DE69216101T2

DE69216101T2 - Partikelfilter zur reinigung von dieselmotorabgas

Info

Publication number: DE69216101T2
Application number: DE69216101T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Honda; Masayuki Ishii; Tetsuya Nishi; Satoru Itami Works Of Okamoto
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Plansee SE
Priority date: 1992-05-13
Filing date: 1992-05-13
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: EP0603392A4; EP0603392B1; DE69216101D1; WO1993023144A1; US5458664A; EP0603392A1

Description

(TECHNISCHES GEBIET)

Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter zum Sammeln und Entfernen von Partikeln, beispielsweise Kohlenstoff, die in von einem Dieselmotor abgegebenen Abgasen enthalten sind.

(STAND DER TECHNIK)

Abgase aus KFZ-Motoren gelten als einer der Hauptverursacher von Luftverschmutzung. Daher ist es wichtig, Techniken zum Entfernen von schädlichen Bestandteilen in Abgasen zu entwickeln.
Hierbei ist es besonders wichtig, Partikel zu entfernen, die in den Abgasen enthalten sind, welche aus Dieselmotoren abgegeben werden, und zwar hauptsächlich NOx und Kohlenstoff.
Bisher wurden verschiedenste Anstrengungen unternommen, um derartige Bestandteile zu entfernen, bevor das Abgas vom Motor abgegeben wird. Hierzu zählen der Einbau eines Abgas-Rückführungssystems (AGR) in den Motor bzw. die Verbesserung eines Einspritzsystems und der Form eines Verbrennungsraums. Keine dieser Maßnahmen kann jedoch eine engültige Lösung sein. Eine andere bekannte Maßnahme ist es, zum Sammeln der in den Abgasen enthaltenen Schwebstoffe einen Abgasfilter in der Abgasleitung anzuordnen (wie in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 58-51235 vorgeschlagen). Dieses Verfahren, bei dem das Abgas behandelt wird, nachdem es vom Motor abgegeben wurde, gilt als zweckmäßiger und wurde ausgiebig erforscht.
Ein derartiger Partikelfilter zum Sammeln von Schwebstoffen in Abgasen muß in Anbetracht der Anwendungsbedingungen folgenden Erfordernissen genügen:
Erstens muß er in der Lage sein, Partikel so effizient herauszufiltern, daß das Abgas ausreichend gereinigt wird. In jedem Land ist eine andere Obergrenze für den Ausstoß von Schwebstoffen gesetzlich festgelegt: So beabsichtigt beispielsweise die japanische Regierung auflange Sicht eine Obergrenze von 0,089/km beim 10-Mode-Test für PKW, Kleinlaster und Busse; dieses Ziel soll bis zum Jahr 2000 erreicht sein. In den USA wurde durch die Beschränkung der Umweltschutzbehörde (EPA) von 1994 eine derartige Obergrenze bei 3,725 x 10&supmin;¹¹ kg/J für Schwerlastkraftwagen im Übergangsmodus und bei 0,08g/Meile für Leichtkraftfahrzeuge im LA-4- Modus festgelegt. Diese Verordnungen sind ziemlich strikt.
Die Menge der im Abgas enthaltenen Partikel hängt vom Hubraum des Dieselmotors und von der ausgeübten Last ab. Im allgemeinen geht man jedoch davon aus, daß ein derartiger Filter im Durchschnitt mindestens 60% der im Abgas enthaltenen Partikel sammeln können muß, um solchen Verordnungen zu genügen.
Zweitens darf der Druckabfall des Abgases nicht zu groß sein. Wenn das Abgas durch den Filter hindurchströmt und die darin befindlichen Partikel vom Filter aufgefangen werden, steigt dessen Widerstand gegen Gasdurchfluß. Wird der Widerstand zu groß, so wirkt ein unerwünschter Gegendruck auf den Motor. Es ist daher notwendig, einen derartigen Gegendruck nach dem Sammeln von Partikeln auf einen Wert unter 30 KPa zu beschränken. Zu diesem Zweck muß nicht nur der anfängliche Druckabfall niedrig genug sein, sondern auch der Widerstand gegen den Durchfluß von Abgas muß klein sein, d.h. der Druckabfall steigt nicht zu sehr an, selbst nachdem die Partikel gesammelt wurden.
Darüber hinaus ist es notwendig, die gesammelten Partikel periodisch zu entfernen, wenn eine vorherbestimmte Menge von Partikeln gesammelt wurde, um den Filter zu regenerieren, damit dieser seine ursprüngliche Partikelsammelkapazität wiedererlangt. Also ist die dritte Anforderung an einen Partikelfilter, daß er wie derholten Regenerationsbehandlungen standhalten kann. Als vielversprechendste Regenerationsmethode gilt es, die Partikel mit einem elektrischen Heizelement oder mit einem Brenner zu verbrennen. In beiden Fällen müssen die gesammelten Partikel auf eine Temperatur erwärmt werden, die höher liegt als der Zündpunkt der Partikel (normalerweise 600ºC).
Die Wiederherstellungsbehandlung, d.h. das Abbrennen der gesammelten Partikel muß vollendet sein, bevor der Gegendruck so ansteigt, daß die Motorleistung abnimmt oder sich die Fahrleistung verschlechtert. Nach der Regeneration werden wieder Partikel gesammelt. Herausfiltern und Regeneration werden mehrmals wiederholt. Folglich wird der Druckabfall immer auf einem Wert unterhalb eines vorherbestimmten Wertes gehalten. Es ist deshalb wichtig, daß das Filterelement aus einem Material besteht, welches nicht nur den wiederholten Regenerationsbehandlungen zufriedenstellend standhält, sondern auch eine ausreichend große Korrosionsbeständigkeit gegen das im Abgas enthaltene atmospärische Gas besitzt.
Den obgengenannten Anforderungen wird entsprochen, wenn ein wabenförmiges poröses Element aus Cordierit-Keramik als Filterelement im Partikelfilter verwendet wird. Ein derartiger Filter gilt außerdem als am zweckmäßigsten. Bei dieser bekannten Anordnung, bei der die durch den Cordierit-Keramikwerkstoff gesammelten Partikel verbrannt werden, wird jedoch der Filter wiederholt auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt. Aus diesem Grund schmolz häufig der Filter, oder es bildeten sich Risse aufgrund des Wärmeschocks, wenn der Filter zum Zweck der Regeneration erwärmt und dann wieder abgekühlt wurde.
Da bei dieser Art von Filterelementen das Problem besteht, daß die Steuerung der Regeneration außerordentlich schwierig ist, werden sie bisher nicht praktisch angewendet.
Selbst, wenn es Verbesserungen von Keramikfiltern gibt, wie in der EP-A-0 481 229 offenbart, in der die Filterkörper aus einem hochtemperaturbeständigen Keramikwerkstoff mit einer feuerfesten Tonbindung bestehen, um einige der obengenannten Nachteile zu beseitigen, besteht hier immer noch das Problem der Haltbarkeit wegen der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Keramik im Vergleich zu Metall.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obengenannten Probleme zu beseitigen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter zum Reinigen von Abgasen aus Dieselmotoren zu schaffen, der Partikel hochwirksam sammeln kann, ohne den Druckabfall zu verstärken, und der Wärmeschocks beim Erwärmen und Abkühlen zur Regeneration standhält.
Zu diesem Zweck müssen die Poren der Filterelemente zum Sammeln der Partikel einen geeigneten Durchmesser haben, und die Filterteile der Filterelemente, beispielsweise deren Fasern und Gefüge, müssen dick genug sein, um ein leichtes Sammeln von Partikeln zu ermöglichen. Die Partikelsammelkapazität wird auch durch die Größe und die Oberflächenbedingungen der Partikelsammelbereiche der Filterelemente beeinflußt.
Um den widersprüchlichen Erfordernissen einer größeren Partikelsammelkapazität und eines niedrigeren Gegendrucks gerecht zu werden, ist es notwendig, ausgehend vom Stand der Technik, wie beispielsweise in der JP-A-5710319 offenbart, in der die Filterkörper aus einem Metall mit einer Porosität von mindestens 90% bestehen, einen Filter mit einer großen Filterfläche an der Abgaseintrittsseite auszubilden und gleichzeitig den gesamten Filter kompakt zu halten.

(OFFENBARUNG DER ERFINDUNG)

Um die obengenannte Aufgabe zu erfüllen, fand man bei der vorliegenden Erfindung heraus, daß ein Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 eine hohe Partikelsammelkapazität besitzt, daß bei diesem Filter eine Steigerung des Druckabfalls weniger wahrscheinlich ist und daß dieser Filter weniger leicht aufgrund der Temperaturerhöhung beim Abbrennen der gesammelten Partikel zum Zweck der Regeneration schmilzt oder zur Rißbildung neigt.
Das metallische, dreidimensionale, maschenartige, poröse Material kann z.B. als poröses Metall vorliegen (hergestellt von der Fa. Sumitomo Electric Industries unter dem Namen "Celmet"), welches man erhält, wenn ein geschäumtes Urethan mit zusammenhängenden Poren und mit einer dreidimensionalen, maschenartigen Struktur einer Behandlung unterzogen wird, bei der dem Material Leitfähig keit verliehen wird, und anschließend elektroplattiert wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das dreidimensionale maschenartige poröse Element ein poröses Gefüge oder Gerüst 3 mit taschenartigen Poren 2. Da es eine große Porosität besitzt, können Partikel, sobald sie in den Poren aufgenommen werden, nicht leicht entweichen, obwohl der Widerstand gegen den Gasdurchfluß relativ klein ist. Mit anderen Worten: Das Element hat eine hohe Partikelsammelkapazität.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde auch versucht, die geeigneten Bereiche für den Porendurchmesser des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements mit zusammenhängenden Poren zu bestimmen, außerdem die Anzahl der Poren, gezählt in Richtung der Dicke des Filterelements, die Volumenpackungsdichte, bei der das Metallgefüge oder -gerüst den gesamten Filterraum einnimmt, und das Verhältnis zwischen der Abgaseintrittsfilterfläche des Filterelements pro Liter Hubraum des Motors, an dem der Filter befestigt ist, und der Partikelsammelkapazität und dem Druckabfall.
Zuerst soll der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der in dem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element vorhandenen zusammenhängenden Poren und der Filterleistung beschrieben werden. Die Porengröße des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements muß so festgelegt werden, daß sowohl eine hohe Partikelsammelkapazität als auch ein geringer Druckabfall in ausgeglichener Weise erzielt werden. Der hier verwendete Begriff "Porengröße" bezeichnet den Durchmesser der in dem porösen Gefüge gebildeten Poren und entspricht dem Durchmesser der Blasen, die beim Herstellen des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements durch Schäumen entstehen.
Man fand heraus, daß zum wirksamen Sammeln die durchschnittliche Porengröße 0,1 - 1mm betragen sollte. Ist die durchschnittliche Porengröße geringer als 0,1 mm, so verbessert sich zwar die Partikelsammeleffizienz, doch der Widerstand gegen den Durchfluß von Luft steigt schnell auf einen solchen Wert an, daß der Gegendruck auf den Motor den Wert von 30 KPa übersteigt, was eine zu große Last auf den Motor bedeutet.
Bei einer durchschnittlichen Porengröße von mehr als 1 mm fließt eine erhöhte Menge von Partikeln durch das Filterelement, ohne aufgenommen zu werden, insbesondere wenn das Filterelement neu ist oder unmittelbar nach der Regeneration des Filters. Daher sinkt die Partikelsammeleffizienz auf unter 60%.
Der zu bevorzugende Bereich der Porenanzahl in Richtung der Dicke bei Verwendung des porösen Materials als Filter wurde ebenfalls untersucht. Liegt die durchschnittliche Anzahl von Poren mit einem Durchmesser von 0,1 - 1 mm, gezählt in Richtung der Dicke des Filterelements (einschließlich jeglicher Poren, die auch nur in geringstem Maß von einer in Richtung der Dicke verlaufenden Linie gekreuzt werden) bei 10 oder weniger, so ist meist die Sammelkapazität zu niedrig.
Wenn die Volumenpackungsdichte des Metallgerüsts des dreidimensionalen porösen Filterelements bezüglich des gesamten Filterbereiches 10% oder weniger ist, ist es weniger wahrscheinlich, daß die Partikel mit dem Gefüge kollidieren und daran haften bleiben. Die Partikelsammelkapazität ist ebenfalls niedrig. Liegt das Verhältnis bei mehr als 40%, so ist zwar die Sammelkapazität hoch, aber der Druckabfall steigt meist auf einen unannehmbar hohen Wert. Also sollte das Verhältnis vorzugsweise nicht größer sein als 40%.
Ist die Abgaseintrittsfilterfläche des Filterelements pro Liter Hubraum des Motors, an dem der Filter befestigt ist, 400 cm² groß oder kleiner, bedeutet das, daß der Einlaß des Filterelements, durch den die Partikel hindurchfließen, zu klein ist. Deshalb fließen die Abgase meist mit relativ hoher Geschwindigkeit durch den Filterbereich, wodurch der Druckabfall übermäßig erhöht wird.
Darüber hinaus wurde bei der vorliegenden Erfindung der Zusammenhang zwischen der vorgesehenen Sollbreite eines Teilabschnitts des Metallgefüges, das das dreidimensionale maschenartige poröse Element bildet (vorgesehene Länge einer Seite eines Teilab schnitts des Metallgefüges) und der Filterleistung detailliert untersucht. Hierbei fand man heraus, daß eine gute Filterleistung erzielt wird, wenn die vorgesehene Breite 20 µm oder mehr ist. Bei einem Wert unter 20 µm wird ein größerer Anteil der Partikel durch das Metallgefüge hindurchfließen, ohne damit zu kollidie ren, was zu einer niedrigeren Partikelsammelkapazität führt. Deshalb sollte die vorgesehene Breite des Gefüges vorzugsweise nicht unter 20 µm liegen.
Weiterhin wurde bei der vorliegenden Erfindung der Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit Rmax des Metallgefüges, welches das dreidimensionale maschenartige poröse Element bildet, und der Partikelsammelkapazität und dem Druckabfall untersucht. Hierbei fand man heraus, daß durch die Verwendung eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements mit einer Oberflächenrauheit Rmax von 0,2 µm oder mehr die Filterleistung ausreichend verbessert wurde.
Liegt der Wert der Oberflächenrauheit Rmax unter 0,2 µm, so werden die bereits gesammelten Partikel häufig durch den nachfol genden Gasdurchfluß mitgerissen, was insgesamt zu einer verminderten Partikelsammelkapazität führt. Je größer der Wert Rmax, desto höher ist meist die anfängliche Partikelsammelkapazität. Mit zunehmender Menge der gesammelten Partikel hat jedoch die Oberflächenbeschaffenheit des Gefüges weniger Einfluß auf die Partikelsammelkapazität. Durch die Steuerung der Oberflächenrauheit des Gefüges ist es möglich, die anfängliche Partikelsammelkapazität zu verbessern.

(KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG)

In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte Darstellung eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements mit zusammenhängenden Poren;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Filterelements, das gebildet wird, indem eine dreidimensionale maschenartige poröse Platte spiralförmig gewunden wird;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Filterelements, das gebildet wird, indem eine Anzahl dreidimensionaler maschenartiger poröser Platten konzentrisch aufeinander angeordnet werden,
Fig 4(A) - 9 (A) vertikale Vorderansichten verschiedener Auführungsfor men des Partikelfilters im Schnitt;
Fig. 4(B) - 9(B) entsprechende vertikale Seitenansichten im Schnitt;
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Partikelfilters, bei dem im Filterelement ein ummanteltes Heizelement zum Verbrennen und Entfernen der gesammelten Partikel eingebettet ist; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Filters und einer Regenerationsgaszufuhrvorrichtung, angeordnet in der Abgasleitung eines Dieselmotors.

(BESTE ART DER AUFÜHRUNG DER ERFINDUNG)

Der Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen aus einem Dieselmotor nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element, dessen Aufbau im folgenden dargestellt ist. Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Fig. 2 und 3 zeigen Filterelemente verschiedener Art. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Filterelements 4 in Form einer spiralförmig gewundenen porösen Platte 10 aus einem wärmebeständigen Metall und mit dreidimensionaler maschenartiger Struktur. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Filterelements 5, bestehend aus einer Anzahl zylindrischer Platten 10 mit einer dreidimensionalen maschenartigen Struktur, die konzentrisch aufeinander angeordnet sind.
Fig. 4(A) und 4(B) zeigen eine Ausführungsform, bei der ein einziges Filterelement 17 in einem Gehäuse 12 befestigt ist. Fig. 4(A) zeigt die vertikale Vorderansicht im Schnitt und Fig. 4(B) zeigt die vertikale Seitenansicht im Schnitt entlang der Längsmittelebene. Fig. 5(A) und 5(B) zeigen eine weitere Ausführungs form, bei der eine Anzahl von Filterelementen 117 in einem Gehäuse 112 befestigt sind. Fig. 5(A) ist die vertikale Vorderansicht im Schnitt und Fig. 5(B) ist die vertikale Seitenansicht im Schnitt entlang der Längsrnittelebene.
Der Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen aus einem Dieselrnotor ist in der Abgasleitung des Dieselmotors befestigt, um vom Dieselmotor abgegebene Partikel aufzunehmen und zu entfernen. Er weist ein Gehäuse 12 oder 112 mit einer Abgaseinlaßöffnung 13 oder 113 und einer Abgasauslaßöffnung 14 oder 114 auf, sowie ein Filterelement 17 oder Filterelemente 117.
Die Filterelemente 17 und 117 liegen als dreidimensionales maschenartiges poröses Element 11 oder 111 aus einem wärmebeständigen Metall und mit zusammenhängenden Poren vor. Es hat die Form eines spiralförmigen Elements 4 (Fig. 2) oder weist eine Anzahl konzentrischer zylindrischer Schichten auf (Fig. 3). Das eine Filterelement (Fig. 4) oder die Anzahl von Filterelementen (Fig. 5) sind jeweils im Gehäuse 12 oder 112 befestigt. Verschlußelemente 18 oder 118 sind vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche jedes zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses sowie die öffnung jedes zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter zur Reinigung der Abgase eines Dieselmotors geschaffen, mit einem in der Abgasleitung angeordneten Gehäuse und mit einem im Gehäuse befestigten Filterelement oder -elementen. Das Filterelement ist ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element aus einem wärmebeständigen Metall mit zusammenängenden Poren, deren durchschnittlicher Durchmesser 0,1 - 1 mm ist, wobei die durchschnittliche Anzahl der Poren, gezählt in Richtung der Dicke des porösen Elements, 10 oder mehr ist, wobei die Volumenpackungsdichte des Metallgefüges bezüglich des gesamten Filterraums größer als 10% und bis zu 40% ist, und wobei der Filter eine Abgaseintrittsfilterfläche von 400 cm² pro Liter Hubraum des Motors, an welchem der Filter zu befestigen ist, besitzt.
Fig. 9(A) und 9(B) zeigen eine Ausführungsform zur Vergrößerung der Abgaseintrittsfilterfläche des Filterelements und damit zur Beschränkung des Gegendrucks während des Sammelns von Partikeln bzw. zur Verbesserung der Partikelsammeleffizienz.
Fig. 9(A) ist eine vertikale Vorderansicht des Filters im Schnitt und Fig. 9(B) ist eine vertikale Seitenansicht des Filters im Schnitt entlang einem Längsrnittelbereich des Filters.
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 9(A) und 9(B) weist der Partikelfilter ein Gehäuse 212 und Filterelemente 217 in Form von dreidimensionalen maschenartigen porösen Elementen 211 aus einem wärmebeständigen Metall mit zusammenhängenden Poren 2 auf. Die Filterelemente 217a, 217b und 217c sind konzentrische zylindrische Elemente, die einen unterschiedlichen Durchmesser haben und in vorherbestimmtem Abstand voneinander entfernt angeordnet sind. Die Lücke zwischen der Innenfläche des Gehäuses und dem äußersten zylindrischen Element, die Lücken zwischen den nebeneinanderliegenden zylindrischen Elementen und der Innenraum des innersten zylindrischen Elements sind abwechselnd an einem Ende nahe der Gaseinlaßseite 213 und am anderen Ende nahe der Gasauslaßseite 214 durch das Verschlußelement 18 verschlossen.
Also wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen geschaffen, mit einem in der Abgasleitung eines Dieselmotors angeordneten Gehäuse und einem in diesem Gehäuse angeordneten Filterelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element in Form eines wärmebeständigen Metallgefüges besteht, das zusammenhängende Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 - 1 mm aufweist, wobei die durchschnittliche Anzahl der Poren, gezählt in Richtung der Dicke Filterelements, 10 oder mehr beträgt, wobei die Volumenpackungsdichte des Metallgefüges über den gesamten Filterraum des Filterelements größer als 10% und bis zu 40% ist, und wobei das Filterelement eine Abgaseintrittsfilterfläche von 400 cm² oder mehr pro Liter Hubraum des Motors, an welchem der Filter zu befestigen ist, besitzt.
Fig. 7(A) und 7(B) zeigen eine weitere Ausführungsform zur Vergrößerung der Abgaseintrittsfilterfläche des Filterelements. Fig. 7(A) ist eine vertikale Vorderansicht des Filters im Schnitt und Fig. 7(B) ist eine vertikale Seitenansicht des Filters im Schnitt entlang seiner Längsmittelebene.
Der Partikelfilter 325 gemäß Fig. 7(A) und 7(B) weist ein Gehäuse 312 und ein darin angeordnetes, entlang dem Umfang gewelltes zylindrisches Filterelement 317 auf. Das Filterelement ist ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element 311 aus einem wärmebeständigen Metall mit zusammenängenden Poren 2. Verschlußelemente 318 sind vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses und die öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.
Daher wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Partikelfilter zur Reinigung der Abgase eines Dieselmotors geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement ein entlang dem Umfang gewelltes zylindrisches Element ist und daß Verschlußelemente vorgesehen sind, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses und die öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.
Fig. 8(A), 8(B) und 9(A), 9(B) zeigen eine weitere Ausführungsform zur Vergrößerung der Abgaseintrittsfilterfläche des Filterelements. Fig. 8(A), 8(B) und 9(A), 9(B) sind vertikale Vorderansichten der jeweiligen Filter im Schnitt und vertikale Seitenansichten der Filter im Schnitt entlang ihrer jeweiligen Längsmittelebene. Die Partikelfilter dieser Ausführungsformen weisen ein Gehäuse 412 oder 512 und ein darin befestigtes axial gewelltes zylindrisches Filterelement 425 oder 525 auf. Das Filterelement ist ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element 411 oder 511 aus wärmebeständigem Metall mit zusammenhängenden Poren 2. Verschlußelemente 418 oder 518 sind vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche jedes zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.
Daher wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung 35 ein Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen aus einem Dieselmotor geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement ein axial gewelltes zylindrisches Element ist und daß Verschlußelemente vorgesehen sind, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.
Außerdem besteht das dreidimensionale maschenartige poröse Element, das das Filterelement der vorliegenden Erfindung bildet, aus einer wärmebeständigen Legierung auf Ni-Basis mit zusammenhängenden Poren. Die Legierung enthält vorzugsweise 50 - 80 Gew.% Ni und 20 - 50 Gew.% Cr.
Man fand heraus, daß durch die Verwendung eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements aus einer wärmebeständigen Ni-Cr- Legierung auf Ni-Basis als Filterelement eine wiederholte Regeneration ermöglicht wird, ohne daß beim Abbrennen und Entfernen der gesammelten Partikel ein Schmelzen oder eine Rißbildung zu befürchten sind.
20 Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Zugabe von Cr ein stabiler Cr-Oxidfilm gebildet wird, wenn durch das Abbrennen der gesammelten Partikel die atmosphärische Temperatur auf 800ºC oder mehr ansteigt. Bei einem Cr-Gehalt von weniger als 20 Gew.% wird jedoch kein derartiger stabilder Oxidfilm gebildet. Bei einem Gehalt von mehr als 50% entsteht ebenfalls kein Oxidfilm. Deshalb sollte der Gehalt an Cr vorzugsweise innerhalb des oben definierten Bereiches liegen.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element aus einem wärmebeständigen Metall auf Ni-Basis mit zusammenhängenden Poren ist und daß das poröse Element vorzugsweise 50 - 85 Gew.% Ni, 12 - 44 Gew.% Cr und 1 - 6 Gew.% Al enthält.
Liegt die Zusammensetzung außerhalb dieses Bereiches, so nimmt die Wärmebeständigkeit des Filterelements so sehr ab, daß es den wiederholten Partikelsammel- und Regenerationsvorgängen nicht mehr über einen ausreichend langen Zeitraum standhalten kann. Durch die Zugabe von Al zusammen mit Cr wird die Wärmebeständigkeit noch deutlicher verbessert als wenn nur Cr zugegeben wird. Genauer ausgedrückt, durch die Zugabe von 1% Al oder mehr wird ein Oxidfilm in einer oxydierenden Atmosphäre zuverlässiger gebildet. Wird Al jedoch in einer Menge von mehr als 6% hinzugefügt, so wird durch die Ni- und Al-Elemente eine spröde intermetallische Verbindung gebildet. Hierdurch wird die Verarbeitbarkeit des Filtermaterials verschlechtert. Insbesondere, wenn versucht wird, das Filtermaterial zu verbiegen, bricht es leicht.
Bei einem Gehalt von 6% oder weniger bleibt die Verarbeitbarkeit des Filtermaterials auf einem ausreichend hohen Wert, so daß es ohne Schwierigkeiten beispielsweise zu einem zylindrischen Filterelement geformt werden kann. Ein Al-Oxidfilm ist hochbeständig gegen Schwefelsäure, die in den Abgasen enthalten ist. Daher zeichnet sich das Filterelement in Form eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements aus einer wärmebeständigen Ni-Cr- Al-Legierung auf Ni-Basis mit der obengenannten Zusammensetzung durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit während einer langen Zeitspanne unter Abgasen aus.
Der Partikelfilter nach der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus mit einem oder mehreren elektrischen Heizelementen versehen sein, wie in Fig. 10 dargestellt. Ein derartiges elektrisches Heizelement kann am vorderen oder hinteren Ende des Filters oder auf der Innen- oder Außenfläche eines zylindrischen Filters angeordnet sein. Außerdem kann es in einem zylindrischen Filter aus einem porösen Metall eingebettet sein. Die Position, an der es angeordnet wird, wird unter Berücksichtigung des Ausgleichs zwischen dem Stromverbrauch und dem Wirkungsgrad der Verbrennung bestimmt.
Folgende Tests wurden durchgeführt:

(Test 1)

Wie in Fig. 11 dargestellt, wurden der Filter nach der vorliegenden Erfindung und eine Regenerationsgaszufuhrvorrichtung in der Abgasleitung je eines 6- und eines 4-Liter Sechszylinder-Dieselmotors mit Direkteinspritzung angeordnet. Der hier verwendete Filter ist der in Fig. 5(A) und 5(B) dargestellte Partikelfilter. Fig. 5(A) ist eine vertikale Frontansicht des Partikelfilters im Schnitt und Fig. 5(B) ist dessen vertikale Seitenansicht im Schnitt entlang seiner Längsmittelebene. Wie in Fig. 5(A) und 5(B) dargestellt, weist er Filterelemente 117 und ein Gehäuse 112 auf.
Die Regenerationsgaszufuhrvorrichtung besitzt einen Brenner für leichtflüssiges Öl, der Warmluft mit einer Temperatur von 600 - 900ºC erzeugen kann. Das heiße Regenerationsgas kann dem Filter zugeführt werden, indem der Fluß des Abgases so abgeändert wird, daß es um den Filter herumgeleitet wird. In Fig. 11 bezeichnet das Bezugszeichen 101 den Motor; 125 steht für den Filter, 102 für die Regenerationsgaszufuhrvorrichtung, 103 für den Auspuff und 107 für die Umgehungsleitung. Der bei diesem Test verwendete Partikelfilter 125 zur Reinigung der Abgase eines Dieselmotors weist ein Filtergehäuse 116 mit einem Einlaß 113 und einem Auslaß 114 für die Abgase des Dieselmotors auf, sowie in dem Gehäuse angeordnete Filterelemente 117.
Nachfolgend wird die Ausführungsform nach Fig. 5(A), 5(B) genauer beschrieben. Die Filterelemente 117 in Form von dreidimensionalen maschenartigen porösen zylindrischen Elementen sind in gleichmäßigen Abständen im Filterelementgehäuse 112 angeordnet, und zwar so, daß sie in Richtung des Gasdurchflusses ausgerichtet sind. Verschlußelemente 118 sind vorgesehen, um die Lücke zwischen der Außenfläche jedes zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses an einem Ende nahe dem Gasauslaß 114 und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende nahe dem Gaseinlaß 113 zu verschließen. Abgas wird in jedes zylindrische Element 117 geleitet und fließt durch dessen Wandung zu dessen Außenseite. Wenn das Abgas durch die Wandung der Filterelemente hindurchströmt, werden die im Abgas enthaltenen Schwebstoffe bzw. Partikel aufgefangen. Das so gereinigte Abgas wird aus dem Filter ausgeschieden.
Das Filterelement besteht aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element aus einem wärmebeständigen Metall (z.B. einem porösen Metall "Celmet", hergestellt von der Fa. Sumitomo Electric Industries Ltd.). Verwendet wird ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element aus einer Ni-Cr-Legierung mit 65 Gew.% Ni und 35 Gew.% Cr. Es wird gebildet, indem ein geschäumtes Urethanharz mit dreidimensionalen zusammenhängenden Poren nach einer Behandlung zur Verleihung von Leitfähigkeit Ni-elektroplattiert wird, dann gebrannt wird, um den Harzbestandteil zu entfernen und damit ein Material auf Ni-Basis zu erhalten, und schließlich durch Inchrornieren legiert wird.
Diese Metallplatte mit einer dreidimensionalen maschenartigen porösen Struktur wurde spiralförmig gewunden, um ein zylindrisches Filterelement zu bilden, wie in Fig. 3 dargestellt. Ein bis sieben Fasern sind in einem Filtergehäuse befestigt. Ihre von der Gaseinlaßseite entfernten Endflächen werden mit Dichtungen und Eisenplatten abgedichtet, damit das Abgas in jedes zylindrische Element fließt und durch dessen Wandung nach außen strömt.
Um zu überprüfen, bis zu welchem Grad die Abgase aus einem Dieselmotor mit dem Filter nach der vorliegenden Erfindung gereinigt werden können, wurden Filter mit vielen verschiedenen Strukturen vorbereitet. Alle Filterelemente hatten eine Dicke von 10 mm. Durch die Änderung der Anzahl der Umdrehungen und des Druckgrades bei der Bildung der Filterelemente variierte das Volumenverhältnis des porösen Metalls in Richtung der Dicke des Filterelements innerhalb eines Bereiches von 5 - 45%. Die Anzahl der Poren in Richtung der Dicke variierte ebenfalls.
Die Tabellen 1 - 3 zeigen den Aufbau der bei den Experimenten verwendeten Filterelemente. Die Tabellen 4 - 6 zeigen den Aufbau der Vergleichsobjekte. Die Tabelle 7 zeigt die Eigenschaften der Beispiele, während die Tabelle 8 die Eigenschaften der Vergleichsobjekte zeigt. Sowohl bei den Beispielen als auch bei den Vergleichsobjekten wurden dreidimensionale maschenartige poröse Elemente aus einer Ni-Cr-Legierung mit einer Oberflächenrauheit Rmax von 0,2 µm oder mehr, hergestellt von der Fa. Sumitomo Electric Industries Ltd., verwendet.
Ohne Filter betrug die Menge abgegebener Partikel 0,54 g/HP.Hr. Im Gegensatz dazu lagen bei den Experimenten 1 bis 14 die Partikelemissionsraten nach 20 Zyklen bei 3,725 x 10&supmin;¹¹ kg/J oder weniger. Weiterhin fand man heraus, daß die durchschnittliche Partikelsammelrate bei 20 Zyklen 60% oder höher war, was dem Abgas- Grenzwert der EPA 1994 in den Vereinigten Staaten entspricht.
Die Vergleichsobjekte 29, 34, 36 und 41 zeichneten sich durch so hohe Partikelsammelraten aus, daß sie innerhalb des EPA-Abgas- Grenzwertes blieben, da ihre Poren einen eher kleinen durchschnittlichen Durchmesser von 0,08 mm hatten. Aufgrund der kleinen Poren stieg jedoch der Gegendruck so an, daß der Motor hierdurch nachteilig beeinflußt wurde.
Obwohl die Vergleichsobjekte 22, 27, 29, 34, 36 und 41 sich nach 20 Zyklen durch einen ausreichend niedrigen Partikelausstoß auszeichneten, war der Druckabfall unakzeptabel hoch. Nach Beendigung eines 20-Zyklen-Betriebs wurden die Abgase aus dem Motor in eine Umgehungsleitung geleitet, um durchschnittlich auf 700ºC erwärmte Heißluft von der Regenerationsgaszufuhrvorrichtung dem Filter zuzuführen, und zwar etwa 15 Minuten lang bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 2m³/min.
Die gesammelten Partikel wurden durch die Heißluft verbrannt und der Filter regeneriert. Nach der Regeneration des Filters nahm der Druckabfall stark ab, auf einen Wert, der etwa dem Ausgangsdruck entsprach, d.h. 1 - 2 KPa.
Dies zeigt deutlich, daß die gesammelten Partikel verbrannt und entfernt worden waren und daß damit der Abgasfilter fast perfekt regeneriert worden war. Nach der Regeneration trat bei dem Partikelfilter kein Schmelzen, keine Rißbildung oder extreme Oxidation oder Korrosion auf. In den so regenerierten Filter wurde erneut Abgas eingeleitet. Nach 20 Zyklen wurde der Abgaskreislauf wieder umgekehrt, um den Filter durch die Zufuhr von heißem Gas zu regenerieren.
Dieser Sammel-/Regenerationstest wurde weiter durchgeführt, bis die Regeneration 300 Mal wiederholt worden war. Selbst zu diesem Zeitpunkt wurde bei dem Filter nach der vorliegenden Erfindung kein nennenswerter Anstieg bzw. keine nennenswerte Veränderung des Druckabfalls beobachtet.
Der Filter wurde auch nie beschädigt, selbst wenn die Regenerationsbedingungen nicht genau gesteuert wurden. Außerdem wurde selbst nach 3oomaliger Regeneration des Filters der Druckabfall unmittelbar nach der Regeneration im wesentlichen auf dem ursprünglichen Druck gehalten, d.h. 1 - 2 KPa. Nachdem der Filter 100 Mal regeneriert worden war, wurden weder ein äußerlicher Schaden, wie z.B. Schmelzen oder Rißbildung, noch eine mechanische Verschlechterung beobachtet.
Darüber hinaus wurde während der Regeneration an mehreren Punkten des Filterelements die Temperatur gemessen. Die höchste Temperatur erreichte einen Wert von 850ºC, doch die Temperatur fiel nach höchstens drei Minuten wieder ab. Das bedeutet, daß die gesammelten Partikel in drei Minuten abgebrannt worden waren.
Die bei den obengenannten Experimenten verwendeten Filterelemente waren so aufgebaut, daß das Abgas von außen durch die Wandung der Filterelemente nach innen strömte. Doch selbst bei Filtern, die sich von den in den obengenannten Experimenten verwendeten Filtern nur darin unterschieden, daß das Abgas von der Innenseite des Filterelements nach außen strömen sollte, wurden die Partikel im Abgas in einer Rate von 60% oder mehr gesammelt, und die Konzentration von Partikeln im Abgas lag bei 2,980 x 10&supmin;¹¹ kg/J oder darunter, womit die Abgasgrenzwerte erfüllt werden. Außerdem trat nach 3oomaliger Regeneration kein Schaden an den Filterelementen auf, und die Menge der Partikel im Abgas lag innerhalb des EPA-Grenzwertes.
Bei dem Test 1 wurden ein bis sieben zylindrische Filterelemente in einem Gehäuse für Filterelemente angeordnet. Stattdessen kann auch der Partikelfilter 225 mit dem Filterelement 217 gemäß Fig. 6(A), 6(B) verwendet werden. Das Filterelement 217 weist eine Anzahl zylindrischer Elemente 217a, 217b und 217c mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser auf, die durch Winden eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements 10 aus einem wärmebeständigen Metall mit zusammenhängenden Poren gebildet werden.
Die Lücke zwischen der Innenfläche des Gehäuses und dem äußersten zylindrischen Element, die Lücken zwischen den nebeneinanderliegenden zylindrischen Elementen und die Öffnung des innersten zylindrischen Elements sind abwechselnd an dem Ende nahe der Gaseinlaßseite 213 und an dem anderen Ende nahe der Gasauslaßseite 214 verschlossen. Durch diese Anordnung ist es möglich, die Gaseintrittsfilterfläche pro Liter Hubraum im Vergleich zu den in Test 1 verwendeten Filtern zu erhöhen, vorausgesetzt, die verwendeten Gehäuse sind gleich groß.
Weiterhin kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6(A), 6(B) der Filter in entgegengesetzter Richtung als oben beschrieben angeordnet werden, so daß sich der Bereich 213 auf der Abgasauslaßseite und der Bereich 214 auf der Einlaßseite befindet. Bei dieser Anordnung fließt das Abgas von der Innenseite zur Außenseite der Filterelemente. Die Partikelsammelrate nahm in diesem Fall zwar um etwa 10% ab, war jedoch immer noch ausreichend hoch.

(Test 2)

(Vorgesehene Breite des Teilabschnitts des porösen Gefüges)

Untersucht wurde der Zusammenhang zwischen der vorgesehenen Breite des Teilabschnitts des Metallgerüsts, welches das dreidimensionale maschenartige poröse Element bildet, und den Eigenschaften des Filters. Bei dem Test wurde der Filter mit den Filterelementen gemäß Fig. 5(A), 5(B) verwendet und in der Abgasleitung eines 2,8-Liter Dieselmotors mit Wirbelkammer angeordnet. Die Teilabschnitte des Metallgerüsts bei den Beispielen und den Vergleichsobjekten hatten unterschiedliche vorgesehene Breiten. Nachdem der Motor drei Stunden lang mit 1800 U/min und 5kgf.m gefahren wurde, wurden die Menge der gesammelten Partikel und der Druckabfall gemessen. Der Abschnitt des Metallgerüsts, das das dreidimensionale maschenartige poröse Element bildet, hatte eine vorgesehene Breite von 17 - 250 µm, obwohl sich diese Zahl je nach durchschnittlichem Durchmesser und Porenanzahl ändert. Die Tabelle 9 zeigt den Aufbau der Partikelfilter der bei diesem Test verwendeten Beispiele und Vergleichsobjekte.
Die Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse von Test 2. Es wurde bestätigt, daß die dreidimensionalen maschenartigen porösen Elemente des Beispiels ausreichend große Mengen von Partikeln sammeln können, ohne daß der Druckabfall übermäßig erhöht wird, vorausgesetzt, daß die Poren in dem porösen Element einen Durchmesser von 0,1 - 1,0 µm haben, daß die durchschnittliche Anzahl der Poren, gezählt in Richtung der Dicke des Filterelements, 10 oder mehr ist, daß die Volumenpackungsdichte des porösen Elements im gesam ten Filterraum größer als 10% und bis zu 40% ist, daß die Abgaseintrittsfilterfläche des Filters 400 cm² oder größer ist, und daß die vorgesehene Breite des Teilabschnitts des zu bildenden Metallgerüsts 20 µm oder mehr ist. Wurde eine der obengenannten Bedingungen nicht erfüllt, so war die Partikelsammelkapazität nicht hoch genug und der Druckabfall war nicht niedrig genug.

(Test 3)

(Oberflächenrauheit)

Untersucht wurde der Zusammenhang zwischen den Oberflächenbedingungen des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements und den Filtereigenschaften.
Der Test wurde durchgeführt, indem der Filter in der Abgasleitung eines 2,8-Liter Dieselmotors angeordnet wurde. Der Motor wurde drei Stunden lang mit 1800 U/min und mit einem Drehmoment von 6 kgf.m gefahren, um Partikel zu sammeln.
Bei dem Test wurde ein Filter mit konzentrisch angeordneten Filterelementen gemäß Fig. 6(A), 6(B) verwendet. Fig. 6(A) zeigt eine vertikale Vorderansicht des Filters im Schnitt und Fig. 6(B) zeigt eine vertikale Seitenansicht des Filters im Schnitt. Der Partikelfilter weist Filterelemente 217 in Form von dreidimensionalen maschenartigen porösen Elementen 211 aus einem wärmebeständigen Metall zumindest mit Öl und zusammenhängenden Poren 2 sowie ein Gehäuse 212 auf.
Die Filterelemente 217a, 217b und 217c sind konzentrische zylindrische Elemente mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser, die mit einem vorherbestimmten Abstand zueinander konzentrisch im Gehäuse 212 angeordnet sind. Die Lücke zwischen der Innenfläche des Gehäuses und dem äußersten zylindrischen Element, die Lücken zwischen den nebeneinanderliegenden zylindrischen Elementen und die endseitige Öffnung des innersten zylindrischen Elements sind abwechselnd an dem Ende nahe der Gaseinlaßseite 213 und an dem anderen Ende nahe der Gasauslaßseite 214 verschlossen.
Die bei den Experimenten verwendeten Filterelemente wurden gebildet, indem eine Platte aus dem dreidimensionalen maschenartigen porösen Material mit einem vorhergesehenen Krümmungsradius gerollt wurde. Die jeweilige Größe der Filterelemente wurde unter Berücksichtigung der Gaseintrittsfläche der Filterelemente bestimmt, wie in Test 1 dargestellt.
Genauer ausgedrückt, wurde eine endlose Platte aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element mit einer durchschnittlichen Porengröße von 0,5 mm gebildet. Diese Platte wurde zu einem zylindrischen Element mit einem Außendurchmesser von 110 mm und einer Dicke von 10 mm und zu einem zylindrischen Element mit einem Außendurchmesser von 80 mm und einer Dicke von 10 mm geformt.
Die Volumenpackungsdichte des Metallgerüsts bezüglich des gesamten Filterraums lag bei 12,5%. Die effektive Länge der Filterelemente betrug 150 mm. Verschlußelemente und Druckelemente wurden dazu verwendet, die Enden des Filterelements zu sichern und zu verschließen, damit das Abgas so fließen kann, wie in Fig. 6(A) dargestellt.
Das bei dem Experiment verwendete wärmebeständige poröse Element war eine poröse Ni-Cr-Legierung, welche durch Inchromieren eines dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements auf Ni-Basis der Fa. Sumitomo Electric Industries gebildet wurde.
Bei der Inchromierbehandlung wird durch das Pulver Chromiumchloridgas erzeugt. Daher können durch die Steuerung der Menge produzierten Gases oder der Geschwindigkeit, mit der es sich auf dem Metallgerüst absetzt, die Oberflächenbedingungen des Ni-Cr-legierten metallischen porösen Elements frei verändert werden, wie bei einem normalen CVD-Verfahren. Eine derartige Pulverlegierungstechnik wird auch bei der Bildung eines Ni-Cr-Al-legierten metallischen porösen Elements angewendet.
Es ist bekannt, daß eine glatte Oberfläche erzielt werden kann, wenn das materialführende Gas mit niedriger Geschwindigkeit erzeugt und auf der Oberfläche des porösen Elements auf Ni-Basis abgeschieden wird, und daß sich bei der Erzeugung von materialführendem Gas mit hoher Geschwindigkeit eine rauhe Oberfläche ergibt. Selbst, wenn die Oberfläche unmittelbar nach dem Abscheiden rauh ist, wird sie allmählich geglättet, indem das poröse Element bei einer hohen Temperatur von 1000ºC oder mehr in einer reduzierenden Atmosphäre gehalten wird, da in einer derartigen Atmosphäre die abgeschiedenen Elemente in das Metallgerüst dispergieren.
Bei diesem Test wurden die Eigenschaften verschiedener Filter untersucht, die unter verschiedenen Abscheidungs-/Dispersionsbedingungen gebildet wurden und damit unterschiedliche Rauheitsgrade hatten. Zum Zweck des Vergleichs wurden auch poröse Filter als Vergleichsobjekte vorbereitet. Sie wurden 20 Stunden lang einer Dispersionsbehandlung bei 1050ºC unterzogen, also mehr als fünfmal länger als die normale Zeit für eine derartige Behandlung, um eine glatte Oberfläche mit einem Wert Rmax von 0,1 µm oder weniger zu erzielen.
Die Tabelle 11 zeigt die Mengen an gesammelten Partikeln dieser Filterelemente als Zeitfunktion. Wie in Tabelle 11 dargestellt, können im Anfangsstadium die Filter mit rauheren Oberflächen Partikel effizienter sammeln als die mit glatteren Oberflächen. Aus dieser Tatsache ist ersichtlich, daß eine enge Wechselbeziehung zwischen der Oberflächenrauheit des Filters und dessen Partikelsammelkapazität besteht, inbesondere im Anfangsstadium des Partikelsammelns. Man fand heraus, daß der Filter Partikel mit einer ausreichend hohen Rate sammeln kann, wenn er eine Oberflächenrauheit Rmax von 0,2 µm oder mehr hat. Für die Form des Filters der vorliegenden Erfindung besteht keine Einschränkung, solange seine Oberflächenrauheit Rmax 0,2 µm oder mehr ist. Er kann auch aus einem Ni-Cr-Al-legierten metallischen porösen Material bestehen, das wie ein Ni-Cr-legiertes metallisches poröses Material oder jedes andere Material durch Pulverlegierung hergestellt wird.

(Test 4)

(Gewellter Filter)

Die Figuren 7(A), 7(B) zeigen jeweils eine vertikale Vorderansicht des bei diesem Test verwendeten Filters im Schnitt und dessen vertikale Seitenansicht im Schnitt.
Wie in Fig. 7(A), 7(B) dargestellt, weist der Partikelfilter 325 ein Filterelementgehäuse 312 und ein in dem Gehäuse angeordnetes entlang dem Umfang gewelltes zylindrisches Filterelement 317 auf. Das Filterelement ist ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element 311 aus wärmebeständigem Metall mit zusammenhängenden Poren. Verschlußelemente 318 sind vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements 317 und der Innenfläche des Gehäuses 312 und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.

(Beispiele)

Das entlang dem Umfang gewellte zylindrische Filterelement wurde vorbereitet, indem eine auf vorherbestimmte Größe geschnittene Platte aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Metall mit 40 Gew.% Cr preßgeformt wurde. Das Element hatte eine konstante Dicke von 10 mm. Um eine konstante Dicke zu erhalten, wurde es gebildet, indem gewellte Platten unterschiedlicher Größe schichtförmig angeordnet und miteinander verbunden wurden und die Form nachgeformt wurde. Das Gehäuse hatte einen Innendurchmesser von 160 mm. Das Filterelement war 350 mm lang.
Bei den in Tabelle 12 dargestellten Beispielen hatten die dreidi-30 mensionalen maschenartigen porösen Elemente Poren mit Durchmessern von 0,1, 0,5 und 1,0 µm. Ihre jeweilige Dicke wurde so eingestellt, daß die jeweilige Volumenpackungsdichte innerhalb eines Bereiches von mehr als 10% und bis zu 40% lagen. Die Anzahl der Poren wurde in Richtung der Dicke an drei Punkten gemessen.
Das so gebildete gewellte zylindrische Filterelement 317 wurde in dem Filterelementgehäuse 312 angeordnet. Verschlußelemente waren vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements 317 und der Innenfläche des Gehäuses 312 und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.

(Vergleichsobjekte)

Als Vergleichsobjekte wurden ein Partikelfilter mit dem gleichen Gehäuse wie bei den Beispielen und mit einem gewellten Filterelement der gleichen Art wie bei den Beispielen, jedoch mit weniger, d.h. vier Wellen, sowie ein Filter mit einem ungewellten zylindrischen Filterelement vorbereitet. Bei beiden Filterelementen sind die Enden verschlossen. Der jeweilige spezielle Aufbau der Vergleichsobjekte bzw. der Beispiele ist in Tabelle 12 dargestellt.
Der Test wurde durchgeführt, indem die jeweiligen Filter in der Abgasleitung eines 2,8-Liter Dieselmotors angeordnet wurden. Der Motor wurde sechs Stunden lang mit 1600 U/min mit einem Drehmoment von 6 kgf.m gefahren, um Partikel zu sammeln. Die Partikelsammelkapazität und der Druckabfall wurden bei jedem der Beispiele und der Vergleichsobjekte gemessen.
Wie in Tabelle 13 dargestellt, konnten die Partikelfilter der Beispiele im wesentlichen die gleiche Menge an Partikeln in einem vorherbestimmten Zeitraum sammeln, wobei der Druckabfall um 15 - 20% unter dem der Vergleichsobjekte gehalten werden konnte.
Aus den Ergebnissen des Tests 4 ergab sich, daß durch die Verwendung eines Filters mit gewelltem Filterelement der Druckabfall im Vergleich zu einem Filter mit vollkommen zylindrischem Filterelement gleichen Durchmessers niedrig gehalten werden kann, vorausgesetzt, die Gehäuse haben die gleiche Abgaseintrittsfilterfläche und die Filterelemente haben die gleiche Partikelsammelkapazität.
Wie in Fig. 7(A) dargestellt, fließt das Abgas, das in die bei dem Test verwendeten Filterelemente eingeleitet wurde, von der Außenseite des Filterelements zur Innenseite. Partikel können jedoch selbst dann ausreichend effektiv gesammelt werden, wenn die Endflächen in entgegengesetzter Weise verschlossen werden, so daß das Abgas von innen nach außen fließt. In einem separaten Test wurde bestätigt, daß die Sammeleffizienz eines derartigen Filters nur um etwa 10% abnimmt, vorausgesetzt, sie haben die gleiche Größe.

(Test 5)

Die Figuren 8(A), 8(B) zeigen jeweils die vertikale Vorderansicht des bei diesem Test verwendeten Filters im Schnitt und dessen vertikale Seitenansicht im Schnitt. Wie in Fig. 8(A), 8(B) dargestellt, weist der Partikelfilter 425 ein Gehäuse 412 und ein zylindrisches Filterelement 417 auf, die in axialer Richtung um die Achse regelmäßig gewellt sind. Das Filterelement ist ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element 411 aus einem wärmebeständigen Ni-Cr-Legierungsmetall mit zusammenhängenden Poren. Verschlußelemente sind vorgesehen, um ein Ende der Lücke zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements 417 und der Innenfläche des Gehäuses 412 und die Öffnung des zylindrischen Elements am anderen Ende zu verschließen.

(Beispiele)

Axial gewellte zylindrische Filterelemente wurden durch Preßformen einer Platte mit vorherbestimmter Größe aus einem dreidimen sionalen maschenartigen porösen Metall mit 40 Gew.% Cr vorbereitet. Die Elemente hatten eine konstante Dicke von 10 mm. Um eine konstante Dicke zu erhalten, wurden sie gebildet, indem gewellte Platten unterschiedlicher Größe schichtförmig angeordnet und miteinander verbunden wurden und die Form nachgeformt wurde. Die Gehäuse hatten einen Innendurchmesser von 160 mm, wie die in Test 4 verwendeten Gehäuse. Die Filterelemente waren 350 mm lang. Die Filterelemente hatten jeweils drei, vier und sieben axiale Wellen und unterschiedliche Gaseintrittsfilterflächen. Ihre Leistung wurde ausgewertet.

(Vergleichsobjekte)

Zum Zweck des Vergleiches wurden Partikelfilter mit vollzylindrischen ungewellten Filterelementen vorbereitet. Die Größe der Gehäuse und die Länge und Dicke der Filterelemente entsprachen den Abmessungen der Beispiele.
Der jeweilige genaue Aufbau der Vergleichsobjekte sowie der Beispiele ist in Tabelle 14 dargestellt.
Der Test wurde durchgeführt, indem die jeweiligen Filter in der Abgasleitung eines 2,8-Liter Dieselmotors angeordnet wurden. Der Motor wurde sechs Stunden lang mit 1600 U/min mit einem Drehmoment von 6 kgf.m gefahren, um Partikel zu sammeln. Die Partikelsammelkapazität und der Druckabfall wurden bei jedem der Beispiele und der Vergleichsobjekte gemessen.
Die Tabelle 15 zeigt die Testergebnisse.
Man fand heraus, daß ein axial gewelltes Filterelement den Druckabfall senken konnte, obwohl die Partikelsammelkapazität im wesentlichen unverändert blieb. Dies liegt daran, daß die Gaseintrittsfilterfläche des den Partikelfilter bildenden Filterelements durch das Wellen erhöht wird.
Wie in Fig. 8(A) dargestellt, fließt das Abgas, das in die bei diesem Test verwendeten Filterelemente eingeleitet wurde, von der Außenseite des Filterelements zur Innenseite. Partikel können jedoch selbst dann ausreichend wirksam gesammelt werden, wenn die Endflächen in entgegengesetzter Weise verschlossen werden, so daß das Abgas in entgegengesetzter Richtung fließt.

(Test 6)

Der bei dem Test 1 verwendete Filter war ein dreidimensionales maschenartiges poröses Element aus einer Ni-Cr-Legierung. Die Zusammensetzung einer derartigen Ni-Cr-Legierung ist jedoch nicht auf die in Test 1 angegebene Zusammensetzung beschränkt. Filter aus Ni-Cr-Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden vorbereitet. Außerdem wurden dreidimensionale maschenartige poröse Filterelemente aus Ni-Cr-Al-Legierungen vorberei tet. Die Filter wurden regeneriert, indem die gesammelten Partikel mit Heißluft verbrannt wurden, welche mittels eines Brenners auf eine Durchschnittstemperatur von 800ºC erwärmt und von der Regenerationsgaszufuhrvorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 2m³/min. zugeführt wurde.
Die Tabelle 16 zeigt die Testergebnisse der Beispiele und der Vergleichsobjekte. Wie in Tabelle 16 dargestellt, traten bei den dreidimensionalen maschenartigen porösen Elementen aus Ni-Cr- Legierungen mit den in der Tabelle dargestellten Zusammensetzun gen und den dreidimensionalen maschenartigen porösen Elementen aus Ni-Cr-Al-Legierungen mit den in der Tabelle dargestellten Zusammensetzungen nicht einmal dann Schäden auf, nachdem sie 500 Mal regeneriert worden waren; außerdem zeichneten sie sich durch ausreichende Haltbarkeit aus.
Die Filter aus Ni-Cr-Legierungen mit mindestens 15 Gew.% Cr waren haltbar genug, um nicht einmal nach soomaliger Regeneration größere Schäden aufzuweisen. Die Filter mit 10 Gew.% oder weniger Cr waren spröde und bildeten poröse Oxidablagerungen. Sie waren also nicht haltbar genug. Man fand außerdem heraus, daß durch die Zugabe von Al die Wärmebeständigkeit der Filter nicht wesentlich verbessert werden kann.

(Test 7)

(Heizelement)

Bei dem Test 1 wurde als ein Beispiel für das Verfahren zum Entfernen der durch das Filterelement gesammelten Partikel die vom Brenner erzeugte Wärme ohne jegliche strenge Steuerung der Wärme zum Verbrennen der gesammelten Partikel verwendet. Bei diesem Test wurden die vom porösen Element gesammelten Partikel mit einem elektrischen Heizelement abgebrannt und entfernt.
Die Position, an der das Heizelement angeordnet ist, ist in diesem Fall wichtig. Als Beispiel wurde, wie in Fig. 10 dargestellt, ein zylindrisches Filterelement mit ummantelten Heizelementen aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Material verwendet. Die ummantelten Heizelemente sind in der Wandung des Filterelements zum Sammeln von Partikeln aus hindurchströmendem Abgas eingebettet.
In Fig. 10 sind die ummantelten Heizelemente 622A - 622D in dem zylindrischen Element 617 eingebettet. Sie sind so nahe an der Gaseinlaßseite wie möglich angeordnet. Die ummantelten Heizelemente 622A und 6228 sind ein einstückiges Element, welches nahe der Endfläche B gebogen ist. Der Biegebereich ist in der Endfläche B eingebettet. Die Heizelemente 622C und 622D haben den gleichen Aufbau wie die Heizelemente 622A und 6228. Die Heizelemente 622A - 622D sind im Abstand von 90º angeordnet.
Vier derartige Filterelemente mit Heizelementen wurden in dem in Fig. 5(A), 5(B) dargestellten Filter befestigt, wobei ihre Endflächen verschlossen waren. Bei diesem Test wurden die Filterelemente so in dem Filter angeordnet, daß das Abgas von der Innenseite zur Außenseite jedes Filterelements fließt.
Jedes Filterelement hatte einen Außendurchmesser von 150 mm, eine Dicke von 10 mm und eine Länge von 350 mm. Die Filterelemente waren dreidimensionale maschenartige poröse Elemente aus einer Ni-Cr-Legierung mit Poren mit einem durchschnittlichen Durch messer von 0,5 mm. Die Anzahl der Poren, gezählt in Richtung der Dicke, war 35, und ihre Volumenpackungsdichte bezüglich des gesamten Filterraums war 20%.
Dieser Filter wurde in die Abgasleitung eines 2,0-Liter Dieselmotors eingesetzt, und der Motor wurde mit 2000 U/min mit einem Drehmoment von 5 kgf.m gefahren. Der Ausgangsdruckabfall lag bei 1 KPa. Im Verlauf des Betriebs des Motors nahmen die Menge der gesammelten Partikel und daher auch der Druckabfall allmählich zu. Nach fünf stündigem Betrieb des Motors stieg der Druckabfall auf 6 KPa.
Es wurde nötig, die von dem Dieselmotor abgegebenen Partikel durch Aktivierung der elektrischen Heizelemente abzubrennen und zu entfernen, bevor der Gegendruck übermäßig ansteigen würde. Bei diesem Test wurden die Heizelemente durch Verbindung der Enden 622A und 6228 mit dem (+) -Pol und der Enden 622C und 622D mit dem (-)-Pol einer Stromquelle aktiviert. Als die Heizelemente sich erwärmten, sank der Druckabfall des Filters deutlich auf den Ursprungswert von 1 - 2 KPa ab. Dies zeigt deutlich, daß die gesammelten Partikel abgebrannt und entfernt und die Filter angemessen regeneriert wurden.
Die gesammelten Partikel werden durch die nahe der Abgaseintrittsseite angeordneten Heizelemente zusammen mit den metallischen dreidimensionalen maschenartigen porösen Elementen erwärmt, so daß sich die Partikel schnell entzünden und abgebrannt werden. Die Filter werden hierdurch schnell regeneriert.
Eine Untersuchung der so regenerierten Filter ergab keine Abnormitäten. Dies zeigt, daß mit dieser Anordnung das Filtermate rial frei von übermäßig großen Lasten gehalten wird.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete dreidimensionale maschenartige Material ist ein poröses Metall und hat daher im Vergleich zu Cordieritfiltern eine niedrige Wärmekapazität und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Deshalb wird die Wärme, die in dem Bereich entsteht, wo der Ruß verbrannt wird, schnell mit einer großen Menge Abgas ausgeleitet.
Aus diesem Grund ist es weniger wahrscheinlich, daß die Filter lokal überhitzt werden. Da die Filter nur in dem begrenzten Bereich erwärmt werden, wo die Partikel verbrannt werden, tritt kein abruptes Brennen bzw. kein Wärmeschock aufgrund des Abkühlens auf. Die Filter können vielmehr in einem moderaten Maß erwärmt werden.
Bei diesem Test sind die Heizelemente in dem zylindrischen Element nahe dessen Innenfläche an der Gaseinlaßseite eingebettet. Wenn jedoch das Abgas von der Außenseite zur Innenseite des zylindrischen Elements eingeleitet werden soll, sollten die Heizelemente in Anbetracht der Wärmeausnutzung vorzugsweise nahe der Außenfläche des zylindrischen Elements angeordnet sein.
Bei diesem Test wurden vier Filterelemente in den in Fig. 5(B) dargestellten Filter eingesetzt. Selbstverständlich kann die Anzahl der Filterelemente je nach Hubraum und Aufbau des Regenerationssystems variieren.

(GEWERBLICHE ANWENDUNG)

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen aus einem Dieselmotor geschaffen, der die Partikel in den Abgasen hocheffizient sammeln kann und dabei den Druckabfall nicht übermäßig erhöht, und der thermischen Beanspruchungen während der Regenerationsbehandlung in ausreichendem Maß standhalten kann. [Tabelle 1] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter der vorliegenden Erfindung [Tabelle 2] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter der vorliegenden Erfindung [Tabelle 3] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter der vorliegenden Erfindung [Tabelle 4] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter als Vergleichsobjekte [Tabelle 5] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter als Vergleichsobjekte [Tabelle 6] Aufbau der in Test 1 verwendeten Partikelfilter als Vergleichsobjekte [Tabelle 7] Auswertungsergebnis der Beispiele in Test 1 [Tabelle 8] Auswertungsergebnis der Vergleichsobjekte in Test 1 [Tabelle 9] Aufbau der in Test 2 verwendeten Partikelfilter (Vorgesehene Breite des Gerüstabschnittes) [Tabelle 10] Auswertungsergebnis von Test 2 [Tabelle 11] Auswertungsergebnis der Oberfläche des Gerüsts und der Sammelleistung der dreidimensionalen porösen Elemente in Test 3 [Tabelle 12] Aufbau der in Test 4 verwendeten Partikelfilter der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsobjekte (Wellenform 1, Richtung des Kreises) [Tabelle 13] Auswertungsergebnis des Tests 4 [Tabelle 14] Aufbau der in Test 4 verwendeten Partikelfilter der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsobjekte (Wellenform 1, Richtung des Kreises) [Tabelle 15] Auswertungsergebnis des Tests 5 [Tabelle 16] Zusammensetzung der in Test 6 verwendeten dreidimensionalen maschenartigen porösen Elemente und Verschlechterung des Gerüsts nach der Regeneration

Claims

1. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen, mit einem in der Abgasleitung eines Dieselmotors anzuordnenden Gehäuse und einem in diesem Gehäuse angeordneten Filterelement, wobei das Filterelement aus einem dreidimensionalen maschenartigen porösen Element in Form eines wärmebeständigen Metallgefüges besteht&sub1; das kommunizierende Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 - 1mm aufweist, wobei die durchschnittliche Anzahl der Poren, gezählt in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Filterelements, durch die Abgase in das Filterelement eindringen, 10 oder mehr beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenpackungsdichte des Metallgefüges über den gesamten Filterraum des Filterelements größer als 10% und bis zu 40% ist und daß das wärmebeständige Material eine Legierung auf Ni-Basis mit 50 - 80 Gew.% Ni und 20 - 50 Gew.% Cr oder eine Legierung auf Ni-Basis mit 50 - 85 Gew.% Ni, 12 - 44 Gew.% Cr und 1 - 6 Gew.% Al ist.

2. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach Anspruch 1, bei dem die vorgesehene Breite eines Teilabschnitts des Metallgefüges des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements 20 µm oder mehr beträgt.

3. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach Anspruch 1, bei dem die Rauheit des Metallgefüges des dreidimensionalen maschenartigen porösen Elements 0,2 µm oder mehr beträgt, ausgedrückt in Rmax.

4. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Filterelement eine Vielzahl zylindrischer Elemente aufweist, und bei dem ein Ende der Lücke, die zwischen der Außenfläche jedes der zylindrischen Elemente und der Innenfläche des Gehäuses besteht, sowie die Öffnung jedes zylindrischen Elements am anderen Ende verschlossen sind.

5. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Filterelement eine Vielzahl zylindrischer Elemente enthält, die unterschiedliche Durchmesser haben und konzentrisch angeordnet sind, so daß dazwischen vorherbestimmte Lücken entstehen, und bei dem die Lücke, die zwischen der Innenfläche des Gehäuses und dem äußersten zylindrischen Element besteht, die Lücken zwischen den benachbarten zylindrischen Elementen und die Öffnung am Ende des innersten zylindrischen Elements abwechselnd an dem der Gaseinlaßseite nahen Ende und an dem anderen, der Gasauslaßseite nahen Ende verschlossen sind.

6. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Filterelement ein entlang des Umfangs oder axial gewelltes zylindrisches Element ist, und bei dem die zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements und der Innenfläche des Gehäuses bestehende Lücke sowie die Öffnung jedes zylindrischen Elements am anderen Ende verschlossen sind.

7. Partikelfilter zur Reinigung von Dieselmotor-Abgasen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der außerdem ein elektrisches Heizelement zum Abbrennen und Entfernen der durch das Filterelement gesammelten Partikel aufweist.