WO2008080696A1 - Filterelement und filter zur abgasnachbehandlung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Filterelement und filter zur abgasnachbehandlung einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2008080696A1
WO2008080696A1 PCT/EP2007/062442 EP2007062442W WO2008080696A1 WO 2008080696 A1 WO2008080696 A1 WO 2008080696A1 EP 2007062442 W EP2007062442 W EP 2007062442W WO 2008080696 A1 WO2008080696 A1 WO 2008080696A1
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element according
region
filter
catalytically active
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PCT/EP2007/062442
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Teruo Komori
Ingo Bader
Bernd Reinsch
Georgios Lolas
Dittmar Klett
Christoph Saffe
Lars Thuener
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01N2250/00—Combinations of different methods of purification
    • F01N2250/02—Combinations of different methods of purification filtering and catalytic conversion

Definitions

  • Filter element and filter for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine are Filter element and filter for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine.
  • the invention relates to a filter element for cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a filter with a filter element according to the independent claim 18.
  • Such filter elements are used for example as a soot filter for diesel internal combustion engines.
  • the filter elements often consist of a ceramic material and have a plurality of mutually parallel inlet channels and outlet channels.
  • Filter elements made of ceramic materials are produced by extrusion. This means that the blank of the filter element is a prismatic body with a plurality of mutually parallel channels. The channels of a blank are initially open at both ends.
  • the invention has for its object to provide a filter element made of a ceramic material, preferably cordierite, which has a comparison with conventional filter elements increased regeneration rate.
  • the filter element should not be damaged by the heat released during the oxidation of the soot deposits.
  • a filter element having a longitudinal axis parallel to the main flow direction of the exhaust gas, having a plurality of inlet channels and having a plurality of outlet channels, wherein the inlet channels and / or the outlet channels are bounded by filter walls, and wherein the filter walls with one or more catalytically active coatings are provided, achieved in that the one or more catalytically active coatings are radially unevenly distributed over the filter element.
  • the uneven distribution of the at least one catalytically active coating claimed according to the invention it is possible to increase the regeneration rate in a radially outer region of the filter element by applying a coating with higher catalytic activity in the regions with lower operating temperatures than in the regions having higher operating temperatures Filter element is applied.
  • the catalytically active coating is taken to mean coatings which have a catalytic effect on one or more of the pollutants contained in the exhaust gas - these are essentially CO, hydrocarbon, NO x , intermediates and carbon black.
  • the operating temperatures at the outer diameter are usually lower than in the center of the filter element.
  • the unequal operating temperatures in the radial direction are due, inter alia, to the fact that more hot exhaust gases are applied to the center of the filter element.
  • the uneven operating temperatures in the radial direction are further enhanced by the better heat dissipation in the radially outer regions of the filter elements.
  • the uneven operating temperatures in the axial and radial directions occurring in the course of a regeneration result from a temporally and locally uneven Rußabbrand ago, for example, if deposited in the region of the second end face of the filter element more soot and consequently more heat in the regeneration in these Areas becomes free.
  • the regeneration rate is specifically increased in these areas, so that the overall regeneration rate of the filter element according to the invention increases without the material of the filter element would be exposed to higher peak temperatures.
  • the increased temperature of the catalytic coatings and the resulting higher heat generation during regeneration in the lower operating temperature regions raises the temperature resulting in equalization of the temperature profile within the filter element. As a result, the resulting by the temperature differences mechanical stresses in the filter element are reduced, which has a positive effect on their reliability.
  • the temperature of the filter element has differences, it has also proved to be advantageous to provide the axially "colder" areas of the filter element with a catalytic active coating, which develops a higher activity than those at the warmer areas of the This raises the temperature in the colder region of the filter element and thereby increases the rate of regeneration in this region of the filter element, which also leads to a homogeneity of the temperature profile within the filter element and thereby reduces the thermal stresses within the filter element.
  • a cross section of the filter element is subdivided into different segments and the different segments have different catalytic activities due to a catalytically active coating of different thicknesses or differently composed.
  • This segmentation makes it possible in a relatively simple manner, for example by covering the inner regions of the cross section of the filter element and subsequent impregnation of the filter element with a catalytically active coating, to produce the different catalytic activities of the filter element in a simple manufacturing manner.
  • the catalytically active coating has a specific surface area of more than 50 m 2 / g, preferably of more than 80 m 2 / g. This means that in the coated state of the filter element, the specific surface is more than 1 m 2 / g, preferably more than 4 m 2 / g. In this specification, the weight of the filter wall or the particulate filter is taken into account.
  • Suitable materials for the filter walls of the filter element are
  • the invention can also be used successfully with filter elements on a metallic basis.
  • Filter element with a housing, with a supply line and with a derivative, achieved in that a filter element according to the invention is used.
  • Figure 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment device according to the invention.
  • Figure 2 shows an embodiment of a filter element according to the invention in
  • FIGS. 3, 4 show schematic illustrations of further exemplary embodiments of filter elements according to the invention.
  • FIGS. 7, 8 show schematic representations of further exemplary embodiments of filter elements according to the invention.
  • an internal combustion engine carries the reference numeral 10.
  • the exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged. With this soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 to comply with legal requirements.
  • the filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a in the present embodiment rotationally symmetrical, also a total cylindrical filter element 18 is arranged.
  • the invention is not limited to these geometries.
  • FIG. 2 shows a cross section through a filter element 18 according to the prior art.
  • the filter element 18 is manufactured as an extruded shaped body from a ceramic material, such as cordierite.
  • the filter element 18 is flowed through in the direction of the arrows 20 of not shown exhaust gas.
  • a first end face has the reference numeral 22 in FIG. 2, while a second end face in FIG. 2 has the reference numeral 24.
  • inlet channels 28 Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 extend a plurality of inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30.
  • the inlet channels 28 are closed at the second end face 24.
  • the sealing plugs are shown in FIG. 2 without reference numerals.
  • the outlet channels 30 are open at the second end face 24 and closed in the region of the first end face 22.
  • the radially outermost position of the channels (60) is closed at both ends with sealing plugs (without reference numerals). This results in no exhaust gases flowing through the channels 60.
  • the channels 60 provide thermal insulation that results in raising the temperature of the filter element 18 in the adjacent radially outer regions. As a result, the regeneration rate in these areas is increased.
  • the flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall (without reference numeral) into one of the outlet channels 30. This is illustrated by the arrows 32 by way of example.
  • filter elements 18 according to the invention can also be used in commercial vehicles or other mobile or stationary applications of internal combustion engines.
  • FIG. 3 shows a highly schematic of a filter element with a circular cross section.
  • an overall diameter D of the filter element 18 is divided into a radially outer region 38 and a radially inner region 40.
  • the outer region 38 is provided with a catalytically more active coating than the radially inner region 40. This can be achieved in that the amount of catalytic components in the outer region 38 is greater than in the inner region 40.
  • the different activities of the catalytic coating can also be adjusted by different concentrations or a different choice of the catalytically active constituents of the coating. Alternatively, it is also possible to catalytically coat only the outer region 38 and not to provide the inner region 40 with a catalytic coating.
  • the transition between the outer region 38 and the inner region 40 is indicated by a line 42. This means that in the embodiment according to FIG. 3 there is an abrupt transition between the outer region 38 and the inner region 40.
  • the filter element 18 is subdivided into a first region 44 in the axial direction and a second region 46.
  • the axially first region 44 begins at the first end face 22 of the filter element 18.
  • the second region 46 terminates at a second end face 24 of the filter element 18.
  • the first region 44 has a catalytic coating with a higher catalytic activity than the second region 46. It is also possible that the second region 46 is not at all is coated catalytically.
  • This additional measure takes into account the fact that the temperatures in the region of the first end face 22 of the filter element during regeneration are lower than in the region of the second end face 24, so that a sufficiently high through a catalytically activated coating in the first region 44 Regeneration rate with the help of catalytic
  • Coating can be adjusted.
  • the transition between the first region 44 and the second region 46 is provided with the reference numeral 48 in FIG. It is of course also possible to provide a catalytically more active coating only in the first region 44 of the filter element 18 than in the second region 46 of the filter element 18 and to provide a uniformly active catalytic coating in the radial direction. This would mean that the distinction between the outer regions 38 and 40 is eliminated and the transition 42 is absent.
  • the transition 42 between the regions of different catalytic activity is abrupt.
  • This abrupt transition is shown schematically in FIG. 5 in a diagram.
  • a radius R is plotted on the X axis and the catalytic activity of the coating according to the invention on the Y axis.
  • the Y-axis is normalized.
  • a value of 1 corresponds to a high catalytic activity, while a value less than 1, here about 0.2 corresponds to a low catalytic activity.
  • the abrupt transition between the low catalytic activity in the inner region 40 and the high catalytic activity in the outer region 38 is indicated in FIG. 5 by a first line 48.
  • the transition between the low catalytic activity and the increased catalytic activity is stepped, as indicated by a second line 50.
  • the transitions between the first region 44 and the second region 46 are likewise indicated by lines 48, 50 and 52.
  • the X-axis begins at the first end face 22 and ends at the second end face 24.
  • an abrupt transition first line 48
  • second line 50 a stepped transition
  • third line 52 a smooth transition
  • an overlap region 54 between the first region 44 with increased catalytic activity and the second region 46 with lower catalytic activity on the other hand.
  • a higher catalytic activity (line 53) can be achieved in the overlap region 54 than in the regions 38 and 40.
  • FIG. 7 a cross section through a filter element is shown greatly simplified. From this representation, it is clear that the filter element 18 is subdivided into different segments 54 and 56. In this case, a plurality of inlet channels 28 and outlet channels 30 is present in each of the segments 54 and 56. For reasons of clarity, the inlet channels 28 and outlet channels 30 are not shown.
  • the outer segments 54 of which not all have been provided with reference numerals for reasons of clarity, have a coating with increased catalytic activity, while the inner
  • Segments 56 in contrast, have a lower catalytic activity.
  • the effect according to the invention is likewise achieved in that an increased catalytic activity is present in the outer regions, and as a result a high regeneration rate is likewise achieved in the cooler outer regions.
  • FIG. 8 shows the exemplary embodiment according to FIG. 7 in an isometric view. It is clear from this representation that the various segments can also be subdivided into a first region 44 and a second region 46 in the longitudinal direction. Again, it is again possible that the transition between the first region 44 and the second region 46 either abruptly, as shown in Figure 8, or stepped or flowing takes place, as was explained with reference to Figure 6. Here too, in the possible overlapping region of the regions 44 and 46 a higher catalytic activity than in the individual areas 44 and 46 itself be present.
  • the radially inner region 40 has a circular cross-sectional area
  • the radially outer region 38 has an annular cross-sectional area.
  • other cross-sectional geometries in particular elliptical or square or polygonal cross-sectional geometries of both the inner region 40 and the radially outer region 38 are possible. This may be necessary in special cases, for example when the space conditions in the vehicle in which the filter element 14 according to the invention is to be installed, pretend this or when the flow conditions through the exhaust pipe 12 require a non-circular or annular cross-sectional area.

Abstract

Es wird ein Filterelement für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem die Filterwände mit einer katalytisch aktiven Beschichtung mindestens teilweise versehen werden. Dabei ist vorgesehen, dass die radial äußeren Bereiche (38) beziehungsweise die im Bereich der Erste Stirnfläche befindlichen Bereiche des Filterelements (44) eine gegenüber dem inneren Bereich (40) und/oder dem zweiten Bereich (46) des Filterelements (18) eine erhöhte katalytische Aktivität aufweisen.

Description

Beschreibung
Titel
Filterelement und Filter zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 18. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.
Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.
Hergestellt werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren. Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ist. Die Kanäle eines Rohlings sind zunächst an beiden Enden offen.
Damit das zu reinigende Abgas durch die Wände des Filters strömt, wird ein Teil der Kanäle am hinteren Ende des Filterelements verschlossen, während ein anderer Teil der Kanäle am vorderen Ende des Filterelements verschlossen werden. Dadurch werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet, nämlich die sogenannten Eintrittskanäle, welche am Ende verschlossen sind und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.
Zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen besteht nur über die porösen Wände des Filterelements (nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung, so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann, indem es aus den Eintrittskanälen durch die Wände des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.
Bei der Regeneration der Filterelemente werden die Rußablagerungen oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Daraus resultiert eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn die bei der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden, nimmt das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei Filterelementen aus Cordierit gegeben, da Cordierit eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität hat und deshalb bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe Temperaturen auftreten können. In Folge dessen können bei der Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen innerhalb des Filterelements auftreten, dass die thermische Stabilität des Cordierits nicht mehr gewährleistet ist. Dieser Zusammenhang hat bisher den Einsatz von Filterelementen aus Cordierit in Personenkraftwagen verhindert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement aus einem keramischen Werkstoff, bevorzug Cordierit, bereitzustellen, das eine gegenüber herkömmlichen Filterelementen erhöhte Regenerationsrate aufweist. Außerdem soll das Filterelement durch die der bei der Oxidierung der Rußablagerungen freiwerdende Wärme nicht geschädigt werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement mit einem parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse, mit einer Vielzahl von Einlasskanälen und mit einer Vielzahl von Auslasskanälen, wobei die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle durch Filterwände begrenzt werden, und wobei die Filterwände mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Beschichtungen versehen sind, dadurch gelöst, dass die eine oder mehreren katalytisch aktive Beschichtungen radial ungleich über das Filterelement verteilt sind. Durch die erfindungsgemäß beanspruchte ungleiche Verteilung der mindestens einen katalytisch aktiven Beschichtung ist es möglich, die Regenerationsrate in einem radial außen liegenden Bereich des Filterelements anzuheben, indem in den Bereichen mit geringeren Betriebstemperaturen eine Beschichtung mit höherer katalytischer Aktivität als in den Bereichen mit höheren Betriebstemperaturen auf das Filterelement aufgebracht wird.
Als katalytisch aktive Beschichtung werden im Zusammenhang mit der Erfindung Be- Schichtungen verstanden, die eine katalytische Wirkung gegenüber einem oder mehreren der im Abgas enthaltenen Schadstoff - dies sind im Wesentlichen CO, Kohlenwasserstoff, NOx, Zwischenprodukte und Russ - haben.
Bei einem herkömmlichen Filterelement sind die Betriebstemperaturen am Außen- durchmesser in der Regel niedriger als im Zentrum des Filterelements. Die ungleichen Betriebstemperaturen in radialer Richtung rühren unter Anderem daher, dass das Zentrum des Filterelements mit mehr heißen Abgasen beaufschlagt wird. Weiter verstärkt werden die ungleichen Betriebstemperaturen in radialer Richtung durch die bessere Wärmeabfuhr in den radial äußeren Bereichen der Filterelemente.
Die in zeitlichen Verlauf einer Regeneration auftretenden ungleichen Betriebstemperaturen in axialer sowie radialer Richtung rühren von einem zeitlich und örtlich ungleichmäßigen Rußabbrand her, beispielsweise wenn sich im Bereich der zweiten Stirnfläche des Filterelements mehr Ruß ablagert und in Folge dessen mehr Wärme bei der Rege- neration in diesen Bereichen frei wird.
Durch das erfindungsgemäße Aufbringen einer Beschichtung mit höherer katalytischer Aktivität in Bereichen mit geringeren Betriebstemperaturen wird in diesen Bereichen gezielt die Regenerationsrate erhöht, so dass sich die Gesamtregenerationsrate des erfindungsgemäßen Filterelements erhöht, ohne dass der Werkstoff des Filterelements höheren Spitzentemperaturen ausgesetzt wäre. Außerdem wird durch die erhöhte Aktivität der katalytischen Beschichtungen und die daraus resultierende höhere Wärmeentwicklung bei der Regeneration in den Bereichen mit geringerer Betriebstemperatur die Temperatur angehoben, so dass sich eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements ergibt. Dadurch werden die durch die Temperaturunterschiede entstehenden mechanischen Spannungen im Filterelement reduziert, was sich positiv auf deren Betriebssicherheit auswirkt.
Da auch in axialer Richtung die Temperatur des Filterelements Unterschiede aufweist, hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, die in axialer Richtung „kälteren" Bereiche des Filterelements mit einer katalytischen aktiven Beschichtung zu versehen, die eine höhere Aktivität entwickelt als die an den wärmeren Bereichen des Filterelements vorhandene katalytisch aktive Beschichtung. Dadurch wird die Temperatur im kälteren Bereich der Filterelements angehoben und dadurch die Regenerationsrate in diesem Bereich des Filterelements erhöht. Auch diese Maßnahme führt zu einer Vergleichmä- ßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements und verringert dadurch die Wärmespannungen innerhalb des Filterelements.
Es hat sich bei praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn der radial außen liegende Bereich mit höherer katalytischer Aktivität mindestens 2 % und höchstens 35 % eines Gesamtdurchmessers D des Filterelements beträgt.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Querschnitt des Filterelements in verschiedene Segmente unterteilt wird und die verschiedenen Segmente unterschiedliche katalytische Aktivitäten aufgrund einer unterschiedlich dicken oder unterschiedlich zusammengesetzten katalytisch aktiven Beschichtung aufweisen. Diese Segmentierung erlaubt es auf relativ einfache Weise, beispielsweise durch Abdecken der inneren Bereiche des Querschnitts des Filterelements und anschließendes Tränken des Filterelements mit einer katalytisch aktiven Beschichtung die unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten des Filterelements auf fertigungstechnisch einfache Weise herzustellen.
Dabei ist es auch möglich, dass in den Bereichen oder den Segmenten mit geringerer katalytischer Aktivität überhaupt keine katalytisch aktive Beschichtung vorhanden ist. Des Weiteren ist es möglich, dass ein fließender, ein gestufter oder ein abrupter Übergang zwischen dem oder den Bereichen mit höherer katalytischer Aktivität und dem Bereich oder den Bereichen mit geringerer katalytischer Aktivität vorhanden ist. Ein abrupter Übergang zwischen den Bereichen mit erhöhter katalytischer Aktivität und den Bereichen mit geringerer katalytischer Aktivität ist fertigungstechnisch einfach zu realisieren. Demgegenüber haben ein gestufter oder ein fließender Übergang zwischen den Bereichen verschiedener katalytischer Aktivitäten den Vorteil einer noch besseren Vergleichmäßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements.
Auch sind Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Zonen unterschiedlicher katalytischer Aktivität möglich und zum Teil mit Vorteilen verbunden.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die katalytisch aktive Beschichtung eine spezifische Oberfläche von mehr als 50 m2/g, bevorzugt von mehr als 80 m2/g, aufweist. Dies bedeutet, dass in beschichtetem Zustand des Filterelements die spezifische Oberfläche mehr als 1 m2/g, bevorzugt mehr als 4 m2/g, beträgt. In dieser Angabe ist das Gewicht der Filterwand beziehungsweise des Partikelfilters mit berücksichtigt.
Als geeignete Materialen für die Filterwände des Filterelements haben sich
Aluminiumoxid, Magnesiumsilikate, bevorzugt Cordierit, Titandioxid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumtitanat erwiesen. Allerdings ist die Erfindung auch bei Filterelementen auf metallischer Basis mit Erfolg einsetzbar.
Die eingangs genannten Vorteile werden auch mit einem Rußfilter mit einem
Filterelement, mit einem Gehäuse, mit einer Zuleitung und mit einer Ableitung, dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Filterelement eingesetzt wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der
Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements im
Längsschnitt
Figuren 3, 4 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente,
Figuren 5, 6 Darstellungen des Übergangs zwischen Bereichen hoher katalytischer Aktivität und niedriger Aktivität in Diagrammform und
Figuren 7, 8 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Filterelemente,
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt.
In Figur 2 ist ein Querschnitt durch ein Filterelement 18 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine erste Stirnfläche hat in Figur 2 das Bezugszeichen 22, während eine zweite Stirnfläche in Figur 2 das Bezugszeichen 24 hat.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der zweiten Stirnfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der zweiten Stirnfläche 24 offen und im Bereich der ersten Stirnfläche 22 verschlossen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die radial am weitesten außen liegende Lage der Kanäle (60) an beiden Enden mit Verschlussstopfen (ohne Bezugszeichen) verschlossen. Dies führt dazu, das keine Abgase durch die Kanäle 60 strömt. Die Kanäle 60 stellen eine Wärmedämmung dar, die zu einer Anhebung der Temperatur der Filterelements 18 in den angrenzenden radial außen liegenden Bereichen führt. In Folge dessen wird die Regenerationsrate in diesen Bereichen erhöht.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand (ohne Bezugszeichen) in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
Selbstverständlich können erfindungsgemäße Filterelemente 18 auch in Nutzfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Anwendungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Figur 3 zeigt stark schematisiert ein Filterelement mit kreisförmigem Querschnitt. Dabei wird ein Gesamtdurchmesser D des Filterelements 18 in einen radial außen liegenden Bereich 38 und einen radial innen liegenden Bereich 40 unterteilt. Bei diesem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 ist der äußere Bereich 38 mit einer katalytisch aktiveren Beschichtung versehen als der radial innen liegende Bereich 40. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Menge der katalytischen Komponenten in dem äußeren Bereich 38 größer ist als im inneren Bereich 40. Die unterschiedlichen Aktivitäten der katalytischen Beschichtung kann auch durch unterschiedliche Konzentrationen oder eine andere Wahl der katalytisch wirksamen Bestandteile der Beschichtung eingestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, lediglich den äußeren Bereich 38 katalytisch zu beschichten und den inneren Bereich 40 nicht mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen.
Durch diese Maßnahmen wird unter anderem eine gleichmäßigere Temperaturverteilung bei der Regeneration des im Filterelement 18 abgelagerten Rußes (nicht darge- stellt) erreicht, weil durch die katalytisch aktivere Beschichtung im äußeren Bereich 38 dort trotz der niedrigeren Temperaturen die Regenerationsrate angehoben wird. Im inneren Bereich 40, wo aufgrund der besseren Anströmbedingungen und der geringeren Wärmeableitungen höhere Temperaturen herrschen, findet die Regeneration auch mit einer weniger aktiven katalytischen Beschichtung in ausreichendem Maße statt.
Der Übergang zwischen dem äußeren Bereich 38 und dem inneren Bereich 40 ist durch eine Linie 42 gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ein abrupter Übergang zwischen dem äußeren Bereich 38 und dem inneren Bereich 40 vorhanden ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist das Filterelement 18 noch in einen in axialer Richtung ersten Bereich 44 und einen zweiten Bereich 46 unterteilt. Der axial erste Bereich 44 beginnt an der ersten Stirnfläche22 des Filterelements 18. Der zweite Bereich 46 endet an einer zweiten Stirnfläche 24 des Filterelements 18. Erfindungsge- maß ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 vorgesehen, dass der erste Bereich 44 eine katalytische Beschichtung mit höherer katalytischer Aktivität aufweist als der zweite Bereich 46. Es ist auch möglich, dass der zweite Bereich 46 überhaupt nicht katalytisch beschichtet wird. Durch diese zusätzliche Maßnahme wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Temperaturen im Bereich der ersten Stirnfläche 22 des Filterelements während der Regeneration niedriger sind als im Bereich der zweiten Stirnfläche 24, so dass durch eine katalytisch aktiviere Beschichtung im ersten Bereich 44 auch dort eine ausreichend hohe Regenerationsrate mit Hilfe der katalytischen
Beschichtung eingestellt werden kann. Der Übergang zwischen dem ersten Bereich 44 und dem zweiten Bereich 46 ist in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 48 versehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, lediglich im ersten Bereich 44 des Filterelements 18 eine katalytisch aktivere Beschichtung als im zweiten Bereich 46 des Filterelements 18 vorzusehen und in radialer Richtung eine gleichbleibend aktive katalytische Beschichtung vorzusehen. Dies würde bedeuten, dass die Unterscheidung zwischen den äußeren Bereichen 38 und 40 entfällt und der Übergang 42 nicht vorhanden ist.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 3 ist der Übergang 42 zwischen den Be- reichen unterschiedlicher katalytischer Aktivität abrupt. Dieser abrupte Übergang ist in Figur 5 in einem Diagramm schematisch dargestellt. Dabei ist auf der X-Achse ein Radius R aufgetragen und auf der Y-Achse die katalytische Aktivität der erfindungsgemäßen Beschichtung. Dabei ist die Y-Achse normiert. Einem Wert 1 entspricht eine hohe katalytische Aktivität, während einem Wert kleiner 1, hier etwa 0,2 eine niedrige katalytische Aktivität entspricht.
Der abrupte Übergang zwischen der niedrigen katalytischen Aktivität im inneren Bereich 40 und der hohen katalytischen Aktivität im äußeren Bereich 38 ist in Figur 5 durch eine erste Linie 48 angedeutet. Alternativ ist es auch möglich, dass der Übergang zwischen der niedrigen katalytischen Aktivität und der erhöhten katalytischen Aktivität gestuft ist, wie dies durch eine zweite Linie 50 angedeutet ist. Zudem ist es möglich, einen fließenden Übergang zwischen dem Bereich mit niedriger katalytischer Aktivität und mit erhöhter katalytischer Aktivität vorzusehen, wie dies anhand der dritten Linie 52 dargestellt ist.
Wenn sich die Bereiche niedriger und hoher katalytischer Aktivität (40, 38) sich teilweise überlappen, entsteht ein Überlappungsbereich 54 mit einer höheren katalytischen Aktivität (Linie 53) als in den Bereichen 40 und 38.
In Figur 6 sind die Übergänge zwischen dem ersten Bereich 44 und dem zweiten Bereich 46 ebenfalls durch Linien 48, 50 und 52 angedeutet. Dabei beginnt die X-Achse an der Erste Stirnfläche 22 und endet an der Zweite Stirnfläche 24. Auch hier ist es alternativ möglich, einen abrupten Übergang (erste Linie 48), einen gestuften Übergang (zweite Linie 50) oder einen fließenden Übergang (dritte Linie 52) oder einen Überlappungsbereich 54 zwischen dem ersten Bereich 44 mit erhöhter katalytischer Aktivität und dem zweiten Bereich 46 mit demgegenüber niedrigerer katalytischer Aktivität vor- zusehen. Auch hierbei kann in dem Überlappungsbereich 54 eine höhere katalytische Aktivität (Linie 53) als in den Bereichen 38 und 40 erreicht werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 ist ein Querschnitt durch ein Filterelement stark vereinfacht dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass das Filterele- ment 18 in verschiedene Segmente 54 und 56 unterteilt ist. Dabei ist in jedem der Segmente 54 und 56 eine Vielzahl von Eintrittskanälen 28 und Austrittskanälen 30 vorhanden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Eintrittskanäle 28 und Austrittskanäle 30 nicht dargestellt. Die außen liegenden Segmente 54, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle mit Bezugszeichen versehen wurden, weisen eine Beschichtung mit erhöhter katalytischer Aktivität auf, während die innen liegenden
Segmente 56 demgegenüber eine geringere katalytische Aktivität aufweisen. Dadurch wird ebenfalls der erfindungsgemäße Effekt erreicht, dass in den Außenbereichen eine erhöhte katalytische Aktivität vorhanden ist und dadurch in den kühleren Außenbereichen ebenfalls eine hohe Regenerationsrate erreicht wird.
Figur 8 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 in einer isometrischen Darstellung. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die verschiedenen Segmente auch in Längsrichtung in einen ersten Bereich 44 und einen zweiten Bereich 46 unterteilt sein können. Auch hier ist es wieder möglich, dass der Übergang zwischen dem ersten Bereich 44 und dem zweiten Bereich 46 entweder abrupt, wie es in Figur 8 dargestellt ist, oder gestuft beziehungsweise fließend erfolgt, wie dies anhand der Figur 6 erläutert wurde. Auch hierbei kann in dem möglichen Überlappungsbereich der Bereiche 44 und 46 eine höher katalytische Aktivität als in den einzelnen Bereichen 44 und 46 selbst vorhanden sein.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 3 und 4 hat der radial innere Bereich 40 eine kreisförmige Querschnittsfläche, während der radial äußere Bereich 38 eine kreisringförmige Querschnittsfläche hat. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Querschnittsgeometrien, insbesondere elliptische oder quadratische beziehungsweise polygonale Querschnittsgeometrien sowohl des inneren Bereichs 40 als auch des radial äußeren Bereichs 38 möglich sind. Dies kann in besonderen Fällen nötig sein, beispielsweise wenn die Platzverhältnisse in dem Fahrzeug, in dem das erfindungsgemäße Filterelement 14 eingebaut werden soll, dies vorgeben oder wenn die Anströmbedingungen durch das Abgasrohr 12 eine nicht kreisförmige beziehungsweise kreisringförmige Querschnittsfläche erfordern.

Claims

Ansprüche
1. Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse (26), mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle
(30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, und wobei die Filterwände (34) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine katalytisch aktive Beschichtung radial ungleich über das Filterelement (18) verteilt ist.
2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der katalytisch aktiven Beschichtungen in einem radial außen liegenden Bereich (38) eine höhere katalytische Aktivität gegenüber einem oder mehreren im Abgas enthaltenen Schadstoffen hat als in einem weiter innen liegenden Bereich (40) des Filterelements (18).
3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außen liegenden Bereich (38) mit höherer katalytischer Aktivität mindestens 2% und höchstens 35% eines Gesamtdurchmessers (D) des Filterelements (18) beträgt.
4. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Filterelements (18) in verschiedenen Segmente (54, 56) unterteilt ist, und dass die verschiedenen Segmente (54, 56) unterschiedliche katalytische Beschichtungen aufweisen.
5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung im Bereich einer ersten Stirnfläche (22) eine höhere katalytische Aktivität hat als im Bereich einer zweiten Stirnfläche (24).
6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließender Übergang (52) , ein gestufter (50) oder ein abrupter Übergang (48) zwischen dem Bereich mit höherer katalytischer Aktivität und dem Bereich mit geringerer katalytischer Aktivität ausgebildet ist.
7. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (40) oder den Segmenten (56 ) mit geringerer katalytischer Aktivität keine katalytisch aktive Beschichtung vorhanden ist.
8. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung einen oder mehrere metalloxidische Stoffe aus der Gruppe Aluminiumoxide (AI2O3), Aluminium-Silikat (x AI2O3. y SiO2), Silizium-
Dioxid (SiO2), Zirkon-Dioxid (ZrO2), Titan-Dioxid (TiO2), Cer-Trioxid (Ce2O3) und den Oxiden der Lanthanoide oder Mischoxide der genannten Elemente umfasst.
9. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung Alkali- Metalloxide, Erdalkali- Metall- oxide und/oder keramische oder mineralische Stoffe, insbesondere Silizium-Carbid
(SiC), Cordierit, Boehmit und Zeolithe, beispielsweise mit Übergangsmetallen ausgetauschte Zeolithe, umfasst.
10. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung eines oder mehrere Edelmetalle aus der Gruppe der Platinmetalle, insbesondere Platin, Rhodium und Palladium, umfasst.
11. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrer Bestandteile der katalytisch aktiven Beschichtung aus dreidimensional strukturierten Teilchen und/oder aus Mischungen derselben beste- hen.
12. Filterelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile der katalytischen Beschichtung aus kugelförmigen, nadeiförmigen, plättchenförmi- gen, agglomerierten, porösen, verästelten Teilchen und/oder aus Mischungen derselben bestehen.
13. Filterelement nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die katalytisch aktive Beschichtung eine spezifische Oberfläche von mehr als 50 Quadratmetern pro Gramm, bevorzugt von mehr als 80 Quadratmetern pro Gramm, aufweist.
14. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordie- rit, Titandioxid (TiO2), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat bestehen.
15. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwände (34) aus Metall, bevorzugt aus Sintermetall, Metallfaser oder Metall- schäum, bestehen.
16. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lage der radial am weitesten außen liegenden Kanäle (60) sowohl an der Erste Stirnfläche (22) als auch an einer Zweite Stirnfläche (24) des Filterelements (18) verschlossen sind.
17. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine katalytisch aktive Beschichtung radial ungleich über das Filterelement (18) verteilt ist.
18. Filtereinrichtung mit einem Filterelement (18), mit einem Gehäuse (16) und mit einem Abgasrohr (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein Filter- element (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
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