WO2008128650A1

WO2008128650A1 - Keramischer formkörper für ein dieselpartikelfilter

Info

Publication number: WO2008128650A1
Application number: PCT/EP2008/002813
Authority: WO
Inventors: Timo Walz
Original assignee: Elringklinger Ag
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2008-10-30
Also published as: DE102007018239A1; EP2134443A1

Abstract

Keramischer Formkörper eines Dieselpartikelfilters, der im Bereich seines Einlassendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines Auslassendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper-Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, die Kanalwände mindestens bereichsweise Filteröffnungen aufweisen, sich der Strömungsquerschnitt eines Auslasskanals zwischen einem Einlass-und einem Auslassende des Auslasskanals derart vergrößert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des Auslasskanals in der abströmseitigen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder sich der Strömungsquerschnitt eines Einlasskanals zwischen einem Einlass- und einem Auslassende des Einlasskanals derart verkleinert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte. Um einen solchen keramischen Formkörper kostengünstig herstellen zu können, wird er so ausgebildet, dass die Änderung der Größe des Strömungsquerschnitts eines Einlasskanals und/oder eines längs des Abgaskanals in Stufen erfolgt.

Description

Keramischer Formkörper für ein Dieselpartikelfilter

Bei modernen Diesel-Hubkolbenmotoren werden zur Nachbehandlung der Abgase aus dem Verbrennungsprozess sogenannte Dieselpartikelfilter eingesetzt, in denen in den Motorabgasen enthaltene Rußpartikel zurückgehalten werden. Durch diese im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel steigt der Strömungswiderstand des Dieselpartikelfilters und dadurch der Gasdruck, gegen den die Abgase (Verbrennungsgase) aus dem Motor abströmen, was sich unter anderem negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Deshalb muss ein solches Dieselpartikelfilter in unregelmäßigen Zeitabständen, deren Länge bei einem Fahrzeug-Dieselmotor vom Fahrverhalten abhängt, regeneriert werden, wobei die im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel verbrannt werden, d. h. der Kohlenstoff zu CO₂ oxidiert wird.

Gebräuchliche Dieselpartikelfilter enthalten einen länglichen keramischen Formkörper mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der keramische Formkörper im Bereich seines einen, ein Einlassende des Formkörpers bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper-Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist und die zwischen Einlass- und Auslasskanälen liegenden porösen Kanalwände mit ihren Poren definierte Filteröffnungen bilden.

Zur Regenerierung des Dieselpartikelfilters, d. h. zum Oxidieren der im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel zu CO₂, sind die Kanalwände mindestens bereichsweise mit einer katalytisch wirksamen Substanz versehen, damit die Oxidation, d. h. die Verbrennung, der Rußpartikel bereits bei moderaten Temperaturen effizient erfolgt; dabei kann die Katalysatorsubstanz auf den Kanalwänden und/oder auf den Wänden der Poren der Kanalwände vorgesehen sein.

Bei den üblichen Dieselpartikelfiltern der vorstehend erwähnten Art hat der keramische Formkörper für die Dieselabgase Abgaskanäle, die alle längs des gesamten Formkörpers geradlinig verlaufen und einen konstanten Kanalquerschnitt aufweisen, wobei im Allgemeinen die Einlasskanäle und die Auslasskanäle die gleiche Querschnittsform, üblicherweise einen quadratischen Quer- schnitt, sowie dieselbe Querschnittsfläche haben.

Wegen des teuren keramischen Material des keramischen Formkörpers und der für die Oxidation der zurückgehaltenen Rußpartikel verwendeten kataly- tisch wirksamen Substanz, welche gleichfalls teuer ist, wird für ein Diesel- partikelfilter ein möglichst kompakter keramischer Formkörper angestrebt. Bei den derzeit in Diesel-Personenkraftwagen eingesetzten Dieselpartikelfiltern hat der keramische Formkörper eine Gesamtlänge von ca. 20 cm; über diese Länge durchströmen die in die Einlasskanäle des keramischen Formkörpers einströmenden Abgase die als Filterelemente dienenden Kanalwände zwischen den Einlasskanälen und den Auslasskanälen. Je höher nun die Anzahl der Abgaskanäle pro Flächeneinheit des Querschnitts des keramischen Formkörpers ist, umso höher ist die vom Dieselpartikelfilter zur Verfügung gestellte, für den Filtereffekt wirksame Filteroberfläche. Andererseits wird durch die Vermehrung der Anzahl der Abgaskanäle pro Flächeneinheit des Querschnitts des kerami- sehen Formkörpers bei den vorstehend beschriebenen bekannten Dieselpartikelfiltern der Querschnitt der Abgaskanäle vermindert, wodurch der vom Dieselpartikelfilter erzeugte Abgasgegendruck, gegen den die Motorabgase abströmen, erhöht wird, und dieser Abgasgegendruck steigt in den Intervallen zwischen der Regenerierung des Dieselpartikelfilters durch die im Filter ver- mehrt zurückgehaltenen Rußpartikel laufend an.

Der Erfinder hat nun bezüglich der vorstehend beschriebenen bekannten Dieselpartikelfilter erkannt, dass in deren keramischem Formkörper die Auslasskanäle im Bereich des anströmseitigen Endes des Formkörpers und darüber hinaus über einen Teil der Länge der Auslasskanäle hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts überdimensioniert sind, weil in diesen Bereichen nur verhältnismäßig geringe Mengen der Abgase von den Einlasskanälen durch die als Filter wirkenden Kanalwände hindurch in die Auslasskanäle gelangt sind, d. h. in diesen Bereichen ist in den Auslasskanälen noch verhältnismäßig wenig gereinigtes Abgas vorhanden. Entsprechendes gilt für die Einlasskanäle, die im Bereich des abströmseitigen Endes des keramischen Formkörpers und darüber hinaus über einen Teil der Länge der Einlasskanäle nur noch verhältnismäßig geringe Mengen von noch zu reinigenden Abgasen enthalten, da schon zuvor (in Durchströmrichtung der Einlasskanäle stromaufwärts) der größte Teil der zu reinigenden Abgase durch die Kanalwände hindurch in die Auslasskanäle übergetreten ist, d. h. die Einlasskanäle sind in den erwähnten Bereichen hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts überdimensioniert. Aus dieser Erkenntnis des Erfinders folgt, dass die vorstehend beschriebenen be- kannten Dieselpartikelfilter hinsichtlich der Dimensionierung ihres keramischen Formkörpers verbesserungsfähig sind.

Aus der FR-2 789 327-A geht ein keramischer Formkörper eines Dieselpartikelfilters hervor, welcher sich vom keramischen Formkörper der vor- stehend beschriebenen üblichen Dieselpartikelfilter dadurch unterscheidet, dass die Querschnittsfläche der Einlasskanäle in Durchströmrichtung des Formkörpers kontinuierlich abnimmt, während die Querschnittsfläche der Auslasskanäle in Durchströmrichtung kontinuierlich zunimmt (siehe Figur 7 sowie den die Seiten 8 und 9 verbindenden Absatz). Nach der Offenbarung der FR-2 789 327-A ist Sinn und Zweck dieser Gestaltung der Abgaskanäle, insbesondere der Einlasskanäle dieses bekannten keramischen Formkörpers allein die Verlängerung der Nutzungsdauer des Dieselpartikelfilters, ehe dieses ausgetauscht oder von Rückständen befreit werden muss, welche beim Verbrennen der durch das Filter zurückgehaltenen Rußpartikel an den Wänden der Einlasskanäle zurückbleiben und bei denen es sich um Metalloxide handelt, welche auf die katalytisch wirksame Substanz zurückzuführen sind, welche die Verbrennung der Rußpartikel befördert und sich auf den Wänden der Einlasskanäle befindet (siehe die Zeilen 6 bis 10 sowie 22 bis 24 der Seite 2). Wie der sich aus der FR-2 789 327-A ergebende keramische Formkörper mit sich in dessen Längsrichtung kontinuierlich ändernden Kanalquerschnittsflächen hergestellt werden soll, lässt dieses Dokument offen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen keramischen Formkörper eines Dieselpartikelfilters zu schaffen, welcher möglichst kompakt baut, das heißt möglichst kleine Abmessungen aufweist, und zwar bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung nach einem möglichst geringen Strömungs- widerstand seiner Abgaskanäle, und welcher sich mittels eines für eine

Serienfertigung geeigneten Verfahrens ohne hohe Herstellkosten produzieren lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem keramischen Form- körper eines Dieselpartikelfilters mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des keramischen Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der Formkörper im Bereich seines einen, ein Einlassende bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper- Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist, die Kanalwände mindestens bereichsweise mit definierten Filteröff- nungen versehen sind und mindestens bei einem überwiegenden Teil der Auslasskanäle sich der Strömungsquerschnitt eines Auslasskanals zwischen einem Einlass- und einem Auslassende des Auslasskanals derart vergrößert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals in der abströmseiti- gen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder mindestens bei einem überwiegenden Teil der Einlasskanäle sich der

Strömungsquerschnitt eines Einlasskanals zwischen einem Einlass- und einem Auslassende des Einlasskanals derart verkleinert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte. Ein solcher keramischer Formkörper ergibt sich aus der FR-2 789 327-A.

Für einen solchen keramischen Formkörper lässt sich die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lösen, dass die Änderung der Größe des Strömungsquerschnitts längs des Abgaskanals in Stufen (das heißt nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich) erfolgt.

Anders als der sich aus der FR-2 789 327-A ergebende keramische Formkörper mit sich in dessen Längsrichtung kontinuierlich ändernden Strömungsquerschnitten der Einlass- und Auslasskanäle lässt sich der erfindungsgemäße keramische Formkörper mit einem auch für eine Großserienproduktion vertret- baren Aufwand herstellen, und zwar mittels eines für die Produktion keramischer Formkörper für Dieselpartikelfilter bekannten Verfahrens (siehe DE-103 43 046-A), gemäß dem ein Rohling des keramischen Formkörpers durch in dessen Längsrichtung aufeinanderfolgende Schichten durch wiederholte Abfolge der folgenden Schritte aufgebaut wird:

(a) Erzeugung einer dem jeweiligen Querschnitt des keramischen Formkörpers entsprechend gestalteten Schicht aus einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse und

(b) Verfestigung dieser Schicht,

worauf der so erzeugte Rohling gesintert wird. Wie sich gleichfalls aus dem Stand der Technik ergibt, können die Schichten des Rohlings im Siebdruckverfahren erzeugt werden. Anders als bei einem keramischen Formkörper mit sich in dessen Längsrichtung kontinuierlich ändernden Strömungsquerschnitten der Abgaskanäle benötigt man für die Herstellung des Rohlings eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers im Siebdruckverfahren nur verhältnismäßig wenige unterschiedlich gestaltete Siebe (Siebdruckschablonen), da die Änderung der Größe der Strömungsquerschnitte in Stufen erfolgt - wie sich aus dem Folgenden und aus den beigefügten Figuren 1 und 2 ergibt, werden zusätzlich zu zwei unterschiedlichen Sieben für die Erzeugung des Einlassendes und des Auslassendes des keramischen Formkörpers nur noch (n + 1) unterschiedlich gestaltete Siebe benötigt, wobei n gleich der Anzahl der Stufen ist, welche ein Einlasskanal bzw. ein Auslasskanal längs des keramischen Formkörpers aufweist (vorausgesetzt, dass durch die von den Kanalwänden gebildeten Stufen gleichzeitig die Strömungsquerschnitte der Einlasskanäle verkleinert und die Strömungsquerschnitte der Auslasskanäle entspre- chend vergrößert werden).

Wenn vorstehend vom Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals bzw. eines Einlasskanals die Rede ist, darf dies nicht so verstanden werden, dass die Erfindungsdefinition nur einen einzigen Auslasskanal bzw. einen einzigen Einlasskanal betrifft. Ferner sei vorsorglich darauf hingewiesen, dass unter einer abströmseitigen bzw. anströmseitigen Hälfte eines Abgaskanals die in dessen Längsrichtung gemessene Hälfte zu verstehen ist, wobei eine abströmseitige Hälfte eines Abgaskanals am Auslassende des keramischen Formkörpers endet, die anströmseitige Hälfte eines Abgaskanals am Einlassende des Formkörpers beginnt, und dass schließlich unter dem Einlassende bzw. dem Auslassende des keramischen Formkörpers dasjenige Ende des Formkörpers zu verstehen ist, an dem die Abgase in den Formkörper einströmen bzw. den Formkörper verlassen sollen.

Ein erfindungsgemäßer keramischer Formkörper hat auch die Vorteile, dass bei gleicher Anzahl von Abgaskanälen der keramische Formkörper kompakter gestaltet werden kann, vor allem dann, wenn sowohl alle oder die überwiegende Anzahl der Auslasskanäle als auch alle oder die überwiegende Anzahl der Einlasskanäle erfindungsgemäß dimensioniert sind - im letzt- genannten Fall kann der keramische Formkörper über seine ganze Länge einen kleineren Gesamtquerschnitt haben als ein keramischer Formkörper der eingangs beschriebenen bekannten Dieselpartikelfilter, und zwar ohne dass dadurch gegenüber dem Stand der Technik der Strömungswiderstand des Formkörpers erhöht wird. Für einen kompakter bauenden keramischen Formkörper wird eine geringere Menge des teuren Keramikmaterials benötigt, aber auch eine geringere Menge der für die Verbrennung der durch das Filter zurückgehaltenen Rußpartikel verwendeten, gleichfalls teuren katalytisch wirk- samen Substanz. Weist ein erfindungsgemäß gestalteter keramischer Formkörper hingegen dieselben Außenabmessungen wie ein keramischer Formkörper des bekannten, vorstehend beschriebenen Dieselpartikelfilters auf, hat ein erfindungsgemäßer Formkörper auch die folgenden Vorteile (weil sich im Formkörper eine größere Anzahl von Abgaskanälen unterbringen lässt) :

Die durch die Kanalwände zur Verfügung gestellte Filterfläche wird vergrößert; die Strömungsquerschnitte der Einlasskanäle an deren Anströmende lassen sich vergrößern, und entsprechendes gilt für die Auslasskanäle an deren abströmseitigen Enden; der Strömungswiderstand des keramischen Form- körpers wird reduziert, dadurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch des Motors senken und dessen Leistung erhöhen; das Dieselpartikelfilter kann mehr Rußpartikel zurückhalten, ehe es durch Verbrennung der Rußpartikel regeneriert werden muss; schließlich führt die strömungstechnische Optimierung des keramischen Formkörpers auch dazu, dass bei einer Filterregeneration die vom Filter zurückgehaltenen Rußpartikel überall gleichmäßig abgebrannt werden.

Für eine kostengünstige Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers ist es vorteilhaft wenn nicht nur die Stufen in Längsrichtung des Abgaskanals bzw. der Abgaskanäle im Abstand voneinander angeordnet sind, sondern wenn zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen der Strömungsquerschnitt eine gleiche Größe und gleiche Form hat, da sich dadurch die Anzahl der erforderlichen Änderungen bei den im Zuge der Herstellung verwendeten Siebdruckschablonen minimieren lässt. In gleichem Sinne wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn zwischen in Längs- richtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen die Wandstärke der Kanalwände zwischen einander benachbarten Abgaskanälen in Kanallängsrichtung konstant ist. Schließlich vereinfacht es die Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers auch dann, wenn zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen die Kanalwände zwischen einander benachbarten Abgaskanälen parallel zur Längsrichtung des Formkörpers verlaufen - wenn dies nicht der Fall ist, sondern die Kanalwände leicht schräg zur Längsrichtung des Formkörpers verlaufen, muss eine für die Herstellung eines Formkörperabschnitts, der zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen liegt, verwendete Siebdruckschablone jeweils nach der Erzeugung einer Schicht in der von der Siebdruckschablone definierten Ebene etwas verschoben werden.

Zu den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers sei noch bemerkt, dass die vorstehenden Definitionen dieser bevorzugten Ausführungsformen nicht auf solche Bereiche eines Formkörperabschnitts zutreffen, in denen die Kanalwände mit Elementen, wie kleinen Vorsprüngen, versehen sind, die dem Zweck dienen, in der einen Abgaskanal durchströmenden Abgasströmung Tur- bulenzen zu erzeugen, um den Kontakt der Abgase mit katalytisch wirksamen Substanzen zu intensivieren, mit denen die Kanalwände versehen worden sind.

Da bei einem erfindungsgemäßen keramischen Formkörper die Wandstärke der Kanalwände typischerweise nur ca. 0,25 mm beträgt, werden Ausführungsformen empfohlen, bei denen an einer Stufe der Versatz zweier in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Kanalwandabschnitte maximal 25 % der Wandstärke eines Kanalwandabschnitts beträgt, um zu vermeiden, dass im Bereich einer solchen Stufe die Kanalwand zu stark geschwächt wird. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen beträgt an einer Stufe der Versatz zweier in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Kanalwandabschnitte maximal 5 % und vorzugsweise nur ungefähr 2 % der Wandstärke eines Kanalwandabschnitts.

Da bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers mit schichtweisem Aufbau im Siebdruckverfahren die Dicke der Schichten typischerweise nur ca. 40 μm beträgt, und da dabei formbare keramische Massen verarbeitet werden, ist es einleuchtend, dass nicht schon die Herstellung des Formkörpers im Siebdruckverfahren zwangsläufig zu einer stufenförmigen Veränderung der Strömungsquerschnitte der Abgaskanäle führt, und zwar auch nicht bei der Herstellung eines keramischen Formkörpers, wie er sich aus Figur 7 der FR-2 789 327-A ergibt, denn angesichts der geringen Schichtdicke und der Verarbeitung formbarer keramischer Massen lässt sich am gesinterten keramischen Formkörper noch nicht einmal bei einer Untersuchung mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) der schichtweise Aufbau des keramischen Formkörpers erkennen.

Für einen erfindungsgemäßen keramischen Formkörper eines Dieselpartikel- filters ergeben sich optimale Strömungsverhältnisse dann, wenn das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Einlasskanäle zur Summe der Querschnittsflächen der Auslasskanäle im Bereich des Einlassendes des Formkörpers ungefähr 2,5 bis 3,5, vorzugsweise ungefähr 3, und im Bereich des Auslassendes des Formkörpers ungefähr 0,9 bis 1,2, vorzugsweise ungefähr 1,1 beträgt.

Da im Betrieb eines Dieselpartikelfilters die zurückgehaltenen Rußpartikel an den Wänden der Einlasskanäle Schichten mit einer Dicke von mehreren Zehntel Millimetern bilden können, ehe eine Regeneration des Filters erfolgt, sollten die Querschnittsflächen der Einlasskanäle an ihren dem Auslassende des keramischen Formkörpers benachbarten Enden nicht allzu klein sein, weil sich dies nachteilig auf den Abgasgegendruck auswirken würde, den das Dieselpartikelfilter verursacht, ehe es wieder regeneriert wird. Deshalb empfehlen sich Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers, bei denen im Bereich des Auslassendes des Formkörpers die Querschnittsfläche eines Einlasskanals mindestens 0,2 mm², vorzugsweise mindestens ungefähr 0,25 mm² beträgt.

Eine optimale Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ergibt sich dann, wenn der Strömungsquerschnitt der Auslasskanäle über deren ganze Länge vom abströmseitigen Ende eines Auslasskanals zu dessen anderem Ende in Stufen abnimmt bzw. der Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle über deren ganze Länge vom anströmseitigen Ende eines Einlasskanals zu dessen anderem Ende in Stufen abnimmt. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers erfolgt die Änderung des Strömungsquerschnitts längs des Abgaskanals bzw. längs der Abgaskanäle also in Stufen, wobei die Änderung in Stufen wörtlich so verstan- den werden kann (aber nicht muss), dass die Kanalwände Abstufungen aufweisen, durch welche der Strömungsquerschnitt eines Abgaskanals sprunghaft geändert wird. Eine solche Stufe könnte aber auch etwas schräg verlaufen (in einem Längsschnitt durch den betreffenden Abgaskanal), obwohl dies aus herstellungstechnischen Gründen nicht bevorzugt wird.

Eine besonders dichte Packung der Abgaskanäle in einem erfindungsgemäßen keramischen Formkörper lässt sich dadurch erreichen, dass, abgesehen von einem Umfangsrand des Formkörpers, die Einlasskanäle eine andere Querschnittsform haben als die Auslasskanäle, und zwar insbesondere dann, wenn der keramische Formkörper ungefähr die Gestalt eines Kreiszylinders hat. Durch unterschiedliche Querschnittsformen von Einlass- und Auslasskanälen lassen sich auch Kanalwände mit geringstmöglichen Wandstärken erreichen, was nicht nur hinsichtlich des Materialaufwands von Vorteil ist, sondern auch hinsichtlich des Strömungswiderstands des keramischen Formkörpers. Diese Vorteile sind besonders ausgeprägt bei einer Ausführungsform, die sich dadurch auszeichnet, dass die eine, erste Art von Abgaskanälen, d. h. die Einlass- oder die Auslasskanäle, mindestens ungefähr einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und im keramischen Formkörper nach Art eines Wabenmusters angeordnet sind, und dass die andere, zweite Art von Abgaskanälen zur optimalen Ausnutzung der Querschnittszwischenräume des keramischen Formkörpers zwischen den ersten Abgaskanälen einen ungefähr mehreckigen Querschnitt aufweisen (die Änderung der Strömungsquerschnitte der Abgaskanäle längs des keramischen Formkörpers kann dabei dazu führen, dass aus einem z. B. dreieckigen Querschnitt ein z. B. sechseckiger Querschnitt wird).

Bei bekannten Dieselpartikelfiltern mit den keramischen Formkörper geradlinig durchquerenden Durchströmkanälen mit überall gleichem Querschnitt wird der Formkörper üblicherweise aus einer durch Härten (Trocknen) und Sintern verfestigbaren keramischen Masse im Strangpress- oder Stranggießverfahren hergestellt. Ein solches Herstellverfahren erlaubt es jedoch naturgemäß nicht, erfindungsgemäße Querschnittsänderungen in den Abgaskanälen zu erzeugen.

Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers vorgeschlagen, bei dem ein zu sinternder Rohling des Formkörpers schichtweise aufgebaut wird, und zwar in zur Längsrichtung der Abgaskanäle quer verlaufenden Schichten, welche nicht alle gleich gestaltet sind, da mit den Schichten Abgaskanäle mit sich längs der Kanäle veränderndem Strömungsquerschnitt erzeugt werden müssen. Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Rohling des Formkörpers durch in Kanallängsrichtung aufeinanderfolgende Schichten durch wiederholte Abfolge der folgenden Schritte aufgebaut wird:

(a) Erzeugung einer dem jeweiligen Querschnitt des Formkörpers entsprechend gestalteten Schicht aus einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse und

(b) Verfestigung dieser Schicht,

worauf der so erzeugte Rohling gesintert wird.

Besonders einfach lassen sich solche Schichten mit definierten Poren, und zwar auch Schichten unterschiedlicher Gestalt, im Siebdruckverfahren erzeu- gen. Am einfachsten erfolgt die Verfestigung einer zuvor hergestellten Schicht durch Trocknen, wobei die Schicht nur insoweit verfestigt werden muss, dass sie beim Auftragen der nächsten Schicht ihre Gestalt nicht mehr ändert. Nach der Erzeugung aller Schichten und der Verfestigung der zuletzt aufgetragenen Schicht wird der Rohling dann gesintert.

Formbare keramische Massen, die beim Verfestigen und beim Sintern des Rohlings ihre Dimensionen zumindest nicht nennenswert ändern, sind auf dem Markt erhältlich. Ein solches Herstellverfahren für keramische Formkörper, welche mit kataly- tisch wirksamen Substanzen versehen sind, ergibt sich, wie bereits erwähnt, aus der DE-103 43 046-A.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten schematischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers sowie der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsform; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den keramischen Formkörper;

Fig. IA den durch Linien angedeuteten Ausschnitt aus Fig. 1 in größerem Maßstab; Fig. 2 eine Stirnansicht des keramischen Formkörpers gemäß Fig. 1 von rechts gesehen;

Fig. 3 eine Stirnansicht des keramischen Formkörpers gemäß Fig. 1 von links gesehen;

Fig. 4 einen Schnitt durch den Formkörper nach der Linie 4-4 in Fig.

1 und

Fig. 5 einen Schnitt durch den Formkörper gemäß der Linie 5-5 in Fig. 1.

Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers hat die Gestalt eines Kreiszylinders, welcher im Abgasstrang eines Dieselmotors so angeordnet sein soll, dass der Formkörper durch die noch nicht gereinigten Abgase gemäß Fig. 1 von links angeströmt wird und die gereinigten Abgase den Formkörper gemäß Fig. 1 nach rechts verlassen. Bei dem Formkörper handelt es sich erfindungsgemäß um einen monolithischen Keramikkörper mit einer kreiszylindrischen Außenwand 10. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass bei einem Dieselpartikelfilter der keramische Formkörper immer in einem Stahlblechgehäuse angeordnet ist. In den Zeichnungsfiguren wurde die Längsmittelachse des keramischen Formkörpers mit 12 bezeichnet.

In dem keramischen Formkörper sind in dessen Längsrichtung und parallel zueinander verlaufende Abgas-Einlasskanäle 14 sowie parallel zu diesen verlaufende Abgas-Auslasskanäle 16 ausgebildet. Sieht man von den unmittelbar an die Außenwand 10 angrenzenden Abgaskanälen ab, sind alle Einlasskanäle 14 identisch gestaltet und ebenso sind alle Auslasskanäle 16 identisch gestaltet. Wegen der kreiszylindrischen Außenwand 10 gibt es aber auch Einlasskanäle 14a und Auslasskanäle 16a mit anderer Querschnittsform.

Wie die Figuren 2 bis 5 erkennen lassen, haben die Einlasskanäle 14 einen kreisrunden Querschnitt, dessen Größe sich jedoch längs der Einlasskanäle in noch zu beschreibender Weise ändert, und die Einlasskanäle 14 sind zur Erzielung einer dichten Packung im Formkörper nach Art eines Wabenmuster (honeycomb) angeordnet. In den Zwischenräumen zwischen den Einlasskanälen 14 liegen die Auslasskanäle 16, für die sich infolgedessen eine Quer- schnittsform ergibt, welche ungefähr dreieckig bis fünfeckig (siehe die Figuren 4 und 5) ist und die sich ebenso wie die Querschnittsgröße längs der Auslasskanäle 16 ändert. Durch die Anordnung der Einlasskanäle 14, 14a und der Auslasskanäle 16, 16a im Formkörper verlaufen neben jedem Einlasskanal mehrere Auslasskanäle und neben jedem Auslasskanal mehrere Einlasskanäle. Sieht man von der Außenwand 10 ab, werden die Einlasskanäle 14, 14a und die Auslasskanäle 16, 16a durch in Längsrichtung des Formkörpers bzw. der Abgaskanäle verlaufende Kanalwände 18 begrenzt, welche alle porös sind und mit ihren Poren definierter Größe definierte Filteröffnungen bilden sowie an ihren Oberflächen und/oder den Wänden der Poren mit einer katalytisch wirk- samen Substanz versehen sind, um vom keramischen Formkörper zurückgehaltene Dieselrußpartikel bei moderaten Temperaturen verbrennen, d. h. zu CO₂ oxidieren, zu können. Der keramische Formkörper ist so gestaltet, dass die Einlasskanäle 14, 14a am gemäß Fig. 1 linken einlassseitigen Ende, d. h. dem Anströmende des Keramikkörpers, offen sind, während sie am anderen Ende durch vom Keramikkörper gebildete Verschlusswände 14b verschlossen sind. Für die Auslass- kanäle 16, 16a gilt das umgekehrte, d. h. die Auslasskanäle sind am gemäß Fig. 1 rechten Ende, d. h. dem Auslass- oder Abströmende des Formkörpers, offen und am gegenüberliegenden Anströmende des Formkörpers durch von diesem gebildete Verschlusswände 16b verschlossen.

Wie die Fig. IA erkennen lässt, verengen sich die Einlasskanäle 14 (entsprechendes gilt für die Einlasskanäle 14a) in der in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Durchströmrichtung des keramischen Formkörpers, wobei sich die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 14, 14a längs der Durchströmrichtung gemäß Fig. 1 von links nach rechts entlang der Einströmkanäle nicht stetig verändert, nämlich verkleinert, sondern in Stufen (wegen des später noch zu erwähnenden Herstellverfahrens), und gleiches gilt für die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der Auslasskanäle 16, 16a entlang dieser Kanäle gemäß Fig. 1 von links nach rechts. Zu diesem Zweck weisen die Kanalwände 18 in Fig. IA deutlich erkennbare Abstufungen auf, welche einerseits zu einer Querschnittsverkleinerung der Einströmkanäle 14, 14a und andererseits zu einer Querschnittsvergrößerung der Ausströmkanäle 16, 16 führen.

Bei einer für Dieselpartikelfilter typischen Länge des keramischen Formkörpers von ca. 20 cm hat bei einem erfindungsgemäß gestalteten keramischen Form- körper jeder Abgaskanal 14, 14a, 16, 16a 5 bis 20 Abstufungen. Die Stufenhöhe liegt typischerweise zwischen 2 μm und 200 μm und vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm, d. h. der Durchmesser des jeweiligen Abgaskanals wird durch jede Abstufung 20 um das Doppelte der vorgenannten Werte vermindert bzw. vergrößert. Der Durchmesser der Abgaskanäle 14, 14a, 16, 16a hat typischerweise einen Mittelwert zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. In den Figuren 4 und 5 wurden die jeweils dort vorliegenden Durchmesser der Einlasskanäle 14 mit Di bzw. D₂ bezeichnet, wobei Di z. B. 1,5 mm und D₂ z. B. 1,25 mm betragen kann. Bei einem keramischen Formkörper mit im Querschnitt kreisrunden Einlasskanälen beträgt das Verhältnis der Einlasskanalquerschnitts- fläche zur Auslasskanalquerschnittsfläche am anströmseitigen Ende des keramischen Formkörpers z. B. 2,95, am abströmseitigen Ende des Formkörpers nur noch 1,08.

Wenn der zu sinternde Rohling des monolithischen keramischen Formkörpers, wie vorstehend beschrieben wurde, schichtweise erzeugt wird, und zwar mittels eines Siebdruckverfahrens zur Erzeugung der Schichten, bedarf es nur so vieler Siebdruckschablonen, wie längs eines Abgaskanals Abstufungen 20 vorhanden sind, zuzüglich einer weiteren Siebdruckschablone sowie derjenigen Siebdruckschablonen, mit deren Hilfe auch die Verschlusswände 14b und 16b hergestellt werden. Typischerweise haben die bei diesem Herstellverfahren erzeugten Schichten eine Dicke von ca. 40 μm.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers wird die Verwendung einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse empfohlen, welche außer den später zusammenzusinternden Keramikpartikeln und einem durch Erhitzen verflüchtigbaren Bindemittel Partikel enthält, welche beim Er- hitzen des schichtweise aufgebauten Rohlings des Formkörpers zur Porenbildung führen, und zwar zur Bildung eines offenporigen Formkörpers, weil die diese Partikel bildende Substanz beim Erhitzen aus der keramischen Masse ausgetrieben wird. Durch den Anteil dieser porenbildenden Partikel an der den Rohling bildenden keramischen Masse und/oder durch die Größe der poren- bildenden Partikel lassen sich der Grad der Porosität sowie die Porengröße bestimmen.

Handelt es sich bei einem erfindungsgemäßen keramischen Formkörper um einen solchen für ein Dieselpartikelfilter für Personenkraftwagen, hat der Formkörper vorzugsweise eine Länge von ca. 20 cm. Ferner zeichnen sich bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers dadurch aus, dass, in Längsrichtung eines Abgaskanals gemessen, in dieser Richtung aufeinanderfolgende Stufen in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der ca. 6 bis 10 mm, insbesondere ca. 8 mm beträgt.

Hat eine Kanalwand eine Wandstärke in der Größenordnung von ca. 0,25 mm, empfehlen sich Stufenhöhen in der Größenordnung von 3 bis 7 μm, insbesondere in der Größenordnung von 5 μm; liegen in einem Abgaskanal (in einem Längsschnitt durch den keramischen Formkörper) zwei Stufen einander gegenüber, wird dadurch der Abgaskanaldurchmesser um ca. 6 bis 14 μm, insbesondere um ca. 10 μm verändert.

Wie sich insbesondere der Figur 4 entnehmen lässt, sind bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers einem Einlasskanal nicht nur Auslasskanäle benachbart bzw. einem Auslasskanal nicht nur Einlasskanäle benachbart, sondern auch Einlasskanäle bzw. Auslasskanäle. Grundsätzlich könnten in einem erfindungsgemäßen keramischen Formkörper die Kanalwände aber auch nur zwischen einem Einlasskanal und diesem benachbarten Auslasskanälen bzw. zwischen einem Auslasskanal und diesem benachbarten Einlasskanälen verlaufen, auch wenn eine solche Gestaltung nicht bevorzugt wird, da diese nicht zu einer optimal dichten Packung der Einlasskanäle und damit nicht zu einer optimalen Filterwirkung führt.

Claims

Patentansprüche

1. Keramischer Formkörper eines Dieselpartikelfilters mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des keramischen Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der Formkörper im Bereich seines einen, ein Einlassende bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper- Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Ein- lassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist, die Kanalwände mindestens bereichsweise mit definierten Filteröffnungen versehen sind und mindestens bei einem überwiegenden Teil der Auslasskanäle sich der Strömungsquerschnitt eines Auslasskanals zwischen einem Einlass- und einem Auslassende des Auslasskanals derart vergrößert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des Auslasskanals in der abströmseitigen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder mindestens bei einem überwiegenden Teil der Einlasskanäle sich der Strömungsquerschnitt eines Einlasskanals zwischen einem Einlass- und einem Auslassende des Einlasskanals derart verkleinert, dass der Mittelwert des Strömungsquerschnitts des Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Größe des Strömungsquerschnitts des Auslasskanals bzw. des Einlasskanals längs des Kanals in Stufen erfolgt.

2. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen in Längsrichtung des Abgaskanals im Abstand von^¬ einander angeordnet sind.

3. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen der Strömungsquerschnitt eine mindestens ungefähr gleiche Größe und Form hat.

4. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen die Wandstärke der Kanalwände zwischen einander benachbarten Abgaskanälen in Kanallängsrichtung mindestens ungefähr konstant ist.

5. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgenden Stufen die Kanalwände zwischen einander benachbarten Abgaskanälen mindestens ungefähr parallel zur Längsrichtung des Formkörpers verlaufen.

6. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stufe der Versatz zweier in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgender Kanalwandabschnitte maximal 25 % der Wandstärke eines Kanalwandabschnitts beträgt.

7. Keramischer Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stufe der Versatz zweier in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgender Kanalwandabschnitte maximal 5 % und vorzugsweise ungefähr 2 % der Wandstärke eines Kanalwandabschnitts beträgt.

8. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Einlasskanäle zur Summe der Querschnittsflächen der Auslasskanäle im Bereich des Einlassendes des Formkörpers ungefähr 2,5 bis 3,5, vorzugsweise ungefähr 3, und im Bereich des Auslassendes des Formkörpers ungefähr 0,9 bis 1,3, vorzugsweise ungefähr 1,1, beträgt.

9. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Auslassendes des Formkörpers die Querschnittsfläche eines Einlasskanals mindestens 0,2 mm², vorzugsweise mindestens ungefähr 0,25 mm² beträgt.

10. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass abgesehen von den an einen Außenmantel des Formkörpers angrenzenden Einlasskanälen alle Einlasskanäle gleich gestaltet sind.

11. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass abgesehen von den an einen Außenmantel des Formkörpers angrenzenden Auslasskanälen alle Auslasskanäle gleich gestaltet sind.

12. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Auslasskanäle über deren ganze Länge vom abströmseitigen Ende eines Auslasskanals zu dessen anderem Ende in Stufen abnimmt.

13. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle über deren ganze Länge vom anströmseitigen Ende eines Einlasskanals zu dessen anderem Ende in Stufen abnimmt.

14. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass abgesehen von einem Umfangsrandbereich des Formkörpers die Einlasskanäle eine andere Querschnittsform haben als die Auslasskanäle.

15. Keramischer Formköper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eine, erste Art von Abgaskanälen, das heißt die Einlass- oder die Auslasskanäle, einen mindestens ungefähr kreisrunden Querschnitt aufweisen und im keramischen Formkörper nach Art eines Wabenmusters angeordnet sind, und dass die andere, zweite Art von Abgaskanälen zur optimalen Ausnutzung der Querschnittszwischenräume des keramischen Formkörpers zwischen den ersten Abgaskanälen einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.

16. Keramischer Formkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

17. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stufe durch einen Versatz zweier in Längsrichtung des Abgaskanals aufeinanderfolgender Kanalwandabschnitte sich in Durchströmrichtung des Formkörpers der Strömungsquerschnitt eines Einlasskanals sprunghaft verkleinert und sich der Strömungsquerschnitt eines diesem Einlasskanal benachbarten Auslasskanals sprunghaft vergrößert.

18. Keramischer Formkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt durch den Formkörper einander gegenüberliegende Kanalwände eines Abgaskanals einander gegenüberliegende und aufeinanderzu vorspringende Stufen aufweisen.

19. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling des keramischen Formkörpers durch in dessen Längsrichtung aufeinanderfolgende Schichten durch wiederholte Abfolge der folgenden Schritte aufgebaut wird:

(a) Erzeugung einer dem jeweiligen Querschnitt des keramischen Formkörpers entsprechend gestalteten Schicht aus einer formbaren, verfestig baren keramischen Masse und

(b) Verfestigung dieser Schicht,

worauf der so erzeugte Rohling gesintert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten im Siebdruckverfahren erzeugt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Trocknen verfestigt werden.