DE4200552A1 - Russfilter fuer verbrennungs-, insbesondere dieselmotoren - Google Patents

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.