Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs einer Filterstruktur, insbesondere für einen Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens eines Bereichs einer Filterstruktur, insbesondere für einen Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Filtermaterial mit einer Stützstruktur verbunden wird.
Eine Filtereinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 28 936 Al bekannt. Der dort gezeigte Partikelfilter ist in das Abgassystem einer Diesel- Brennkraftmaschine eingebaut. Die Filterwände bei der bekannten Filtereinrichtung sind aus Sintermetall hergestellt und so angeordnet, dass keilförmige Filtertaschen gebildet werden. Die spitz zulaufenden Keilkanten der Filtertaschen zeigen entgegen die Strömungsrichtung des Abgases, die in Strömungsrichtung gesehen hintere Schmalseite einer Filtertasche ist offen. Die Filtertaschen sind nebeneinander derart angeordnet, dass eine insgesamt rotationssymmetrische, ringartige Filterstruktur gebildet wird.
Bei dem bekannten Partikelfilter sind die Filterwände durch labile Sintermetallfolien oder Sintermetallmatten gebildet, die mit gesonderten Trag- beziehungsweise Stützstrukturen, beispielsweise Lochblechen, Metallgeweben oder dergleichen, verbunden sind.
Vom Markt her bekannt ist es auch, aus einem Sintermetall und einem möglichst geringen Anteil an einem organischen Binder eine streichfähige, mörtelartige Masse herzustellen. Diese wird nach dem Zellradprinzip in Metallgewebe oder Streckmetall eingerakelt. Damit entsteht eine glatte und damit relativ geringe Filteroberfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Filtereinrichtung mit exakt definierten Eigenschaften preiswert hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a. Herstellen eines Gemisches mindestens aus einem Sintermetallpulver und einem, organischen Binder;
b. Herstellen einer Folie aus dem Gemisch;
c. Auflaminieren der Folie auf die Stückstruktur; und
d. Sintern.
Vorteile der Erfindung
Die Verwendung einer Folie hat den Vorteil, dass deren Dicke, Dichte und die Strukturierung der
Sintermetallbefüllung sehr exakt definiert werden können. Durch Letzteres kann die Pulverbelegung pro Fläche und damit das Gewicht pro Quadratmeter exakt eingestellt werden. Letztlich kann durch diese Parameter die Permeabilität des Sintermetallfilters exakt vordefiniert werden. Das Gemisch kann ferner auch ein Lösemittel (vor allem bei Anwendung eines Gießverfahrens) und weitere organische Additive {entsprechend den jeweiligen Prozessanforderungen) enthalten.
Darüber hinaus kann eine solche Folie prozesstechnisch einfach und preiswert und in reproduzierbarer Qualität hergestellt werden. Auch eine ständige Qualitätskontrolle sowie eine Lagerung einer solchen Folie ist möglich, was ebenfalls den Herstellungsprozess erleichtert und die Herstellkosten senkt.
Das Auflaminieren der Folie auf die Stützstruktur ermöglicht eine zuverlässige Verbindung der Folie mit der Stützstruktur und ergibt nach dem Sintern einen quasi- einstückigen und somit sehr stabilen Verbund, der einfach weiterverarbeitet werden kann. Beispielsweise können die einzelnen Filterwände, aus denen die an sich bekannten Filtertaschen hergestellt werden, aus dem gesinterten Verbund problemlos ausgesägt werden. Dabei ist ein solcher Laminierprozess technisch ohne großen Regelungsaufwand beherrschbar. Der Laminierprozess kann kontinuierlich oder diskontinuierlich mit hohen Durchsätzen gefahren werden, was ebenfalls zu einer Senkung der Herstellkosten beiträgt. Ferner wird die Lebensdauer der Filtereinrichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren erhöht, da die stabile und
flächige Verbindung der Stützstruktur mit der Sintermetallfolie praktisch unlösbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass im Schritt b die Folie durch Folienrakeln, Foliengießen oder Folienextrusion hergestellt wird. Alle genannten Verfahren gestatten eine exakte Einstellung der Foliendicke und die Herstellung einer homogenen, glatten und von Luftblasen freien Sinterraetallfolie.
Das Auflaminieren erfolgt im Schritt c vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 80 - 150 ° Celsius, vorzugsweise im Bereich von 80 - 90 ° Celsius. Die Laminiertemperatur, bei der die Sintermetallfolie plastisch und laminierfähig und die bestmögliche Haftung zwischen der Sintermetallfolie und der Stützstruktur erhalten wird, kann sehr gut durch eine entsprechende Auswahl und Menge des organischen Binders eingestellt werden. Der angegebene Temperaturbereich ist deshalb besonders vorteilhaft, da der erforderliche Energieeinsatz begrenzt ist und dennoch mit üblichen organischen und thermoplastischen Bindern bereits eine gute Haftwirkung erzielt wird. Dies gilt besonders für den Bereich von 80 - 90 ° Celsius.
Vorteilhafterweise wird als Stützstruktur ein metallisches Gewebe, ein Streckmetall oder ein Lochblech verwendet. Diese sind preiswert, verdecken nur eine geringe Fläche und gestatten somit im Betrieb einen hohen Gasdurchsatz.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Schritt c die Oberflächenstruktur der Stützstruktur auf der Folie abgebildet wird. Hierdurch wird die Oberfläche der
Filtereinrichtung erhöht, was zu einer besseren Filterkapazität führt.
In die gleiche Richtung zielt jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher im Schritt c oder nach diesem Schritt ein Muster in die Oberfläche der Folie eingebracht wird. Dies kann auf einfache Art und Weise mittels einer strukturierten Laminierwalze erfolgen. Somit kann ohne einen zusätzlichen Fertigungsschritt gleichzeitig mit dem Laminieren eine definierte Oberfläche geschaffen werden, die dem jeweiligen Einsatz an Forderungen entspricht.
Optimale Filtereigenschaften, insbesondere bei dem Einsatz der Filtereinrichtung als Partikelfilter im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, werden erreicht, wenn das Sintermetallpulver eine Körnung von ungefähr 1 - 150 μm, bevorzugt 40 - 70 μm, stärker bevorzugt 50 - 60 μm aufweist.
Günstige Herstellkosten werden erzielt, wenn im Schritt a das Sintermetallpulver mit ungefähr 8 Gew% Acrylatbinder und Butylacetat als Lösemittel zu einem rakelfähigen Schlicker verarbeitet wird.
Eine ausreichende Stabilität bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand im Betrieb der Filtereinrichtung wird erzielt, wenn die Folie vor dem Laminieren eine Dicke von ungefähr 90 - 500 μm aufweist.
Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter mit einer Filterstruktur;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung der
Filterstruktur von Figur 1;
Figur 3 zwei Filtertaschen der Filterstruktur von Figur l;
Figur 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Filterwand der Filterstruktur von Figur 1;
Figur 5 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Filterwand der Filtertasche von Figur 3 vor einem Sinterschritt;
Figur 6 eine Darstellung ähnlich Figur 4 einer zweiten Ausführungsform; und
Figur 7 eine Darstellung ähnlich Figur 4 einer dritten Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Zu ihr gehört ein Abgassystem 12, in dem ein
Partikelfilter 14 angeordnet ist. Durch diesen können beispielsweise Rußpartikel aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 herausgefiltert werden. Der Partikelfilter 14 umfasst ein Gehäuse 16 und eine in dem Gehäuse 16 angeordnete Filterstruktur 18.
Die Filterstruktur 18 ist in Figur 2 genauer dargestellt: Sie umfasst eine Vielzahl von keilförmigen Filtertaschen 20, die mit ihrer spitz zulaufenden Keilkante entgegen der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet sind. Die Filtertaschen 20 sind nebeneinander um eine Gesamt- Längsachse angeordnet, so dass eine insgesamt rotationssymmetrische Filterstruktur 18 gebildet wird. Die radial innen und außen liegenden Schmalseiten der Filtertaschen 20 sind geschlossen. Die in Strömungsrichtung hinten liegenden Schmalseiten der Filtertaschen 20 sind offen. Im Bereich ihrer in Strömungsrichtung hinteren Enden sind die Filtertaschen miteinander verbunden.
In Figur 3 sind zwei nebeneinander liegende Filtertaschen 20a und 20b dargestellt: Das Abgas tritt im Betrieb in einen Bereich zwischen den beiden Filtertaschen 20a und 20b, tritt durch eine seitliche Filterwand 22 hindurch und gelangt so in das Innere der jeweiligen Filtertasche 20a und 20b. Der Abgasström ist durch einen Pfeil 24 dargestellt. Beim Durchtritt durch die Seitenwand 22 werden die Partikel aus dem Abgas abgeschieden und an der stromaufwärtigen Oberfläche der Seitenwand 22 abgelagert.
Die Wände, und insbesondere die Seitenwände 22 der
Filtertaschen 20, sind aus einem porösen Sintermetall hergestellt, welches durch eine Stützstruktur stabilisiert beziehungsweise gehalten wird. Ein Verfahren zum Herstellen beispielsweise der Seitenwände 22 der Filtertaschen 20 ist in Figur 4 angegeben: Zunächst wird Sintermetallpulver 26 mit einer Körnung von ungefähr 50 - 60 μm mit ungefähr 8 Gew% Acrylatbinder 28 sowie Butylacetat als Lösemittel 30 mittels einer Einrichtung 32 zu einem rakelfähigen Schlicker 34 verarbeitet. Dieser wird mit einem Filmrakelgerät 36 zu einer 90 - 100 μm dicken
Sintermetallfolie 38 verarbeitet, die auch als "Grünfolie" bezeichnet wird.
Letztere wird mittels einer Laminierwalze 40 auf ein ungefähr 0,4 mm dickes Streckmetall 42 auflaminiert. Hierzu wird die Sintermetallfolie 38 auf eine Temperatur von ca. 80 ° Celsius erwärmt, auf das Streckmetall 42 aufgelegt und kurz angedrückt. Da die Folie mit 90 - 100 μm vergleichsweise dünn ist, zeichnet sich nach dem Andrücken auf dem entsprechenden Rohling 44 die Struktur des
Streckmetalls 42 deutlich ab. Die Sicherheit gegen Reißen etc. bei diesem "Einprägen" wird erhöht, wenn die Folie noch dicker ist. Vorteilhaft sind dabei vor allem Dicken größer als 250μm, noch stärker bevorzugt Dicken größer als 450μm. Die Laminierwalze 40 kann auch selbst auf ihrer Oberfläche eine bestimmte Struktur aufweisen, die beim Laminieren in die Oberfläche der Sintermetallfolie 38 eingeprägt wird. In einem Ofen 46 wird der Rohling 44 anschließend gesintert, was einen quasi-einstückigen Verbund 48 ergibt. In einer Sägeeinrichtung 50 werden anschließend die einzelnen Seitenwände 22 ausgesägt.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen Schnitte durch verschiedene Ausführungsformen von Rohlingen 44: In Figur 5 ist ein Rohling 44 dargestellt, der mittels einer vergleichsweise dicken Sintermetallfolie 38 hergestellt wurde. Insgesamt ist die Oberfläche 52 der auflaminierten Sintermetallfolie 38 glatt. Der in Figur 6 gezeichnete Rohling entspricht jenem, wie er unter Verwendung des in Figur 4 beschriebenen Verfahrens hergestellt wird: Man erkennt, dass sich die
Oberflächenstruktur des Streckmetalls 42 auf der Oberfläche 52 der auflaminierten Sintermetallfolie 38 abbildet. In Figur 7 ist ein Rohling 44 gezeigt, der mit einer strukturierten Laminierwalze 40 hergestellt wurde und
dessen Oberfläche 52 ein entsprechend eingeprägtes Muster 54 aufweist.