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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter
mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 11. Derartige
Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen
eingesetzt. Sie können
aber auch als Katalysatorelemente eingesetzt werden.
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Die
Filterelemente bestehen häufig
aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel
zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.
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Hergestellt
werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren.
Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer
Körper
mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ist.
Die Kanäle
eines Rohlings sind zunächst
an beiden Enden offen. Ein solcher Rohling kann zu einem Katalysatorelement
vervollständigt
werden, wenn seine Oberfläche
mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen wird.
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Wenn
aus dem Rohling ein Filterelement werden soll, wird ein Teil der
Kanäle
am hinteren Ende des Filterelements verschlossen, während ein anderer
Teil der Kanäle
am vorderen Ende des Filterelements verschlossen werden. Dadurch
werden zwei Gruppen von Kanälen
gebildet, nämlich
die sogenannten Eintrittskanäle,
welche am Ende verschlossen sind, und die sogenannten Austrittskanäle, welche
am Anfang des Filterelements verschlossen sind.
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Dann
besteht zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen nur über die
porösen
Wände des
Filterelements (nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung,
so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann, indem es aus den Eintrittskanälen durch
die Wände
des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.
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Bei
der Regeneration der Filterelemente werden die Rußablagerungen
oxidiert, wobei Wärme freigesetzt
wird. Daraus resultiert eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn
die bei der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden, nimmt
das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei Filterelementen
aus Cordierit vorhanden, da Cordierit eine vergleichsweise geringe
spezifische Wärmekapazität hat und
deshalb bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe
Temperaturen auftreten können.
In Folge dessen können bei
der Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen
und so große
Temperaturunterschiede innerhalb des Filterelements auftreten, dass
das Filterelement Risse bekommt, die von der Mantelfläche ausgehen,
und dadurch unbrauchbar wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filter- und Katalysatorelemente
bereitzustellen, deren Zuverlässigkeit
und Lebensdauer erhöht
ist. Außerdem
sollen die erfindungsgemäßen Filterelemente
höhere
Betriebstemperaturen, insbesondere während der Regeneration, ertragen
können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Katalysator- oder Filterelement, insbesondere zur Filterung von
Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des
Abgases verlaufenden Längsachse,
mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von
Austrittskanälen,
wobei die Eintrittskanäle und/oder
die Austrittskanäle
durch Filterwände
begrenzt werden, dadurch gelöst,
dass die Zugsteifigkeit des Filterelements an einem Außendurchmesser in
Umfangsrichtung mindestens bereichsweise kleiner oder gleich der
Zugsteifigkeit der Filterwände
ist.
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Unter
Zugsteifigkeit wird das Produkt E × D verstanden. Dabei bezeichnet
E den Elastizitätsmodul
[N/mm2] und D eine Dicke [mm].
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Es
ist das Verdienst der Erfinder erkannt zu haben, dass die radial äußerste Wand,
sei es eine Mantelwand oder eine Filterwand des Filterelements, maßgeblichen
Einfluss auf die infolge von Temperaturunterschieden entstehenden
Eigenspannungen innerhalb des Filterelements haben. Dadurch dass erfindungsgemäß die Zugsteifigkeit
der Filterwände am
Außendurchmesser
des Filterelements mindestens bereichsweise gezielt verringert wird,
bauen sich bei gleich großen
Temperaturunterschieden innerhalb des Filterelements nur vergleichsweise
geringe innere mechanische Spannungen auf, so dass das erfindungsgemäße Filterelement
weniger belastet wird.
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Eine
erste, besonders einfach herzustellende Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, dass das Filterelement in radialer Richtung von den Filterwände begrenzt
wird und somit auf eine gesonderte Mantelwand, die üblicherweise
bei einem zylindrischen Filterelement die Form eines Hohlzylinders hat,
vollständig
verzichtet wird. Diese Mantelwand hat, insbesondere wenn sie eine
Dicke aufweist, die größer ist
als die Dicke der Filterwände,
maßgeblichen
Anteil an hohen mechanischen Spannungen, wenn innerhalb des Filterelements
ungleiche Temperaturen herrschen.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass die Mantelwand nur bereichsweise vorhanden ist. Dabei sind die
Mantelwände
zum Beispiel als Streifen ausgebildet, die parallel zueinander verlaufen
und sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstrecken. Durch die
Abstände,
welche benachbarte Streifen dieser Mantelwände zueinander aufweisen, wird
ebenfalls der Aufbau von Zugspannungen in Umfangsrichtung wirksam
unterbunden, so dass auch bei dieser Ausführungsform die inneren mechanischen
Spannungen aufgrund von Temperaturunterschieden reduziert sind.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass das Filterelement vollständig
von einer Mantelwand begrenzt wird, wobei die Mantelwand Längsnuten
aufweist und die Zugsteifigkeit der Mantelwand im Bereich der Längsnuten
mindestens bereichsweise kleiner oder gleich der Zugsteifigkeit
der Filterwände
ist.
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Die
Zugsteifigkeit kann bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Reduktion
der Dicke der Mantelwand insbesondere im Bereich der Längsnuten,
herbeigeführt
werden.
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Um
eine gute Abdichtung des Filterelements zu einem das Filterelement
umgebenden Gehäuse zu
ermöglichen,
kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung im Bereich
einer Eintrittsfläche oder
im Bereich einer Austrittsfläche
ein Dichtring vorgesehen sein, der bevorzugt aus dem gleichen Material
wie das Filterelement hergestellt ist. Dies bedeutet, dass nach
dem Extrudieren des Filterelements ein Dichtring auf das Filterelement
aufgebracht oder aufgetragen wird und anschließend bei einer Wärmebehandlung
Dichtring und Filterelement zu einem einheitlichen Bauteil gesintert
werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, die Zugsteifigkeit der radial am weitesten außen liegenden
Filterwände
und/oder der Mantelwände
dadurch zu reduzieren, dass das Elastizitätsmodul der außen liegenden
Bereiche des Filterelements kleiner sind als das Elastizitätsmodul
der innen liegenden Filterwände.
Dies kann durch das gezielte Einbringen von Mikrorissen und/oder
einer geänderte Materialzusammensetzung
im Außenbereich
des Filterelements erzielt werden.
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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 genannten Vorteile
können
sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Filterelements
im Längsschnitt
und
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3–5 schematische
Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Filterelemente.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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,
um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16,
in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel
rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 dargestellt.
Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus
einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt.
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.
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Parallel
zu einer Längsachse 26 des
Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel
mit Austrittskanälen 30.
Die Eintrittskanäle 28 sind
an der zweiten Stirnfläche 24 verschlossen. Die
Verschlussstopfen sind in 2 ohne Bezugszeichen
dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an
der zweiten Stirnfläche 24 offen und
im Bereich der ersten Stirnfläche 22 verschlossen.
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Der
Strömungsweg
des ungereinigten Abgases führt
also in einen der Eintrittskanäle 28 und
von dort durch eine Filterwand 34 in einen der Austrittskanäle 30.
Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist
sowohl im Bereich der Eintrittsfläche 22 als auch im
Bereich der Austrittsfläche 24 ein
Dichtring 36 ausgebildet. Der Dichtring besteht in der
Regel aus dem gleichen oder zumindest einen ähnlichen Material wie das Filterelement 18 und
wird beim Sintern unlösbar
mit dem Filterelement 18 verbunden. Die Dichtringe 36 erleichtern
die Abdichtung des Filterelements 18 in dem Gehäuse 16.
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In 3 ist
ein Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 entlang
der Linie A-A (siehe 2) dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind die Austrittskanäle 28 und
die Austrittskanäle 30 nicht
mit Bezugszeichen versehen. Wie aus 3 ersichtlich, haben
sowohl die Eintrittskanäle 28 als
auch die Austrittskanäle 30 einen
quadratischen Querschnitt und werden von den Filterwänden 34 begrenzt.
Radial nach außen
wird das Filterelement 18 durch die Filterwände 34 begrenzt.
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Da
die radial außen
liegenden Filterwände 34 und
die in der Nähe
der Längsachse 26 angeordneten
Filterwände
die gleiche Dicke aufweisen, ist die Zugsteifigkeit des Filterelements
in Umfangsrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel kleiner oder
gleich der Zugsteifigkeit im Inneren des Filterelements 18. Die
Umfangsrichtung ist in 3 durch einen Doppelpfeil 40 angedeutet.
Die Umfangsrichtung 40 verläuft orthogonal zur Längsachse 26 und
tangential zu der Außenkontur
des Filterelements 18.
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Um
die Abdichtung zwischen Gehäuse 16 und
Filterelement 18 weiter zu verbessern, kann in axialer
Richtung zwischen den Dichtringen 36 eine Dichtmatte 38 vorgesehen
sein.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Filterelements 18 ebenfalls
im Schnitt entlang der Linie A-A dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine Mantelwand 42 vorhanden, die streifenförmig ausgebildet
ist, wobei die einzelnen Streifen parallel zur Längsachse 26 verlaufen
und sich von der Eintrittsfläche 22 bis
zur Austrittsfläche 24 erstrecken.
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In
den Bereichen zwischen den Streifen der Wandfläche 42 wird das Filterelement 18 durch
die Filterwände 34 in
radialer Richtung begrenzt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit gewährleistet,
dass in Umfangsrichtung (siehe den Doppelpfeil 40) die
Zugsteifigkeit am Außenrand
des Filterelements 18 mindestens bereichsweise kleiner
oder gleich der Zugsteifigkeit im Inneren des Filterelements 18 ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
kann es, wenn Dichtringe 36 vorgesehen sind, vorteilhaft
sein, wenn die Wandfläche 42 in
die Dichtringe 36 übergehen.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Filterelements 18 ebenfalls
im Querschnitt dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Mantelwand 42 als
zusammenhängende
Wand, welche das Filterelement 18 über die gesamte Länge und über den
gesamten Umfang umschließt,
ausgebildet. Um die Zugsteifigkeit in Umfangsrichtung (siehe den
Doppelpfeil 40) zumindest bereichsweise zu verringern,
sind in den Mantelwand Nuten 44 eingebracht. Im Bereich
dieser Nuten 44 ist die Zugsteifigkeit in Umfangsrichtung
reduziert, so dass sich auch beim Auftreten von Temperaturunterschieden
innerhalb des Filterelements 18 nur vergleichsweise geringe
Zugspannungen in Umfangsrichtung ausbilden.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Dicke DWand der
Wandfläche 42 im
Bereich der Nuten 44 DNut, kleiner
oder gleich einer Dicke DFilterwand der
Filterwände 34 ist.