DE102005047598A1 - Filterelement und Filter zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

Filterelement und Filter zur Abgasnachbehandlung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Filterelement für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, das aus einem beschichteten keramischen Werkstoff besteht und deshalb unempfindlicher gegenüber örtlichen Überhitzungen ist.

Description

  • Stand der Technik
  • 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 15. 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, 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wenn die Wärmespannungen zu groß werden, entstehen Risse im Filterelement, die zu einem Versagen desselben führen. 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.
    •
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des abgasverlaufenden Längsachse, mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch Filterwände begrenzt werden, dadurch gelöst, dass die Filterwände mindestens teilweise beschichtet sind.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Filterwände wird deren thermische Trägheit erhöht, so dass der aus der Freisetzung von Wärme bei der Rußoxidation resultierende Temperaturanstieg vermindert wird. Dadurch wird das erfindungsgemäße Filterelement beständiger gegen lokale Unterschiede bei der Beladung mit Ruß und gegenüber lokalen Unterschieden bezüglich der Wärmeabfuhr der beim Oxidieren des abgelagerten Rußes entstehenden Wärme.
  • Es ist erfindungsgemäß nicht erforderlich, dass das gesamte Filterelement beschichtet wird. Es ist vielmehr häufig schon ausreichend, wenn die Bereiche des Filterelements, in denen die höchsten Betriebstemperaturen auftreten, mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen werden.
  • Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Filterwände auf der Innenseite der Eintrittskanäle beschichtet sind. Dadurch ist gewährleistet, dass genau dort wo der Ruß schwerpunktmäßig abgelagert wird, nämlich an den Innenseiten der Eintrittskanäle, die thermische Trägheit der Filterwände besonders hoch ist, so dass die beim Oxidieren des abgelagerten Rußes entstehende Wärme nicht zu unzulässig hohen lokalen Temperaturen innerhalb des Filterelements führt.
  • Grundsätzlich sind als Beschichtungsmaterialen alle Beschichtungen denkbar, die chemisch stabil und inert gegenüber dem Filtermaterial, insbesondere Cordierit, sind und eine große volumen- und/oder massespezifische Wärmekapazität aufweisen. Dabei ist jede spezifische Wärmekapazität als groß anzusehen, die größer als die spezifische Wärmekapazität des Ausgangsmaterials des Filterelements ist.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Beschichtung der Filterwände aus Oxiden der Metalle Zirkonium, Cer, Lanthan, Titan und/oder Aluminium besteht. Bei allen diesen Oxiden sind die zuvor genannten Randbedingungen, nämlich chemische Beständigkeit, inertes Verhalten gegenüber dem Filtermaterial, insbesondere Cordierit, Temperaturfestigkeit und hohe spezifische Wärmekapazität erfüllt.
  • Es hat sich in praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke der Beschichtung zwischen 12 μm und 150 μm, bevorzugt zwischen 12 μm und 50 μm, beträgt.
  • Es versteht sich von selbst, dass im Einzelfall auch die Dicke der Beschichtung lokal unterschiedlich gewählt werden kann. Dadurch ist es möglich, die am stärksten thermisch belasteten Bereiche mit einer dickeren Schicht gegen unzulässig hohe Temperaturen zu schützen als die thermisch weniger beanspruchten Bereiche des Filterelements. In der Regel sind die Bereiche um die Längsachse und im in Strömungsrichtung gesehen hinteren Ende des Filterelements thermisch am stärksten beansprucht.
  • Besonders bevorzugt sind solche Beschichtungsmaterialen, die beispielsweise neben den geforderten Eigenschaften, wie chemische Stabilität, inertes Verhalten gegenüber dem Filtermaterial, insbesondere Cordierit, Temperaturbeständigkeit und hohe spezifische Wärmekapazität noch weitere Eigenschaften, wie beispielsweise katalytische Eigenschaften aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Filterelement hat bevorzugt Filterwände mit einer Porosität zwischen 40% und 65%, besonders bevorzugt zwischen 45% und 55%.
  • Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zelldichte der Filterelemente zwischen 100 cpsi (cpsi = Zellen pro Quadratzoll) und 300 cpsi bevorzugt zwischen 180 cpsi und 240 cpsi beträgt.
  • Als geeignete Materialen für die Filterwände des Filterelements haben sich Aluminiumoxid, Magnesiumsilicat, bevorzugt Cordierit, Titanoxid, Silizumkarbid und/oder Aluminiumtitanat erwiesen.
  • Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Filterelements wird weiter gesteigert, wenn die Querschnittsflächen der Eintrittskanäle und die Querschnittsflächen der Austrittskanäle in einem Verhältnis zwischen 2,0 und 1,0, bevorzugt zwischen 1,7 und 1,1 bilden. 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.
  • 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.
    •
  • 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 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements im Längsschnitt und
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2,
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 (ohne Bezugszeichen) in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
  • Der Außendurchmesser des Filterelements 18 ist in 2 mit Da bezeichnet.
  • In 3 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt des Filterelements 18 von 2 nicht maßstäblich dargestellt. Aus der vergrößerten Darstellung des Filterelements 18 wird deutlich, dass die Innenwände der Eintrittskanäle 28 mit einer Beschichtung 36 überzogen sind. Diese Beschichtung 36 muss selbstverständlich, ebenso wie die Filterwände 34, porös sein, so dass die Abgase sowohl durch die Beschichtung 36 als auch durch Filterwände 34 von den Eintrittskanälen 28 in die Austrittskanäle 30 gelangen können. Da die Wärmebelastung des Filterelements im Bereich der Austrittsfläche 24 größer ist als im Bereich der Eintrittsfläche 22, nimmt die Dicke D der Beschichtung 36 in Richtung der Austrittsfläche 24 zu.
  • Da, wie bereits erwähnt, die Beschichtung 36 eine höhere spezifische Wärmekapazität als die Filterwände 34 aufweisen, ist durch die lokal unterschiedliche Dicke D der Beschichtung 36 die Wärmekapazität des Filterelements an die thermische Belastung desselben angepasst. Dadurch wird einerseits erreicht, dass auch im Bereich der Austrittsfläche 24 keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten und andererseits im Bereich der Eintrittsfläche 22 keine unnötig dicke Beschichtung 36 vorhanden ist.
  • Die Beschichtung 36 kann auf verschiedene herkömmliche und aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren aufgebracht werden. Ein mögliches Verfahren besteht darin, dass auf das Filterelement 18 in einer Suspension, welche die spätere Beschichtung 36 bildenden Stoffe enthält, getaucht wird und anschließend einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen wird. In diesem Fall würden beide Seiten der Filterwände 34 beschichtet.
  • Eine einseitige Beschichtung, wie sie in 3 dargestellt ist, und wie sie aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft ist, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Filterelement 18 an der Eintrittsfläche 22 mit einer Suspension gefüllt wird, und anschließend das Filterelement 18 einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
  • Weil zwischen der Eintrittsfläche 22 und den Austrittskanälen 30 eine Verbindung nur über die porösen Filterwände möglich ist, kann auf diese Weise erreicht werden, dass lediglich die Innenflächen der Eintrittskanäle 28 beschichtet werden.
  • Alternativ ist es auch möglich, die Suspension an der Eintrittsfläche 22 einzufüllen und an der Austrittsfläche 24 einen Unterdruck anzulegen, so dass die Suspension durch die Filterwände 34 hindurchgesaugt wird. Dabei ist die Größe der in der Suspension enthaltenen Körner so auf die Größe der Poren des Filterelements 18 abzustimmen, dass die Körner an der Innenfläche der Eintrittskanäle 28 abgeschieden werden und die Flüssigkeit der Suspension durch die Filterwände 34 abgesaugt wird.
  • Alternativ wäre es auch denkbar, ein Pulver in Luft, durch Anlegen einer Druckdifferenz durch das Filterelement 18 zu saugen. Dabei ist der Druck auf der an der Eintrittsfläche 22 größer als an der Austrittsfläche 24 und es wird an der Eintrittsfläche 22 die mit Pulver versetzte Luft angesaugt bzw. in das Filterelement 18 eingeblasen.
  • Des Weiteren ist es auch möglich, das Filterelement 18 von der Eintrittsfläche 22 her mit der Suspension zu füllen und anschließend das Filterelement 18 in eine Drehbewegung zu versetzen, so dass die Suspension gegen die Filterwände 34 gepresst wird und sich auf diese Weise die in der Suspension enthaltenen Körner an der Innenfläche der Eintrittskanäle 28 absetzen.

Claims (15)

  1. Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse (26) verlaufenden Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von parallel zur Längsachse (26) verlaufenden Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) mindestens teilweise beschichtet sind.
  2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) auf der Innenseite der Eintrittskanäle (28) beschichtet sind.
  3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (36) der Filterwände (34) aus einem chemisch stabilen und gegenüber dem Filtermaterial, insbesondere Cordierit, inerten Material mit großer volumen- und/oder massespezifischer Wärmekapazität besteht.
  4. Filterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (36) der Filterwände (34) aus Oxiden der Metalle Zirkonium (Zr), Cer (Ce), Lanthan (La), Titan (Ti) und/oder Aluminium (Al) besteht.
  5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (36) zwischen 12 μm und 150 μm, bevorzugt zwischen 12 μm und 50 μm, beträgt.
  6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (36) lokal unterschiedlich ist.
  7. Filterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (36) im Bereich einer Eintrittsfläche (22) minimal ist und im Bereich einer Austrittsfläche (24) maximal ist.
  8. Filterelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (36) im Bereich der Längsachse (26) maximal ist und im Bereich des Außendurchmessers minimal ist.
  9. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Filterwände (34) zwischen 12 mil (1 mil = 25,4 mm/1000) und 25 mil, bevorzugt zwischen 17 mil und 22 mil, beträgt.
  10. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Filterwände (34) zwischen 40% und 65%, bevorzugt zwischen 45% und 55% liegt.
  11. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelldichte der Filterwände (34) zwischen 100 cpsi und 300 cpsi, bevorzugt zwischen 180 cpsi und 240 cpsi, beträgt.
  12. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titanoxid (TiO2), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat bestehen.
  13. 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.
  14. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen (Ae) der Eintrittskanäle (21) und die Querschnittsflächen (Aa) der Austrittskanäle (23) ein Verhältnis (Ae/Aa) zwischen 2,0 und 1,0, bevorzugt zwischen 1,7 und 1,1, bilden.
  15. 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.
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