DE102016112761A1

DE102016112761A1 - Abgasfilter

Info

Publication number: DE102016112761A1
Application number: DE102016112761.2A
Authority: DE
Inventors: Takumi Suzawa; Yuto AMANO; Manabu OHSUKA; Mikio Ishihara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-01-19
Also published as: JP6431823B2; CN106351718B; US10060312B2; JP2017020442A; US20170016366A1; CN106351718A

Abstract

Ein Abgasfilter (1) zum Reinigen von ein partikuläres Material enthaltenden Abgasen, die von einem Internverbrennungsmotor ausgestoßen werden, umfasst eine Wabenstruktur (10) deren Axialrichtung (X) mit einem Abgasstrom (G) übereinstimmt, einen Verschlussbereich (4) der selektiv stromaufwärtige dem Abgasstrom zugewandte Endflächen (11) der Wabenstruktur verschließt, und einen Katalysator der an der Wabenstruktur geträgert ist. Die Wabenstruktur weist eine Mehrzahl von Unterteilungswänden (2) und von den Unterteilungswänden umgebene Zellen (3) und im Inneren der Unterteilungswände zwischen den aneinander angrenzenden miteinander kommunizierenden Zellen gebildete Poren auf. Die Mehrzahl der Zellen umfasst offene Zellen (31), welche in der Axialrichtung durchgehend sind, und verschlossene Zellen (32), bei denen ein stromaufwärtiges dem Abgasstrom zugewandtes Ende durch den Verschlussbereich verschlossen ist. Die Wabenstruktur weist einen ersten Bereich (A), der den Katalysator nicht an den Unterteilungswänden trägert, und einen zweiten Bereich (B) auf, der den Katalysator an den Unterteilungswänden trägert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft einen Abgasfilter zum Reinigen des Abgases, das von einem Internverbrennungsmotor ausgestoßen wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein Abgasfilter zum Abfangen von gefährlichem partikulärem Material (d. h. PM, das in den Abgasen enthalten ist, ist in einer Abgasleitung eines Internverbrennungsmotors, wie eines Fahrzeugmotors, angeordnet. Der Abgasfilter umfasst eine Mehrzahl von Zellen, die Unterteilungswände aufweisen.
Die Zellen können so ausgestaltet sein, dass sie eine erste und eine zweite Gruppe derselben in einer Axialrichtung aufweisen, die in einer Wabenstruktur aufgereiht vorliegen. Im Allgemeinen umfassen die Zellen erste und zweite Zellen. Einige der ersten Zellen sind auf solche Weise ausgestaltet, dass die stromaufwärtigen Endflächen der ersten Gruppe in einer Abgasströmung zugewandt sind, jeweils durch Verschlussteile verschlossen sind. Einige der zweiten Zellen sind auf solche Weise ausgestaltet, dass die stromabwärtigen Endflächen der zweiten Gruppe jeweils durch die Verschlussteile verschlossen sind. Die Unterteilungswände werden von einem porösen Material gebildet und das Abgas strömt in die Öffnungen der ersten Gruppe, die der Abgasströmung zugewandt sind. Das in den Abgasen enthaltene PM wird dadurch entfernt, dass die Abgase durch eine Unterteilungswand hindurchtreten, die zwischen der ersten und der zweiten Gruppe angeordnet ist. Danach strömen die Abgase von der ersten Gruppe der ersten Zellen durch Unterteilungswände und werden von der zweiten Gruppe der zweiten Zellen ausgestoßen.
In dem Abgasfilter mit der zuvor erwähnten Struktur nimmt der Druckverlust, wenn die Abgase den Filter durchlaufen, in Relation mit einer Ansammlung des PM an dem Abgasfilter leicht zu. Motoröl und Spurenverunreinigungen (z. B. S und Ca oder dergleichen), die in Treibstoffen enthalten sind, erzeugen Asche. Die Asche, die mit den Abgasen in den Abgasfilter eingetragen wird, steigert ebenfalls den Druckverlust entsprechend der Ansammlung der Asche an dem Abgasfilter. Daher wurde, wie z. B. in WO 2012/046486 dargestellt, vorgeschlagen, dass der Abgasfilter in einer Einzelseitenverschlusstypstruktur ausgestaltet wird. Die Einzelseitenverschlusstypstruktur ist auf solche Weise ausgestaltet, dass einige beliebige der stromaufwärtigen Endflächen der Zellen in einer Wabenstruktur jeweils durch Verschlüsse verschlossen sind. In der Einseitenverschlusstypstruktur kann die Ansammlung der Asche begrenzt werden, so dass die Asche aus den ersten Zellen ausgestoßen wird.
Allerdings nimmt in der Einzelseitenverschlusstypstruktur des Abgasfilters der Abgasstrom, der die Unterteilungswände durchdringt, ab, wenn die Abgasströmungsgeschwindigkeit hoch ist und die Abgase durchlaufen einfach ein Inneres der Zellen, ohne dass die Abgase abgefangen werden. Das heißt, die Abgase in dem Abgasfilter liefern der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite des Abgasfilters eingebracht wurden, strömen, ohne dass sie dazu gebracht werden die Unterteilungswände zu durchdringen. Daher wurde ein angemessenes Wählen der Länge des Basismaterials des Abgasfilters zum Begrenzen der Leistungsverschlechterung des Abfangen des PM erwogen. Das Basismaterial wird auch als ein Teil der Unterteilungswände bezeichnet werden. Es wird das Problem auftreten, dass die Größe des Abgasfilters zunehmen muss.
Ein Trägern eines Katalysators an dem Abgasfilter während dem Abgasfilter während die in den Abgasen enthaltenen PM zur gleichen Zeit entfernt werden, kann erwogen werden. Allerdings wird in der Einzelseitenverschlusstypstruktur der Abgasstrom, der die Unterteilungswände durchdringt, kleiner, da Poren in den Unterteilungswänden durch Katalysatorbeschichtungsschichten beschichtet werden. Es wird das Problem auftreten, dass, wenn die Abnahme des Abgasstroms verringert wird, eine Menge der Katalysatorbeschichtung begrenzt ist. Daher kann eine erwünschte Reinigungsleistung nicht erzielt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen und ihr Ziel ist es, einen Abgasfilter bereitzustellen, wobei die Reinigungsleistung für unterschiedliche Substanzen und die Abfangleistung für PM verbessert werden können, ohne dass der Filter vergrößert wird.
Ein Aspekt dieser Offenbarung betrifft einen Abgasfilter, der die PM umfassenden Abgase reinigt, die von einem Internverbrennungsmotor ausgestoßen werden. Der Abgasfilter weist eine Wabenstruktur, Verschlussteile und einen Katalysator auf. Eine Axialrichtung der Wabenstruktur ist eine Strömungsrichtung des Abgases. Einige stromaufwärtige Endflächen der Wabenstruktur, die der Abgasströmung zugewandt sind, sind jeweils durch Verschlussteile verschlossen. Der Katalysator ist an der Wabenstruktur geträgert. Die Wabenstruktur weist eine Mehrzahl an Zellen auf, die Unterteilungswände aufweisen. Poren, die zwischen aneinander angrenzenden Zellen durchdringen, sind in den Unterteilungswänden ausgebildet. Die Zellen umfassen offene Zellen, die in der Axialrichtung durchgängig sind und verschlossene Zellen, deren stromaufwärtige Endfläche der Abgasströmung gegenübersteht und die durch Verschlussteile verschlossen sind. Es gibt einen ersten Bereich, der nicht den Katalysator an den Verteilungswänden an der stromaufwärtigen Seite in der Abgasströmungsrichtung der Wabenstruktur trägert. Es gibt einen zweiten Bereich, der in den Katalysator an den Unterteilungswänden an der stromabwärtigen Seite in der Abgasströmungsrichtung trägert. Der Abgasfilter weist die ersten und die zweiten Bereiche auf.
Der Abgasfilter weist die offenen und die verschlossenen Zellen auf. Einige stromaufwärtige Endflächen der verschlossenen Zellen, die dem Abgasstrom zugewandt sind, sind jeweils durch die Verschlussteile verschlossen und daher wird ein Druckunterschied dadurch erzeugt, dass die Abgase zwischen einer angrenzenden offenen Zelle und einer verschlossenen Zelle verbracht werden. Die offenen Zellen weisen erste und zweite Wände auf, die einander gegenüberstehen und die ersten und zweiten Wände sind Unterteilungswände. Ein Teil des Abgases, das in die offene Zelle strömt, durchdringt die ersten und zweiten Wände uns strömt aufgrund des Druckunterschiedes in die angrenzenden verschlossenen Zellen und offenen Zellen. Folglich wird das PM durch die Poren abgefangen, die in den Unterteilungswänden gebildet sind. Der Druckunterschied, der zwischen den angrenzenden offenen Zellen und verschlossenen Zellen erzeugt wird, wird an der stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes größer. Der Druckunterschied wird in Richtung der stromabwärtigen Seite der Abgasströmung geringer. Der Abgasfilter weist an der stromaufwärtigen Seite der Abgasströmung einen ersten Bereich auf, der nicht den Katalysator trägert. Daher können in dem ersten Bereich in dem Abgas enthaltene schädliche Substanzen unter Ausnutzung des Druckunterschieds, der zwischen den beiden Zellen erzeugt wird, effizient abgefangen werden und eine erwünschte Abfangleistung kann erzielt werden.
Es gibt an der stromabwärtigen Seite des Abgasstromes den zweiten Bereich, der den Katalysator an den Unterteilungswänden trägert. Daher können in dem zweiten Bereich unter Verwendung des Katalysators die in dem Abgas enthaltenen schädlichen Substanzen herausgereinigt werden. Es ist nicht erforderlich eine Menge an Katalysatorbeschichtung zu begrenzen, um es dem Abgas zu ermöglichen die Unterteilungswände in dem zweiten Bereich zu durchdringen, da der zweite Bereich keinen ausreichenden Druckunterschied zum Abfangen des PM aufweist. Daher weist der zweite Bereich eine ausreichende Menge der Katalysatorbeschichtung und eine gesteigerte Reinigungsleistung auf.
Somit kann der Abgasfilter mit der zuvor beschriebenen Einseitenverschlusstypstruktur in zwei Teile unterteilt werden: den ersten Bereich an der stromaufwärtigen Seite des Abgasstroms und den zweiten Bereich an der stromabwärtigen Seite. Daher kann eine axiale Länge einer Basis eines Materials des Abgasfilters effektiv genutzt werden, da die jeweiligen Bereiche jeweilige für diese geeignete Funktionen aufweisen. Wie zuvor dargestellt, kann eine zuvor genannte Ausführungsform den Abgasfilter bereitstellen, während die Herausreinigungsleistung für schädliche Substanzen und die Abfangleistung für PM verbessert werden können. Als ein Ergebnis kann die vorliegende Offenbarung zu einer Miniaturisierung im Vergleich zum Stand der Technik führen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Figuren zeigen das Folgende:
1 ist eine schematische Gesamtquerschnittsansicht eines Abgasreinigungssystems, das einen Abgasfilter nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2 ist eine Perspektivansicht, die eine schematische Struktur des Abgasfilters nach der ersten Ausführungsform darstellt;
3 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht von 1, die einen strukturellen Hauptteil des Abgasfilters nach der ersten Ausführungsform darstellt;
4 ist eine schematische Gesamtquerschnittsansicht eines Abgasreinigungssystems, das einen Abgasfilter nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst;
5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht von stromabwärtigen Endflächen des Abgasfilters, die einander in einer Richtung, in der ein Abgas strömt, gegenüberstehen, abgenommen entlang der Linie V-V in 4. nach der zweiten Ausführungsform;
6 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht von 4, die ein Hauptstrukturteil des Abgasfilters nach der zweiten Ausführungsform darstellt;
7 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht, die eine Mehrzahl an Zellen eines Abgasfilters nach der ersten Ausführungsform darstellt;
8 ist ein Schemagraph, der Zusammenhänge zwischen einer Entfernung von einer der stromaufwärtigen Endflächen des Abgasfilters, die einem Abgasstrom zugewandt ist, und einem Druck in offenen und geschlossenen Zellen darstellt, wenn Modellgase von einer stromaufwärtigen Seite des Abgases in den Abgasfilter nach der ersten Ausführungsform strömen;
9 ist ein Schemagraph, der Zusammenhänge zwischen der Entfernung von einer stromaufwärtigen Endflächen der Zellen des Abgasfilters zu einer Anfangsposition der Katalysatorbeschichtung in einer Richtung des Abgasstromes und einen Abfanganteil an PM darstellt, wenn Modellgase von der stromaufwärtigen Seite des Abgases in den Abgasfilter nach der ersten Ausführungsform strömen;
10 ist ein Schemagraph, der Zusammenhänge zwischen einer Menge an Katalysatorbeschichtung, die an einer Vielzahl von Unterteilungswänden des Abgasfilters geträgert wird, und einem Herausreinigungsanteil, der in den Abgasen enthaltenen schädlichen Substanzen, nach der ersten Ausführungsform darstellt;
11 ist ein Schemagraph, der Zusammenhänge zwischen einem Öffnungsanteil der einen der stromaufwärtigen Endflächen der offenen Zellen dem Abgasstrom zugewandt ist, zu einer stromabwärtigen der Endflächen des Abgasfilters, die einander in einer Richtung, in der ein Abgas strömt, gegenüberstehen und dem Abfanganteil an den in den Abgasen enthaltenen PM nach dem ersten Beispiel darstellt;
12 ist eine Elektronenmikroskopaufnahme, die ein Erscheinungsbild von Asche darstellt, die von den Zellen des Abgasfilters nach dem ersten Beispiel abgetrennt wurden; und
13 ist eine Partikelgrößenverteilung der Asche, die von den Zellen des Abgasfilters nach der ersten Ausführungsform abgetrennt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform eines Abgasfilters im Folgenden beschrieben. Der Abgasfilter 1 der ersten Ausführungsform, wie in 1 und 2 dargestellt, reinigt die Abgase und trägert teilweise einen Katalysator. Die Abgase enthalten partikuläres Material (d. h. PM), das von einem Internverbrennungsmotor (nicht dargestellt) ausgestoßen wird. Der Abgasfilter 1 ist eine Einzelseitenverschlusstypstruktur und weist eine Wabenstruktur 10 und eine Mehrzahl von Verschlussteilen 4 auf. Ein Abgasstrom, wie in der Wabenstruktur 10, ist als eine Axialrichtung X definiert. Ein Verschlussteil 4 verschließt teilweise alternierende stromaufwärtige Endflächen 11 (d. h. linke Endflächen der Wabenstruktur in 1 oder 2) der Zellen, die in der Wabenstruktur dem Abgasstrom G zugewandt sind. Die Wabenstruktur 10 weist eine Mehrzahl an Unterteilungswänden 2 und Zellen 3 auf, die jeweilige Unterteilungswände aufweisen, die an einem Axialende offen und an dem anderen Axialende verschlossen sind. Poren sind in den Unterteilungswänden 2 zwischen zwei aneinander angrenzenden Zellen 3, die miteinander in Verbindung stehen (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Zellen 3 weisen, wie in 1 dargestellt, offene Zellen, die in der Axialrichtung X offen sind, und verschlossene Zellen 32 auf, deren Enden, die der stromaufwärtigen Seite der Abgasströmung G zugewandt sind, jeweils durch die Verschlussteile 4 verschlossen sind.
Der Abgasfilter 1 kann in einer Richtung der Abgasströmung G in zwei Teile unterteilt sein: einen ersten Bereich A und einen zweiten Bereich B. Der erste Bereich A ist ein Bereich, der an den Unterteilungswänden 2 den Katalysator nicht trägert und der der erste Bereich des an der stromaufwärtigen Seite der Abgasströmung G angeordnet. Der zweite Bereich B ist ein Bereich, der den Katalysator an den Unterteilungswänden 2 trägert und der zweite Bereich ist an der stromabwärtigen Seite der Abgasströmung G angeordnet. Die zuvor beschriebenen Unterteilungswände 2 bilden einen Hauptteil der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32. Der erste Bereich A wirkt als ein Abfangbereich, der die in dem Abgas enthaltenen PM abfängt, und der zweite Bereich B wird als ein Reinigungsbereich, der die schädlichen Substanzen herausreinigt.
Ein Abgasreinigungssystem ist auf solche Weise ausgestaltet, dass der Abgasfilter 1, wie in 1 dargestellt, in einer Abgasleitung des Internverbrennungsmotors (nicht dargestellt) angeordnet ist. Das Abgasreinigungssystem umfasst ein zylindrisches Gehäuse 51, in dem der Abgasfilter 1 angeordnet ist. Ein Abgaseinlass 52 und ein Abgasauslass 53 sind jeweils an den Endbereichen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms in dem zylindrischen Gehäuse 51 angeordnet. Ein zylindrisches Mattenmaterial 61 ist zwischen dem zylindrischen Gehäuse 51 und der Wabenstruktur 10 montiert, und Stopper 62 sind jeweils an beiden Endbereichen desselben angeordnet. Der interne Verbrennungsmotor ist z. B. ein Benzinmotor vom Direkteinspritztyp oder ein Dieselmotor für Fahrzeuge. Der Abgasfilter 1 reinigt die schädlichen Substanzen, wie NOx, CO und HC heraus und fängt das PM ab, das in den Abgasen enthalten ist, die in die Abgasleitung der Abgase ausgestoßen werden.
Der Abgasfilter 1 ist, wie in 2 dargestellt, insgesamt säulenförmig ausgestaltet. Die Unterteilungswände 2 sind gitterartig in einer äußeren Haut der säulenartigen Form angeordnet und die Unterteilungswände 2 unterteilen und formen einen Raum in der säulenartigen Form in die vielen Zellen 3. Einige Zellen 3, die in der Wabenstruktur 10 aneinander angrenzend sind, wie in 1 dargestellt, alternierend an den stromaufwärtigen Endflächen 11 der Zellen, die dem Abgaseinlass 52 zugewandt sind, durch einen Verschluss verschlossen. Stromabwärtige Endflächen 12 (d. h. rechte Endflächen) der Wabenstruktur, wie in 1 und 2 dargestellt, an der Zellen sind dem Abgasauslass 53 zugewandt, wie in 1 sichtbar ist. Keines der stromabwärtigen Enden der Zellen 3 ist durch einen Verschluss verschlossen. Dadurch sind die offenen Zellen 31 und die verschlossenen Zellen 32 alternierend angeordnet. Für jede offenen Zelle 31 sind beide Enden offen (d. h. die stromaufwärtigen Endflächen 11 und die stromabwärtigen Endflächen 12 der Zellen in der Wabenstruktur 10). Ein Ende jeder verschlossenen Zelle 32 ist an der stromabwärtigen Endfläche 12 der Zelle offen und das andere Ende der verschlossenen Zelle 32 ist an der stromaufwärtigen Endfläche 11 der Zelle (d. h. den Linksendteilen in 1 und 2) verschlossen.
In der gegenwärtigen Ausführungsform sind beide, die offenen Zellen 31 und die verschlossenen Zellen 32, im Wesentlichen in die gleiche Form gebracht und innere Umfangsformen derselben können in einer regelmäßigen viereckigen Form ausgestaltet sein. Eine Form der Zellen kann nicht nur das regelmäßige Viereck sein, sondern auf ein Rechteck, ein Polygon, ein Kreis oder jede beliebige Form. Beide, die offenen Zellen 31 und die verschlossenen Zellen 32 können nicht nur die gleichen Formen aufweisen, sondern sie können voneinander verschiedene Formen aufweisen. Strömungsdurchgangsquerschnittsflächen beider der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32 senkrecht zu der Axialrichtung X können voneinander verschiedene Formen aufweisen. In solchen Fällen wird dafür gesorgt, dass die Strömungsdurchgangsquerschnittsflächen der verschlossenen Zellen 32 größer sind als die der offenen Zellen 31. Der zwischen der offenen Zelle 31 und der angrenzenden Zelle 32 erzeugte Druckunterschied steigt und eine Steigerung des Abfanganteils des in den Abgasen enthaltenen PM ist möglich.
Die Unterteilungswände 2 in der Wabenstruktur 10 werden von einem keramischen Material mit einer porösen Struktur gebildet. Die in den Unterteilungswänden 2 gebildeten Poren verbinden die angrenzenden Zellen 3 in der Wabenstruktur 10 miteinander. Zum Beispiel Cordierit, Siliciumcarbid oder Aluminiumtitanat wird als ein Bestandteil des keramischen Materials verwendet. Die Verschlussteile 4 in der Wabenstruktur 10 werden unter Verwendung eines ähnlichen keramischen Materials gebildet. In der Wabenstruktur 10 kann die durch die Poren gegebene Porosität in den Unterteilungswänden 2 durch Poren bildenden Materialien, die den keramischen Materialien zugesetzt werden, angepasst werden. Die Porosität der Wabenstruktur 10 wird zum Beispiel in einem Bereich von 40 bis 70 Prozent eingestellt.
In der Axialrichtung X des Abgasfilters 1 ist ein Bereich in einer vorbestimmten Länge von den stromaufwärtigen Endflächen der Zelle 11 als ein erster Bereich A definiert. Der erste Bereich A wird als ein Abfangbereich des PM verwendet und die Unterteilungswände 2, welche die offenen Zellen 31 und die verschlossenen Zellen 33 bilden trägem nicht den Katalysator. Der Druckunterschied ΔP der zwischen den aneinander angrenzenden offenen Zellen 31 und verschlossenen Zellen 32 gebildet wird, wird wie in 3 dargestellt um die stromaufwärtigen Endflächen 11 der offenen Zellen 31 in denen das Abgas G strömt groß. Dadurch können die Abgase, darunter Ausnutzung des Druckunterschiedes ΔP zur Permeation durch die Unterteilungswände 2 gebracht werden. Jede der offenen Zellen umfasst erste und zweite Wände die einander gegenüberstehen und die ersten und zweiten Wände sind Unterteilungswände 2. Die Abgase strömen von einer Einstromöffnungsseite zu den offenen Zellen 31 und strömen durch die erste und zweite Wand in die angrenzenden verschlossenen Zellen 32. Währenddessen wird das PM (d. h., das in 3 dargestellte PM) von den Abgasen abgetrennt und/oder an den Oberflächen und internen Poren der Unterteilungswände 2 abgefangen. Auf diese Weise trägem die Unterteilungswände 2 nicht den Katalysator und die Anfangsporosität wird im ersten Bereich A aufrechterhalten. Daher kann die Abgasströmung, welche die Unterteilungswände 2 durchdringt einen verringerten Verlust derselben aufweisen. Daher kann ein erwünschter Abfanganteil des PM erzielt werden, da das in den Abgasen enthaltene PM in dem ersten Bereich A effizient abgefangen werden kann.
In dem Abgasfilter 1 nimmt ein Volumen der Unterteilungswände zu und der Abfanganteil des PM nimmt zu wenn eine axiale Länge einer Basis des Materials Lx in der Axialrichtung X der Wabenstruktur länger ist. Die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx wird als eine Länge einer Unterteilungswand bezeichnet werden. Der Abfanganteil des PM steigt in einem Bereich in dem die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx kürzer ist als ein Standard fast entsprechend einer Verlängerung der axialen Länge der Basis aus einem Material Lx. Wenn allerdings die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx länger wird als die Standardlänge, wird eine Zunahme des Abfanganteils des PM mit der Verlängerung der axialen Länge der Basis aus einem Material Lx graduell abgeschwächt. Dann, wenn die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx eine Grenzlänge erreicht ist der Abfanganteil des PM auf einen Grenzanteil beschränkt. Wenn die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx die bestimmte Länge übersteigt ist festzustellen, dass der Abfanganteil des PM nicht den zuvor beschriebenen Wert übersteigt. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass der Abfanganteil des PM fortwährend im Zusammenhang mit der Verlängerung der axialen Länge der Basis aus einem Material Lx zunimmt, da ein Anteil der Abgase der durch die Unterteilungswände 2 permeiert gesteigert wird bis die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx die bestimmte Länge erreicht. Wenn allerdings die axiale Länge der Basis aus einem Material Lx die bestimmte Länge übersteigt wird der Anteil der Abgase die durch die Unterteilungswände 2 permeieren nicht gesteigert. Eine Gesamtlänge der Unterteilungswand wird von einer ersten und einer zweiten Sektion gebildet die in einer Richtung der Abgasströmung aneinander ausgerichtet sind. Die erste Sektion befindet sich an einer stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes und eine Länge derselben ist gleich wie die bestimmte Länge. Die zweite Sektion befindet sich an der stromabwärtigen Seite des Abgasstromes. In Kürze, wenn die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx des Abgasfilters 1, die bestimmte Länge überschreitet werden die Abgase zur Permeation in die Unterteilungswände 2 in der ersten Sektion gebracht. Die Abgase allerdings, welche die zweite Sektion erreichen, durchlaufen die zweite Sektion zu der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms ohne die Unterteilungswände 2 zu permeieren.
In dem Abgasfilter 1 wird, wenn die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx die bestimmte Länge erreicht, der Abfanganteil an PM bei dem vorgeschriebenen Wert stabilisiert und wird sich nicht verändern (d. h., ein maximal Abfanganteil an PM). In Kürze, die bestimmte Länge ist die kürzeste Länge in der Axialrichtung der Basis aus einem Material Lx bei welcher der Abfanganteil des PM ein Maximum erreicht. Daher wird eine Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A bevorzugt auf der Basis der kürzesten Länge Ls in der Axiallänge der Basis aus einem Material definiert. Genauer gesagt wird die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A mit einer Länge festgelegt, die gleich ist wie oder größer als die kürzeste Länge Ls in der Axiallänge der Basis aus einem Material. Somit erreicht der Abfanganteil an PM des ersten Bereichs A ein Maximum. Eine in den von dem Abgasfilter 1 ausgestoßenen Abgasen enthaltene Menge an PM ist als eine ausgestoßene Menge A definiert. Eine in den Abgasen, die in den Abgasfilter 1 eingebracht werden, enthaltene Menge an PM ist als eine eingebrachte Menge B definiert. Der Abfanganteil an PM des ersten Bereichs A ist ein Anteil der ausgestoßenen Menge A an der eingebrachten Menge B (der Anteil ist in %-Zeichen angegeben).
Anderenfalls, wenn die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx des Abgasfilters 1 beschränkt ist, wird ein vorbestimmter Abfanganteil an PM festgelegt, der geringer ist als der Maximalabfanganteil an PM. Dann ist bei dem vorbestimmten Abfanganteil an PM die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A bevorzugt auf der Basis der Axiallänge der Basis aus dem Material definiert. Der vorbestimmte Abfanganteil an PM beträgt zum Beispiel nicht weniger als 50% und bevorzugt nicht weniger als 90%. Der Maximalabfanganteil an PM des ersten Bereichs A verändert sich entsprechend eines Querschnittsflächenverhältnisses der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32, der Dicke der Unterteilungswände 2, der Zelldichte, der durchschnittlichen Porengröße und der Porosität der Wabenstruktur oder dergleichen. Daher kann ein Zusammenhang zwischen einer zuvor beschriebenen Basismaterialspezifikation und dem Abfanganteil an PM vorab ermittelt werden und die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A wird bevorzugt auf der Basis dieses Zusammenhangs festgelegt. Dies ermöglicht es die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A zu optimieren und ein erwünschter Abfanganteil an PM kann erreicht werden womit die Vergrößerung des Abgasfilters 1 umgangen wird.
In der Axialrichtung X des Abgasfilters 1 ist ein Bereich von einem der stromabwärtigen Enden des ersten Bereichs A bis zu einer stromabwärtigen Endfläche 12 der Zellen als ein zweiter Bereich B definiert. Der zweite Bereich B wird als ein Herausreinigungsbereich für PM, die in den Abgasen enthalten sind, verwendet und die Unterteilungswände 2 bilden die offenen Zellen 31 und die verschlossenen Zellen 32 trägem den Katalysator. Genauer gesagt sind in dem zweiten Bereich eine der Oberflächen der Unterteilungswände 2 und eine der Porenoberflächen in den Unterteilungswänden 2 vollständig mit einer der Katalysatorbeschichtungsschichten 21, die den Katalysator enthalten, bedeckt. Der Katalysator ist zum Beispiel ein Edelmetallkatalysator, wie Pt, Rh und Pd und kann entsprechend der zu reinigenden Abgase ausgewählt werden. Die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 werden durch Trägern des Edelmetallkatalysators an porösen Trägern gebildet was Promoter, wie Ceroxid-Zirconiumdioxid-Komplex-Oxid und Aluminiumdioxid oder dergleichen umfasst. Eine Katalysatorbeschichtungsschicht 21 wird gleichmäßig an Oberflächen der Unterteilungswände 2 der Wabenstruktur geschichtet. Für weitere Details siehe 3.
Wie in 3 ersichtlich, kommt das Abgas in Kontakt mit der Katalysatorbeschichtungsschicht 21 in der offenen Zelle 31 oder der verschlossenen Zelle 32 wenn das Abgas durch den ersten Bereich A an der stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes in den zweiten Bereich B an der stromabwärtigen Seite des Abgasstromes übergeht. Das Abgas verteilt sich in den porösen Katalysatorbeschichtungsschichten 21 und schädliche Substanzen die in den Abgasen enthalten sind, werden durch den Edelmetallkatalysator herausgereinigt. In dem ersten Bereich A wird der Druckunterschied ΔP der zwischen der offenen Zelle 31 und der daran angrenzenden verschlossenen Zelle 32 gebildet wird in Richtung der stromabwärtigen Endflächen 12 der Zellen (die auch als ein Auslass des Abgases bezeichnet werden) geringer wie in 3 sichtbar wird. Daher nimmt, wie zuvor beschrieben, der Abgasstrom, der die Unterteilungswände 2 durchdringt, ab. Der Einfluss auf die Abfangleistung für das PM ist gering, da der erwünschte Abfanganteil des PM, wie zuvor beschrieben, in dem ersten Bereich A erzielt werden kann. Die jeweiligen stromabwärtigen Endflächen 12 der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32 sind offen. Dadurch wird Asche (d. h., die in 3 dargestellte Asche), die in den Abgasen enthalten ist, von den Öffnungen der offenen Zellen 31 oder der verschlossenen Zellen 32 nach außen ausgestoßen und verbleibt nicht in dem Abgasfilter 1.
In dem zweiten Bereich B kann eine Menge der Katalysatorbeschichtung, welche die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 bildet, zum Beispiel 50 bis 250 g/L betragen. Die Menge der Katalysatorbeschichtung beträgt bevorzugt zum Beispiel nicht weniger als 100 g/L. Die Menge der Katalysatorbeschichtung ist bevorzugt groß um eine Abgasreinigungsleistung zu steigern und eine Verschlechterung der Reinigungsleistung durch das Wiederholen von Kälte und Hitze zu begrenzen. Die Hitze wird von den Abgasen erzeugt, die von dem zuvor beschriebenen Internverbrennungsmotor der sich im Betrieb befindet, ausgestoßen werden. Wenn der Internverbrennungsmotor stoppt verändert sich die Temperatur von hoch zu niedrig. Dadurch werden das Erhitzen und das Abkühlen wiederholt. Die zuvor beschriebene Menge der Katalysatorbeschichtung ist als eine Molarität der Katalysatorbeschichtungsschichten 21 definiert, die pro 1 Liter Volumen des Abgasfilters 1 geträgert werden. In dem Abgasfilter 1 führt eine Steigerung in der Menge der Katalysatorbeschichtung normalerweise zu einer Verschlechterung der Abfangleistung für das PM. In der gegenwärtigen Ausführungsform hingegen kann der erwünschte Abfanganteil des PM in den ersten Bereich A an der stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes erzielt werden. Daher kann in dem zweiten Bereich B, welcher der Herausreinigungsbereich des PM ist, die Menge der Katalysatorbeschichtung beliebig festgelegt werden, sodass die erwünschte Herausreinigungsrate des PM erzielt wird.
Eine Axialrichtungslänge LB des zweiten Bereichs B, die der Herausreinigungsbereich des PM ist, kann beliebig festgelegt werden. In dem zweiten Bereich B wird eine katalysatorträgernde Fläche größer wenn die Länge LB der Axialrichtung länger wird. Die Abgasreinigungsleistung wird durch Vergrößern der katalysatorträgernden Fläche verbessert. Die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx tendiert dazu durch den zweiten Bereich B der an der stromabwärtigen Seite des Abgasstromes des ersten Bereichs A in einer Richtung in der das Abgas strömt, angeordnet ist, lang zu werden. Daher führt zum Beispiel eine hohe Strömungsrate der Abgase zu der Steigerung einer Wirkung des Verhinderns eines Durchstroms im Inneren der Zellen ohne Abfangen der Abgase gesteigert werden. Wenn andererseits die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx des Abgasfilters 1 länger wird, muss die Größe des Abgasreinigungssystems gesteigert werden. Daher werden in dem zweiten Bereich B die Axialrichtungslänge LB und die Menge der Katalysatorbeschichtung in dem zweiten Bereich B so angepasst, dass eine gewünschte Reinigungsleistung in einem Bereich erzielt wird mit dem die Axiallänge des Basismaterials Lx des Abgasfilters 1 eine bestimmte Länge nicht überschreitet.
Auf diese Weise weist der Abgasfilter 1 der gegenwärtigen Ausführungsform die Einzelseitenverschlusstypstruktur und den ersten Bereich A und den zweiten Bereich B auf. Die Einzelseitenverschlussstruktur ist so gebildet, dass alternierende dem Abgasstrom G zugewandte Enden durch ein Verschlussteil blockiert sind. Die Einzelseitenverschlusstypstruktur verhindert eine Ansammlung der Asche, die in den Abgasen enthalten ist, an dem Abgasfilter 1. Der erste Bereich A an der stromaufwärtigen Seite trägert nicht den Katalysator. Der zweite Bereich B an der stromabwärtigen Seite trägert den Katalysator. Daher weist der Abgasfilter 1, durch Trennen von zwei Bereichen die jeweils verschiedene Funktionen aufweisen, die Abfangleistung für das PM und die Abgasreinigungsleistung zugleich auf.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Nach der ersten Ausführungsform kann der Abgasfilter 1 so ausgestaltet sein, dass die Katalysatorbeschichtungsschicht 21 in dem zweiten Bereich B die Unterteilungswand, welche die Zellen bildet, vollständig bedeckt, für jede Zelle die gleiche Dicke aufweist. Allerdings kann der Abgasfilter 1 auch so ausgestaltet sein, dass die Dicke der Katalysatorbeschichtungsschicht 21 in dem zweiten Bereich B, die an den offenen Zellen und den verschlossenen Zellen angeordnet ist, verschieden ist. In der letztgenannten Situation ist die Dicke der Katalysatorbeschichtungsschicht 21 im Inneren der offenen Zellen 31 bevorzugt dicker gebildet und ein Beispiel der letztgenannten Situation wird im Folgenden beschrieben.
Stromaufwärtige Enden der offenen Zellen 31, die dem Abgasstrom zugewandt sind, sind als erste Enden definiert. Stromabwärtige Enden der offenen Zellen 31 die den ersten Enden in einer Richtung des Abgasstromes gegenüberstehen sind als zweite Enden definiert. In dem zweiten Bereich B eines Abgasfilters 1 einer zweiten Ausführungsform sind, wie in 4 und 5 dargestellt, die Dicke der Katalysatorbeschichtungsschicht 21, welche die gesamte Oberfläche der offenen Zelle abgesehen von Endflächen der offenen Zelle 31 bedeckt in dem ersten Ende und in dem zweiten Ende verschieden. Die Dicke der Katalysatorbeschichtungsschicht 21, welche die Unterteilungswand 2 der offenen Zellen 31 in dem zweiten Bereich B vollständig bedeckt ist als eine zweite Dicke aufweisend definiert. Genauer gesagt ist die Dicke der Katalysatorbeschichtungsschicht 21 an zumindest dem zweiten Ende dicker ausgebildet als an dem ersten Ende. Wie zum Beispiel in 4 dargestellt sind sich verjüngende Bereiche 22, welche die Katalysatorbeschichtungsschichten sind, auf solche Weise ausgestaltet, dass die zweite Dicke in Richtung der zweiten Enden graduell dicker wird. Die Dicken der Katalysatorbeschichtungsschichten 21, welche die Unterteilungswand 2 an den verschlossenen Zellen 32 in dem zweiten Bereich B vollständig bedecken, sind im Wesentlichen konstant. In den stromabwärtigen Endflächen 12 der Zellen des Abgasfilters 1 sind die Zellöffnungen der offenen Zellen 31 kleiner als die der verschlossenen Zellen 32. Anstelle der sich verjüngenden Bereiche 22 können abgestufte Bereiche verwendet werden, welche die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 sind, die auf solche Weise ausgestaltet sind, dass die zweite Dicke in einem abgestuften Muster in Richtung der zweiten Enden dicker wird. Die Katalysatorbeschichtungsschicht 21 kann nicht nur über das gesamte zweite Ende sondern auch über den gesamten zweiten Bereich B in der offenen Zelle 31 eine sich verjüngende oder eine abgestufte Form sein. Davon abgesehen weist der Abgasfilter 1 der zweiten Ausführungsform, abgesehen von den Katalysatorbeschichtungsschichten 21, im Wesentlichen die gleiche Struktur auf wie der der ersten Ausführungsform und daher werden Details desselben nicht erwähnt.
In dem zweiten Bereich B wird, wenn die sich verjüngenden Bereiche 22 in den offenen Zellen 31 erstrecken, die zweite Dicke in Richtung der zweiten Enden, wie zuvor beschrieben, graduell dicker. Wie anhand von 5 ersichtlich, ist jede der Öffnungsflächen S1 der offenen Zellen 31 kleiner als die Öffnungsflächen S2 (d. h., S1 < S2). Die Öffnungsfläche ist ein Raum in dem eine der Öffnungen an den zweiten Enden teilweise durch den Katalysator blockiert ist. Eine Öffnungsfläche S2 der offenen Zelle 31 ist im Wesentlichen ein Raum einer der stromaufwärtigen Endflächen 12. In den stromabwärtigen Endflächen 12 ist eine der Öffnungen 23 die so ausgebildet ist, dass sie von den sich verjüngenden Bereichen 22 umgeben ist, im Wesentlichen von kreisförmiger Form. Ein Druck in der offenen Zelle 31 wird durch Verlängern eines der sich verjüngenden Bereiche 22 in der offenen Zelle 31 in den zweiten Bereich B gesteigert. Dadurch wird der Druckunterschied ΔP, der zwischen den offenen Zellen 31 und den daran angrenzenden verschlossenen Zellen 32 erzeugt wird, größer. Somit wird in dem ersten Bereich A, wie in 6 ersichtlich wird, der Abgasstrom, der die Unterteilungswände 2 durchdringt, gesteigert und der Abfanganteil des in den Abgasen enthaltenen PM wird weiter gesteigert.
In dem zweiten Bereich B reinigen die Katalysatorbeschichtungsschichten 21, die an den jeweiligen Oberflächen der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32 gebildet sind, die schädlichen Substanzen heraus, die in den Abgasen enthalten sind. Da die offenen Zellen 31 die sich verjüngenden Bereiche 22 an den zweiten Enden aufweisen, strömen die in die offenen Zellen 31 eingebrachten Abgase entlang der sich verjüngenden Bereiche 22 und/oder werden einfach zur Diffusion in die sich verjüngenden Bereiche 22 gebracht. Dadurch wird die Möglichkeit zum Kontakt mit dem Katalysator gesteigert und der Abfanganteil der schädlichen Substanzen, die in den Abgasen enthalten sind, wird weiter gesteigert. Da die jeweiligen stromabwärtigen Endflächen 12 der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32 offen sind, wird die in den Abgasen enthaltene Asche (d. h., die Asche in 6) einfach aus der Wabenstruktur 10 ausgestoßen.
Der Druck in den offenen Zellen 31 wird größer, wenn die Öffnungsflächen S1 der offenen Zellen 31 an den zweiten Enden kleiner werden. Folglich wird der Druckunterschied ΔP, der zwischen der offenen Zelle 31 und den angrenzenden verschlossenen Zellen 32 erzeugt wird, groß. Ein Öffnungsanteil (Einheit: %), der durch die im Folgenden beschriebene Formel wiedergegeben wird, kann bevorzugt, zum Beispiel kleiner als 80% sein, um eine Steigerungswirkung für den Abfanganteil an in den Abgasen enthaltenen PM unter Ausnutzung des zuvor beschriebenen Druckunterschieds ΔP zu erzielen. Öffnungsanteil = (S1/S2) × 100 (Formel)
Der Öffnungsanteil ist ein Verhältnis der Öffnungsfläche S1, die sich am zweiten Ende befindet, zu der Öffnungsfläche S2, die sich am ersten Ende befindet.
Wenn die Öffnungsflächen S1 klein werden, verbleibt die in den Abgasen enthaltene Asche und sammelt sich leicht in den offenen Zellen 31 an. Daher kann in dem zweiten Ende die Öffnung 23, die von dem sich verjüngenden Bereich 22 umgeben ist, durch die in den offenen Zellen 31 angesammelte Asche verschlossen werden. Aus diesem Grund wird die Öffnung 23 bevorzugt ausreichend größer ausgestaltet als eine Partikelgröße der Asche die in den Abgasen enthalten ist. Zum Beispiel wird die Katalysatorbeschichtungsschicht 21 bevorzugt so ausgestaltet, dass eine Öffnungsfläche des zweiten Endes (d. h. ein Durchmesser der Öffnung 23) nicht kleiner ist als 0,2 mm. Der Grund dafür ist, dass die Partikelgröße der Asche für gewöhnlich eine Größe von ungefähr 1 bis 100 μm und maximal 200 μm (d. h., 0,2 mm) aufweist.
Nach der vorliegenden Ausführungsform wird die Katalysatorbeschichtungsschicht 21 in der offenen Zelle 31 an einigen der zweiten Enden schnell gebildet. Die Öffnungsfläche S1, die sich am zweiten Ende befindet, wird klein, da die Katalysatorbeschichtungsschicht 21 sie blockiert. Dadurch können die Abfangleistung, die das PM in dem ersten Bereich A abfängt und die Reinigungsleistung, die schädliche Substanzen in dem zweiten Bereich B herausreinigt, weiter verbessert werden. Da die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 in den offenen Zellen 31 an den zweiten Enden die sich verjüngenden Bereiche aufweisen können die Menge der Katalysatorbeschichtungsschichten 21 und die Öffnungsfläche des zweiten Endes durch Verändern der Form der sich verjüngenden Bereiche 22 beliebig verändert werden. Der Druckunterschied ΔP zwischen den angrenzenden Zellen 3 wird gesteigert und eine Ablagerung von Asche wird zugleich durch Anpassen der Menge der Katalysatorbeschichtungsschichten 21 und der Öffnungsfläche der zweiten Enden begrenzt. Somit weist der Abgasfilter 1 eine kompakte Struktur zum effektiven Reinigen der Abgase auf.
ERSTES BEISPIEL
Der oben beschriebene Abgasfilter 1 wird auf die folgende Weise hergestellt. Der Abgasfilter 1 ist so ausgestaltet, dass einige der stromaufwärtigen Enden der säulenförmigen Wabenstruktur 10, die dem Abgasstrom zugewandt sind, jeweils durch das Verschlussteil 4 verschlossen sind. Die Wabenstruktur 10 ist aus Cordierit hergestellt und weist eine Größe von φ 132 mm × 100 mm auf. Die Wabenstruktur 10 weist eine große Anzahl der Zellen 3 auf deren Innenumfangsform eine rechteckige Form ist, wobei eine Dichte der Zellen 3 300 inch² beträgt, die Dicke der Unterteilungswände 2 0,28 mm beträgt, die durchschnittliche Porengröße in den Unterteilungswänden 2 18 μm beträgt und die Porosität der in den Unterteilungswänden 2 gebildeten Poren 60% beträgt.
Zuerst werden Kaolin, Talk, Kieselglas und Aluminium als Cordieritrohmaterial verwendet. Entsprechende Materialpulver werden auf solche Weise zusammengebracht, dass MgO, Al₂O₃ und SiO₂ in einem molaren Verhältnis von im Wesentlichen 2,2 und 5 als eine Cordieritzusammensetzung vorliegen. Die zusammengebrachten Materialpulver werden durch ein Nassverfahren vermahlen und vermischt und Kohlenstoff wird als ein porenbildendes Material dazu zugesetzt. Als Nächstes wird ein durch Zusetzen von Methylzellulose als Verdickungsmittel verdicktes Gemisch geknetet und ein keramischer Körper wird erhalten. Nachdem der durch Extrusionsformen unter Verwendung einer Matrize gebildete keramische Körper in eine vorgeschriebene Größe zerschnitten ist wird durch Trocknen des keramischen Körpers ein getrockneter Körper erhalten. Der getrocknete Körper wird bei 1400 bis 1440 Grad Celsius kalziniert und die aus dem Cordierit hergestellte Wabenstruktur 10 wird erhalten. Danach werden die stromaufwärtigen Öffnungen der Zellen 3 in der Wabenstruktur 10 die dem Abgasstrom zugewandt sind durch ein keramisches Material wechselweise in einem netzförmigen Muster verschlossen. Die Einzelseitenverschlusstypstruktur der Wabenstruktur 10 wird durch Kalzinieren bei nicht weniger als 500 Grad Celsius erhalten.
Der Abgasfilter 1 wird durch Bilden der Katalysatorbeschichtungsschichten 21, die den Katalysator trägem in der Wabenstruktur 10 gebildet. Pt und Rh werden als Edelmetallkatalysator verwendet, der ein Material für die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 ist. Eine stromabwärtige Endfläche der Wabenstruktur 10, die dem Abgasauslass 53 zugewandt ist, wird in eine Katalysatorschlemme getaucht. Durch Verwenden eines Zirconiumdioxid/Ceroxid-basierten Mischoxids und γ-Aluminium als einem Träger ist die Viskosität der Katalysatorschlemme angepasst und die Edelmetalle werden dort hinein gemischt. Nachdem die stromabwärtigen Endflächen der Wabenstruktur, denen die Katalysatorbeschichtung anhaftet, getrocknet sind, werden die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 durch Kalzinieren der getrockneten Katalysatorbeschichtung gebildet. Dadurch wird der Abgasfilter 1 erhalten, der den ersten Bereich A und den zweiten Bereich B aufweist. Der erste Bereich A der den Katalysator nicht trägert ist näher an einer Endfläche angeordnet, die durch das Verschlussteil 4 verschlossen ist. Der zweite Bereich B, in dem die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 gebildet sind, ist näher an einer Endfläche angeordnet, die nicht das Verschlussteil 4 aufweist.
Außerdem ist eines der Öffnungsenden des zweiten Bereichs B in den erhaltenen offenen Zellen 31 des Abgasfilters 1 mit der zuvor beschriebenen Viskositätsangepassten Katalysatorschlemme, die eine geringe Viskosität aufweist, imprägniert. Die Imprägnierungszeit ist auf 1 bis 2 Sekunden festgelegt. Verjüngungen der Katalysatorbeschichtungsschichten 21 der offenen Zellen 31 werden durch selektives Einbringen der Katalysatorschlemme in die offenen Zellen 31 hervorgehoben. Nach der Imprägnierung sind die sich verjüngenden Bereiche, wie in 7 ersichtlich, näher an den stromabwärtigen Enden der offenen Zellen 31 der Katalysatorbeschichtungsschichten 21 angeordnet. Daraufhin wird ein Öffnungsanteil der offenen Zellen 31 (d. h. Der Öffnungsanteil ist ein Anteil der Öffnungsfläche S1 die sich am zweiten Ende befindet zu der Öffnungsfläche S2 die sich am ersten Ende befindet; S1/S2) auf 80% festgelegt.
In den verschlossenen Zellen 32 beträgt die Axiallänge der Basis aus einem Material Lx des Abgasfilters 1 100 mm. Ein Bereich der verschlossenen Zelle 32 der sich von den stromaufwärtigen Enden der verschlossenen Zellen 32 die dem Abgasstrom gegenüberstehen bis zu einer vorbestimmten Länge in einer Richtung des Abgasstromes erstreckt ist durch die Verschlussteile 4 verschlossen.
8 stellt eine Druckverteilung der offenen Zellen 31 und der verschlossenen Zellen 32 in dem Abgasfilter 1 mit den sich verjüngenden Bereichen 22 dar, die durch das zuvor beschriebene Verfahren ermittelt wurde. Die Druckverteilung wird zu einem Zeitpunkt ermittelt zu dem Modellgase von der stromaufwärtigen Seite des Abgases in den Abgasfilter strömen. 9 stellt Zusammenhänge zwischen der Entfernung von der stromaufwärtigen Endfläche der Zelle in einer Richtung des Abgasstromes bis zu einer Anfangsposition des zweiten Bereichs B dar (nachfolgend als „die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs” bezeichnet) und den Abfanganteil der PM (d. h. dem in 9 dargestellten Abfanganteil der PM dar). Der zweite Bereich B weist die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 auf, die durch das zuvor beschriebene Verfahren gebildet wurden und die Anfangsposition des zweiten Bereichs B ist eine Grenzposition zwischen dem ersten Bereich A und dem zweiten Bereich B. Der Abfanganteil des PM, der in 9 illustriert ist, wird entsprechend einer Veränderung der Grenzposition dargestellt. Wenn der Abfanganteil des PM berechnet wird, wird ein V-Typ 6-Zylinder Benzinmotor vom Direkteinspritztyp (nachfolgend als „V-Typ Benzinmotor” bezeichnet) unter den folgenden Bedingungen betrieben. In dem V-Typ Benzinmotor, Drehzahl: 2000 U/pm, Gasströmungsrate: 25 g/sec, Treibstoffeinspritzzeitpunkt: 330°BTDC und Filterbodentemperatur: 400 Grad Celsius. In den Modellgasen enthaltene Mengen des PM vor Einbringen in den und nach Ausstoßen aus dem Abgasfilter 1 werden durch ein Motorabgaspartikelgrößen(EEPS)-Spektrometer, Modell 3090, hergestellt durch Tokyo Dylec Co. Ltd. berechnet. Der Abfanganteil des PM wird anhand eines Unterschiedes zwischen den Mengen des in den Modellgasen enthaltenen PM vor Einbringen in den und nach Ausstoßen aus dem Abgasfilter 1 berechnet.
Ein Druck P1 in den offenen Zellen 31 ist, wie in 8 ersichtlich, an den stromaufwärtigen Enden der Zellen 31 am höchsten. Der Druck P1 wird in Richtung der stromabwärtigen Enden der offenen Zellen 31 geringer. Der Druck P1 an dem stromabwärtigen Ende der offenen Zellen 31 ist im Wesentlichen der gleiche Druck P2 wie im Inneren der verschlossenen Zellen 32. Der Druckunterschied ΔP der zwischen den offenen Zellen 31 und den angrenzenden verschlossenen Zellen 32 erzeugt wird ist an der stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes hoch. ΔP wird in Richtung der stromabwärtigen Seite des Abgasstromes geringer und ist an den stromabwärtigen Enden der Zellen stark abgefallen. Der Druck P1 im Inneren der offenen Zellen 31 mit dem Verjüngungsbereich 22 (d. h. mit einer Verjüngung) zeigt eine ähnliche Tendenz in Bezug auf den Druck P1 im Inneren der offenen Zellen 31 die den Verjüngungsbereich 22 nicht aufweisen (d. h. keine Verjüngung). Der Druck P1 im Inneren der offenen Zellen 31 die den Katalysator trägern (d. h. keine Verjüngung), der in dieser Figur als eine Referenz dargestellt ist, ist höher als ein Druck P11 im Inneren der offenen Zellen 31 die den Katalysator nicht aufweisen (d. h. kein Katalysator). Diese Tendenz ist auf jede Länge eines Nicht-Katalysatorbereichs anwendbar. Wenn andererseits die Länge eines Nicht-Katalysatorbereichs, wie in 9 dargestellt, ungefähr 0 bis 20 mm beträgt (d. h. 0 bis ungefähr 20% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx) verweilt der Abfanganteil an PM bei im Wesentlichen 20%. Wenn die Länge eines Nicht-Katalysatorbereichs mehr als 20 mm beträgt steigt der Abfanganteil an PM plötzlich. Der Abfanganteil an PM von jeder der offenen Zellen 31 mit dem Verjüngungsbereich 22 ist für jede Länge eines Nicht-Katalysatorbereichs höher als der derer welcher die Verjüngungsbereiche 22 nicht aufweisen. Die offenen Zellen 31 welche die Verjüngungsbereiche 22 und welche die Verjüngungsbereiche 22 nicht aufweisen werden nachfolgend jeweils als „Zellen mit Verjüngung” und „Zellen ohne Verjüngung” bezeichnet.
Wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs 0 bis ungefähr 30 mm beträgt (d. h., 0 bis ungefähr 30% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx), betragen die Abfanganteile an PM von einer der Zellen mit Verjüngung und der Zelle ohne Verjüngung jeweils ungefähr 20 bis 40% und unterscheiden sich leicht voneinander. Wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs nicht weniger als 40 mm beträgt (d. h. 40% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx), weisen die Abfanganteile des PM der Zelle mit Verjüngung und der Zelle ohne Verjüngung einen großen Unterschied auf. Zum Beispiel, liegt der Abfanganteil des PM der Zelle mit Verjüngung oberhalb von 50% wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs 40 mm beträgt. Der Abfanganteil des PM der Zelle mit Verjüngung liegt oberhalb von 60% wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs 50 bis 60 mm beträgt (d. h., 50 bis 80% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx). Der Abfanganteil des PM der Zelle mit Verjüngung ist im Wesentlichen der Gleiche wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs nicht kleiner ist als 60 mm. Der Abfanganteil des PM einer der Zellen ohne Verjüngung beträgt 55% oder mehr und weniger als 60% wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs in 50 bis 60 mm beträgt. Der Abfanganteil des PM der Zelle ohne Verjüngung ist im Wesentlichen der Gleiche wenn die Länge des Nicht-Katalysatorbereichs nicht geringer ist als 60 mm.
Dementsprechend, wird der oben beschriebene erste Bereich in dem Abgasfilter 1 bevorzugt so festgelegt, dass ein erwünschter Abfanganteil des PM unter Ausnutzung des Druckunterschiedes ΔP an der stromaufwärtigen Seite der Abgasströmung erzielt wird. Bevorzugt ist die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A nicht geringer als 50% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx womit ein nahezu konstanter Abfanganteil an PM einhergeht. Stärker bevorzugt ist die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A nicht geringer als 60% der Axiallänge der Basis aus einem Material Lx bei welcher der Abfanganteil des PM ein Maximum erreicht und konstant bleibt. Dadurch kann der Druckunterschied ΔP zwischen aneinander angrenzenden offenen Zellen 31 und verschlossenen Zellen 32 effektiv genutzt werden um das PM abzufangen.
Beispiel 1
In dem Abgasfilter 1 der durch das zuvor beschriebene Verfahren erhalten wurde wird die Reinigungsleistung für in den Abgasen enthaltenes PM entsprechend einer Veränderung der Menge der Katalysatorbeschichtungen im zweiten Bereich B bewertet. Das Ergebnis ist in 10 dargestellt. In 10 weisen die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 nicht die Verjüngungsbereiche 22 auf und eine Menge des Edelmetallkatalysators und des Trägers sind im Folgenden beschrieben.
Die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A beträgt 60 mm und die Axialrichtungslänge LB des zweiten Bereichs B beträgt 40 mm.
Die Menge an Edelmetall Katalysator Pt:Rh = 0,6 g/L:0,15 g/L; fix
Die Menge des Träger-Zirconiumdioxid/Ceroxid basierten Mischoxids 40%, γ-Aluminium 60%: 50 bis 250 g pro L
Die Warenstruktur 10: 0,9 L, 3 mil/600 Zellen
Die Herausreinigungsleistung des PM wird anhand eines Herausreinigungsanteils des PM bei einem Lufttreibstoffverhältnis bewertet bei dem sich die Herausreinigungskurven von in den Abgasen enthaltenen CO und NOx schneiden. Wenn die Herausreinigungsleistung des PM bewertet wird, wird das Abgas in den Abgasfilter 1 unter einer im Folgenden beschriebenen Dauerhaftigkeitsbedingung unter Verwendung eines 2,4 L Vier-Zylinder-Direkt-Einspritztyp-Benzinmotors eingebracht. Eine Bewertungsbedingung des Herausreinigungsanteils des PM ist wie folgt.
Die Dauerhaftigkeitsbedingung: Drehzahl: 3800 UpM, Gasströmungsrate: 18 g/Sekunde, 950 Grad Celsius fett-mager-Dauerhaftigkeitstest. Die Bewertungsbedingung: Drehzahl: 2200 UpM, Gasströmungsrate: 10,2 g/Sekunde, Abgastemperatur vor Eindringen in den Abgasfilter 1: 500 Grad Celsius.
Wie in 10 dargestellt steigt der Herausreinigungsanteil schädlicher Substanzen plötzlich auf ungefähr 80% bis 95% wenn die Menge der Katalysatorbeschichtung 50 bis 100 g pro Liter beträgt. Der Herausreinigungsanteil der schädlichen Substanzen ist mit einem Anteil von etwas weniger als 100% stabil, wenn die Menge der Katalysatorbeschichtung über 150 g/L liegt. Daher kann der Herausreinigungsanteil des PM durch Festlegen der Menge der Katalysatorbeschichtung in dem zweiten Bereich B bei bevorzugt nicht weniger als 100 g/L in der Nähe des maximalen Anteils liegen. Wenn die Katalysatorbeschichtungsschicht in 21 die Verjüngungsbereiche 22 aufweisen, kann eine der Öffnungsflächen des zuvor beschriebenen zweiten Endes durch steigern der Menge der Katalysatorbeschichtung angepasst werden. Folglich weisen die Verjüngungsbereiche 22 die erwünschte Form auf.
Beispiel 2
In dem Abgasfilter 1 der durch das vorher beschriebene Verfahren erhalten wurden, wird der Abfanganteil des PM entsprechend einer Veränderung des Öffnungsverhältnisses S1/S2 in der offenen Zelle 31 bewertet. Dieses Ergebnis ist in 11 dargestellt. Das Öffnungsverhältnis S1/S2 wird durch Verändern der Menge der Katalysatorbeschichtung im zweiten Bereich B verändert. Genauer gesagt wird die Öffnungsfläche S1 an dem zweiten Ende in einem Bereich von 5 bis 100% einer Öffnungsfläche S2 an dem zuvor beschriebenen ersten Ende verändert. Die Axialrichtungslänge LA des ersten Bereichs A beträgt 60 mm, womit der Abfanganteil des PM für die Länge des Basismaterials die 100 mm beträgt, maximal wird.
Wie in 11 dargestellt wird der Abfanganteil des PM von 50% ausgehend größer wenn das Öffnungsverhältnis S1/S2 geringer ist als 100%. Wenn das Öffnungsverhältnis S1/S2 80% beträgt, liegt der Abfanganteil des PM oberhalb von 60%. Wenn das Öffnungsverhältnis S1/S2 nicht mehr als 80% beträgt, wird der Abfanganteil des PM moderat gesteigert. Wenn das Öffnungsverhältnis S1/S2 10% beträgt, liegt der Abfanganteil des PM bei ungefähr 65%. Wenn das Öffnungsverhältnis des PM 5% beträgt ist der Abfanganteil des PM ein Anteil leicht unterhalb 70%. Somit beträgt, wenn der zweite Bereich B die Verjüngungsbereiche 22 aufweist das Öffnungsverhältnis S1/S2 bevorzugt nicht mehr als 80%. Dadurch kann das PM effektiv abgefangen werden.
Wenn allerdings das Öffnungsverhältnis S1/S2 entsprechend klein wird, ist festzustellen, dass die in den Abgasen enthaltene Asche sich leicht im Inneren der Zellen 3 ansammelt. Wie in 12 ersichtlich ist ein Ergebnis des Messen einer Partikelgrößenverteilung der Asche in 13 basierend auf einer SEM-Aufnahme der von den Zellen 3 abgetrennten Asche dargestellt. Wie in 13 dargestellt, weist eine Partikelgröße der Asche eine Verteilung zwischen 1 und 1000 μm auf und ein scharfes Hauptmaximum ist bei der Partikelgröße von ungefähr 10 μm festzustellen. Auf der Basis der Partikelgrößenverteilung der Asche, nach Berechnen einer Partikelgröße, deren Volumenakkumulation der Asche 90% beträgt (d. h. D90) wird festgestellt, dass eine Partikelgröße D90 192 μm beträgt. Dieses Ergebnis ermöglicht, dass nicht weniger als 90% der Asche unabhängig von Öffnungsverhältnis S1/S2 ausgestoßen werden, wenn eine Zellöffnungsgröße D1 an dem zweiten Ende zum Beispiel 200 μm (d. h. 0,2 mm) beträgt.
Daraufhin wird in einigen der offenen Zellen 31 des Abgasfilters 1 das Vorgehen oder die Abwesenheit des Verstopfens einer Öffnung an dem zweiten Ende durch sich ansammelnde Asche nach dem Dauerhaftigkeitstest überprüft. Wenn der Dauerhaftigkeitstest überprüft wird, wird die Zellöffnungsgröße D1 in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 mm verändert. Der zuvor beschriebene V-Typ-Benzinmotor wird für den Dauerhaftigkeitstest verwendet und für 30 Stunden in einem Zyklus betrieben bei dem der Treibstoff unter den folgenden Bedingungen alle zwei Minuten abgestellt wird. Nach dem Dauerhaftigkeitstest werden die offenen Zellen 31 untersucht und ein Vorliegen oder eine Abwesenheit einer Verstopfung der offenen Zellen an dem zweiten Ende wird unter den folgenden Bedingungen bewertet und dieses Ergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.
Diese Bewertung wird auf der Basis eines Zellenblockierungsverhältnisses der Ansammlung der Asche nach dem Dauerhaftigkeitstest im Vergleich zu einer Öffnungsfläche S1 vor dem Dauerhaftigkeitstest durchgeführt.
Eine Dauerhaftigkeitsbedingung: Drehzahl: 3200 UpM, Gasströmungsrate: 15 g/Sekunde, Treibstoffeinspritzzeit: 330 Grad Celsius BTDC
Treibstoff: Benzin mit 1% zugesetzter Motorölkomponente.
Wenn das Zellblockierungsverhältnis nicht kleiner ist als 20%, wird ermittelt, dass eine Blockierung vorliegt, wenn das Zellblockierungsverhältnis unter 20% liegt, wird ermittelt, dass keine Blockierung vorliegt. Tabelle 1

Zellöffnungsgröße (mm) 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Blockierung Y Y N N N N

„Y” bedeutet „eine Blockierung liegt vor”.
„N” bedeutet „eine Blockierung liegt nicht vor”.
Wie in Tabelle 1 deutlich dargestellt, beträgt, wenn die Öffnungsgröße D1 an dem zweiten Ende unterhalb von 0,2 mm liegt, das Zellblockierungsverhältnis durch sich ansammelnde Asche nicht weniger als 20%. Wenn allerdings die Öffnungsgröße D1 nicht kleiner ist als 0,2 mm, wird verhindert, dass die Asche sich im Inneren der offenen Zelle 31 ansammelt und das Zellblockierungsverhältnis kann verringert werden.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Um den in dem ersten Beispiel beschriebenen Abgasfilter 1 zu vergleichen wurde ein Vergleichsabgasfilter hergestellt. Der Vergleichsabgasfilter ist im Wesentlichen der Gleiche wie der Abgasfilter 1, so hergestellt, dass er einen Bereich mit anhaftendem Katalysator aufweist. In dem Vergleichsabgasfilter ist ein Bereich angeordnet, dessen stromaufwärtige Enden dem Einlass zugewandt sind, der zu dem ersten Bereich A äquivalent ist, der den Katalysator trägert. Der Katalysator ist gleich wie die Katalysatorbeschichtungsschichten 21 und weist einen Aluminiumträger auf der Edelkatalysatoren und Ceroxid-Zirconiumdioxid-Mischoxid enthält.
In dem Vergleichsabgasfilter ist der Bereich in dem eines der stromaufwärtigen Enden angeordnet ist als ein Bereich A definiert. In dem Vergleichsabgasfilter ist ein Bereich in dem stromabwärtige Enden dem Auslass zugewandt sind äquivalent zu dem zweiten Bereich B angeordnet und auch als ein Bereich B definiert. Eine Menge des Katalysators in dem Bereich A beträgt nicht weniger als 20 g/L und eine Menge des Katalysators in dem Bereich B beträgt nicht weniger als 160 g/L. In dem Vergleichsabgasfilter ist eine Katalysatorschlemme so angepasst, dass solisiertes Ceroxid-Zirconiumdioxid-Mischoxid und 10% Aluminiumdioxidsol vermischt werden. Als Nächstes wird die Katalysatorschlemme mit dem vorbestimmten Edelmetallkatalysator einem Substrat des Vergleichsabgasfilters hinzugefügt. Daraufhin wird eine extra Portion der zugesetzten Katalysatorschlemme durch eine Luftgebläsevorrichtung abgesaugt, so dass eine Blockierung von Poren im Inneren der Unterteilungswände unterdrückt wird und Katalysatorbeschichtungen in dem Vergleichsabgasfilter gebildet werden. Eine Axiallänge einer Basis eines Materials des Vergleichsabgasfilters weist Längen der Bereiche A und B in einer Axialrichtung auf. Die Axialrichtungslänge des Bereichs A beträgt 60 mm und der Bereich B beträgt für 100 mm Axiallänge der Basis aus einem Material des Vergleichsabgasfilters 40 mm.
In dem Vergleichsabgasfilter, der durch das zuvor genannte Verfahren erhalten wurde, ist ein berechneter Herausreinigungsanteil an in den Abgasen enthaltenen PM im Wesentlichen der gleiche wie bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Abgasfilter 1. Der erste Bereich A des Abgasfilters 1 trägert nicht den Katalysator. In dem Vergleichsabgasfilter muss die Katalysatorschlemme durch ein Solieren eine geringere Viskosität aufweisen, so dass sie nicht die Poren im Inneren des Bereichs A schließt. Da dies der Fall ist benötigt die Kontrolle des Verfahrens einer Katalysatorbeschichtung Arbeitszeit. Anhand dieses Ergebnisses trägert wie in der vorliegenden Offenbarung nur der zweite Bereich B den Katalysator. Dadurch werden das Anpassen der Katalysatorschlemme und das Verfahren der Katalysatorbeschichtung vereinfacht und die Abgase werden effektiv gereinigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/046486 [0004]

Claims

Abgasfilter (1) der Abgase reinigt, die partikuläres Material enthalten, welches von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, umfassend: eine Wabenstruktur (10), deren Axialrichtung (X) eine Strömungsrichtung des Abgases (G) ist; einen Verschlussteil (4), der partiell eine stromaufwärtige Endfläche (11) der Wabenstruktur, die dem Abgasstrom zugewandt ist, verschließt; und einen in der Wabenstruktur geträgerten Katalysator, wobei die Wabenstruktur eine Mehrzahl von Unterteilungswänden (2) aufweist, sowie von den Unterteilungswänden umgebene Zellen (3), wobei die Wabenstruktur einen ersten Bereich (A) aufweist, der an den Unterteilungswänden einer stromaufwärtigen Seite des Abgasstromes angeordnet ist, der den Katalysator nicht trägert, und einen zweiten Bereich (B) aufweist, der den Katalysator an den Unterteilungswänden an einer stromabwärtigen Seite des Abgasstromes trägert, wobei die Unterteilungswände Poren aufweisen, die zwischen aneinander angrenzenden Zellen kommunizieren, wobei die Mehrzahl der Zellen offene Zellen (31), die in der Axialrichtung offen sind, und verschlossene Zellen (32) aufweist, deren stromaufwärtige Endflächen dem Abgasstrom zugewandt und durch den Verschlussteil verschlossen sind.
Abgasfilter nach Anspruch 1, wobei eine Axialrichtungslänge des ersten Bereichs auf die kürzeste Länge festgelegt ist, bei welcher ein Maximalabfanganteil des partikulären Materials erreicht wird.
Abgasfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Katalysatorbeschichtungsschichten, welche den Katalysator enthalten, an den Unterteilungszellen in dem zweiten Bereich angeordnet sind und wobei eine Konzentration derselben nicht weniger als 100 g/L beträgt.
Abgasfilter nach Anspruch 3, wobei eine Katalysatorbeschichtungsschicht in den offenen Zellen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, welche einander in einer Richtung, in der das Abgas strömt, gegenüberliegen, wobei eine Dicke des ersten dem Abgasstrom zugewandten Endes dünner ist als das zweite Ende.
Abgasfilter nach Anspruch 3 oder 4, wobei die offenen Zellen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, welche einander in einer Richtung, in der das Abgas strömt, gegenüberliegen und wobei ein Öffnungsverhältnis S1/S2, welches ein Verhältnis einer Öffnungsfläche der ersten Endfläche S1 und der zweiten Endfläche S2 ist, nicht mehr als 80% beträgt.
Abgasfilter nach Anspruch 3 bis 5, wobei eine Öffnungsgröße der ersten Endfläche jeder der offenen Zellen nicht kleiner ist als 0,2 mm.