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DE60200673T2 - Filter zum Reinigen von Abgas - Google Patents

Filter zum Reinigen von Abgas Download PDF

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DE60200673T2
DE60200673T2 DE60200673T DE60200673T DE60200673T2 DE 60200673 T2 DE60200673 T2 DE 60200673T2 DE 60200673 T DE60200673 T DE 60200673T DE 60200673 T DE60200673 T DE 60200673T DE 60200673 T2 DE60200673 T2 DE 60200673T2
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Filter zum Reinigen von Abgas, der aus Keramikmaterial hergestellt ist und zum Sammeln von Partikeln, wie z. B. feinen Kohlenstoffpartikeln, die von internen Verbrennungskraftmaschinen ausgegeben werden, verwendet wird.
  • 2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Die Verwendung einer Wabenstruktur aus Keramik wird für einen Filter zum Reinigen von Abgas als vielversprechend angesehen, der Partikel, wie z. B. feine Kohlenstoffpartikel, die von einem Dieselmotor oder ähnlichem ausgegeben werden, erst sammelt und dann verbrennt, um so regeneriert zu werden.
  • Wie in 3 dargestellt, weist ein Filter 9 zum Reinigen von Abgasen nach dem Stand der Technik Zellen 90 in Form einer Wabenstruktur auf, die abwechselnd mit einem Absperrteil 95 verschlossen sind. An jedem Ende der Wabenstruktur sind Absperrteile 95 fachwerkartig angeordnet. Weiter sind Wände 98 mit einer Katalysatorbeschichtung vorgesehen.
  • Mit diesem Aufbau wird das in die Zellen 90 eintretende Abgas 8 nach Durchströmen der Wände 98 ausgegeben, während die Partikel im Abgas 8 in den Wänden 98 eingefangen werden und sich dort ansammeln. Die angesammelten Partikel werden verbrannt und mittels der Wirkung des Katalysators auf den Wänden 98 entfernt, sodass der Filter 9 zum Reinigen von Abgas gelegentlich erneuert wird.
  • Um die Reinigungsleistung des Filters 9 zum Reinigen von Abgas weiter zu verbessern, ist es wirksam, die innere Oberfläche des Filters zu vergrößern. Dies wurde auf verschiedene Weise erreicht, wie z. B. durch die Verminderung der Dicke der Wände der Wabenstruktur, die den Filter zum Reinigen von Abgas bildet, und Vermindern des Abstandes der Zellen untereinander. Obwohl diese Maßnahmen auf der Grundlage der Verminderung der Dicke der Wände wirksam sind, besteht jedoch insoweit eine Begrenzung, als die Herstellung schwierig ist und die Festigkeit der Struktur abnimmt.
  • Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Filterfläche anstelle der Verminderung der Dicke der Wände ist die Verwendung von Absperrteilen 95 als Teil des Filters, wie dies z. B. in der US 5,595,581 beschrieben ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Filter zum Reinigen von Abgas zu schaffen, der eine verbesserte Verwendung der Absperrteile als Teil des Filters erreicht.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Filter gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Der Filter zum Reinigen von Abgas besteht aus einer Wabenstruktur, umfassend eine Vielzahl von Zellen, die jeweils von Wänden umgeben sind, wobei jede Zelle mittels eines Absperrteils an einem Ende abgeschlossen ist.
  • Die Wände und die Absperrteile des Filters zum Reinigen von Abgas bestehen alle aus einem porösen Material, wobei mindestens 50% der Absperrteile Werte von M = (L/t) × (P1/P2) in einem Bereich von 13 < M < 90 aufweisen, wobei P1 die Porosität der Wände, P2 die Porosität der Absperrteile, t die mittlere Dicke der Wände und L die Länge jedes Absperrteils darstellt und die mittlere Länge des Absperrteils (L) 5 mm oder weniger beträgt.
  • Bei dem Filter zum Reinigen von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung weisen mindestens 50% der Absperrteile Werte von M auf, die aus den Werten von P2 und L jedes der Absperrteile, der Porosität P1 der Wände und der mittleren Dicke t der Wände berechnet werden, die in den oben beschriebenen Bereich fallen. Dieser Aufbau kann die Reinigungsleistung verbessern, indem die Absperrteile als Teile des Filters verwendet werden.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht des Filters zum Reinigen von Abgas gemäß Beispiel 1 der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht des Filters zum Reinigen von Abgas des Beispiels 1.
  • 3 zeigt die Schnittansicht des Filters zum Reinigen von Abgas nach dem Stand der Technik.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wenn ein Wert von M kleiner als 13 ist, ist die Festigkeit der Absperrteile für einen praktischen Gebrauch zu gering. Wenn der Wert von M größer als 90 ist, ist es andererseits schwierig, dass das Abgas durch die Absperrteile gelangt, und die Absperrteile somit als Teil des Filters zu verwenden.
  • Wenn das Verhältnis der Absperrteile, die Werte von M2 in einem Bereich von 13 < M < 90 aufweisen, weniger als 50% beträgt, kann eine wesentliche Filterwirkung der Absperrteile nicht erreicht werden.
  • Es wird bevorzugt, dass 50% oder mehr der Absperrteile Werte von M nicht größer als 25 aufweist. Wenn dies der Fall ist, kann die Wirkung der Absperrteile als Teile des Filters weiter verbessert werden.
  • Die mittlere Länge der Absperrteile beträgt 5 mm oder weniger. Die Absperrteile, deren mittlere Länge größer als 5 mm ist, stellen einen großen Widerstand für die Strömung des dadurch strömenden Abgases dar, wodurch die Filterwirkung abnehmen kann. Die mittlere Länge kann 3 mm oder weniger sein. Wenn die Länge zu gering ist, wird die Festigkeit der Absperrteile unzureichend. Die mittlere Länge der Absperrteile sollte als untere Grenze vorzugsweise 0,5 mm betragen.
  • Die Wände und die Absperrteile des Filters zum Reinigen von Abgas können aus Keramikmaterial, wie z. B. Cordierit, Mullit, Spinell oder ähnlichem bestehen.
  • Die Wände und die Absperrteile sind mit einem Katalysator zum Abbrennen der aufgefangenen Partikel beschichtet. Der Katalysator kann beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator, ein PM Oxidationskatalysator und ein NOx Okklusions-Reduktionskatalysator sein.
  • BEISPIEL 1
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Beispiel des Filters zum Reinigen von Abgas unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
  • Der Filter 1 zum Reinigen von Abgas gemäß diesem Beispiel besteht aus einer Wabenstruktur, umfassend eine Vielzahl von Zellen 10, die jeweils von Wänden umgeben sind, wobei jede der Zellen 10 mittels einem Absperrteil an einer Seite verschlossen ist, wie dies in 1 und 2 dargestellt ist.
  • Die Wände 11 der Absperrteile 2 bestehen alle aus einem porösen Material. Der Wert M = (L/t) × (P1/P2) liegt in einem Bereich von 13 < M < 90, wobei P1 die Porosität der Wände 11, P2 die Porosität der Absperrteile 2, t die mittlere Dicke der Wände 11 und L die mittlere Länge der Absperrteile 2 darstellt.
  • Im Folgenden soll der Aufbau im Einzelnen beschrieben werden.
  • Der Filter 1 zum Reinigen von Abgas gemäß diesem Beispiel wird hergestellt, indem man zuerst die Wabenstruktur aus einem Keramikmaterial herstellt. Zu diesem Zweck wird ein Cordieritmaterial als Rohmaterial vorbereitet. Das Cordieritmaterial umfasst Kaolin, Aluminiumhydroxid, Aluminium, Talk, Kohlenstoffpulver und andere Bestandteile. Die Verhältnisse der Bestandteile werden so eingestellt, dass die fertige Zusammensetzung von Cordierit SiO2 in einem Bereich von 45 bis 55 Gew.-%, Al2O3 von 33 bis 42 Gew.-% und MgO von 12 bis 18 Gew.-% enthält. Die Porosität wird durch Einstellen des Anteils der Bestandteile, wie z. B. Kohlenstoffpulver, Kaolin, Talk und Aluminiumhydroxid gesteuert.
  • Nach dem Mischen der bestimmten Mengen des Cordieritmaterials mit Wasser, wird die Mischung zu einer Wabenstruktur mittels Spritzgießens unter Verwendung einer Form gebildet. Dann wird das Cordieritmaterial am Ende von ausgewählten Zellen zur Ausbildung der Absperrteile angeordnet. Bei diesem Beispiel sind die Absperrteile 2 fachwerkartig angeordnet. Die Wabenstruktur wird dann getrocknet und gebrannt.
  • Die Absperrteile 2 können durch Verwendung verschiedener bekannter Methoden angebracht werden.
  • Die Wabenstruktur (Filter 1 zum Reinigen von Abgas), die man so erhält, weist 300 Zellen auf, und die Wände 11 sind 0,2 mm dick. Bei diesem Beispiel beträgt die Porosität P1 der Wände 11 55%, die Porosität P2 der Absperrteile 2 70%, die mittlere Dicke t der Wände 11 0,2 mm und die mittlere Länge der Absperrteile 2 4 mm. Somit ergibt sich der Wert M von 16.
  • Der Filter 1 zum Reinigen von Abgas ist mit einem PM Oxidationskatalysator zum Verbrennen der auf der gesamten Oberfläche gelagerten Partikel, nämlich auf der Oberfläche der Wände 11 und der Oberfläche der Absperrteile 2, versehen, wodurch der Filter zum Reinigen von Abgas fertig gestellt ist.
  • Der Filter 1 zum Reinigen von Abgas wird in einem nicht dargestellten Katalysatorwandler angeordnet, und wird als Partikelfilter für Dieselmotoren verwendet.
  • Im Folgenden soll der Betrieb und die Wirkung dieses Beispiels beschrieben werden.
  • Bei dem Filter 1 zum Reinigen von Abgas dieses Beispiels bestehen die Wände 11 und die Absperrteile 2 aus einem porösen Material. Die Porosität und Größe dieser Teile wird so ausgewählt, dass man den Wert M = 16 erhält. Dies erlaubt, dass der Filter 1 zum Reinigen von Abgas die Absperrteile 2 als ein Teil des Filters verwendet, wenn er in den Strömungskanal des Abgases eingebaut ist.
  • Das in die Zellen 10 des Filters 1 zum Reinigen von Abgas eingeleitete Abgas 8 wird in einen Teil aufgeteilt, der durch die Wand 11 in die benachbarte Zelle vor dem Ausströmen strömt, und einen Teil, der durch das Absperrteil 2 strömt und ausgegeben wird. Die in dem Abgas 8 eingeschlossenen Partikel werden von den Absperrteilen 2 als auch von den Wänden 11 eingefangen. Die so eingefangenen Partikel werden verbrannt und mittels der Wirkung des Katalysators auf den Wänden 11 und den Absperrteilen 2 entfernt.
  • Somit weist der Filter 1 zum Reinigen von Abgas dieses Beispiels eine Filterfläche auf, die sich aus der Summe der Oberfläche der Wände 11 und der Oberfläche der Absperrteile 2 ergibt, und die größer als die ist, die man mit den bekannten Filtern erreicht. Hierdurch weist der Filter 1 zum Reinigen von Abgas eine höhere Leistung als die bekannten Filter auf.
  • Die Festigkeit der Absperrteile 2 kann ebenfalls für die praktische Verwendung hoch genug gehalten werden, da der Wert von M größer als 10 ist.
  • BEISPIEL 2
  • Bei diesem Beispiel werden mehrere Wabenstrukturen ähnlich denen des Filters 1 zum Reinigen von Abgas des Beispiels 1 hergestellt und Versuchen unterworfen, um die Wirkung des Wertes M zu bestimmen, während man die Porosität, die Größe und andere Faktoren ändert. Bei diesem Beispiel werden die Wabenstrukturen ähnlich wie bei dem Beispiel 1 hergestellt.
  • Die Werte P1, P2, t und L der hergestellten Wabenstrukturen sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben.
  • Wie in den Tabellen gezeigt, wurden 51 Wabenstrukturen bei diesem Beispiel hergestellt, die eine Porosität P1 der Wände 11 in einem Bereich von 55 bis 70%, eine mittlere Dicke der Wände 11 von 0,2 mm oder 0,3 mm, eine Porosität P2 der Absperrteile 2 in einem Bereich von 10 bis 70% und eine mittlere Länge L der Absperrteile 2 in einem Bereich von 2 bis 6 mm aufwiesen.
  • Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen die Werte M, die mittels der Gleichung M = (L/t) × (P1/P2) berechnet wurden.
  • Bei diesem Beispiel wurde ein Versuch durchgeführt, um 2 g/Liter von partikelförmigem Ruß, der von einem Rußgenerator erzeugt wurde, aufzufangen. Nach dem Versuch wurde ein Querschnitt des stromabwärts angeordneten Absperrteils 2 mit einem Elektronenmikroskop untersucht, um zu sehen, ob der Ruß in die Innenseite des Absperrteils infiltriert wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt, wo ⌾ eine ausreichende Infiltration von Ruß, 0 eine gewisse Infiltration geringer als in dem Fall von ⌾, Δ eine geringe Infiltration und X überhaupt keine Infiltration anzeigen.
  • Wie man aus der Tabelle 1 und Tabelle 2 sieht, weisen alle Proben einen Wert von M größer als 90 das Ergebnis von X in dem Rußinfiltrationsversuch auf, was keine Filterwirkung zeigt. Proben mit M weniger als 90 zeigen als Ergebnis ⌾, O oder Δ, was eine gewisse Filterwirkung zeigt. Unter diesen zeigen jene mit einem M von 25 oder weniger eine ausreichende Infiltration des Rußes, was eine hohe Filterwirkung bedeutet.
  • Wenn der Wert von M geringer als 10 ist, was bedeutet, dass die Absperrteile 2 eine kurze Länge L und eine hohe Porosität P2 aufweisen, so zeigt sich, dass die Festigkeit des Absperrteils 2 zu gering für eine praktische Verwendung ist, obwohl dies nicht mittels des Versuchs gezeigt wurde.
  • Figure 00110001
  • Figure 00120001
  • Figure 00130001

Claims (2)

  1. Filter (1) zum Reinigen von Abgas in Form einer Wabenstruktur, umfassend eine Vielzahl von Zellen (10), die jeweils von Wänden (11) umgeben sind, wobei jede der Zellen (10) an einem ihrer Enden mittels eines Absperrteils (2) verschlossen ist, und die Wände (11) und die Absperrteile (2) aus einem porösen Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (11) und die Absperrteile (2) mit einem Katalysator zum Verbrennen von aufgefangenen Partikeln beschichtet sind, dass mindestens 50% der Absperrteile (2) Werte von M = (L/t) × (P1/P2) in einem Bereich von 13 < M < 90 aufweisen, wobei P1 die Porosität der Wände (11), P2 die Porosität der Absperrteile (2), t die mittlere Dicke der Wände (11) und L die Länge jedes der Absperrteile (2) darstellt, dass die mittlere Länge (L) jedes der Absperrteile 5 mm oder weniger beträgt.
  2. Filter zum Reinigen von Abgas nach Anspruch 1, wobei alle Absperrteile (2) einen Wert M in einem Bereich von 13 > M > 90 aufweisen.
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