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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Abgasreinigungsfilter, der Partikel
in Abgasen sammelt, die von einem Verbrennungsmotor abgegeben werden, um
die Abgase dadurch zu reinigen.
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Um
Partikel in Abgasen zu sammeln, die von Verbrennungsmotoren abgegeben
werden, sind Abgasreinigungsfilter verwendet worden, die aus einem Keramikmaterial
zu einem Wabenstrukturkörper
geformt wurden. Der Wabenstrukturkörper umfasst eine Vielzahl
von porösen
Trennwänden
und eine Außenhautschicht,
die die porösen
Trennwände
umgibt. Die Trennwände
definieren eine Vielzahl von Zellen, die an ihren Enden verstopft
oder verschlossen werden, um die Reinigungsleistung zu erhöhen.
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Die
Zellen im Wabenstrukturkörper
bestehen aus Einlasszellen, die an Einlassabschnitten auf der Abgaseinlassseite
offen sind und an Auslassabschnitten auf der zur Abgaseinlassseite
entgegengesetzten Abgasauslassseite mit Stopfen verschlossen sind,
und aus Auslasszellen, die an Einlassabschnitten mit Stopfen verschlossen
sind und an Auslassabschnitten offen sind. Von den Einlasszellen
aus wird in den Wabenstrukturkörper
ein Abgasstrom eingelassen, der dann durch die porösen Trennwände geht und
schließlich
von den Auslasszellen zur Außenseite
des Wabenstrukturkörpers
abgegeben wird.
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In
dem Abgasreinigungsfilter nimmt mit zunehmender Menge der innerhalb
des Filters eingefangenen oder angesammelten Partikel der Druckverlust
zu. Ein höherer
Druckverlust führt
zu einem Problem wie einer Leistungsminderung, die den Kraftstoffverbrauch
erhöht.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist in der JP 58-196820 A ein verbesserter Abgasreinigungsfilter vorgeschlagen
worden, bei dem die Einlasszellen, um den Druckverlust zu verringern,
der zu dem Zeitpunkt entsteht, wenn sich die Partikel innerhalb
des Filters ablagern (dieser Druckverlust wird im Folgenden kurz
als "Druckverlust
während
der Ablagerung der Partikel" bezeichnet),
eine Gesamtoberfläche
haben, die mindestens um etwa 25% größer als die der Auslasszellen
ist.
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Allerdings
hat eine Untersuchung der Erfinder ergeben, dass die in der JP 55-196820
A offenbarte Technik den Gesamtdruckverlust nicht ausreichend verringern
konnte, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts und des Druckverlusts
während
der Ablagerung der Partikel ist.
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Dementsprechend
trachtet die Erfindung danach, einen Abgasreinigungsfilter vorzusehen,
der nicht nur dazu imstande ist, den Druckverlust während der
Ablagerung der Partikel zu verringern, sondern auch den Gesamtdruckverlust.
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Bei
einer gründlichen
Untersuchung der Erfinder zur Ursache des erhöhten Druckverlusts, der auftritt,
wenn sich die Partikel innerhalb des Filters ablagern, stellte sich
heraus, dass der in der JP 58-196820 A offenbarte Filter eine erhöhte Anzahl
an porösen
Trennwänden
hat, die sich zwischen den Einlasszellen befinden oder anders ausgedrückt zwischen
diesen eingepfercht sind. Da bei dieser Anordnung die zwischen den
Einlasszellen eingepferchten porösen
Trennwände
die Abgase schwer durchlassen, ist der Anfangsdruckverlust hoch.
Das bedeutet, dass der Anfangsdruckverlust eines Abgasreinigungsfilters
mit Wabenform größtenteils
durch die porösen
Trennwände
beeinflusst wird. Wenn die Anzahl der zwischen die Einlasszellen
eingepferchten porösen
Trennwände
wie im Fall des in der JP 58-196820 A gezeigten Filters höher ist
als nötig, nimmt
die Oberfläche
der Trennwände,
die die Abgase nur schwer durchlassen, zu, was zu einem übermäßigem Anstieg
des Anfangsdruckverlusts führt. Mit
diesem Druckverlustanstieg nimmt auch der Gesamtdruckverlust zu.
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Die
Erfindung sieht einen Abgasreinigungsfilter zum Sammeln von Partikeln
in von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Abgasen vor, um dadurch
die Abgase zu reinigen, wobei der Abgasreinigungsfilter einen Wabenstrukturkörper mit
einer Vielzahl von porösen
Trennwänden
und einer die Trennwände
umgebenden Außenhautschicht
umfasst, wobei die Trennwände
zwischen sich eine Vielzahl von Zellen für die Zirkulation der Abgase
definieren, die aus Einlasszellen, die an ihren Einlassabschnitten auf
einer Abgaseinlassseite offen sind und an ihren Auslassabschnitten auf
einer zur Abgaseinlassseite entgegengesetzten Abgasauslassseite
mit Auslassstopfen verschlossen sind, und aus Auslasszellen bestehen,
die an ihren Einlassabschnitten auf der Abgaseinlassseite mit Einlassstopfen
verschlossen sind und an ihren Auslassabschnitten auf der Abgasauslassseite
offen sind, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Trennwände, die
jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen
eingepfercht sind, eine Gesamtoberfläche in einem Bereich von 5
bis 9% der Gesamtoberfläche
der Trennwände
aller Zellen haben. Der Abgasreinigungsfilter mit dem obigen Aufbau
ist dazu in der Lage, den Gesamtdruckverlust zu verringern.
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Wenn
die Gesamtoberfläche
der Trennwände,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen
eingepfercht sind, mehr als 9% der Gesamtoberfläche der Trennwände aller
Zellen beträgt,
bedeutet das, dass durch eine größere Anzahl
der Trennwände,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen
eingepfercht sind, die Oberfläche
derjenigen Trennwände,
die die Abgase schwer durchlassen, zunimmt, während gleichzeitig die Oberfläche derjenigen Trennwände, die
die Abgase leicht durchlassen, entsprechend abnimmt. Dies führt zu einem
Anstieg des Anfangsdruckverlusts.
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Wenn
dagegen die Gesamtoberfläche
der Trennwände,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen
eingepfercht sind, weniger als 5% der Gesamtoberfläche der Trennwände aller
Zellen beträgt,
gelingt es den Partikeln aufgrund eines Mangels der Trennwände, die jeweils
zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen eingepfercht
sind, nicht, sich innerhalb des Filters mit einer ausgedehnten Streuung oder
Verteilung abzulagern. Darüber
hinaus verschließen
die Partikel wahrscheinlich das Einlassende des Filters, was den
Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht
auch den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts
und des Druckverlusts während der
Ablagerung der Partikel ist.
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Die
Gesamtoberfläche
der Trennwände,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen
eingepfercht sind, und die Gesamtoberfläche der Trennwände aller
Zellen, lassen sich wie in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben definieren.
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Die
Auslassstopfen haben vorzugsweise eine Länge, die zwischen 2 und 5mal
groß wie
die Länge
der Einlassstopfen ist.
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
werden im Folgenden zwar ausführlich, aber
nur exemplarisch bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Endfläche
eines Abgasreinigungsfilters gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 den
Abgasreinigungsfilter von 1 im Axialschnitt;
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3 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel
1 der Erfindung;
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4 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel
2 der Erfindung;
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5 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel
1;
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6 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel
2;
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7 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel
3;
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8 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel
3 der Erfindung;
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9 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel
4 der Erfindung;
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10 schematisch
eine Endfläche
auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel
5 der Erfindung;
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11 grafisch
den Zusammenhang zwischen dem Anfangs- und Gesamtdruckverlust und dem
Verhältnis
der relativen Oberfläche
von Trennwänden,
die jeweils zwischen zwei danebenliegenden Einlasszellen eingepfercht
sind, und der Gesamtoberfläche
der Trennwände
aller Zellen in Verbindung mit den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen
1 bis 3;
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12A bis 12C schematisch
ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungsfilters;
und
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13 im
Axialschnitt einen Abgasreinigungsfilter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Abgasreinigungsfilter 1 einen kreiszylinderförmigen Wabenstrukturkörper 10 mit
einer Vielzahl von porösen
Trennwänden 11,
die in Axialrichtung des zylinderförmigen Wabenstrukturkörpers 10 verlaufen,
und einer die Trennwände 11 umgebenden Außenhautschicht 13.
Die Trennwände 11 definieren zwischen
sich eine Vielzahl von Zellen 12 für die Zirkulation von Abgasen,
die von einem (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor abgegeben werden.
Wie am besten in 2 zu erkennen ist, bestehen
die Zellen 12 aus Einlasszellen 12a, die an ihren
Einlassabschnitten 1a auf einer Abgaseinlassseite 18 des
Filters 1 offen sind und an ihren Auslassabschnitten 1b auf
einer zur Abgaseinlassseite entgegengesetzten Abgassauslassseite 19 des
Filters 1 mit Auslassstopfen 2b verschlossen sind,
und aus Auslasszellen 12b, die an ihren Einlassabschnitten 1a auf
der Abgaseinlassseite 18 des Filters 1 mit Einlassstopfen 2a verschlossen
sind und an ihren Auslassabschnitten 1b auf der Abgasauslassseite 19 des
Filters 1 offen sind.
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Bei
dem auf diese Weise gestalteten Abgasreinigungsfilter 1 wird
von den Einlasszellen 12a aus in den Wabenstrukturkörper 10 ein
Strom von Abgasen 5 eingelassen, der dann durch die porösen Trennwände geht
und schließlich
von den Auslasszellen 12b zur Außenseite des Wabenstrukturkörpers 10 abgegeben
wird.
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Ein
wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass diejenigen Trennwände 11c unter
den Trennwänden 11,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c (2) eingepfercht
sind (oder die diese jeweils voneinander trennen), eine Gesamtoberfläche S1 in
einem Bereich von 5 bis 9% der Gesamtoberfläche S2 der Trennwände 11 aller
Zellen 12 haben. Diese Anordnung gewährleistet, dass der Gesamtdruckverlust des
Filters 1 wirksam verringert werden kann. Wenn S1 mehr
als 9% von S2 beträgt
(d.h. S1/S2 > 0,09), bedeutet
dies, dass aufgrund einer Zunahme der Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11c,
durch die Abgase nur schwer hindurchgehen, zunimmt, während gleichzeitig
die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11,
durch die Abgase leicht hindurchgehen, entsprechend abnimmt. Dies
erhöht
den Anfangsdruckverlust des Filters. Wenn S1 dagegen weniger als
5% von S2 beträgt (d.h.
S1/S2 < 0,05),
gelingt es den Partikeln aufgrund eines Mangels der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, nicht, sich innerhalb des Filters 1 mit einer ausgedehnten
Streuung oder Verteilung abzulagern. Darüber hinaus verschließen die
Partikel wahrscheinlich das Einlassende des Filters 1,
was den Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht
auch den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts
und des Druckverlusts während der
Ablagerung der Partikel ist.
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Die
Gesamtoberfläche
S1 der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht sind,
entspricht der Oberflächensumme
der Trennwandflächen,
die jeweils einer der beiden angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c zugewandt
sind, während
die Gesamtoberfläche
S2 der Trennwände 11 aller
Zellen 12 dem Produkt der Oberflächensumme der Innenflächen der
Trennwände 11,
die alle Zellen 12 definieren, und der Gesamtanzahl der
Zellen 12 entspricht.
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Unter
erneuter Bezugnahme von 1 werden nun strukturelle Einzelheiten
des Abgasreinigungsfilters beschrieben. In dem Wabenstrukturkörper 10 des
Filters 1 sind die Einlasszellen 12a, die auf der
Abgaseinlassseite 18 offen sind, und die Auslasszellen 12b,
die auf der Abgaseinlassseite 18 verschlossen sind, abwechselnd
in einem Schachbrettmuster angeordnet, wobei jedoch die Ausnahme
gilt, dass einige Auslasszellen 12b durch zweite Einlasszellen 12c ersetzt
sind, so dass es Trennwände 11c gibt,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten ersten
und zweiten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind. Die Zellen 12 (12a, 12b und 12c)
haben Innenräume
mit rechteckigem Querschnitt.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat
der Abgasreinigungsfilter 1 einen Durchmesser von 144 mm
und eine Länge
von 200 mm. Die Trennwände 11 haben
eine Dicke von 0,30 mm und die Zellen 12 einen Abstand
von 1,47 mm. Darüber
hinaus haben die porösen
Wände 11 eine
offene Porosität von
65% und eine mittlere Porengröße von 25 μm. Die Gesamtanzahl
der von den Trennwänden 11 definierten
Zellen 12 (12a, 12b und 12c)
beträgt
400.
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Die
porösen
Trennwände 11 tragen
einen Katalysator, etwa Platin, Rhodium, Palladium, Barium, Kalium
oder dergleichen.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, umfasst der Abgasreinigungsfilter 1 einen
Wabenstrukturkörper 10 mit
Trennwänden 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind oder die diese voneinander trennen. Angenommen, dass S1 die
Gesamtoberfläche
dieser Trennwände
und S2 die Gesamtoberfläche
der Trennwände 11 aller
Zellen repräsentiert,
befindet sich S1 in einem Bereich von 5 bis 9% von S2 (d.h. S1/S2
liegt in einem Bereich von 0,05 bis 0,09). Mit einem solchen Verhältnis von
S1 zu S2 ist es möglich,
den Gesamtdruckverlust des Abgasreinigungsfilters 1 ausreichend
zu senken.
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Wenn
S1 mehr als 9% von S2 beträgt
(d.h. S1/S2 > 0,09)
nimmt der Anfangsdruckverlust zu, da aufgrund einer Zunahme der
Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind oder diese trennen, die Oberfläche derjenigen Trennwände 11c,
aus denen Abgase nur mit Schwierigkeiten herauskommen, zunimmt,
während
gleichzeitig die Oberfläche derjenigen
Trennwände 11,
aus denen Abgase leicht herauskommen, entsprechend abnimmt. Wenn
S1 dagegen weniger als 5% von S2 beträgt (d.h. S1/S2 < 0,05), sind die
Partikel aufgrund eines Mangels der Trennwände 11c, die zwischen
den angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, nicht dazu in der Lage, sich innerhalb des Filters 1 mit
einer ausgedehnten Streuung oder Verteilung abzulagern.
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Darüber hinaus
verschließen
die Partikel wahrscheinlich das Einlassende des Filters 1,
was den Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht
auch den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts und
des Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel ist.
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Die 3 und 4 zeigen
schematisch Endflächen
auf der Abgaseinlassseite 18 (1) von Abgasreinigungsfiltern 1A und 1B gemäß Beispiel
1 und 2 der Erfindung. Diese Filter 1A und 1B haben die
gleiche Spezifikation wie der in den 1 und 2 gezeigte
Filter. Wie in den 3 und 4 gezeigt
ist, haben die Filter 1A und 1B jeweils eine Vielzahl
von Zeilen 12, die durch poröse Trennwände 11 definiert sind.
Die Zellen haben einen rechteckigen Querschnitt und bestehen aus
Einlasszellen 12a und Auslasszellen 12b, die abwechselnd
in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, wobei jedoch die Ausnahme
gilt, dass einige Auslasszellen 12b durch zweite Einlasszellen 12c ersetzt
sind, die so angeordnet sind, dass die zweiten Einlasszellen 12c aus
mindestens zwei Richtungen zwischen zwei angrenzenden ersten Einlasszellen 12a eingepfercht sind.
Darüber
hinaus sind die zweiten Einlasszellen 12c so verteilt,
dass jede zweite Einlasszelle 12c von einer anderen zweiten
Einlasszelle 12c um einen Abstand getrennt ist, der mindestens
dreimal so groß wie
die Zellenteilung ist. Die zweiten Einlasszellen 12c werden
jeweils von vier Trennwänden 11c definiert,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten ersten
und zweiten Einlasszellen 12a und 12c eingepfercht
sind oder diese trennen. Das bedeutet, dass jede Trennwand 11c zwei
angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c gemeinsam
ist.
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Angenommen,
dass die Oberflächen
der Innenflächen
der Trennwände 11,
die die einzelnen Zellen 12 definieren, über alle
Zellen 12 hinweg die gleiche sind, ergibt sich das Verhältnis S1
zu S2 (S1/S2) dadurch, dass die Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht sind,
durch die Gesamtanzahl der Trennwände 11 aller Zellen 12 geteilt
wird, wobei S1 die Gesamtoberfläche
der Trennwände 11c repräsentiert
und S2 die Gesamtoberfläche
der Trennwände 11 aller
Zellen 12 repräsentiert.
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In
dem in 3 gezeigten Abgasreinigungsfilter 1A gemäß Beispiel
1 der Erfindung beträgt
die Anzahl der zweiten Einlasszellen 12c 18 und
somit die Anzahl an Trennwänden 11c 144.
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Da
die Gesamtanzahl der Zellen 12 400 beträgt, beträgt die Gesamtanzahl der Trennwände 11 1600.
Daher beträgt
S1/S2 im Beispiel 1 0,09 (d.h. 144/1600).
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Entsprechend
beträgt
die Anzahl der zweiten Einlasszellen 12c in dem in 4 gezeigten
Abgasreinigungsfilter 1B gemäß Beispiel 2 der Erfindung 10 und
somit die Anzahl der Trennwände 11c 80.
Da die Gesamtanzahl der Zellen 12 400 beträgt, beträgt die Gesamtanzahl
der Trennwände 11 1600.
Somit beträgt
S1/S2 im Beispiel 2 0,05 (d.h. 80/1600).
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In
den Beispielen 1 und 2 fällt
S1 in einen Bereich von 5 bis 9% von S2 (d.h. S1/S2 liegt in einem Bereich
von 0,05 bis 0,09). Wird das Verhältnis S1 zu S2 (S1/S2) auf
diese Weise eingestellt, sind die Abgasreinigungsfilter 1A und 1B dazu
in der Lage, den Gesamtdruckverlust ausreichend zu senken. Falls S1
mehr als 9% von S2 (d.h. S1/S2 > 0,09)
beträgt, bedeutet
dies, dass aufgrund einer Zunahme der Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11c,
aus denen Abgase nur mit Schwierigkeiten herauskommen, zunimmt,
während
gleichzeitig die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11,
aus denen Abgase leicht herauskommen, entsprechend abnimmt. Dadurch
nimmt der Anfangsdruckverlust des Filters zu. Wenn S1 dagegen weniger
als 5% von S2 (d.h. S1/S2 < 0,05)
beträgt,
gelingt es den Partikeln aufgrund eines Mangels der Trennwände 11c, die
jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, nicht, sich innerhalb des Filters mit einer ausgedehnten Streuung
oder Verteilung abzulagern. Darüber
hinaus verschließen
die Partikel wahrscheinlich das Einlassende des Filters, was den
Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht auch
den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts
und des Druckverlusts aufgrund der Ablagerung der Partikel ist.
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Die
zweiten Einlasszellen 12c können bei der Erfindung in verschiedenen
Mustern angeordnet werden, solange sich S1 in einem Bereich von
5 bis 9% von S2 befindet (d.h. solange sich S1/S2 in einem Bereich
von 0,05 bis 0,09 befindet). Wie in 8 gezeigt
ist, können
die zweiten Einlasszellen 12c so angeordnet sein, dass
sie sich in einem zentralen Abschnitt auf der Abgaseinlassseite 18 (siehe 1) des
Filters 1F konzentrieren (Beispiel 3). Alternativ dazu
können
die zweiten Einlasszellen 12c in einem Außenrandabschnitt
des Filters 1E angeordnet sein, wie es in 9 gezeigt
ist (Beispiel 4). Wie in 10 gezeigt
ist, können
sich die zweiten Einlasszellen 12c auch in einer Hälfte (im
dargestellten Ausführungsbeispiel
in der oberen Hälfte)
der Gesamtfläche
der Abgaseinlassseite 18 (siehe 1) des Filters 1H konzentrieren.
Unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 werden
als nächstes
bezüglich
der Anordnung der zweiten Einlasszellen 12c Abgasreinigungsfilter 1C, 1D und 1E gemäß Vergleichsbeispielen
1, 2 und 3 beschrieben.
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Wie
in dem Fall der Filter 1A und 1B gemäß den in
den 3 und 4 gezeigten Beispielen 1 und
2 haben die in den 5, 6 und 7 gezeigten
Filtern 1C, 1D und 1E gemäß den Vergleichsbeispielen
1, 2 und 3 eine Vielzahl von Zellen 12, die durch
poröse
Trennwände 11 definiert
sind. Die Zellen 12 haben einen rechteckigen Querschnitt
und bestehen aus Einlasszellen 12a und Auslasszellen 12b, die
abwechselnd in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, wobei jedoch
die Ausnahme gilt, dass einige Auslasszellen 12b durch
zweite Einlasszellen 12c ersetzt sind, die so angeordnet
sind, dass die zweiten Einlasszellen 12c jeweils aus mindestens zwei
Richtungen zwischen zwei danebenliegenden ersten Einlasszellen 12a eingepfercht
sind. darüber hinaus
wird jede der zweiten Einlasszellen 12c durch vier Trennwände 11c definiert,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten ersten
und zweiten Einlasszellen 12a und 12c eingepfercht
sind oder diese trennen. Das bedeutet, dass die Trennwände 11c jeweils
zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c gemeinsam
sind. Die Filter 1C, 1D und 1E gemäß den Vergleichsbeispielen
1, 2 und 3 unterscheiden sich von den Filtern 1A und 1B der
erfindungsgemäßen Beispiele
1 und 2 insofern, als sich S1 nicht in einem Bereich von 5 bis 9%
von S2 befindet (d.h. S1/S2 liegt nicht in einem Bereich von 0,05
bis 0,09), wobei S1 die Gesamtoberfläche der Trennwände 11c repräsentiert
und S2 die Gesamtoberfläche
der Trennwände 11 aller
Zellen 12 repräsentiert.
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Und
zwar beträgt
die Anzahl der zweiten Einlasszellen 12c in dem in 5 gezeigten
Filter 1C gemäß Vergleichsbeispiel
1 52 und beträgt
somit die Anzahl der Trennwände 11c 416.
Da die Gesamtanzahl der Zellen 12 400 beträgt, beträgt die Gesamtanzahl
der Trennwände 11 1600.
Somit beträgt
S1/S2 im Vergleichsbeispiel 1 0,26 (d.h. 416/1600), was ersichtlich
mehr als 0,09 ist.
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Entsprechend
beträgt
die Anzahl der zweiten Einlasszellen 12c in dem in 6 gezeigten
Filter 1D gemäß Vergleichsbeispiel
2 68 und beträgt
somit die Anzahl der Trennwände 11c 544.
Da die Gesamtanzahl der Zellen 12 400 beträgt, beträgt die Gesamtanzahl
der Trennwände 11 1600.
S1/S2 beträgt
somit im Vergleichsbeispiel 2 0,34 (d.h. 544/1600), was ersichtlich
mehr als 0,09 ist. Falls S1/S2 wie im Fall der Vergleichsbeispiele
1 und 2 mehr als 0,09 beträgt,
ist die Anzahl der Trennwände 11c übermäßig groß, so dass
die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11c, aus
denen Abgase nur mit Schwierigkeiten herauskommen, zunimmt, während gleichzeitig
die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11,
die die Abgase leicht durchlassen, entsprechend abnimmt. Folglich
nimmt der Anfangsdruckverlust des Filters zu, was den Gesamtdruckverlust
erhöht,
der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts und des Druckverlusts
während
der Ablagerung der Partikel ist.
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In
dem in 7 gezeigten Filter 1E gemäß Vergleichsbeispiel
3 beträgt
die Anzahl der zweiten Einlasszellen 12c 4 und beträgt somit
die Anzahl der Trennwände 11c 32.
Da die Gesamtanzahl der Zellen 12 400 beträgt, beträgt die Gesamtanzahl
der Trennwände 11 1600.
Somit beträgt
S1/S2 im Vergleichsbeispiel 3 0,02 (d.h. 32/1600), was ersichtlich
weniger als 0,05 ist. Falls S1/S2 wie im Fall des Vergleichsbeispiels
3 weniger als 0,05 beträgt,
sind die Partikel aufgrund eines Mangels der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht sind,
nicht dazu in der Lage, sich innerhalb des Filters mit einer ausgedehnten
Streuung oder Verteilung abzulagern. Darüber hinaus verschließen die
Partikel wahrscheinlich die Einlassseite des Filters, was den Druckverlust
während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht
auch den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts
und des Verlusts während
der Ablagerung der Partikel ist.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, dass die in den 5, 6 und 7 gezeigten
Abgasreinigungsfilter 1C, 1D und 1E gemäß den Vergleichsbeispielen
1, 2 und 3 den Gesamtdruckverlust nicht senken können.
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11 zeigt
in grafischer Form den Zusammenhang zwischen dem Anfangs- und Gesamtdruckverlust
und dem Verhältnis
S1 zu S2 (S1/S2) der Abgasreinigungsfilter, der anhand einer Messung
ermittelt wurde, die unter Verwendung einer Druckverlustmessvorrichtung
mit den Abgasreinigungsfiltern 1A und 1B gemäß den Beispielen
1 und 2 ( 3 und 4) und den
Abgasreinigungsfiltern 1C bis 1E gemäß den Vergleichsbeispielen
1 bis 3 (5 bis 7) erfolgte.
Die in der Messung verwendeten Filter 1A bis 1E wurden
so angefertigt, dass sie mit Ausnahme der Anzahl und Anordnung der
Einlass- und Auslasszellen die gleiche Spezifikation hatten. Und zwar
hatten die für
die Messung verwendeten Filter 1A bis 1E einen
Durchmesser von 144 mm und eine Länge von 200 mm mit porösen Trennwänden, die eine
Dicke von 0,3 mm, eine offene Porosität von 65% und eine mittlere
Porengröße von 25%
hatten. Der Druckverlust wurde ermittelt, indem die Differenz zwischen
dem Druck (Atmosphärendruck)
am Einlassende jedes Filters und dem Druck (Messdruck) am Auslassende
des gleichen Filters gemessen wurde, während unter Ansaugen Luft mit
einer Strömungsgeschwindigkeit
von 9 m3/min in den Filter eingeleitet wurde.
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In
der in 11 gezeigten Grafik gibt der durch
die Markierung angegebene Punkt den Anfangsdruckverlust des in 3 gezeigten
Filters 1A (Beispiel 1) an, der durch die Markierung o
angegebene Punkt den Anfangsdruck des in 4 gezeigten
Filters 1B (Beispiel 2), der durch die Markierung ∎ angegebene
Punkt den Anfangsdruckverlusts des in 5 gezeigten
Filters 1C (Vergleichsbeispiel 1), der durch die Markierung
angegebene Punkt den Anfangsdruckverlust des in 6 gezeigten
Filters 1D (Vergleichsbeispiel 2) und der durch die Markierung ∆ angegebne
Punkt den Anfangsdruckverlust des in 7 gezeigten
Filters 1E (Vergleichsbeispiel 3).
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Wie
in 11 gezeigt ist, ist der Gesamtdruckverlust minimal,
wenn S1/S2 in einem Bereich von 0,05 bis 0,09 liegt. Die Filter 1A und 1B der
Beispiele 1 und 2 haben Werte für
S1/S2, die in den Bereich von 0,05 bis 0,09 fallen, und Druckverluste,
die mit den minimalen Druckverlusten vergleichbar sind. Die Filter 1C, 1D und 1E der
Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3 haben dagegen Werte für S1/S2,
die aus dem Bereich von 0,05 bis 0,09 fallen, und Gesamtdruckverluste,
die viel größer als
der minimale Druckverlust sind. Das liegt daran, dass, wenn S1/S2
mehr als 0,09 beträgt,
die Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, zunimmt, was zur Folge hat, dass die Oberfläche derjenigen
Trennwände 11c,
aus denen Abgasen nur mit Schwierigkeiten herauskommen, zunimmt,
während gleichzeitig
die Oberfläche
derjenigen Trennwände 11,
die die Abgase leicht durchlassen, entsprechend abnimmt. Folglich
nimmt der Anfangsdruckverlust des Filters zu, was den Gesamtdruckverlust
erhöht, der
eine Kombination des Anfangsdruckverlusts und des Druckverlusts
während
der Ablagerung der Partikel ist. Falls S1/S2 dagegen weniger als
0,05 beträgt,
können
sich die Partikel aufgrund einer geringeren Anzahl der Trennwände 11c,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind, nicht innerhalb des Filters mit einer ausgedehnten Streuung
oder Verteilung ablagern. Darüber
hinaus zeigen die Partikel die Tendenz, die Einlassseite des Filters
zu verschließen,
was den Druckverlust während
der Ablagerung der Partikel erhöht.
Dies erhöht
auch den Gesamtdruckverlust, der eine Kombination des Anfangsdruckverlusts
und des Druckverlusts während der
Ablagerung der Partikel ist.
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Die
Abgasreinigungsfilter 1, 1A, 1B, 1F, 1G und 1E gemäß den erfindungsgemäßen Beispielen
1 bis 5 (und auch die Filter 1C bis 1E der Vergleichsbeispiele
1 bis 3) können
durch ein Verfahren hergestellt werden, das im Folgenden unter Bezugnahme
auf die 12A bis 12C beschrieben
wird. Das Abgasreinigungsfilterherstellungsverfahren umfasst generell
einen Strangpressvorgang, einen Maskiervorgang, einen Stopfvorgang
und einen Brennvorgang, die in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
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Im
Strangpressvorgang wird ein Wabenstrukturkörper 10A (12A) gebildet, indem durch Strangpressen zunächst ein
durchgängiger
Keramikformling mit Wabenstruktur gebildet wird, woraufhin ein Trocknen
und Schneiden des Keramikformlings in gewünschte Längen folgt. Der rohe Wabenstrukturkörper 10A hat
eine Vielzahl von porösen
Trennwänden 11,
die in seiner Axialrichtung verlaufen, und eine Außenhautschicht 13,
die die Trennwände 11 umgibt. Die
Trennwände 11 definieren
zwischen sich eine Vielzahl von Zellen 12, die an ihren
entgegengesetzten Enden offen sind.
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Im
Maskiervorgang wird auf die entgegengesetzten Endflächen 18, 19 des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A auf
eine solche Weise ein Maskiermaterial 42 (12A) aufgebracht, dass, wie in 12B gezeigt ist, die offenen Enden einiger Zellen 12,
die mit Stopfen zu verschließen
sind, offen gelassen werden, während
die offenen Enden der übrigen
Zellen 12 durch das Maskiermaterial 42 verschlossen
gehalten werden.
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In
dem Stopfvorgang wird ein Stopfmaterial 20 (12C) aufgebracht, um die offenen Enden der Zellen 12,
die im Maskiervorgang offen oder unmaskiert gelassen wurden, zu
verschließen.
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Im
Brennvorgang werden die rohe Wabenstrukturkörper 10A und das Stopfmaterial,
das mit einem gewünschten
Muster auf die entgegengesetzten Enden der Zellen 12 aufgebracht
wurde, gebrannt, um dadurch einen Wabenstrukturkörper 10 (siehe 1 und 2)
mit der endgültigen
Form und Gestaltung zu bilden.
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Die
obigen Vorgänge
in dem Abgasreinigungsfilterherstellungsverfahren werden im Folgenden
ausführlicher
diskutiert.
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Strangpressvorgang
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Für die den
Wabenstrukturkörper 10 bildenden
Keramikmaterialien werden Talk als Hauptbestandteil, Kieselglas
und Aluminiumhydroxid abgewogen, um eine gewünschte Zusammensetzung anzusetzen.
Nach der Zugabe eines Schaumbildners, von Bindemittel und Wasser
werden die Keramikmaterialien durch einen Mischer gemischt und gerührt und
wird das Gemisch in einer Strangpressmaschine einem Strangpressen
unterzogen. Auf diese Weise wird ein durchgängiger Keramikformling mit
Wabenstruktur gebildet. Der Keramikformling wird getrocknet und
dann in gewünschte
Längen
geschnitten, so dass rohe Wabenstrukturkörper 10A erzeugt werden, die
jeweils eine Vielzahl von Trennwänden 11,
die so angeordnet sind, dass sie eine Wabenstruktur bilden, und
eine Außenhautschicht 13 haben,
die die Trennwände 11 umgibt
(siehe 12A).
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Der
als Hauptbestandteil der Keramikmaterialien verwendete Talk hat
eine mittlere Teilchengröße von 10
bis 50 μm
und enthält
nicht mehr als 1,0 Gew.-% Verunreinigungen aus Fe2O3, CaO, Na2O, K2O und TiO2. Das
Kieselglas hat eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 50 μm und enthält nicht
mehr als 0,25 Gew.-% Verunreinigungen aus Fe2O3, CaO, Na2O, K2O und TiO2. Das
Aluminiumhydroxid hat eine mittlere Teilchengröße von etwa 5,4 μm und enthält nicht
mehr als 0,50 Gew.-% Verunreinigungen aus Fe2O3, CaO, Na2O, K2O und TiO2.
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Maskiervorgang
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Wie
in 12A gezeigt ist, wird ein Maskiermaterial 42 so
aufgebracht, dass es die entgegengesetzten Endflächen 18, 19 des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A bedeckt.
Dann wird das Maskiermaterial 42 unter Verwendung eines
Laserstrahls teilweise geöffnet,
um Öffnungen 420 zu
bilden (12B), die sich an Stellen befinden,
die den Stellen auf der jeweiligen Endfläche 18, 19 des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A entsprechen,
an denen Stopfen auszubilden sind. Wenn auf diese Weise die Öffnungen 420 gebildet
werden, haben die Endflächen 18, 19 des rohen
Wabenstrukturkörpers 10A jeweils
einen Teil, der zum späteren
Verschließen
mit Stopfen offen gelassen wird, und einen übrigen Teil, der von dem Maskiermaterial 42 bedeckt
ist. Das Maskiermaterial 42 umfasst einen Kunstharzfilm,
der eine Dicke von 0,1 mm hat.
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Stopfvorgang
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Für die die
Stopfen 2 (2a, 2b) bildenden Keramikmaterialien
werden Talk als Hauptbestandteil, Kieselglas und Aluminiumhydroxid
abgewogen, um eine gewünschte
Zusammensetzung anzusetzen. Nach der Zugabe eines Schaumbildners,
von Bindemittel und Wasser werden die Keramikmaterialien durch einen
Mischer gemischt und gerührt,
um dadurch eine Schlämme 20 zu
bilden (12C). Der Talk als Hauptbestandteil
und das Kieselglas, das in diesem Stopfvorgang verwendet werden,
sind die gleichen, wie in dem Strangpressvorgang zum Bilden des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A verwendet wurden.
Das Aluminiumhydroxid hat eine mittlere Teilchengröße von etwa
2,5 μm und
enthält
nicht mehr als 0,50 Gew.-% Verunreinigungen aus Fe2O3, CaO, Na2O, K2O und TiO2.
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Wie
in 12C gezeigt ist, wird eine der Endflächen 18 des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A, die
teilweise von dem Maskiermaterial 42 bedeckt ist, in die
Schlämme 20 eingetaucht,
die in einem Behälter
gehalten wird, so dass über
die im Maskiermaterial 42 ausgebildeten Öffnungen 420 (12B) eine passende Menge Schlämme 20 in den rohen
Wabenstrukturkörper 10A eingebracht
wird. Der gleiche Vorgang wird auch für die andere Endfläche 19 des
rohen Wabenstrukturkörpers 10A durchgeführt.
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Brennvorgang
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Der
rohe Wabenstrukturkörper 10A und
die Schlämme 20 als
das in die ausgewählten
Abschnitte der Endflächen
des rohen Wabenstrukturkörpers 10A eingebrachte
Stopfmaterial werden bei etwa 1400 °C gebrannt. Durch dieses Brennen
wird das Maskiermaterial 42 abgebrannt oder entfernt und wird
ein Abgasreinigungsfilter 1 mit einem Wabenstrukturkörper 10 und
Einlass- und Auslassstopfen 2a, 2b erzeugt, wie
er in den 1 und 2 gezeigt ist.
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Wie
bislang beschrieben wurde, enthalten die erfindungsgemäßen Abgasreinigungsfilter
die Trennwände 11,
die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen 12a, 12c eingepfercht
sind oder diese trennen. Die Gesamtoberfläche S1 der Trennwände 11c wird
so eingestellt, dass sie in einem Bereich von 5 bis 9% der Gesamtoberfläche S2 der
Trennwände 11 aller
Zellen 12 liegt (d.h. S1/S2 liegt in einem Bereich von
0,05 bis 0,09). Wenn S1/S2 auf diese Weise innerhalb des oben angegebenen
Bereichs eingestellt wird, ist es möglich, den Gesamtdruckverlust
deutlich zu senken.
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13 zeigt
im Axialschnitt einen Abgasreinigungsfilter 1' gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Filter 1' ist
im Wesentlichen der gleiche wie der in den 1 und 2 gezeigte
Filter 1, wobei jedoch die Ausnahme gilt, dass die Auslassstopfen 2b eine
Länge haben,
die zwischen 2mal und 5mal so groß wie die Länge der Einlassstopfen 2a ist.
Werden die Auslassstopfen 2b verglichen mit den Einlassstopfen 2a,
deren Länge generell
etwa 3,0 mm beträgt,
auf diese Weise verlängert,
kann die Wärmekapazität des Filters 1' erhöht werden,
wodurch die Partikel mit höherer
Effizienz verbrannt werden können.
Wenn die Länge
der Auslasstopfen 2b weniger als 2mal so groß wie die Länge der
Einlassstopfen 2a ist (d.h. 6,0 mm), ist es schwierig,
die Partikel effizient zu verbrennen. Wenn dagegen die Länge der
Auslassstopfen 2b mehr als 5mal so groß wie die Länge der Einlassstopfen 2a ist (d.h.
15 mm), nimmt aufgrund einer Verringerung der Filtrationsfläche der
Druckverlust zu.
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Es
ist ersichtlich, dass der Filter 1' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
dazu in der Lage ist, den Gesamtdruckverlust auf die gleiche Weise wie
der Filter 1 des ersten Ausführungsbeispiels zu senken und
außerdem
effizient die Partikel zu verbrennen.
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Der
bei dieser Erfindung verwendete Aufbau ist keineswegs auf den der
dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
solange er das zu Grunde liegende Problem lösen kann, das oben beschrieben
wurde. So kann der Wabenstrukturkörper 10 beispielsweise
eine Kreiszylinderform oder eine Rechteckzylinderform haben.
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Ein
Abgasreinigungsfilter umfasst einen Wabenstrukturkörper (10)
mit einer Vielzahl von porösen Trennwänden (11),
die zwischen sich eine Vielzahl von Zellen (12) für die Zirkulation
von Abgasen definieren. Die Zellen bestehen aus Einlasszellen (12a), die
an ihren Einlassabschnitten (1a) offen sind und an ihren
Auslassabschnitten (1b) mit Auslassstopfen (2b)
verschlossen sind, und aus Auslasszellen (12b), die an
ihren Einlassabschnitten (1a) mit Einlassstopfen (2a)
verschlossen sind und an ihren Auslassabschnitten (1b)
offen sind. Diejenigen Trennwände (11c),
die zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen (12a, 12c)
eingepfercht sind, haben eine Gesamtoberfläche (S1) in einem Bereich von
5 bis 9% der Gesamtoberfläche
(S2) der Trennwände
(11) aller Zellen (12).