DE4200552A1 - Russfilter fuer verbrennungs-, insbesondere dieselmotoren - Google Patents
Russfilter fuer verbrennungs-, insbesondere dieselmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Rußfilter für Verbrennungs-, ins
besondere Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Bei derartigen Filtern wird auf den anströmseitig liegenden
Kanalwänden Ruß angesammelt, der dort bei hohen Temperaturen
zur Abreinigung der Kanalwände abgebrannt wird. Durch das
Abbrennen und einer damit verbundenen unterschiedlichen Tem
peraturverteilung über das Filtervolumen ist das Filterma
terial thermisch äußerst unterschiedlich belastet, wodurch es
zu mechanischer Zerstörung des Filtermaterials kommen kann.
Das gilt insbesondere bei Keramik als Filtermaterial.
Zur Erklärung der thermisch ungleichen Belastung der einzelnen
Filterpartien wird nachfolgend ein Rußfilter mit zylindrischer
Form betrachtet.
Die abzutrennenden Rußpartikel lagern sich in den Eingangs
kanälen an den dortigen Verbindungswänden zu den Auslaßkanälen
an. Sobald ein in bezug auf eine ausreichende Temperatur und
eine genügende Menge an Sauerstoff geeigneter Zustand erreicht
ist, setzt ein Verbrennungsvorgang in der Rußpartikelschicht
ein, durch den das Filter von dem abgelagerten Ruß befreit
wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als Regeneration des Fil
ters. Die Verbrennungstemperaturen sind sehr hoch und liegen
bei etwa 2400 Grad C. Die Abgastemperatur ist dagegen mit ca.
250-600 Grad C relativ niedrig. Während des Verbrennungsvor
ganges durchströmt weiterhin Abgas die Partikelschicht, wobei
die Verbrennungswärme zum größten Teil vom Abgas aufgenommen
und durch die Kanalwände zur Ausströmseite des Filters trans
portiert wird. Daneben geht auch Wärme direkt in die Kanalwän
de über. Wegen der sehr viel niedrigeren Temperatur des Ab
gases gegenüber der Temperatur der verbrennenden Partikel
schicht und wegen der großen Abgasmengen, die die einzelnen
Kanalwände passieren, kann die Wärmeabfuhr durch das Abgas als
Kühlung der Kanalwände bezeichnet werden.
Die Durchströmung des Filterkörpers erfolgt meist derart, daß
die Partikelablagerungen über den Querschnitt ungleichmäßig
stark sind, wobei üblicherweise die Ablagerungen in der Mitte
größer als in den Randzonen sind. Daraus resultiert während
des Abbrennvorganges eine ungleichmäßige Temperaturverteilung
mit Höchstwerten von ca. 1200 Grad C im Bereich der Zylin
derachse und niedrigeren Werten bis hinunter auf 200-400
Grad C in der Außenzone. Dieser Temperaturabfall wird noch
durch Wärmeverluste an die Umgebung verstärkt. Der Verbren
nungsvorgang setzt meist nahe der Einströmseite des Filters
ein und pflanzt sich in Längsrichtung fort. Dabei nimmt die
Abbrenngeschwindigkeit ab, da einströmendes Abgas zunehmend
durch die schon frei gebrannten Kanalwände anstatt durch die
Partikelschicht entweicht und dadurch die Sauerstoffversorgung
reduziert. Gleichzeitig läßt jedoch auch die Kühlung der Ver
brennungszone nach. Dazu kommt, daß die Partikelablagerungen
zur Ausströmseite hin stärker sind. Infolgedessen tritt die
stärkste thermische Belastung der Kanalwände in der letzten
Phase einer Filterregeneration auf und beansprucht im wesent
lichen die Kanalwände dicht vor den ausströmseitigen als Ka
nalverschlüsse dienenden Stopfen.
Die temperaturbedingten Verformungen entsprechen der Tempera
turverteilung. Der heiße innere Bereich dehnt sich radial ge
gen den Widerstand der weniger stark erwärmten Randzone. Dem
entsprechend treten innen Druckspannungen, außen Zugspannungen
in tangentialer und auch axialer Richtung auf. Auch der mit
Verschlußstopfen versehene Bereich wird nicht direkt erwärmt
und verhält sich daher wie eine Randzone.
Wichtig bei der Betrachtung der thermischen Beanspruchung und
deren Folgen auf die mechanische Festigkeit ist u. a. die Quer
schnittsform der Kanäle. Ungünstig sind beispielsweise bisher
häufig eingesetzte quadratische Kanalquerschnitte. Solche Fil
ter weisen eine insbesondere stark unterschiedliche Festigkeit
bei radialer Belastung auf, je nach dem, ob die Belastung pa
rallel zu den Wänden gerichtet ist oder nicht. Es können daher
bis zu siebenfache Festigkeitsunterschiede auftreten. Bei der
vor stehend beschriebenen thermischen Verformung bedingt eine
solche Anisotropie-Eigenschaft eine ungleichmäßige Ausdehnung
in radialer Richtung ("Kleeblatt"-Form) und führt demzufolge
zu einer Verformung der ursprünglich quadratischen Kanalquer
schnitte zu Rhomben. Daraus resultiert eine Biegebelastung der
Kanalwände. Der mit Verschlußstopfen versehene Endbereich hat
allerdings isotrope Festigkeitseigenschaften, da die "Fächer"
des "Fachwerks" ausgefüllt sind. Daher entsteht am Übergang
von freien Kanälen zu den jeweils verschlossenen Endbereichen,
also dort, wo die verschiedenen Verformungsarten aufeinander
treffen und ausgeglichen werden müssen, eine komplexe Bela
stung aus Biegung und Scherbelastung der Wände. Folgerichtig
treten daher in diesen häufig mechanische Schäden an Keramik
filtern auf. In bezug auf die vorstehend beschriebenen aniso
tropen Festigkeits- und Verformungseigenschaften bringt die
Verwendung von Kanälen mit sechseckigen Querschnitten, wie sie
an sich bereits unter anderem aus EP-B-00 89 751 bekannt ist,
schon eine deutliche Verbesserung. Durch eine derartige Kanal
querschnittsform lassen sich nämlich bereits günstigere
Isotropie-Eigenschaften erzielen, durch die sich die Biegebe
lastung der Kanalwände sowie die kombinierte Biege- und Schub
belastung in der Übergangszone von freien zu verschlossenen
Kanälen reduzieren lassen. Festigkeitsmäßig nicht günstig sind
bei den vorbekannten Filterausführungen mit sechseckigen Ka
nalquerschnitten allerdings die Kanalverteilung in den senk
recht zu den Kanalachsen verlaufenden Filter-Querschnitts
ebenen.
Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung damit, in
dieser Beziehung noch eine weitere Verbesserung zu schaffen.
Gelöst wird dieses Problem durch eine Ausbildung eines Ruß
filters nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser grund
sätzlichen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei sechseckförmigen Kanalquerschnitten läßt sich keine Anord
nung finden, bei der alle Kanalwände durchströmt werden. Bei
einem Verhältnis der Anzahl von durchströmten zu undurch
strömten Wänden von 2:1 gibt es in jeder Kanalzelle Wände mit
verschiedener thermischer Belastung, da die Ablagerungs-, Re
generations- und Kühlvorgänge unterschiedlich sind. Diese lo
kal unterschiedlichen Beanspruchungen bedingen lokale Deforma
tionen, die wiederum in ungünstigen Fällen zu einer Struktur
schädigung führen können. Sind die Einlaß- und Auslaßkanäle
erfindungsgemäß derart gegeneinander ausgerichtet, daß in den
einzelnen Kanälen die zwei nicht durchströmten Wände diametral
gegenüber liegen, so können sich die Kanalzellen zwar oval
verformen, nicht jedoch zu einem schiefen Sechseck, was
festigkeitsmäßig besonders ungünstig wäre.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen im wesentlichen schema
tisch dargestellten zylindrischen Rußfilter,
Fig. 2a-d verschiedene Kanalanordnungen in einem Filterkör
per im Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer
Kanalanordnung nach dem in Fig. 2b im Querschnitt
gezeigten Filterkörper,
Fig. 4 eine alternative Kanalanordnung in einer Darstel
lung nach Fig. 3.
Das Rußfilter nach Fig. 1 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1,
in das ein zylindrischer Filterkörper 2 aus poröser Keramik
mit wechselseitig an den Enden verschlossenen parallel zuein
ander verlaufenden geradlinigen Ein- 3 und Auslaßkanälen 4
eingesetzt ist.
In der Fig. 2 sind verschiedene über den Querschnitt des Fil
terkörpers verteilte Kanalanordnungen dargestellt.
Die mit Kreuzen markierten sechseckigen Kanalquerschnitte
stellen jeweils die Einlaß- 3 und die weißen Kanalquerschnit
te die Auslaßkanäle 4 dar.
Wichtig für die erfindungsgemäße Funktion ist jeweils, daß Ka
näle 3 oder 4 gleicher Art in einer Ebene senkrecht zu den
Kanalachsen auf Linienabschnitten 5, 6 verlaufend benachbart
angeordnet sind.
Besonders zweckmäßig ist die Anordnung der Kanäle 3, 4 nach
Fig. 2b. Danach liegen die einzelnen Kanäle in den Quer
schnittsebenen des Filters jeweils auf etwa konzentrischen
Kreisen 5 bis 10, wobei von Kreis zu Kreis die Kanalart je
weils wechselt. Diese Anordnung ist in bezug auf die eingangs
beschriebene Temperaturbelastung und die daraus resultierende
mechanische Belastung des Filterkörpers besonders zweckmäßig.
Dies läßt sich recht anschaulich an der vergrößerten Darstel
lung der Kanalanordnung von Fig. 2b in Fig. 3 erläutern. Je
weils geschwärzt sind in der Darstellung nach Fig. 3 die nicht
durchströmten Kanalwände 11. Alle übrigen Kanalwände 12 sind
durchströmte Wände und schraffiert dargestellt. Wie sich gut
erkennen läßt, erstrecken diese sich praktisch radial von der
Mittelachse des Filterkörperquerschnittes nach radial außen,
wobei sie umfangsmäßig auf konzentrischen Kreisen liegen. Bei
der eingangs ausführlich erläuterten der Erfindung zugrunde
liegenden Problematik besitzt eine solche radiale Anordnung
der nicht durchströmten Kanalwände einen erheblichen Vorteil
und zwar wegen der mittenbetonten Partikelbeladung des Fil
terkörpers, durch die eine entsprechende radiale Ausdehnung
verursacht wird. Mit Rücksicht auf den verbleibenden Kanal
querschnitt und auf Fertigungserfordernisse lassen sich bei
dieser Ausgestaltung die Kanalwände und deren Wanddicken opti
mal auf die im wesentlichen konzentrische mechanische Be
lastung einstellen.
Eine andere ebenfalls besonders günstige Kanalanordnung zeigt
die Fig. 4, in der die Darstellungssymbolik mit derjenigen
nach Fig. 3 übereinstimmt. Bei der dortigen Ausführung liegen
die nicht durchströmten Kanalwände 11 wiederum im wesentlichen
auf konzentrischen Kreisen, aber in diesem Falle tangential zu
diesen ausgerichtet. Dies wird durch die in jener Fig. darge
stellte gegenseitige Zuordnung der Ein- und Auslaßkanäle er
reicht.
Erfindungsgemäß können die Wanddicken der durchströmten 12 und
nicht durchströmten Kanalwände 11 unterschiedlich ausgeführt
sein und zwar je nach den mechanischen Belastungen, denen sie
jeweils ausgesetzt sind.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist es vorteilhaft, den nicht
durchströmten Wänden 11 eine größere Wanddicke zu geben.
Auch bei der Anordnung der Kanäle nach Fig. 4 empfiehlt es
sich, die Dicke der nicht durchströmten Kanalwände 11 größer
zu gestalten als die der durchströmten 12. Damit kann gege
benenfalls einer anderen Kombination von Radial- und Tangen
tialspannungen Rechnung getragen werden, wie sie sich bei
einem Filter mit größerem Durchmesser (demzufolge auch grö
ßeren Spannungen im Außenbereich) einstellen könnte.
Claims (7)
1. Rußfilter für Verbrennungs-, insbesondere Dieselmotoren
mit nebeneinander liegenden von porösem Material getrennten im
wesentlichen geradlinig parallel verlaufenden Kanälen, die an
ihren Enden zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen wechsel
seitig verschlossen sind und sechseckförmigen Querschnitt be
sitzen,
gekennzeichnet durch die Merk
male:
- a) die Anzahl der Ein- (3) und Ausströmkanäle (4) ist im wesentlichen gleich,
- b) allseits von Nachbarkanälen umschlossene Kanäle besitzen in der Regel jeweils vier durchströmte (12) und zwei nicht durchströmte Kanalwände (11),
- c) Kanäle gleicher Art reihen sich in Ebenen senkrecht zur Längsachse der Kanäle zumindest abschnittsweise linienförmig aneinander,
- d) die nicht durchströmten Kanalwände (11) liegen je Kanal querschnitt in der Regel jeweils diametral gegenüber.
2. Rußfilter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nicht durchströmten Kanalwände (12) in Ebenen senk
recht zur Längsachse der Kanäle auf im wesentlichen konzentri
schen Kreisen (5 bis 10) bzw. Vielecken angeordnet sind.
3. Rußfilter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vielecke Sechsecke sind.
4. Rußfilter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die nicht durchströmten Kanalwände (11) im wesentlichen
radial zur Filterquerschnittsmittelachse ausgerichtet sind.
5. Rußfilter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf den konzentrischen Kreisen (6 bis 10) bzw. Vielecken
jeweils nur Ein- oder Auslaßkanäle liegen und daß die Art der
Kanäle von Kreis zu Kreis abwechselt.
6. Rußfilter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf im wesentlichen konzentrischen Kreisen liegenden
nicht durchströmten Kanalwände (11) tangential zu diesen Krei
sen verlaufen.
7. Rußfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durchströmten (12) und nicht durchströmten Kanalwände
(11) ihren jeweiligen Beanspruchungen entsprechend unter
schiedliche Wanddicken besitzen.
Priority Applications (3)
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