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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 5. 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. Dabei lagert sich der im
Abgas enthaltene Ruß in
den Filterwänden
ab.
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Bei
der Regeneration der Filterelemente werden diese 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 und dadurch unbrauchbar wird.
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Diese
Filterelemente werden, bedingt durch den Herstellungsprozess, als
prismatische Körper hergestellt. Üblicherweise
haben diese Filterelemente einen kreisrunden Querschnitt und werden
zusammen mit einer Dichtmatte in ein Gehäuse einer Filtereinrichtung
gepresst. Dabei ist es für
die Funktion der Filtereinrichtung unbedingt erforderlich, dass
die Dichtmatte den Zwischenraum zwischen Gehäuse und Filterelement gasdicht
abschließt,
da andernfalls ein Bypass zu dem Filterelement entstehen würde und
somit Teile des zu reinigenden Abgases ungefiltert durch die Filtereinrichtung
strömen.
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Aufgrund
der großen
thermischen und mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch Vibrationen
der Brennkraftmaschine, besteht die Gefahr, dass sich das Filterelement
in der Dichtmatte lockert und sich relativ zu dem Gehäuses verdreht. Diese
Relativbewegung zwischen Dichtmatte und Filterelement führt dazu,
dass ein zunehmend größerer Spalt
zwischen Dichtmatte und Filterelement entsteht, der einen Bypass
für das
Abgas bildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter- und Katalysatorelement
sowie Filtereinrichtungen bereit zu stellen, deren Filtrations-
bzw. Umwandlungsrate über
die gesamte Lebensdauer auf einen möglichst hohen Niveau bleibt
und deren Lebensdauer noch dazu erhöht ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem
Filterelement, insbesondere zur Filterung bzw. katalytischen Reinigung
von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zu Hauptströmungsrichtung
des Abgases verlaufenden Längsachse,
mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen, mit einer Vielzahl von
Austrittskanälen,
wobei die Eintrittskanäle
und/oder die Austrittskanäle
durch Filterwände
begrenzt werden, wobei das Filterelement im Querschnitt kreisförmig ausgebildet
ist, dadurch gelöst,
dass dem kreisförmigen
Querschnitt über
den Umfang des Filterelements verteilt Abweichungen überlagert
sind.
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Diese
Abweichungen in radialer Richtung führen dazu, dass ein Formschluss
zwischen der Dichtmatte und dem Filterelement entsteht und damit eine
Rotation des Filterelements um seine Längsachse innerhalb des Gehäuses der
Filtereinrichtung wirksam unterbunden wird.
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Dadurch
bleibt die Verbindung, die Abdichtung zwischen Filterelement und
Gehäuse
mit durch die Dichtmatte über
die gesamte Lebensdauer wirksam, so dass auch am Ende der Lebensdauer
des Filterelements das gesamte zu reinigende Abgas durch das Filterelement
strömt
und somit die Filterrate einer erfinduingsgemäßen Filtereinrichtung bzw. die
Umwandlungsrate eines Katalysatorelements über die gesamte Lebensdauer
auf hohem Niveau bleibt.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filterelements ist, dass
es keine Mehrkosten verursacht, da die Kosten für die Herstellung eines Extrusionswerks
zur Herstellung eines herkömmlichen
Filterelements und eines Extrusionswerks zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filterelements
gleich sind.
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Es
hat sich als ausreichend erwiesen, wenn ein Radius des Filterelements
im Bereich der Abweichungen um mindestens 0,2 mm in radialer Richtung von
der Kreisform abweicht. Dabei sind Abweichungen zu größeren Durchmessern
oder in Richtung zu kleineren Durchmessern möglich. Besonders vorteilhaft
ist eine Kombination dieser Abweichungen, so dass sich im Querschnitt
insgesamt eine mindestens bereichsweise "wellenförmige" Außenkontur
des Filterelements ergibt.
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Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, dass bei Filterelementen,
deren Filterwände
im Querschnitt senkrecht zueinander verlaufen, dass ein Radius zu
den Abweichungen die Filterwände
in einem Winkel zwischen 20° und
70°, bevorzugt
in einem Winkel zwischen 30° und
60°, schneidet.
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Dadurch
wird der erfindungsgemäße Vorteil erreicht,
dass die Filterwände,
die einen Radius unter einem Winkel von etwa 45° schneiden, einer höheren Druckbelastung
ausgesetzt sind, als die anderen Filterwände, deren Druckbelastung im
wesentlichen parallel zu ihrer Erstreckung verläuft. Wenn nämlich die Filterwände in einem
Winkel von etwa 45° mit
einer radial nach innen wirkenden Druckspannung beaufschlagt werden,
kann diese Druckspannung besser in das Filterelement eingeleitet
werden, so dass eine höhere
Druckbelastung möglich
ist. Dieser höhere Druck
unterstützt
die innere Festigkeit des Filterelements gegen sog. "Ring off Cracks" und "Facecracks". Somit ist gleichzeitig
auch gewährleistet, dass
die erfindungsgemäßen Filterelemente
größere Temperaturen
bzw. größere aus
Temperaturunterschieden resultierende innere Spannungen aushalten,
ohne dass sich Risse bilden.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst bei einer Filtereinrichtung mit
einem Filterelement, mit einem Gehäuse und mit einem Abgasrohr,
dadurch gelöst,
dass das Filterelement ein Filterelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche
ist.
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Bei
diesen Filterelementen weist das Gehäuse üblicherweise einen kreisringförmigen Querschnitt auf.
Durch die in Umfangsrichtung unterschiedlichen Druckspannungen zwischen
Filterelement und Gehäuse,
die durch die Dichtmatte übertragen
werden, verformt sich das Gehäuse
lokal, insbesondere dort, wo der Radius des Filterelements größer ist
als der eines Filterelements mit idealer Kreisform. Dadurch wird
der Formschluss zwischen Filterelement und Gehäuse sowie der dazwischen angeordneten
Dichtmatte weiter verbessert und die Sicherheit gegen Verdrehen
des Filterelements relativ zum Gehäuse weiter verbessert.
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Alternativ
ist auch möglich,
dass das Gehäuse
im Querschnitt Abweichungen von der Kreisform aufweist, die mit
den Abweichungen des Filterelements korrespondieren. Dann ergibt
sich auch ohne elastische oder plastische Verformung des Gehäuses beim
Einbringen des Filterelements eine formschlüssige Verbindung zwischen Gehäuse und
Filterelement.
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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 und 4 weitere
Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Filterelemente
im Querschnitt.
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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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In 2 ist
gut zu erkennen, dass das Filterelement 18 außen von
einer Dichtmatte 36 umschlossen wird. Diese Dichtmatte 36 befindet
sich wiederum innerhalb einer Wand 38 des Gehäuses 16.
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In 3 ist
ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 entlang
der Linie A-A dargestellt. Dabei sind lediglich zwei Filterwände 34 exemplarisch
mit Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Eintrittskanäle 28 und
die Austrittskanäle 30 nicht
mit Bezugszeichen versehen.
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Eine
gestrichelte Linie 40 ist exakt kreisförmig und veranschaulicht somit
Querschnitt eines herkömmlichen
Filterelements mit kreisförmigen
Querschnitt.
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Wie
aus 3 ersichtlich weist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Filterelements 18 in einem
Winkelbereich von α1 ≈ 20° bis α2 ≈ 70° Abweichungen 42 und 44 von
der Kreisform (siehe die Linie 40) auf. Die X-Achse und
die Y-Achse des Korrdinatensystems sind so gelegt, dass sie parallel
zu den Filterwänden 34 verlaufen.
Die Filterwände 34 sind bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
rechtwinklig zueinander angeordnet.
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Die
Abweichungen 42 und 44 der Außenkontur des Filterelements 18 relativ
zu einem kreisförmigen
Querschnitt sind in 3 stark vergrößert dargestellt.
Es hat sich bei praktischen Versuchen herausgestellt, dass in radialer
Richtung ein Betrag von etwa 0,2 mm für die Abweichungen 42 und 44 von der
idealer Kreisform ausreicht, um die gewünschte Sicherheit gegen Verdrehen
des Filterelements im Gehäuse 16 (siehe 4)
zu erreichen.
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Wenn
die Abweichungen 42 und 44 innerhalb des angegebenen
Winkelbereichs zwischen 20° und
70°, besonders
bevorzugt zwischen 30° und
60°, liegen,
wird insbesondere im Bereich der Abweichungen 42 eine erhöhte Druckkraft
in radialer Richtung in das Filterelement 18 eingeleitet.
Da diese Kraft im wesentlichen in einem Winkelbereich zwischen 35° und 55° auf die
Filterwände 34 wirkt,
kann diese Kraft sehr gut in das Innere des Filterelements abgeleitet werden,
ohne dass es zu mechanischen Überbelastungen
und infolge dessen zu Rissen im Filterelement 18 kommt.
Diese durch diese Abweichungen 42 und 44 verursachten
Radialspannungen erhöhen
die innere Festigkeit des Filterelements gegen "Ring off Cracks" und "Facecracks".
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In 4 ist
ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 in
eingebautem Zustand dargestellt. Durch die in 4 deutlich
sichtbare formschlüssige
Verbindung zwischen Dichtmatte 36 und Filterelement 18 andererseits,
ist ein Verdrehen, angedeutet durch das Bezugszeichen 46,
des Filterelements 18 relativ zu Dichtmatte 36 ausgeschlossen.
Die insbesondere im Bereich der Abweichungen 42 erhöhten radialen Kräfte FR sind
in 4 im Bereich des ersten Quadranten exemplarisch
eingezeichnet.
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Die
mit der in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
hat die Wand 38 des Gehäuses 16 einen
kreisrunden Querschnittpunkt. Alternativ ist jedoch auch möglich, die
Wand 38 beispielsweise im Bereich der Abweichungen 44 mit
entsprechenden Einbuchtungen 48 zu versehen, wie dies im
Bereich des zweiten und vierten Quadranten angedeutet ist.