(57)【要約】  内燃機関の排ガス後処理装置のためのフィルタエレメントであって、コーティングされたセラミック材料から成っていて、したがって局所的な過熱に対して耐性を有している。
2009511242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にディーゼル機関の排ガスをろ過するためのフィルタエレメントであって、
当該フィルタエレメントが、排ガスの主流れ方向に対して平行に延びる縦軸線（２６）を有しており、該縦軸線（２６）に対して平行に延びる複数の流入通路（２８）を備えており、該縦軸線（２６）に対して平行に延びる複数の流出通路（３０）を備えており、流入通路（２８）および／または流出通路（３０）が、フィルタ壁（３４）によって画成されている形式のものにおいて、
フィルタ壁（３４）が、少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする、フィルタエレメント。
【請求項２】
フィルタ壁（３４）が流入通路（２８）の内面でコーティングされている、請求項１記載のフィルタエレメント。
【請求項３】
フィルタ壁（３４）のコーティング（３６）が、比較的大きな体積比熱および／または質量比熱を有する、化学的に安定していて、フィルタ材料、特にコージライトに対して不活性な材料から成っている、請求項１または２記載のフィルタエレメント。
【請求項４】
フィルタ壁（３４）のコーティング（３６）が、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）の金属の酸化物から成っている、請求項３記載のフィルタエレメント。
【請求項５】
コーティング（３６）の厚さが、１２μｍ〜１５０μｍ、有利には１２μｍ〜５０μｍである、請求項１から４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項６】
コーティング（３６）の厚さが、局所的に異なっている、請求項１から５までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項７】
コーティング（３６）の厚さが、流入面（２２）の領域で最小であり、かつ流出面（２４）の領域で最大である、請求項６記載のフィルタエレメント。
【請求項８】
コーティング（３６）の厚さが、縦軸線（２６）の領域で最大であり、かつ外径の領域で最小である、請求項６または７記載のフィルタエレメント。
【請求項９】
フィルタ壁（３４）の厚さが、１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝２５．４ｍｍ／１０００）〜２５ｍｉｌ、有利には１７ｍｉｌ〜２２ｍｉｌである、請求項１から８までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１０】
フィルタ壁（３４）の気孔率が、４０％〜６５％、有利には４５％〜５５％である、請求項１から９までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１１】
フィルタ壁（３４）のセル密度が、１００ｃｐｓｉ〜３００ｃｐｓｉ、有利には１８０ｃｐｓｉ〜２４０ｃｐｓｉである、請求項１から１０までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１２】
フィルタ壁（３４）が、アルミニウム−マグネシウム−珪酸塩、有利にはコージライト、酸化チタン（ＴｉＯ2）、炭化珪素（ＳｉＣ）および／またはチタン酸アルミニウムから成っている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１３】
流入通路（２８）が、フィルタエレメント（１８）の流入面（２２）で始まり、フィルタエレメント（１８）の流出面（２４）で閉じられており、流出通路（３０）が、流入面（２２）で閉じられていて、流出面（２４）で終わっている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１４】
流入通路（２１）の横断面積（Ａe）と流出通路（２３）の横断面積（Ａa）とが、比（Ａe／Ａa）で、２．０〜１．０、有利には１．７〜１．１を成している、請求項１から１３までのいずれか１項記載のフィルタエレメント。
【請求項１５】
フィルタエレメント（１８）とケーシング（１６）と排ガス管（１２）とを備えたフィルタ装置において、
フィルタエレメントが、請求項１から１４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）であることを特徴とする、フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、内燃機関の排ガスを浄化するためのフィルタエレメント、および請求項１５に記載の形式の、フィルタエレメントを備えたディーゼルパティキュレートフィルタ（Russfilter）に関する。このようなフィルタエレメントは、たとえばディーゼル内燃機関のためのディーゼルパティキュレートフィルタとして使用される。
【０００２】
フィルタエレメントは、多くの場合セラミック材料から成っていて、かつ互いに平行に延びる多数の流入通路と流出通路とを備えている。
【０００３】
フィルタエレメントは、押出成形によってセラミック材料から製造される。これの意味するところによれば、フィルタエレメントの素材は、互いに平行に延びる多数の通路を備えた角柱体である。素材の通路は、最初の段階では両端部で開いている。
【０００４】
浄化しようとする排ガスがフィルタの壁を通流するようにするために、通路の一部は、フィルタエレメントの後方端部で閉じられ、これに対して通路の別の一部は、フィルタエレメントの前方縁部で閉じられる。これによって２グループの通路が形成され、つまり後方端部で閉じられたいわゆる流入通路と、フィルタエレメントの始端部で閉じられたいわゆる流出通路とが形成される。
【０００５】
流入通路と流出通路との間で、フィルタエレメントの多孔性の壁を介して流れ結合が形成されるので、排ガスは、フィルタエレメントを通流することができ、流入通路から、フィルタエレメントの壁を通って流出通路に通流する。
【０００６】
フィルタエレメントの再生に際して、カーボンブラック堆積物が酸化され、この場合熱が解放される。なぜならばフィルタエレメントの内側では、周囲よりも多くのカーボンブラックが堆積するからである。さらにフィルタエレメントの周囲では、内側よりも放熱が良好であるので、特にフィルタエレメントの再生時に局所的な温度差が発生し、温度差によって、フィルタエレメントの内側で熱負荷が生じる。
【０００７】
熱負荷が過度に大きくなると、フィルタエレメントに亀裂が生じ、フィルタエレメントの故障が生じることになる。このリスクは、とりわけコージライトから成るフィルタエレメントで生じる。なぜならばコージライトは比較的小さな比熱を有していて、したがってカーボンブラック堆積物の酸化に際して局所的に極めて高い温度が生じ得るからである。
【０００８】
したがって本発明の課題は、カーボンブラック堆積物の酸化に際して解放される熱に対してあまり影響を受けない、セラミック材料、有利にはコージライトから成るフィルタエレメントを提供することである。
【０００９】
この課題を解決する本発明の装置によれば、特にディーゼル機関の排ガスをろ過するためのフィルタエレメントであって、フィルタエレメントが、排ガスの主流れ方向に対して平行に延びる縦軸線を有しており、縦軸線に対して平行に延びる複数の流入通路を備えており、縦軸線に対して平行に延びる複数の流出通路を備えており、流入通路および／または流出通路が、フィルタ壁によって画成されている形式のものにおいて、フィルタ壁が、少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする。
【００１０】
有利には、フィルタ壁が流入通路の内面でコーティングされている。
【００１１】
有利には、フィルタ壁のコーティングが、比較的大きな体積比熱および／または質量比熱を有する、化学的に安定していて、フィルタ材料、特にコージライトに対して不活性な材料から成っている。
【００１２】
有利には、フィルタ壁のコーティングが、ジルコニウム、セリウム、ランタン、チタンおよび／またはアルミニウムの金属の酸化物から成っている。
【００１３】
有利には、コーティングの厚さが、１２μｍ〜１５０μｍ、有利には１２μｍ〜５０μｍである。
【００１４】
有利には、コーティングの厚さが、局所的に異なっている。
【００１５】
有利には、コーティングの厚さが、流入面の領域で最小であり、かつ流出面の領域で最大である。
【００１６】
有利には、コーティングの厚さが、縦軸線の領域で最大であり、かつ外径の領域で最小である。
【００１７】
有利には、フィルタ壁の厚さが、１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝２５．４ｍｍ／１０００）〜２５ｍｉｌ、有利には１７ｍｉｌ〜２２ｍｉｌである。
【００１８】
有利には、フィルタ壁の空隙率が、４０％〜６５％、有利には４５％〜５５％である。
【００１９】
有利には、フィルタ壁のセル密度が、１００ｃｐｓｉ〜３００ｃｐｓｉ、有利には１８０ｃｐｓｉ〜２４０ｃｐｓｉである。
【００２０】
有利には、フィルタ壁が、アルミニウム−マグネシウム−珪酸塩、有利にはコージライト、酸化チタン、炭化珪素および／またはチタン酸アルミニウムから成っている。
【００２１】
有利には、流入通路が、フィルタエレメントの流入面で始まり、フィルタエレメントの流出面で閉じられており、流出通路が、流入面で閉じられていて、流出面で終わっている。
【００２２】
有利には、流入通路の横断面積と流出通路の横断面積とが、比で、２．０〜１．０、有利には１．７〜１．１を成している。
【００２３】
有利には、フィルタエレメントとケーシングと排ガス管とを備えたフィルタ装置において、フィルタエレメントが、前述のフィルタエレメントであることを特徴とする。
【００２４】
発明の利点
本発明によるフィルタ壁のコーティングによって、熱慣性が高められるので、カーボンブラック酸化に際して熱の解放から生じる温度上昇は抑制される。これによって本発明によるフィルタエレメントは、カーボンブラックによる堆積における局所的な差異に対して強く、かつ堆積されたカーボンブラックの酸化に際して生じる熱の放出に関する差異に対して強くなっている。
【００２５】
本発明によれば、フィルタエレメント全体をコーティングする必要はない。むしろ多くの場合、フィルタエレメントの、最高の運転温度の生じる領域に、本発明によるコーティングを設ければ十分である。
【００２６】
特に有利には、フィルタ壁は、流入通路の内面でコーティングされている。これによってカーボンブラックが重力に従って堆積される正確な位置、つまり流入通路の内面では、フィルタ壁の熱慣性が特に高くなっているので、堆積されたカーボンブラックの酸化に際して発生する熱によって、フィルタエレメントの内側において許容できない局所的な高温が生じることはない。
【００２７】
原則として、コーティング材料として、化学的に安定していて、フィルタ材料、特にコージライトに対して不活性で、かつ大きな体積比熱および／または質量比熱を有するあらゆるコーティングが考えられる。この場合比熱は、フィルタエレメントの原材料の比熱よりも大きな値とみなされる。
【００２８】
有利には、フィルタ壁のコーティングが、ジルコニウム、セリウム、ランタン、チタンおよび／またはアルミニウムの金属の酸化物から成っている。これら全ての酸化物では、前述の枠条件、つまり化学耐性、フィルタ材料、特にコージライトに対する不活性特性、耐熱性および高い比熱が満たされている。
【００２９】
実際に有利であると認められたが、コーティングの厚さは１２μｍ〜１５０μｍであり、有利には１２μｍ〜５０μｍである。
【００３０】
もちろん個々のケースでは、コーティングの厚さは、局所的に異なって選択することができる。これによってフィルタエレメントの最大熱負荷領域は、負荷の小さな領域よりも厚い層で、許容されない高温に対して保護することができる。通常、フィルタエレメントの、縦軸線の周りで、流れ方向でみて後方の端部における領域が、熱的に最も強く負荷される。
【００３１】
特に有利には、そのようなコーティング材料は、たとえば要求される特性（化学安定性、フィルタ材料、特にコージライトに対する不活性特性、耐熱性および高い比熱）の他に、さらに別の特性、たとえば触媒特性を有している。
【００３２】
本発明によるフィルタエレメントは、有利には４０％〜６５％、特に有利には４５％〜５５％の気孔率を有するフィルタ壁を備えている。
【００３３】
同様に有利には、フィルタ壁のセル密度は、１００ｃｐｓｉ（ｃｐｓｉ＝平方インチあたりのセル）〜３００ｃｐｓｉ、有利には１８０ｃｐｓｉ〜２４０ｃｐｓｉである。
【００３４】
フィルタエレメントのフィルタ壁のための適当な材料として、酸化アルミニウム、珪酸マグネシウム、有利にはコージライト、酸化チタン、炭化珪素および／またはチタン酸アルミニウムが挙げられる。
【００３５】
本発明によるフィルタエレメントの性能は、流入通路の横断面積と流出通路の横断面積とが、比で、２．０〜１．０、有利には１．７〜１．１を成していると、さらに高められる。したがって流入通路の内面は、流出通路の内面よりも大きくなっている。カーボンブラック堆積物のためのフィルタエレメントの貯蔵容量は、主に流入通路の内面の流入面に関連しているので、本発明に従って要求される幾何学形状によって、カーボンブラックのためのフィルタエレメントの貯蔵容量は高められる。
【００３６】
上述の利点は、フィルタエレメントとケーシングと供給管路と排出管路とを備えたディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、本発明によるフィルタエレメントを使用することによって得られる。
【００３７】
本発明の別の利点および有利な実施形態は、以下の実施例の説明、図面および特許請求の範囲から理解することができる。実施例の説明、図面および特許請求の範囲に記載した全ての利点は、個別的にみなしても、任意に組み合わせても本発明の本質を成すものである。
【００３８】
実施例の説明
以下に図面につき本発明の実施例を説明する。
【００３９】
図１において、内燃機関に符号１０を付した。排ガスは、排ガス管１２を介して排出され、排ガス管１２にはフィルタ装置１４が配置されている。フィルタ装置１４によって、カーボンブラックが、排ガス管１２内を流れる排ガスから選別される。このことは、法律規定を維持するために特にディーゼル機関で要求される。
【００４０】
図１に示した実施例では、フィルタ装置１４は、円筒形のケーシング１６を備えており、ケーシング１６内に、本実施例では回転対称的に、同様に全体として円筒形のフィルタエレメント１８が配置されている。もちろん本発明は、このような幾何学形状に制限されるものではない。
【００４１】
図２には、従来技術によるフィルタエレメント１８を断面図で示した。フィルタエレメント１８は、セラミック材料、たとえばコージライトから成る、押出成形された成形体として製作されている。フィルタエレメント１８を、矢印２０の方向で、図示していない排ガスが通流する。図２において、流入面には符合２２を付し、これに対して図２において、流出面には符合２４を付した。
【００４２】
フィルタエレメント１８の縦軸線２６に対して平行に、複数の流入通路２８が、流出通路３０と交互に延びている。流入通路２８は、流出面２４で閉じられている。閉鎖栓は、図２において符合を付さずに示した。これに対して流出通路３０は、流出面２４で開いていて、かつ流入面２２の領域で閉じられている。
【００４３】
浄化されていない排ガスの流れ経路は、１流入通路２８に延びていて、そこからフィルタ壁（符合を付していない）を通って１流出通路３０に延びている。流れ経路の典型的な例を矢印３２で示した。
【００４４】
フィルタエレメントの外径は、図２においてＤaで示した。
【００４５】
図３には、図２のフィルタエレメント１８を、正しい尺度ではないが拡大断面図で示した。フィルタエレメント１８の拡大図に明確に示したように、流入通路２８の内壁にはコーティング３６が被覆されている。コーティング３６は、もちろんフィルタ壁３４と同様に多孔性にする必要があるので、排ガスは、コーティング３６をもフィルタ壁３４をも通って、流入通路２８から流出通路３０に達することができる。流出面２４の領域におけるフィルタエレメントの熱負荷は、流入面２２の領域における熱負荷よりも大きいので、コーティング３６の厚さＤは、流出面２４に向かって漸増している。
【００４６】
既に記載したように、コーティング３６は、フィルタ壁３４よりも高い固有の熱容量を有しているので、コーティング３６の、局所的に異なる厚さＤによって、フィルタエレメントの熱容量は、フィルタエレメントの熱負荷に適合されている。これによって一方では流出面２４の領域でも許容できないような高温が発生することはなく、他方では流入面２２の領域で不都合に厚いコーティング３が設けられることもない。
【００４７】
コーティング３６は、慣用で従来技術から公知の様々な方法で取り付けることができる。考えられる１方法によれば、フィルタエレメント１８は、あとでコーティング３６を形成する材料を含有する懸濁液に含浸され、次いで後続の熱処理が施される。この場合フィルタ壁３４の両側がコーティングされる。
【００４８】
図３に示したような、技術的かつ経済的な理由から有利である片側のコーティングは、たとえばフィルタエレメント１８に流入面２２で懸濁液を充填して、次いでフィルタエレメント１８に熱処理を施すことによって達成される。
【００４９】
流入面２２と流出通路３０との間に多孔性のフィルタ壁を介する結合が得られるので、このようにすると、流入通路２８の内面だけをコーティングすることができる。
【００５０】
選択的に、懸濁液を流入面２２に導入して、流出面２４に負圧を加えることもできるので、懸濁液は、フィルタ壁３４を通って吸引される。この場合懸濁液に含まれる粒子のサイズは、フィルタエレメント１８の孔のサイズに調和されており、粒子は、流入通路２８の内面に析出され、懸濁液の液体は、フィルタ壁３４を通って吸い出される。
【００５１】
選択的に、空気中の粉体を、圧力差を加えることによって、フィルタエレメント１８を通って吸い込むことも考えられる。この場合流入面２２に掛かる圧力は、流出面２４に掛かる圧力よりも大きく、流入面２２において、粉体の混合された空気が吸い込まれるか、もしくはフィルタエレメント１８に吹き込まれる。
【００５２】
さらにまたフィルタエレメント１８は、流入面２２から懸濁液で充填して、次いでフィルタエレメント１８は、回転運動させることもでき、その結果懸濁液は、フィルタ壁３４に押し付けられ、このようにして懸濁液に含有された粒体が流入通路２８の内面に析出される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による排ガス後処理装置を備えた内燃機関を示す概略図である。
【図２】本発明によるフィルタエレメントの１実施例を示す縦断面図である。
【図３】図２の拡大図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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