EP1527262B1

EP1527262B1 - Abgasfilter und verfahren zum reinigen eines abgases

Info

Publication number: EP1527262B1
Application number: EP03784018A
Authority: EP
Inventors: Rolf BRÜCK; Jan Hodgson
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: KR20050030222A; ES2352194T3; WO2004015251A1; CN1678820B; DE10235766A1; JP2005534487A; CN1678820A; US7347042B2; RU2316656C2; US20050217258A1; KR101009197B1; DE50313071D1; RU2005105942A; EP1527262A1; JP4659455B2; AU2003258516A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasfilter zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors aus mindestens einer streifenförmigen Filterlage, sowie ein Verfahren zum Reinigen eines Abgases eines Verbrennungsmotors.
Aufgrund u. a. des relativ niedrigen Kraftstoffverbrauchs steigen in vielen Ländern die Verkaufszahlen von Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren. Gegenüber benzinangetriebenen : Kraftfahrzeugen weisen Dieselfahrzeuge eine deutlich reduzierte Kohlendioxidemission auf, jedoch liegt der Anteil der bei der Verbrennung erzeugten Rußpartikel in einem Dieselmotor deutlich über dem eines Benzinmotors. In zahlreichen Ländern müssen Kraftfahrzeuge Abgasnormen erfüllen, in denen Höchstgrenzen für die Konzentrationen einzelner Komponenten im an die Umwelt abgegebenen Abgas des Kraftfahrzeuges festgelegt werden.
Betrachtet man nun die Reinigung von Abgasen, insbesondere von Dieselmotoren, so lassen sich Kohlenwasserstoffe (HC) wie auch Kohlenmonoxid (CO) im Abgas in bekannter Weise oxidieren, indem diese beispielsweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche in Kontakt gebracht werden. Die Reduktion von Stickstoffoxiden (NO_x) unter sauerstoffreichen Bedingungen ist allerdings schwieriger. Ein Dreiwegekatalysator, wie er beispielsweise bei Ottomotoren eingesetzt wird, bringt nicht die gewünschte Effektivität. Aus diesem Grunde wurde das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) entwickelt. Weiterhin wurden NO_x-Adsorber auf ihren Einsatz im Hinblick auf die Stickoxidreduktion des Abgases erprobt.
Weiterhin sind zur Reduktion von Partikelemissionen im Abgas insbesondere von Dieselmaschinen Partikelfallen bekannt, welche aus einem keramischen Substrat aufgebaut sind. Diese weisen Kanäle auf, so dass das zu reinigende Abgas in die Partikelfalle einströmen kann. Die benachbarten Kanäle sind abwechselnd verschlossen, so dass das Abgas auf der Eintrittseite in den Kanal eintritt, durch die keramische Wand hindurchtritt und durch den benachbarten Kanal auf der Austrittseite wieder entweicht. Derartige Partikelfallen sind als geschlossene Partikelfilter bekannt. Sie erreichen eine Effektivität von ca. 95% über die gesamte Breite der auftretenden Partikelgrößen.
Ein Problem stellt die sichere Regeneration des Filters im Abgassystem eines Automobils dar. Die Regeneration der Partikelfalle ist erforderlich, da die zunehmende Ansammlung von Partikelteilchen in der zu durchströmenden Kanalwand einen stetig steigenden Druckverlust zur Folge hat, der negative Auswirkungen auf die Motorleistung hat. Die Regeneration umfasst im wesentlichen das kurzzeitige Aufheizen der Partikelfalle bzw. der darin angesammelten Partikel, so dass die Rußpartikel in gasförmige Bestandteile umgesetzt werden. Diese hohe thermische Beanspruchung der Partikelfalle hat allerdings negative Auswirkungen auf die Lebensdauer.
Um diese diskontinuierliche und thermisch verschleißfördernde Regeneration zu vermeiden, wurde ein System zur kontinuierlichen Regeneration von Filtern entwickelt (Continous Regeneration Trap, CR1). In einem solchen System werden die Partikel bei Temperaturen bereits oberhalb von 200°C mittels Oxidation mit NO₂ umgesetzt. Diese Temperaturgrenze liegt deutlich niedriger als bei klassische Partikelfallen. Das hierzu erforderliche NO₂ wird häufig durch einen Oxidationskatalysator erzeugt, der stromaufwärts vor der Partikelfalle angeordnet ist. Hierbei stellt sich jedoch gerade im Hinblick auf die Anwendung bei Kraftfahrzeugen mit Dieselkraftstoff das Problem, dass nur ein unzureichender Anteil von Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas existiert, der in das gewünschte Stickstoffdioxid (NO₂) umgesetzt werden kann. Infolgedessen kann bislang nicht sichergestellt werden, dass eine kontinuierliche Regeneration der Partikelfalle im Abgassystem erfolgt.
Zusätzlich zu einer minimale Reaktionstemperatur und einer spezifischen Verweildauer muss zur kontinuierlichen Regeneration von Partikeln mit NO₂ ausreichend Stickoxyd zur Verfügung gestellt werden. Tests bezüglich der dynamischen Emission von NO und Partikeln haben klar gezeigt, dass die Partikel gerade dann emittiert werden, wenn kein oder nur sehr wenig NO im Abgas vorhanden ist und umgekehrt. Somit muss ein Filter mit realer kontinuierlicher Regeneration im wesentlichen als Kompensator oder Speicher fungieren, um zu gewährleisten, dass die beiden Reaktionspartner zu einem gegebenen Zeitpunkt, bei dem u. a die minimale Reaktionstemperatur gegeben ist, in den benötigten Mengen im Filter vorhanden sind. Weiterhin ist der Filter möglichst nah an der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen, um bereits unmittelbar nach dem Kaltstart möglichst hohe Temperaturen annehmen zu können. Zur Bereitstellung des erforderlichen NO₂ ist dem Filter ein Oxidationslcatalysator vorzuschalten, welcher Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe umsetzt und insbesondere auch Stickstoffmonoxid in Stickstofdioxid konvertiert.
Das dafür benötigte thermisch hochbelastbare Filtermaterial ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 101 53 283 bekannt. In dieser Schrift ist ein Filtersystem beschrieben, das im wesentlichen als "offenes Filtersystem" bezeichnet werden kann. Bei einem solchen offenen System wird auf ein konstruktives, wechselseitiges Verschließen der Filterkanäle verzichtet. Die Kanalwände bestehen zumindest teilweise aus porösem oder hochporösem Material, die Strömungskanäle des offenen Filters weisen Umlenk- oder Leitstrukturen auf, die das Abgas mit den darin enthaltenen Partikeln hin zu den Bereichen aus porösem oder hochporösem Material lenken. Ein Partikelfilter wird dann als offen bezeichnet, wenn er grundsätzlich von Partikeln volltändig durchlaufen werden kann, und zwar auch von Partikeln, die erheblich größer als die eigentlich auszufilternden Partikel sind. Dadurch kann ein solcher Filter selbst bei einer Agglomeration von Partikeln während des Betriebes nicht verstopfen. Ein geeignetes Verfahren zur Messung der Offenheit eines Partikelfilters ist beispielsweise die Prüfung, bis zu welchem Durchmesser kugelförmige Partikel noch durch einen solchen Filter rieseln können. Bei den vorliegenden Anwendungsfällen ist ein Filter insbesondere dann offen, wenn Kugeln von größer oder gleich 0,1 mm Durchmesser noch hindurchrieseln können, vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser oberhalb von 0,2 mm.
Der in dieser Schrift beschriebene offene Partikelfilter weist jedoch das Problem auf, das bedingt durch den zwingend nötigen Oxidationskatalysator, der in Strömungsrichtung der Partikelfalle vorgeschaltet sein muss, das Kaltstartverhalten der Partikelfalle relativ träge ist, d. h. durch den zuerst aufzuheizenden Oxidationskatalysator vor der Partikelfalle wird letztere nur relativ langsam aufgeheizt.
Die europäische Patentanmeldung EP A1 0798452 offenbart einen Partikelfilter zur Verwendung in einem Dieselmotor, wobei dieser mehrere geradzahlige flache Filter und mehrere geradzahlige gewellte Bleche aufweist, wobei die flachen Filter und gewellten Bleche abwechselnd aufeinander geschichtet sind und so spiralförmig aufgerollt sind. Die flachen Filter bestehen dabei aus einem nicht verwobenen, hitzebeständigen, porösen und katalytisch beschichteten Stoff. Die so gebildeten Kanäle sind wechselweise verschlossen, indem benachbarte Filter zusammengebogen und miteinander verschweißt werden. Der Partikelfilter ist jedoch problematisch in der Herstellung und weist einen relativ hohen Druckverlust auf.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abgasfilter zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors, sowie ein Verfahren zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, der/das ein schnelles Kaltstartverhalten aufweist und die Bedingung einer kontinuierlichen Regeneration erfüllt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Abgasfilter nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Reinigen eines Abgases nach Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Abgasfilter zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors ist aus mindestens einer streifenförmigen Filterlage mit mindestens einem Filterbereich aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material und einer Metallfolie gebildet. Die Filterlage weist zumindest einen Kontaktbereich mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Umsetzung von gasförmigen Komponenten des Abgases und einen Filterbereich zum Ausfiltern von Partikeln aus dem Abgas auf.
D. h., der Kontaktbereich der Filterlage erlaubt eine oxidative Umsetzung der gasförmigen Bestandteile des Abgases, wobei vor allem Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe und insbesondere auch Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid umgesetzt werden. Somit sorgt der Kontaktbereich dafür, dass ab Erreichen der Betriebstemperatur soviel NO₂ im den Filterbereich durchströmenden Abgas vorhanden ist, das der Abgasfilter in einem kontinuierlichen Regenerationsbetrieb bezüglich der ausgefilterten Partikel betrieben werden kann, so dass auf die Ausbildung eines stromaufwärts liegenden Oxidationskatalysators zur Bereitstellung des nötigen NO₂ verzichtet werden kann. Folglich ist ein motornaher Einbau des Abgasfilters möglich. Dies bedingt ein schnelleres Aufheizen des eigentlichen Abgasfilters und somit ein deutlich verbessertes Kaltstartverhalten im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten offenen Filtersystem mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass der Kontaktbereich in Bereichen ausgebildet sein kann, in denen die Filterlage mit ggf. benachbarten Blechlagen oder auch mit einem den Abgasfilter umschließenden Mantelrohr verbunden ist. Die Ausbildung einer solchen fügetechnischen Verbindung erfolgt oftmals durch Löten, jedoch sind auch Schweißen oder andere fügetechnische Verfahren möglich. Ist die Filterlage aus einem zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material aufgebaut, führt die Ausbildung dieser Verbindung mit anderen Blechlagen und/oder dem Mantelrohr im Regelfall dazu, dass in diesem Bereich die Filterlage nicht mehr oder nur in sehr geringem Maße für ein fluid durchströmbar ist, da beispielsweise im Falle des Lötens sich das Material mit Lot vollsaugt, so dass hier keine Aufnahme von Partikeln mehr erfolgen kann. Somit tragen diese Bereiche nur in vermindertem Maße zur Effektivität des Abgasfilters bei. Von daher ist es vorteilhaft, in diesen Bereichen die Kontaktbereiche auszubilden, da dadurch bei gleichem Aufbau die Filtereffektivität der Filterung von Partikeln aus dem Abgas nicht wesentlich vermindert, jedoch der Einbau eines gesonderten Oxidationskatalysators vermieden werden kann. Der Kontaktbereich besteht zumindest teilweise aus einer Metallfolie. Die Ausbildung des Kontaktbereichs zumindest teilweise aus einer Metallfolie erlaubt in vorteilhafter Weise eine einfache Beschichtung des Kontaktbereichs, da eine Metallfolie in bekannter Weise mit katalytisch aktivem Material beschichtet werden kann, beispielsweise in Form eines sogenannten Washcoats, in den die katalytisch aktiven Substanzen, beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Rhodium eingebracht werden können. ErSndungsgemäß ist es auch möglich, bereits beschichtete Folien zur Ausbildung des Kontaktbereichs zu verwenden.
Der Abgasfilter weist eine Hauptströmungsrichtung auf, in der er vom Abgas durchströmt wird. Der Kontaktbereich ist in Hauptströmungsrichtung stromaufwärts des Filterbereichs ausgebildet. Dies gestattet in vorteilhafter Weise die Ausbildung des Kontaktbereichs gerade auch im gaseintrittsseitigen Randbereich der regelmäßig zur Ausbildung einer Verbindung der verschiedenen. Filterlagen und/oder Metalllagen untereinander und/oder mit dem Mantelkörper verwendet wird. Somit liegt in diesem Bereich sowieso nur eine verminderte Filtereffektivität vor, da es je nach Art der ausgebildeten fügetechnischen Verbindung zu einem Vollsaugen des für ein Fluid durchströmbaren Materials mit beispielsweise Lot und/oder Schweißadditiv und/oder zu einer Komprimierung dieses Bereichs kommt Zudem hat eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasfilters den Vorteil, dass für den zur Effektivität des Partikelniterprozesses beitragende Bereich, also für den stromabwärts gelegenen Filterbereich, sehr schnell eine genügend große Menge an Stickstoffdioxid bereit steht, so dass der Filterbereich sehr schnell auch nach einem Kaltstart im CRT-Modus betrieben werden kann. Metallfolie und Filerbereich überlappen sich in einem Verbindungsbereich In diesem ist eine fügetechnische Verbindung zwischen der Metallfolie also dem Kontaktbereich und dem Filterbereich ausgeführt. Dieser Verbindungsbereich kann beispielsweise durch Nieten, Löten oder Schweißen oder durch eine Kombination von mindestens zwei dieser Verfahren hergestellt werden, wobei der Verbindungsbereich in axialer Richtung kleiner ist als der Kontaktbereich, siehe auch Fig. 1.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Metallfolie mikrostrukturiert. Eine mikrostruktvaierte Metallfolie führt bei entsprechender Ausgestaltung der Strukturen dazu, dass die Strömung im Strömungskanal turbulenter wird und sich keine randseitigen Schichten laminarer Strömung bilden. Dies führt dazu, dass ein größerer Anteil des Gasstroms in Richtung der zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Materialbereiche gelenkt wird. Insgesamt wird dadurch in vorteilhafter Weise die Effektivität des Filters verbessert. Weiterhin kann je nach Verhältnis der Dicke der Metallfolie zur Dicke des zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Materials eine Mikrostruktunerung der Metallfolie zum Dickenausgleich zwischen dem Kontaktbereich und dem Filterbereich benutzt werden Zudem erlaubt die Mikrowellung der Metallfolie eine deutliche erhöhte Reaktionsfläche für die Umsetzung des zumindest einen gasförmigen Bestandteils des Abgases.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Abgasfilters kann der Kontaktbereich zumindest teilweise aus dem für ein Fluid durchströmbaren Material bestehen. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise die einfache Herstellung des Abgasfilters, da so beispielsweise die gesamte Filterlage nur aus dem für ein Fluid durchströmbaren Material besteht und dieses nur im Kontaktbereich mit dem katalytisch aktiven Material beschichtet beziehungsweise getränkt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasfilters ist der Kontaktbereich im gaseintrittsseitigen Stirnbereich des Abgasfilters ausgebildet, bevorzugt in einem Längenbereich von weniger als 20% der axialen Länge des Abgasfilters, besonders bevorzugt in einem Längenbereich von weniger als 10% der axialen Länge des Abgasfilters. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Bereitstellung einer genügend großen Menge von Stickstoffdioxid für den CRT-Betrieb des Filterbereichs bei einem nur kleinen Effekt auf die Filtereffektivität des Filterbereichs. Zudem führt die Ausbildung des Kontaktbereich an der Gaseintrittsseite zu einem Ausblasschutz, durch den die durch die Abgaspulse stark belasteten gaseintrittsseitigen Randbereiche der Filter- und/oder Blechlagen vor einem Ausfransen geschützt werden, so dass die Lebensdauer des Abgasfilters erhöht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasfilters ist der Abgasfilter durch miteinander verschlungene Lagen ausgebildet, die zumindest teilweise Filterlagen sind. Andere Lagen können beispielsweise Blechlagen, die strukturiert oder im wesentlichen glatt ausgeführt sein können, sein. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass der Abgasfilter aus im wesentlichen glatten Blechlagen und strukturierten Filterlagen oder auch aus im wesentlichen glatten Filterlagen und strukturierten Blechlagen ausgebildet ist. Ein solcher Aufbau erlaubt es beispielsweise, den Abgasfilter als Wabenkörper aus glatten und strukturierten Lagen aufzubauen. Die Entscheidung, ob strukturierte Filterlagen und glatt Blechlagen oder strukturierte Blechlagen und glatte Filterlagen zu wählen sind, ist abhängig von den Anforderungen an den Abgasfilter zu treffen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasfilters sind die Metallfolie und das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material fiigetechnisch miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die Metallfolie und das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material verschweißt, gelötet und/oder genietet sind, bevorzugt verschweißt und/oder gelötet, besonders bevorzugt gelötet. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine stabile Verbindung zwischen Metallfolie und dem zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material, die sich positiv auf die Haltbarkeit der Filterlage auswirkt. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Metallfolie als Kontaktbereich stromaufwärts des Filterbereichs im gaseintrittsseitigen Bereich des Abgasfilters ausgebildet ist. Dann dient die Metallfolie gleichzeitig auch als Ausblasschutz in diesem durch die Abgaspulse der Verbrennungsmaschine und thermische Wechselbeanspruchungen stark belasteten Teilbereich des Abgasfilters. Die Wirkung dieser Abgaspulse wird noch dadurch verstärkt, wenn ein besonders motornaher Einbau vorliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasfilters ist das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material aus Metallfasern aufgebaut Dies ist vorteilhaft, da ein solches, für ein Fluid durchströmbares Material sehr hitzebeständig ist und damit den thermischen Wechselbelastungen im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs bei einer relativ langen Lebensdauer ausgesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das für ein Fluid durchströmbare Material aus Metallfasern gesintert aufgebaut ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt des erfinderischen Gedankens wird ein Verfahren zum Reinigen eines Abgases eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, das insbesondere in einem erfindungsgemäßen Abgasfilter durchgeführt wird. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einem Wabenkörper sowohl eine Umsetzung der gasförmigen Bestandteile des Abgases als auch ein Ausfiltern von Partikeln aus dem Abgas.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Umsetzung der gasförmigen Bestandteile des Abgases bezüglich einer Hauptdurchströmungsrichtung des Abgasfilters stromaufwärts der Ausfilterung von Partikeln. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise das Bereitstellen von Stickstoffdioxid, das zum GRT-Betrieb des Filterbereichs des Abgasfilters benötigt wird. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf einen separaten Oxidationskatalysator vor dem Abgasfilter zu verzichten. Dies gestattet einen motornäheren Einbau des Abgasfilters, der dadurch ein verbessertes Kaltstartverhalten im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten offenen Filtersystemen aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Umsetzung der gasförmigen Partikel durch zumindest einen Katalysator, bevorzugt einen Edelmetallkatalysator, katalysiert. Dies gestattet in vorteilhafter Weise die Senkung der Betriebstemperaturen des Abgasfilters.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert, diese zeigen besonders vorteilhafte und besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasfilters bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt
Es zeigen:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Filterlage eines erfindungsgemäßen Abgasfilters im Längsschnitt;
Fig. 2: eine nicht erfindungsgemäße Filterlage aus porösem Material im Längsschnitt;
Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel einer Filterlage eines erfindungsgemäßen Abgasfilters in perspektivischer Darstellung; und
Fig. 4: einen erfindungsgemäßen Abgasfilter.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fiterlage 1, die zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Abgasfilters dient. Die Filterlage 1 weist einen Filterbereich 2 und einen Kontaktbereich 3 auf. Der Filterbereich 2 ist aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material gebildet. Der Filterbereich 2 besteht also aus einem porösen oder auch hochporösen Material. Bevorzugt ist hier die Ausbildung aus Metallfasern, besonders bevorzugt aus gesinterten Metallfasern. Der Filterbereich 2 weist eine hohe thermische Stabilität auf. In diesem Ausführungsbeispiel einer Filterlage 1 ist der Kontaktbereich 3 als Metallfolie 4 ausgebildet Der Kontaktbereich 3 ist mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet. Besonders bevorzugt ist hierbei die Beschichtung in Form eines Washcoats, in den Edelmetallkatalysatoren eingebracht werden. Im Kontaktbereich 3 kommt es zur zumindest teilweisen Umsetzung zumindest eines gasförmigen Bestandteils eines Abgases, das im Abgasfilter gereinigt werden soll. Bei den Reaktionen der oder des gasförmigen Bestandteils, die durch die katalytisch aktive Beschichtung katalysiert werden, handelt es sich in jedem Fall um die Umsetzung von NO zu NO₂, weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, auch Kohlenwasserstoffe, die unverbrannt den Abgasfilter erreichen, sowie Kohlenmonoxid umzusetzen.
Der Filterbereich 2 ist zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbar. In diesem Filterbereich 2 kommt es zur Abfiltrierung der sich im Abgas befindlichen Partikel. Diese treten gerade im Abgas von Dieselmotoren verstärkt auf. Beim Aufbau eines Abgasfilters zumindest teilweise aus Filterlagen 1 kommt es durch Interception und/oder Impaktion der Partikel an und/oder im porösen Filterbereich 2 zu einer Haftung zumindest eines Teils der sich im Abgas befindlichen Partikel. Für das Zusammenkommen dieser Wirkung sind die Druckunterschiede im Strömungsprofil des strömenden Abgases von Bedeutung. Durch Mikrostrukturierung in der Metallfolie 4 sowie in benachbarten, in Fig. 1 nicht gezeigten Blechlagen kann dieser Effekt noch erhöht werden, da zusätzlich lokale Unterdruck- oder Überdruckverhältnisse entstehen. Diese erhöhen den Filtrationseffelct durch die poröse Wand hindurch.
Metallfolie 4 und Filterbereich 2 überlappen sich in einem Verbindungsbereich 5. In diesem ist eine fügetechnische Verbindung zwischen der Metallfolie 4, also dem Kontaktbereich 3, und dem Filterbereich 2 ausgeführt. Dieser Verbindungsbereich 5 kann beispielsweise durch Nieten, Löten oder Schweißen oder durch eine Kombination von mindestens zwei dieser Verfahren hergestellt werden. Beim Löten sind verschieden Lötverfahren möglich, bei denen das Lot als Pulver oder Lötfolie aufgetragen wird. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Metallfolie 4 Mikrostrukturen, bevorzugt Milcrowellungen, aufweist Diese können einerseits zur Verhinderung von Schichtströmungen im Randbereich dienen, andererseits ist es hierdurch aber auch möglich, in vorteilhafter Weise einen Höhenunterschied zwischen dem Filterbereich 2 und dem Kontaktbereich 3 auszugleichen und so den Aufbau des Abgasfilters zu vereinfachen. Dieser Bereich kann aus besonders dünner Folie bestehen, z.B. mit einer Dicke von 15 bis 30 µm, und/oder Löcher aufweisen, um die Wärmekapazität gering zu halten, was das Kaltstartverhalten verbessert.
Es ist weiterhin auch vorteilhafterweise möglich, den Verbindungsbereich 5 zu verdichten. Dies kann durch Pressen, Walzen oder auch im Rahmen eines Schweißverfahrens, wie z. B. dem Rollnahtschweißverfahren, erfolgen.
Fig. 2 zeigt ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel einer Filterlage 1 zum Aufbau eines Abgasfilters. Auch diese Filterlage 1 weist einen Filterbereich 2 und einen Kontaktbereich 3 auf. Der Kontaktbereich 3 ist im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten Ausfubrungsbeispiel jedoch auch aus porösem Material gebildet, das mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet bzw. getränkt wurde. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Tränkung des Kontalrtbereichs 3 mit einem Washcoat, der die Edelmetallkatalysatoren enthält. Vorteilhafterweise ist es möglich, den Kontaktbereich 3 vorzubehandeln, um die benötigte Beschichtungs- bzw. Washcoatmenge zu reduzieren. Hier ist es vorteilhafterweise möglich, eine Vortränkung mit Lot vorzunehmen, der von dem porösen bzw. hochporösen Material des Kontaktbereichs 3 aufgenommen wird. Weiterhin kann der Kontaktbereich 2 auch durch eine Komprimierung, beispielsweise durch Pressen oder Walzen, vorbehandelt werden um die Menge des aufgenommenen Washcoats zu verringern.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele einer Filterlage 1 sind beispielhaft glatt dargestellt Die Filterlage 1 kann jedoch auch strukturiert, bevorzugt gewellt werden. Es ist erfindungsgelnäß möglich, glatte Filterlagen 1 mit gewellten, hier nicht dargestellten Lagen zu einem Abgasfilter zu kombinieren. Dies kann beispielsweise durch den Aufbau eines an und für sich bekannten Wabenkörpers beispielsweise in Spiral-, S-, SM- oder einen sonstigen Form erfolgen. Genauso gut ist jedoch der Aufbau eines Abgasfilters, beispielsweise in Form eines Wabenkörpers, auch möglich, indem eine strukturierte Filterlage 1 mit glatten weiteren Lagen kombiniert wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer strukturierten, nämlich gewellten, Filterlage 1. Diese Filterlage 1 weist einen ersten Kontaktbereich 6, einen zweiten Kontaktbereich 7, einen ersten Filterbereich 8 und einen zweiten Filterbereich 9 auf. In den beiden Kontakibereichen 6, 7 erfolgt die Umsetzung zumindest eines Teils der gasförmigen Bestandteile des Abgases. Bevorzugt erfolgt in diesen Bereichen die Umsetzung von NO zu NO₂. Mit dem dadurch entstehenden NO₂ ist es möglich, den erfindungsgemäßen Abgasfilter im CRT-Modus zu betreiben. Durch den Aufbau mehrerer Kontaktbereiche 6, 7 erfolgt im Mittel eine gleichmäßigere Verteilung des NO₂-Gehalts in axialer Richtung 10, da hier nicht nur ein absolutes Maximum des NO₂-Gehalts am Ende des ersten Kontaktbersichs 6 auftritt, sondern zwei lokale Maxima jeweils am Ende des ersten Kontaktbereichs 6 und des zweiten Kontaktbereichs 7. Auch die Ausbildung weiterer Kontakt- und Filterbereiche ist erfindungsgemäß möglich.
Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgasfilter 11. Dieser wird von einem Abgasstrom 12 in axialer Richtung durchströmt, der Abgasstrom 12 strömt durch die Gaseintrittsseite 13 in den Abgasfilter 11 hinein und verlässt diesen durch die Gasaustrittsseite 14. Der Abgasfilter 11 ist als Wabenkörper aufgebaut. Wie in dem kleinen detaillierten Bereich gezeigt, ist der Abgasfilter 11 aus glatten Lagen 15 und strukturierten Lagen 16 aufgebaut, die einander abwechseln und S-förmig verschlungen sind Genauso gut wäre es erfindungsgemäß möglich, glatte Lagen 15 und strukturierte Lagen 16 in anderer Weise zu kombinieren, beispielsweise diese spiral- oder SM-förmig, oder auch in beliebigen anderen Formen zu wickeln. Die glatten Lagen 15 und die strukturierten Lagen 16 bilden Kanäle 19, die für ein Fluid, beispielsweise für den Abgasstrom 12 durchströmbar sind.
Es ist erfindungsgemäß möglich, als glatte Lagen Filterlagen 1 und als strukturierte Lagen 16 Blechlagen zu verwenden, genauso gut ist es aber auch möglich, als strukturierte Lagen 16 Filterlagen 1 und als glatte Lagen 15 Blechlagen zu verwenden. Auch die zumindest teilweise Verwendung von Filterlagen 1 sowohl als glatte Lagen 15 als auch als strukturierte Lagen 16 ist erfindungsgemäß möglich.
An der Gaseintrittsseite 13 weist der Abgasfilter 11 einen Kontaktbereich 3 auf, in dem die Umsetzung zumindest eines Teils zumindest einer gasförmigen Komponente des Abgasstroms 12 erfolgt. Bevorzugt erfolgt im Kontaktbereich 3 die Umsetzung von Stickstoffoxid zu Stickstoffdioxid, also von NO zu NO₂, so dass durch die Umsetzungen im Kontaktbereich der für den CRT-Betrieb notwendigen Anteil an NO₂ erzeugt wird. Bevorzugt erfolgt zumindest im Kontaktbereich 3 auch die Anbindung der glatten Lagen 15 an die gewellten Lagen 16 und/oder an das nicht explizit gezeigte Mantelrohr, das den Wabenkörper umgibt. Durch die Ausbildung des Kontaktbereichs in Form von Metallfolien, die mit dem Filterbereich 2 verbunden werden, ergibt sich an der Gaseintrittsseite 13 ferner ein Ausblasschutz, da besonders die Gaseintrittsseite ohne Ausblasschutz verstärkter Alterung unterworfen wird, weil durch die pulsförmig auftreffenden Abgase des Abgasstroms 12 eine besonders große Belastung auf die Lagen 15, 16 ausgeübt wird.
Im Vergleich zur axialen Länge 17 des Abgasfilters 11 ist die Längenausdehnung 18 des Kontaktbereich 3 deutlich kleiner gewählt. Bevorzugt beträgt die Längenausdehnung 18 des Kontaktbereichs 3 weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % der axialen Länge 17 des Abgasfilters 11. Somit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, durch Ausbildung des Kontaktbereichs 3 im Bereich der Gaseintrittsseite 13 für den Filterbereich 2 genügend NO_2, zum Betrieb im CRT-Modus bereitzustellen. Somit kann ohne Ausbildung eines zusätzlichen Oxidationskatalysators stromaufwärts des Abgasfilters 11 ein motornaher Einbau des Abgasfilters 11 erfolgen, der ein sehr gutes Kaltstartverhalten des Abgasfilters 11 bewirkt. Weiterhin können so Produktionskosten gespart werden, da kein gesonderter Oxidationskatalysator stromaufwärts des Abgas-Filteis 11 auszubilden ist

Bezugszeichenliste

1: Filterlage
2: Filterbereich
3: Kontaktbereich
4: Metallfolie
5: Verbindungsbereich
6: erster Kontaktbereich
7: zweiter Kontaktbereich
8: erster Filterbereich
9: zweiter Filterbereich
10: axiale Richtung
11: Abgasfilter
12: Abgasstrom
13: Gaseintrittsseite
14: Gasaustrittsseite
15: glatte Lage
16: strukturierte Lage
17: axiale Länge
18: Längenausdehnung
19: Kanal

Claims

Abgasfilter (11) zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors, aufweisend
- eine Gaseintrittsseite (13) und eine Gasaustrittsseite (14), wobei ein Abgasstrom (12) in einer axialen Richtung (10) von der Gaseintrittsseite (13) zur Gasaustrittsseite (14) strömt;

- mindestens eine streifenförmige Filterlage (1), die sich entlang der axialen Richtung (10) erstreckt, mit einem Filterbereich (2) aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material zum Ausfiltern von Partikeln aus dem Abgas und einem Kontaktbereich (3) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zur Umsetzung von gasförmigen Komponenten des Abgases,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (3) eine Metallfolie (4) aufweist mit einer katalytisch aktiven Beschichtung und die Metallfolie (4) in axialer Richtung (10) stromaufwärts des Filterbereichs (2) angeordnet ist und die Metallfolie (4) und der Filterbereich (2) sich in einem Verbindungsbereich (5) überlappen, wobei der Verbindungsbereich (5) in der axialen Richtung (10) kleiner ist als der Kontaktbereich (3).
Abgasfilter (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (4) mikrostrukturiert ist.
Abgasfilter (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (3) zumindest teilweise aus dem für ein Fluid durchströmbaren Material besteht.
Abgasfilter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfilter (11) eine Hauptströmungsrichtung aufweist, in der dieser vom Abgas durchströmt wird, und dass der Kontaktbereich (3) in Hauptströmungsrichtung stromaufwärts des Filterbereichs (2) ausgebildet ist.
Abgasfilter (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (3) im gaseintrittsseitigen Stirnbereich (14) des Abgasfilters (11) ausgebildet ist, bevorzugt in einem Längenbereich von weniger als 20% der axialen Länge (17) des Abgasfilters (11), besonders bevorzugt in einem Längenbereich von weniger als 10% der axialen Länge (17) des Abgasfilters (11).
Abgasfilter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfilter (11) durch miteinander verschlungene Lagen (15, 16) ausgebildet ist, die zumindest teilweise Filterlagen (1) sind.
Abgasfilter (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfilter (11) aus im wesentlichen glatten Blechlagen (15) und strukturierten Filterlagen (1) ausgebildet ist.
Abgasfilter (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasfilter (11) aus im wesentlichen glatten Filterlagen (1) und strukturierten Blechlagen (16) ausgebildet ist.
Abgasfilter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (4) und das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material fügetechnisch miteinander verbunden sind.
Abgasfilter (11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (4) und das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material verschweißt, gelötet und/oder genietet sind, bevorzugt verschweißt und/oder gelötet, besonders bevorzugt gelötet.
Abgasfilter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Material aus Metallfasern aufgebaut ist.
Verfahren zum Reinigen eine Abgases eines Verbrennungsmotors, in einem Abgasfilter (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich einer Hauptdurchströmungsrichtung des Abgasfilters (11) die Umsetzung der gasförmigen Bestandteile des Abgases stromaufwärts der Ausfilterung von Partikeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung der gasförmigen Partikel durch zumindest einen Katalysator, bevorzugt einen Edelmetallkatalysator, katalysiert wird.