Beschreibung

Titel

Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Filtereinrichtung mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 7.

Aus der DE 10 2006 026 161 Al ist ein Filterelement mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen bekannt, wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, und wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch eine Filterwand aus einem offenporigen Material getrennt sind.

Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und werden in der Regel durch Extrudieren hergestellt. 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 wird. 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 ausschließlich 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.

Mit der Zeit lagern sich an den stromaufwärts gelegenen Oberflächen der Filterwänden der Filterelemente Rußpartikel ab. Diese Rußpartikel verringern die Durchlässigkeit der Filterwände und erhöhen dadurch den beim Durchtritt des Gasstroms durch die Filterwände auftretenden Druckabfall. Entsprechend erhöht sich der sogenannte "Abgasgegendruck" der Filtereinrichtung. Wenn der Abgasgegendruck dieser einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Filter regeneriert, indem die abgeschiedenen Rußpartikel verbrannt werden. Dabei wird Wärme freigesetzt, was zu einer Temperaturerhöhung im Filterelement führt. Damit diese Temperaturerhöhung nicht zu Spannungsrissen in Filterelement führt, wird eine gleichmäßige Beladung des Filterelements mit Ruß angestrebt.

Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Filterelement wird durch geeignete Querschnittsgeometrien der Filterelemente eine Vergleichmäßigung der Beladung der Filterelemente mit Ruß erreicht.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weiter verbesserte Geometrien der Filterelemente anzugeben, welche hinsichtlich Rußbeladung, Temperaturverteilung bei der Regenerierung und Herstellung Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Diesel- Brennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen, wobei die Eintrittskanäle und die Austrittskanäle durch Filterwände aus einem offenporigen Material getrennt sind und wobei die Querschnittsflächen aller

Eintrittskanäle größer als die Querschnittsfläche aller Austrittskanäle ist und wobei das Filterelement im Querschnitt aus mehreren hexagonalen Einheitszellen zusammengesetzt ist, dadurch gelöst, dass an den Eckpunkten und im Mittelpunkt der Einheitszellen Austrittskanäle angeordnet sind, und dass zwischen zwei benachbarten und an den Eckpunkten angeordneten Austrittskanälen mindestens eine erste Filterwand vorgesehen ist.

Dadurch ist es möglich, zwischen den an den Eckpunkten des Sechseck befindlichen Austrittskanälen und den im Mittelpunkt des Sechsecks befindlichen Austrittskanal mindestens einen ringförmigen Eintrittskanal auszubilden. Des Weiteren ist es möglich, diese mindestens eine erste Filterwand eben, geknickt und/oder gekrümmt auszubilden. Durch die Zahl der ersten Filterwände zwischen zwei benachbart angeordneten

Austrittskanälen und deren Gestaltung kann das Verhältnis zwischen Querschnittsfläche von Eintrittskanälen und Austrittskanälen sowie die Zahl der Eintrittskanäle ebenfalls innerhalb weiter Grenzen gesteuert werden. Im Ergebnis kann dadurch die Rußbeladung des Filterelements weiter verbessert werden, so dass die temperaturinduzierten Wärmespannungen während der Regeneration weiter reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kanäle des Filterelements ermöglicht eine größere Asymmetrie des Verhältnisses der Querschnittsflächen der Eintrittskanäle zu den Querschnittsflächen der Austrittskanäle, ohne dass dabei der Strömungswiderstand der Auslasskanäle zu stark ansteigt. Durch die bei dem erfindungsgemäßen Filterelement vergrößerten Oberflächen der Eintrittskanäle nimmt die Speicherkapazität für Aschen zu, was sich positiv auf die Lebensdauer des Filterelements auswirkt.

Das Verhältnis zwischen der Zahl der Eintrittskanäle und der Zahl der Austrittskanäle kann weiter dadurch gesteuert werden, dass, ausgehend von einer den konzentrisch zum

Mittelpunkt der Einheitszelle angeordneten Auslasskanal begrenzenden Filterwand mehrere im Wesentlichen radial verlaufende zweite Filterwände vorgesehen sind. Diese Filterwände ermöglichen es, die Zahl der Eintrittskanäle innerhalb weiter Grenzen zu variieren und dadurch die Strömungsverhältnisse innerhalb des Filterelements ebenfalls in weiten Grenzen zu beeinflussen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen sechs (6) und neun (9) radial verlaufende Filterwände je Einheitszelle vorhanden sind. Wenn sechs oder mehr radial verlaufende zweite Filterwände vorhanden sind, ist das Verhältnis der Zahl der Eintrittskanäle zur Zahl der Austrittskanäle größer 2 und nimmt damit einen günstigen Wert an.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Austrittskanäle einen kreisrunden oder polygonalen Querschnitt aufweisen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Querschnitt eines Filterelements aus mehreren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen von Einheitszellen zusammengesetzt ist. Dadurch ist es möglich, beispielsweise im Zentrum des Filterelements andere Kanalgeometrien als an der Peripherie des Filterelements vorzusehen. Auf diese Weise kann der unterschiedlichen Rußbeladung und den unterschiedlichen Strömungs- und Druckverhältnissen über den Querschnitt des Filterelements Rechnung getragen werden.

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 offenbarte Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung;

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt und

Figuren 3 bis 8 Querschnitte durch Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente.

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

In Figur 2 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Filterelement 18 dargestellt. Das Filterelement 18 kann beispielsweise ist als extrudierter Formkörper aus einem kerami- sehen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt werden.

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 Eintrittsfläche 22 verschlossen.

Bei den erfindungsgemäßen Filterelementen setzt sich der Querschnitt des Filterelements 18 aus sechseckigen Einheitszellen, deren Grenze in der Figur 3 abgebildet ist, zusammen.

In der Figur 3a ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einheitszelle 35, deren Grenze durch eine gestrichelte Linie 33 angedeutet ist, stark vergrößert dargestellt. Die Einheitszelle 35 hat sechs Ecken 37, von denen in Figur 3a nur zwei mit Bezugszeichen versehen wurden. Des Weiteren hat die Einheitszelle 35 einen Mittelpunkt 39.

Wie aus Figur 3a gut zu sehen ist, ist an jeder Ecke 37 und im Mittelpunkt 39 der Einheitszelle 35 jeweils ein kreisförmiger Austrittskanal 30 vorhanden.

Auch hier sind aus Gründen der übersichtlichkeit nicht alle Kanäle und alle Filterwände 31 mit Bezugszeichen versehen.

Zwischen den konzentrisch zu den Ecken 37 angeordneten Austrittskanälen 30 ist eine erste Filterwand 31.1 vorhanden. Bei dem in Figur 3a dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Einheitszelle eines erfindungsgemäßen Filterelements verbinden die ersten Filterwände 31.1 auf kürzestem Weg die zu den Austrittskanälen 30 gehörenden Filterwände 31. Sie verlaufen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Grenzlinie 33 der Einheitszelle 35.

Des Weiteren sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3a insgesamt sechs zweite Filterwände 31.2 vorgesehen, die radial verlaufen und jeweils die Filterwände 31 des im Mittelpunkt 39 angeordneten Auslasskanals 30 mit den Filterwänden 31 der an den Ecken 37 der Einheitszelle angeordneten Austrittskanäle 30 verbindet.

Die Filterwände 31.1, 31.2 und die Kreissegmente der die Auslasskanäle 30 begrenzenden Filterwände 31 begrenzen insgesamt sechs Eintrittskanäle 28.

In Figur 3b sind insgesamt drei solcher Einheitszellen aneinander gefügt worden. Dieses Muster, bestehend aus einer Vielzahl von Einheitszellen mit gleichen Kantenlängen, lässt sich solange fortsetzen bis der gewünschte Durchmesser des Filterelements 18 erreicht ist.

Wenn man die Zahl der Austrittskanäle 30 und die Zahl der Eintrittskanäle in Beziehung zueinander setzt, so ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Zahl der Eintrittskanäle 28 doppelt so groß wie die Zahl der Austrittskanäle 30. Am Beispiel der Figur 3a lässt sich dies auch veranschaulichen.

Es gibt insgesamt sechs Eintrittskanäle 28 und sechs Austrittskanäle, die an den Ecken 37 angeordnet sind. Allerdings gehört von jedem dieser Austrittskanäle 30 nur jeweils 1/3 zu

einer Einheitszelle 35. Deshalb ist von den sechs Austrittskanälen an den Ecken 37 der Einheitszelle nur 1/3, entsprechend zwei Austrittskanälen einer Einheitszelle zuzuordnen. Wenn man nun noch den Austrittskanal 30 im Mittelpunkt 39 der Einheitszelle hinzuzählt, ergibt sich insgesamt je Einheitszelle 35 eine Zahl von drei Austrittskanälen, die der erwähnten Zahl von sechs Austrittskanälen entgegensteht. Somit verhält sich die Zahl der Eintrittskanäle 28 zur Zahl der Austrittskanäle 30 wie 2 : 1.

Wenn dieses Verhältnis erhöht werden soll, dann kann, wie in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt, die Zahl der zweiten Filterwände 31.2 erhöht werden. In den Figuren 4 - 6 trägt die Zahl der zweiten Filterwände 31.2 sieben, acht und neun. Dadurch ergeben sich entsprechend andere Verhältnisse zwischen der Zahl der Eintrittskanäle und der Zahl der Austrittskanäle.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 sind die ersten Filterwände 31.1, anders als bei den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht gerade, sondern weisen einen Knick 41 auf. Außerdem verlaufen die ersten Filterwände 31.1 nicht auf der Grenzlinie 33, so dass sich durch das Aneinanderfügen mehrerer erfindungsgemäßer Einheitszellen auch noch ein weiterer Austrittskanal 30.1 bildet, der einen in etwa rautenförmigen Querschnitt hat. Exemplarisch ist ein Austrittskanal 30.1 mit rautenförmigem Querschnitt im linken unteren Teil der Figur 7 dargestellt.

Auch hierdurch kann das Verhältnis der Zahl der Querschnittsflächen, der zwischen Eintrittskanälen 28 und Austrittskanälen 30 beeinflusst werden. Außerdem können die hydraulischen Durchmesser der Eintrittskanäle 28 und des Austrittskanals 30.1 gesteuert werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 weisen die ersten Filterwände 31.1 ebenfalls einen Knick auf und die radial verlaufenden zweiten Filterwände 31.2 enden in dem Knick 41 der ersten Filterwände 31.1. Auch dadurch wird das Verhältnis der Eintrittsquerschnitte und der Austrittsquerschnitte sowie der hydraulischen Durchmesser wieder geändert.

Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäßen Filterelemente 18 aus Einheitszellen 35 mit gleicher Topologie zusammengesetzt oder aus Einheitszellen 35 mit verschiedener Topologie zusammengesetzt werden kann. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den unterschiedlichen Temperatur- und Strömungs- sowie Druckverhältnissen über den Querschnitt des Filterelements 18 Rechnung zu tragen. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßigere Rußbeladung des erfindungsgemäßen Filterelements und dadurch ein verbessertes Betriebsverhalten.