(57)【要約】  特に内燃機関の排ガスシステムのためのフィルタ装置であって、フィルタ構造体を有しており、該フィルタ構造体は少なくとも１つのフィルタ壁（２２）を有している。該フィルタ壁の、上流側に位置する表面（３２）に、捕集された粒子が堆積する。フィルタ壁（２２）の上流側に位置する表面（３２）が少なくとも所定の領域で平坦ではない（３４）ことが提案される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に内燃機関（１０）の排ガスシステムのためのフィルタ装置（１４）であって、フィルタ構造体（１８）を有しており、該フィルタ構造体は少なくとも１つのフィルタ壁（２２）を有しており、該フィルタ壁の、上流側に位置する表面（３２）に、捕集された粒子が堆積する形式のものにおいて、
フィルタ壁（２２）の上流側に位置する表面（３２）が少なくとも所定の領域で平坦ではない（３４，３８）ことを特徴とするフィルタ装置。
【請求項２】
前記表面（３２）が少なくとも所定の領域で波状の隆起部（３４）を有している、請求項１記載のフィルタ装置。
【請求項３】
波状の隆起部（３４）が三角形状の横断面及び／又は正弦波状の横断面を有している、請求項２記載のフィルタ装置。
【請求項４】
三角形状の横断面を備えた波状の隆起部（３４）において、隆起部の周期（Ｐ）と振幅（Ａ）との間の比が、約１〜３、特に有利には約１〜１．５である、請求項３記載のフィルタ装置。
【請求項５】
正弦波状の横断面を備えた波状の隆起部（３４）において、隆起部（３４）の周期（Ｐ）と振幅（Ａ）との間の比が、約１〜５．６、特に有利には約１〜３．７、さらに有利には１〜２である、請求項３記載のフィルタ装置。
【請求項６】
前記表面（３２）が少なくとも所定の領域で丘陵状の複数の隆起部（３８）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のフィルタ装置。
【請求項７】
フィルタ壁（２２）の平均厚さが、平坦な表面および同じ濾過能力を有するフィルタ壁の厚さとほぼ同じである、請求項１から６までのいずれか１項記載のフィルタ装置。
【請求項８】
フィルタ壁（２２）の少なくとも上流側に位置する表面（３２）が触媒層を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のフィルタ装置。
【請求項９】
少なくとも１つのフィルタ壁が、多孔質かつガス透過性の材料を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のフィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、特に内燃機関の排ガスシステムのためのフィルタ装置であって、フィルタ構造体を有しており、該フィルタ構造体は、開放気泡型の材料から成る少なくとも１つのフィルタ壁を有しており、該フィルタ壁の、上流側に位置する表面に、捕集された粒子が堆積する形式のものに関する。
【０００２】
冒頭で述べた形式のフィルタ装置はドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２８９３６号明細書により公知である。この明細書に示されているフィルタ装置は、ディーゼル内燃機関の排ガスシステムのための粒子フィルタ（パーティキュレイトフィルタ）である。公知のフィルタ装置におけるフィルタ壁は焼結金属から製造されていて、楔状の複数のフィルタポケットが形成されるように配置されている。フィルタポケットの先端で合流している楔縁部は、排ガスの流れ方向とは逆に向いていて、流れ方向で見て後方のフィルタポケットの細い側は開かれている。これらのフィルタポケットは互いに隣り合って配置されていて、全体として回転対称的なリング状のフィルタ構造が形成されるようになっている。運転中排ガスは、フィルタポケットの全体として平坦なフィルタ壁を通り抜ける。この場合、粒子はそれぞれフィルタ壁の上流側に位置する表面で分離する。
【０００３】
公知のフィルタ装置では、フィルタ壁は、多孔性の濾過材料を形成する焼結金属から製造されている。焼結金属フィルタ壁は、堅固な金属から成る支持構造で保持されている。
【０００４】
公知のフィルタ装置では、時間とともにフィルタ壁の上流側に位置する表面に堆積する煤粒子が、フィルタ壁の透過性を低下させ、結果としてフィルタ壁をガス流が通過する際に生じる圧力降下が著しくなる。相応にいわゆる「排ガス対圧」が高まる。この排ガス対圧が所定の値を超過すると、分離された煤粒子を燃焼させてフィルタを再生させる。このためにフィルタ装置を貫通する排ガスの温度が高められる。このことは付加的な燃料の噴射により行われる。
【０００５】
本発明の課題は、フィルタ装置の再生のために必要な付加的な燃料を減じることである。
【０００６】
この課題は、冒頭で述べた形式のフィルタ装置では、フィルタ壁の上流側に位置する表面が少なくとも所定の領域で平坦ではないことにより解決される。
【０００７】
本発明によるフィルタ装置では、従来のフィルタ装置に比べて上流側に位置する表面積が大きい。その結果ここにより大量の粒子が、フィルタ壁の貫流の際に許容できない圧力降下を増大させることなく堆積することができる。その結果として本発明によるフィルタ装置は従来のフィルタ装置ほど頻繁に再生させる必要はないので、再生のために必要な燃料使用量は全体として低減される。
【０００８】
この場合、従来のフィルタ装置との実質的な相違点は、燃料消費のこのような低減が、フィルタ装置の寸法全体を拡大することなしに可能であることにある。粒子の堆積の低減のために使用される面積の拡大は、平坦でない表面の構成によってのみもたらされる、または少なくともほぼ、平坦でない構成の表面によってのみもたらされる。
【０００９】
このことは、上流側に位置する表面が平坦ではなく、従って局所的に、壁全体が位置している平面とは異なる傾斜を有していることによって得られる。このことは特に焼結金属構造では、圧粉体を相応に成形することにより簡単に得られる。本発明により設けられた平坦でない表面の製造には付加的なコストはかからない、または少なくともほぼかからない。
【００１０】
本発明の別の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
【００１１】
まず、前記表面が少なくとも所定の領域で波状の隆起部を有していることが提案される。言い換えると、表面の傾斜は、壁全体が位置している平面の傾斜とは１つの方向でのみ異なっていて、この方向に対して直交方向では表面の傾斜は、平坦でない領域でも、壁全体が位置している平面の傾斜に相応している。このような形式の表面形状は特に、焼結金属から成るフィルタ壁では大きなコストをかけることなく製造することができる。
【００１２】
波状の隆起部が三角形状の横断面及び／又は正弦波状の横断面を有しているならば、コストをさらに減じることができる。
【００１３】
この場合、三角形状の横断面を備えた波状の隆起部において、隆起部の周期と振幅との間の比が、約１〜３、特に有利には約１〜１．５である。１〜１．５の比の値の場合、捕集された粒子の堆積のために提供される表面積は５０％拡大される。１．５〜３の比の値の場合でも、少なくとも２５％は拡大される。
【００１４】
同様に、正弦波状の横断面を備えた波状の隆起部において、隆起部の周期と振幅との間の比が、約１〜５．６、特に有利には約１〜３．７、さらに有利には１〜２であることが提案される。５．６の比の値が５．６でも、２５％の有効表面積の拡大が得られる。３．７の値では、約５０％も拡大され、２の値では２倍以上である。しかしながら、前記表面が少なくとも所定の領域で丘陵状の複数の隆起部を有していても良い。これにより、フィルタ装置の全体寸法は同じで、平坦な壁よりも有効表面積をさらに著しく拡大することができる。
【００１５】
フィルタ壁の平均厚さが、平坦の表面および同じ濾過能力を有するフィルタ壁の厚さとほぼ同じであるならば、必要な使用材料を増加させることなく、かつ本発明によるフィルタ装置を従来のフィルタ装置よりも重くすることなく表面積を拡大することができ、結果として燃料消費を僅かにすることができる。これにより使用材料が減じられるので製造コストも減じられる。
【００１６】
フィルタ壁の少なくとも上流側に位置する表面が触媒層を有しているならば特に有利である。大きな表面積により例えばフィルタ装置の再生の際の触媒効果も強化される。
【００１７】
図面
以下に本発明の特に有利な実施例を添付の図面につき詳しく説明する。
【００１８】
図１は、フィルタ装置を備えた内燃機関を概略的に示していて、
図２は、フィルタ壁によって制限された複数のフィルタポケットを備えた図１のフィルタ装置を示していて、
図３は、図２のフィルタ装置の一部を示していて、
図４は、図２のフィルタ壁の、上流側に位置する表面の第１実施例を示していて、
図５は、第２実施例を示す図４と同様の図であって、
図６は、第３実施例を示す図４と同様の図であって、
図７は、第４実施例を示す図４と同様の図であって、
図８は、第５実施例を示す図４と同様の図であって、
図９は、図５の実施例の表面積と平坦な表面積との比を種々様々な振幅と周期で示したグラフであって、
図１０は、図４の実施例の表面積に関する図４と同様のグラフである。
【００１９】
実施例の説明
図１では内燃機関が符号１０で示されている。排ガスは排ガス管１２を介して導出され、この排ガス管１２内にはフィルタ装置１４が配置されている。フィルタ装置１４によって、排ガス管１２内に流れる排ガスの煤粒子が濾過される。これは特に、法的な基準を守るためにディーゼル内燃機関において必要である。
【００２０】
フィルタ装置１４は円筒状のケーシング１６を有しており、該円筒状のケーシング１６内には、この実施例では回転対称的な、全体としては同様に円筒状のフィルタ構造体１８が配置されている。フィルタ構造体１８は楔状の多数のフィルタポケットを有しており、図２ではそのうちの１つだけが符号２０で示されている。このフィルタポケットとこれに隣接するフィルタポケットとが図３に再度拡大して示されている。
【００２１】
各楔状のフィルタポケット２０は２つの側方のフィルタ壁２２ａ，２２ｂを有している。フィルタポケット２０のフィルタ壁２２ａ，２２ｂの、ケーシング１６の入口２４に面した、図２及び図３では左側に示された前縁部は互いに結合されていて、フィルタポケット２０のフィルタ壁２２ａ，２２ｂの、ケーシング１６の出口２６に面した、図２及び図３では右側のもしくは後方の縁部は互いに離間されている。これによりフィルタポケット２０の楔形状が形成される。フィルタポケット２０は半径方向内側および半径方向外側に対しては、全体として三角形状のフィルタ壁区分２２ｃ，２２ｄによって閉じられている。
【００２２】
フィルタポケット２０はこの実施例では、中央の通路状の流れ室２８の周りにリング状に配置されていて互いにシールされている。流れ室２８は図２では後方の見えていない端部でシールプレートによって閉じられている。ケーシング１６に対しては、フィルタ構造体１８は同様に、図２では後端部の領域で詳しく図示されていないシール装置によってシールされている。
【００２３】
フィルタポケット２０を、そして最終的にはフィルタ構造体１８を形成するフィルタ壁２２は燒結金属を主体として製造されている。フィルタ構造体１８は、開放気泡型のガス透過性構造であって、ガス流がフィルタ壁２２を貫通する際にガス流から煤粒子を捕集する。相応のガス流が図３では矢印３０によって略示されている。浄化されたガス流は、図２及び図３では右側もしくは後方に示された開放端部からフィルタポケット２０を出る。
【００２４】
フィルタ装置１４の運転中、ガス流から捕集された煤粒子は、フィルタ壁２０の、ガス流３０の方向で見てフィルタ壁２０を上流側で制限している表面に堆積する。この表面は図３では例としてフィルタ壁２２ｂにおいて符号３２で示されている。フィルタ壁２２は全体としてはまっすぐであるが、起伏を有している。起伏のあり得る構成が図４〜図８に詳しく示されている。図４に示されている第１の構成では、フィルタ壁２２の、上流側に位置している表面３２が、平行の波状の多数の隆起部３４を有している。この隆起部３４は正弦波状の横断面を有している。表面３２の傾斜は、図４に示した構成ではＹ方向だけで変化しており、Ｘ方向では変化していない。
【００２５】
図５に示されている別の構成は、同様に波形の隆起部３４を有しているが、これは三角形状の横断面を有している。この場合も、表面３２の傾きはＹ方向だけでなくＸ方向でも変化している。
【００２６】
図５の変化実施例が図６に示されている。この場合も、三角形状の横断面を有して波状の隆起部３４が設けられているが、互いに直接的には結合されておらず、これらの隆起部の間に、波形の隆起部３４に対して平行な平坦な領域３６が設けられている。
【００２７】
表面３２のさらに別の構成が図７に示されている。この表面３２は多数の丘陵状の隆起部３８を有している。これらの隆起部３８は例えば円錐状、ピラミッド状、尖端状、丸く面取りされた形状であって良い。
【００２８】
図８には、従来のフィルタ壁の表面が符号４０で示した点線によって示されている。図８に示した実施例では、フィルタ壁２２の平均的な厚さが従来の平坦なフィルタ壁２２の厚さにほぼ相当するような高さであるように、丘陵状の隆起部３８の高さと、これらの丘陵状の隆起部３８の間にある「谷部」４２の深さが決められている。
【００２９】
図９には、フィルタ壁２２の図５に示した実施例の表面３２における、周期Ｐ（ピッチ）および振幅Ａ（高さ）に関する商Ｑが示されている。この商Ｑは、図５の非平坦な表面３２において煤粒子の堆積のために提供される有効面積Ｆunevenと、従来の平坦な表面において提供される面積Ｆeven（平面図では同じ面積である）とから成っている。既に周期０．８ｍｍおよび振幅０．３ｍｍで１２５％の商Ｑが得られ、周期０．５ｍｍおよび振幅０．３ｍｍで１５０％の商が得られることがわかる。
【００３０】
同様のグラフが図１０に示されているが、これは波状の隆起部３４が正弦波状の横断面を有している図４の実施例を示したものである。この場合、振幅Ａ０．３ｍｍで、既に周期Ｐ１．７ｍｍで１２５％の商Ｑが得られ、振幅Ａ０．３ｍｍ、周期Ｐ１．１ｍｍで１５０％の商Ｑ、振幅Ａ０．３ｍｍ、周期Ｐ０．７ｍｍで２００％の商、即ち２倍の有効面積が得られる。
【００３１】
周期Ｐは表面構造において有利には０．３〜３ｍｍであって、振幅Ａは有利には０．１〜０．３ｍｍである。
【００３２】
フィルタ装置は焼結金属フィルタまたは、同様に多孔質のフィルタ媒体を有した比較可能なセラミックフィルタであって良い。
【００３３】
出発物質として、焼成金属フィルタの場合は金属パウダもしくはセラミックフィルタの場合はセラミックパウダを使用することができる多孔質のフィルタ媒体は、フィルタの製造時に、例えば編まれた金属材料またはエキスパンディットメタルのような堅固な金属支持体、もしくはセラミックフィルタの場合は比較可能なセラミック繊維層に取り付けられていて、熱作用下で金属支持体もしくはセラミック支持体に結合される。この場合、多孔質のフィルタ媒体は、フィルタ表面が３次元的な形状、即ち、上述したような、もしくは丘陵、谷を有するように支持体に結合される。この場合、表面構造のための周期が、支持構造の周期と同じであるように選択されると有利である（例えば編まれた金属材料の場合）。もしくは、支持構造の周期が、表面構造の調節したい周期に応じて選択されると有利である。従って谷状部は網構造の隙間に、丘陵状部は編まれた構造もしくは支持構造の結合繊維上に配置することができる。
【００３４】
本発明によるフィルタ装置は焼結金属またはセラミックとは別の材料から構成することもできる。例えば金属フォームまたはセラミックフォーム、または繊維複合材料、特にメタルファイバから構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】フィルタ装置を備えた内燃機関を概略的に示した図である。
【図２】フィルタ壁によって制限された複数のフィルタポケットを備えた図１のフィルタ装置を示した斜視図である。
【図３】図２のフィルタ装置の一部を示した図である。
【図４】図２のフィルタ壁の、上流側に位置する表面の第１実施例を示した概略図である。
【図５】第２実施例を示す図４と同様の図である。
【図６】第３実施例を示す図４と同様の図である。
【図７】第４実施例を示す図４と同様の図である。
【図８】第５実施例を示す図４と同様の図である。
【図９】図５の実施例の表面積との平坦な表面積との比を種々様々な振幅と周期で示したグラフである。
【図１０】図４の実施例の表面積に関する図４と同様のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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