DE602004009834T2 - Filtrationsstruktur, wie zum beispiel ein teilchenfilter, für die abgase aus einem verbrennungsmotor und verstärkungsglied für solch eine struktur - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtrationsstruktur, insbesondere einen Partikelfilter für die Abgase eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Solche Strukturen werden insbesondere in Vorrichtungen zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Vorrichtungen weisen einen Auspufftopf mit einem katalytischen Reinigungsorgan und einem Partikelfilter auf, die in Reihe geschaltet sind. Das katalytische Reinigungsorgan ist für die Behandlung von Schadstoffemissionen in der Gasphase eingerichtet, während der Partikelfilter dafür eingerichtet ist, die von dem Motor ausgestoßenen Russpartikel zurückzuhalten.
- Bei einer bekannten Struktur der zuvor genannten Art (siehe beispielsweise
EP-A-0 816 065 ) weisen die Filtrationsorgane eine Gruppe von aneinander angrenzenden Kanälen mit parallelen Achsen auf, die durch poröse Filtrationswände voneinander getrennt sind. Diese Kanäle erstrecken sich zwischen einer Fläche zur Aufnahme der zu filternden Abgase und einer Fläche zur Ableitung der gefilterten Abgase. Diese Kanäle sind außerdem an dem einen oder anderen ihrer Enden verschlossen, um Eingangskammern, die sich zu der Aufnahmefläche hin öffnen, und Ausgangskammern, die sich zu der Ableitungsfläche hin öffnen, zu begrenzen. - Diese Struktur funktioniert gemäß einer Abfolge von Filtrations- und Regenrationsphasen. Während der Filterphasen setzen sich die von dem Motor ausgestoßenen Russpartikel auf den Wänden der Eingangskammern ab. Der Druckverlust durch den Filter steigt fortschreitend an. Jenseits eines vorbestimmten Wertes für diesen Druckverlust wird eine Regenrationsphase durchgeführt.
- Während der Regenerationsphase werden die Russpartikel, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, auf den Wänden der Eingangskammern mit Hilfe von ergänzenden Heizvorrichtungen verbrannt, um die ursprünglichen Eigenschaften der Struktur wiederherzustellen.
- Allerdings findet die Verbrennung der Russpartikel in dem Filter nicht homogen statt (die Verbrennung beginnt vorne und im Zentrum des Filters und setzt sich dann fort). Folglich treten während der Regenerationsphasen in dem Filter erhebliche Temperaturgefälle auf.
- Die Temperaturgefälle innerhalb der Filtrationsstruktur erzeugen lokale Dilatationen unterschiedlicher Stärke und folglich Längs- und Querbeanspruchungen in und/oder zwischen den verschiedenen Filtrationsorganen.
- Diese starken thermomechanischen Beanspruchungen sind der Ursprung für Risse in den Filtrationsorganen und/oder in den Verbindungsstößen zwischen diesen Filtrationsorganen.
- Um die Gefahr des Auftretens dieser Risse zu begrenzen, schlägt die Patentanmeldung
EP-A-0 816 065 vor, Verbindungsstöße zu verwenden, welche ein dreidimensionales Netz aus Keramikfasern, die in einem Mineralzement eingebettet sind, aufweisen. Der Zusammenhalt dieses Fasernetzes und die Verbindung zwischen diesem Netz und dem Zement werden von Stoffen zum Verleimen der Fasern sichergestellt, wovon der eine mineralisch und der andere organisch ist. - Die derzeitigen Strukturen arbeiten nicht vollständig zufrieden stellend. In der Tat ist der Einsatz eines solchen Stoßes zwischen den Filtrationsorganen wenig zweckdienlich insbesondere aufgrund der Rheologie des Stoßes.
- Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, diesem Nachteil abzuhelfen, d.h. eine poröse Filtrationsstruktur für einen Partikelfilter zu liefern, welche einen einfach einzusetzenden verstärkten Verbindungsstoß aufweist.
- Hierzu hat die Erfindung eine Filtrationsstruktur gemäß Anspruch 1 zum Gegenstand.
- Die erfindungsgemäße Filtrationsstruktur kann ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, welche Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 sind.
- Beispiele für die Umsetzung der Erfindung werden nunmehr im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
-
1 eine Perspektivansicht einer ersten erfindungsgemäßen Filtrationsstruktur ist; -
2 eine auseinander gezogene Teilperspektivansicht der Filtrationsstruktur aus1 ist; -
3 eine Endansicht der Filtrationsstruktur der1 ist; und -
4 eine Ansicht analog zu3 einer zweiten erfindungsgemäßen Filtrationsstruktur ist. - Der in
1 dargestellte Partikelfilter11 ist in einer Abgasleitung13 eines Dieselmotors für Kraftfahrzeuge angeordnet, die teilweise dargestellt ist. - Diese Abgasleitung
13 setzt sich über die Enden des Partikelfilters11 hinaus fort und begrenzt einen Durchgang zum Durchströmen der Abgase. - Der Partikelfilter
11 erstreckt sich entlang einer Strömungslängsrichtung X-X' der Abgase. Er umfasst eine Vielzahl von Filtrationsblöcken15 , die miteinander durch Verbindungsstöße17 verbunden sind. - Jeder Filtrationsblock
15 weist eine praktisch rechteckige, quaderförmige Form auf, die sich längs entlang der Längsrichtung X-X' erstreckt. - Der Ausdruck „Filtrationsblock" bezeichnet im weitesten Sinne einen Anordnung mit einer Eingangsfläche, einer Ausgangsfläche und zumindest drei Seitenflächen (vier Seitenflächen in dem dargestellten Beispiel), welche die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche miteinander verbinden.
- Wie in
2 illustriert, in der zwei übereinander angeordnete Filtrationsblöcke15A und15B dargestellt sind, weist jeder Filtrationsblock15 eine poröse Filtrationsstruktur19 , eine Fläche21 zur Aufnahme der zu filternden Abgase, eine Fläche23 zur Ableitung der gefilterten Abgase und vier Seitenflächen24 auf. - Die poröse Filtrationsstruktur
19 ist aus einem Filtrationsmaterial hergestellt, das aus einer monolithischen Struktur, insbesondere aus Keramik (Cordierit oder Siliciumkarbid) besteht. - Diese Struktur
19 besitzt eine ausreichende Porosität, um den Durchstrom der Abgase zu ermöglichen. Jedoch ist, wie aus sich heraus bekannt, der Durchmesser der Poren ausreichend klein gewählt, um einen Rückhalt der Russpartikel sicherzustellen. - Die poröse Struktur
19 umfasst eine Gruppe von aneinander angrenzenden Kanälen mit zu der Längsrichtung X-X' parallelen Achsen. Diese Kanäle sind durch poröse Filtrationswände25 voneinander getrennt. In dem in2 illustrierten Beispiel weisen diese Wände eine konstante Dicke auf und erstrecken sich in Längsrichtung in der Filtrationsstruktur19 , von der Aufnahmefläche21 bis zu der Ableitungsfläche23 . - Die Kanäle sind aufgeteilt in eine erste Gruppe Eingangskanäle
27 und eine zweite Gruppe Ausgangskanäle29 . Die Eingangskanäle27 und die Ausgangskanäle29 sind jeweils umgekehrt gegenüberliegend angeordnet. - Die Eingangskanäle
27 sind im Bereich der Ableitungsfläche23 des Filtrationsblockes15 verschlossen und an ihrem anderen Ende offen ausgebildet. - Dahingegen sind die Ausgangskanäle
29 im Bereich der Aufnahmefläche21 des Filtrationsblockes15 verschlossen und münden entlang seiner Ableitungsfläche23 . - In dem im Hinblick auf die
2 illustrierten Beispiel weisen die Eingangskanäle27 und die Ausgangskanäle29 über ihre gesamte Länge konstante Querschnitte auf. - Außerdem sind die Seitenflächen
24A und24B gegenüber den Filtrationsblöcken15A und15B flach ausgebildet. - Wie in
2 illustriert, ist der Verbindungsstoß17 zwischen den flachen Seiten24A und24B gegenüber den Filtrationsblöcken15A und156 angeordnet. Dieser Verbindungsstoß17 weist ein Bindemittel41 und in dieses Bindemittel41 eingebettete Verstärkungsvorrichtungen43 auf. - Das Bindemittel
41 ist auf der Basis von Keramikzement hergestellt, der allgemein aus Kieselerde und/oder Siliziumkarbid und/oder Aluminiumnitrid besteht. Nach dem Sintern weist dieser Zement ein Elastizitätsmodul von 500 bis 5000 MPa auf. - Wie in
3 illustriert, umfassen die Verstärkungsvorrichtungen Hülsen43 , die abwechselnd um einen auf zwei Filtrationsblöcke15 herum angeordnet sind, wenn man sich parallel zu einer ersten Querachse Y-Y' der Filtrationsstruktur11 (horizontal in der3 ) bewegt. Außerdem sind die Hülsen43 abwechselnd um einen auf zwei Filtrationsblöcke15 herum angeordnet, wenn man sich parallel zu einer zweiten Querachse Z-Z' der Struktur11 (vertikal in3 ) bewegt. - So ist jeder Filtrationsblock
15A , der von einer Hülse43 umgeben ist, angrenzend an freie Filtrationsblöcke15B angeordnet, d.h. an Blöcke, die nicht von einer Hülse43 umgeben sind. Außerdem grenzt jeder freie Filtrationsblock15B an von Hülsen umgebene Filtrationsblöcke15A an. - Jede Hülse
43 umfasst vier aktive Bereiche45 mit allgemein praktisch flacher Form, von denen sich jeder praktisch über die gesamte entsprechende, angrenzende Fläche des Blockes15A erstreckt. - Unter „aktivem Bereich mit allgemein praktisch flacher Form" versteht man einen Bereich
45 , dessen Abmessung parallel zu einer horizontalen oder vertikalen Querachse Y-Y' oder Z-Z' kleiner ist als zumindest zwei mal die Abmessung des Bereiches45 parallel zu der anderen vertikalen oder horizontalen Querachse und als die Abmessung des Bereiches45 parallel zu der Längsrichtung X-X' der Filtrationsstruktur11 . - Wie in
3 illustriert, ist jeder aktive Bereich45 zwischen einer Fläche24A eines von einer Hülse43 umgebenen Blockes15A und einer Fläche24B eines freien Blockes15B angeordnet. - Unter Bezugnahme auf
2 weist jeder aktive Bereich45 eine Vielzahl von Metallträgern47 auf, welche parallel zu der Längsrichtung X-X' der Struktur angeordnet sind. Außerdem umfasst der aktive Bereich45 eine Vielzahl von Metallquerträgern49 , welche die Träger47 miteinander verbinden. Diese Querträger49 sind parallel zu der Querachse Y-Y' und senkrecht zu der Längsrichtung X-X' der Struktur angeordnet. - So begrenzen die Träger
47 und die Querträger49 eine Vielzahl von Langlöchern51 . Der aktive Bereich45 ist somit durchbrochen ausgebildet, was ermöglicht ihn in den Zement41 einzubetten, und er besitzt eine eigene oder autonome Kohärenz oder mechanische Festigkeit dadurch, dass er einer Masse von zufällig in den Zement eingebetteten Fasern gegenübersteht. - In dem in
2 illustrierten Beispiel sind die Träger47 und die Querträger49 von Stangen mit einem kleineren Durchmesser gebildet als der Abstand, der zwei aufeinander folgende Stangen voneinander trennt, parallel zu der Längsrichtung X-X' der Struktur oder der Querachse Y-Y' gesehen. So ist das Volumen der Langlöcher51 größer als das Gesamtvolumen der Träger47 und der Querträger49 . - Diese Langlöcher
51 definieren so eine periodische Struktur entlang der Längsrichtung X-X' und entlang der Achse Y-Y'. - Die Ausrichtung der Träger
47 und der Querträger49 verstärkt die mechanischen Eigenschaften des Stoßes17 in einer Ebene, die parallel zu den Flächen24A und24B der gegenüberliegenden Filtrationsblöcke15A und15B liegt. - Da außerdem die Träger
47 und die Querträger49 auf der Basis eines Metallmaterials hergestellt sind, bilden sie bevorzugte Achsen für die Verteilung von Wärmeflüssen innerhalb des Stoßes17 . Sie erlauben somit, die von der Verbrennung der Russpartikel freigesetzte Wärme gleichmäßiger innerhalb des Stoßes17 zu verteilen und die Bildung von Wärmepunkten in diesem Stoß17 zu verringern. - In dem Fall, wo die thermomechanischen Beanspruchungen in der Struktur
11 zu stark sind, richten sich die in dem Stoß17 durch das Nachgeben der Struktur11 erzeugten Risse entlang der Träger47 und der Querträger49 aus. - Wie in
3 illustriert, sind die aktiven Bereiche45C und45D gegenüber von zwei angrenzenden Flächen24C und24D jedes von einer Hülse43 umgebenen Blockes15 miteinander verbunden. Diese besondere Anordnung verbessert auch den Zusammenhalt des Stoßes17 zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen24C und24E entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene liegt, die von dem aktiven Bereich45C definiert ist, der zwischen diesen beiden Flächen24C und24E angeordnet ist. - Die Funktionsweise der ersten erfindungsgemäßen Filtrationsstruktur wird nunmehr beschrieben werden.
- Während einer Filtrationsphase (
1 ) werden die mit Partikeln befrachteten Abgase durch die Abgasleitung13 bis zu den Eingangsflächen21 der Filtrationsblöcke15 geführt. Sie dringen dann in die Eingangskanäle27 ein und strömen durch die Wände25 der porösen Struktur19 (2 ). Während dieses Durchströmens setzen sich die Russpartikel auf den Wänden25 der Eingangskanäle27 ab. Diese Russpartikel setzen sich vorzugsweise im Zentrum des Partikelfilters11 und zu der Ableitungsfläche23 der Filtrationsblöcke15 hin ab (rechts in der Zeichnung). - Die gefilterten Abgase entweichen durch die Ableitungskanäle
29 und werden zum Ausgang des Auspufftopfes hin geführt. - Wenn das Fahrzeug ungefähr 500 km gefahren ist, erhöht sich der Druckverlust durch den Filter
11 erheblich. Dann wird eine Regenerationsphase durchgeführt. - In dieser Phase werden die Russpartikel durch Erhöhung der Temperatur des Filters
11 oxidiert. Diese Oxidation ist exothermisch. Das Fortschreiten der Regeneration sowie die inhomogene Verteilung der Russpartikel in dem Filter11 bewirken ein Temperaturgefälle zwischen den Bereichen einer starken Ansammlung von Russpartikeln und den Bereichen mit schwacher Ansammlung von Russpartikeln. - Außerdem dehnen sich de Filtrationsblöcke
15 und die Stöße17 unter der Einwirkung der Temperatur aus. Die örtliche Stärke dieser Dilatation hängt von der Temperatur ab. - Diese Schwankungen in der Dilatationsstärke unter der Einwirkung der Temperaturgefälle erzeugen starke thermomechanische Beanspruchungen.
- Wie zuvor bereits präzisiert, stellen die Hülsen
43 den Zusammenhalt des Stoßes17 sicher, wenn er diesen starken Beanspruchungen ausgesetzt ist. - In dem Fall, wo die thermomechanischen Beanspruchungen in der Struktur zu stark sind, richten sich die in dem Stoß
17 durch Nachgeben der Struktur11 erzeugten Risse entlang der Träger47 und der Querträger49 der Hülsen aus. - Außerdem wird das Ausmaß der Temperaturgefälle durch eine bessere Ausbreitung der Wärmeflüsse durch die Hülsen
43 verringert. - In der im Hinblick auf
4 illustrierten Variante weist die Struktur Zellen61 auf, die vier aneinander angrenzende Filtrationsblöcke15 umfassen. - Innerhalb einer Zelle weist jeder Filtrationsblock
15C zwei aneinander angrenzende Flächen24 auf, die jeweils gegenüber von zwei Flächen von zwei anderen Filtrationsblöcken15D ,15E der Zelle61 angeordnet sind. - Jede Zelle
61 weist außerdem ein gemeinsames Verstärkungsglied43 für die vier Filtrationsblöcke15 auf. - Wie in
4 illustriert, weist das Verstärkungsglied43 jeder Zelle eine kurvige Form auf und umfasst eine Vielzahl von aufeinander folgenden aktiven Bereichen45 mit praktisch flacher Form, die miteinander in Reihe verbunden sind. So ist jeder aktive Bereich45 mit höchstens zwei weiteren aktiven Bereichen45 des Verstärkungsgliedes43 verbunden. - Außerdem erstrecken sich die miteinander verbundenen aktiven Bereiche
45 in zueinander senkrecht liegenden Ebenen. - Folglich umfasst das Verstärkungsglied
43 innerhalb jeder Zelle61 zumindest zwei aktive Bereiche45 gegenüber jeweils zwei aneinander angrenzenden Flächen24 jedes Filtrationsblockes15 . - Der Zusammenhalt innerhalb einer Filtrationszelle
61 wird somit parallel zu der Längsrichtung X-X' der Struktur11 , parallel zu der horizontalen Achse Y-Y' und parallel zu der vertikalen Achse Z-Z' dieser Struktur11 verstärkt. - Außerdem umfasst die Filtrationsstruktur
11 eine Vielzahl von Zellen61 . Wie in4 illustriert, ist für jedes Paar aneinander angrenzender Zellen zumindest ein aktiver Bereich45A des Verstärkungsgliedes43A einer ersten Zelle61A gegenüber einer Fläche24B eines Filtrationsblockes15B einer zweiten angrenzenden Zelle61B angeordnet, um den mechanischen Zusammenhalt zwischen den verschiedenen Zellen61 sicherzustellen. - In einer Variante können die Träger
47 und die Querträger49 andere Ausrichtungen aufweisen, beispielsweise 45° von den Achsen X-X' und Y-Y' oder 30° von der einen dieser Achsen. - Ebenfalls in einer Variante weist das Verstärkungsglied aktive Bereiche auf, die mit Hilfe eines gewebten Tuches gebildet sind. Das gewebte Tuch ist auf der Basis von Fasern, beispielsweise organischen Fasern, hergestellt, welche sich bei höheren Temperaturen als 150°C zersetzen.
- Dieses Verstärkungsglied verschwindet durch Verbrennung, und zwar entweder während der Herstellung der Filtrationsstruktur oder während einer örtlichen Erwärmung innerhalb des Stoßes. Allerdings begünstigen die Durchgänge, die in dem zuvor von den organischen Fasern des Verstärkungsgliedes eingenommenen Raum geschaffen sind, das Nachlassen der Beanspruchungen in dem Filtrationsstoß, und in dem Fall, wo die thermomechanischen Beanspruchungen zu stark sind, stellen sie die Verbreitung der Risse entlang dieser Durchgänge sicher.
- In einer anderen Variante weisen die aktiven Bereiche des Verstärkungsgliedes durchbrochene Platten oder durchbrochene Wellbleche auf, um das Ausmaß der Temperaturgefälle innerhalb der Struktur zu verringern.
- Dank der soeben beschriebenen Erfindung ist es möglich eine Filtrationsstruktur zu erhalten, welche eine Vielzahl von Regenerationsphasen überdauern kann, wobei gleichzeitig ihr mechanischer Zusammenhalt und ihre Dichtheit bezüglich der Russpartikel gewahrt bleibt.
- In dieser Struktur sind das Nachlassen der thermomechanischen Beanspruchungen und die Bildung eventueller Risse in dem Stoß gemäß privilegierten Richtungen ausgerichtet.
- Diese Struktur stellt außerdem eine bessere Verteilung der Temperaturen innerhalb des Stoßes in dem Fall sicher, wo das Verstärkungsglied auf der Basis eines Metallmaterials hergestellt ist.
Claims (10)
- Filtrationsstruktur (
11 ), insbesondere Partikelfilter für die Abgase eines Verbrennungsmotors der Art mit: – zumindest einem ersten und zweiten Filtrationsorgan (15A ,15B ), welche jeweils eine erste und zweite Fläche (24A ,24B ) aufweisen, die einander gegenüber liegend angeordnet sind; – einem Verbindungsstoß (17 ) dieser Flächen (24A ,24B ), der sich zwischen diesen Flächen (24A ,24B ) erstreckt, wobei dieser Stoß (17 ) ein Bindemittel (41 ) und in diesem Bindemittel (41 ) eingebettete Verstärkungsvorrichtungen (43 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsvorrichtungen (43 ) zumindest ein durchbrochenes Verstärkungsglied aufweisen, welches eine eigenständige Kohärenz aufweist, und welches zumindest einen durchbrochenen und in dem Bindemittel eingebetteten, aktiven Bereich (45 ) mit praktisch allgemein flacher Form aufweist, wobei der aktive Bereich (45 ) einen eigenen mechanischen Halt aufweist. - Struktur (
11 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich (45 ) eine Vielzahl von Trägern (47 ) aufweist, welche praktisch parallel zu einer ersten Richtung (X-X') angeordnet sind. - Struktur (
11 ) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich (45 ) eine Vielzahl von Querträgern (49 ) aufweist, welche die Träger (47 ) miteinander verbinden, und welche sich praktisch parallel zu einer zweiten, von der ersten Richtung (X-X') unterschiedlichen Richtung (Y-Y') erstrecken. - Struktur (
11 ) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen der von den Trägern (47 ) und von den Querträgern (49 ) begrenzten Langlöcher (51 ) größer ist als das Gesamtvolumen der Träger (47 ) und der Querträger (49 ). - Struktur (
11 ) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied (43 ) auf der Basis eines Metallmaterials ausgeführt ist. - Struktur (
11 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied (43 ) auf der Basis eines Materials hergestellt ist, das sich bei höheren Temperaturen als 150°C auflöst. - Struktur (
11 ) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied (43 ) einen aktiven Bereich (45C ,45D ) gegenüber den beiden aneinander angrenzenden Flächen (24C ,24D ) des Filtrationsorgans (24C ,24D ) aufweist, wobei die aktiven Bereiche (45C ,45D ) untereinander verbunden sind. - Struktur (
11 ) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Zelle (61 ) aufweist, welche vier Filtrationsorgane (15 ) und ein gemeinsames Verstärkungsglied (43 ) mit kurviger Form für die Filtrationsorgane (15 ) aufweist, wobei das gemeinsame Verstärkungsglied (43 ) zumindest drei aufeinander folgende aktive Bereiche (45 ) aufeist, die gegenüber den angrenzenden Flächen (24 ) der Filtrationsorgane (15 ) der Zelle (61 ) angeordnet sind. - Struktur (
11 ) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine erste und eine zweite Zelle (61A ,61B ) aufweist, wobei zumindest ein aktiver Bereich (45A ) des Verstärkungsgliedes (43A ) der ersten Zelle (61A ) gegenüber einer Fläche (24B ) eines Filtrationsorgans (15B ) der zweiten Zelle (61B ) angeordnet ist. - Struktur (
11 ) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder aktive Bereich mit Hilfe eines gewebten Tuches, eines durchbrochenen Wellblechs oder einer durchbrochenen Platte gebildet ist.
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