Die Erfindung bezieht sich auf ein Rußfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Rußfiltern, wie sie z.B. in der AT-PS 395 827 be¬ schrieben sind, kommt es aufgrund von aus der Oberfläche der Keramik austretenden Elektronen, die durch das angelegte elek¬ trische Feld in Richtung auf den abgelagerten Ruß beschleunigt werden, durch die von den auf den Ruß auftreffenden Elektronen übertragene Energie zu einer lokalen Oxidation des Rußes weit unter dessen Flammpunkt.

Um dieses Verbrennen des Rußes bei niedrigen Temperaturen, z.B. unter 150°C sicherzustellen, müssen eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein. So ist eine geringe Aus- trittsarbeit der Elektronen beim Austritt aus der Keramikober¬ fläche wesentlich, damit auch bei niedrigen Temperaturen genü¬ gend Elektronen austreten. Weiters ist ein starkes elektrisches Feld in den Keramikkanälen und damit eine hohe an dem Keramik¬ körper anliegende Spannung erforderlich, um den Elektronen eine zur Zündung der Oxidation des Rußes hinreichen hohe Energie zu verleihen. Außerdem ist eine hinreichend geringe Höhe in Rich¬ tung des elektrischen Feldes der Kanäle des Keramikkörpers er¬ forderlich, damit ein entsprechend großer Teil der austretenden Elektronen den abgelagerten Ruß erreicht, ohne von Gasmolekülen eingefangen zu werden.

Neben diesen für die Verbrennung des abgeschiedenen Rußes wesentlichen Bedingungen sind für den Betrieb des Filters weitere Eigenschaften der Keramik notwendig, die sich durch das große Temperaturintervall ergeben, über das die Filterfunktion aufrecht erhalten werden muß.

So ist es einerseits notwendig, bei niedrigen Temperaturen den Ruß verbrennen zu können, andererseits muß bei hohen Temperaturen, bei denen das Abbrennen des Rußes keine Schwierigkeiten bereitet, das elektrische Feld in ausreichender Stärke aufrecht erhalten werden, um den Ruß abscheiden zu kön¬ nen, der gerade bei hohen Temperaturen, die in der Regel mit ho¬ hen Abgasmengen einhergehen, sehr rasch durch das Filter strömt. Darin liegt auch eine erhebliche Schwierigkeit, da sich bei hohen Temperaturen der elektrische Widerstand der Kera-

mik deutlich vermindert und nach dem Ohm'sehen Gesetz zur Auf¬ rechterhaltung der am Keramikkörper anliegenden Spannung und da¬ mit des elektrischen Feldes, immer höhere Ströme durch den Kera¬ mikkörper fließen müssen und damit der angeschlossenen Hochspan- nungsquelle eine immer höhere Leistung entnommen werden muß, die bei Fahrzeugen vom Bordnetz aufgebracht werden muß.

Ziel der Erfindung ist es, die Rußfilter der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem mit einer geringen elek¬ trischen Leistung das Auslangen gefunden werden kann und die ein Verbrennen des Rußes bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Rußfilter der ein¬ gangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des An¬ spruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sicherge¬ stellt, daß die Keramik einen entsprechend hohen elektrischen Widerstand aufweist und daher nur eine relativ geringe Leistung der Spannungsquelle erforderlich ist. Außerdem ist auch sicher¬ gestellt, daß nur eine geringe Austrittsarbeit der Elektronen von weniger als l,0eV erforderlich ist. Dadurch wird das brauch¬ bare Temperaturintervall, in dem es zu einer ausreichenden Ver¬ brennung des an den Wänden der Kanäle des Keramikkörpers abgela¬ gerten Rußes kommt so gedehnt, daß das Filter in allen Be¬ triebszuständen eines Fahrzeugs seine Funktion ohne zu hohe Leistungsaufnahme aus dem Bordnetz erfüllen kann. Bedingt ist dies durch den Umstand, daß es durch die vorgeschlagenen Maßnah¬ men zu einem Austritt ausreichend vieler Elektronen kommt, die auf den Ruß mit einer ausreichenden Energie treffen, um diesen auch bei niedrigen Temperaturen rasch zu verbrennen. Der Aus¬ tritt einer entsprechend hohen Zahl an Elektronen wird durch die verminderte Austrittsarbeit der Elektronen ermöglicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergeben sich Keramiken mit einem elektrischen Volumswiderstand von l0 ¹⁰ Ωcm und mehr, bei geringer offener Porosität, die durch die Wasser¬ aufnahme bestimmt wird, wobei diese vorzugsweise weniger als 15% beträgt.

Für den elektrischen Widerstand des Keramikkörpers im Betrieb, z.B. in einem Kraftfahrzeug, ist aber nicht nur die of¬ fene Porosität entscheidend, sondern auch Mikrorisse, durch die die Temperaturstabilität, bzw. die Zeitstandfestigkeit bei Temperaturzyklierung, verbessert wird und deren Ausbildung bei der Herstellung von keramischen Katalysatorträgern bewußt forciert wird. Für die Anwendung eines elektrischen Feldes in den Kanälen eines Keramikkörpers für Rußfilter kommt es aber

unter dem Einfluß von Ruß und hoher Abgasfeuchte durch ein Zu¬ sammenspiel von Poren und Mikrorissen zu einer Verminderung des elektrischen Widerstandes des Keramikkörpers, unabhängig vom elektrischen Volumswiderstand des Keramikmaterials desselben, wodurch sich ein elektrisches Feld nur entsprechend schlechter aufbauen läßt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß nicht nur eine höhere offene Porosität und Mikrorisse die Temperaturstabilität einer Keramik erhöhen, sondern auch geschlossene Poren, die sich bei der Wasseraufnahme nicht bemerkbar machen und daher auch keine Verminderung des elektrischen Widerstandes bei einem Betrieb hö¬ herer Feuchte der zu reinigenden Abgase durch diese Poren auf¬ tritt.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Dotierung der Keramik werden auch Mikrorisse, die wesentlich zu einer Verminderung des elektrischen Widerstandes eines Keramikkörpers für ein Rußfilter der eingangs erwähnten Art bei einem Betrieb mit feuchten Abgasen beitragen, weitgehend vermieden, wodurch sichergestellt wird, daß auch bei ungünstigen Betriebsbedingun¬ gen ein ausreichend hohes elektrisches Feld in den Kanälen des Filters aufrecht erhalten werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, daß eine für das Abbren¬ nen von Ruß bei Temperaturen von ca. 100°C notwendige Emission von Elektronen erreicht werden kann, wenn die für den Rußfilter verwendete Keramik eine entsprechend geringe Austrittsarbeit der Elektronen besitzt. Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ke¬ ramiken ist die Austrittsarbeit ausreichend weit herabgesetzt, um ein Verbrennen der Rußpartikel bei einer Temperatur von 100°C sicherzustellen.

Weiters wurde auch festgestellt, daß die Emission von Elektronen bis zu einer Feldstärke von lOkV/cm eine rein ther¬ mische Emission ist, wie sie durch das Emissionsgesetz von Richardson beschrieben ist. Der für höhere Feldstärken verwen¬ dete Korrekturterm der Austrittsarbeit macht sich bei solchen Feldstärken noch nicht nennenswert bemerkbar, die angelegte Spannung verhindert lediglich eine Rückdiffusion der Elektronen zu der emittierenden Oberfläche und besitzt Sättigungscharakter.

Erst bei Feldstärken von mehr als lOkV/cm macht sich ein exponentielles Ansteigen des Emissionsstromes bemerkbar. Die Feldstärken hingegen, die in den Kanälen eines Monolithen sinn¬ voller Weise bis zu Temperaturen von 500°C aufrecht erhalten werden müssen, um eine Konversion des Rußes zu gewährleisten, liegen im Bereich zwischen 3kV/cm und 6kV/cm.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist die Herstel¬ lung eines Rußfilters möglich, bei dem die Keramikmasse, die meist zu einem mit durchgehenden Kanälen versehenen Monolithen gepreßt ist, eine sehr hohe thermische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe mechanische Festig¬ keit, insbesondere eine hohe Biegefestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul bei einer geringen offenen, bzw. scheinbaren Porosität von weniger als 15% und einen hohen elektrischen Widerstand bei Gleichspannung von mehr als 10 ¹⁰ Ωcm bei 200°C aufweist und bei der die effektive Elektronen-Austrittsarbeit kleiner als l,0eV ist.

Die Ausgangsstoffe für die Aufbereitung der verschie¬ denen Cordierite sind Talg (Steatit) , Aluminiumoxid, Kaolin (Aluminiumsilikat) und als Matrixstütze gebrannter und aufgemahlener Rohkaolin. Steatit steuert mit seinem hohen Magne¬ siumgehalt (etwa 32%) das Cordierit/Mullit Verhältnis, wobei der Cordierit besonders gute thermische, der Mullit besonders gute mechanische Eigenschaften besitzt. Der folgenden Tabelle sind drei Beispiele für die Zusammensetzung für Keramiken, die dann noch dotiert werden, für einen erfindungsgemäßen Rußfilter zu entnehmen, wobei neben dem extra ausgewiesenen Magesiumanteil auch noch andere Zuschlagsstoffe variiert wurden:

Nr. | Magnesium | Cordierit Mullit Korund Glasph ase

i 1 15% 1 93,5% 1% 1,1% Rest

2 I 12% 1 88% 1 3% I ? Rest

3 1 5% 1 42% | 25% 8,8% Rest

Cordierit kann gegen Schwefel resistent gemacht werden, wenn er mit Lithium und bzw. oder Zirkon dotiert wird.

Bei diesen Keramiken ist eine zu hohe offene Porosität nachteilig, da sich die Poren mit Ruß füllen und mit der Zeit der elektrische Widerstand des keramischen Körpers des Filters absinkt. Dies führt zu einer Verminderung des in den Kanälen des Filters herrschenden elektrischen Feldes. Allerdings ergibt sich bei einer sehr niedrigen Porosität der Keramik der Nachteil, einer nur geringen Temperaturstandfestigkeit und einer hohen Empfindlichkeit solcher Keramiken bei raschen Temperaturwechseln und bei Stoßbeanspruchungen. Es ist daher erforderlich für einen

bestimmten Anwendungsfall eine Keramik mit einer passenden Poro¬ sität auszuwählen. Dabei kann die Porosität durch Wahl eines entsprechenden Magnesiumgehaltes, und durch entsprechende Füh¬ rung des Brennvorganges eingestellt werden.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft den Brand der Keramikmasse gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An¬ spruches 10 zu führen.

Durch die sehr langsame Anstiegs- und Absinkgeschwindigkeit der Temperatur und die im Vergleich zu üb¬ lichen Bränden von Keramiken mit hohem Cordieritgehalt bei 1380°C bis 1420°C deutlich niedrigeren obersten Haltetemperatur von 1300°C bis 1360°C wird ein besonders niedriger Gehalt an of¬ fenen Poren erreicht. Trotzdem zeichnen sich auf die vorgeschla¬ genen Weise gebrannte Keramiken durch eine hohe Tempraturstand- festigkeit aus und weisen verglichen mit herkömmlich gebrannten Keramiken deutlich kleinere Poren auf, die zum deutlich überwie¬ genden Teil geschlossen sind und daher bei der Messung der Was¬ seraufnahme nicht bemerkbar sind und daher auch bei einem Be¬ trieb eines Filters mit einem auf die vorgeschlagene Weise ge¬ brannten Keramikkörper auch bei einem Betrieb mit feuchten Abga¬ sen zu keiner Verminderung des elektrischen Widerstandes des Ke¬ ramikkörpers führen.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 wird eine einfache Dotierung der Keramik ermöglicht. Dabei entweicht der Schwefel während des Brennvorganges, wobei er u.U. auch Verunreinigungen bei seinem Austritt mitnimmt. Möglicherweise geht ein geringer Teil des Schwefels während des Brennvorganges auch Verbindungen ein, die in der Keramik verbleiben.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergeben sich im Hinblick auf eine geringe Austrittsarbeit der Elektronen und einen hohen Volumswiderstand der Keramik sehr günstige Verhält¬ nisse.

Durch die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 wird ein ho¬ her Volumswiderstand der Keramik erreicht, wobei die Dotierung sehr einfach durchgeführt werden kann. Dabei ergeben sich durch die Merkmale des Anspruches 6 besonders günstige Verhältnisse.

Die Dotierung mit Metallverbindungen aus der Gruppe Mn, La, Cr und Cs in Form von Chloriten ermöglicht ein besonders einfache Dotierung. Dabei entweicht das Chlor während des Brennvorganges, wobei es u.U. auch Verunreinigungen bei seinem Austritt mitnimmt. Möglicherweise geht ein geringer Teil des Chlors während des Brennvorganges auch Verbindungen ein, die in der Keramik verbleiben.

Bei den Keramiken nach dem Anspruch 7 handelt es sich im wesentlichen um dichten Cordierit und dichtem _C elsian, wobei die Porosität beim Cordierit max. 0,5 Vol% beträgt und sich der Celsian durch einen extrem hohen elektrischen Volumswiderstand von mindestens 10 Ωcm bei 200° auszeichnet. Dadurch weist ein Rußfilter nach dem Anspruch 6 eine hohe mechanische Beständig¬ keit und einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, wodurch sich eine nur geringe Belastung der Spannungsquelle des Rußfil¬ ters ergibt.

Bei einem Rußfilter nach dem Anspruch 8 weist die vorgeschlagene Keramik zwar eine gewisse Porosität von maxi¬ mal 20% auf, doch zeichnet sich diese durch einen hohen _C ordie- ritgehalt und eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit von mindestens 300°C aus. Dabei ist auch der elektrische Volumswiderstand beachtlich hoch und beträgt ca. _l0 ⁹ Ωcm bei 200°C.

Durch die Merkmale des Anspruches 9 wird auf einfache Weise eine ausreichende Beständigkeit gegen die Abgase von Dieselmotoren auch dann erreicht, wenn der verwendete Treibstoff Schwefel enthält.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen Die¬ selabgasfilter,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt entlang der Linie II- II in der Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Elektronenemission einer undo¬ tierten und einer erfindungsgemäß dotierten Keramik.

Die Fig. 1 und 2 zeigt den Aufbau eines Rußfilters. Dabei ist ein elektrisch leitendes und mit Masse verbundenes Außengehäuse 5 in Form eines Rohres vorgesehen. In diesem ist eine mit Masse verbundene zylindrische Außenelektrode 3 gehal¬ ten, die auf einem keramischen Schirmzylinder 10 sitzt, der einen keramischen Wabenfilter 1 umgibt.

Dieser als monolithischer Keramikkörper ausgebildete Wabenfilter 1 weist an seinen beiden Stirnseiten 4, 6 offene durchgehende Kanäle 7 auf, die im Betrieb von den zu reinigenden Rußpartikel aufweisenden Gasen, z.B. Dieselabgase, durchströmt werden. Weiters weist der Wabenfilter l eine zentrale Bohrung 8 auf, in der eine zylindrische Hochspannungselektrode 2 gehalten ist, die mit einer nicht dargestellten Hochspanungsquelle ver¬ bunden ist und gemeinsam mit der Außenelektrode 3 ein quer zu

bunden ist und gemeinsam mit der Außenelektrode 3 ein quer zu den Kanälen 7 des Wabenfilters 1 gerichtetes elektrisches Feld aufbaut.

In die Hochspannungselektrode 2 ragt ein elektrisch leitender kappenförmiger Halter 9 hinein, zwischen dessen Stirn¬ wand 13 und einer Endkappe 15 ein Sprühelektrodenhalter 12 ver¬ schraubt ist, auf dem durch Distanzhülsen 14 getrennt, zahnrad- förmig ausgebildete Sprühelektroden 11 angeordnet und durch die Verschraubung fixiert sind.

Dabei ist auch zwischen der Stirnwand 13 des Halters 9 und der diesem benachbarten Sprühelektrode 11 eine Distanz¬ hülse 14 angeordnet.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen sind, in der nur ein kleiner Ausschnitt der Stirnseite des Wabenfilters 1 dargestellt ist, erstrecken sich die einzelnen Kanäle 7 über im wesentlichen gleiche Bogenmaße, wobei die Kanäle in einander in radialer Richtung benachbarten Schichten gegeneinander versetzt angeord¬ net sind.

Im Betrieb des erfindungsgemäßen Filters gelangt das zu reinigende Rußpartikel aufweisende Gas in den Bereich der Sprühelektroden 11, wodurch der Ruß aber auch der im Gas vorhan¬ dene Sauerstoff elektrisch aufgeladen wird. Dabei bilden sich 0 ₂ " Radikale. Der elektrisch aufgeladene Ruß gelangt in weiterer Folge in die Kanäle 7 des Wabenfilters 1, wird dort durch das elektrische Feld in Richtung auf die im wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld stehenden Wände der Kanäle 7 des Wabenfil¬ ters 1 beschleunigt und lagert sich an diesen ab. Gleichzeitig wird auch der aufgeladene Sauerstoff in Richtung auf den abgela¬ gerten Ruß beschleunigt. Zusammen mit den aus der Keramik aus¬ tretenden Elektronen ergibt sich dadurch ein Energieeintrag in den abgelagerten Ruß, sodaß dieser schon bei niedrigen Tempera¬ turen verbrennt. Dabei wird die Verbrennung durch die hohe Reak¬ tionsbereitschaft der freien 0 ₂ ^" Radikale unterstützt.

Bei der Abscheidung des Rußes ist es zweckmäßig, wenn in den Kanälen 7 eine laminare Strömung herrscht und die Kanäle in Richtung des elektrischen Feldes eine Erstreckung aufweisen, die ca. 5 bis 10mm beträgt.

Aus der Fig. 3 ist zu ersehen, daß sich durch die Do¬ tierung der Keramik mit VS0 ₄ bei gleicher an die Elektroden 2, 3 des Wabenfilters 1 angelegter Spannung von z.B. lOVk und gleichem Aufbau des Wabenfilters 1 die Zahl der emittieren Elek¬ tronen bei niedrigen Betriebstemperaturen auf etwa das 100-

mit einem Anteil von mehr als 90% eines porösen Cordierits, wie er im Beispiel Nr.l gemäß der vorstehenden Tabelle angegeben ist.