DE10351882A1

DE10351882A1 - Partikelfiltervorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE10351882A1
Application number: DE2003151882
Authority: DE
Inventors: Thomas Schulte; Christian Schiller; Christelle Oediger; Annika Kristoffersson
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas eines Verbrennungsprozesses mit einem Partikelfilter (12), der eine Poren aufweisende Schaumstruktur (34) besitzt, die Abgas passieren lässt und die Partikel zurückhält. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaumstruktur (34) eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters (12) vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas eines Verbrennungsprozesses mit einem Partikelfilter, der eine Poren aufweisende Schaumstruktur besitzt, die Abgas passieren lässt und die Partikel zurückhält. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters, der einen keramischen Schaum aufweist.
Dabei umfasst der Begriff der Partikel alle Verbindungen, die im Filter Rückstände bilden. Dazu gehören Russ, Aschen aus dem Motoröl, schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe sowie insbesondere schwefelhaltige Substanzen.

Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der EP 501 138 bekannt.

Mit Blick auf weiter steigende Anforderungen an die Verringerung der Stickoxidemission und der Partikelemission in Abgasen von Verbrennungsprozessen im Allgemeinen und mit Blick auf weiter sinkende Grenzwerte für die genannten Emissionen von Dieselmotoren im Besonderen ist es sehr wahrscheinlich, dass die künftigen Grenzwerte nur mit nachmotorischen Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung zu unterschreiten sind. So wird zum Beispiel bei Abgasen eines Dieselmotors eine Partikelabscheidung von mehr als 90% der Rohemissionen und ein nachfolgende Verbrennung der abgeschiedenen Partikel angestrebt.

Für das Erreichen der angestrebten Werte sind Filtersysteme besonders vorteilhaft, die Partikel aus dem Abgas ausfiltern. Dabei liegt die Herausforderung nicht in der Filterung selber, da viele kommerziell erhältliche Partikelfilter eine Abscheidung von mehr als 99% ermöglichen, sondern in dem dauerhaften und effizienten Einsatz des Filters ohne eine Verminderung der Motorleistung. Als Filtermaterialien sind Monolithe aus Cordierit (siehe z.B. Fa. Corning, Fa. NGK) oder SiC (siehe z.B. Fa. Ibiden, Fa. NGK), Metallfasern und auch Schaumkeramiken aus SiC, ZrO₂ oder bekannt. So schlägt die eingangs genannte EP 501 138 z.B. Al₂O₃ als Filtermaterial vor.

Schaumkeramiken besitzen, wegen einer Tiefenfiltrationswirkung, gegenüber Monolithen den Vorteil eines besseren Kontaktes mit dem Ruß. Manchmal wird auch der geringere Druckverlust im Vergleich zu Monolithen genannt. Jedoch ist der geringere Druckverlust bekannter Schaumkeramiken mit einem geringeren Filterwirkungsgrad (25 bis 60 %) verbunden, was für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug zu niedrig ist. Für eine Anwendung als DPF (Dieselpartikelfilter) werden Filterwirkungsgrade von über 90% bei möglichst geringen Druckverlusten gefordert. Darüber hinaus muss das Material thermoschockbeständig sein.

Im Verlauf der Filterung sammeln sich im Filter zunehmend Partikel an und bilden Rückstände, die den Strömungswiderstand des Partikelfilters erhöhen.

Um diese Rückstände von Zeit zu Zeit wieder zu entfernen, ist aus heutiger Sicht eine thermische Regeneration des Partikelfilters erforderlich. Dies gilt auch für Partikelfilter, die mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind. Bis jetzt wird eine Regeneration bei Partikelfiltern im Abgas von Verbrennungsmotoren durch eine Anhebung der Abgastemperatur auf Werte im Bereich 500–650°C ausgelöst, die durch motorische Maßnahmen erfolgt. Alternativ kann die Temperatur des Partikelfilters durch eine katalytische Kraftstoffnachverbrennung von Kohlenwasserstoffen, die im Partikelfilter oder einem vorgeschalteten Katalysator erfolgt, erhöht werden. Die für eine Regeneration durch eine Verbrennung akkumulierter Rückstände erforderliche Temperatur kann durch Kraftstoffadditive oder eine katalytische Beschichtung des Filters herabgesetzt werden.

Abgastemperaturerhöhungen verschlechtern jedoch den thermodynamischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und erfordern umfangreiche Eingriffe in die Motorsteuerung, um zum Beispiel Drehmomentschwankungen, die durch die Wirkungsgradänderung induziert werden, zu kompensieren. Kohlenwasserstoffzugaben zum Abgas erhöhen den Verbrauch und sind aus diesem Grund unerwünscht, wenn sich Alternativen ergeben. Die Zugabe von Additiven ist aufwendig und häufig unbequem für einen Fahrer, der zum Beispiel Additive getrennt nachtanken muss. Eine zum Abgas erfolgende Dosierung ist konstruktiv aufwendig und wegen der Gefahr von Rückstandsbildungen im heißen Ende des Dosiersystems fehleranfällig.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas eines Verbrennungsprozesses mit einem Partikelfilter mit einer Schaumstruktur sowie in der Angabe eines Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters mit einer keramischen Schaumstruktur, die einen Filterwirkungsgrad aufweist, die für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausreichend hoch ist und die sich einfach regenerieren lässt, ohne den thermodynamischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schaumstruktur eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zunächst eine Pulvermischung von metallischen Verbindungen gebildet wird, die bei einem Reaktionssintern in der Gegenwart von Luft ein Metalloxid, beispielsweise mit der Struktur eines Spinells bilden, dass eine Partikelfilterstruktur durch Pressen oder Extrudieren der gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit vermengten Pulvermischung in eine gewünschte Form geformt wird, und dass die gebildete Partikelfilterstruktur in Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre wärmebehandelt wird, wobei das Mischungsverhältnis der metallischen Verbindungen und/oder Werte von Parametern der Wärmebehandlung so vorbestimmt sind, dass nicht alle metallischen Bestandteile oxidiert werden sondern dass metallische Bestandteile in metallischer Form über die Keramik verteilt in einer Menge erhalten bleiben, die eine elektrische Leitfähigkeit über den Filter ergeben.

Vorteile der Erfindung

Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials ermöglicht durch Treiben eines Heizstroms durch das Material ein direkt erfolgendes, gezieltes Hochheizen, bevorzugt zu Temperaturen von ca. 600°C, wenn die Regeneration notwendig ist. Die Wärme wird optimal verteilt und ist insbesondere an der Kontaktstelle zwischen der Schaumstruktur und den Partikelrückständen vorhanden. Das Material ist temperaturstabil und thermoschockbeständig, so dass eine einfachere Regenerationsführung möglich ist.

Es ist bevorzugt, dass die Schaumstruktur katalytisch wirkende Eigenschaften besitzt, die eine Rußoxidation und/oder eine NOx-Minderung fördern.

Das Material kann sowohl als Filter als auch als Katalysator verwendet werden. Entweder weist das Material selber die geeignete katalytische Aktivität auf, was durch Zugabe aller notwendigen Komponenten während der Herstellung erreicht werden kann, oder es wird nachträglich behandelt, vorzugsweise imprägniert.

Ferner ist bevorzugt, dass die Schaumstruktur eine in Strömungsrichtung der Abgase abnehmende Porengröße aufweist.

Durch diese Ausgestaltung wird die Porosität des Schaums gezielt dahingehend optimiert, dass der Filterwirkungsgrad so hoch wie notwendig ist und der Abgasgegendruck relativ gering bleibt. Dafür können mehrere Herstellungsverfahrens kombiniert werden.

Bevorzugt ist auch, dass der Schaum auf einem Filterträger angeordnet ist.

Die Anordnung des Schaums auf einem Filterträger, beispielsweise auf einer metallischen Trägerstruktur, alternativ aber auch auf einer keramischen, elektrisch nicht leitfähigen Trägerstruktur, erlaubt eine Optimierung der Filtereigenschaften ohne Rücksicht auf besondere Anforderungen an die Festigkeit der Schaumstruktur, da die notwendige strukturelle Festigkeit von der Trägerstruktur bereitgestellt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Filter verschiedene, in einem Abgasstrang hintereinander angeordnete Teilvolumina aufweist, die jeweils vollständig mit Schaum gefüllt sind und wobei die Schäume der Teilvolumina unterschiedliche Porengrößen besitzen.

Durch diese Anordnung werden zunächst große und mit zunehmender Eindringtiefe des Abgases in den Filter auch kleinere Partikel aus dem Abgas herausgefiltert. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Anordnung einen guten Kompromiss zwischen den gegensätzlichen Forderungen an eine gute Filterwirkung und an einen geringen Strömungswiderstand der Filteranordnung liefert.

Bevorzugt ist ferner, dass der Schaum als selbsttragende Monolithstruktur mit wechselseitig verschlossenen Kanälen realisiert ist, wobei die Monolithstruktur verschiedene Teilvolumina in Form von Schichten aufweist, die sich bevorzugt, aber nicht obligatorisch, in ihrer Porengröße unterscheiden.

Durch diese Ausgestaltung wird dem Abgas eine größere Eintrittsfläche und eine größere Austrittsfläche aus der Filteranordnung zur Verfügung gestellt. Dieses Merkmal erlaubt eine weitere Verringerung des Strömungswiderstandes. Dabei bleibt die Filterwirkung nicht zuletzt wegen der seriellen Schichtanordnung mit verschiedenen Porengrößen ausreichend hoch.

Weiter ist bevorzugt, dass ein Teilvolumen mit kleinerer Porengröße eine geringere räumliche Ausdehnung besitzt als ein Teilvolumen mit einer größeren Porengröße.

Der Strömungswiderstand einer Anordnung sinkt mit zunehmender Porengröße und steigt mit zunehmendem Volumen. Daher erlaubt dieses Merkmal eine Anpassung der Strömungswiderstände der Teilvolumina aneinander und/oder an Forderungen an den Gesamtströmungswiderstand bei insgesamt gutem Filterwirkungsgrad.

Bevorzugt ist auch, dass eine maximale Porengröße 20 Mikrometer beträgt.

Es hat sich gezeigt, dass gerade dies Porengröße in Verbindung mit einer seriellen Anordnung der Filtervolumina bei einer Anwendung im Abgas eines Dieselmotors einen hohen Filterwirkungsgrad bei vertretbarem Strömungswiderstand ergibt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung eine Heizstromquelle und ein Steuergerät aufweist, dass einen Heizstromfluss durch die elektrisch leitfähige Schaumstruktur steuert.

Diese Ausgestaltung erlaubt eine bedarfsgerechte Steuerung der Regeneration des Partikelfilters ohne dass dabei Einbußen des thermodynamischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors oder die mit einer Additivzugabe oder Kraftstoffzugabe zum Abgas verbundenen Nachteile auftreten.

Dabei ist das Steuergerät bevorzugt ein für die Motorsteuerung ohnehin vorhandenes Steuergerät, das aus den für die Motorsteuerung erforderlichen Stellgrößen oder anderen im Steuergerät vorliegenden Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder des Partikelfilters auch den Beladungszustand des Partikelfilters mit Partikeln modellieren kann und damit eine bedarfsgerechte Regeneration steuern kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ersten Ausgestaltung eines Partikelfilters;
2 eine zweite Ausgestaltung eines Partikelfilters;
3 eine dritte Ausgestaltung eines Partikelfilters; und
4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 bezeichnet die Ziffer 10 einen Verbund aus einer geschäumten Struktur eines Partikelfilters 12, der in einen Abgas führenden Leitungsabschnitt 14 eines Abgassystems eines Verbrennungsprozesses eingebettet ist. Dabei handelt es sich bevorzugt um das Abgassystem eines Dieselmotors. Die Ziffer 16 gibt die Strömungsrichtung des Abgases an.
Der Partikelfilter 12 nach der 1 besteht vollständig aus einem porösem Schaum, wobei die Porosität entlang des Partikelfilters 12 variabel sein kann. Bei einer variablen Porosität wird der Partikelfilter bevorzugt so angeordnet, dass die Porengröße in der Richtung 16 des strömenden Abgases abnimmt. Für eine Anwendung im Abgas eines Dieselmotors hat es sich als günstig herausgestellt, dass die maximale Porengröße 20 Mikrometer beträgt.
Dabei kann die Veränderung stetig erfolgen. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung wird der Partikelfilter 12 jedoch bevorzugt aus mehreren, in Strömungsrichtung 16 der Abgase hintereinander angeordneten Teilvolumina aufgebaut, die jeweils eine feste, aber voneinander abweichende Porengröße aufweisen. In der Ausgestaltung nach der 1 sind Teilvolumina 18, 20 und 22 hintereinander angeordnet.
Dabei besitzt das erste Teilvolumen 18 bevorzugt eine größere Porengröße, das zweite Teilvolumen 20 eine mittlere Porengröße und das letzte Teilvolumen 22 eine kleinere Porengröße vom max. 20 Mikrometern. Dabei werden die Teilvolumina bevorzugt mit zunehmender Eindringtiefe des Abgases schmaler. Insbesondere das letzte Teilvolumen 22 ist bevorzugt mit kleinerer Schichtdicke als die übrigen ausgeführt. Damit wird ein Anstieg des mit kleiner werdenden Poren größer werdenden Strömungswiderstandes begrenzt.
Die geometrischen Abmessungen können zum Beispiel so festgelegt werden, dass die Teilvolumina 18, 20 und 22 jeweils etwa den gleichen Strömungswiderstand aufweisen. Dadurch kann ein optimaler Kompromiss zwischen einem möglichst hohen Filterwirkungsgrad und einem vertretbaren Strömungswiderstand erzielt werden. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine serielle Anordnung von drei Teilvolumina 18, 20 und 22 beschränkt ist und auch mehr oder weniger Teilvolumina aufweisen kann. Wesentlich ist, dass der gesamte Partikelfilter 12 so ausgelegt wird, dass der Abgasgegendruck möglichst gering ist.
Zur Regeneration wird der Partikelfilter 12 elektrisch aufgeheizt. Dafür ist wesentlich, dass die Schaumstruktur des Partikelfilters 12 noch Metallstrukturen 24 aus Resten der vor einer Wärmebehandlung in einem Herstellungsprozess vorhandenen Metalle oder Legierungen aufweist, die bei der Herstellung nicht oxidiert worden sind. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Herstellungsverfahrens wird weiter unten noch beschrieben.
Die Metallstrukturen 24 ergeben geschlossene Strompfade innerhalb des Partikelfilters 12, über die ein Heizstrom aus einer gesteuerten Stromquelle 26 fließen kann. Die Steuerung erfolgt zum Beispiel über getaktetes Öffnen und Schließen eines Schalters 28, der durch ein Steuergerät 30 gesteuert wird. Bei dem Steuergerät 30 handelt es sich bevorzugt um das für eine Steuerung eines Dieselmotors ohnehin vorhandene Motorsteuergerät. Die Regeneration des Partikelfilters 12 erfolgt dabei in Abhängigkeit von seinem Beladungszustand mit Partikeln. Die Kontaktierung des Partikelfilters 12 und damit der Metallstrukturen erfolgt bevorzugt, abweichend von der Darstellung der 1, am gegenüberliegenden Stellen des Querschnitts des Partikelfilters 12. In der 1 ist eine Kontaktierung am Anfang und am Ende des Partikelfilters 12 dargestellt.
Dieser Beladungszustand kann zum Beispiel durch eine Messung des Druckabfalls über dem Partikelfilter 12 erfasst werden. Ein regenerierter Partikelfilter 12 weist einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand und Druckabfall auf, während der Druckabfall mit zunehmender Rückstandsbildung im Partikelfilter 12 ansteigt. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes löst das Steuergerät 30 eine Regeneration durch eine Aufheizung aus. Alternativ kann die Beladung des Partikelfilters 12 auch aus Betriebsparametern des Dieselmotors, beispielsweise aus Werten für die Summe der eingespritzten Kraftstoffmasse modelliert werden, die im Steuergerät 30 vorliegen.
Dabei kann die Temperatur des Partikelfilters 12 über einen Temperatursensor 32 im Partikelfilter 12 gemessen werden. Alternativ kann das Steuergerät bei Heizstrompulsen auch den Spannungsabfall über dem Partikelfilter 12 erfassen und daraus auf die Temperatur des Partikelfilters 12 schließen.
Alternativ zu einem Partikelfilter 12, der nur aus vollständig mit einem porösen Schaum gefüllten Teilvolumina 18, 20, 22 besteht, kann eine Schaumstruktur 34 mit den Merkmalen der Erfindung, also einer durchgehenden elektrischen Leitfähigkeit, auch auf einen Filterträger 36 aufgebracht werden, wie es in der 2 dargestellt ist. Wegen der Leitfähigkeit wird der Schaum bevorzugt ohne räumliche Unterbrechung aufgebracht.
Der Filterträger 36 kann ein herkömmlicher Partikelfilter mit wechselseitig verschlossenen Kanälen 38, 40, 42, 44 sein, die durch poröse Wabenstrukturen des Filterträgers 36 getrennt sind. Dabei kann die Beschichtung mit dem Schaum 34 nur auf der dem Abgasstrom zugewandten Seite, also dem Eingang des Partikelfilters 12 erfolgen. Alternativ kann der Filterträger 36 sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig mit dem Schaum 34 beschichtet sein.
Als weitere Alternative kann der Partikelfilter 12 auch als selbsttragende Monolithstruktur mit wechselseitig verschlossenen Kanälen 48, 50, 52 realisiert sein, wobei die Monolithstruktur verschiedene Teilvolumina in Form von Schichten 54, 56, 58 aufweist, die sich in ihrer Porengröße unterscheiden.
Im folgenden wird unter Bezug auf die 4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Partikelfilters erläutert.
Zunächst wird in einem Schritt 60 eine Pulvermischung aus Aluminiumlegierung (AlMg₅) und MgO hergestellt. Diese Mischung hat eine derartige Zusammensetzung, dass bei der Oxidation während des Reaktionssinterns eine Spinellphase (MgAl₂O₄) entsteht.
Spinell ist ein Material für Oxidkeramiken, wobei in der Formel MgAl₂O₄ (dem eigentlichen Spinell) das MgO auch durch andere Oxide ersetzt werden kann. Analog kann das Al₂O₃ durch andere Metalloxide ausgetauscht werden. Der reine Spinell MgAl₂O₄ kann durch Erhitzen entsprechender Mengen von MgO und Al₂O₃ auf ca. 1600°C hergestellt werden.
Für die Herstellung eines Partikelfilters besteht die Pulvermischung beispielsweise aus 25 g der Legierung AlMg₅, Legierung Ecckart Mepura, mit einer Partikelgrösse von 45 Mikrometer, und 15.66 g MgO mit einer Partikelgröße von 4 Mikrometern. Diese Mischung wird in einem Schritt 62 mit einer geeigneten Flüssigkeit, bspw. einem Alkohol wie Ethanol, durch einen Rührer vermengt, und anschließend wird die Flüssigkeit in einem Schritt 64 teilweise oder vollständig verdampft. Die verbleibende Pulvermischung kann durch eine Formpressung geformt werden. Alternativ wird aus der Mischung erst ein Schlicker, eine Extrudiermasse oder eine Spritzgussmasse gebildet, die anschließend durch einen Gießvorgang, eine Extrusion oder ein Spritzgießen in die gewünschte Form gebracht wird (Schritt 66).
Nach der Formgebung wird das Partikelfilter-Vorprodukt in einem Schritt 68 zum Beispiel mit dem folgenden folgendem Programm wärmebehandelt. Zunächst erfolgt ein Aufheizen von Raumtemperatur bis zu 500°C mit einer Aufheizrate von zwei K/min. Daran schließt sich ein weiteres Aufheizen mit einer kleineren Aufheizrate von einem K/min bis auf eine Temperatur von 500–700°C und ein nochmals langsameres Aufheizen auf eine Temperatur von 700–1000°C mit einer Rate von einem halben K/min an. Bei 1000°C wird das Vorprodukt zwei Stunden gehalten und anschließend mit einer Rate fünf K/min bis zur Raumtemperatur heruntergekühlt.
Die Temperaturbehandlung erfolgt in Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre. Durch die Dauer der Prozessführung und die Wahl der maximalen Temperatur ist der Oxidationsgrad einstellbar. Auch andere Materialien können prinzipiell mit dieser Methode hergestellt werden. So sind zum Beispiel Cordierit, Mullite, Al₂O₃, Al₂TiO₅ und Verbundwerkstoffe realisierbar, die aus Al₂O₃ und Spinellen bestehen.
Als Metall oder Legierung aus Metallen kommen im Prinzip beliebige metallische Verbindungen in Frage. Bevorzugt werden jedoch Metalle in reiner Form oder als Legierungen verwendet, die während der abschließenden Temperaturbehandlung keramische Verbindungen bilden. Besonders bevorzugt werden Substanzen, die Oxidkeramiken wie Spinelle bilden.
In einer Ausgestaltung eines Herstellungsverfahrens können auch mehrere Metalle oder Legierungen vermischt werden. Dabei kann es bei der Wärmebehandlung zur Ausbildung verschiedener oxidischer Phasen oder aber von Mischoxiden kommen. Je nach Wahl der Temperaturführung sowie der maximalen Temperatur kann es zu einem vollständigen Umsatz der Ausgangsstoffe in Oxide kommen, so dass ein rein keramischer Filter entsteht, oder es verbleiben Reste des Metalls oder der Legierung in metallischer Form. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass die Prozessparameter, die Vorprodukte und die Mischungsverhältnisse so gewählt werden, dass sich die Metalle oder Legierungen so in der Keramik verteilen, dass sich eine metallische Leitfähigkeit ergibt, die sich über den fertigen Partikelfilter erstreckt.
Dabei muss selbstverständlich sichergestellt sein, dass das Metall oder die Legierung eine thermische Stabilität aufweist, die für eine Anwendung im Abgas eines Verbrennungsmotors oberhalb einer für die Regeneration notwendigen Temperatur ausreicht. Die Auswahl der Ausgangsstoffe beschränkt sich damit auf Verbindungen mit einem Schmelzpunkt von mehr als 600°C, insbesondere mehr als 900°C.
Zusätzlich kann in den Filter eine katalytisch aktive Komponente eingebracht werden. Dazu kann zum Beispiel eine geeignete Ausgangsverbindung gewählt werden. Als Bestandteile einer solchen Verbindung sind zum Beispiel die Elemente der achten Nebengruppe des Periodensystems wie Platin oder Rhodium geeignet. Alternativ kann der Partikelfilter nachträglich mit einer katalytischen Schicht versehen werden, beispielsweise durch einen sogenannten Wash-Coat. Derartige nachträgliche Beschichtungen sind im Bereich der Katalyseforschung per se bekannt.

Claims

Vorrichtung zum Entfernen von Partikeln aus dem Abgas eines Verbrennungsprozesses mit einem Partikelfilter (12), der eine Poren aufweisende Schaumstruktur (34) besitzt, die Abgas passieren lässt und die Partikel zurückhält, dadurch gekennzeichnet, das die Schaumstruktur (34) eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur (34) katalytisch wirkende Eigenschaften besitzt, die eine Rußoxidation und/oder eine NOx-Minderung fördern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur (34) eine in Strömungsrichtung der Abgase abnehmende Porengröße aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur (34) auf einem Filterträger (36) angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (12) verschiedene, in einem Abgasstrang hintereinander angeordnete Teilvolumina (18, 20, 22) aufweist, die jeweils vollständig mit Schaum gefüllt sind und wobei die Schäume der Teilvolumina(18, 20, 22) unterschiedliche Porengrößen besitzen.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur (34) als selbsttragende Monolithstruktur mit wechselseitig verschlossenen Kanälen (48, 50, 52) realisiert ist, wobei die Monolithstruktur verschiedene Teilvolumina in Form von Schichten (54, 56, 58) aufweist, die sich in ihrer Porengröße unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilvolumen mit kleinerer Porengröße eine geringere räumliche Ausdehnung besitzt als ein Teilvolumen mit einer größeren Porengröße.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porengröße maximal 20 Mikrometer beträgt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Heizstromquelle (26) und ein Steuergerät (30) aufweist, dass einen Heizstromfluss durch die elektrisch leitfähige Schaumstruktur (34) steuert.
Verfahren zur Herstellung eines Partikelfilters (12), der eine keramische Schaumstruktur (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Pulvermischung von metallischen Verbindungen gebildet wird, die bei einem Reaktionssintern in der Gegenwart von Luft ein Metalloxid, insbesondere ein Metalloxid mit einer Spinellstruktur bilden, Formen einer Partikelfilterstruktur durch Pressen oder Extrudieren der gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit vermengten Pulvermischung in eine gewünschte Form, und Wärmebehandeln der gebildeten Partikelfilterstruktur in Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre, wobei das Mischungsverhältnis der metallischen Verbindungen und/oder Parameter der Wärmebhandlung so vorbestimmt sind, dass nicht alle metallischen Bestandteile oxidiert werden sondern dass solche Bestandteile in metallischer Form über die Keramik verteilt in einer Menge erhalten bleiben, die eine elektrische Leitfähigkeit über den Filter ergeben.