DE102006061685A1 - Filter i.e. soot filter, unit for filtering exhaust gases of e.g. diesel internal combustion engine, has filter walls provided with catalytically active coating that is radially distributed unequally over filter unit - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 18. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.The The invention relates to a filter element for cleaning the exhaust gases of a Internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a filter with a filter element according to the independent claim 18. Such Filter elements are used, for example, as soot filters for diesel internal combustion engines used.
Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.The Filter elements are common Made of a ceramic material and have a variety of parallel mutually extending inlet channels and outlet channels.
Hergestellt werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren. Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ist. Die Kanäle eines Rohlings sind zunächst an beiden Enden offen.Produced become filter elements of ceramic materials by extrusion. This means that the blank of the filter element is a prismatic body with a plurality of mutually parallel channels. The channels of a blank are first open at both ends.
Damit das zu reinigende Abgas durch die Wände des Filters strömt, wird ein Teil der Kanäle am hinteren Ende des Filterelements verschlossen, während ein anderer Teil der Kanäle am vorderen Ende des Filterelements verschlossen werden. Dadurch werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet, nämlich die sogenannten Eintrittskanäle, welche am Ende verschlossen sind und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.In order to the exhaust gas to be cleaned flows through the walls of the filter is a part of the channels closed at the rear end of the filter element while a other part of the channels be closed at the front end of the filter element. This will be two groups of channels formed, namely the so-called entry channels, which are closed at the end and the so-called exit channels, which are closed at the beginning of the filter element.
Zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen besteht nur über die porösen Wände des Filterelements (nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung, so dass das Abgas das Filterelement nur durchströmen kann, indem es aus den Eintrittskanälen durch die Wände des Filterelements hindurch in die Austrittskanäle strömt.Between the entrance channels and the exit channels exists only about the porous ones Walls of the Filter element (hereinafter filter walls) a flow connection, so that the exhaust gas can only flow through the filter element, by passing out of the inlet channels the walls of the filter element flows into the outlet channels.
Bei der Regeneration der Filterelemente werden die Rußablagerungen oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Daraus resultiert eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn die bei der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden, nimmt das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei Filterelementen aus Cordierit gegeben, da Cordierit eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität hat und deshalb bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe Temperaturen auftreten können. In Folge dessen können bei der Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen innerhalb des Filterelements auftreten, dass die thermische Stabilität des Cordierits nicht mehr gewährleistet ist. Dieser Zusammenhang hat bisher den Einsatz von Filterelementen aus Cordierit in Personenkraftwagen verhindert.at The regeneration of the filter elements are the soot deposits oxidized, releasing heat becomes. This results in a temperature increase in the filter element. If the temperatures occurring during regeneration become too large damage the filter element. This danger is mainly with filter elements made of cordierite, since cordierite is a comparatively small has specific heat capacity and Therefore, in the oxidation of soot deposits locally very high Temperatures can occur. As a result, can so high in regeneration at critical engine operating points Temperatures within the filter element occur that the thermal stability Cordierite is no longer guaranteed is. This connection has so far the use of filter elements cordierite in passenger cars prevented.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement aus einem keramischen Werkstoff, bevorzug Cordierit, bereitzustellen, das eine gegenüber herkömmlichen Filterelementen erhöhte Regenerationsrate aufweist. Außerdem soll das Filterelement durch die der bei der Oxidierung der Rußablagerungen freiwerdende Wärme nicht geschädigt werden.Of the Invention is based on the object, a filter element of a ceramic material, preferably cordierite, to provide one opposite usual Increased filter elements Regeneration rate has. Furthermore the filter element is intended by the in the oxidation of soot deposits released heat not damaged become.
Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement mit einem parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases verlaufenden Längsachse, mit einer Vielzahl von Einlasskanälen und mit einer Vielzahl von Auslasskanälen, wobei die Einlasskanäle und/oder die Auslasskanäle durch Filterwände begrenzt werden, und wobei die Filterwände mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Beschichtungen versehen sind, dadurch gelöst, dass die eine oder mehreren katalytisch aktive Beschichtungen radial ungleich über das Filterelement verteilt sind.These Task is with a filter element with a parallel to the main flow direction the exhaust gas extending longitudinal axis, with a variety of inlet channels and with a variety of outlet channels, the inlet channels and / or the outlet channels through filter walls be limited, and wherein the filter walls with one or more catalytically active coatings are provided, solved by the one or more catalytically active coatings radially uneven over the filter element are distributed.
Durch die erfindungsgemäß beanspruchte ungleiche Verteilung der mindestens einen katalytisch aktiven Beschichtung ist es möglich, die Regenerationsrate in einem radial außen liegenden Bereich des Filterelements anzuheben, indem in den Bereichen mit geringeren Betriebstemperaturen eine Beschichtung mit höherer katalytischer Aktivität als in den Bereichen mit höheren Betriebstemperaturen auf das Filterelement aufgebracht wird.By the invention claimed unequal Distribution of the at least one catalytically active coating Is it possible, the regeneration rate in a radially outer region of the filter element lift by in areas with lower operating temperatures a coating with higher catalytic activity than in areas with higher ones Operating temperatures is applied to the filter element.
Als katalytisch aktive Beschichtung werden im Zusammenhang mit der Erfindung Beschichtungen verstanden, die eine katalytische Wirkung gegenüber einem oder mehreren der im Abgas enthaltenen Schadstoff – dies sind im Wesentlichen CO, Kohlenwasserstoff, NOx, Zwischenprodukte und Russ – haben.In the context of the invention, catalytically active coatings are coatings which have a catalytic effect on one or more of the pollutants contained in the exhaust gas - these are essentially CO, hydrocarbon, NO x , intermediates and carbon black.
Bei einem herkömmlichen Filterelement sind die Betriebstemperaturen am Außendurchmesser in der Regel niedriger als im Zentrum des Filterelements. Die ungleichen Betriebstemperaturen in radialer Richtung rühren unter Anderem daher, dass das Zentrum des Filterelements mit mehr heißen Abgasen beaufschlagt wird. Weiter verstärkt werden die ungleichen Betriebstemperaturen in radialer Richtung durch die bessere Wärmeabfuhr in den radial äußeren Bereichen der Filterelemente.at a conventional one Filter element are the operating temperatures at the outside diameter usually lower than in the center of the filter element. The unequal Operating temperatures in the radial direction stir, among other things, that the center of the filter element is exposed to more hot exhaust gases. Reinforced become the unequal operating temperatures in the radial direction through the better heat dissipation in the radially outer regions the filter elements.
Die in zeitlichen Verlauf einer Regeneration auftretenden ungleichen Betriebstemperaturen in axialer sowie radialer Richtung rühren von einem zeitlich und örtlich ungleichmäßigen Rußabbrand her, beispielsweise wenn sich im Bereich der zweiten Stirnfläche des Filterelements mehr Ruß ablagert und in Folge dessen mehr Wärme bei der Regeneration in diesen Bereichen frei wird.The in the course of a regeneration occurring uneven Operating temperatures in the axial and radial directions of stirring one temporally and locally uneven Rußabbrand ago, For example, if in the region of the second end face of the Filter element deposits more soot and as a result, more heat is released during regeneration in these areas.
Durch das erfindungsgemäße Aufbringen einer Beschichtung mit höherer katalytischer Aktivität in Bereichen mit geringeren Betriebstemperaturen wird in diesen Bereichen gezielt die Regenerationsrate erhöht, so dass sich die Gesamtregenerationsrate des erfindungsgemäßen Filterelements erhöht, ohne dass der Werkstoff des Filterelements höheren Spitzentemperaturen ausgesetzt wäre.By the application according to the invention a coating with higher catalytic activity in Areas with lower operating temperatures will be in these areas specifically increases the rate of regeneration, so that the overall rate of regeneration of the filter element according to the invention increased, without that the material of the filter element exposed to higher peak temperatures would.
Außerdem wird durch die erhöhte Aktivität der katalytischen Beschichtungen und die daraus resultierende höhere Wärmeentwicklung bei der Regeneration in den Bereichen mit geringerer Betriebstemperatur die Temperatur angehoben, so dass sich eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements ergibt. Dadurch werden die durch die Temperaturunterschiede entstehenden mechanischen Spannungen im Filterelement reduziert, was sich positiv auf deren Betriebssicherheit auswirkt.In addition, will through the increased Activity of catalytic coatings and the resulting higher heat development during regeneration in the areas with lower operating temperature raised the temperature, so that a homogenization of the Temperature profile within the filter element results. This will be the mechanical stresses resulting from the temperature differences reduced in the filter element, which is beneficial to their reliability effect.
Da auch in axialer Richtung die Temperatur des Filterelements Unterschiede aufweist, hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, die in axialer Richtung „kälteren" Bereiche des Filterelements mit einer katalytischen aktiven Beschichtung zu versehen, die eine höhere Aktivität entwickelt als die an den wärmeren Bereichen des Filterelements vorhandene katalytisch aktive Beschichtung. Dadurch wird die Temperatur im kälteren Bereich der Filterelements angehoben und dadurch die Regenerationsrate in diesem Bereich des Filterelements erhöht. Auch diese Maßnahme führt zu einer Vergleichmäßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements und verringert dadurch die Wärmespannungen innerhalb des Filterelements.There also in the axial direction the temperature of the filter element differences has, it has also proved to be advantageous in axial direction "colder" areas of the filter element to provide a catalytic active coating which has a higher activity developed as the warmer ones Regions of the filter element existing catalytically active coating. This causes the temperature in the colder Raised area of the filter element and thereby the regeneration rate increased in this area of the filter element. This measure also leads to a Equalization of Temperature profile within the filter element and thereby reduced the thermal stresses within the filter element.
Es hat sich bei praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen, wenn der radial außen liegende Bereich mit höherer katalytischer Aktivität mindestens 2% und höchstens 35% eines Gesamtdurchmessers D des Filterelements beträgt.It has proved to be advantageous in practical experiments when the radially outside lying area with higher catalytic activity at least 2% and at most 35% of a total diameter D of the filter element is.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Querschnitt des Filterelements in verschiedene Segmente unterteilt wird und die verschiedenen Segmente unterschiedliche katalytische Aktivitäten aufgrund einer unterschiedlich dicken oder unterschiedlich zusammengesetzten katalytisch aktiven Beschichtung aufweisen. Diese Segmentierung erlaubt es auf relativ einfache Weise, beispielsweise durch Abdecken der inneren Bereiche des Querschnitts des Filterelements und anschließendes Tränken des Filterelements mit einer katalytisch aktiven Beschichtung die unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten des Filterelements auf fertigungstechnisch einfache Weise herzustellen.It has further proven to be advantageous when a cross section of Filter element is divided into different segments and the different segments due to different catalytic activities a different thickness or different composition have catalytically active coating. This segmentation allows it in a relatively simple way, for example by covering the inner regions of the cross section of the filter element and subsequent impregnation of the Filter element with a catalytically active coating the different catalytic activities of the filter element to produce a simple manufacturing technology.
Dabei ist es auch möglich, dass in den Bereichen oder den Segmenten mit geringerer katalytischer Aktivität überhaupt keine katalytisch aktive Beschichtung vorhanden ist.there it is also possible that in the areas or segments with lower catalytic Activity at all no catalytically active coating is present.
Des Weiteren ist es möglich, dass ein fließender, ein gestufter oder ein abrupter Übergang zwischen dem oder den Bereichen mit höherer katalytischer Aktivität und dem Bereich oder den Bereichen mit geringerer katalytischer Aktivität vorhanden ist. Ein abrupter Übergang zwischen den Bereichen mit erhöhter katalytischer Aktivität und den Bereichen mit geringerer katalytischer Aktivität ist fertigungstechnisch einfach zu realisieren. Demgegenüber haben ein gestufter oder ein fließender Übergang zwischen den Bereichen verschiedener katalytischer Aktivitäten den Vorteil einer noch besseren Vergleichmäßigung des Temperaturprofils innerhalb des Filterelements.Of Furthermore, it is possible that a flowing, a stepped or an abrupt transition between the area or areas with higher catalytic activity and the region or regions of lesser catalytic activity is available. An abrupt transition between the areas with elevated catalytic activity and the areas of lower catalytic activity is manufacturing technology easy to realize. In contrast, have a stepped or flowing transition between the areas different catalytic activities have the advantage of one more better homogenization of the Temperature profile within the filter element.
Auch sind Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Zonen unterschiedlicher katalytischer Aktivität möglich und zum Teil mit Vorteilen verbunden.Also are overlapping areas between adjacent zones of different catalytic activity possible and sometimes associated with benefits.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die katalytisch aktive Beschichtung eine spezifische Oberfläche von mehr als 50 m2/g, bevorzugt von mehr als 80 m2/g, aufweist. Dies bedeutet, dass in beschichtetem Zustand des Filterelements die spezifische Oberfläche mehr als 1 m2/g, bevorzugt mehr als 4 m2/g, beträgt. In dieser Angabe ist das Gewicht der Filterwand beziehungsweise des Partikelfilters mit berücksichtigt.It has also proved to be advantageous if the catalytically active coating has a specific surface area of more than 50 m 2 / g, preferably of more than 80 m 2 / g. This means that in the coated state of the filter element, the specific surface is more than 1 m 2 / g, preferably more than 4 m 2 / g. In this specification, the weight of the filter wall or the particulate filter is taken into account.
Als geeignete Materialen für die Filterwände des Filterelements haben sich Aluminiumoxid, Magnesiumsilikate, bevorzugt Cordierit, Titandioxid, Siliziumkarbid und/oder Aluminiumtitanat erwiesen. Allerdings ist die Erfindung auch bei Filterelementen auf metallischer Basis mit Erfolg einsetzbar.When suitable materials for the filter walls of the Filter element have alumina, magnesium silicates, preferred Cordierite, titanium dioxide, silicon carbide and / or aluminum titanate proved. However, the invention is also on filter elements metallic basis can be used successfully.
Die eingangs genannten Vorteile werden auch mit einem Rußfilter mit einem Filterelement, mit einem Gehäuse, mit einer Zuleitung und mit einer Ableitung, dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Filterelement eingesetzt wird.The The advantages mentioned above are also with a soot filter with a filter element, with a housing, with a supply line and with a derivative, solved by that a filter element according to the invention is used.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims can be removed. All in the drawing, the description and the claims mentioned advantages can both individually and in any combination with each other essential to the invention be.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Bei
dem in
In
Parallel
zu einer Längsachse
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Der
Strömungsweg
des ungereinigten Abgases führt
also in einen der Eintrittskanäle
Selbstverständlich können erfindungsgemäße Filterelemente
Durch
diese Maßnahmen
wird unter anderem eine gleichmäßigere Temperaturverteilung
bei der Regeneration des im Filterelement
Der Übergang
zwischen dem äußeren Bereich
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß
Der
abrupte Übergang
zwischen der niedrigen katalytischen Aktivität im inneren Bereich
Wenn
sich die Bereiche niedriger und hoher katalytischer Aktivität (
In
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß
Claims (18)
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2006
- 2006-12-28 DE DE102006061685A patent/DE102006061685A1/en not_active Withdrawn
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2007
- 2007-11-16 WO PCT/EP2007/062442 patent/WO2008080696A1/en active Application Filing
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