DE102006019048A1

DE102006019048A1 - Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006019048A1
Application number: DE102006019048A
Authority: DE
Inventors: Christian Bayer; Peter Rothacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, mit einer Filterstruktur mit Eintrittskanälen (28) und Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (31) aus einem offenporigen Material getrennt sind und wobei das Verhältnis der Querschnittsflächen und der Oberflächen der Eintrittskanäle (28) und der Austrittskanäle (30) einstellbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 1 502 640 A1 ist ein Filterelement bekannt mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen bekannt, wobei die Eintrittskanäle einen sechseckförmigen Querschnitt und die Austrittskanäle einen quadratischen oder rautenförmigen Querschnitt aufweisen, und wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch eine Filterwand aus einem offenporigen Material getrennt sind.
Dabei strömt das zu reinigende Abgas durch die Filterwände zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen hindurch. Bei dem bekannten Filterelement lagern sich mit der Zeit an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der Filterwand Rußpartikel ab. Diese Rußpartikel führen zu einer Verringerung der Durchlässigkeit der Filterwand und in Folge dessen 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.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Aufnahmefähigkeit des Filterelements für Ruß und Asche zu erhöhen und dadurch den zusätzlichen Kraftstoffbedarf für die Regenerierung der Filtereinrichtung zu reduzieren. Des Weiteren soll die Lebensdauer der Filterelemente erhöht und durch eine Reduktion des Abgasgegendrucks der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch Filterwände aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gelöst, die Eintrittskanäle im Querschnitt die Form eines Achtecks aufweisen, dass die Austrittskanäle jeweils von vier sternförmigen Eintrittskanälen begrenzt werden.
Vorteilhafte Wirkungen
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Geometrie der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen kann die o. g. Aufgabe gelöst werden. Die erfindungsgemäße Geometrie erlaubt es, innerhalb sehr weiter Grenzen das Verhältnis der Querschnittsflächen von dem einen Eintrittskanal zu den beiden Austrittskanälen in weiten Grenzen zu variieren. Das Gleiche gilt für das Verhältnis der Oberflächen der Filterwände, die den Eintrittskanal begrenzen und die Oberflächen der Filterwände, welche die Austrittskanäle begrenzen. Die genannten Verhältnisse sind wichtige Auslegungsparameter für die Filterelemente. Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Geometrie der Querschnitte von Eintrittskanälen und Austrittskanälen den Aufbau eines Filterelements, das relativ unempfindlich gegen thermische Spannungen ist, die aus lokal unterschiedlichen Temperaturbelastungen herrühren.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Gestaltung der Querschnitte von Einlasskanälen und Auslasskanälen fertigungstechnisch gut zu beherrschen, was insbesondere bei der kostengünstigen Herstellung von Filtereinrichtungen mit einer Vielzahl von kleinen Eintrittskanälen und noch kleineren Austrittskanälen von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist.
Die erfindungsgemäßen Eintrittskanäle mit einem sternförmigen Querschnitt können vorteilhafterweise durch vier kreissegmentförmige oder polygone Filterwandabschnitte gebildet werden.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Austrittskanäle durch jeweils zwei kreissegmentförmige oder polygone Filterwandabschnitte gebildet werden, die sich an ihren Enden schneiden. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Filterwände im Querschnitt die Form von regelmäßigen n-Ecken aufweisen und die Zahl der Ecken gleich 8, 12, 16 oder einem anderen Vielfachen von 4 ist.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche der Filterwände eine katalytische Beschichtung aufweist. Durch die große Oberfläche wird die katalytische Wirkung beispielsweise bei einer Regenerierung des Filterelements verstärkt.
Die erfindungsgemäßen Filterelemente können vorteilhafter Weise durch Extrudieren eines keramischen Werkstoffs, bevorzugt Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid, oder aus Sintermetall hergestellt werden.
Alternativ ist es auch möglich, das Filterelement aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Lagen vorgeformter Flachmaterialien herzustellen. Diese Lagen vorgeformter Flachmaterialien können auf gießereitechnischem und/oder prägetechnischem Weg hergestellt werden.
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 beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung;
2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt und
3 und 4 Querschnitte durch Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente.
Ausführungsformen der Erfindung
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.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
In 2 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt. Das Filterelement 18 kann beispielsweise ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt werden.
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 31 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch Pfeile 32 dargestellt.
Durch Umkehren der Strömungsrichtung des Abgases wird die Fläche 24 zur Einstrittsfläche und die Fläche 22 zur Austrittsfläche. Dadurch werden die Kanäle 28 zu Austrittskanälen, während die Kanäle 30 zu Eintrittskanälen werden. Die Umkehr der Strömungsrichtung des Abgases kann durch eine geänderte Einbaulage des Filterelements 18 im Gehäuse 16 auf einfachste Weise erreicht werden. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird aus Gründen der Verständlichkeit immer nur eine Strömungsrichtung und in Folge dessen einer Funktion der Kanäle 28 und 30 ausgegangen, obwohl die Funktion der Kanäle 28 und 30 durch Umdrehen des Filterelements 18 im Gehäuse 16 auch geändert werden kann.
In 3 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel weisen die Eintrittskanäle 28 im Querschnitt die Form eines Sterns mit vier Spitzen 34 auf. Begrenzt werden die Eintrittskanäle 28 durch vier kreissegmentförmige Filterwandabschnitte 36, die sich in den Spitzen 34 tangential berühren. Umgeben wird jeder Eintrittskanal 28 von jeweils vier Austrittskanälen 30, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im Querschnitt die Form einer Linse oder eines Zweiecks aufweisen. Die Seiten dieses Zweiecks bestehen aus zwei kreissegmentförmigen Filterwandabschnitten 36. Die zwei, einen Eintrittskanal 30 begrenzenden Filterwandabschnitte 36 schneiden sich in den Spitzen 34. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Kanäle 28 und 30 sowie Filterwandabschnitte 36 und Spitzen 34 mit Bezugszeichen versehen.
Links unten von 3 sind verschiedene Variationen des erfindungsgemäßen Querschnitts dargestellt. Daraus wird deutlich, dass durch Änderung des Radius (nicht eingetragen) der kreissegmentförmigen Filterwandabschnitte 36 oder elliptische Filterwandabschnitte das Verhältnis zwischen den Querschnittflächen der Eintrittskanäle 28 und der Austrittskanälen 30 innerhalb weiter Grenzen entsprechend den Anforderungen des Einzelfalls angepasst werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 haben die Eintrittskanäle 28 ebenfalls die Form eines Sterns, wobei die Filterwandabschnitte 38, welche diese Sterne begrenzen, jeweils einen Knick 40 aufweisen und ansonsten als ebene Flächen ausgebildet sind. Der Knick 40 in dem Querschnitt gemäß 4 ist gleichzeitig eine Ecke eines Polygons, welches durch die die Austrittskanäle 30 begrenzenden Filterwandabschnitte 38 gebildet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 werden die Eintrittskanäle 30 durch Filterwandabschnitte 38 begrenzt, die im Querschnitt die Form eines regelmäßigen Vierecks aufweisen. Dabei sind zwei Ecken dieses Vierecks durch die Knicke 40 in den Filterwandabschnitten 38 vorgegeben, während die anderen zwei Ecken in den Spitzen 34 des Sterns liegen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Eintrittskanäle 28 und die Austrittskanäle 30 durch das Ineinanderlegen von regelmäßigen Achtecken gebildet.
Aus der in 4 links unten eingezeichneten Variante des erfindungsgemäßen Querschnitts ergibt sich jedoch, dass die geometrischen Verhältnisse zwischen Eintrittskanälen 28 und Austrittskanälen 30 durch einfaches Ändern der Geometrie der Filterwandabschnitte 38 variiert werden kann. Es ist ebenso möglich, anstelle eines Achtecks als Grundform für die Bildung der regelmäßigen Zwölfecke, Sechzehnecke oder andere einzusetzen. Dadurch wird eine stufenweise Annäherung an das Ausführungsbeispiel gemäß 3 erreicht. Die kreissegmentförmigen Abschnitte 36 können gedanklich ja auch als ein n-Eck mit unendlich großer Eckenzahl angesehen werden.

Claims

Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche (22) und mit einer Austrittsfläche (24), mit einer ersten Gruppe (28) von Kanälen, und mit einer zweiten Gruppe (30) von Kanälen, wobei die erste Gruppe (28) von Kanälen und die zweite Gruppe (30) von Kanälen durch Filterwände (31) aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten Gruppe (28) im Querschnitt die Form eines Sterns aufweisen, und dass die Kanäle der zweiten Gruppe (30) im Querschnitt die Form eines Zweiecks oder eines Polygons aufweisen.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten Gruppe (28) durch vier kreissegmentförmige oder polygone Filterwandabschnitte () gebildet werden.
Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Filterwandabschnitte () an ihren Enden tangential berühren.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der zweiten Gruppe (30) durch jeweils zwei kreissegmentförmige oder polygone Filterwandabschnitte () gebildet werden, und dass sich die Filterwandabschnitte ()an ihren Enden schneiden.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (31) im Querschnitt die Form von regelmäßigen n-Ecken aufweisen, und dass die Zahl n der Ecken gleich 8 oder einem anderen Vielfachen von 4 ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die stromaufwärts gelegene Oberfläche der Filterwand eine katalytische Beschichtung aufweist.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) durch Extrudieren hergestellt wird.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) aus einem keramischen oder einem glaskeramischen Werkstoff, insbesondere aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumkarbid, hergestellt wird.
Filterelement (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) aus Sintermetall hergestellt wird.
Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Kanälen (28) als Eintrittskanäle ausgebildet ist, und dass die zweite Gruppe von Kanälen (30) als Austrittskanäle ausgebildet ist.
Filterelement (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Kanälen (30) als Austrittskanäle ausgebildet ist, und dass die zweite Gruppe von Kanälen (28) als Eintrittskanäle ausgebildet ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) an der Eintrittsfläche (22) beginnen und an der Austrittsfläche (24) verschlossen sind, und dass die Austrittskanäle (30) an der Eintrittsfläche (22) verschlossen sind und an der Austrittsfläche (24) enden.