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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere einen Partikelfilter
für ein
Abgassystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine
Filtereinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 102 23 452 A1 bekannt.
Bei der dort gezeigten Filtereinrichtung handelt es sich um einen
Partikelfilter für
ein Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die Filterwände bei
der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt
und so angeordnet, dass keilförmige
Filtertaschen gebildet werden. Die spitzzulaufenden Keilkanten der
Filtertaschen zeigen entgegen der Strömungsrichtung des Abgases,
die in Strömungsrichtung
gesehen hintere Schmalseite einer Filtertasche ist offen.
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Die
Filtertaschen sind nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt
rotationssymmetrische ringartige Filterstruktur gebildet wird. Im
Betrieb tritt das Abgas vor allem durch die Seitenwände der Filtertaschen
hindurch, wodurch Partikel zurückgehalten
werden.
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Vom
Markt her bekannt ist es ferner, stromaufwärts von einer solchen Filtereinrichtung
einen Oxidationskatalysator einzusetzen. Bei diesem kann es sich
beispielsweise um einen katalytisch beschichteten, vom Abgas durchströmten oder
umströmten
Träger
handeln. Neben des oxidativen Umsatzes von Kohlenwasserstoffen,
Kohlenmonoxid und Stickoxid zur Schonung der Umwelt werden die exothermen
Oxidationsreaktionen auch für die
thermische Regeneration der stromabwärts vom Oxidationskatalysator
angeordneten Filtereinrichtung genutzt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filtereinrichtung mit integriertem
Oxidationskatalysator zu schaffen, die wenig Bauraum benötigt und
gleichzeitig einen hohen Filterwirkungsgrad ebenso aufweist wie
eine gute Effizienz des Oxidationskatalysators.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Filtereinrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann der Oxidationskatalysator in die
Filtereinrichtung ohne grundsätzliche
Konzept- und Bauraumänderungen seitens
der Filtereinrichtung integriert werden. Durch diese "diskrete" Integration des
Oxidationskatalysators in die Filtereinrichtung können beide
Systeme jeweils für
sich optimal ausgelegt werden, ohne dass hierdurch das jeweils andere
System ungünstig
beeinflusst wird. So kann die Filtereinrichtung mit niedrigem Abgasgegendruck
arbeiten und eine hohe absolute Beladbarkeit mit Partikeln, beispielsweise Rußpartikeln,
aufweisen. Dennoch baut die erfindungsgemäße Filtereinrichtung im Vergleich
zu herkömmlichen
Filtereinrichtungen nicht größer.
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Im
Vergleich zu solchen herkömmlichen
Filtereinrichtungen, bei denen der Oxidationskatalysator durch eine
katalytische Beschichtung der Filterwände realisiert ist, gestattet
die erfindungsgemäße Lösung darüber hinaus
eine Integration des Oxidationskatalysators in die Filtereinrichtung
bei einer gleichzeitig starken oder sogar vollständigen thermischen Entkopplung.
Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein schnelles Aufheizen
des Oxidationskatalysators gewünscht
ist, beispielsweise nach einem Kaltstart.
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Besonders
vorteilhaft im Hinblick auf die Herstellung, die Kosten und die
Wirksamkeit ist es, wenn das katalytisch wirkende Element Sintermetall,
ein Fasergewirk aus Metall oder Keramik, oder einen Träger mit
einer Washcoat-Beschichtung umfasst.
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Vorgeschlagen
wird ferner, dass das katalytisch wirkende Element oder mindestens
seine Oberfläche
eine vorzugsweise wenigstens in etwa in Strömungsrichtung verlaufende Wellenstruktur
beziehungsweise Faltung aufweist. Dies ist vorteilhaft für die Darstellung
einer großen
Oberfläche,
was für
die katalytische Wirkung günstig
ist, und für
die Steifigkeit des katalytisch wirkenden Elements und damit beispielsweise
auch für
seine Schwingfestigkeit.
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Die
Kosten für
die Herstellung der Filtereinrichtung verbleiben niedrig bei gleichzeitig
hoher Schwingfestigkeit des katalytisch wirkenden Elements, wenn
dieses an seinem stromaufwärtigen Ende
mittels eines Halteelements gehalten ist, welches auch die Filtertaschen
hält.
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Das
katalytisch wirkende Element kann kürzer sein als die Filtertaschen
und ist vorzugsweise nur in einem in Strömungsrichtung gesehen vorderen Bereich
der Filterstruktur angeordnet. Damit verbleibt ein großer Aufnahmeraum
für die
Aufnahme von Partikeln, die an den Filterwänden abgeschieden werden. Eine
solche Filtereinrichtung hat also einen guten Filterwirkungsgrad.
Durch die Länge
des katalytisch wirkenden Elements kann darüber hinaus auf einfache Art
und Weise der Umfang der katalytischen Reaktion eingestellt werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass ein radial einwärts oder auswärts von
den Filtertaschen angeordnetes katalytisch wirkendes Element aus
einem gerollten Sintermetallsheet, einem gerollten und beschichteten
Streckmetallsheet oder einer gewickelten Blechkonstruktion hergestellt
ist. Hierdurch werden die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
niedrig gehalten. Dies gilt insbesondere für ein radial einwärts von
den Filtertaschen vorhandenes "zentrales" katalytisch wirkendes
Element, welches in einem zentralen Leerraum, von dem aus sich die
einzelnen Filtertaschen radial strahlenförmig erstrecken, an der Filtereinrichtung
angeordnet ist.
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Eine
weitere Variante sieht vor, dass radial einwärts und/oder radial auswärts von
den Filtertaschen ein katalytisch wirksames Element und am stromaufwärtigen Ende
der Filtertaschen ein Abdeckelement angeordnet ist, derart, dass
zu reinigendes Fluid nur durch das katalytisch wirksame Element hindurch
in einen Zwischenraum zwischen zwei Filtertaschen gelangen kann.
Ein direktes Zuströmen parallel
zur Achse der Filtereinrichtung in die Zwischenräume zwischen den Filtertaschen
wird also durch die Abdeckung verhindert. Das zu reinigende Fluid
gelangt somit zunächst
durch das katalytisch wirksame Element in dem zentralen beziehungsweise
mittigen Leerraum und erst von dort in mehr oder weniger radialer
Richtung in die Zwischenräume
zwischen benachbarten Filtertaschen.
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Zur
Abstimmung der katalytischen Wirkung und der Filterwirkung können der
Außendurchmesser
dieses Leerraums, die Anzahl der Filtertaschen, sowie deren Abstand
am Umfang des Leerraumes variiert werden. Diese Variante weist einen
erheblichen zusätzlichen
Bauraumvorteil auf: Da die Zuströmung
zu der Filtereinrichtung letztlich nur in den zentralen Leerraum
erfolgt, kann auf eine bei bisherigen Filtereinrichtungen erforderliche
konusförmige
Erweiterung, durch die vom Durchmesser der zur Filtereinrichtung
führende
Verrohrung auf den Außendurchmesser
der Filtereinrichtung, verzichtet werden.
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Zur
Verringerung des Strömungswiderstandes
kann am katalytisch wirksamen Element mindestens ein Leitabschnitt
vorhanden sein, der die vom zentralen Leerraum herkommende Strömung in
den Zwischenraum zwischen zwei Filtertaschen umlenkt.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine
mit einer ersten Ausführungsform
einer Filtereinrichtung;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Filterstruktur der Filtereinrichtung
von 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch die Filterstruktur von 2;
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4 eine
Ansicht von oben auf die Filterstruktur von 2;
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5 eine
Ansicht von vorne auf die Filterstruktur von 2; und
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6 eine
Darstellung ähnlich 3 einer alternativen
Ausführungsform
einer Filterstruktur.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Ein
Abgassystem trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es
dient zum Abführen
der Verbrennungsabgase einer Brennkraftmaschine 12. In
dem Abgassystem 10 ist eine Filtereinrichtung 14 angeordnet,
nämlich
ein Partikelfilter, mit dem Rußpartikel
aus dem im Abgassystem 10 strömenden Abgasstrom herausgefiltert
werden sollen. Der Partikelfilter 14 umfasst ein zylindrisches
Gehäuse 16,
in dem eine rotationssymmetrische und ringförmige Filterstruktur 18 angeordnet
ist. Deren Ausgestaltung geht stärker
im Detail aus den 2 bis 5 hervor.
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Die
Filterstruktur 18 wird im Wesentlichen durch eine Vielzahl
keilförmiger
Filtertaschen 20 gebildet (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 nur
eine Filtertasche 20 mit Bezugszeichen versehen). Diese
weisen im Wesentlichen rechteckige Seitenwände 22a und 22b auf,
die im Bereich des stromaufwärtigen
Endes 24 der Filterstruktur 18 (die Strömungsrichtung
ist in den Figuren durch Pfeile 2b angedeutet) miteinander
verbunden sind, wohingegen sie im Bereich des stromabwärtigen Endes 28 der
Filterstruktur 18 einen Abstand voneinander haben. Auch
an ihrem radial einwärtigen
Rand 30 berühren sich
die Seitenwände 22a und 22b,
wohingegen die radial auswärtige
Seite einer Filtertasche 20 durch ein dreieckiges Wandstück 22c verschlossen
ist.
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Auf
diese Weise haben die Filtertaschen 20 eine insgesamt keilförmige Gestalt
mit einer entgegen der Strömungsrichtung 26 zeigenden
und spitzzulaufenden Keilkante 32 und einem stromabwärtigen offenen
Ende 34. Die Filtertaschen 20 sind nebeneinander
so angeordnet, dass die ringförmige längliche
Filterstruktur 18 gebildet wird. Am stromabwärtigen Ende 28 der
Filterstruktur 18 sind benachbarte Filtertaschen 20 miteinander
verbunden.
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Zwischen
zwei benachbarten Filtertaschen 20 ist ein Zwischenraum 36 vorhanden,
der im Bereich des stromaufwärtigen
Endes 24 der Filterstruktur 18 breiter ist und
zum stromabwärtigen
Ende 28 der Filterstruktur 18 spitz zuläuft. Ferner
ist radial einwärts
von den Filtertaschen 20 ein zentraler und rohrförmiger Leerraum 38 vorhanden
(vergleiche 1), der zum stromabwärtigen Ende 28 der
Filterstruktur 18 durch ein Dichtelement 40 abgeschlossen
ist. Die Filterstruktur 18 ist darüber hinaus am stromabwärtigen Ende 28 auch
gegenüber
dem Gehäuse 16 in 42 abgedichtet.
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In
den zwischen benachbarten Filtertaschen 20 vorhandenen
Zwischenräumen 36 ist
jeweils ein zu den Filtertaschen 20 entgegengesetzt keilförmiges katalytisch
wirkendes Element 44 vorhanden (in 2 sind aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nur drei Elemente 44 gezeichnet). Dieses kann aus einem hochporösen Sintermetallkörper, der
mit Porenbildnern gesintert wurde, aus einem Fasergewirk aus Metall
oder Keramik, oder aus einem Träger
mit einer Waschcoat-Beschichtung hergestellt sein. Dabei kann das
katalytisch wirkende Element 44 eine so hohe Dichte aufweisen,
dass es nicht durchströmt, sondern
nur umströmt
wird, es kann aber auch eine solch hohe Porosität aufweisen, dass zumindest auch
eine Durchströmung
des katalytisch wirkenden Elements 44 möglich ist.
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Die
katalytische Wirkung kann durch eine entsprechende Beschichtung
des oben genannten Trägermaterials
hervorgerufen werden. Bei einem entsprechend gewählten katalytisch wirkenden
Material wird ein Oxidationskatalysator geschaffen. Möglich ist
ferner, dass das katalytisch wirkende Element 44 als Vollkörper ausgestaltet
ist, denkbar ist aber auch die in 5 gezeigte
Variante, bei der das katalytisch wirkende Element 44 aus
einem relativ dünnen
Material hergestellt ist, welches eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in Strömungsrichtung 26 verlaufende
Wellenstruktur 46 aufweist.
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Wie
insbesondere aus 3 ersichtlich ist, wird das
katalytisch wirkende Element 44 an seinem stromaufwärtigen Ende
mittels eines Halteelements 48 gehalten, welches auch die
Filtertaschen 20 hält. Radial
ist das katalytisch wirkende Element 44 zum Leerraum 38 und
zum Gehäuse 16 hin
durch weitere Konstruktionselemente 50 und 52 befestigt.
Man erkennt ferner, dass die katalytisch wirkende Elemente 44 im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
deutlich kürzer
sind als die Filterstruktur 18 beziehungsweise die diese
bildenden Filtertaschen 20, und dass die katalytisch wirkende
Elemente 44 lediglich in einem in Strömungsrichtung gesehen vorderen
und zum stromaufwärtigen
Ende 24 der Filterstruktur benachbarten Bereich angeordnet
sind.
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Nicht
nur in den Zwischenräumen 36,
sondern auch im Leerraum 38 ist im Bereich des stromaufwärtigen Endes 24 der
Filterstruktur 18 ein katalytisch wirkendes Element 54 vorhanden.
Dieses ist aus einem gerollten Sintermetallsheet hergestellt, welches
mit einer katalytisch wirkenden Schicht versehen ist. Es kann aber
auch aus einem gerollten und beschichteten Streckmetallsheet oder
einer gewickelten Blechkonstruktion hergestellt sein.
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Der
Partikelfilter 14 arbeitet folgendermaßen: Der zu reinigende Abgasstrom 26 strömt zunächst um
die katalytisch wirkenden Elemente 44 und 54 herum
beziehungsweise durch diese hindurch. Dabei werden Kohlenwasserstoffe,
Kohlenmonoxid und Stickoxid durch eine exotherme Reaktion oxidativ
umgesetzt. Anschließend
gelangen die Gase mit den mitgeführten
Rußpartikeln
zu den Wänden 22a bis
c der Filtertaschen 20. Die Gase treten durch die porösen Wände 22a bis
c hindurch, wohingegen Rußpartikel
an den Wänden 22a bis
c abgeschieden werden. Das gereinigte Abgas verlässt die Filtertaschen 20 durch
deren offenes Ende 34.
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Eine
alternative Ausführungsform
ist in 6 dargestellt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche,
die äquivalente
Funktionen zu bereits oben beschriebenen Elementen und Bereichen
aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im
Detail erläutert.
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Bei
der in 6 gezeigten Variante sind in den Zwischenräumen zwischen
benachbarten Filtertaschen 20 keine katalytisch wirkenden
Elemente vorhanden. Darüber
hinaus ist am stromaufwärtigen Ende 24 der
Filterstruktur 18 ein Abdeckring 56 angeordnet,
so dass das Abgas 26 stirnseitig nicht in die Filterstruktur 18 eindringen
kann, sondern nur über einen
zwischen Gehäuse 16 und
Filterstruktur 18 vorhanden Ringraum 58 und den
zentrischen Leerraum 38.
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In
letzterem ist, wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel,
ein zentrisches katalytisch wirkendes Element 54 vorhanden,
wohingegen in dem Ringraum 58 ein zusätzliches ringförmiges katalytisch
wirkendes Element 60 vorhanden ist. Das zentrisch angeordnete
katalytisch wirkende Element 54 verfügt über mehrere Leitabschnitte 62,
durch die die Strömung
nach radial auswärts
in die Zwischenräume
zwischen benachbarten Filtertaschen 22 umgelenkt wird.
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Möglich, aber
nicht dargestellt ist ferner eine Kombination der einerseits in
den 3 bis 5 und andererseits in 6 gezeigten
Ausführungsbeispiele.