DE10245510A1

DE10245510A1 - Abgasfilter für Verbrennungsmotoren und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10245510A1
Application number: DE2002145510
Authority: DE
Inventors: Paul-Friedrich Scholz
Original assignee: Scholz Paul-Friedrich Dr-Ing
Current assignee: Scholz Paul-Friedrich Dr-Ing
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Der Abgasfilter für Verbrennungsmotoren weist ein Tiefenfilterelement auf, wobei das Tiefenfilterelement einen Schaumkörper umfasst, der zumindest teilweise aus einem oder mehreren Metallen besteht. Der Abgasfilter ist im Fahrbetrieb schnell aufzuheizen, kostengünstig herzustellen und weist eine hohe Standfestigkeit, also eine lange Lebensdauer auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasfilter für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren und besonders bevorzugt für Pkw-Dieselmotoren, wobei der Abgasfilter ein Tiefenfilterelement aufweist.
Der weiter unten näher gekennzeichnete erfindungsgemäße Abgasfilter ist allgemein für Verbrennungsmotoren, auch für Ottomotoren und auch für Dieselmotoren von Lastkraftwagen und auch für sonstige Verbrennungsmotoren geeignet. Seine besonderen Vorteile zeigt er jedoch insbesondere bei einem Einsatz für Pkw-Dieselmotoren.
Die Zusammensetzung der Abgase von Pkw-Dieselmotoren ist abhängig von der Motorenbauart, dem Fahrzyklus und der Kraftstoffqualität. Die Abgase weisen folgende Komponenten auf .
Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x), Sauerstoff (O₂), Rußpartikel (C), Kohlenwasserstoffe (HC), Schwefeldioxid (SO₂), Motorabrieb und Asche.
Eine Minderung der umweltbelastenden Schadstoffe CO, NO_X, HC und des Rußes sind gesetzlich vorgegeben. Ein wirkungsvolles Hilfsmittel zur Senkung der Partikelemissionen stellen Filtersysteme dar.
Die Wirksamkeit eines Filters ist definiert durch seinen Abscheidungsgrad, seine Speicherfähigkeit, seine Durchströmbarkeit und seine Standzeit.
Von der Arbeitsweise unterscheidet man unter anderem zwischen Oberflächen- und Tiefenfilter.
Beim Oberflächenfilter bleiben die abzuscheidenden Stoffe an der Oberfläche des porösen Filtermaterials haften, wobei die abgeschiedenen Stoffe eine zusätzliche Abscheidewirkung haben und die Druckdifferenz im Filtersystem sich vergrößert.
Beim Tiefenfilter tritt neben der mechanischen Durchgangssperre (Siebeffekt) für die abzuscheidenden Produkte noch die Adsorptionseigenschaft des tief gestaffelten Filtermediums hinzu. Wirksame Tiefenfilter erfordern deshalb sehr große Oberflächen, wie sie zum Beispiel Wirrfasergelege, beispielsweise aus Stahlwolle, und offenporige Keramikschäume aufweisen.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Abgasfilter für Pkw-Dieselmotoren bestehen meistens aus porösen keramischen Grundkörpern, die von parallelen, wabenförmigen Kanälen durchzogen sind. Die Wandstärken der keramischen Monolithe liegen bei 0,3 bis 0,15 mm. Als Material wird bevorzugt Cordierit, ein Magnesium-Aluminium-Silikat (2MgO⋅ 2Al₂O₃⋅5SiO₂), und neuerdings extrudiertes Siliciumcarbid verwendet.
Daneben gibt es Filter aus keramischem Schaum, wabenförmig gefalzte Edelstahlbleche oder Stahlwolle. Sie sind teilweise mit katalytischen Beschichtungen versehen.
Nachteile bei den Keramikfiltern sind die schlechte Wärmeleitfähigkeit, bei keramischen Schäumen die geringe Standfestigkeit, beim Siliciumkarbid der hohe Preis und beim Stahlwollefilter die kurze Standzeit, da die Stahlwolle bei den auftretenden hohen Temperaturen korrodiert und oxidiert (verbrennt).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasfilter für Verbrennungsmotoren, insbesondere einen Rußfilter für Pkw-Dieselmotoren, zu entwickeln, welcher im Fahrbetrieb schnell aufzuheizen, kostengünstig herzustellen ist und eine hohe Standfestigkeit, also eine lange Lebensdauer aufweist. weitere Forderungen an den Abgasfilter beziehungsweise weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Abgasfilters finden sich weiter unten bei der Erläuterung der Einzelheiten des Filters.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Abgasfilter erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Tiefenfilterelement einen Schaumkörper umfasst, der zumindest teilweise aus einem oder mehreren Metallen besteht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Abgasfilters werden in den Unteransprüchen genannt.
Der Stahlschaum, der vorzugsweise nach dem weiter unten im einzelnen erläuterten Schlicker-Reaktions-Schaum-Sinter-Verfahren, abgekürzt "SRFS" von "Slip Reaction Foam Sintering", hergestellt wird, lässt sich in seiner Porosität und Permeabilität sowie in seinen Werkstoffeigenschaften gezielt mit den erforderlichen Filtereigenschaften herstellen. Nähere Einzelheiten zu diesem Verfahren finden sich zum einen in Mohr, U., Bleck, W., Iglesias, E., Beiss, P., Scholz, P.-F.: A Novel Method for the Processing of Metallic Foams, Tagungsbericht Materials Week 2000, CD, München und zum anderen in Mohr, U., Scholz, P.-F., Bleck, W.: Production of SlipReactionFoam (SRF) and Influence of Production Parameters on the Mechanical Properties, MIT-Verlag 2001. Beide Schriften werden zum Zwecke der Offenbarung ausdrücklich ebenfalls zum Inhalt der Anmeldung zugehörig erklärt.
Die aggressive Abgasatmosphäre, die feucht und sauer durch H₂SO₃- und H₂SO₄-Anteile ist, sowie die hohen Abgastemperaturen bis über 500 °C erfordern einen korrosions- und zun derbeständigen Werkstoff. Kostengünstig lässt sich diese Anforderung mit pulvermetallurgischen Legierungen, zum Beispiel der Zusammensetzung 3 bis 6 % Si, 1 bis 4 % Cr, 0, 5 % P, 0, 3 % Mo, 0, 2 % V, Spuren < 0, 3 % Al, Mn, Cu und Rest Fe erfüllen.
Die im Abgas unerwünschten Kohlenwasserstoffe, Nitroaromate und sonstige Spuren-Fraktionen sind an den fein verteilten Rußpartikeln gebunden. Die Größe der Rußteilchen mit den anhaftenden Schadstoffen liegt bei < 10 μm, wobei 80 % der Partikel einen aerodynamischen Durchmesser < 0,3 μm haben (Fang, C. P.; Kittelson, D. B.: The Influence of a Fibrous Diesel Particulate Trap on the Size Distribution of Emitted Particles, SAE 840362, 1984). Solche Feinstpartikel kann der Metallschaum durch Makroporen und Mikroporen ausfiltern. Bei einer Dichte von 1,87 g/cm³ des Metallschaums weisen die Primärporen einen Durchmesser von 0,01 – 2,38 mm und die Sekundärporen einen Durchmesser von 0, 01 – 0, 27 mm auf . Die Makroporen sorgen dafür, dass das zu reinigende Abgas in die Tiefe des Filterwerkstoffes gelangt. Vor und in den Mikroporen werden die Feinstpartikel abgeschieden bzw. adsorbiert und durch die Kapillarwirkung der Mikroporen werden besonders die flüssigen Komponenten gespeichert.
Damit die abgeschiedenen Abgasanteile den Filter nicht verstopfen, ist seine Regenerierung sicherzustellen. Bei ausreichender Erwärmung des Metallschaums durch das warme Abgas zündet der Ruß und verbrennt. Da die Wärmeleitfähigkeit von Metallschaum gegenüber Keramikfiltern deutlich besser ist, erreichen die Metallschaumfilter schneller die erforderliche Zündtemperatur. Dadurch brennt der Ruß ab, noch bevor sich eine dicke Rußschicht aufgebaut hat, die das Strömungsverhalten des Abgases beeinträchtigen und zu besonders hohen und damit nachteiligen Temperaturen beim Abbrennen führen würde.
Durch Zugabe von Manganpulver bzw. Manganoxiden, Chromoxiden bzw. unlegiertem Eisenpulver, und anderen, weiter unten genannten Katalysatoren in die Suspensionsmischung, den Schlicker, bei der Herstellung des Metallschaums lassen sich statistisch verteilt Oxidationskatalysatoren in der Matrix des Filterwerkstoffs integrieren, die die Zündtemperatur des Rußes von etwa 500 °C deutlich herabsetzen auf etwa 300 °C bis 350 °C und gleichzeitig Kohlenmonoxidanteile oxidieren.
Auch ist es vorteilhaft, die bei der Herstellung des Metallschaums als Suspensionsstabilisatoren verwendeten Schichtsilikate mit in den Schlicker eingebrachten pulverförmigen Zeolithen so zu kombinieren und anzureichern, dass beim Sintern des Metallschaums feinporige Katalysatorzonen in der Stahlschaummatrix entstehen. Zeolithe sind kristalline, hydratisierte Alumosilikate mit Gerüststruktur, bei denen näherungsweise zwei von sechs Siliciumatome im SiO₂-Gerüst durch Aluminium substituiert sind. In ihnen liegen Polyeder, Schichten oder Ketten aus eckenverknüpften [(Al,Si)O₄]-Tetraedern vor, die zu einem porenreichen Raumnetzwerk verbunden sind. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Betriebstemperaturen gespeicherte Kohlenwasserstoffe teilweise cracken und NO_X teilweise zu N₂ reduzieren.
Der erfindungsgemäße offenporige Stahlschaumfilterwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass er

– durch den SRFS-Prozess hergestellt wurde und
– hitze- und korrosionsbeständig, beispielsweise aufgrund der oben angegebenen Zusammensetzung, ist,
– Porengröße und -verteilung sich gemäß den Erfordernissen der Abgaszusammensetzung beim Herstellprozess einstellen lassen,
– das Speichervolumen durch die Verteilung der Makro- und Mikroporen beim Schäumen gezielt angepasst werden kann,
– sehr regenerationsaktiv durch sein schnelles Aufheizverhalten aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit beim Wärmetausch des Abgases ist,
– Oxidationskatalysatoren (insbesondere Mn/Mn-Oxide und/oder Fe/Fe-Oxide und/oder Cr/Cr-Oxide) an der Oberfläche des offenporigen Metallschaums zur Nachverbrennung des Rußes enthält,
– Zeolith-Katalysatoren zum Cracken der Kohlenwasserstoffe und zum Reduzieren der Stickoxide als Inseln innerhalb der Metallschaumstruktur aufweist,
– sich mechanisch leicht bearbeiten und fügen lässt und
– in der Zellenstruktur aufeinander abgestimmte Filterscheiben sich stufenweise in Reihe, also hintereinander, schalten lassen.

Das katalytisch wirksame Material besteht vorteilhaft aus einem Metalloxid oder mehreren Metalloxiden der Gruppen Ib, Vb, VIb, VIIb oder der Fe-Gruppe des periodischen Systems, vorzugsweise aus einem der Kupfer-, Eisen-, Mangan-, Kobalt- oder Chromoxide, insbesondere Vanadiumpentoxid, sowie gegebenenfalls einer Alkali- oder Erdalkalimetallverbindung, vorzugsweise Kaliumcarbonat, als Aktivator. Besonders vorteilhaft finden hierbei Mischoxide oder Spinelle des Kupfers, Chroms und Mangans, insbesondere Kupferchromit oder Kupfermanganit Verwendung, denen Eisenoxid und Kobaltoxid in einer Menge von jeweils bis zu 10 Gew.-% und eine Alkali- oder Erdalkaliverbindung, insbesondere Kaliumcarbonat oder Bariumcarbonat, in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des katalytisch wirksamen Materials beigemischt ist. Zur Bildung der Spinelle enthält das katalytisch wirksame Material hierbei vorteilhaft Kupferoxid und Chromoxid in einer Menge bis zu je 40 Gew.-%, Kobaltoxid in einer Menge bis zu 20 Gew.-% sowie Eisen-(III)-oxid in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, bezogen jeweils auf die Gesamtmenge der katalytisch wirksamen Substanz.
Die für den pulvermetallurgisch hergestellten Metallschaum eingesetzte Legierung ist vorzugsweise ein leicht- bis mittellegierter Stahl. Ein Beispiel für eine vorteilhafte Zusammensetzung findet sich weiter oben. Bei einem Gehalt von etwa 4 % Silicium gibt es bei der konventionellen Herstellung eines solchen Stahles, welcher die Eigenschaften eines Federstahles hat, Probleme durch Seigerung, nämlich durch die Entmischung im Verlaufe des Gießens und Erstarrens. Bei der pulvermetallurgischen Herstellung tritt dieses Problem nicht auf, da das Pulver eine mittlere Korngröße von etwa 50 μm hat und bei der Herstellung durch Verdüsen der Metallschmelze in Wasser fast augenblicklich und vollständig abkühlt und erstarrt, so dass eine ungleichmäßige Zusammensetzung des Pulverkorns nicht möglich ist.
Die Erfindung ist jedoch nicht eingeschränkt auf Metallschäume, die aus wasserverdüstem Pulver hergestellt worden sind. Das zur pulvermetallurgischen Herstellung des Metallschaums eingesetzte Pulver kann auch auf andere Weise hergestellt sein.
Der erfindungsgemäße Abgasfilter eignet sich für die unterschiedlichsten Motorenbauarten, für unterschiedliches Fahrverhalten, zum Beispiel in der Stadt mit häufigen Leerlaufphasen, für Kurzstreckenfahrten, für Langstreckenfahrten, für Autobahnfahrten, usw. sowie für unterschiedliche Dieselqualitäten, die bekanntlich von Land zu Land stark variieren. Die hohe Hitze- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Abgasen lässt sich durch die praktisch frei wählbare Legierungszusammensetzung erreichen, wobei die freie Wählbarkeit insbesondere aufgrund der pulvermetallurgischen Herstellung möglich ist.
Im Folgenden wird das Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen des Schaumkörpers näher erläutert, wobei man eine Aufschlämmung aus einem Metallpulver oder Metallegierungspulver, einem Dispergiermittel und einem Binde mittel in eine offenporige Form gibt, entwässert und den erhaltenen Formkörper sintert.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 195 35 444 A1 des Anmelders sowie aus der DE 197 16 514 C1 des Anmelders bekannt. Auf den Inhalt dieser Dokumente wird zum Zwecke der Ergänzung der Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen. Das Metallpulver bzw. Metallegierungspulver hat in der Regel eine Korngröße von weniger als 200 μm. Es kann durch Druckwasserverdüsung hergestellt sein. Dabei trifft ein Strahl der Metallschmelze auf einen mit Hochdruck aus einer Düse austretenden Wasserstrahl und wird von diesem in feinste Teilchen zerlegt.
Das in der üblicherweise wässrigen Aufschlämmung enthaltene Dispergiermittel, das auch Peptisator oder Suspensionshilfsmittel genannt wird, dient zur Aufrechterhaltung einer stabilen, gießfähigen Suspension des Metallpulvers. Das Dispergiermittel verhindert die Sedimentation und Koagulation.
Von der Suspension wird außer der Stabilität eine ausreichende Fließfähigkeit bzw. Pumpfähigkeit gefordert. Suspensionen sind allerdings in der Regel nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, die keine Proportionalität zwischen der Scherspannung und Scherrate zeigen. Die Scherrate steigt mit zunehmender Scherspannung progressiv an, so dass bei zunehmender Scherspannung das Medium verstärkt fließt. Dieser Effekt ist auch unter dem Begriff Thixotrophie und pseudoplastisches oder quasiplastisches Fließen bekannt.
Die Forderungen nach einer ausreichenden Stabilität und Fließfähigkeit der Metallpulversuspensionen, die für das pulvermetallurgische Druckgießen eingesetzt werden sollen, werden insbesondere durch Dispergiermittel mit ausgeprägten polaren Eigenschaften und einer benetzenden Wirkung sowie gegebenenfalls durch zusätzliche Additive mit verflüssigender Wirkung erfüllt. Als Beispiele für Disper giermittel bzw. zusätzliche Additive seien Phosphorsäuren und Phosphate, Borsäuren und Borate, Silicate, Alginate, Oxalate, Acrylate, Amine, Sulfosuccinate, Albamin, Gelatine, Kokosfettsäurederivate, Alkylphenolpolyglykoletherphosphat genannt.
Oft wird eine Mischung aus verschiedenen Peptisatoren für die Suspensionsherstellung eingesetzt. Neben der Verflüssigungswirkung lassen sich mit einigen Peptisatoren weitere erwünschte Effekte erzielen:
Phosphorsäure dient bei korrodierenden Eisenwerkstoffen zum Abbeizen der Oxidschicht. Das dabei entstandene Eisenphosphat ist ein wirkungsvoller Binder, der nach der Formgebung für die schnelle Erhärtung beim Trocknen und Sintern der Gießlinge sorgt.
Borsäure reinigt bei korrosionsbeständigen Edelstählen die Oberfläche der Metallpulver und baut Sinterhemmungen durch Auflösen der Passivierungschichten ab. Der Lösungsvorgang wird in der analytischen Chemie mit der "Boraxperle" demonstriert. Durch die Bildung von Boraten wird die sogenannte Schocktemperatur erhöht, die als die maximale Temperatur definiert ist, der ein Gießling unmittelbar beim Erwärmen ausgesetzt werden kann, ohne dass er rissig wird oder zerplatzt.
Erforderlich ist meistens ein Bindemittel, das auch Binder genannt wird, um dem Formkörper nach dem Entwässern und nach der Entnahme aus der Form Halt und Gestalt zu sichern. Möglich ist die Zugabe eines separaten Bindemittels in die Aufschlämmung. In vielen Fällen hat jedoch das Dispergiermittel gleichzeitig auch die Eigenschaften eines Bindemittels, beispielsweise im Falle von Phosphorsäure, Phosphat, Borsäure, Borat und vielen anderen Substanzen.
Zur Formgebung wird beim pulvermetallurgischen Druckgießen die offenporige Form mit der wässrigen Gießmasse gefüllt und das Lösungsmittel anschließend von den Feststoffpartikeln stofflich getrennt, bis ein handhabbarer Gießling (Grünling) vorliegt. Die Abtrennung des Lösungsmittels erfolgt vorzugsweise durch den Druck, mit der die Suspension in die Form gefüllt wird, und durch ein anschließendes Anlegen von beispielsweise Pressluft. Dieser Vorgang wird als Druckfiltern bezeichnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich geschäumte Bauteile auch aus hochschmelzenden Metallen herstellen. Die geschäumten Werkstücke sind besonders schall-, schwingungs- und wärmeisolierend. Zusätzlich können die Oberflächen dieser Bauteile und deren oberflächennahen Bereiche schon bei der Herstellung mit besonderen Funktionseigenschaften, zum Beispiel Korrosionsschutz und/oder Verschleißfähigkeit, usw., ausgestattet sein.
Der Begriff "Tensid" ist hier sehr weit gefasst. Darunter fallen sämtliche Substanzen mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen im Molekül.
Das Aufschäumen der Aufschlämmung lässt sich vorzugsweise durch Rühren, aber auch auf andere Weise erreichen, zum Beispiel indem man Luft durch enge Düsen in die Aufschlämmung einbläst oder die Gasentwicklung beim Abbeizen der Oxidhaut auf den Metallpartikeln nutzt. Nähere Informationen zum Abbeizen der Oxidhaut finden sich in der bereits genannten DE 195 35 444 A1 .
Bei der Elektrophorese zur Entwässerung kann mit Gleichspannung oder mit einer Gleichspannung mit überlagertem Wechselspannungsanteil, wie es beispielsweise in der DE 32 34 054 C2 beschrieben wird, gearbeitet werden.
Vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig ist die kombinierte Anwendung von Druck und Elektrophorese auf die in die offenporige Form gefüllte Aufschlämmung von Metallpulver bzw. Metallegierungspulver. Dabei ist die Anwendung von Druck insbesondere zu Beginn des Entwässerungsvorgangs besonders wirksam, wobei aus der noch sehr nassen Aufschlämmung der Hauptteil des Wassers entfernt wird. Während dieses Vorgangs verringert sich der mittlere Abstand zwischen den einzelnen Metallpartikeln, so dass jetzt, bei abnehmender Wirksamkeit des Druckes, die Elektrophorese besonders effektiv für die Entwässerung wird. Beim angelegten elektrischen Gleichfeld werden die elektrisch leitenden Partikel influenziert. Dabei schwächen die an die Partikeloberfläche verschobenen Elektronen den polaren, aus dem Dispergiermittel bestehenden Schutzfilm und entladen ihn, so dass die Metallpartikel koagulieren. Die auf den agglomerierten Teilchen weiterhin vorhandene Influenz beschleunigt die Abscheidung der Partikel. Mit zunehmender Entwässerung verringert sich durch das bereits abgeschiedene elektrisch leitende Metallpulver der Abstand zwischen den angelegten Potentialen, so dass sich das elektrische Feld mit fortschreitender Abscheidung verstärkt.
Die Anwendung der Kombination von Druckgießen und Elektrophorese auf die in die Gießform eingebrachte aufgeschäumte Aufschlämmung ist besonders vorteilhaft.
Gerade zur Herstellung von kompakten, defektfreien und homogenen aufgeschäumten Gießlingen ist die Kombination aus Druckgießen und Elektrophorese vorteilhaft. Für diese Gießlinge ist das bekannte Zentrifugalschlicker- und Spritzgießen nämlich nicht anwendbar, denn die bekannten Verfahren deformieren und zerstören die schaumige Struktur.
Zur Herstellung von Bauteilen aus geschäumtem Metall setzt man vorzugsweise schaumbildende Dispergiermittel ein, die insbesondere gleichzeitig Tenside sind. Als Beispiele seien Kokosfettsäurederivate und Alkylphenolpolyglykoletherphoshat genannt.
Zur gezielten Einstellung der Blasengröße und damit der Porengröße im fertigen Bauteil lässt sich der Schäumungsgrad mit Entschäumern dosiert einstellen. Es wird daher vorgeschlagen, dass man in der Aufschlämmung Entschäumer einsetzt. Derartige Substanzen sind an sich bekannt. Sie bestehen aus hydrophoben Substanzen, zum Beispiel Paraffinen, Ölen oder Wachsen.
Ein besonderer Vorteil wird erreicht, wenn das eingesetzte Metallpulver einen Schmelzpunkt über 1000 °C hat. Bei der pulvermetallurgischen Herstellung solcher hochschmelzender, insbesondere eisenhaltiger Werkstoffe hat die zur Entwässerung benötigte Zeitdauer einen besonders hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens. Mit den genannten Maßnahmen lässt sich die Entwässerungsdauer so stark verkürzen, so dass das pulvermetallurgische Herstellen von eisenhaltigen Gegenständen oder Halbzeug wirtschaftlich in industriellem Maßstab durchführbar ist.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass man die Entwässerung durch gleichzeitige Anwendung von Druck und Elektrophorese durchführt. Bei der Entwässerung unterstützen sich beide Maßnahmen gegenseitig, so dass neben einer erheblich verkürzten Zeitdauer die im Stand der Technik bekannten Probleme mit einer inhomogenen Verteilung von Feuchtigkeit und einer inhomogenen Partikeldichte nicht mehr auftreten.
Vorzugsweise enthält die Aufschlämmung Glasbildner, insbesondere Silicate und/oder Borsäure und/oder Phosphorsäure und/oder Alkalien und/oder Verbindungen dieser Säuren/Basen. Diese Bestandteile haben neben ihrer Wirkung als Dispergiermittel und Bindemittel weitere vorteilhafte Eigenschaften. Während des Entwässerns des Formlings in der Form und eines nachfolgenden Trocknungsvorgangs des aus der Form entnommenen Grünlings wandern diese Bestandteile zur Oberfläche und in den oberflächennahen Bereich des Formlings, so dass man eine Oberflächenbeschichtung mit einem keramischen bzw. glasartigen Material erhält, die wesentlich zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, zum Beispiel der Korrosionsfestigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit usw., beiträgt. Besonders bevorzugt als Glasbildner sind Schichtsilikate. Im Gegensatz zu konventionellen, von außen auf ein Werkstück aufgebrachten Beschichtungen setzt sich die Konzentration dieser glasbildenden bzw. keramischen Bestandteile im Inneren fort und nimmt von außen nach innen allmählich ab. Man erhält also eine Beschichtung, die sich sozusagen graduell in das Innere des Werkstücks fortsetzt. Diese im Nachfolgenden auch gradierte Oberflächenbeschichtung genannte Eigenschaft ist gegenüber herkömmlichen, von außen aufgebrachten Beschichtungen besonders vorteilhaft, da die Oberfläche nach einem Abtrag der äußersten Schicht immer noch den gewünschten hohen Gehalt an keramischen bzw. glasbildenden Bestandteilen hat.
Vorzugsweise setzt man als Dispergiermittel, die auch Dispersionsmittel genannt werden, Substanzen ein, die gleichzeitig als Bindemittel und/oder als Katalysatoren wirken. Dazu zählen zum Beispiel SiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂, ZrO₂, ThO₂ , Y₂O₃ .
Besonders wirtschaftlich ist es, wenn als Gießform eine wiederholt verwendbare Dauerform benutzt wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es außerdem bevorzugt, dass man nicht zusätzliche Elektroden an eine isolierende Gießform anbringt, sondern dass man eine elektrisch leitende, aus porösem Kunststoff bestehende Druckgießform als die eine Elektrode, insbesondere als Anode, einsetzt. Die andere Elektrode, also die Kathode, ist von einem elektrisch isolierenden Mantel umgeben, der vorzugsweise aus Kunststoff, zum Beispiel PVC oder PE, besteht. Beim Entwässern lagern sich dann die Feststoffpartikel an der Innenwand der Gießform an, und das Wasser wandert durch die Wand der Gießform nach außen.
Zum Beispiel können die in der Keramik für die Druckgießformen verwendeten Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Styrol mit mehr als 35 vol.-% Metallpulver gefüllt werden, so dass sie elektrisch leiten.
Alternativ und besonders bevorzugt ist es, wenn man eine poröse metallische Druckgießform als die eine Elektrode, insbesondere als Anode, einsetzt. Diese Druckgießform lässt sich mit dem als "Rapid Prototyping" bekannten Verfahren wirtschaftlich, schnell und in vielfältigen Variationen herstellen. Dazu wird mit einem von einem Computer gesteuerten Laser durch selektives Sintern von Metallpulver eine dünnwandige, offenporige Metallform hergestellt. Die Vorteile liegen in der direkten Umsetzung von der im Computer gespeicherten Konstruktionszeichnung des Bauteils in eine dünnwandige Druckgießform mit hoher Festigkeit, Formtreue und guter Oberflächengüte. Über das Partikelgrößenspektrum der mit dem Laser zu sinternden Metallpulver sind die Kapillaren der Gießformen steuerbar.
Die aus Metall bestehende Druckgießform ermöglicht eine zusätzliche Beschleunigung der Formgebung und der Entwässerung, wenn man die in der Gießform befindliche Aufschlämmung während der Entwässerung auf einer Temperatur oberhalb von 50 °C hält. Die üblichen, aus Kunststoff bestehenden Gießformen sind für solche erhöhten Temperaturen nicht geeignet, da sie bei diesen Temperaturen nicht formstabil bleiben.
Zum Einstellen des pH-Wertes und zur Erniedrigung der Viskosität wird vorgeschlagen, dass die Aufschlämmung neben säureartigen oder salzartigen Glasbildnern zusätzlich Alkali, insbesondere Natronlauge, enthält. Ein weiterer Vorteil dieses Bestandteils in der Aufschlämmung liegt darin, dass er zu den Komponenten der Gläser für die Dispersionsverfestigung gehört.
Durch ein langsames Trocknen des aus der Druckgießform entnommenen Grünlings kann der Aussalzungseffekt und damit die gradierte Oberflächenbeschichtung verstärkt werden. Vorteilhaft ist es daher, wenn man den Formkörper nach der Entnahme aus der Gießform und vor dem Sintern bei etwa Raumtemperatur trocknet.
Ein Schnittbild eines Schaumkörpers für den erfindungsgemäßen Abgasfilter ist in der einzigen 1 dargestellt. Der Schaumkörper hatte eine Dichte von 1,87 g/cm³. Der Anteil der Poren in der Schnittfläche betrug 62,85 %. Festgestellt wurden zwei deutlich differenzierbare Porenfraktionen, nämlich Makroporen mit Durchmessern von 0,01 – 2,38 mm (Primärporen) und Mikroporen mit einem Durchmesser von 0,01 – 0,27 mm (Sekundärporen).

Claims

Abgasfilter für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren und besonders bevorzugt für Pkw-Dieselmotoren, wobei der Abgasfilter ein Tiefenfilterelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefenfilterelement einen Schaumkörper umfasst, der zumindest teilweise aus einem oder mehreren Metallen besteht.
Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper aus Stahl besteht.
Abgasfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Legierung besteht.
Abgasfilter nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ein Stahl mit einem Gehalt von 3 bis 6 % Si und/oder 1 bis 4 % Cr ist.
Abgasfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper, insbesondere in der Matrix des Werkstoffs verteilte, Oxidationskatalysatoren enthält.
Abgasfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper, insbesondere in der Matrix des Werkstoffs verteilte, Zeolithe enthält.
Abgasfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schaumkörper mit unterschiedlichen mittleren Porengrößen in Serie angeordnet sind, wobei die Porengröße in Strömungsrichtung des Abgases abnimmt.
Verwendung eines Schaumkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Filterwerkstoff zum Abscheiden von Schadstoffen aus Abgasen von Verbrennungsmotoren.
Verfahren zum Herstellen eines Abgasfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man den Schaumkörper pulvermetallurgisch herstellt, wobei man eine Aufschlämmung aus einem Metallpulver oder Metalllegierungspulver, gegebenenfalls einem Dispergiermittel, gegebenenfalls einem Bindemittel und einem oberflächenaktiven Mittel (Tensid) aufschäumt, in eine Form gibt, entwässert und den erhaltenen Formkörper sintert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man die Aufschlämmung durch Rühren aufschäumt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man schaumbildende Dispergiermittel einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispergiermittel gleichzeitig Tenside sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Aufschlämmung Entschäumer einsetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Metallpulver einen Schmelzpunkt über 1000 °C hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Entwässerung durch gleichzeitige oder zeitlich nacheinander vorgenommene Anwendung von Druck und Elektrophorese durchführt oder dass man nur Druck oder nur Elektrophorese einsetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschlämmung Glasbildner enthält.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Glasbildner Silicate und/oder Borsäure und/oder Phosphorsäure und/oder Alkalien und/oder Verbindungen dieser Säuren/Basen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man als Dispergiermittel Substanzen einsetzt, die gleichzeitig als Bindemittel und/oder als Katalysatoren wirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass man eine elektrisch leitende, aus porösem Kunststoff bestehende Druckgießform als die eine Elektrode einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass man eine poröse metallische Druckgießform als die eine Elektrode einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass man die Druckgießform als Anode einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass man die in der Gießform befindliche Aufschlämmung während der Entwässerung auf einer Temperatur oberhalb von 50 °C hält.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschlämmung neben säureartigen oder salzartigen Glasbildnern zusätzlich Alkali enthält.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkali Natronlauge eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass man den Formkörper nach der Entnahme aus der Gießform und vor dem Sintern bei etwa Raumtemperatur trocknet.