DE69703857T2

DE69703857T2 - Partikelfalle für einen Dieselmotor

Info

Publication number: DE69703857T2
Application number: DE69703857T
Authority: DE
Inventors: Shunsuke Ban; Kiyoshi Kobashi; Youichi Nagai; Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: US5908480A; JPH09262414A; CN1104549C; JP3434117B2; KR100233385B1; ES2154426T3; EP0798452B1; CN1173582A; EP0798452A1; DE69703857D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zum Zurückhalten und Entfernen von Feststoffteilchen wie Kohlenstoff und zum Entfernen jeglicher Schadstoffe, die in den Abgasen von Dieselmotoren enthalten sind.
Abgase von Kraftfahrzeugen sind eine Hauptursache der Luftverschmutzung. Es ist deshalb von äußerster Wichtigkeit, eine Technik zum Entfernen von Schadstoffen in den Abgasen zu entwickeln.
Es ist vor allem von hoher Dringlichkeit, eine Technik zum Entfernen von Feststoffanteilen in den Emissionen von Dieselmotoren zu entwickeln, die hauptsächlich aus NOx und Kohlenstoff bestehen.
Um solche Schadstoffkomponenten in Abgasen zu entfernen, schlägt die japanische Offenlegungsschrift 58-51235 vor, ein Abgasfilter in einer Abgasleitung zum Zurückhalten jeglicher Schadstoffe vorzusehen und diese durch eine Nachbehandlung zu entfernen. Andere herkömmliche Abgasreinigungseinrichtungen enthalten verschiedene Verbesserungen im Motor selbst, beispielsweise Abgas-Rückführungssysteme (Exhaust Gas Recirculation - EGR) und verbesserte Kraftstoffeinspritzsysteme. Aber keine davon kann eine entscheidende Lösung bieten. Nunmehr werden Nachbehandlungsverfahren zur Abgasreinigung für besser durchführbar erachtet. Derzeit werden verstärkte Anstrengungen unternommen, um Abgasreinigungssysteme des Nachbehandlungstyps zu entwickeln.
Partikelfilter zum Zurückhalten von in Abgasen eines Dieselmotors enthaltenen Feststoffteilchen müssen alle der folgenden Anforderungen erfüllen:

1) Filterleistung bei Feststoffteilchen

Ein Partikelfilter muss in der Lage sein, Feststoffteilchen mit einem so hohem Wirkungsgrad zurückzuhalten, dass die Abgase in einem zufrieden stellenden Umfang zurückgehalten werden. Als erforderlich gilt, mindestens 60% der in den Abgasen eines Dieselmotors enthaltenen Feststoffteilchen zurückzuhalten, wobei die Menge der in den Abgasen enthaltenen Partikel vom Hubraum des Dieselmotors und der aufgebrachten Last abhängt.
Schwebstoffteilchen in der Luft mit einem Durchmesser von 2 um oder darunter können in die menschlichen Atemwege eindringen und nachweislich Lungenkrebs auslösen. Daher ist es besonders wichtig, dass Partikelfilter sogar so kleine Schwebstoffteilchen wirksam zurückhalten.

2) Druckabfall

Das Partikelfilter muss in der Lage sein, den Druckabfall in Abgasen auf einem Minimum zu halten. Verursacht es einen hohen Druckabfall, wirkt ein Gegendruck auf den Motor, der die Motorleistung in verschiedener Hinsicht beeinträchtigt. Es gilt daher, den Druckabfall im Normalzustand auf weniger als 30 kPa zu halten. Zu diesem Zweck muss das Partikelfilter für einen hinreichend niedrigen Anfangsdruckabfall der Abgase sorgen und außerdem in der Lage sein, den Druckabfall selbst dann, wenn sich eine große Menge Feststoffteilchen im Filter angesammelt hat, auf einem Minimum zu halten.

3) Aufbereitung

Die dritte Anforderung ist, dass das Filter mit geringen Energiekosten aufbereitet werden kann. Der Grund hierfür ist, dass das Partikelfilter durch Verbrennen der zurückgehaltenen Partikel häufig wieder aufbereitet oder wieder verwendet werden muss. Ein elektrisches Heizgerät oder ein Leichtölbrenner wird zum Verbrennen der Partikel als brauchbares Mittel erachtet.

4) Dauerhaftigkeit

Viertens muss das Filter eine ausreichende Dauerhaftigkeit aufweisen. Es muß in hohem Maße korrosionsbeständig sein, wenn es den heißen Abgasen ausgesetzt ist, und Hitzeschocks bei der Verbrennung der Feststoffteilchen standhalten.

5) Integrierbarkeit mit einem Katalysator

Des Weiteren ist es erforderlich, einen mit dem Filter integralen Katalysator bereitzustellen. Um schädliche Gasanteile in den Abgasen zu entfernen, kann eine Katalysatoranlage, die mit einem Katalysator zur Entfernung von schädlichen Gasen versehen ist, in einer Abgasleitung des Motors eingebaut werden. Wird ein eigenes Partikelfilter in der selben Abgasleitung gewünscht, könnte dafür kein Einbauraum verfügbar sein. Außerdem wären die Kosten für die getrennte Bereitstellung zweier solcher verschiedener Arten Abgasreinigungssysteme des Nachbehandlungstyps ziemlich hoch.
Unter den vorhandenen Materialien für Filterelemente, die die oben beschriebenen Anforderungen erfüllen gilt ein wabenartiges, poröses Element mit anliegender Strömung aus Cordierit- Keramik als das in der Praxis geeignetste. Dieses Filter ist jedoch mit einigen Problemen behaftet. Ein Problem ist, dass die Partikel das Bestreben haben, sich an einer Stelle anzusammeln. Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Cordierit-Keramik während der Aufbereitung heiße Stellen bilden können. Als Ergebnis kann das Filter schmelzen oder aufgrund der Wärmespannungen Rissbildung unterliegen. Ein solches Filter ist nicht ausreichend dauerhaft. Kürzlich erregte ein Filter aus Keramikfasern, das durch Bündeln der Keramikfasern in eine Kerzenform gebildet wird, viel Aufmerksamkeit. Dieses Filter ist jedoch ebenfalls nicht ausreichend dauerhaft, da die das Filter bildenden Fasern aufgrund verringerter Festigkeit bei Einwirkung der heißen Abgase leicht brechen.
Metallfilter (wie in den japanischen Offenlegungsschriften 6- 257422, 6-294313, 7-731 und 7-51522 offenbart) gelten derzeit als vielversprechender, da sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, weniger dazu neigen, heiße Stellen und Risse zu entwickeln und gegenüber heißen Abgasen äußert korrosionsbeständig sind.
Nunmehr werden die Probleme herkömmlicher Metallfilter in Zusammenhang mit den obigen Anforderungen (1) bis (5) erörtert.
Herkömmliche Metallfilter erfüllen die Anforderungen (1) und (3) grundsätzlich. Hinsichtlich der Fähigkeit, Schwebstoffe mit Durchmessern von 2 um oder darunter zurückzuhalten, wie dies nach Anforderung (1) verlangt wird, wäre eine bessere Leistung wünschenswert.
Bezüglich der Anforderung (2) können herkömmliche Metallfilter einen erheblichen Druckabfall nach dem Rückhalten von Partikeln erfahren. Ist ein besonders niedriger Gegendruck vom Motor verlangt, sind diese Filter unzureichend.
Um den Druckabfall selbst dann auf einem Minimum zu halten, wenn das Filterelement eine große Menge Partikel zurückgehalten hat, muss das Filterelement eine große Oberfläche (Filterfläche) haben. Um jedoch die Filterfläche eines herkömmlichen Metallfilterelements zu vergrößern, muss ein extrem großes Filter verwendet werden.
Zu Anforderung (4): Das Filterelement eines herkömmlichen Metallfilters wird aufgrund des Drucks der eingeleiteten Abgase mikroskopisch verformt und kann bedingt durch die aus der mikroskopischen Verformung resultierenden Spannung zerstört werden. Da das Filter außerdem in der Abgasleitung eingebaut ist, schwingt das Filterelement zusammen mit dem Filter, was in einer Zerstörung des Filterelements resultieren kann. Diese Probleme werden in Dauerprüfungen unter harten Bedingungen beobachtet.
Hinsichtlich der Anforderung (5) ist es manchmal erforderlich, einen Katalysator als integralen Bestandteil eines herkömmlichen Metallfilters vorzusehen. So kann beispielsweise ein Katalysator integral auf einem wabenartigen porösen Element mit anliegender Strömung aus Cordierit-Keramik, das ursprünglich als DPF (Diesel particulate filter - Diesel-Partikelfilter) entwickelt worden ist, aufgebracht werden. In einem solchen Fall kann es schwierig werden, den Katalysator auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der er wirksam wird, da sich das wabenartige poröse Element mit einer großen Wärmekapazität nur langsam erhitzt.
Zum Stand der Technik gehörig und am nächsten kommend ist ein Partikelfilter zur Verwendung in einem Dieselmotor (EP 003 5053 A).
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Partikelfilters, das frei ist von allen der oben genannten Probleme und das alle Anforderungen (1) bis (5) erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter zur Verwendung in einem Dieselmotor bereitgestellt, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Das Laminat der Flachfilter und der gewellten Bleche kann so gerollt werden, dass entweder die Flachfilter oder das Wellblech innen liegen. Das Laminat kann so gerollt werden, dass das gebildete Filterelement einen im Wesentlichen kreisrunden, ovalen oder vieleckigen Querschnitt hat.
Jede der Verschlusseinrichtungen zum Verschließen der Abstände zwischen den Flachfiltern kann heraus ragende Enden zweier benachbarter Flachfilter aufweisen, die zueinander gebogen und miteinander verschweißt sind. Ansonsten können die Verschlusseinrichtungen aus einem wärmebeständigen Metall bestehen.
Die Wellbleche können wärmebeständige Metallbleche oder dreidimensional vernetzte poröse Elemente (ähnlich Schaum) aus wärmebeständigem Metall sein. Die Abmessung jedes Wellblechs in Richtung der Dicke des Filterelements (d. h. die Größe der Abstände zwischen benachbarten Flachfiltern) sollte vorzugsweise höchstens 10 mm betragen, um ein kompaktes Partikelfilter zu erhalten.
Um den Druckabfall auf einem Minimum zu halten, kann jedes der Flachfilter mindestens zwei Lagen aus nicht gewebtem Material aus wärmebeständigen metallischen Fasern mit unterschiedlicher Porengröße aufweisen, wobei die näher an der Abgaseintrittsseite liegende Lage größere Poren hat.
Auf der Oberfläche entweder eines einlagigen oder eines mehrlagigen Flachfilters zum Rückhalten mikroskopischer in der Luft befindlicher Schwebstoffe können Aluminiumoxid- Nadelkristalle aufgewachsen werden.
Außerdem kann ein Katalysatormaterial auf jedem der Flachfilter und/oder Wellbleche aufgebracht werden, so dass das Partikelfilter eine zusätzliche Funktion als Katalysator hat. Ein solches Katalysatormaterial kann direkt auf einer oder auf beiden Seiten jedes Flachfilters oder auf einem dreidimensional vernetzten porösen Metallelement aufgebracht werden, das mit Poren versehen ist, die miteinander in Verbindung stehen und auf einer oder auf beiden Seiten jedes Flachfilters vorgesehen sind.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Filterfläche des Filterelements zu vergrößern, ohne dessen Größe zu vergrößern, indem die Abstände zwischen den benachbarten Flachfiltern niedriger gemacht werden. Die zwischen den Flachfiltern sandwichartig angeordneten Wellbleche sind so angeordnet, dass ihre Wellen parallel zu der Richtung verlaufen, in der das Abgas in das Filterelement strömt. Das Abgas kann also in einer glatten Strömung über die gesamte Filterfläche strömen, so dass ein Druckabfall aufgrund einer gestörten Strömung verhindert wird. Das bedeutet, das Filter wird weniger wahrscheinlich durch Partikel verlegt, selbst dann, wenn sein Porendurchmesser verringert ist, um Partikel wirksamer zurückzuhalten, da die Filterfläche ziemlich groß ist, so dass die in einer Flächeneinheit zurückgehaltene Partikelmenge gering gehalten wird.
Da das Filterelement durch Zusammenrollen des oben beschriebenen Laminats gebildet wird, ist kein präzises Schweißen erforderlich, d. h. es kann mit niedrigen Kosten hergestellt werden.
Ein kleinvolumiges großflächiges Filter kann hergestellt werden, indem Filterelemente hochgenau mit Seitenplatten verschweißt werden. Es ist technisch jedoch äußerst schwierig oder undurchführbar, Filterelemente in geringen Abständen zueinander mit Seitenplatten zu verschweißen. Selbst wenn ein derart genaues Verschweißen möglich wäre, wären die Herstellungskosten extrem hoch. Die vorliegende Erfindung bietet auch für dieses Problem eine Lösung an.
Die gewellten Bleche verhindern, dass die Flachfilter durch den Druck des das Partikelfilter durchströmenden Abgases in sehr geringem Maße verformt werden. Dadurch wird das Filterelement weniger wahrscheinlich beschädigt und ist dauerhafter.
Da die Flachfilter und die Wellbleche abwechselnd aufeinander geschichtet werden, werden die flachen Filter an beiden Enden abgestützt. Damit unterliegt das Filter einer geringeren Vibration und die durch Vibration induzierte Spannung ist geringer. Damit erleidet das Filter weniger leicht Ermüdungsbrüche. Das bedeutet, die Dauerhaftigkeit des Filterelements wird noch weiter verbessert. Da das Filterelement durch Rollen des Laminats gebildet wird, entsteht zwischen benachbarten Flachfiltern und den Wellblechen kein Spalt, so dass es möglich ist, eine Schüttelbewegung des Filterelements so gering wie möglich zu halten. Dies ist ein weiterer Faktor zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit des Filters.
Durch Rollen des Laminats kann ein Filterelement mit jedem gewünschten Querschnitt z. B. kreisförmig, oval oder vieleckig x gebildet werden. Dadurch ist es möglich, die Form und Größe des Filters so einzurichten, dass es eng im Raum der Abgasleitung sitzt. Der Raum in der Abgasleitung kann so wirksam genutzt werden.
Dadurch dass das Filter aus einem nicht gewebten Material aus einem wärmebeständigen Metall gebildet wird, wird die Innenseite des Filters während der Aufbereitung aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit gleichmäßig erwärmt, so dass das Filter mit geringerer Wahrscheinlichkeit heiße Stellen entwickelt oder Wärmerisse erleidet und weniger wahrscheinlich schmilzt oder Rissbildung aufgrund von Wärmespannung unterliegt.
Als Verschlusselemente können die vorstehenden Enden der benachbarten Filterplatten zueinander gebogen und miteinander verschweißt werden, um das Gewicht des Filterelements und somit des gesamten Filters zu verringern. Zum gleichen Zweck können die gewellten Bleche aus einem dreidimensional vernetzten porösen wärmebeständigen Metall hergestellt werden.
Die Poren des Filterelements können von der Abgaseintrittsseite zur Abgasaustrittsseite kleiner werden, so dass das Filter über seine gesamte Dicke Partikel gleichmäßig zurückhalten kann. Mit dieser Anordnung kann der Druckabfall auf einem Minimum gehalten werden, so dass die Druckabfalleigenschaft weiter verbessert wird.
Der Abstand zwischen benachbarten Flachfiltern beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger, da bei einem in einem beschränkten Raum eingebauten Filter bei einem möglichst kleinen Abstand die Filteroberfläche möglichst groß sein soll. Ein weiterer Vorteil der Einschränkung des obigen Abstands auf höchsten 10 mm besteht darin, dass zurückgehaltene Partikel durch elektrische Heizeinrichtungen zwischen den flachen Filtern wirksam verbrannt werden können.
Durch das Aufwachsen von Aluminiumoxid-Nadelkristallen auf einem nicht gewebten Material aus wärmebeständigem Metall als Filter ist es möglich, die Porengröße des Filters in einem solchen Ausmaß zu verkleinern, dass das Filter sogar mikroskopisch kleine Schwebstoffpartikel aus der Luft mit einem Durchmesser von 2 um oder weniger zurückhalten kann.
Bei einer Anordnung, bei der ein Katalysatormaterial auf einer oder beiden Seiten jedes Flachfilters aus nicht gewebtem Material aus einem wärmebeständigen Metall aufgebracht wird, dient das Partikelfilter auch als Katalysator, so dass die Notwendigkeit entfällt, einen getrennten Katalysator bereitzustellen. Ein solches Katalysatormaterial kann auf einem dreidimensional vernetzten porösen Element aus einem wärmebeständigen Metall hergestellt werden, das miteinander in Verbindung stehende Poren hat und auf einer oder beiden Seiten jedes Flachfilters vorgesehen ist. Andernfalls kann ein solches Katalysatormaterial auf jedem gewellten Blech aufgetragen werden. Der verwendete Katalysatorträger hat einen geringen Anteil, mit dem er den Raum einnimmt und somit eine niedrige Wärmekapazität, so dass der darauf befindliche Katalysator vom Abgas rasch auf die Temperaturen erwärmt werden kann, bei denen er aktiv wird.
Andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Filterelements, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2A zeigt eine Seitenansicht des Filterelements von Fig. 1;
Fig. 2B zeigt, eine. Stirnansicht von links;
Fig. 2C zeigt eine Stirnansicht von rechts;
Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht des Standes der Technik, die die Abgas Strömung zeigt;
Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 5A zeigt eine Seitenansicht derselben;
Fig. 5B zeigt ihre Stirnansicht von links;
Fig. 5C zeigt ihre Stirnansicht von rechts;
Fig. 6 ist eine perspektivische Teilansicht derselben, aus der ersichtlich ist, wie die Abstände zwischen den Flachfiltern an beiden Enden geschlossen werden;
Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Herstellungsschritte des Filterelements;
Fig. 8 ist eine Skizze, aus der ersichtlich ist, wie Aluminiumoxid-Nadelkristalle auf dem Filtersubstrat aufgewachsen werden;
Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Filterabschnitts;
Fig. 10 ist eine schematische Schnittansicht eines Partikelfilters gemäß der vorliegenden Erfindung im Betriebszustand;
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht einer Prüfanordnung zur Durchführung des Druckabfalls- und Dauerhaftigkeitstests;
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge A, B und G;
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelfilterleistung und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge A, B, und G;
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge C, D und G; v
Fig. 15 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelfilterleistung und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge C, D und G;
Fig. 16 ist eine graphische Darstellung, der Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge E, F und G; und
Fig. 17 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Partikelfilterleistung und der Menge der zurückgehaltenen Feststoffteilchen für Prüflinge E, F und G.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt ein Filterelement zur Verwendung als Partikelfilter, das die vorliegende Erfindung verwirklicht. Das Filterelement 1 ist ein zylindrisches Element, das durch abwechselndes Schichten von Flachfiltern A1 und A2 auf einem nicht gewebten Material aus wärmebeständigem Metall und Wellblechen B1 und B2 aus einem wärmebeständigen Metall und deren Zusammenrollen gebildet wird.
Fig. 2A bis 2C zeigen wie die beiden Enden des Filterelements 1 verschlossen werden. An einem Ende des Filterelements werden die, ungeradzahlijgen Abstände bei Zahlung von außen nach innen, die von den Flachfiltern A1 und A2 begrenzt werden, d. h. die Abstände, in denen das Wellblech B1 vorhanden ist, durch ein Verschlusselement 2 verschlossen. Am anderen Ende werden die geradzahligen Abstände, die von den Flachfiltern A1 und A2 begrenzt werden, in die das Wellblech B2 eingewiegt ist, durch ein weiteres Verschlusselement 2 verschlossen.
Der Schichtaufbau aus Filtern wird dann in der Richtung zusammengerollt, in der die Welligkeit der Wellbleche B1 und B2 verläuft. Würde das Rollen in Querrichtung erfolgen, würden die Wellbleche die glatte Abgasströmung unterbrechen. Außerdem wäre es schwierig, das Wellblech in einer solchen Richtung zu rollen. Durch Zusammenrollen des Schichtaufbaus, aus Filtern in Richtung der Welligkeit der Wellbleche werden ein Abgaseintrittsraum 3 und ein Abgasaustrittsraum 4 zwischen den Flachfilternbegrenzt, wie in Fig. 3 dem Stand der Technik entsprechend dargestellt. Abgas wird zunächst in den Abgaseintrittsraum 3 eingeleitet, durchströmt die Flachfilter A1 und A2 zum Abgasaustrittsraum 4 und verlässt das Filterelement 1 durch dessen hinteres Ende. Das Filterelement 1 kann auch anders herum montiert werden. In diesem Fall wird das Abgas in den Raum 4 eingeleitet und dann in den Raum 3.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Filterelements dieser Erfindung. Dies Filterelement 10 wird durch Zusammenrollen eines Schichtaufbaus aus Flachfiltern A1 und A2 sowie Wellblechen B1 und B2 gebildet, so dass das Filterelement einen ovalen Querschnitt hat. Abgesehen von der Querschnittsform ist das Filterelement dieser Ausführungsform von seinem Aufbau her identisch mit dem Filterelement 1 von Fig. 1.
Im Einzelnen sind bei dem Filterelement 10 dieser Ausführungsform wie in Fig. 5 dargestellt die abwechselnden Abstände durch das Verschlusselement 2 an dem einen und dem anderen Ende verschlossen. Abgas wird an einem Ende in das Filterelement eingeleitet, durchströmt die Flachfilter und verlässt das Filterelement am anderen Ende in genau der gleichen Weise wie in Fig. 3 dargestellt. Die Verschlusselemente 2 können aus einem Filtermaterial bestehen. In diesem Fall strömt das in den Abgaseintrittsraum von einem Ende aus eingeleitete Abgas teilweise direkt in Richtung des Verschlusselements, wobei das andere Ende des Abgaseintrittsraums verschlossen wird, und strömt anstatt durch die Flachfilter durch das Verschlusselement in den Abgasaustrittsraum.
Fig. 6 zeigt, ein spezifisches Beispiel, wie die Enden des Filterelements verschlossen werden. Wie dargestellt sind die Flachfilter A1 und A2 breiter als die Wellbleche B1 und B2. An einem Ende des Filterelements sind die Enden 5, 6 der über die Bleche B1 und B2 vorstehenden Flachfilter A1 und A2 zueinander gebogen und miteinander verschweißt, um den Raum, in dem das Wellblech B1 eingelegt ist, zu verschließen. Am anderen Ende des Filterelements sind die hervorstehenden Enden 5 und 6 zueinander gebogen und miteinander verschweißt, um den Raum, in dem das Wellblech B2 eingelegt ist, zu verschließen.
Bei jeder Ausführungsform sollte die Höhe der Scheitelpunkte der Wellbleche B1 und B2 auf höchstens 10 mm begrenzt sein, um die Breite (in Richtung der Dicke der Filter; H in Fig. 3) der zwischen den Filtern A1 und A2 begrenzten Abstände auf einem Minimum zu halten.
Fig. 7 zeigt, wie das Filterelement zur Verwendung in einem Partikelfilter hergestellt wird. Wie aus Fig. 7A ersichtlich ist, ist das Flachfilter A1 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wellblech B1, das Flachfilter A2 und das Wellblech B2 werden aufeinander geschichtet und an einem Ende z. B. durch Schweißen miteinander verbunden. Das so gebildete Laminat wird mit dem Wellblech B2 nach innen zusammengerollt, um ein aufgerolltes Element mit einem vorgegebenen Querschnitt zu bilden. Um die Formbeständigkeit und die Festigkeit des Filterelements zu verbessern, sollte nach jeweils einigen Umdrehungen beim Aufrollen des Laminats das Ende des aufgerollten Abschnitts des Laminats an der inneren Wicklung verschweißt oder auf andere Weise befestigt werden. Nachdem das Laminat vollständig zusammengerollt ist, werden beide Enden durch Verschlusselemente verschlossen. Das in Fig. 1 oder Fig. 4 dargestellte Filterelement ist damit fertig gestellt.
Jedes der Flachfilter A1 und A2 ist ein Verbund aus mindestens zwei nicht gewebten Materiallagen aus einem wärmebeständigen Metall, wobei die näher am Abgaseintrittsraum angeordnete Lage größere Poren hat.
Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann jedes Filter aus einem Faserträger 7 bestehen, auf dem zahlreiche Aluminiumoxid- Nadelkristalle 8 aufgewachsen werden, die feiner als die den Träger 7 bildenden Fasern sind. Zwischen den Nadelkristallen 8 sind eine Vielzahl feiner Poren begrenzt.
Fig. 9 ist ein vergrößerter Schnitt durch ein Flachfilter, das zusammen mit einem Wellblech zu verwenden ist. Es weist eine Partikel-Rückhalteschicht 31 aus einem Filtermaterial und wahlweise eine Mehrzahl Trägerschichten für ein Katalysatormaterial (in der Figur mit 32 und 33 gekennzeichnet) auf.
Das gewellte Blech kann ein dünnes Blech aus wärmebeständigem Metall sein. Ein solches Blech kann gelocht sein, um sein Gewicht zu verringern. Außerdem kann es ein dreidimensional vernetztes poröses Element aus einem wärmebeständigem Metall sein.
Fig. 10 zeigt ein Partikelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Partikelfilter 20 weist einen Metallbehälter 21 auf, der in einer Abgasleitung eines Dieselmotors eingebaut ist und eines der oben beschriebenen Filterelemente (1 in Fig. 1 oder 10 in Fig. 4), das im Behälter 21 angeordnet ist. Bezugszeichen 22 kennzeichnet ein Auspuffrohr.
Fig. 11 zeigt eine Prüfanordnung zum Messen der Rückhalteleistung des Partikelfilters, des Druckabfalls bei zurückgehaltenen Partikeln, der Dauerhaftigkeit, der NO-Rückhalterate und der SOF-Rückhalterate. Die Prüfanordnung umfasst ein Fahrzeug mit einem Dieselmotor (3400 cm³, 4 Zylinder mit Direkteinspritzung), einen Fahrgestell-Dynamometer und einen Verdünnungstunnel.

[Beispiel 1]

Das Partikelfilter 20 mit dem in Fig. 1 dargestellten Filterelement wurde in die in Fig. 11 dargestellte Prüfanordnung eingebaut. Als Filterelement wurden Prüflinge A und B in Tabelle 1 verwendet. Jeder der Prüflinge A und B hat eine Abgasaufnahmeoberfläche von 1,2 m² und ist in einem 2,5 l-Gehäuse eingesetzt.
Obwohl Prüflinge A und B aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bzw. einer Ni-Cr-Al-Legierung bestehen, dienen sie hier nur als Beispiel und können andere Zusammensetzungen haben.
Zu Vergleichszwecken wurde ein wabenartiges Partikelfilter zur Verwendung in einem Dieselmotor (aus Cordierit DHC-221, hergestellt von Japan Insulator) als Prüfling G vorbereitet, dessen Rückhalteleistung für Feststoffteilchen als ausreichend bekannt ist, und dem gleichen Experiment wie oben unterworfen. Dieses Filter hat ebenfalls ein Innenvolumen von 2,5 l, so dass die Prüfbedingungen für Prüfling G identisch mit denen für die Prüflinge A und B sind.
Die Prüflinge wurden zunächst auf ihre Partikelrückhalteleistung und den Druckabfall bewertet.
Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 12 und 13 dargestellt und zeigen als Rückhalteleistung bei Feststoffteilchen bei jedem Prüfling den Druckabfall und die Rückhalteleistung als Funktion der Menge der zurückgehaltenen Partikel. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Prüflinge A und B eine ebenso hohe Rückhalteleistung wie Prüfling G haben, d. h. ein wabenartiges Partikelfilter aus Cordierit für Dieselmotoren.
Als nächstes wurde jeder Filterelement-Prüfling auf Dauerhaftigkeit bei der Aufbereitung geprüft.
Nachdem sich in diesem Test 15 g Feststoffteilchen aus dem Dieselmotor angesammelt hatten, wurde der Motor auf Leerlauf verlangsamt und ein das die gesamte Oberfläche der Partikelrückhalteoberflächen der Filter umgebendes elektrisches Heizgerät aktiviert, um das Partikelfilter durch Einleiten von auf 600ºC vom Heizgerät erhitztem Gas in das Filter aufzubereiten. Nachdem jeder der Prüflinge A, B und G fünf mal auf obige Weise wieder aufbereitet worden war, wurden sie auf Rissbildung und das Ausmaß derselben untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich waren Prüflinge A und B nicht beschädigt, während Prüfling G Risse aufwies.
Diese experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Prüflinge A und B gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso hervorragende Partikelrückhalte- und Druckabfalleigenschaften haben wie ein wabenartiges Filter aus Cordierit und einer Aufbereitung durch Verbrennung standhalten.

[Beispiel 2]

Das Partikelfilter 20 mit dem in Fig. 2 gezeigten Filterelement wurde in die in Fig. 11 dargestellte Prüfanordnung eingebaut. Als Filterelemente wurden Prüflinge C und D gemäß Tabelle 3 verwendet. Jeder der Prüflinge C und D hatte eine Abgasaufnahmeoberfläche von 1,2 m² und war in einem 2,5 l- Gehäuse eingesetzt. Jeder der Prüflinge C oder D weist eine einen Katalysator für NOx tragende Schicht (32 in Fig. 9), eine Feststoffteilchen zurückhaltenden Schicht (31 in Fig. 9) und eine weitere einen Katalysator für NOx tragende Schicht (33 in Fig. 9) auf. Die den Katalysator für NOx tragenden Schichten weisen ein Substrat (metallisches Material) aus einer Ni-Cr-Al-Legierung, einem dreidimensional vernetzten porösen Material auf Ni-Basis (Handelsname: CELMET® #7), hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd. auf und sind mit einer γ-Aluminiumoxidbeschichtung in einer Konzentration von 100 g/l des metallischen Materials versehen, das den Katalysator tragen soll. Cu als Katalysator wurde dann gleichmäßig mit einer Konzentration von 1,0 g/l des metallischen Materials auf das Substrat aufgebracht.
Obwohl Prüflinge C und D aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bzw. einer Ni-Cr-Al-Legierung bestehen, dienen sie nur als Beispiel und können andere Zusammensetzungen haben.
Zu Vergleichszwecken wurde der gleiche Prüfling G wie in Beispiel 1 dem gleichen Experiment wie oben beschrieben unterworfen. Dieses Filter hatte ebenfalls ein Innenvolumen von 2,5 l, so dass die Prüfbedingungen für Prüfling G identisch mit denen für die Prüflinge C und D sind.
Die Partikelrückhalteleistung und der Druckabfall wurden bewertet.
Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 14 und 15 dargestellt und zeigen als Rückhalteleistung bei Feststoffteilchen bei jedem Prüfling den Druckabfall und die Rückhalteleistung als Funktion der Menge der zurückgehaltenen Partikel. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Prüflinge C und D eine ebenso hohe Rückhalteleistung wie Prüfling G haben, d. h. ein wabenartiges Partikelfilter aus Cordierit für Dieselmotoren.
Als nächstes wurde jeder Filterelement-Prüfling auf Dauerhaftigkeit bei der Aufbereitung geprüft. Jeder Prüfling wurde eben so oft einer Aufbereitung unterzogen wie im Beispiel 1. Nach dieser Prüfung wurden die Prüflinge auf Rissbildung und das Ausmaß derselben untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich waren Prüflinge C und D nicht beschädigt, während Prüfling G Risse aufwies.
Danach wurden Prüflinge C und D auf ihre NO-Rückhalteraten geprüft.
Bei diesem Test wurde C&sub2;H&sub4; als Reduktionsmittel in das Abgas eingeleitet. Die Abgasbedingungen sind in Tabelle 5 dargestellt.
Nachdem die Abgase zwei Minuten lang auf 250ºC gehalten wurden, wurde ihre NO-Konzentration gemessen. Tabelle 6 zeigt die durchschnittlichen Werte.
Bei Verwendung der Prüflinge C und D hat sich die NO-Konzentration um die Hälfte verringert.
Wie aus diesen experimentellen Ergebnissen zu ersehen ist, zeigten Prüflinge C und D gemäß der vorliegenden Erfindung gleich hervorragende Partikelrückhalte- und Druckabfalleigenschaften wie ein wabenartiges Filter aus Cordierit, und sie hielten der Aufbereitung durch Verbrennung mit hoher Zuverlässigkeit stand. Da diese Prüflinge außerdem eine NO-reduzierende Fähigkeit haben, besteht keine Notwendigkeit für einen getrennten Katalysator. Es ist es also möglich, Einbauraum und Herstellungskosten der gesamten Aufbereitungsanlage für Dieselabgas zu verringern.

[Beispiel 3]

Das Partikelfilter 20 mit dem in Fig. 1 gezeigten Filterelement wurde in die in Fig. 11 dargestellte Prüfanordnung eingebaut. Als Filterelemente wurden Prüflinge E und F gemäß Tabelle 7 verwendet. Jeder der Prüflinge E und F hatte eine Abgasaufnahmeoberfläche von 1,2 m² und war in einem 2,5 l- Gehäuse eingesetzt. Jeder der Prüflinge E oder F weist eine Feststoffteilchen zurückhaltende Schicht (31 in Fig. 9) und eine einen Katalysator für SOF tragende Schicht (33 in Fig. 9) auf. Letztere weist ein Substrat (metallisches Material) aus einem nicht gewebten Metallfasermaterial aus Ni-Cr-Al-Legierung oder einem dreidimensional vernetzten porösen Material auf Ni-Basis (Handelsname: CELMET® #7), hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd. auf und ist mit einer y- Aluminiumoxidbeschichtung in einer Konzentration von 150 g/l des metallischen Materials versehen, um den Katalysator zu tragen. Cu als Katalysator wurde dann gleichmäßig mit einer Konzentration von 1,5 g/l des metallischen Materials auf das Substrat aufgebracht.
Obwohl das nicht gewebte metallische Material, die metallischen porösen Elemente und die gewellten Metallbleche, die Prüflinge E und F bilden, aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bzw. einer Ni-Cr-Al-Legierung bestehen, dienen sie nur als Beispiel und können andere Zusammensetzungen haben.
Zu Vergleichszwecken wurde der gleiche Prüfling G wie in Beispiel 1 dem gleichen Experiment unterworfen wie oben beschrieben. Dieses Filter hatte ebenfalls ein Innenvolumen von 2,5 l, so dass die Prüfbedingungen für Prüfling G identisch mit denen für die Prüflinge E und F sind.
Die Partikelrückhalteleistung und der Druckabfall wurden bewertet. Die Ergebnisse sind in Fig. 16 und 17 dargestellt und zeigen als Rückhalteleistung bei Feststoffteilchen bei jedem Prüfling den Druckabfall und die Rückhalteleistung als Funktion der Menge der zurückgehaltenen Partikel. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass Prüflinge E und F eine ebenso hohe Rückhalteleistung wie Prüfling G haben, d. h. ein wabenartiges Partikelfilter aus Cordierit für Dieselmotoren.
Als nächstes wurde jeder Filterelement-Prüfling auf Dauerhaftigkeit bei der Aufbereitung geprüft.
Die Häufigkeit, mit der jeder Prüfling einer Aufbereitung unterzogen wurde und die anderen Prüfbedingungen waren identisch mit denen von Beispiel 1 und 2. Nach der fünfmaligen Aufbereitungsprüfung wurde jeder Prüfling auf Rissbildung und das Ausmaß derselben untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 aufgeführt.
Wie aus Tabelle 8 ersichtlich waren Prüflinge E und F nicht beschädigt, während Prüfling G Risse aufwies.
Danach wurden Prüflinge E und F auf ihre die SOF-Rückhalteraten geprüft.
Dieser Test wurde durchgeführt, während die Abgastemperatur auf 250ºC und 350ºC gehalten wurde. Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 9 dargestellt.
Bei Verwendung der Prüflinge E und F, die beide Pt-Katalysatoren tragen, hat sich die SOF-Konzentration um 40% oder 50% verringert.
Wie aus diesen experimentellen Ergebnissen zu ersehen ist, zeigten Prüflinge E und F gemäß der vorliegenden Erfindung gleich hervorragende Partikelrückhalte- und Druckabfalleigenschaften wie ein wabenartiges Filter aus Cordierit, und sie hielten der Aufbereitung durch Verbrennung mit hoher Zuverlässigkeit stand. Da diese Prüflinge außerdem eine SOF-reduzierende Fähigkeit haben, besteht keine Notwendigkeit für einen getrennten Katalysator. Es ist es also möglich, Einbauraum und Herstellungskosten der gesamten Aufbereitungsanlage für Dieselabgas zu verringern.
Das Partikelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine geringe Größe, obwohl es eine hinreichend große Filterfläche mit entsprechender Partikelrückhalteleistung und minimalen Druckabfall aufweist. Aufgrund seiner metallischen Beschaffenheit kann es der Aufbereitung gut standhalten. Alles in allem handelt es sich um ein Partikelfilter hoher Leistungsfähigkeit, das Luftverschmutzung aufgrund der Feststoffteilchen, die in die Atmosphäre abgegeben werden, verhindert.
Da das Filterelement durch Rollen eines Laminats aus Flachfiltern aus einem nicht gewebten Material aus wärmebeständigen Metallfasern und Wellblechen aus wärmebeständigem Metall gebildet wird, ist es in hohem Maße beständig gegen Gasdruck und Vibrationen. Somit ist es möglich, das Gewicht des Filters zu verringern, ohne dass dadurch seine Dauerhaftigkeit leidet und das Filterelement bei geringen Energiekosten aufzubereiten. Außerdem kann ein solches Filterelement mit niedrigen Kosten hergestellt werden, da kein genaues Schweißen erforderlich ist.
Da die gewählte Querschnittsform des Filterelements frei geändert werden kann, indem einfach die Art des Zusammenrollens des Laminats geändert wird, kann es entsprechend der Form des Abgasraums in einem mit Dieselmotor ausgerüsteten Fahrzeug, in dem das Partikelfilter eingebaut ist, geformt werden.
Durch Verwenden eines Filtermaterials, dessen Porendurchmesser in Richtung der Abgasaustrittsseite allmählich abnimmt, kann die Möglichkeit des Verlegens des Filters auf einem Minimum gehalten werden, so dass sich die Druckabfalleigenschaft sogar noch verbessert.
Durch Aufwachsen von Aluminiumoxid-Nadelkristallen auf der Oberfläche des Filterträgers kann die Porengröße des Filters verringert werden. Damit wird es möglich, in der Luft befindliche Schwebstoffe mit einem Durchmesser von 2 um und darunter einzufangen und außerdem die mit Katalysator beschichtete Fläche zu vergrößern.
Dadurch, dass das Filter ein Katalysatormaterial trägt, kann die Notwendigkeit, einen getrennten Katalysator bereitzustellen, entfallen. Dies wiederum ermöglicht es, Größe und Kosten der Abgasaufbereitungsanlage zu verringern. Da die Wärmekapazität des Filtersubstrats gering ist, kann es leicht auf die Temperaturen erwärmt werden, bei denen es aktiv wird. Das Partikelfilter gemäß der vorliegenden Erfindung wird in hohem Maße zur Reinigung der Umgebungsluft beitragen. [Tabelle 1]
Anmerkung: CELMET® ist ein dreidimensional vernetztes poröses Element, das von Sumitomo Electric Industries Ltd. hergestellt wird.
#7 ist die Modellnummer die die Anzahl der Zellen mit 50 bis 70 pro Längeneinheit (1 Zoll) angibt.

[Tabelle 2]

Testergebnis nach der Aufbereitung
Prüfling A (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling B (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling G (Vergleich) Rissbildung [Tabelle 3]
Anmerkung: CELMET® ist ein dreidimensional vernetztes poröses Element, das von Sumitomo Electric Industries Ltd. hergestellt wird.
#7 ist die Modellnummer die die Anzahl der Zellen mit 50 bis 70 pro Längeneinheit (1 Zoll) angibt.

[Tabelle 4]

Testergebnis nach der Aufbereitung
Prüfling C (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling D (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling G (Vergleich) Rissbildung

[Tabelle 5]

Parameter Bedingung
NO-Konzentration im Abgas 1000 ppm
C&sub2;H&sub4;-Konzentration im Abgas 250 ppm
O&sub2;-Konzentration im Abgas 2%
Abgastemperatur 250ºC

[Tabelle 6]

NO-Konzentration
Prüfling C (Erfindung) 500 ppm
Prüfling D (Erfindung) 500 ppm [Tabelle 7]
Anmerkung: CELMET® ist ein dreidimensional vernetztes poröses Element, das von Sumitomo Electric Industries Ltd. hergestellt wird.
#7 ist die Modellnummer, die die Anzahl der Zellen mit 50 bis 70 pro Längeneinheit (1 Zoll) angibt.

[Tabelle 8]

Testergebnis nach der Aufbereitung
Prüfling E (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling F (Erfindung) Nicht beschädigt
Prüfling G (Vergleich) Rissbildung [Tabelle 9]

Claims

1. Partikelfilter zur Verwendung in einem Dieselmotor, mit einem in eine Abgasleitung des Dieselmotors eingesetzten Filterelement (1; 10), wobei das Filterelement zwei oder mehrere geradzahlige flache Filter (A1, A2) aus einem wärmebeständigen Material und zwei oder mehrere geradzahlige gewellte Bleche (B1; B2) aus wärmebeständigem Metall aufweist, wobei die flachen Filter (A1; A2) und die gewellten Bleche (B1; B2) abwechselnd aufeinander geschichtet sind und so spiralförmig aufgerollt werden, dass eine Säulenform entsteht, mit dem flachen Filter (A1; A2) oder dem gewellten Blech (B1; B2) auf der Innenseite, so dass die Wellen der gewellten Bleche an beiden Enden der so gebildeten Rolle auftreten, wobei an einem Ende der Rolle die ungeradzahligen Spiralräume, die zwischen den flachen Filtern (A1; A2) gebildet werden, verschlossen sind und am anderen Ende der Rolle die geradzahligen Spiralräume verschlossen sind, so dass Abgase an einem Ende in das Filterelement (1; 10) eingeleitet werden, durch die flachen Filter (A1; A2) hindurchströmen und aus dem anderen Ende abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die flachen Filter (A1; A2) aus einem nicht verwobenen Stoff bestehen und dass die Spiralräume an jedem Ende (5; 6) der Rolle verschlossen werden, indem benachbarte Filter (A1; A2) zusammengebogen und miteinander verschweißt werden.

2. Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (A1; A2) einen im Wesentlichen kreisförmigen, ovalen oder polygonalen Querschnitt hat.

3. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellten Bleche (B1; B2) aus einem dreidimensionalen, maschenartigen, porösen Element aus wärmebeständigem Metall bestehen.

4. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten flachen Filter (A1; A2) 10 mm oder weniger voneinander beabstandet sind.

5. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der flachen Filter (A1; A2) mindestens zwei Schichten nicht verwobener Stoffe aus wärmebeständigen Metallfasern mit unterschiedlichen Porendurchmessern aufweist, wobei die flachen Filter (A1; A2) so angeordnet sind, dass die Schicht, die näher an der Abgaseintrittsseite liegt, größere Poren hat.

6. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der gewellten Bleche (B1; B2) auf einer Seite oder auf beiden Seiten einen Katalysator trägt.

7. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der flachen Filter (A1; A2) ein nicht verwobener Stoff aus einem wärmebeständigen Metall ist, der auf einer Seite oder auf beiden Seiten einen Katalysator trägt.

8. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der flachen Filter (A1; A2) auf einer Seite oder auf beiden Seiten eine dreidimensionale, maschenartige, poröse Schicht aus einem wärmebeständigen Metall mit zusammenhängenden Poren aufweist, wobei die poröse Schicht einen Katalysator trägt.

9. Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1; 10) aus nicht verwobenem Stoff aus einem wärmebeständigen Metall besteht, auf dem bewirkt wird, dass Aluminiumoxid- Whisker (8) wachsen.