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DE102017103555B4 - Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung - Google Patents

Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung Download PDF

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DE102017103555B4 DE102017103555.9A DE102017103555A DE102017103555B4 DE 102017103555 B4 DE102017103555 B4 DE 102017103555B4 DE 102017103555 A DE102017103555 A DE 102017103555A DE 102017103555 B4 DE102017103555 B4 DE 102017103555B4
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Abstract

Partikelfilter (10) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung (28) zur Reinigung eines Abgases (22), wobei der Partikelfilter (10) von einer Vielzahl von Kanälen (12, 14) durchzogenen ist, die mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) zumindest teilweise versehen und wechselseitig verschlossen sind, und wobei die Kanalwände (18) zum Durchtritt des Abgases durch die Kanalwände (18) von zur Eintrittsseite (20) offenen Kanälen (12) in zur Austrittsseite (24) offene Kanäle (14) porös sind, wobei die zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge (lEfüll) verfüllt sind und/oder die zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge (lAfüll) verfüllt sind, wodurch jeweils eine freie Länge (lEfrei, lAfrei) der Kanäle (12, 14) resultiert und im Bereich, in dem sich die freie Länge (lEfrei) der zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) mit der freien Länge (lAfrei) der zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) überschneidet, ein Durchtrittbereich (26) in den Kanalwänden (18) für das Abgas (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände (18) der zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) und die Kanalwände (18) der zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) teilweise mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) versehen sind, wobei der Durchtrittbereich (26) nicht oder nur einseitig mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) versehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung zur Reinigung eines Abgases, wobei der Partikelfilter von einer Vielzahl von Kanälen durchzogenen ist, die mit der katalytisch wirksamen Beschichtung zumindest teilweise versehen und wechselseitig verschlossen sind, und wobei die Kanalwände zum Durchtritt des Abgases durch die Kanalwände von zur Eintrittsseite offenen Kanälen in zur Austrittsseite offene Kanäle porös sind.
  • Partikelfilter dienen zur Abgasnachbehandlung von Otto- und Dieselbrennkraftmaschinen, um deren Partikelemission zu mindern. Ein Partikelfilter basiert üblicherweise auf einem mit Kanälen in Strömungsrichtung versehenen Filterkörper, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind und die Kanalwände eine vorbestimmte Porosität aufweisen. Durch den wechselseitigen Verschluss der Kanäle wird ein Wanddurchtritt des den Filterkörper durchströmenden Abgases erzwungen, wodurch im Abgas befindliche Partikel aus dem Abgas herausgefiltert werden. Die Kanalwände können zudem mit einer Beschichtung versehen sein, die ein edelmetallhaltiges Katalysatormaterial zur weiteren Abgasbehandlung enthält. Die katalytisch wirksame Beschichtung wird als ein sogenannter „Washcoat“ aufgetragen.
  • Die wechselseitig verschlossenen Kanäle verlaufen über die gesamte Kanallänge, die der Länge des Filterkörpers entspricht, parallel, wobei der exakte Bereich, an dem das Abgas von einem Kanal durch die Kanalwand in den anderen Kanal, der auslassseitig offen ist, übertritt, nicht eindeutig bestimmbar ist. Daher werden alle Kanäle weitgehend mit der edelmetallhaltigen Beschichtung versehen, um eine ausreichende Kontaktierung des Abgases mit der Beschichtung sicherzustellen. Dies führt jedoch dazu, dass mehr Washcoat und Edelmetall eingesetzt werden als eigentlich notwendig ist.
  • In der DE 10 2006 051 928 A1 wird ein Partikelfilter zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben, dessen Kanäle wechselseitig verschlossen sind.
  • Einzelne Kanäle werden mit einem Füllmaterial teilweise gefüllt, um beim Betrieb des Filters thermische Belastungen durch lokale Anpassung der Wärmekapazität des Filters zu reduzieren. Dadurch wird auch die vom Abgas durchströmbare Kanallänge variiert.
  • Aus der EP 1 484 482 A1 ist ein katalytisch wirksamer Partikelfilter mit einer sogenannten Honigwaben-Struktur bekannt, dessen Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Um zu verhindern, dass das relativ dünne keramische Material des Partikelfilters während des Transports und beim Hantieren abplatzt oder die verschlossenen Kanäle sich aufgrund mechanischer Beanspruchung öffnen, ist es vorgesehen, die Verschlusslänge der gefährdeten Kanäle zu variieren. So kann die Verschlusslänge vom Rand des Partikelfilters zu dessen Zentrum hin abnehmen.
  • Die DE 10 2004 028 811 A1 beschreibt eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Partikelfilter, welcher einen Wärmeadsorptionsbereich aufweist. Um einen Katalysatorschaden oder die Beschädigung eines in einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters durch einen raschen Temperaturanstieg des Partikelfilters zu verhindern, wenn es zu einer plötzlichen Verlangsamung des Motors kommt, und um bei einer Ablagerung einer großen Menge Teilchenmaterial in dem Partikelfilter und auf einmal erfolgender Regenerierung des Partikelfilters eine Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs zu vermeiden, wird durch Ausbilden eines tief verstopften Aufbaus am abgasausströmseitigen Ende des Partikelfilters für einen Wärme absorbierenden Bereich gesorgt.
  • Aus der JP H02 - 112 919 U ist ein Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem mehrere Auslasskanäle des Partikelfilters über unterschiedliche Längen mit einem Stopfen verstopft sind, um einen Übertritt von Abgas aus einem Einlasskanal des Partikelfilters in einen Auslasskanal des Partikelfilters zu steuern und eine lokale Überhitzung des Partikelfilters zu vermeiden.
  • Ferner offenbart die US 7 967 887 B1 einen Abgasnachbehandlungsfilter und ein Verfahren zum Filtern von Motorabgasen, das die maximale Temperatur des Filters einschließlich der Regenerierung reduziert. Dabei wird die Temperatur des Filters, auch während der Regeneration, insbesondere während des Abbrennens von gefangenen Schmutzpartikeln, unterhalb einer Schwellentemperatur gehalten, ab der eine dauerhafte thermische Schädigung des Filters zu befürchten ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung bereitzustellen, der einen bedarfsgerechten Einsatz von Washcoat und Edelmetallen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird durch einen Partikelfilter nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Es wird erfindungsgemäß ein Partikelfilter für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung zur Reinigung eines Abgases bereitgestellt, wobei der Partikelfilter von einer Vielzahl von Kanälen durchzogen ist, die mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (Washcoat) zumindest teilweise versehen und wechselseitig verschlossen sind. Die Kanalwände sind zum Durchtritt des Abgases durch die Kanalwände von zur Eintrittsseite offenen Kanälen in zur Austrittsseite offene Kanäle porös, wobei die zur Eintrittsseite offenen Kanäle an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge verfüllt sind und/oder die zur Austrittsseite offenen Kanäle an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge verfüllt sind, wodurch jeweils eine freie Länge der Kanäle resultiert und im Bereich, in dem sich die freie Länge der zur Eintrittsseite offenen Kanälen mit der freie Länge der zur Austrittsseite offenen Kanäle überschneidet, ein Durchtrittbereich in den Kanalwänden für das Abgas angeordnet ist.
  • Die freie Länge der zur Eintrittsseite offenen Kanäle und der zur Austrittsseite offenen Kanäle kann entweder gleich sein oder sich unterscheiden. Dementsprechend kann der Durchtrittbereich in den Kanalwänden für das Abgas mittig im Partikelfilter angeordnet sein, zwischen der Mitte des Partikelfilters und der Eintrittsseite für das Abgas oder zwischen der Mitte des Partikelfilters und der Austrittsseite für das Abgas.
  • Die freie Länge aller zur Eintrittsseite offenen Kanäle ist dabei stets gleich und die freie Länge aller zur Austrittsseite offenen Kanäle ist dabei ebenfalls stets gleich.
  • Durch die Anordnung und Länge des Durchtrittbereiches kann vorteilhafterweise Einfluss auf eine thermische Belastung des Partikelfilters genommen werden.
  • Die Länge des Durchtrittbereichs beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 80 %, besonders bevorzugt zwischen 15 und 60 %, und am meisten bevorzugt zwischen 20 und 30 %, der Gesamtlänge des Partikelfilter. Über die Länge des Durchtrittbereichs kann vorteilhafterweise auch die Menge der Partikel, die maximal eingelagert werden können bestimmt werden. Zudem kann darüber Einfluss auf die Druckverhältnisse im Partikelfilter genommen werden.
  • Die freie Länge der Kanäle wird durch Stopfen, die zum Verschließen der Kanäle verwendet werden, bestimmt und wie weit diese in die Kanäle hineinragen. Alternativ können die Kanäle auch mit einem Füllmaterial in Verbindung mit einem Stopfen in ihrer Länge variiert werden. Weiterhin sind auch sonstige Ausgestaltungen zur Variierung der Kanallänge möglich.
  • Der Partikelfilter besteht aus den dem Fachmann bekannten Materialien. Vorzugsweise wird der Partikelfilter aus einem keramischen Material oder Metall und besonders bevorzugt aus einem keramischen Material bestehen, wobei die Poren der Kanalwände vorzugsweise 5 - 50 µm, besonders bevorzugt 18 - 22 µm, groß sind.
  • Die katalytisch wirksame Beschichtung (Washcoat) kann derart realisiert werden, dass diese auf die Kanalwände aufgebracht wird, wobei auch eine gewisse Eindringungstiefe in die Kanalwände gegeben sein kann, oder dass diese vollständig in die Kanalwände eingebracht wird, wodurch der Querschnitt der Kanalwände nicht reduziert wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zur Eintrittsseite offenen Kanäle und die zur Austrittsseite offenen Kanäle teilweise mit einer katalytischen Beschichtung versehen sind
  • Ferner ist erfindungsgemäß bei dem Partikelfilter vorgesehen, dass in einem Bereich, wo der Durchtritt des Abgases erfolgt, eine Beschichtung nur auf einer Seite des Durchtrittbereichs oder die Beschichtung im Durchgangsbereich komplett entfällt, um den Gegendruck des Partikelfilters möglichst gering zu halten. Insbesondere kann eine Beschichtung komplett entfallen, wenn in den Kanälen ansonsten ausreichend Beschichtung vorhanden ist.
  • Vorzugsweise ist für den erfindungsgemäßen Partikelfilter und dementsprechend für die Beschichtung zumindest ein katalytisch wirksames Material aus nachfolgender Gruppe ausgewählt vorgesehen: Platin, Palladium, Rhodium, Barium und Zeolith, besonders bevorzugt Platin, Palladium und Rhodium.
  • Der erfindungsgemäße Partikelfilter kann vorteilhafterweise zur Verwendung mit einer Otto- oder Dieselbrennkraftmaschine ausgelegt sein.
  • Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Partikelfilters die Menge an benötigtem Edelmetall deutlich verringert werden, da der Durchtrittbereich des Abgases durch die Kanalwände genau definiert ist und somit auch nur die tatsächlich benötigte Menge an katalytisch wirksamer Beschichtung eingesetzt werden muss.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 in einer geschnittenen Detailansicht zwei wechselseitig verschlossene Kanäle eines Partikelfilters nach dem Stand der Technik,
    • 2 in einer geschnittenen Detailansicht zwei wechselseitig verschlossene Kanäle eines erfindungsgemäßen Partikelfilters ohne Darstellung der Beschichtung,
    • 3 in einer geschnittenen Detailansicht die zwei wechselseitig verschlossenen Kanäle des erfindungsgemäßen Partikelfilters nach 2 mit abweichender Abgasführung, und
    • 4 in einer geschnittenen Detailansicht zwei wechselseitig verschlossene Kanäle eines erfindungsgemäßen Partikelfilters nach einer zweiten Ausführungsform mit Darstellung der Beschichtung.
  • 1 zeigt ein Detail eines Partikelfilters 10 nach dem Stand der Technik. Der Partikelfilter 10 weist eine Vielzahl von Kanälen 12, 14 auf, von denen hier lediglich zwei wechselseitig durch Stopfen 16 verschlossene Kanäle 12, 14 dargestellt sind. Die Kanäle 12, 14 sind voneinander durch poröse Kanalwände 18 getrennt. Dabei sind Kanäle 12 gegeben, die zur Eintrittsseite 20 eines Abgases, symbolisiert durch Pfeile 22, hin offen sind, und Kanäle 14, die zur Austrittsseite 24 des Abgases 22 hin offen sind. Das in den auf der Eintrittsseite 20 offenen Kanal 12 einströmende Abgas 22 wird durch den Kanal 12 bis zum Stopfen 16 geleitet. Dabei tritt das Abgas 22 durch die porösen Kanalwände 18 in benachbarte Kanäle 14, wobei in 1 lediglich der Durchtritt zu dem einen dargestellten Kanal 14 gezeigt wird. Anschließend verlässt das Abgas 22 den zur Austrittsseite 24 offenen Kanal 14. Der Durchtritt des Abgases kann dabei theoretisch über nahezu die gesamte Länge lges des Partikelfilters 10 erfolgen. Im Bereich der Stopfen 16 ist natürlich kein Durchtritt des Abgases 22 durch die Kanalwand 18 möglich. Daher entspricht der Durchtrittbereich 26 nahezu der gesamten Länge lges des Partikelfilters 10, so dass beide Kanäle 12, 14 über die nahezu die gesamte Länge lges mit einer hier nicht dargestellten katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sind, um einen ausreichenden Kontakt des Abgases mit der Beschichtung sicherzustellen.
  • In den nachfolgenden 2 bis 4 werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelfilters 10 dargestellt, wobei für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie in 1. Eine katalytisch wirksame Beschichtung ist nur in 4 dargestellt.
  • In den 2 und 3 wird in Detailansicht jeweils dieselbe Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelfilters 10 dargestellt, wobei jedoch die Strömungsrichtung des Abgases 22 in beiden 2 und 3 entgegengesetzt ist.
  • In 2 tritt das Abgas 22 in den Partikelfilter 10 über den zur Eintrittsseite 20 offen ausgebildeten Kanal 12 ein, der eine freie Länge lEfrei des Kanals 12 aufweist, die geringer ist als die Länge lges des Partikelfilters 10. Der andere Kanal 14, der zur Austrittsseite 24 offen ist, weist hingegen eine deutlich verkürzte freie Länge lAfrei auf, wobei sich in dem Bereich, in dem sich die freien Längen lEfrei, lAfrei beider Kanäle 12, 14 überschneiden, der Durchtrittbereich 26 mit der Länge lD angeordnet ist. Die Stopfen 16 der Kanäle 12, 14 besitzen jeweils eine Länge lEfüll, lAfüll die sich voneinander unterscheiden und dementsprechend auch die freien Längen lEfre, lAfrei i der Kanäle 12, 14. Durch entsprechende Dimensionierung der Stopfen 16 und damit der freien Längen lEfre, lAfrei der Kanäle 12, 14 wird die Länge lD des Durchtrittbereichs 26 in der Kanalwand 18 definiert. Die Anordnung des Bereiches 26 für den Durchtritt des Abgases 22 muss nicht in der dargestellten Weise erfolgen. Dieser kann sich auch in der Mitte des Partikelfilters 10 befinden oder auch zur Eintrittsseite 20 verlagert sein. Die 2 und 3 unterscheiden sich lediglich in der Strömungsrichtung des Abgases 22, sodass die freie Längen lEfre, lAfrei beider Kanäle 12, 14 in beiden Figuren gegensätzlich ist.
  • 4 entspricht wiederum 2 hinsichtlich der Strömungsrichtung des Abgases 22. Ansonsten ist in 4 eine katalytisch wirksame Beschichtung 28 der Kanalwände 18 der beiden Kanäle 12, 14 dargestellt, wobei zur Vereinfachung diese lediglich bei der zwischen den beiden dargestellten Kanälen 12, 14 befindlichen Kanalwand 18 dargestellt ist. Üblicherweise sind die Kanalwände 18 auf allen Seiten mit einer Beschichtung 28 versehen. Die Beschichtung 28 befindet sich teilweise auf der Oberfläche der Kanalwand 18 und ist teilweise in diese eingedrungen. Im Durchgangsbereich 26 ist die katalytisch wirksame Beschichtung 28 lediglich auf der Seite des zur Ausgangsseite 24 offenen Kanals 14 dargestellt, der auch ansonsten mit der katalytisch wirksamen Beschichtung 28 versehen ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Partikelfilter
    12, 14
    Kanal
    16
    Stopfen
    18
    Kanalwand
    20
    Eintrittsseite
    22
    Abgas/Pfeil
    24
    Austrittsseite
    26
    Durchtrittbereich
    28
    katalytisch wirksame Beschichtung
    lges
    Länge des gesamten Partikelfilters
    lEfüll
    Länge des verfüllten Kanals
    lAfüll
    Länge des verfüllten Kanals
    lEfrei
    freie Länge
    lAfrei
    freie Länge
    lD
    Länge des Durchtrittbereichs

Claims (8)

  1. Partikelfilter (10) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung (28) zur Reinigung eines Abgases (22), wobei der Partikelfilter (10) von einer Vielzahl von Kanälen (12, 14) durchzogenen ist, die mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) zumindest teilweise versehen und wechselseitig verschlossen sind, und wobei die Kanalwände (18) zum Durchtritt des Abgases durch die Kanalwände (18) von zur Eintrittsseite (20) offenen Kanälen (12) in zur Austrittsseite (24) offene Kanäle (14) porös sind, wobei die zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge (lEfüll) verfüllt sind und/oder die zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) an den verschlossenen Enden über eine vorgegebene Länge (lAfüll) verfüllt sind, wodurch jeweils eine freie Länge (lEfrei, lAfrei) der Kanäle (12, 14) resultiert und im Bereich, in dem sich die freie Länge (lEfrei) der zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) mit der freien Länge (lAfrei) der zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) überschneidet, ein Durchtrittbereich (26) in den Kanalwänden (18) für das Abgas (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände (18) der zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) und die Kanalwände (18) der zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) teilweise mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) versehen sind, wobei der Durchtrittbereich (26) nicht oder nur einseitig mit der katalytisch wirksamen Beschichtung (28) versehen ist.
  2. Partikelfilter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Länge (lEfrei) der zur Eintrittsseite (20) offenen Kanäle (12) sich von der freien Länge (lAfrei) der zur Austrittsseite (24) offenen Kanäle (14) unterscheidet.
  3. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchtrittbereich (26) mittig im Partikelfilter (10) oder zwischen der Mitte des Partikelfilters (10) und der Eintrittsseite (20) oder zwischen der Mitte des Partikelfilters (10) und der Austrittsseite (24) angeordnet ist.
  4. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12, 14) durch Stopfen (16) verschlossen und durch ein Füllmaterial in der freien Länge (lfrei) reduziert sind.
  5. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (lD) des Durchtrittbereichs (26) zwischen 10 und 80 % der Gesamtlänge (lges) des Partikelfilters (10) beträgt.
  6. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Beschichtung (28) zumindest ein katalytisch wirksames Material aus nachfolgender Gruppe enthält: Platin, Palladium, Rhodium, Barium und/oder Zeolith.
  7. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Kanalwände (18) 5 - 50 µm groß sind.
  8. Partikelfilter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (10) ausgebildet ist, das Abgas einer Otto- oder Dieselbrennkraftmaschine zu reinigen.
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