Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, welche Partikel aus einem Gasstrom herausfiltert und ein Gehäuse und mindestens eine in dem Gehäuse angeordnete Filterstruktur mit Filtertaschen aufweist, die von gasdurchlässigen Filterwänden begrenzt sind.
Eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 28 936 AI bekannt. Bei der dort gezeigten Filtereinrichtung handelt es sich um einen Partikelfilter für ein Abgassystem einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die Filterwände bei der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt und so angeordnet, dass keilförmige Filtertaschen gebildet werden. Die spitz zulaufenden Keilkanten der Filtertaschen zeigen entgegen der Strömungsrichtung des Abgases, die in Strömungsrichtung gesehen hintere Schmalseite einer Filterseite ist offen. Die Filtertaschen sind in der Regel nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt rotationssymmetrische ringartige Filterstruktur gebildet wird. Im Betrieb tritt
das Abgas durch die Seitenwände der Filtertaschen hindurch, wobei Partikel zurückgehalten werden . Bei der bekannten Filtereinrichtung sind die Filterwände durch flexible Sintermetallmatten oder Sintermetallfolien gebildet, denen gesonderte Tragstrukturen, beispielsweise Lochbleche, Gewebe, oder dergleichen zugeordnet sind.
Die -vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie während einer möglichst langen Lebensdauer gute Filtereigenschaften aufweist .
Diese Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Filtertasche ein Stützelement aus einem gasdurchlässigen Keramikmaterial aufweist .
Vorteile der Erfindung
Die Verwendung eines Keramikmaterials für das Stützelement hat den Vorteil, dass das Stützelement auch bei einer hohen Temperatur seine Form beibehält, die Filtertasche also auch bei hohen Temperaturen nicht "zusammenfällt". Hohe Betriebstemperaturen können jedoch insbesondere bei
Filtereinrichtungen von Brennkraftmaschirten immer wieder vorkommen, um die in der Filtereinrichtung angesammelten Rußpartikel zu verbrennen. Da die Filtertaschen und somit auch die gesamte Filterstruktur ihre Form auch bei hohen Betriebstemperaturen beibehält, verändern sich weder die Strömungsverhältnisse in der Filtereinrichtung über deren Lebensdauer wesentlich noch wird die Filterwirkung der Filterwände mit der Zeit durch entsprechende Verformungen beeinträchtigt .
Darüber hinaus gestattet die Verwendung eines gasdurchlässigen Keramikmaterials für das Stützelement eine gleichmäßige Verteilung der Filterwirkung über die Filterwand, es werden also durch das Stützelement keine vom Stützelement "abgedeckten" Stellen der Filterwand geschaffen, an denen dann nur eine eingeschränkte Filterwirkung vorliegen würde . Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung hat daher einen hohen Wirkungsgrad.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunä.chst wird vorgeschlagen, dass die Gesamt-Außenform des Stützelements wenigstens in etwa der Innenform der Filtertasche entspricht und das Stützelement im Passsitz in der Filtertasche angeordnet ist. Dies erleichtert die Herstellung und gestattet die Formerhaltung nicht nur einer Filterwand sondern der gesamten Filtertasche mittels des Stützelements .
Die Herstellung wird erleichtert, wenn das Stützelement insgesamt federelastische Eigenschaften aufweist und in die Filtertasche unter Spannung eingeführt ist.
Besonders vorteilhaft ist auch, wenn das Material des Stützelements eine größere Porosität aufweist als das Material der Filterwand. Hierdurch wird der Strömungswiderstand klein gehalten. Letztlich kommt dies beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine sowohl dem Kraftstoffverbrauch als auch dem Emissionsverhalten zugute.
Ein besonders bevorzugter Werkstoff für das Stützelement ist SiC-Keramik, und hier insbesondere rekristallisiertes Siliciumcarbid. Hierbei handelt es sich um einen verschleißbeständigen, chemisch resistenten Werkstoff mit
einstellbarer Porosität und Porengröße beziehungsweise Porengrößenverteilung, welcher ferner thermisch sehr stark belastet werden kann. Da SiC-Keramik eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, verfügt es auch über eine gute Temperaturwechselbeständigkeit .
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stützelement aus einer zunächst ungebrannten SiC-Folie geformt, insbesondere gefaltet, und anschließend gesintert ist. Eine ungebrannte SiC-Folie ist flexibel und kann daher sehr einfach verarbeitet werden. Bekannt sind SiC-haltige Folien, welche wie Papier gefaltet werden können. Hierdurch können auf einfache und preiswerte Art und Weise Filtereinrichtungen geschaffen werden, deren Filterstruktur eine große spezifische Oberfläche aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Filtereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Stützelement in Längsrichtung der Filtertasche gesehen wenigstens abschnittsweise mäanderförmig, Z-förmig, oder gewellt ist. Das Stützelement kann hierdurch auf einfache Weise mit der notwendigen Steifigkeit, aber auch mit einer gewissen Federelastizität versehen werden, die für eine leichte Anwendbarkeit an bzw. in einer Filtertasche hilfreich ist. Darüber hinaus kann ein solches Stützelement aus einem einzigen Rohteil hergestellt werden, ohne dass Verbindungsarbeiten erforderlich sind, was die Herstellung nochmals vereinfacht und die Herstellkosten senkt.
Dem Stützelement kann auch eine Sekundärfunktion zugewiesen werden, nämliche jene, dafür zu sorgen, dass die Gasströmung im Bereich der Filterwand optimal ist. Hierzu ist das StützeXe ent so ausgebildet, dass Strömungskanäle gebildet werden, durch die der Gasström geleitet wird.
Dabei kann eine gemischte Kanal- und WanddurchtrittsStrömung erzielt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung sieht vor, dass das Stützelement wenigstens bereichsweise eine Schicht aus einem katalytischen Material aufweist. Hierdurch wird eine große katalytisch wirkende Fläche geschaffen, was beispielsweise bei der Stickoxidreduktion oder beim Verbrennen abgelagerter Rußpartikel einen hohen katalytischen Wirkungsgrad gewährleistet. Dies gilt vor allem dann, wenn auch die Filterstruktur wenigstens bereichsweise mit einem katalytischen Material versehen ist.
Es versteht sich, dass dann, wenn mittels der katalytischen Beschichtung die Rußoxidation gefördert werden soll, das Stützelement zum stromaufwärts angeordneten Umhüllungselement wird. Dabei kann das katalytische Material auf das Stütz- bzw. Umhüllungselement besonders einfach beispielsweise dadurch aufgebracht werden, dass das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement in das katalytische Material, wenn dieses flüssig ist, getränkt wird.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stützbzw. Umhüllungselement über die Filtertasche übersteht. Dies bewirkt eine Vergrößerung der katalytisch wirksamen Oberfläche, was den katalytischen Wirkungsgrad nochmals verbessert.
In vielen Anwendungsfällen dürfte die stützende Wirkung des Stützelements am einfachsten zu realisieren sein, wenn das Stützelement wenigstens bereichsweise innerhalb der Filtertasche angeordnet ist. Wie bereits oben angedeutete
wurde, ist aber grundsätzlich auch denkbar, dass das Stützelement wenigstens um einen Bereich der Filtertasche herum angeordnet ist und so ein Umhüllungselement bildet. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist, welche die Rußoxidation fördern soll.
In Weiterbildung hierzu kann vorgesehen sein, dass die Filtertasche keilförmig ist und dass das Stützbeziehungsweise Umhüllungselement an der axialen Schmalseite eine Rundung aufweist, welche eine stromaufwärts gelegene Kante der Filtertasche strömungsgünstig überdeckt. Dies kommt vor allem dem Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung zugute, da durch eine solche Rundung Verwirbelungen vermieden werden, welche eine ungleichmäßige Durchströmung der Filterstruktur zur Folge hätten.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Filterstruktur insgesamt rotationssymmetrisch ist mit einem radial außerhalb und/oder innerhalb der Filtertaschen gelegenen Strömungsraum, dass das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement wenigstens zum Teil um eine Filtertasche herum angeordnet ist, und dass das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement in den Strömungsraum hineinragende Leitabschnitte aufweist, durch welche der Gasstrom wenigstens teilweise vom Strömungsraum zu den Filtertaschen hingeleitet wird. Dies erhöht nochmals den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
Zeichnung
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einer Filtereinrichtung, in der eine Filterstruktur angeordnet ist;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Filterstruktur von Figur 1;
Figur 3 eine teilweise explodierte Darstellung zweier Filtertaschen der Filterstruktur von Figur 2 und eines Stützelements;
Figur 4 eine Ansicht längs des Pfeils IV von Figur 3;
Figur 5 eine Darstellung ähnlich Figur 4 einer alternativen Ausführungsform eines Stützelements;
Figur 6 eine Darstellung ähnlich Figur 4 einer nochmals alternativen Ausführungsform eines Stutzelements;
Figur 7 eine perspektivische Darstellung des Stützelements von Figur 6;
Figur 8 einen Schnitt quer durch eine Filtertasche mit einem in diesem angeordneten Stützelement, welches ähnlich aufgebaut ist wie jenes der Figuren 6 und 7;
Figur 9 eine vereinfachte Darstellung einer Filtereinrichtung mit einer Filterstruktur mit nochmals abgeänderten Stützelementen;
Figur 10 eine Darstellung ähnlich Figur 4 einer nochmals alternativen Ausführungsform eines Stützelements; und
Figur 11 eine perspektivische Darstellung einer Filtertasche mit einem als Umhüllungselement ausgebildeten Stützelement.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Bereich einer Brennkraftmaschine 10 gezeigt. Er umfasst einen Motor 12 mit Aggregaten und gegebenenfalls einem Dieseloxidationskatalysator. Die Abgase werden über Abgassystem 13 mit einem Abgasrohr 14 abgeleitet. In letzterem ist eine Filtereinrichtung 16 angeordnet, welche Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 14 strömenden Abgas herausfiltert . Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich beziehungsweise wird erforderlich werden, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Die Filtereinrichtung 16 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 18, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrische, insgesamt ebenfalls zylindrische Filterstruktur 20 angeordnet ist. Diese umfasst eine Vielzahl von keilförmigen Filtertaschen, von denen in Figur 2 nur zwei mit dem Bezugszeichen 22a beziehungsweise 22b versehen sind. Diese Filtertaschen 22a und 22b sind in Figur 3 nochmals vergrößert dargestellt.
Jede der keilförmigen Filtertaschen 22 weist zwei seitliche Filterwände auf, von denen in den Figuren 2 und 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine mit dem Bezugszeichen 24a beziehungsweise 24b versehen ist. Die einem Einlass 26 des Gehäuses 18 zugewandten und in den
Figuren 2 und 3 linken bzw. vorderen Ränder der Filterwände 24a und 24b einer Filtertasche 22 sind miteinander verbunden, wohingegen die einem Auslass 28 des Gehäuses 18 zugewandeten und in den Figuren 2 und 3 rechten bzw. hinteren Ränder einer Filtertasche 22 voneinander beabstandet sind. Hierdurch ergibt sich die Keilform der Filtertaschen 22. Nach radial innen und nach radial außen sind die Filtertaschen 22 durch insgesamt dreieckige Filterwandabschnitte 24c und 24d (Figur 3) verschlossen.
Die Filtertaschen 22 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ringförmig um einen zentrischen kanalartigen Strömungsraum 30 angeordnet und zueinander abgedichtet. Dieser ist an seinem in Figur 2 hinteren und nicht sichtbaren Ende durch eine Dichtplatte verschlossen. Gegenüber dem Gehäuse 18 ist die Filterstruktur 20 ebenfalls im Bereich ihres in Figur 2 hinteren Endes durch in Figur 1 nicht näher gezeigte Dichteinrichtungen abgedichtet. Die die Filtertaschen 22 und letztlich die Filterstruktur 20 bildenden Filterwände 24 sind auf
Sintermetallbasis hergestellt. Dabei handelt es sich um eine offenporige und gasdurchlässige Struktur, welche Rußpartikel aus dem Gasstrom herausfiltert, wenn dieser durch die Filterwände 24 hindurchtritt. Ein entsprechender Gasstrom ist in Figur 3 durch einen Pfeil 32 angedeutet.
Der gereinigte Gasstrom verlässt die Filtertaschen 22 über deren in den Figuren 2 und 3 rechtes bzw. hinteres und offenes Ende.
Die Filterwände 24 der Filtertaschen 22 sind äußerst dünn. In das Innere einer jeden Filtertasche 22 ist daher ein keilförmiges Stützelement 34 eingesetzt, welches in Figur 3 nur für die Filtertasche 22b gezeigt und dort vor der Einführung in die Filtertasche 22b längs der Pfeile 36 dargestellt ist. Das Stützelement 34 weist eine Gesamt- Außenform auf, welche in etwa der Innenform der zugehörigen Filtertasche 22b entspricht. Es ist so dimensioniert, dass es nach dem Einführen in die Filtertasche 22b in dieser im Passsitz festgelegt ist.
Das Stützelement 34 weist eine vergleichsweise hohe
Steifigkeit auf. Hierdurch wird verhindert, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 die seitlichen Filterwände 24a und 24b durch den von außen auf sie wirkenden Gasstrom 32 nach innen zusammengedrückt werden, was eine unerwünschte Widerstandserhöhung der Filtereinrichtung 18 zur Folge hätte. Durch das Stützelement 34 wird also sichergestellt, dass die beiden Filterwände 24a und 24b einer Filtertasche 22 auch im Betrieb einen Abstand voneinander aufweisen. Das Stützelement 34 wird daher auch als "Spacer" bezeichnet.
Das Stützelement 34 ist aus einer Siliciumcarbidfolie hergestellt. Es weist zwei gewellte Seitenwände 38a und 38b und eine in etwa dreieckige obere Wand 38c auf. Hierzu wird die Siliciumcarbidfolie im ungebrannten ("grünen") Zustand an den Kanten 40a und 40b gefaltet. Zuvor oder danach werden die in Längsrichtung des Stützelements 34 verlaufenden Wellen (ohne Bezugszeichen) in die beiden Seitenwände 38a und 38b eingebracht.
Dann wird die Siliciumcarbidfolie gesintert, wodurch sie ihre durch das Falten beziehungsweise Wellen vorgegebene Form beibehält. Die Unterseite (Bezugszeichen 42) des Stützelements 34 ist ebenso wie seine Rückseite 44 offen.
Wird das Stützelemen-t 34 nun längs der Pfeile 36 in die Filtertasche 22b eingeführt, federn die Seitenwände 38a und 38b zusammen, wodurch das Stützelement 34 in der Filtertasche 22a unter einer gewissen Vorspannung verspannt wird und in der Folge in dieser zuverlässig festgelegt ist.
Die gesinterte Siliciumcarbid-Keramik, aus welcher das Stützelement 34 hergestellt ist, weist eine offenporige Struktur auf, durch die der Abgasström 32 hindurch treten kann. Dabei ist die Porosität der Siliciumcarbid-Keramik des Stützelements 34 größer als jene des Sintermetalls, aus dem die Filterstruktur 20 beziehungsweise die Filterwände 24 der Filtertaschen 22 hergestellt sind. Hierdurch wird der Strömungswiderstand reduziert.
Das in den Figuren 2 bis 4 gezeigte Stützelement 34 ist selbst insgesamt keilförmig mit zwei Seitenwänden 38a und 38b und einer dazwischen liegenden Wand 38c. Möglich ist es aber auch, das Stützelement 34 im Querschnitt mit einer sogenannten "Z-Faltung" zu versehen, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Möglich ist auch eine Mäanderfaltung entsprechend der Figuren 6 bis 8. Dabei sei darauf hingewiesen, dass hier wie nachfolgend gilt, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu zuvor beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und im Normalfall nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Durch die mäanderförmige Faltung liegt das Stützelement 34 bereichsweise flächig- an den Filterwänden 24a bis 24c der Filtertasche 22 an. Dies führt dazu, dass das Abgas nicht nur zwischen dem Stützelement 34 und den Filterwänden 24 der Filtertasche 22 strömt, sondern auch durch Bereiche der Wand 38 des Stützelements 34 hindurchtritt, wie durch den Pfeil 50 angedeutet ist. Dies wird für eine Zusatzfunktion
des Stützelements 34 ausgenutzt: Dieses ist nämlich mit einer katalytischen Beschichtung 46 versehen, welche dadurch auf das Stützelement 34 aufgebracht wird, indem dieses in das zuvor verflüssigte katalytische Material eingetaucht wird. Hierdurch ergibt sich eine katalytische Beschichtung 46 nicht nur auf den Außenseiten der Wände 38 des Stützelements 34, wie dies in Figur 8 gezeigt ist, sondern auch im Inneren der offenporigen Struktur des Stützelements 34, was eine sehr große katalytisch wirksame Oberfläche zur Folge hat.
Auch die Filterwände 24a bis d der Filtertasche 22 sind auf ihrer Innenseite mit einer katalytischen Beschichtung 48 versehen. Beide katalytischen Beschichtungen 46 und 48 liegen also stromabwärts von den Filterwänden 24 und werden von der von den Rußpartikeln bereits befreiten Gasströmung umströmt. Die katalytischen Beschichtungen 46 und 48 dienen zur Förderung der Reduktion von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden oder zur Oxidation von CO und HC. Durch die mäanderförmige
Gestaltung des Stützelements 34 wird die katalytisch wirksame Oberfläche am Stützelement 34 besonders groß.
In Figur 9 ist eine nochmals abgewandelte Ausführungsform von Stützelementen 34 in einer Filtereinrichtung 16 schematisch gezeigt. Die in Figur 9 gezeigten Stützelemente 34 entsprechen im Querschnitt und bezüglich der katalytischen Beschichtung dem in den Figuren 6 bis 8 gezeigten Stützelement 34. Zur Vergrößerung der katalytisch wirksamen Oberfläche weisen die bei der Filtereinrichtung 16 in Figur 9 verwendeten Stützelemente 34 jedoch jeweils einen Überstand 50 auf, mit dem sie axial über einen zum Auslass 28 hin weisenden Rand der Filterstruktur 20 überstehen.
Ein weiterer möglicher Querschnitt eines Stützelements 34 ist in Figur 10 gezeigt: Auch dieses Stützelement 34 ist dadurch hergestellt worden, dass es aus einer einzigen Siliciumcarbidfolie gefaltet und anschließend gesintert wurde. Durch die Faltung entsprechend Figur 10 werden Strömungskanäle 52a bis d geschaffen, durch die eine Kanalströmung des gereinigten Abgases innerhalb des Stützelements 34 erzwungen wird. Darüber hinaus wird durch die "Kanalfaltung" bei dem in Figur 10 gezeigten Stützelement 34 dessen katalytisch wirksame Oberfläche vergrößert.
Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform eines Stützelements 34 zeigt Figur 11: Dabei ist das Stützelement 34 nicht innerhalb, sondern außerhalb der Filtertasche 22 um diese herum angeordnet. Es wird daher auch als Umhüllungselement bezeichnet. Obwohl dies in Figur 11 nicht sichtbar ist, ist auch hier das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement 34 mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Diese unterstützt jedoch die Oxidation von stromaufwärts von den Filterwänden 24 der Filtertasche 22 abgelagerten Russpartikeln beziehungsweise von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff.
Im Bereich der stromaufwärts gelegenen Schmalseite der Filtertasche 22 weist das Stütz- beziehungsweise Umhüllungselement 34 einen vorstehenden, umgefalteten Lappen der Siliciumcarbidfolie auf, der um die vergleichsweise spitze Kante der Filtertasche 22 herumgezogen ist und hierdurch eine strömungsgünstige Rundung 54 bildet. Darüber hinaus weist das Stützbeziehungsweise Umhüllungselement 34 im Bereich seiner schmalen Längsseite mehrere in den zentrischen Strömungsraum 30 (vergleiche Figur 2) hineinragende Leitabschnitte 56 auf, durch welche der Gasstrom im
zentrischen Strömungsraum 30 von diesem zu den Filtertaschen 22 hin geleitet wird.