CH668619A5

CH668619A5 - Abgasfilter fuer dieselmotoren.

Info

Publication number: CH668619A5
Application number: CH4949/85A
Authority: CH
Inventors: Joerg Dr-Ing Abthoff; Hans-Dieter Dipl-Ing Schuster; Gunter Loose; Bernhard Jokl
Original assignee: Daimler Benz Ag
Priority date: 1985-01-16
Filing date: 1985-11-20
Publication date: 1989-01-13
Also published as: AT396966B; US4704863A; DE3501182C2; JPS61164025A; DE3501182A1; ATA320085A; JPH0319887B2

Description

BESCHREIBUNG

Abgasfilter für Dieselmotoren dienen dazu, den Russ aus dem Dieselmotorabgas auszufiltern. Der Russausstoss der Dieselmotoren gilt nämlich als bedenklich, weil die Russpartikel an ihrer Oberfläche geringe Menge von Stoffen adsorbiert enthalten können, von denen einige in höheren Konzentrationen als gesundheitsschädlich gelten.

Die Russfilter für die Dieselabgase bestehen üblicherweise aus einem Monolithen aus poröser Keramik, der aus zueinander parallelen dünnwandigen Kanälen aufgebaut ist, welche in Strömungsrichtung der Abgase gesehen über dessen gesamte Länge durchlaufen. Diese Kanäle sind abwechselnd jeweils an ihrem stromaufwärtigen oder stromabwärti-gen Ende verschlossen. Die Kanäle sind dabei häufig nach Art eines Schachbrettmusters verschlossen bzw. offen, so dass jeder Kanal ein offenes und ein verschlossenes Ende besitzt. Ein derartiges Filter ist z.B. aus DE-OS 32 32 729 bekannt. Eine andere Art, derartige Filter herzustellen, besteht darin, dass das Filter nach Art der Wellpappeerzeugung spiralig zu einem gasdurchlässigen Paket aufgewickelt wird. In diesem Fall sind die einzelnen Kanäle nicht mehr schachbrettartig ausgeführt sondern ebenfalls spiralig angeordnet. Eine solche Anordnung wird z.B. in DE-OS 29 51 316 gezeigt.

Bei Durchleiten der Dieselabgase durch ein derartiges Filter wird das Auspuffgas, welches durch die einlassseitig offenen Kanäle eintritt, gezwungen, durch die porösen Kanalwände hindurch in die benachbarten, auslassseitig offenen Kanäle zu strömen. Dabei sammeln sich die Russparti-kelchen, die die Kanalwände nicht mehr passieren können, in den stromaufwärts offenen Kanälen an. Bei Erreichen einer bestimmten Endzündungstemperatur sowie bei einer ausreichenden Sauerstoffkonzentration im Abgas brennt der angesammelte Russ ab und das Filter ist wieder regeneriert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Porosität der herkömmlichen Russabbrennfilter im Laufe der Zeit abnimmt, so dass sich vor dem Filter ein steigender Gegendruck aufbaut, was zu einer Leistungseinbusse des Motors und zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Abgasfilter für Dieselmotoren aus poröser Keramik sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu finden, bei dem die mit steigender Lebensdauer abfallende Porosität sowie der mit steigender Lebensdauer ansteigende Gegendruck vor dem Filter erheblich reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch 1 beschriebene Filter sowie das im Patentanspruch 4 beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Abgasfilters gelöst.

Der Filterblock besteht nunmehr aus mehreren Zonen, deren Porosität in Strömungsrichtung der Gase gesehen abnimmt. Jeweils an der Zonengrenze sind wechselweise Stopfen angeordnet. Gaseintrittsseitig ist zunächst jeder zweite Kanal mit einem Stopfen verschlossen. Das Gas tritt in die nicht verschlossenen Kanäle ein, die jedoch ihrerseits an der Zonengrenze zur nächsten Zone mit abnehmender Wandporosität mit Stopfen verschlossen sind. Das Gas wird dadurch gezwungen, durch die poröse Wand der ersten Zone mit verhältnismässig grosser Porosität durchzutreten und gelangt so in den zweiten Kanal, der in Strömungsrichtung gesehen bei Beginn der nächsten Zone mit geringerer Porosität wiederum mit einem Stopfen verschlossen ist. Dadurch wird der Gasstrom gezwungen, durch die Wandungen der zweiten Zone mit geringerer Porosität durchzutreten. Es ist möglich, die Gase nunmehr, nach Durchtritt von zwei Zonen mit unterschiedlicher Porosität, aus dem Filter zu entlassen, es ist jedoch auch möglich, noch weitere Zonen mit entsprechend verminderter Porosität anzuschliessen, so dass der Gasstrom noch mehrfach durch Wände mit abnehmender Porosität gefiltert wird. Es hat sich dabei gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn der Gasstrom zwei bis vier Zonen mit unterschiedlicher Porosität durchlaufen muss. Darüber hinaus wird der Aufwand für die Filterherstellung unverhältnismässig gross.

Die Staffelung der Porositäten sollte so vorgenommen werden, dass auch in der letzten Filterstufe mit der geringsten Porosität ein ausreichender Gasdurchtritt ohne zu hohen Gegendruck möglich ist. Im allgemeinen hat sich eine Staffelung der Porositäten derart bewährt, dass in Strömungsrichtung der Gase gesehen jede folgende Zone etwa 70 bis 90% der Porosität der vorhergehenden Zone besitzt, wobei die Porosität der letzten Zone normalerweise 40% nicht unterschreiten sollte. Während die Porosität des Keramikmaterials bei den herkömmlichen Filtern zwischen 35 und 55% bei einem mittleren Porendurchmesser von etwa 10 bis 35 um liegt, wird bei dem vorhegenden Filter die Porosität der ersten Filterstufe grösser gewählt, etwa im Bereich einer Porosität von 50 bis 75%, bei einem entsprechend grösseren mittleren Porendurchmesser.

Ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung dieser Filter besteht darin, dass man von einem üblichen Filterblockrohling ausgeht, dessen Porosität der Porosität der ersten Filterstufe entspricht, also die grösste zur Anwendung kommende Porosität besitzt. Dieser Filterblock wird nun, in Strömungsrichtung der Gase gesehen, in eine Lösung oder Suspension eines die Porosität vermindernden Mittels einge2

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taucht und anschliessend getrocknet. Die Konsistenz bzw. Konzentration dieses Mittels muss so gewählt werden, dass sich nach dem Trocknen und ggf. erforderlichen Einbrennen die gewünschte Porosität in dem eingetaucht gewesenen Teil des Filters einstellt, was für die entsprechenden Mittel vorher anhand von Versuchen ohne Schwierigkeit ermittelt werden kann. Soll das Filter mehr als zwei Zonen besitzen, so kann das Filter erneut bis zur Höhe der weiteren Zonengrenze in die gleiche oder eine andere Suspension oder Lösung getaucht werden. Die Verwendung der gleichen Lösung bietet sich an, wenn das Filter vor dem zweiten Tauchen getrocknet wurde, während die Verwendung einer weiteren Lösung dann zweckmässig ist, wenn das Filter ohne grosse Zwischenbehandlung, d.h. noch feucht vom ersten Tauchvorgang dem zweiten Tauchvorgang unterworfen wird. Ggf. kann es auch erforderlich sein, das Filter zur Erzeugung der gewünschten Porosität in einer Zone mehrfach in eine entsprechende Suspension oder Lösung zu tauchen, sofern, mit einem Tauchvorgang nicht die gewünschte Verminderung der Porosität erzielbar ist.

Als Lösung oder Suspension, mit der sich die Porosität vermindern lässt, sind alle Mittel möglich, die die spätere Betriebstemperatur des Filterblocks aushalten und entsprechend abriebfest gegenüber dem Gasstrom sind. Dafür kommen praktisch nur anorganische Stoffe in Frage. Als besonders geeignet wegen der leichten Handhabbarkeit haben sich Wasserglaslösungen erwiesen, bei höheren Anforderungen an die Temperaturstabilität auch Aufschlämmungen bzw. Suspensionen von hochtemperaturfesten Materialien wie insbesondere aus dem auch für die Herstellung der Filter benutzten Cordierit oder auch Kaolin/Feldspat/Quarz-Mischungen. Ggf. können diese Suspensionen noch ein anorganisches Bindemittel, z.B. eine geringe Menge Wasserglas, enthalten. Es ist zweckmässig, die Konzentration der Suspension oder Lösung so einzustellen, dass bereits bei einmaligem Tauchen die gewünschte Porositätsverminderung um 10 bis 30%, gerechnet natürlich nach dem Trocknen und ggf. Einbrennen des Rohlings, erreicht werden kann.

Sobald der Filterblockrohling mit der gewünschten Zahl von Zonen abnehmender Porosität versehen worden ist, müssen am Filtereintritt, an den Zonengrenzen und im Filteraustritt die entsprechenden, wechselweise angeordneten Stopfen in den Kanälen angebracht werden. Am Filtereintritt und Filteraustritt geschieht dies nach den üblichen Methoden, innerhalb des Filters an den Zonengrenzen kann das auf die Weise erfolgen, dass eine pastose Dichtungsmasse, z.B. bestehend aus einer Masse aus Talk und Wasserglas mittels einer in den Filterkanal eingeschobenen Hohlnadel an der entsprechenden Zonengrenze ausgepresst wird und den Kanal an dieser Stelle verschliesst.

In der Abbildung sind zwei Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemässes Abgasfilter schematisch dargestellt.

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein aus zwei Zonen gebildetes Abgasfilter und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein aus drei Zonen bestehendes Abgasfilter.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Filter durchströmt der Gasstrom das Filter von links nach rechts. Eintrittsseitig ist jeder zweite Kanal mit einer ersten Stopfenreihe 1 verschlossen. Das Abgas strömt in die offenen Kanäle 2,2', 2" usw. ein und wird durch die Stopfenreihe 3, mit der die Kanäle 2 usw. verschlossen sind, gezwungen, durch die porösen Wände 4,4' in die Kanäle 5, 5' usw. zu strömen. In den Kanälen 5, 5' usw. strömt nun das Abgas soweit, bis es auf die endsei-tig eingesetzten Stopfen 6, 6' usw. trifft, durch die es wiederum gezwungen wird, durch die porösen Wände 7, 7' in die Kanäle 8, 8' usw. einzutreten, durch die das Abgas das Filter verlassen kann. Der Gasweg ist in Fig. 1 durch die in den Kanälen eingezeichneten Pfeile schematisch dargestellt. Die Porosität der Wände 4,4', d.h. also der ersten Filterzone, beträgt 70%, während die Porosität der Wände 7,7', d.h. der zweiten Filterzone 50% beträgt.

In Fig. 2 ist ein Abgasfilter mit drei unterschiedlichen Zonen gezeigt. Eingangs des Filters ist wieder jeder zweite Kanal durch eine Stopfenreihe 21 verschlossen. Das Abgas tritt in die Kanäle 22,22' usw. ein, wird durch die Stopfenreihe 23, die an der ersten Zonengrenze liegt, gezwungen, durch die porösen Wände 24,24' der ersten Zone in die Kanäle 25,25' usw. einzutreten. Durch die dritte Stopfenreihe 26 wird das Abgas gezwungen, durch die porösen Wände 27, 27' usw. der zweiten Zone in die Kanäle 28,28' zu treten. Die Kanäle 28,28' usw. sind am Filterende durch die Stopfenreihe 30 verschlossen, so dass das Gas wiederum gezwungen wird, durch die porösen Wände 29,29' usw. der dritten Zone in die Kanäle 31,31' einzutreten, aus denen sie das Filter verlassen können. Das Filter ist in diesem Falle so aufgebaut, dass die Porosität der ersten Zone etwa bei 70% liegt, die Porosität der zweiten Zone bei 60% und die Porosität der dritten Zone bei 50%. Wie aus der Fig. 2 weiter hervorgeht, können die einzelnen Zonen durchaus unterschiedliche Grösse haben, um sie unterschiedlichen Gegebenheiten besser anpassen zu können.

Untersuchungen haben ergeben, dass sich die Porosität eines herkömmlichen Russabbrennfilters, also eines Filters, das nur eine einzige Filterzone besitzt, bei einer in sechs Zonen unterteilten Länge von 15 cm für das Filter und einer Anfangsporosität von 50% im Laufe eines 33 000 km (20 000 Meilen) Dauertests wie folgt reduziert: Die Porosität sinkt im Bereich der zweiten Zone vor dem Ausgangsstopfen auf 45%, im Bereich der vierten Zone vor dem Ausgangsstopfen auf 40% und im Bereich der sechsten Zone vor dem Ausgangsstopfen auf 30%. D.h., in Strömungsrichtung der Gase gesehen sinkt die Porosität im Bereich des Gaseintritts am stärksten. Die Gesamtporosität des Filters reduziert sich somit von 50% auf ca. 38,3%, was einen erheblichen Gegendruckanstieg bedeutet.

Für ein erfindungsgemässes Filter mit gleichen Abmessungen, das in zwei gleichgrosse Zonen von 70% und 50% Porosität aufgeteilt ist, ergibt sich nach identischer Dauerlaufleistung bei gleichem Filterwirkungsgrad folgendes Bild: Die Porosität der ersten Zone sinkt von 70% auf ca. 50% und die Porosität der zweiten Zone sinkt von 50% auf ca. 45%. Es ergibt sich eine Gesamtporosität von 47,5%, was gegenüber der mit dem herkömmlichen Filter erreichbaren Gesamtporosität von nur 38,3% einen ganz erheblichen Fortschritt bedeutet.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Abgasfilter für Dieselmotoren, bestehend aus einem monolithischen Filterblock aus poröser Keramik mit einer Vielzahl von in Hauptströmungsrichtung der Abgase verlaufenden Kanälen, die wechselseitig durch Stopfen verschlossen sind, um den Abgasdurchtritt durch die Kanalwände zu erzwingen, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterblock in Hauptströmungsrichtung der Abgase gesehen in Zonen mit abnehmender Porosität geteilt ist und dass die Stopfen, die den Abgasdurchtritt durch die Kanalwände erzwingen, jeweils im Bereich der Zonengrenze derart angeordnet sind, dass das Abgas mehr als eine Kanalwand in Hintereinanderschaltung durchströmen muss, wobei die Porosität der hintereinandergeschalteten Kanalwände im Durchströmungssinn abnimmt.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zone 90 bis 70% der Porosität der vorhergehenden Zone besitzt.

3. Abgasfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter 2 bis 4 Zonen enthält.

4. Verfahren zur Herstellung eines Abgasfilters für Dieselmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filterblockrohling mit der grössten gewünschten Porosität bis zur gewünschten Zonengrenze in eine Lösung oder Suspension eines die Porosität vermindernden Mittels getaucht und anschliessend getrocknet wird, wobei der Tauch-und Trocknungsvorgang ggf. zur Erzeugung zusätzlicher Zonengrenzen wiederholt wird und der Filterblockrohling an den Zonengrenzen mit Stopfen versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterblockrohling in eine Suspension aus Cordierit, die ggf. ein anorganisches Bindemittel enthalten kann oder in eine Wasserglaslösung getaucht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension oder Lösung verwendet wird, durch die die Porosität um 10 bis 30%, nach dem Trocknen des Rohlings, vermindert wird.