DE102007003119A1

DE102007003119A1 - Filterelement, insbesondere für einen Rußpartikelfilter einer Brennkraftmaschine, und Verfahren zur Herstellung eines Filterelements

Info

Publication number: DE102007003119A1
Application number: DE102007003119A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kruse; Joerg Jockel; Christoph Osemann; Bernd Reinsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Es wird ein Filterelement für einen Rußpartikelfilter 16 vorgeschlagen, dessen Eintrittskanäle 28 mit Fasern 36 gefüllt sind. Diese Fasern 36 erhöhen die Wärmekapazität des Filterelements und reduzieren dadurch Temperaturspitzen innerhalb des Filterelements 18 während der Regeneration.

Description

Stand der Technik
Dieselpartikelfilter, die am Markt erhältlich sind, bestehen in der Regel aus extrudierten keramischen Materialien oder Sintermetall. Aufgrund der hohen thermischen Belastungen, denen die Dieselpartikelfilter, insbesondere während der Regeneration, d. h. bei Oxidieren der Rußablagerungen, ausgesetzt sind, können bei Dieselpartikelfiltern aus keramischen Werkstoffen unter Umständen so hohe innere Spannungen auftreten, dass die Filterelemente brechen und damit unbrauchbar werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement für einen Rußpartikelfilter bereitzustellen, das über sehr gute Filtereigenschaften verfügt, unempfindlich gegenüber thermischen Belastungen ist und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche und mit einer Austrittsfläche, mit einer ersten Gruppe von Kanälen und mit einer zweiten Gruppe von Kanälen, wobei die erste Gruppe von Kanälen und die zweite Gruppe von Kanälen durch Filterwände aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gelöst, dass mindestens eine Gruppe von Kanälen ganz oder teilweise mit Fasern gefüllt ist.
Diese Fasern erhöhen die Wärmekapazität des Filterelements, so dass die bei der Regeneration des Rußes auftretenden Temperaturen verringert werden. Infolgedessen nehmen die mechanischen Spannungen ab, die innerhalb des Filterelements durch ungleiche Temperaturverteilungen entstehen. Im Ergebnis wird das Filterelement somit unempfindlicher gegenüber thermischen Belastungen.
Des Weiteren bewirken die Fasern aufgrund ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität eine Verringerung der während der Regeneration auftretenden Temperaturspitzen.
Des Weiteren wird durch die Fasern die effektive Filterfläche für die Rußpartikel erhöht, so dass bei gleichem Bauvolumen des Filterelements die Filtrationsrate zunimmt. Außerdem werden die Rußablagerung gleichmäßiger über das gesamte Volumen des Filterelements verteilt, ohne dass der Abgasgegendruck ansteigt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Länge der Fasern zwischen 500 μm und 2000 μm beträgt. Für die Dicke der Fasern haben sich Bereiche zwischen 10 μm und 20 μm als vorteilhaft erwiesen. Bei diesen Abmessungen dringen die Fasern nicht in die Poren der Filterwände ein, so dass der Strömungswiderstand der Filterwände und damit der Abgasgegendruck des Filterelements nicht nennenswert ansteigt.
Vorteilhafte Zusammensetzungen der Fasern sind Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, La₂O₃, CeO₂, und Gemische dieser Verbindungen.
Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn etwa 0,1 mg Fasern je cm³ Kanalvolumen bis 10 mg je cm³ Kanalvolumen an Fasern in die Kanäle eingebracht werden.
Bis zu diesen Werten ist eine ausreichende Erhöhung der Wärmekapazität des Filterelements, ohne signifikante Erhöhung des Strömungswiderstands möglich.
Um die Effizienz und Regenerationsrate des erfindungsgemäßen Filterelements zu erhöhen, ist weiter vorgesehen, dass mindestens die Fasern eine katalytische Beschichtung aufweisen.
Im Zusammenhang mit der Filterung von Rußpartikeln haben sich die folgenden katalytischen Beschichtungen und/oder Sauerstoffspeichermaterialien als vorteilhaft erwiesen: Eines oder mehrere Edelmetalle aus der Gruppe der Platinmetalle, insbesondere Platin, Rhodium und Palladium sowie Sauerstoffspeichermaterialien, wie Ceroxid in Verbindung mit anderen Elementen der 3. und vierten Gruppe sowie der Lanthanoiden, wie Tb und Pr, sowie Ceroxid in Verbindung mit Elementen der 3. Periode, wie Mn, Fe, Co und Cu.
Die Imprägnierung der Fasern mit einer katalytisch aktiven Spezies oder einem Gemisch daraus erfolgt dadurch, dass die Fasern in ein Gefäß vorgelegt werden und anschließend die gewünschte Menge an katalytisch aktiven Spezies zugegeben wird. Dabei kann es sich um Lösungen der katalytisch aktiven Spezies handeln. Diese werden durch eine Wärmebehandlung fixiert. Nach einem Trocknungsschritt bei etwa 80°C bis 160°C folgt eine Kalzinierung bei etwa 400°C bis 700°C.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Füllen einer Gruppe von Kanälen eines Filterelements für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit Fasern, wobei zunächst eine Suspension gebildet wird, welche die Fasern enthält, anschließend das Filterelement über eine Eintrittsfläche mit der Suspension gefüllt wird und in einem weiteren Schritt das Filterelement getrocknet wird. Durch das Trocknen des Filterelements verflüchtigen sich die flüssigen Bestandteile der Suspension und die Fasern bilden ein Agglomerat in den Kanälen aus, dessen mechanische Stabilität den durch Vibrationen und die von dem durchströmenden Abgas ausgeübten Kräfte standhält.
Falls erforderlich, kann in der Suspension ein Binder, wie zum Beispiel Boehmit, zugegeben werden, so dass zusammen mit dem Trocknen des Filterelements der Binder eine stärkere Verfestigung und Vernetzung der einzelnen Fasern untereinander und mit den angrenzenden Filterwänden bewirkt. Dadurch wird die mechanische Festigkeit des erfindungsgemäßen Faseragglomerats erhöht.
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 offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und des Abgastrakts,
2: ein Filterelement im Längsschnitt und
3: eine vergrößerte Darstellung des Filterelements gemäß 2.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement (nicht dargestellt in 1) angeordnet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Geometrie beschränkt, die nur zur beispielhaften Erläuterung dient.
In 2 ist beispielhaft ein zylindrisches Filterelement 18 teilweise geschnitten dargestellt. Die Hauptströmungsrichtung des Abgases ist in 2 durch die Pfeile 20 angedeutet.
Das Filterelement 18 besteht aus einer Vielzahl parallel zu einer Längsachse 26 verlaufenden Kanälen 28 und 30. Die sogenannten Eintrittskanäle 28 sind an einer Eintrittsfläche 22 offen und an einer Austrittsfläche 24 geschlossen, während die sogenannten Austrittskanäle 30 an der Eintrittsfläche 22 geschlossen sind und an der Austrittsfläche 24 offen sind.
Durch diese Konfiguration wird das zu reinigende Abgas gezwungen, durch die Filterwände 31 des Filterelements 18 hindurch zu strömen, wie dies durch Pfeile 32 angedeutet ist.
Die Eintrittskanäle 28 sind erfindungsgemäß mit Fasern gefüllt. Diese Fasern sind in 2 nicht dargestellt.
3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Filterelements 18 gemäß 2. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es gilt das bezüglich 2 Gesagte entsprechend.
Aus der 3 wird deutlich, dass die Eintrittskanäle 28 mit Fasern 36 gefüllt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur einige wenige Fasern mit Bezugszeichen versehen. Wichtig ist jedoch, dass die Fasern 36 hinsichtlich ihrer Länge L und ihrer Dicke D so auf die Porosität der Filterwände 31 abgestimmt sind, dass sie nicht in die Filterwände 31 eindringen. Infolgedessen wird durch das Füllen der Eintrittskanäle 28 mit den Fasern 36 der Strömungswiderstand des Filterelements 18 nicht wesentlich erhöht. Somit erhöht sich der Abgasgegendruck während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch die erfindungsgemäßen Fasern ebenfalls nicht nennenswert. Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn je cm³ Volumen der Eintrittskanäle 28 etwa 0,1 mg bis etwa 10 mg der Fasern 36 vorhanden sind. Dadurch ergibt sich unter anderem die gewünschte Erhöhung der Wärmespeicherfähigkeit, ohne den Strömungswiderstand des Filterelements 18 deutlich zu erhöhen. Auch die anderen oben genannten positiven Effekte der Füllung mit Fasern 36 werde erreicht.
Das erfindungsgemäße Filterelement 18 wird wie folgt hergestellt:
Zunächst wird das Filterelement 18 durch Extrudieren eines keramischen Materials und eine anschließende Wärmebehandlung hergestellt. Die Eintrittskanäle 28 werden an der Austrittsfläche 24 verschlossen. Die Austrittskanäle 30 werden an der Eintrittsfläche 22 verschlossen. Danach werden die Eintrittskanäle mit einer Suspension, die die Fasern 36 enthält, gefüllt. Dabei erfolgt das Befüllen der Eintrittskanäle 28 über die Eintrittsfläche 22. Um das Befüllen zu erleichtern, werden die rheologischen Eigenschaften, das heißt die Fließeigenschaften der Suspension, so auf die Geometrie der Eintrittskanäle 28 abgestimmt, dass die Suspension aufgrund der Kapillarkräfte, die Eintrittskanäle 28 über deren gesamten Länge füllt. Mit der Suspension gelangen auch die Fasern in die Eintrittskanäle 28.
Zusätzlich ist es möglich, an der Austrittsfläche 24 einen Unterdruck anzulegen, so dass die Suspension durch diesen Unterdruck, der wegen der Porosität der Filterwände 31 auch in den Eintrittskanälen 28 herrscht, angesaugt wird.
Anschließend wird das Filterelement 18 getrocknet, so dass die flüssige Phase der Suspension verdunstet und lediglich die Fasern 36 in den Eintrittskanälen 28 verbleiben. Gleichzeitig agglomerieren die Fasern 36 und bilden eine ausreichend robuste Verbindung zwischen den Fasern untereinander und den Filterwänden 31. Dadurch ist gewährleistet, dass während der gesamten Lebensdauer des Filterelements die Fasern 36 in der ursprünglichen Anordnung bleiben und ihre Aufgabe erfüllen.
Wenn es erforderlich sein sollte, kann die Suspension einen Binder, wie beispielsweise Boehmit, enthalten, so dass die Verbindung der Fasern 36 untereinander und mit der Filterwand 31 weiter intensiviert wird. Dadurch wird die mechanische Belastbarkeit des Faseragglomerats weiter erhöht.
Es ist ebenfalls denkbar, in die Suspension katalytisch aktive Substanzen, wie sie in den Patentansprüchen beansprucht sind, aufzunehmen, so dass gleichzeitig mit der Füllung der Eintrittskanäle mit den Fasern 36 eine Beschichtung der Fasern 36 und auch der Filterwände 31 auf der den Eintrittskanälen 28 zugewandten Seite, erfolgt. Dadurch wird die Regenerationsrate und die Effizienz des Filterelements weiter erhöht.
Vor der Faserbeschichtung kann das Filterelement 18 mit einem washcoat, der katalytisch aktive Substanzen enthält, beschichtet werden. Dazu wird eine sogenannte „slurry" hergestellt, die aus edelmetallimprägnierten Trägermaterialien, Zuschlagstoffen und Additiven besteht. Das zu beschichtende Filterelement 18 wird in die slurry getaucht. Diese washcoat-Beschichtung wird anschließend getrocknet und kalziniert. In einem weiteren Verfahrensschritt kann die genannte Faserbeschichtung durchgeführt werden.

Claims

Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche (22) und mit einer Austrittsfläche (24), mit einer ersten Gruppe (28) von Kanälen, und mit einer zweiten Gruppe (30) von Kanälen, wobei die erste Gruppe (28) von Kanälen und die zweite Gruppe (30) von Kanälen durch Filterwände (31) aus einem offenporigen Material getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gruppe von Kanälen (28, 30) mit Fasern (36) gefüllt ist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Fasern (36) zwischen 500 μm und 2000 μm beträgt, dass die Dicke der Fasern (36) zwischen 10 μm und 20 μm beträgt und/oder, dass das auf das Volumen der Kanäle (28) bezogene Gewicht der Fasern (36) zwischen 0,1 mg/cm³ und 10 mg/cm³ liegt.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Fasern (36) eine katalytische Beschichtung aufweisen.
Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Aluminiumoxid, Alumosilikaten (x Al₂O₃.y SiO₂), Siliziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Lanthanoxid, Ceroxid oder Mischungen daraus bestehen.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung eines oder mehrere Edelmetalle aus der Gruppe der Platinmetalle, insbesondere Platin, Rhodium und Palladium, umfasst.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung Materialien, wie Ceroxid in Verbindung mit anderen Elementen der 3. und vierten Gruppe sowie der Lanthanoiden, wie Tb und Pr, sowie Ceroxid in Verbindung mit Elementen der 3. Periode, wie Mn, Fe, Co und Cu, umfasst.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Kanälen (28) als Eintrittskanäle ausgebildet ist, und dass die zweite Gruppe von Kanälen (30) als Austrittskanäle ausgebildet ist.
Verfahren zum Füllen einer Gruppe von Kanälen (28) eines Filterelements (18) für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine (10), mit Fasern (36) gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Füllen des Filterelements (18) über eine Eintrittsfläche (26) mit einer Suspension, wobei die Suspension die die Faserschicht bildenden Fasern (36) enthält und Trocknen des Filterelements (18).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Austrittsfläche (24) ein Unterdruck erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension aus einem anorganischen Binder, insbesondere einem Binder auf Böhmit-Basis (Al O OH) und Fasern, insbesondere keramischen Fasern, besteht.