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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 12. Derartige
Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen
eingesetzt.
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Die
Filterelemente bestehen häufig
aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel
zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.
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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.
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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.
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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, indem es aus den
Eintrittskanälen
durch die Wände
des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.
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Bei
der Regeneration der Filterelemente werden die Rußablagerungen
oxidiert, wobei Wärme freigesetzt
wird. Da sich im Inneren des Filterelements mehr Ruß ablagert
als an dessen Peripherie. Weil außerdem die Wärmeabfuhr
an der Peripherie des Filterelements besser ist als im Inneren desselben,
treten vor allem bei der Regeneration des Filterelements lokale
Temperaturunterschiede auf, die zu Wärmespannungen innerhalb des
Filterelements führen.
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Wenn
die Wärmespannungen
zu groß werden,
entstehen Risse im Filterelement, die zu einem Versagen desselben
führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement und einen
Rußfilter
bereitzustellen, deren Temperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegen
Wärmespannungen
verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung
von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur
Hauptströmungsrichtung
des Abgases verlaufenden Längsachse,
mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Einlasskanälen und
mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Auslasskanälen, wobei
die Einlasskanäle
und die Auslasskanäle
durch mehrere Filterwände
begrenzt werden, wobei eine Querschnittsfläche des Filterelements mit
einem Netz aus mehreren gleichmäßig voneinander
beabstandeten Rasterlinien und mehreren voneinander beabstandeten
zweiten Rasterlinien überzogen
ist, wobei die Filterwände
entlang der ersten Rasterlinie und entlang der zweiten Rasterlinien
verlaufen, dadurch gelöst,
dass die in Richtung der ersten Rasterlinien verlaufende Filterwände von
zwei benachbarten Kanälen
auf verschiedenen ersten Rasterlinien verlaufen.
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Vorteile der
Erfindung
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Dadurch,
dass die Filterwände
zweier benachbarter Kanäle
in Richtung der ersten Rasterlinien versetzt zueinander verlaufen,
wird die Struktur des erfindungsgemäßen Filterelements in Richtung der
ersten Rasterlinien weicher und flexibler, so dass die aus lokalen
Temperaturunterschieden resultierenden Wärmespannungen verringert werden
und somit die Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Filterelements gegenüber lokalen
Temperaturunterschieden zunimmt.
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Des
Weiteren ermöglicht
das erfindungsgemäße Filterelement
verschiedene Querschnitte der Eintrittskanäle und der Austrittskanäle. Dieser
Freiheitsgrad kann zur Vergleichmäßigung der Strömung des
Abgases innerhalb des Filterelements und zur Optimierung der Rußbeladung
des Filterelements genutzt werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass auch
die in Richtung der zweiten Rasterlinien verlaufenden Filterwände zweier
benachbarter Kanäle
auf verschiedenen zweiten Rasterlinien verlaufen. Dadurch wird die
Struktur des erfindungsgemäßen Filterelements
auch in Richtung der zweiten Rasterlinien weicher und flexibler,
so dass sich eine noch weiter gesteigerte Beständigkeit gegenüber lokalen
Temperaturunterschieden ergibt.
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Die
Erfindung ist besonders bevorzugt einsetzbar, wenn die Rasterlinien
einen Winkel von 90° einschließen, entsprechend
den zwei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems. Des Weiteren
ist die Erfindung aber auch einsetzbar, wenn die ersten Rasterlinien
mit den zweiten Rasterlinien einen Winkel kleiner 90°, entsprechend
den Achsen eines schiefwinkligen Koordinatensystems, einschließen.
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In
gleicher Weise ist es auch möglich
und vorteilhaft, wenn die ersten Rasterlinien radial zu der Längsachse
des Filterelements verlaufen und die zweiten Rasterlinien konzentrische
Kreise um die Längsachse
des Filterelements bilden. Dadurch können zentralsymmetrische Filterelemente
so gestaltet werden, dass sie die erfindungsgemäßen Vorteile aufweisen.
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Dabei
ist es möglich,
dass die Querschnittsfläche
der Eintrittskanäle
im Inneren des Filterelements geometrisch ähnlich wie die Querschnittsfläche der
an der Peripherie des Filterelements angeordneten Eintrittskanäle ist,
und dass die Querschnittsfläche
der Eintrittskanäle
des Filterelements kleiner sind als die Querschnittsfläche der
an der Peripherie des Filterelements angeordneten Eintrittskanäle ist.
Dadurch wird erreicht, dass der auf die Eintrittsfläche bezogene
Strömungswiderstand
der Eintrittskanäle
an der Peripherie des Filterelements niedriger ist als im Zentrum
des Filterelements, so dass die Beaufschlagung des Filterelements über die gesamte
Querschnittsfläche
vergleichmäßigt wird.
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Dabei
ist zu berücksichtigen,
dass im Zentrum des Filterelements die Eintrittskanäle unmittelbar
dem Staudruck des aus dem Abgasrohr eintretenden Abgases ausgesetzt
sind. Dadurch werden die Eintrittskanäle im Inneren des Filterelements
stärker
mit Abgas beaufschlagt, als die an der Peripherie des Filterelements
angeordneten Eintrittskanäle. Dieser
Tendenz wird durch die erfindungsgemäß beanspruchte Geometrie entgegengewirkt.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Querschnittsflächen der
Eintrittskanäle
die Form eines Quadrats, eines Rechtecks, eines Parallelogramms
oder eines Kreuzes aufweist.
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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.
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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.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 einen
Rußfilter
mit einem erfindungsgemäßen Filterelement
in einer Seitenansicht und
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2 bis 4 Querschnitte
verschiedener Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Filterelemente.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 stellt
einen Rußfilter 1 mit
einer Zuleitung 3, einem Diffusor 5, einem Gehäuse 7 und
einem erfindungsgemäßen Filterelement 9 in
einer teilweise geschnittenen Seitenansicht dar.
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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 zuströmende Abgas
(nicht dargestellt) durch das Filterelement 9 hindurchströmen muss.
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Das
Filterelement 9 weist eine Eintrittsfläche 17 und eine Austrittsfläche 19 auf.
Das Filterelement 19 ist von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen,
die sich von der Eintrittsfläche 17 bis
zur Austrittsfläche 19 erstrecken.
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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.
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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.
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In 2 ist
ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 9 dargestellt.
Zur Beschreibung der Anordnung der Filterwände zwischen den Eintrittskanälen 21 und
den Auslasskanälen 23 wird
die Querschnittsfläche
des Filterelements 9 gedanklich durch ein Netz von ersten
Rasterlinien 27 und zweiten Rasterlinien 29 unterteilt.
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Die
ersten Rasterlinien 27.0, 27.1 bis 27.n verlaufen
in 2 von oben nach unten parallel zu einer nicht
eingezeichneten Y-Achse eines herkömmlichen kartesischen Koordinatensystems.
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Die
zweiten Rasterlinien 29.0, 29.1 bis 27.n verlaufen
parallel zu einer X-Achse (nichts dargestellt) eines herkömmlichen
kartesischen Koordinatensystems. Dies bedeutet, dass sie in 2 als
parallel zueinander verlaufende horizontale Linien dargestellt sind.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
sind nicht alle Eintrittskanäle 21 und
alle Austrittskanäle 23 mit den
entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Wände zwischen den Eintrittskanälen 21 und
den Austrittskanälen 23 sind
in 2 als dicke schwarze Linien ohne Bezugszeichen
dargestellt.
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Wenn
man zum Beispiel die unterste Reihe von Eintrittskanälen 21 und
Austrittskanälen 23 in 2 betrachtet,
wird deutlich, dass diese Kanäle
an ihrer in 2 unteren Seite durch die zweite
Rasterlinie 29.0 begrenzt wird. Nach oben werden die Eintrittskanäle 21 und
die Austrittskanäle 23 der
untersten Reihe durch die zweite Rasterlinie 29.2 begrenzt. Die
zweite Rasterlinie 29.2 ist gleichzeitig die Unterseite
der Kanäle 21 und 23 aus
der zweiten Reihe. Diese zweite Reihe von Kanälen 21 und 23 wird
nach oben wiederum von der zweiten Rasterlinie 29.4 begrenzt.
Dieses Schema setzt sich über
die gesamte Querschnittsfläche
des Filterelements fort.
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Der
in 2 am weitesten links angeordnete Eintrittskanal 21 der
untersten Reihe wird zur Linken von einer Filterwand begrenzt, die
auf der mit 27.1 bezeichneten ersten Rasterlinie verläuft. Zur
Rechten wird dieser Eintrittskanal 21 von einer Filterwand begrenzt,
die auf der ersten Rasterlinie 27.3 verläuft. Der
rechts daneben angeordnete Austrittskanal 23 wird einerseits
durch die auf der ersten Rasterlinie 27.3 verlaufende Filterwand
begrenzt und zur Rechten durch die auf der ersten Rasterlinie 27.5 verlaufende
Filterwand begrenzt.
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Wenn
man nun die darüberliegende
Reihe von Eintrittskanälen 21 und
Austrittskanälen 23 betrachtet,
die nach oben und unten von den zweiten Rasterlinien 29.2 und 29.4 begrenzt
werden, wird deutlich, dass beispielsweise der am weitesten links angeordnete
Eintrittskanal 21 zur Linken von der ersten Rasterlinie 27.0 und
zur Rechten von der ersten Rasterlinie 27.2 begrenzt wird.
Das rechts daneben liegende Austrittskanal wird zur Linken von der
ersten Rasterlinie
27.2 begrenzt und zur Rechten von
der ersten Rasterlinie 27.4 begrenzt.
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Wenn
man den Verlauf der Filterwände
in Richtung der ersten Rasterlinien 27 betrachtet, wird deutlich,
dass die Filterwände
zweier benachbart angeordneter Kanäle 21 und 23 nicht
miteinander fluchten, sondern jeweils um einer Rasterlinie versetzt
zueinander angeordnet sind.
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Dieser
sich wiederholende Versatz ist in 2 durch
einen Pfeil 31 andeutungsweise dargestellt. Aus der Darstellung
der des Verlaufs der Filterwände
mit Hilfe des Pfeils 29 wird auch deutlich, dass die Filterwände, welche
in Richtung der ersten Rasterlinien 27 verlaufen, bei dem
dargestellten Beispiel um eine Rasterlinie zwischen der ersten Rasterlinie 27.n und
der ersten Rasterlinie 27.n + 1 wechseln.
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Dadurch
wird das erfindungsgemäße Filterelement
gegenüber
Kräften,
die in Richtung der ersten Rasterlinien 27 auf das Filterelement
einwirken, flexibel und weich, so dass die Kräfte abgebaut und keine großen inneren
Spannungen daraus entstehen. Dies ist besonders dann vorteilhaft,
wenn die im Inneren des Filterelements 9 befindlichen Bereiche
stärker aufgeheizt
werden als die am Rand oder der Peripherie des Filterelements angeordneten
Bereich. Die daraus resultierenden Wärmespannungen können durch
die erfindungsgemäße Struktur
des Filterelements 9 deutlich reduziert werden.
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In 3 ist
ein stark vergrößertes Ausführungsbeispiel
eines weiteren erfindungsgemäßen Filterelements
dargestellt, bei dem die Filterwände
benachbarter Kanäle
nicht nur in Richtung der ersten Rasterlinien 27, sondern
auch in Richtung der zweiten Rasterlinien 29, versetzt
zueinander verlaufen. Aus dem daraus resultierenden Muster ergeben
sich kreuzförmige
Querschnitte der Eintrittskanäle 21 und quadratische
Querschnitte der Austrittskanäle 23. Diese
Struktur ist besonders flexibel sowohl in Richtung der ersten Rasterlinien 27 als
auch in Richtung der zweiten Rasterlinien 29.
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Außerdem hat
die kreuzförmige
Querschnittsfläche
der Eintrittskanäle 21 den
weiteren Vorteil, dass ihre Umfangsfläche im Verhältnis zur Querschnittsfläche relativ
groß ist.
Dadurch kann – bezogen
auf die kreuzförmige
Querschnittsfläche – relativ
viel Ruß an
der Innenwand der Eintrittskanäle abgelagert
werden, bevor eine Regeneration erforderlich wird. Hinzu kommt,
dass durch diese Struktur ein Verhältnis der Querschnittsflächen der
Eintrittskanäle 21 zu
den Querschnittsflächen
der Austrittskanäle 23 größer als
1 (AEintrittsfläche/AAustrittsfläche > 1) erzielt werden
kann.
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Der
quadratische Querschnitt der Austrittskanäle 23 ist deswegen
besonders vorteilhaft, da mit kleinstem Raumvolumen ein sehr geringer
Strömungswiderstand
erreicht wird, so dass die Abgase durch die Austrittskanäle 23 mit
geringem Druckverlust abströmen
können.
Wenn die Abstände
der ersten Rasterlinien 27 zueinander verschieden sind
von den Abständen,
welche die zweiten Rasterlinien 29 zueinander haben, können auch
Austrittskanäle 23 mit
rechteckigem Querschnitt erzielt werden. Dann nämlich ist eine Breite b der
Austrittskanäle
ungleich einer Höhe
a der Austrittskanäle 23.
Entsprechend ändert
sich auch durch diese Maßnahme
die Geometrie der Eintrittskanäle 21.
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Die
exemplarisch beschriebenenerfindungsgemäßen Geometrien können selbstverständlich auch
radial auf zentralsymmetrische Anordnungen übertragen werden.
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Anhand
der 4a ist das Ausführungsbeispiel
gemäß der 2 von
dem kartesischen Koordinatensystem gewissermaßen auf ein Polarkoordinatensystem übertragen
worden. Dabei sind die ersten Rasterlinien 27 in Form von
Radiusstrahlen angeordnet, während
die zweiten Rasterlinien 29 in Form konzentrischer Kreise
um einen Mittelpunkt 33 verlaufen.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
stellt sich der erfindungsgemäße Versatz
zwischen zwei in Richtung der ersten Rasterlinien verlaufenden Filterwände von
benachbarter Eintrittskanälen 21 und Austrittskanälen 23 ein.
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In 4b ist das Ausführungsbeispiel gemäß 3 auf
ein Netz von Rasterlinien übertragen, bei
dem die ersten Rasterlinien 27 radial zu dem Mittelpunkt 33 verlaufen
und die zweiten Rasterlinien 29 als konzentrische Kreise
um den Mittelpunkt 33 angeordnet sind.
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Es
versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Konzept auch auf andere
Filterelemente übertragbar
sind, bei denen die Eintrittskanäle 21 und/oder
die Austrittskanäle 23 andere
Formen als die exemplarisch beschriebenen Quadrate, Rechtecke oder
Kreuze haben.