28.3, 28.4) einen zweiten Austrittskanal (30.2) begrenzen.
Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Austrittskanäle (30.1) im Querschnitt die Form eines Parallelogramms aufweisen, und dass die Kantenlängen des Parallelogramms im Wesentlichen den Längen (L₁, L₂) der Schenkel (34) der Eintrittskanäle (28) entspricht.
Filterelement (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Austrittskanäle (30.2) im Querschnitt die Form eines Parallelogramms aufweisen, und dass die Kantenlängen des Parallelogramms im Wesentlichen den Breiten (B₁, B₂) der Schenkel (34) der Eintrittskanäle (28) entspricht.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) der Eintrittskanäle (28) orthogonal zueinander angeordnet, und dass die ersten und zweiten Austrittskanäle (30.1, 30.2) im Querschnitt die Form eines Rechtecks oder eines Quadrats aufweisen.
Filterelement (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (34) zweier benachbarter Eintrittskanäle (28) einen Winkel zwischen 100° und 170° oder zwischen 10° und 80° einschließen, und dass die ersten und zweiten Austrittskanäle (30.1, 30.2) im Querschnitt die Form eines Rhomboids oder einer Raute aufweisen.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche der Filterwände (31) eine katalytische Beschichtung aufweist.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) durch Extrudieren hergestellt wird.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) aus einem keramischen oder einem glaskeramischen Werkstoff, insbesondere aus Cordierit oder aus Siliziumkarbid, hergestellt wird.
Filterelement (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) aus Sintermetall hergestellt wird.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) an der Eintrittsfläche (22) beginnen und an der Austrittsfläche (24) verschlossen sind, und dass die Austrittskanäle (30) an der Eintrittsfläche (22) verschlossen sind und an der Austrittsfläche (24) enden.