Filterelement mit verringertem Strömungswiderstand

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Diese Filterelement werden üblicherweise durch Extrudieren eines keramischen Werkstoffes, insbesondere Cordierit oder Siliziumcarbid, hergestellt.

Dabei strömt das zu reinigende Abgas durch die Filterwände zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen hindurch. Infolgedessen nimmt der Volumenstrom innerhalb eines Eintrittskanals kontinuierlich ab, während er in gleichem Maße in den benachbarten Austrittskanälen zunimmt.

Die aus dem Stand der Technik bekannten keramischen Filterelemente werden durch Extrusion hergestellt und weisen prismatische Kanäle auf. Daher sind die

Eintrittskanäle im Bereich der Eintrittsflächen eigentlich zu klein, während sie im Bereich der Austrittsfläche wegen des bis dahin stark reduzierten Volumenstroms eigentlich zu groß sind. Entsprechendes trifft auch für die Austrittskanäle zu.

Das führt im Ergebnis dazu, dass bei vorgegebenem Bauraum des Filterelements der Druckabfall innerhalb des Filterelements beziehungsweise der Strömungswiderstand des Filterelements relativ groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl ein Filterelement, dessen Strömungswiderstand bei gleichem Bauraum reduziert ist, als auch Verfahren zur Herstellung solcher Filterelemente bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von

Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle an der Eintrittsfläche beginnen und an der Austrittsfläche verschlossen sind, und wobei die Austrittskanäle an der Eintrittsfläche verschlossen sind und an der Austrittsfläche enden, dadurch gelöst, dass eine

Querschnittsfläche mindestens eines Eintrittskanals in Richtung der Längsachse des Filterelements abnimmt.

Vorteile der Erfindung

Durch die variable Gestaltung der Querschnittsfläche in Richtung der Längsachse des Filterelements ist es möglich, die Querschnittsfläche an den Abgasvolumenstrom anzupassen, so dass der Druckabfall in Richtung der Längsachse vergleichmäßigt wird. Dies führt im Ergebnis dazu, dass der Gesamtströmungswiderstand des Filterelements bei sonst gleichen Randbedingungen verringert wird. Gleichzeitig wird der Abgasstrom durch die Filterwände vergleichmäßigt, was deren Lebensdauer erhöht.

Selbstverständlich ist es besonders bevorzugt, wenn die Querschnittsflächen aller Eintrittskanäle in Richtung der Längsachse des Filterelements abnehmen. Dann kann der erfindungsgemäße Effekt in vollem Umfang ausgenützt werden. Es sind jedoch auch Zwischenlösungen, bei denen nur Teile der Eintrittskanäle mit variabler Querschnittsfläche ausgestaltet werden, denkbar. Beispielsweise ist es denkbar, die Eintrittskanäle an der Peripherie des Filterelements mit variabler Querschnittsfläche auszugestalten, um deren Widerstand gegenüber den im Zentrum des Filterelements angeordneten und direkt mit dem Staudruck des Abgasstroms beaufschlagten Eintrittskanälen abzusenken. Dadurch wird gewährleistet, dass ein größerer Teil des Abgases von der Mitte des Filterelements abgelenkt und an der Peripherie des Filterelements in dieses eintritt .

Besonders vorteilhafte Varianten der Erfindung sehen vor, dass eine Querschnittsfläche mindestens eines Austrittskanals in Richtung der Längsachse des Filterelements zunimmt. Dadurch ist es möglich, auch den Druckabfall in dem oder den Austrittskanälen in entsprechender Weise wie die Austrittskanäle des Filterelements zu optimieren.

Als besonders bevorzugte Gestaltungen der Eintrittskanäle und/oder der Austrittskanäle hat sich die Form einer Parabel oder die Form eines Trapezes erwiesen. Wenn nämlich die Permeabilität der Filterwand über die gesamte Länge des Filterelements konstant ist, kann durch einen im Längsschnitt parabelförmig gestalteten Eintrittskanal der auf die Länge bezogene Druckverlust dp/dx über die gesamte Länge des Filterelements konstant gehalten werden.

Wenn der oder die Eintrittskanäle und/oder der oder die Austrittskanäle im Längsschnitt die Form eines Trapezes aufweisen, kann zwar das strömungstechnische Optimum nicht ganz erreicht werden, jedoch ist die trapezförmige Form eines Eintrittskanals fertigungstechnisch relativ einfach zu realisieren, so dass diese Form einen guten Kompromiss zwischen geringem Fertigungsaufwand und minimalem Strömungswiderstand des Filterelements aufweist.

Es versteht sich von selbst, dass auch andere Formen der Eintrittskanäle und/oder der Austrittskanäle im Längsschnitt des Filterelements denkbar sind. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Filterwände lokal unterschiedliche Permeabilitäten aufweisen, beispielsweise durch eine lokale katalytisch wirkende Beschichtung. In diesem Fall kann die Form der Eintrittskanäle und der Austrittskanäle in einem Längsschnitt des Filterelements dadurch bestimmt werden, dass der Druckgradient dp nach dx mindestens annähernd über die Länge des Filterelements konstant ist.

Die Form der Querschnitte durch die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle sind bei dem erfindungsgemäßen Filterelement keinen Restriktionen unterworfen. Sie können beispielsweise quadratisch, rechteckig, sechseckig, kreisrund, kreuzförmig sein.

Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das Filterelement rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, oder zentralsymmetrisch aufgebaut ist. Dann ist es am einfachsten möglich, das Filterelement in ein Gehäuse einzupassen.

Das erfindungsgemäße Filterelement besteht vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus Cordierit

oder Siliziumcarbid.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit einer Vielzahl parallel zueinander verlaufender Kanäle, insbesondere zur Herstellung eines Filterelements aus einem keramischen Werkstoff, bei welchem der prismatische Körper durch Extrudieren hergestellt und gleichzeitig ein Gas, insbesondere Luft, in einen oder mehrere der Kanäle des extrudierten Körpers eingeblasen wird.

Durch den erhöhten Druck im Inneren des Filterelements, der durch das eingeblasene Gas verursacht wird, findet unmittelbar nach dem eigentlichen Extrusionsvorgang eine lokale Aufweitung einzelner Kanäle des extrudierten Körpers statt. Dieser Vorgang ähnelt dem aus der Kunststofftechnik bekannten Blasformen.

Im Ergebnis ist es dadurch möglich, den ursprünglich prismatischen Kanal durch mehr oder minder starkes Aufweiten in die gewünschte Form zu bringen. Da das Einblasen eines Gases gleichzeitig mit dem

Extrusionsvorgang erfolgt, steigen die Fertigungskosten nur marginal an, da die Ausbringung der Extrudiermaschine nicht reduziert wird. Es ist lediglich simultan mit dem Extrudieren des Filterelements das Einblasen einer ausreichenden Menge von Luft oder eines anderen geeigneten Fluids in Abhängigkeit der Extrusionsgeschwindigkeit zu regeln.

Als besonders geeignet hat sich heiße Luft zum Einblasen erwiesen, da die heiße Luft nur sehr kurzfristig ihre formende Wirkung entfaltet. Ursächlich für die zeitlich und örtlich begrenzte Wirkung der eingeblasenen heißen Luft ist die rasche Druckabnahme der eingeblasenen heißen Luft wegen

deren Abkühlung an den Wänden des Filterelements .

Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines prismatischen Körpers, insbesondere zur Herstellung eines Filterelements aus einem keramischen Werkstoff, bei welchem ein prismatischer Körper extrudiert wird und anschließend einer oder mehrere Kanäle des extrudierten Körpers aufgeweitet werden.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der oder die Kanäle mit einem oder mehreren Aufweitdornen aufgeweitet werden. Um beispielsweise Kanäle mit einer trapezförmigen Form in Längsrichtung des Filterelements herzustellen, genügt es, wenn die Aufweitdorne nur etwa halb so lang sind wie das zu bearbeitende Filterelement, wenn zunächst die Aufweitdorne von einer Seite beispielsweise in die Eintrittskanäle des Filterelements eingeführt werden und anschließend von der anderen Seite in die benachbart zu den Eintrittskanälen angeordneten Austrittskanälen eingeführt wird.

Als besonders geeignete Werkstoffe zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filterelements haben sich Cordierit und Siliziumcarbid erwiesen.

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.

Zeichnungen

Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen

Abgasnachbehandlungseinrichtung,

Figur 2 ein Filterelement nach dem Stand der Technik im

Längsschnitt,

Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Teil eines

Filterelements gemäß Figur 2,

Figuren 4 und 5 Längsschnitte durch Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente,

Figur 6 einen Längsschnitt durch ein Extrusionswerkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 7 einen Längsschnitt entlang der Linie B-B und

Figur 8 ein Werkzeug zum Aufweiten der Eintrittskanäle in einer Seitenansicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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.

Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.

In Figur 2 ist ein Querschnitt 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.

In Figur 3 ist ein Längsschnitt durch ein Filterelement nach dem Stand der Technik stark vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt. In Figur 3 sind ein Eintrittskanal 28 sowie ein Austrittskanal 30 dargestellt, die durch eine Filterwand 34 voneinander getrennt sind.

In der vergrößerten Darstellung von Figur 3 ist gut zu erkennen, dass der Eintrittskanal 28 an der Austrittsfläche 24 verschlossen ist, während der Austrittskanal 30 an der Eintrittsfläche 22 verschlossen ist. Dadurch wird das zu reinigende Abgas gezwungen, durch die Filterwand 34 zu strömen. Dies ist wegen der Porosität des verwendeten Werkstoffs möglich und führt zu der gewünschten Filterung der Rußpartikel aus dem Abgas .

In Figur 3 ist ein Filterelement nach dem Stand der Technik dargestellt, bei dem der Querschnitt sowohl der Eintrittskanäle 28 als auch der Austrittskanäle 30 über die Länge des Filterelements konstant ist.

Im Folgenden wird die Längsachse 26 als X-Koordinate bezeichnet wird., wobei deren Ursprung an der Eintrittsfläche 22 liegt.

In dem oberen der beiden Diagramme von Figur 3 ist der

Volumenstrom V über die X-Achse aufgetragen. Unter der

Annahme konstanter Permeabilität der Filterwand 34 nimmt in erster Näherung der Volumenstrom V linear über die Länge des Filterelements 18 ab. Dies bedeutet, dass der lokale Druckgradient dp/dx, der proportional zu dem Verhältnis von

Volumenstrom Fund Quadrat der Querschnittsfläche A des

Eintrittskanals ist (dp/dx °= V /A ² ), in etwa den im unteren Teil von Figur 3 dargestellten Verlauf aufweist.

Ein strömungstechnisch optimales Filterelement hat einen Druckgradienten dp/dx, der über die Länge des Filterelements konstant ist.

In Figur 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 dargestellt, bei dem die Querschnittsfläche sowohl des Eintrittskanals 28 als auch des Austrittskanals 30 über die Länge des Filterelements nicht konstant ist. Bei dem

Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist die Filterwand 34 gewissermaßen schräg gestellt. Wenn man unterstellt, dass die Eintrittskanäle 28 und die Austrittskanäle 30 eine quadratische Querschnittsfläche aufweisen, dann haben die Eintrittskanäle 28 und die Austrittskanäle 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 die Form eines Pyramidenstumpfs .

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Da auch bei dieser Ausführung der Volumenstrom V linear über die Länge des Filterelements 18 abnimmt und auch die Querschnittsfläche des Eintrittskanals über die Länge abnimmt, ergibt sich ein gegenüber dem Stand der Technik bereits deutlich verbesserter Druckgradient, wie er in Figur 4 unten qualitativ dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der maximale lokale Druckgradient dp/dx bei gleichen Außenabmessungen des Filterelements 18 deutlich kleiner als bei einem Filterelement mit prismatischen Kanälen, so dass der

Gesamtströmungswiderstand des Filterelements bei gleichen Bauabmessungen verringert wird.

Ein erfindungsgemäßes Filterelement gemäß Figur 4 lässt sich beispielsweise dadurch herstellen, dass ein extrudierter Rohling mit Hilfe von Aufweitdornen, die wechselseitig in die Eintrittskanäle 28 und die

Austrittskanäle 34 eingeführt werden, lokal aufgeweitet wird, bis die in Figur 4 dargestellte Geometrie erreicht ist .

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Filterwand im Längsschnitt in Form einer Parabel gekrümmt. Mit Hilfe dieser Geometrie ist es möglich, ein strömungstechnisches Optimum zu erreichen, bei dem der Druckgradient dp/dx über die gesamte Länge des Filterelements konstant ist.

Dieses Filterelement lässt sich mit dem erfindungsgemäß beanspruchten Verfahren und dem in Figur 6 dargestellten Extrusionswerkzeug herstellen.

In Figur 6 ist ein erfindungsgemäßes Extrusionswerkzeug in einem Teilschnitt dargestellt. Das Extrusionswerkzeug besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 36 in den mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle 38 eingebracht sind. Die Kanäle 38 haben die Form einer zylindrischen Bohrung und dienen dazu, das zu extrudierende Material (nicht dargestellt) durch den Grundkörper 1 hindurch zu einem Austritt 40 zu befördern.

An dem Austritt 40 wird das Material in die gewünschte Form gebracht. Die Längsachsen der Kanäle sind in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 42 versehen worden. Das zu extrudierende Material (nicht dargestellt) wird von einer ebenfalls nicht dargestellten Extruderschnecke oder einer vergleichbaren Einrichtung in Figur 6 von rechts nach links durch das Extrusionswerkzeug gepresst.

An die Kanäle 38 schließt sich ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 44 an, der in Nuten 46 mündet. Die Nuten 46 dienen dazu, das zu extrudierende Material gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Extrusionswerkzeugs zu verteilen und geben dem zu extrudierenden Filterelement (nicht dargestellt) die gewünschte Form.

Zwischen den Kanälen 38 sind Düsenbohrungen 48 in dem Grundkörper 36 vorgesehen. über die Düsenbohrungen 48 ist es möglich, ausgewählte Kanäle, wie beispielsweise alle Eintrittskanäle 28 des frisch extrudierten Filterelements (nicht dargestellt) , mit Druck zu beaufschlagen, so dass die Eintrittskanäle lokal unmittelbar hinter dem Austritt 40 aus dem Extrusionswerkzeug aufgeweitet werden.

Zum Aufweiten der Kanäle des Filterelements kann Luft, insbesondere heiße Luft eingesetzt werden. Die heiße Luft hat den Vorteil, dass sie unmittelbar hinter dem Austritt 40 den Aufbau eines hohen Drucks und demzufolge die Aufweitung des entsprechenden frisch extrudierten Kanals ermöglicht und unmittelbar nach dem Aufweiten aufgrund der Abkühlung der Luft der Druck abnimmt und somit keine Verformung weiter entfernt liegender Bereiche des mit Druckluft beaufschlagten Kanals stattfindet.

Durch eine geeignete Steuerung der eingeblasenen Luftmenge in Abhängigkeit der Länge des extrudierten Werkstücks ist es möglich, zum Beispiel die in Figur 5 dargestellte parabelförmige Filterwand 34 herzustellen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Formen von Filterwänden 34 zu erzeugen. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn die Permeabilität der Filterwand 34 bei dem Filterelement 18 nicht konstant ist, sondern beispielsweise durch eine katalytische Beschichtung, die lokal aufgebracht wird, in manchen Bereichen geringer ist als in den übrigen Bereichen. Diesen verschiedenen lokalen Permeabilitäten kann durch eine geeignete Formgebung der Filterwände 34 dahingehend Rechnung getragen werden, dass auch bei diesen Ausführungsformen von Filterelementen der Druckgradient dp/dx in Längsrichtung des Filterelements

konstant ist und somit der Gesamtströmungswiderstand des Filterelements bei vorgegebenem Bauvolumen ein Minimum erreicht .

In Figur 7 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B durch den Grundkörper 36 dargestellt. Aus dieser Ansicht wird deutlich, dass der Grundkörper 36 von einem Netz von Nuten 46 durchzogen ist, wobei die Längsachsen 7 der Kanäle 3 in den Schnittpunkten senkrecht zueinander verlaufenden Nuten 46 liegen. In Figur 7 sind auch die Düsenbohrungen 48 in den schraffiert dargestellten erhabenen Flächen zwischen den Nuten 46 zu erkennen.

Der mit dem Extrusionswerkzeug gemäß Figur 6 und 7 hergestellte Filter hat eine Wabenstruktur mit senkrecht zueinander verlaufenden Filterwänden, wobei die Querschnittsfläche sowohl der Eintrittskanäle 28 als auch der Austrittskanäle 30 ein Quadrat ist. Die Querschnittsfläche der Kanäle 28 und 30 entspricht im Wesentlichen den schraffierten Flächen in Figur 7.

In Figur 8 ist ein Werkzeug zum Aufweiten der Kanäle vereinfacht dargestellt. Das Werkzeug besteht aus einer Grundplatte 50, auf die verschiedene Aufweitdorne 52 montiert sind. Der Abstand der Aufweitdorne 52 zueinander entspricht dem Abstand der aufzuweitenden Kanäle eines extrudierten Rohlings . Das erfindungsgemäße Aufweitwerkzeug kann in den Rohling, der noch plastisch verformbar ist und dessen Kanäle prismatisch sind, zumindest bis zur halben Länge des Rohlings eingeführt werden, , so dass in diesen Bereich die Kanäle, in welche die Aufweitdorne 52 eingeführt werden, entsprechend der Form und der Aufweitdorne 52 aufgeweitet werden.

Wenn nun das erfindungsgemäße Werkzeug von der anderen Seite in den Rohling so eingeführt wird, dass die Aufweitdorne in die bislang nicht aufgeweiteten Kanäle eingeführt werden, führt dies dazu, dass auch in der zweiten Hälfte des extrudierten Rohlings die gewünschte Geometrie, beispielsweise entsprechend der Figur 4, erreicht wird. Um ein Anhaften des extrudierten Werkstoffs an den Aufweitdornen 52 zu vermeiden, können diese mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein.