DE102006041187B4

DE102006041187B4 - Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006041187B4
Application number: DE102006041187.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Reinsch; Teruo Komori; Lars Thuener; Christian Schiller; Tobias Hoeffken
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2026-09-02
Also published as: DE102006041187A1

Abstract

Filterelement (18) mit in Durchströmungsrichtung eingangsseitig offenen und ausgangsseitig geschlossenen Einlasskanälen (28) und mit in Durchströmungsrichtung eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig offenen Auslasskanälen (30), wobei die Einlasskanäle (28) einen sechseckigen Querschnitt und die Auslasskanäle (30) einen viereckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Einlasskanäle (28) und die Auslasskanäle (30) durch Filterwände (32, 36) begrenzt sind, wobei die Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) zwischen 0,2 und 0,6 mm beträgt und dass die Wandstärke (40) einer zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordneten Filterwand (36) zwischen 0,2 und 0,7 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) kleiner ist als die Wandstärke (40) einer zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordneten Filterwand (36).

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Partikelfilter und eine Abgasreinigungsanlage mit einem Filterelement.
Aus der WO 2005/115589 A1 ist ein eingangs genanntes Filterelement bekannt. Dieses weist eine Vielzahl von Eintrittskanälen und eine Vielzahl von Austrittskanälen auf, wobei die Eintrittskanäle einen sechseckigen Querschnitt und die Austrittskanäle einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Die Einlasskanäle und die Auslasskanäle sind durch Filterwände begrenzt. Die US 2005/0076627 A1 offenbart ein Filterelement mit 6-eckigen Einlasskanälen und 4-eckigen Auslasskanälen, die von Wänden begrenzt werden, welche alle die gleiche Dicke haben. Die DE 30 43 996 A1 beschreibt einen abgasdurchströmten Schwebeteilchenfilter für Dieselmaschinen. Aus der US 4 417 908 A ist ein Honigwaben-Filter bekannt. In der EP 0 135 945 B1 ist eine Vorrichtung zum Filtern von Festkörperpartikeln beschrieben. Die WO 2006/024792 A1 beschreibt einen Filterblock.
Das zu reinigende Abgas durchströmt die zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen angeordneten, offenporigen Filterwände. Hierbei lagern sich mit der Zeit an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der Filterwände Rußpartikel ab. Diese Rußpartikel führen zu einer Verringerung der Durchlässigkeit der Filterwände und in Folge dessen zu einer Erhöhung des Druckabfalls, der beim Durchtritt des Gasstroms durch die Filterwände auftritt. Entsprechend erhöht sich der sogenannte „Abgasgegendruck“. Überschreitet dieser einen bestimmten Wert, wird der Filter regeneriert, indem die abgeschiedenen Rußpartikel verbrannt werden. Hierfür kann die Temperatur des Abgases, welches durch das Filterelement geleitet wird, erhöht werden. Dies wird beispielsweise durch die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff bewirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filterelement zu schaffen, das eine möglichst hohe Filtrationsfläche und ein hohes Speichervolumen für bei der Regeneration entstehende Ascherückstände bereitstellt und mit dem der Abgasgegendruck bei Beladung des Filterelements mit aus dem Abgas ausgefilterten Partikeln möglichst niedrig bleibt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Filterelement dadurch gelöst, dass die Wandstärke einer zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal angeordneten Filterwand zwischen 0,2 und 0,6 mm beträgt und dass die Wandstärke einer zwischen zwei Einlasskanälen angeordneten Filterwand zwischen 0,2 und 0,7 mm beträgt.
Mit den erfindungsgemäß dimensionierten Filterwänden können für Filterelemente mit sechseckigen Einlasskanälen und viereckigen Auslasskanälen sich teils widersprechende Anforderungen an ein Filterelement erfüllt werden, so dass eine hohe Filtrationsfläche und ein hohes Speichervolumen für Ascherückstände bereitgestellt werden kann, wobei der sich bei Beladung des Filterelements erhöhende Abgasgegendruck auf einem niedrigen Niveau verbleibt.
Dies führt dazu, dass Regenerationsvorgänge seltener durchgeführt werden können, was insbesondere für durch Nacheinspritzung von Kraftstoff initiierte Regenerationsvorgänge, die mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch einhergehen, vorteilhaft ist.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Dimensionierungen des erfindungsgemäßen Filterelements angegeben. Mit diesen wird insbesondere erreicht, dass die Einlasskanäle genügend groß sind, um zu verhindern, dass diese durch eingelagerte Rußpartikel oder auch durch Ascherückstände blockiert werden. Gleichzeitig kann mit den angegebenen Dimensionierungen erreicht werden, dass das Filterelement über eine genügend hohe Wärmekapazität verfügt, so dass lokale Temperaturerhöhungen während eines Regenerationsvorgangs vermieden werden können.
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.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und mit einem Filterelement;
2 einen Längsschnitt des Filterelements;
3 einen Querschnitt des Filterelements;
4 einen in 3 mit IV bezeichneten Ausschnitt des Filterelements.

In 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 einer Abgasreinigungsanlage 14 zugeleitet. Diese umfasst einen Partikelfilter 16, mit dem Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert werden. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Der Partikelfilter 16 umfasst ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Filterelement 18.
In 2 ist das Filterelement 18 in einem Längsschnitt dargestellt. Das Filterelement 18 kann beispielsweise als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt werden.
Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas der Brennkraftmaschine 10 durchströmt. Eine Eintrittsfläche für das zu filternde Abgas trägt in 2 das Bezugszeichen 22, eine Austrittsfläche für gefiltertes Abgas das Bezugszeichen 24.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Einlasskanäle 28 und Auslasskanäle 30. Die Einlasskanäle 28 sind an der Eintrittsfläche 22 offen und an der Austrittsfläche 24 geschlossen. Im Gegensatz dazu sind die Auslasskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 geschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Einlasskanäle 28 und von dort über eine Filterwand 32 in einen der Auslasskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch Pfeile 34 dargestellt.
Mit weiterem Bezug auf 3 sind die in 2 allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Einlasskanäle mit den Bezugszeichen 28a bis 28e bezeichnet. In entsprechender Weise sind die Auslasskanäle 30 gemäß 2 in 3 mit 30a bis 30d bezeichnet.
Zwischen dem Einlasskanal 28a und dem Auslasskanal 30a ist eine offenporige Filterwand 32a angeordnet. Zwischen dem Einlasskanal 28a und dem Auslasskanal 30b ist eine offenporige Filterwand 32b angeordnet. Zwischen zwei jeweils zueinander benachbarten Einlasskanälen (28a und 28b, 28a und 28d) sind zueinander parallele Filterwände 36 angeordnet. An diese schließen sich auf der den Filterwänden 32a und 32b abgewandten Seite des Einlasskanals 28a Filterwände 32c und 32d an.
Der Einlasskanal 28a wird also durch die Filterwände 32a bis 32d und 36 entlang seines Umfangs begrenzt. Dabei sind die genannten Filterwände so zueinander angeordnet, dass der Einlasskanal 28a im Querschnitt sechseckig ist. Hingegen sind die Auslasskanäle 30a bis 30d im Querschnitt viereckig, insbesondere quadratisch oder rautenförmig.
In 3 ist ein rechteckiger Ausschnitt mit IV bezeichnet, der in 4 dargestellt ist. Anhand der in diesem Ausschnitt dargestellten Geometrien lässt sich die Geometrie des Querschnitts des Filterelements 18 vollständig beschreiben. Zu dem Ausschnitt IV benachbarte Bereiche des Filterelements 18 haben entsprechende, sich jeweils durch Spiegelung ergebende Abmessungen.
Die Filterwand 32a weist eine Wandstärke 38 auf (vgl. 4). Die Filterwand 36 weist eine Wandstärke 40 auf (vgl. 3). Die Breite der Filterwand 32a ist in 4 mit dem Bezugszeichen 42 angegeben. Die Breite der Filterwand 36 ist in 3 mit dem Bezugszeichen 44 angegeben.
Die den Einlasskanal 28a mitbegrenzenden Filterwände 32a und 32b, die jeweils einen Auslasskanal 30a beziehungsweise 30b mit begrenzen, bilden zwischen sich einen Winkel alpha aus. In dem Bereich, in dem die Filterwände 32a und 32b aneinander angrenzen, beträgt der Abstand zwischen dem Einlasskanal 28a und dem hierzu linker Hand dargestellten Einlasskanal 28e einem Maß, das in den 3 und 4 mit dem Bezugszeichen 46 angegeben ist.
In 3 ist eine Mittellinie 48 einzeichnet, die der Mitte der Filterwand 32a entspricht. Eine Mittellinie 50 entspricht der Mitte der Filterwand 32e. Die Mittellinien 48 und 50 weisen zueinander einen Versatz 52 auf.
Wenn bei der in den 3 und 4 dargestellten Geometrie des Filterelements 18 die Wandstärke 38 der Filterwände 32a bis 32e zwischen 0,2 und 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,25 und 0,4 mm beträgt und wenn die Wandstärke 40 der Filterwände 36 zwischen 0,2 und 0,7, insbesondere zwischen 0,25 und 0,4 mm beträgt, kann eine hohe Filtrationsfläche und gleichzeitig ein großes Speichervolumen für Ascherückstände bereitgestellt werden. Zudem kann vermieden werden, dass der durch die Abgasreinigungsanlage 14 erzeugte Abgasgegendruck zu stark ansteigt.
Diese Vorteile werden insbesondere erreicht, wenn die Wandstärke 38 kleiner als die Wandstärke 40 ist. Die Breite 42 kann zwischen 0,9 und 1,25, insbesondere zwischen 1 und 1,15 mm betragen. Die Breite 44 kann zwischen 0 und 1 mm, insbesondere zwischen 0,1 und 0,3 mm betragen.
Der Winkel alpha kann zwischen 35° und 60°, insbesondere zwischen 45° und 50° betragen. Der Abstand 46 kann zwischen 0,2 und 0,7 mm, insbesondere zwischen 0,25 und 0,6 mm betragen. Die Filterwände 32a und 32e können, wie dargestellt, einen Versatz 52 zueinander aufweisen. Diese Filterwände können aber auch miteinander fluchten. Ein Versatz 52 kann insbesondere erreicht werden, wenn der Abstand 46 von einem Maß abweicht, das sich aus der Wandstärke 38 der Filterwand 32a multipliziert mit dem Faktor „Quadratwurzel aus 2“ ergibt.

Claims

Filterelement (18) mit in Durchströmungsrichtung eingangsseitig offenen und ausgangsseitig geschlossenen Einlasskanälen (28) und mit in Durchströmungsrichtung eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig offenen Auslasskanälen (30), wobei die Einlasskanäle (28) einen sechseckigen Querschnitt und die Auslasskanäle (30) einen viereckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Einlasskanäle (28) und die Auslasskanäle (30) durch Filterwände (32, 36) begrenzt sind, wobei die Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) zwischen 0,2 und 0,6 mm beträgt und dass die Wandstärke (40) einer zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordneten Filterwand (36) zwischen 0,2 und 0,7 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) kleiner ist als die Wandstärke (40) einer zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordneten Filterwand (36).
Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) zwischen 0,25 und 0,4 mm beträgt.
Filterelement (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (40) einer zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordneten Filterwand (36) zwischen 0,25 und 0,6 mm beträgt.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordnete Filterwand (32a) quer zu ihrer Materialstärke (38) gesehen eine Breite (42) aufweist, die zwischen 0,9 und 1,25 mm, insbesondere zwischen 1 und 1,15 mm beträgt.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen zwei Einlasskanälen (28a und 28b) angeordnete Filterwand (36) quer zu ihrer Materialstärke (40) gesehen eine Breite (44) aufweist, die zwischen 0 und 1 mm, insbesondere zwischen 0,1 und 0,3 mm beträgt.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Filterwände (32a und 32b), die aneinander angrenzen, einen Einlasskanal (28a) gemeinsam und jeweils einen von zueinander benachbarten Auslasskanälen (30a und 30b) mit begrenzen, zwischen sich einen Winkel alpha im Bereich von 35° bis 60°, insbesondere im Bereich von 45° bis 50° ausbilden.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (46) zwischen zwei benachbarten Einlasskanälen (28a und 28e) in dem Bereich, in dem zwei Filterwände (32a und 32b) aneinander angrenzen, die einen Einlasskanal (28a) gemeinsam und jeweils einen von zueinander benachbarten Auslasskanälen (30a und 30b) mit begrenzen, zwischen 0,2 und 0,7 mm, insbesondere zwischen 0,25 und 0,6 mm beträgt.
Filterelement (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (46) von einem Maß abweicht, das sich aus der Wandstärke (38) einer zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordneten Filterwand (32a) multipliziert mit dem Faktor „Quadratwurzel aus 2“ ergibt.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterwand (32a), die zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordnet ist, mit einer angrenzenden, parallelen Filterwand (32e), die zwischen einem benachbarten Einlasskanal (28e) und einem benachbarten Auslasskanal (30b) angeordnet ist, fluchtet.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterwand (32a), die zwischen einem Einlasskanal (28a) und einem Auslasskanal (30a) angeordnet ist, zu einer angrenzenden, parallelen Filterwand (32e), die zwischen einem benachbarten Einlasskanal (28e) und einem benachbarten Auslasskanal (30b) angeordnet ist, einen Versatz (50) aufweist.
Partikelfilter (16) mit einem Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Abgasreinigungsanlage (14), insbesondere mit einem Partikelfilter (16), mit einem Filterelement (18) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10.