DE102004010496A1

DE102004010496A1 - Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen

Info

Publication number: DE102004010496A1
Application number: DE102004010496A
Authority: DE
Inventors: Markus Widenmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-22
Also published as: ITMI20050311A1; FR2867093B1; FR2867093A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen, insbesondere ein Partikelfilter oder Abgaskatalysator für Kraftfahrzeuge, beschrieben, der einen keramischen oder metallischen Träger (30) aufweist, der in einem Gehäuse (16) angeordnet ist und mit einem zu reinigenden Verbrennungsabgas beaufschlagt wird. Der Träger (30) ist mit einer im wesentlichen unporösen Schutzschicht (32) überzogen, wobei die Schutzschicht (32) mit einer weiteren Schicht (34, 34a, 34b) versehen ist, die ein alkalisches oder ein saures Verhalten zeigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere einen Partikelfilter oder Abgaskatalysator, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die Reinigung von Abgasen, die brennbare, insbesondere kohlenstoffhaltige Partikel enthalten, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zur Reinigung derartiger Gasgemische werden üblicherweise keramische Filtersysteme bzw. Abgaskatalysatoren eingesetzt. In jüngerer Zeit werden jedoch verstärkt Sintermetalle bzw. Edelstahl als Grundmaterialien für Partikelfilter bzw. Abgaskatalysatoren verwendet. Diese neigen aber unter dem Einfluss der hoch korrosiven Verbrennungsabgase zu einem frühzeitigen Verschleiß.

Aus der DE 34 07 172 C2 ist eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren bekannt, wobei dieser Filter auf der Basis eines Sintermetall- oder Stahlwollegewebes ausgeführt ist und zum Schutz vor Korrosion eine haftfeste Aluminiumoxidschicht aufweist. Auf diese Aluminiumoxidschicht wird dann ein Trägermaterial sowie katalytisch aktive Komponenten gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen bereitzustellen, die besonders wirkungsvoll und dauerhaft gegenüber einem Kontakt mit korrosiven Bestandteilen des Verbrennungsabgases geschützt ist.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dazu weist die Vorrichtung, die als Filter oder Abgaskatalysator ausgeführt ist, ein dem zu reinigenden Gasgemisch ausgesetztes Trägermaterial auf, das mit einer im wesentlichen unporösen Schutzschicht überzogen ist. Auf dieser Schutzschicht ist eine weitere Schicht aufgebracht, die ein saures bzw. alkalisches Verhalten zeigt.

Da Verbrennungsabgase üblicherweise sauer reagierende, korrosive Gase wie beispielsweise Stickoxide oder Schwefeloxide in beträchtlichen Mengen enthalten, bewirkt eine weitere Schicht, die ein alkalisches Verhalten zeigt, einen effektiven Schutz des damit beschichteten Trägermaterials, da die eindringenden sauer reagierenden Gase durch alkalisch reagierende Komponenten der weiteren Schicht chemisch gebunden und neutralisiert werden.

Wird eine weitere Schicht eingesetzt, die ein saures Verhalten zeigt, so schützt diese das Trägermaterial vor eindiffundierenden alkalisch reagierenden Verunreinigungen wie beispielsweise Erdalkalioxiden. In beiden Fällen wird ein wirksamer Schutz des Trägermaterials vor korrosiven Einflüssen durch die zu reinigenden Verbrennungsabgase bewirkt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich. So ist es von Vorteil, wenn die weitere Schicht, die ein alkalisches Verhalten zeigt, mindestens ein Alkali- oder Erdalkalioxid enthält, da diese Verbindungen eine ausreichende Basizität aufweisen und dennoch ungiftig und allgemein verfügbar sind.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn zwischen einer weiteren Schicht, die ein alkalisches Verhalten zeigt, und dem Trägermaterial eine zusätzliche weitere Schicht vorgesehen ist, die ein saures Verhalten zeigt. Dies beugt der Möglichkeit vor, dass aus der weiteren Schicht, die ein alkalisches Verhalten auf Grund ihres Gehaltes an Alkali- oder Erdalkalioxiden zeigt, alkalische Oxide in Richtung des Trägermaterials diffundieren und dort zu einer Schädigung führen. Durch die Existenz einer sauer reagierenden Zwischenschicht werden die diffundierenden Alkali- oder Erdalkalioxide abgefangen und neutralisiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die weitere Schicht zusätzlich mit mindestens einem der Edelmetalle Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Gold versehen. Alternativ können die genannten Edelmetalle auch in einer auf die weitere Schicht aufgebrachten katalytisch aktiven Schicht vorgesehen sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die auf das Trägermaterial aufgebrachte Schutzschicht eine Schichtdicke von 100 bis 500 nm auf, womit einerseits ein wirksamer Korrosionsschutz und andererseits ein möglichst guter Durchtritt der zu reinigenden Verbrennungsabgase in die Poren des Filters bzw. Abgaskatalysators gewährleistet ist.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 2 schematisch eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Die 3 bzw. 4 zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der in den 1 bzw. 2 dargestellten Vorrichtungen in Form eines Querschnitts entlang der Linie A-A in zwei Varianten.

Ausführungsbeispiele
Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Die Vorrichtung zur Reinigung von Gasen ist vorzugsweise als Filter ausgeführt, wie er schematisch in den 1 und 2 dargestellt ist. Der Filter ist in ein System integriert, in dem ein mit brennbaren Partikeln beaufschlagtes Gasgemisch geführt wird. Dies kann bspw. die Abgasleitung eines Dieselmotors sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Filter in einem Bypass des abgasführenden Systems anzuordnen.
Der in 1 abgebildete Filter 10 ist als Wabenkörper-Filter ausgeführt und weist eine dem zu reinigenden Gasgemisch zugewandte erste Seite 11 sowie eine dem gereinigten Gasgemisch zugewandte zweite Seite 12 auf. Das mit brennbaren Partikeln, insbesondere mit Ruß beladene Gasgemisch 13 wird dem Filter 10 auf dessen erster Seite 11 zugeführt. Der Filter 10 umfasst ein Gehäuse 16, in das die eigentliche Filterstruktur integriert ist. Die Filterstruktur umfasst Kanäle 15, die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandte Ende für den Zutritt des mit Partikeln beladenen Gasgemischs geöffnet sind und an ihrem der zweite Seite 12 zugewandten Ende durch Verschlüsse 22 verschlossen sind. Die Kanäle 15 sind an ihren Längsseiten vorzugsweise durch Wandungen 18 begrenzt, die porös ausgeführt sind, sodass sie den Durchtritt des Gasgemischs unter Zurückhaltung der im Gasgemisch enthaltenen Partikel gestatten.
Das die Wandungen 18 durchdringende Gasgemisch gelangt in zweite Kanäle 20 die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandten Ende durch zweite Verschlüsse 21 verschlossen sind und an ihrem der zweite Seite 12 zugewandten Ende geöffnet sind, sodass das von Partikeln befreite Gasgemisch entweichen kann. Das Gehäuse 16 sowie die Wandungen 18 bzw. die Verschlüsse 21, 22 können aus einem keramischen Material wie beispielsweise Cordierit oder Siliziumcarbid beispielsweise in Form eines Monolithen ausgeführt sein. Weiterhin ist es möglich, das Gehäuse 16, die Wandungen 18 und die Verschlüsse 21, 22 aus verschiedenen Materialien auszuführen.
In 2 ist ein Filter 10a abgebildet, der gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Edelstahl- oder Sintermetallfilter ausgeführt ist. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Bauteilkomponenten wie in 1. Die Filterstruktur umfasst hier anstelle von Kanälen Taschen 15a, die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandten Ende für den Zutritt des mit Partikeln beladenen Gasgemischs geöffnet sind und an ihrem der zweite Seite 12 zugewandten Ende verschlossen sind. Die Taschen 15a sind an ihren Längsseiten vorzugsweise durch Wandungen 18 begrenzt, die porös ausgeführt sind, sodass sie den Durchtritt des Gasgemischs unter Zurückhaltung der im Gasgemisch enthaltenen Partikel gestatten.
Das die Wandungen 18 durchdringende Gasgemisch gelangt in zweite Taschen 20a die an ihrem der ersten Seite 11 zugewandten Ende verschlossen sind und an ihrem der zweite Seite 12 zugewandten Ende geöffnet sind, sodass das von Partikeln befreite Gasgemisch entweichen kann. Das Gehäuse 16 sowie die Wandungen 18 sind aus einem metallischen Material wie beispielsweise einem Sintermetall oder Edelstahl ausgeführt.
In 3 ist ein Ausschnitt der in den 1 und 2 dargestellten Wandungen 18 des Filters 10 als Querschnitt entlang der Linie A-A abgebildet. Die Wandung 18 umfasst ein Filtermaterial 30, dass vorzugsweise aus einem Sintermetall bzw. aus einem Edelstahl ausgeführt ist; jedoch auch aus einem keramischen Material wie Cordierit oder Siliziumcarbid ausgeführt werden kann. Das Filtermaterial 30 ist mit einer Schutzschicht 32 überzogen, die im wesentlichen unporös ausgeführt ist und aus Materialien besteht, die gegenüber Alkalien auch bei Temperaturen von über 800 °C beständig ist und ihrerseits keine Verbindung enthält, die beispielsweise Chrom(III)oxide bei den genannten Temperaturen alkalisch aufschließen können. Hier eignen sich als Beschichtungsmaterialien insbesondere Zirkondioxid, Aluminiumphosphat, Zirkoniumphosphat oder Seltenerdmetall-Phosphate. Die Schutzschicht 32 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von maximal einem Mikrometer auf, bevorzugt sind 100 – 500 nm. Eine Schutzschicht 32, die die genannte Schichtdicke aufweist, gewährleistet einerseits einen wirksamen Korrosionsschutz des umhüllten Filtermaterials gegenüber den korrosiven Einflüssen der zu reinigenden Verbrennungsabgase, andererseits ermöglicht die geringe Schichtdicke der Schutzschicht 32 einen geringen Strömungswiderstand des die Wandungen 18 durchdringenden Verbrennungabgases.
Auf der Schutzschicht 32 ist eine weitere Schicht 34 aufgebracht, die von ihrer Materialzusammensetzung her so ausgestaltet ist, dass sie gegenüber eindiffundierenden Abgaskomponenten je nach Anwendungszweck ein saures oder ein alkalisches Verhalten zeigt.
Wird die weitere Schicht 34 beispielsweise mit sauren Oxiden wie Siliziumdioxid oder Titandioxin versehen, so nimmt sie insgesamt ein sauren Charakter an und absorbiert wirkungsvoll eindiffundierende alkalische Bestandteile wie beispielsweise die in vielen Katalysatoren enthaltenen Alkali- oder Erdalkalioxide sowie die häufig in NOx-Speicherkatalysatoren verwendeten Seltenerdmetalloxide. Insbesondere wird verhindert, dass die genannten Verbindungen chromoxidhaltige Passivierungsschichten des Filtermaterials 30 bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei der Filterregeneration auftreten können, alkalisch aufschließen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die weitere Schicht 34 alkalisch auszuführen, wodurch saure Komponenten der zu reinigenden Verbrennungsabgase wie Schwefel- oder Stickoxide oder die sich bildenden organischen oder anorganische Säuren neutralisiert und gebunden werden. Auf diese Weise werden ebenfalls hochkorrosive Verbindungen vom Filtermaterial 30 ferngehalten. Die weitere Schicht 34 enthält zu diesem Zweck beispielsweise Alkali- oder Erdalkaliverbindungen. Als Grundmaterial der Schutzschicht 32 eignen sich im Fall einer alkalisch ausgeführten weiteren Schicht 34 auch Materialien wie beispielsweise Aluminiumoxid.
Die weitere Schicht 34 wird vorzugsweise porös oder offenporig ausgeführt, um einen guten Zutritt der zu reinigenden Verbrennungsabgase zu gewährleisten. Die weitere Schicht 34 kann zusätzlich katalytisch aktiv ausgeführt werden und beispielsweise Edelmetalle wie Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Gold enthalten. Alternativ ist es möglich, auf der weiteren Schicht 34 eine separate katalytisch aktive Schicht vorzusehen, die aus einem üblichen Trägermaterial für Katalysatoren besteht und die genannten katalytisch aktiven Edelmetalle enthält.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstatt einer weiteren Schicht 34, die entweder einen sauren oder einen alkalische Charakter aufweist, zwei weitere Schichten 34a, 34b vorzusehen, wobei die erste weitere Schicht 34a vorzugsweise einen sauren Charakter zeigt und eine sich darüber befindende zweite weitere Schicht 34b ein alkalisches Verhalten. Ein solche Ausführungsform ist in 4 dargestellt.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass korrosive Bestandteile der zu reinigenden Verbrennungsabgase zunächst in Kontakt mit der alkalisch reagierenden zweiten weiteren Schicht 34b treten und dort die in den Verbrennungsabgasen enthaltenen sauren Bestandteile absorbiert und neutralisiert werden. Eindiffundierende alkalische Bestandteile können die zweite weitere Schicht 34b passieren und gelangen in den Bereich der ersten weiteren Schicht 34a, die ein saures Verhalten zeigt. Dort werden zum einen die in der zweiten weiteren Schicht 34b nicht entfernten alkalischen Bestandteile der Verbrennungsabgase abgefangen und zum anderen zusätzlich alkalische Bestandteile der zweiten weiteren Schicht 34b selbst, die bei den im Abgas herrschenden hohen Temperaturen zur Diffusion neigen.
Bei dieser Ausführungsform kann die zweite weitere Schicht 34b zusätzlich katalytisch aktive Verbindungen wie die Edelmetalle Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Gold enthalten oder es kann alternativ die zweite weitere Schicht 34b mit einer zusätzlichen katalytisch aktiven Schicht versehen sein, die die bereits genannten Edelmetalle enthält.
Die katalytische Aktivität der katalytisch aktiven Schicht 34, 34b lässt sich insbesondere dadurch steigern, dass die BET-Oberfläche der katalytisch aktiven Schicht 34, 34b wenigstens 10 m²/g beträgt, bevorzugt ist eine BET-Oberfläche von 50 – 1000 m²/g.
Die Erfindung ist nicht auf die in 1 explizit dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf beliebige, anders ausgeführte Modifikationen von Filter- oder Katalysatorsysteme übertragen werden.

Claims

Vorrichtung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen, insbesondere Partikelfilter oder Abgaskatalysator für Kraftfahrzeuge, mit einem keramischen oder metallischen Träger, der in einem Gehäuse angeordnet ist und mit einem zu reinigenden Verbrennungsabgas beaufschlagt wird, wobei der Träger mit einer im wesentlichen unporösen Schutzschicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (32) mit einer weiteren Schicht (34, 34a, 34b) versehen ist, die ein alkalisches Verhalten zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (34, 34a, 34b), die ein alkalisches Verhalten zeigt, mindestens ein Alkali- oder Erdalkalioxid enthält.
Vorrichtung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen, insbesondere Partikelfilter oder Abgaskatalysator für Kraftfahrzeuge, mit einem keramischen oder metallischen Träger, der in einem Gehäuse angeordnet ist und mit einem zu reinigenden Verbrennungsabgas beaufschlagt wird, wobei der Träger mit einer im wesentlichen unporösen Schutzschicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (32) im wesentlichen aus einem Metallphosphat oder einem Zirkonoxid besteht und mit einer weiteren Schicht (34, 34a, 34b) versehen ist, die ein saures Verhalten zeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (34, 34a, 34b) ein sauer reagierendes Oxid oder Mischoxid enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der weiteren Schicht (34a), die ein saures Verhalten zeigt, eine zusätzliche weitere Schicht (34b) angeordnet ist, die ein alkalisches Verhalten zeigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (34, 34b) zusätzlich eines der Edelmetalle Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Gold enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die weitere Schicht (34, 34b) eine katalytisch aktive Schicht aufgebracht ist, die eines der Edelmetalle Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Gold enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (32) eine Schichtdicke von 100 bis 500 μm aufweist.