DE102006035052A1 - Filter element and filter for exhaust aftertreatment - Google Patents

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Bernd Reinsch
Carsten Becker
Teruo Komori
Lars Thuener
Dominik Huelsmeier
Christian Schiller
Cordula Schumacher
Tobias Hoeffken
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    • B01D46/2418—Honeycomb filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

Es wird ein Filterelement für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, das vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff besteht. Aufgrund der erfindungsgemäßen Abstimmung der Geometrie der Kanäle und der Porosität des Filtermaterials werden unzulässig hohe Betriebstemperaturen vermieden und gleichzeitig die Funktion des Filterelements (18) sichergestellt.It is proposed a filter element for an exhaust aftertreatment device of an internal combustion engine, which preferably consists of a ceramic material. Due to the inventive tuning of the geometry of the channels and the porosity of the filter material impermissibly high operating temperatures are avoided while ensuring the function of the filter element (18).

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sowie einen Rußfilter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 21. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.The The invention relates to a filter element for cleaning the exhaust gases of a Internal combustion engine according to the preamble of claims 1 and 2 and a soot filter with a filter element according to the independent claim 21. Such Filter elements are used, for example, as soot filters for diesel internal combustion engines used.

Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.The Filter elements are common Made of a ceramic material and have a variety of parallel mutually extending inlet channels and outlet channels.

Hergestellt werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren. Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ist. Die Kanäle eines Rohlings sind zunächst an beiden Enden offen.Produced become filter elements of ceramic materials by extrusion. This means that the blank of the filter element is a prismatic body with a plurality of mutually parallel channels. The channels of a blank are first open at both ends.

Damit das zu reinigende Abgas durch die Wände des Filters strömt, wird ein Teil der Kanäle am hinteren Ende des Filterelements verschlossen, während ein anderer Teil der Kanäle am vorderen Ende des Filterelements verschlossen werden. Dadurch werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet, nämlich die sogenannten Eintrittskanäle, welche am hinteren Ende verschlossen sind und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.In order to the exhaust gas to be cleaned flows through the walls of the filter is a part of the channels closed at the rear end of the filter element while a other part of the channels be closed at the front end of the filter element. Thereby become two groups of channels formed, namely the so-called entry channels, which are closed at the rear end and the so-called outlet channels, which on Are closed at the beginning of the filter element.

Zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen besteht nur über die porösen Wände des Filterelements (nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung, so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann, indem es aus den Eintrittskanälen durch die Wände des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.Between the entrance channels and the exit channels exists only about the porous ones Walls of the Filter element (hereinafter filter walls) a flow connection, so that the exhaust gas can only flow through the filter element by it from the inlet channels through the walls of the filter element flows into the outlet channels.

Bei der Regeneration der Filterelemente werden die Rußablagerungen oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Daraus resultiert eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn die bei der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden, nimmt das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei Filterelementen aus Cordierit gegeben, da Cordierit eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität hat und deshalb bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe Temperaturen auftreten können. In Folge dessen können bei der Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen innerhalb des Filterelements auftreten, dass die thermische Stabilität des Cordierits nicht mehr gewährleistet ist.at The regeneration of the filter elements are the soot deposits oxidized, with heat is released. This results in a temperature increase in the Filter element. When the temperatures occurring during regeneration get too big takes the filter element damage. This danger is especially at Cordierite filter elements given because cordierite a comparatively has low specific heat capacity and Therefore, in the oxidation of soot deposits locally very high Temperatures can occur. As a result, can so high in regeneration at critical engine operating points Temperatures within the filter element occur that the thermal stability Cordierite is no longer guaranteed is.

Dieser Zusammenhang hat bisher den Einsatz von Filterelementen aus Cordierit in Personenkraftwagen verhindert.This Connection has so far been the use of filter elements made of cordierite prevented in passenger cars.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement aus einem keramischen Werkstoff, bevorzug Cordierit, bereitzustellen, das relativ unempfindlich gegenüber der bei der Oxidierung der Rußablagerungen freiwerdenden Wärme ist, und dadurch den Einsatz von Cordierit als Filtermaterial für PKW-Anwendungen und andere temperaturkritische Anwendungen zu ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a filter element of a ceramic material, preferably cordierite, to provide relatively insensitive to in the oxidation of soot deposits released heat is, and thereby the use of cordierite as a filter material for car applications and to enable other temperature critical applications.

Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch Filterwände begrenzt werden, dadurch gelöst, dass zumindest innere beziehungsweise zentral im Innern des Filterelements angeordnete Bereiche bzw. mittlere Bereiche des Filterelements eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/lK und 750 J/lK, insbesondere zwischen 500 J/lK und 750 J/lK, vorzugsweise insbesondere zwischen 500 J/lK und 670 J/lK aufweisen.These Task is with a filter element, in particular for filtering of exhaust gases of a diesel engine, with a variety of inlet channels and with a plurality of outlet channels, the inlet channels and the outlet channels through filter walls be limited, thereby that at least inner or centrally in the interior of the filter element arranged regions or central regions of the filter element a volumetric heat capacity between 450 J / lK and 750 J / lK, in particular between 500 J / lK and 750 J / lK, preferably in particular between 500 J / lK and 670 J / lK.

Offenbarung der Erfindungepiphany the invention

Durch den erfindungsgemäß beanspruchten Bereich der volumetrischen Wärmekapazität wird die Regenerationsfähigkeit des Filters gewährleistet, ohne die Funktion, insbesondere durch zu hohen Abgasgegendruck, zu beeinträchtigen.By claimed according to the invention Range of volumetric heat capacity is the regenerative capacity the filter ensures without the function, in particular due to excessive exhaust back pressure, to impair.

Dieser Bereich kann durch eine geeignete Abstimmung der geometrischen Verhältnisse des Filterelements mit bestimmten Stoffwerten des verwendeten Filtermaterials erreicht werden. Für die Höhe der bei der Regeneration auftretenden Temperaturspitzen ist die spezifische Wärmekapazität des Filtermaterials entscheidend: Je niedriger die spezifische Wärmekapazität ist, desto höhere Temperaturen können auftreten.This Range can be determined by a suitable vote of geometric relationships of the filter element with certain material values of the filter material used be achieved. For the height the temperature peaks occurring during the regeneration is the specific heat capacity of the filter material decisive: The lower the specific heat capacity, the higher the temperatures can occur.

Im Zusammenwirken mit einer geeigneten Motorsteuerung kann somit ein sicherer Betrieb des Filterelements auch in Personenkraftfahrzeugen gewährleistet werden. Die Motorsteuerung kann eine Regeneration unter kritischen Betriebsbedingungen detektieren und durch gezielte Eingriffe unkontrollierte Regenerationen („Worst-Case") vermeiden. Solche Eingriffe der Motorsteuerungen sind bereits Gegenstand von Patentanmeldungen und werden deshalb im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht erläutert.in the Interaction with a suitable engine control can thus a safe operation of the filter element also in passenger vehicles guaranteed become. The engine control can be a regeneration below critical Detect operating conditions and uncontrolled by targeted interventions Avoid regeneration ("worst case") Intervention of the engine controls are already the subject of patent applications and are therefore in the context of the present invention not explained.

Je niedriger die Wärmekapazität des Filters ist, desto kürzer ist die zur Verfügung stehende Zeitspanne, innerhalb der ein von der Motorsteuerung vorgenommener Eingriff in die Motorsteuerung erfolgreich ist. Daraus ergibt sich ein Nachteil beim Einsatz von Cordierit als Filtermaterial gegenüber dem ebenfalls für die Herstellung von Rußfiltern verwendeten SiC, da die Wärmekapazität von Cordierit niedriger ist als die von SiC.ever lower the heat capacity of the filter is, the shorter is the available standing time within which one made by the engine control Intervention in the engine control is successful. This results in a disadvantage when using cordierite as a filter material over the also for the production of soot filters used SiC because the heat capacity of cordierite lower than that of SiC.

Umgehen lässt sich diese Problematik, wenn die Wärmekapazität des Filtermaterials pro Volumeneinheit (nachfolgend volumetrische Wärmekapazität) erhöht wird. Die Erhöhung der volumetrischen Wärmekapazität kann durch Beeinflussung der massespezifischen Wärmekapazität des Cordierits – z.B. durch Einstellung einer geringeren Porosität – oder durch konstruktive Veränderung der Geometrie des Filterkörpers – insbesondere durch Erhöhung des Wandanteils pro Volumeneinheit – bewirkt werden.Bypass let yourself this problem when the heat capacity of the filter material per unit volume (hereafter volumetric heat capacity) is increased. The increase in volumetric heat capacity can through Influencing the Mass Specific Heat Capacity of Cordierite - e.g. by Setting a lower porosity - or by constructive change the geometry of the filter body - in particular by raising the wall portion per unit volume - be effected.

Mit der Verringerung der Porosität gehen meist eine Verringerung der Permeabilität des Filtermaterials und damit ein erhöhter Abgasgegendruck einher, insbesondere wenn eine katalytisch aktive Beschichtung und/oder ein Washcoat aufgebracht werden.With the reduction of porosity usually a reduction in the permeability of the filter material and thus an elevated one Exhaust back pressure accompanied, especially if a catalytically active Coating and / or a washcoat are applied.

Mit der Erhöhung des Wandanteils gehen je nach konstruktiver Ausführung zum einen eine Verkleinerung des für die Abgasströmung zugänglichen Querschnitts und damit eine Erhöhung der Geschwindigkeiten, des Weiteren eine Verringerung der spezifischen Filtrationsfläche, sowie schließlich eine Verkleinerung der Durchmesser der einzelnen Kanäle einher, was jeweils zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks führt, insbesondere bei Rußbeladung.With the increase Depending on the constructive design, the wall portion is reduced in size of for the exhaust gas flow accessible Cross-section and thus an increase the speeds, further reducing the specific Filtration area, and finally a reduction in the diameter of the individual channels, which in each case to an increase the exhaust back pressure leads, especially with soot loading.

Darüber hinaus wirkt sich eine zu hohe volumetrische Wärmekapazität des Filters negativ auf die zur Aufheizung des Filters zur thermischen Regeneration notwendige Zeit sowie auf die Zeit zum Erreichen der Funktionsfähigkeit der katalytischen Beschichtung nach einem Kaltstart des Fahrzeugs (Light-Off) aus.Furthermore too high a volumetric heat capacity of the filter has a negative effect on the filter necessary for heating the filter for thermal regeneration Time as well as the time to reach the functionality the catalytic coating after a cold start of the vehicle (Light off) off.

Aus diesem Grund ist eine Erhöhung der volumetrischen Wärmekapazität über das Notwendige hinaus nicht sinnvoll und muss im Rahmen einer Auslegung erfolgen, welche den auftretenden Abgasgegendruck berücksichtigt.Out This reason is an increase the volumetric heat capacity over the Necessary addition does not make sense and must be part of an interpretation take place, which takes into account the occurring exhaust back pressure.

Die mindestens notwendige volumetrische Wärmekapazität ergibt sich dabei aus den Anforderungen der zur Begrenzung der Regenerationstemperatur entwickelten Motorsteuerungen.The at least necessary volumetric heat capacity results from the Requirements for limiting the regeneration temperature developed Motor controls.

Die Auslegung der Geometrie der Filterkanäle und die Materialbeschaffenheit werden dabei aufeinander abgestimmt, so dass die volumetrische Wärmekapazität des Filters in einem vorgegebenen Bereich vorzugsweise insbesondere zwischen 500 J/lK und 670 J/lK liegt. Gleichzeitig erfolgt eine Optimierung der Filtergeometrie hinsichtlich volumetrischer Wärmekapazität bei gleichzeitiger maximaler Filterfläche, hoher Aschespeicherfähigkeit und geringem Abgasgegendruck.The Design of the geometry of the filter channels and the material properties are tuned to each other so that the volumetric heat capacity of the filter in a predetermined range preferably in particular between 500 J / lK and 670 J / lK. At the same time an optimization takes place the filter geometry in terms of volumetric heat capacity at the same time maximum filter area, high ash storage capacity and low exhaust back pressure.

Nachfolgend wird der Zusammenhang zwischen Geometrie der Filterelements, dessen Porosität und der spezifischen Wärmekapazität des verwendeten Werkstoffs hergeleitet.following is the relationship between the geometry of the filter element whose porosity and the specific heat capacity of the used Derived material.

Die Querschnittsgeometrie der Kanäle ist in den meisten Ausführungen quadratisch, kann jedoch auch rund, polygonal, oder komplex geformt sein. Dabei können sich die Kanäle auf der Einlass- und auf der Auslassseite sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Größe unterscheiden. Zur Charakterisierung der Größe dient, unabhängig von der Form, der hydraulische Durchmesser dh, der aus dem Kanalquerschnittsumfang U und der Kanalquerschnittsfläche A bestimmt wird:

Figure 00060001
The cross-sectional geometry of the channels is square in most designs, but may also be round, polygonal, or complex shaped. The channels on the inlet and on the outlet side can differ both in their shape and in their size. Regardless of the shape, the hydraulic diameter d h , which is determined from the channel cross-sectional circumference U and the channel cross-sectional area A, serves to characterize the size:
Figure 00060001

Mit:

dh:
hydraulischer Durchmesser
A:
Querschnittsfläche des Kanals (28, 30)
U:
Umfang des Kanals (28, 30)
With:
d h :
hydraulic diameter
A:
Cross-sectional area of the canal ( 28 . 30 )
U:
Scope of the canal ( 28 . 30 )

In den meisten ausgeführten Wabenfiltern ist die Anzahl der Auslasskanäle und die Anzahl der Einlasskanäle gleich. Es gibt jedoch auch Ausführungen, bei der eine Kanalsorte häufiger vorkommt. Im Folgenden soll das Verhältnis der Anzahl der Auslasskanäle zur Anzahl der Einlasskanäle mit n bezeichnet werden. n = Zahl der Austrittskanäle/Zahl der Eintrittskanäle In most honeycomb filters, the number of exhaust ports and the number of intake ports are the same. However, there are also versions in which a type of channel occurs more frequently. In the following, the ratio of the number of outlet channels to the number of inlet channels will be denoted by n. n = number of exit channels / number of entry channels

Der Anteil φ des Filtervolumens, der vom Filtermaterial eingenommen wird, lässt sich aus den hydraulischen Durchmessern auf der Einlass- und der Auslassseite dh,ein bzw. dh,aus und der Wandstärke w nach

Figure 00070001
abschätzen.The proportion φ of the filter volume occupied by the filter material can be deduced from the hydraulic diameters on the inlet and outlet sides d h, a and d h, respectively , and the wall thickness w
Figure 00070001
estimated.

Die volumetrische Wärmekapazität cp,vol – das heißt die auf das Volumen des Filterelements (18) bezogene Wärmekapazität – des Filterelements (18) lässt sich durch die Materialkennwerte

ε:
Porosität
ρ:
Materialdichte und
cp:
spezifische Material-Wärmekapazität sowie den Volumenanteil des Filtermaterials φ wie folgt ausdrücken:
cp,vol = φ(1 – ε)cpρ The volumetric heat capacity c p, vol - that is, the volume of the filter element ( 18 ) related heat capacity - the filter element ( 18 ) can be determined by the material characteristics
ε:
porosity
ρ:
Material density and
c p :
express the specific material heat capacity and the volume fraction of the filter material φ as follows:
c p, vol = φ (1 - ε) c p ρ

Der für die Wärmekapazität vorgegebene Bereich zwischen 500 J/lK und 670 J/lK lässt sich so in eine Ungleichung für die geometrischen Größen und die Materialkennwerte des Filterelements übersetzen:

Figure 00070002
The heat capacity range between 500 J / lK and 670 J / lK can thus be translated into an inequality for the geometric parameters and the material characteristics of the filter element:
Figure 00070002

Ein unter dieser Maßgabe ausgelegter Filter verfügt über eine volumetrische Wärmekapazität in dem vorgegebenen Bereich.One under this condition designed filter has one Volumetric heat capacity in the given Area.

Bei Verwendung von Stoffwerten typischer Filtermaterialien – ρ zwischen 2,4 kg/l und 3,4 kg/l, cpzwischen 1100 J/kgK und 1200 J/kgK bei 500°C, ε zwischen 0,4 und 0,7 – ergibt sich für den Volumenanteil φ des Filtermaterials ein notwendiger Wert 0.204 ≤ φ ≤ 0.846.When using material values of typical filter materials - ρ between 2.4 kg / l and 3.4 kg / l, c p between 1100 J / kgK and 1200 J / kgK at 500 ° C, ε between 0.4 and 0.7 - For the volume fraction φ of the filter material, a necessary value 0.204 ≤ φ ≤ 0.846 results.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Ungleichung haben sich die nachfolgend aufgelisteten Wertebereiche als vorteilhaft erwiesen: Eine volumetrische Fläche des Filterelements größer 0,7 m2/l, bevorzugt größer 0,8 m2/l, besonders bevorzugt größer 1,0 m2/l und ganz besonders bevorzugt größer 1,2 m2/l.Taking into account the above-mentioned inequality, the value ranges listed below have proved to be advantageous: A volumetric area of the filter element greater than 0.7 m 2 / l, preferably greater than 0.8 m 2 / l, particularly preferably greater than 1.0 m 2 / l and most preferably greater than 1.2 m 2 / l.

Ein hydraulischer Durchmesser dh der Eintrittskanäle zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1,3 mm.A hydraulic diameter d h of the inlet channels between 1.0 mm and 1.6 mm, preferably between 1.2 mm and 1.3 mm.

Ein hydraulischer Durchmesser dh der Austrittskanäle des Filterelements zwischen 0,5 mm und 1,2 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, und besonders bevorzugt zwischen 0,9 mm und 1,0 mm.A hydraulic diameter d h of the outlet channels of the filter element is between 0.5 mm and 1.2 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm, and particularly preferably between 0.9 mm and 1.0 mm.

Eine durchschnittliche Wandstärke der Filterwände zwischen 10 und 18 mil (1 mil = 1/1000 inch = 25,4 mm/1000), bevorzugt zwischen 10 mil und 14 mil, und besonders bevorzugt zwischen 12 und 13 mil.A average wall thickness the filter walls between 10 and 18 mils (1 mil = 1/1000 inch = 25.4 mm / 1000), preferred between 10 mils and 14 mils, and more preferably between 12 mils and 13 mil.

Eine Porosität der Grundstruktur des Filterelements zwischen 35% und 60%, bevorzugt zwischen 40% und 60%, und besonders bevorzugt zwischen 45% und 55%.A porosity the basic structure of the filter element between 35% and 60%, preferably between 40% and 60%, and more preferably between 45% and 55%.

Ein mittlerer Porendurchmesser des Filterelements beträgt zwischen 10 μm und 30 μm, bevorzugt zwischen 15 μm und 25 μm.One mean pore diameter of the filter element is between 10 μm and 30 μm, preferred between 15 μm and 25 μm.

Bevorzugt weist die Grundstruktur des Filterelements eine Zelldichte von 200 cpsi (cpsi = cells per square inch) bis 450 cpsi, bevorzugt von 300 bis 350 cpsi, auf.The basic structure of the filter element preferably has a cell density of 200 cpsi (cpsi = cells per square inch) up to 450 cpsi, preferably from 300 to 350 cpsi.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittskanäle des Filterelements eine größere Querschnittsfläche als die Austrittskanäle des Filterelements besitzen. Insbesondere haben sich Verhältnisse der Querschnittsflächen der Eintrittskanäle und der Querschnittsflächen der Austrittskanäle zwischen 2,0 und 1,0, bevorzugt zwischen 1,7 und 1,1, als vorteilhaft erwiesen. Dann nämlich ist die Innenseite der Eintrittskanäle größer als die Innenfläche der Austrittskanäle. Da die Speicherkapazität des Filterelements für Rußablagerungen im Wesentlichen von der Eintrittsfläche von der Innenfläche der Eintrittskanäle abhängt, wird durch die erfindungsgemäß beanspruchte Geometrie die Speicherkapazität des Filterelements für Ruß erhöht.It has further proven to be advantageous when the inlet channels of the filter element a larger cross-sectional area than the exit channels have the filter element. In particular, ratios of Cross-sectional areas the entrance channels and the cross-sectional areas the exit channels between 2.0 and 1.0, preferably between 1.7 and 1.1, as advantageous proved. Then that is the inside of the inlet channels is larger than the inside surface of the Outlet channels. Because the storage capacity of the filter element for soot deposits essentially from the entrance surface of the inner surface of the inlet channels depends is claimed by the invention claimed Geometry the storage capacity of the filter element for Soot increases.

Als geeignete Materialen für die Filterwände des Filterelements haben sich Aluminiumoxid, Magnesiumsilikate, bevorzugt Cordierit, Titandioxid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumtitanat erwiesen.When suitable materials for the filter walls of the filter element are alumina, magnesium silicates, preferably cordierite, titanium dioxide, silicon carbide and / or aluminum titanate proved.

Die eingangs genannten Vorteile werden auch mit einem Rußfilter mit einem Filterelement, mit einem Gehäuse, mit einer Zuleitung und mit einer Ableitung, dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Filterelement eingesetzt wird.The The advantages mentioned above are also with a soot filter with a filter element, with a housing, with a supply line and with a derivative, solved by that a filter element according to the invention is used.

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 genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims can be removed. All mentioned in the drawing, the description and the claims Benefits can both individually and in any combination with each other essential to the invention be.

Kurze Beschreibung der Zeichnungenshort Description of the drawings

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und 1 a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment device according to the invention and

2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements im Längsschnitt. 2 An embodiment of a filter element according to the invention in longitudinal section.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

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.In 1 an internal combustion engine carries the reference number 10 , The exhaust gases are via an exhaust pipe 12 derived in which a filter device 14 is arranged. With this soot particles from the exhaust pipe 12 filtered exhaust gas filtered out. This is particularly necessary in diesel internal combustion engines to comply with legal requirements.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt.At the in 1 illustrated embodiment includes the filter device 14 a cylindrical housing 16 in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, a total also cylindrical filter element 18 is arranged. Of course, the invention is not limited to these geometries.

In 2 ist ein Querschnitt durch ein Filterelement 18 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. 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.In 2 is a cross section through a filter element 18 represented according to the prior art. The filter element 18 is produced as an extruded molded article of a ceramic material, such as cordierite. The filter element 18 will be in the direction of the arrows 20 flows through not shown exhaust gas. An entrance area has in 2 the reference number 22 while an exit surface in 2 the reference number 24 Has.

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.Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 run several inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30 , The entrance channels 28 are at the exit surface 24 locked. The sealing plugs are in 2 shown without reference number. In contrast, the exit channels 30 at the exit surface 24 open and in the area of the entrance area 22 locked.

Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand (ohne Bezugszeichen) in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.The flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall (without reference numeral) in one of the outlet channels 30 , This is exemplified by the arrows 32 shown.

Selbstverständlich können erfindungsgemäße Filterelemente 18 auch in Nutzfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Anwendungen eingesetzt werden.Of course, filter elements according to the invention 18 also be used in commercial vehicles or other mobile or stationary applications.

Claims (21)

Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich des Filterelements (18), wahlweise das Filterelement, eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/lK und 750 J/lK aufweist.Filter element, in particular for filtering exhaust gases of a diesel internal combustion engine, having a longitudinal axis extending parallel to the main flow direction of the exhaust gas (US Pat. 26 ), with a plurality of entry channels ( 28 ), and with a plurality of exit channels ( 30 ), whereby the entry channels ( 28 ) and / or the exit channels ( 30 ) through filter walls ( 34 ), characterized in that at least a portion of the filter element ( 18 ), optionally the filter element, has a volumetric heat capacity between 450 J / lK and 750 J / lK. Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich ein Teilbereich des Filterelements (18), insbesondere ein von einem Rand- bzw. Außenbereich des Filterelements abgewandter Bereich, bevorzugt ein mittlerer Bereich, der nicht unmittelbar einem filterelementfreien Raum benachbart ist, eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/lK und 750 J/lK aufweist.Filter element, in particular for filtering exhaust gases of a diesel internal combustion engine, having a longitudinal axis extending parallel to the main flow direction of the exhaust gas (US Pat. 26 ), with a plurality of entry channels ( 28 ), and with a plurality of exit channels ( 30 ), whereby the entry channels ( 28 ) and / or the exit channels ( 30 ) through filter walls ( 34 ) are limited, characterized in that only a portion of the filter element ( 18 ), in particular a region facing away from an edge or outer region of the filter element, preferably a middle region which is not immediately adjacent to a filter element-free space, has a volumetric heat capacity between 450 J / lK and 750 J / lK. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Filterelement in dem genannten Bereich bzw. im gesamten Bereich des Filterelements der folgenden Ungleichung genügt:
Figure 00130001
Dabei ist dh,ein = hydraulischer Durchmesser der Eintrittskanäle, dh,aus = hydraulischer Durchmesser der Austrittskanäle, n = Zahl der Austrittskanäle/Zahl der Eintrittskanäle, ε = Porosität, ρ = Materialdichte, cp = spezifische Material-Wärmekapazität sowie w = Wandstärke.Filter element according to claim 1 or 2, characterized in that the filter element in the said region or in the entire region of the filter element satisfies the following inequality:
Figure 00130001
D h, a = hydraulic diameter of the inlet channels, d h, off = hydraulic diameter of the outlet channels, n = number of outlet channels / number of inlet channels, ε = porosity, ρ = material density, c p = specific material heat capacity and w = Wall thickness. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die volumetrische Wärmekapazität des Filterelements (18) in dem genannten Bereich bzw. im gesamten Bereich des Filterelements zwischen 500 J/lK und 750 J/lK, vorzugsweise insbesondere zwischen 500 J/lK und 670 J/lK, bevorzugt zwischen 600 J/lK und 670 J/lK, liegt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the volumetric heat capacity of the filter element ( 18 ) in said region or in the entire region of the filter element is between 500 J / lK and 750 J / lK, preferably in particular between 500 J / lK and 670 J / lK, preferably between 600 J / lK and 670 J / lK. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die volumetrische Wärmekapazität des Filterelements (18) in dem genannten Bereich bzw. im gesamten Bereich des Filterelements zwischen 500 J/lK und 600 J/lK liegt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the volumetric heat capacity of the filter element ( 18 ) in said region or in the entire region of the filter element is between 500 J / lK and 600 J / lK. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement eine volumetrische Fläche größer 0,7 m2/l, bevorzugt größer 0,8 m2/l, besonders bevorzugt größer 1,0 m2/l und ganz besonders bevorzugt größer 1,2 m2/l aufweist.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the filter element has a volumetric area greater than 0.7 m 2 / l, preferably greater than 0.8 m 2 / l, more preferably greater than 1.0 m 2 / l and most preferably greater 1.2 m 2 / l. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) einen hydraulischen Durchmesser aufweisen, der zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1,3 mm, liegt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet channels ( 28 ) of the filter element ( 18 ) have a hydraulic diameter which is between 1.0 mm and 1.6 mm, preferably between 1.2 mm and 1.3 mm. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanäle (30) des Filterelements (18) einen hydraulischen Durchmesser aufweisen, der zwischen 0,5 mm und 1,2 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,9 mm und 1,0 mm, liegt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet channels ( 30 ) of the filter element ( 18 ) have a hydraulic diameter which is between 0.5 mm and 1.2 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm, particularly preferably between 0.9 mm and 1.0 mm. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) eine durchschnittliche Wandstärke zwischen 10 und 18 mil (1 mil = 1/1000 inch = 25,4/1000 mm), bevorzugt zwischen 10 und 14 mil, besonders bevorzugt zwischen 12 und 13 mil, besitzen.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the filter walls ( 34 ) have an average wall thickness between 10 and 18 mils (1 mil = 1/1000 inch = 25.4 / 1000 mm), preferably between 10 and 14 mils, more preferably between 12 and 13 mils. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur des Filterelements (18) eine Porosität zwischen 35% und 60%, bevorzugt zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt zwischen 45% und 55%, besitzt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the basic structure of the filter element ( 18 ) has a porosity between 35% and 60%, preferably between 40% and 60%, particularly preferably between 45% and 55%. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porendurchmesser des Filterelements (18) zwischen 10 μm und 30 μm, bevorzugt zwischen 15 μm und 25 μm, beträgt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the average pore diameter of the filter element ( 18 ) between 10 μm and 30 μm, preferably between 15 μm and 25 μm. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur des Filterelements (18) eine Zelldichte von 200 cpsi (cpsi = cells per square inch) bis 450 cpsi, bevorzugt von 300 bis 350 cpsi, besitzt.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the basic structure of the filter element ( 18 ) has a cell density of 200 cpsi (cpsi = cells per square inch) to 450 cpsi, preferably from 300 to 350 cpsi. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) eine größere Querschnittsfläche als die Austrittskanäle (30) des Filterelements (18) besitzen.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet channels ( 28 ) of the filter element ( 18 ) has a larger cross-sectional area than the exit channels ( 30 ) of the filter element ( 18 ). Filterelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Querschnittsflächen aller Einlasskanäle größer oder gleich der Summe der Querschnittsflächen aller Auslasskanäle ist.Filter element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sum of the cross-sectional areas of all intake ports bigger or is equal to the sum of the cross-sectional areas of all outlet channels. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) einen sechseckigen Querschnitt aufweisen.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet channels ( 28 ) of the filter element ( 18 ) have a hexagonal cross-section. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanäle (30) des Filterelements (18) einen viereckigen Querschnitt aufweisen.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet channels ( 30 ) of the filter element ( 18 ) have a quadrangular cross-section. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titandioxid (TiO2), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat bestehen.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the filter walls ( 34 ) of aluminum-magnesium silicate, preferably cordierite, titanium dioxide (TiO 2 ), silicon carbide (SiC) and / or aluminum titanate exist. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Metall, bevorzugt aus Sintermetall, bestehen.Filter element according to one of claims 1 to 16, characterized in that the filter walls ( 34 ) made of metal, preferably sintered metal. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) an der Eintrittsfläche (22) des Filterelements (18) beginnen und an einer Austrittsfläche (24) des Filterelements (18) verschlossen sind, und dass die Austrittskanäle (30) an der Eintrittsfläche (22) verschlossen sind und an der Austrittsfläche (24) enden.Filter element according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet channels ( 28 ) at the entrance surface ( 22 ) of the filter element ( 18 ) and at an exit surface ( 24 ) of the filter element ( 18 ) are closed, and that the outlet channels ( 30 ) at the entrance surface ( 22 ) are closed and at the exit surface ( 24 ) end up. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch aktive Beschichtung zumindest in den Eintrittskanälen, wahlweise auch in den Austrittskanälen, vorgesehen ist.Filter element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a catalytically active coating at least in the entrance channels, optionally also in the outlet channels, is provided. Filtereinrichtung mit einem Filterelement (18), mit einem Gehäuse (16) und mit einem Abgasrohr (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.Filter device with a filter element ( 18 ), with a housing ( 16 ) and with an exhaust pipe ( 12 ), characterized in that the filter element is a filter element ( 18 ) according to any one of the preceding claims.
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