DE102006051928A1

DE102006051928A1 - Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006051928A1
Application number: DE102006051928A
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: WO2008052837A1

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 mindestens ein Einlasskanal (28) und/oder mindestens ein Auslasskanal (30) in zumindest einem Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) 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.
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. Diese Beladung ist in einem radial inneren Bereich auf der Abströmseite des Filterelements besonders hoch. Dies führt während der Regeneration des Filterelements zu hohen Temperaturgradienten, 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 möglichst geringen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Filterelement dadurch gelöst, dass mindestens ein Einlasskanal und/oder mindestens ein Auslasskanal in zumindest einem Kanalabschnitt mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.
Vorteilhafte Wirkungen
Mit dem erfindungsgemäßen Filterelement kann die Wärmekapazität des Filterelements lokal angepasst werden, so dass die eingangs beschriebenen, bei einer Regeneration auftretenden Temperaturgradienten verkleinert oder sogar vermieden werden können. Auf diese Weise werden die Wärmeausdehnungen vergleichmäßigt, so dass die bei einer Regeneration auftretenden Eigenspannungen des Filterelements herabgesetzt werden.
Dadurch, dass mindestens ein Einlasskanal oder mindestens ein Auslasskanal in zumindest einem Kanalabschnitt mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist, steht – ohne weitere Anpassung der Geometrie des Filterelements – eine geringfügig kleinere Filterfläche zur Verfügung. Da aber durch die lokale Beeinflussung der Wärmekapazität das Filterelement bei einer Regeneration geringeren Belastungen ausgesetzt ist, ist es möglich, die Wandstärke der die Einlasskanäle und die Auslasskanäle begrenzenden Filterwände zu verringern und somit die Dichte der Kanäle pro Flächenquerschnittseinheit zu erhöhen. Auf diese Weise ist es sogar möglich, die zur Verfügung stehende Filterfläche zu vergrößern.
Durch das Auffüllen mindestens eines Einlasskanals oder mindestens einen Auslasskanals in zumindest einem Kanalabschnitt mit Füllmaterial können sowohl Temperaturgradienten verkleinert werden, die in radialer Richtung auftreten, das heißt in einem zentralen Bereich im Vergleich zu einem radial äußeren Bereich, als auch Temperaturgradienten, die in Durchströmungsrichtung entlang des Filterelements, das heißt in axialer Richtung auftreten.
Ein Kanalabschnitt kann sich über einen kleinen Teil, beispielsweise über 10 bis 30% eines Einlasskanals oder eines Auslasskanals erstrecken. Der Kanalabschnitt kann aber auch einen Großteil, also beispielsweise mehr als 50% der in einem Kanal zur Verfügung stehenden Länge einnehmen oder auch die gesamte Kanallänge.
Der aufgefüllte Kanalabschnitt ist vorzugsweise benachbart zu einer Austrittsfläche für gefiltertes Abgas angeordnet. Er kann aber auch benachbart zu einer Eintrittsfläche für zu filterndes Abgas angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass der aufgefüllte Kanalabschnitt in Durchströmungsrichtung des Filterelements gesehen in einem mittleren Bereich des Filterelements angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, mehrere Einlasskanäle und/oder Auslasskanäle vorzusehen, die jeweils mit Füllmaterial aufgefüllte Kanalabschnitte aufweisen. Somit kann die lokale Wärmekapazität des Filterelements optimal eingestellt werden, insbesondere wenn die Kanalabschnitte voneinander abweichende Abmessungen aufweisen und/oder in Durchströmungsrichtung unterschiedlich positioniert sind. Die verschiedenen Kanalabschnitte können auch mit unterschiedlichen Füllmaterialien gefüllt sein.
Vorzugsweise ist der Kanalabschnitt oder sind die Kanalabschnitte von Verschlussstopfen begrenzt. Die Verschlussstopfen ermöglichen es, auch solche Materialien als Füllmaterialien zu verwenden, die ansonsten bei einem Filterelement nicht eingesetzt werden können, beispielsweise pulverförmige Materialien.
Diese Verschlussstopfen können, wenn der Kanalabschnitt bspw. benachbart zu einer Austrittsfläche angeordnet ist, eine Doppelfunktion erfüllen und gleichzeitig einen ausgangsseitigen Verschluss eines Kanals und eine erste Begrenzung des Kanalabschnitts bilden. In diesem Fall definiert die Lage des zweiten Verschlussstopfens die Länge des aufgefüllten Kanalabschnitts.
Das Füllmaterial weist vorzugsweise eine gleich hohe, insbesondere eine höhere volumenspezifische Wärmekapazität auf als das Material, aus dem die die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle begrenzenden Filterwände gebildet sind.
Insbesondere kann das Füllmaterial zumindest anteilig aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid gebildet sein. Somit kann das Füllmaterial aus den gleichen Materialien bestehen, aus denen auch die Filterwände des Filterelements gebildet sind.
In ganz besonders vorteilhafter Weise ist das Füllmaterial zumindest anteilig aus Zirkonoxid gebildet. Das Zirkonoxid kann stabilisiert oder nicht stabilisiert sein.
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 und
3 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Filterelements.
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.
Die Einlasskanäle 28 und die Auslasskanäle 30 sind schachbrettartig zueinander versetzt, so dass jeweils ein Einlasskanal 28 von mehreren Auslasskanälen 30 und jeweils ein Auslasskanal 30 von mehreren Einlasskanälen 28 umgeben ist. Die Querschnitte der Einlasskanäle 28 und der Auslasskanäle 30 können beispielsweise quadratisch sein. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen möglich.
Mit Bezug auf 3 sind die Auslasskanäle 30 eingangsseitig, das heißt im Bereich der Eintrittsfläche 22, mit Verschlussstopfen 36 versehen, um ein direktes Einströmen von zu filterndem Abgas in die Auslasskanäle 30 des Filterelements 18 zu verhindern. Die Einlasskanäle 28a bis 28c sind dementsprechend im Bereich der Austrittsfläche 24 mit Verschlussstopfen 38 versehen.
Benachbart zu den Verschlussstopfen 38 sind innerhalb der Einlasskanäle 28a bis 28c jeweils ein Kanalabschnitt 40a–40c vorgesehen, die mit einem Füllmaterial mit einer hohen volumenspezifischen Wärmekapazität aufgefüllt sind, beispielsweise mit einem stabilisierten Zirkonoxid.
Auf der der Austrittsfläche 24 abgewandten Seite sind die Kanalabschnitte 40a bis 40c mit Hilfe zusätzlicher Verschlussstopfen 42 begrenzt. Durch die Lage der Verschlussstopfen 42 ist die Länge der Kanalabschnitte 40a bis 40c bestimmt. In dem gewählten Ausführungsbeispiel weisen die Kanalabschnitte 40a bis 40c den gleichen Querschnitt auf, der dem Querschnitt der Einlasskanäle 28a bis 28c entspricht, jedoch variiert die Länge der Kanalabschnitte 40a bis 40c. Hierdurch kann die volumenspezifische Wärmekapazität des Filterelements 18 lokal optimiert werden.

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 mindestens ein Einlasskanal (28) und/oder mindestens ein Auslasskanal (30) in zumindest einem Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) mit einem Füllmaterial aufgefüllt ist.
Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgefüllte Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) benachbart zu einer Austrittsfläche (24) für gefiltertes Abgas angeordnet ist.
Filterelement (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgefüllte Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) benachbart zu einer Eintrittsfläche (22) für zu filterndes Abgas angeordnet ist.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgefüllte Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) in Durchströmungsrichtung (20) gesehen in einem mittleren Bereich des Filterelements (18) angeordnet ist.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlasskanäle (28) und/oder Auslasskanäle (30) vorgesehen sind, die mit Füllmaterial aufgefüllte Kanalabschnitte (40a, 40b, 40c) aufweisen.
Filterelement (18) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (40a, 40b, 40c) voneinander abweichende Abmessungen aufweisen.
Filterelement (18) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (40a, 40b, 40c) in Durchströmungsrichtung (20) gesehen unterschiedlich positioniert sind.
Filterelement (18) nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (40a, 40b, 40c) mit unterschiedlichen Füllmaterialien gefüllt sind.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgefüllte Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) von Verschlussstopfen (38, 42) begrenzt ist.
Filterelement (18) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verschlussstopfen (38) der einem aufgefüllten Kanalabschnitt (40a, 40b, 40c) zugeordneten Verschlussstopfen (38, 42) direkt benachbart zu der Austrittsfläche (24) oder der Eintrittsfläche (22) des Filterelements (18) angeordnet ist.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial eine gleich hohe, insbesondere eine höhere volumenspezifische Wärmekapazität aufweist als das Material, aus dem die die Einlasskanäle (28) und/oder die Auslasskanäle (30) begrenzenden Filterwände (32) gebildet sind.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial zumindest anteilig aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid gebildet ist.
Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial zumindest anteilig aus Zirkonoxid gebildet ist.
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 13.