Beschreibung

Titel

Filter- und Katalysatorelement

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 5. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt. Sie können aber auch als Katalysatorelemente eingesetzt werden.

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. Ein solcher Rohling kann zu einem Katalysatorelement vervollständigt werden, wenn seine Oberfläche mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen wird.

Wenn aus dem Rohling ein Filterelement werden soll, 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 Ende verschlossen sind, und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.

Dann besteht zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen 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. Dabei lagert sich der im Abgas enthaltene Ruß in denFilterwänden ab.

Bei der Regeneration der Filterelemente werden diese 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 vorhanden, 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 und so große Temperaturunterschiede innerhalb des Filterelements auftreten, dass das Filterelement Risse bekommt und dadurch unbrauchbar wird.

Diese Filterelemente werden, bedingt durch den Herstellungsprozess, als prismatische Körper hergestellt. üblicherweise haben diese Filterelemente einen kreisrunden Querschnitt und werden zusammen mit einer Dichtmatte in ein Gehäuse einer Filtereinrichtung gepresst. Dabei ist es für die Funktion der Filtereinrichtung unbedingt erforderlich, dass die Dichtmatte den Zwischenraum zwischen Gehäuse und Filterelement gasdicht abschließt, da andernfalls ein Bypass zu dem

Filterelement entstehen würde und somit Teile des zu reinigenden Abgases ungefiltert durch die Filtereinrichtung strömen.

Aufgrund der großen thermischen und mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch Vibrationen der Brennkraftmaschine, besteht die Gefahr, dass sich das Filterelement in der

Dichtmatte lockert und sich relativ zu dem Gehäuses verdreht. Diese Relativbewegung zwischen Dichtmatte und Filterelement führt dazu, dass ein zunehmend größerer Spalt zwischen Dichtmatte und Filterelement entsteht, der einen Bypass für das Abgas bildet.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter- und Katalysatorelement sowie Filtereinrichtungen bereit zu stellen, deren Filtrations- bzw. Umwandlungsrate über die gesamte Lebensdauer auf einen möglichst hohen Niveau bleibt und deren Lebensdauer noch dazu erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung bzw. katalytischen Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zu Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen, mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle und/oder die Austrittskanäle durch Filterwände begrenzt werden, wobei das Filterelement im Querschnitt kreisförmig ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass dem kreisförmigen Querschnitt über den Umfang des Filterelements verteilt Abweichungen überlagert sind.

Diese Abweichungen in radialer Richtung führen dazu, dass ein Formschluss zwischen der Dichtmatte und dem Filterelement entsteht und damit eine Rotation des Filterelements um seine Längsachse innerhalb des Gehäuses der Filtereinrichtung wirksam unterbunden wird.

Dadurch bleibt die Verbindung, die Abdichtung zwischen Filterelement und Gehäuse mit durch die Dichtmatte über die gesamte Lebensdauer wirksam, so dass auch am Ende der Lebensdauer des Filterelements das gesamte zu reinigende Abgas durch das Filterelement strömt und somit die Filterrate einer erfinduingsgemäßen Filtereinrichtung bzw. die Umwandlungsrate eines Katalysatorelements über die gesamte Lebensdauer auf hohem Niveau bleibt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filterelements ist, dass es keine Mehrkosten verursacht, da die Kosten für die Herstellung eines Extrusionswerks zur Herstellung eines herkömmlichen Filterelements und eines Extrusionswerks zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filterelements gleich sind.

Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn ein Radius des Filterelements im Bereich der Abweichungen um mindestens 0,2 mm in radialer Richtung von der Kreisform abweicht. Dabei sind Abweichungen zu größeren Durchmessern oder in Richtung zu kleineren Durchmessern möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination dieser Abweichungen, so dass sich im Querschnitt insgesamt eine mindestens bereichsweise "wellenförmige" Außenkontur des

Filterelements ergibt.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, dass bei Filterelementen, deren Filterwände im Querschnitt senkrecht zueinander verlaufen, dass ein Radius zu den Abweichungen die Filterwände in einem Winkel zwischen 20° und 70°, bevorzugt in einem Winkel zwischen 30° und 60°, schneidet.

Dadurch wird der erfindungsgemäße Vorteil erreicht, dass die Filterwände, die einen Radius unter einem Winkel von etwa 45° schneiden, einer höheren Druckbelastung ausgesetzt sind, als die anderen Filterwände, deren Druckbelastung im wesentlichen parallel zu ihrer Erstreckung verläuft. Wenn nämlich die Filterwände in einem Winkel von etwa 45° mit einer radial nach innen wirkenden Druckspannung beaufschlagt werden, kann diese Druckspannung besser in das Filterelement eingeleitet werden, so dass eine höhere Druckbelastung möglich ist. Dieser höhere Druck unterstützt die innere Festigkeit des Filterelements gegen sog. "Ring off Cracks" und "Facecracks". Somit ist gleichzeitig auch gewährleistet, dass die erfindungsgemäßen

Filterelemente größere Temperaturen bzw. größere aus Temperaturunterschieden resultierende innere Spannungen aushalten, ohne dass sich Risse bilden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst bei einer Filtereinrichtung mit einem Filterelement, mit einem Gehäuse und mit einem Abgasrohr, dadurch gelöst, dass das Filterelement ein Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.

Bei diesen Filterelementen weist das Gehäuse üblicherweise einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Durch die in Umfangsrichtung unterschiedlichen Druckspannungen zwischen Filterelement und Gehäuse, die durch die Dichtmatte übertragen werden, verformt sich das Gehäuse lokal, insbesondere dort, wo der Radius des Filterelements größer ist als der eines Filterelements mit idealer Kreisform. Dadurch wird der Formschluss zwischen Filterelement und Gehäuse sowie der dazwischen angeordneten Dichtmatte weiter verbessert und die Sicherheit gegen Verdrehen des Filterelements relativ zum Gehäuse weiter verbessert.

Alternativ ist auch möglich, dass das Gehäuse im Querschnitt Abweichungen von der Kreisform aufweist, die mit den Abweichungen des Filterelements korrespondieren. Dann ergibt sich auch ohne elastische oder plastische Verformung des Gehäuses beim Einbringen des Filterelements eine

formschlüssige Verbindung zwischen Gehäuse und Filterelement.

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 und Figuren 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente im Querschnitt.

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, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein 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 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 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 zweiten Stirnfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der zweiten Stirnfläche 24 offen und im Bereich der ersten Stirnfläche 22 verschlossen.

Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 34 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.

In Figur 2 ist gut zu erkennen, dass das Filterelement 18 außen von einer Dichtmatte 36 umschlossen wird. Diese Dichtmatte 36 befindet sich wiederum innerhalb einer Wand 38 des Gehäuses 16.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 entlang der Linie A-A dargestellt. Dabei sind lediglich zwei Filterwände 34 exemplarisch mit Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der übersichtlichkeit sind die Eintrittskanäle 28 und die Austrittskanäle 30 nicht mit Bezugszeichen versehen.

Eine gestrichelte Linie 40 ist exakt kreisförmig und veranschaulicht somit Querschnitt eines herkömmlichen Filterelements mit kreisförmigen Querschnitt.

Wie aus Figur 3 ersichtlich weist der Querschnitt des erfindungsgemäßen Filterelements 18 in einem Winkelbereich von αi ~ 20° bis 01 ₂ ~ 70° Abweichungen 42 und 44 von der Kreisform (siehe die Linie 40) auf. Die X-Achse und die Y-Achse des Korrdinatensystems sind so gelegt, dass sie parallel zu den Filterwänden 34 verlaufen. Die Filterwände 34 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechtwinklig zueinander angeordnet.

Die Abweichungen 42 und 44 der Außenkontur des Filterelements 18 relativ zu einem kreisförmigen Querschnitt sind in Figur 3 stark vergrößert dargestellt. Es hat sich bei praktischen

Versuchen herausgestellt, dass in radialer Richtung ein Betrag von etwa 0,2 mm für die Abweichungen 42 und 44 von der idealer Kreisform ausreicht, um die gewünschte Sicherheit gegen Verdrehen des Filterelements im Gehäuse 16 (siehe Figur 4) zu erreichen.

Wenn die Abweichungen 42 und 44 innerhalb des angegebenen Winkelbereichs zwischen 20° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 60°, liegen, wird insbesondere im Bereich der Abweichungen 42 eine erhöhte Druckkraft in radialer Richtung in das Filterelement 18 eingeleitet. Da diese Kraft im wesentlichen in einem Winkelbereich zwischen 35° und 55° auf die Filterwände 34 wirkt, kann diese Kraft sehr gut in das Innere des Filterelements abgeleitet werden, ohne dass es zu mechanischen überbelastungen und infolge dessen zu Rissen im Filterelement 18 kommt. Diese durch diese Abweichungen 42 und 44 verursachten Radialspannungen erhöhen die innere Festigkeit des Filterelements gegen "Ring off Cracks" und "Facecracks".

In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 in eingebautem Zustand dargestellt. Durch die in Figur 4 deutlich sichtbare formschlüssige Verbindung zwischen Dichtmatte 36 und Filterelement 18 andererseits, ist ein Verdrehen, angedeutet durch das Bezugszeichen 46, des Filterelements 18 relativ zu Dichtmatte 36 ausgeschlossen. Die insbesondere im Bereich der Abweichungen 42 erhöhten radialen Kräfte F _R sind in Figur 4 im Bereich des ersten Quadranten exemplarisch eingezeichnet.

Die mit der in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel hat die Wand 38 des Gehäuses 16 einen kreisrunden Querschnittpunkt. Alternativ ist jedoch auch möglich, die Wand 38 beispielsweise im Bereich der Abweichungen 44 mit entsprechenden Einbuchtungen 48 zu versehen, wie dies im Bereich des zweiten und vierten Quadranten angedeutet ist.