WO2008028705A1 - Filterelement, insbesondere zur filterung von abgasen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Filterelement, insbesondere zur filterung von abgasen einer brennkraftmaschine Download PDF

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Lars Thuener
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Filter element in particular for filtering exhaust gases of an internal combustion engine
  • the invention relates to a filter element, in particular for filtering exhaust gases of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1, and a particulate filter and an exhaust gas purification system with a filter element and a method for operating a particulate filter.
  • the exhaust gas to be cleaned flows through the open-cell filter walls arranged between the filter sections.
  • soot particles are deposited on the upstream surface of the filter walls over time. These soot particles lead to a reduction in the permeability of the filter walls and, as a result, to an increase in the pressure drop which occurs when the gas flow passes through the filter walls. Accordingly, the so-called "exhaust backpressure" increases. If this exceeds a certain value, the filter can be regenerated, for example by burning the separated soot particles.
  • the temperature of the exhaust gas, which is passed through the filter element can be increased. This is effected, for example, by the injection of additional fuel.
  • a filter element that has certain properties with regard to its surface structure, its porosity and its mean pore diameter.
  • the known filter element is optimized with regard to a particular type of regeneration of the filter element, in which the filter element opposite to the normal
  • the flow direction of the exhaust gas to be filtered is blown through to detach filter particles accumulated in the filter element from its filter walls. Disclosure of the invention
  • the object of the present invention is to provide a filter element which, over a long period of operation, allows a good filtration effect with a low pressure loss and is suitable for regeneration in which particles accumulated in the filter element are burned.
  • the object underlying the invention is achieved in a filter element mentioned above in that the filter walls have the following properties: the porosity is between 40% and 70%, the average pore diameter is between 8 and 30 microns and the valley level of the surface of the filter walls greater than 23% and amounts to a maximum of 70%.
  • the valley level is determined as follows:
  • S 1 the cross-sectional area of the i-th well i, where S and S 1 lie in a plane whose position is determined by the surface of a
  • the mean pore diameter is that diameter at which the cumulative pore volume of a total of different sized pores is 50%.
  • the valley level for filter elements to be regenerated by burnup can be much more than 20% if the regeneration of the filter element does not take place with the counterblowing method.
  • the proposed degree of porosity provides a high volume-specific filter surface available and on the other hand ensures a sufficient mechanical strength of the filter element.
  • the pressure loss applied via the filter element can be reduced, so that an increase in the exhaust backpressure can be counteracted.
  • the value of the valley level is at least 0.5 times the porosity value. Particularly advantageous effects arise when the value of the valley level is equal to 0.5 times the porosity value.
  • the regeneration of the filter element can be facilitated if the filter walls have a catalytically active coating.
  • the burnup of the particles accumulated in the filter element can be assisted by reducing the minimum temperature required for combustion of the particles.
  • the catalytically active coating is considered to be an optional part of the surface of the filter wall, so that the proposed values for the valley level in this case relate to the geometry of the coating material.
  • the filter walls - whether coated or uncoated - may be at least partially formed of cordierite, mullite, aluminum titanate or silicon carbide. These materials make it possible to produce a filter element in an extrusion process, wherein the filter sections of the
  • Filter element are arranged in cross-section in a honeycomb structure.
  • This honeycomb structure may be regular or irregular, wherein the individual honeycomb in cross section may be 4- or polygonal, in particular square, hexagonal or octagonal.
  • the filter element is designed as Wandströmfilter, wherein the filter sections are formed by open at the input of the filter element and on the output side closed inlet channels and closed at the entrance of the filter element and outlet side open outlet channels.
  • the inlet channels have a larger cross section than the outlet channels.
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with a
  • Figure 2 is a longitudinal section of a filter element
  • FIG 3 shows the surface of a filter wall of the filter element.
  • an internal combustion engine carries the reference numeral 10.
  • the exhaust gases are fed via an exhaust pipe 12 of an exhaust gas purification system 14.
  • This comprises a particle filter 16, with which soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12. This is particularly necessary in diesel internal combustion engines to comply with legal requirements.
  • the particulate filter 16 comprises an overall substantially cylindrical filter element 18.
  • FIG. 2 shows a filter element 18 in a longitudinal section.
  • the filter element 18 may be made, for example, as an extruded molded article of a ceramic material, such as cordierite.
  • the filter element 18 is flowed through in the direction of the arrows 20 of exhaust gas of the internal combustion engine 10.
  • An inlet surface for the exhaust gas to be filtered carries the reference numeral 22 in FIG. 2 and a filtered exhaust gas outlet surface the reference symbol 24.
  • inlet channels 28 Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 extend a plurality of inlet channels 28 and outlet channels 30.
  • the inlet channels 28 are open at the inlet surface 22 and closed at the outlet surface 24.
  • the outlet channels 30 are open at the exit surface 24 and closed in the region of the entry surface 22.
  • the flow path of the uncleaned exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there via an open-pore filter wall 32 into one of the outlet channels 30. This is illustrated by arrows 34 by way of example.
  • the filter walls 32 are porous for a flow with exhaust gas to be filtered.
  • the proportion of the volume occupied by the pores of the filter walls 32 is at least 40% and at most 70% of the total volume of the filter walls 32.
  • the average pore size is at least 8 ⁇ m and a maximum of 30 ⁇ m.
  • the topography of the surface of the filter walls 32 that is to say their surface structure with corresponding elevations and depressions, can be determined using a stylus method according to DIN EN ISO 4288 and / or DIN EN ISO 3274.
  • Figure 3 shows a two-dimensional representation of the determined in this way
  • the surface 36 defining a filter wall within the measuring range S has elevations 40 and depressions 42 relative to a plane 38.
  • the location of the plane 38 is selected so that the sum of the volumes trapped between the peaks 40 and the plane 38 is equal to the sum of the volumes trapped between the wells 42 and the plane 38.
  • the measuring range S could be filled with a liquid which collects in the depressions 42 and whose filling level is at the level of the level 38. The volume of this liquid then corresponds to the volume of the projections 40 which extend beyond the plane 38.
  • the position of which is determined as described above on the one hand the total area of the measuring area S and on the other hand the cross-sectional areas S 1 of each of the depressions 42 can be determined.
  • the sum of the cross-sectional areas S 1 divided by the area S gives a factor which, when multiplied by the factor 100, indicates a percentage value with which the valley level of the surface 36 of the filter walls 32 is determined. This valley level is greater than 23% and is a maximum of 70%.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (10), mit von Filterwänden (32) begrenzten Filterabschnitten, wobei die Filterwände (32) folgende Eigenschaften aufweisen: die Porosität beträgt zwischen 40% und 70%, der mittlere Porendurchmesser beträgt zwischen 8 und 30 μm und der Valley-Level der Oberfläche (36) der Filterwände (32) ist größer als 23% und beträgt maximal 70%.

Description

Beschreibung
Titel
Filterelement insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Partikelfilter und eine Abgasreinigungsanlage mit einem Filterelement und ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters.
Das zu reinigende Abgas durchströmt die zwischen den Filterabschnitten angeordneten, offenporigen Filterwände. Hierbei lagern sich mit der Zeit an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der Filterwände Rußpartikel ab. Diese Rußpartikel führen zu einer Verringerung der Durchlässigkeit der Filterwände und in Folge dessen zu einer Erhöhung des Druckabfalls, der beim Durchtritt des Gasstroms durch die Filterwände auftritt. Entsprechend erhöht sich der sogenannte "Abgasgegendruck". Überschreitet dieser einen bestimmten Wert, kann der Filter regeneriert werden, beispielsweise indem die abgeschiedenen Rußpartikel verbrannt werden. Hierfür kann die Temperatur des Abgases, welches durch das Filterelement geleitet wird, erhöht werden. Dies wird beispielsweise durch die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff bewirkt.
Aus der DE 195 22 312 Al ist ein Filterelement bekannt, dass bestimmte Eigenschaften im Hinblick auf seine Oberflächenstruktur, seine Porosität und seinen mittleren Porendurchmesser aufweist. Das bekannte Filterelement ist im Hinblick auf eine bestimmte Art der Regeneration des Filterelements optimiert, bei der das Filterelement entgegengesetzt zur normalen
Durchströmungsrichtung des zu filternden Abgases durchblasen wird, um im Filterelement angesammelte Filterpartikel von dessen Filterwänden abzulösen. Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filterelement zu schaffen, das über eine lange Betriebsdauer hinweg eine gute Filtrationswirkung bei einem niedrigen Druckverlust ermöglicht und für eine Regeneration geeignet ist, bei der in dem Filterelement angesammelte Partikel verbrannt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Filterelement dadurch gelöst, dass die Filterwände folgende Eigenschaften aufweisen: die Porosität beträgt zwischen 40% und 70%, der mittlere Porendurchmesser beträgt zwischen 8 und 30 μm und der Valley-Level der Oberfläche der Filterwände ist größer als 23% und beträgt maximal 70%.
Im Rahmen dieser Erfindung ist der Valley-Level wie folgt bestimmt:
Valley — Level = * > s , wobei y S 1T ι
S = der Fläche eines Messbereichs, wobei
S1 = die Querschnittsfläche der i-ten Vertiefung i, wobei S und S1 in einer Ebene anliegen, deren Lage sich dadurch bestimmt, dass sie die Oberfläche einer
Filterwand so schneidet, dass sich Erhebungen der Oberfläche über die Ebene hinaus erstrecken und dass die Ebene in der Oberfläche ausgebildete Vertiefungen begrenzt, wobei die Summe der durch die Erhebungen und die Ebene eingeschlossenen Volumina gleich der Summe der durch die
Vertiefungen und die Ebene eingeschlossenen Volumina ist.
Der mittlere Porendurchmesser ist derjenige Durchmesser, bei dem das kumulierte Porenvolumen einer Gesamtheit verschieden großer Poren 50% beträgt.
Vorteilhafte Wirkungen Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Valley-Level für durch Abbrand zu regenerierende Filterelemente weitaus mehr als 20 % betragen kann, wenn die Regeneration des Filterelements nicht mit dem Gegenblasverfahren erfolgt. Mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften der Filterwände können einander teils widersprechende Anforderungen an ein Filterelement bestmöglich erfüllt werden. Durch den vorgeschlagenen Porositätsgrad wird einerseits eine hohe volumenspezifische Filterfläche zur Verfügung gestellt und andererseits eine noch ausreichende mechanische Festigkeit des Filterelements gewährleistet. Gleichzeitig kann der über das Filterelement anliegende Druckverlust verringert werden, so dass einer Erhöhung des Abgasgegendrucks entgegengewirkt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Wert des Valley-Levels mindestens das 0,5- fache des Porositätswerts. Besonders vorteilhafte Wirkungen ergeben sich, wenn der Wert des Valley-Levels gleich dem 0,5-fachen des Porositätswerts ist.
Die Regeneration des Filterelements kann erleichtert werden, wenn die Filterwände eine katalytisch wirkende Beschichtung aufweisen. Mit Hilfe eines solchen Katalysators kann der Abbrand der in dem Filterelement angesammelten Partikel unterstützt werden, indem die zur Verbrennung der Partikel benötigte Minimaltemperatur herabgesetzt wird. Im Rahmen dieser Erfindung wird die katalytisch wirkende Beschichtung als optionaler Teil der Oberfläche der Filterwand betrachtet, so dass sich die vorgeschlagenen Werte für den Valley-Level in diesem Fall auf die Geometrie des Beschichtungsmaterials beziehen.
Die Filterwände - ob beschichtet oder unbeschichtet - können zumindest anteilig aus Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid gebildet sein. Diese Materialien erlauben es, ein Filterelement in einem Extrusionsverfahren herzustellen, wobei die Filterabschnitte des
Filterelements im Querschnitt in einer Wabenstruktur angeordnet sind. Diese Wabenstruktur kann regelmäßig oder unregelmäßig sein, wobei die einzelnen Waben im Querschnitt 4- oder mehreckig, insbesondere quadratisch, sechseckig oder achteckig sein können.
Vorzugsweise ist das Filterelement als Wandströmfilter ausgebildet, bei dem die Filterabschnitte durch am Eingang des Filterelements offene und ausgangsseitig geschlossene Einlasskanäle und durch am Eingang des Filterelements geschlossene und ausgangsseitig offene Auslasskanäle gebildet sind. Zur weiteren Verbesserung der Filterwirkung des erfindungsgemäßen Filterelements kann vorgesehen sein, dass die Einlasskanäle einen größeren Querschnitt aufweisen als die Auslasskanäle.
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 beschriebenen Merkmale 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
Abgasreinigungsanlage und mit einem Filterelement;
Figur 2 einen Längsschnitt eines Filterelements und
Figur 3 die Oberfläche einer Filterwand des Filterelements.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 einer Abgasreinigungsanlage 14 zugeleitet. Diese umfasst einen Partikelfilter 16, mit dem Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert werden. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Der Partikelfilter 16 umfasst ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Filterelement 18. In Figur 2 ist ein Filterelement 18 in einem Längsschnitt dargestellt. Das Filterelement 18 kann beispielsweise als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt werden.
Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas der Brennkraftmaschine 10 durchströmt. Eine Eintrittsfläche für das zu filternde Abgas trägt in Figur 2 das Bezugszeichen 22, eine Austrittsfläche für gefiltertes Abgas das Bezugszeichen 24.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Einlasskanäle 28 und Auslasskanäle 30. Die Einlasskanäle 28 sind an der Eintrittsfläche 22 offen und an der Austrittsfläche 24 geschlossen. Im Gegensatz dazu sind die Auslasskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 geschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Einlasskanäle 28 und von dort über eine offenporige Filterwand 32 in einen der Auslasskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch Pfeile 34 dargestellt.
Die Filterwände 32 sind für eine Durchströmung mit zu filterndem Abgas porös. Dabei beträgt der Anteil des Volumens, der von den Poren der Filterwände 32 eingenommen wird, minimal 40 % und maximal 70 % des Gesamtvolumens der Filterwände 32. Die mittlere Porengröße beträgt minimal 8 μm und maximal 30 μm. Die Topographie der Oberfläche der Filterwände 32, also ihre Oberflächenstruktur mit entsprechenden Erhebungen und Vertiefungen kann mit einem Tastschnittverfahren gemäß DIN EN ISO 4288 und/oder DIN EN ISO 3274 ermittelt werden.
Figur 3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung der auf diese Art und Weise ermittelten
Topografie eines Messbereichs S. Hierbei weist die innerhalb des Messbereichs S eine Filterwand begrenzende Oberfläche 36 relativ zu einer Ebene 38 Erhebungen 40 und Vertiefungen 42 auf. Die Lage der Ebene 38 ist so gewählt, dass die Summe der zwischen den Erhebungen 40 und der Ebene 38 eingeschlossenen Volumina gleich der Summe der zwischen den Vertiefungen 42 und der Ebene 38 eingeschlossenen Volumina ist. Bildlich ausgedrückt könnte der Messbereich S mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, die sich in den Vertiefungen 42 sammelt und dessen Füllpegel auf Höhe der Ebene 38 liegt. Das Volumen dieser Flüssigkeit entspricht dann dem Volumen der Erhebungen 40, die sich über die Ebene 38 hinaus erstrecken. Innerhalb der Ebene 38, deren Lage wie vorstehend beschrieben bestimmt ist, können einerseits die Gesamtfläche des Messbereichs S und andererseits die Querschnittsflächen S1 jeder der Vertiefungen 42 ermittelt werden. Die Summe der Querschnittsflächen S1 geteilt durch die Fläche S ergibt einen Faktor, der bei Multiplikation mit dem Faktor 100 einen Prozentwert angibt, mit dem der Valley-Level der Oberfläche 36 der Filterwände 32 bestimmt wird. Dieser Valley-Level ist größer als 23 % und beträgt maximal 70 %.

Claims

Ansprüche
1. Filterelement (18), insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (10), mit von Filterwänden (32) begrenzten Filterabschnitten, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände folgende Eigenschaften aufweisen:
- die Porosität beträgt zwischen 40% und 70%,
- der mittlere Porendurchmesser beträgt zwischen 8 und 30 μm,
- der Valley-Level der Oberfläche (36) der Filterwände (32) ist größer als 23% und beträgt maximal 70%.
2. Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Valley- Levels mindestens das 0,5-fache des Porositätswerts beträgt.
3. Filterelement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Valley- Levels gleich dem 0,5-fachen des Porositätswerts ist.
4. Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (32) eine katalytisch wirkende Beschichtung aufweisen.
5. Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (32) zumindest anteilig aus Cordierit, Mullit, Aluminiumtitanat oder Siliziumcarbid gebildet sind.
6. Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterabschnitte des Filterelements (18) im Querschnitt in einer Wabenstruktur angeordnet sind.
7. Filterelement (18) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur unregelmäßig ist.
8. Filterelement (18) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterabschnitte durch am Eingang des Filterelements (18) offene und ausgangsseitig geschlossene Einlasskanäle (28) und durch am Eingang des Filterelements (18) geschlossene und ausgangsseitig offene Auslasskanäle (30) gebildet sind.
9. Filterelement (18) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle (28) einen größeren Querschnitt aufweisen als die Auslasskanäle (30).
10. Partikelfilter (16) mit einem Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Abgasreinigungsanlage (14), insbesondere mit einem Partikelfilter (16), mit einem Filterelement (18) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Verfahren zum Betrieb eines Partikelfilters (16) nach Anspruch 10 oder einer Abgasreinigungsanlage (14) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des Filterelements (18) durch Abbrand der gesammelten Partikel erfolgt.
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FR2931697A1 (fr) * 2008-05-29 2009-12-04 Saint Gobain Ct Recherches Filtre ou support catalytique a base de carbure de silicium et de titanate d'aluminium
WO2009156638A1 (fr) * 2008-05-29 2009-12-30 Saint-Gobain Centre De Recherches Et D'etudes Europeen Filtre ou support catalytique à base de carbure de silicium et de titanate d'aluminium

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