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Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Abgasanlage eines Kraftwagens, mit Filterwänden, welche eine Mehrzahl von Kanälen voneinander abgrenzen. Die Filterwände weisen von Abgas durchströmbare Poren auf. Des Weiteren weist der Partikelfilter wenigstens eine katalytisch wirksame und/oder gasspeichernde Komponente auf.
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Die
US 2009/0229259 A1 beschreibt einen beschichteten Partikelfilter. In dem Partikelfilter bilden Filterwände eine Wabenstruktur. Die Filterwände grenzen von Abgas durchströmbare Kanäle voneinander ab und weisen von Abgas durchströmbare Poren auf. Auf einer Zustromseite der Filterwand weisen die Poren eine geringe durchschnittliche Größe auf. Dadurch sorgt die Filterwand für ein Zurückhalten von Rußpartikeln. Die Poren geringer Größe sind zudem mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet, welche für ein Oxidieren der Rußpartikel sorgt. Demgegenüber weisen die Poren auf einer Austrittsseite der Filterwand eine größere durchschnittliche Porenweite auf. Diese vergleichsweise großen Poren sind ebenfalls mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet, welche für ein Oxidieren von unverbrannten gasförmigen Komponenten sorgt. Die durchströmbaren Poren innerhalb der Filterwand sind also mit unterschiedlichen katalytisch wirksamen Substanzen beschichtet.
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Als nachteilig bei einem derartig beschichteten Partikelfilter ist der Umstand anzusehen, dass dieser einen vergleichsweise großen Abgasgegendruck verursacht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Partikelfilter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einer guten Abscheidewirkung für Partikel einen geringen Gegendruck verursacht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentanspruch angegeben.
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Der erfindungsgemäße Partikelfilter für eine Abgasanlage eines Kraftwagens umfasst eine Mehrzahl von Kanälen voneinander abgrenzenden Filterwänden, welche von Abgas durchströmbare Poren aufweisen. Des Weiteren weist der Partikelfilter wenigstens eine katalytisch wirksame und/oder gasspeichernde Komponente auf. Auf wenigstens eine Filterwand ist hierbei zumindest bereichsweise ein die Poren abdeckender Oberflächenfilter aufgebracht, welcher die katalytisch wirksame und/oder gasspeichernde Komponente aufweist.
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Der Oberflächenfilter sorgt bereits dann für eine besonders gute Abscheidung von Partikeln aus dem Abgasstrom, wenn der Partikelfilter noch vergleichsweise gering mit Partikeln beladen ist. Des Weiteren sorgt die katalytisch wirksame und/oder gasspeichernde Komponente für verringerte Schadstoffemissionen, entweder direkt durch die katalytisch wirksame Funktion oder durch Speichern und anschließendes Freigeben von Schadstoffen, welche in einer nachgeschalteten katalytisch wirksamen Einheit abgebaut werden.
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Durch das Integrieren der katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Komponente in den Oberflächenfilter kann Bauraum für ansonsten zusätzlich notwendige Katalysatoren oder gasspeichernde Einrichtungen der Abgasanlage eingespart werden.
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Der die Partikel aus dem Abgas besonders weitgehend zurückhaltende Oberflächenfilter ermöglicht es, die Filterwände so zu gestalten, dass sie einen vergleichsweise geringen Gegendruck des Partikelfilters verursachen. Der Oberflächenfilter ist insbesondere so ausgelegt, dass bereits im noch nicht mit Partikeln beladenen Zustand des Partikelfilters ein sehr hoher Abscheidegrad erreichbar ist, insbesondere ein Abscheidegrad von mehr als 80% bezogen auf die Partikelanzahl. Je nach Porengröße des Oberflächenfilters kann selbst ein Abscheidegrad von mehr als 90% bereits im noch nicht beladenen Zustand realisiert werden, ohne dass dies mit einem unerwünscht hohen Gegendruck des Partikelfilters erkauft zu werden braucht.
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Bei Vorsehen der katalytisch wirksamen Komponente in dem Oberflächenfilter besteht dort ein direkter Kontakt von Rußpartikeln und der katalytisch wirksamen Komponente. Dadurch ist ein besonders gutes Regenerationsverhalten des Partikelfilters gegeben. Im Vergleich zu einem Partikelfilter, welcher den Oberflächenfilter nicht aufweist, ist zwar im nicht beladenen Zustand des Partikelfilters ein minimal erhöhter Gegendruck gegeben, jedoch ist im beladenen Zustand der Gegendruck stark verringert.
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Der Oberflächenfilter kann vollständig aus der katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Komponente bestehen. Alternativ kann der Oberflächenfilter ein Trägermaterial aufweisen, welches mit der katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Komponente versehen ist. Als Trägermaterialien kommen hierbei u. a. Aluminiumoxide, Siliziumcarbid, Cordierit, Aluminiumtitanat und eisenbasierte Sintermetalle in Frage. Das Trägermaterial kann insbesondere eine andere Zusammensetzung haben als die Filterwand des Partikelfilters. Ein Material, welches aufgrund der hohen Porösität eine besonders große spezifische Oberfläche aufweist, wird in der Abgasbehandlung auch als Washcoat bezeichnet. Entsprechend kann der Oberflächenfilter als Washcoat aus oder mit der katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Komponente ausgebildet sein. Bevorzugt bildet der Oberflächenfilter eine Membran aus. Vorzugsweise Ist diese vergleichsweise dünn, zusammenhängend und homogen ausgebildet. Vorzugsweise ist sie durchlässig für Gasteilchen, jedoch nur gering oder vernachlässigbar durchlässig für Feststoffteilchen mit einem Kugel-Durchmesser von mehr als 10 Nanometer. Besonders bevorzugt ist eine vernachlässigbare Durchlässigkeit für Partikel mit einem Kugel-Durchmesser von mehr als 5 Nanometer.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels des Oberflächenfilters ein Eindringen von Partikeln in die Filterwand zumindest weitgehend unterbindbar. Der Oberflächenfilter verhindert dann in den Bereichen, in welchen er die Poren der Filterwand abdeckt, eine Tiefenfiltration der Filterwand, welche sich nachteilig auf den Gegendruck des Partikelfilters auswirkt. Insbesondere ist hierbei vorteilhaft, dass dann die Zunahme des Gegendrucks des Partikelfilters mit steigender Partikelbeladung und Masse der in dem Partikelfilter gespeicherten Partikel eine weitgehend lineare Abhängigkeit zeigen. Liegt ein derartiges lineares Verhalten des Partikelfilters vor, so kann das Regenerieren des Partikelfilters durch Abbrennen von Rußpartikeln besonders kraftstoffsparend vorgenommen werden, da eine Partikelbeladung des Partikelfilters sehr genau ermittelt werden kann. Die Tiefenfiltration, also das Eindringen von Partikeln aus dem Abgas in die eigentliche Filterwand, wird mittels des Oberflächenfilters bevorzugt zumindest zu 80%, insbesondere zumindest zu 90%, verhindert.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche und funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Schnitt durch einen Partikelfilter, auf dessen Filterwände auf einer Einlassseite eine als Oberflächenfilter wirkende Membran aufgebracht ist;
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2 den Partikelfilter gemäß 1 mit auf der Einlassseite und einer Auslassseite der Filterwände aufgebrachten Membranen;
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3 den Partikelfilter gemäß 1 mit nur auf der Auslassseite der Filterwände aufgebrachter Membran;
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4 eine weitere Ausführungsform eines Partikelfilters, bei welchem die Einlassseite der jeweiligen Filterwand vollständig und die Auslassseite nur bereichsweise mit einer Membran versehen ist; und
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5 eine weitere Ausführungsform eines Partikelfilters, bei welchem die Membran sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Auslassseite der Filterwand jeweils nur bereichsweise vorhanden ist.
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Ein in 1 schematisch und geschnitten gezeigter Partikelfilter 10 weist einen Einlasstrichter 12 und einen Auslasstrichter 14 auf. Innerhalb eines Gehäuses 16 grenzen Filterwände 18 eine Mehrzahl von Kanälen 20 voneinander ab. Die Filterwände 18 weisen von Abgas durchströmbare Poren auf. Der Strömungsweg des eine Filterwand 18 durch die Poren durchströmenden Abgases ist durch eine Strömungspfeil 22 veranschaulicht. Bei dem auch als Wallflow-Filter bezeichneten Partikelfilter 10 sorgen die Kanäle 20 verschließende Stopfen 24 dafür, dass das durch den Einlasstrichter 12 eintretende Abgas die Filterwände 18 durchströmen muss, um in den Auslasstrichter 14 zu gelangen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Partikelfilters 10 ist auf eine Einlassseite 26 einer jeweiligen Filterwand 18 eine Membran 28 aufgebracht, welche die Poren der Filterwand 18 abdeckt und somit als Oberflächenfilter wirkt. Die zusammenhängende, dünne Membran 28 verhindert hierbei ein Eindringen von Rußpartikeln 30 in die Filterwand 18. Dadurch weist der Partikelfilter 10 im mit Rußpartikeln 30 beladenen Zustand einen geringeren Gegendruck auf, als dies der Fall wäre, wenn die Filterwand 18 als Tiefenfilter wirken würde, bei welchem eine Ablagerung der Rußpartikel 30 in den Poren der Filterwand 18 selbst stattfindet.
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Durch die geringe Porengröße der Membran 28 wird gleichzeitig – selbst im noch unbeladenen Zustand des Partikelfilters 10 – ein sehr hoher Abscheidegrad erreicht, typischerweise ein Abscheidegrad von mehr als 90%. Vorliegend ist die Membran 28 katalytisch wirksam oder sie weist zumindest eine gasspeicherende Komponente auf. Dadurch kann bereits in der Membran 28 ein Abbau von in dem Abgas enthaltenen Schadstoffen erfolgen oder es können zumindest Schadstoffe gespeichert werden, welche anschließend durch Reaktion an einer nicht in der Membran 28 selber angeordneten katalytisch wirksamen Substanz abgebaut werden kann.
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Die Membran weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 250 μm, insbesondere eine Dicke von 10 μm bis 20 μm auf und/oder eine Porösität von mehr als 35%, insbesondere ein Porösität von 50%, und/oder ein Porengröße von weniger als 10 μm, insbesondere eine Porengröße von 1 μm bis 5 μm auf. Aufgrund der im Vergleich zu den Poren der Filterwand 18 geringeren Porengröße und der gleichzeitig hohen Porösität der Membran 28 weist diese eine größere spezifische Oberfläche auf als die Filterwand 18. Wenn die Membran 28 eine katalytisch wirksame Komponente aufweist, kann in Folge der großen spezifischen Oberfläche der Membran 28 ein sehr wirkungsvoller Abbau von Schadstoffen und ein besonders gutes Regenerationsverhalten des Partikelfilters 10 beobachtet werden.
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Während in der in 1 gezeigten Ausführungsform des Partikelfilters 10 die Membran 28 lediglich auf der Einlassseite 26 der Filterwände 18 angeordnet ist, weisen bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Filterwände 18 sowohl auf ihrer Einlassseite 26 als auch auf ihrer Auslassseite 32 eine als Oberflächenfilter wirkende Membran 34 auf. Auch diese Membran 34 enthält eine katalytisch wirksame und/oder gasspeicherende Komponente. Jedoch ist die katalytische Funktion der Auslassseite der Membran 34 bevorzugt eine andere als die katalytische Funktion der einlassseitigen Membran 28. Insbesondere von den ihre Filtrationseigenschaften bestimmenden Parametern her können die Membranen 28, 34 jedoch gleichartig sein.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist lediglich die Auslassseite 36 der Filterwände 18 mit der Membran 34 beschichtet. Hierbei bedeckt die Membran 34 die jeweilige Filterwand 18 über deren axiale Länge hin so, dass aus den Poren der Filterwand 18 austretendes Abgas nicht in den Auslasstrichter 14 gelangen kann, ohne zuvor die Membran 34 passiert zu haben. So sorgt die Membran 34 aufgrund ihrer Eigenschaft als engmaschiger Oberflächenfilter für eine verbesserte Abscheidung von Partikeln 30, wobei gleichzeitig der Abgasgegendruck in der Filterwand 18 selber nicht aufgrund einer katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Beschichtung der Filterwand 18 erhöht ist.
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Bei der Ausführungsform des Partikelfilters gemäß 4 ist auf der Einlassseite 26 jede Filterwand 18 durchgängig mit der Membran 28 beschichtet. Auf der Auslassseite 32 ist die Membran 34 jedoch nicht über die gesamte axiale Länge des Partikelfilters 10 gesehen durchgängig ausgebildet. Vielmehr deckt nur in einem Auslassbereich 36 des Partikelfilters 10 die Membran 34 die Poren der Filterwand 18 ab.
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Bei der Ausführungsform des Partikelfilters 10 gemäß 5 ist die Membran 34 ebenfalls lediglich in dessen Auslassbereich 36 auf der Auslassseite 32 der Filterwände 18 angeordnet. Jedoch ist auch auf der Einlassseite 26 die Membran 28, welche die Poren der Filterwand 18 abdeckt, nicht über die gesamte axiale Länge des Partikelfilters 10 vorgesehen, sondern die Membran 28 deckt die Poren lediglich in einem Einlassbereich 38 des Partikelfilters 10 flächig ab. Vorliegend grenzen der Einlassbereich 38 und der Auslassbereich 36 über die axiale Länge des Partikelfilters 10 gesehen aneinander. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Variationen der axialen Länge der Membranen 28, 34 vorkommen.
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In den vorliegend gezeigten Ausführungsformen kann zusätzlich die Filterwand 18 selber eine katalytisch wirksame und/oder gasspeichernde Komponente aufweisen. In diesem Fall sind dann die Poren in der Filterwand 18 zumindest bereichsweise mit der katalytisch wirksamen und/oder gasspeichernden Substanz beschichtet. Durch das Vorsehen von katalytisch wirksamen Komponenten in dem Partikelfilter 10, nämlich in dessen Membranen 28, 34 oder zusätzlich in der Filterwand 18 wird Bedarf an Bauraum für einen ansonsten gegebenenfalls notwendigen zusätzlichen Katalysator verringert.
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Die einlassseitige Membran 26 und die auslassseitige Membran 34 können gleiche oder unterschiedliche Katalysatorfunktionalitäten oder Speichereigenschaften aufweisen. Ebenso kann die gegebenenfalls in der Filterwand 18 vorgesehene Beschichtung der Poren eine weitere Katalysator- oder Gasspeicherfunktion bereitstellen oder eine Vergrößerung der katalytisch wirksamen Oberfläche für eine katalytische Funktion mit sich bringen. Die zusätzliche oder alternative gasspeichernde Komponente kann zum Speichern von Kohlenwasserstoffen und/oder Ammoniak und/oder Stickoxid vorgesehen sein.
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Soll in der Membran 28, der Membran 34 oder der Filterwand 18 eine Katalysatorfunktion bereitgestellt sein, so kann für eine SCR-Funktion (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) Kupfer-, Vanadium- oder Eisenverbindungen als katalytisch wirksame Komponente vorgesehen sein. Die genannten Metalle können insbesondere in Zeolithen vorliegen. Auch andere Trägermaterialien können mit den genannten Metallen versehen sein um die SCR-Funktionalität bereitzustellen.
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Soll die Funktionalität eines Stickoxid-Speicherkatalysators bereitgestellt sein, können als katalytisch wirksame Komponenten Platin und/oder Palladium und Rhodium und/oder Erdalkaliverbindungen, insbesondere Bariumverbindungen, zum Einsatz kommen. Für die Funktionalität eines Oxidationskatalysators kann insbesondere Platin und/oder Palladium vorgesehen sein. Soll ein Drei-Wege-Katalysator durch die Membrane 28, 34 oder zusätzliche durch die Filterwand 18 bereitgestellt sein, können Platin und/oder Palladium und Rhodium sowie Cer zum Einsatz kommen. Daneben sind als katalytisch wirksame Edelmetalle Gold und Silber einsetzbar. Es kann auch ein partiell oxidierender Katalysator durch die katalytisch wirksamen Komponenten bereitgestellt sein.
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Bezogen auf die durch den Strömungspfeil 22 beschriebene Strömungsrichtung durch die mit den zwei Membranen 28, 34 beschichtete Filterwand 18 können folgende Abfolgen von katalytischen und/oder gasspeichernden Funktionen in dem Partikelfilter 10 vorgesehen sein:
Auf einen Stickoxid-Speicherkatalysator kann ein SCR-Kataylsator folgen. Der Stickoxid-Speicherkatalysator kann hierbei lediglich in der Membran 28 als auch zusätzlich in der Filterwand 18 bereitgestellt sein. Des Weiteren können die Membran 28 einen Oxidationskatalysator, die Filterwand 18 einen Stickoxid-Speicherkatalysator und die Membran 34 einen SCR-Katalysator bereitstellen.
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Alternativ kann die Membran 34 einen Stickoxid-Speicherkatalysator bereitstellen, wobei die Filterwand 18 ebenfalls als Stickoxid-Speicherkatalysator fungieren oder unbeschichtet ausgebildet sein kann und dann lediglich eine Filterfunktion bereitstellt.
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Auch bei der Abfolge eines SCR-Katalysators und daran anschließenden Oxidationskatalysators kann die SCR-Katalysatorfunktion lediglich in der Membran 28 und die Oxidationskatalysatorfunktion lediglich in der Membran 34 bereitgestellt sein. Alternativ kann die Filterwand 18 selber zusätzlich zu der Membran 28 als SCR-Katalysator wirken.
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Auch die Abfolge eines Stickoxid-Speicherkatalysators in der Membran 28, eines SCR-Katalysators in der Filterwand 18 und eines Oxidationskatalysators in der Membran 34 ist möglich. Darüber hinaus kann auf einen Stickoxid-Speicherkatalysator, welcher nur in der Membran 28 ausgebildet oder zusätzlich in der Filterwand 18 bereitgestellt sein kann, ein in der Membran 34 ausgebildeter Oxidationskatalysator folgen.
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Weiter katalytische Funktionalitäten können einen Stickoxid-Speicherkatalysator in der Membran 28, eine unbeschichtete Filterwand 18 und einen SCR-Katalysator in der Membran 34 umfassen. Zusätzlich kann auch hier die Filterwand 18 die SCR-Katalysator-Funktion aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Membran 28 als gasspeicherende Komponente wirken, etwa um Stickoxid zu adsorbieren, wobei in dem in der Filterwand 18 nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator die desorbierten Stickoxide reduziert werden können. In diesem Fall weist die Membran 28 lediglich Erdalkalimetalle auf, insbesondere Barium, um die Stickoxid zu speichern, während in dem Stickoxid-Speicherkatalysator in der Filterwand 18 zusätzlich Edelmetalle vorgesehen sind, um die Reduktion der Stickoxide zu bewirken.
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Auch kann die Membran 28 zum Adsorbieren von Kohlenwasserstoffen und die Filterwand 18 zum Adsorbieren von Stickoxiden ausgebildet sein, wobei dann in der Membran 34 der Stickoxid-Speicherkatalysator bereitgestellt sein kann.
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Bei Vorsehen eines Drei-Wege-Katalysators kann dieser in der Membran 28 bereitgestellt sein. An diesen kann sich eine unbeschichtete Filterwand 18 und ein in der Membran 34 bereitgestellter Stickoxid-Speicherkatalysator anschließen.
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Alternativ kann dem Drei-Wege-Katalysator ein Stickoxid-Speicherkatalysator nachgeschaltet sein, welcher in der Filterwand 18 bereitgestellt ist, auf welche wiederum in der Membran 34 ein SCR-Katalysator folgen kann.
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Ebenso ist es vorstellbar, sowohl die Membran 28 als auch die Filterwand 18 als Drei-Wege-Katalysator, auszubilden. Den beiden Drei-Wege-Katalysatoren kann ein optionaler Stickoxid-Speicherkatalysator in der Membran 34 nachgeschaltet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0229259 A1 [0002]
