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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterelement mit einem Filtergehäuse und einem in dem Filtergehäuse angeordneten Filter zum Filtern eines Abgasstroms bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, bei dem das Filtergehäuse zumindest abschnittweise als flexibles Leitungselement ausgebildet ist, vorzugsweise als Metallbalg.
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Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasrückführeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, mit einer Rückführleitung für wenigstens einen Abgasteilstrom.
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Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist bekannt, dass zur Verringerung des Stickoxidgehalts im Abgas Verbrennungsabgase kontrolliert wieder in den Brennraum des Motors geleitet werden. Durch diese Maßnahme lässt sich die Verbrennungstemperatur im Zylinder senken, was zu der gewünschten Verringerung des Stickoxidgehalts im Abgas führt. Hierfür bietet sich alternativ oder zusätzlich zu baulichen Veränderungen im Innenraum des Motors, insbesondere einer größeren Ventilüberschneidung, die Realisierung einer äußeren Abgasrückführung an.
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Bei einer äußeren Abgasrückführung werden Abgas- und Ansaugtrakt durch eine Leitung (Abgasrückführleitung oder einfach Rückführleitung) verbunden. Die Rückführleitung kann innerhalb des Zylinderkopfes angeordnet sein, oder sie kann als außerhalb des Zylinderkopfes liegende separate EGR-Leitung („Exhaust Gas Recirculation”-Leitung) ausgebildet sein. Je nachdem, an welcher Stelle die Rückführ- oder EGR-Leitung von der Hauptabgasleitung abzweigt, unterscheidet man zwischen einer Hochdruck-EGR und einer Niederdruck-EGR, wobei in letzterem Fall die Rückführleitung hinter einem im Abgasstrang enthaltenen Abgasturbolader angeordnet ist. Die Abzweigung kann insbesondere im weiteren Verlauf des Abgasstrangs vor oder hinter einem Dieselpartikelfilter (DPF) oder Katalysator oder einer vergleichbaren, druckmindernden Einrichtung – insbesondere einer Abgasreinigungskomponente – erfolgen. Die Rückführung mündet schließlich vor dem Verdichter.
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Bei Niedrigstemissions-Dieselmotoren ist man heute zunehmend bestrebt, so genannte hybride Abgasrückführsysteme einzusetzen, welche sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführung vereinen. Diese Technik kann zur Verbrauchs- und Emissionssenkung auch bei Ottomotoren angewendet werden, welche sich gegenüber Dieselmotoren durch eine deutlich höhere Abgastemperatur, einen höheren Wassergehalt und um bis zu eine Größenordnung kleinere Russpartikel im Abgas auszeichnen. Bei Ottomotoren kann die Abgasentnahme für die Rückführung vor dem Katalysator bzw. hinter dem Katalysator erfolgen. im Fall der Abgasentnahme hinter (stromab) dem Katalysator können aus dem Katalysator stammende Keramikpartikel und/oder fertigungsbedingte Verunreinigungen zu Schäden am Verdichterrad eines Turboladers führen, welcher zur Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt heute regelmäßig Verwendung findet. Russpartikel im rückgeführten Abgasstrom, welche bei Ottomotoren aufgrund fehlender Partikelfilter regelmäßig vorhanden sind, können ebenfalls zum frühzeitigen Ausfall des Turboladers führen. Dabei wirken die Russpartikel als Kondensationskerne und initiieren eine Kondensatbildung. Das ausfallende Kondensat führt zu einer sogenannten „Verlackung” nachgeschalteter Bauteile, wie Kühler oder Verdichter. Diese Verlackungsproblematik hat bisher den Einsatz von hybriden oder niederdruckbasierten Abgasrückführsystemen bei Ottomotoren verhindert und stand einem Großserieneinsatz entgegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement und eine Abgasrückführeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, anzugeben, durch deren Einsatz in hybriden oder niederdruckbasierten Abgasrückführsystemen insbesondere die beschriebene Verlackungsproblematik vermieden werden kann, um so einen zukünftigen Großserieneinsatz zu ermöglichen, ohne die Lebensdauer von nachgeschalteten Elementen, wie einem Verdichter, zu beeinträchtigen. Außerdem sollen Einbautoleranzen, thermomechanische Spannungen und Schwingungen im Bereich der Abgasanlage ausgeglichen bzw. aufgenommen werden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Filterelements mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 sowie durch eine Abgasrückführeinrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 27.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist ein Filterelement mit einem Filtergehäuse und einem in dem Filtergehäuse angeordneten Filter zum Filtern eines Abgasstroms bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, bei dem das Filtergehäuse zumindest abschnittweise als flexibles Leitungselement ausgebildet ist, vorzugsweise als Metallbalg, dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb des flexiblen Leitungselements wenigstens ein Strömungsleitelement für den Abgasstrom angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, den Abgasstrom von dem flexiblen Leitungselement abzuhalten.
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Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filterelements sieht vor, dass das Strömungsleitelement zumindest abschnittsweise als im Wesentlichen starrer Rohrleitungsabschnitt, vorzugsweise als Flammrohr, ausgebildet ist. Auf diese Weise entsteht zwischen dem starren Rohrleitungsabschnitt und dem flexiblen Leitungselement ein Luftspalt, der eine Luftspaltisolierung bewirkt und das flexible Leitungselement vor schädlicher thermischer Einwirkung schützt. Der Rohrleitungsabschnitt kann sich konisch verjüngend ausgebildet sein. Eine vorzugsweise konische Verjüngung des Rohrleitungsabschnitts trägt zu einer erhöhten angularen und lateralen Beweglichkeit der Anordnung bei.
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Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filterelements kann vorgesehen sein, dass das Strömungsleitelement einstückig mit einem Anschlussende des Filtergehäuses ausgebildet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Anordnung, die aufgrund einer verringerten Bauteilanzahl besonders einfach und kostengünstig zu fertigen bzw. zu montieren ist.
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Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filterelements kann vorgesehen sein, dass das Strömungsleitelement zumindest abschnittweise als Innenliner oder Wickelschlauchabschnitt, vorzugsweise Agraffschlauch, ausgebildet ist. Ein derartig ausgebildetes Strömungsleitelement ist selbst flexibel, so dass sich eine optimale Beweglichkeit der Anordnung sowohl in axialer, lateraler als auch angularer Richtung bei gleichzeitigem thermischem Schutz des Balgs ergibt.
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Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filterelements kann vorgesehen sein, dass das Filter an dem Strömungsleitelement festgelegt ist, insbesondere wenn dieses als starres Rohrleitungsabschnitt ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine angepasste, flexible Positionierung des Filters innerhalb der Gesamtanordnung möglich. Zum Beispiel kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Filter vollständig innerhalb des Filtergehäuses angeordnet ist. Es ist jedoch alternativ auch möglich, das Filter nur teilweise innerhalb des Filtergehäuses anzuordnen. Schließlich kann das Filter auch im Wesentlichen vollständig außerhalb des Filtergehäuses angeordnet sein.
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Das Filter aus einem hochtemperaturfesten (T ≥ 650°C) Material, z. B. gesintertem Metallvlies, Glasfaserkeramik oder gepresstem Drahtgestricke, kann als Tiefenfilter ausgebildet sein. Bei einem Tiefenfilter erfolgt die Abscheidung des Feststoffs, hier der Russpartikel, der Keramikpartikel und/oder fertigungsbedingter Verunreinigungen vorgeschalteter Bauteile, vordringlich im Inneren des Filtermediums. Das Filter kann alternativ auch als Oberflächenfilter, z. B. als Tressengewebe, ausgeführt sein, um speziell Keramikpartikel und/oder fertigungsbedingte Verunreinigungen vorgeschalteter Bauteile aufzuhalten.
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Vorzugsweise ist der Filter als gepresster Draht-Gestrickefilter ausgeführt und kann außerdem eine zumindest abschnittweise kegelartige oder kegelstumpfartige Formgebung aufweisen, vorzugsweise im Bereich des Gestrickematerials und höchst vorzugsweise nach Art eines geraden Kreiskegels. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein gerades bzw. flaches, ebenes Filter eine zu kleine Oberfläche aufweist, um die erforderliche Filterleistung zu erbringen. Andererseits kann auch nicht einfach das Filtervolumen bzw. die Filterdicke vergrößert werden, weil dies vorliegend zu einem übermäßigen Druckabfall verbunden mit einem erhöhten Kraftstoffbedarf führen würde. Aus diesen Gründen hat sich die Ausbildung des Filters als Gestrickefilter in Form eines Kegels oder Kegelstumpf als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Eine andere Weiterbildung des Filters sieht vor, dass der Kegel einen Öffnungswinkel oder Kegelwinkel von etwa 10 bis 45° bezogen auf seine Kegelachse aufweist, welche Kegelachse zudem die Längsachse des Filters bezeichnet. Für derartige Werte des Kegel- bzw. Öffnungswinkels ergeben sich ausreichende Filteroberflächen bei vertretbaren Druckverlusten.
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Eine wieder andere Weiterbildung des Filters sieht vor, dass sich in Verlängerung der Kegel-Mantelfläche auf Seiten der Kegelbasis ein gerader Filterabschnitt anschließt, wobei „gerade” bedeutet, dass sich der genannte Filterabschnitt im Wesentlichen parallel bzw. konzentrisch bezogen auf die Kegelachse (Längsachse) erstreckt. Dabei kann der genannte gerade Filterabschnitt im Wesentlichen kreiszylindrisch oder oval ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die Kegelachse und die Achse des geraden Filterabschnitts fluchten. Der genannte gerade Filterabschnitt kann einerseits zum Festlegen des Filters an dem ihn aufnehmenden Filtergehäuse dienen, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird. Außerdem eignet sich der genannte gerade Filterabschnitt insbesondere bei einer Ausbildung des Filters in einem metallischen Gestrickematerial hervorragend dazu, weitere Bauteile der Abgasanlage bzw. der Rückführleitung schwingungstechnisch zu bedämpfen – beispielsweise wiederum das bereits erwähnte Filtergehäuse.
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Um einen Einbau des Filters in die Abgasanlage eines Kfz bzw. in die erwähnte Rückführleitung möglichst einfach zu gestalten, sieht eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filters vor, dass dieses eine selbsttragende Ausgestaltung aufweist, vorzugsweise im Bereich des Gestrickematerials. Somit ist das Filter ohne weitere Stütz- oder Trägerelemente verwendbar.
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Zur Beeinflussung der Filterwirkung kann vorgesehen sein, dass das Filter aus einem Gestrickematerial mit einem oder mehreren Gestrickedrähten gebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Gestrickematerial aus einem oder mehreren Gestrickelagen gebildet ist. Dabei kann das Gestrickematerial eine gewellte Maschenform aufweisen, vorzugsweise eine omegaförmig gewellte Maschenform.
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Zur Herstellung einer Ausgestaltung des Filters wird das beschriebene Gestrickematerial im Wesentlichen homogen verdichtet oder verpresst. Die Verpressung kann derart erfolgen, dass benachbarte Flanken oder Wellenberge/Wellentäler des Gestrickematerials nebeneinander und/oder übereinanderliegend angeordnet sind.
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Des Weiteren lässt sich die Filterwirkung im Rahmen entsprechender Weiterbildungen des Filters dadurch beeinflussen, dass das Gestrickematerial hinsichtlich seiner Maschenweite, Maschengröße oder des verwendeten Drahtdurchmessers derart ausgebildet und durch Auswahl einer Verpresskraft derart verdichtet ist, dass eine Filterung von Partikeln kleiner 650 μm aus dem Abgasstrom sichergestellt ist. Es hat sich gezeigt, dass unter dieser Prämisse ein Großserienseinsatz der weiter oben beschriebenen hybriden oder niederdruckbasierten Abgasrückführtechnik auch bei Ottomotoren oder dergleichen möglich ist.
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Durch eine geeignete Ausgestaltung des Gestrickematerials hinsichtlich seiner Maschenweite und/oder Maschengröße oder des Drahtdurchmessers bzw. eine Auswahl der Verpresskraft lässt sich im Rahmen einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung auch erreichen, dass bei einem Eintrittsquerschnitt von 35 bis 45 mm der bei einem Gasmassenstrom von etwa 80 kg/h durch das Filter bewirkte Druckverlust im Abgasstrom bei einer Temperatur von etwa 20°C etwa 5 bis 10 mbar und bei einer Temperatur von etwa 450°C etwa 15 bis 30 mbar beträgt. Der Druckverlust verhält sich linear zur Filterfeinheit unter der Vorraussetzung einer homogenen Verteilung des Gestrickes, welche bei der bevorzugten kegelartigen oder kegelstumpfartigen Formgebung gut erreichbar ist. Derartige Druckverluste sind angesichts des dadurch verursachten geringen Kraftstoffmehrverbrauchs gut vertretbar. Durch Vergrößerung des Eintrittsquerschnitts und/oder Verkleinerung des Kegelwinkels lassen sich die Druckverluste weiter reduzieren.
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Das Filter sollte möglichst nah am oder sogar teilweise im Hauptabgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet werden, um aufgrund der hohen Abgastemperatur auch eine hohe Filtertemperatur zu erreichen. Diese bewirkt, dass auf der Filteroberfläche und/oder im Inneren des Filters anhaftende Russpartikel kontinuierlich abbrennen, wodurch eine fortlaufende Regeneration des Filters erreicht wird.
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Um auch im „Kaltlauf” und/oder bei niedrigen Außentemperaturen eine kontinuierliche Regeneration des Filters zu ermöglichen, kann eine vorzugsweise elektrische oder elektromagnetische Zusatzheizung am Filter erforderlich sein. Eine entsprechende Weiterbildung des Filters sieht deshalb vor, dass dieser beheizbar ausgebildet ist, vorzugsweise elektrisch und höchst vorzugsweise induktiv. In diesem Zusammenhang kann es erforderlich sein, das Filter mit einem Einsatz- oder Deckelelement aus isolierendem, hitzebeständigen Material, beispielsweise Keramik, zu verschließen, beispielsweise im Bereich der Kegelbasis, um dann in diesem Einsatz-/Deckelelement durch eine außenliegende Heizeinrichtung in Form einer Spule durch Erzeugen eines wechselnden Magnetfelds einen Ringstrom zu induzieren, der das Filter durch Verlustleistung beheizt.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, das Filtermaterial zumindest teilweise katalytisch zu beschichten, um die genannte Regeneration auch bei niedrigeren Temperaturen zu gewährleisten.
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Weiter oben wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Filterelements vorgesehen sein kann, dass das Filter, insbesondere bei Ausbildung als gepresstes Draht Gestrickefilter, zumindest bereichsweise im wesentlichen flächig an dem Filtergehäuse anliegt oder daran festgelegt ist, um eine Bedämpfung des Filtergehäuses zu bewirken. Vorzugsweise ergibt sich dabei eine Dämpfungswirkung von mindestens 5 Nmm/mm.
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Um das Filter möglichst günstig im (Haupt-)Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu platzieren, sieht eine äußerst bevorzugte Weitebildung des erfindungsgemäßen Filterelements vor, dass das Filter in axialer Richtung aus dem Filtergehäuse herausragt, und zwar vorzugsweise mit seiner Kegelspitze, falls das Filter als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, das Filter tatsächlich zumindest teilweise Hauptabgasstrom zu platzieren, um so durch hohe Temperaturen eine möglichst gute Regeneration zu erreichen.
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Im Zuge einer wieder anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Filterelement – ohne Beschränkung – einen Durchmesser zwischen 10 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 30 und 70 mm, und höchst vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 40 mm aufweisen. Zusätzlich kann die Länge des Filterelements zwischen 20 und 120 mm, vorzugsweise zwischen 30 und 90 mm, und höchst vorzugsweise bei etwa 60 mm liegen.
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Wie weiter oben bereits ausgeführt, betrifft die Erfindung auch eine Abgasrückführeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen. Eine erfindungsgemäße Abgasrückführeinrichtung der vorstehend genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass in der Rückführleitung ein erfindungsgemäßes Filterelement angeordnet ist, welches von dem Abgasteilstrom durchströmt ist, welches Filterelement weiter oben detailliert beschrieben wurde. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasrückführeinrichtung ermöglicht deren Einsatz auch bei hybriden und/oder niederdruckbasierten Abgasrückführsystemen.
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Im Zuge einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasrückführeinrichtung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Rückführleitung stromab eines Katalysators oder Partikelfilters für das Verbrennungsabgas und/oder einer vergleichbar druckmindernden Komponente der Abgasanlage – insbesondere einer vergleichbar druckmindernden Abgasreinigungskomponente der Abgasanlage – von einer Hauptabgasleitung abzweigt.
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Wie bereits erwähnt, zeichnet sich eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasrückführeinrichtung dadurch aus, dass das Filterelement so in der Rückführleitung angeordnet ist, dass eine Spitze des Filters der Strömungsrichtung des Abgasstroms zugewandt ist, von diesem also angeströmt wird. Bei der genannten Spitze handelt es sich vorzugsweise um die Kegelspitze des entsprechend als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildeten Filters.
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Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, das Filterelement derart in der Rückführleitung anzuordnen, dass eine Basis des Filters der Strömungsrichtung des Abgasstroms zugewandt ist. Bei der genannten Basis handelt es sich vorzugsweise um die Kegelbasis eines entsprechend als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildeten Filters.
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Um den Rückfluss des Kondensats insbesondere in die Hauptabgasleitung zu erleichtern bzw. zu ermöglichen, sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasrückführeinrichtung vor, dass das Filterelement derart in der Rückführleitung angeordnet ist oder dass die Rückführleitung selbst derart ausgebildet bzw. angeordnet ist, dass das Filter mit seiner Längsachse, vorzugsweise der Kegelachse eines entsprechend ausgebildeten Filters, gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Höchst vorzugsweise ist das Filterelement in diesem Zusammenhang in Richtung der Hauptabgasleitung geneigt.
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Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasrückführeinrichtung sieht vor, dass das Filterelement austauschbar in der Rückführleitung angeordnet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das Filterelement bzw. das Filtergehäuse endständige Anschlussflanschen oder Anschlussenden aufweist, welche mit entsprechenden Anschlussflanschen oder Anschlussenden an weiteren Bestandteilen der Abgasanlage mittels Verbindungselementen in Form von Schellen oder dergleichen verbindbar sind. Das Filterelement samt Filter lässt sich so nach Art einer Filterpatrone bei Bedarf austauschen, um so über die Lebensdauer des Fahrzeugs bzw. des Motors eine im Wesentlichen gleich bleibende Filterleistung zu ermöglichen.
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Durch die Filterung insbesondere von Keramikpartikeln oder fertigungsbedingten Verunreinigungen, die sich aus dem Katalysator lösen können, mittels eines erfindungsgemäßen Filters kann „gereinigtes” Abgas zum Verdichter zurückgeführt werden, ohne dass dort weitergehende Schäden zu befürchten sind. Auf eine im Fertigungsprozess nach dem Stand der Technik zusätzlich notwendige Reinigung der Niederdruck basierten EGR-Leitung vorgeschalteter Bauteile kann verzichtet werden, da das erfindungsgemäße Filter auch diese Schmutzpartikel wirksam aus dem Abgasstrom entfernt. Bei Ausbildung des Filters als Tiefenfilter wird die Bildung von Kondensat minimiert, da die als Kondensationskeime wirksamen Russpartikel aus dem Abgasstrom gefiltert werden. Dadurch wird eine „Verlackung” nachgeschalteter Bauteile, wie Kühler oder Verdichter, wirkungsvoll verhindert. Die (teilweise) Ausbildung des Filtergehäuses als Balg sorgt für den Ausgleich von Einbau- bzw. Fertigungstoleranzen und vermeidet thermische Spannungen.
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Durch die beschriebenen Ausgestaltungen und Anordnungen des Filters lässt sich eine kontinuierliche Regeneration erreichen. Diese beinhaltet einen kontinuierlichen Russabbrand bei nur minimalem Zusatzaufwand an die Motorsteuerung.
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Insbesondere die bevorzugte geometrische Ausbildung des Filters als kegelförmiger Gestricke- oder Vliesfilter sichert minimale Druckverluste bei zugleich hoher Temperaturbeständigkeit bis hin zu relativ hohen Temperaturen von über 650°C.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt im Längsschnitt schematisch ein erfindungsgemäßes Filterelement mit einem Filter;
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2 zeigt im Längsschnitt schematisch ein anderes erfindungsgemäßes Filterelement mit einem anderen Filter;
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3 zeigt im Längsschnitt schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Filterelement mit einem weiteren Filter;
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasrückführeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei der in einer Abgas-Rückführleitung ein erfindungsgemäßes Filterelement angeordnet ist;
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filterelements mit Flammrohr zum Schutz des Filtergehäuses;
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6 zeigt eine Variante der Ausgestaltung gemäß 5;
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7 zeigt eine Variante der Ausgestaltungen gemäß den 5 und 6;
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8 zeigt eine Variante der Ausgestaltungen gemäß den 5 bis 7;
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9 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filterelements mit Innenliner zum Schutz des Filtergehäuses; und
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10 zeigt eine Variante des Filterelements gemäß 9.
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch im Längsschnitt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filterelements, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet die Längsachse der Anordnung. Das Filterelement kann im Querschnitt kreisrund, oval, polygonal oder mit einer anderen geeigneten Form ausgebildet sein, wobei jedoch eine kreisrunde oder ovale Ausgestaltung bevorzugt ist.
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Das Filterelement 1 weist ein Filtergehäuse 2 und ein in dem Filtergehäuse angeordnetes Filter 3 auf, welches Filter 3 zum Filter eines Abgasstroms bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, ausgebildet ist. Auf die Ausgestaltung des Filters 3 wird weiter unten noch genauer eingegangen.
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Das Filtergehäuse 2 ist zumindest in einem Teilabschnitt (Balgabschnitt) 2a flexibel ausgebildet, vorzugsweise in Form eines Metallbalgs. An den flexiblen Teilabschnitt 2a schließen sich in Längsrichtung der Anordnung auf beiden Seiten glattzylindrische Anschlussbereiche 2b des Filtergehäuses 2 an, über welche Anschlussbereiche 2b das Filtergehäuse 2 an weiteren Bestandteilen der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs anschließbar ist, was in den 1 bis 3 nicht weiter dargestellt ist.
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Das Filter 3 ist gemäß den 1 bis 3 innerhalb des Filtergehäuses 2 angeordnet und weist zumindest in einem Teilabschnitt 3a (in den 1 bis 3 jeweils rechts) eine kegelartige bzw. kegelstumpfartige Formierung auf, vorzugsweise nach Art eines geraden Kreiskegels bzw. eines entsprechenden Kegelstumpfes. Die eigentliche Kegelspitze 3b ist dabei vorzugsweise abgeflacht, wodurch sich die bereits angesprochene kegelstumpfartige Formgebung des Filters 3 ergibt. Auf seiner der Kegelspitze 3b abgewandten Seite 3c, welche in der vorliegenden Beschreibung auch als „Kegelbasis” bezeichnet wird, weist das Filter 3 wenigstens einen geraden, das heißt parallel zur Längsachse L verlaufenden Abschnitt 3d auf. Im Bereich dieses geraden Abschnitts 3d ist das Filter an dem Filtergehäuse 2 festgelegt bzw. tritt mit diesem in Anlage, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird. Bei der Ausgestaltung gemäß 1 ist der gerade Teilabschnitt 3d nochmals in Teilabschnitte 3d' und 3d'' unterteilt, wobei der Außendurchmesser des Filters im Bereich 3d' im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Filtergehäuses 2 im Balgbereich 2a entspricht, während der Außendurchmessers des Filters im Bereich 3d'' im Wesentlichen einem leicht vergrößerten Innendurchmesser des Filtergehäuses 2 im Anschlussbereich 2b entspricht, wie in 1 gezeigt.
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Das Filter besitzt in seinem Kegelbereich 3a einen Kegelwinkel, der in den 1 bis 3 mit dem Bezugszeichen α bezeichnet ist. Der Kegelwinkel oder Öffnungswinkel α beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 45° bezogen auf die Kegelachse des Filters 3, welche Kegelachse mit der Längsachse L der Anordnung zusammenfällt. Das Filter 3 ist erfindungsgemäß zumindest abschnittweise, vorteilhafterweise jedoch vollständig als Tiefenfilter aus einem hochtemperaturfesten Material ausgebildet. Unter einem „hochtemperaturfesten Material” wird vorliegend ein Material verstanden, welches auch Temperaturen von mehr als 650°C dauerhaft standhalten kann. Beispiele hierfür sind Glasfaserkeramik, Sintermetallwerkstoffe, gesinterte Metallvliese, metallische Fasergewirke oder – bevorzugt – ein verpresstes metallisches Gestrickematerial. Insbesondere die in den 1 bis 3 gezeigten Filter 3 besitzen eine selbsttragende Ausgestaltung, sind also ohne weitere Stütz- oder Trägerelemente dauerhaft formstabil innerhalb des Filtergehäuses 2 anordenbar, wie gezeigt.
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Insbesondere dann, wenn das Filter in einem hochtemperaturfesten metallischen Gestrickematerial ausgebildet ist, zeigt es neben seiner Filterwirkung auch eine Dämpfungswirkung bezüglich Schwingungen des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2 und/oder bezüglich des Schwingungsverhaltens weiterer, in den 1 bis 3 nicht gezeigter Bestandteile einer Kfz-Abgasanlage. Die Dämpfungseigenschaft des Filters 3 wird insbesondere in der Ausgestaltung gemäß 1 ausgenutzt, bei welcher das Filter 3 mit seinem geraden Teilabschnitt 3d' im Wesentlichen flächig über einen großen Teil der Erstreckung des Balgbereichs 2a an dem Filtergehäuse 2 anliegt. Auf diese Weise ist eine effiziente Schwingungsbedämpfung des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2 möglich, welche insbesondere und ohne Beschränkung im Bereich von ≥ 5 Nmm/mm liegen kann.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 1 erstreckt sich das Filter 3 über den größten Teil der Längserstreckung des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2. Der in 1 gezeigte, vorzugsweise kreisrunde Eintrittsquerschnitt des Filters 3 kann eine Abmessung von 35 bis 45 mm (ohne Beschränkung) aufweisen, wobei Bezugszeichen D' in 1 den halben Eintrittsquerschnitt bezeichnet.
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Die Ausgestaltung gemäß 2 zeigt ein in Axialrichtung relativ kurz bauendes Filter 3, dessen Längserstreckung weniger als die Hälfte der Längserstreckung des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2 ausmacht. Dagegen ist bei der Ausgestaltung in 3 das Filter 3 in axialer Richtung so lang ausgebildet, dass es mit seiner (Kegel-)Spitze 3b aus dem Filtergehäuse 2 des Filterelements 1 herausragt. Auf dem besonderen Nutzen dieser Ausgestaltung wird weiter unten noch genauer eingegangen.
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4 zeigt schematisch anhand einer teilweise geschnittenen Abbildung die Anordnung eines erfindungsgemäßen Filterelements 1 mit Filtergehäuse 2 und Filter 3 als Teil einer Abgasrückführeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor, Dieselmotor oder dergleichen, welche Abgasrückführeinrichtung in 4 in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Sie umfasst eine Rückführleitung 4a für einen Abgasteilstrom A, welche Rückführleitung 4a von einer Hauptabgasleitung 4b des Kraftfahrzeugs abzweigt. Dabei ist der Abzweig der Rückführleitung 4a stromab eines Katalysators 4d angeordnet, so dass der genannte Abgasteilstrom A erst hinter der genannten Einrichtung 4d von der Hauptabgasleitung 4b abgezweigt wird. Das Filterelement 1 ist derart in der Rückführleitung 4a angeordnet, dass sich das Filter 3 möglichst nahe an der Abzweigstelle und damit am Hauptabgasstrom H befindet. Hierfür bietet sich insbesondere eine Ausgestaltung des Filterelements 1 gemäß der Darstellung in 3 an, bei der das Filter 3 mit seiner Spitze 3b aus dem Filtergehäuse 2 des Filterelements 1 herausragt, und sich so mit möglichst nahe oder sogar teilweise im Hauptabgasstrom H platzieren lässt. Dies ist zum Erreichen einer möglichst hohen Abgastemperatur am Filter 3 sinnvoll, um die Regeneration des Filters 3 durch Abbrand gefilterter Partikel, insbesondere Russpartikel, zu unterstützen.
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Wie sich der Darstellung in 4 weiterhin entnehmen lässt, ist das Filterelement 1 derart in der Rückführleitung 4a angeordnet bzw. die Rückführleitung 4a ist selbst derart orientiert, dass das Filter 3 mit seiner gestrichelt angedeuteten Längsachse L (vgl. 1 bis 3) gegenüber der Horizontalen H' um einen Winkel β geneigt ist, und zwar vorzugsweise in Richtung der Hauptabgasleitung 4b. Auf diese Weise kann Kondensat, welches sich an bzw. in dem Filter 3 bildet, in Richtung der Hauptabgasleitung 4b ablaufen.
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Wie der 4 außerdem noch zu entnehmen ist, kann das Filterelement 1 mit Hilfe von Befestigungsmitteln 5 in Form von Schellen in die Rückführleitung 4a lösbar integriert sein. Auf diese Weise lässt sich das Filterelement 1 mitsamt Filter 3 ähnlich einer Filterpatrone austauschen, so dass jederzeit eine optimale Filterwirkung erreichbar ist.
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Wie der Fachmann erkennt, ist die Ausgestaltung nach 4 nicht auf die Verwendung des dort gezeigten glattwandigen Filterelements 1 beschränkt. Insbesondere können im Rahmen der Anordnung gemäß 4 wahlweise auch die anhand der 1 bis 3 bereits detailliert erläuterten Filterelemente 1 mit Balgabschnitt 2a zum Einsatz kommen.
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Abschließend sei noch auf eine weitere Besonderheit im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hingewiesen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in 3 exemplarisch dargestellt ist, selbstverständlich aber auch bei alten weiteren Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann. Und zwar handelt sich bei der in 3 mit Bezugszeichen 6 dargestellten Einrichtung um eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Filters 3, insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Die Heizeinrichtung 6 wird über eine Leitung 6a mit vorzugsweise elektrischer Energie versorgt und gibt diese in elektrischer, elektromagnetischer und/oder thermischer Form an das Filter 3 weiter, was in 3 mittels des Pfeils T nur symbolisch dargestellt ist. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 6 als induktive Heizeinrichtung nach Art einer Spule ausgebildet sein, welche in einem metallischen Filtermaterial Ring- oder Wirbelströme oder dergleichen induziert und das Filter 3 entsprechend durch Verlustleistung erwärmt.
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Die Festlegung des Filters 3 innerhalb des Filtergehäuses 2 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung stoffschlüssig (vgl. insbesondere 1 und 2), kraftschlüssig und/oder formschlüssig erfolgen, insbesondere durch Verpressen und/oder Verschweißen.
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Wie der Fachmann erkennt, ist abweichend von der Anordnung in 4, bei der der Abgasteilstrom A zunächst auf die Spitze 3b des Filters 3 trifft, auch die umgekehrte Orientierung des Filters 3 möglich, so dass der Abgasteilstrom A zunächst im Bereich der Basis 3c auf das Filter 3 trifft.
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5 zeigt schematisch im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filterelements 1 mit Filter 3 und Filtergehäuse 2. Das Filter 3 kann derart ausgebildet sein, wie weiter oben anhand der 1 bis 4 exemplarisch beschrieben. Gleiches gilt für die balgartige Ausgestaltung des Filtergehäuses 2 mit den zugehörigen Abschnitten 2a und 2b, wie oben beschrieben. Nachfolgend wird nur auf die wesentlichen Unterschiede der Ausgestaltung gemäß 5 gegenüber den Ausgestaltungen der 1 bis 4 näher eingegangen:
Im Bereich des Filtergehäuses sind axial beiderseits im Anschluss an die glattzylindrischen Bereiche 2b massive Anschlussenden 2c des Filtergehäuses 2 dargestellt, welche endständige Verdickungen 2c' aufweisen, die sich beispielsweise für eine Schellenverbindung mit weiteren Bestandteilen der Abgasanlage eignen, wie schematisch bereits in 4 dargestellt (dort Bezugszeichen 5). Die Verdickungen 2c' können aus Gewichts- und Kostengründen auch als dünnwandige Tiefziehteile ausgebildet sein. Die genannten Anschlussenden 2c sind mit dem restlichen Filtergehäuse 2 im Bereich der Enden 2b des Metallbalgs vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Während das in 5 links dargestellte Anschlussende 2c jedoch stromauf bezogen auf die Abgasströmungsrichtung A an seiner Verbindungsstelle mit dem Metallbalg endet, erstreckt sich das in 5 rechts dargestellte Anschlussende in axialer Richtung nach links über die genannte Verbindungsstelle hinaus und überdeckt somit einen Teil des Balgbereichs 2a – vorliegend etwa die Hälfte, wie in 5 gezeigt. Die axiale Ersteckung des Anschlussendes 2c in den Balgbereich 2a hinein ist in 5 mit dem Bezugszeichen 2c'' bezeichnet und fungiert nach Art eines Flammrohrs, welches durch Schaffung einer Luftspaltisolierung für einen thermischen Schutz des relativ empfindlichen Balgbereichs 2a vor einströmendem heißen Abgas A sorgt. Durch Beabstandung des Flammrohrs 2c'' in radialer Richtung gegenüber dem Balgbereich 2a ergibt sich eine insbesondere angulare und/oder laterale Beweglichkeit der Anordnung, so dass sich Montagetoleranzen und auch Bewegungen (Schwingungen) während des Betriebs ausgleichen lassen.
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Das Flammrohr 2c' kann im Verlauf seiner Längserstreckung eine Querschnittsänderung erfahren, vorliegend eine Querschnittserweiterung in Richtung seines freien Endes. Die hierdurch entstehende Stufe kann zum kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Festlegen des Filters 3 genutzt werden, z. B. mittels eines geeigneten Hülsen-/Befestigungselements 3e, wie in 5 dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht eine quasi beliebige Positionierung des Filters 3, je nach Länge des Flammrohrs 2c', im empfindlichen Balgbereich 2a.
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Die 6 zeigt eine nur leicht veränderte Variante der vorstehend beschriebenen Anordnung gemäß 5. Wesentlich ist hierbei, dass sich das Flammrohr 2c'' bzw. der Flammrohrabschnitt des rechten Anschlussendes 2c in axialer Richtung praktisch über den gesamten Balgabschnitt 2a erstreckt und zu diesem einen relativ großen Radialabstand aufweist, was entsprechend relativ große Bewegungen in angularer und lateraler Richtung ermöglicht. Das Flammrohr 2c'' ist auf seiner radialen Innenseite innerhalb des Balgabschnitts 2a und in axialer Richtung auch darüber hinaus vollständig glatt ausgebildet. Die weiter oben angesprochene Stufe zum Befestigen des Filters 3 findet sich entsprechend außerhalb des Balgbereichs 2a im Bereich der endständigen Verdickung 2c' des rechten Anschlussendes 2c.
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Während des Filter 3 mit seiner Spitze 3b bei der Anordnung gemäß 5 in axialer Richtung nur wenig aus dem Filterelement 1 herausragt, befindet sich bei der Anordnung gemäß 6 aufgrund des in axialer Richtung verschobenen Verbindungsbereichs von Filtergehäuse 2 bzw. Anschlussende 2' und Filter 3 der größte Teil des Filters 3 in axialer Richtung außerhalb des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2. Auf diese Weise lässt sich insbesondere das Filter 3 bei dem Filterelement 1 gemäß 6 möglichst nahe am bzw. sogar im Hauptabgasstrom positionieren, wie weiter oben insbesondere anhand von 4 bereits beschrieben.
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Die Ausgestaltung des Filterelements 1 gemäß 7 entspricht in etwa einer Kombination der Ausgestaltung gemäß 5 und 6. Mit anderen Worten:
Bei der Ausgestaltung gemäß 6 ist die Stufe zum Festlegen des Filters 3 und damit das Filter 3 selbst so weit in axialer Richtung in das Filtergehäuse 2 hinein „verschoben”, dass das Filter nunmehr vollständig innerhalb des Filterelements 1 bzw. des Filtergehäuses 2 angeordnet ist.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 8 ist das Filter nicht – wie in 7 – am rechten Anschlussende 2c des Filtergehäuses 2, das heißt im Bereich des Flammrohrs 2c'' festgelegt, sondern an einer entsprechend am linken Anschlussende 2c hierfür vorgesehenen Stufe. Ansonsten entspricht die Ausgestaltung gemäß 8 vollständig derjenigen gemäß 7.
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Bei der weiteren Ausgestaltung gemäß 9 ist das Flammrohr durch einen Innenliner 2d ersetzt, beispielsweise einen (Agraff-)Wickelschlauch. Der Innenliner 2d ist beiderseits des Balgabschnitts 2a im Bereich der glattzylindrischen Bereiche 2b an dem Filtergehäuse 2 festgelegt, vorzugsweise stoffschlüssig, und überspannt den gesamten Balgabschnitt 2a zwecks Schaffung einer Luftspaltisolierung, um eine thermische Schadenwirkung in diesem Bereich durch das relativ heiße Abgas zu verhindern. Das Filter 3 ist gemäß der Ausgestaltung in 9 im linken Bereich der beschriebenen Anordnung festgelegt und erstreckt sich mit seiner Spitze 3b bis in den gegenüberliegenden Bereich des Filtergehäuses hinein, ragt jedoch nicht aus dem Filtergehäuse 2 bzw. dem Filterelement 1 heraus. Gegebenenfalls noch vorhandene Anschlussenden des Filtergehäuses 2 (vgl. 5 bis 8, dort Bezugszeichen 2c), sind in 9 wie auch in den 1 bis 3 nicht dargestellt.
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Abweichend von der Ausgestaltung gemäß 9 ist gemäß der Ausgestaltung in 10 das Filter 3 derart angeordnet, dass es sich mit seiner Spitze 3b vollständig in axialer Richtung aus dem Filtergehäuse 2 bzw. dem Filterelement 1 heraus erstreckt, vgl. die Anordnung gemäß 6. In diesem Zusammenhang ist im rechten Teil des Filtergehäuses 2 auch ein Anschlussende 2c explizit dargestellt, an dem das Filter 3 festgelegt ist, wie weiter oben unter Bezugnahme insbesondere auf die 5 und 6 detailliert beschrieben wurde. Auch bei der Ausgestaltung gemäß 10 ist zum Schutz des Balgabschnitts 2a ein durchgehender Innenliner 2d vorgesehen.
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Zwischen Flammrohr 2c'' (5 bis 8) bzw. Innenliner 2d (9 und 10) einerseits und dem restlichen Filtergehäuse 2, insbesondere dem Balgabschnitt 2a, andererseits ergibt sich so ein Luftspalt, durch den der Balg vor den relativ hohen Abgastemperaturen geschützt ist.
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Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch mindestens ein Flammrohr und mindestens ein Innenliner in Kombination vorgesehen sein.
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Darüber hinaus können alle weiteren Merkmale der Ausgestaltungen gemäß den 1 bis 3 auch bei den Ausgestaltungen gemäß den 5 bis 10 Verwendung finden. Dies betrifft insbesondere die Gesamtanordnung gemäß 4 oder das Vorsehen einer Heizeinrichtung gemäß 3.
