-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von bekannten keramischen Filterelementen, wie
sie insbesondere im Bereich der Schadstoffverminderung von Abgasen eingesetzt
werden. Derartige keramische Filterelemente kommen beispielsweise
im Rahmen von Dieselpartikelfiltern (DPFs) zum Einsatz, können jedoch auch
in anderen Abgasnachbehandlungseinrichtungen eingesetzt werden,
wie beispielsweise in Katalysatoren oder anderen schadstoffvermindernden
Elementen.
-
Die
keramischen Filterelemente können
dabei in unterschiedlichen Strukturen eingesetzt werden, welche
von der Art der Abgasreinigung abhängen. Insbesondere können die
Filterelemente als Funktionselemente ausgebildet sein, welche eine Wabenstruktur
aufweisen. Für
den Einsatz in Dieselpartikelfiltern kann das Funktionselement beispielsweise
wechselseitig verschlossene Kanäle
aufweisen, deren Wände
eine gewisse Porosität
aufweisen. Der Gasstrom, welcher durch Einlasskanäle eintritt, wird
dann gezwungen, durch die Poren der Kanalwände hindurchzutreten.
-
Die
Filterelemente weisen in der Regel ein keramisches Trägermaterial
auf, welches eine zusammenhängende
poröse
Struktur aufweist, durch welche der zu reinigende Abgasstrom hindurchtreten kann.
Als keramisches Trägermaterial
werden üblicherweise
keramische Materialien wie Siliziumcarbid, Cordierit, Aluminiumtitanat,
Sintermetalle oder andere Keramiken eingesetzt. Aus den genannten keramischen
Materialien haben sich insbesondere Cordierit und/oder Aluminiumtitanat
als die preislich günstigsten
Materialien erwiesen, welche auch gut für den Einsatz in Filterelementen
geeignete thermische Eigenschaften aufweisen.
-
Die
Filterwirkung der Filterelemente beruht im Wesentlichen darauf,
dass eine Filterwand der Filterelemente vom Abgasstrom durchströmt wird,
wobei Partikel in dem keramischen Material der Filterwand abgeschieden
werden. Diese Partikel, beispielsweise Dieselpartikel, bauen dementsprechend in
oder auf der Filterwand eine Filterschicht (den so genann ten Filterkuchen)
auf. Dieser Filterkuchen ist selbst ein effektiver Filter zum Abscheiden
der Partikel, aus welchen er besteht.
-
Während des
Abscheideprozesses nimmt die Dicke der Filterschicht kontinuierlich
zu. Dies wiederum führt
jedoch zu Beeinträchtigungen
des Gasflusses, was einen Anstieg des Gegendrucks zur Folge hat.
-
Neben
einer Abscheidung an der Oberfläche der
Filterwände
erfolgt jedoch zumindest im Anfangsbereich der Betriebsspanne der
Filter und/oder nach einer Filterregeneration auch eine Abscheidung
der Partikel im Inneren der porösen
Strukturen der Filterwände.
Diese Abscheidung wird auch als Tiefenfiltration bezeichnet.
-
Nachteilig
an dieser, der Oberflächenfiltration
vorausgehenden Tiefenfiltration ist jedoch, dass diese mit einem
vergleichsweise starken anfänglichen
Differenzdruck-Anstieg verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Druckabfall Δp, welcher
am Filterelement auftritt, zu Anfang des Betriebes des Filterelements
stark ansteigt und dass der Differenzdruck bei Filterelementen mit
hohem Tiefenfiltrationsanteil allgemein höher liegt als bei Filterelementen
mit geringerem Tiefenfiltrationsanteil. Der Differenzdruck bzw. dessen
Anstieg mit der eingebrachten Russmenge bzw. Partikelmenge stellt
jedoch ein entscheidendes Qualitätskriterium
für derartige
Filterelemente dar. So ist beispielsweise ab Erreichen eines bestimmten
Differenzdruckes eine Regeneration des Filterelements erforderlich,
um einen ungestörten
Betrieb einer Brennkraftmaschine, in dessen Abgasstrang das Filterelement
angeordnet ist, zu gewährleisten.
Je früher
der maximale Differenzdruck erreicht ist, desto früher ist
die genannte Regeneration erforderlich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es
wird dementsprechend ein keramisches Filterelement zur Schadstoffverminderung
in einem Abgasstrom vorgeschlagen, welches insbesondere einen Dieselpartikelfilter
umfassen kann, sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines
keramischen Filterelements, insbesondere eines erfindungsgemäßen keramischen
Filterelements. Das vorgeschlagene Filterelement und das vorgeschlagene
Verfahren vermeiden die eingangs genannten Nachteile bekannter Filterelemente
bzw. Verfahren weitgehend.
-
Insbesondere
können
bei den keramischen Filterelementen Sinterkeramiken zum Einsatz
kommen, welche Silikatkeramiken, insbesondere Alumosilikatkeramiken,
umfassen. Das vorgeschlagene Verfahren ist insbesondere geeignet
für Cordierit-Keramiken.
-
Dabei
werden die Materialeigenschaften des vorgeschlagenen Filterelements
bzw. die Verfahrensparameter derart gewählt, dass das Filterelement, insbesondere
ein Cordierit-Wabenfilter,
verbesserte Funktionseigenschaften hinsichtlich Gegendruck und Filtration
im Vergleich zu Standardfiltern aufweist. Der Gegendruck des Filters
kann dauerhaft über
den gesamten Funktionsbereich und über die gesamte Lebensdauer
hinweg gesenkt werden.
-
Dadurch
lässt sich,
bei gleich bleibender oder sogar verbesserter Filtrationseffizienz,
die Zeitspanne zwischen zwei Regenerationsphasen des Filterelements
deutlich verlängern.
Dadurch sinkt insgesamt die Abgasemission, was im Rahmen der anhaltenden
Klimadiskussion eine erhebliche Rolle spielt. Durch die verminderte
Frequenz der Regenerationsphasen lässt sich zudem der Energieverbrauch
senken, da jede Regeneration, welche in der Regel thermisch initiiert
wird, mit einem erhöhten
Energiebedarf einhergeht.
-
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens
bzw. des Filterelements liegt darin, dass aufgrund der verringerten
Frequenz der erforderlichen Regenerationsprozesse auch die gesamte
Lebensdauer des Filterelements deutlich gesteigert werden kann.
Jeder Regenerationsprozess, welcher üblicherweise bei Temperaturen von
1000°C oder
mehr abläuft,
stellt eine erhebliche thermomechanische Belastung des Filterelements dar,
welche auf die Dauer zu Brüchen
oder anderen Defekten führen
kann und somit die Lebensdauer des Filterelements begrenzt. Eine
Verminderung der Häufigkeit
dieser Regenerationen kann somit unter Umständen die Lebensdauer verlängern.
-
Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren,
bei welchem ein keramisches Ausgangsmaterial zu einem Formkörper geformt
und einem Sinterprozess unterzogen wird. Auch mehrere Formgebungsprozesse
und/oder Sinterprozesse können
vorgesehen sein.
-
Dabei
wird das Ausgangsmaterial des Herstellungsverfahrens und/oder mindestens
ein Prozessparameter des Verfahrens derart gewählt, dass für die Porengrößenverteilung
in der fertigen Keramik des Filterelements, insbesondere im Bereich
einer vom Abgasstrom durchströmten
Filterwand des Filterelements, folgende Relation gilt: D50 – D10D50 < 9
mil/L[mil] (1).
-
Dabei
bezeichnet D50 die kumulierte Porengröße, unter welche 50 Prozent
aller Poren fallen, also ein Integral von 0 bis zur Porengröße D50 über eine
(normierte) Häufigkeitsverteilung
H(D) der Porengrößen, welche
50 Prozent aller Poren erfasst:
-
Entsprechend
ist die Größe D10 als
die kumulierte Porengröße definiert,
unter welche 10 Prozent der Poren fallen. L bezeichnet die Wandstärke der
vom Abgasstrom durchströmten
Filterwand. Werden Filter mit variierender Filterwanddicke verwendet,
so kann, zumindest näherungsweise,
für die
Größe L die
durchschnittliche Filterwanddicke eingesetzt werden.
-
Die
genannte Relation wurde ermittelt, indem für zahlreiche verschiedene Filterwände mit
unterschiedlichen Porengrößenverteilungen
der Tiefenfiltrationsanteil, welcher minimiert werden soll, ermittelt
wurde. Dabei wurde für
diesen Tiefenfiltrationsanteil, welcher durch einen anfänglichen,
nicht linearen Anstieg des Differenzdrucks definiert ist, ein Maximalwert
von 20 mbar vorgegeben, welcher für die meisten in der Praxis
verwendeten Filterelemente noch tolerabel ist. Fast alle der untersuchten
Filterelemente, welche die oben genannte Bedingung erfüllen, weisen
Tiefenfiltrationsanteile von 20 mbar oder weniger auf und fallen
somit in den genannten tolerablen Bereich.
-
Dabei
ist die genannte Porengrößenverteilung
vorzugsweise eine mit Hilfe der Quecksilberporosimetrie (MIP) gemessene
Porengrößenverteilung. Die
Messung dieser Porengrößenverteilung
mittels des genannten Quecksilberporosimetrie-Verfahrens stellt
ein Standardverfahren in der Keramikherstellung dar, so dass die
Erfüllung
der genannten Bedingung standardmäßig mit bereits heute zur Verfügung stehenden
Mitteln vorgenommen werden kann. Die Filterelemente, welche die
genannte Bedingung erfüllen,
können
dann nach einer Trial- and-Error-Methode ausgewählt werden, oder es können (siehe
unten) die Porengrößenverteilungen
gezielt eingestellt werden, so dass die genannte Bedingung erfüllt ist.
-
Die
Filtrationseffizienz der Filterelemente nimmt mit zunehmender Dicke
L der Filterwände (Wandstärke) zu.
Somit muss die Wandstärke
L, wie in der oben beschriebenen Formel erfolgt, in die Porengrößenverteilung
mit eingerechnet werden. Hierbei wurde, wie dies in der Filterherstellung
allgemein üblich
ist, die Wandstärke
L in der Einheit mil angegeben. Ein mil stellt dabei 1:1000 Zoll
dar, also 25,4 μm. Die
oben beschriebene Voraussetzung (1) lässt sich also in SI-Einheiten
folgendermaßen
darstellen: D50 – D10D50 = 228,6 μm/L[μm]. (3)
-
Dabei
hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Porengrößenverteilung
verwendet bzw. eingestellt wird, bei welcher die beschriebene Porengröße D50 maximal
20 μm beträgt.
-
Wie
oben beschrieben, ist es einerseits selbstverständlich möglich, die Erfüllung der
beschriebenen Bedingung der Porengrößenverteilung zur Verringerung
der Tiefenfiltration dem Zufall zu überlassen, und lediglich diejenigen
Filterelemente zu selektieren, welche die genannte Bedingung erfüllen.
-
Bevorzugt
ist es jedoch, wenn das beschriebene Verfahren derart durchgeführt wird,
dass die Porengrößenverteilung
gezielt derart eingestellt wird, dass die genannte Bedingung erfüllt wird.
Für eine derartige
gezielte Einstellung einer Porengrößenverteilung bestehen mehrere
Möglichkeiten.
Diese verschiedenen Möglichkeiten
sind auch kombiniert einsetzbar.
-
Eine
erste Möglichkeit
besteht darin, ein Ausgangsmaterial für das keramische Filterelement
einzusetzen, welche Partikel enthält. Diese Partikel sollen derart
ausgestaltet sein, dass diese beim Herstellungsprozess der Keramik,
insbesondere bei dem Sinterprozess, durch Poren entsprechender Größe ersetzt
werden. Dementsprechend kann, analog zur obigen Relation 1, für diese
Partikel bzw. deren Partikelgrößenverteilung
die folgende Relation aufgestellt werden: P50 – P10P50 < 9
mil/L[mil] (4)
-
Dabei
stellt P50 die kumulierte Partikelgröße dar, unter welche 50 Prozent
der Partikel fallen. Die Größe P10 ist
analog definiert.
-
Bei
dieser vorgeschlagenen Verfahrensvariante werden also gezielt Partikelbildner
eingesetzt, welche in der fertigen Keramik durch entsprechende Poren
ersetzt werden. Beispielsweise können
diese Porenbildner organische Porenbildner umfassen, welche bei
einem Sinterprozessschritt verbrannt werden. Das dabei freiwerdende
CO2 bzw. andere Verbrennungsprodukte können bei
geeigneter Wahl der Prozessparameter, beispielsweise bei einem entsprechend
langsam durchgeführten
Sinterprozess, entweichen, so dass entsprechende Poren zurückbleiben.
-
Alternativ
zur Verwendung organischer Porenbildner sind aus dem Stand der Technik
auch andere Arten von Porenbildnern bekannt. Eine entsprechend bekannte
weitere Möglichkeit, welche
im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann, ist die
Verwendung von Salzen als Porenbildner, welche beispielsweise ebenfalls
thermisch zersetzt werden oder welche nach dem Sintern durch Verwenden
entsprechender Lösungsmittel
herausgewaschen werden können.
-
Eine
weitere, alternativ oder zusätzlich
einsetzbare Methode, um eine Porengrößenverteilung gemäß der obigen
Relation bewusst herbeizuführen, besteht
darin, Reaktionssinter-Keramiken
einzusetzen. Beispielsweise kann das keramische Filterelement mindestens
eine durch Reaktionssintern erzeugte Sinterkeramik umfassen, wobei
der Sinterprozess einen Reaktionssinterschritt umfasst, bei welchem
ein erstes Ausgangsmaterial aufgeschmolzen wird und mit mindestens
einem zweiten Ausgangsmaterial reagiert. Bei dieser Reaktion werden
Poren gebildet, welche im Wesentlichen der Gestalt des ersten Ausgangsmaterials
entsprechen, da die umgebende Matrix im Wesentlichen das erste Ausgangsmaterial
aufnimmt. Ein wichtiges, bevorzugtes Beispiel einer derartigen Reaktionssinter-Keramik
ist beispielsweise wieder eine Silikatkeramik, insbesondere eine
Alumosilikatkeramik, vorzugsweise eine Cordierit-Keramik. In diesem
Fall kann das erste Ausgangsmaterial insbesondere Talk (Idealformel 3MgO:4SiO2:1H2O) oder SiO2 umfassen, welche mit anderen Ausgangsmaterialien,
insbesondere möglichst
quarzfreien Tonen oder Kaolinen (Idealformel 1Al2O3:2SiO2:2H2O) zu Cordierit (Idealformel 2MgO:2Al2O3:5SiO2)
reagieren.
-
Bei
dieser Reaktionssinter-Herstellung von Cordierit wird die Porenstruktur
im Wesentlichen durch die Talk-Partikel bzw. SiO2-Partikel
bestimmt, so dass durch eine entsprechende Aufbereitung des Talk-Ausgangspulvers,
zum Beispiel ein entsprechendes Mahlen und/oder Granulieren dieser
Partikel, die Porengrößenverteilung
gezielt eingestellt werden kann.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch ein bekanntes keramisches Filterelement;
-
2 eine
Porenstruktur einer Filterwand eines bekannten Filterelements in
schematischer Darstellung;
-
3 den
Differenzdruck eines Filterelements als Funktion der eingebrachten
Rußmenge;
-
4 ein
kumuliertes Porenvolumen als Funktion des Porendurchmessers in schematischer Auftragung
zur Verdeutlichung der Bestimmung der Werte D10, D50 und D90;
-
5 eine
Korrelation der Tiefenfiltration und der Porengrößenverteilung; und
-
6 einen
schematischen Verlauf des Druckanstieges und der Filtereffizienz
als Funktion der Beladung für
verschiedene Filterelemente.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist
ein Filterelement in Form eines Wabenkörpers 114 dargestellt,
welcher in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Einsatz kommen
kann. Insbesondere kann es sich bei dieser Abgasnachbehandlungseinrichtung
um einen Filter handeln, in welchem Russpartikel aus einem Abgasstrom
einer Brennkraftmaschine entfernt werden (Dieselpartikelfilter,
DPF). Der Filter wird in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine
angeordnet. Der Wabenkörper 114 ist
in diesem Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgestaltet,
mit einer Symmetrieachse 116. Der Wabenkörper 114 kann
dann beispielsweise in ein rotationssymmetrisches Filtergehäuse im Abgasstrang
eingesetzt werden.
-
Der
Wabenkörper 114 ist
als monolithisches keramisches Funktionselement ausgestaltet, welches
beispielsweise mithilfe eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden
kann. Beispielsweise können hierzu
die oben beschriebenen keramischen Materialien verwendet werden,
beispielsweise Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit.
-
Der
Wabenkörper 114 wird
im Einsatz in einem Dieselpartikelfilter in Richtung der Pfeile 118 vom
Abgas durchströmt.
Das Abgas tritt über
eine Eintrittsfläche 120 in
den Wabenkörper 114 ein
und verlässt
diesen über
eine Austrittsfläche 122.
-
Parallel
zur Symmetrieachse 116 des Wabenkörpers 114 verlaufen
mehrere Eintrittkanäle 124, im
Wechsel mit Austrittskanälen 126.
Die Eintrittskanäle 124 sind
an der Austrittsfläche 122 verschlossen.
In der hier dargestellten Ausführungsform
sind hierzu Verschluss stopfen 128 vorgesehen. Entsprechend
sind die Austrittskanäle 126 an
der Eintrittsfläche 120 verschlossen.
-
Anstelle
der Verschlussstopfen 128 ist es jedoch auch möglich, dass
die Eintrittskanäle 124 sich zur
Austrittsfläche 122 hin
verjüngen,
bis sie die Wandungen eines Eintrittskanals 124 berühren und
der Eintrittskanal 124 auf diese Weise verschlossen wird. In
diesem Fall weist der Eintrittskanal 124 in Richtung parallel
zur Symmetrieachse 116 einen dreieckförmigen Querschnitt auf.
-
Entsprechend
sind die Austrittskanäle 126 an
der Austrittsfläche 122 offen
und im Bereich der Eintrittsfläche 120 verschlossen.
Der Strömungsweg des
ungereinigten Abgases führt
somit in einen der Eintrittskanäle 124 und
von dort durch eine Filterwand 130 in einen der Austrittskanäle 126.
Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 132 in 1 dargestellt.
-
In 2 ist
das keramische Substrat der Filterwand 130 in schematischer
Detaildarstellung gezeigt. Die Filterwand weist eine (mittlere)
Wandstärke L
auf, welche üblicherweise
in mil angegeben wird.
-
Dabei
ist zu erkennen, dass das Filtersubstrat neben einer Vielzahl von
Mirkorissen bzw. Rissen 112 eine Vielzahl von Mikrokanälen 134,
Mikroporen 136 und Poren 138 aufweist. Mit der
Bezeichnung „Mikrokanäle" 134 werden
dabei Übergänge zwischen
großen
Poren 138 bezeichnet. 2 zeigt auch
eine Darstellung des Strömungsweges 132 durch
die Filterwand 130, welche nicht maßstabsgerecht ist und welche
verdeutlicht, dass der Strömungsweg 132 im
wesentlichen durch die Poren 138 verläuft. Unter „Mikroporen" 136 sind
im Folgenden Ausbuchtungen von größeren Poren 138 zu
verstehen. Mit dem oben beschriebenen Quecksilberporosimetrie-Verfahren
werden dabei im Wesentlichen die Poren 138 und die Mikroporen 136 erfasst.
Nicht erfasst werden dabei jedoch in der Regel diejenigen Poren 138 und
Mikroporen 136, welche isoliert im Filterinneren angeordnet
sind, also Poren 138 und Mikroporen 136, die keine
Verbindung mit der Filteroberfläche
und/oder mit anderen Poren aufweisen (Blindporen).
-
Wie
oben beschrieben, setzt sich die Filterwirkung beim Durchtritt des
Abgasstroms 118 durch die Filterwand 130 aus einer
Oberflächenfiltration und
einer Tiefenfiltration zusammen. Eine starke Tiefenfiltration (d.
h. Einlagerung von Dieselruß in
die Filterwände 130)
führt zu
schlechten Filtrationseffizienzen und zu einem hohen Gegendruck.
Je geringer der Anteil der Tiefenfiltration, d. h. ein frühzeitiger Übergang
in die Oberflächenfiltration,
desto geringer ist der Gegendruck des Filters unter Rußbeladung.
-
In 3 sind
Beladungskurven eines herkömmlichen
Filters (Bezugsziffer 310) und eines erfindungsgemäßen Filters
(Bezugsziffer 312) im Vergleich schematisch dargestellt.
Aufgetragen ist hierbei der Differenzdruck Δp in mbar gegen die eingebrachte
Rußmenge
in g/m2 Filterfläche. Dabei wird hier lediglich
die geometrische Filterfläche
berücksichtigt,
also diejenige Filterfläche
ohne Poren, welche für
die Filtration zur Verfügung
steht.
-
Charakteristisch
für die
Oberflächenfiltration (Rußablagerung
auf der Oberseite der Filterwand 130) ist ein linearer
Anstieg der in 3 dargestellten Beladungskurve.
Dieser lineare Anstieg ist jeweils durch die ansteigenden gestrichelten
Geraden 314 in 3 gekennzeichnet.
-
In
kleinen Beladungsbereichen hingegen, d. h. für kleine Werte von M, erfolgt
kein linearer Anstieg des Differenzdrucks mit der Rußbeladung,
sondern ein nicht-linearer Anstieg, welcher durch die Tiefenfiltration
bedingt ist. Messtechnisch kann die Tiefenfiltration eines Filtersubstrats
durch die dargestellte Geradenextrapolation der Oberflächenfiltrations-Geraden 314 erfolgen.
Die Schnittpunkte dieser Geraden 314, welche jeweils mit
b bezeichnet werden, werden mit dem tatsächlichen Wert bei M = 0 verglichen.
Die Differenz, welche in 3 mit der Bezugsziffer 316 bezeichnet
ist, ergibt die Tiefenfiltration. Diese Tiefenfiltration ist also
die Differenz zwischen dem Druck bei Oberflächenfiltration und dem Anfangsdruck
des frischen Filters ohne Berußung: dDp(Tiefenfiltration) = b(Druck bei Oberflächenfiltration) – Dp(MR
= 0)(Anfangsdruck bei 0 g/m2 Berußung). (5).
-
3 enthält, wie
oben beschrieben, Druckverlaufskurven für zwei unterschiedliche Filtermaterialien.
Die Kurve 310 beschreibt einen Standardfilterwerkstoff,
der dem Stand der Technik entspricht, wohingegen die Kurve 312 eine
Druckverlaufskurve für einen
Filterwerkstoff bezeichnet, der optimierte, also minimierte Tiefenfiltration
und damit auch einen minimierten Gegendruck unter Rußbeladung
aufweist. Die Tiefenfiltration hat dementsprechend ebenfalls die
Einheit mbar.
-
Maßgeblich
für die
Charakterisierung eines Filters sind somit zum einen die Filtrationseffizienz, welche
in Prozent angegeben wird und ein Maß für das Rückhaltevermögen von Rußpartikeln des Filters darstellt.
Weiterhin ist der in 3 dargestellte Gegendruck, also
der Differenzdruck bei einer aktuellen Rußbeladung, entscheidend, welcher
in mbar angegeben wird und den Widerstand eines Filterwerkstoffes
(unter Rußbeladung)
im Abgasstrang kennzeichnet.
-
Die
Filtrationseffizienz nimmt allgemein mit zunehmender Dicke der Filterwände (Wandstärke L) zu.
Somit muss die Wandstärke
in die Porengrößenverteilung
mit eingerechnet werden.
-
Eine
weitere entscheidende Größe zur Charakterisierung
einer Filterwand 130 stellt die Porengrößenverteilung dar. Im vorliegenden
Fall wird vorzugsweise diese Porengrößenverteilung mit Hilfe der Quecksilberporosimetrie
(MIP) gemessen. Aus der Summenkurve des kumulierten Porenvolumens
kann ein charakteristischer Verteilungswert D10, D50 („mittlerer" Porendurchmesser)
und D90 bestimmt werden. Dies ist in 4 gezeigt.
Dabei ist auf der y-Achse das kumulierte Porenvolumen Vkum in
Prozent angegeben, wohingegen auf der x-Achse der Porendurchmesser
D in μm
aufgetragen ist. Beispielsweise kann eine gausförmige Häufigkeitsverteilung der Porendurchmesser
vorliegen. Eine Integration über
diese Häufigkeitsverteilung
ergibt dann die in 4 dargestellte, in der Umgebung
von D50 steil auf den Wert 100% ansteigende Kurve.
-
Den
Wert D50 erhält
man beispielsweise, indem man den Schnittpunkt der Kurve Vkum mit einer 50%-Gerade bildet und den entsprechenden
zugehörigen
Wert für
die Porengröße D bestimmt.
Entsprechend werden die Werte D10 und D90 bestimmt.
-
Durch
Differenzbildung von D50 und D10, mit anschließender Normierung auf D50 [d.
h. (D50 – D10)/D50]
erhält
man eine reine Verhältniszahl,
welche die Breite der Verteilung der Porengrößen charakterisiert. Diese
Verhältniszahl
ist ein Maß für die Breite
des Porenfeinanteils in einem Filtersubstrat.
-
Mittels
der anhand von 4 dargestellten Messmethode
für die
Größe (D50 – D10)/D50
wurden verschiedene Arten von Filtersubstraten entsprechend der
Auftragung in 3 untersucht, und es wurden
jeweils die zugehörigen
Tiefenfiltrationen 316 bestimmt. Die Ergebnisse dieser
Reihenuntersuchungen sind in 5 aufgetragen.
Dabei ist auf der y-Achse
die Tiefenfiltration 316 in mbar aufgetragen, welche gemäß 3 bestimmt
wurde. Auf der x-Achse ist der charakteristische Wert [(D50 – D10)/D50]·L in der
Einheit mil aufgetragen.
-
Dabei
ist schraffiert hinterlegt ein Bereich gezeigt, bei welchem eine
Tiefenfiltration vorliegt, welche unterhalb von 20 mbar liegt. Für den schraffiert hinterlegten
Bereich gelten folgende Bedingungen:
- 1. [(D50 – D10)/D50]L < 9 mil
- 2. dDp ≤ 20
mbar.
-
Zudem
hat sich bei den Untersuchungen herausgestellt, dass für den schraffiert
hinterlegten Bereich die Bedingung D50 ≤ 20 μm gilt, d. h. alle Punkte, die
in diesem Bereich in 5 liegen, weisen ein D50 von
maximal 20 Mikrometern auf.
-
Ab
einem Porenfeinanteilverhältnis
[(D50 – D10)/D50]·L < 9 mil und einem
mittleren Porendurchmesser D50 ≤ 20 μm kann eine
deutliche Minimierung der Tiefenfiltration dDp 316 festgestellt
werden. Diese Bedingungen gelten für eine Tiefenfiltration dDp ≤ 20 mbar.
-
Bei
Einhaltung dieser Grenzwerte erhält
man einen Filter, der, wie 3 zeigt,
hinsichtlich Gegendruck und Filterwirkungsgrad deutlich verbessert
ist und deutliche Vorteile gegenüber
Standardfiltern aufweist. Insbesondere verläuft die Kurve 312 des
erfindungsgemäßen Filters
parallel, jedoch deutlich unterhalb der Kurve 310 des Standardfilters.
Auch der anfängliche
nicht-lineare Bereich, welcher die Tiefenfiltration 316 bezeichnet,
ist bei dem erfindungsgemäßen Filter
erheblich gegenüber
dem Stand der Technik verringert. Insgesamt kann somit der gesamte Druckabfall
am Filterelement reduziert werden, wobei gleichzeitig die Filtrationseffizienz
verbessert wird.
-
Diese
Verbesserung der Filtrationseffizienz ist in 6 schematisch
dargestellt. Dabei ist jeweils der Verlauf der Filtrationseffizienz
(Kurven 610, 612) und des Druckanstieges (Kurven 614, 616)
als Funktion der Russbeladung M (Russmenge in Gramm pro Fläche in m2) schematisch aufgetragen. Die Kurven 610 und 614 zeigen
dabei Verläufe
eines herkömmlichen
Filtermaterials (Punkte außerhalb
des schraffierten Bereichs in 5), wohingegen
die Kurven 612 und 616 Verläufe für ein erfindungsgemäßes Filtermaterial
(Punkte innerhalb des schraffierten Bereichs in 5)
darstellen. Als Filtrationseffizienz oder Filterwirkungsgrad η wird jeweils
die Zahl der aus einem Luftstrom herausgefilterten Partikel pro Gesamtzahl
der den Filter durchdringenden Partikel bezeichnet. Die Angabe erfolgt
hier in Prozent.
-
Die
Kurven 614 und 616 entsprechen somit den Kurven 310 bzw. 312 in 3.
Ein leichter Unterschied ergibt sich im anfänglichen Bereich der Kurve 614,
welcher, im Gegensatz zu Kurve 310, einen leichten S-Verlauf
zeigt, so dass sich die Kurven 614 und 616 bei
niedriger Beladung schneiden. Dieser Effekt kann grundsätzlich auch
in 3 auftreten, wurde jedoch dort vernachlässigt. An
der Bestimmung der Tiefenfiltration 316 ändert dies
nichts, und bei hohen Beladungen verläuft die Kurve 614 oberhalb
der Kurve 616.
-
Wie
aus 6 ebenfalls hervorgeht, bewirkt ein minimaler
bzw. minimierter Tiefenfiltrationsbereich 316 einen verbesserten
initialen (anfänglichen) Filterwirkungsgrad η. Dies zeigt
sich in einem Vergleich der Kurven 610 und 612.
Für ein
verbessertes Filtermaterial (d. h. Punkte innerhalb des schraffierten
Bereichs in 5) steigt der Filterwirkungsgrad als
Funktion der Rußbeladung
des Filters schneller auf seinen Endwert von näherungsweise (nahezu) 100%
an, um dann konstant zu verlaufen (Kurve 612). Bei einem
schlechteren Filtermaterial hingegen (Punkte außerhalb des schraffierten Bereichs
in 5) nähert
sich die Filtrationseffizienz η erst
später
dem endgültigen
Wert (Kurve 610).
Dabei bezeichnet D50 die
kumulierte Porengröße, unter welche
50% der Poren fallen. D10 bezeichnet die kumulierte Porengröße, unter
welche 10% der Poren fallen. L ist die Wandstärke der vom Abgasstrom durchströmten Filterwand
(130).