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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Filterelement zur Filterung von Abgasen einer
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der
Erfindung sind ferner eine Abgasanlage und ein Verfahren zum Erkennen
der Beladung eines Filterelements nach den Oberbegriffen der nebengeordneten
Patentansprüche.
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Ein
Filterelement der eingangs genannten Art ist aus der
DE 101 30 338 A1 bekannt.
Dieses Filterelement ist als keramischer Wabenfilter ausgebildet,
der eine Vielzahl von insgesamt in Durchströmrichtung verlaufenden
wabenartigen Kanälen aufweist. Diese sind abwechselnd an
ihrem stromaufwärtigen Ende beziehungsweise an ihrem stromabwärtigen
Ende verschlossen. Hierdurch werden Einlasskanäle und Auslasskanäle
geschaffen, die nebeneinander angeordnet sind und somit mindestens bereichsweise
gemeinsame Filterwände aufweisen. Durch diese Filterwände
tritt der Abgasstrom im Betrieb hindurch. Rußpartikel werden
hierdurch aus dem Abgas abgeschieden.
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Die
abgeschiedenen Rußpartikel lagern sich auf der inneren
Oberfläche der Einlasskanäle ab, was zu einer
Verringerung der Durchlässigkeit der Filterwände
und infolgedessen zu einer Erhöhung des Druckabfalls, der
beim Durchtritt des Abgasstroms durch die Filterwände auftritt,
führt. Entsprechend erhöht sich der so genannte
"Abgasgegendruck". Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine hoch
zu halten, wird der Partikelfilter von Zeit zu Zeit regeneriert,
indem die abgelagerten Rußpartikel oxidiert, also verbrannt
werden. Hierzu wird die Temperatur des Abgases, welches durch das
Filterelement hindurchgeleitet wird, erhöht, was wiederum durch
die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff bewirkt wird.
Dieser Regenerationsvorgang führt in dem Filterelement
zu örtlich unterschiedlichen Temperaturen. Durch die entsprechend
unterschiedliche Wärmedehnung der Keramik kommt es zu Spannungen
im Filterelement.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filterelement zu schaffen,
bei dem bei einer Regenerierung weniger Kraftstoff als bisher für
die Aufheizung des Abgases verwendet werden muss. Außerdem
sollen Spannungen innerhalb der Filterstruktur beim Regenerationsvorgang
möglichst gering bleiben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Filterelement mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Abgasanlage
und ein Verfahren zum Erkennen der Beladung eines Filterelements
mit den Merkmalen der jeweiligen nebengeordneten Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind ferner in Unteransprüchen
angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber
hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Die
Merkmale können dabei sowohl in Alleinstellung als auch
in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig
sein, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
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Das
erfindungsgemäße Filterelement hat Einlasskanäle
mit unterschiedlich engen Abschnitten. Im Betrieb des Filterelements
werden die vergleichsweise engen Abschnitte schneller mit Ruß abgedeckt
als die vergleichsweise weiten Abschnitte, die engen Abschnitte
"wachsen also schneller zu". Ab dem Moment, in dem ein vergleichsweise
enger konkaver Abschnitt vollständig mit Ruß gefüllt
ist, erhöht sich der Druckabfall über das Filterelement
hinweg und damit der Abgasgegendruck schneller. Eine Kurve, die
den Druckabfall mit einer Betriebszeit des Filterelements verknüpft,
weist also einen Knick auf, der jenen Zeitpunkt charakterisiert,
in dem die vergleichsweise engen konkaven Abschnitte gefüllt
sind. Dieser Knick beziehungsweise die entsprechende Betriebszeit
kann also einer bestimmten Rußbeladung des Filterelements
zugeordnet werden, was eine vergleichsweise exakte Erkennung der
Beladung des Filterelements mit Ruß gestattet. Die Regeneration
kann daher vergleichsweise präzise auf den entsprechenden
Beladungszustand ausgerichtet werden, so dass die bisher erforderlichen
Reserven bei der Regenerationsdauer geringer ausfallen können,
wodurch letztlich Kraftstoff gespart wird. Durch die gekrümmten
Oberflächen der Wände der Einlasskanäle
werden darüber hinaus bei einem Aufheizen des Filterelements
die auftretenden Spannungen reduziert, was der Lebensdauer des erfindungsgemäßen
Filterelements zugute kommt.
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Als
besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn die
seitlichen Oberflächen des zweiten konkaven und vergleichsweise
engen Abschnitts insgesamt einen Winkel einschließen, der
in einem Bereich von ungefähr 45° bis 100°,
vorzugsweise von ungefähr 50° bis ungefähr
75° liegt. Dies ist fertigungstechnisch mit üblichen
Extrusionsvorrichtungen noch gut zu realisieren und führt
im Betrieb des Filterelements bereits zu einem deutlich ausgeprägten
Knick jener Kurve, welche den Druckabfall mit einer Betriebszeit
des Filterelements verknüpft.
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Der
vergleichsweise enge zweite konkave Abschnitt kann auf einfache
Art und Weise dadurch realisiert werden, dass er eine Basisoberfläche
aufweist, die insgesamt stärker gekrümmt ist als
eine Basisoberfläche des ersten konkaven Abschnitts. Dabei
sollte der Krümmungsradius der Basisoberfläche
des zweiten konkaven Abschnitts aus Fertigungsgründen in
einem Bereich von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr
0,9 mm liegen. Diese Werte sind ebenfalls mit üblichen
Extrudervorrichtungen und Materialien problemlos erzielbar und führen
zu dem gewünschten Knick in der bereits oben erwähnten Kurve.
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Für
die Reduzierung der beim Regenerieren in dem Filterelement auftretenden
Spannungen ist es vorteilhaft, wenn mindestens 50% der Oberflächen des
Einlasskanals gekrümmt sind.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Filterelements sieht vor, dass die gemeinsamen Filterwände
zwischen den Einlasskanälen und den Auslasskanälen
aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sind, dessen Porosität
in einem Bereich von ungefähr 40% bis ungefähr
70% liegt. Auch diese Werte tragen dazu bei, dass die besagte Kurve,
welche den Abgasgegendruck beziehungsweise den Druckabfall über
das Filterelement hinweg mit dessen Betriebsdauer verknüpft,
den gewünschten Knick aufweist.
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Dabei
sollten die gemeinsamen Filterwände zwischen den Einlasskanälen
und den Auslasskanälen aus einem keramischen Werkstoff
hergestellt sein, der Poren aufweist, deren Porendurchmesser in einem
Bereich von ungefähr 10 μm bis ungefähr
40 μm liegt. Damit wird eine gute Filterwirkung erzielt.
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Ein
Verhältnis der Oberfläche aller Einlasskanäle
zur Oberfläche aller Auslasskanäle, welches in
einem Bereich von ungefähr 0,8 bis ungefähr 2 liegt,
führt auch im beladenen Zustand des Filterelements zu einem
noch akzeptablen Abgasgegendruck, eine Regenerierung ist also erst
vergleichsweise spät erforderlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung exemplarisch
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage
mit einem Partikelfilter und einem Filterelement;
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch das Filterelement des
Partikelfilters von 1;
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3 einen
schematischen Schnitt durch einen Bereich des Filterelements von 2 mit
einem Auslasskanal und vier Einlasskanälen;
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4 eine
vergrößerte Darstellung eines Bereichs eines Einlasskanals
von 3;
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5 eine
vergrößerte Darstellung eines Einlasskanals des
Filterelements von 3 in einem bestimmten Beladungszustand;
und
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6 ein
Diagramm, in dem ein Druckabfall über das Filterelement
von 2 über dessen Betriebszeit aufgetragen
ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 trägt
eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10.
Deren Abgase werden über ein Abgasrohr 12 einem
Partikelfilter 14 zugeführt. Mit diesem können
im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 Rußpartikel
aus den im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert
werden. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich,
um gesetzliche Bestimmungen einhalten zu können.
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Der
Partikelfilter 14 umfasste ein insgesamt im Wesentlichen
zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein ebenfalls
im Wesentlichen zylindrisches Filterelement 18 angeordnet
ist. Bei diesem kann es sich beispielsweise um einen extrudierten
Formkörper aus einem keramischen Material, beispielsweise
Cordierit, handeln. Im Betrieb wird das Filterelement 18 in Richtung
des Pfeils 20 vom Abgas der Brennkraftmaschine 10 durchströmt.
Eine Einlassseite des Filterelements 18 ist in 1 insgesamt
mit 22, eine Auslassseite insgesamt mit 24 bezeichnet.
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Der
prinzipielle Aufbau des Filterelements 18 geht aus 2 hervor:
Danach verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse 26 des
Filterelements 18 in diesem eine Vielzahl von Einlasskanälen 28 und
von Auslasskanälen 30. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind in 2 jedoch nicht alle Einlasskanäle 28 und
Auslasskanäle 30 mit Bezugszeichen versehen. Die
Einlasskanäle 28 sind im Bereich der Auslassseite 24 verschlossen,
die Auslasskanäle 30 wiederum sind im Bereich
der Einlassseite 22 verschlossen. Die Einlasskanäle 28 sind
im Bereich der Einlassseite 22, die Auslasskanäle 30 im
Bereich der Auslassseite 24 offen.
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Die
Wände 32 zwischen den Einlasskanälen 28 und
den Auslasskanäle 30 sind porös und weisen für
das Abgas eine vergleichsweise hohe Permeabilität auf.
Die Porosität liegt in einem Bereich von ungefähr
40% bis ungefähr 70%. Der Porendurchmesser liegt in einem
Bereich von ungefähr 8 μm bis ungefähr
40 μm. Im Betrieb tritt das Abgas 20 zunächst in
die Einlasskanäle 28 ein, tritt dann durch die
Wände 32 hindurch, entsprechend den Pfeilen 34 in 2,
und tritt dann über die Auslasskanäle 30 aus dem
Filterelement 18 aus. Beim Durchtritt des Abgases durch
die Wände 32 werden im Abgas vorhandene Rußpartikel
auf der Innenseite der Einlasskanäle 28 abgelagert.
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Um
zu vermeiden, dass die auf den Innenseiten der Einlasskanäle 28 abgelagerten
Rußpartikel die Durchlässigkeit der Wände 32 in
unzulässiger Weise behindern, wird das Filterelement 18 von
Zeit zu Zeit "regeneriert". Dies bedeutet, dass die abgelagerten
Rußpartikel verbrannt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch
geschehen, dass die Temperatur des Abgases 20, welches
durch das Filterelement 18 geleitet wird, durch motorische
Maßnahmen der Brennkraftmaschine 10 erhöht
wird. Beispielswelse kann eine zusätzliche Einspritzung
von Kraftstoff erfolgen, dessen Verbrennung die Erhöhung
der Abgastemperatur herbeiführt. Die abgelagerten Rußpartikel
werden also periodisch durch eine exotherme Oxidationsreaktion zu
gasförmigen Reaktionsprodukten abgebaut, welche dann durch
die Wände 32 hindurch und über die Auslasskanäle 30 und
die Auslassseite 24 des Filterelements 18 aus
diesem austreten können.
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Wie
aus den 3 und 4 hervorgeht, weisen
sowohl die Einlasskanäle 28 als auch die Auslasskanäle 30 eine
insgesamt eher elliptische beziehungsweise ovale Querschnittsform
auf. Die Auslasskanäle 30 sind dabei als Achtecke
ausgebildet, wobei der Begriff "Eck" hier nicht wörtlich
zu verstehen ist, denn die entsprechenden Ecken sind aus Gründen
der Herstellbarkeit und zur Vermeidung von Spitzenspannungen abgerundet.
Die Einlasskanäle 28 dagegen weisen im Querschnitt
eine Oberfläche mit zwei ersten, einander gegenüberliegenden
konkaven Abschnitten 36 und zwei zweiten, einander ebenfalls
gegenüberliegenden konkaven Abschnitten 38 auf
(aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 3 nur
ein Einlasskanal 28 mit allen Bezugszeichen vorgesehen).
Zwischen den konkaven Abschnitten 36 und 38 der
Oberfläche der Einlasskanäle 28 sind
entsprechende konvexe Abschnitte 40 vorhanden. Man erkennt
aus den 3 und 4 deutlich,
dass die beiden von den zweiten konkaven Abschnitten 38 begrenzten
zweiten Einlasskanalabschnitte 42 insgesamt enger sind
als die von den beiden ersten konkaven Abschnitten 36 begrenzten
ersten Einlasskanalabschnitte 44.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, schließen die zweiten
konkaven Oberflächenabschnitte 38 insgesamt in
der vorliegenden Ausführungsform einen Winkel W von ungefähr
60° ein. Bei anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen
kann der Winkel in einem Bereich von ungefähr 45° bis
ungefähr 100°, vorzugsweise von ungefähr
50° bis ungefähr 75° liegen. Wie ebenfalls
aus 4 ersichtlich ist, ist ein erster Krümmungsradius
R1 des ersten konkaven Oberflächenabschnitts 36 des
ersten Einlasskanalabschnitts 44 deutlich größer
als ein zweiter Krümmungsradius R2 des zweiten konkaven
Oberflächenabschnitts 38 des zweiten Einlasskanalabschnitts 42. Oder,
mit anderen Worten: Der zweite konkave Oberflächenabschnitt 38 des
zweiten Einlasskanalabschnitts 42 ist insgesamt stärker
gekrümmt als der erste konkave Oberflächenabschnitt 36 des
ersten Einlasskanalabschnitts 44. Dabei beträgt
der Krümmungsradius R2 des zweiten konkaven Oberflächenabschnitts 38 des
zweiten Einlasskanalabschnitts 42 in der vorliegenden Ausführungsform
ungefähr 0,5 mm, er kann jedoch bei anderen Ausführungsformen auch
in einem Bereich von ungefähr 0,1 mm bis 0,9 mm liegen.
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Aus 4 ist
ferner ersichtlich, dass praktisch keine einzige Stelle der Oberfläche
des Einlasskanals 28 gerade verläuft, vorzugsweise
sind jedenfalls mindestens 50% der den Einlasskanal 28 begrenzenden
Oberfläche gekrümmt. Aus 3 wiederum
ist ersichtlich, dass benachbarte Einlasskanäle 28 im
Bereich ihrer ersten Einlasskanalabschnitte 44 einen gemeinsamen
ersten Wandabschnitt 32a aufweisen, und dass sie im Bereich
ihrer zweiten Einlasskanalabschnitte 42 einen zweiten gemeinsamen Wandabschnitt 32b aufweisen.
Schließlich ist aus 3 auch ersichtlich,
dass die Oberfläche, welche die Einlasskanäle 28 begrenzt,
größer ist als die Oberfläche, welche
die Auslasskanäle 30 begrenzt, wobei das Verhältnis
bei der vorliegenden Ausführungsform ungefähr
1,3:1 beträgt. Bei anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsformen
kann es im Bereich von ungefähr 0,8 bis ungefähr
2 liegen.
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Wie
bereits oben ausgeführt worden ist, lagern sich im Betrieb
der Brennkraftmaschine 10 Rußpartikel an der einen
Einlasskanal 28 begrenzenden Oberfläche der Wände 32 ab.
In 5 sind entsprechende Rußpartikel mit
dem Bezugszeichen 54 versehen. Man erkennt dabei aus 5,
dass die Rußpartikel 54 die zweiten engen Einlasskanalabschnitte 42 schneller
auffüllen als die ersten weiten Einlasskanalabschnitte 44.
Ab dem Moment, in dem die zweiten Einlasskanalabschnitte 42 vollständig
durch Rußpartikel 54 gefüllt sind (dies
ist in 5 dargestellt), steigt der Druckabfall, den das
Abgas 20 beim Durchströmen des Filterelements 18 erfährt,
schneller mit der Zeit beziehungsweise der Beladung an. Diese Erhöhung
des Druckabfallgradienten ist in 6, in der der
Druckabfall dp über der Betriebszeit t des Filterelements 18 seit
der letzten Regeneration aufgetragen ist, durch einen charakteristischen
Knick erkennbar. Die Kurve dp = f(t) ist in 6 mit 56,
der besagte Knick mit 58 bezeichnet.
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Bei
dem Knick handelt es sich um nichts anderes als eine Änderung
der Steigung der Kurve 56. Diese Steigungsänderung
kann durch entsprechende Auswerteverfahren erkannt und einem bestimmten
Beladungszustand des Filterelements 18 zugeordnet werden.
Abhängig von der Erfassung des besagten Knicks 58 kann
dann eine Regenerierung des Filterelements 18 des Partikelfilters 14 durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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