DE102005019464A1

DE102005019464A1 - Filtereinrichtung, insbesondere Rußpartikelfilter, für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005019464A1
Application number: DE200510019464
Authority: DE
Inventors: Bernd Reinsch; Teruo Komori; Lars Thuener
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-02
Also published as: EP1879682A1; WO2006114345A1

Abstract

Eine Filtereinrichtung (14), insbesondere ein Rußpartikelfilter für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, umfasst eine Filterstruktur (18). Diese umfasst wiederum mindestens eine Filterwand (22), an deren stromaufwärts gelegener Oberfläche (24) herausgefilterte Partikel abgeschieden werden. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche (24) der Filterwand (22) wenigstens bereichsweise wellenartige Erhebungen (36) aufweist, welche wenigstens in etwa in der stromaufwärtigen Haupt-Strömungsrichtung verlaufen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere einen Rußpartikelfilter für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 28 936 A1 bekannt. Bei der dort gezeigten Filtereinrichtung handelt es sich um einen Partikelfilter für ein Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die Filterkörper bei der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt, welches ein poröses Filtrationsmaterial bildet, und so angeordnet, dass keilförmige Filtertaschen gebildet werden. Die spitz zulaufenden Keilkanten der Filtertaschen zeigen entgegen der Strömungsrichtung des Abgases, die in Strömungsrichtung gesehene hintere Schmalseite einer Filtertasche ist offen. Die Filtertaschen sind nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt rotationssymmetrische ringartige Filterstruktur gebildet wird.

Im Betrieb tritt das Abgas durch die insgesamt ebenen Filterwände der Filtertaschen hindurch, wobei Partikel an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der jeweiligen Filterwand abgeschieden werden.

Bei der bekannten Filtereinrichtung führen die mit der Zeit an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der Filterwand abgeschiedenen Rußpartikel zu einer Verringerung der Durchlässigkeit der Filterwand und in der Folge 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.

In der noch nicht veröffentlichten DE 10 2004 042730 wird eine Filtereinrichtung beschrieben, deren Filterwände auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche wenigstens bereichsweise uneben sind, indem dort wellenartige Erhebungen vorgesehen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Filtereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist im Vergleich zu herkömmlichen Filtereinrichtungen die stromaufwärts gelegene Oberfläche größer. In der Folge kann dort eine größere Partikelmenge angelagert werden, ohne dass es zu einem unzulässigen Anstieg des Druckabfalls bei der Durchströmung der Filterwand kommt. Als Konsequenz hieraus wiederum muss die erfindungsgemäße Filtereinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Filtereinrichtungen seltener regeneriert werden, was den insgesamt für die Regenerierung erforderlichen Kraftstoffeinsatz senkt.

Dabei ist ein wesentlicher Unterschied zu den bisherigen Filtereinrichtungen, dass diese Verringerung des Kraftstoffverbrauchs möglich ist, ohne dass die Gesamtabmessungen der Filtereinrichtung vergrößert werden. Die Vergrößerung der für die Ablagerung der Partikel zur Verfügung stehenden Fläche wird alleine oder zumindest im Wesentlichen durch die unebene Ausführung der Oberfläche herbeigeführt.

Wenn die Filterstruktur wenigstens bereichsweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist, wird die für diese katalytische Beschichtung auf der stromaufwärtigen Seite zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert, was die katalytische Wirkung insgesamt verbessert.

Indem die wellenartigen Erhebungen wenigstens in etwa parallel zur Richtung der stromaufwärts von der Filterwand vorhandenen Haupt-Abgasströmung verlaufen, wird die Erzeugung von Strömungswirbeln vermindert oder sogar gänzlich verhindert. Hierdurch wird der Durchgangswiderstand durch die Filtereinrichtung vermindert.

Die vorgeschlagene wellenförmige Strukturierung der stromaufwärtigen Oberfläche einer Filterwand ist bei allen Arten von Filterstrukturen (Wabenfilter) mit wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen beziehungsweise Filtertaschen möglich. Die entsprechenden Filtertaschen beziehungsweise Strömungskanäle können im Querschnitt entweder quadratisch, abwechselnd quadratisch und achteckig (sogenannte "Octosquare-Filter") sein oder eine andere beinahe beliebige Symmetrie aufweisen. Als Material für die Herstellung einer Filterwand kommt beispielsweise ein keramischer, ein glas-keramischer oder ein metallischer Werkstoff oder Werkstoffverbund in Frage, vorzugsweise SiC und Cordierit.

Je nach Ausgestaltung der Filterwand können ganz gezielt bestimmte thermomechanische und Filtrationseigenschaften eingestellt werden. Die Geometrie kann beispielsweise durch beidseitige wellenartige Erhebungen, durch eine insgesamt wellenartige Struktur der Filterwand, durch beidseits der Filterwand gegenüberliegende oder versetzt zueinander angeordnete Erhebungen erreicht werden.

Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Filtereinrichtung;
2 eine vergrößerte schematisierte Schnittdarstellung eines Bereichs einer Filterstruktur der Filtereinrichtung von 1;
3 einen Schnitt längs der Linie III-III von 2 zur Darstellung einer Einströmtasche;
4 eine Darstellung ähnlich 3 einer alternativen Ausführungsform einer Einströmtasche;
5 eine Ansicht in Strömungsrichtung gesehen auf eine Filterstruktur, die mehrere Einströmtaschen entsprechend 4 aufweist;
6 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Filterwand;
7 eine Darstellung ähnlich 6 einer nochmals abgewandelten Ausführungsform; und
8 eine Darstellung ähnlich 6 einer nochmals abgewandelten Ausführungsform.
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 einhalten zu können.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrische, insgesamt ebenfalls zylindrische Filterstruktur 18 angeordnet ist. Wie aus 2 hervorgeht, umfasst diese Filterstruktur 18 eine Vielzahl von wechselseitig verschlossenen Filterkanälen, durch die einströmseitige Filtertaschen 20 ("Einströmtaschen") und ausströmseitige Filtertaschen 21 ("Ausströmtaschen") gebildet werden. Deren Querschnittsgeometrie kann entweder quadratisch sein, was einem Standard-Wabenfilter entspricht, oder abwechselnd quadratisch und achteckig, was als "Octosquare-Filter" bezeichnet wird, oder sie können eine andere Symmetrie aufweisen.
Zwischen den Einströmtaschen 20 und den Ausströmtaschen 21 liegen seitliche Filterwände 22, welche eine stromaufwärts gelegene Oberfläche 24 und eine stromabwärts gelegene Oberfläche 26 aufweisen. Der wechselseitige Verschluss der Filtertaschen 20 wird im Bereich der stromaufwärtigen Stirnseite 28 der Filterstruktur 18 durch entsprechende Stirnwände 32, im Bereich der stromabwärtigen Stirnseite 30 durch entsprechende Stirnwände 34 bewirkt.
In 3 ist eine Einströmtasche 20, die eine quadratische Querschnittsgeometrie aufweist, vergrößert dargestellt: Man erkennt, dass die stromaufwärts gelegene Oberfläche 24 einer Filterwand 22 wellenartige Erhebungen 36 aufweist, wohingegen die stromabwärts gelegene Oberfläche 26 einer Filterwand 22 im Wesentlichen eben ist. Die wellenartigen Erhebungen 36 verlaufen dabei im Wesentlichen und insgesamt parallel zur stromaufwärts von der Filterwand 22 gelegenen Haupt-Strömungsrichtung, die in 3 senkrecht zur Blattebene verläuft und in 2 durch eine strichpunktierte Linie 38 dargestellt ist. Die Querschnittsgeometrie der einzelnen wellenartigen Erhebungen 36 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dreieckig. Denkbar ist aber auch eine sinusförmige oder eine vier- oder rechteckige Kontur der wellenartigen Erhebungen.
Die wellenartigen Erhebungen 36 sind in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet, wodurch sich eine Periodelänge P ergibt, die vorzugsweise im Bereich von cirka 0,1 mm bis cirka 0,5 mm liegt. Die Höhe ("Amplitude" A) der wellenartigen Erhebungen liegt im Bereich von cirka 0,1 mm bis 0,5 mm. Die Amplitude ergibt sich als Differenz der maximalen Wandstärke s₂ zur minimalen Wandstärke s₁.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen von Filterwänden 22 erläutert. Dabei gilt, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu bereits gezeigten und beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Einströmtasche 20. Bei dieser sind die eine konstante Wandstärke s aufweisenden Filterwände 22 einer Einströmtasche 20 insgesamt wellenartig ausgebildet. Auf diese Weise finden sich wellenartige Erhebungen 36 nicht nur auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche 24 einer Filterwand 22, sondern auch auf der stromabwärts gelegenen Oberfläche 26 einer Filterwand 22 sind entsprechende wellenartige Erhebungen 40 vorhanden. Letztere verlaufen in Richtung der stromabwärts von einer Filterwand 22 vorhandenen Haupt-Strömungsrichtung, die in 2 durch eine strichpunktierte Linie 42 dargestellt ist. Mit einer Mehrzahl von Einströmtaschen 20, wie sie in 4 gezeigt ist, kann die in 5 dargestellte Filterstruktur 18 gebildet werden.
Weitere mögliche Ausgestaltungen von Filterwänden 22 sind in den 6 bis 8 dargestellt. Anders als bei den in den 4 und 5 gezeigten Filterwänden 22 ist die in 6 gezeigte Filterwand 22 nicht insgesamt wellenförmig ausgebildet, sondern nur deren stromaufwärts gelegene Oberfläche 24 und deren stromabwärts gelegene Oberfläche 26. Dabei haben die wellenartigen Erhebungen 36 auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche 24 die gleiche Periode wie die wellenartigen Erhebungen 40 auf der stromabwärts gelegenen Oberfläche 26. Die wellenartigen Erhebungen 36 und 40 liegen sich ziemlich genau gegenüber, so dass dort die maximale Wandstärke s₂ gebildet wird. Entsprechendes gilt für die "Wellentäler" 42 und 44, wo die minimale Wandstärke s₁ gebildet wird. Man könnte also auch sagen, dass die Phasenlagen der wellenartigen Erhebungen 36 und 40 in etwa identisch sind.
Im Gegensatz hierzu ist bei der Filterwand 22 von 7 die Phasenlage der wellenartigen Erhebungen 40 um eine Viertelperiode gegenüber den wellenartigen Erhebungen 36 verschoben. Bei der Filterwand 22 von 8 sind die wellenartigen Erhebungen 40 gegenüber den wellenartigen Erhebungen 36 sogar um eine halbe Periode verschoben. Nicht dargestellt, jedoch ebenso möglich ist es, dass die wellenartigen Erhebungen der stromabwärts gelegenen Oberfläche eine andere Periode aufweist als die wellenartigen Erhebungen auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche. Auf diese Weise lässt sich die minimale Wandstärke s₁ und die maximale Wandstärke s₂ variieren, so dass die Filter- und Fertigkeitseigenschaften einer Filterwand genau eingestellt werden können.
Die oben gezeigten Filterstrukturen 18 mit den Filterwänden 22 können sehr einfach durch Extrudieren eines keramischen, glas-keramischen, oder metallischen Werkstoffs oder Werkstoffverbunds hergestellt werden. Besonders geeignet sind Werkstoffe auf Basis von SiC und Cordierit. Hierzu werden bei der Extrusion des Rohmaterials Werkzeuge verwendet, durch die die Filterwände 22 entsprechend geformt werden. Bei einer anschließenden Sinterung verändert sich diese Form nicht oder nur unwesentlich. Vorzugsweise nach dem Sintern kann auf die Filterstruktur 18, insbesondere auf die stromaufwärts gelegene Oberfläche 24, eine katalytische Beschichtung (nicht dargestellt) aufgebracht werden, welche beispielsweise bei einer Regenerierung der Filterstruktur 18 die hierfür erforderliche Temperatur senkt.

Claims

Filtereinrichtung (14), insbesondere Rußpartikelfilter für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (10), mit einer Filterstruktur (18), welche mindestens eine Filterwand (22) umfasst, an deren stromaufwärts gelegener Oberfläche (24) herausgefilterte Partikel abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche (24) der Filterwand (22) wenigstens bereichsweise wellenartige Erhebungen (36) aufweist, welche wenigstens in etwa parallel zu einer stromaufwärtigen Haupt-Strömungsrichtung (38) verlaufen.
Filtereinrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die stromabwärts gelegene Oberfläche (26) der Filterwand (22) wenigstens bereichsweise Erhebungen (40) aufweist.
Filtereinrichtung (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Erhebungen (40) der stromabwärts gelegenen Oberfläche (26) ebenfalls wenigstens bereichsweise wellenartig sind und wenigstens in etwa parallel zu einer stromabwärtigen Haupt-Strömungsrichtung (42) verlaufen.
Filtereinrichtung (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwand (22) insgesamt wellenartig ausgebildet ist.
Filtereinrichtung (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenartigen Erhebungen (40) der stromabwärts gelegenen Oberfläche (26) die gleiche Periode (P) aufweisen wie die wellenartigen Erhebungen (36) auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche (24) und gegenüber diesen phasenverschoben sind.
Filtereinrichtung (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenartigen Erhebungen (40) der stromabwärts gelegenen Oberfläche (26) die gleiche Periode (P) aufweisen wie die wellenartigen Erhebungen (36) auf der stromaufwärts gelegenen Oberfläche (24) und diesen wenigstens in etwa gegenüber liegend angeordnet sind.
Filtereinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwand (22) durch Extrudieren hergestellt ist.
Filtereinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenartigen Erhebungen (36, 42) eine sinusförmige, dreieckige, oder vier-, vorzugsweise rechteckige Kontur aufweisen.
Filtereinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenhöhe (A) der wellenartigen Erhebungen (36, 40) im Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 0,5 mm, vorzugsweise im Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 0,3 mm, die Periodenlänge (P) im Bereich von ca. 0,1 bis ca. 0,5 mm, und/oder das Verhältnis von Amplitudenhöhe (A) zu Periodenlänge (P) im Bereich von ca. 0,2 bis ca. 3,0 liegt.
Filtereinrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche (24) einer Filterwand (22) eine katalytische Beschichtung umfasst.