DE102006051927A1

DE102006051927A1 - Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006051927A1
Application number: DE102006051927A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Frisse; Lars Thuener; Christian Schiller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2008052838A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (10), mit in Durchströmungsrichtung (20) eingangsseitig offenen und ausgangsseitig geschlossenen Einlasskanälen (28) und mit in Durchströmungsrichtung (20) eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig offenen Auslasskanälen (30), wobei das Filterelement (18) mindestens einen Abschnitt (36) aufweist, in dem ein zur Anordnung mindestens eines Einlasskanals (28) oder mindestens einen Auslasskanals (30) ausreichend dimensionierter Raum mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.

Description

Stand der Technik
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. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelements.
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.
Während der Regeneration des Filterelements ist die Temperaturverteilung innerhalb des Filterelements derart, dass maximale Temperaturen im Inneren des Filterelements und niedrigere Temperaturen im radial äußeren Randbereich des Filterelements auftreten. Zudem weist das Filterelement auch in axialer Richtung gesehen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf, da die Beladung des zu regenerierenden Filterelements mit aus dem Abgas herausgefilterten Partikeln in Durchströmungsrichtung des Filterelements gesehen ungleichmäßig ist. Während eines Regenerationsvorgangs treten in einem radial inneren Bereich auf der Abströmseite des Filterelements besonders hohe Temperaturen auf. Dies führt dazu, dass während der Regeneration des Filterelements hohe Temperaturgradienten auftreten, die lokal stark unterschiedliche Wärmeausdehnungen bewirken, so dass im Filterelement hohe mechanische Spannungen auftreten können. Diese Spannungen können im ungünstigsten Fall zu Rissbildungen im Filterelement führen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filterelement zu schaffen, das bei einer Regeneration einer möglichst kleinen Beanspruchung ausgesetzt ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Filterelement dadurch gelöst, dass das Filterelement mindestens einen Abschnitt aufweist, in dem ein zur Anordnung mindestens eines Einlasskanals oder mindestens eines Auslasskanals ausreichend dimensionierter Raum mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.
Vorteilhafte Wirkungen
Das erfindungsgemäße Filterelement weist mindestens einen Abschnitt auf, der zur Anordnung eines Einlasskanals oder eines Auslasskanals genügend groß wäre, jedoch mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist. Mit Hilfe des Füllmaterials ist es möglich, die volumenspezifische Wärmekapazität des Filterelements in dem mit dem Füllmaterial aufgefüllten Abschnitt zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Wärmekapazität des Filterelements lokal beeinflusst werden. Durch die Erhöhung der Wärmekapazität erhitzen sich diese Bereiche bei einem Regenerationsvorgang weniger schnell, so dass die Temperaturgradienten, die zu den oben beschriebenen mechanischen Spannungen und sogar zu Rissen führen können, kleiner sind oder sogar ganz vermieden werden können.
Das Auffüllen mindestens eines Abschnitts eines Filterelements in einem Abschnitt der für eine Anordnung eines Einlasskanals oder eines Auslasskanals genügend groß wäre, geht zunächst mit einer Verkleinerung der zur Verfügung stehenden Filterfläche einher. Da jedoch durch die Beeinflussung der lokalen Wärmekapazität des Filterelements bei einem Regenerationsvorgang weniger hohe Spannungen auftreten, können die Filterwände, die die Einlasskanäle und Auslasskanäle begrenzen, niedrigere Wandstärken aufweisen. Auf diese Weise kann die Kanaldichte (die üblicherweise in cpsi, "channels per square inch", angegeben wird), sogar erhöht werden, obwohl zumindest ein Abschnitt zur Anordnung von Kanälen nicht zur Verfügung steht, da er mit Füllmaterial aufgefüllt ist. Durch die Erhöhung der Kanaldichte kann eine insgesamt höhere volumenspezifische Filterfläche geschaffen werden. Dies hat zur Folge, dass eine Regeneration seltener durchgeführt werden muss, was wiederum mit einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch und mit einer Erhöhung der Lebensdauer des Filterelements einhergeht.
In vorteilhafterweise ist der mit Füllmaterial aufgefüllte Abschnitt in einem radial inneren Bereich des Filterelements angeordnet. In diesem Bereich treten während einer Regeneration des Filterelements die höchsten Temperaturen auf. Durch die Auffüllung dieses Bereichs des Filterelements mit Füllmaterial wird die Wärmekapazität in diesem Bereich erhöht, so dass eine höhere Energiemenge zugeführt werden muss, um diesen Bereich um eine bestimmte Temperaturdifferenz zu erwärmen. Auf diese Weise können die in diesem Bereich auftretenden maximalen Temperaturgradienten reduziert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der genannte Abschnitt koaxial zu der Längsachse des Filterelements angeordnet ist. Hierdurch wird ermöglicht, bei zylindrischen Filterelementen zumindest in radialer Richtung eine weitestgehend homogene Temperaturverteilung zu erhalten.
Die Abmessungen des mit Füllmaterial aufgefüllten Abschnitts können so gewählt sein, dass er mindestens den Raum von 4, insbesondere 9, weiter insbesondere 16 Einlasskanälen und/oder Auslasskanälen einnimmt. Je mehr Platz der mit Füllmaterial aufgefüllte Abschnitt einnimmt, desto mehr kann die Wärmekapazität des Filterelements insgesamt erhöht werden, so dass die insgesamt bei einem Regenerationsvorgang auftretenden maximalen Temperaturgradienten verringert werden können.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Füllmaterial gleich dem Material, aus dem die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle begrenzenden Filterwände gebildet sind. Auf diese Weise kann das Filterelement auf besonders einfache Art und Weise im Extrusionsverfahren hergestellt werden. Hierbei weist das Extrusionswerkzeug einen Durchlass auf, der dem Querschnitt des mit Füllmaterial aufgefüllten Abschnitts entspricht.
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 Abgasreinigungsanlage und mit einem Filterelement;
2 einen Längsschnitt eines herkömmlichen Filterelements;
3 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Filterelements;
4 einen Querschnitt des Filterelements gemäß 3 und
5 eine der 3 entsprechende Ansicht für ein im Extrusionsverfahren hergestelltes Filterelement.
Ausführungsformen der Erfindung
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 ein aus dem Stand der Technik bekanntes 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.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Filterelement insgesamt mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Im Unterschied zu 2 ist das Filterelement 18 gemäß 3 nicht über seinen gesamten Querschnitt mit Einlasskanälen 28 und Auslasskanälen 30 versehen, sondern weist in einem radial inneren Bereich einen Abschnitt 36 auf, der zur Anordnung mindestens eines Einlasskanals 28 und/oder mindestens eines Auslasskanals 30 genügend groß wäre, jedoch mit Füllmaterial aufgefüllt ist. Der Abschnitt 36 ist im Wesentlichen zylindrisch (vergleiche 4) und ist aus dem gleichen Werkstoff gebildet wie die Trennwände 32, beispielsweise aus Cordierit.
Um den auch in 3 mit 24 bezeichneten Strömungsweg für zu filterndes Abgas zu erzwingen, sind zueinander benachbarte Einlasskanäle 28 und Auslasskanäle 30 jeweils wechselseitig mit Verschlussstopfen 38 versehen. Diese sind in die Enden der Einlasskanäle 28 und der Auslasskanäle 30 eingesetzt.
Bei dem in 4 dargestellten Querschnitt des Filterelements 18 sind die Verschlussstopfen 38 noch nicht eingesetzt. Das Filterelement 18 gemäß 4 weist den mit Füllmaterial aufgefüllten Abschnitt 36 sowie einen insgesamt mit dem Bezugszeichen 40 bezeichneten, radial äußeren Bereich auf, in dem die Einlasskanäle 28 und die Auslasskanäle 30 angeordnet sind.
Die in 4 im Querschnitt dargestellte Geometrie des Filterelements 18 kann mit Hilfe eines in 5 schematisch dargestellten Extrusionsverfahrens erzeugt werden. Hierbei wird ein Materialstrang 42 einem Extrusionswerkzeug 44 zugeführt. Das Extrusionswerkzeug 44 weist in 5 nicht dargestellte Durchlässe auf, wobei für den Abschnitt 36 des Filterelements 18 ein vergleichsweise großer, im Querschnitt kreisförmiger Durchlass vorgesehen ist. Mit Hilfe gitterförmiger Durchlässe können die Trennwände 32 in dem radial äußeren Bereich 40 des Filterelements 18 erzeugt werden.
Mit Hilfe des Abschnitts 36 kann in dem radial inneren Bereich des Filterelements 18 die Wärmekapazität erhöht werden. Hierdurch können während eines Regenerationsvorgangs des Filterelements 18 auftretende Temperaturgradienten reduziert werden. Zu beachten ist, dass die in den 3 bis 4 dargestellte Zelldichte, das heißt die Anzahl der Einlasskanäle 28 und der Auslasskanäle 30 pro Flächenquerschnittseinheit zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Zeichnung vergleichsweise niedrig ist. Durch die Erhöhung der Wärmekapazität in dem Abschnitt 36 ist es jedoch möglich, eine gegenüber konventionellen Filterelementen erhöhte Anzahl von Einlasskanälen 28 und Auslasskanälen 30 pro Flächenquerschnittseinheit vorzusehen.

Claims

Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (10), mit in Durchströmungsrichtung (20) eingangsseitig offenen und ausgangsseitig geschlossenen Einlasskanälen (28) und mit in Durchströmungsrichtung (20) eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig offenen Auslasskanälen (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) mindestens einen Abschnitt (36) aufweist, in dem ein zur Anordnung mindestens eines Einlasskanals (28) oder mindestens eines Auslasskanals (30) ausreichend dimensionierter Raum mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.
Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (36) in einem radial inneren Bereich des Filterelements (18) angeordnet ist.
Filterelement (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (36) koaxial zu der Längsachse (26) des Filterelements (18) angeordnet ist.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Abschnitts (36) so gewählt sind, dass er mindestens den Raum von 4, insbesondere 9, weiter insbesondere 16 Einlasskanälen (28) und/oder Auslasskanälen (30) einnimmt.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem die die Einlasskanäle (28) und/oder die Auslasskanäle (30) begrenzenden Filterwände (32) gebildet sind, zumindest anteilig aus einem keramischen oder einem glaskeramischen Werkstoff, insbesondere aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid besteht.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial zumindest anteilig aus einem keramischen oder einem glaskeramischen Werkstoff, insbesondere aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid besteht.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial gleich dem Material ist, aus dem die die Einlasskanäle (28) und/oder die Auslasskanäle (30) begrenzenden Filterwände (32) gebildet sind.
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 8.
Verfahren zur Herstellung eines Filterelements (18), insbesondere eines Filterelements (18) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) im Extrusionsverfahren hergestellt wird.