WO2007057253A1 - Filterelement und filter zur abgasnachbehandlung - Google Patents

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WO2007057253A1
WO2007057253A1 PCT/EP2006/067168 EP2006067168W WO2007057253A1 WO 2007057253 A1 WO2007057253 A1 WO 2007057253A1 EP 2006067168 W EP2006067168 W EP 2006067168W WO 2007057253 A1 WO2007057253 A1 WO 2007057253A1
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WO
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filter element
filter
element according
channels
outlet channels
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Application number
PCT/EP2006/067168
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Reinsch
Carsten Becker
Teruo Komori
Lars Thuener
Dominik Huelsmeier
Christian Schiller
Cordula Schumacher
Tobias Hoeffken
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/24—Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies
    • B01D46/2403—Particle separators, e.g. dust precipitators, using rigid hollow filter bodies characterised by the physical shape or structure of the filtering element
    • B01D46/2418—Honeycomb filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/022—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters characterised by specially adapted filtering structure, e.g. honeycomb, mesh or fibrous
    • F01N3/0222—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters characterised by specially adapted filtering structure, e.g. honeycomb, mesh or fibrous the structure being monolithic, e.g. honeycombs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a filter element for cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine according to the preamble of claims 1 and 2 and a soot filter with a
  • Filter element according to the independent claim 20.
  • Such filter elements are used for example as a soot filter for diesel internal combustion engines.
  • the filter elements are often made of a ceramic
  • Filter elements made of ceramic materials are produced by extrusion. This means that the blank of the filter element is a prismatic body with a plurality of mutually parallel channels. The channels of a blank are initially open at both ends.
  • the soot deposits are oxidized, whereby heat is released. This results in a temperature increase in the filter element. If the temperatures occurring during regeneration become too great, the filter element will be damaged. This risk is especially in filter elements made of cordierite, since cordierite has a relatively low specific heat capacity and therefore can occur in the oxidation of soot deposits locally very high temperatures. As a result, in the regeneration at critical engine operating points so high temperatures can occur within the filter element that the thermal stability of the cordierite is no longer guaranteed.
  • the invention has for its object to provide a filter element made of a ceramic material, preferably cordierite, which is relatively insensitive to the released during the oxidation of the soot deposits heat, and thereby the use of cordierite as Filter material for car applications and other temperature-critical applications to allow.
  • a filter element in particular for filtering exhaust gases of a diesel internal combustion engine, with a plurality of inlet channels and with a plurality of outlet channels, wherein the inlet channel and the outlet channels are bounded by filter walls, that at least inner or centrally in the interior of the filter element arranged areas resp. middle portions of the filter element have a volumetric heat capacity between 450 J / 1K and 750 J / 1K, in particular between 500 J / 1K and 750 J / 1K, preferably .in particular between 500 J / 1K and 670 J / 1K.
  • This range can be achieved by a suitable coordination of the geometric conditions of the filter element with certain material values of the filter material used.
  • the specific heat capacity of the filter material is decisive for the high temperature peaks that occur during regeneration: the lower the specific heat capacity, the higher the temperatures can occur.
  • the engine control can detect a regeneration under critical operating conditions and through targeted
  • volumetric heat capacity the heat capacity of the filter material per unit volume
  • the increase in the volumetric heat capacity can be achieved by influencing the mass-specific heat capacity of the cordierite - e.g. by setting a lower porosity - or by constructive change in the geometry of the filter body - in particular by increasing the wall portion per unit volume - be effected.
  • the reduction of the porosity is usually accompanied by a reduction in the permeability of the filter material and thus an increased exhaust counterpressure, in particular when a catalytically active coating and / or a washcoat are applied.
  • the increase in the wall portion results in a reduction in the cross-section accessible to the exhaust gas flow and thus in an increase in the speeds, furthermore in a reduction in the specific filtration area, and finally in a reduction in the diameter of the individual channels Increase of the exhaust back pressure leads, especially with soot loading.
  • the at least necessary volumetric heat capacity results from the requirements of the motor controls developed for limiting the regeneration temperature.
  • the design of the geometry of the filter channels and the material properties are matched to one another, so that the volumetric heat capacity of the filter in a predetermined range is preferably in particular between 500 J / 1K and 670 J / 1K.
  • the filter geometry is optimized with regard to volumetric heat capacity with simultaneous maximum filter area, high ash storage capacity and low exhaust backpressure.
  • the relationship between the geometry of the filter element, its porosity and the specific heat capacity of the material used is derived below.
  • the cross-sectional geometry of the channels is square in most designs, but may also be round, polygonal, or complex shaped.
  • the channels on the inlet and on the outlet side can differ both in their shape and in their size.
  • Characterization of the size serves, irrespective of the shape, the hydraulic diameter d h , which from the
  • Channel cross-sectional perimeter U and the channel cross-sectional area A is determined:
  • A cross-sectional area of the channel (28, 30)
  • U circumference of the channel (28, 30)
  • Number of outlet channels to the number of inlet channels are denoted by n.
  • n number of exit channels / number of entry channels
  • the proportion ⁇ of the filter volume occupied by the filter material can be calculated from the hydraulic diameters on the inlet and outlet sides d h respectively . d h on and the wall thickness w after
  • the volumetric heat capacity c p , V oi ⁇ that is to say the heat capacity related to the volume of the filter element (18) - of the filter element (18) can be determined by the material characteristics
  • the heat capacity range between 500 J / 1K and 670 J / 1K can thus be translated into an inequality for the geometric and material characteristics of the filter element:
  • a filter designed under this condition has a volumetric heat capacity in the given range.
  • a volumetric area of the filter element greater than 0.7 m 2 / l, preferably greater than 0.8 m 2 / l, more preferably greater than 1.0 m 2 / l and most preferably greater than 1.2 m 2 / l.
  • a hydraulic diameter d h of the inlet channels between 1.0 mm and 1.6 mm, preferably between 1.2 mm and 1, 3 mm.
  • a hydraulic diameter d h of the outlet channels of the filter element is between 0.5 mm and 1.2 mm, preferably between 0.8 mm and 1.2 mm, and particularly preferably between 0.9 mm and 1.0 mm.
  • a porosity of the basic structure of the filter element between 35% and 60%, preferably between 40% and 60%, and particularly preferably between 45% and 55%.
  • An average pore diameter of the filter element is between 10 ⁇ m and 30 ⁇ m, preferably between 15 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • the inside of the inlet channels is larger than the inner surface of the outlet channels. Since the storage capacity of the filter element for soot deposits essentially depends on the inlet surface of the inner surface of the inlet channels, the storage capacity of the filter element for soot is increased by the claimed geometry according to the invention.
  • alumina, magnesium silicates, preferably cordierite, titanium dioxide, silicon carbide and / or aluminum titanate have been found.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 2 shows an embodiment of a filter element according to the invention in longitudinal section.
  • the exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged. With this, soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12. This is particularly necessary in diesel engines to comply with legal requirements.
  • the filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a filter element 18, which is also rotationally symmetrical in the present exemplary embodiment, is also arranged.
  • a filter element 18 which is also rotationally symmetrical in the present exemplary embodiment, is also arranged.
  • the invention is not limited to these geometries.
  • FIG. 2 shows a cross section through a filter element 18 according to the prior art.
  • the filter element 18 is manufactured as an extruded shaped body from a ceramic material, such as cordierite.
  • the filter element 18 is not in the direction of arrows 20 of flows through the illustrated exhaust gas.
  • An entrance surface has the reference numeral 22 in FIG. 2, while an exit surface in FIG. 2 has the reference numeral 24.
  • inlet channels 28 Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 extend a plurality of inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30.
  • the inlet channels 28 are closed at the outlet surface 24.
  • the sealing plugs are shown in FIG. 2 without reference numerals.
  • the outlet channels 30 are open at the outlet surface 24 and closed in the region of the inlet surface 22.
  • the flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall (without reference numerals) in one of
  • Exit channels 30 This is exemplified by the arrows 32.
  • filter elements 18 according to the invention can also be used in commercial vehicles or other mobile or stationary applications.

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Abstract

Es wird ein Filterelement für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, das vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff besteht. Aufgrund der erfindungsgemäßen Abstimmung der Geometrie der Kanäle und der Porosität des Filtermaterials werden unzulässig hohe Betriebstemperaturen vermieden und gleichzeitig die Funktion des Filterelements (18) sichergestellt.

Description

Beschreibung
Titel
Filterelement und Filter zur Abgasnachbehandlung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sowie einen Rußfilter mit einem
Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 20. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.
Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen
Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.
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.
Damit das zu reinigende Abgas durch die Wände des Filters strömt, 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 hinteren Ende verschlossen sind und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.
Zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen besteht 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.
Bei der Regeneration der Filterelemente werden die 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 gegeben, 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 innerhalb des Filterelements auftreten, dass die thermische Stabilität des Cordierits nicht mehr gewährleistet ist.
Dieser Zusammenhang hat bisher den Einsatz von Filterelementen aus Cordierit in Personenkraftwagen verhindert .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement aus einem keramischen Werkstoff, bevorzug Cordierit, bereitzustellen, das relativ unempfindlich gegenüber der bei der Oxidierung der Rußablagerungen freiwerdenden Wärme ist, und dadurch den Einsatz von Cordierit als Filtermaterial für PKW-Anwendungen und andere temperaturkritische Anwendungen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von Eintrittskanalen und mit einer Vielzahl von Austrittskanalen, wobei die Eintrittskanale und die Austrittskanale durch Filterwande begrenzt werden, dadurch gelost, dass zumindest innere beziehungsweise zentral im innern des Filterelements angeordnete Bereiche bzw . mittlere Bereiche des Filterelements eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/1K und 750 J/1K, insbesondere zwischen 500 J/1K und 750 J/1K, vorzugsweise .insbesondere zwischen 500 J/1K und 670 J/1K aufweisen .
Offenbarung der Erfindung
Durch den erfindungsgemaß beanspruchten Bereich der volumetrischen Wärmekapazität wird die
Regenerationsfahigkeit des Filters gewahrleistet, ohne die
Funktion, insbesondere durch zu hohen Abgasgegendruck, zu beeinträchtigen.
Dieser Bereich kann durch eine geeignete Abstimmung der geometrischen Verhaltnisse des Filterelements mit bestimmten Stoffwerten des verwendeten Filtermaterials erreicht werden. Für die Hohe der bei der Regeneration auftretenden Temperaturspitzen ist die spezifische Wärmekapazität des Filtermaterials entscheidend: Je niedriger die spezifische Wärmekapazität ist, desto höhere Temperaturen können auftreten. Im Zusammenwirken mit einer geeigneten Motorsteuerung kann somit ein sicherer Betrieb des Filterelements auch in Personenkraftfahrzeugen gewährleistet werden. Die Motorsteuerung kann eine Regeneration unter kritischen Betriebsbedingungen detektieren und durch gezielte
Eingriffe unkontrollierte Regenerationen („Worst-Case") vermeiden. Solche Eingriffe der Motorsteuerungen sind bereits Gegenstand von Patentanmeldungen und werden deshalb im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht erläutert.
Je niedriger die Wärmekapazität des Filters ist, desto kürzer ist die zur Verfügung stehende Zeitspanne, innerhalb der ein von der Motorsteuerung vorgenommener Eingriff in die Motorsteuerung erfolgreich ist. Daraus ergibt sich ein Nachteil beim Einsatz von Cordierit als Filtermaterial gegenüber dem ebenfalls für die Herstellung von Rußfiltern verwendeten SiC, da die Wärmekapazität von Cordierit niedriger ist als die von SiC.
Umgehen lässt sich diese Problematik, wenn die Wärmekapazität des Filtermaterials pro Volumeneinheit (nachfolgend volumetrische Wärmekapazität) erhöht wird. Die Erhöhung der volumetrischen Wärmekapazität kann durch Beeinflussung der massespezifischen Wärmekapazität des Cordierits - z.B. durch Einstellung einer geringeren Porosität - oder durch konstruktive Veränderung der Geometrie des Filterkörpers - insbesondere durch Erhöhung des Wandanteils pro Volumeneinheit - bewirkt werden.
Mit der Verringerung der Porosität gehen meist eine Verringerung der Permeabilität des Filtermaterials und damit ein erhöhter Abgasgegendruck einher, insbesondere wenn eine katalytisch aktive Beschichtung und/oder ein Washcoat aufgebracht werden. Mit der Erhöhung des Wandanteils gehen je nach konstruktiver Ausführung zum einen eine Verkleinerung des für die Abgasströmung zugänglichen Querschnitts und damit eine Erhöhung der Geschwindigkeiten, des Weiteren eine Verringerung der spezifischen Filtrationsfläche, sowie schließlich eine Verkleinerung der Durchmesser der einzelnen Kanäle einher, was jeweils zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks führt, insbesondere bei Rußbeladung.
Darüber hinaus wirkt sich eine zu hohe volumetrische Wärmekapazität des Filters negativ auf die zur Aufheizung des Filters zur thermischen Regeneration notwendige Zeit sowie auf die Zeit zum Erreichen der Funktionsfähigkeit der katalytischen Beschichtung nach einem Kaltstart des Fahrzeugs (Light-Off) aus.
Aus diesem Grund ist eine Erhöhung der volumetrischen Wärmekapazität über das Notwendige hinaus nicht sinnvoll und muss im Rahmen einer Auslegung erfolgen, welche den auftretenden Abgasgegendruck berücksichtigt.
Die mindestens notwendige volumetrische Wärmekapazität ergibt sich dabei aus den Anforderungen der zur Begrenzung der Regenerationstemperatur entwickelten Motorsteuerungen.
Die Auslegung der Geometrie der Filterkanäle und die Materialbeschaffenheit werden dabei aufeinander abgestimmt, so dass die volumetrische Wärmekapazität des Filters in einem vorgegebenen Bereich vorzugsweise insbesondere zwischen 500 J/1K und 670 J/1K liegt. Gleichzeitig erfolgt eine Optimierung der Filtergeometrie hinsichtlich volumetrischer Wärmekapazität bei gleichzeitiger maximaler Filterfläche, hoher Aschespeicherfähigkeit und geringem Abgasgegendruck. Nachfolgend wird der Zusammenhang zwischen Geometrie der Filterelements, dessen Porosität und der spezifischen Wärmekapazität des verwendeten Werkstoffs hergeleitet.
Die Querschnittsgeometrie der Kanäle ist in den meisten Ausführungen quadratisch, kann jedoch auch rund, polygonal, oder komplex geformt sein. Dabei können sich die Kanäle auf der Einlass- und auf der Auslassseite sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Größe unterscheiden. Zur
Charakterisierung der Größe dient, unabhängig von der Form, der hydraulische Durchmesser dh , der aus dem
Kanalquerschnittsumfang U und der Kanalquerschnittsfläche A bestimmt wird:
A 4A
Mit: dh : hydraulischer Durchmesser
A: Querschnittsfläche des Kanals (28, 30) U: Umfang des Kanals (28, 30)
In den meisten ausgeführten Wabenfiltern ist die Anzahl der Auslasskanäle und die Anzahl der Einlasskanäle gleich. Es gibt jedoch auch Ausführungen, bei der eine Kanalsorte häufiger vorkommt. Im Folgenden soll das Verhältnis der
Anzahl der Auslasskanäle zur Anzahl der Einlasskanäle mit n bezeichnet werden.
n = Zahl der Austrittskanäle / Zahl der Eintrittskanäle
Der Anteil φ des Filtervolumens, der vom Filtermaterial eingenommen wird, lässt sich aus den hydraulischen Durchmessern auf der Einlass- und der Auslassseite dh bzw . dh am und der Wandstärke w nach
Figure imgf000009_0001
abschätzen .
Die volumetrische Wärmekapazität cp, Voi ~ das heißt die auf das Volumen des Filterelements (18) bezogene Wärmekapazität - des Filterelements (18) lässt sich durch die Materialkennwerte
ε : Porosität p : Materialdichte und cp : spezifische Material-Wärmekapazität sowie den Volumenanteil des Filtermaterials φ wie folgt ausdrücken:
cpvol=φ{\-ε)cpp
Der für die Wärmekapazität vorgegebene Bereich zwischen 500 J/1K und 670 J/1K lässt sich so in eine Ungleichung für die geometrischen Größen und die Materialkennwerte des Filterelements übersetzen:
J / IK ≤ (l-ε)c o ≤ 670J/IK
Figure imgf000009_0002
Ein unter dieser Maßgabe ausgelegter Filter verfügt über eine volumetrische Wärmekapazität in dem vorgegebenen Bereich.
Bei Verwendung von Stoffwerten typischer Filtermaterialien - p zwischen 2,4 kg/1 und 3,4 kg/1, cp zwischen 1100 J/kgK und 1200 J/kgK bei 5000C, ε zwischen 0,4 und 0,7 - ergibt sich für den Volumenanteil φ des Filtermaterials ein notwendiger Wert 0.204 <φ < 0.846.
Unter Berücksichtigung der oben genannten Ungleichung haben sich die nachfolgend aufgelisteten Wertebereiche als vorteilhaft erwiesen:
Eine volumetrische Fläche des Filterelements größer 0,7 m2/l, bevorzugt größer 0,8 m2/l, besonders bevorzugt größer 1,0 m2/l und ganz besonders bevorzugt größer 1,2 m2/l.
Ein hydraulischer Durchmesser dh der Eintrittskanäle zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1 , 3 mm.
Ein hydraulischer Durchmesser dh der Austrittskanäle des Filterelements zwischen 0,5 mm und 1,2 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, und besonders bevorzugt zwischen 0,9 mm und 1,0 mm.
Eine durchschnittliche Wandstärke der Filterwände zwischen 10 und 18 mil (1 mil = 1/1000 inch = 25,4 mm/1000), bevorzugt zwischen 10 mil und 14 mil, und besonders bevorzugt zwischen 12 und 13 mil.
Eine Porosität der Grundstruktur des Filterelements zwischen 35 % und 60%, bevorzugt zwischen 40% und 60%, und besonders bevorzugt zwischen 45% und 55%. Ein mittlerer Porendurchmesser des Filterelements beträgt zwischen 10 μm und 30 μm, bevorzugt zwischen 15 μm und 25 μm.
Bevorzugt weist die Grundstruktur des Filterelements eine Zelldichte von 200 cpsi (cpsi = cells per Square inch) bis 450 cpsi, bevorzugt von 300 bis 350 cpsi, auf. Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die Eintrittskanäle des Filterelements eine größere Querschnittsfläche als die Austrittskanäle des Filterelements besitzen. Insbesondere haben sich
Verhältnisse der Querschnittsflächen der Eintrittskanäle und der Querschnittsflächen der Austrittskanäle zwischen 2,0 und 1,0, bevorzugt zwischen 1,7 und 1,1, als vorteilhaft erwiesen. Dann nämlich ist die Innenseite der Eintrittskanäle größer als die Innenfläche der Austrittskanäle. Da die Speicherkapazität des Filterelements für Rußablagerungen im Wesentlichen von der Eintrittsfläche von der Innenfläche der Eintrittskanäle abhängt, wird durch die erfindungsgemäß beanspruchte Geometrie die Speicherkapazität des Filterelements für Ruß erhöht .
Als geeignete Materialen für die Filterwände des Filterelements haben sich Aluminiumoxid, Magnesiumsilikate, bevorzugt Cordierit, Titandioxid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumtitanat erwiesen.
Die eingangs genannten Vorteile werden auch mit einem Rußfilter mit einem Filterelement, mit einem Gehäuse, mit einer Zuleitung und mit einer Ableitung, dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Filterelement eingesetzt wird.
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 . Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements im Längsschnitt.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 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. Dies ist insbesondere bei Diesel- Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch ein Filterelement 18 nach dem Stand der Technik 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 Figur 2 das Bezugszeichen 22, während eine Austrittsfläche in Figur 2 das Bezugszeichen 24 hat.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand (ohne Bezugszeichen) in einen der
Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
Selbstverständlich können erfindungsgemäße Filterelemente 18 auch in Nutzfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Anwendungen eingesetzt werden.

Claims

nsprüche
1. Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptstrόmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanalen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ∑ur.indect ein Teilbereich des Filterelements (18), wahlweise des Filterelement, eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/1K und 750 J/IK aufweist.
2. Filterelerαent, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Eintrittskanalen (28), und m^t einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei αie
Eintrittskanale (28) und/oder die Λustnttskαnäie (30) durch FiItorwände (34) begrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich ein Teilbereich αes Filterelements (18), insbesondere ein von einem Fand- bzw. Außenbereich des Filtcrelcmeπts angewandter Bereich, bevorzugt ein mittlerer Bereich, der nicht unmittelbar einem filterelementfreien Rauir. benachnart ist, eine volumetrische Wärmekapazität zwischen 450 J/ lK und 750 J/lK aufweist .
3 . Fi l tere lement nac h Anspruch 1 oder 2 , dadur ch gekennzeichnet dass das Filterelement in dem genannten Bereich bzw . Im gesamten Bereich des Filterelements der folgenden Ungeleichung Genut.
Figure imgf000015_0001
5 4. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die volumetrische Wärmekapazität des Filterelements (18) in dem genanntten Bereich bzw.im geamten Bereich des Filterelements zwischen 500 J/1K und 750 J/1K, vorzugsweise insbobondere 0 zwischen 500 J/1K und 6/0 J/ 1K, bevorzugt zwischen 600 J/1K und 670 J/1K, liegt.
5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die volumetrische Wärmekapazität des Filterelements (18) in dem genannten 5 Bereich bzv, . im gesamten Bereich des Filterelemets zwischen 500 J/1K und 600 J/1K liegt.
6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement eine volumetrische Flache großer 0,7 m2/l, bevorzugt großer 0,8 m2/l, besonders bevorzugt größer 1,0 m2/l und ganz besonders bevorzugt größer 1,2 m2/l aufweist.
7. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) einen hydraulischen Durchmesser aufweisen, der zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, bevorzugt zwischen 1,2 mm und 1,3 mm, liegt.
8. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanäle (30) des Filterelements (18) einen hydraulischen Durchmesser aufweisen, der zwischen 0,5 mm und 1,2 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,9 mm und 1,0 mm, liegt.
9. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) eine durchschnittliche Wandstärke zwischen 10 und 18 mil (1 mil = 1/1000 inch = 25,4/1000 mm), bevorzugt zwischen 10 und 14 mil, besonders bevorzugt zwischen 12 und 13 mil, besitzen.
10. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur des
Filterelements (18) eine Porosität zwischen 35 % und 60%, bevorzugt zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt zwischen 45% und 55%, besitzt.
11. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porendurchmesser des Filterelements (18) zwischen 10 μm und 30 μm, bevorzugt zwischen 15 μm und 25 μm, beträgt.
12. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur des Filterelements (18) eine Zelldichte von 200 cpsi (cpsi = cells per Square inch) bis 450 cpsi, bevorzugt von 300 bis 350 cpsi, besitzt.
13. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) eine größere Querschnittsfläche als die Austrittskanäle (30) des Filterelements (18) besitzen.
14. Filterelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der
Querschnittsflächen aller Einlasskanäle größer oder gleich der Summe Querschnittsflächen aller Auslasskanäle ist.
15. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) des Filterelements (18) einen sechseckigen Querschnitt aufweisen .
16. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanäle (30) des
Filterelements (18) einen viereckigen Querschnitt aufweisen .
17. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titandioxid (TiO2), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat bestehen.
18. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Metall, bevorzugt aus Sintermetall, bestehen.
19. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) an der Eintrittsfläche (22) des Filterelements (18) beginnen und an einer Austrittsfläche (24) des Filterelements (18) verschlossen sind, und dass die Austrittskanäle (30) an der Eintrittsfläche (22) verschlossen sind und an der Austrittsflache (24) enden.
20. Filterelements nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch aktive Beschichtung zumindest in ven Eintrittskanalen, Wahlweise auch in den Austrittskanalen,vorgesehen ist.
21. Filtereinrichtung mit einem Filterelement (18), mit einem Gehäuse (16) und mit einem Abgasrohr (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
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