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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung mindestens eines
Bereichs einer Filterstruktur für
ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 102 42 303
A1 ist eine Abgasreinigungsanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine
bekannt, welche im Abgassystem eine Filtereinrichtung aufweist,
mit der Rußteilchen
aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden können. In der
DE 10 2004 024 994 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Filterstruktur beschrieben,
die für
eine solche Filtereinrichtung verwendet wird. Bei diesem Verfahren
werden Teilungskörper
als Suspension in mindestens einen Teil der Poren der Filterstruktur
eingebracht. Hierdurch kann der effektive Durchmesser besonders
großer
Poren deutlich reduziert werden, was eine Steigerung des Filterwirkungsgrades,
insbesondere des Initialwirkungsgrades (nach Filterregenration),
bewirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so weiter zu bilden, dass es eine möglichst
gleichmäßige Einbringung
der Teilungskörper
in die Filterstruktur gestattet, und dass möglichst kleine Teilungskörper in die
Filterstruktur eingebracht werden können.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Wesentliche
Merkmale der Erfindung finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden
Beschreibung und in der Zeichnung. Dabei sei an dieser Stelle darauf
hingewiesen, dass diese Merkmale auch in ganz unterschiedlichen
Kombinationen für
die Erfindung wesentlich sein können,
ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Indem
die Suspension in einer Gasströmung vorliegt,
welche durch die Filterstruktur hindurchgeleitet wird, ähnlich dem
später
von der Filterstruktur zu reinigenden Abgas, wird gewährleistet,
dass die Teilungskörper
gleichmäßig und
insbesondere in den besonders großen Poren der Filterstruktur
abgelagert werden, was zu einer schmalbandigen Porengrößenverteilung
führt.
Dabei wird zwar die Anzahl der großen Poren verringert, die Gesamtporosität jedoch
im wesentlichen nicht verändert.
Letztlich wird hierdurch vor allem der anfängliche Filtrationswirkungsgrad
erhöht,
und es wird im Betrieb der Abgasgegendruck abgesenkt, was wiederum
den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
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Viele
Gesamt-Filterstrukturen sind aus einer Mehrzahl länglicher
Filtertaschen mit dreieckigem Querschnitt zusammengesetzt. Diese
Filtertaschen weisen wiederum Filterwände auf, welche aus einem blattförmigen Filtermaterial
hergestellt sind, wobei als Filtermaterial beispielsweise Sintermetall
in Frage kommt, welches eine offenporige Filterstruktur bildet. Eine
gute Verteilung der Teilungskörper
in der Filterstruktur wird bei blatt- oder taschenförmigen Einzelstrukturen
bei gleichzeitig kurzer erforderlicher Verfahrensdauer erzielt,
wenn der Massendurchsatz der Gasströmung ungefähr 5 Kilogramm pro Stunde beträgt. Bei
einer Gesamt-Filterstruktur hat sich ein Massendurchsatz von ungefähr 50 Kilogramm
Luft pro Stunde bewährt.
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Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass die Suspension über eine Zerstäubereinrichtung,
insbesondere ein Hochdruckeinspritzventil, einen Kapillarrohrzerstäuber oder
einen Cross-Flow-Zerstäuber,
in die Gasströmung
eingebracht wird. Als Kapillarrohrzerstäuber kommt beispielsweise ein
Meinhard-Zerstäuber
in Frage. Mit derartigen Zerstäubereinrichtungen
wird die Suspension als feines Spray in den Strömungskanal eingebracht, in
dem das Gas strömt,
und mit einem solchem „Nassverfahren" können Teilungskörper bis herab
zu einer Größe von ungefähr 25 nm
in die Poren der Filterstruktur eingebracht werden.
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Als
besonders günstig
hat sich herausgestellt, wenn die Suspension ungefähr 8 bis
12 Gewichtsprozent, insbesondere ungefähr 10 Gewichtsprozent Edelkorund
(α-Al2O3) und ungefähr 4 bis
6 Gewichtsprozent, insbesondere ungefähr 5 Gewichtsprozent Essigsäure enthält, jeweils
bezogen auf die Gesamtmasse der Suspension.
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Der
Suspension kann ein Bindermaterial zugesetzt werden, wodurch die
Haltbarkeit der Teilungskörper
auf der Filteroberfläche
verbessert wird. Als Bindermaterial kommt insbesondere Böhmit (γ-AlO(OH))
in Frage. Dabei wird eine besonders gute Haftung der Teilungskörper an
der Filterstruktur bei gleichzeitig günstiger Verteilung der Teilungskörper dann
erzielt, wenn die Suspension das Bindermaterial mit einem Massenanteil
an der Gesamtsuspension von ungefähr 3 bis 4 Gewichtsprozent,
insbesondere ungefähr
3,3 Gewichtsprozent enthält.
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Eine
weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass es vor dem Einbringen der Suspension den Schritt
umfasst: Ausheizen der Filterstruktur bei einer Temperatur von ca.
600 bis 700°C,
insbesondere bei ungefähr 650°C, für ungefähr 25 bis
35 Minuten, insbesondere ungefähr
30 Minuten. Analog hierzu kann nach dem Einbringen der Suspension
die Filterstruktur bei einer Temperatur von ca. 600 bis 700°C, insbesondere
bei ungefähr
650°C, für ungefähr 25 bis
35 Minuten, insbesondere ungefähr
30 Minuten ausgeheizt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zum Nachbehandeln einer Filterstruktur;
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2 einen
seitlichen Schnitt durch eine Zerstäubereinrichtung der Vorrichtung
von 1;
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3 ein
Detail III von 2;
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4 eine
Darstellung ähnlich 2 einer alternativen
Ausführungsform
einer Zerstäubereinrichtung;
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5 ein
Detail V von 4;
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6 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Nachbehandeln einer Filterstruktur.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Eine
Vorrichtung zum Nachbehandeln einer Filterstruktur einer Filtereinrichtung
für ein
Abgassystem einer Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Die Filtereinrichtung ist in 1 mit 12 bezeichnet,
ein zugehöriges
Gehäuse mit 13.
Auch wenn dies in 1 nicht im Einzelnen dargestellt
ist, so umfasst die Filtereinrichtung 12 eine Mehrzahl
länglicher
Filtertaschen mit dreieckigem Querschnitt, die nebeneinander so
angeordnet sind, dass eine insgesamt längliche und rotationssymmetrische
Filterstruktur 14 gebildet wird. Die Filtertaschen weisen
wiederum Filterwände
auf, welche aus Sintermetall hergestellt sind und so die offenporige
Filterstruktur 14 bilden. Eine Filtertasche kann beispielsweise
dadurch hergestellt werden, dass zunächst ein Metallgewebe oder
Streckmetall die Grundstruktur bildet, deren Maschen beispielsweise durch
Metallpulver, Sintern, Stanzen, Umformen oder Schweißen aufgefüllt werden.
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Um
den effektiven Durchmesser besonders großer Poren der Filterstruktur
14 zu
reduzieren, wird mindestens in einem Teil jener Poren, deren Durchmesser
größer ist
als ein Grenzwert, mindestens ein Teilungskörper angeordnet, der den Porenraum
dieser Poren in eine Mehrzahl von Teilräumen unterteilt. Im Einzelnen
wird hierzu auf die
DE
10 2004 024 994 A1 verwiesen, deren Offenbarung ausdrücklich auch zum
Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 10 dient dazu,
die Teilungskörper
in die Filterstruktur 14 einzubringen. Hierzu verfügt die Vorrichtung 10 über eine Zerstäubereinrichtung 16,
die zum Einen über
eine Leitung 17 an eine Suspensionsversorgung 18 und zum
Anderen über
eine Leitung 19 an eine Luftversorgung 20 angeschlossen
ist. Über
die Leitung 17 wird der Zerstäubereinrichtung 16 von
der Suspensionsversorgung 18 eine Suspension zugeführt, in
welcher die Teilungskörper
als Feinpartikel in einer wässrigen
Lösung
dispergiert sind. Bei den Feinpartikeln handelt es sich vorliegend
um Edelkorund (α-Al2O3), das mit einem
Massenanteil von ungefähr 10
Gewichtsprozent in der Suspension vorhanden ist, bezogen auf deren
Gesamtmasse. Ferner enthält die
Suspension ungefähr
5 Gewichtsprozent Essigsäure,
bezogen auf die Gesamtmasse der Suspension. Die der Zerstäubereinrichtung 16 zugeführte Suspension
ist in 1 durch einen Pfeil mit den Bezugszeichen 22 dargestellt.
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In
der Zerstäubereinrichtung 16 wird
die Suspension zu einem feinen Spray 24 zerstäubt und
auf diese Weise in den von der Luftversorgung 20 bereitgestellten
Gasstrom (Pfeil 25) eingebracht. In einen stromabwärts von
der Zerstäubereinreichung 16 angeordneten
Strömungskanal 26 wird
von einer Luftversorgung 28 nochmals Luft eingeblasen.
Auf diese Weise beträgt
der Gesamt-Massendurchsatz der Gasströmung im Strömungskanal 26 ungefähr 50 Kilogramm
Luft pro Stunde, im Falle der vorliegend nachzubehandelden Gesamt-Filterstruktur 14.
Würden
nur einzelne blatt- oder taschenförmige Einzelstrukturen nachbehandelt
werden, würde
man den Massendurchsatz auf ungefähr 5 Kilogramm Luft pro Stunde
einstellen.
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Die
durch den Strömungskanal 26 strömende Gasströmung mit
der darin vorhandenen fein zerstäubten
Suspension trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 30. Sie
wird über
den Strömungskanal 26 in
das Gehäuse 13 der
Filtereinrichtung 12 an deren einem Ende 32 eingeleitet
und an deren anderem Ende 34 wieder ausgeleitet, letztlich
also durch die Filterstruktur 14 hindurchgeleitet. Dabei
werden die in der Gasströmung 30 fein
verteilten Teilungskörper
in den Poren der Filterstruktur 14 abgelagert. Am Ende 34 der
Filterstruktur 14 tritt also ein Gasstrom 36 aus,
der deutlich weniger Teilungskörper
aufweist als im Gasstrom 30 vorhanden waren.
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In
den 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform
der Zerstäubereinrichtung 16 im
Detail dargestellt, nämlich
ein Kapillarrohr-Zerstäuber
des Typs Meinhard. Dieser umfasst ein langgestrecktes Düsengehäuse 38 mit
einem koaxial angeordneten Kapillarrohr 40, welches zu
einer Düse 42 des
Düsengehäuses 38 führt. Das
Kapillarrohr 40 ist an die Suspensionsversorgung 18 angeschlossen,
ein zwischen Kapillarrohr 40 und Düsengehäuse 38 gebildeter
Ringraum 44 an die Luftversorgung 20. Mit einem solchen
Meinhard-Zerstäuber
kann ein besonders feines Suspensionsspray 24 erzeugt werden.
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Alternativ
hierzu kann auch eine Zerstaubereinrichtung 16 des Cross-Flow-Typs
eingsetzt werden, wie er in den 4 und 5 dargestellt
ist. Bei diesem sind zwei in einem Winkel zueinander dicht benachbart
angeordnete Düsen 46 und 48 vorhanden,
die jeweils an die Suspensionsversorgung 18 beziehungsweise
die Luftversorgung 20 angeschlossen sind. Auch mit einer
solchen Cross-Flow-Zerstäubereinrichtung 16 kann
ein sehr feines Suspensionsspray 24 erzeugt werden. Eine
weitere alternative Ausgestaltung der Zerstäubereinrichtung 16 umfasst ein
Hochdruckeinspritzventil, wie es beispielsweise als Kraftstoff-Einspritzventil
bei der Kraftstoff-Direkteinspritzung bekannt ist. Diese Ausgestaltung
ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm, welches nochmals deutlich macht, welche Schritte
die Nachbehandlung der Filterstruktur 14 umfassen kann: Nach
dem Start in 50 wird die Filterstruktur 14 in 52 zunächst ungefähr 30 Minuten
lang bei einer Temperatur von 650°C
ausgeheizt. Dies gilt unanhängig
davon, ob das Nachbehandlungsverfahren auf eine komplette Filterstruktur 14 oder
nur ein einzelnes Filterblatt oder eine einzelne Filtertasche angewendet wird.
Danach wird die Filterstruktur 14 in die in 1 gezeigte
Vorrichtung 10 eingesetzt (Block 54). Nun wird
die Vorrichtung 10 in Betrieb genommen, das heißt, es wird
die Suspension 22, bestehend aus ungefähr 10 Gewichtsprozent Edelkorund-Feinstaub
in 5 Prozent Essigsäure über die
Zerstäubereinrichtung 16 als
feines Spray 24 in den Strömungskanal 26 eingebracht,
durch die Filterstruktur 14 hindurchgeleitet und auf diese
Weise auf diese aufgetragen. Dies ist durch den Block 56 dargestellt.
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Jetzt
wird die Filterstruktur 14 mit den abgeschiedenen Teilungskörpern („Feinstaub") aus der Vorrichtung 10 entnommen
(Block 58) und wieder bei einer Temperatur von 650°C 30 Minuten
lang ausgeheizt (Block 60). Das Verfahren endet in 62.
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Optional
kann der Suspension 22 ein Bindermaterial beigesetzt werden,
beispielsweise 3,3 Gewichtsprozent Böhmit (γ-AlO(OH)), um die Fixierung der
Teilungskörper
(also des Edelkorund-Feinstaubes) auf der Oberfläche der Filterstruktur 14 zu
verbessern. Darüber
hinaus wurde das obige Verfahren lediglich bei einer Anwendung auf
eine Filterstruktur 14 aus einem Sintermetall erläutert. Es
versteht sich jedoch, dass das dargestellte Nachbehandlungsverfahren
auch bei anderen Trägermaterialen,
beispielsweise bei SiC-Filtern oder Cordierit-Filtern angewendet
werden kann. Durch die Dispersion der Teilungskörper in einer wässrigen
Lösung
(Suspension) mit der anschließenden
Zerstäubung über die
Zerstäubungseinrichtung 16 und
die Aufbringung des Aerosols auf die Oberfläche der Filterstruktur 14 ist
das beschriebene Nachbehandlungsverfahren sehr vielseitig einsetzbar.