WO2005066469A1 - Partikelfilter umfassend eine metallische faserlage - Google Patents

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Rolf BRÜCK
Peter Hirth
Thomas HÄRIG
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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    • F01N2330/44—Honeycomb supports characterised by their structural details made of stacks of sheets, plates or foils that are folded in S-form

Definitions

  • Particle filter comprising a metallic fiber layer
  • the present invention relates to a particle filter comprising a jacket and a body, the body being formed with at least one metallic fiber layer.
  • the fiber layer is arranged in the body such that flow paths are formed through the body, each of which has a flow obstruction at least at one point.
  • particulate filters which are used, for example, in exhaust systems of mobile internal combustion engines (gasoline engines, diesel engines, etc.) into “open” and “closed” systems. “Open” systems generally have flow paths that can be flowed through freely, with calming and / or swirling zones being provided which cause a movement from parti to the walls that delimit the flow paths.
  • the probability is to be increased in this way that the particles in the exhaust gas come into contact with the reaction partners which are provided via the walls of the flow paths or the exhaust gas itself, and so the particles are converted into harmless constituents 201 17 873 UI or WO 03/038248 AI.
  • Particulate filters according to the "closed" system generally have mutually closed flow paths, so that at least a single passage of partial exhaust gas flows through a wall of the flow paths.
  • sealing elements or flow restrictors are positioned at the inlet or outlet of the flow paths it is also known to provide such elements inside the flow paths, for example the walls of the flow paths are formed from a porous mass which is predominantly ceramic in nature.
  • the filter material representing a metallic fiber layer. Such an arrangement can be seen, for example, from EP 0 764455 B1.
  • a metallic fiber layer is attached in a housing in this way in addition to flat or wave-shaped arrangements in which there is an essentially axial flow through the metallic fiber layer, cylindrical or star-shaped arrangements of the fiber layer are also described in which the gas flow is fed in the center and radially decreases due to an opposing closure flap outside, is steered through the metallic fiber layer.
  • thermal processes are known in many cases, a temperature increase being specifically generated in the exhaust gas or in the particle filter, for example temperatures above 800 degrees Celsius, at which the particles are burned or oxidized.
  • thermal regeneration can be initiated by special heating elements which are part of the particle filter itself or are connected to it.
  • continuous processes are also known. Such a continuous process is often referred to as the so-called CRT system ("Continuous regeneration trap").
  • the exhaust gas is first passed through an oxidation catalyst and then into a soot filter.
  • the oxidation catalyst's task is to remove nitrogen monoxide (NO convert) into nitrogen dioxide (NO 2).
  • NO 2/ nitrogen dioxide nitrogen dioxide
  • an increased proportion of nitrogen dioxide has the advantage that in the downstream particulate filter to proceed redox reactions wherein carbon (C) oxidized to carbon dioxide (CO 2) of nitrogen dioxide (NO 2) to pure nitrogen (N 2 ) is reduced, which means that carbon monoxide (CO) and long-chain hydrocarbons (HC), which are often contained in the particles, are almost completely converted in a temperature range between 200 degrees Celsius and 450 degrees Celsius.
  • the effectiveness or filter effect of the particle filter is also described by the surface provided or the pores etc. of the filter wall.
  • the aim is always to provide the largest possible area for filtering the particles.
  • the particulate filter should withstand the high thermal and dynamic loads in the exhaust system of a mobile internal combustion engine. In particular, the different thermal expansion behavior of the component of the particle filter must be taken into account.
  • the particle filter should also be regenerable to ensure permanent use. Proceeding from this, it is the object of the present invention to provide a particle filter which fulfills the objectives mentioned above. In addition, it should provide the largest possible filter area and withstand frequent regeneration.
  • the specified particle filter should also withstand short-term, locally limited and significantly increased temperature peaks in the interior of the particle filter and thus ensure a long service life, particularly with regard to repeated regeneration.
  • the particle filter according to the invention is constructed with a jacket and at least one body, which comprises at least one metallic fiber layer.
  • This fiber layer is arranged in such a way that a plurality of spatially separate flow paths through the body are formed, each of which has a flow obstruction at least at one point.
  • the particle filter is characterized in that the at least one metallic fiber layer has an area-related heat capacity in the range from 400 to 1200 joules per Kelvin and square meter [J / K m].
  • the metallic fiber layer is preferably made of a heat-resistant, corrosion-resistant material, in particular it comprises fibers based on iron or steel, these comprising aluminum and chromium.
  • fibers made of a material based on iron with proportions of aluminum and chromium and possibly proportions of rare earths such as yttrium are used as the material for the metallic fiber layer.
  • the Aluminum content at least 4.5 percent [%] and especially above 5.5%.
  • the chromium content is preferably in a range from 18% to 21%.
  • the fibers can be oriented to form a fabric, fleece, tangle or in some other way.
  • the connection between the fibers themselves is also heat and corrosion resistant, in particular the fibers are sintered together.
  • the at least one metallic fiber layer is preferably stacked, wound, wound or arranged in some other way.
  • Bodies can be formed with only one metallic fiber layer, but it is also possible that several, possibly differently designed, metallic fiber layers are connected to form a coherent fiber band and / or a plurality of such fiber layers are provided.
  • the at least one metallic fiber layer at least partially delimits flow paths, that is to say represents at least one wall or a wall section of the flow path.
  • the flow paths are preferably arranged essentially parallel to one another and in particular are separated from one another over their entire length. In this context, separately does not necessarily mean that gas exchange between adjacent flow paths is not possible, but rather means a honeycomb-like arrangement of the flow paths.
  • Each of these flow paths preferably has a flow restrictor at exactly one point. Basically, it is proposed to choose the entry cross section or the exit cross section of the flow path as the location. Alternatively or in combination, it can also be expedient to provide a flow restrictor in the interior of the flow path, that is to say between the inlet and outlet cross sections.
  • the flow restrictor is preferably designed in such a way that it represents a greater resistance with regard to the flow of a fluid flow compared to the (forming the filter layer) position as a limitation of the flow paths. This also means that the flow restrictor is designed with a greater volume-specific density than the metallic fiber layer, in particular also gas-impermeable.
  • the regeneration of the particle filter could possibly be a problem.
  • the dense position of the partial areas of the fiber layer relative to one another or the amount of soot possibly stored therein means that locally limited, extreme temperature peaks can occur during the conversion of the soot. This can destroy the structure of the fiber layer, in particular melt components of the fiber layer and / or the connections between the fibers are destroyed.
  • the invention proposes here that the at least one metallic fiber layer has a surface-related 400 to 1,200 J / km 2.
  • the details of the area-related heat capacity are based on room temperature, and the at least one metallic fiber layer preferably has a area-related heat capacity of more than 750 J / km 2 or even more than 1,000 J / Km 2.
  • the fiber layer has at least one of the following parameters in at least one section: a) fiber diameter: 20 ⁇ m to 90 ⁇ m; b) fiber spacing: 5 ⁇ m to 300 ⁇ m; c) layer thickness: 0.2 mm to 1.5 mm; d) layer basis weight: 250 g / m 2 to 2,000 g / m 2 ; e) layer porosity: 30% to 90%; f) fiber surface per 1 m 2 layer surface: 9 m 2 to 15 m 2 ; g) Single fiber length: 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the at least one “section” preferably encompasses the entire length, width or spatial extent of the fiber layer, but it is also possible that it describes, for example, only a partial area in the axial and / or radial direction of the fiber layer.
  • the fiber layer it is also expedient for the fiber layer to comprise several such sections, the section not having to be of the same design each time, but the dimensioning being able to be variably adapted to the conditions, for example in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • fiber diameter means the average diameter of a fiber in the fiber layer.
  • the mean value is not only the result of averaging all the diameters of an individual fiber, but preferably the fiber diameter represents a characteristic value for all fibers of the fiber layer in the at least one section
  • the fiber diameter is preferably in a range from 40 ⁇ m to 70 ⁇ m (0.04-0.07 mm).
  • fiber spacing means in particular the spacing between adjacent fibers of the fiber layer, whereby the greatest distance from one another is primarily meant here.
  • the fiber spacing represents in particular a parameter for representing the gas permeability or the density of the fiber layer. This fiber spacing is preferably in a range of 20 ⁇ m to 300 ⁇ m (0.02 - 0.3 mm).
  • Layer thickness means the thickness of the at least one metallic fiber layer, in particular in the direction of the flow direction of the exhaust gas.
  • the layer thickness is preferably 0.3 mm to 0.5 mm.
  • the “layer basis weight”, which describes the weight of the metallic fiber layer per unit area is preferably in a range from 750 to 1,500 grams per square meter [g / m 2 ].
  • the layer porosity is preferably between 45% and 60%.
  • the “fiber surface” represents the surface that is formed by the individual fibers with one another.
  • the “layer surface” means the surface (envelope) of the metallic fiber layer itself.
  • “Individual fiber length” is understood to mean the length of the fiber which is predominantly used to produce the at least one metallic fiber layer.
  • the individual fiber length is preferably 10 ⁇ m to 30 ⁇ m (0.01-0.03 mm).
  • an embodiment of the particle filter is also proposed, in which the at least one fiber layer is arranged in the body such that at least one of the following parameters is present: a) specific layer surface: 0.15 m 2 / l to 2.0 m 2 / l ; b) Layer distance: 0.5 mm to 10 mm.
  • a “specific layer surface” is to be understood as the layer surface which is in a volume of the particle filter of 1 liter [1]. This gives a parameter which is suitable as a measure for the given filter volume.
  • different areas can be preferred, for example a specific layer surface between 0.15 m 2 / l and 1.0 m 2 l is preferred if only the smooth layer made of a metallic fiber water situation exists. If the corrugated layers alone are made with a metallic fiber layer, the specific layer surface is in the range from 0.25 m 2 / l to 1.0 m / l.
  • the specific layer surface is advantageously between 0.4 m 2 / l and 2.0 m 2 / l.
  • a particulate filter is proposed in particular, which has a specific layer surface of 0.5 m / l to 0.9 m / l.
  • Layer removal means the distance between sections or fiber layers arranged adjacent to one another.
  • the layer distance describes the distance that is present in the area of the greatest distance between adjacent fiber layers. This value of the layer distance is particularly between the layer surfaces through which the gas flow flows in or out. This value can also vary over the axial length of the particle filter or over the length of the flow paths.
  • the body comprises at least one support structure which at least partially spaced fiber layer regions from one another.
  • the support structure thus fulfills the function, at least over a partial area, that a direct stacking of fiber layer areas arranged adjacent to one another is prevented.
  • this support structure serves to form channels or flow paths.
  • the support structure can be arranged between separate fiber layers as well as between folds, turns or the like of a single fiber layer.
  • the support structure is preferably made of metal and extends over the entire length of the flow channels formed.
  • the material made of iron-aluminum-chromium, as described above with reference to the fibers, is again preferred as the material for the support structure.
  • the at least one support structure comprises at least one of the following components, individually or in multiples: grid, sheet metal, wire, expanded metal.
  • a grid is to be understood as the most diverse arrangements of wire mesh, mesh, tangle, etc. These are preferably gas-permeable with openings, openings, etc. It is also possible that additional filter material is placed in these openings, recesses, etc. The latter variant occurs in particular when the support structure is designed as expanded metal. It is also possible for specially structured sheets, etc. to be placed between the filter layers or fiber layers. The sheets are preferably impenetrable to a gas flow, but if necessary can also include openings or flow guiding surfaces.
  • wires between the fiber layer regions, which are structured or smooth, for example.
  • Such wires should preferably be positioned in the entrance area or in the exit area of the flow paths. It is also possible for a plurality of such wires to be arranged in a wire bundle and to be positioned between the fiber layer regions.
  • the components of the body are connected to one another and / or to the jacket at least in regions.
  • Components of the body mean, in particular, the fiber layers and the support structures.
  • the joining connections are preferably arranged in the following areas: end faces of the particle filter (on which the exhaust gas strikes or from which the exhaust gas exits), near the structure maxima of support structures, in the contact area of the fiber layer and support structure, between two fiber layers.
  • the joining connection is preferably designed as a diffusion, welding and / or soldering connection.
  • the at least one flow obstruction is part of the at least one support structure, which closes at least one flow path at at least one point.
  • the support structure is folded, for example, forms wings, designs a collar, etc. and thus clings directly to at least one adjacent metallic fiber layer.
  • the flow restrictor is preferably designed to be essentially gas-tight, so that no gas flow can penetrate it (at least under conditions such as occur in automobile exhaust systems).
  • the configuration of the support structure as a sheet metal which encompasses an edge of the adjacent metallic fiber layer.
  • the at least one flow restrictor has a shape that at least partially conforms to the course of the at least one fiber layer, wherein it closes part of the flow paths at least near an inflow side or an outflow side of the body.
  • the flow restrictor is designed as a separate component, which is arranged such that it closes at least part of the flow paths.
  • the fiber layers are layered, wound or wound. This means that their end faces describe a spiral, straight line, an S-shaped or a similar course. Since the fiber layers at least partially limit flow paths that nestle on their surface, the flow paths that are close to a single fiber layer can be closed with a single flow restrictor.
  • the flow obstruction essentially follows the course of the at least one fiber layer. Since particle filters are preferably described here according to the “closed” system, the mutually closed channels or flow paths are brought about by the fact that in each case a first number of flow restrictors on the inflow side occlude a certain number of flow paths, while a second number of flow restrictors on the Outflow side the remaining flow close paths.
  • a wire or a cord-like, essentially gas-tight design is preferred as the flow restrictor.
  • the at least one flow restrictor comprises a device for regenerating the particle filter and / or is suitable for determining at least one of the following parameters: temperature, components of the gas flow.
  • the flow restrictor has an additional function in addition to the function of sealing flow paths, namely, for example, the initiation of regeneration of the particle filter or the determination of measured values.
  • the flow restrictor can be designed, for example, as a heating wire, whereby a current can flow through it and, due to resistance heating, dissipates the heat required for thermal regeneration in the particle filter.
  • the flow restrictor itself to be designed as a sensor or the like. In this case, this is used, for example, as a temperature sensor or as a sensor for determining gas components in the exhaust gas flow (e.g. oxygen, nitrogen oxides, hydrocarbons, etc.).
  • the body has a total volume that is in the range from 0.5 to 3.0 liters [1] per 1.0 liter [1] cubic capacity of the corresponding internal combustion engine.
  • the total volume means the volume of the body, including the metallic fiber layers, the support structures, the flow restrictors, etc. and the space which the flow paths encompass.
  • the total volume of the body is generally limited by the inflow and outflow sides of the body and by the inner surface of the jacket.
  • the preferred range of the total volume is 1.0 to 1.5 1 / 1.5 per liter of displacement.
  • Displacement means the total combustion chamber available in the internal combustion engine, which is also usually used to designate the size of the internal combustion engine.
  • the body is designed as a honeycomb body with a plurality of channels, and that a channel density per cross-sectional area through the body is in the range from 100 cpsi to 400 cpsi.
  • the channels are delimited both by the surfaces of the at least one fiber layer and, if appropriate, by the surface of the at least one support structure.
  • the channel density is given in "cpsi", which stands for "cells per square inch”.
  • the body has a plurality of fiber layers, which are alternately connected to one another on the opposite inflow and outflow sides, in order to form flow inhibitors and pockets.
  • a scrap structure with a minimum height and a maximum height is provided between the fiber layers, these being arranged in alternating (alternating) orientation in adjacent pockets.
  • the seat structures form widening flow paths between the fiber layers, a flow path in which a support structure with the maximum height is located, is adjacent to a flow path in which the support structure with a minimum height is located.
  • the flow restrictors are preferably positioned near an area of the body in which the welding structure has its minimum height, that is to say the adjacent fiber layers are as close as possible to one another.
  • Such support structures leads to the formation of V-shaped pockets when viewing an imaginary cross section through the particle filter, the opening of the V pointing alternately towards the inflow or outflow side.
  • Such a configuration of the particle filter is particularly preferred with regard to the dynamic pressure generated in the process and a simple technical connection of fiber layers and Slitz structure.
  • not only individual support structures, but also groups comprising a (variable) plurality of support structures of the same type can be arranged alternately. It is also proposed that the body have segments of different or combined functions in the direction of an axis.
  • These segments represent partial areas of the particle filter to be flowed through one after the other for an exhaust gas flow, wherein a different effect on the components contained in the exhaust gas is to be achieved in each case. Examples of such functions are ash filtering, soot filtering, oxidation, heating, the storage of exhaust gas components, the dewatering of gas flows, etc.
  • both the metallic fiber layers and the support structures and / or the flow restrictors can affect the Be configured to function, in particular with parameters that differ from those in other segments. It is also possible, for example, that in such a particle filter there is a segment in which the partial gas flows located in the flow paths are preferably to be mixed. For this purpose, additional flow restrictors and / or openings can optionally be provided in the walls of the flow paths in order to achieve mixing of partial gas flows.
  • the body comprises at least one internal boundary, which is defined by flow restrictors aligned with one another. Accordingly, it is advantageous, for example, that contact with the entire exhaust gas flow should be ensured in different segments of the metallic fiber layer in different segments. For this purpose, it is possible to provide a flow restrictor at the downstream end of such a segment, which forces flow through the fiber layer in this segment.
  • the flow restrictors are preferably parts of the support structure and / or parts of the metallic fiber layer itself. Especially in the event that the flow restrictors form a limitation of the above-mentioned segments, it is advantageous that they are arranged essentially in one plane.
  • the body is connected to the jacket via at least one sleeve surrounding it.
  • the thermal expansion behavior always plays an important role with regard to the durability in exhaust gas systems of internal combustion engines.
  • the particle filter is exposed to extreme thermal shock during regeneration.
  • a cuff is proposed in this regard, which is arranged around the body and is connected on one side to the body and on the other side to the jacket (in a very narrow, band-shaped area).
  • This cuff is preferably arranged centrally and extends only over a small area of the lateral surface of the body. This means that the body is not firmly attached to the jacket over a large part of its circumferential surface, ie it can expand or crumple independently of it. This ensures the greatest possible axial and radial freedom for the body.
  • the cuff is also structured in the circumferential direction in order in this way to also allow for different expansion in the circumferential direction.
  • cuffs can be seen in particular from WO 03/008774 AI, the description there being here can be used as a supplement.
  • the cuff or the particle filter is advantageously additionally designed with sealing means in order to prevent exhaust gas from flowing past the body.
  • This seal can be part of the cuff itself, but it is also possible for it to be arranged at other points, preferably between the body and the jacket.
  • the body is at least partially provided with a coating.
  • the coating can have a different nature with regard to its function and can be applied to the fibers, the support structure and / or further components of the particle filter.
  • a platinum oxide coating is preferred, for example, 40 to 120 grams per liter [g / 1] washcoat (zeolite) being provided and the noble metal loading being 20 to 100 grams per cubic foot [g / Ft 3 ].
  • the particle filter has a nitrogen oxide adsorption coating at least in a partial area, 150 to 300 g / 1 washcoat being provided, which is designed with a noble metal loading of 20 to 100 g / Ft 3 .
  • the flow restrictors are arranged near an inflow side and an outflow side of the body and supporting structures are provided between several fiber layers
  • at least one of the fiber layers has a connecting section in order to provide a connection by technical means to the at least one To form flow obstructions and / or a support structure.
  • the metallic fiber layer is designed in such a way that a solder connection to neighboring components is possible.
  • a filler material for the cavities in the fiber layer as well as a special compression of the fibers in the metallic fiber layer itself are appropriate.
  • a compression of this connecting section can be achieved, for example, by the fiber layer being turned over and pressed together in partial areas.
  • the connecting section is a section of the fiber layer with parameters different from the remaining areas or an attached individual component.
  • the parameters described at the outset fiber diameter, average fiber spacing, layer thickness, layer basis weight, layer porosity, individual fiber length, etc.
  • this connection region is formed by additionally attached, in particular solderable, individual components, such as sheet metal sections or the like.
  • FIG. 5 a half section of a further embodiment of the particle filter according to the invention
  • FIG. 6 a further detailed view of an arrangement of metallic fiber layer and support structure when forming a flow obstruction
  • Fig. 7 schematically an exhaust system of a mobile Verkermungsl ⁇ afcmaschine.
  • 1 shows schematically and in a perspective view a first embodiment of a particle filter 1 comprising a jacket 2 and a body 3.
  • the body 3 is formed with a plurality of metallic fiber layers 4, which here are arranged in an S-shape around two winding points 45 are.
  • the body 3 is designed as a honeycomb body 27 and has a multiplicity of channels 28.
  • the channels 28 extend from an inflow side 19 essentially parallel to an outflow side 20 of the body 3.
  • the direction of flow 48 is indicated by an arrow.
  • a plurality of flow restrictors 6 are shown, which essentially follow the S-shaped course of the arrangement of the metallic fiber layers 4. These close half of the channels 28 on the inflow side 19, while the other part of the channels 28 on the outflow side 20 is likewise closed by flow restrictors 6 (not shown).
  • the jacket 2 which is designed here as a cylinder tube, projects beyond the body 3 on both sides 19, 20.
  • An additive generator 21 is provided near the inflow side 19, this being designed as a spray nozzle for, for example, ammonia or fuel containing hydrocarbon.
  • the technical connection of the honeycomb body 27 to the housing or casing 2 takes place via a sleeve 36 which is provided on the circumference of the body 3.
  • the sleeve 36 is designed as a corrugated band and has a smaller width 50 than the honeycomb body 27 has a length 49.
  • the cuff 36 is connected on the one hand to all sheet ends 47 of the honeycomb body 27 and on the opposite side to the jacket 2. In this way, a compensation option for different thermal expansion behavior is created, in particular in the direction of the radius 51.
  • FIG. 2 shows the configuration of an embodiment of the particle filter with pockets 30, which are formed by support structures 40 between metallic fiber layers 4. be det.
  • a metallic fiber layer 4 and a support structure 14 are alternately arranged in the direction of a radius 51.
  • a section 7 of the fiber layer 4 and the support structure 14 designed as a corrugated sheet jointly delimit flow paths 5.
  • the support structure 14 has a relatively large corrugated structure on one end face, during which it forms a very small amplitude on the opposite end face. Near the small amplitude of the corrugation of the support structure 14, a flow restrictor 6 is again provided, which closes the flow paths 5.
  • the support structures 14 are arranged alternately to one another, so that here in the sectional view every second metallic fiber layer 4 runs essentially parallel to one another.
  • the exhaust gas flow is led, for example, through the flow path 5 or the channel 28 into inner regions of the particle filter and is forced by the flow restrictor 6 or a wire 17 designed as a flow restrictor to penetrate the metallic fiber layer 4 at least once in order to pass on the opposite one To be able to exit the front.
  • FIG. 3 shows a further detailed view of a stack of metallic fiber layers 4 and supporting structures, which are designed here as sheet metal 16.
  • the fiber layers 4 shown have a layer thickness in the range less than 1 mm.
  • Flow paths 5 are in turn formed by the corrugated sheet metal layer 16 arranged between the fiber layers 4, which allow the exhaust gas to flow in along the flow direction 48.
  • a flow restrictor 6 is formed in the flow path 5, which forces the partial gas flow that has entered the flow path 5 to be deflected through the adjacent fiber layer 4. This partial gas flow is directed into an adjacent channel or flow path 5 and can in this way emerge again from the particle filter in the flow direction 48.
  • the flow restrictor 6 is formed as a protuberance or guide surface 41 of the sheet 16.
  • the fiber layers 4 have a connecting section 38, this being shown in the th variant is designed as a compressed fiber layer 4, while in the variant shown below it is designed as a single component 39 (e.g. a piece of sheet metal foil).
  • a flow restrictor 6 is again formed between the adjacent connecting sections 38, which is a separate component here, for example a sealing cord.
  • FIG. 4 shows a detail of a partial area of the metallic fiber layer 4 from FIG. 3, as marked. From this, a few of the above-mentioned parameters for describing the fiber layer 4 can be recognized, in particular the fiber diameter 8, the fiber spacing 9, the fiber surface 11, the layer surface 12 and the individual fiber length 13.
  • the space between the fibers can be filled with air and / or be at least partially filled with additional materials. These additional materials include coatings, for example.
  • the body 3 has a plurality of metallic fiber layers 4 which alternately on the opposite inflow side 19 and the outflow side 20 via flow restrictors 6 or a heating wire 22 and a wire 17 are closed.
  • the sealing wire 17 for generating a thermal regeneration is designed as a heating wire 22
  • the fiber layers 4 together with the flow obstructions 6 form flow paths 5, which are essentially designed like pockets 30.
  • Support structures 14 are provided in these pockets 30, which have a minimum height 31 and a maximum height 32 and are arranged in an alternating manner in adjacent pockets 30.
  • the support structures are designed here as a grid 15 or expanded metal 18.
  • the body 3 has an upstream segment 34 in the direction of an axis 33, which segment is provided, for example, with an oxidizing coating 37 is.
  • the body 3 has an internal boundary 35, which is formed by flow restrictors 6 formed in the support structure 14.
  • the particle filter 1 is designed with a measuring sensor 23 which monitors the functionality of the particle filter 1.
  • the information obtained with the measuring sensor 23 can be transferred to an evaluation unit 40, which can trigger regeneration, for example.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a flow restrictor 6 close to an inflow side or an outflow side of the particle filter 1 in detail.
  • the metallic fiber layers 4 are made longer than the support structure 14, so that they protrude beyond the support structure 14 and touch each other.
  • the fiber layers 4 are designed in this connection section 38 in such a way that they ensure a joining connection with one another.
  • the two fiber layers 4 arranged adjacent to one another are connected to one another by means of the roller seam welding method and thus form a flow obstruction 6.
  • FIG. 7 schematically shows the structure of an exhaust system of a combustion air machine, in particular a diesel engine in a car.
  • An internal combustion engine 26 is shown, which can be characterized by the displacement 25.
  • the exhaust gas generated in the displacement 25 flows through an exhaust pipe 43 in the flow direction 48 to the surroundings.
  • the exhaust gas is first fed to an oxidation catalytic converter 42, then to a particle filter 1 according to the invention with a total volume 24 adapted to the displacement 25 and finally to a three-way catalytic converter 44.
  • a continuous regeneration of the particle filter 1 can thus also be carried out, for example.
  • the particle filter described here represents an advantageous solution to the technical problems and requirements mentioned at the outset.
  • the use of a metallic fiber layer enables the particle filter to be easily adapted to the intended use, and the given thermal conductivity of the metallic fiber layer and the specific one provided allow it Heat capacity the permanent use in exhaust systems of automobiles, even if very often regenerations are carried out, in which so-called "hot spots" occasionally form.

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Abstract

Es wird ein Partikelfilter (1) aus einen Mantel (2) und wenigstens einem Körper (3) vorgeschlagen, der mindestens eine metallische Faserlage (4) umfasst, wobei diese so angeordnet ist, das eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege (5) durch den Körper (3) gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Strömungsbehinderer (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage (4) eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 - 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/Km2] hat. Damit wird eine besonders große Partikelspeicherfähigkeit und Regenerationsfähigkeit des Partikelfilters bewirkt.

Description

Partikelfilter umfassend eine metallische Faserlage
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelfilter umfassend einen Mantel und einen Körper, wobei der Körper mit mindestens einer metallischen Faserlage gebildet ist. Die Faserlage ist so im Körper angeordnet, dass Strömungswege durch den Körper hindurch gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Stromungsbehinderer aufweisen. Grundsätzlich unterscheidet man bei Partikelfiltern, die beispielsweise in Abgasanlagen mobiler Verbrenni- gskraftmaschinen (Ottomotor, Dieselmotor, etc.) eingesetzt werden, in „offene" und „geschlossene" Systeme. „Offene" Systeme weisen in der Regel frei durchströmbare Strömungswege auf, wobei Beruhigungs- und/oder Verwirbelungszonen bereitgestellt sind, die eine Bewegung von Parti- kein hin zu den, die Strömungswege begrenzenden, Wänden bewirken. Gleichzeitig soll auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass die im Abgas befindlichen Partikel mit den Reaktionspartnern, die über die Wände der Strömungswege bzw. das Abgas selbst bereitgestellt werden, in Kontakt kommen und so eine Umwandlung der Partikel in unschädliche Bestandteile stattfindet. Bei- spiele für derartige offene Systeme gehen aus der DE 201 17 873 UI oder der WO 03/038248 AI hervor.
Partikelfilter nach dem „geschlossenen" System weisen in der Regel wechselseitig verschlossene Strömungswege auf, so dass zumindest ein einmaliger Durchtritt von Abgasteilströmungen durch eine Wand der Strömungswege erfolgt. Hierzu sind bekanntermaßen Dichtungselemente bzw. Stromungsbehinderer an dem Eintritt bzw. dem Austritt der Strömungswege positioniert, es ist zudem auch bekannt, solche Elemente im Inneren der Strömungswege vorzusehen. Die Wände der Strömungswege sind zum Beispiel aus einer porösen Masse gebildet, die ü- berwiegend keramischer Natur ist. Es sind auch „geschlossene" Systeme bekannt, wobei das Filtermaterial eine metallische Faserlage darstellt. Eine solche Anordnung geht beispielsweise aus der EP 0 764455 Bl hervor. Bei dem dort beschriebenen Filter zur Abscheidung von Rußpartikeln aus Abgasen wird eine metallische Faserlage in einem Gehäuse so angebracht, dass der Abgasstrom diese einmal durchdringt. Neben flächigen bzw. wellenförmigen Anordnungen, bei denen eine im wesentlichen axiale Durchströmung der metallischen Faserlage erfolgt, sind auch zylindrische oder sternförmige Anordnungen der Faserlage beschrieben, bei denen der Gasstrom mittig zugeführt und aufgrund einer gegenüberliegenden Verschlussklappe radial nach außen, durch die metallische Faserlage hindurch gelenkt wird.
Insbesondere bei der Bereitstellung von Partikelfϊltern nach dem „geschlossenen" System besteht die Gefahr, dass sich die porösen Wände bzw. die Wände aus der Faserlage mit Partikeln (stets als Oberbegriff für eine Vielzahl von Feststoffen des Autoabgases zu verstehen, insbesondere auch Ruß und Asche) zusetzen, wenn die zur chemischen Umsetzung erforderlichen Reaktionspartner nicht in ausreichendem Maße bereitgestellt werden können. Das führt dazu, dass die Wände der Strömungswege einen zunehmenden Widerstand darstellen. Dies resultiert beispielsweise in einen Anstieg des Staudruckes und führt gleichzeitig zu einer Min- derung der Leistung der Verbrennungskraftmaschine. Deshalb ist es in der Regel erforderlich, den Partikelfiltern von darin angelagerten Partikeln zu befreien, was üblicherweise mit dem Begriff „Regenerieren" bezeichnet wird.
Zur Durchfährung der Regeneration sind vielfach thermische Prozesse bekannt, wobei gezielt eine Temperaturerhöhung im Abgas bzw. in den Partikelfilter erzeugt wird, beispielsweise Temperaturen oberhalb 800 Grad Celsius, bei denen die Partikel verbrannt bzw. oxidiert werden. Eine solche thermische Regeneration kann durch besondere Heizelemente eingeleitet werden, die Teil des Partikelfilters selbst sind bzw. mit diesem verbunden sind. Es ist aber auch möglich, durch pro- vozierte, gegebenenfalls katalytische, Reaktionen im Abgasstrom eine Art Nachverbrennung zu initiieren. Dafür werden als Additive beispielsweise Ammoniak oder auch eine Menge Brennstoff eingesetzt. Neben dieser diskontinuierlichen, thermischen Regeneration des Partikelfilters sind auch kontinuierliche Verfahren bekannt. Ein solches kontinuierliches Verfahren wird mit dem sogenannten CRT-System („Continuous regeneration trap") vielfach bezeichnet. Dabei wird das Abgas zunächst durch einen Oxidationskatalysator und anschließend in einen Rußfilter geleitet. Der Oxidationskatalysator hat die Aufgabe, im Abgas enthaltene Stick- stoffmonoxide (NO) in Stickstoffdioxid (NO2) umzuwandeln. Ein erhöhter Anteil von Stickstoffdioxid hat den Vorteil, dass in dem nachgeschalteten Partikelfilter Redox-Reaktionen ablaufen, wobei Kohlenstoff (C) zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert und der Stickstoffdioxid (NO2) zu reinem Stickstoff (N2) reduziert wird. Das hat die Folge, dass insbesondere Kohlenmonoxid (CO) und langkettige Kohlenwasserstoffe (HC), die vielfach in den Partikeln enthalten sind, bereits in einem Temperaturbereich zwischen 200 Grad Celsius und 450 Grad Celsius fast vollständig konvertiert werden. Bei diesen CRT-Systemen ist jedoch zu beachten, dass nur ein nahezu schwefelfreier Dieselkraftstoff (kleiner 10 ppm S) verwendet werden sollte, um das oben beschriebene Redox-System nicht zu gefährden. Zur Ergänzung der im Abgas enthaltenen Stickstofrmonoxide bzw. dem daraus gebil- deten Stickstoffdioxid kann eine zusätzliche Zugabe von Ammoniak stromaufwärts des Oxidationskatalysators weitere Vorteile bringen.
Die Effektivität bzw. Filterwirkung des Partikelfϊlters wird außerdem durch die bereitgestellte Oberfläche bzw. die Poren etc. der Filterwand beschrieben. Dabei ist es stets Ziel, eine möglichst große Fläche zum Filtern der Partikel bereitzustellen. Gleichzeitig sollte der Partikelfϊlter den hohen thermischen und dynamischen Belastungen im Abgassystem einer mobilen Verbrennungsl -afrmaschine standhalten. Hierbei sind insbesondere die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der Komponente des Partikelfilters zu berücksichtigen. Zur Si- cherstellung des dauerhaften Einsatzes sollte der Partikelfilter zudem regenerierbar sein. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelfilter anzugeben, der die vorstehend genannten Zielsetzungen erfüllt. Darüber hinaus soll dieser eine möglichst große Filterfläche bereitstellen und einer häufigen Re- generation standhalten. Außerdem soll der angegebene Partikelfilter auch gegebenenfalls kurzzeitig, lokal begrenzte und deutlich erhöhte Temperaturspitzen im Inneren des Partikelfilters überstehen und somit eine lange Lebensdauer gerade im Hinblick auf eine wiederholte Regeneration gewährleisten. Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Partikelfilter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen formuliert. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die dort aufgeführten Merkmale miteinander sowie mit weiteren Erläuterungen der gesamten Beschreibung kombiniert werden können, und zu weiteren vorteilhaften Ausges- taltungen der Erfindung führen können.
Der erfindungsgemäße Partikelfilter ist mit einem Mantel und wenigstens einem Körper, der mindestens eine metallische Faserlage umfasst, aufgebaut. Diese Faserlage ist so angeordnet, dass eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege durch den Körper gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Stromungsbehinderer aufweisen. Der Partikelfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 bis 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/K m ] hat.
Die metallische Faserlage ist dabei bevorzugt aus einem hitzebeständigen, korrosionsbeständigen Material gefertigt, insbesondere umfasst sie Fasern auf einer Eisen- bzw. Stahlbasis, wobei diese Anteile von Aluminium und Chrom umfassen. Als Material für die metallische Faserlage werden insbesondere Fasern aus einem Werkstoff basierend auf Eisen mit Anteilen von Aluminium und Chrom sowie ggf. Anteilen von Seltenen Erden wie z.B. Yttrium. Bevorzugt liegt der Aluminium-Gehalt bei mindestens 4,5 Prozent [%] und insbesondere über 5,5 %. Der Chrom-Gehalt liegt bevorzugt in einem Bereich von 18 % bis 21 % .
Die Fasern können dabei zu einem Gewebe, Flies, Gewirr oder in einer sonstigen Weise zueinander orientiert sein. Die Verbindung zwischen den Fasern selbst ist ebenfalls hitze- und korrosionsbeständig ausgeführt, insbesondere sind die Fasern miteinander gesintert.
Zur Bildung eines Körpers ist die mindestes eine metallische Faserlage vorzugs- weise gestapelt, gewickelt, gewunden oder in einer sonstigen Weise angeordnet. Dabei können Körper mit nur einer metallischen Faserlage gebildet sein, es ist jedoch auch möglich, dass mehrere, gegebenenfalls unterschiedlich ausgeführte, metallische Faserlagen zu einem zusammenhängenden Faserband verbunden und/oder eine Mehrzahl solcher Faserlagen vorgesehen sind.
Die mindestens eine metallische Faserlage begrenzt dabei zumindest teilweise Strömungswege, stellt also wenigstens eine Wand bzw. einen Wandabschnitt des Strömungsweges dar. Die Strömungswege sind bevorzugt im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und insbesondere über deren gesamte Länge voneinan- der getrennt. Getrennt soll in diesem Zusammenhang nicht zwingend bedeuten, dass kein Gasaustausch zwischen benachbarten Strömungswegen möglich ist, vielmehr ist damit eine Waben-ähnliche Anordnung der Strömungswege gemeint.
Jeder dieser Strömungswege weist vorzugsweise an genau einer Stelle einen Stromungsbehinderer auf. Grundsätzlich wird vorgeschlagen, als Stelle den Eintrittsquerschnitt bzw. den Austrittsquerschnitt des Strömungsweges zu wählen. Alternativ oder in Kombination dazu kann es auch zweckmäßig sein, einen Stromungsbehinderer im Inneren des Strömungsweges, also zwischen dem Eintrittsund dem Austrittsquerschnitt, vorzusehen. Der Stromungsbehinderer ist bevorzugt so gestaltet, dass dieser einen größeren Widerstand im Hinblick auf das Durchströmen eines Fluidstromes darstellt gegenüber der (die Filterlage bildende) Fa- serlage als Begrenzung der Strömungswege. Damit ist auch gemeint, dass der Stromungsbehinderer mit einer größeren volumenspezifischen Dichte ausgeführt ist als die metallische Faserlage, insbesondere auch gasundurchlässig. Bei einer solchen Ausgestaltung des Körpers aus mindestens einer metallischen Faserlage, mit der eine Vielzahl von Kanälen bereitgestellt wird, könnte die Regeneration des Partikelfilters unter Umständen ein Problem darstellen. Die dichte Lage der Teilbereiche der Faserlage zueinander bzw. die gegebenenfalls darin gespeicherte Menge Ruß führt dazu, dass bei der Regeneration lokal begrenzte, extreme Temperaturspitzen beim Umwandeln des Rußes entstehen können. Dies kann zur Zerstörung des Aufbaus der Faserlage führen, insbesondere schmelzen Bestandteile der Faserlage und/oder die Verbindungen zwischen den Fasern werden zerstört. Um zu verhindern, dass sich Komponenten der Faserlage infolge dieser sogenannten „hot-spots" auflösen und damit gegebenenfalls andere Teilbe- reiche des Partikelfilters verstopfen oder dem Partikelfilter nachgeschaltete Komponenten der Abgasbehandlung zerstören, wird hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von ca. 400 bis 1.200 J/Km2 hat. Dabei sind die Angaben der flächenbezogenen Wärmekapazität auf Raumtemperatur bezogen. Bevorzugt weist die mindestens eine metallische Faserlage eine flächenbezogene Wärmekapazität von mehr als 750 J/Km2 bzw. sogar mehr als 1.000 J/Km2 auf. Es hat sich herausgestellt, dass gerade bei solchen, eine Vielzahl von Kanälen bzw. Strömungswegen aufweisenden Partikelfiltern die Bereitstellung der genannten flä- chenbezogenen Wärmekapazität verhindert wird, dass die metallische Faserlage (z. B. auch in innenliegenden, schlecht kühlbaren Teilbereichen des Partikelfilters) den im Abgassystem einer mobilen Verbremiungskraftmaschine auftretenden thermischen Wechselbeanspruchungen, auch den sogenannten „hot-spots", dauerhaft standhält.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters hat die Faserlage in wenigstens einem Abschnitt zumindest einen der folgenden Parameter: a) Faserdurchmesser: 20 μm bis 90 μm; b) Faserabstand: 5 μm bis 300 μm; c) Lagendicke: 0,2 mm bis 1,5 mm; d) Lagenflächengewicht: 250 g/m2 bis 2.000 g/m2; e) Lagenporosität: 30 % bis 90 %; f) Faseroberfläche pro 1 m2 Lagenoberfläche: 9 m2 bis 15 m2; g) Einzelfaserlänge: 5 μmbis 100 μm.
Betreffend den wenigstens einen „Abschnitt" ist festzuhalten, dass dieser bevor- zugt die gesamte Länge, Breite oder räumliche Ausdehnung der Faserlage umfasst, es ist jedoch auch möglich, dass dieser z.B. nur einen Teilbereich in axialer und/oder radialer Richtung der Faserlage beschreibt. Es ist unter Umständen auch zweckmäßig, dass die Faserlage mehrere solcher Abschnitte umfasst, wobei der Abschnitt nicht jedes Mal gleich ausgeführt sein muss, sondern die Dimensionie- rung variabel an die Bedingungen beispielsweise im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine angepasst sein kann.
Mit „Faserdurchmesser" ist der mittlere Durchmesser einer Faser der Faserlage gemeint. Der gemittelte Wert ergibt sich dabei nicht nur aus einer Mittelung aller Durchmesser einer einzelnen Faser, sondern bevorzugt stellt der Faserdurchmesser einen charakteristischen Wert für alle Fasern der Faserlage in dem wenigstens einen Abschnitt dar. Bevorzugt liegt der Faserdurchmesser in einem Bereich von 40 μm bis 70 μm (0,04 - 0,O7 mm).
Mit „Faserabstand" ist insbesondere der Abstand benachbarter Fasern der Faserlage gemeint, wobei hier vordergründig die größte Entfernung zueinander gemeint ist. Der Faserabstand stellt insbesondere einen Parameter zur Darstellung der Gasdurchlässigkeit bzw. der Dichte der Faserlage dar. Bevorzugt liegt dieser Faserabstand in einem Bereich von 20 μm bis 300 μm (0,02 - 0,3 mm). Mit „Lagendicke" ist die Dicke der mindestens einen metallischen Faserlage gemeint, insbesondere in Richtung der Durchströmungsrichtung des Abgases. Bevorzugt beträgt die Lagendicke 0,3 mm bis 0,5 mm. Das „Lagenflächengewicht", welches das Gewicht der metallischen Faserlage pro Einheitsfläche beschreibt, liegt bevorzugt in einem Bereich von 750 bis 1.500 Gramm pro Quadratmeter [g/m2].
Die Lagenporosität liegt bevorzugt zwischen 45 % und 60 %.
Die „Faseroberfläche" stellt in diesem Sinne die Oberfläche dar, die von den einzelnen Fasern miteinander gebildet wird. Im Gegensatz dazu ist mit „Lagenoberfläche" die Oberfläche (Einhüllende) der metallischen Faserlage selbst gemeint.
Unter „Einzelfaserlänge" wird die Länge der Faser verstanden, die überwiegend zur Herstellung der mindestens einen metallischen Faserlage eingesetzt wird. Die Einzelfaserlänge beträgt vorzugsweise 10 μm bis 30 μm (0,01 - 0,03 mm).
Weiter wird auch eine Ausgestaltung des Partikelfilters vorgeschlagen, bei dem die mindestens eine Faserlage so in dem Körper angeordnet ist, dass wenigstens einer der folgenden Parameter vorliegt: a) spezifische Lagenoberfläche: 0,15 m2/l bis 2,0 m2/l; b) Lagenentfernung: 0,5 mm bis 10 mm.
Unter einer „spezifischen Lagenoberfläche" ist die Lagenoberfläche zu verstehen, die sich in einem Volumen des Partikelfilters von 1 Liter [1] befindet. Damit ist eine Kenngröße gegeben, die als Maß für das gegebene Filtervolumen geeignet ist. Für den Fall, dass zum Aufbau des Partikelfilters glatte und gewellte metallische Faserlagen eingesetzt werden, können unterschiedliche Bereiche bevorzugt werden. So ist eine spezifische Lagenoberfläche zwischen 0,15 m2/l und 1,0 m2 l zum Beispiel dann bevorzugt, wenn nur die Glattlage aus einer metallischen Fa- serlage besteht. Sind allein die Welllagen mit einer metallischen Faserlage ausgeführt, so liegt die spezifische Lagenoberfläche im Bereich von 0,25 m2/l bis 1,0 m /l. Für den Fall, dass sowohl Welllagen als auch Glattlagen mit einer metallischen Faserlage ausgeführt sind, liegt die spezifische Lagenoberfläche vorteil- hafterweise zwischen 0,4 m2/l und 2,0 m2/l. Gerade im Hinblick auf den Einsatz bei Dieselfahrzeugen wird insbesondere ein Partikelfilter vorgeschlagen, der eine spezifische Lagenoberfläche von 0,5 m /l bis 0,9 m /l aufweist.
Mit „Lagenentfernung" ist der Abstand benachbart zueinander angeordneter Ab- schnitte bzw. Faserlagen selbst gemeint. Die Lagenentfernung beschreibt dabei die Entfernung, die im Bereich der größten Distanz benachbarter Faserlagen vorliegt. Dieser Wert der Lagenentfernung ist insbesondere zwischen den Lagenober- flächen, durch die der Gasstrom einströmt bzw. ausströmt, zu erfassen. Dieser Wert kann auch über die axiale Länge des Partikelfilters bzw. über die Länge der Strömungswege variieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters umfasst der Körper mindestens eine Stützstruktur, die wenigstens teilweise benachbart zueinander angeordnete Faserlagenbereiche voneinander beabstandet. Die Stützstruktur erfüllt somit wenigstens über einen Teilbereich die Funktion, dass ein direktes Aufeinanderliegen von benachbart zueinander angeordneten Faserlagenbereichen verhindert wird. Insbesondere dient diese Stützstxuktur zur Ausbildung von Kanälen bzw. Strömungswegen. Die Stützstruktur kann zwischen separaten Faserlagen als auch zwischen Faltungen, Windungen oder dergleichen einer einzelnen Faserlage angeordnet sein. Die Stützstruktur ist bevorzugt aus Metall und erstreckt sich über die gesamte Länge der gebildeten Strömungskanäle. Als Material für die Stützstruktur ist wiederum der Werkstoff aus Eisen- Aluminium-Chrom, wie er oben mit Beug auf die Fasern beschrieben wurde, bevorzugt. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass die mindestens eine Stützstruktur wenigstens eine der folgenden Komponenten, einzeln oder mehrfach, umfasst: Gitternetz, Blech, Draht, Streckmetall. Unter einem Gitternetz sind verschiedenste Anordnungen von Drahtgeweben, -geflechten, -wirrlagen etc. zu verstehen. Diese sind dabei bevorzugt gasdurchlässig mit Öffnungen, Durchbrüchen, etc. ausgestaltet. Es ist auch möglich, dass in diesen Öffnungen, Aussparungen, etc. weiteres Filtermaterial platziert ist. Die letztgenannte Variante trifft insbesondere bei der Ausgestaltung der Stützstruktur als Streckmetall auf. Es ist auch möglich, dass besonders strukturierte Bleche, etc. zwischen die Filterlagen bzw. Faserlagen gelegt sind. Die Bleche sind bevorzugt für einen Gasstrom undurch- dringbar, können aber falls erforderlich auch Öffnungen oder Strömungsleitflächen umfassen. Es ist auch möglich, besonders gestaltete Drähte zwischen den Faserlagenbereichen anzuordnen, die beispielsweise strukturiert oder aber glatt sind. Solche Drähte sind bevorzugt im Eingangsbereich oder im Ausgangsbereich der Strömungswege zu positionieren. Es ist auch möglich, dass mehrere solcher Drähte zu einem Drahtbündel angeordnet und zwischen den Faserlagenbereichen positioniert sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters sind die Komponenten des Körpers zumindest bereichsweise miteinander und/oder mit dem Mantel fügetechnisch verbunden. Mit Komponenten des Körpers sind insbesondere die Faserlagen und die Stützstrukturen gemeint. Die fügetechnischen Verbindungen sind dabei bevorzugt in folgenden Bereichen angeordnet: Stirnflächen des Partikelfil- ters (auf die das Abgas auftrifft bzw. aus der das Abgas austritt), nahe den Struk- turmaxima von Stützstrukturen, im Kontaktbereich von Faserlage und Stützstruktur, zwischen zwei Faserlagen. Dabei ist die fügetechnische Verbindung bevorzugt als Diffusions-, Schweiß- und/oder Lötverbindung ausgeführt. Bezüglich der Verbindung der Komponenten mit dem Mantel ist bevorzugt, dass alle Enden der Faserlagen und/oder der Stützstrul turen mit dem Mantel jeweils eine fügetechnische Verbindung im obigen Sinne eingehen. Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der mindestens eine Stromungsbehinderer Teil der mindestens einen Stützstraktur ist, wobei dieser zumindest einen Strömungsweg an mindestens einer Stelle verschließt. Das bedeutet, dass die Stütz- Struktur beispielsweise umgefalzt wird, Flügel bildet, einen Kragen gestaltet, etc. und sich so direkt an mindestens eine benachbarte metallische Faserlage anschmiegt. Dazu ist der Stromungsbehinderer vorzugsweise im wesentlichen gasdicht ausgeführt, so dass kein Gasstrom ihn durchdringen kann (zumindest bei Bedingungen wie sie in Abgasanlagen von Automobilen auftreten). Bevorzugt ist dabei die Ausgestaltung der Stützstraktur als Blech, welches um eine Kante der benachbarten metallischen Faserlage umgreift.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat der mindestens eine Stromungsbehinderer eine sich zumindest teilweise an den Verlauf der mindestens einen Faserlage anschmiegende Gestalt, wobei er einen Teil der Strömungswege zumindest nahe einer Einströmseite oder einer Ausströmseite des Körpers verschließt. In diesem Fall ist der Stromungsbehinderer als separates Bauteil ausgeführt, wobei dieser so angeordnet ist, dass er zumindest einen Teil der Strömungswege verschließt. Bei der hier beschriebenen Ausgestaltung des Partikelfilters wird davon ausgegangen, dass die Faserlagen geschichtet, gewunden oder gewickelt angeordnet sind. Das heißt, dass deren Stirnflächen einen spiraligen, gradlinigen, einen S-förmigen oder einen ähnlichen Verlauf beschreiben. Da die Faserlagen zumindest teilweise Strömungswege begrenzen, die sich an deren Oberfläche anschmiegen, können die Strömungswege, die sich nahe einer einzelnen Faserlage befinden, mit einem einzelnen Stromungsbehinderer verschlossen werden. Dazu folgt der Stromungsbehinderer im wesentlichen dem Verlauf der mindestens einen Faserlage. Da hier bevorzugt Partikelfilter nach dem „geschlossenen" System beschrieben werden, werden die wechselseitig verschlossenen Kanäle bzw. Strömungswege dadurch bewirkt, dass in jeweils eine erste Anzahl Stromungsbehinderer an der Einström- seite eine gewisse Anzahl von Strömungswegen verschließen, während eine zweite Anzahl Stromungsbehinderer auf der Ausströmseite die restlichen Strömungs- wege verschließen. Als Stromungsbehinderer wird bevorzugt ein Draht bzw. eine schnurähnliche, im wesentlichen gasdichte, Ausgestaltung bevorzugt.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass der mindestens eine Stromungsbehinderer eine Vorrichtung zur Regeneration des Partikelfilters umfasst und/oder zur Bestimmung wenigstens einem der folgenden Parametern geeignet ist: Temperatur, Bestandteile des Gasstromes. Bei der hier beschriebenen Ausgestaltung des Partikelfilters hat der Stromungsbehinderer neben der Funktion des Abdichtens von Strömungswegen eine zusätzliche Funktion, nämlich bei- spielsweise die Initiierung einer Regeneration des Partikelfilters oder die Bestimmung von Messwerten. Im Hinblick auf die Regeneration des Partikelfilters kann der Stromungsbehinderer beispielsweise als Heizdraht ausgeführt sein, wobei dieser von einem Strom durchfliessbar ist und aufgrund von einer Widerstandserwärmung die für die thermische Regeneration erforderliche Wärme in dem Parti- kelfilter abführt. Es ist auch möglich, dass der Stromungsbehinderer selbst als Sensor oder dergleichen gestaltet ist. Für diesen Fall, dient dieser beispielsweise als Temperaturmessfühler oder aber als Sensor zur Feststellung von Gasbestandteilen des Abgasstroms (z.B. Sauerstoff, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, etc).
Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters hat der Körper ein Gesamtvolumen, dass im Bereich von 0,5 bis 3,0 Liter [1] liegt pro 1,0 Liter [1] Hubraum der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine. Mit Gesamtvolumen ist in diesem Zusammenhang das Volumen des Körpers gemeint, inklusive der metallischen Faserlagen, der Stützstrukturen, der Stromungsbehinderer, etc. und den Raum, welchen die Strömungswege umfassen. Begrenzt wird das Gesamtvolumen des Körpers in der Regel durch die Einströmseite und die Ausströmseite des Körpers sowie durch die Innenfläche des Mantels. Der bevorzugte Bereich des Gesamtvolumens liegt bei 1,0 bis 1,5 1/1,5 pro Liter Hubraum. Mit Hubraum ist der in der Verbrennungskraftmaschine insgesamt zur Verfügung stehende Brenn- räum gemeint, der auch üblicherweise zur Bezeichnung der Größe der Verbrennungskraftmaschine herangezogen wird. Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der Körper als Wäbenkörper mit einer Vielzahl von Kanälen ausgeführt ist, und eine Kanaldichte pro Querschnittsfläche durch den Körper gegeben ist, die im Bereich von 100 cpsi bis 400 cpsi liegt. An dieser Stelle sein zunächst noch einmal klarstellend darauf hingewiesen, dass die Kanäle sowohl durch die Oberflächen der mindestens einen Faserlage sowie gegebenenfalls durch die Oberfläche der mindestens einen Stützstruktur begrenzt werden. Die Kanaldichte wird in „cpsi" angegeben, was für „cells per Square inch" (Kanäle pro Quadratzoll) steht.
Gemäß einer Weiterbildung des Partikelfilters weist der Körper eine Mehrzahl von Faserlagen auf, die wechselweise an den gegenüberliegenden Einström- und Ausströmseiten miteinander verbunden sind, um Sfrömungsbehinderer und Taschen zu bilden. Zwischen den Faserlagen ist jeweils eine Sratzstruktur mit einer Minimalhöhe und einer Maximalhöhe vorgesehen, wobei diese in alternierender (abwechselnder) Orientierung in benachbarten Taschen angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass die S tzstrul turen sich erweiternde Strömungswege zwischen den Faserlagen bilden, wobei sich ein Strömungsweg, in dem sich eine Stützstruktur mit der Maximalhöhe befindet, benachbart zu einem Strömungsweg befindet, in dem sich die Stützstraktur mit einer Minimalhöhe befindet. Bevorzugt sind die Stromungsbehinderer nahe einem Bereich des Körpers positioniert, in denen die Smtzstruktur ihre Minimalhöhe aufweist, die benachbarten Faserlagen also möglichst dicht zueinander liegen. Die Vorsehung derartiger Stützstrukturen führt bei Betrachtung eines imaginären Querschnitts durch den Partikelfiltern zu einer Ausbildung von V-förmigen Taschen, wobei die Öfrhung des V alternierend hin zur Einström- oder Ausströmseite weist. Eine solche Ausgestaltung des Partikelfilters ist besonders bevorzugt im Hinblick auf den dabei erzeugten Staudruck sowie eine einfache fügetechnische Verbindung von Faserlagen und Slützstruktur. Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass nicht nur einzelne Stützstrukturen, sondern auch Gruppen umfassend eine (variable) Mehrzahl von gleichartig ausgerichteten Stützstrakturen alternierend angeordnet sein können. Weiter wird auch vorgeschlagen, dass der Körper in Richtung einer Achse Segmente unterschiedlicher bzw. kombinierter Funktion aufweist. Diese Segmente, stellen für einen Abgasstrom hintereinander zu durchströmende Teilbereiche des Partikelfilters dar, wobei jeweils eine unterschiedliche Wirkung auf die im Abgas enthaltenen Komponenten erzielt werden soll. Beispiele für derartige Funktionen sind die Aschefilterung, die Rußfilterung, die Oxidation, das Aufheizen, die Speicherung von Abgasbestandteilen, die Entwässerung von Gasströmen, etc. In diesen Segmenten können sowohl die metallischen Faserlagen als auch die Stütz- Strukturen und/oder die Stromungsbehinderer auf die Funktion abgestimmt ausgestaltet sein, insbesondere mit Parametern, die sich von denen in anderen Segmenten unterscheiden. Auch ist es beispielsweise möglich, dass in einem solchen Partikelfilter ein Segment gegeben ist, in dem bevorzugt eine Durchmischung von in den Strömungswegen befindlichen Teilgasströmungen bewirkt werden soll. Hierzu können gegebenenfalls zusätzliche Stromungsbehinderer und/oder Öffnungen in den Wänden der Strömungswege vorgesehen sein, um eine Durchmischung von Teilgasströmen zu erzielen.
So ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfϊlters vorteilhaft, dass der Körper mindestens eine innenliegende Begrenzung umfasst, die durch zueinander ausgerichtete Stromungsbehinderer definiert wird. Dementsprechend ist es beispielsweise von Vorteil, dass bei unterschiedlichen Ausgestaltungen der metallischen Faserlage in verschiedenen Segmenten jeweils der Kontakt mit dem gesamten Abgasstrom gewährleistet sein soll. Zu diesem Zweck ist es möglich, am stromabwärts liegenden Ende eines solchen Segments eine Begrenzung durch Stromungsbehinderer vorzusehen, die ein Durchströmen der Faserlage in diesem Segment erzwingen. Die Stromungsbehinderer sind dabei bevorzugt Teile der Stützstruktur und/oder Teile der metallischen Faserlage selbst. Gerade für den Fall, dass die Stromungsbehinderer eine Begrenzung der oben genannten Segmen- te bilden ist es vorteilhaft, dass diese im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters ist der Körper über wenigstens eine ihn umgebende Manschette mit dem Mantel verbunden. Bei Partikelfiltern, die aus unterschiedlichen Komponenten (bezüglich Werkstoff, Materi- alstärken, etc.) aufgebaut sind, spielt das thermische Ausdehnungsverhalten stets eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit in Abgassystemen von Verbrennungskraftmaschinen. Hinzu kommt, dass der Partikelfilter während der Regeneration einer extremen Thermoschock-Belastung ausgesetzt ist. Hier liegen einerseits die bevorzugt relativ dünnwandig ausgebildeten Stützstrukturen vor, ebenso wie die etwas dickeren, dafür aber weniger dichten metallischen Faserlagen und der massiv, beispielsweise mit einer Stärke von 1 mm oder mehr, ausgebildete Mantel. All diese Komponenten stellen eine unterschiedliche Wärmekapazität dar, die gerade beim Erwännen bzw. Abkühlen des Partikelfilters zu einem unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten führen. Aufgrund der Tatsache, dass hier dennoch eine fügetechnische Verbindung der Komponenten gewährleistet sein soll, kann dies zu erheblichen thermischen Spannungen an den Fügestellen führen, die gegebenenfalls zur Zerstörung der Komponenten bzw. der Verbindung zwischen den Komponenten führt.
Zur Vermeidung wird diesbezüglich eine Manschette vorgeschlagen, die um den Körper herum angeordnet und auf der einen Seite mit dem Körper und auf der anderen Seite mit dem Mantel (in einem sehr schmalen, bandförmigen Bereich) verbunden ist. Bevorzugt ist diese Manschette zentrisch angeordnet und erstreckt sich nur übqr einen kleinen Bereich der Mantelfläche des Körpers. Das bedeutet, dass der Körper über einen großen Teil seiner Umfangsfläche nicht mit dem Mantel fest verbunden ist, sich also von diesem unabhängig ausdehnen oder sclrrurnp- fen kann. Damit wird für den Körper eine größtmögliche axiale und radiale Dehnungsfreiheit gewährleistet. Die Manschette ist zudem in Umfangsrichtung strukturiert ausgebildet, um auf diese Weise auch eine unterschiedliche Ausdehnung in Umfangsrichtung zu ermöglichen. Beispiele für solche Manschetten, gehen insbesondere aus der WO 03/008774 AI hervor, wobei die dortige Beschreibung hier zur Ergänzung herangezogen werden kann. Im hier vorliegenden Fall ist die Manschette bzw. der Partikelfilter vorteilhafterweise zusätzlich mit Dichtmitteln ausgeführt, um ein Vorbeiströmen von Abgas am Körper zu verhindern. Diese Dichtung kann Teil der Manschette selbst sein, es ist aber auch möglich, dass diese an anderen Stellen, vorzugsweise zwischen Körper und Mantel, angeordnet ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist der Körper zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung kann im Hinblick auf die Funktion unterschiedlicher Natur sein und auf den Fasern, der Stützstruktur und/oder weiteren Komponenten des Partikelfilters angebracht sein. Bevorzugt ist dabei beispielsweise eine Platin-Oxidbeschichtung, wobei 40 bis 120 Gramm pro Liter [g/1] Washcoat (Zeolith) vorgesehen sind und die Edelmetall-Beladung bei 20 bis 100 Gramm pro Kubikfuss [g/Ft3] liegt. Als weitere bevorzugte Beschichtung weist der Partikelfilter zumindest in einem Teilbereich eine Stickoxid- Adsorptions-Beschichtung auf, wobei 150 bis 300 g/1 Washcoat vorgesehen sind, die mit einer Edelmetall-Beladung von 20 bis 100 g/Ft3 ausgeführt ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Partikelfilters, bei der die Strömungsbegrenzer nahe einer Einströmseite und einer Ausströmseite des Körpers angeordnet und zwischen mehreren Faserlagen jeweils Stützstrakturen vorgesehen sind, wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Faserlagen einen Verbindungsabschnitt hat, um eine fügetechnische Verbindung mit dem mindestens einen Strömungsbehiinderer und/oder einen Stützstraktur auszubilden. Damit ist insbesondere gemeint, dass die metallische Faserlage so gestaltet ist, dass eine Lötverbindung zu benachbarten Komponenten möglich ist. Hierzu bietet sich z.B. ein Füllwerkstoff für die Hohlräume in der Faserlage als auch eine besondere Verdichtung der Fasern in der metallischen Faserlage selbst an. Eine Verdichtung dieses Verbindungsabschnittes kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Faserlage in Teilbereichen umgeschlagen und zusammengepresst wird. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass der Verbindungsabschnitt einen Abschnitt der Faserlage mit von restlichen Bereichen verschiedenen Parametern oder eine angefügte Einzelkomponente ist. Das bedeutet, dass beispielsweise einer der eingangs beschriebenen Parametern (Faserdurchmesser, mittlerer Faserabstand, Lagendicke, Lagenflächengewicht, Lagenporosität, Einzelfaserlänge, etc.) so abgeändert wird, dass hier eine Lötbarkeit des Fasermaterials erzielt wird. Es ist beispielsweise auch möglich, dass dieser Verbindungsbereich durch zusätzlich angefügte, insbesondere verlötbare, Einzelkomponenten gebildet wird, wie beispielsweise Blechabschnitte oder ähnliches.
Die Erfindung sowie deren technisches Umfeld wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Dabei ist festzuhalten, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht auf diese begrenzt ist. Es zeigen:
Fig. 1 : schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters,
Fig. 2: eine Detailansicht in perspektivischer Darstellung von Faserlagen und Stützstrukturen,
Fig. 3: eine weitere Detailansicht im Schnitt, wo perspektivisch die Strömungswege zwischen Stützstruktur und Faserlage dargestellt sind,
Fig. 4: eine weitere Detailansicht der metallischen Faserlage,
Fig. 5: einen Halbschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters, Fig. 6: eine weitere Detailansicht einer Anordnung von metallischer Faserlage und Stützstruktur bei der Ausbildung eines Strömungsbehinderers, und
Fig. 7: schematisch eine Abgasanlage einer mobilen Verbrermungslαafcmaschine. Fig. 1 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Darstellung eine erste Aus- führungsform eines Partikelfilters 1 umfassend einen Mantel 2 und einen Körper 3. Der Körper 3 ist mit einer Mehrzahl metallischer Faserlagen 4 gebildet, die hier S-förmig um zwei Wickelpunkte 45 gewunden angeordnet sind. Der Körper 3 ist als Wabenkörper 27 ausgebildet und weist eine Vielzahl von Kanälen 28 auf. Die Kanäle 28 erstrecken sich ausgehend von einer Einströmseite 19 im wesentlichen parallel bis hin zu einer Ausströmseite 20 des Körpers 3. Dabei ist die Strömungsrichtung 48 mit einem Pfeil gekennzeichnet. Jm Bereich der Einströmseite 19 sind mehrere Stromungsbehinderer 6 dargestellt, die im wesentlichen dem S-förmigen Verlauf der Anordnung der metallischen Faserlagen 4 folgen. Diese verschließen auf der Einströmseite 19 die Hälfte der Kanäle 28, während der andere Teil der Kanäle 28 auf der Ausströmseite 20 ebenfalls durch Stromungsbehinderer 6 verschlossen ist (nicht dargestellt).
Der Mantel 2, der hier als Zylinderrohr ausgeführt ist, steht dem Körper 3 an beiden Seiten 19, 20 über. Nahe der Einströmseite 19 ist ein Additiverzeuger 21 vorgesehen, wobei dieser als Sprühdüse für beispielsweise Ammoniak oder Kohlen- wasserstoff-enthaltenden Brennstoff ausgeführt ist.
Die fügetechnische Verbindung des Wabenkörpers 27 mit dem Gehäuse bzw. Mantel 2 erfolgt über eine Manschette 36, die am Umfang des Körpers 3 vorgesehen ist. Die Manschette 36 ist als Wellband ausgeführt und weist eine geringere Breite 50 auf, als der Wabenkörper 27 eine Länge 49 hat. Die Manschette 36 ist einerseits mit allen Blechenden 47 des Wabenkörpers 27 sowie auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Mantel 2 verbunden. Auf diese Weise wird insbesondere in Richtung des Radius 51 eine Ausgleichsmöglichkeit für unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten geschaffen.
Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung einer Ausf hrungsform des Partikelfilters mit Taschen 30, die durch St tzstrukturen 40 zwischen metallischen Faserlagen 4 gebil- det werden. In Richtung eines Radius 51 sind dabei abwechselnd jeweils eine metallische Faserlage 4 und eine Stützstraktur 14 angeordnet. Dabei begrenzen ein Abschnitt 7 der Faserlage 4 und die als Wellblech ausgeführte Stützstraktur 14 gemeinsam Strömungswege 5. Die Stützstruktur 14 weist auf der einen Stirnseite eine relativ große Wellstruktur auf, währenddessen sie auf der gegenüberliegenden Stirnseite eine sehr kleine Amplitude ausbildet. Nahe der kleinen Amplitude der Wellung der Stützstruktur 14 ist wieder ein Stromungsbehinderer 6 vorgesehen, der die Strömungswege 5 verschließt. Die Stützstrukturen 14 sind alternierend zueinander angeordnet, so dass hier in der Schnittdarstellung jede zweite metallische Faserlage 4 zueinander im wesentlichen parallel verläuft. Dies muss jedoch nicht der Fall sein, gerade wenn die Stützstrukuren 14 in benachbarten Taschen 30 nicht gleichartig gestaltet sind. Der Abgasstrom wird beispielsweise durch den Strömungsweg 5 bzw. den Kanal 28 in innere Bereiche des Partikelfilters geführt und durch den Stromungsbehinderer 6 bzw. einen als Strömungsbe- hinderer ausgeführten Draht 17 dazu gezwungen, die metallische Faserlage 4 wenigstens einmal zu durchdringen, um auf der gegenüberliegenden Stirnseite austreten zu können.
Fig. 3 zeigt eine weitere Detailansicht eines Stapels von metallischen Faserlagen 4 und Stützstrakturen, die hier als Blech 16 ausgeführt sind. Die dargestellten Faserlagen 4 weisen eine Lagendicke im Bereich kleiner 1 mm auf. Durch die zwischen den Faserlagen 4 angeordnete gewellte Blechlage 16 sind wiederum Strömungswege 5 gebildet, die ein Einströmen des Abgases entlang der Strömungsrichtung 48 ermöglichen. In dem Strömungsweg 5 ist ein Stromungsbehinderer 6 ausgebil- det, der eine Umlenkung des in den Strömungsweg 5 eingetretenen Teilgasstromes durch die benachbart angeordnete Faserlage 4 hindurch erzwingt. Dieser Teilgasstrom wird in einen benachbarten Kanal bzw. Strömungsweg 5 geleitet und kann auf diese Weise in Strömungsrichtung 48 wieder aus dem Partikelfilter austreten. Der Stromungsbehinderer 6 ist als Ausstülpung bzw. Leitfläche 41 des Blechs 16 gebildet. Zum Verschließen eines Teiles der Kanäle weisen die Faserlagen 4 einen Verbindungsabschnitt 38 auf, wobei dieser bei der oben dargestell- ten Variante als verdichtete Faserlage 4 ausgebildet ist, während er in der unten dargestellten Variante als eine Einzelkomponente 39 ausgeführt ist (z. B. ein Stück Blechfolie). Zwischen den benachbarten Verbindungsabschnitten 38 ist wiederum ein Stromungsbehinderer 6 ausgebildet, der hier ein separates Bauteil ist, beispielsweise eine Dichtschnur.
Fig. 4 zeigt in einem Detail einen Teilbereich der metallischen Faserlage 4 aus Fig. 3, wie gekennzeichnet. Daraus lassen sich ein paar der vorstehend genannten Parameter zur Beschreibung der Faserlage 4 erkennen, insbesondere der Faser- durchmesser 8, der Faserabstand 9, die Faseroberfläche 11, die Lagenoberfläche 12 sowie die Einzelfaserlänge 13. Der Raum zwischen den Fasern kann mit Luft und/oder zumindest teilweise mit zusätzlichen Materialien gefüllt sein. Diese zusätzlichen Materialien umfassen beispielsweise Beschichtungen.
Fig. 5 zeigt in einem Halbschnitt eine weitere Ausführangsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters 1. Der Körper 3 weist dabei eine Mehrzahl von metallischen Faserlagen 4 auf, die wechselweise an der gegenüberliegenden Einströmseite 19 und der Ausströmseite 20 über Stromungsbehinderer 6 bzw. einen Heizdraht 22 und einen Draht 17 verschlossen sind. In diesem Fall ist nicht nur der dichten- de Draht 17 zur Erzeugung einer thermischen Regeneration als Heizdraht 22 ausgebildet, zusätzlich befinden sich zwischen dem Mantel 2 und dem Körper 3 am Umfang des Körpers 3 weitere Heizdrähte 22 zur rnitiierang einer Regenration. Die Faserlagen 4 bilden zusammen mit den Strömungsbehinderem 6 Strömungswege 5, die im wesentlichen wie Taschen 30 ausgebildet sind. In diesen Taschen 30 sind jeweils Stützstrukturen 14 vorgesehen, die eine Minimalhöhe 31 und eine Maximalhöhe 32 aufweisen und in alternierender Weise in benachbarten Taschen 30 angeordnet sind. Die Stützstrakturen sind hier als Gitter 15 bzw. Streckmetall 18 ausgeführt.
Der Körper 3 weist in Richtung einer Achse 33 ein vorgelagertes Segment 34 auf, welches beispielsweise mit einer oxidierend wirkenden Beschichtung 37 versehen ist. Um zu gewährleisten, dass die beschichteten Faserlagen 4 von dem anströmenden Abgasstrom wenigstens einmal durchdrungen werden, hat der Körper 3 eine innenliegende Begrenzung 35, die durch in der Stützstraktur 14 ausgebildete Stromungsbehinderer 6 gebildet sind.
Zusätzlich ist der Partikelfilter 1 mit einem Messfühler 23 ausgeführt, der die Funktionalität des Partikelfϊlters 1 überwacht. Die mit dem Messfühler 23 gewonnenen Informationen können an eine Auswerteeinheit 40 übergeben werden, die beispielsweise eine Regeneration auslösen kann.
Figur 6 zeigt eine Ausgestaltung eines Strömungsbehinderers 6 nahe einer Einströmseite bzw. einer Ausströmseite des Partikelfilters 1 im Detail. Hierzu sind die metallischen Faserlagen 4 länger als die Stützstraktur 14 ausgeführt, so dass sie die Stützstraktur 14 überragen und einander berühren. Die Faserlagen 4 sind in diesem Verbindungsabschnitt 38 so gestaltet, dass diese eine fügetechnische Verbindung miteinander gewährleisten. Hier ist skizzenhaft dargestellt, dass die beiden benachbart zueinander angeordneten Faserlagen 4 mittels des Verfahrens Rollnahtschweißen miteinander verbunden werden und so einen Stromungsbehinderer 6 bilden.
Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau einer Abgasanlage einer Verbrennungs- l aftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors in einem PKW. Dargestellt ist eine Verbrennungskraftmaschine 26, die durch den Hubraum 25 charakterisierbar ist. Das im Hubraum 25 erzeugte Abgas strömt über eine Abgasleitung 43 in Strömungsrichtung 48 hin zur Umgebung. Zur Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe wird das Abgas zunächst einem Oxidationskatalysator 42, dann einem erfindungsgernäßen Partikelfilter 1 mit einem auf den Hubraum 25 ange- passten Gesamtvolumen 24 und schließlich einem Drei- Wege-Katalysator 44 zugeführt. Somit kann beispielsweise auch eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters 1 durchgeführt werden. Der hierin beschriebene Partikelfilter stellt eine vorteilhafte Lösung für die eingangs genannten technischen Probleme und Anforderungen dar. Durch den Einsatz einer metallischen Faserlage ist eine an den Einsatzzweck leicht anpassbare Herstellung des Partikelfilters möglich, außerdem erlaubt die gegebene Wärme- leitfähigkeit der metallischen Faserlage sowie deren bereitgestellte spezifische Wärmekapazität den dauerhaften Einsatz in Abgasanlagen von Automobilen, selbst wenn sehr häufig Regenerationen durchgeführt werden, bei denen sich gelegentlich sogenannte „hot-spots" bilden.
Bezugszeichenliste
Partikelfilter Mantel Körper Faserlage Strömungsweg Stromungsbehinderer Abschnitt Faserdurchmesser Faserabstand Lagendicke
Faseroberfläche
Lagenoberfläche
Einzelfaserlänge
Stützstruktur
Gitter
Blech
Draht
Streckmetall
Einströmseite
Ausströmseite
Additiverzeuger
Heizdraht
Messfühler
Gesamtvolumen
Hubraum
Verbrermungskraftmaschine
Wabenkörper
Kanal
Querschnittsfläche Tasche
Minimalhöhe Maximalhöhe
Achse Segment
Begrenzung
Manschette
Beschichtung
Verbindungsabschnitt
Einzelkomponente
Auswerteeinheit
Leitfläche
Oxidationskatalysator
Abgasleitung
Dreiwegekatalysator
Wickelpunkt
Dichtmittel
Blechende
Strömungsrichtung
Länge
Breite
Radius

Claims

Patentansprüche
1. Partikelfilter (1) aus einen Mantel (2) und wenigstens einem Körper (3), der mindestens eine metallische Faserlage (4) umfasst, wobei diese so angeordnet ist, das eine Vielzahl räumlich getrennte Strömungswege (5) durch den Körper (3) gebildet sind, die jeweils zumindest an einer Stelle einen Stromungsbehinderer (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Faserlage (4) eine flächenbezogene Wärmekapazität im Bereich von 400 - 1200 Joule pro Kelvin und Quadratmeter [J/Km2] hat.
2. Partikelfilter (1) nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faserlage (4) in wenigstens einem Abschnitt (7) zumindest einem der folgenden Parametern hat: a) Faserdurchmesser (8): 20 μm bis 90 μm; b) Faserabstand (9): 5 μm bis 300 μm; c) Lagendicke (10): 0,2 mm bis 1,5 mm; d) Lagenflächengewicht: 250 g/m2 bis 2000 g/m2; e) Lagenporosität: 30 % bis 90 %; f) Faseroberfläche (11) pro 11 m m22 LLaaggeennoobbeerrflflääcchhee ((11.2): 9 m bis 15 m g) Einzelfaserlänge (13): 5 μm bis 100 μm;
3. Partikelfilter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faserlage (4) so in dem Körper (3) angeordnet ist, dass we- nigstens einer der folgenden Parameter vorliegt: a) spezifische Lagenoberfläche (12): 0,15 m2/l bis 2,0 m2/l; b) Lagenentfemung (39): 0,5 mm bis 10 mm.
4. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Körper (3) mindestens eine Smtzstrul tur (14) umfasst, die wenigstens teilweise benachbart zueinander angeordnete Faserlagenbereiche voneinander beabstandet.
5. Partikelfilter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes- tens eine Stützstruktur (14) wenigstens eine der folgenden Komponenten, einzeln oder mehrfach, umfasst: - Gitternetz (15), - Blech (16), - Draht (17), - Streckmetall (18).
6. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Körpers (3) zumindest bereichsweise miteinander und/oder mit dem Mantel (2) fügetechnisch verbunden sind.
7. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stromungsbehinderer (6) Teil der mindestens einen Stützstruktur (14) ist, wobei dieser zumindest einen Strömungsweg (5) an mindestens einer Stelle verschließt.
8. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stromungsbehinderer (6) eine sich zumindest teilweise an den Verlauf der mindestens einen Faserlage (4) anschmiegende Gestalt hat und einen Teil der Strömungswege (5) zumindest nahe einer Einströmseite (19) oder einer Ausströmseite (20) des Körpers (3) verschließt.
9. Partikelfilter (1) nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stromungsbehinderer (6) eine Vorrichtung (21, 22; 23) zur Regeneration des Partikelfilters umfasst und/oder zur Bestimmung wenigstens einem der folgenden Parameter geeignet ist: Temperatur, Bestandteile des Gasstromes.
10. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) ein Gesamtvolumen (24) hat, dass im Bereich von 0,5 bis 3,0 Litern pro 1,0 Liter Hubraum (25) der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine (26) liegt.
11. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) als Wabenkörper (27) mit einer Vielzahl von Kanälen (28) ausgeführt ist, und eine Kanaldichte pro Querschnittsfläche (29) durch den Körper (3) gegeben ist, die im Bereich von 100 cpsi bis 400 cpsi liegt.
12. Partikelfϊlter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) eine Mehrzahl von Faserlagen (4) aufweist, die wechselweise an den gegenüberliegenden Einström- (19) und Ausströmseite (20) miteinander verbunden sind, um Stromungsbehinderer (6) und Taschen (30) zu bilden, und zwischen den Faserlagen (4) jeweils eine Stützstraktur (14) mit einer Minimalhöhe (31) und einer Maximalhöhe (32) vorgesehen ist, wobei diese in alternierender Orientierung in benachbarten Taschen (30) angeordnet sind.
13. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) in Richtung einer Achse (33) Segmente (34) unterschiedlicher bzw. kombinierter Funktion aufweist.
14. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) mindestens eine innenliegende Begrenzung (35) umfasst, die durch zueinander ausgerichtete Stromungsbehinderer (6) definiert wird.
15. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) über wenigstens eine ihn umgebenden Manschette (36) mit dem Mantel (2) verbunden ist.
16. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (3) zumindest teilweise mit einer Beschichtung (37) versehen ist.
17. Partikelfilter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Strö- mungsbegrenzer (6) nahe einer Einströmseite (19) oder einer Ausströmseite (20) des Körpers (3) angeordnet und zwischen mehreren Faserlagen (4) Stützstrakturen (14) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Faserlagen (4) einen Verbindungsabschnitt (38) hat, um eine fügetechnische Verbindung mit dem mindestens einen Stromungsbehinderer (6) und/oder einer Stützstruktur (14) auszubilden.
18. Partikelfilter (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (38) einen Abschnitt der Faserlage (4) mit von restlichen Bereichen verschiedenen Parametern oder eine angefügte Einzelkomponente (39) ist.
PCT/EP2004/014650 2004-01-09 2004-12-23 Partikelfilter umfassend eine metallische faserlage WO2005066469A1 (de)

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