WO2005113952A1 - Filtereinrichtung, insbesondere für ein abgassystem einer brennkraftmaschine, sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Filtereinrichtung, insbesondere für ein abgassystem einer brennkraftmaschine, sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2005113952A1
WO2005113952A1 PCT/EP2005/050996 EP2005050996W WO2005113952A1 WO 2005113952 A1 WO2005113952 A1 WO 2005113952A1 EP 2005050996 W EP2005050996 W EP 2005050996W WO 2005113952 A1 WO2005113952 A1 WO 2005113952A1
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WO
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filter
filter structure
dividing bodies
filter device
dividing
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PCT/EP2005/050996
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Inventor
Bernd Reinsch
Lars Thuener
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/10—Particle separators, e.g. dust precipitators, using filter plates, sheets or pads having plane surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0001—Making filtering elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2275/30—Porosity of filtering material
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2279/00—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses
    • B01D2279/30—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses for treatment of exhaust gases from IC Engines

Definitions

  • Filter device in particular for an exhaust system of an internal combustion engine, and method for its production
  • the invention initially relates to a filter device, in particular for an exhaust gas system of an internal combustion engine, with an open-pore filter structure, on the upstream surface of which particles filtered out are separated.
  • the present invention is also a * 'method for making such a filter device.
  • an exhaust gas purification system of a diesel engine which has a particle filter in the exhaust system, with which soot particles can be filtered out of the exhaust gas flow.
  • the particle filter proposed there can be designed as a surface filter.
  • the soot particles are deposited on the upstream surface of an open-pore filter structure.
  • a surface filter which has a plurality has elongated filter bags with a triangular cross section.
  • the filter bags have filter walls which are made of sintered metal and represent an open-pore filter structure. It is also known to manufacture the filter bag by first forming a metal mesh or expanded metal, the meshes of which are filled, for example, by metal powder, sintering, stamping, forming or welding.
  • the object of the present invention is to improve the so-called "exhaust gas back pressure behavior" of the filter device mentioned at the beginning.
  • the exhaust gas back pressure is understood to mean the pressure drop or the flow resistance of the flowing exhaust gas across the filter device.
  • the aim is that the exhaust gas back pressure is as low as possible. A low exhaust gas back pressure enables a higher performance of the internal combustion engine with the same fuel consumption or a lower fuel consumption with the same performance.
  • the effective diameter of particularly large pores can be significantly reduced. This prevents soot particles from penetrating into these large pores and clogging them during operation of the filter device, in particular at the start of commissioning.
  • the The inventive measure thus ensures that soot particles are largely separated only on the surface of the filter structure, but not within the filter structure. This in turn ensures that the exhaust gas back pressure rises less strongly during operation of the filter device according to the invention than in the case of a conventional filter device.
  • the filter device according to the invention thus enables a higher output of an internal combustion engine equipped with it for the same fuel consumption or a lower fuel consumption for the same output.
  • the filter device according to the invention a very simple adaptation of the effective pore size distribution to different applications is possible.
  • the pore size distribution in filter devices with an uncoated filter structure can be set differently than in those with a coated filter structure.
  • the coating of the filter structure can comprise, for example, a catalytic material which is used for the regeneration of the filter device.
  • the advantages according to the invention are particularly striking immediately after the filter device has been started up or immediately after the filter device has been regenerated: in the filter device according to the invention, the so-called "depth filtration effect" is significantly reduced, under which an initial backpressure increase with the lowest soot loading due to the storage of soot particles within the filter structure or the filter wall is understood.
  • the dividing bodies have a spherical, ellipsoidal, angular, needle-like, plate-like and / or branched shape.
  • Such geometries for the dividing bodies can be produced simply and inexpensively using conventional manufacturing methods.
  • Common pore shapes can be covered with the specified geometries.
  • the proposed dividing bodies cant reliably within the pores and thus lead to a smaller effective pore size without clogging the pore itself, for example by "caking" there.
  • Another particularly advantageous embodiment of the filter device according to the invention is characterized in that a mixture of dividing bodies with different shapes and / or structures is present in the filter structure. This permits the reliable filling of a filter structure whose pores, whose effective diameter is to be reduced, are shaped differently.
  • the filter device in which the size distribution of the dividing bodies in the filter structure is mono- or polymodal has a similar effect.
  • a monomodal size distribution means that the size distribution curve has a single maximum, whereas with a polymodal size distribution there are several maxima in the corresponding curve.
  • a desired effective diameter can be achieved in a targeted manner with pores of a certain size, which Setting a certain frequency distribution of the effective pore diameter enables.
  • the filter device can be optimally adapted to the individual application situation.
  • the material of the dividing body can be metallic, metal oxide or ceramic.
  • metallic dividing bodies for example, the use of stainless steel is possible.
  • Metal oxide dividing bodies can consist of A1 2 0 3 , Si0 2 , Ti0 2 , Fe 2 0 3 , FeO or Fe 3 0 4 .
  • Ceramic dividing bodies can be made of SiC, cordierite or mullite. These materials are generally resistant to high temperatures, which is particularly important for the possibility of regenerating the filter device (this is generally done by burning off the soot that has accumulated).
  • the geometrical designs and structures of the dividing bodies required for the individual application can be implemented well with the materials listed.
  • the invention also relates to a method for producing a filter device of the above type.
  • the dividing bodies be sprinkled into the filter structure, blown in, applied as a suspension, or coated.
  • the dividing bodies are inserted or applied in or on a green compact of the filter structure and that the green compact is then sintered together with the dividing bodies.
  • This is particularly inexpensive because only a single sintering process is required.
  • the present invention applies not only to Sintered metal filters, but also applicable to ceramic filters.
  • the graduation bodies are inserted or applied in or onto the sintered filter structure and that the sintered filter structure is then sintered again together with the graduation bodies.
  • the filter structure already has a certain strength when the dividing bodies are introduced or applied, so that changes in the filter structure due to the introduction or application of the dividing bodies are avoided.
  • a filter device produced in this way therefore has a very exact shape and dimensions.
  • a further possibility for producing the filter device according to the invention is that the dividing bodies are applied or incorporated in or onto the sintered filter structure by means of a binder material and the filter structure is then dried and calcined together with the dividing bodies. With this method, a second sintering process can therefore be dispensed with, which lowers the costs. Nevertheless, the filter structure is very true to size.
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust system with a filter device
  • FIG. 2 shows a schematic section through a wall of a filter structure of a first exemplary embodiment of the filter device from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a representation similar to FIG. 2 of a second exemplary embodiment of a filter device
  • FIG. 4 different types of packing elements which can be used in the filter device of FIG. 1;
  • Figure 5 is a graph showing the frequency distribution of the effective size of pores in the filter structure of Figures 2 and 3;
  • Figure 6 is a representation similar to Figures 2 and 3 to explain the operation of the filter structure.
  • FIG. 7 shows a representation similar to FIG. 6 of a filter structure from the prior art.
  • An internal combustion engine bears the overall reference number 10 in FIG.
  • diesel fuel is burned.
  • the combustion exhaust gases are from the engine block 12 via a Exhaust line 14 is routed to an exhaust gas aftertreatment device 16.
  • this first comprises an oxidation catalytic converter 18, then an NO x accumulator 20 and then, in turn, a filter device 22 with which particles are to be filtered out of the exhaust gas and which will be discussed in more detail below.
  • the filter device 22 is also followed by an NO x storage catalytic converter 24.
  • the filter device 22 is rotationally symmetrical overall, but it can also be oval or angular in an embodiment not shown. Distributed over the circumference, it comprises a plurality of generally triangular, elongated filter bags, which are produced by filling the meshes of a carrier material, for example metal mesh or expanded metal, with metal powder, sintering, punching, forming and / or welding. This creates a filter structure, the walls of which are open-pore and therefore permeable to the exhaust gas.
  • a carrier material for example metal mesh or expanded metal
  • the filter structure 28 comprises a large number of pores of different diameters. Numerous pores are relatively small and have the same diameter. These are designated by 30 in FIG. 3, only one of these pores being provided with a reference symbol for reasons of clarity.
  • the filter structure 28 also has individual pores 32 and 34, the diameter of which is significantly larger than that of the pores 30.
  • the pores 30, 32 and 34 are shown spherically for the sake of simplicity. It goes without saying however, that in reality the pores can have a very irregular geometry that differs significantly from the spherical shape, for example cylindrical shape, etc.
  • Partition bodies 36 are present in the middle and large pores 32 and 34, which lie in the upstream region of the filter structure 28 in the vicinity of the surface 38 thereof. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, these have a ramified shape. They are made of a metal oxide, for example Al2O 3 .
  • the filter structure 28 shown in FIG. 2 was produced by first producing the actual filter structure 28 as a green body and sintering it. The dividing bodies 36 were then inflated onto the upstream surface 38 of the filter device 22, as a result of which the dividing bodies 36 penetrated into the middle pores 32 and large pores 34 closest to the surface 38 and got caught in them. The filter structure 28 was then sintered again.
  • all dividing bodies 36 have approximately the same structure and size.
  • dividing bodies 36b with a plate-like shape are used.
  • Spherical dividing bodies 36c and needle-like dividing bodies 36d are also possible (FIG. 4).
  • the spherical dividing body 36c in FIG. 4 is made of a highly porous material. It can be used for different Pore geometries each use the optimally shaped dividing body.
  • the pore space of a pore 34 which is denoted by 35 in FIG. 2, is divided into a plurality of interconnected subspaces 35a, 35b, 35c and 35d by the dividing bodies 36 (analogously, a pore 32 in FIG. 3 is subdivided into subspaces 35a and 35b ).
  • the effective pore size distribution of the filter structure 28 can be influenced in a targeted manner by using the dividing bodies 36.
  • a dashed curve 40 shows a frequency H of the diameter d of the pores 30, 32 and 34 in the filter structure 28 without the use of the dividing bodies 36.
  • a curve 42 drawn with a solid line represents the same situation, but with the use of the dividing bodies 36. It can be seen that the narrowing distribution of the effective pore size can be achieved through the dividing bodies 36.
  • the proportion of fine pores is increased by the dividing body 36, while the proportion of disadvantageous large pores is reduced. This is also reflected in the value of the average pore size d 50 , which becomes somewhat smaller due to the introduction of the dividing bodies 36.
  • the introduction of the dividing bodies 36 which is limited to the surface of the filter structure 28, and their overall low volume fraction have little effect on the overall porosity of the filter structure 28, which has a favorable effect on its permeability for the exhaust gas.
  • soot particles 42 are deposited on the upstream located surface 38 of the filter structure 28. Since the middle pores 32 and the large pores 34 are filled with dividing bodies 36 and their effective pore diameter is therefore reduced, the soot particles 42 cannot penetrate into the filter structure 28, but are almost exclusively deposited on the surface 38 (in the filter device 22 shown) it is a surface filter). Since the soot particles 42 are prevented from penetrating into the filter structure 28 by the dividing bodies 36, the pressure drop of the exhaust gas over the filter structure 28 is relatively constant and comparatively small over time.
  • FIG. 7 shows the state of a filter structure 28 when the internal combustion engine is operating in the prior art. Elements and areas which have functions equivalent to elements and areas of the figures above have the same reference symbols.
  • the filter structure 28 shown in FIG. 7 and known from the prior art has no dividing bodies. As a result, soot particles 42 can penetrate into the middle pores 32 and the large pores 34 and block them. This impedes the gas flow of the exhaust gas through the filter structure 28, which leads to an increased pressure drop across the filter structure 28.

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Abstract

Eine Filtereinrichtung (22) dient dazu, Partikel aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine herauszufiltern. Sie umfasst eine offenporige Filterstruktur (28). Es wird vorgeschlagen, dass noch vor Inbetriebnahme der Filtereinrichtung (22) in mindestens einem Teil jener Poren (32, 34), deren Durchmesser größer ist als ein Grenzwert, mindestens ein Teilungskörper (36) vorhanden ist, der den Porenraum (35) dieser Poren (32, 34) in eine Mehrzahl von Teilräumen (35a, 35b, 35c, 35d) unterteilt.

Description

Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, sowie Verfahren zu deren Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst eine Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, mit einer offenporigen Filterstruktur, an deren stromaufwärts gelegener Oberfläche herausgefilterte Partikel abgeschieden werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein*' Verfahren zur Herstellung einer derartigen Filtereinrichtung.
Aus der DE 102 42 303 AI ist eine Abgasreinigungsanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, welche im Abgassystem einen Partikelfilter aufweist, mit dem Rußteilchen aus dem Abgasström herausgefiltert werden können. Der dort vorgeschlagene Partikelfilter kann als Oberflächenfilter ausgebildet sein. Bei diesem werden die Rußpartikel an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche einer offenporigen Filterstruktur abgeschieden.
Der genaue Aufbau eines solchen Oberflächenfilters geht beispielsweise aus der DE 101 28 936 AI hervor. In dieser wird ein Partikelfilter beschrieben, welcher eine Mehrzahl länglicher Filtertaschen mit dreieckigem Querschnitt aufweist. Die Filtertaschen weisen Filterwände auf, welche aus Sintermetall hergestellt sind und eine offenporige Filterstruktur darstellen. Bekannt ist ferner, die Filtertasche dadurch herzustellen, dass zunächst ein Metallgewebe oder Streckmetall die Grundstruktur bildet, deren Maschen beispielsweise durch Metallpulver, Sintern, Stanzen, Umformen oder Schweißen aufgefüllt werden.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, das sogenannte "Abgasgegendruckverhalten" der eingangs genannten Filtereinrichtung zu verbessern. Unter dem Abgasgegendruck wird der Druckabfall beziehungsweise der Strömungswiderstand des strömenden Abgases über die Filtereinrichtung hinweg verstanden. Ziel ist es, dass der Abgasgegendruck möglichst niedrig ist. Ein niedriger Abgasgegendruck ermöglicht eine höhere Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichem Kraftstoffverbrauch oder einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung.
Diese Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass vor Inbetriebnahme in mindestens einem Teil jener Poren, deren Durchmesser größer ist als ein Grenzwert, mindestens ein Teilungskörper vorhanden ist, der den Porenraum dieser Poren in eine Mehrzahl von Teilräumen unterteilt.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung kann der effektive Durchmesser besonders großer Poren deutlich reduziert werden. Hierdurch wird verhindert, dass im Betrieb der Filtereinrichtung, insbesondere zu Beginn der Inbetriebnahme, Rußpartikel in diese großen Poren eindringen und diese verstopfen. Letztlich wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme also sichergestellt, dass Rußpartikel weitestgehend nur auf der Oberfläche der Filterstruktur, nicht aber innerhalb der Filterstruktur abgeschieden werden. Dies sorgt wiederum dafür, dass der Abgasgegendruck im Betrieb der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung weniger stark ansteigt als bei einer herkömmlichen Filtereinrichtung. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Filtereinrichtung eine höhere Leistung einer mit ihr ausgestatteten Brennkraftmaschine bei gleichem Kraftstoffverbrauch oder einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung.
Dabei ist bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung eine sehr einfache Anpassung der effektiven Porengrößenverteilung an unterschiedliche Anwendungen möglich. So kann die Porengrößenverteilung beispielsweise bei Filtereinrichtungen mit einer unbeschichteten Filterstruktur anders eingestellt werden als bei solchen mit einer beschichteten Filterstruktur. Die Beschichtung der Filterstruktur kann beispielsweise ein katalytisches Material umfassen, welches für die Regenerierung der Filtereinrichtung verwendet wird.
Besonders prägnant sind die erfindungsgemäßen Vorteile unmittelbar nach Inbetriebnahme der Filtereinrichtung oder unmittelbar nach einer Regenerierung der Filtereinrichtung: Bei der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung ist nämlich der sogenannte "Tiefenfiltrationseffekt" deutlich reduziert, unter dem ein initialer Gegendruckanstieg bei geringster Rußbeladung durch die Einlagerung von Rußpartikeln innerhalb der Filterstruktur beziehungsweise der Filterwand verstanden wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben . In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Teilungskörper kugelartige, rotationsellipsoidartige, eckige, nadelartige, plättchenartige und/oder verästelte Gestalt aufweisen. Derartige Geometrien für die Teilungskörper können mit üblichen Herstellmethoden einfach und preiswert hergestellt werden. Mit den angegebenen Geometrien können übliche Porenformen abgedeckt werden. Die vorgeschlagenen Teilungskörper verkanten sich zuverlässig innerhalb der Poren und führen so zu einer geringeren effektiven Porengröße, ohne die Pore selbst zu verstopfen, indem sie dort beispielsweise "zusammenbacken" .
In die gleiche Richtung zielt jene Weiterbildung, bei welcher die Teilungskörper agglomerierte und/oder poröse Struktur aufweisen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Filterstruktur eine Mischung von Teilungskörpern mit unterschiedlicher Gestalt und/oder Struktur vorhanden ist. Dies gestattet die zuverlässige Befüllung einer Filterstruktur, deren Poren, deren effektiver Durchmesser verringert werden soll, unterschiedlich geformt sind.
Ähnlich wirkt jene Filtereinrichtung, bei welcher die Größenverteilung der Teilungskörper in der Filterstruktur mono- oder polymodal ist. Eine monomodale Größenverteilung bedeutet, dass die Größenverteilungskurve ein einziges Maximum aufweist, wohingegen bei einer polymodalen Größenverteilung bei der entsprechenden Kurve mehrere Maxima vorhanden sind. Mit einer solchen Größenverteilung kann ganz gezielt bei Poren einer bestimmten Größe ein gewünschter effektiver Durchmesser erzielt werden, was die Einstellung einer bestimmten Häufigkeitsverteilung der effektiven Porendurchmesser ermöglicht. Hierdurch kann die Filtereinrichtung optimal an die individuelle Einsatzsituation angepasst werden.
Das Material der Teilungskörper kann metallisch, metalloxidisch oder keramisch sein. Bei metallischen Teilungskörpern kommt beispielsweise die Verwendung von Edelstahl in Frage. Metalloxidische Teilungskörper können aus A1203, Si02, Ti02, Fe203, FeO oder Fe304 bestehen. Keramische Teilungskörper können aus SiC, Cordierit oder aus Mullit sein. Diese Werkstoffe sind im Allgemeinen hochtemperaturfest, was vor allem für die Möglichkeit wichtig ist, die Filtereinrichtung zu regenerieren (dies geschieht im Allgemeinen durch das Abbrennen des angelagerten Rußes) . Ferner können mit den aufgelisteten Materialien die für den individuellen Einsatzzweck erforderlichen geometrischen Ausgestaltungen und Strukturen der Teilungskörper gut realisiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Filtereinrichtung der obigen Art . Um die Herstellkosten der Filtereinrichtung möglichst niedrig zu halten, wird vorgeschlagen, dass die Teilungskörper in die Filterstruktur aufgestreut, eingeblasen, als Suspension aufgebracht, oder eingestrichen werden.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Teilungskörper in beziehungsweise auf einen Grünling der Filterstruktur ein- beziehungsweise aufgebracht werden und dass danach der Grünling zusammen mit den Teilungskörpern gesintert wird. Dies ist besonders preiswert, da nur ein einziger Sintervorgang erforderlich ist. Grundsätzlich gilt jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Sintermetallfiltern, sondern auch bei keramischen Filtern anwendbar ist.
Alternativ hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Teilungskörper in beziehungsweise auf die gesinterte Filterstruktur ein- beziehungsweise aufgebracht werden und dass danach die gesinterte Filterstruktur zusammen mit den Teilungskörpern nochmals gesintert wird. Zwar sind bei diesem Herstellverfahren zwei Sintervorgänge erforderlich, die Filterstruktur weist beim Ein- beziehungsweise Aufbringen der Teilungskörper jedoch bereits eine gewisse Festigkeit auf, so dass Veränderungen der Filterstruktur durch das Ein- beziehungsweise Aufbringen der Teilungskörper vermieden werden. Eine auf diese Weise hergestellte Filtereinrichtung hat daher sehr exakte Form und Abmessungen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung besteht darin, das die Teilungskörper in beziehungsweise auf die gesinterte Filterstruktur mittels eines Bindermaterials einbeziehungsweise aufgebracht werden und danach die Filterstruktur zusammen mit den Teilungskörpern getrocknet und kalziniert wird. Bei diesem Verfahren kann also auf einen zweiten Sintervorgang verzichtet werden, was die Kosten senkt. Dennoch ist die Filterstruktur sehr maßhaltig.
Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem AbgasSystem mit einer Filtereinrichtung;
Figur 2 einen schematischen Schnitt durch eine Wand einer Filterstruktur eines ersten Ausführungsbeispiels der Filtereinrichtung von Figur 1;
Figur 3 eine Darstellung ähnlich Figur 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Filtereinrichtung;
Figur 4 verschiedene Arten von Füllkörpern, die in der Filtereinrichtung von Figur 1 zum Einsatz kommen können;
Figur 5 ein Diagramm, in dem die Häufigkeitsverteilung der effektiven Größe von Poren der Filterstruktur der Figuren 2 und 3 dargestellt ist;
Figur 6 eine Darstellung ähnlich der Figuren 2 und 3 zur Erläuterung der Funktionsweise der Filterstruktur; und
Figur 7 eine Darstellung ähnlich Figur 6 einer Filterstruktur aus dem Stand der Technik.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Motorblock 12, in dem durch eine Verbrennung von Kraftstoff und Luft in mehreren Brennräumen eine nicht gezeigte Kurbelwelle in Drehung versetzt wird. Bei der in Figur 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 wird Dieselkraftstoff verbrannt. Die Verbrennungsabgase werden aus dem Motorblock 12 über eine Abgasleitung 14 zu einer Abgas-Nachbehandlungseinrichtung 16 geleitet. Diese umfasst in Strömungsrichtung gesehen zunächst einen Oxidationskatalysator 18, anschließend einen NOx-Speicher 20 und an diesen wiederum anschließend eine Filtereinrichtung 22, mit der Partikel aus dem Abgas herausgefiltert werden sollen und auf die weiter unten stärker im Detail eingegangen wird. An die Filtereinrichtung 22 schließt sich, in Strömungsrichtung gesehen, noch ein NOx-Speicherkatalysator 24 an.
Die Filtereinrichtung 22 ist insgesamt rotationssymmetrisch, sie kann in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel aber auch oval oder eckig sein. Über den Umfang verteilt umfasst sie mehrere insgesamt dreieckige längliche Filtertaschen, die durch Füllen der Maschen eines Trägermaterials, beispielsweise Metallgewebe oder Streckmetall, mit Metallpulver, Sintern, Stanzen, Umformen und/oder Schweißen hergestellt werden. Hierdurch wird eine Filterstruktur geschaffen, deren Wände offenporig und daher für das Abgas durchlässig sind. Ein Beispiel für eine solche offenporige Filterstruktur ist in Figur 2 dargestellt, wobei die Strömungsrichtung des Abgases durch Pfeile 26 angedeutet ist. Die Filterstruktur trägt in Figur 2 insgesamt das Bezugszeichen 28.
Man erkennt aus Figur 2, dass die Filterstruktur 28 eine Vielzahl von Poren unterschiedlichen Durchmessers umfasst. Zahlreiche Poren sind relativ klein und haben gleichen Durchmesser. Diese sind in Figur 3 mit 30 bezeichnet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine dieser Poren mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Filterstruktur 28 weist aber auch noch einzelne Poren 32 und 34 auf, deren Durchmesser im Vergleich zu den Poren 30 deutlich größer ist. In den Figuren sind die Poren 30, 32, und 34 der Einfachheit halber kugelig dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass in der Realität die Poren eine sehr unregelmäßige und von der Kugelform deutlich abweichende Geometrie, beispielsweise Zylinderform, etc., aufweisen können.
In den mittleren und großen Poren 32 und 34, die im stromaufwärts gelegenen Bereich der Filterstruktur 28 in der Nähe von deren Oberfläche 38 liegen, sind Teilungskörper 36 vorhanden. Diese weisen in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine verästelte Gestalt auf. Sie sind aus einem Metalloxid, beispielsweise AI2O3 hergestellt. Die in Figur 2 gezeigte Filterstruktur 28 wurde erzeugt, indem zunächst die eigentliche Filterstruktur 28 als Grünling hergestellt und gesintert wurde. Anschließend wurden die Teilungskörper 36 auf die stromaufwärts gelegene Oberfläche 38 der Filtereinrichtung 22 aufgeblasen, wodurch die Teilungskörper 36 in die zur Oberfläche 38 nächstgelegenen mittleren Poren 32 und großen Poren 34 eingedrungen sind und sich in diesen verhakt haben. Danach wurde die Filterstruktur 28 nochmals gesintert.
Bei der in Figur 2 gezeigten ersten Ausführungsform einer Filterstruktur 28 weisen alle Teilungskörper 36 in etwa die gleiche Struktur und Größe auf. Alternativ ist es jedoch auch möglich, wie in Figur 3 gezeigt ist, Teilungskörper 36 unterschiedlicher Gestalt und Struktur zur verwenden. Bei der in Figur 3 dargestellten Filterstruktur 28 werden zusätzlich zu den verästelten Teilungskörpern 36a noch Teilungskörper 36b mit plättchenartiger Gestalt verwendet. Möglich sind auch kugelartige Teilungskörper 36c und nadelartige Teilungskörper 36d (Figur 4) . Der kugelartige Teilungskörper 36c in Figur 4 ist aus einem stark porösen Material hergestellt. Damit können für unterschiedliche Porengeometrien jeweils die optimal geformten Teilungskörper verwendet werden.
Durch die Teilungskörper 36 wird der Porenraum einer Pore 34, der in Figur 2 mit 35 bezeichnet ist, in eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Teilräumen 35a, 35b, 35c und 35d unterteilt (analog wird eine Pore 32 in Figur 3 in Teilräume 35a und 35b unterteilt) . Wie aus Figur 5 hervorgeht, kann durch die Verwendung der Teilungskörper 36 die effektive Porengrößenverteilung der Filterstruktur 28 gezielt beeinflusst werden. Durch eine gestrichelte Kurve 40 ist eine Häufigkeit H der Durchmesser d der Poren 30, 32 und 34 in der Filterstruktur 28 ohne die Verwendung der Teilungskörper 36 dargestellt. Eine mit einer durchgezogenen Linie gezeichnete Kurve 42 stellt die gleiche Situation, jedoch mit dem Einsatz der Teilungskörper 36 dar. Man erkennt, dass durch die Teilungskörper 36 eine schmalere Verteilung der effektiven Porengröße erreicht werden kann.
Dabei wird der Anteil der feinen Poren durch die Teilungskörper 36 erhöht, der Anteil der nachteiligen großen Poren dagegen verringert. Dies schlägt sich auch im Wert der mittleren Porengröße d50 nieder, der durch das Einbringen der Teilungskörper 36 etwas geringer wird. Durch die auf die Oberfläche der Filterstruktur 28 begrenzte Einbringung der Teilungskörper 36 und deren insgesamt geringen Volumenanteil wird die Gesamtporosität der Filterstruktur 28 wenig beeinflusst, was sich günstig auf deren Durchlässigkeit (Permeabilität ) für das Abgas auswirkt.
Die Funktionsweise der Filterstruktur 28 beziehungsweise der Filtereinrichtung 22 ergibt sich aus Figur 6: Im Betrieb lagern sich Rußpartikel 42 an der stromaufwärts gelegenen Oberfläche 38 der Filterstruktur 28 ab. Da die mittleren Poren 32 und die großen Poren 34 mit Teilungskörpern 36 gefüllt sind und daher deren effektiver Porendurchmesser reduziert ist, können die Rußpartikel 42 nicht in die Filterstruktur 28 eindringen, sondern werden fast ausschließlich an der Oberfläche 38 abgeschieden (bei der gezeigten Filtereinrichtung 22 handelt es sich insoweit um einen Oberflächenfilter) . Da ein Eindringen der Rußpartikel 42 in die Filterstruktur 28 durch die Teilungskörper 36 verhindert wird, ist der Druckabfall des Abgases über die Filterstruktur 28 hinweg über die Zeit relativ gleichbleibend und vergleichsweise gering.
In Figur 7 ist der Zustand einer Filterstruktur 28 im Betrieb der Brennkraftmaschine beim Stand der Technik gezeigt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen der obigen Figuren aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Die in Figur 7 gezeigte und aus dem Stand der Technik bekannte Filterstruktur 28 weist keine Teilungskörper auf. Dies führt dazu, dass Rußpartikel 42 in die mittleren Poren 32 und die großen Poren 34 eindringen und diese verstopfen können. Hierdurch wird der Gasström des Abgases durch die Filterstruktur 28 behindert, was zu einem erhöhten Druckabfall über die Filterstruktur 28 hinweg führt.

Claims

Ansprüche
1. Filtereinrichtung (22), insbesondere für ein Abgassystem (14) einer Brennkraftmaschine (10) , mit einer offenporigen Filterstruktur (28) , an deren stromaufwärts gelegener Oberfläche (38) herausgefilterte Partikel (42) abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor Inbetriebnahme in mindestens einem Teil jener Poren (32, 34) , deren Durchmesser größer ist als ein Grenzwert, mindestens ein Teilungskörper (36) vorhanden ist, der den Porenraum (35) dieser Poren (32, 34) in eine Mehrzahl von Teilräumen (35a, 35b, 35c, 35d) unterteilt.
2. Filtereinrichtung (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper (36) kugelartige, rotationsellipsoidartige, eckige, nadelartige, plattchenartige, und/oder verästelte Gestalt aufweisen.
3. Filtereinrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper (36) agglomerierte und/oder poröse Struktur aufweisen.
4. Filtereinrichtung (22) nach einem der Ansprüche 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Filterstruktur (28) eine Mischung von Teilungskörpern (36) mit unterschiedlicher Gestalt und/oder Struktur vorhanden ist.
5. Filtereinrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverteilung der Teilungskörper (36) in der Filterstruktur (28) mono- oder polymodal ist.
6. Filtereinrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper
(36) metallisch, metalloxidisch, oder keramisch sind.
7. Verfahren zum Herstellen einer Filtereinrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper (36) in die Filterstruktur (28) aufgestreut, eingeblasen, als Suspension aufgebracht, oder eingestrichen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper (36) in bzw. auf einen Grünling der Filterstruktur (28) ein- bzw. aufgebracht werden und dass danach der Grünling zusammen mit den Teilungskörpern (36) gesintert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper in bzw. auf die gesinterte Filterstruktur ein- bzw. aufgebracht werden und dass danach die gesinterte Filterstruktur zusammen mit den Teilungskörpern nochmals gesintert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungskörper in bzw. auf die gesinterte Filterstruktur mittels eines Bindermaterials ein- bzw. aufgebracht werden und danach die Filterstruktur zusammen mit den Teilungskörpern getrocknet und kalziniert wird.
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