WO1993014304A1 - Russfilter für verbrennungs-, insbesondere dieselmotoren - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a soot filter for combustion, in particular diesel engines according to the preamble of claim 1.
  • soot is collected on the upstream channel walls, which burns there at high temperatures to clean the channel walls. Due to the burning off and the associated different temperature distribution over the filter volume, the filter material is subjected to extremely different thermal loads, which can lead to mechanical destruction of the filter material. This applies particularly to ceramic as a filter material.
  • soot filter with a cylindrical shape is considered below.
  • the soot particles to be separated accumulate in the inlet channels on the connecting walls there to the outlet channels.
  • a combustion process begins in the soot particle layer, by means of which the filter is freed of the deposited soot. This process is referred to as regeneration of the filter.
  • the combustion temperatures are very high and are around 2400 degrees C.
  • the exhaust gas temperature is approx. 250 - 600 degrees C relatively low.
  • exhaust gas continues to flow through the particle layer, the heat of combustion being largely absorbed by the exhaust gas and transported through the channel walls to the outflow side of the filter.
  • heat also passes directly into the channel walls. Because of the much lower temperature of the exhaust gas compared to the temperature of the burning particle layer and because of the large amounts of exhaust gas that pass through the individual channel walls, the heat removal by the exhaust gas can be referred to as cooling of the channel walls.
  • the flow through the filter body usually takes place in such a way that the particle deposits are unevenly strong over the cross section, the deposits usually being larger in the middle than in the peripheral zones. This results in an uneven temperature distribution during the burning process with maximum values of approximately 1200 degrees C in the area of the cylinder axis and lower values down to 200-400 degrees C in the outer zone. This drop in temperature is exacerbated by heat losses to the environment.
  • the combustion process usually begins near the inflow side of the filter and propagates in the longitudinal direction. The burning rate decreases as the incoming exhaust gas escapes through the already burned channel walls instead of through the particle layer, thereby reducing the oxygen supply. At the same time, however, the cooling of the combustion zone also decreases. In addition, the particle deposits on the outflow side are stronger.
  • the greatest thermal load on the channel walls occurs in the last phase of a filter regeneration and essentially stresses the channel walls close to the stopper on the outflow side serving as channel closures.
  • the temperature-related deformations correspond to the temperature distribution.
  • the hot inner area expands radially against the resistance of the less strongly heated edge zone. Accordingly, compressive stresses occur on the inside, tensile stresses on the outside in tangential and also axial directions.
  • the area provided with sealing plugs is not heated directly and therefore behaves like an edge zone.
  • the cross-sectional shape of the channels is important when considering the thermal stress and its consequences on the mechanical strength. For example, square channel cross sections that have been frequently used so far are unfavorable. Such filters have, in particular, very different strengths under radial loading, depending on whether the loading is directed parallel to the walls or not. There can therefore be up to seven-fold differences in strength.
  • such an anisotropy property causes an uneven expansion in the radial direction (“cloverleaf” shape) and consequently leads to a deformation of the originally square channel cross sections to form rhombuses. This results in a bending load on the channel walls.
  • the invention is concerned with creating a further improvement in this regard.
  • FIG. 1 shows a section through an essentially schematically illustrated cylindrical soot filter
  • Fig. 3 is an enlarged schematic representation of a
  • FIG. 4 shows an alternative channel arrangement in a representation according to FIG. 3.
  • the soot filter according to FIG. 1 has a cylindrical housing 1, into which a cylindrical filter body 2 made of porous ceramic with rectilinear inlet and outlet ducts 4, which are mutually closed at the ends, is inserted.
  • the hexagonal channel cross sections marked with crosses represent the inlet channels 3 and the white channel cross sections represent the outlet channels 4. It is important for the function according to the invention that channels 3 or 4 of the same type are arranged adjacent to one another in a plane perpendicular to the channel axes on line sections 5, 6.
  • the arrangement of the channels 3, 4 according to FIG. 2 b is particularly expedient. Then the individual channels lie in the cross-sectional planes of the filter in each case on approximately concentric circles 5 to 10, the channel type changing from circle to circle.
  • This arrangement is particularly expedient in relation to the temperature load described at the outset and the mechanical load on the filter body resulting therefrom.
  • the channel walls 11 not flowed through are blackened in each case. All other channel walls 12 are flowed through and hatched. As can be clearly seen, these extend practically radially outward from the central axis of the cross section of the filter body, whereby they lie circumferentially on concentric circles.
  • FIG. 4 Another also particularly favorable channel arrangement is shown in FIG. 4, in which the display bolik corresponds to that of FIG. 3. In the execution there lie the channel walls 11 not flowed through again essentially aligned in concentric circles, but in this case tangential to them. This is achieved by the mutual assignment of the inlet and outlet channels shown in that FIG.
  • the wall thicknesses of the through-flow and non-through-flow channel walls 11 can be designed differently, depending on the mechanical loads to which they are exposed.

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Abstract

Ein Rußfilter für Verbrennungs-, insbesondere Dieselmotoren mit nebeneinander liegenden von porösem Material getrennten im wesentlichen geradlinig verlaufenden Kanälen, die an ihren Enden zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen wechselseitig verschlossen sind und sechseckförmigen Querschnitt aufweisen, soll festigkeitsmäßig verbessert werden. Das gilt insbesondere für die axialen Endbereiche des Filters und Verwendung von Keramik als porösem Material. Zu diesem Zweck ist ein solches Rußfilter wie folgt ausgebildet: (a) die Anzahl der Ein- und Auslaßkanäle ist im wesentlichen gleich, (b) allseits von Nachbarkanälen umschlossene Kanäle besitzen vier durchströmte und zwei nicht durchströmte Kanalwände, (c) Kanäle gleicher Art reihen sich in Ebenen senkrecht zu den Kanalachsen zumindest abschnittsweise linienförmig aneinander, (d) die nicht durchströmten Wände eines Kanalquerschnittes liegen jeweils diametral gegenüber. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung sind die nicht durchströmten Kanalwände auf im wesentlichen konzentrischen Kreisen angeordnet.

Description

Rußfilter für Verbrennungs-, insbesondere Dieselmotoren
Die Erfindung betrifft ein Rußfilter für Verbrennungs-, ins¬ besondere Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs 1.
Bei derartigen Filtern wird auf den anströmseitig liegenden Kanalwänden Ruß angesammelt, der dort bei hohen Temperaturen zur Abreinigung der Kanalwände abgebrannt wird. Durch das Abbrennen und einer damit verbundenen unterschiedlichen Tem¬ peraturverteilung über das Filtervolumen ist das Filterma¬ terial thermisch äußerst unterschiedlich belastet, wodurch es zu mechanischer Zerstörung des Filtermaterials kommen kann. Das gilt insbesondere bei Keramik als Filtermaterial.
Zur Erklärung der thermisch ungleichen Belastung der einzelnen Filterpartien wird nachfolgend ein Rußfilter mit zylindrischer Form betrachtet.
Die abzutrennenden Rußpartikel lagern sich in den Eingangs¬ kanälen an den dortigen Verbindungswänden zu den Auslaßkanälen an. Sobald ein in bezug auf eine ausreichende Temperatur und eine genügende Menge an Sauerstoff geeigneter Zustand erreicht ist, setzt ein Verbrennungsvorgang in der Rußpartikelschicht ein, durch den das Filter von dem abgelagerten Ruß befreit wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als Regeneration des Fil¬ ters. Die Verbrennungste peraturen sind sehr hoch und liegen bei etwa 2400 Grad C. Die Abgastemperatur ist dagegen mit ca. 250 - 600 Grad C relativ niedrig. Während des Verbrennungsvor¬ ganges durchströmt weiterhin Abgas die Partikelschicht, wobei die Verbrennungswärme zum größten Teil vom Abgas aufgenommen und durch die Kanalwände zur Ausströmseite des Filters trans¬ portiert wird. Daneben geht auch Wärme direkt in die Kanalwän¬ de über. Wegen der sehr viel niedrigeren Temperatur des Ab¬ gases gegenüber der Temperatur der verbrennenden Partikel¬ schicht und wegen der großen Abgasmengen, die die einzelnen Kanalwände passieren, kann die Wärmeabfuhr durch das Abgas als Kühlung der Kanalwände bezeichnet werden.
Die Durc Strömung des Filterkörpers erfolgt meist derart, daß die Partikelablagerungen über den Querschnitt ungleichmäßig stark sind, wobei üblicherweise die Ablagerungen in der Mitte größer als in den Randzonen sind. Daraus resultiert während des Abbrennvorganges eine ungleichmäßige Temperaturverteilung mit Höchstwerten von ca. 1200 Grad C im Bereich der Zylin¬ derachse und niedrigeren Werten bis hinunter auf 200 - 400 Grad C in der Außenzone. Dieser Temperaturabfall wird noch durch Wärmeverluste an die Umgebung verstärkt. Der Verbren¬ nungsvorgang setzt meist nahe der Einströ seite des Filters ein und pflanzt sich in Längsrichtung fort. Dabei nimmt die Abbrenngeschwindigkeit ab, da einströmendes Abgas zunehmend durch die schon frei gebrannten Kanalwände anstatt durch die Partikelschicht entweicht und dadurch die Sauerstoffversorgung reduziert. Gleichzeitig läßt jedoch auch die Kühlung der Ver¬ brennungszone nach. Dazu kommt, daß die Partikelablagerungen zur Ausströmseite hin stärker sind. Infolgedessen tritt die stärkste thermische Belastung der Kanalwände in der letzten Phase einer Filterregeneration auf und beansprucht im wesent¬ lichen die Kanalwände dicht vor den ausströmseitigen als Ka- nalverSchlüsse dienenden Stopfen. Die temperaturbedingten Verformungen entsprechen der Tempera¬ turverteilung. Der heiße innere Bereich dehnt sich radial ge¬ gen den Widerstand der weniger stark erwärmten Randzone. Dem¬ entsprechend treten innen Druckspannungen, außen Zugspannungen in tangentialer und auch axialer Richtung auf. Auch der mit Verschlußstopfen versehene Bereich wird nicht direkt erwärmt und verhält sich daher wie eine Randzone.
Wichtig bei der Betrachtung der thermischen Beanspruchung und deren Folgen auf die mechanische Festigkeit ist u.a. die Quer¬ schnittsform der Kanäle. Ungünstig sind beispielsweise bisher häufig eingesetzte quadratische Kanalquerschnitte. Solche Fil¬ ter weisen eine insbesondere stark unterschiedliche Festigkeit bei radialer Belastung auf, je nach dem, ob die Belastung pa¬ rallel zu den Wänden gerichtet ist oder nicht. Es können daher bis zu siebenfache Festigkeitsunterschiede auftreten. Bei der vorstehend beschriebenen thermischen Verformung bedingt eine solche Anisotropie-Eigenschaft eine ungleichmäßige Ausdehnung in radialer Richtung ("Kleeblatt"-Form) und führt demzufolge zu einer Verformung der ursprünglich quadratischen Kanalquer¬ schnitte zu Rhomben. Daraus resultiert eine Biegebelastung der Kanalwände. Der mit Verschlußstopfen versehene Endbereich hat allerdings isotrope Festigkeitseigenschaften, da die "Fächer" des "Fachwerks" ausgefüllt sind. Daher entsteht am Übergang von freien Kanälen zu den jeweils verschlossenen Endbereichen, also dort, wo die verschiedenen Verformungsarten aufeinander¬ treffen und ausgeglichen werden müssen, eine komplexe Bela¬ stung aus Biegung und Scherbelastung der Wände. Folgerichtig treten daher- in diesen häufig mechanische Schäden an Keramik¬ filtern auf. In bezug auf die vorstehend beschriebenen aniso¬ tropen Festigkeits- und Verformungseigenschaften bringt die Verwendung von Kanälen mit sechseckigen Querschnitten, wie sie an sich bereits unter anderem aus EP-B-0089751 bekannt ist, schon eine deutliche Verbesserung. Durch eine derartige Kanal- querSchnittsform lassen sich nämlich bereits günstigere Isotropie-Eigenschaften erzielen, durch die sich die Biegebe¬ lastung der Kanalwände sowie die kombinierte Biege- und Schub¬ belastung in der Ubergangszone von freien zu verschlossenen Kanälen reduzieren lassen. Festigkeitsmäßig nicht günstig sind bei den vorbekannten Filterausführungen mit sechseckigen Ka¬ nalquerschnitten allerdings die Kanalverteilung in den senk¬ recht zu den Kanalachsen verlaufenden Filter-Querschnitts- ebenen.
Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung damit, in dieser Beziehung noch eine weitere Verbesserung zu schaffen.
Gelöst wird dieses Problem durch eine Ausbildung eines Ru߬ filters nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser grund¬ sätzlichen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei sechseckförmigen Kanalquerschnitten läßt sich keine Anord¬ nung finden, bei der alle Kanalwände durchströmt werden. Bei einem Verhältnis der Anzahl von durchströmten zu undurch- strömten Wänden von 2:1 gibt es in jeder Kanalzelle Wände mit verschiedener thermischer Belastung, da die Ablagerungs-, Re- generations- und Kühlvorgänge unterschiedlich sind. Diese lo¬ kal unterschiedlichen Beanspruchungen bedingen lokale Deforma¬ tionen, die wiederum in ungünstigen Fällen zu einer Struktur¬ schädigung führen können. Sind die Einlaß- und Auslaßkanäle erfindungsgemäß derart gegeneinander ausgerichtet, daß in den einzelnen Kanälen die zwei nicht durchströmten Wände diametral gegenüber liegen, so können sich die Kanalzellen zwar oval verformen, nicht jedoch zu_ einem schiefen Sechseck, was festigkeitsmäßig besonders ungünstig wäre. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen im wesentlichen schema¬ tisch dargestellten zylindrischen Rußfilter,
Fig. 2a-d verschiedene Kanalanordnungen in einem Filterkör¬ per im Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung einer
Kanalanordnung nach dem in Fig. 2b im Querschnitt gezeigten Filterkörper,
Fig. 4 eine alternative Kanalanordnung in einer Darstel¬ lung nach Fig. 3.
Das Rußfilter nach Fig. 1 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1, in das ein zylindrischer Filterkörper 2 aus poröser Keramik mit wechselseitig an den Enden verschlossenen parallel zuein¬ ander verlaufenden geradlinigen Ein- 3 und Auslaßkanälen 4 eingesetzt ist.
In der Fig. 2 sind verschiedene über den Querschnitt des Fil¬ terkörpers verteilte Kanalanordnungen dargestellt.
Die mit Kreuzen markierten sechseckigen Kanalquerschnitte stellen jeweils die Einlaß- 3 und die weißen Kanalquerschnit¬ te die Auslaßkanäle 4 dar. Wichtig für die erfindungsgemäße Funktion ist jeweils, daß Ka¬ näle 3 oder 4 gleicher Art in einer Ebene senkrecht zu den Kanalachsen auf Linienabschnitten 5,6 verlaufend benachbart angeordnet sind.
Besonders zweckmäßig ist die Anordnung der Kanäle 3,4 nach Fig. 2b. Danach liegen die einzelnen Kanäle in den Quer¬ schnittsebenen des Filters jeweils auf etwa konzentrischen Kreisen 5 bis 10, wobei von Kreis zu Kreis die Kanalart je¬ weils wechselt. Diese Anordnung ist in bezug auf die eingangs beschriebene Temperaturbelastung und die daraus resultierende mechanische Belastung des Filterkörpers besonders zweckmäßig. Dies läßt sich recht anschaulich an der vergrößerten Darstel¬ lung der Kanalanordnung von Fig. 2b in Fig. 3 erläutern. Je¬ weils geschwärzt sind in der Darstellung nach Fig. 3 die nicht durchströmten Kanalwände 11. Alle übrigen Kanalwände 12 sind durchströmte Wände und schraffiert dargestellt. Wie sich gut erkennen läßt, erstrecken diese sich praktisch radial von der Mittelachse des FilterkörperquerSchnittes nach radial außen, wobei sie umfangsmäßig auf konzentrischen Kreisen liegen. Bei der eingangs ausführlich erläuterten der Erfindung zugrunde¬ liegenden Problematik besitzt eine solche radiale Anordnung der nicht durchströmten Kanalwände einen erheblichen Vorteil und zwar wegen der mittenbetonten Partikelbeladung des Fil¬ terkörpers, durch die eine entsprechende radiale Ausdehnung verursacht wird. Mit Rücksicht auf den verbleibenden Kanal¬ querschnitt und auf Fertigungserfordernisse lassen sich bei dieser Ausgestaltung die Kanalwände und deren Wanddicken opti¬ mal auf die im wesentlichen konzentrische mechanische Be¬ lastung einstellen.
Eine andere ebenfalls besonders günstige Kanalanordnung zeigt die Fig. 4, in der die Darstellungssy bolik mit derjenigen nach Fig. 3 übereinstimmt. Bei der dortigen Ausführung liegen die nicht durchströmten Kanalwände 11 wiederum im wesentlichen auf konzentrischen Kreisen, aber in diesem Falle tangential zu diesen ausgerichtet. Dies wird durch die in jener Fig. darge¬ stellte gegenseitige Zuordnung der Ein- und Auslaßkanäle er¬ reicht.
Erfindungsgemäß können die Wanddicken der durchströmten 12 und nicht durchströmten Kanalwände 11 unterschiedlich ausgeführt sein und zwar je nach den mechanischen Belastungen, denen sie jeweils ausgesetzt sind.
Bei der Ausführu-ng nach Fig. 3 ist es vorteilhaft, den nicht durchströmten Wänden 11 eine größere Wanddicke zu geben.
Auch bei der Anordnung der Kanäle nach Fig. 4 empfiehlt es sich, die Dicke der nicht durchströmten Kanalwände 11 größer zu gestalten als die der durchströmten 12. Damit kann gege¬ benenfalls einer anderen Kombination von Radial- und Tangen- tialspannungen Rechnung getragen werden, wie sie sich bei einem Filter mit grüßere Durchmesser (demzufolge auch grö¬ ßeren Spannungen im Außenbereich) einstellen könnte.

Claims

Patentansprüche
1. Ru filter für Verbrennungs-, insbesondere Dieselmotoren mit nebeneinander liegenden von porösem Material getrennten im wesentlichen geradlinig parallel verlaufenden Kanälen, die an ihren Enden zur Bildung von Ein- und Auslaßkanälen wechsel¬ seitig verschlossen sind und sechseckförmigen Querschnitt be¬ sitzen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h d i e M e r k ¬ m a l e :
(a) die Anzahl der Ein- (3) und Ausströmkanäle (4) ist im wesentlichen gleich,
(b) allseits von Nachbarkanälen umschlossene Kanäle besitzen in der Regel jeweils vier durchströmte (12) und zwei nicht durchströmte Kanalwände (12) ,
(c) Kanäle gleicher Art reihen sich in Ebenen senkrecht zur Längsachse der Kanäle zumindest abschnittsweise linienförmig aneinander,
(d) die nicht durchströmten Kanalwände (11) liegen je Kanal¬ querschnitt in der Regel jeweils diametral gegenüber.
2. Ruß filter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die nicht durchströmten Kanalwände (12) in Ebenen senk¬ recht zur Längsachse der Kanäle auf im wesentlichen konzentri¬ schen Kreisen (5 bis 10) bzw. Vielecken angeordnet sind.
3. Rußfilter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vielecke Sechsecke sind.
4. Rußfilter nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die nicht durchströmten Kanalwände (11) im wesentlichen radial zur Filterquerschnittsmittelachse ausgerichtet sind.
5. Ruß filter nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf den konzentrischen Kreisen (6 bis 10) bzw. Vielecken jeweils nur Ein- oder Auslaßkanäle liegen und daß die Art der Kanäle von Kreis zu Kreis abwechselt.
6. Rußfilter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die auf im wesentlichen konzentrischen Kreisen liegenden nicht durchströmten Kanalwände (11) tangential zu diesen Krei¬ sen verlaufen.
7. Rußfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die durchströmten (12) und nicht durchströmten Kanalwände (11) ihren jeweiligen Beanspruchungen entsprechend unter¬ schiedliche Wanddicken besitzen.
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