DE202004021782U1

DE202004021782U1 - Partikelfilter umfassend eine metallische Faserlage

Info

Publication number: DE202004021782U1
Application number: DE202004021782U
Authority: DE
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2014-01-10
Also published as: JP2007517645A; EP1702143A1; WO2005066469A1; CN1918368A; US20070006556A1; KR20060103468A; RU2006128789A; RU2364732C2; DE102004001417A1

Abstract

Partikelfilter (1) aus einen Mantel (2) und wenigstens einem Körper (3), der mindestens eine metallische Faserlage (4) umfasst, wobei diese so angeordnet ist, das eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege (5) durch den Körper (3) gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage (4) eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 bis 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/Km²] hat, bevorzugt von mehr als 750 J/Km², besonders bevorzugt von mehr als 1000 J/Km².

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter umfassend einen Mantel und einen Körper, wobei der Körper mit mindestens einer metallischen Faserlage gebildet ist. Die Faserlage ist so im Körper angeordnet, dass Strömungswege durch den Körper hindurch gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer aufweisen.
Grundsätzlich unterscheidet man bei Partikelfiltern, die beispielsweise in Abgasanlagen mobiler Verbrennungskraftmaschinen (Ottomotor, Dieselmotor, etc.) eingesetzt werden, in „offene” und „geschlossene” Systeme. „Offene” Systeme weisen in der Regel frei durchströmbare Strömungswege auf, wobei Beruhigungs- und/oder Verwirbelungszonen bereitgestellt sind, die eine Bewegung von Partikeln hin zu den, die Strömungswege begrenzenden, Wänden bewirken. Gleichzeitig soll auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass die im Abgas befindlichen Partikel mit den Reaktionspartnern, die über die Wände der Strömungswege bzw. das Abgas selbst bereitgestellt werden, in Kontakt kommen und so eine Umwandlung der Partikel in unschädliche Bestandteile stattfindet. Beispiele für derartige offene Systeme gehen aus der DE 201 17 873 U1 oder der WO 03/038248 A1 hervor.
Partikelfilter nach dem „geschlossenen” System weisen in der Regel wechselseitig verschlossene Strömungswege auf, so dass zumindest ein einmaliger Durchtritt von Abgasteilströmungen durch eine Wand der Strömungswege erfolgt. Hierzu sind bekanntermaßen Dichtungselemente bzw. Strömungsbehinderer an dem Eintritt bzw. dem Austritt der Strömungswege positioniert, es ist zudem auch bekannt, solche Elemente im Inneren der Strömungswege vorzusehen. Die Wände der Strömungswege sind zum Beispiel aus einer porösen Masse gebildet, die überwiegend keramischer Natur ist.
Es sind auch „geschlossene” Systeme bekannt, wobei das Filtermaterial eine metallische Faserlage darstellt. Eine solche Anordnung geht beispielsweise aus der EP 0 764 455 B1 hervor. Bei dem dort beschriebenen Filter zur Abscheidung von Rußpartikeln aus Abgasen wird eine metallische Faserlage in einem Gehäuse so angebracht, dass der Abgasstrom diese einmal durchdringt. Neben flächigen bzw. wellenförmigen Anordnungen, bei denen eine im wesentlichen axiale Durchströmung der metallischen Faserlage erfolgt, sind auch zylindrische oder sternförmige Anordnungen der Faserlage beschrieben, bei denen der Gasstrom mittig zugeführt und aufgrund einer gegenüberliegenden Verschlussklappe radial nach außen, durch die metallische Faserlage hindurch gelenkt wird.
Insbesondere bei der Bereitstellung von Partikelfiltern nach dem „geschlossenen” System besteht die Gefahr, dass sich die porösen Wände bzw. die Wände aus der Faserlage mit Partikeln (stets als Oberbegriff für eine Vielzahl von Feststoffen des Autoabgases zu verstehen, insbesondere auch Ruß und Asche) zusetzen, wenn die zur chemischen Umsetzung erforderlichen Reaktionspartner nicht in ausreichendem Maße bereitgestellt werden können. Das führt dazu, dass die Wände der Strömungswege einen zunehmenden Widerstand darstellen. Dies resultiert beispielsweise in einen Anstieg des Staudruckes und führt gleichzeitig zu einer Minderung der Leistung der Verbrennungskraftmaschine. Deshalb ist es in der Regel erforderlich, den Partikelfiltern von darin angelagerten Partikeln zu befreien, was üblicherweise mit dem Begriff „Regenerieren” bezeichnet wird.
Zur Durchführung der Regeneration sind vielfach thermische Prozesse bekannt, wobei gezielt eine Temperaturerhöhung im Abgas bzw. in den Partikelfilter erzeugt wird, beispielsweise Temperaturen oberhalb 800 Grad Celsius, bei denen die Partikel verbrannt bzw. oxidiert werden. Eine solche thermische Regeneration kann durch besondere Heizelemente eingeleitet werden, die Teil des Partikelfilters selbst sind bzw. mit diesem verbunden sind. Es ist aber auch möglich, durch provozierte, gegebenenfalls katalytische, Reaktionen im Abgasstrom eine Art Nachverbrennung zu initiieren. Dafür werden als Additive beispielsweise Ammoniak oder auch eine Menge Brennstoff eingesetzt. Neben dieser diskontinuierlichen, thermischen Regeneration des Partikelfilters sind auch kontinuierliche Verfahren bekannt.
Ein solches kontinuierliches Verfahren wird mit dem sogenannten CRT-System („Continuous regeneration trap”) vielfach bezeichnet. Dabei wird das Abgas zunächst durch einen Oxidationskatalysator und anschließend in einen Rußfilter geleitet. Der Oxidationskatalysator hat die Aufgabe, im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxide (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂) umzuwandeln. Ein erhöhter Anteil von Stickstoffdioxid hat den Vorteil, dass in dem nachgeschalteten Partikelfilter Redox-Reaktionen ablaufen, wobei Kohlenstoff (C) zu Kohlendioxid (CO₂) oxidiert und der Stickstoffdioxid (NO₂) zu reinem Stickstoff (N₂) reduziert wird. Das hat die Folge, dass insbesondere Kohlenmonoxid (CO) und langkettige Kohlenwasserstoffe (HC), die vielfach in den Partikeln enthalten sind, bereits in einem Temperaturbereich zwischen 200 Grad Celsius und 450 Grad Celsius fast vollständig konvertiert werden. Bei diesen CRT-Systemen ist jedoch zu beachten, dass nur ein nahezu schwefelfreier Dieselkraftstoff (kleiner 10 ppm S) verwendet werden sollte, um das oben beschriebene Redox-System nicht zu gefährden. Zur Ergänzung der im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxide bzw. dem daraus gebildeten Stickstoffdioxid kann eine zusätzliche Zugabe von Ammoniak stromaufwärts des Oxidationskatalysators weitere Vorteile bringen.
Die Effektivität bzw. Filterwirkung des Partikelfilters wird außerdem durch die bereitgestellte Oberfläche bzw. die Poren etc. der Filterwand beschrieben. Dabei ist es stets Ziel, eine möglichst große Fläche zum Filtern der Partikel bereitzustellen. Gleichzeitig sollte der Partikelfilter den hohen thermischen und dynamischen Belastungen im Abgassystem einer mobilen Verbrennungskraftmaschine standhalten. Hierbei sind insbesondere die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der Komponente des Partikelfilters zu berücksichtigen. Zur Sicherstellung des dauerhaften Einsatzes sollte der Partikelfilter zudem regenerierbar sein.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelfilter anzugeben, der die vorstehend genannten Zielsetzungen erfüllt. Darüber hinaus soll dieser eine möglichst große Filterfläche bereitstellen und einer häufigen Regeneration standhalten. Außerdem soll der angegebene Partikelfilter auch gegebenenfalls kurzzeitig, lokal begrenzte und deutlich erhöhte Temperaturspitzen im Inneren des Partikelfilters überstehen und somit eine lange Lebensdauer gerade im Hinblick auf eine wiederholte Regeneration gewährleisten.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Partikelfilter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen formuliert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die dort aufgeführten Merkmale miteinander sowie mit weiteren Erläuterungen der gesamten Beschreibung kombiniert werden können, und zu weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung führen können.
Der erfindungsgemäße Partikelfilter ist mit einem Mantel und wenigstens einem Körper, der mindestens eine metallische Faserlage umfasst, aufgebaut. Diese Faserlage ist so angeordnet, dass eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege durch den Körper gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer aufweisen. Der Partikelfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 bis 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/K m²] hat.
Die metallische Faserlage ist dabei bevorzugt aus einem hitzebeständigen, korrosionsbeständigen Material gefertigt, insbesondere umfasst sie Fasern auf einer Eisen- bzw. Stahlbasis, wobei diese Anteile von Aluminium und Chrom umfassen. Als Material für die metallische Faserlage werden insbesondere Fasern aus einem Werkstoff basierend auf Eisen mit Anteilen von Aluminium und Chrom sowie ggf. Anteilen von Seltenen Erden wie z. B. Yttrium. Bevorzugt liegt der Aluminium-Gehalt bei mindestens 4,5 Prozent [%] und insbesondere über 5,5%. Der Chrom-Gehalt liegt bevorzugt in einem Bereich von 18% bis 21%.
Die Fasern können dabei zu einem Gewebe, Vlies, Gewirr oder in einer sonstigen Weise zueinander orientiert sein. Die Verbindung zwischen den Fasern selbst ist ebenfalls hitze- und korrosionsbeständig ausgeführt, insbesondere sind die Fasern miteinander gesintert.
Zur Bildung eines Körpers ist die mindestes eine metallische Faserlage vorzugsweise gestapelt, gewickelt, gewunden oder in einer sonstigen Weise angeordnet. Dabei können Körper mit nur einer metallischen Faserlage gebildet sein, es ist jedoch auch möglich, dass mehrere, gegebenenfalls unterschiedlich ausgeführte, metallische Faserlagen zu einem zusammenhängenden Faserband verbunden und/oder eine Mehrzahl solcher Faserlagen vorgesehen sind.
Die mindestens eine metallische Faserlage begrenzt dabei zumindest teilweise Strömungswege, stellt also wenigstens eine Wand bzw. einen Wandabschnitt des Strömungsweges dar. Die Strömungswege sind bevorzugt im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und insbesondere über deren gesamte Länge voneinander getrennt. Getrennt soll in diesem Zusammenhang nicht zwingend bedeuten, dass kein Gasaustausch zwischen benachbarten Strömungswegen möglich ist, vielmehr ist damit eine Waben-ähnliche Anordnung der Strömungswege gemeint.
Jeder dieser Strömungswege weist vorzugsweise an genau einer Stelle einen Strömungsbehinderer auf. Grundsätzlich wird vorgeschlagen, als Stelle den Eintrittsquerschnitt bzw. den Austrittsquerschnitt des Strömungsweges zu wählen. Alternativ oder in Kombination dazu kann es auch zweckmäßig sein, einen Strömungsbehinderer im Inneren des Strömungsweges, also zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsquerschnitt, vorzusehen. Der Strömungsbehinderer ist bevorzugt so gestaltet, dass dieser einen größeren Widerstand im Hinblick auf das Durchströmen eines Fluidstromes darstellt gegenüber der (die Filterlage bildende) Faserlage als Begrenzung der Strömungswege. Damit ist auch gemeint, dass der Strömungsbehinderer mit einer größeren volumenspezifischen Dichte ausgeführt ist als die metallische Faserlage, insbesondere auch gasundurchlässig.
Bei einer solchen Ausgestaltung des Körpers aus mindestens einer metallischen Faserlage, mit der eine Vielzahl von Kanälen bereitgestellt wird, könnte die Regeneration des Partikelfilters unter Umständen ein Problem darstellen. Die dichte Lage der Teilbereiche der Faserlage zueinander bzw. die gegebenenfalls darin gespeicherte Menge Ruß führt dazu, dass bei der Regeneration lokal begrenzte, extreme Temperaturspitzen beim Umwandeln des Rußes entstehen können. Dies kann zur Zerstörung des Aufbaus der Faserlage führen, insbesondere schmelzen Bestandteile der Faserlage und/oder die Verbindungen zwischen den Fasern werden zerstört. Um zu verhindern, dass sich Komponenten der Faserlage infolge dieser sogenannten „hot-spots” auflösen und damit gegebenenfalls andere Teilbereiche des Partikelfilters verstopfen oder dem Partikelfilter nachgeschaltete Komponenten der Abgasbehandlung zerstören, wird hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von ca. 400 bis 1.200 J/Km² hat. Dabei sind die Angaben der flächenbezogenen Wärmekapazität auf Raumtemperatur bezogen. Bevorzugt weist die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität von mehr als 750 J/Km² bzw. sogar mehr als 1.000 J/Km² auf. Es hat sich herausgestellt, dass gerade bei solchen, eine Vielzahl von Kanälen bzw. Strömungswegen aufweisenden Partikelfiltern die Bereitstellung der genannten flächenbezogenen Wärmekapazität verhindert wird, dass die metallische Faserlage (z. B. auch in innenliegenden, schlecht kühlbaren Teilbereichen des Partikelfilters) den im Abgassystem einer mobilen Verbrennungskraftmaschine auftretenden thermischen Wechselbeanspruchungen, auch den sogenannten „hot-spots”, dauerhaft standhält.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters hat die Faserlage in wenigstens einem Abschnitt zumindest einen der folgenden Parameter:

a) Faserdurchmesser: 20 μm bis 90 μm;
b) Faserabstand: 5 μm bis 300 μm;
c) Lagendicke: 0,2 mm bis 1,5 mm;
d) Lagenflächengewicht: 250 g/m² bis 2.000 g/m²;
e) Lagenporosität: 30% bis 90%;
f) Faseroberfläche pro 1 m² Lagenoberfläche: 9 m² bis 15 m²;
g) Einzelfaserlänge: 5 μm bis 100 μm.

Betreffend den wenigstens einen „Abschnitt” ist festzuhalten, dass dieser bevorzugt die gesamte Länge, Breite oder räumliche Ausdehnung der Faserlage umfasst, es ist jedoch auch möglich, dass dieser z. B. nur einen Teilbereich in axialer und/oder radialer Richtung der Faserlage beschreibt. Es ist unter Umständen auch zweckmäßig, dass die Faserlage mehrere solcher Abschnitte umfasst, wobei der Abschnitt nicht jedes Mal gleich ausgeführt sein muss, sondern die Dimensionierung variabel an die Bedingungen beispielsweise im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine angepasst sein kann.
Mit „Faserdurchmesser” ist der mittlere Durchmesser einer Faser der Faserlage gemeint. Der gemittelte Wert ergibt sich dabei nicht nur aus einer Mittelung aller Durchmesser einer einzelnen Faser, sondern bevorzugt stellt der Faserdurchmesser einen charakteristischen Wert für alle Fasern der Faserlage in dem wenigstens einen Abschnitt dar. Bevorzugt liegt der Faserdurchmesser in einem Bereich von 40 μm bis 70 μm (0,04–0,07 mm).
Mit „Faserabstand” ist insbesondere der Abstand benachbarter Fasern der Faserlage gemeint, wobei hier vordergründig die größte Entfernung zueinander gemeint ist. Der Faserabstand stellt insbesondere einen Parameter zur Darstellung der Gasdurchlässigkeit bzw. der Dichte der Faserlage dar. Bevorzugt liegt dieser Faserabstand in einem Bereich von 20 μm bis 300 μm (0,02–0,3 mm).
Mit „Lagendicke” ist die Dicke der mindestens einen metallischen Faserlage gemeint, insbesondere in Richtung der Durchströmungsrichtung des Abgases. Bevorzugt beträgt die Lagendicke 0,3 mm bis 0,5 mm.
Das „Lagenflächengewicht”, welches das Gewicht der metallischen Faserlage pro Einheitsfläche beschreibt, liegt bevorzugt in einem Bereich von 750 bis 1.500 Gramm pro Quadratmeter [g/m²].
Die Lagenporosität liegt bevorzugt zwischen 45% und 60%.
Die „Faseroberfläche” stellt in diesem Sinne die Oberfläche dar, die von den einzelnen Fasern miteinander gebildet wird. Im Gegensatz dazu ist mit „Lagenoberfläche” die Oberfläche (Einhüllende) der metallischen Faserlage selbst gemeint.
Unter „Einzelfaserlänge” wird die Länge der Faser verstanden, die überwiegend zur Herstellung der mindestens einen metallischen Faserlage eingesetzt wird. Die Einzelfaserlänge beträgt vorzugsweise 10 μm bis 30 μm (0,01–0,03 mm).
Weiter wird auch eine Ausgestaltung des Partikelfilters vorgeschlagen, bei dem die mindestens eine Faserlage so in dem Körper angeordnet ist, dass wenigstens einer der folgenden Parameter vorliegt:

a) spezifische Lagenoberfläche: 0,15 m²/l bis 2,0 m²/l;
b) Lagenentfernung: 0,5 mm bis 10 mm.

Unter einer „spezifischen Lagenoberfläche” ist die Lagenoberfläche zu verstehen, die sich in einem Volumen des Partikelfilters von 1 Liter [l] befindet. Damit ist eine Kenngröße gegeben, die als Maß für das gegebene Filtervolumen geeignet ist. Für den Fall, dass zum Aufbau des Partikelfilters glatte und gewellte metallische Faserlagen eingesetzt werden, können unterschiedliche Bereiche bevorzugt werden. So ist eine spezifische Lagenoberfläche zwischen 0,15 m²/l und 1,0 m²/l zum Beispiel dann bevorzugt, wenn nur die Glattlage aus einer metallischen Faserlage besteht. Sind allein die Welllagen mit einer metallischen Faserlage ausgeführt, so liegt die spezifische Lagenoberfläche im Bereich von 0,25 m²/l bis 1,0 m²/l. Für den Fall, dass sowohl Welllagen als auch Glattlagen mit einer metallischen Faserlage ausgeführt sind, liegt die spezifische Lagenoberfläche vorteilhafterweise zwischen 0,4 m²/l und 2,0 m²/l. Gerade im Hinblick auf den Einsatz bei Dieselfahrzeugen wird insbesondere ein Partikelfilter vorgeschlagen, der eine spezifische Lagenoberfläche von 0,5 m²/l bis 0,9 m²/l aufweist.
Mit „Lagenentfernung” ist der Abstand benachbart zueinander angeordneter Abschnitte bzw. Faserlagen selbst gemeint. Die Lagenentfernung beschreibt dabei die Entfernung, die im Bereich der größten Distanz benachbarter Faserlagen vorliegt. Dieser Wert der Lagenentfernung ist insbesondere zwischen den Lagenoberflächen, durch die der Gasstrom einströmt bzw. ausströmt, zu erfassen. Dieser Wert kann auch über die axiale Länge des Partikelfilters bzw. über die Länge der Strömungswege variieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters umfasst der Körper mindestens eine Stützstruktur, die wenigstens teilweise benachbart zueinander angeordnete Faserlagenbereiche voneinander beabstandet. Die Stützstruktur erfüllt somit wenigstens über einen Teilbereich die Funktion, dass ein direktes Aufeinanderliegen von benachbart zueinander angeordneten Faserlagenbereichen verhindert wird. Insbesondere dient diese Stützstruktur zur Ausbildung von Kanälen bzw. Strömungswegen. Die Stützstruktur kann zwischen separaten Faserlagen als auch zwischen Faltungen, Windungen oder dergleichen einer einzelnen Faserlage angeordnet sein. Die Stützstruktur ist bevorzugt aus Metall und erstreckt sich über die gesamte Länge der gebildeten Strömungskanäle. Als Material für die Stützstruktur ist wiederum der Werkstoff aus Eisen-Aluminium-Chrom, wie er oben mit Beug auf die Fasern beschrieben wurde, bevorzugt.
In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass die mindestens eine Stützstruktur wenigstens eine der folgenden Komponenten, einzeln oder mehrfach, umfasst: Gitternetz, Blech, Draht, Streckmetall. Unter einem Gitternetz sind verschiedenste Anordnungen von Drahtgeweben, -geflechten, -wirrlagen etc. zu verstehen. Diese sind dabei bevorzugt gasdurchlässig mit Öffnungen, Durchbrüchen, etc. ausgestaltet. Es ist auch möglich, dass in diesen Öffnungen, Aussparungen, etc. weiteres Filtermaterial platziert ist. Die letztgenannte Variante trifft insbesondere bei der Ausgestaltung der Stützstruktur als Streckmetall auf. Es ist auch möglich, dass besonders strukturierte Bleche, etc. zwischen die Filterlagen bzw. Faserlagen gelegt sind. Die Bleche sind bevorzugt für einen Gasstrom undurchdringbar, können aber falls erforderlich auch Öffnungen oder Strömungsleitflächen umfassen. Es ist auch möglich, besonders gestaltete Drähte zwischen den Faserlagenbereichen anzuordnen, die beispielsweise strukturiert oder aber glatt sind. Solche Drähte sind bevorzugt im Eingangsbereich oder im Ausgangsbereich der Strömungswege zu positionieren. Es ist auch möglich, dass mehrere solcher Drähte zu einem Drahtbündel angeordnet und zwischen den Faserlagenbereichen positioniert sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters sind die Komponenten des Körpers zumindest bereichsweise miteinander und/oder mit dem Mantel fügetechnisch verbunden. Mit Komponenten des Körpers sind insbesondere die Faserlagen und die Stützstrukturen gemeint. Die fügetechnischen Verbindungen sind dabei bevorzugt in folgenden Bereichen angeordnet: Stirnflächen des Partikelfilters (auf die das Abgas auftrifft bzw. aus der das Abgas austritt), nahe den Strukturmaxima von Stützstrukturen, im Kontaktbereich von Faserlage und Stützstruktur, zwischen zwei Faserlagen. Dabei ist die fügetechnische Verbindung bevorzugt als Diffusions-, Schweiß- und/oder Lötverbindung ausgeführt. Bezüglich der Verbindung der Komponenten mit dem Mantel ist bevorzugt, dass alle Enden der Faserlagen und/oder der Stützstrukturen mit dem Mantel jeweils eine fügetechnische Verbindung im obigen Sinne eingehen.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der mindestens eine Strömungsbehinderer Teil der mindestens einen Stützstruktur ist, wobei dieser zumindest einen Strömungsweg an mindestens einer Stelle verschließt. Das bedeutet, dass die Stützstruktur beispielsweise umgefalzt wird, Flügel bildet, einen Kragen gestaltet, etc. und sich so direkt an mindestens eine benachbarte metallische Faserlage anschmiegt. Dazu ist der Strömungsbehinderer vorzugsweise im wesentlichen gasdicht ausgeführt, so dass kein Gasstrom ihn durchdringen kann (zumindest bei Bedingungen wie sie in Abgasanlagen von Automobilen auftreten). Bevorzugt ist dabei die Ausgestaltung der Stützstruktur als Blech, welches um eine Kante der benachbarten metallischen Faserlage umgreift.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat der mindestens eine Strömungsbehinderer eine sich zumindest teilweise an den Verlauf der mindestens einen Faserlage anschmiegende Gestalt, wobei er einen Teil der Strömungswege zumindest nahe einer Einströmseite oder einer Ausströmseite des Körpers verschließt. In diesem Fall ist der Strömungsbehinderer als separates Bauteil ausgeführt, wobei dieser so angeordnet ist, dass er zumindest einen Teil der Strömungswege verschließt. Bei der hier beschriebenen Ausgestaltung des Partikelfilters wird davon ausgegangen, dass die Faserlagen geschichtet, gewunden oder gewickelt angeordnet sind. Das heißt, dass deren Stirnflächen einen spiraligen, gradlinigen, einen S-förmigen oder einen ähnlichen Verlauf beschreiben. Da die Faserlagen zumindest teilweise Strömungswege begrenzen, die sich an deren Oberfläche anschmiegen, können die Strömungswege, die sich nahe einer einzelnen Faserlage befinden, mit einem einzelnen Strömungsbehinderer verschlossen werden. Dazu folgt der Strömungsbehinderer im wesentlichen dem Verlauf der mindestens einen Faserlage. Da hier bevorzugt Partikelfilter nach dem „geschlossenen” System beschrieben werden, werden die wechselseitig verschlossenen Kanäle bzw. Strömungswege dadurch bewirkt, dass in jeweils eine erste Anzahl Strömungsbehinderer an der Einströmseite eine gewisse Anzahl von Strömungswegen verschließen, während eine zweite Anzahl Strömungsbehinderer auf der Ausströmseite die restlichen Strömungswege verschließen. Als Strömungsbehinderer wird bevorzugt ein Draht bzw. eine schnurähnliche, im wesentlichen gasdichte, Ausgestaltung bevorzugt.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass der mindestens eine Strömungsbehinderer eine Vorrichtung zur Regeneration des Partikelfilters umfasst und/oder zur Bestimmung wenigstens einem der folgenden Parametern geeignet ist: Temperatur, Bestandteile des Gasstromes. Bei der hier beschriebenen Ausgestaltung des Partikelfilters hat der Strömungsbehinderer neben der Funktion des Abdichtens von Strömungswegen eine zusätzliche Funktion, nämlich beispielsweise die Initiierung einer Regeneration des Partikelfilters oder die Bestimmung von Messwerten. Im Hinblick auf die Regeneration des Partikelfilters kann der Strömungsbehinderer beispielsweise als Heizdraht ausgeführt sein, wobei dieser von einem Strom durchfliessbar ist und aufgrund von einer Widerstandserwärmung die für die thermische Regeneration erforderliche Wärme in dem Partikelfilter abführt. Es ist auch möglich, dass der Strömungsbehinderer selbst als Sensor oder dergleichen gestaltet ist. Für diesen Fall, dient dieser beispielsweise als Temperaturmessfühler oder aber als Sensor zur Feststellung von Gasbestandteilen des Abgasstroms (z. B. Sauerstoff, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, etc).
Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters hat der Körper ein Gesamtvolumen, dass im Bereich von 0,5 bis 3,0 Liter [l] liegt pro 1,0 Liter [l] Hubraum der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine. Mit Gesamtvolumen ist in diesem Zusammenhang das Volumen des Körpers gemeint, inklusive der metallischen Faserlagen, der Stützstrukturen, der Strömungsbehinderer, etc. und den Raum, welchen die Strömungswege umfassen. Begrenzt wird das Gesamtvolumen des Körpers in der Regel durch die Einströmseite und die Ausströmseite des Körpers sowie durch die Innenfläche des Mantels. Der bevorzugte Bereich des Gesamtvolumens liegt bei 1,0 bis 1,5 l/1,5 pro Liter Hubraum. Mit Hubraum ist der in der Verbrennungskraftmaschine insgesamt zur Verfügung stehende Brennraum gemeint, der auch üblicherweise zur Bezeichnung der Größe der Verbrennungskraftmaschine herangezogen wird.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der Körper als Wabenkörper mit einer Vielzahl von Kanälen ausgeführt ist, und eine Kanaldichte pro Querschnittsfläche durch den Körper gegeben ist, die im Bereich von 100 cpsi bis 400 cpsi liegt. An dieser Stelle sein zunächst noch einmal klarstellend darauf hingewiesen, dass die Kanäle sowohl durch die Oberflächen der mindestens einen Faserlage sowie gegebenenfalls durch die Oberfläche der mindestens einen Stützstruktur begrenzt werden. Die Kanaldichte wird in „cpsi” angegeben, was für „cells per square inch” (Kanäle pro Quadratzoll) steht.
Gemäß einer Weiterbildung des Partikelfilters weist der Körper eine Mehrzahl von Faserlagen auf, die wechselweise an den gegenüberliegenden Einström- und Ausströmseiten miteinander verbunden sind, um Strömungsbehinderer und Taschen zu bilden. Zwischen den Faserlagen ist jeweils eine Stützstruktur mit einer Minimalhöhe und einer Maximalhöhe vorgesehen, wobei diese in alternierender (abwechselnder) Orientierung in benachbarten Taschen angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass die Stützstrukturen sich erweiternde Strömungswege zwischen den Faserlagen bilden, wobei sich ein Strömungsweg, in dem sich eine Stützstruktur mit der Maximalhöhe befindet, benachbart zu einem Strömungsweg befindet, in dem sich die Stützstruktur mit einer Minimalhöhe befindet. Bevorzugt sind die Strömungsbehinderer nahe einem Bereich des Körpers positioniert, in denen die Stützstruktur ihre Minimalhöhe aufweist, die benachbarten Faserlagen also möglichst dicht zueinander liegen. Die Vorsehung derartiger Stützstrukturen führt bei Betrachtung eines imaginären Querschnitts durch den Partikelfiltern zu einer Ausbildung von V-förmigen Taschen, wobei die Öffnung des V alternierend hin zur Einström- oder Ausströmseite weist. Eine solche Ausgestaltung des Partikelfilters ist besonders bevorzugt im Hinblick auf den dabei erzeugten Staudruck sowie eine einfache fügetechnische Verbindung von Faserlagen und Stützstruktur. Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass nicht nur einzelne Stützstrukturen, sondern auch Gruppen umfassend eine (variable) Mehrzahl von gleichartig ausgerichteten Stützstrukturen alternierend angeordnet sein können.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der Körper in Richtung einer Achse Segmente unterschiedlicher bzw. kombinierter Funktion aufweist. Diese Segmente, stellen für einen Abgasstrom hintereinander zu durchströmende Teilbereiche des Partikelfilters dar, wobei jeweils eine unterschiedliche Wirkung auf die im Abgas enthaltenen Komponenten erzielt werden soll. Beispiele für derartige Funktionen sind die Aschefilterung, die Rußfilterung, die Oxidation, das Aufheizen, die Speicherung von Abgasbestandteilen, die Entwässerung von Gasströmen, etc. In diesen Segmenten können sowohl die metallischen Faserlagen als auch die Stützstrukturen und/oder die Strömungsbehinderer auf die Funktion abgestimmt ausgestaltet sein, insbesondere mit Parameter, die sich von denen in anderen Segmenten unterscheiden. Auch ist es beispielsweise möglich, dass in einem solchen Partikelfilter ein Segment gegeben ist, in dem bevorzugt eine Durchmischung von in den Strömungswegen befindlichen Teilgasströmungen bewirkt werden soll. Hierzu können gegebenenfalls zusätzliche Strömungsbehinderer und/oder Öffnungen in den Wänden der Strömungswege vorgesehen sein, um eine Durchmischung von Teilgasströmen zu erzielen.
So ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters vorteilhaft, dass der Körper mindestens eine innenliegende Begrenzung umfasst, die durch zueinander ausgerichtete Strömungsbehinderer definiert wird. Dementsprechend ist es beispielsweise von Vorteil, dass bei unterschiedlichen Ausgestaltungen der metallischen Faserlage in verschiedenen Segmenten jeweils der Kontakt mit dem gesamten Abgasstrom gewährleistet sein soll. Zu diesem Zweck ist es möglich, am stromabwärts liegenden Ende eines solchen Segments eine Begrenzung durch Strömungsbehinderer vorzusehen, die ein Durchströmen der Faserlage in diesem Segment erzwingen. Die Strömungsbehinderer sind dabei bevorzugt Teile der Stützstruktur und/oder Teile der metallischen Faserlage selbst. Gerade für den Fall, dass die Strömungsbehinderer eine Begrenzung der oben genannten Segmente bilden ist es vorteilhaft, dass diese im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters ist der Körper über wenigstens eine ihn umgebende Manschette mit dem Mantel verbunden. Bei Partikelfiltern, die aus unterschiedlichen Komponenten (bezüglich Werkstoff, Materialstärken, etc.) aufgebaut sind, spielt das thermische Ausdehnungsverhalten stets eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit in Abgassystemen von Verbrennungskraftmaschinen. Hinzu kommt, dass der Partikelfilter während der Regeneration einer extremen Thermoschock-Belastung ausgesetzt ist. Hier liegen einerseits die bevorzugt relativ dünnwandig ausgebildeten Stützstrukturen vor, ebenso wie die etwas dickeren, dafür aber weniger dichten metallischen Faserlagen und der massiv, beispielsweise mit einer Stärke von 1 mm oder mehr, ausgebildete Mantel. All diese Komponenten stellen eine unterschiedliche Wärmekapazität dar, die gerade beim Erwärmen bzw. Abkühlen des Partikelfilters zu einem unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten führen. Aufgrund der Tatsache, dass hier dennoch eine fügetechnische Verbindung der Komponenten gewährleistet sein soll, kann dies zu erheblichen thermischen Spannungen an den Fügestellen führen, die gegebenenfalls zur Zerstörung der Komponenten bzw. der Verbindung zwischen den Komponenten führt.
Zur Vermeidung wird diesbezüglich eine Manschette vorgeschlagen, die um den Körper herum angeordnet und auf der einen Seite mit dem Körper und auf der anderen Seite mit dem Mantel (in einem sehr schmalen, bandförmigen Bereich) verbunden ist. Bevorzugt ist diese Manschette zentrisch angeordnet und erstreckt sich nur über einen kleinen Bereich der Mantelfläche des Körpers. Das bedeutet, dass der Körper über einen großen Teil seiner Umfangsfläche nicht mit dem Mantel fest verbunden ist, sich also von diesem unabhängig ausdehnen oder schrumpfen kann. Damit wird für den Körper eine größtmögliche axiale und radiale Dehnungsfreiheit gewährleistet. Die Manschette ist zudem in Umfangsrichtung strukturiert ausgebildet, um auf diese Weise auch eine unterschiedliche Ausdehnung in Umfangsrichtung zu ermöglichen. Beispiele für solche Manschetten gehen insbesondere aus der WO 03/008774 A1 hervor, wobei die dortige Beschreibung hier zur Ergänzung herangezogen werden kann. Im hier vorliegenden Fall ist die Manschette bzw. der Partikelfilter vorteilhafterweise zusätzlich mit Dichtmitteln ausgeführt, um ein Vorbeiströmen von Abgas am Körper zu verhindern. Diese Dichtung kann Teil der Manschette selbst sein, es ist aber auch möglich, dass diese an anderen Stellen, vorzugsweise zwischen Körper und Mantel, angeordnet ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist der Körper zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung kann im Hinblick auf die Funktion unterschiedlicher Natur sein und auf den Fasern, der Stützstruktur und/oder weiteren Komponenten des Partikelfilters angebracht sein. Bevorzugt ist dabei beispielsweise eine Platin-Oxidbeschichtung, wobei 40 bis 120 Gramm pro Liter [g/l] Washcoat (Zeolith) vorgesehen sind und die Edelmetall-Beladung bei 20 bis 100 Gramm pro Kubikfuss [g/Ft³] liegt. Als weitere bevorzugte Beschichtung weist der Partikelfilter zumindest in einem Teilbereich eine Stickoxid-Adsorptions-Beschichtung auf, wobei 150 bis 300 g/l Washcoat vorgesehen sind, die mit einer Edelmetall-Beladung von 20 bis 100 g/Ft³ ausgeführt ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters, bei der die Strömungsbegrenzer nahe einer Einströmseite und einer Ausströmseite des Körpers angeordnet und zwischen mehreren Faserlagen jeweils Stützstrukturen vorgesehen sind, wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Faserlagen einen Verbindungsabschnitt hat, um eine fügetechnische Verbindung mit dem mindestens einen Strömungsbehiinderer und/oder einen Stützstruktur auszubilden. Damit ist insbesondere gemeint, dass die metallische Faserlage so gestaltet ist, dass eine Lötverbindung zu benachbarten Komponenten möglich ist. Hierzu bietet sich z. B. ein Füllwerkstoff für die Hohlräume in der Faserlage als auch eine besondere Verdichtung der Fasern in der metallischen Faserlage selbst an. Eine Verdichtung dieses Verbindungsabschnittes kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Faserlage in Teilbereichen umgeschlagen und zusammengepresst wird.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass der Verbindungsabschnitt einen Abschnitt der Faserlage mit von restlichen Bereichen verschiedenen Parametern oder eine angefügte Einzelkomponente ist. Das bedeutet, dass beispielsweise einer der eingangs beschriebenen Parametern (Faserdurchmesser, mittlerer Faserabstand, Lagendicke, Lagenflächengewicht, Lagenporosität, Einzelfaserlänge, etc.) so abgeändert wird, dass hier eine Lötbarkeit des Fasermaterials erzielt wird. Es ist beispielsweise auch möglich, dass dieser Verbindungsbereich durch zusätzlich angefügte, insbesondere verlötbare, Einzelkomponenten gebildet wird, wie beispielsweise Blechabschnitte oder ähnliches.
Die Erfindung sowie deren technisches Umfeld wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Dabei ist festzuhalten, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht auf diese begrenzt ist. Es zeigen:
1: schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters,
2: eine Detailansicht in perspektivischer Darstellung von Faserlagen und Stützstrukturen,
3: eine weitere Detailansicht im Schnitt, wo perspektivisch die Strömungswege zwischen Stützstruktur und Faserlage dargestellt sind,
4: eine weitere Detailansicht der metallischen Faserlage,
5: einen Halbschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters,
6: eine weitere Detailansicht einer Anordnung von metallischer Faserlage und Stützstruktur bei der Ausbildung eines Strömungsbehinderers, und
7: schematisch eine Abgasanlage einer mobilen Verbrennungskraftmaschine.
1 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines Partikelfilters 1 umfassend einen Mantel 2 und einen Körper 3. Der Körper 3 ist mit einer Mehrzahl metallischer Faserlagen 4 gebildet, die hier S-förmig um zwei Wickelpunkte 45 gewunden angeordnet sind. Der Körper 3 ist als Wabenkörper 27 ausgebildet und weist eine Vielzahl von Kanälen 28 auf. Die Kanäle 28 erstrecken sich ausgehend von einer Einströmseite 19 im wesentlichen parallel bis hin zu einer Ausströmseite 20 des Körpers 3. Dabei ist die Strömungsrichtung 48 mit einem Pfeil gekennzeichnet. Im Bereich der Einströmseite 19 sind mehrere Strömungsbehinderer 6 dargestellt, die im wesentlichen dem S-förmigen Verlauf der Anordnung der metallischen Faserlagen 4 folgen. Diese verschließen auf der Einströmseite 19 die Hälfte der Kanäle 28, während der andere Teil der Kanäle 28 auf der Ausströmseite 20 ebenfalls durch Strömungsbehinderer 6 verschlossen ist (nicht dargestellt).
Der Mantel 2, der hier als Zylinderrohr ausgeführt ist, steht dem Körper 3 an beiden Seiten 19, 20 über. Nahe der Einströmseite 19 ist ein Additiverzeuger 21 vorgesehen, wobei dieser als Sprühdüse für beispielsweise Ammoniak oder Kohlenwasserstoff-enthaltenden Brennstoff ausgeführt ist.
Die fügetechnische Verbindung des Wabenkörpers 27 mit dem Gehäuse bzw. Mantel 2 erfolgt über eine Manschette 36, die am Umfang des Körpers 3 vorgesehen ist. Die Manschette 36 ist als Wellband ausgeführt und weist eine geringere Breite 50 auf, als der Wabenkörper 27 eine Länge 49 hat. Die Manschette 36 ist einerseits mit allen Blechenden 47 des Wabenkörpers 27 sowie auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Mantel 2 verbunden. Auf diese Weise wird insbesondere in Richtung des Radius 51 eine Ausgleichsmöglichkeit für unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten geschaffen.
2 zeigt die Ausgestaltung einer Ausführungsform des Partikelfilters mit Taschen 30, die durch Stützstrukturen 40 zwischen metallischen Faserlagen 4 gebildet werden. In Richtung eines Radius 51 sind dabei abwechselnd jeweils eine metallische Faserlage 4 und eine Stützstruktur 14 angeordnet. Dabei begrenzen ein Abschnitt 7 der Faserlage 4 und die als Wellblech ausgeführte Stützstruktur 14 gemeinsam Strömungswege 5. Die Stützstruktur 14 weist auf der einen Stirnseite eine relativ große Wellstruktur auf, währenddessen sie auf der gegenüberliegenden Stirnseite eine sehr kleine Amplitude ausbildet. Nahe der kleinen Amplitude der Wellung der Stützstruktur 14 ist wieder ein Strömungsbehinderer 6 vorgesehen, der die Strömungswege 5 verschließt. Die Stützstrukturen 14 sind alternierend zueinander angeordnet, so dass hier in der Schnittdarstellung jede zweite metallische Faserlage 4 zueinander im wesentlichen parallel verläuft. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, gerade wenn die Stützstrukuren 14 in benachbarten Taschen 30 nicht gleichartig gestaltet sind. Der Abgasstrom wird beispielsweise durch den Strömungsweg 5 bzw. den Kanal 28 in innere Bereiche des Partikelfilters geführt und durch den Strömungsbehinderer 6 bzw. einen als Strömungsbehinderer ausgeführten Draht 17 dazu gezwungen, die metallische Faserlage 4 wenigstens einmal zu durchdringen, um auf der gegenüberliegenden Stirnseite austreten zu können.
3 zeigt eine weitere Detailansicht eines Stapels von metallischen Faserlagen 4 und Stützstrukturen, die hier als Blech 16 ausgeführt sind. Die dargestellten Faserlagen 4 weisen eine Lagendicke im Bereich kleiner 1 mm auf. Durch die zwischen den Faserlagen 4 angeordnete gewellte Blechlage 16 sind wiederum Strömungswege 5 gebildet, die ein Einströmen des Abgases entlang der Strömungsrichtung 48 ermöglichen. In dem Strömungsweg 5 ist ein Strömungsbehinderer 6 ausgebildet, der eine Umlenkung des in den Strömungsweg 5 eingetretenen Teilgasstromes durch die benachbart angeordnete Faserlage 4 hindurch erzwingt. Dieser Teilgasstrom wird in einen benachbarten Kanal bzw. Strömungsweg 5 geleitet und kann auf diese Weise in Strömungsrichtung 48 wieder aus dem Partikelfilter austreten. Der Strömungsbehinderer 6 ist als Ausstülpung bzw. Leitfläche 41 des Blechs 16 gebildet. Zum Verschließen eines Teiles der Kanäle weisen die Faserlagen 4 einen Verbindungsabschnitt 38 auf, wobei dieser bei der oben dargestellten Variante als verdichtete Faserlage 4 ausgebildet ist, während er in der unten dargestellten Variante als eine Einzelkomponente 39 ausgeführt ist (z. B. ein Stück Blechfolie). Zwischen den benachbarten Verbindungsabschnitten 38 ist wiederum ein Strömungsbehinderer 6 ausgebildet, der hier ein separates Bauteil ist, beispielsweise eine Dichtschnur.
4 zeigt in einem Detail einen Teilbereich der metallischen Faserlage 4 aus 3, wie gekennzeichnet. Daraus lassen sich ein paar der vorstehend genannten Parameter zur Beschreibung der Faserlage 4 erkennen, insbesondere der Faserdurchmesser 8, der Faserabstand 9, die Faseroberfläche 11, die Lagenoberfläche 12 sowie die Einzelfaserlänge 13. Der Raum zwischen den Fasern kann mit Luft und/oder zumindest teilweise mit zusätzlichen Materialien gefüllt sein. Diese zusätzlichen Materialien umfassen beispielsweise Beschichtungen.
5 zeigt in einem Halbschnitt eine weitere Ausfürungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters 1. Der Körper 3 weist dabei eine Mehrzahl von metallischen Faserlagen 4 auf, die wechselweise an der gegenüberliegenden Einströmseite 19 und der Ausströmseite 20 über Strömungsbehinderer 6 bzw. einen Heizdraht 22 und einen Draht 17 verschlossen sind. In diesem Fall ist nicht nur der dichtende Draht 17 zur Erzeugung einer thermischen Regeneration als Heizdraht 22 ausgebildet, zusätzlich befinden sich zwischen dem Mantel 2 und dem Körper 3 am Umfang des Körpers 3 weitere Heizdrähte 22 zur Initiierung einer Regenration. Die Faserlagen 4 bilden zusammen mit den Strömungsbehinderern 6 Strömungswege 5, die im wesentlichen wie Taschen 30 ausgebildet sind. In diesen Taschen 30 sind jeweils Stützstrukturen 14 vorgesehen, die eine Minimalhöhe 31 und eine Maximalhöhe 32 aufweisen und in alternierender Weise in benachbarten Taschen 30 angeordnet sind. Die Stützstrukturen sind hier als Gitter 15 bzw. Streckmetall 18 ausgeführt.
Der Körper 3 weist in Richtung einer Achse 33 ein vorgelagertes Segment 34 auf, welches beispielsweise mit einer oxidierend wirkenden Beschichtung 37 versehen ist. Um zu gewährleisten, dass die beschichteten Faserlagen 4 von dem anströmenden Abgasstrom wenigstens einmal durchdrungen werden, hat der Körper 3 eine innenliegende Begrenzung 35, die durch in der Stützstruktur 14 ausgebildete Strömungsbehinderer 6 gebildet sind.
Zusätzlich ist der Partikelfilter 1 mit einem Messfühler 23 ausgeführt, der die Funktionalität des Partikelfilters 1 überwacht. Die mit dem Messfühler 23 gewonnenen Informationen können an eine Auswerteeinheit 40 übergeben werden, die beispielsweise eine Regeneration auslösen kann.
6 zeigt eine Ausgestaltung eines Strömungsbehinderers 6 nahe einer Einströmseite bzw. einer Ausströmseite des Partikelfilters 1 im Detail. Hierzu sind die metallischen Faserlagen 4 länger als die Stützstruktur 14 ausgeführt, so dass sie die Stützstruktur 14 überragen und einander berühren. Die Faserlagen 4 sind in diesem Verbindungsabschnitt 38 so gestaltet, dass diese eine fügetechnische Verbindung miteinander gewährleisten. Hier ist skizzenhaft dargestellt, dass die beiden benachbart zueinander angeordneten Faserlagen 4 mittels des Verfahrens Rollnahtschweißen miteinander verbunden werden und so einen Strömungsbehinderer 6 bilden.
7 zeigt schematisch den Aufbau einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors in einem PKW. Dargestellt ist eine Verbrennungskraftmaschine 26, die durch den Hubraum 25 charakterisierbar ist. Das im Hubraum 25 erzeugte Abgas strömt über eine Abgasleitung 43 in Strömungsrichtung 48 hin zur Umgebung. Zur Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe wird das Abgas zunächst einem Oxidationskatalysator 42, dann einem erfindungsgemäßen Partikelfilter 1 mit einem auf den Hubraum 25 angepassten Gesamtvolumen 24 und schließlich einem Drei-Wege-Katalysator 44 zugeführt. Somit kann beispielsweise auch eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters 1 durchgeführt werden.
Der hierin beschriebene Partikelfilter stellt eine vorteilhafte Lösung für die eingangs genannten technischen Probleme und Anforderungen dar. Durch den Einsatz einer metallischen Faserlage ist eine an den Einsatzzweck leicht anpassbare Herstellung des Partikelfilters möglich, außerdem erlaubt die gegebene Wärmeleitfähigkeit der metallischen Faserlage sowie deren bereitgestellte spezifische Wärmekapazität den dauerhaften Einsatz in Abgasanlagen von Automobilen, selbst wenn sehr häufig Regenerationen durchgeführt werden, bei denen sich gelegentlich sogenannte „hot-spots” bilden.
Bezugszeichenliste

1: Partikelfilter
2: Mantel
3: Körper
4: Faserlage
5: Strömungsweg
6: Strömungsbehinderer
7: Abschnitt
8: Faserdurchmesser
9: Faserabstand
10: Lagendicke
11: Faseroberfläche
12: Lagenoberfläche
13: Einzelfaserlänge
14: Stützstruktur
15: Gitter
16: Blech
17: Draht
18: Streckmetall
19: Einströmseite
20: Ausströmseite
21: Additiverzeuger
22: Heizdraht
23: Messfühler
24: Gesamtvolumen
25: Hubraum
26: Verbrennungskraftmaschine
27: Wabenkörper
28: Kanal
29: Querschnittsfläche
30: Tasche
31: Minimalhöhe
32: Maximalhöhe
33: Achse
34: Segment
35: Begrenzung
36: Manschette
37: Beschichtung
38: Verbindungsabschnitt
39: Einzelkomponente
40: Auswerteeinheit
41: Leitfläche
42: Oxidationskatalysator
43: Abgasleitung
44: Dreiwegekatalysator
45: Wickelpunkt
46: Dichtmittel
47: Blechende
48: Strömungsrichtung
49: Länge
50: Breite
51: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 20117873 U1 [0002]
- WO 03/038248 A1 [0002]
- EP 0764455 B1 [0004]
- WO 03/008774 A1 [0042]

Claims

Partikelfilter (1) aus einen Mantel (2) und wenigstens einem Körper (3), der mindestens eine metallische Faserlage (4) umfasst, wobei diese so angeordnet ist, das eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege (5) durch den Körper (3) gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage (4) eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 bis 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/Km²] hat, bevorzugt von mehr als 750 J/Km², besonders bevorzugt von mehr als 1000 J/Km².
Partikelfilter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faserlage (4) in wenigstens einem Abschnitt (7) zumindest einem der folgenden Parametern hat: a) Faserdurchmesser (8): 20 μm bis 90 μm, insbesondere 40 μm bis 70 μm; b) Faserabstand (9): 5 μm bis 300 μm, insbesondere 20 μm bis 300 μm; c) Lagendicke (10): 0,2 mm bis 1,5 mm, insbesondere 0,3 mm bis 0,5 mm; d) Lagenflächengewicht: 250 g/m² bis 2000 g/m², insbesondere 750 g/m² bis 1500 g/m²; e) Lagenporosität: 30% bis 90%, insbesondere 45% bis 60%; f) Faseroberfläche (11) pro 1 m² Lagenoberfläche (12): 9 m² bis 15 m²; g) Einzelfaserlänge (13): 5 μm bis 100 μm, insbesondere 10 μm bis 30 μm.
Partikelfilter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faserlage (4) so in dem Körper (3) angeordnet ist, dass wenigstens einer der folgenden Parameter vorliegt: a) spezifische Lagenoberfläche (12): 0,15 m²/l bis 2,0 m²/l, insbesondere von 0,5 m²/l bis 0,9 m²/l; b) Lagenentfernung (39): 0,5 mm bis 10 mm.
Partikelfilter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau des Partikelfilters (1) glatte und/oder gewellte metallische Faserlagen (4) eingesetzt sind und – eine spezifische Lagenoberfläche (12) zwischen 0,15 m²/l und 1,0 m²/l vorliegt, wenn nur die Glattlage aus einer metallischen Faserlage (4) besteht, – eine spezifische Lagenoberfläche (12) im Bereich von 0,25 m²/l bis 1,0 m²/l vorliegt, wenn nur die Welllagen aus einer metallischen Faserlage (4) besteht, sowie – eine spezifische Lagenoberfläche (12) zwischen 0,4 m²/l und 2,0 m²/l vorliegt, wenn sowohl Welllagen als auch Glattlagen mit einer metallischen Faserlage (4) ausgeführt sind.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) mindestens eine, bevorzugt metallische, Stützstruktur (14) umfasst, die wenigstens teilweise benachbart zueinander angeordnete Faserlagenbereiche voneinander beabstandet.
Partikelfilter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stützstruktur (14) wenigstens eine der folgenden Komponenten, einzeln oder mehrfach, umfasst: – Gitternetz (15), – Gitternetz (15), – Blech (16), – Draht (17), – Streckmetall (18).
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Körpers (3) zumindest bereichsweise miteinander und/oder mit dem Mantel (2) fügetechnisch verbunden sind, insbesondere als Diffusions-, Schweiß- und/oder Lötverbindung.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungsbehinderer (6) Teil der mindestens einen Stützstruktur (14) ist, wobei dieser zumindest einen Strömungsweg (5) an mindestens einer Stelle verschließt.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungsbehinderer (6) eine sich zumindest teilweise an den Verlauf der mindestens einen Faserlage (4) anschmiegende Gestalt hat und einen Teil der Strömungswege (5) zumindest nahe einer Einströmseite (19) oder einer Ausströmseite (20) des Körpers (3) verschließt.
Partikelfilter (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungsbehinderer (6) eine Vorrichtung (21, 22; 23) zur Regeneration des Partikelfilters umfasst und/oder zur Bestimmung wenigstens einem der folgenden Parameter geeignet ist: Temperatur, Bestandteile des Gasstromes.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) ein Gesamtvolumen (24) hat, das im Bereich von 0,5 bis 3,0 Litern pro 1,0 Liter Hubraum (25) der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine (26) liegt, insbesondere im Bereich von 1,0 bis 1,5 Litern pro 1,5 Liter Hubraum (25).
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) als Wabenkörper (27) mit einer Vielzahl von Kanälen (28) ausgeführt ist, und eine Kanaldichte pro Querschnittsfläche (29) durch den Körper (3) gegeben ist, die im Bereich von 100 cpsi bis 400 cpsi liegt.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) eine Mehrzahl von Faserlagen (4) aufweist, die wechselweise an den gegenüberliegenden Einström- (19) und Ausströmseite (20) miteinander verbunden sind, um Strömungsbehinderer (6) und Taschen (30) zu bilden, und zwischen den Faserlagen (4) jeweils eine Stützstruktur (14) mit einer Minimalhöhe (31) und einer Maximalhöhe (32) vorgesehen ist, wobei diese in alternierender Orientierung in benachbarten Taschen (30) angeordnet sind.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) in Richtung einer Achse (33) Segmente (34) unterschiedlicher bzw. kombinierter Funktion aufweist.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) mindestens eine innenliegende Begrenzung (35) umfasst, die durch zueinander ausgerichtete Strömungsbehinderer (6) definiert wird.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) über wenigstens eine ihn umgebenden Manschette (36) mit dem Mantel (2) verbunden ist.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zumindest teilweise mit einer Beschichtung (37) versehen ist; insbesondere mit einer Platin-Oxid-Beschichtung, wobei 40 bis 120 Gramm pro Liter [g/l] Washcoat vorgesehen sind und die Edelmetall-Beladung bei 20 bis 100 Gramm pro Kubikfuß [g/Ft³] liegt; oder insbesondere mit einer Stickoxid-Adsorptions-Beschichtung, wobei 150 bis 300 g/l Washcoat vorgesehen sind und die Edelmetall-Beladung bei 20 bis 100 Gramm pro Kubikfuß [g/Ft³] liegt.
Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Strömungsbegrenzer (6) nahe einer Einströmseite (19) oder einer Ausströmseite (20) des Körpers (3) angeordnet und zwischen mehreren Faserlagen (4) Stützstrukturen (14) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Faserlagen (4) einen Verbindungsabschnitt (38) hat, um eine fügetechnische Verbindung mit dem mindestens einen Strömungsbehinderer (6) und/oder einer Stützstruktur (14) auszubilden.
Partikelfilter (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (38) einen Abschnitt der Faserlage (4) mit von restlichen Bereichen verschiedenen Parameter oder eine angefügte Einzelkomponente (39) ist.
Partikelfilter (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die metallische Faserlage (4), insbesondere ein Vlies, Fasern aus einem Werkstoff basierend auf Eisen mit Anteilen von Aluminium und Chrom und/oder Yttrium eingesetzt ist, insbesondere mit einem Aluminium-Gehalt von mindestens 4,5%, bevorzugt mit einem Aluminium-Gehalt von über 5,5%, und insbesondere mit einem Chrom-Gehalt in einem Bereich von 18% bis 21%.