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Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter, insbesondere einen Ottopartikelfilter, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Partikelfilters zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Schadstoffemissionen Herausforderungen für die Motorenentwickler dar. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Solche Rußpartikel entstehen besonders nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufgrund einer unvollständigen Verbrennung in Kombination mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis nach dem Kaltstart, kalter Zylinderwände sowie der heterogenen Gemischverteilung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. Die Kaltstartphase ist somit maßgeblich für die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Partikelgrenzwerte, sowohl bezüglich der Partikelmasse als auch der Partikelanzahl. Zudem führt ein Kaltstart mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis zu höheren Emissionen an Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), da eine Konvertierung in Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserdampf aufgrund des kalten Katalysators noch nicht möglich ist. Im Fahrbetrieb wird bei Kraftfahrzeugen mit einem Ottopartikelfilter dieser Ottopartikelfilter dann weiter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendruckes kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Als Maßnahmen kommen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt angewendet wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
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Neben den Rußemissionen werden anorganische Partikel abgeschieden, welche als Asche bezeichnet werden und nicht durch eine Oxidation regeneriert werden können. Asche entsteht in erste Linie aus der Verbrennung des Schmieröls des Verbrennungsmotors. So entsteht Asche beispielsweise, wenn Schmierölreste an der Zylinderwand zurückbleiben beziehungsweise nicht vollständig durch die Kolbenringe abgestreift werden. Insbesondere beim Kaltstart, in einer Schubabschaltphase des Verbrennungsmotors oder im Volllastbetrieb, kommt es in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zur Aschebildung. Ansonsten wird auch im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors in geringen Mengen Schmieröl verbrannt, wobei sich Asche im Partikelfilter anlagern kann. Bei der Verbrennung des Schmieröls werden, je nach Zusammensetzung des Schmieröls, mehr oder weniger Aschepartikel gebildet. Die Abscheidung der Aschepartikel erfolgt in Form von Diffusion. Dabei lagern sich die Aschepartikel an der Oberfläche des Partikelfilters ab. Weist diese Oberfläche eine katalytisch wirksame Beschichtung auf, so kann diese katalytisch wirksame Oberfläche teilweise in ihrer Funktion eingeschränkt sein, sodass die katalytische Wirksamkeit des Partikelfilters beschränkt ist. Dies ist insbesondere bei einem sogenannten Vier-Wege-Katalysator in der Abgasanlage eines Ottomotors kritisch, welcher die Funktionen des Drei-Wege-Katalysators und des Ottopartikelfilters in einem Bauteil vereint. Da die Asche, wie schon beschrieben, nicht regeneriert werden kann, führt dies zu einer irreversiblen Deaktivierung der katalytisch wirksamen Beschichtung und damit verbunden zu einem Anstieg der Emissionen. Somit kann die Ascheablagerung im Partikelfilter dazu führen, dass ein Austausch des Partikelfilters notwendig ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen die Funktion von Drei-Wege-Katalysator und Ottopartikelfilter auf zwei getrennte Bauteile aufgeteilt ist. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Trennung der Bauteile zu einer Anordnung in der Abgasanlage führt, bei welcher der Partikelfilter stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist, wodurch die Temperaturen am Partikelfilter geringer sind und somit die Regeneration des Partikelfilters erschwert wird. Ferner wird für zwei Bauteile mehr Bauraum benötigt, was zu zusätzlichem Aufwand in der Konstruktion der Abgasanlage führt und nicht immer möglich ist. Ferner sind zwei getrennte Bauteile teurer als nur eine Abgasnachbehandlungskomponente, da sowohl die Fertigungskosten als auch die Kosten in der Montage steigen.
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Des Weiteren ist bekannt, die Aschebildung durch spezielle Schmieröle zu reduzieren und den Schmierölverbrauch des Verbrennungsmotors generell zu minimieren. Prinzipiell ist eine solche Lösung zwar anzustreben, jedoch kann der Schmierölverbrauch nicht auf Null reduziert werden, sodass es weiterhin zu einer Aschebildung kommt. Auch die Verwendung spezieller (und teurer) Schmieröle kann die Aschebildung nur reduzieren und nicht gänzlich eliminieren. Als weitere Möglichkeiten sind die Erhöhung der katalytisch wirksamen Fläche des Partikelfilters sowie die Erhöhung der Edelmetallbeschichtung bekannt. Eine Erhöhung der katalytisch wirksamen Fläche durch feinere Zellen führt zu einem Anstieg des Abgasgegendrucks, welcher, wie eingangs beschrieben, unerwünscht ist. Die Steigerung der Edelmetallmenge führt zu einer starken Kostenerhöhung und kann das Problem ebenfalls nicht dauerhaft lösen, sondern nur zeitlich nach hinten verlagern.
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Aus der
DE 100 038 16 A1 ist ein Partikelfilter bekannt, welcher Eingangskanäle aufweist, die an ihrem auslassseitigen Ende durch einen Stopfen verschlossen sind und Auslasskanäle, welche an ihrem einlassseitigen Ende durch einen Stopfen verschlossen sind, sodass der Abgasstrom durch die porösen Wandflächen zwischen den Eingangskanälen und Ausgangskanälen strömen muss, wobei sich die Partikel an den porösen Wandflächen ablagern. Dabei sind an den verschlossenen Enden der Einlasskanäle Heizelemente vorgesehen, um eine Rußpartikelhäufung am Ende der Einlasskanäle zu vermeiden und den dort abgelagerten Ruß lokal abzubrennen.
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Die
DE 102 261 620 A1 offenbart einen Partikelfilter mit Einlasskanälen und Auslasskanälen, welche wechselseitig verschlossen sind, wobei zwischen den Einlasskanälen und den Auslasskanälen eine poröse Filterwand vorgesehen ist, an welcher sich die Rußpartikel aus dem Abgasstrom ablagern.
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Aus der
DE 10 2015 212 788 A1 ist ein Partikelfilter bekannt, dessen Einlasskanäle jeweils mit einem auslassseitigen Stopfen verschlossen sind und dessen Auslasskanäle jeweils mit einem einlassseitigen Stopfen verschlossen sind. Dabei ist zwischen den Einlasskanälen und den Auslasskanälen jeweils eine poröse Filterwand vorgesehen, an welcher sich Asche und Rußpartikel ablagern. Die Einlasskanäle weisen eine katalytische Beschichtung mit einem zweischichtigen Aufbau auf, während die Auslasskanäle mit einer einschichtigen Beschichtung ausgeführt sind.
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Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass sich in den Eingangskanälen Asche ablagern kann, wodurch die katalytische Wirkung einer Beschichtung der Eingangskanäle herabgesetzt wird. Ferner verbleibt bei einem Gasdurchtritt im in Strömungsrichtung hinteren Bereich des Partikelfilters nur eine geringe Verweildauer in den Ausgangskanälen, sodass eine katalytische Beschichtung auf diesen Ausgangskanälen nicht ausreichend ist, um eine hinreichende Konvertierungsleistung zu erreichen.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die Funktion eines Vier-Wege-Katalysators über die Lebenszeit des Bauteiles zu verbessern und insbesondere Funktionseinschränkungen durch Ascheablagerungen zu minimieren.
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Erfindungsgemäß wird dies durch einen Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gelöst, wobei der Partikelfilter ein Gehäuse aufweist, in welchem ein Filterkörper angeordnet ist. Im Filterkörper ist eine Vielzahl von ersten Filterkanälen ausgebildet, welche jeweils durch einen ersten Verschluss verschlossen sind. Ferner ist im Filterkörper eine Vielzahl von zweiten Filterkanälen ausgebildet, welche jeweils durch einen einlassseitigen Verschluss verschlossen sind. Dabei sind die ersten Filterkanäle und die zweiten Filterkanäle jeweils durch eine poröse Filterwand voneinander getrennt. Es ist vorgesehen, dass zumindest die zweiten Filterkanäle mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind. Dabei ist der Verschluss der ersten Filterkanäle von einer auslassseitigen Stirnfläche des Filterkörpers derart zurückversetzt, dass der mittlere Abgaslaufweg durch die ersten Filterkanäle verkürzt und durch die zweiten Filterkanäle verlängert ist.
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Durch die ersten Verschlüsse wird das Abgas gezwungen, im vorderen Bereich des Partikelfilters die poröse Filterwand zwischen dem ersten Filterkanal und dem zweiten Filterkanal zu durchströmen. Dadurch verkürzt sich die Abgaslauflänge durch den jeweils ersten Filterkanal und verlängert sich die Abgaslauflänge durch den jeweils zweiten Filterkanal. Somit verbleibt das Abgas zeitlich länger in den zweiten Filterkanälen, sodass die katalytische Beschichtung hier eine effizientere Wirkung entfalten kann. Die Erfindung zielt darauf ab, bei hohen Laufleistungen und somit gealterten sowie auch mit Asche beladenen Partikelfilter, die Konvertierungseigenschaften beizubehalten. Dabei wird im Gegensatz zu den bekannten Lösungen durch den früheren Gasdurchtritt des Abgases durch die poröse Filterwand verhindert, dass Ascheablagerungen in den Eingangskanälen zu einer Veränderung der Konvertierungsleistung des Partikelfilters führen. Durch die Abscheidung der Aschepartikel in den Eingangskanälen lagert sich in den Ausgangskanälen keine Asche ab. Dadurch bleibt die katalytisch wirksame Beschichtung auf den Ausgangskanälen von einer Abdeckung durch Ablagerungen verschont, sodass die katalytisch wirksame Oberfläche über die Laufzeit im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die Asche- und Partikelablagerungen kann sich die Filterwirkung für Partikel über die Laufzeit sogar erhöhen, wobei ein Zusetzen der porösen Filterwände zu einem geringfügigen Anstieg des Abgasgegendruckes führen kann. Ferner sinken die Herstellungskosten für den Partikelfilter, da die Eingangskanäle beschichtungsfrei oder über eine geringere Weglänge mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausgeführt werden können und somit die Menge an teuren Beschichtungsmaterialien, insbesondere die Menge an Edelmetallen, reduziert werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Partikelfilters möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Partikelfilters ist vorgesehen, dass die ersten Verschlüsse mindestens 25 % der Filterkanallänge der ersten Filterkanäle von der auslassseitigen Stirnseite entfernt sind. Dadurch wird verhindert, dass das Abgas erst unmittelbar vor der auslassseitigen Stirnseite aus dem ersten Filterkanal in den zweiten Filterkanal überströmt und somit nur eine sehr kurze Verweildauer im zweiten Filterkanal aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass zumindest ein Großteil der limitierten Abgaskomponenten an der katalytischen Beschichtung des zweiten Filterkanals umgesetzt wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die ersten Filterkanäle nach der Hälfte ihrer Filterkanallänge durch den ersten Verschluss verschlossen sind. Ein Verschluss der ersten Filterkanäle nach etwa der Hälfte der Filterkanallänge stellt einen besonders guten Kompromiss bezüglich der Filterkapazität und der Konvertierungsleistung dar. Je weiter vorne die ersten Filterkanäle durch die ersten Verschlüsse abgedichtet werden, desto mehr sinkt die Aufnahmekapazität für Rußpartikel und Asche, wodurch eine häufige Regeneration des Partikelfilters notwendig ist und sich entsprechend viel Asche in diesem Bereich ablagert. Je näher die ersten Verschlüsse an dem auslassseitigen Ende angeordnet sind, desto geringer ist der Effekt der Zwangsströmung durch die poröse Filterwand und desto geringer die mittlere Verweildauer in den zweiten Filterkanälen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter als Ottopartikelfilter ausgeführt ist. Besonders vorteilhaft ist eine solche Lösung bei einem Ottomotor, da bei einem Ottomotor ein Vier-Wege-Katalysator als einziger Katalysator verwendet werden kann und somit keine Redundanz für die verringerte katalytische Konvertierungsleistung vorhanden ist. Dies ist insbesondere bei geringem Bauraum vorteilhaft, wenn aus Platzgründen die Verwendung von einem Drei-Wege-Katalysator und einem zusätzlichen Partikelfilter nicht möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Filterkanäle als Waben oder Röhren ausgebildet sind. Durch eine wabenförmige Struktur ist eine besonders kompakte und raumsparende Anordnung der Filterkanäle im Filterkörper des Partikelfilters möglich. Dabei werden Zwischenräume und/oder Hohlräume zwischen den einzelnen Filterkanälen vermieden, wodurch ein einfacher Durchtritt des Abgases von einem ersten Filterkanal in einen zweiten Filterkanal möglich ist.
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Alternativ zu einer wabenförmigen Struktur können die Filterkanäle auch röhrenförmig ausgebildet werden, wobei ebenfalls eine kompakte und raumoptimierte Anordnung der Filterkanäle möglich wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die katalytisch wirksame Beschichtung als drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung ausgebildet und der Partikelfilter ein sogenannter Vier-Wege-Katalysator ist. Durch einen Vier-Wege-Katalysator können ein Drei-Wege-Katalysator und ein Partikelfilter in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ersetzt werden, wodurch eine Komponente zur Abgasnachbehandlung entfallen kann. Bevorzugt ist eine Anordnung als motornaher Vier-Wege-Katalysator, insbesondere als erste Komponente der Abgasnachbehandlung, um ein Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators auf eine Regenerationstemperatur zur Oxidation des darin zurückgehaltenen Rußes zu erleichtern. Dabei kann der Vier-Wege-Katalysator kleinvolumiger als bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ausgeführt werden, da keine Abnahme der Konvertierungsleistung durch eine Ascheablagerung auf der katalytisch wirksamen Oberfläche in den ersten Filterkanälen des Partikelfilters vorgehalten werden muss, da die Konvertierungsleistung der Beschichtung in den zweiten Filterkanälen durch den früheren Gasdurchtritt durch die poröse Filterwand erhöht wird.
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Bevorzugt ist, wenn die zweiten Filterkanäle über mindestens 75 Prozent ihrer Länge, besonders bevorzugt über mindesten 90 Prozent ihrer Länge, idealerweise über ihre gesamte Länge, mit der katalytisch wirksamen Beschichtung beschichtet sind. Durch eine Beschichtung über mindestens 75 Prozent der Länge der zweiten Filterkanäle kann die Konvertierungsleistung eines Vier-Wege-Katalysators entsprechend gesteigert werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die katalytisch wirksame Beschichtung über die komplette Länge der zweiten Filterkanäle aufgetragen ist, um eine bestmögliche Konvertierungsrate zu erzielen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Filterkanäle mindestens über 25 % ihrer Gesamtlänge, insbesondere ab dem jeweiligen Eingang des ersten Filterkanals, mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung beschichtet sind. Dadurch kann auch in den Eingangskanälen eine katalytische Reaktion zur Abgasnachbehandlung stattfinden, auch wenn diese durch die Ascheablagerungen über die Lebensdauer des Partikelfilters abnimmt.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl die ersten Filterkanäle als auch die zweiten Filterkanäle einen Washcoat mit einer Sauerstoffspeicherkomponente und eine Edelmetallbeschichtung aufweisen. Um eine Drei-Wege-Funktion der Beschichtung zu realisieren, ist ein alternierender Wechsel zwischen einem leicht unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem leicht überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis notwendig, sodass das Verbrennungsluftverhältnis Ä zwischen 0,97 und 1,03 liegt. Dabei sind die ersten Filterkanäle vorzugsweise auf den ersten 25 % des Abgaslaufweges durch den jeweiligen ersten Filterkanal, maximal bis zu seinem jeweiligen ersten Verschluss beschichtet. Bei überstöchiometrischem Betrieb wird Sauerstoff in die Beschichtung eingelagert, der bei unterstöchiometrischem Betrieb wieder aus der Beschichtung ausgetrieben wird. Auf diese Weise können sowohl unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO) oxidiert als auch Stickoxide (NOx) reduziert werden. Die eigentliche katalytische Reaktion findet dabei an der Edelmetallbeschichtung des Partikelfilters statt, welche Platin, Rhodium und/oder Palladium enthalten kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Dabei weist der Partikelfilter ein Gehäuse auf, in welchem ein Filterkörper angeordnet wird. Im Filterkörper ist eine Vielzahl von ersten Filterkanälen ausgebildet, welche jeweils durch einen ersten Verschluss verschlossen sind. Ferner ist im Filterkörper eine Vielzahl von zweiten Filterkanälen ausgebildet, welche jeweils durch einen einlassseitigen Verschluss verschlossen sind. Dabei sind die ersten und zweiten Filterkanäle jeweils durch eine poröse Filterwand voneinander getrennt. Zumindest die zweiten Filterkanäle werden mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in die ersten Filterkanäle ein Verschluss eingesetzt wird, welcher die Abgaslauflänge durch die ersten Filterkanäle gegenüber einem unverschlossenen Filterkanal um mindestens 25 % verkürzt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abgas eine hinreichende Verweildauer im zweiten Filterkanal aufweist, sodass eine katalytische Umsetzung der Schadstoff im Abgas durch die katalytische Beschichtung der zweiten Filterkanäle sichergestellt wird. Unter der Annahme, dass die Beschichtung im Eingangskanal infolge der Ascheablagerung an Konvertierungsleistung einbüßt, wird durch dieses Verfahren sichergestellt, dass das Abgas für die Konvertierung eine ausreichende Zeit in den beschichteten zweiten Filterkanälen verbleibt. Durch den ersten Verschluss wird sichergestellt, dass das Abgas in einem vorderen Abschnitt durch die gasdurchlässige Filterwand durchtritt, sodass die Verweildauer des Abgases im ersten Filterkanal verkürzt und im zweiten Filterkanal verlängert wird.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die katalytisch wirksame Beschichtung in Form eines Washcoats auf die Filterkanäle aufgetragen wird. Der Washcoat kann durch eine Washcoat-Dispersion auf den Filterkörper aufgetragen werden, wobei die Washcoat-Dispersion vorzugsweise ein in einem Trägerfluid gleichmäßig verteiltes Trägermaterial mit einer Mischung aus stabilisiertem, hochoberflächigem Aluminiumoxid der Übergangsreihe und mindestens einem Promoteroxid umfasst, bei dem der Filterkörper mit der Washcoat-Dispersion in Kontakt gebracht wird. Dabei wird die Washcoat-Dispersion von einer auslassseitgen Stirnseite in die Wabenstruktur des Filterkörpers eingetragen und lagert sich an der Oberfläche der Filterkanäle ab. Durch eine entsprechende Temperatur der Dispersionslösung kann ein Gelieren der Dispersionslösung verhindert und eine gleichmäßige Washcoatdicke in den Filterkanälen sichergestellt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher ein erfindungsgemäßer Partikelfilter angeordnet ist;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelfilters in einer vereinfachten Schnittdarstellung im Neuzustand; und
- 3 das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelfilters in einem gealterten Zustand, in welchem sich in den ersten Filterkanälen Ascheablagerungen gebildet haben.
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1 zeigt einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 für ein Kraftfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels Zündkerzen 16 fremdgezündeter Ottomotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mindestens einen Brennraum 12, vorzugsweise, wie in 1 dargestellt, eine Mehrzahl von Brennräumen 12, auf, in welchen Kraftstoff mittels eines Kraftstoffinjektors 14 eingespritzt werden kann. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 22 stromabwärts des Auslasses 18 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 26 ist im Abgaskanal 22 ein vorzugsweise motornaher Vier-Wege-Katalysator 32 angeordnet. Unter einer motornahen Anordnung wird in diesem Zusammenhang eine Position des Vier-Wege-Katalysators 32 mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm, vorzugsweise weniger als 50 cm, ab dem Auslass 18 des Verbrennungsmotors 10 angesehen. Ein Vier-Wege-Katalysator 32 ist ein Partikelfilter 30, welcher eine katalytisch wirksame Beschichtung 58 aufweist und somit die Funktionalität eines Partikelfilters 30 und eines Drei-Wege-Katalysators 28 in einem Bauteil vereint.
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Alternativ kann die Abgasanlage auch weitere Katalysatoren, insbesondere einen weiteren Drei-Wege-Katalysator 28, aufweisen, welcher vorzugsweise stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 32 angeordnet ist. Dabei ist der weitere Drei-Wege-Katalysator 28 vorzugsweise in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet, da in diesem Bereich in der Regel mehr Bauraum als im Motorraum des Kraftfahrzeuges vorhanden ist und der weitere Drei-Wege-Katalysator 28 zur Konvertierung großer Abgasströme entsprechend großvolumig ausgeführt werden kann. Alternativ kann ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 28 auch stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 32 angeordnet sein, wobei in diesem Fall ein kleinvolumiger weiterer Drei-Wege-Katalysator 28 vorgesehen ist, welcher sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 schnell auf seine Betriebstemperatur aufheizt und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 für eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgas sorgen kann.
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Ein erfindungsgemäßer Partikelfilter 30 für eine solche Abgasanlage 20 ist in 2 dargestellt. Der Partikelfilter 30 weist ein Gehäuse 34 auf, welches an einer in Strömungsrichtung des Abgases vorderen Stirnseite einen Einlass 40 und an der gegenüberliegenden Stirnseite einen Auslass 42 aufweist. In dem Gehäuse 34 des Partikelfilters 30 ist ein Filterkörper 60 angeordnet, in welchem eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel verlaufenden Filterkanälen 46, 48 ausgebildet ist. Die Filterkanäle 46, 48 lassen sich in erste Filterkanäle 46 und zweite Filterkanäle 48 unterteilen. Die ersten Filterkanäle 46 sind durch einen ersten Verschluss 52 etwa auf der halben Filterkanallänge L verschlossen, während die zweiten Filterkanäle 48 einlassseitig durch einen einlassseitigen Verschluss 50, insbesondere einen Stopfen 54, verschlossen sind. Die ersten Filterkanäle 46 und die zweiten Filterkanäle 48 sind jeweils in Form von Waben 36 oder Röhren 38 ausgebildet, wobei jeweils ein erster Filterkanal 46 und ein zweiter Filterkanal 48 benachbart angeordnet und durch eine gasdurchlässige Filterwand 44 voneinander getrennt sind. Alternativ zu einer wabenförmigen Ausbildung der Filterkanäle 46, 48 sind röhrenförmige Filterkanäle 46, 48 vorgesehen, welche ebenfalls eine kompakte Bauweise des Filterkörpers 60 ermöglichen.
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Im Betrieb des Partikelfilters 30 strömt das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 und durch den Einlass 40 in den Partikelfilter 30. Dabei strömt das Abgas durch die ersten Filterkanäle 46 in den Filterkörper 60, tritt von dort durch die gasdurchlässige Filterwand 44 und strömt durch den zweiten Filterkanal 48 zum Auslass 42 des Partikelfilters 30. Dabei lagern sich Rußpartikel in den ersten Filterkanälen 46 an der gasdurchlässigen Filterwand 44 ab. Durch die Ablagerung der Partikel und durch eine bei der Regeneration des Partikelfilters 30 aus den Rußpartikeln entstehende Asche kommt es an den Filterwänden 44 zu einer Ablagerungsschicht 56, welche die Filterwirkung des Partikelfilters 30 erhöht. Die Ablagerungsschicht 56 reduziert jedoch bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Vier-Wege-Katalysator 32 die katalytisch wirksame Oberfläche, sodass es über die Lebensdauer des Vier-Wege-Katalysators 32 zu einem Anstieg der Endrohremissionen kommt.
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Die katalytisch wirksame Beschichtung 58 wird mittels eines Washcoats auf den Filterkörper 60 des Partikelfilters 30 aufgetragen.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßer Partikelfilter 30 im gealterten Zustand dargestellt. Dabei hat sich durch das verbrannte Motoröl sowie durch nicht weiter oxidierbare Bestandteile der Rußpartikel in den ersten Filterkanälen 46 eine Ascheschicht gebildet, welche sich als Ablagerungsschicht 56 an den Wänden der ersten Filterkanäle 46 ablagert. Da die ersten Filterkanäle 46 jedoch nicht mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind, führen diese Ascheablagerungen zumindest nicht zu einer Reduzierung der katalytischen Wirksamkeit des Partikelfilters 30. Da die Poren in den porösen Filterwänden 44 zu eng für diese Aschepartikel sind, lagert sich die Asche im Wesentlichen in den ersten Filterkanälen 46 ab, sodass die zweiten Filterkanäle 48 im Wesentlichen frei von einer Ablagerungsschicht 56 sind und die katalytische Wirkung der Beschichtung 58 lediglich durch eine thermische Alterung über die Lebenszeit des Partikelfilters 30 herabgesetzt wird. Durch die ersten Verschlüsse 52 wird ein Übertritt des Abgasstroms aus den ersten Filterkanälen 46 in die zweiten Filterkanäle 48 im vorderen Teil des Partikelfilters 30 erzwungen. Dadurch erhöht sich die Verweildauer des Abgases in den zweiten Filterkanälen 48, wodurch die katalytische Wirkung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zunimmt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Abgas auch bei gealtertem Partikelfilter 30 oder bei einer Verwendung von stark Asche bildenden Ölen über eine hohe Laufzeit eine hohe Effizienz der Abgasnachbehandlung ermöglicht.
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Alternativ zu beschichtungsfreien ersten Filterkanälen 46 können die ersten Filterkanäle 46 auch eine katalytisch wirksame Beschichtung 58 aufweisen, wodurch insbesondere das Light-Off-Verhalten des Vier-Wege-Katalysators 32 verbessert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Zündkerze
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- Drei-Wege-Katalysator
- 30
- Partikelfilter
- 32
- Vier-Wege-Katalysator
- 34
- Gehäuse
- 36
- Waben
- 38
- Röhren
- 40
- Einlass
- 42
- Auslass
- 44
- Filterwand
- 46
- erster Filterkanal
- 48
- zweiter Filterkanal
- 50
- einlassseitiger Verschluss
- 52
- auslassseitiger Verschluss
- 54
- Stopfen
- 56
- Ablagerungsschicht
- 58
- katalytisch wirksame Beschichtung
- 60
- Filterkörper
- 62
- einlassseitige Stirnfläche
- 64
- auslassseitige Stirnfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10003816 A1 [0006]
- DE 102261620 A1 [0007]
- DE 102015212788 A1 [0008]
