DE102005042057A1

DE102005042057A1 - Filterelement mit verbesserter Rußverteilung

Info

Publication number: DE102005042057A1
Application number: DE102005042057A
Authority: DE
Inventors: Bernd Reinsch; Rüdiger Herr; Hans-Peter Frisse; Teruo Komori; Lars Thuener; Stefan Motz; Matthias Kruse; Christian Schiller; Andreas Mattern; Christoph Osemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-08
Also published as: WO2007028697A1

Abstract

Es werden ein Filterelement () und ein Filter () vorgeschlagen, bei denen die Verteilung der Rußablagerungen innerhalb des Filterelements () vergleichmäßigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Rußfilter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 6. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.

Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.

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.

Damit das zu reinigende Abgas durch die Wände des Filters strömt, die eine Gruppe von Kanälen am hinteren Ende des Filterelements verschlossen, während die andere Gruppe von Kanälen 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.

Zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen besteht nur über die porösen Wände des Filterelements eine Strömungsverbindung, so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann, in dem es aus den Eintrittskanälen durch die Wände des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.

Um einen möglichst effektiven Betrieb des Filterelements zu gewährleisten, ist eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Abgasen und Beanspruchung aller Bereiche des Filterelements während des Betriebs der Brennkraftmaschine wünschenswert.

Bei herkömmlichen Filterelementen ist es jedoch so, dass sich am hinteren Ende in der Nähe der Längsachse oder Symmetrieachse eine erhöhte Menge von Ruß anlagert, was zum Verstopfen des Filterelements in diesem Bereich führt und dadurch den Strömungswiderstand des Filterelements erhöht und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Filterelements reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement und einen Rußfilter bereitzustellen, bei denen die lokale Anhäufung von Rußablagerungen vermieden, zumindest jedoch verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Filterelement zur Abgasreinigung mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufende Längsachse, mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Eintrittskanälen, und mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle an einer Eintrittsfläche des Filterelements beginnen und an einer Austrittsfläche des Filterelements verschlossen sind, und wobei die Austrittskanäle an der Eintrittsfläche verschlossen sind und an der Austrittsfläche enden, dadurch gelöst, dass die Austrittsfläche und/oder die Eintrittsfläche mindestens Abschnittsweise gekrümmt ist.

Dadurch ist es möglich, die Eintrittskanäle, welche sich in unmittelbarer Nähe der Längsachse beziehungsweise der Symmetrieachse des Filterelements befinden, länger auszubilden als die am äußeren Rand des Filterelements angeordneten Eintrittskanäle auszubilden.

Vorteile der Erfindung

Dadurch werden mehrere Effekte erzielt, die sich additiv und positiv auf die Vergleichmäßigung der Rußablagerung innerhalb des Filterelements auswirken.

Durch die relative Verlängerung der Eintrittskanäle in der nähe der Symmetrieachse erreicht, dass die Oberfläche dieser inneren Eintrittskanäle vergrößert wird und somit die Kapazität zur Anlagerung von Ruß in dem gefährdeten Bereich erhöht wird.

Des weiteren verursacht über die größere Länge der inneren Eintrittskanäle eine lokale Erhöhung des Strömungswiderstands in dessen Mitte, so dass ein größerer Teil des Abgases nach Außen abgelenkt wird und so die außen gelegenen Eintrittskanäle stärker durchströmt werden. Die lokale Erhöhung des Strömungswiderstands in dessen Mitte kann den erhöhten Staudrucks in der Mitte des Filterelements ganz oder teilweise kompensieren.

Des weiteren können Temperaturspitzen, die sich üblicherweise bei Filterelementen mit ebenen Austrittsflächen im Bereich der Symmetrieachse am hinteren Ende des Filterelements ergeben, abgebaut oder zumindest abgemildert werden. Auch dadurch wird die Anhäufung von Ruß in dem kritischen Bereich am hinteren Ende des Filterelements im Bereich der Symmetrieachse verringert.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austrittsfläche und/oder die Eintrittsfläche des Filterelements mindestens abschnittsweise kegelstumpfförmig ist. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche in einer durch die Längsachse verlaufende Schnittebene mindestens Abschnittsweise konkav und/oder konvex gekrümmt auszuführen.

Mit Hilfe dieser Geometrien, kann die Ablenkung des Abgases von der Symmetrieachse weg hin zu den peripheren Bereichen des Filterelements weiter unterstützt werden.

Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche, nahe der Längsachse bzw. der Symmetrieachse eben ist. Dadurch wird gewährleistet, dass alle Eintrittskanäle, die im unmittelbaren Anströmbereich des Abgases liegen, die gleiche Länge aufweisen.

Aus Gründen der vereinfachten Fertigung und des verbesserten Betriebsverhaltens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Filterelement rotationssymmetrisch ist.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden auch durch einen Rußfilter mit einem Filterelement nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 6 erreicht, wenn ein erfindungsgemäßen Filterelement eingesetzt wird.

Um die Verteilung des Abgases über den gesamten Durchmesser des Filterelements zu ermöglichen und zu verbessern aus den Austrittskanälen zu ermöglichen bzw. zu erleichtern, ist zwischen dem Gehäuse und dem Filterelement an beiden Enden in Strömungsrichtung ein Abstand zueinander vorgesehen.

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.

Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen herkömmlichen Rußfilter mit einem Filterelement nach dem Stand der Technik und
2 einen Rußfilter mit einem erfindungsgemäßen Filterelement
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Rußfilter 1 nach dem Stand der Technik mit einer Zuleitung 3, einem Diffusor 5, einem Gehäuse 7 und einem Filterelement 9 teilweise geschnitten dargestellt. Durchströmt wird der Rußfilter 1 in Richtung der Pfeile 11.
An das Gehäuse 7 schließen ein Konus 13 und eine Ableitung 15 an.
Das Filterelement 9 ist gasdicht mit dem Gehäuse verbunden, so dass das durch die Zuleitung 3 strömende Abgas (nicht dargestellt) durch das Filterelement 9 hindurchströmen muss. Das Filterelement 9 weist eine Eintrittsfläche 17 und eine Austrittsfläche 19 auf.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Filterelements 9 sind sowohl die Eintrittsfläche 17 als auch die Austrittsfläche 19 eben ausgebildet. Das Filterelement 19 ist von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen, die sich von der Eintrittsfläche 17 bis zur Austrittsfläche 19 erstrecken.
Damit das Abgas durch die Wände (ohne Bezugszeichen) des Filterelements 9 strömen muss, sind die Eintrittskanäle 21 an der Eintrittsfläche 17 offen und an der Austrittsfläche 19 verschlossen. Die sogenannten Austrittskanäle 23 sind an der Eintrittsfläche 17 verschlossen und an der Austrittsfläche 19 offen. Die Verschlüsse der Eintrittskanäle 21 und der Austrittskanäle 23 sind in 1 als schwarze Flächen ohne Bezugszeichen dargestellt.
Das in 1 in einem Teilschnitt dargestellte Muster von jeweils einem Eintrittskanal 21, der sich mit einem Austrittskanal 23 abwechselt, setzt sich über die gesamte Querschnittsfläche des Filterelements in an sich bekannter Weise fort.
Nachteilig an dem in 1 dargestellten Filterelement 9 ist, dass sich im Bereich der Längsachse 25, die gleichzeitig auch Symmetrieachse sein kann, am hinteren Ende des Filterelements 9 Rußanhäufungen bilden. Der Bereich in dem die unerwünschten Rußanhäufungen auftreten ist in 1 mit einer Kreuzschraffur dargestellt.
In 2 sind verschiedenen erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Eintrittsfläche 17 und der Austrittsfläche 19 dargestellt, welche die unerwünschten Rußanhäufungen in dem in 1 kreuzschraffiert dargestellten Bereich vermeiden.
In der 2 sind insgesamt vier Eintrittsflächen 17 und Austrittsflächen 19 dargestellt, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die anhand der Eintrittsflächen 17 erläuterten Ausführungsbeispiele auch bei Austrittsflächen 19 anwendbar sind und umgekehrt.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Eintrittsfläche 17 oberhalb der Längsachse 25 mit dem Bezugszeichen 17a gekennzeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Eintrittsfläche 17a in Form eines Kegels oder einer Pyramide ausgebildet, so dass die Eintrittskanäle 21 in unmittelbarer Nähe der Längsachse 25 länger sind als die Eintrittskanäle 21 am äußeren Rand des Filterelements 9, dort wo es zum Gehäuse 7 abgedichtet ist.
Die Form der Eintrittsfläche 17a lenkt außerdem das Abgas, welches durch die Zuleitung 3 in das Filtergehäuse 7 einströmt, nach außen ab, so dass die weiter außen liegenden Eintrittskanäle 21 besser durchströmt werden und entsprechend die im Zentrum des Filterelements 9 gelegenen Eintrittskanäle 21 entlastet werden. Ein ähnlicher Effekt kann auch erreicht werden, wenn die Eintrittsfläche 17b, wie sie unterhalb der Längsachse 25 dargestellt ist, konvex gekrümmt ist.
Es versteht sich von selbst, dass auch Kombinationen konvexer, konkaver (nicht dargestellt) und/oder kegelstumpfförmiger Abschnitte der Eintrittsfläche 17 eingesetzt werden können, um die gewünschte Ablenkung des Abgases in die peripheren Bereiche des Filterelements 9 und die Verlängerung der Eintrittskanäle 21 im Bereich der Längsachse 25 zu erreichen.
In 2 ist oberhalb der Längsachse 25 eine kegelstumpfförmige Austrittsfläche 19a dargestellt, an die sich ein ebener Abschnitt 19b anschließt. Der ebene Abschnitt 19b der Austrittsfläche hat bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel etwa den gleichen Durchmesser wie die Ableitung 15 und die Zuleitung 3, so dass die Eintrittskanäle 21 in dem Bereich, der unmittelbar von dem durch die Zuleitung 3 zuströmenden Abgas beaufschlagt wird, alle gleich lang sind.
Im unteren Teil der 2 ist eine Austrittsfläche 19c dargestellt, die im Querschnitt wie eine Treppe geformt ist. Dadurch wird einerseits der gewünschte Effekt erreicht und gleichzeitig wird das Verschließen der Eintrittskanäle im Bereich der Austrittsfläche 19c erleichtert, da die Austrittsfläche 19c aus mehreren ebenen, jedoch gestaffelt zueinander angeordneten Kreisringflächen 19.1 bis 19.6 besteht.
Es versteht sich von selbst dass die Eintrittsfläche 17 bezüglich ihrer Positionierung und ihrer Geometrie mit dem Diffusor 5 des Filtergehäuses 17 so abgestimmt sein muss, dass zwischen dem Diffusor 5 und der Eintrittsfläche 17 ausreichend Platz ist, damit das Abgas auch in die peripheren Bereiche des Filterelements 9 gelangen kann. Entsprechendes gilt bezüglich der Austrittsfläche 19 und dem Konus 13. Hier ist von Bedeutung, dass die aus den Austrittskanälen 23 austretenden Abgase mit möglichst geringen Strömungsverlusten gesammelt und der Ableitung 15 zugeführt werden können.

Claims

Filterelement zur Abgas-Reinigung, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (25), mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse (25) verlaufenden Eintrittskanälen (21), und mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse (15) verlaufenden Austrittskanälen (23), wobei die Eintrittskanäle (21) an einer Eintrittsfläche (17) des Filterelements (9) beginnen und an einer Austrittsfläche (19) des Filterelements (9) verschlossen sind, und wobei die Austrittskanäle (23) an der Eintrittsfläche (17) verschlossen sind und an der Austrittsfläche (19) enden, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (19) und/oder die Eintrittsfläche (17) mindestens abschnittsweise gekrümmt ist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (19) und/oder die Eintrittsfläche (17) mindestens abschnittsweise kegelstumpfförmig ist.
Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (19) und/oder die Eintrittsfläche (17) in einer durch die Längsachse (25) verlaufenden Schnittebene mindestens abschnittsweise konkav und/oder konvex gekrümmt ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (17) und/oder die Austrittsfläche (19) nahe der Längsachse (25) eben ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (9) rotationssymmetrisch bezüglich seiner Längsachse (25) ist.
Russfilter mit einem Filterelement (9), mit einem Gehäuse (7), mit einer Zuleitung (3), mit einer Ableitung, mit einem die Zuleitung (3) mit dem Gehäuse (7) verbindenden Diffusor (5) und mit einem das Gehäuse (7) mit der Ableitung verbindenden Übergangsstück, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein Filterelement (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Russfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) und das Filterelement (9) in Strömungsrichtung zueinander beabstandet sind.