Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filter zur Behandlung bzw. Abscheidung
kohlenstoffbasierter Teilchen (Rußpartikeln) in/aus von einer Diesel-Verbrennungskraftmaschine, einem
Ofen oder einem Kessel usw. abgegebenen Abgas und eine Vorrichtung zur Behandlung bzw.
zum Abscheiden kohlenstoffbasierter Teilchen in/aus Abgas, wobei die Vorrichtung aus einer
oder mehreren Behandlungseinheiten für kohlenstoffbasierte Teilchen besteht, die das Filter
verwendet.
2. Stand der Technik
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Da eine Diesel-Verbrennungskraftmaschine einen hohen energetischen Wirkungsgrad und
große Robustheit hat, wird sie allgemein für Transporteinrichtungen wie Kraftfahrzeuge,
allgemeine Antriebseinrichtungen und bei der Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Das
Abgas von Verbrennungskraftmaschinen enthält jedoch kohlenstoffbasierte Teilchen wie Sott
und Ruß und verursacht daher Umweltprobleme.
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Als Maßnahmen gegen das Abgas wurden für Transporteinrichtungen wie Kraftfahrzeuge
Motoren und Brennstoffeinspritzsysteme verbessert. Dadurch konnte die Menge
kohlenstoffbasierte Teilchen im Abgas von Diesel-Verbrennungskraftmaschinen in gewissem Umfang
vermindert werden. Da jedoch die Verminderung kohlenstoffbasierte Teilchen aufgrund
dieser Maßnahmen unzureichend ist, gibt es Verfahren zur weiteren Herabsetzung des Gehalts
an kohlenstoffbasierten Teilchen, in welchen, wie nach der japanischen frühen
Patentveröffentlichung Nr. 6-33734, ein oxidierendes Enzym (Enzym für die Verbrennung) eingesetzt
wird, oder in denen nach der Abscheidung der kohlenstoffbasierten Teilchen in einem
keramischen Filter diese mit einem elektrischen Erhitzer oder Brenner entzündet und daraufhin
die Teilchen zunehmend verbrannt werden, wobei Verbrennungswärme durch die
kohlenstoffbasierte Teilchen selbst erzeugt wird, um sie zu beseitigen.
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Andererseits wurde bei stationären Diesel-Motoren oder industriellen Dieselaggregaten, Öfen
oder Verbundsystemen, Wärmepumpen, Erhitzern usw. ein Verfahren zum Einsatz
staubabscheidender Einrichtungen wie einem Zyklon oder Schlauchfilter als Maßnahme für das Abgas
eingesetzt.
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Das Verfahren, in dem ein oxidierender Katalysator (Verbrennungskatalysator) eingesetzt
wird oder kohlenstoffbasierte Teilchen in einem keramischen Filter abgeschieden und die
abgeschiedenen Teilchen zu deren Beseitigung verbrannt werden, wirft Probleme hinsichtlich
der Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit auf. Insbesondere bei dem Verfahren, bei dem ein
keramisches Filter eingesetzt wird, gibt es, obwohl der Abscheidegrad kohlenstoffbasierter
Teilchen hoch ist, Probleme, wonach bei der Regeneration aufgrund der im Filter ungleichmäßig
erzeugten Wärme bei der Verbrennung der kohlenstoffbasierten Teilchen und wegen einer
hohen Verbrennungstemperatur das Filter ausfällt oder schmilzt und wonach aufgrund der
Ansammlung von Asche des Abgases in dem Filter das Filter nicht über einen langen
Zeitraum eingesetzt werden kann.
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In Abscheideeinrichtungen wie einem Zyklon oder einem Schlauchfilter, wie es in
Verbrennungsanlagen für stationäre Dieselmotoren oder industrielle Dieselaggregate, Öfen, Kessel
usw. eingesetzt wird, gehört zu einigen der Probleme, dass die Durchsatzleistung gering ist,
dass die Vorrichtungen kostspielig sind und dass die abgeschiedenen kohlenstoffbasierten
Teilchen einer Entsorgung unterworfen werden müssen.
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Ein regenerierbares Filter (EP 0.599.323 A) für Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
umfasst ein poröses metallisches Material, das vorzugsweise aus teilweise gesinterten und/oder
katalysierten Metallpulvern oder Fasern besteht, bei dem die metallischen Fasern nur in
vorgegebenen Mikrozonen miteinander verbunden sind. Alternativ kann das Filtermaterial aus
verdichteten Stahlfasern bestehen.
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Ein verstärktes Metallfilter, das eine hohe Filterwirkung, einen hohen Porenanteil und einen
großen Nettobereich aneinandergeschweißter feiner rostfreier Stahlfasern hat, ist durch
Aufbrechen der Ränder dieser Drähte hergestellt (US Patentschrift 4,122,015). Diese haben einen
polygonalen Querschnitt wie einen hexagonalen, pentagonalen oder unregelmäßig
konvex polygonalen Querschnitt.
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Eine ferritische rostfreie Stahllegierung und ein oxidationsresistentes katalytisches Substrat
daraus ist aus der europäischen Patentschrift 0 091 526 bekannt. Es kann heiß verarbeitet
werden und ist gegenüber thermischer zyklischer Oxidation und Verzunderung bei erhöhten
Temperaturen beständig. Die Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung enthält Zer, Lanthan und
andere Seltene Erden Metalle und ist geeignet, darauf eine haftende texturierte
Aluminiumoxidoberfläche zu bilden. Die Legierung umfasst 8 bis 25 Gew.-% Chrom, 3 bis 8 Gew.-%
Aluminium und einen Zusatz von wenigstens 0,002 Gew.-% und bis zu 0,05 Gew.-% Zer,
Lanthan, Neodym und/oder Praseodym mit einem Gesamtgehalt aller Seltener Erden bis zu
0,06 Gew.-%, bis zu 4 Gew.-% Silizium, 0,06 bis 1 Gew.-% Mangan und übliche
Verunreinigungen aus der Stahlherstellung.
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Die US Patentschrift 3,920,583 offenbart ein selbsttragendes Stützsubstrat für ein
katalytisches Material für Systeme zur Abgasbehandlung einer Verbrennungskraftmaschine, das eine
Legierung aus Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium mit einem Gew.-Verhältnis im Bereich
von bis zu 15% Chrom, 0,5 bis 12% Aluminium und 0,1 bis 3% Yttrium und dem Rest
Eisen hat.
Zusammenfassung der Erfindung
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Zur Lösung des obengenannten Problems wurde die vorliegende Erfindung erforscht und
erdacht.
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Die erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Filter für die Behandlung bzw.
Abscheidung kohlenstoffbasierte Teilchen in Abgas zur Verfügung zu stellen, das eine hohe
Durchsatzleistung an kohlenstoffbasierte Teilchen im Abgas einer
Diesel-Verbrennungskraftmaschine oder einer Verbrennungsanlage hat und Dauerhaftigkeit aufweist, und hinsichtlich
Wirtschaftlichkeit und Instandhaltung günstig ist und eine gleichmäßige Standhaftigkeit
gegen Hitzeentwicklung aufweist. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist es, wie die
erforderliche Gleichförmigkeit der Standhaftigkeit gegen das Wärmeentwicklungsverhalten
erzielt wird.
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Ein zweites Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Behandlung bzw. Abscheidung
von kohlenstoffbasierten Teilchen im/aus Abgas, bei welcher die Regeneration leicht
durchgeführt werden kann und die eine hohe Durchsatzleistung für kohlenstoffbasierte Teilchen
aufweist.
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Die Lösung der ersten Aufgabe ist mit einem Filter, das im Patentanspruch 1 definiert ist,
erzielt.
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Die Lösung der zweiten Aufgabe erreicht man mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
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Beide Ausführungsformen haben einen Aufbau, bei dem ein Sinterkörper aus
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern vorgesehen ist, der ferner einen Katalysator auf einer
Aluminiumschicht trägt.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1(a), (b) und (c) zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
eines Filters zur Behandlung bzw. Abscheidung von kohlenstoffbasierten Teilchen nach der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2(a) ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Filters zur Behandlung bzw.
Abscheidung von kohlenstoffbasierten Teilchen nach der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2(b) und (c) zeigen jeweils einen vergrößerten Querschnitt durch eine Faser eines
Sinterkörpers aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern, auf der kein Katalysator
niedergeschlagen ist;
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Fig. 2(d) und (e) sind jeweils eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Faser eines
Sinterkörpers aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern;
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Fig. 3 ist eine schematische Zeichnung, die ein Verfahren zur Herstellung
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern zeigt;
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Fig. 4(a) und (b) sind eine vergrößerte perspektivische Ansichten und eine vergrößerte
Querschnittsansicht einer mit dem Verfahren nach Fig. 3 erzeugten Faser;
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Fig. 5(a) und (b) sind Längsschnittansichten und Querschnittsansichten eines Beispiels
einer Vorrichtung zur Behandlung bzw. Abscheidung von kohlenstoffbasierten Teilchen in/aus
Abgas einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6(a) und (b) sind eine Längsschnittansicht und eine Querschnittsansicht eines
Beispiels einer Vorrichtung zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen im Abgas einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7(a) und (b) sind eine Längsschnittansicht und eine Querschnittsansicht eines
Beispiels einer Vorrichtung zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen im Abgas einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.;
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Fig. 8(a) und (b) sind Längsschnittansichten eines Beispiels einer Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung, in der mehrere Behandlungseinheiten für kohlenstoffbasierte
Teilchen verwendet sind;
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Fig. 9(a) und (b) zeigen die Funktion eines Filters nach der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 10, 11 und 12 zeigen jeweils ein Diagramm der Ergebnisse eines mit einer
Vorrichtung zur Behandlung bzw. Abscheidung von kohlenstoffbasierten Teilchen nach der
Erfindung durchgeführten Versuchs.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen Ausführungsformen des Filters zur Behandlung bzw.
Abscheidung von kohlenstoffbasierten Teilchen in Abgas nach der vorliegenden Erfindung.
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Ein Filter
1 zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen umfasst einen Sinterkörper 2 aus
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 2 mit durch Schweißen oder dergleichen an den
freien Enden angebrachten Elektroden.
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In Fig. 1(a) hat der Sinterkörper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern die
Form eines Streifens und hat die Formgebung eines gewellten Bogens in erforderlichen
Abständen. In Fig. 1(b) nimmt der Streifen eine zylindrische Form an, bei dem ein Teil in der
Umfangsrichtung aufgeschnitten ist. In Fig. 1(c) hat der Streifen die Form eines im
Querschnitt sternförmigen Rohrs, bei dem ein Teil in Umfangsrichtung aufgeschnitten ist. Der
Sinterkörper ist auf solche Formgebungen nicht beschränkt. Er kann jede beliebige Form wie
die einer Platte, einer Röhre mit einem verschlossenen Abschnitt, einer Tasse oder eines
Tellers aufweisen.
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Wie in Fig. 1(a) dargestellt, sind Elektroden 3, 3 bei allen genannten Teilen an den freien
Enden vorgesehen, oder, wie in den Fig. 1(b) und (c) dargestellt, sind Streifen 30 längs
der freien Enden angebracht. Wenn bei Verstopfung eine Abreinigung ohne Anlage eines
elektrischen Stroms durchgeführt wird, werden die Elektroden 3, 3 nicht vorgesehen.
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Für einen Sinterkörper aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 2 ist es
wünschenswert, solche Werkstoffe zu verwenden, die eine Widerstandserhitzung aufgrund eines
fließenden Stroms ermöglichen, wie beispielsweise Fe-Cr-Al-Seltene Erden-basierter rostfreier
Stahl. Ein rostfreier Stahl kann als Gewichtsanteil 17 bis 21% Cr, 2,5 bis 6% Al und 0,02 bis
0,25% Seltener Erden enthalten, die eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der
Gruppe umfassend La, Y und Ce sein kann.
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Wenn der Gehalt an Cr oder Al unterhalb der unteren Grenze liegt, wird die Dicke der
Aluminiumbeschichtung unzureichend für die Widerstandserwärmungseigenschaften, die weiter
unten beschrieben werden. Wenn der Gehalt größer als die obere Grenze ist, wird die
kristalline Struktur des Sinterkörpers unstabil. Seltene Erden tragen zur Stabilität der
Aluminiumbeschichtung bei. Wenn der Gehalt an Seltenen Erden geringer als die untere Grenze ist, tritt
diese Wirkung nicht ein. Ein höherer Gehalt als die obere Grenze ist wirtschaftlich ungünstig.
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Als weitere Bestandteile können 0,008% oder weniger C, 1,0 % oder weniger Si und 1,0
oder weniger Mn in dem Sinterkörper enthalten sein.
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Wie in Fig. 2(a) dargestellt, besteht ein Sinterkörper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfasern und hat eine poröse Struktur, in der die hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfasern 20 eine Zufallsorientierung haben und an den Kontaktstellen miteinander verschweißt
sind. Aus Fig. 2(b) ergibt sich ein Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung jeder
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfaser 20 von etwa viereckiger Form. Auf der Oberfläche jeder
Faser ist eine dünne Aluminiumbeschichtung 21 gleichförmiger Dicke niedergeschlagen.
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In Fig. 2(c) ist die Aluminiumbeschichtung 21 dargestellt, die die Fasern in dem Teilbereich
200, in dem die hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 20 und 20 einander kreuzen
und in Kontakt miteinander stehen, umschließt. Die Fasern haben im Kreuzungsteilbereich
200 metallische Berührung. Aufgrund der metallischen Berührung der
Kreuzungskontaktstellen befindet sich der gesamte Sinterkörper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfasern im Zustand eines gleichmäßigen Widerstandserhitzungsschaltkreises.
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In einer Ausführungsform ist auf der Aluminiumbeschichtung 21 zusätzlich eine
Katalysatorschicht 4 ausgebildet. Die Katalysatorschicht 4 besteht aus einem Träger für einen
Katalysator und einem aktiven Metall. Als Träger für einen Katalysator ist wenigstens ein Stoff aus
der Gruppe umfassend Aluminium, Silizium-Aluminium, Zirkonium-Aluminium, Titan,
Mordenit und Zeoliten wie ZSM-5 ausgewählt. Der Teilchendurchmessen des Trägers für einen
Katalysator beträgt vorzugsweise 0,5 um bis 20 um, vorzugsweise 1 um bis 10 um.
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Der Grund besteht darin, dass es schwierig ist, Teilchen mit einem Durchmesser von weniger
als 0,5 um herzustellen, und wenn die Teilchendurchmesser größer als 20 um sind,
entstehen Probleme wie das Verstopfen der offenen Poren 22 des Sinterkörpers 2 oder wie das
Ablösen des Katalysators von diesem.
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Als aktives Material auf dem Träger wird wenigstens ein Metall aus der Gruppe bestehend
aus Metallen der Gruppe 1, Gruppe 2, Gruppe 3b, Gruppe 4b, Gruppe 5b, Gruppe 6b, Gruppe
7b oder Gruppe 8 des periodischen Systems der Elemente bevorzugt verwendet. Als Metall
der Gruppe 1 wird Li, Na, K, Rb, Cs oder Cu bevorzugt. Als Metall aus der Gruppe 2 werden
Mg, Ca, Ba oder Zn bevorzugt. Als Metall aus der Gruppe 3b werden La oder Ce bevorzugt.
Als Metall aus der Gruppe 4b wird Zr, als Metall aus der Gruppe 5b wird V, als Metall aus der
Gruppe 6b wird Mo, als Metall aus der Gruppe 7b wird Mn und als Metall aus der Gruppe 8
werden Fe, Co, Ni, Pd oder Pt bevorzugt.
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Das Verhältnis des aktiven Metalls auf dem Träger zu dem Sinterkörper aus
hochtemperaturfesten rostfreien Fasern beträgt vorzugsweise 0,1 bis 15 mg je 1 g Sinterkörper und
insbesondere 1 bis 10 mg/g. Wenn der Anteil größer als 15 mg/g ist, werden die feinen Poren
verstopft.
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Jede der hochtemperaturfesten rostfreien Fasern 20 ist vorzugsweise 10 bis 300 mm lang
und hat eine Erstreckung einer Kante des rechteckförmigen Querschnitts quer zur axialen
Richtung (Breite t oder Dicke w) von 5 bis 200 um, insbesondere 10 bis 100 um. Wenn die
Länge kleiner als 10 mm ist, tritt nur ein geringes Verwirren (Überlagern) der Fasern auf,
und wenn die Länge der Fasern größer als 300 mm ist, sind die Fasern nicht gleichförmig
angeordnet und ist es schwer, gleichförmige bzw. gleichmäßig verteilte offene Poren zu
bilden.
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Wenn die Abmessung einer Seite des Querschnitts der Faser kleiner als 5 um ist, sammelt
sich Asche in kohlenstoffbasierten Teilchen oder Abgas und neigt dazu, die offenen Poren 22
zu verstopfen und führen dazu, die mechanische Festigkeit oder die Eigenschaften der
Widerstandserhitzung des Filters zu mindern. Wenn die Dicke mehr als 200 um beträgt,
gelangen die meisten der kohlenstoffbasierten Teilchen im Abgas durch das Filter hindurch und
die grundlegende Funktion, als ein Filter zu wirken, wird nicht erreicht.
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Der gesinterte Körper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern enthält die
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 20 in einem Gewicht je Flächeneinheit von 300 bis
5000 g/m². Wenn das Gewicht je Flächeneinheit weniger als 300 g/m² beträgt, ist die
Porosität zu hoch und können die meisten der kohlenstoffbasierten Teilchen in dem Abgas nicht
behandelt bzw. abgeschieden werden, bevor sie durch das Filter nicht durchströmt sind und
wenn es größer als 5000 g/m² ist, erhöht sich bei dem Durchsatz die Abscheideleistung der
kohlenstoffbasierten Teilchen im Abgas nicht und wird der Einsatz einer großen Menge der
hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 20 unwirtschaftlich.
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Da das Ausgangsmaterial des hochtemperaturfesten rostfreien Stahls von einem Ferrit-Typ
ist und da es schlechte Kaltverarbeitungseigenschaften hat, ist es schwierig, kleinkalibrige
bzw. dünne Drähte durch eine Ziehmethode zu erzeugen. Deshalb gibt es bisher praktisch
keine hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 20. Selbst mit Hilfe eines
Schmelzspinnverfahrens ist die Erzeugung von Fasern aus hochtemperaturfestem rostfreiem Stahl
schwierig. Bei einem Verfahren, bei dem Drähte geschnitten werden, ist die Form der entstandenen
Fasern unbestimmt und ist die Ausbeute gering. Vibrations- oder Schwingschneiden haben
das Problem, dass nur kurze Fasern hergestellt werden können.
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Um diese zuvor genannten Probleme zu vermeiden, werden gemäß der vorliegenden
Erfindung hochtemperaturfeste rostfreie Stahlfasern 20 mit der Methode des Abschneidens bzw.
Abtrennens von einem aufgewickelten (gecoilten) Material erzeugt.
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Danach werden, wie in Fig. 3 dargestellt, die Fasern dadurch erzeugt, dass ein dünnes
Band (Folie) 11 aus rostfreiem Stahl zu einem Wickel (coil) auf eine Hauptdrehspindel 12 fest
aufgewickelt wird und dass Fasern der Stirnfläche 110 des aufgewickelten (gecoilten)
Materials 11 mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges 13 mit einer vorbestimmten Schnitttiefe abgetrennt
werden, wobei auf das Werkzeug 13 ein Vorschub parallel zur Hauptdrehspindel ausgeübt
wird.
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Auf diese Weise wird ein Bündel 20" einer langen hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfaser, die dreidimensional und geeignet gekräuselt ist, nach hinten von der Schneidfläche
abgezogen und kontinuierlich hergestellt. Dieses Faserbündel ist in Querrichtung
auseinandergezogen, und das aufgefächerte Faserbündel wird in Längen von 10 mm bis 300 mm
geschnitten, um hochtemperaturfeste rostfreie Stahlfasern 20' zu erhalten.
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Die Fig. 4(a) und (b) zeigen eine einzige hochtemperaturfeste Faser 2', bei welcher der
Querschnitt der Faser eine rechteckförmige Form hat und eine Seite 201 eine aufgeworfene
und angeraute Oberfläche aufweist.
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Durch das Verfahren zum Abschneiden von einem Ende eines gecoilten Materials
korrespondiert eine Seite einer hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfaser 20' (die Breite w der Faser)
zur Dicke des Bands, und eine Seite (die Dicke t der Faser) wird durch die Zustellung des
Schneidwerkzeugs bestimmt. Dementsprechend können durch die Wahl der Dicke eines
dünnen Bands oder eines dünnen Streifens aus einem hochtemperaturfesten rostfreien Stahl 11
und der Tiefe des Schnitts (Zustellung des Werkzeugs) Fasern mit unterschiedlichen
Abmessungen hergestellt werden.
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Als Vorgabe für die Herstellung der oben genannten Fasern kann der Anschnittspanwinkel
zwischen 15 und 45º eingestellt werden, kann die Geschwindigkeit des Schneidens zwischen
30 und 95 m/min gewählt werden und kann die Zustellung s zwischen 5 -und 40 um/min
gewählt werden.
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Der Sinterkörper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern nach der vorliegenden
Erfindung wird im allgemeinen hergestellt durch Verwendung der hochtemperaturfesten
rostfreien Stahlfasern als Ausgangsmaterial und Einsatz des "Faserband-Herstellens"-"Sinterns"-
"Formgebens"-"Wärme-Behandelns" oder des "Faserband-Herstellens"-"Sinterns"-
"Formgebens"-"Wärme-Behandelns"-"Katalysatorbeschichtens".
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Das bedeutet, zunächst werden die hochtemperaturfesten Fasern 20' bis zu einem Gewicht
je Flächeneinheit von 300 g/m² bis 5000 g/m² zusammengenommen und werden dann die
zusammengenommenen Fasern zu der gewünschten Form geformt, z. B. zu einem
Faserband in Form einer Platte oder Tafel.
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Anschließend wird das auf diese Weise erzeugte Band bei einer Temperatur von 800 bis
1250ºC in einer Vakuumatmosphäre oder in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre während
10 Minuten bis 10 Stunden erhitzt, um gesintert zu werden. Es ist ebenfallsvorteilhaft, das
Band beim Sintern zu belasten. Aus den auf diese Weise erzeugten gesinterten Körper wird
ein Filter mit den gewünschten Abmessungen geschnitten. Wenn die Formgebung des Filters
derjenigen entspricht, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird anschließend ein Wellen usw.
ausgeführt. Je nach den Umständen des Falles kann die Formgebung des Filters, wie sie in Fig. 1
beispielsweise dargestellt ist, angewendet werden, wenn ein Band hergestellt wird.
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Anschließend wird das Filter einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 600ºC bis
1000ºC in einer oxidierenden Atmosphäre wie beispielsweise Luft während einer Zeit von 1
bis 20 Stunden unterworfen. Diese Wärmebehandlung kann durch elektrische Erhitzung
mittels Anlegen einer Spannung bewirkt werden, bei der die Widerstandserhitzung erzeugenden
Eigenschaften des gesinterten Körpers ausgenützt werden.
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Durch diese Wärmebehandlung wird eine Aluminiumbeschichtung 21, wie sie in den Fig.
2(b) und (c) dargestellt ist, auf die Oberfläche der gesinterten Fasern niedergeschlagen.
Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung geringer als 600ºC ist, wird die
Aluminiumbeschichtung 21 unzureichend niedergeschlagen, und wenn die Temperatur mehr als 1100ºC
beträgt, löst sich das Aluminium und fliegt fort.
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Im zuvor angegebenen Bereich der Temperaturen wird eine dauerhafte Beschichtung
erzeugt, wenn die Temperatur 700ºC oder weniger beträgt, durch die Reaktion von 2(Fe, Cr
und Al) - 4,5O&sub2; → Fe&sub2;O&sub3; - Cr&sub2;O&sub3; - Al&sub2;O&sub3;, und wenn die Temperatur mehr als 700ºC beträgt,
durch die Reaktion von Fe&sub2;O&sub3; - 2Al → Al&sub2;O&sub3; - 2Fe. Zusätzlich, da Seltene Erden als einer der
Bestandteile zugegeben wird, wird die Stabilität der Aluminiumbeschichtung bei hohen
Temperaturen verbessert. Auf diese Weise werden gute mechanische Eigenschaften bei einer
Betriebstemperatur von 900ºC oder weniger erzielt.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach der Wärmebehandlung
ein Katalysator auf den Sinterkörper aus hochtemperaturfesten rostfreien Fasern 2 aus Stahl
aufgebracht. Als Verfahren zur Aufbringung eines Katalysators kann jede übliche Methode
verwendet werden. Es kann z. B. ein Spülbeschichtungsverfahren angewendet werden, bei
dem mit einer Aufschlämmung, die durch Imprägnieren eines aktiven Metalls in einen
Katalysatorträgers hergestellt ist, gespült wird, bei dem mit einer Aufschlämmung, die durch
Niederschlag eines aktiven Materials auf einem Katalysatorträger erzeugt wurde, gespült wird,
oder bei dem ein aktives Material auf einen Katalysatorträger, nachdem der Träger mit
diesem spülbeschichtet ist, imprägniert wird.
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Da das Filter 1 für die Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen nach der vorliegenden
Erfindung als Grundmaterial Fasern umfasst, die durch Abschneiden von der Stirnfläche eines
aufgewickelten Materials aus hochtemperaturfestem rostfreiem Stahl 11 mit geringen Kosten
erzeugt sind, hat es die Eigenschaft, dass es mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann,
während es gleichförmige Abmessungen und eine hohe Temperaturfestigkeit hat. Ferner, da
es nicht nur durch Sammeln und Zusammenfassen von hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfasern 20', Formen der Fasern in ein Faserband und Sintern des Faserbands hergestellt
wird, jedoch zusätzlich auch durch Wärmebehandlung des Faserbands nach dem Sintern, um
eine Aluminiumbeschichtung auf der Oberfläche der Fasern zu erzeugen, hat es Standfestigkeit
gegenüber hohen Temperaturen, Antioxidationseigenschaften und mechanische
Festigkeit.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Filter eine
Katalysatorschicht 4 auf der Aluminiumbeschichtung 21, welche Aluminiumbeschichtung eine Affinität
für den Katalysatorträger hat, so dass auf diese Weise die Haftung der Katalysatorschicht 4
gut sein kann. Der Katalysator kann die Verbrennung der kohlenstoffbasierten Teilchen
beschleunigen.
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Da der Durchmesser der Poren eingestellt werden kann durch Veränderung des
Durchmessers der erzeugten Fasern, durch Veränderung der Menge der zu einem Faserband
zusammengenommenen Fasern und, wenn eine Katalysatorschicht vorgesehen ist, durch
Veränderung der Menge des aufgebrachten Katalysators, kann ein Filter hergestellt werden, in
welchem keine Asche aus kohlenstoffbasierten Teilchen des Abgases niedergeschlagen wird,
abgesehen davon, dass der Durchsatz der kohlenstoffbasierten Teilchen im Abgas auf
günstige Weise verändert werden kann. Auf diese Weise kann das Filter über einen langen
Zeitraum eingesetzt werden.
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Ferner, da hochtemperaturfeste rostfreie Fasern 20 aus Stahl eine große Oberfläche haben
und eine im Querschnitt vierseitige Form haben, können, neben dem Umstand, dass deren
Abmessungen und Formen gleichmäßig sind, kohlenstoffbasierte Teilchen im Abgas sicher an
den Kanten jedes Filters eingefangen werden.
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Im folgenden werden die Ausführungsformen der Vorrichtung zur Behandlung bzw.
Abscheidung kohlenstoffbasierter Teilchen im Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
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Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird durch wenigstens eine kohlenstoffbasierte
Teilchen behandelnde Einheit 5 (die im folgenden lediglich als Behandlungseinheit bezeichnet
wird) gebildet, wie sie in den Fig. 5, 6 und 7 beispielhaft dargestellt ist.
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Die Fig. 8(a) und (b) zeigen beispielhaft Vorrichtungen zur Behandlung
kohlenstoffbasierter Teilchen, in denen mehrere Behandlungseinheiten verwendet sind. Fig. 8(a) zeigt eine
Vorrichtung, in der in einem Durchströmungskanal für das Abgas mehrere Behandlungseinheiten
parallel miteinander verbunden sind, Absperrventile 8 eingangsseitig und
ausgangsseitig der Behandlungseinheit 5 vorgesehen sind und Abgas der Behandlungseinheit 5
wahlweise zugeführt wird. Fig. 8(b) zeigt eine Vorrichtung, in der in einem Durchströmungskanal
für das Abgas mehrere Behandlungseinheiten 5 in Serie miteinander verbunden sind und das
Abgas einer mehrstufigen Behandlung unterworfen wird.
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Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung in der ein in Fig. 1(a) dargestelltes Filter 1 zur
Behandlung der kohlenstoffbasierten Teilchen verwendet ist. Ein Gehäuse 50 der Vorrichtung
ist durch ein hitzebeständiges Material, wie beispielsweise rostfreier Stahl, gebildet. Es hat
am einen Ende der Längserstreckung einen Einlass 500 für das Gas und am anderen Ende
einen Auslass 501. Auf der Innenfläche des Gehäuses 50 der Vorrichtung ist eine
Auskleidung 9 mit elektrischen Isolationseigenschaften und thermischen Isolationseigenschaften
vorgesehen. Ein Filter 9 zur Abscheidung kohlenstoffbasierter Teilchen ist innerhalb eines
Kanals 502 für Abgas zwischen dem Einlass 500 und dem Auslass 501 so angeordnet, dass
Elektroden 3 und 3 mit den freien Enden vom Gehäuse 50 vorstehen. Obwohl im
vorliegenden Fall der Körper der Vorrichtung in zwei Teile unterteilt ist, einen oberen und einen
unteren Teil, um die Elektroden 3, 3 aufzunehmen, ist dieser vereinfacht in einigen Figuren
dargestellt.
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In Fig. 5 ist eine Vorrichtung E zur Versorgung mit elektrischer Energie zur Erzeugung einer
Wärme entwickelnden Reaktion in dem Filter 1 vorgesehen. Die Vorrichtung E ist mit einer
Stromquelle und einem Regler 7 ausgerüstet. Aus einer elektrischen Stromquelle 6 führen
zwei Stromversorgungsleitungen 60, 60 heraus, eine der Leitungen ist mit der einen der
Elektroden verbunden, und die andere Leitung ist mit der anderen der Elektroden verbunden.
Der Regler ist an die elektrische Stromquelle angeschlossen.
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Obwohl der Regler 7 ein Zeitgeber sein kann, der die elektrische Stromversorgung zu
vorbestimmten Zeiten einschaltet, ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ein Mikrocomputer
eingesetzt, mit dem ein Ausgang 70 eines Druckdetektors am Gaseinlass 500 für das Abgas
und ein Ausgang 71 eines Druckdetektors am Gasauslass 501 für das Abgas verbunden ist.
Der Differenzdruck P³ zwischen dem Druck eines zugeführten Abgases und dem des
ausgelassenen Gases wird gemessen, und wenn der Differenzdruck P³ einen vorbestimmten Wert
erreicht, wird die elektrische Stromversorgung 6 eingeschaltet und wird ferner der
elektrische Stromfluss automatisch geregelt.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Filter 1 zur Behandlung
kohlenstoffbasierter Teilchen, wie es in den Fig. 1(c) dargestellt ist, verwendet ist. Fig. 7 zeigt ein
Ausführungsbeispiel, bei dem das Filter 1 zur Behandlung bzw. Abscheidung kohlenstoffbasierter
Teilchen eingesetzt ist, wie es in Fig. 1 (b) dargestellt ist.
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Bei diesen Ausführungsformen ist zum Einfangen kohlenstoffbasierter Teilchen durch eine
Querströmung des Abgases G der Raum zwischen dem unteren Ende des Filters 1 und der
inneren Wand der Auskleidung verschlossen und ist ein Abschlussmaterial, das
hitzebeständig ist und elektrische Isolationseigenschaften hat, mit dem oberen Ende des Filters
verbunden, um es zu verschließen. Da die anderen Bauteile die gleichen wie die der
Behandlungseinheit 5 nach Fig. 5 sind, ist an dieser Stelle eine nähere Beschreibung unterblieben.
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Da die Form des Filters 1 zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen gemäß der
vorliegenden Erfindung frei bestimmt werden kann, kann die Oberfläche des Filters je Volumeneinheit
der Behandlungseinheit ohne weiteres verändert werden. Daher ist es selbst in einer
Vorrichtung zur Behandlung eines Abgases, in der viele Behandlungseinheiten 5 im Kanal für das
Abgas nach Fig. 8 miteinander verbunden sind, möglich, einen hohen Rückdruck auf die
Diesel-Verbrennungskraftmaschine oder die Verbrennungsvorrichtung wirken zu lassen oder
einen Verbrennungszustand zu verschlechtern.
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Wenn eine Vorrichtung zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen im Abgas mit mehreren
Behandlungseinheiten 5, 5 ausgerüstet ist, können die Zeiten zur Beaufschlagung mit
elektrischem Strom jeder Behandlungseinheit gegeneinander versetzt und dadurch der Verbrauch
von zuviel elektrischer Energie vermieden werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist die Art und Weise der Installation eines Filters 1 zur
Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen neben einer Behandlungseinheit 5 nicht auf die in
den vorherigen Beispielen gezeigte beschränkt, sondern es kann in jeder Weise verwendet
werden, wie in einer mehrstufigen Installation oder in einem einzigen Gehäuse 50.
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Nachfolgend ist die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zur
Behandlung bzw. Abscheidung kohlenstoffbasierter Teilchen im Abgas näher erläutert.
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Ein Abgas G mit hoher Temperatur, das von einer Diesel-Verbrennungskraftmaschine oder
Verbrennungseinrichtung abgegeben wird und kohlenstoffbasierte Teilchen enthält, strömt
vom Einlass 500 für Abgas durch einen Kanal 502 für Abgas und das Filter 1 zur Behandlung
von kohlenstoffbasierten Teilchen entsprechend den eingezeichneten Pfeilen, wobei
kohlenstoffbasierte Teilchen c abgeschieden und gereinigtes Abgas aus dem Auslass 501
abgegeben wird.
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Das Filter 1 zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen gemäß der vorliegenden
Erfindung wird von einem porösen gesinterten Körper 2 aus hochtemperaturfesten rostfreien
Stahlfasern, der durch Sintern von gegenüber hohen Temperaturen beständigen Fasern
erhalten wurde, gebildet. Die Oberfläche der hochtemperaturfesten rostfreien Fasern 20 aus
Stahl ist mit einer stabilen Schicht 21 aus Aluminium beschichtet. Sie hat daher in
oxidierender Atmosphäre hohe mechanische Festigkeit und weist ausgezeichnete
Widerstandseigenschaften auf. Außerdem haben hochtemperaturfeste rostfreie Fasern 20 aus Stahl eine große
Oberfläche aufgrund der Eigenschaften und des Verfahrens zu deren Herstellung und eignen
sich zum Einfangen kohlenstoffbasierter Teilchen c an ihren Längskanten aufgrund ihrer im
Querschnitt viereckigen Form. Auf diese Weise kann das Filter sicher und wirksam aus einer
Diesel-Verbrennungskraftmaschine oder Verbrennungseinrichtung abgegebene, hohe
Temperaturen aufweisende kohlenstoffbasierte Teilchen c abscheiden.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Filter eine Katalysatorschicht
4 auf der Aluminiumschicht 21, wobei die Katalysatorschicht ein aktives Metall enthält.
Aufgrund der Gegenwart einer Katalysatorschicht werden die kohlenstoffbasierten Teilchen c im
Abgas sicher auf dem Filter 1 verbrannt, wenn die Temperatur des Abgases G höher als die
Temperatur ist, bei welchem das Filter 1 die kohlenstoffbasierten Teilchen c verbrennen
kann. Wenn die Temperatur des Abgases G geringer als die Temperatur ist, bei welchem das
Filter 1 die kohlenstoffbasierten Teilchen c verbrennen kann, werden die kohlenstoffbasierten
Teilchen c nacheinander im Filter eingefangen und abgeschieden, so dass die
Durchströmungsöffnungen des Sinterkörpers 1 aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern mit
ihnen belegt werden.
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Dieser Zustand ist in Fig. 9(a) dargestellt. Die Abscheidung der Teilchen erhöht sich mit
dem Durchströmungswiderstand. Dieser erhöht die Druckdifferenz zwischen der
Einströmseite des Filters und dessen Ausströmseite und verschlechtert die Verbrennungsleistung der
Diesel-Verbrennungskraftmaschine oder Verbrennungsvorrichtung. Aus diesem Grunde
müssen die im Filter 1 aufgefangenen kohlenstoffbasierten Teilchen c behandelt und das Filter 1
regeneriert bzw. abgereinigt werden.
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Obwohl wie oben beschrieben die Regeneration des Filters durch Verbrennen der
kohlenstoffbasierten, am Filter anhaftenden Teilchen durch einen elektrischen Erhitzer oder Brenner
und anschließendes fortschreitendes Verbrennen von ihnen oder durch Einleiten von
komprimierter Luft in entgegengesetzte Richtung zum Abgasstrom und Abbürsten der
kohlenstoffbasierten Teilchen erzielt werden kann, sind diese Methoden beschwerlich und bieten
keine Sicherheit oder benötigen viel Zeit für die Behandlung bzw. Abreinigung.
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Jedoch hat der Sinterkörper 2 nach der vorliegenden Erfindung aus hochtemperaturfesten
rostfreien Stahlfasern Widerstandswärme erzeugende Eigenschaften, wenn elektrischer
Strom angelegt wird, zusätzlich zur eigenen guten thermischen Leitfähigkeit. Da außerdem
die hochtemperaturfesten Fasern 20 aus rostfreiem Stahl direkt miteinander an den
Kreuzungspunkten der Fasern verbunden sind, hat der Sinterkörper 2 aus hochtemperaturfesten
rostfreien Stahlfasern vollständig gleichmäßige Widerstandswärme erzeugende
Eigenschaften.
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Folglich, wenn nach dem obigen die Druckdifferenz groß wird und wenn Strom aus der
elektrischen Quelle 6 der Vorrichtung E über die Elektroden 3, 3 dem Filter 1, wie in Fig. 9(b)
dargestellt, zugeführt wird, bildet das ganze Filter 1 gleichmäßig Joule'sche Wärme und
werden die kohlenstoffbasierten Teilchen mit Bestimmtheit durch die Hitze entzündet, um zu
verbrennen und beseitigt zu werden. Auf diese Weise nimmt die Druckdifferenz zwischen
dem Einlass und dem Auslass des Filters 1 wieder den ursprünglichen Wert an. Wenn das
Filter 1 eine Katalysatorschicht auf der Aluminiumschicht 21 aufweist, ist die Verbrennung
der kohlenstoffbasierten Teilchen beschleunigt und vermindert den Betrag der erzeugten
Elektrizität.
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Aus dem oben gesagten ergibt sich, weil die Regeneration des Filters durch die durch den
hindurchfließenden elektrischen Strom durch das Filter selbsterzeugte Wärme bewirkt wird,
wird auch kein Zunder gebildet. Wegen der guten Widerstandseigenschaften aufgrund der
Aluminiumschicht 21 zeigt das Filter 1 aus hochtemperaturfesten rostfreien Stahlfasern 20
auch weder Brucherscheinungen noch tritt jedwedes Schmelzen auf.
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Wenn der Regler 7 ein Zeitgeber ist, erfolgt das Verfahren der Regeneration automatisch
dadurch, dass die elektrischen Stromquellen 6 in Intervallen zur Wirkung gebracht werden,
die aufgrund im Voraus durch Versuche erzielte Ergebnisse eingestellt sind. Wenn der Regler
ein Differenzdrucksignal erzeugt, wird das Regenerationsverfahren automatisch durch
Einschalten der elektrischen Stromquelle 6 durchgeführt, wenn die Differenz der von den
Druckmessgebern für das Abgas 70 und das Abgas 71 erzeugten Drucksignale eine
bestimmte vorermittelte Druckdifferenz Ps erreicht.
Beispiel 1
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Ein dünnes rostfreies Blech auf der Basis von Fe, Cr, Al und Seltenen Erden, bestehend aus
0,004% C, 0,14% Si, 0,13% Mn, 20,02% Cr, 4,9% Al, 0,08% La und im übrigen aus
Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen mit einer Dicke von 20 um wurde um eine
Hauptspindel herum aufgewickelt, und der Blechwickel wurde mit einem Vorschub pro
Umdrehung von 10 um/min geschnitten, während die Spindel gedreht wurde, um lange rostfreie
Fasern auf der Basis von Fe, Cr, Al und Seltenen Erden mit einem Querschnitt von 30 um ·
15 um zu erzeugen. Die langen Fasern wurden auf eine Länge von 150 mm geschnitten, die
geschnittenen Fasern zu einem Gewicht von 2000 g/m² zusammengenommen und zu einem
Faserband geformt. Das auf diese Weise hergestellte Faserband wurde in einer nicht-
oxidierenden Atmosphäre bei 1120ºC 2 Stunden lang unter einer Belastung von 40 g/m²
gesintert. Anschließend wurde das gesinterte Faserband bei einer Temperatur von 1000ºC
über 6 Stunden wärmebehandelt, um ein Filter quaderförmiger Form und Abmessungen von
500 · 900 · 0,8 mm zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen zu erhalten.
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Das auf diese Weise gewonnene Filter wurde mittig in einer Rohrleitung für das Abgas eines
Dieselmotors mit Direkteinspritzung eingebaut. Ein Versuch wurde zur Abscheidung von
kohlenstoffbasierten Teilchen im Abgas bei 300ºC durchgeführt.
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Der Abscheidegrad der kohlenstoffbasierten Partikel betrug 61%, wenn die Druckdifferenz
über das Filters bei 200 mm Wassersäule lag. Dieser Abscheidegrad wurde auf der Basis der
Konzentration der Partikel im Abgas am Einlass und am Auslass des Filters berechnet.
Beispiel 2
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Entsprechend dem Verfahren nach Beispiel 1 wurde ein Sinterkörper in Form eines ebenen
Bands mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Breite von 25 mm und einer Länge von 900 mm
hergestellt. Der Sinterkörper wurde einem Verfahren zur Wellung unterworfen und
anschließend einer Wärmebehandlung unter den zuvor angegebenen Bedingungen, um einen
Filterkörper zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen in der Form, wie sie Fig. 5(a)
darstellt, herzustellen. An beide Enden des Filterkörpers wurden Elektroden aus Kupfer
befestigt, um ein Filter zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen zu erhalten.
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Das Filter wurde in einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl unter Zwischenlage eines elektrisch
isolierenden und wärmeisolierenden Materials eingebaut. An seine Elektroden wurde ein
Regelkreis und eine elektrische Stromquelle angeschlossen. Ein Differenzdruckgeber wurde mit
dem Regelkreis verbunden, damit mit dem Druckgeber die Druckdifferenz zwischen dem
Druck am Einlass für das Abgas und dem am Auslass für das Abgas gemessen wird.
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Die auf die oben angegebene Weise hergestellte Vorrichtung zur Behandlung von
kohlenstoffbasierten Teilchen wurde mittig in eine Rohrleitung für Abgas eines Dieselmotors mit
Direkteinspritzung eingebaut. Mit Hilfe des so eingebauten Filters wurde ein Versuch zur
Behandlung von Abgas durchgeführt. Das Ergebnis des Versuchs ist in der Fig. 10 dargestellt.
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Wie sich aus der Fig. 10 ergibt, erhöht sich der Anlagendruckabfall der Vorrichtung zur
Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen fortschreitend mit dem Abscheiden der
kohlenstoffbasierten Teilchen aus dem Abgas durch das Filter. Wenn der Druck einen vorermittelten
Wert erreicht hat, wurde ein Strom von 100 A über den Regelkreis durch die Elektroden zum
Filter für die Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen geleitet. Das führte zu einem
Rückgang des Anlagedifferenzdrucks der Vorrichtung bis nahe zur ursprünglichen Druckdifferenz.
Dieser Vorgang wurde 1000 mal wiederholt, und es ergaben sich die gleichen
Veränderungen. Zu allen diesen Zeiten betrug der Abscheidegrad der Behandlung der
kohlenstoffbasierten Teilchen 60 bis 70%. Es trat auch weder ein Schmelzen noch ein Ausfall des Filters zur
Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen auf.
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Diese Ergebnisse zeigen, dass die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine große
Durchsatzleistung und eine gute Standfestigkeit aufweist.
Beispiel 3
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Ein Grundkörper eines Filters zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen wurde auf
die gleiche Art und Weise wie das Filter nach dem Beispiel 1 hergestellt.
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Aluminiumteilchen mit einem Durchmesser der Teilchen von 1 um wurden mit Kupfersulfat
imprägniert. Das imprägnierte Produkt wurde gemahlen und bei 110ºC getrocknet. Das
getrocknete Produkt wurde bei einer Temperatur von 500ºC gesintert. Das gesinterte Produkt
wurde mit Wasser vermischt, und die Mischung wurde in einer Kugelmühle zur Gewinnung
einer 5%igen Aufschlämmung gemahlen. Der Grundkörper eines Filters wurde durch Spülung
mit der Aufschlämmung beschichtet und bei 100ºC getrocknet und dann das getrocknete
Produkt bei einer Temperatur von 500ºC gesintert. Dieser Vorgang des Beschichtens durch
Spülung und des Sinterns wurde wiederholt, bis 3 mg Kupfer je g des Grundkörpers des
Filters aufgebracht worden waren, um ein Filter zur Behandlung von kohlenstoffbasierten
Teilchen zu gewinnen.
Beispiel 4
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Ein Grundkörper eines Filters zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen wurde auf
die gleiche Art und Weise hergestellt wie das Filter nach Beispiel 1.
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Ein Katalysator, Teilchen aus Aluminium mit einer Größe der Teilchen von 1 um wurden mit
Chlorplatinsäure imprägniert. Das imprägnierte Produkt wurde gemahlen und getrocknet.
Das getrocknete Produkt wurde bei einer Temperatur von 500ºC gesintert. Das gesinterte
Produkt wurde mit Wasser vermischt, und die Mischung wurde in einer Kugelmühle zur
Gewinnung einer 5%igen Aufschlämmung gemahlen. Der Grundkörper des Filters wurde durch
Spülung mit der Aufschlämmung beschicht und bei einer Temperatur von 110ºC getrocknet
und das getrocknete Produkt wurde bei einer Temperatur von 500ºC gesintert. Dieser
Vorgang des Beschichtens durch Spülen und des Sinterns wurde wiederholt, bis 3 mg Platin je g
des Grundkörpers des Filters aufgebracht worden waren, um ein Filter zur Behandlung von
kohlenstoffbasierten Teilchen zu gewinnen.
Beispiel 5
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Um die Leistungsfähigkeit der nach den Beispielen 3 und 4 erhaltenen Filter zu testen, wurde
jedes Filter mittig eines Abgasrohrs eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung angebaut. Ein
Versuch zur Abscheidung kohlenstoffbasierter Teilchen in Abgas wurde durchgeführt, bis die
Druckdifferenz über das Filter 200 mm Wassersäule betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1
wiedergegeben.
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Ein Gas, das durch Vermischen von 10% Sauerstoff und 90% Stickstoff gewonnen wurde,
wurde durch jedes Filter bei einem Temperaturanstieg des Gases mit einer Rate von 20
ºC/min durchgeleitet. Aus der Temperatur des Filters und dem Differenzdruck wurde die
Zündtemperatur der kohlenstoffbasierten Teilchen, die im Filter abgeschieden wurden, und
die Temperatur, bei der die Teilchen verbrannten, gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 angegeben.
Tabelle 1
Tabelle 2
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Aus Tabelle 1 ergibt sich, dass das Filter nach der vorliegenden Erfindung einen hohen
Abscheidekoeffizienten bzw. Abscheidegrad hat. Aus Tabelle 2 lässt sich entnehmen, dass die
Filter nach den Beispielen 3 und 4 sowohl eine niedrige Zündtemperatur als auch eine
niedrige Verbrennungstemperatur aufweisen.
Beispiel 6
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Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde zur Herstellung eines gesinterten Körpers eines
flächigen Streifens mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Breite von 25 mm und einer Länge von 900
mm angewendet. Der Sinterkörper wurde einem Verfahren zur Wellung (in Falten legen) und
dann einer Wärmebehandlung unter den zuvor genannten Bedingungen unterworfen, und es
wurde ein Katalysator entsprechend den Beispielen 3 und 4 aufgebracht, um ein Filter zur
Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen, wie es der Formgebung nach in Fig. 5(a)
dargestellt ist, zu erzeugen. Kupferelektroden wurden an beiden Enden des Filterkörpers
angebracht, um ein Filter zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen zu gewinnen.
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Das Filter wurde in einem Gehäuse aus rostfreiem Stahl unter Zwischenlage eines elektrisch-
und eines wärmeisolierenden Materials eingebracht. Eine Vorrichtung zur Versorgung mit
elektrischem Strom bestehend aus einem Regelschaltkreis und einer elektrischen Stromquelle
wurde mit den Elektroden verbunden. Dann wurde mit dem Regelschaltkreis ein
Differenzdruckgeber verbunden, durch welchen Geber die Druckdifferenz zwischen dem Druck am
Einlass für das Abgas und dem am Auslass für das Abgas gemessen wurde.
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Die Vorrichtung zur Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen, die auf die oben
angegebene Weise hergestellt wurde, wurde mittig in einem Abgasrohr eines Dieselmotors mit
Direkteinspritzung befestigt. Unter Verwendung der Vorrichtung, in der ein Filter gemäß
Beispiel 3 vorgesehen war, wurde ein Versuch zur Behandlung von Abgas durchgeführt, das
eine Temperatur von 550ºC oder darüber aufwies. Das Ergebnis des Versuchs ist in Fig. 11
dargestellt.
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Wie man Fig. 11 entnimmt, stieg der Anlagendifferenzdruck der Vorrichtung zur
Behandlung von kohlenstoffbasierten Teilchen nicht an und blieb konstant beim anfänglichen
Differenzdruck. In diesem Fall betrug der Durchlasskoeffizient (Abscheidegrad) für die
kohlenstoffbasierten Teilchen 70 bis 80%.
Beispiel 7
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Fig. 12 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, der bei einer Abgastemperatur von 350ºC mit
einer Vorrichtung, in der das Filter gemäß Beispiel 3 vorgesehen war, durchgeführt wurde.
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Aus Fig. 12 ergibt sich, dass der Anlagendifferenzdruck der Vorrichtung zur Behandlung
kohlenstoffbasierter Teilchen während der Abscheidung der Teilchen mit dem Filter für
kohlenstoffbasierte Teilchen aus dem Abgas langsam anstieg, und wenn er einen vorermittelten
Differenzdruck erreicht hat, ein elektrischer Strom von 100 A an das Filter zur Behandlung
kohlenstoffbasierter Teilchen über die Elektroden durch den Regelkreis angelegt wurde. Dies
führte zu einer Abnahme des Anlagendifferenzdrucks der Vorrichtung bis auf nahe dem
ursprünglichen Differenzdruck. Dieser Vorgang wurde 1000 mal wiederholt, und dabei ergaben
sich gleiche Änderungen des Differenzdrucks, wie er dargestellt ist. Zu allen diesen Zeiten
betrug die Durchsatzrate der kohlenstoffbasierten Teilchen 70 bis 80%. Weder ein
Schmelzen noch ein Ausfall zeigte sich in dem Filter zur Behandlung kohlenstoffbasierter Teilchen.