DE102018220551A1 - Partial flow filter for treating an exhaust gas flow - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilstromfilter (26) zur Behandlung eines Abgasstromes (21) einer Verbrennungskraftmaschine (20) mit einer Wabenstruktur (42) aus einer Anzahl sich im Wesentlichen parallel zueinander erstreckender geschlossener oder offener Strömungskanäle (38, 40), die durch gasdurchlässige Filterwände (30) begrenzt sind. Der Teilstromfilter (26) weist an einer dem Abgasstrom (21) zugewandten Stirnfläche (16) eine Beschichtung (34) auf, die ein katalytisch aktives Material (36) enthält, das bei niedrigen Abgastemperaturen oxidierend auf Kohlenwasserstoffe, Ruß und SOF wirkt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des Teilstromfilters (26) sowie auf dessen Verwendung innerhalb eines Abgastraktes einer Verbrennungskraftmaschine (20).The invention relates to a partial flow filter (26) for treating an exhaust gas flow (21) of an internal combustion engine (20) with a honeycomb structure (42) from a number of essentially parallel to each other closed or open flow channels (38, 40), which are gas permeable Filter walls (30) are limited. The partial flow filter (26) has a coating (34) on an end face (16) facing the exhaust gas flow (21) which contains a catalytically active material (36) which has an oxidizing effect on hydrocarbons, soot and SOF at low exhaust gas temperatures. The invention also relates to a method for producing the partial flow filter (26) and to its use within an exhaust tract of an internal combustion engine (20).
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Teilstromfilters sowie auf die Verwendung des Teilstromfilters im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to a partial flow filter for treating an exhaust gas flow of an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a method for producing a partial flow filter and to the use of the partial flow filter in the exhaust tract of an internal combustion engine.
Stand der TechnikState of the art
- Erzeugen eines Abgases mittels einer Verbrennungskraftmaschine, welches zwischen 2 g NOx/kWh und 12 g NOx/kWh aufweist; ferner Leiten des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine zu einem Abgasnachbehandlungssystem. Dieses umfasst einen Partikelfilter mit katalytischer Oxidationsfunktion und mindestens einer Mischkammer. Es erfolgt ein katalytisches Oxidieren von Schadstoffen und ein Abscheiden von Partikeln aus dem Abgas mittels des Partikelfilters mit katalytischer Oxidationsfunktion, wobei ein erstes behandeltes Abgas entsteht. Daran schließt sich ein Vermischen des ersten behandelten Abgases mit einem Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere einem Reduktionsmittel, wie beispielsweise einer Harnstoff-Wasser-Lösung, in der mindestens eine Mischkammer zu einem Abgas-/Reduktionsmittel-Gemisch, an.
- Generating an exhaust gas by means of an internal combustion engine, which has between 2 g NO x / kWh and 12 g NO x / kWh; further routing the exhaust gas from the internal combustion engine to an exhaust gas aftertreatment system. This comprises a particle filter with a catalytic oxidation function and at least one mixing chamber. There is a catalytic oxidation of pollutants and a separation of particles from the exhaust gas by means of the particle filter with a catalytic oxidation function, a first treated exhaust gas being produced. This is followed by mixing the first treated exhaust gas with an operating agent / auxiliary, in particular a reducing agent, such as a urea-water solution, in the at least one mixing chamber to form an exhaust gas / reducing agent mixture.
Im Unterschied zu einem Vollstromfilter verfügt ein Teilstromfilter über eine seinen Filtrationswirkungsgrad signifikant beeinträchtigende Anzahl von offenen Strömungskanälen.In contrast to a full flow filter, a partial flow filter has a number of open flow channels that significantly impairs its filtration efficiency.
Teilstromfilter zur Behandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine werden auch als „Offene Partikelfilter“ (abgekürzt „OPF“). Regelmäßig sind derartige Teilstromfilter als Wabenkörper mit parallel zueinander sich erstreckenden Zellen aufgebaut. Die Zellwände, die die einzelnen Zellen begrenzen, sind gasdurchlässig. In der Regel werden die Wabenkörper aus poröser Keramik, Sintermetallen oder ähnlichem gefertigt. Dabei ist ein Teil der Zellen an einer Stirnfläche verschlossen und ein anderer Teil der Zellen ist beidseitig offen.Partial flow filters for treating the exhaust gas of an internal combustion engine are also called “open particle filters” (abbreviated “OPF”). Such partial flow filters are regularly constructed as honeycomb bodies with cells extending parallel to one another. The cell walls that border the individual cells are gas-permeable. As a rule, the honeycomb bodies are made from porous ceramic, sintered metals or the like. Some of the cells are closed on one end face and another part of the cells is open on both sides.
Der Verschluss einseitig verschlossener Strömungskanäle eines Teilstromfilters kann in Strömungsrichtung vorne liegend angeordnet sein oder auch am austrittsseitigen Ende des Wabenkörpers angeordnet sein.The closure of flow channels of a partial flow filter which are closed on one side can be arranged at the front in the flow direction or also at the outlet-side end of the honeycomb body.
Die Teilstromfilter werden derart in den Abgasstrom eingebracht, dass die einzelnen Strömungskanäle vom Abgas durchströmt werden. Teilstromfilter werden bei Applikationen eingesetzt, die keinen geschlossenen Partikelfilter erfordern, beispielsweise für den Fall, dass die Motorrohemissionen bereits geforderte Grenzwerte fast erreichen und aus diesem Grunde ein Partikelfilter nicht notwendig erforderlich ist. Des Weiteren finden Teilstromfilter auch Anwendung bei Applikationen, wenn keine Notwendigkeit aktiver Partikelfilter-Regeneration besteht oder wenn ein Ausbleiben von Partikelfilter-Regenerationen aus sicherheitstechnischen Gründen ausgeschlossen werden muss. Derartige Teilstromfilter können einzeln oder in Kaskadenbauweise eingesetzt werden. Solche Kaskaden dienen dazu, den Gesamtfiltrationswirkungsgrad des Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen.The partial flow filters are introduced into the exhaust gas flow in such a way that the exhaust gas flows through the individual flow channels. Partial flow filters are used in applications that do not require a closed particle filter, for example in the event that the raw engine emissions almost reach the limit values already required and for this reason a particle filter is not necessary. In addition, partial flow filters are also used in applications when there is no need for active particle filter regeneration or when the absence of particle filter regeneration must be ruled out for safety reasons. Partial flow filters of this type can be used individually or in a cascade design. Such cascades serve to increase the overall filtration efficiency of the exhaust gas aftertreatment system.
Wie Vollstromfilter neigen auch derartige Teilstromfilter im Bereich ihrer vorderen Stirnfläche durch die dortige Ablagerung von festen (Ruß, Schwefel, Ammoniumnitrat) und hochsiedenden, flüssigen Abgasbestandteilen (langkettige Kohlenwasserstoffe und deren Derivate) zum Verstopfen, insbesondere bei Applikation mit hoher Konzentration von langkettigen, teils festen Kohlenwasserstoffen (engl.: solid organic fraction, SOF) im Abgasstrom - insbesondere bei längerem Betrieb solcher Applikationen bei niedrigen Abgastemperaturen.Like full-flow filters, such partial-flow filters tend to clog in the area of their front end face due to the deposition of solid (soot, sulfur, ammonium nitrate) and high-boiling, liquid exhaust gas components (long-chain hydrocarbons and their derivatives), especially in applications with a high concentration of Long-chain, sometimes solid hydrocarbons (solid organic fraction, SOF) in the exhaust gas stream - especially when these applications are operated for a long time at low exhaust gas temperatures.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes in der Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Wabenstruktur aus einer Anzahl sich im Wesentlichen parallel zueinander erstreckender Strömungskanäle, die durch geschlossene oder offene Kanäle gebildet und durch gasdurchlässige Filterwände begrenzt sind. Der Teilstromfilter weist an einer dem Abgasstrom zugewandten Stirnfläche mindestens eine Beschichtung auf, die ein katalytisch aktives Material enthält, das bei niedrigen Abgastemperaturen oxidierend auf flüchtige und hochsiedende, langkettige Kohlenwasserstoffen, sowie Ruß einwirkt.According to the invention, a partial flow filter for treating an exhaust gas flow in the internal combustion engine is proposed, with a honeycomb structure consisting of a number of flow channels which extend essentially parallel to one another and which are formed by closed or open channels and are delimited by gas-permeable filter walls. The partial flow filter has at least one coating on an end face facing the exhaust gas flow, which contains a catalytically active material which has an oxidizing effect on volatile and high-boiling, long-chain hydrocarbons and soot at low exhaust gas temperatures.
Die Wabenstruktur hat einen runden, ovalen, oder triovalen Querschnitt. Sonderformen mit rechteckigem Querschnitt sind jedoch möglich.The honeycomb structure has a round, oval, or tri-oval cross section. However, special shapes with a rectangular cross-section are possible.
Als keramisches Material zum Aufbau der Wabenstruktur dienen keramische Materialien, insbesondere Cordierit, Mullit, Aluminiumtinanat, Siliziumdioxid, Siliziumcarbit und Mischungen aus diesen.Ceramic materials, in particular cordierite, mullite, aluminum tinanate, silicon dioxide, silicon carbide and mixtures thereof, serve as the ceramic material for building up the honeycomb structure.
Die sich parallel zueinander erstreckenden Strömungskanäle haben einen vorwiegend rechteckigen Querschnitt, insbesondere vorwiegend einen quadratischen Querschnitt. Sechseckige Querschnitte der Strömungskanäle sind möglich.The flow channels extending parallel to one another have a predominantly rectangular cross section, in particular predominantly a square cross section. Hexagonal cross sections of the flow channels are possible.
Die Zelldichte beträgt mehr als 15 Strömungskanäle pro cm2 Stirnfläche, beispielsweise 20 bis 160 Kanäle pro cm2, bevorzugt 25 bis 140 Kanäle pro cm2, im Besonderen Fall bevorzugt 28 bis 100 Kanäle pro cm2 (in angelsächsischen Maßen entspricht dies etwa 180 bis 650 cpsi, d.h. cells per in2).The cell density is more than 15 flow channels per cm 2 end face, for example 20 to 160 channels per cm 2 , preferably 25 to 140 channels per cm 2 , in a special case preferably 28 to 100 channels per cm 2 (in Anglo-Saxon dimensions this corresponds to approximately 180 to 650 cpsi, ie cells per in 2 ).
Der Anteil verschlossener Strömungskanäle beträgt mehr als 5 Prozent pro Stirnfläche. Filter mit geringem Anteil verschlossener Strömungskanäle zeichnen sich durch einen vergleichsweise niedrigen Abgasgegendruck aus. Um eine hohe Filtrationseffizienz zu erzielen, sind insbesondere Filter bevorzugt, bei denen der Gesamtanteil der an zumindest einer Stirnfläche verschlossenen Zellen 20 bis 80 Prozent beträgt. Die Stirnflächen können dabei unterschiedliche Anzahlen, Bereiche und Muster verschlossener Strömungskanäle aufweisen. In der Abwägung von Abgasgegendruck und Filtrationseffizienz sind in diesem Fall solche Filter bevorzugt, die über einen Anteil von 30 bis 70 Prozent beidseitig offener Strömungskanäle verfügen, beispielsweise etwa 50 Prozent.The proportion of closed flow channels is more than 5 percent per end face. Filters with a small proportion of closed flow channels are characterized by a comparatively low exhaust gas back pressure. In order to achieve a high filtration efficiency, filters are particularly preferred in which the total proportion of cells closed on at least one end face is 20 to 80 percent. The end faces can have different numbers, areas and patterns of closed flow channels. In this case, when considering exhaust gas back pressure and filtration efficiency, preference is given to filters which have a share of 30 to 70 percent of flow channels open on both sides, for example about 50 percent.
Die Strömungskanäle weisen zuweilen gleiche Durchmesser auf. Bevorzugt sind jedoch solche Filter, bei denen ein Anteil der Strömungskanäle einen größeren Durchmesser als die anderen Kanäle aufweist. Dieser Anteil beträgt bevorzugt etwa ein Drittel bis zwei Drittel. Beträgt der Anteil der größeren Kanäle in einer besonders bevorzugten Variante etwa die Hälfte aller Strömungskanäle, dann sind die größeren Kanäle vorteilhafterweise nicht mehr als die doppelte Wandstärke größer als die anderen Kanäle. Des Weiteren sind Filter mit mehr als zwei unterschiedlichen Durchmessern der Strömungskanäle möglich.The flow channels sometimes have the same diameter. However, filters are preferred in which a portion of the flow channels has a larger diameter than the other channels. This proportion is preferably about one third to two thirds. If the proportion of the larger channels in a particularly preferred variant is about half of all flow channels, then the larger channels are advantageously no more than twice the wall thickness larger than the other channels. Filters with more than two different diameters of the flow channels are also possible.
Die Wandstärke innerhalb der Wabenstruktur ist größer als 0,06 mm, insbesondere 0,08 bis 0,38 mm, bevorzugt 0,10 bis 0,32 mm (dies entspricht in angelsächsischen Maßen etwa 4 bis 13 mil, d.h. milli-inch).The wall thickness within the honeycomb structure is greater than 0.06 mm, in particular 0.08 to 0.38 mm, preferably 0.10 to 0.32 mm (in Anglo-Saxon dimensions this corresponds to approximately 4 to 13 mils, i.e. milli-inches).
In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beschichtung der Stirnfläche, die eine hohe Beladung an katalytisch aktiven Materialien am Eingang des Teilstromfilters aufweist, dort lokal, nämlich an der Stirnfläche, eine katalytische Oxidation an der Stirnfläche anhaftende Abgasbestandteile kurzkettiger flüchtiger und insbesondere hochsiedender, langkettiger Kohlenwasserstoffen, sowie Ruß bereits bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen unterhalb der Siedetemperatur langkettiger Kohlenwasserstoffe, die eine Siedetemperatur von circa 174 °C (wie beispielsweise Decan) bis circa 343 °C (wie beispielsweise Eicosan) aufweisen, erreicht wird.Advantageously, the coating of the end face proposed according to the invention, which has a high loading of catalytically active materials at the inlet of the partial flow filter, can locally, namely on the end face, catalytically oxidize exhaust gas components adhering to the end face of short-chain volatile and in particular high-boiling, long-chain hydrocarbons , and soot is already achieved at comparatively low exhaust gas temperatures below the boiling point of long-chain hydrocarbons, which have a boiling point of approximately 174 ° C (such as decane) to approximately 343 ° C (such as eicosan).
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend, ist der Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes derart beschaffen, dass die Beschichtung auf die Abmessungen der Stirnfläche des Teilstromfilters begrenzt ist.Following the solution proposed according to the invention, the partial flow filter for treating an exhaust gas flow is such that the coating is limited to the dimensions of the end face of the partial flow filter.
In vorteilhafter Weise weist die Beschichtung eine Eindringtiefe in den durch geschlossene und offene Strömungskanäle gebildeten Raum auf, die < 25 mm, insbesondere < 10 mm, vorzugsweise 1 bis 5 mm, oder weniger und im Besonderen ≤ 0,1 mm beträgt.The coating advantageously has a depth of penetration into the space formed by closed and open flow channels which is <25 mm, in particular <10 mm, preferably 1 to 5 mm or less and in particular ≤ 0.1 mm.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend, umfasst die Beschichtung an der Stirnfläche des Teilstromfilters Stoffe, die aus der nachfolgenden Gruppe ausgewählt sind, nämlich Edelmetalle und deren Oxide, sowie andere Übergangsmetalle und deren Oxide, zum Beispiel Silizium, Titan, Aluminium, Eisen, Kupfer, Vadium, Hafnium, Wolfram, Zirkon, Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und weiterer Lanthanoide, insbesondere deren Oxide, sowie eine Beimischung von zumindest Spuren von Actinoiden, insbesondere deren Oxide. In vorteilhafter Weise sind Mischoxide ausgebildet. Einige dieser Stoffe gehören der Gruppe der sogenannten Seltenen Erden an. Entsprechend wichtig ist ein schonender Umgang mit diesen Ressourcen.Following the solution proposed according to the invention, the coating on the end face of the partial flow filter comprises substances selected from the following group, namely precious metals and their oxides, as well as other transition metals and their oxides, for example silicon, titanium, aluminum, iron, copper, Vadium, hafnium, tungsten, zirconium, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium and other lanthanides, in particular their oxides, and an admixture of at least traces of actinides, in particular their oxides. Mixed oxides are advantageous educated. Some of these substances belong to the group of so-called rare earths. Careful use of these resources is correspondingly important.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes umfasst eine Beschichtung, die die Stoffe in höheren Konzentrationen enthält, in der Regel mehr als 0,03 g pro Liter, bezogen auf den beschichteten Raum. In der katalytisch oxidierenden Wirkung besonders vorteilhaft ist eine Beladung des beschichteten Raums von mehr als 30 g/Liter.The partial flow filter proposed according to the invention for treating an exhaust gas flow comprises a coating which contains the substances in higher concentrations, as a rule more than 0.03 g per liter, based on the coated space. In the catalytically oxidizing effect, a loading of the coated space of more than 30 g / liter is particularly advantageous.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters umfasst die katalytisch aktive Beschichtung beispielsweise Edelmetalle und deren Oxide in einer Konzentration von mehr als 0,03 g/Liter, insbesondere > 0,3 g/Liter, bevorzugt > 3 g/Liter des beschichteten Raums.In a further development of the partial flow filter proposed according to the invention, the catalytically active coating comprises, for example, noble metals and their oxides in a concentration of more than 0.03 g / liter, in particular> 0.3 g / liter, preferably> 3 g / liter of the coated space.
In weiterer Ausprägung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die Beschichtung an der Stirnfläche des Teilstromfilters derart ausgebildet, dass nicht-edle Übergangsmetalloxide in einer Konzentration > 0,6 g/Liter, bevorzugt > 6 g/Liter und im Besonderen > 60 g/Liter pro beschichtetem Raum aufweist. Dabei wird die Maximalbeladung des beschichteten Raums durch den für die Applikation des Verbrennungsmotors maximal zulässigen Abgasgegendruck begrenzt. Die Beschichtung des Raums mit mehr als 300 g Übergangsmetalloxide/Liter erfordert in der Regel mehrstufige Beschichtungsverfahren.In a further form of the solution proposed according to the invention, the coating on the end face of the partial flow filter is designed such that non-noble transition metal oxides in a concentration> 0.6 g / liter, preferably> 6 g / liter and in particular> 60 g / liter per coated Has space. The maximum loading of the coated space is limited by the maximum permissible exhaust gas back pressure for the application of the internal combustion engine. Coating the room with more than 300 g transition metal oxides / liter usually requires multi-stage coating processes.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes kann derart ausgebildet sein, dass die Beschichtung mehr als eine katalytisch aktive Komponente enthält.The partial flow filter proposed according to the invention for treating an exhaust gas flow can be designed such that the coating contains more than one catalytically active component.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes kann neben der katalytisch aktiven Beschichtung an der Stirnfläche weitere katalytisch aktive Komponente im Innern des Filters enthalten. The partial flow filter proposed according to the invention for treating an exhaust gas flow can contain, in addition to the catalytically active coating on the end face, further catalytically active components in the interior of the filter.
In Weiterführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gedankens, ist der Teilstromfilter zur Behandlung eines Abgasstromes in den durch die geschlossenen oder offenen Kanäle gebildeten Raum mit einer weiteren katalytisch aktiven Beschichtung zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen CO und NO versehen, umfassend das chemische Element Platin in einer Konzentration von mehr als 0,03 g/Liter, insbesondere > 0,3 g/Liter und in Abhängigkeit der Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine zuweilen > 3 g/Liter, bezogen auf den beschichteten Raum. Diese weitere Beschichtung kann gemeinsam mit anderen Beschichtungen auf den zu beschichtenden Raum aufgetragen werden, oder in einem mehrstufigen Beschichtungsprozess. Letzteres bietet den Vorteil, dass die Beschichtungen nicht zwangsläufig den gleichen Raum bedecken. Dies kann Vorteile in der katalytischen Wirksamkeit, der Filtrationseffizienz und beim Abgasgegendruck bieten.In continuation of the idea proposed according to the invention, the partial flow filter for treating an exhaust gas flow in the space formed by the closed or open channels is provided with a further catalytically active coating for the oxidation of hydrocarbons CO and NO, comprising the chemical element platinum in a concentration of more than 0.03 g / liter, in particular> 0.3 g / liter and depending on the requirements of the internal combustion engine sometimes> 3 g / liter, based on the coated space. This further coating can be applied together with other coatings to the space to be coated, or in a multi-stage coating process. The latter has the advantage that the coatings do not necessarily cover the same room. This can offer advantages in terms of catalytic effectiveness, filtration efficiency and exhaust gas back pressure.
Die Porosität des erfindungsgemäß beschichteten Teilstromfilters, der die Strömungskanäle begrenzenden Filter im Inneren der Wabenstruktur beträgt mehr als 40 %, bevorzugt mehr als 45 %, insbesondere zwischen 48 % und 70 %. Der mittlere Porendurchmesser der porösen Wand beträgt 10 µm bis 30 µm, insbesondere mehr als 12 µm, bevorzugt mehr als 15 µm und besonders bevorzugt zwischen 16 µm bis 25 µm, beispielsweise 17 µm bis 21 µm, gemessen mit den Verfahren der Quecksilberporosimetrie an zumindest einem repräsentativen Probenkörper, bevorzugt gemittelt aus den Messungen an zumindest zwei repräsentativen Probenkörpern aus der Nähe beider Stirnflächen des Filters.The porosity of the partial flow filter coated according to the invention, of the filters delimiting the flow channels in the interior of the honeycomb structure, is more than 40%, preferably more than 45%, in particular between 48% and 70%. The average pore diameter of the porous wall is 10 μm to 30 μm, in particular more than 12 μm, preferably more than 15 μm and particularly preferably between 16 μm to 25 μm, for example 17 μm to 21 μm, measured using the methods of mercury porosimetry on at least one representative sample bodies, preferably averaged from the measurements on at least two representative sample bodies from the vicinity of both end faces of the filter.
Es wird ein dimensionsloser Parameter „P“ vorgeschlagen, dazu geeignet, besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Filter hinsichtlich der Abwägung von thermomechanischer Stabilität, Filtrationseffizienz und Abgasgegendrucks zu beschreiben. Der Parameter „P“ entsteht bei der Multiplikation der Zelldichte (Strömungskanäle pro cm2) mit dem Quadrat der Wandstärke (cm), wobei eine Wand pro Strömungskanal berücksichtigt wird, dividiert durch die Porosität der die Strömungskanäle begrenzenden Filterwände im Inneren der Wabenstruktur. A dimensionless parameter “P” is proposed, suitable for describing particularly advantageous filters according to the invention with regard to the consideration of thermomechanical stability, filtration efficiency and exhaust gas back pressure. The parameter "P" is obtained by multiplying the cell density (flow channels per cm 2 ) by the square of the wall thickness (cm), whereby one wall per flow channel is taken into account divided by the porosity of the filter walls delimiting the flow channels inside the honeycomb structure.
Für die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Filter beträgt dieser dimensionslose Parameter nicht weniger als P = 0,2 und nicht mehr als P = 2. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Filter, die einen Wert dieses dimensionslosen Parameters zwischen 0,3 bis 1,1 aufweisen, besonders bevorzugt sind Filter mit einem dimensionslosen Parameterwert von P = 0,35 bis 0,95.For the filters proposed according to the invention, this dimensionless parameter is not less than P = 0.2 and not more than P = 2. Filters according to the invention which have a value of this dimensionless parameter between 0.3 to 1.1 are preferred, and filters are particularly preferred with a dimensionless parameter value of P = 0.35 to 0.95.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf ein Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten:
- a) Die Wabenstruktur wird mit der Stirnfläche in eine Lösung katalytisch aktives Material enthaltend eingebracht, und/oder
- b) die Wabenstruktur wird mit ihrer Stirnfläche in eine Suspension eingetaucht, die neben katalytisch aktivem Material Katalysatorträgermaterialen oder Mischungen und/oder deren Mischoxide enthält, wobei deren durchschnittliche Partikelgröße in der Regel einige Dutzend Nanometer bis zu etwa 30 µm beträgt,
- c) Trocknung der Beschichtung, aufgebracht gemäß der Verfahrensschritte a) oder b), und
- d) Kalzinieren der gemäß Verfahrensschritt c) getrockneten Beschichtung.
- a) The end face of the honeycomb structure is introduced into a solution containing catalytically active material, and / or
- b) the end face of the honeycomb structure is immersed in a suspension which, in addition to catalytically active material, contains catalyst support materials or mixtures and / or their mixed oxides, the average particle size generally being a few dozen nanometers up to approximately 30 μm,
- c) drying the coating, applied according to process steps a) or b), and
- d) calcining the coating dried according to process step c).
Erfordert das Abgas der Verbrennungskraftmaschine keine weitere Behandlung, so kann der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters ohne das Zusammenwirken mit weiteren Katalysatoren betrieben werden.If the exhaust gas of the internal combustion engine does not require any further treatment, the partial flow filter proposed according to the invention can be operated without interacting with other catalysts.
Die Verwendung eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters bezieht sich jedoch insbesondere beispielsweise auch auf einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit einem, oder mehreren dem Teilstromfilter vorgeschalteten weiteren Katalysator. Dabei handelt es sich insbesondere um einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren und/oder Stickstoffoxide speichernde Katalysatoren, beispielsweise Diesel-Oxidationskatalysatoren (engl. Diesel oxidation catalyst, DOC), NOx-Speicherkatalysatoren (engl.: NOx storage catalyst, NSC), oder Dreiwege-Katalysatoren (engl. three way catalysts, TWC).However, the use of a partial flow filter proposed according to the invention relates in particular, for example, also to an exhaust tract of an internal combustion engine with one or more further catalytic converters upstream of the partial flow filter. These are in particular one or more oxidation catalysts and / or nitrogen oxide-storing catalysts, for example diesel oxidation catalysts (DOC), NOx storage catalysts (NSC), or three-way catalysts ( three way catalysts, TWC).
Die Verwendung eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters bezieht den Gedanken weiterfassend beispielsweise auch auf ein Abgasnachbehandlungssystem einer Verbrennungskraftmaschine umfassend zumindest einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) enthält.The use of a partial flow filter proposed according to the invention also relates the idea further, for example, to an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine comprising at least one catalytic converter for selective catalytic reduction (SCR).
Der Einsatz eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet vor einem Vollstromfilter, der im Unterschied zu einem Teilstromfilter nicht über eine seinen Filtrationsgrad signifikant beeinträchtigende Anzahl von offenen Strömungskanälen verfügt, ermöglicht niedrigere Partikelbeladungen des Vollstromfilters und erleichtert dessen Reinigung, beziehungsweise verlängert dessen Reinigungs-, oder Wechselintervall.The use of a partial flow filter proposed according to the invention in the flow direction of the exhaust gas arranged in front of a full flow filter which, in contrast to a partial flow filter, does not have a number of open flow channels which significantly impairs its degree of filtration, enables lower particle loadings of the full flow filter and facilitates its cleaning or extends its cleaning, or change interval.
Das Verfahren zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters sieht eine Temperaturkontrolle des Abgasstroms vor. Die Ermittlung, Berechnung und/oder Steuerung der Abgastemperatur vor, nach und/oder im Teilstromfilters ist bei solchen Anwendungen des Teilstromfilters vorteilhaft, bei denen der im Teilstromfilter abgeschiedene Ruß unter allen, oder zumindest in weiteren Bereichen der möglichen Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine kontinuierlich durch Sauerstoff und/oder Stickstoffdioxid oxidiert wird.The method for operating an exhaust gas aftertreatment system using the partial flow filter proposed according to the invention provides for temperature control of the exhaust gas flow. The determination, calculation and / or control of the exhaust gas temperature before, after and / or in the partial flow filter is advantageous in those applications of the partial flow filter in which the soot separated in the partial flow filter is continuously exposed to oxygen and all or at least in other areas of the possible operating states of the internal combustion engine / or nitrogen dioxide is oxidized.
Eine Steuerung der Abgastemperatur vor, nach und/oder im Teilstromfilters ist jedoch insbesondere auch bei solchen Applikationen besonders Vorteilhaft, bei denen die im Teilstromfilter abgeschiedene Menge an Ruß zyklisch, nach über den Abgasgegendruck ermittelten, berechneten und/oder nach festgelegten Zeitintervallen durch Hebungen der Abgastemperatur und die dadurch erzielte Beschleunigung der Reaktion mit Sauerstoff und/oder Stickstoffdioxid verringert wird.Controlling the exhaust gas temperature before, after and / or in the partial flow filter is particularly advantageous, however, especially in those applications in which the amount of soot separated in the partial flow filter is cyclical, according to calculated, and / or according to specified time intervals by raising the exhaust gas temperature and the resulting acceleration of the reaction with oxygen and / or nitrogen dioxide is reduced.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung vermeidet weitestgehend ein Verstopfen der Stirnfläche eines Teilstromfilters, insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen. Dies gelingt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beschichtung der Stirnfläche des Teilstromfilters mit einer hohen Beladung an katalytisch aktiven Materialien an der strömungseingangsseitigen Stirnfläche, die eine katalytische Oxidation von an der Stirnfläche anhaftenden Abgasbestandteilen wie Kohlenwasserstoffen und Ruß bereits bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen erreicht, was einerseits die Wirksamkeit des Teilstromfilters erhöht und andererseits dessen Lebensdauer beträchtlich verlängert. Durch die Verringerung, oder Vermeidung von Ablagerungen an der Stirnfläche wird der Abgasgegendruck reduziert und so ist ein energetisch günstigerer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine möglich. Dies reduziert deren Kraftstoffverbrauch und den Ausstoß und CO2, oft auch den Stickoxidausstoß, da die Maschine bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann.The solution proposed according to the invention largely avoids clogging of the end face of a partial flow filter, in particular at low exhaust gas temperatures. This is achieved by coating the end face of the partial flow filter according to the invention with a high load of catalytically active materials on the end face on the flow inlet side, which catalytically oxidizes exhaust gas components such as hydrocarbons and soot adhering to the end face even at comparatively low exhaust gas temperatures, which on the one hand makes the effectiveness of the Partial flow filter increased and on the other hand significantly extended its life. By reducing or avoiding deposits on the end face, the exhaust gas counterpressure is reduced and the internal combustion engine can thus operate more economically. This reduces their fuel consumption and emissions and CO 2 , often also nitrogen oxide emissions, since the machine can be operated at lower temperatures.
Über weitere Anwendungsbereiche bilden sich auch an der Stirnfläche des Teilstromfilters turbulente Strömungen des Abgasstroms aus. Dies erhöht die Effektivität des dort erfindungsgemäß aufgebrachten katalytisch aktiven Materials gegenüber konventionell im Innern eines Filters aufgebrachten Material, da infolge der Turbulenzen der Transport der Schadstoffe aus der Hauptphase des Gasstroms an die Oberfläche der katalytisch aktiven Zentren weniger durch entgegenwirkende Wandflächeneffekte behindert wird, als es im Innern eines Teilstromfilters der Fall ist, wo deutlich weniger turbulente Strömungen vorherrschen.In other areas of application, turbulent flows of the exhaust gas flow are also formed on the end face of the partial flow filter. This increases the effectiveness of the catalytically active material applied there according to the invention compared to material conventionally applied inside a filter, since due to the turbulence the transport of the pollutants from the main phase of the gas flow to the surface of the catalytically active centers is less hampered by counteracting wall surface effects than it is in The inside of a partial flow filter is the case where there are significantly less turbulent flows.
Verglichen mit einer Beschichtung des Inneren des gesamten Teilstromfilters oder Teilen davon mit den hohen Konzentrationen von katalytischen Eigenschaften aufweisenden Materialien, können erhebliche Ressourcen zum Beispiel an Edelmetallen eingespart werden. Für eine Beschichtung einer Stirnfläche eines Teilstromfilters mit einem Durchmesser von 143 mm (ca. 5,66") und einer Länge von 254 mm (ca. 10") und einer produktionsbedingten Eindringtiefe der Beschichtung von etwa 2,54 mm (ca. 0,1"), entsprechend einem beschichteten Stirnflächenvolumen von 0,041 Liter, mit einer Konzentration von 0,6 g Platin pro Liter und/oder 7 g Cer-haltigen Mischoxide pro Liter, werden weniger als 0,025 g Platin und/oder weniger als 0,3 g Cer-haltige Mischoxide eingesetzt. Wird hingegen eine solche Gesamtmenge der katalytisch aktiver Substanzen in einer konventionellen Weise über den gesamten Teilstromfilter aufgebracht, so werden unter gleichen Betriebsbedingungen, insbesondere bei gleichniedrigen Außentemperaturen wesentlich geringere Umsätze anhaftender/blockierender Abgasbestandteile an der Stirnfläche erreicht, da die Stirnfläche, gleich dem Gesamtvolumen des Teilstromfilters von 4,1 Liter, dann lediglich eine Konzentration von 0,006 g Platin pro Liter und/oder 0,07 g Cer-haltigen Mischoxide pro Liter trägt.Compared to coating the inside of the entire partial flow filter or parts thereof with the high concentrations of materials having catalytic properties, considerable resources, for example of precious metals, can be saved. For a coating of an end face of a partial flow filter with a diameter of 143 mm (approx. 5.66 ") and a length of 254 mm (approx. 10") and a production-related penetration depth of the coating of approx. 2.54 mm (approx. 1 "), corresponding to a coated face volume of 0.041 liters, with a concentration of 0.6 g platinum per liter and / or 7 g cerium mixed oxides per liter, less than 0.025 g platinum and / or less than 0.3 g cerium-containing mixed oxides are used. If, on the other hand, such a total amount of the catalytically active substances is applied in a conventional manner over the entire partial flow filter, then under the same operating conditions, in particular at the same low outside temperatures, significantly lower conversions of adhering / blocking exhaust gas components are achieved on the end face, since the end face, equal to the total volume of the partial flow filter of 4.1 liters, then only a concentration of 0.006 g of platinum per liter and / or 0.07 g of cerium-containing mixed oxides per liter.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Beschichtung an der Stelle aufgebracht, an der sie die höchsten Umsatzraten ermöglicht, so dass sich ein Einsatz von seltenen und/oder wertigen Ressourcen an weniger umsatzrelevanten Stellen innerhalb des Teilstromfilters erübrigt, oder zumindest deutlich reduziert werden kann, demzufolge diese Ressourcen eingespart werden können.As a result of the solution proposed according to the invention, the coating is applied at the point at which it enables the highest turnover rates, so that the use of rare and / or valuable resources at less turnover-relevant points within the partial flow filter can be dispensed with, or at least significantly reduced, accordingly these resources can be saved.
Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist ins Feld zu führen, dass Aufheizmaßnahmen zum Freihalten oder Freibrennen, d.h. dem nicht-katalytischen Abbrennen von Rußpartikeln an der Stirnfläche des Teilstromfilters erheblich verringert oder im Idealfall vollständig vermieden werden können. Dadurch können sowohl weitere Kraftstoffe, CO2-Emissionen als auch Wartungsarbeiten eingespart werden.Another advantage of the solution proposed according to the invention is that heating measures for keeping free or burning free, ie the non-catalytic burning of soot particles on the end face of the partial flow filter, can be significantly reduced or ideally completely avoided. This means that additional fuels, CO 2 emissions and maintenance work can be saved.
Des Weiteren können durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung Flanschverbindungen am Gehäuse des Teilstromfilters zum Reinigen der Stirnfläche in günstigen Anwendungen vollständig entfallen. In anderen Fällen verringert sich der Aufwand für die Abdichtungen solcher Flansche aufgrund der selteneren Wartungsarbeiten.Furthermore, the solution proposed according to the invention completely eliminates flange connections on the housing of the partial flow filter for cleaning the end face in favorable applications. In other cases, the effort for sealing such flanges is reduced due to the less frequent maintenance work.
Durch die geringere Beladung der Stirnfläche des Teilstromfilters mit dort anhaftenden Abgasbestandteilen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe und Ruß, erzeugt der Teilstromfilter einen wesentlich geringeren Abgasgegendruck, was wiederum Kraftstoff und CO2-Emissionen beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einspart.Due to the lower loading of the end face of the partial flow filter with exhaust gas constituents adhering there, for example hydrocarbons and soot, the partial flow filter generates a significantly lower exhaust gas back pressure, which in turn saves fuel and CO 2 emissions when operating the internal combustion engine.
Des Weiteren ist als Vorteil zu nennen, dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, d.h. ein Beschichten der Stirnseite des Teilstromfilters, auf eine Beschichtung des Filterinneren oft gänzlich vermieden werden kann, insbesondere Beschichtungen mit hoher Beladung der katalytisch aktiven Komponenten entfallen, oder erfordern geringere Beladungen. Ein Entfall, oder zumindest eine Reduktion derartiger Beschichtungen führt zu einer signifikanten Verringerung des Abgasgegendrucks, da sich solche Beschichtungsmaterialien auf die Porenwand und/oder in die Porenstruktur des Filters setzen. Eine Beschichtung an der Stirnseite des Filters vermeidet diese Nachteile weitestgehend, beziehungsweise sie treten auf einem nur sehr begrenzten Raum auf. Durch die Beschichtung der Stirnfläche ohne Ausbildung einer größeren Eindringtiefe, wird die Porenstruktur, insbesondere im Bereich der Filterwände, wesentlich weniger beeinträchtigt.Another advantage is that the solution proposed according to the invention, i. a coating of the end face of the partial flow filter, on a coating of the filter interior can often be completely avoided, in particular coatings with a high load of the catalytically active components are omitted, or require lower loads. Eliminating or at least reducing such coatings leads to a significant reduction in the exhaust gas back pressure, since such coating materials settle on the pore wall and / or in the pore structure of the filter. A coating on the end face of the filter largely avoids these disadvantages, or they occur in a very limited space. By coating the end face without forming a greater penetration depth, the pore structure, in particular in the area of the filter walls, is significantly less impaired.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Teilstromfilters gegenüber konventionell auf ihrem Gesamtvolumen beschichteten Filtern ist darin zu kennen, dass bei Abgassystemen mit Filter-Kaskaden in der Regel lediglich der in Strömungsrichtung des Abgases vordere Teilstromfilter eine erfindungsgemäße Beschichtung erfordert und so Ressourcen, beispielsweise Edelmetalle und Seltene Erden eingespart werden können.Another advantage of the partial flow filter according to the invention compared to filters conventionally coated over their total volume is to be known in the fact that, in exhaust gas systems with filter cascades, generally only the partial flow filter in front in the flow direction of the exhaust gas requires a coating according to the invention, thus saving resources, for example precious metals and rare earths can be.
Vorteilhaft ist der erfindungsgemäßen Teilstromfilter auch hinsichtlich seines Filtrationswirkungsgrads und des Abgasgegendrucks gegenüber anderen Teilstromfiltern, wenn sie mit vergleichbarer Partikelmenge beladenen sind. Einerseits weil ein an der Stirnfläche anhaftender Menge an der Erfindungsgemäßen Beschichtung oxidiert wird und danach folglich keine zur Filtration geeigneten Filterporen der Filterwand verstopfen kann und demnach auch keinen Gegendruck verursachen kann.The partial flow filter according to the invention is also advantageous with respect to its filtration efficiency and the exhaust gas back pressure compared to other partial flow filters if they are loaded with a comparable amount of particles. On the one hand because an amount adhering to the end face of the coating according to the invention is oxidized and consequently consequently no filter pores suitable for filtration can clog the filter wall and therefore cannot cause any back pressure.
Anderseits, da bereits bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Teilstromfilters aufgrund seiner geringeren Neigung an der Stirnfläche zu verstopfen eine höhere Zelldichte gewählt werden kann. Filter mit einer höheren Dichte paralleler Strömungskanäle weisen bereits bei geringer Wandstärke und/oder höherer Porosität der Filterwände und/oder Filterlänge und/oder Anzahl von Filtern einer Kaskade eine vergleichbare Filtrationseffizienz bei vergleichbarem Abgasgegendruck auf - oder andersherum. Entsprechend kann mit dem erfindungsgemäßen Teilstromfilter zur Erzielung eines gewünschten Filtrationswirkungsgrads Kraftstoff eingespart und die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine reduziert werden.On the other hand, since a higher cell density can already be selected in the design of the partial flow filter according to the invention due to its lower tendency to clog on the end face. Filters with a higher density of parallel flow channels already have a comparable filtration efficiency with a comparable exhaust gas back pressure - or vice versa - with a low wall thickness and / or higher porosity of the filter walls and / or filter length and / or number of filters in a cascade. Accordingly, with the partial flow filter according to the invention, fuel can be saved in order to achieve a desired filtration efficiency and the CO 2 emissions of the internal combustion engine can be reduced.
Da, wie zuvor beschrieben, bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Teilstromfilters ein kleiner Strömungsquerschnitt der Kanäle gewählt werden können als bei anderen Teilstromfiltern, kann der vorgenannte Vorteil einer verbesserten Filtrationseffizienz noch weiter verstärkt werden, wenn einlass- oder beidseitig offene Strömungskanäle einen kleineren Querschnitt aufweisen als einlassseitig verschlossene Kanäle. Soll hingegen bei der Auslegung des Filters ein möglichst hohes Speichervolumen für die aus dem Abgasstrom abzuscheidenden Partikel bei zugleich über einen langen Zeitraum möglichst unveränderten Filtrationseffizienz erreicht werden, so ist es vorteilhaft, wenn die einlassseitig offenen Strömungskanäle einen größeren Querschnitt als die einlassseitig verschlossenen Strömungskanäle aufweisen.Since, as described above, when designing the partial flow filter according to the invention, a smaller flow cross section of the channels can be selected than with other partial flow filters, the aforementioned advantage of improved filtration efficiency can be further increased if flow channels open on the inlet or on both sides have a smaller cross section than on the inlet side closed channels. On the other hand, when designing the filter, the highest possible storage volume for the particles to be separated from the exhaust gas flow and, at the same time, the filtration efficiency unchanged over a long period of time should be achieved it is advantageous if the flow channels open on the inlet side have a larger cross section than the flow channels closed on the inlet side.
FigurenlisteFigure list
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigt:
-
1 .1 und 1.2 Stirnflächen von Teilstromfiltern nach deren Betrieb, -
2 beispielhafte Komponenten eines Abgasstrangs einer Verbrennungskraftmaschine, -
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Teilstromfilters, -
4 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilstromfilters und -
5a ,5b und5c asymmetrische Zellstrukturen mit unterschiedlich großen Strömungsquerschnitten.
-
1 .1 and 1.2 end faces of partial flow filters after their operation, -
2nd exemplary components of an exhaust line of an internal combustion engine, -
3rd 2 shows a schematic representation of a first embodiment variant of the partial flow filter according to the invention, -
4th the schematic representation of a further embodiment of the partial flow filter proposed according to the invention and -
5a ,5b and5c asymmetrical cell structures with flow cross sections of different sizes.
AusführungsvariantenVariants
Die
In einer Verbrennungskraftmaschine
Aus dem Teilstromfilter
Wie aus
Aus der Darstellung gemäß
Wie
Sofern der Teilstromfilter
Prinzipiell sind auch niedrigere Eindringtiefen als 1 mm technisch möglich; so kann die Beschichtung
Im Extrem kann die Beschichtungsdicke auch wenige Nanometer betragen, beispielsweise wenn eine vorwiegend edelmetallhaltige Lösung auf die Stirnfläche aufgebracht wurde. Wegen mangelnder katalytischer Aktivität und wegen mangelnder thermomechanischer Stabilität sind derart dünne Schichten und die damit verbundenen extrem geringen Konzentrationen an katalytisch aktivem Material auf das über die Eindringtiefe
Das katalytisch aktive Material
In Bezug auf katalytisch aktive unedle Übergangsmetalloxide werden Konzentrationen von 6 g/Liter, bevorzugt > 60 g/Liter g/in3 aufgebracht. Es besteht die Möglichkeit, auch mehr als eins oder zwei katalytisch aktive Übergangsmetalloxide gemeinsam, oder an unterschiedlichen Stellen der Stirnfläche des Filters, oder dort in unterschiedlichen Schichten einzusetzen.Concerning catalytically active base transition metal oxides, concentrations of 6 g / liter, preferably> 60 g / liter g / in 3 are applied. It is also possible to use more than one or two catalytically active transition metal oxides together, or at different points on the end face of the filter, or there in different layers.
Aus der Darstellung gemäß
Die Wabenstruktur
Bevorzugt entspricht eine Eindringtiefe
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Beschichtung
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene, an seiner eintrittsseitigen Stirnfläche
Die
In den
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3068989 B1 [0002]EP 3068989 B1 [0002]
- WO 2009/024815 [0003]WO 2009/024815 [0003]
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- DE 102015226039 A1 [0005]DE 102015226039 A1 [0005]
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