Eine Partikelfalle der eingangs genannten Art dient dazu, Feststoffpartikel, die in einem strömenden Fluid enthalten sind, aus der Strömung abzuscheiden.

Besondere praktische Bedeutung haben derartige Partikelfallen bei der Reinigung von Dieselabgasen von Fahrzeugen. Hierbei muss die Partikelfalle durch Oxidation der Partikel regenerierbar sein. Sie wird in ein Rohr, wie z. B. in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges einbaubar sein.

Partikel in den Abgasen eines Kraftfahrzeuges lagern sich oft an der Beschichtung und/oder an der Außenwand, wie z. B. im Abgasstrang und/oder an der Außenwand wie z. B. im Abgasstrang und/oder im Katalysator des Kraftfahrzeuges an. Bei Laständerungen werden sie dann in Form einer Partikelwolke, wie z. B. einer Rußwolke ausgestoßen.

Herkömmlich werden zum Abscheiden der Partikel Siebe eingesetzt, die man teilweise auch als Filter bezeichnet. Siebe können zwar grundsätzlich die Partikel auffangen, haben jedoch zwei erhebliche Nachteile : Zum einen können sie verstopfen, und zum anderen bewirken sie einen unerwünschten Druckabfall.

Werden keine Siebe eingesetzt, so besteht die Gefahr, dass sich der Wabenkörper des Katalysators verstopft, d. h. die Poren der Edelmetalle werden abgedeckt, und es können weder Schadstoffe noch Sauerstoff an den durch die Partikel

abgedeckten Stellen an die Edelmetalle diffundieren. Zudem müssen gesetzliche Werte für Kraftfahrzeugemissionen eingehalten werden, die--, ohne Partikelreduktion überschritten würden. Es besteht daher der Bedarf, Auffangelemente für Abgaspartikel zu schaffen, die die Nachteile der Siebe und Filter vermeiden und die Wirksamkeit der Katalysatoren nicht beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Partikelfalle und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit möglichst hoher Effektivität Partikel aus dem Strom eines Fluids abscheiden, wobei die abgeschiedenen Partikel später durch Oxidation entfernbar sind und die Partikelfalle somit regenerierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Partikelfalle der angegebenen Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es wird also vorgesehen, dass die Wand des Strömungskanals zumindest Bereiche aus porösem oder hochporösem Material aufweist und dass der Strömungskanal als Umlenk-oder Leitstruktur wirkende Einbauten in derartiger Anordnung aufweist, dass die Partikel aus der Strömung zu den Bereichen aus porösem oder hochporösem Material hingelenkt werden.

Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens besteht die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe gemäß Anspruch 11 in einem Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus dem Strom eines Fluids in einer Partikelfalle, bei dem durch zumindest eine Umlenk-oder Leitstruktur in zumindest einem Strömungskanal der Partikelfalle die Partikel eines die Partikelfalle durchströmenden Fluids gegen eine poröse oder hochporöse Kanalwand geschleudert oder gelenkt werden.

Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, dass die Partikel, die durch die Einbauten aus der Strömung zu den Bereichen aus porösem oder hochporösem Material hingelenkt werden, durch Interception und/oder Impaktion an der porösen Kanalwand haften bleiben. Für das Zustandekommen dieser Wirkung sind die Druckunterschiede im Strömungsprofil des strömenden Fluids von

Bedeutung. Durch die Umlenkungen können zusätzliche lokale Unterdruck-und Überdruckverhältnisse entstehen, die zu einem Filtrationseffekt durch die poröse Wand führen, weil die Druckunterschiede ausgeglichen werden müssen.

Die Partikelfalle ist im Gegensatz zu geschlossenen Sieb-oder Filtersystemen offen, weil keine Strömungssackgassen vorgesehen sind. Diese Eigenschaften kann in dem Fall auch zur Charakterisierung der Partikelfalle dienen, wie z. B. eine Blickoffenheit von 20 % besagt, dass in einer Querschnittsbetrachtung ca.

20 % der Fläche durchschaubar sind. Bei einem 600 cpsi-Träger mit d (hydraulisch) = 0, 8 mm entspräche das einer Fläche von > 0,1 mm.

Als Material der Partikelfalle eignet sich Metall, Kunststoff, Keramik etc., wobei bei der Ausbildung der Strömungskanäle zumindest der Teil der Kanalwand, der den Einbauten ungefähr gegenüberliegt, porös ist.

Als poröses Material kann jeder poröse oder hochporöse Sinter-und/oder Faserstoff eingesetzt werden, wobei neben dem Abscheide-und Haftungsverhalten gegenüber Rußpartikeln (etwa große geometrische Oberfläche, große Anströmfläche, passende Tiefe der Struktur) auch die Formstabilität, Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des porösen oder hochporösen Materials eine Rolle spielen.

Die erfindungsgemäße Partikelfalle und das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders bedeutsam in ihrer Anwendung auf Wabenkörper, wie sie von den Katalysatoren von Kraftfahrzeugen bekannt sind. Eine poröse Kanalwand wird dann beispielsweise durch Bildung des gesamten Wabenkörpers aus porösem Material realisiert. Bei der Bildung des Wabenkörpers aus porösem oder hochporösem Material ist die Durchströmbarkeit des porösen Materials insofern auch von Interesse, als durch komplett poröse Kanalwände eine radiale Durchströmung der Partikelfalle realisierbar ist.

Als Kanalwand wird die Kanalwand in der gesamten Länge des Strömungskanals oder ein Teil der gesamten Kanalwand bezeichnet.

Durch die Umlenk-oder Leitstruktur, eben die Einbauten, werden Partikel aus dem Fluid bei bestimmten Geschwindigkeiten gegen die poröse Wand gelenkt, wo sie haften. In der Partikelfalle wird die Abscheidung der Partikel nach dem Prinzip"Schläger"und"Fänger"realisiert, wobei die Umlenkstruktur als "Schläger"und die Partikel zum"Fänger"der porösen Kanalwand oder Zwischenschicht, hinlenken. Die Umlenkstrukturen innerhalb eines Strömungskanals können gleich oder ungleich sein und die Strukturierung der Strömungskanäle innerhalb einer Partikelfalle können ebenso variieren.

Der Querschnitt des Strömungskanals ist so bemessen, dass auch die kleinste Stelle im Kanal Partikel einer durchschnittlichen Größe durchlässt. Der Querschnitt wird durch die Umlenk-oder Leitstrukturen beeinflusst und kann gleich oder ungleich über die Länge des Strömungskanals sein.

Eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Partikelfalle besteht darin, dass der Bereich aus porösem oder hochporösem Material durch eine Zwischenlage gebildet ist, die an der nicht porösen Kanalwand angebracht ist. Auf diese Weise ergibt sich eine größere Freiheit in der Auswahl der Werkstoffe.

Die praktische Ausführung der erfindungsgemäßen Partikelfalle ist besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer Weiterbildung die Einbauten aus mindestens einem Vorsprung, Höcker, Noppen oder dergleichen bestehen, der dem Bereich aus porösem oder hochporösem Material gegenüberliegend und ggf. axial versetzt aus der Kanalwand vorspringend angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich die Einbauten fertigungstechnisch einfach und an optimalen Stellen verwirklichen.

Dabei lässt sich in der Weise vorgehen, dass gemäß vorteilhafter Weiterbildungen in Strömungsrichtung des Fluids hintereinander mehrere Vorsprünge, Höcker,

Noppen oder dergleichen angeordnet sind, die alle gleich weit von der Kanalwand in das Innere des Strömungskanals hineinragen. Oder es wird in der Weise vorgegangen, dass in Strömungsrichtung des Fluids hintereinander mehrere Vorsprünge, Höcker, Noppen oder dergleichen angeordnet sind, die in Strömungsrichtung fortschreitend zunehmend weiter von der Kanalwand in das Innere des Strömungskanals hineinragen. In beiden derartigen Fällen kann man gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auch eine gruppenweise Anordnung der Vorsprünge, Höcker, Noppen oder dergleichen mit einer bereichsweisen Erstreckung auch in Umfangsrichtung der Kanalwand vorsehen.

Durch die Anpassung der Umlenk-und Leitstrukturen und die Strukturierung der Strömungskanäle kann beispielsweise der Effekt erzielt werden, dass innerhalb einer Partikelfalle in aufeinanderfolgenden Teilbereichen zuerst die Partikel, die mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit von den Strukturen umgelenkt werden, gegen die poröse Kanalwand gelenkt werden, dann die Partikel mit einer zweiten, beispielsweise höheren Strömungsgeschwindigkeit, die an den kleineren Umlenkstrukturen keine Umlenkung erfahren haben, usw.. Je nach Betriebszustand eines Fahrzeuges bietet die Partikelfalle in diesem Fall für jede Strömungsgeschwindigkeit eine Abscheidemöglichkeit.

Ebenso können durch die Geometrie der Umlenk-und Leitstrukturen die Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsdruck des die Partikelfalle durchfließenden Fluids manipuliert und einer optimierten Abscheidungsrate angepasst werden. So wird beispielsweise durch die zunehmende radiale Erstreckung der Vorspriinge, Höcker, Noppen oder dergleichen in das Innere des Strömungskanals hinein erreicht, dass nicht nur die Partikel bei einer höheren Geschwindigkeit noch umgelenkt werden, sondern auch diejenigen Partikel, die der porösen Kanalwand eng gegenüberliegen ; der Diffusionsweg, den ein Partikel durch die Strömung bis zu dem Wandbereich aus porösem oder hochporösem Material zurücklegen muss, wird auf diese Weise immer geringer.

Dabei hat sich als besonders vorteilhaft eine Partikelfalle erwiesen, deren als Umlenk-oder Leitstruktur wirkenden Einbauten jeweils zwischen 2% und 15%, insbesondere zwischen 4% und. 8%, der im Abgas noch enthaltenen Partikel zu den Bereichen aus porösem oder hochporösem Material hinlenken. Entsprechende Versuche haben hervorgebracht, dass eine derart gestaltete Partikelfalle nur einen sehr geringen Druckabfall zur Folge hat, wobei bei einer ausreichenden Anzahl von in Strömungsrichtung hintereinander und/oder versetzt zueinander angeordneten Umlenk-oder Leitstrukturen dennoch eine sehr effektive Reinigung von Partikeln sichergestellt ist. Gegebenenfalls ist es hierbei auch möglich, mehrere solcher Partikelfällen mit jeweils wenigen Umlenk-oder Leitstrukturen in Reihe zu schalten, die gegebenenfalls gegeneinander abgestützt werden. Die Anzahl der Umlenk-oder Leitstrukturen ist insbesondere so zu wählen, dass zumindest eine statistische Umlenkung des gesamten Gasstromes hin zu dem bzw. durch das poröse Material erfolgt. Aus Versuchen ist derzeit bekannt, dass schon die Hintereinanderschaltung von 10 bis 15 solcher Umlenkstrukturen in Strömungsrichtung hintereinander zu einer Abscheideeffektivität von über 90% und sogar über @ 95% der in der Strömung enthaltenen Partikeln führt.

Dabei wird vorzugsweise die Ulmenkung der noch im Abgas enthaltenen Partikeln dv¢ch eine entsprechende Ausgestaltung der Porosität des porösen oder hochporösen Materials und/oder der Größe der Umlenk-oder Leitstruktur der Partikelfalle bewirkt. Das bedeutet beispielsweise, dass eine geringere Umlenkung der Strömung mit kleiner ausgeführten Umlenkstrukturen erforderlich ist, wenn eine ausreichend große Porosität der Kanalwand gewährleistet ist. Dabei werden insbesondere Bereiche mit reduzierten Drücken in benachbarten Strömungswegen nahe, in Strömungsrichtung hinter, einer Umlenkstruktur erzeugt, die folglich einem Sog der Partikel in das poröse Material zur Folge haben. Bei einer entsprechenden Anpassung der Partikelfalle an die überwiegenden Strömungsbedingungen des anströmenden Abgases wird eine besonders effektive Absonderung von Partikeln bei sehr geringem Druckverlusten sichergestellt.

Im Hinblick auf die praktische Anwendung ist die Weiterbildung wichtig, dass die erfindungsgemäße Partikelfalle Bestandteil eines Wabenkörpers mit einer Vielzahl von Strömungskanälen sein kann. In dieser Ausführungsform eignet sich die Partikelfalle besonders für die Kraftfahrzeugtechnik. Zur Abdeckung verschiedener (dynamischer) Lastfälle des Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs wird ein konisches System oder ein Element in Konusform bevorzugt. Solche Systeme, wie z. B. in der WO 93/20339 beschrieben, haben sich erweiternde Kanäle, so dass bei jedem Massendurchsatz an irgendeiner Stelle der Kanäle, wenn sie mit entsprechenden Umlenkungs-oder Verwirbelungsstrukturen versehen werden, besonders günstige Verhältnisse für das Auffangen von Partikeln entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abscheiden von Partikeln aus dem Strom eines Fluids wird vorteilhaft dadurch vervollkommnet, dass eine kontinuierliche oder eine diskontinuierliche Regeneration der porösen oder hochporösen Kanalwand stattfindet. Dabei sind verschiedene Hilfsmittel in Kombination oder einzeln zuschaltbar. Hilfsmittel sind einerseits vorgeschaltete Katalysatoren, die genügend N02 zur Verfügung stellen und/oder vorgeschaltete Zugaben von Additiven, die eine Oxidation der Partikel und damit die Regeneration der Partikelfalle begünstigen.

Begleitend kann auch ein N02-Speicher strömungstechnisch mit der Partikelfalle verbunden sein, beispielsweise ein Speicher aus Perowskit, wie BaSnO3 oder einem anderen Barium-Zinn-Perowskit oder ein NO2-Speicher aus Barium- Aluminat und/oder einem aus einem Bariumzeolith.

Wenn vorteilhafterweise das erfindungsgemäße Verfahren durch Hilfsmittel unterstützt wird, die in Abhängigkeit vom Belegungsgrad der Partikelfalle freigesetzt werden, so kann das nach Maßgabe eines Druckverlustes ausgelöst werden, der durch die Partikelfalle ermittelt wird.

Die erfindungsgemäße Partikelfalle wird besonders vorteilhaft im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors verwendet. Dabei ist besonders vorteilhaft die Verwendung in Kombination mit einem Rußfilter. Der Rußfilter wird in diesem Fall natürlich wesentlich kleiner sein als bei Abgassträngen ohne Partikelfalle.

Die Erfindung wird anschließend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Dabei zeigen : Fig. 1 die grundsätzliche Funktion der erfindungsgemäßen Partikelfalle und des erfindungsgemä# Verfahrens, Fig. 2 eine Ausführung der erfindungsgemä#en Partikelfalle, bei der der Bereich aus porösem oder hochporösem Material durch eine Zwischenlage gebildet ist, Fig. 3 eine Ausführung mit Einbauten, die in Strömungsrichtung fortschreitend zunehmend weiter von der Kanalwand in das Innere des Strömungskanals hineinragen, Fig. 4 eine Ausführung der Partikelfalle mit hintereinander angeordneten Einbauten, die sich sämtlich um den gleichen Betrag in das Innere des Strömungskanals hinein erstrecken, und Fig. 5 eine gegenüber einem nachfolgenden Katalysator-Trägerkörper abgestützte Ausführungsfbrm der Partikelfalle.

Fig. 1 zeigt den Strömungskanal 1, in dem das mit Partikeln belastete Fluid in Strömungsrichtung 8 (Richtung des Pfeils) strömt. Die Kanalwand 2 ist in diesem Falle vollständig porös. Der Kanalwand gegenüber liegen Einbauten in Form von Vorsprüngen, Höckern oder Noppen 3. Die Kanalwand 4 ist an dieser Stelle nicht

porös. Bei einer geringen Strömungsgeschwindigkeit werden durch die Vorsprünge, Höcker, Noppen 3 oder dergleichen die Partikel des Fluids erfasst und auf die poröse Kanalwand 2 hin umgelenkt. Dort bleiben sie haften. Sie können bei der Regeneration der Partikelfalle beispielsweise durch Oxidation mit Sauerstoff bei hoher Temperatur oder durch Oxidation mit Stickstoffdioxid bei tieferen Temperaturen entfernt werden.

Die Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Strömungskanal 1, in dem das mit Partikeln belastete Fluid entlang der Strömungsrichtung 8 (Pfeil) strömt. Die Kanalwand 4 ist hier durchweg nicht porös. Jedoch ist eine Zwischenlage 2a aus porösem Material angeordnet. Gegenüber dieser Zwischenlage 2a und leicht versetzt zu ihr sind die Vorsprünge, Höcker, Noppen 3 oder dergleichen angeordnet, so dass auch hier die Partikel aus dem Fluid an die poröse Zwischenlage 2a hingelenkt werden, wo sie haften bleiben.

Die Fig. 3 zeigt grundsätzlich dieselbe Anordnung wie Fig. 1 ; jedoch sind hier die in Strömungsrichtung 8 hintereinander angeordneten Vorsprünge, Höcker, Noppen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e so ausgebildet, dass ihre Erstreckung radial in den Strömungsquerschnitt hinein immer größer wird. Auf diese Weise werden auch noch bei höherer Geschwindigkeit die Partikel umgelenkt, und es besteht ein immer geringerer Abstand zu dem Waridbereich, der porös oder hochporös ausgebildet ist, so dass auch die Wege bis zu dem Haftbereich für die Partikel immer kleiner werden.

Im Falle der Fig. 4 besteht der gesamte dargestellte Ausschnitt des Strömungskanals 1 aus porösem oder hochporösem Material, also die Vorsprünge, Höcker, Noppen 3 ebenso wie die beiden Kanalwände 2. Die radiale Erstreckung der Vorsprünge, Höcker, Noppen und dergleichen ist in diesem Fall stets gleich.

Dabei ist es möglich, aber nicht zwingend, dass überall dasselbe poröse Material zum Einsatz kommt.

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung einer AusfullrungsÍorm der Partikelfalle 5 im Abgasstrang 6 eines Verbrennungsmotor 7, wobei hier die Partikelfalle 5 direkt gegen einen in Strömungsrichtung 8 nachfolgend angeordneten Katalysator-Trägerkörper 9 abgestützt ist. Dazu wird die Partikelfalle 5 mit Stützstiften 10 gehalten, die in den Strömungskanälen 1 und vorzugsweise gleichmäßig über dem Querschnitt der Katalysator-Trägerkörpers 9 bzw. der Partikelfalle 5 angeordnet sind. Mit Verbrennungsmotoren 7 sind hierbei neben Otto-Motoren insbesondere mit Dieselkraftstoff betriebene Motoren von PKWs und/oder Motorrädern gemeint. Die Stützstifte 10 sind dabei so gestaltet, dass diese in etwa den gleichen Querschnitt ausweisen wie die Strömungskanäle l und sich zumindest teilweise in diese erstrecken. Dabei kann der Katalysator- Trägerkörper 9 auch durch eine andere-Komponente zur Reinigung des Abgases ersetzt werden, wie beispielsweise einen Rußfilter.

Bezugszeichenliste 1 Strömungskanal 2 poröse Kanalwand 2a Zwischenlage 3 Vorsprung 4 Kanalwand 5 Partikelfalle 6 Abgasstrang 7 Verbrennungsmotor 8 Strömungsrichtung 9 Katalysator-Trägerkörper 10 Stützstift