DE102006035420A1 - Abgasreinigungsfilter - Google Patents

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Abstract

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).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasreinigungsfilter, der Partikel in Abgasen sammelt, die von einem Verbrennungsmotor abgegeben werden, um die Abgase dadurch zu reinigen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Auslassstopfen haben vorzugsweise eine Länge, die zwischen 2 und 5mal groß wie die Länge der Einlassstopfen ist.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden zwar ausführlich, aber nur exemplarisch bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 schematisch eine Endfläche eines Abgasreinigungsfilters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 den Abgasreinigungsfilter von 1 im Axialschnitt;
  • 3 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel 1 der Erfindung;
  • 4 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel 2 der Erfindung;
  • 5 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel 1;
  • 6 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel 2;
  • 7 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Vergleichsbeispiel 3;
  • 8 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel 3 der Erfindung;
  • 9 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel 4 der Erfindung;
  • 10 schematisch eine Endfläche auf der Abgaseinlassseite eines Abgasreinigungsfilters gemäß Beispiel 5 der Erfindung;
  • 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;
  • 12A bis 12C schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungsfilters; und
  • 13 im Axialschnitt einen Abgasreinigungsfilter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die porösen Trennwände 11 tragen einen Katalysator, etwa Platin, Rhodium, Palladium, Barium, Kalium oder dergleichen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die obigen Vorgänge in dem Abgasreinigungsfilterherstellungsverfahren werden im Folgenden ausführlicher diskutiert.
  • Strangpressvorgang
  • 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).
  • 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.
  • Maskiervorgang
  • 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.
  • Stopfvorgang
  • 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.
  • 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.
  • Brennvorgang
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).

Claims (4)

  1. Abgasreinigungsfilter zum Sammeln von Partikeln in von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Abgasen, um dadurch die Abgase zu reinigen, wobei der Abgasreinigungsfilter einen Wabenstrukturkörper (10) mit einer Vielzahl von porösen Trennwänden (11) und einer die Trennwände umgebenden Außenhautschicht (13) umfasst, wobei die Trennwände zwischen sich eine Vielzahl von Zellen (12) für die Zirkulation der Abgase definieren, die aus Einlasszellen (12a), die an ihren Einlassabschnitten (1a) auf einer Abgaseinlassseite offen sind und an ihren Auslassabschnitten (1b) auf einer zur Abgaseinlassseite entgegengesetzten Abgasauslassseite mit Auslassstopfen (2b) verschlossen sind, und aus Auslasszellen (12b) bestehen, die an ihren Einlassabschnitten (1a) auf der Abgaseinlassseite mit Einlassstopfen (2a) verschlossen sind und an ihren Auslassabschnitten (1b) auf der Abgasauslassseite offen sind, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Trennwände (11c), die jeweils zwischen zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen (12a, 12c) eingepfercht sind, eine Gesamtoberfläche (S1) in einem Bereich von 5 bis 9% der Gesamtoberfläche (S2) der Trennwände (11) aller Zellen (12) haben.
  2. Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1, bei dem die Gesamtoberfläche (S1) der Trennwände (11c), die jeweils zwischen den zwei angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen (12a, 12c) eingepfercht sind, der Oberflächensumme der Trennwandflächen, die jeweils einer der beiden angrenzenden oder benachbarten Einlasszellen zugewandt sind, entspricht.
  3. Abgasreinigungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem 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.
  4. Abgasreinigungsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Auslassstopfen (2b) eine Länge haben, die zwischen 2 und 5mal so groß wie die Länge der Einlassstopfen (2a) ist.
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