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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter mit einem Katalysator,
der eine Filterwand aufweist, durch die ein Abgas hindurchtreten
kann und die eine Zweischichtstruktur aufweist, die eine Katalysatorschicht
auf einer Gaseinströmseite und eine Substratschicht auf
einer Gasausströmseite umfasst.
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Stand der Technik
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Ein
Abgas, das von einer Brennkraftmaschine, wie z. B. einem Dieselmotor,
ausgestoßen wird, enthält Partikel, bei denen
es sich um feine Partikel eines Abgases handelt, die Kohlenstoff-enthaltenden
Ruß oder dergleichen als Hauptbestandteil sowie Verbrennungsrückstände,
wie z. B. Aschen, enthalten. Aufgrund dessen wird im Stand der Technik
z. B. in einer Abgasvorrichtung eines Dieselmotors oder dergleichen
eine Anordnung in Betracht gezogen, in der ein Dieselpartikelfilter
oder DPF zur Entfernung der Partikel und der Verbrennungsrückstände
bereitgestellt ist. Darüber hinaus wird auch ein DPF mit
einem Katalysator in Betracht gezogen, der innerhalb des DPF einen
Katalysator zum Oxidieren der Partikel aufweist.
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Beispielsweise
beschreibt
JP Hei 8-332329
A einen Filter zum Reinigen eines Abgases, der zum Einfangen
von Dieselpartikeln verwendet wird, wobei der Filter ein Basiselement,
das als Wabenstruktur mit vielen Fluidpfaden und vielen Poren ausgebildet
ist, und Beschichtungsschichten umfasst, die auf oberen und/oder unteren
Oberflächen des Basiselements bereitgestellt sind. In dieser
Veröffentlichung ist beschrieben, dass die Beschichtungsschicht
ein Verbindungsloch aufweist, das von der Oberfläche der
Beschichtungsschicht zur Oberfläche des Basiselements reicht.
Es ist auch beschrieben, dass die durchschnittliche Porengröße
des Verbindungslochs 10 μm bis 60 μm beträgt
und dass die Porosität der Beschichtungsschicht 30% bis
80% beträgt. Es ist ferner beschrieben, dass die Beschichtungsschicht
aktives Aluminiumoxid, auf dem ein Katalysator geträgert
ist, auf einer Oberfläche der Beschichtungsschicht und
der Wandoberfläche des Verbindungslochs umfasst.
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JP 2002-519186 A beschreibt
eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Ruß-enthaltenden
Rauchabgases, bei der eine poröse Filterwand integriert
gebunden ist, wobei die Filterwand eine Gaseinlassoberfläche und
eine Gasauslassoberfläche aufweist, ein katalytisch aktives
Material, das die Oxidation des Rußes katalysiert, auf
mindestens einem Teil derjenigen Oberflächenabschnitte
von Metall- und/oder Keramikteilchen, die zu Hohlräumen
hin freiliegen, abgeschieden ist, wobei jede Filterwand auf der
Auslassoberfläche eine Membran mit einer Dicke in einem
Bereich von 50 μm bis 400 μm aufweist, die durchschnittliche
Porengröße der Membran 1 μm bis 50 μm
beträgt, die Porosität der Filterwand 30% bis
90% beträgt und das Material des Filterelements der porösen
Filterwand eine durchschnittliche Porengröße in
einem Bereich von 10 μm bis 200 mm aufweist.
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Die
internationale Veröffentlichung
Nr. 02/096827 beschreibt eine poröse Keramiksinterstruktur
mit einem Verbindungsloch, wobei das Verbindungsloch kleine Poren
mit einer geringeren Porengröße als die durchschnittliche
Teilchengröße der Keramikteilchen, welche die
Sinterstruktur bilden, und große Poren umfasst, die eine
größere Porengröße als die Porengröße
der kleinen Poren aufweisen, der Prozentsatz der großen
Poren in der Sinterstruktur 5% bis 15%, bezogen auf das Volumen,
beträgt, die durchschnittliche Porengröße
der großen Poren 30 μm bis 80 μm beträgt
und die durchschnittliche Porengröße der kleinen
Poren 5 μm bis 40 μm beträgt, sowie einen
DPF, bei dem ein Katalysator auf einer Oberfläche eines
Keramiksubstrats geträgert ist, das eine Keramiksinterstruktur
umfasst.
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JP 2005-21818 A beschreibt
einen Abgaskatalysator, der ein Substrat und eine auf dem Substrat
gebildete Katalysatorschicht umfasst, wobei die Katalysatorschicht
einen Hohlraum in der Schicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht
ein feines partikelförmiges Material einfangen kann, und
davon ausgegangen wird, dass eine Verbrennungsreaktion zwischen
einem eingefangenen feinen Partikelmaterial und Sauerstoff und/oder
Stickstoffdioxid in dem Abgas stattfindet. Es ist beschrieben, dass
die durchschnittliche Porosität in der Katalysatorschicht
5% bis 70% beträgt, die durchschnittliche Porengröße
der Poren in der Katalysatorschicht 0,2 μm bis 30 μm
beträgt, die Porosität des Substrats 30% bis 80%
beträgt und die durchschnittliche Porengröße
des Substrats 3 μm bis 40 μm beträgt.
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JP 2003-56327 A beschreibt
einen Filter des selbstregenerierenden Typs zum Einfangen von Abgaspartikeln,
bei dem von einer Mehrzahl von Zellenräumen, die durch
eine poröse Gitterwand getrennt sind, in einem Zellenraum
auf der Abgaseinströmseite, bei dem die Einlassseite geöffnet
ist und die Auslassseite durch ein Abdichtmittel abgedichtet ist,
ein Partikelmaterial bereitgestellt ist, auf dem ein Katalysator
geträgert ist.
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JP 2007-244950 A beschreibt
einen Katalysator des Partikelfiltertyps zum Reinigen eines Abgases (Abgasreinigungskatalysator),
der ein Rahmenelement mit einer Zelle und anorga nische Fasern, auf
denen ein Katalysatorbestandteil geträgert ist, aufweist,
wobei die anorganischen Fasern in einer Zelle mit einem offenen Ende
auf einer Stromaufwärtsseite bezogen auf die Gasströmungsrichtung
des Rahmenelements bereitgestellt sind. Darüber hinaus
liegen als Dokumente des Standes der Technik in dem Gebiet der vorliegenden
Erfindung zusätzlich zu
JP Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186 A , der
internationalen Veröffentlichung
Nr. 02/096827 ,
JP
2005-21818 A ,
JP
2003-56327 A und
JP 2007-244950 A ,
JP 2004-42021 A und
Hidemitsu
Hayashi und Shuichi Kubo, „Computer simulation study an
filtration of soot particles in diesel particulate filter [Computersimulationsstudie
bezüglich der Filtration von Russpartikeln in einem Dieselpartikelfilter]",
Computers and Mathematics with Applications 55, Holland, ELSEVIER,
2008, Seiten 1450 bis 1460, vor.
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Bezüglich
der Katalysatoren, die für den DPF verwendet werden, ist
es bekannt, dass zwei Typen von Katalysatoren zur Verfügung
stehen, nämlich ein „Katalysator auf Edelmetallbasis,
wie z. B. Platin”, der CO und Kohlenwasserstoffe in dem
Abgas oxidiert und die Partikel mit der durch die Oxidation erzeugten
Oxiationswärme verbrennt, und ein „Katalysator
auf Oxidbasis, wie z. B. Ceroxid”, der die Oxidationstemperatur
der Partikel senkt, so dass die Partikel durch eine Oxidation selbst
bei Bedingungen einer relativ niedrigen Temperatur verbrannt werden.
Wenn von diesen Katalysatoren der Katalysator auf Oxidbasis verwendet
wird, ist es nicht erforderlich, die Temperatur des DPF übermäßig
zu erhöhen, eine spezielle Struktur zum übermäßigen Erhöhen
der Temperatur des DPF einzusetzen oder den Betrieb unter speziellen
Betriebsbedingungen durchzuführen. Wenn beispielsweise
der DPF mit Katalysator, der den Katalysator auf Edelmetallbasis
aufweist, zum Entfernen der Partikel verwendet wird, muss die Temperatur
des DPF übermäßig erhöht werden,
und um dies zu erreichen, muss dem Abgas ein Kraftstoff zugeführt
werden und die Temperatur des DPF kann durch eine Oxidation des
Kraftstoffs erhöht werden. Wenn als DPF mit Katalysator
andererseits der Katalysator auf Oxidbasis verwendet wird, ist es
nicht erforderlich, dem Abgas einen Kraftstoff zuzuführen,
oder selbst wenn der Kraftstoff zugeführt wird, kann die
eingesetzte Menge ausreichend vermindert werden.
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Wenn
für den DPF ein solcher Katalysator auf Oxidbasis verwendet
wird, sind die folgenden vier Bedingungen (1) bis (4) als wichtige
Bedingungen für den DPF mit Katalysator erforderlich:
- (1) Dass der Grad des Kontakts zwischen den
Partikeln und dem Katalysator hoch ist,
- (2) dass die Filtrationseffizienz der Partikel hoch ist,
- (3) dass der Druckverlust in einem Zustand, bei dem die Partikel
gesammelt werden, niedrig ist, und
- (4) dass die Beständigkeit gegen Asche hoch ist.
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Die
Bedingung (1) wird zuerst beschrieben. Von den zwei Typen von Katalysatoren
wird in dem Fall des Katalysators auf Edelmetallbasis, selbst wenn
die Partikel an einem Oberflächenabschnitt des Hauptkörpers
der Katalysatorschicht eingefangen werden, die den Katalysator des
DPF im Inneren aufweist, und die Partikel und der Katalysator nicht
direkt miteinander in Kontakt kommen, d. h., selbst wenn das Ausmaß des Kontakts
gering ist, die Oxidationswärme von dem Katalysator durch
den Hauptkörper der Katalysatorschicht auf die Partikel übertragen.
Deshalb können die Partikel durch Oxidation entfernt werden.
Andererseits kann in dem Fall des Katalysators auf Oxidbasis, wenn
die Partikel an dem Oberflächenabschnitt des Hauptkörpers der
Katalysatorschicht des DPF eingefangen werden und die Partikel und
der Katalysator nicht direkt miteinander in Kontakt kommen, d. h.
wenn das Ausmaß des Kontakts gering ist, die Oxidationstemperatur
der Partikel nicht gesenkt werden und der Vorteil des effektiven
Entfernens der Partikel durch Oxidation kann nicht erreicht werden.
Daher ist es bei der Verwendung des Katalysators auf Oxidbasis erforderlich,
dafür zu sorgen, dass die Partikel in ausreichendem Maß in
das Innere des Hauptkörpers der Katalysatorschicht eintreten,
und eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen
den Partikeln und dem Katalysator sicherzustellen.
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Bezüglich
der Bedingung (2) muss der DPF in verschiedenen Ländern
den Vorschriften bezüglich der Menge des Partikelausstoßes
genügen. Insbesondere plant Europa die Anwendung von strengen
Vorschriften bezüglich der Anzahl von Abgaspartikeln. Daher
ist es bei dem DPF besonders erwünscht, dass die Filtrationseffizienz
der Partikel hoch ist.
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Bezüglich
der Bedingung (3) kann die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs vermindert
werden, wenn der Druckverlust in dem Zustand, bei dem die Partikel
durch den DPF eingefangen werden, hoch ist. Insbesondere wurde in
den letzten Jahren der Bedarf für eine Verbesserung der
Kraftstoffeffizienz im Hinblick auf die Förderung einer
Energieverbrauchsverminderung höher. Daher ist es bei dem
DPF besonders erwünscht, dass der Druckverlust in dem Zustand,
bei dem die Partikel eingefangen werden, gering ist.
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Bezüglich
der Bedingung (4) wird Asche durch den DPF eingefangen. Wenn die
Asche in einer übermäßig konzentrierten
Weise an einem Abschnitt des Hauptkörpers der Katalysatorschicht
eingefangen wird, wie z. B. der Oberfläche der Gaseinströmseite,
wird der Druckverlust erhöht, was zu einer Verminderung
der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs führen kann, das
den DPF nutzt, oder eine Verminderung der Lebensdauer des DPF verursacht.
Daher ist eine hohe Beständigkeit bezüglich Asche,
d. h. die Eigenschaft, dass die Leistungsverminde rung des DPF selbst
dann unterdrückt werden kann, wenn die Asche eingefangen
wird, besonders erwünscht.
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Mit
dem Stand der Technik, der in den vorstehend genannten Veröffentlichungen
beschrieben ist, nämlich
JP Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186 A , der
internationalen Veröffentlichung
Nr. 02/096827 A ,
JP 2005-21818
A ,
JP 2003-56327
A und
JP
2007-244950 A , können die vier Bedingungen, die
vorstehend beschrieben worden sind, aus den folgenden Gründen
nicht gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisiert werden. Erstens
kann bezüglich der Bedingung (1) zur Realisierung eines
hohen Kontaktgrads zwischen den Partikeln und dem Katalysator eine
Anordnung in Betracht gezogen werden, bei der die Partikel in Poren
abgeschieden werden, die mit dem Katalysator beschichtet sind. Bei
der Technik, die in
JP
Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186
A , der
internationalen
Veröffentlichung Nr. 02/096827 und
JP 2005-21818 A beschrieben
ist, kann sich jedoch der größte Teil der Partikel
auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Filterwand
abscheiden und gasartige Aschebestandteile oder die Aschebestandteile,
die an den Partikeln anhaftend in den Filter eintreten, können
sich ansammeln und die Oberfläche der Filterwand bedecken.
Aufgrund dessen wird nicht nur der Druckverlust des DPF erhöht,
sondern auch das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Katalysator,
der innerhalb des Filters vorliegt, und der Partikel kann nicht
erhöht werden, und auch die Beständigkeit gegen Asche
wird vermindert. Daher besteht die Möglichkeit, dass die
vorstehend beschriebenen Bedingungen (1), (3) und (4) nicht realisiert
werden können, und es ist eine Struktur erwünscht,
die nicht bewirkt, dass die Partikel übermäßig
auf der Oberfläche der Einströmseite der Filterwand
abgeschieden werden, und die bewirkt, dass sich die Partikel in
einer größeren Menge im Inneren der Poren der
Filterwand abscheiden.
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Andererseits
kann bei den Techniken, die in
JP Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186 A , der
internationalen Veröffentlichung
Nr. 02/096827 und
JP 2005-21818 A offenbart sind, von einer
anderen Anordnung ausgegangen werden, bei der die durchschnittliche
Porengröße der Filterwand und die Porosität
einfach erhöht werden, um die Abscheidung der Partikel
in den Poren zu bewirken. In diesem Fall ist in dem DPF die Filtrationseffizienz
der Partikel vermindert und folglich ist es wahrscheinlicher, dass
die Anordnung die Vorschriften bezüglich der Anzahl der
Abgaspartikel verletzt. Beispielsweise ist in der Technik, die in
JP 2002-519186 A beschrieben
ist, eine Membran am Auslass der Filterwand angeordnet, um die Verminderung
der Filtrationseffizienz zu unterdrücken. Bei dieser Technik
ist es jedoch schwierig, die mechanische Festigkeit sicherzustellen, die
für den DPF erforderlich ist, während die Porosität
erhöht wird. Wenn die mechanische Festigkeit, die für den
DPF erforderlich ist, bei der in
JP 2002-519186 A beschriebenen Technik sichergestellt
werden soll, muss die Porosität ver mindert werden und in
diesem Fall wird der Druckverlust aufgrund der Abscheidung der Partikel
im Inneren der Filterwand erhöht.
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Bei
den Techniken, die in
JP
2003-56327 A und
JP 2007-244950 A beschrieben sind, sind ein
Filter, in dem ein Partikelmaterial, auf dem der Katalysator geträgert
ist, in dem Zellenraum der Abgaseinströmseite bereitgestellt
ist, bei dem es sich um den Strömungsweg auf der Abgaseinströmseite
des DPF handelt (
JP 2003-56327
A ), und ein Abgasreinigungskatalysator beschrieben, bei
dem anorganische Fasern, auf denen ein Katalysatorbestandteil geträgert
ist, innerhalb einer Zelle bereitgestellt sind, bei der es sich
um einen Strömungsweg auf der Abgaseinströmseite
handelt, der ein offenes Ende auf einer Stromaufwärtsseite
bezüglich der Gasströmungsrichtung des Rahmenelements
aufweist (
JP 2007-244950
A ). Bei diesen Techniken ist es gegebenenfalls möglich,
das Ausmaß des Kontakts zwischen den Partikeln und dem
Katalysator zu erhöhen, ohne zu bewirken, dass die Partikel
in den Poren der Filterwand abgeschieden werden. Um das Ausmaß des Kontakts
zwischen den Partikeln und dem Katalysator zu erhöhen,
muss bzw. müssen das Partikelmaterial oder die anorganischen
Fasern jedoch sehr klein und dicht gemacht werden, um die Kontaktfläche
zwischen den Partikeln und dem Katalysator zu erhöhen.
In diesem Fall kann bzw. können das Partikelmaterial oder
die anorganischen Fasern den Strömungsweg blockieren und
eine Zunahme des Druckverlusts des DPF verursachen. Insbesondere
besteht unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases, das entlang des Strömungswegs strömt,
im Allgemeinen etwa das 100-fache der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases beträgt, das durch die Filterwand hindurchtritt,
die Möglichkeit, dass der Druckverlust des DPF signifikant
erhöht wird. Daher können bei den Techniken, die
in
JP 2003-56327
A und
JP
2007-244950 A beschrieben sind, die Bedingungen (1) und
(3), d. h., der hohe Kontaktgrad zwischen den Partikeln und dem Katalysator
und der niedrige Druckverlust, nicht gleichzeitig realisiert werden.
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Wie
es beschrieben worden ist, offenbaren
JP Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186 A ,
die
internationale Veröffentlichung
Nr. 02/096827 ,
JP
2005-21818 A ,
JP
2003-56327 A und
JP 2007-244950 A keine Struktur, welche die
vier Bedingungen, die vorstehend beschrieben worden sind, gleichzeitig
auf einem hohen Niveau realisieren kann, insbesondere keine Struktur,
die das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Katalysator und den
Partikeln ausreichend erhöhen kann, wenn der Katalysator
auf Oxidbasis für den DPF mit Katalysator verwendet wird.
JP 2004-42021 A beschreibt
die Verwendung von Silber- und/oder Kobalt-stabilisiertem Ceroxid als
Washcoat mit einer hohen Katalysatoraktivität für
einen DPF mit Katalysator. Eine Struktur, die gleichzeitig die vier
vorstehend beschriebenen Bedingungen auf einem hohen Niveau realisieren
kann, einschließlich eine Struktur, welche die Kontakteigenschaften
zwischen dem Katalysator und den Partikeln erhöhen kann,
ist in dieser Veröffentlichung jedoch nicht beschrieben.
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Zusammenfassung
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Ein
Vorteil des Partikelfilters mit Katalysator der vorliegenden Erfindung
liegt darin, dass eine Struktur realisiert wird, welche die vier
vorstehend beschriebenen Bedingungen, die erforderlich sind, wenn
ein Katalysator auf Oxidbasis als Katalysator verwendet werden soll,
gleichzeitig auf einem hohen Niveau realisieren kann.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter mit einem
Katalysator bereitgestellt, der eine Filterwand aufweist, durch
die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur
aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite
und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst,
die jeweils Poren aufweisen, wobei die Katalysatorschicht ferner
einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthält, der
die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln senkt, die durchschnittliche Porengröße
der Katalysatorschicht größer ist als die durchschnittliche
Porengröße der Substratschicht und in der Katalysatorschicht
der Volumenprozentsatz von Poren mit einer Porengröße,
die größer als eine bestimmte Porengröße
oder gleich einer bestimmten Porengröße ist, bezogen
auf das Volumen aller Poren in der Katalysatorschicht, so eingestellt
ist, dass dann, wenn das Abgas durch die Filterwand hindurchtritt,
zumindest dann, wenn die Abscheidung der Abgaspartikel beginnt,
die Abgaspartikel mehr um einen Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht
und der Substratschicht als an anderen Abschnitten in der Filterwand
abgeschieden werden.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter
mit einem Katalysator bereitgestellt, der eine Filterwand aufweist,
durch die ein Abgas hindurchtreten kann und die eine Zweischichtstruktur
aufweist, die eine Katalysatorschicht auf einer Gaseinströmseite
und eine Substratschicht auf einer Gasausströmseite umfasst,
die jeweils Poren aufweisen, wobei die Katalysatorschicht ferner
einen Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthält, der
die Oxidationstemperatur von Abgaspartikeln senkt, die durchschnittliche
Porengröße der Katalysatorschicht größer
ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht
und in der Katalysatorschicht der Volumenprozentsatz von Poren mit
einer Porengröße von größer
als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren
in der Katalysatorschicht, auf größer als oder
gleich 25% eingestellt ist.
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Gemäß dem
einen oder dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
bevorzugt, dass in dem Partikelfilter mit Katalysator der Katalysatorbestandteil
Ceroxid oder Perowskit ist.
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Gemäß dem
einen oder dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es
bevorzugt, dass der Partikelfilter mit Katalysator ferner eine Mehrzahl
von Kanälen umfasst, die durch eine Mehrzahl von Zellenwänden,
bei denen es sich um Filterwände handelt, voneinander getrennt
sind, wobei die Mehrzahl von Kanälen in zwei Gruppen von
Kanälen gruppiert ist, wobei die Kanäle in einer
Gruppe auf einer Gasstromaufwärtsseite durch eine Verschlusswand
blockiert sind, die Kanäle in der anderen Gruppe auf einer
Gasstromabwärtsseite durch eine Verschlusswand blockiert
sind, die Mehrzahl von Kanälen so angeordnet ist, dass
sie eine Wabenform mit einem schachbrettförmigen Querschnitt
bilden, ein Teil der Kanäle der einen Gruppe durch die
Kanäle der anderen Gruppe umgeben ist und ein Teil der
Kanäle der anderen Gruppe durch die Kanäle der
einen Gruppe umgeben ist.
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Gemäß den
Partikelfiltern mit Katalysator der verschiedenen Aspekte der vorliegenden
Erfindung können die vier Bedingungen, die erforderlich
sind, wenn der Katalysator auf Oxidbasis als Katalysator verwendet wird,
d. h. der hohe Kontaktgrad zwischen Partikeln und dem Katalysator,
die hohe Filtrationsrate von Partikeln, der niedrige Druckverlust
und die hohe Beständigkeit gegen Asche, gleichzeitig auf
einem hohen Niveau realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise aufgeschnittene, schematische perspektivische Ansicht,
die eine Gesamtstruktur eines Partikelfilters gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein schematisches Querschnittsdiagramm, das den Durchgang von Abgas
durch einen Kanal und eine Filterwand in dem in der 1 gezeigten
Filter zeigt.
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3 ist
ein Querschnittsdiagramm, das schematisch eine Filterwand zeigt,
die ein Teil des in der 1 gezeigten Filters ist.
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4 ist
ein Diagramm, das die Abscheidung von partikelförmigem
Material innerhalb des Filters in der 3 zeigt.
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5 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand von einer
Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite
einer Filterwand und der Porosität der Filterwand in den
Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt, die in einer Simulation verwendet
worden sind.
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6 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand von einer
Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite
einer Filterwand und der Porosität der Filterwand in den
Beispielen 1 bis 3 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden
sind.
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7 ist
ein Diagramm, das Porengrößenverteilungen im Beispiel
1 und im Vergleichsbeispiel 2 zeigt, die in einer Simulation verwendet
worden sind.
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8 ist
ein Diagramm, das Porengrößenverteilungen in den
Beispielen 1 bis 3 zeigt, die in einer Simulation verwendet worden
sind.
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9 ist
ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen
Materials an einem Filter des Vergleichsbeispiels 1 bezogen auf
den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite
zu einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige
Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
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10 ist
ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen
Materials an einem Filter des Vergleichsbeispiels 2 bezogen auf
den Abstand von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu
einer Gasausströmseite der Filterwand, auf der das partikelförmige
Material abgeschieden wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
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11 ist
ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen
Materials an einem Filter des Beispiels 1 bezogen auf den Abstand
von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite
der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden
wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
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12 ist
ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen
Materials an einem Filter des Beispiels 2 bezogen auf den Abstand
von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite
der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden
wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
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13 ist
ein Diagramm, das die Anzahl abgeschiedener Partikel des partikelförmigen
Materials an einem Filter des Beispiels 3 bezogen auf den Abstand
von einer Oberfläche der Gaseinströmseite zu einer Gasausströmseite
der Filterwand, auf der das partikelförmige Material abgeschieden
wird, in einem Simulationsergebnis zeigt.
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14 ist
ein Diagramm, das die Filtrationseffizienzen von Beispiel 1 und
Vergleichsbeispiel 3 bezogen auf die Masse an abgeschiedenem partikelförmigen
Material in einem Einheitsvolumen der Filterwand in einem Simulationsergebnis
zeigt.
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15 ist
ein Diagramm, das die Druckverluste von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel
3 bezogen auf die Masse an abgeschiedenem partikelförmigen
Material in einem Einheitsvolumen der Filterwand in einem Simulationsergebnis
zeigt.
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Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Diagramme detailliert beschrieben. Die 1 ist
eine teilweise aufgeschnittene, schematische perspektivische Ansicht,
die eine Gesamtstruktur eines Partikelfilters gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 2 ist
ein schematisches Querschnittsdiagramm, das den Durchgang von Abgas
durch einen Kanal und eine Filterwand in dem in der 1 gezeigten
Filter zeigt. Die 3 ist ein Querschnittsdiagramm,
das schematisch die Filterwand zeigt, die ein Teil des in der 1 gezeigten
Filters ist. Die 4 ist ein Diagramm, das die
Abscheidung von partikelförmigem Material innerhalb des
Filters in der 3 zeigt.
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Wie
es in den 1 und 2 gezeigt
ist, wird ein Partikelfilter mit einem Katalysator 10 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform zum Sammeln von Partikeln (partikelförmigen
Materialien) und zum Verbrennen von Rückständen
wie z. B. Asche verwendet, bei denen es sich um Abgaspartikel handelt,
die in einem Abgas eines Dieselmotors (nicht gezeigt) enthalten
sind, bei dem es sich um eine Brennkraftmaschine handelt, sowie
zum Entfernen der Partikel durch Oxidation, d. h., Verbrennen. Der
Partikelfilter 10 ist in einer Wabenform mit einer Mehrzahl
von mit Boden versehenen Kanälen der Gasstromaufwärtsseite 12 und
von mit Boden versehenen Kanälen der Gasstromabwärtsseite 13 ausgebildet
und die Kanäle 12 und 13 sind durch eine
Filterwand 14, bei der es sich um eine Zellenwand handelt,
voneinander getrennt. Die benachbarten Kanäle 12 und 13 sind
so angeordnet, dass sich Seiten, bei denen Bodenabschnitte 16 angeordnet
sind, bezüglich der Längsrichtung (Richtung von
links nach rechts in den 1 und 2) unterscheiden.
Aufgrund dessen sind Endoberflächen des Partikelfilters 10 in
einem schachbrettartigen Muster geöffnet. Die Filterwand 14 ermöglicht
das Hindurchtreten des Abgases und der Bodenabschnitt 16 wirkt
als Verschlusswand, die ein Hindurchtreten von Abgas nicht zulässt.
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Der
Partikelfilter 10 wird in einem Zustand eingesetzt, bei
dem der Partikelfilter 10 in der Abgasleitung des Dieselmotors
bereitgestellt, d. h., montiert ist. In diesem Zustand strömt
das Abgas des Dieselmotors in der Richtung des Pfeils α in
den 1 und 2 und wird von einem offenen
Ende des Kanals der Gasstromaufwärtsseite 12,
bei dem es sich um einen Teil der Kanäle handelt, in den
Partikelfilter 10 geleitet und tritt durch die Poren, die
an der Filterwand 14 bereitgestellt sind, und durch die
Filterwand 14 zu dem angrenzenden Kanal der Gasstromabwärtsseite 13 hindurch,
bei dem es sich um den verbleibenden Teil der Kanäle handelt.
Das zu dem Kanal der Gasstromabwärtsseite 13 geleitete
Abgas wird durch ein offenes Ende des Kanals der Gasstromabwärtsseite 13 zur
Außenseite des Partikelfilters 10 abgegeben. Die
Partikel und Verbrennungsrückstände, wie z. B.
die Asche, die in dem Abgas vorliegt, können nur schwer
durch die Filterwand 14 hindurchtreten. Daher fängt
der Partikelfilter 10 die Partikel und dergleichen ein
und reinigt das Abgas, das durch den Partikelfilter 10 hindurchtritt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist in der Filterwand 14 ein
Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthalten, der die Oxidationstemperatur
der Partikel senkt. Insbesondere weist die Filterwand 14 gemäß der 3 eine
Zweischichtstruktur auf, die eine Katalysatorschicht 18 an
einer Stromaufwärtsseite einer in der 3 durch
den Pfeil β gezeigten Gasströmungsrichtung, d.
h. einer Gaseinströmseite, und eine Substratschicht 20 an
einer Stromabwärtsseite, d. h. einer Gasausströmseite,
umfasst. Die Katalysatorschicht 18 und die Substratschicht 20 weisen
viele Poren 22 auf (der Fall der Substratschicht 20 ist
in den Zeichnungen nicht gezeigt), welche die jeweiligen Schichten
in einer dreidimensionalen Netzform durchdringen. Die Katalysatorschicht 18 weist
einen darauf geträgerten Katalysator auf Oxidbasis auf
(nicht gezeigt), der die Oxidationstemperatur der Abgaspartikel
an dem Abschnitt von vielen Poren 22 senkt, die in einem
Hauptkörper 24 der Katalysatorschicht vorliegen,
so dass der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis enthalten ist.
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Der
Hauptkörper 24 der Katalysatorschicht ist mit
Keramik oder dergleichen aufgebaut und der Volumenprozentsatz von
Poren 22 mit einer Porengröße, die größer
als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer
bestimmten Porengröße ist, bezogen auf das Gesamtvolumen
der Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, wird
in der Katalysatorschicht 18 derart eingestellt, dass dann,
wenn das Abgas durch die Filterwand 14 geleitet wird, zumindest
wenn die Abscheidung der Partikel beginnt, die Partikel mehr um
den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 als an den anderen Abschnitten in
der Filterwand 14 abgeschieden werden. Darüber
hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform Poren 22 mit
einer Porengröße von 30 μm in der Katalysatorschicht 18 in
einem Prozentsatz von größer als oder gleich 25%,
bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18,
enthalten. Mit anderen Worten: Der Volumenprozentsatz von Poren 22 mit
einer Porengröße von größer
als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22 in
der Katalysatorschicht 18, wird auf größer
oder gleich 25% eingestellt. Darüber hinaus wird z. B.
die Porosität des Hauptkörpers 24 der
Katalysatorschicht auf etwa 30% bis 95%, mehr bevorzugt auf etwa 50%
bis 94% eingestellt. Dabei bezieht sich die Porosität des
Hauptkörpers 24 der Katalysatorschicht auf den Prozentsatz
des Gesamtvolumens der Poren 22 des Hauptkörpers 24 der
Katalysatorschicht, bezogen auf das scheinbare Volumen des Hauptkörpers 24 der
Katalysatorschicht.
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Der
Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis wird auf einen Abschnitt der
Poren 22 innerhalb des Hauptkörpers 24 der
Katalysatorschicht aufgebracht und darauf geträgert. Der
Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis ist z. B. Ceroxid (CeO2), das durch mindestens eines von Silber
(Ag) und Kobalt (Co) stabilisiert ist. Der Katalysatorbestandteil
ist nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt und
es ist auch möglich, z. B. ein stabilisiertes Ceroxid,
bei dem ein Teil des Cers durch mindestens eines von Oxiden von
Seltenerdmetallen ersetzt ist, oder einen Perowskit (AgxLal·xMnOy)
oder dergleichen mit einem x-Wert von 0,02 bis 0,9 und frei wählbaren
l- und y-Werten zu verwenden.
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Die
Substratschicht 20 ist mit einem porösen Material
wie z. B. Cordierit oder einer Keramik wie z. B. porösem
Siliziumcarbid (SiC) ausgebildet. Die durchschnittliche Porengröße
der Substratschicht 20 beträgt 5 μm bis
50 μm und mehr bevorzugt 10 μm bis 20 μm
und wird so eingestellt, dass die Bedingung erfüllt ist,
dass die durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht 18 größer
ist als die durchschnittliche Porengröße der Substratschicht 20.
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Alternativ
kann ein Verbindungsloch ausgebildet sein, das von der Oberfläche
der Katalysatorschicht
18 zu der Oberfläche der
Substratschicht
20 durch die Katalysatorschicht
18 verläuft,
und zwar entsprechend der Struktur, die in der vorstehend genannten
JP Hei 8-332329 beschrieben
ist. Beispielsweise kann die Porengröße des Verbindungslochs
auf 10 μm bis 60 μm eingestellt werden und die
durchschnittliche Porengröße kann auf etwa 30 μm
eingestellt werden. In diesem Fall ist es durch Bedecken der Oberfläche
der Substratschicht
20, die viele Poren aufweist, mit einem
Gemisch aus einem Keramikpulver und einem Verbindungsloch-bildenden
Material und Erwärmen des Gemischs möglich, die
Katalysatorschicht
18 auf der Oberfläche der Substratschicht
20 durch
Sintern des Keramikpulvers auszubilden und das Verbindungsloch,
das durch die Katalysatorschicht
18 von der Oberfläche
der Katalysa torschicht
18 zu der Oberfläche der
Substratschicht
20 verläuft, durch Entfernen des
Verbindungsloch-bildenden Materials zu bilden. In diesem Fall ist
der Katalysator auf Oxidbasis auf der Katalysatorschicht
18 geträgert.
Alternativ ist es auch möglich, für das Verbindungsloch-bildende
Material z. B. ein gaserzeugendes Material zu verwenden, wie z.
B. Micro-sphere, das von Matsumoto Yushi-Seiyaku Co., Ltd. hergestellt
wird, bei dem Butangas in einem thermoplastischen Harz eingeschlossen
ist. In diesem Fall wird, wenn durch Erwärmen Gas aus dem
gaserzeugenden Material erzeugt wird, das Gas zur Außenseite
der Katalysatorschicht
18 entweichen gelassen, so dass
das Verbindungsloch, das von der Oberfläche der Katalysatorschicht
18 zu
der Oberfläche der Substratschicht
20 durch die
Katalysatorschicht
18 verläuft, gebildet werden
kann. Darüber hinaus kann als Verbindungsloch-bildendes
Material ein verbrennbares Material, wie z. B. Kohlenstoff, Harz,
Wachs, usw., mit einer Größe verwendet werden,
die mit der Dicke der Katalysatorschicht
18 identisch ist
oder größer als die Dicke der Katalysatorschicht
18 ist.
Wenn das verbrennbare Material verschwindet, kann das Verbindungsloch,
das das von der Oberfläche der Katalysatorschicht
18 zu
der Substratschicht
20 durch die Katalysatorschicht
18 verläuft,
gebildet werden. Die Porosität in dem Fall, wenn das Verbindungsloch
in der Katalysatorschicht
18 auf diese Weise gebildet wird,
ist ein Prozentsatz der Poren, einschließlich des Verbindungslochs
und kleiner Löcher, bezogen auf das scheinbare Volumen
des Hauptkörpers
24 der Katalysatorschicht.
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Der
Partikelfilter mit Katalysator gemäß der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform arbeitet in der folgenden
Weise. Wenn das Abgas durch den Partikelfilter 10 (1)
in einem Zustand geleitet wird, bei dem der Partikelfilter 10 in
der Abgasleitung des Dieselmotors montiert ist, strömt
das Abgas in der Filterwand 14 in der Richtung des Pfeils β,
wie es in der 4 gezeigt ist. In diesem Fall
tritt das partikelförmige Material (PM) 26, bei
dem es sich um die Partikel handelt, die in dem Abgas mitgeführt
werden, in die Katalysatorschicht 18 ein, die ein Teil
der Filterwand 14 ist, und viele der Partikel werden durch
die Oberfläche der Gaseinströmseite der Substratschicht 20 blockiert
und an einer tieferen Stelle der Katalysatorschicht 18 abgeschieden. Während
die Menge an partikelförmigem Material 26, die
auf der Filterwand 14 abgeschieden wird, gering ist, tritt
das partikelförmige Material 26 durch das Innere
der Katalysatorschicht 18 hindurch und wird in der Umgebung
der Oberfläche der Substratschicht 20 eingefangen.
Es ist jedoch bekannt, dass das partikelförmige Material 26 das
später eintretende partikelförmige Material 26 einfängt,
und wenn die Menge des partikelförmigen Materials 26 erhöht
wird, wird es für das partikelförmige Material 26 unmöglich,
einen Bereich in der Nähe der Oberfläche der Substratschicht 20 zu
erreichen, und es wird um ein Zentrum des Inneren der Katalysatorschicht 18 abgeschieden.
In diesem Zustand stehen der Katalysatorbestandteil, der auf der
Katalysatorschicht 18 aufgebracht ist, und das partikelförmige
Material 26 mit einem hohen Kontaktgrad miteinander in Kontakt.
Als Ergebnis senkt der Katalysatorbestandteil die Oxidationstemperatur
des partikelförmigen Materials 26, so dass das
partikelförmige Material 26 bei einer relativ
niedrigen Temperatur oxidiert, d. h., verbrannt wird, und das partikelförmige
Material 26 von der Filterwand 14 entfernt wird.
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Gemäß dem
Partikelfilter mit Katalysator der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
können die vier Bedingungen, die erforderlich sind, wenn
der Katalysatorbestandteil auf Oxidbasis als Katalysator verwendet
wird, d. h. ein großes Ausmaß des Kontakts zwischen
dem partikelförmigen Material 26, bei dem es sich um
die Partikel handelt, und dem Katalysatorbestandteil, eine hohe
Filtrationsrate des partikelförmigen Materials 26,
ein niedriger Druckverlust und eine hohe Beständigkeit
gegen Asche, auf einem hohen Niveau gleichzeitig realisiert werden.
Bezüglich des hohen Ausmaßes des Kontakts zwischen
dem partikelförmigen Material 26 und dem Katalysatorbestandteil
können, wie es später detailliert beschrieben
wird, viele der partikelförmigen Materialien 26 innerhalb
der Katalysatorschicht 18 abgeschieden werden und folglich
können die Kontakteigenschaften zwischen dem in der Katalysatorschicht 18 bereitgestellten
Katalysatorbestandteil und dem partikelförmigen Material 26 verbessert
werden. Aufgrund dessen kann die Oxidationstemperatur des in dem Partikelfilter 10 abgeschiedenen
partikelförmigen Materials 26 gesenkt werden,
und selbst dann, wenn ein Kraftstoff zur Regenerierung des Filters 10 verwendet
wird und die Temperatur des Filters 10 erhöht
werden muss, kann die eingesetzte Menge des Kraftstoffs vermindert
werden und die Kraftstoffeffizienz kann verbessert werden.
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Darüber
hinaus kann die Filtrationseffizienz des partikelförmigen
Materials 26 verbessert werden, da viele der partikelförmigen
Materialien 26, die in das Innere der Katalysatorschicht 18 eindringen,
auf dem Oberflächenabschnitt der Substratschicht 20 abgeschieden
werden, die eine Porosität aufweist, die geringer ist als die
Porosität der Katalysatorschicht 18. Aufgrund
dessen kann z. B. der Filter 10, der den strengen Vorschriften bezüglich
der Anzahl von Abgaspartikeln entspricht, die in Europa geplant
sind, effektiver realisiert werden. Darüber hinaus kann
eine ausreichende Festigkeit für den Filter 10 selbst
dann sichergestellt werden, wenn die Porosität der Katalysatorschicht 18 wie
in der vorliegenden Ausführungsform erhöht ist,
da die Filterwand 14 eine Zweischichtstruktur mit der Substratschicht 20 aufweist.
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Darüber
hinaus wird das partikelförmige Material 26 nicht
in einer übermäßig konzentrierten Weise
auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden
und über einem breiten Bereich in der Gasdurchgangsrichtung
(Richtung des Pfeils β in den 3 und 4),
wobei es sich um die Dickenrichtung der Katalysatorschicht 18 handelt,
verteilt. Aufgrund dieser Struktur kann der Druckverlust des Filters 10 vermindert
werden und als Ergebnis kann die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs,
bei dem der Filter 10 eingesetzt wird, weiter verbessert
werden.
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Da
ferner die Asche, die nicht gezeigt ist, zusammen mit dem partikelförmigen
Material 26 ebenfalls in das Innere der Katalysatorschicht 18 eintritt,
kann eine hohe Beständigkeit gegen Asche realisiert werden.
Mit anderen Worten: Selbst wenn sich die Asche ansammelt, kann eine
Verminderung des Leistungsvermögens des Filters 10 unterdrückt
werden, z. B. kann eine Erhöhung des Druckverlusts aufgrund
der Asche unterdrückt werden, die Kraftstoffeffizienz des
Fahrzeugs, bei dem der Filter 10 eingesetzt wird, kann
verbessert werden, und die Lebensdauer des Filters 10 kann
verbessert werden.
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Im
Gegensatz zu der Struktur der vorliegenden Ausführungsform
offenbaren
JP Hei 8-332329
A ,
JP 2002-519186
A und die
internationale
Veröffentlichung Nr. 02/096827 die Struktur einer
Filterwand, die einen Teil aufweist, der mit der in der
3 gezeigten
Struktur identisch ist. Diese Veröffentlichungen offenbaren
jedoch keine effektiven Spezifikationen, die von der Filterwand
erfüllt werden müssen, um eine Abscheidung des partikelförmigen
Materials innerhalb der Katalysatorschicht zu verursachen. Andererseits
haben die vorliegenden Erfinder verschiedene Simulationen durchgeführt
und effektive Spezifikationen berücksichtigt, die für
die Filterwand
14 erforderlich sind, um eine Abscheidung
des partikelförmigen Materials
26 innerhalb der
Katalysatorschicht
18 zu verursachen, und haben die vorliegende
Erfindung gemäß diesen Spezifikationen gemacht.
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Als
nächstes wird das Ergebnis einer Simulation beschrieben,
bei welcher der durch die vorliegende Erfindung erreichte Vorteil
bestätigt wird. Die Simulation wurde mit den Vergleichsbeispielen
1 und 2 und den Beispielen 1 bis 3 mit Partikelfiltern
10 mit
Filterwänden
14 mit den in der Tabelle 1 und den
5 bis
8 gezeigten
Spezifikationen und einer in der
1 gezeigten
Struktur durchgeführt. In der folgenden Beschreibung werden
Elementen, die mit den in den
1 bis
4 gezeigten
Elementen identisch sind oder diesen entsprechen, zur Beschreibung
die gleichen Bezugszeichen zugeordnet. Tabelle 1
| | Vergleichsbeispiel
1 | Vergleichsbeispiel
2 | Beispiel
1 | Beispiel
2 | Beispiel
3 |
Katalysatorschicht | Durchschnittliche
Porengröße (μm) | 15,3 | 23,9 | 35,0 | 28,4 | 25,8 |
Prozentsatz
größer als oder gleich 30 μm (%) | 2,8 | 24,4 | 66,1 | 45,6 | 38,1 |
Porosität
(%) | 71,6 | 93,6 | 94,0 | 79,4 | 69,6 |
Substratschicht | Durchschnittliche
Porengröße (μm) | 13,8 |
Porosität
(%) | 66,4 |
-
In
der Tabelle 1 sind die Vergleichsbeispiele 1 und 2 Filter mit Spezifikationen,
die nicht innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegen, und die Beispiele 1 bis 3 sind Filter 10 mit einer
Spezifikation innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
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Die
Tabelle 1 zeigt durchschnittliche Porengrößen
und Porositätsverteilungen in der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 und Volumenprozentsätze
von Poren 22 mit einer Porengröße größer
als oder gleich 30 μm in der Katalysatorschicht 18,
bezogen auf alle Poren 22 in der Katalysatorschicht 18.
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Die 5 zeigt
Porositätsverteilungen in der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 in den Vergleichsbeispielen 1 und
2 und die 6 zeigt Porositätsverteilungen
in der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 in
den Beispielen 1, 2 und 3. In den 5 und 6 wurden
die Spezifikationen der Substratschicht 20 auf identische
Werte eingestellt, die Gesamtporosität betrug 66,4% und
die Porosität bezüglich eines Abstands von der
Oberfläche der Gaseinströmseite zu der Gasausströmseite
der Filterwand 14 (nachstehend einfach als „Abstand
von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand” bezeichnet)
betrug 60% bis 70%. Wie es aus den in den 5 und 6 gezeigten
Verteilungen ersichtlich ist, ist dann, wenn nur die Porositätsverteilung
betrachtet wird, zwischen den Beispielen 1 bis 3 und den Vergleichsbeispielen
1 und 2 kein signifikanter Unterschied ersichtlich. Wie es aus den
-
5 und 6 ersichtlich
ist, ist die Oberfläche der Gaseinströmseite der
Substratschicht 20 bezüglich des „Abstands
von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand” bei
etwa 150 μm angeordnet.
-
Die 7 zeigt
andererseits die Porengrößenprozentsätze
für verschiedene Porengrößen, d. h. eine Porengrößenverteilung
bezüglich aller Poren 22 im Beispiel 1 und im
Vergleichsbeispiel 2. Wie es aus der 7 ersichtlich
ist, weist das Vergleichsbeispiel 2 verglichen mit dem Beispiel
1 mehr Poren 22 mit einer Porengröße
von kleiner als oder gleich 30 μm auf.
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Andererseits
weist das Beispiel 1 bezüglich des Prozentsatzes der Poren 22 mit
einer Porengröße von größer
als oder gleich 30 μm mehr solche Poren auf als das Vergleichsbeispiel 2.
Die 8 zeigt die Porengrößenprozentsätze
verschiedener Porengrößen in den Beispielen 1
bis 3. Wie es aus der 8 ersichtlich ist, sind anders
als in der 7 die Tendenzen bei den Porengrößenverteilungen
in den Beispielen 1 bis 3 ähnlich, obwohl sich der Absolutwert
der Porengröße mit dem maximalen Porengrößenprozentsatz
(etwa 13 μm) in jedem der Beispiele 1 bis 3 unterscheidet.
Mit anderen Worten: In jedem der Beispiele 1 bis 3 ist der Prozentsatz
der Poren 22 mit einer Porengröße größer
als oder gleich 30 μm verglichen mit dem in der 6 gezeigten
Vergleichsbeispiel 2 höher. Die Tabelle 1 zeigt den Prozentsatz
der Poren 22 mit einer Porengröße größer
als oder gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22.
Während der Prozentsatz der Poren 22 mit einer
Porengröße größer als oder gleich
30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22,
für die Beispiele 1 bis 3 größer als
oder gleich 25% ist, beträgt der Prozentsatz der Poren 22 mit
einer Porengröße größer als oder
gleich 30 μm, bezogen auf das Volumen aller Poren 22,
für die Vergleichsbeispiele 1 und 2 weniger als 25%.
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Die
Simulation wurde unter Verwendung der Partikelfilter 10 der
Beispiele 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit derartigen
Spezifikationen durchgeführt. Bei der Durchführung
der Simulation wurde zuerst ein vorliegender Partikelfilter 10,
der als Basis verwendet wurde, mittels Röntgen-CT vermessen
und ein Modell, das eine dreidimensionale Basis bildet, wurde mit
einem Computer erzeugt. Dann wurde die Größe der Poren
in der Katalysatorschicht des erzeugten Modells verändert
und eine Simulation wurde unter Verwendung des Modells durchgeführt.
Bei der Simulation wurde eine Anzahl von Abscheidungen der partikelförmigen Materialien 26 (Anzahl
von abgeschiedenen Partikeln) bezogen auf den Abstand von der Oberfläche
der Gaseinströmseite der Filterwand 14 durchgeführt,
wenn eine vorgegebene Menge an partikelförmigen Materialien 26 (Partikel),
die im Vorhinein festgelegt worden ist, in einem scheinbaren Einheitsvolumen
der Filterwand 14 abgeschieden worden ist (d. h., wenn
davon ausgegangen wird, dass die Filterwand 14 eine feste
Struktur ist, die keine Lochabschnitte, wie z. B. die Poren 22,
in der Wand aufweist), d. h. wenn angenommen wird, dass die abgeschiedene
Masse in einem Einheitsvolumen eine vorgegebene Menge ist. Die 9 bis 13 zeigen
Simulationsergebnisse der Abscheidungsverteilung von partikelförmigen
Materialien 26 in der Filterwand 14 (Verteilung
der Anzahl abgeschiedener Partikel). In den 9 bis 13 stellt
die breite durchgezogene Linie einen Fall dar, bei dem 0,3 g eines
partikelförmigen Materials 26 auf einem scheinbaren
Einheitsvolumen der Filterwand 14 abgeschieden worden sind,
und die gestrichelte Linie stellt einen Fall dar, bei dem 0,1 g
eines partikelförmigen Materials 26 auf einem
scheinbaren Einheitsvolumen der Filterwand 14 abgeschieden
worden sind.
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Die
9 zeigt
ein Simulationsergebnis der Verteilung der Anzahl abgeschiedener
Partikel von Vergleichsbeispiel 1. Die durchschnittliche Porengröße
und die Porosität der Katalysatorschicht
18 liegen
innerhalb eines Bereichs, der in
JP Hei 8-332329 A ,
JP 2002-519186 A und
der
internationalen Veröffentlichung
Nr. 02/096827 beschrieben ist. In dem Fall von Vergleichsbeispiel
1, das eine solche Struktur aufweist, scheidet sich das partikelförmige
Material
26, wie es in der
9 gezeigt
ist, größtenteils auf der Oberfläche
der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht
18 ab
und nahezu kein partikelförmiges Material
26 wird
innerhalb der Katalysatorschicht
18 abgeschieden.
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Andererseits
zeigt die 10 ein Simulationsergebnis der
Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel für das Vergleichsbeispiel
2, bei dem die durchschnittliche Porengröße und
die Porosität der Katalysatorschicht 18 verglichen
mit dem Fall von Vergleichsbeispiel 1 erhöht sind. Wie
es aus der 10 ersichtlich ist, wird auch
in dem Fall von Vergleichsbeispiel 2 wie in dem Fall von Vergleichsbeispiel
1 das partikelförmige Material 26 größtenteils
auf der Oberfläche der Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden
und nahezu keines wird innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden.
D. h., auf der Basis dieser Simulationsergebnisse ist ersichtlich,
dass eine einfache Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße
und der Porosität der Katalysatorschicht 18 nicht
dazu führt, dass das partikelförmige Material 26 leichter
in das Innere der Katalysatorschicht 18 eintritt.
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Die 11 zeigt
ein Simulationsergebnis der Verteilung der Anzahl abgeschiedener
Partikel für das Beispiel 1, das eine andere Porenstruktur
wie die Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufweist. Wie es aus der 11 ersichtlich
ist, wurde in dem Fall von Beispiel 1, das im Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung liegt, d. h. in einem Fall, bei dem der Prozentsatz
von Poren 22 mit einer Porengröße von
größer als oder gleich 30 μm, bezogen
auf das Volumen aller Poren 22, größer
als oder gleich 25% beträgt, das partikelförmige
Material 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden.
Wie es in der Tabelle 1 und den 5 und 6 gezeigt ist,
waren bei dem Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 die Porosität
und der Verteilungsprozentsatz der Poren bezogen auf den Abstand
von der Oberfläche der Gaseinströmseite der Wand
etwa gleich. Wie es in der 11 gezeigt
ist, wurde jedoch im Beispiel 1 bei jedweder Abscheidungsmasse im
Einheitsvolumen der größte Teil des partikelförmigen
Materials 26 um einen Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der
Substratschicht 20 abgeschieden, wobei es sich um einen
Bereich nahe an der Oberfläche der Substratschicht 20 handelt,
d. h., um eine Position etwa 150 μm entfernt von der Oberfläche
der Gaseinströmseite der Wand. Insbesondere wurde bestätigt,
dass das partikelförmige Material 26 in einem
Bereich in der Nähe des Grenzbereichs zwischen der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 stärker abgeschieden worden ist
als in den anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18.
Gemäß dem Beispiel 1 ist ersichtlich, dass das Ausmaß des
Kontakts zwischen dem Katalysatorbestandteil, der innerhalb der
Katalysatorschicht 18 bereitgestellt ist, und dem partikelförmigen
Material 26 erhöht werden kann.
-
Die 12 und 13 zeigen
Simulationsergebnisse der Verteilung der Anzahl abgeschiedener Partikel
für die Beispiele 2 und 3, bei denen die Porosität
der Katalysatorschicht 18 verglichen mit dem Vergleichsbeispiel
2 vermindert ist. Gemäß diesen Simulationsergebnissen
wurde bestätigt, dass in den Beispielen 2 und 3 mehr partikelförmige
Materialien 26 in einem Bereich um die Oberfläche
der Substratschicht 20 abgeschieden worden sind, d. h.
in der Position etwa 150 μm entfernt von der Oberfläche
der Gaseinströmseite der Wand, als im Vergleichsbeispiel
2. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass mehr partikelförmige
Materialien 26 innerhalb der Katalysatorschicht 18 abgeschieden
worden sind als im Vergleichsbeispiel 2, obwohl die durchschnittliche
Porengröße von Beispiel 3 verglichen mit dem Fall
von Vergleichsbeispiel 2 etwa identisch ist. Darüber hinaus
wurde im Beispiel 2, das in der 12 gezeigt
ist, bestätigt, dass die partikelförmigen Materialien 26 bei
jedweder Abscheidungsmasse im Einheitsvolumen stärker um
den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 abgeschieden worden sind als in
anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18. Ferner wurde
in dem in der 13 gezeigten Beispiel 3 bestätigt,
dass die partikelförmigen Materialien 26 bei einer
abgeschiedenen Masse im Einheitsvolumen von 0,1 g/L mehr um den
Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und der
Substratschicht 20 als in den anderen Abschnitten der Katalysatorschicht 18 abgeschieden
worden sind.
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Wie
es aus diesen Simulationsergebnissen ersichtlich ist, führt
bezüglich einer Struktur, die bewirkt, dass mehr partikelförmige
Materialien 26 in die Katalysatorschicht 18 eintreten
und sich dort im Inneren abscheiden, eine einfache Erhöhung
der Porosität der Katalysatorschicht 18 oder eine
einfache Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße,
wie z. B. bei der Struktur, bei der die Porosität und die
durchschnittliche Porengröße der Katalysatorschicht 18 eingestellt
sind, nicht zu einem effektiven Ergebnis, und eine Struktur, bei welcher
der Prozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße
größer als oder gleich 30 μm, bezogen
auf das Volumen aller Poren 22, größer
als oder gleich 25% ist, wie es in der vorliegenden Ausführungsform
der Fall ist, ist erforderlich. In den Fällen der Beispiele
1 bis 3, die innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegen, ist diese Bedingung erfüllt, und als Ergebnis kann
der Vorteil eines hohen Ausmaßes des Kontakts zwischen
dem partikelförmigen Material 26 und dem Katalysatorbestandteil
erhalten werden.
-
Ferner
zeigt die 14 Simulationsergebnisse zum
Berechnen der Filtrationseffizienz bezogen auf die Abscheidungsmenge
des partikelförmigen Materials 26 unter Verwendung
der Partikelfilter 10 von Beispiel 1 und von Vergleichsbeispiel
3, das nicht innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegt, d. h., des Einfangprozentsatzes, wenn eine bestimmte Menge
des partikelförmigen Materials 26 dem Filter 10 zugeführt
wird. Das Vergleichsbeispiel 3 weist als Filter einen handelsüblichen
Partikelfilter mit einer Filterwand mit einer Einschichtstruktur
mit einer Porosität der Filterwand von 65% und einer durchschnittlichen
Porengröße von 25 μm auf. In der 14 stellt
die „Menge an abgeschiedenen partikelförmigen
Materialien” die abgeschiedene Masse pro Einheitsvolumen
(g/L) dar, wobei es sich um die Masse des partikelförmigen
Materials 26 handelt, das pro Einheitsvolumen der Filterwand
des Partikelfilters 10 abgeschieden worden ist. Wie es
aus den in der 14 gezeigten Ergebnissen ersichtlich
ist, wurde bestätigt, dass im Beispiel 1 die Filtrationseffizienz der
partikelförmigen Materialien 26 verglichen mit
dem Fall von Vergleichsbeispiel 3 ausreichend erhöht werden
kann, obwohl die Porosität der Katalysatorschicht 18 94%
beträgt, was einen hohen Wert darstellt, da die Substratschicht 20,
die eine niedrigere Porosität aufweist, bereitgestellt
wurde.
-
Die 15 zeigt
ein Simulationsergebnis, bei dem der Druckverlust berechnet wird,
wenn ein partikelförmiges Material 26 unter Verwendung
der Partikelfilter 10 von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel
3 im Inneren abgeschieden wird. Der Druckverlust wird hier als relativer
Wert durch eine dimensionslose Einheit (A. U.) dargestellt. Die
Struktur von Vergleichsbeispiel 3 ist mit derjenigen identisch,
die in dem in der 14 dargestellten Simulationsergebnis
verwendet worden ist. Wie es aus dem in der 15 gezeigten
Ergebnis ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass im Beispiel
1 der Druckverlust auf einen ausreichend niedrigen Wert abgesenkt
werden kann, obwohl in dem Beispiel 1 eine Zweischichtstruktur aus
der Katalysatorschicht 18 und der Substratschicht 20 eingesetzt
wird.
-
Auf
der Basis dieser Simulationsergebnisse wurde bestätigt,
dass mit der vorliegenden Ausführungsform von den vier
Bedingungen, die erforderlich sind, wenn der Katalysatorbestandteil
auf Oxidbasis als Katalysator verwendet werden soll, das hohe Ausmaß des
Kontakts zwischen dem partikelförmigen Material 26 und dem
Katalysatorbestandteil, die hohe Filtrationsrate der partikelförmigen
Materialien 26 und der niedrige Druckverlust gleichzeitig
auf einem hohen Niveau realisiert werden können. Darüber
hinaus können die partikelförmigen Materialien 26 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform nicht nur auf dem Oberflächenabschnitt der
Gaseinströmseite der Katalysatorschicht 18 abgeschieden
werden, sondern auch über einen breiten Bereich in der
Dickenrichtung der Katalysatorschicht 18 verteilt werden.
Aufgrund dessen tritt auch die Asche zusammen mit dem partikelförmigen
Material 26 in das Innere der Katalysatorschicht 18 ein,
und folglich wird die Asche selbst dann, wenn die Asche auf der
Filterwand 14 abgeschieden wird, nachdem die partikelförmigen Materialien 26 verbrannt
worden sind, nicht in einer übermäßig
konzentrierten Weise auf der Oberfläche der Gaseinströmseite
der Katalysatorschicht 18 abgeschieden, so dass die Zunahme
des Druckverlusts des Filters aufgrund der Asche unterdrückt
werden kann, die Lebensdauer des Filters 10 erhöht
werden kann und folglich eine hohe Beständigkeit gegen
Asche realisiert werden kann.
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In
den vorstehend beschriebenen Beispielen ist in der Katalysatorschicht 18 der
Volumenprozentsatz der Poren 22 mit einer Porengröße
von größer als oder gleich 30 μm, bezogen
auf das Volumen aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18,
auf größer als oder gleich 25% eingestellt, jedoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration
beschränkt, und der Volumenprozentsatz der Poren 22 mit
einer Porengröße von größer
als eine bestimmte Porengröße oder gleich einer
bestimmten Porengröße, bezogen auf das Volumen
aller Poren 22 in der Katalysatorschicht 18, kann
in der Katalysatorschicht 18 so eingestellt werden, dass
dann, wenn ein Abgas durch die Filterwand 14 geleitet wird,
zumindest zu Beginn der Abscheidung des partikelförmigen
Materials 26 das partikelförmige Material 26 stärker
um den Grenzbereich zwischen der Katalysatorschicht 18 und
der Substratschicht 20 als in den anderen Abschnitten der
Filterwand 14 abgeschieden wird. Auch mit einer solchen
Konfiguration können die vorstehend beschriebenen Vorteile
der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 8-332329
A [0003, 0008, 0015, 0015, 0016, 0018, 0053, 0062]
- - JP 2002-519186 A [0004, 0008, 0015, 0015, 0016, 0016, 0016, 0018, 0053, 0062]
- - WO 02/096827 [0005, 0008, 0015, 0016, 0018, 0053, 0062]
- - JP 2005-21818 A [0006, 0008, 0015, 0015, 0016, 0018]
- - JP 2003-56327 A [0007, 0008, 0015, 0017, 0017, 0017, 0018]
- - JP 2007-244950 A [0008, 0008, 0015, 0017, 0017, 0017, 0018]
- - JP 2004-42021 A [0008, 0018]
- - WO 02/096827 A [0015]
- - JP 8-332329 [0047]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Hidemitsu
Hayashi und Shuichi Kubo, „Computer simulation study an
filtration of soot particles in diesel particulate filter [Computersimulationsstudie
bezüglich der Filtration von Russpartikeln in einem Dieselpartikelfilter]”,
Computers and Mathematics with Applications 55, Holland, ELSEVIER,
2008, Seiten 1450 bis 1460 [0008]