DE102007018239A1 - Ceramic molding for a diesel particulate filter - Google Patents

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Abstract

Keramischer Formkörper eines Dieselpartikelfilters mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des keramischen Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der Formkörper im Bereich seines einen ein Einlassende bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper-Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist und die Kanalwände mindestens bereichsweise mit definierten Filteröffnungen versehen sind. Zur Optimierung eines solchen keramischen Formkörpers hinsichtlich eines möglichst geringen Strömungswiderstands bei vorgegebenen Abmessungen des Formkörpers wird letzterer so gestaltet, dass mindestens bei einem überwiegenden Teil der Auslasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals in der abströmseitigen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder mindestens bei einem überwiegenden Teil der Einlasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte.A ceramic shaped body of a diesel particulate filter having at least approximately in the longitudinal direction of the ceramic molded body extending channel walls bounded by diesel engine exhaust gases to flow through the exhaust channels, wherein the shaped body in the region of its one end forming an inlet end open, serving as inlet channels exhaust ducts and in the region of his other, a Having outlet end forming the longitudinal end open, serving as exhaust ducts exhaust channels, the inlet channels in the region of the mold outlet end and the outlet channels are closed in the region of the mold body inlet end, each inlet channel at least one outlet channel is adjacent and the channel walls are at least partially provided with defined filter openings. In order to optimize such a ceramic shaped body with regard to the lowest possible flow resistance at given dimensions of the molded body, the latter is designed such that the mean value of the flow cross section of an outlet channel in the downstream half of the outlet channel is greater at least for a majority of the outlet channels than in the other half and / or or at least in a majority of the inlet channels, the mean value of the flow cross-section of an inlet channel in the upstream half of the inlet channel is greater than in the other half.

Description

Bei modernen Diesel-Hubkolbenmotoren werden zur Nachbehandlung der Abgase aus dem Verbrennungsprozess sogenannte Dieselpartikelfilter eingesetzt, in denen in den Motorabgasen enthaltene Rußpartikel zurückgehalten werden. Durch diese im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel steigt der Strömungswiderstand des Dieselpartikelfilters und dadurch der Gasdruck, gegen den die Abgase (Verbrennungsgase) aus dem Motor abströmen, was sich unter anderem negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Deshalb muss ein solches Dieselpartikelfilter in unregelmäßigen Zeitabständen, deren Länge bei einem Fahrzeug-Dieselmotor vom Fahrverhalten abhängt, regeneriert werden, wobei die im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel verbrannt werden, d. h. der Kohlenstoff zu CO2 oxidiert wird.In modern diesel reciprocating engines so-called diesel particulate filters are used for the aftertreatment of the exhaust gases from the combustion process, in which soot particles contained in the engine exhaust gases are retained. By this retained in the filter soot particles increases the flow resistance of the diesel particulate filter and thereby the gas pressure against which the exhaust gases (combustion gases) flow out of the engine, which, inter alia, has a negative effect on fuel consumption. Therefore, such a diesel particulate filter must be regenerated at irregular intervals, the length of which in a vehicle diesel engine depends on driving behavior, whereby the soot particles retained in the filter are burned, ie the carbon is oxidized to CO 2 .

Gebräuchliche Dieselpartikelfilter enthalten einen länglichen keramischen Formkörper mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der keramische Formkörper im Bereich seines einen, ein Einlassende des Formkörpers bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper-Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist und die zwischen Einlass- und Auslasskanälen liegenden porösen Kanalwände mit ihren Poren definierte Filteröffnungen bilden.common Diesel particulate filters contain an elongated ceramic Shaped body with at least approximately in Longitudinal direction of the molding body extending channel walls limited exhaust gas passages to be traversed by diesel engine exhaust gases, the ceramic shaped body being in the region of its one, an inlet end of the molding forming the longitudinal end open exhaust ducts serving as intake passages as well as in the region of its other, an outlet end forming longitudinal end open exhaust ducts serving as exhaust ducts has, the inlet channels in the region of the mold outlet end and the outlet channels in the region of the mold body inlet end are closed, each inlet channel at least one outlet channel is adjacent and that between inlet and outlet channels defined porous channel walls with their pores Form filter openings.

Zur Regenerierung des Dieselpartikelfilters, d. h. zum Oxidieren der im Filter zurückgehaltenen Rußpartikel zu CO2, sind die Kanalwände mindestens bereichsweise mit einer katalytisch wirksamen Substanz versehen, damit die Oxidation, d. h. die Verbrennung, der Rußpartikel bereits bei moderaten Temperaturen effizient erfolgt; dabei kann die Katalysatorsubstanz auf den Kanalwänden und/oder auf den Wänden der Poren der Kanalwände vorgesehen sein.For regeneration of the diesel particulate filter, ie for oxidizing the soot particles retained in the filter to CO 2 , the channel walls are at least partially provided with a catalytically active substance, so that the oxidation, ie the combustion, of the soot particles takes place efficiently even at moderate temperatures; In this case, the catalyst substance may be provided on the channel walls and / or on the walls of the pores of the channel walls.

Bei den üblichen Dieselpartikelfiltern der vorstehend erwähnten Art hat der keramische Formkörper für die Dieselabgase Abgaskanäle, die alle längs des gesamten Formkörpers geradlinig verlaufen und einen konstanten Kanalquerschnitt aufweisen, wobei im Allgemeinen die Einlasskanäle und die Auslasskanäle die gleiche Querschnittsform, üblicherweise einen quadratischen Querschnitt, sowie dieselbe Querschnittsfläche haben.at the usual diesel particulate filters of the aforementioned Type has the ceramic molding for the diesel exhaust Exhaust gas ducts, all along the entire shaped body straight and have a constant channel cross section, generally, the inlet channels and the outlet channels the same cross-sectional shape, usually a square Cross section, and have the same cross-sectional area.

Wegen des teuren keramischen Material des keramischen Formkörpers und der für die Oxidation der zurückgehaltenen Rußpartikel verwendeten katalytisch wirksamen Substanz, welche gleichfalls teuer ist, wird für ein Dieselpartikelfilter ein möglichst kompakter keramischer Formkörper angestrebt. Bei den derzeit in Diesel-Personenkraftwagen eingesetzten Dieselpartikelfiltern hat der keramische Formkörper eine Gesamtlänge von ca. 20 cm; über diese Länge durchströmen die in die Einlasskanäle des keramischen Formkörpers einströmenden Abgase die als Filterelemente dienenden Kanalwände zwischen den Einlasskanälen und den Auslasskanälen. Je höher nun die Anzahl der Abgaskanäle pro Flächeneinheit des Querschnitts des keramischen Formkörpers ist, um so höher ist die vom Dieselpartikelfilter zur Verfügung gestellte, für den Filtereffekt wirksame Filteroberfläche. Andererseits wird durch die Vermehrung der Anzahl der Abgaskanäle pro Flächeneinheit des Querschnitts des keramischen Formkörpers bei den vorstehend beschriebenen bekannten Dieselpartikelfiltern der Querschnitt der Abgaskanäle vermindert, wodurch der vom Dieselpartikelfilter erzeugte Abgasgegendruck, gegen den die Motorabgase abströmen, erhöht wird, und dieser Abgasgegendruck steigt in den Intervallen zwischen der Regenerierung des Dieselpartikelfilters durch die im Filter vermehrt zurückgehaltenen Rußpartikel laufend an.Because of the expensive ceramic material of the ceramic molding and that for the oxidation of the retained Soot particles used catalytic substance, which is also expensive, is for a diesel particulate filter a compact ceramic molded body sought. For diesel particulate filters currently used in diesel passenger cars the ceramic molding has an overall length of about 20 cm; flow through this length in the inlet channels of the ceramic molding incoming exhaust gases serving as filter elements channel walls between the inlet channels and the outlet channels. The higher the number of exhaust ducts per unit area of the Cross-section of the ceramic molding is higher is the diesel particulate filter provided, Filter surface effective for the filter effect. On the other hand, by increasing the number of exhaust channels per unit area of the cross section of the ceramic molding in the known diesel particulate filters described above reduces the cross-section of the exhaust ducts, whereby the produced by the diesel particulate filter exhaust back pressure against which the Engine exhaust out, is increased, and this Exhaust counterpressure increases in the intervals between regeneration of the diesel particulate filter by the filter increasingly retained in the filter Soot particles continuously.

Der Erfinder hat nun bezüglich der vorstehend beschriebenen bekannten Dieselpartikelfilter erkannt, dass in deren keramischem Formkörper die Auslasskanäle im Bereich des anströmseitigen Endes des Formkörpers und darüber hinaus über einen Teil der Länge der Auslasskanäle hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts überdimensioniert sind, weil in diesen Bereichen nur verhältnismäßig geringe Mengen der Abgase von den Einlasskanälen durch die als Filter wirkenden Kanalwände hindurch in die Auslasskanäle gelangt sind, d. h. in diesen Bereichen ist in den Auslasskanälen noch verhältnismäßig wenig gereinigtes Abgas vorhanden. Entsprechendes gilt für die Einlasskanäle, die im Bereich des abströmseitigen Endes des keramischen Formkörpers und darüber hinaus über einen Teil der Länge der Einlasskanäle nur noch verhältnismäßig geringe Mengen von noch zu reinigenden Abgasen enthalten, da schon zuvor (in Durchströmrichtung der Einlasskanäle stromaufwärts) der größte Teil der zu reinigenden Abgase durch die Kanalwände hindurch in die Auslasskanäle übergetreten ist, d. h. die Einlasskanäle sind in den erwähnten Bereichen hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts überdimensioniert. Aus dieser Erkenntnis des Erfinders folgt, dass die vorstehend beschriebenen bekannten Dieselpartikelfilter hinsichtlich der Dimensionierung ihres keramischen Formkörpers verbesserungsfähig sind.Of the Inventor has now with respect to those described above known diesel particulate filter recognized that in their ceramic Shaped the outlet channels in the region of the upstream side End of the molding and beyond about a portion of the length of the outlet channels in terms oversized of their flow cross-section are because in these areas only relatively small amounts of exhaust gases from the intake ports through the acting as a filter channel walls through into the outlet channels have arrived, d. H. in these areas is in the exhaust ducts still relatively little purified Exhaust gas available. The same applies to the inlet channels, in the region of the downstream end of the ceramic Shaped body and beyond a Part of the length of the inlet channels only relatively contain small amounts of exhaust gases still to be cleaned, as already previously (in the direction of flow of the inlet channels upstream) most of the too cleaning exhaust gases passed through the channel walls into the outlet channels is, d. H. the inlet channels are in the mentioned Oversized areas with respect to their flow cross-section. From this finding of the inventor follows that the above-described known diesel particulate filter in terms of sizing their ceramic shaped body can be improved are.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen keramischen Formkörper bekannter Dieselpartikelfilter so zu verbessern, dass der keramische Formkörper möglichst kompakt baut, d. h. möglichst kleine Abmessungen aufweist, und zwar bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung nach einem möglichst geringen Strömungswiderstand seiner Abgaskanäle.The invention therefore an object of the above-described ceramic molded body known diesel particulate filter so ver improve that the ceramic molding body builds as compact as possible, ie as small as possible, while taking into account the requirement for the lowest possible flow resistance of its exhaust channels.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird also ausgegangen von einem bekannten keramischen Formkörper für einen Dieselpartikelfilter, wie er vorstehend beschrieben wurde, und erfindungsgemäß wird ein solcher Formkörper derart gestaltet, dass bei mindestens einem überwiegenden Teil der Auslasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals in der abströmseitigen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder mindestens bei einem überwiegenden Teil der Einlasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte.to Solution to this problem is therefore assumed by a known ceramic shaped body for a diesel particulate filter, as described above, and according to the invention Such a shaped body designed such that at least a predominant part of the outlet channels of Mean value of the flow cross-section of an outlet channel in the downstream half of the outlet channel is greater than in the other half and / or at least a majority of the inlet channels the mean value of the flow cross-section of an inlet channel in the upstream half of the intake passage is greater than in the other half.

Wenn vorstehend vom Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals bzw. eines Einlasskanals die Rede ist, darf dies nicht so verstanden werden, dass die Erfindungsdefinition nur einen einzigen Auslasskanal bzw. einen einzigen Einlasskanal betrifft. Ferner sei vorsorglich darauf hingewiesen, dass unter einer abströmseitigen bzw. anströmseitigen Hälfte eines Abgaskanals die in dessen Längsrichtung gemessene Hälfte zu verstehen ist, wobei eine abströmseitige Hälfte eines Abgaskanals am Auslassende des keramischen Formkörpers endet, die anströmseitige Hälfte eines Abgaskanals am Einlassende des Formkörpers beginnt, und dass schließlich unter dem Einlassende bzw. dem Auslassende des keramischen Formkörpers dasjenige Ende des Formkörpers zu verstehen ist, an dem die Abgase in den Formkörper einströmen bzw. den Formkörper verlassen sollen.If above the average of the flow cross-section of a Outlet channels or an intake channel is mentioned, this may not be understood that the definition of the invention only a single Exhaust port or a single inlet channel concerns. Furthermore, let As a precaution, be advised that under a downstream or upstream half of an exhaust passage the half measured in its longitudinal direction understand, with a downstream half an exhaust passage at the outlet end of the ceramic shaped body ends, the upstream half of an exhaust passage begins at the inlet end of the molding, and that finally below the inlet end and the outlet end of the ceramic molding, respectively that end of the molding is to be understood, on the the exhaust gases flow into the molding or the molding should leave.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Auslasskanäle und/oder der Einlasskanäle hat zur Folge, dass bei gleicher Anzahl von Abgaskanälen der keramische Formkörper kompakter gestaltet werden kann, vor allem dann, wenn sowohl die Auslasskanäle als auch die Einlasskanäle erfindungsgemäß dimensioniert sind – im letztgenannten Fall kann der keramische Formkörper über seine ganze Länge einen kleineren Gesamtquerschnitt haben als ein keramischer Formkörper der eingangs beschriebenen bekannten Dieselpartikelfilter, und zwar ohne dass dadurch gegenüber dem Stand der Technik der Strömungswiderstand des Formkörpers erhöht wird. Für einen kompakter bauenden keramischen Formkörper wird eine geringere Menge des teuren Keramikmaterials benötigt, aber auch eine geringere Menge der für die Verbrennung der durch das Filter zurückgehaltenen Rußpartikel verwendeten, gleichfalls teuren katalytisch wirksamen Substanz. Weist ein erfindungsgemäß gestalteter keramischer Formkörper hingegen dieselben Außenabmessungen wie ein keramischer Formkörper des bekannten, vorstehend beschriebenen Dieselpartikelfilters auf, führt die Erfindung zu folgenden Vorteilen (weil sich im Formkörper eine größere Anzahl von Abgaskanälen unterbringen lässt):
Die durch die Kanalwände zur Verfügung gestellte Filterfläche wird durch die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert; die Strömungsquerschnitte der Einlasskanäle an deren Anströmende lassen sich vergrößern, und entsprechendes gilt für die Auslasskanäle an deren abströmseitigen Enden; der Strömungswiderstand des keramischen Formkörpers wird reduziert, dadurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch des Motors senken und dessen Leistung erhöhen; das Dieselpartikelfilter kann mehr Rußpartikel zurückhalten, ehe es durch Verbrennung der Rußpartikel regeneriert werden muss; schließlich führt die strömungstechnische Optimierung des keramischen Formkörpers auch dazu, dass bei einer Filterregeneration die vom Filter zurückgehaltenen Rußpartikel überall gleichmäßig abgebrannt werden.The inventive design of the outlet channels and / or the inlet channels has the consequence that with the same number of exhaust channels of the ceramic molded body can be made more compact, especially if both the outlet and the inlet channels are dimensioned according to the invention - in the latter case, the ceramic Shaped body over its entire length have a smaller overall cross-section than a ceramic molding of the known diesel particulate filter described above, without being increased compared to the prior art, the flow resistance of the molding. For a compact building ceramic molded body, a smaller amount of the expensive ceramic material is required, but also a smaller amount of the equally costly catalytically active substance used for the combustion of the soot particles retained by the filter. If, however, a ceramic shaped body designed according to the invention has the same external dimensions as a ceramic shaped body of the known diesel particle filter described above, the invention leads to the following advantages (because a larger number of exhaust gas channels can be accommodated in the shaped body):
The filter surface provided by the channel walls is increased by the invention in comparison with the prior art; the flow cross sections of the inlet channels at the upstream end can be increased, and the same applies to the outlet channels at their downstream ends; the flow resistance of the ceramic molding is reduced, thereby reducing the fuel consumption of the engine and increase its performance; the diesel particulate filter can withhold more soot particles before it has to be regenerated by burning soot particles; Finally, the fluidic optimization of the ceramic shaped body also means that during a filter regeneration the soot particles retained by the filter are burned off uniformly everywhere.

Eine optimale Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ergibt sich dann, wenn der Strömungsquerschnitt der Auslasskanäle vom abströmseitigen Ende eines Auslasskanals zu dessen anderem Ende abnimmt bzw. der Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle vom anströmseitigen Ende eines Einlasskanals zu dessen anderem Ende abnimmt. Eine solche Querschnittsverminderung kann längs eines Abgaskanals kontinuierlich (dies ist der Idealfall) oder diskontinuierlich, insbesondere in Stufen, erfolgen, und wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, ist eine stufenförmige Änderung des Strömungsquerschnitts deshalb von Vorteil, weil sich dann der keramische Formkörper mit einem bekannten Herstellungsverfahren kostengünstig herstellen lässt. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers erfolgt die Änderung des Strömungsquerschnitts längs des Abgaskanals bzw. längs der Abgaskanäle also in Stufen, wobei die Änderung in Stufen wörtlich so verstanden werden kann (aber nicht muss), dass die Kanalwände Abstufungen aufweisen, durch welche der Strömungsquerschnitt eines Abgaskanals sprunghaft geändert wird. Eine solche Stufe könnte aber auch etwas schräg verlaufen (in einem Längsschnitt durch den betreffenden Abgaskanal), obwohl dies aus herstellungstechnischen Gründen nicht bevorzugt wird.A optimal solution of the problem underlying the invention arises when the flow cross section of the outlet channels from the downstream end of an exhaust duct to the other End decreases or the flow cross-section of the inlet channels from the upstream end of an intake passage to the latter other end decreases. Such a necking can be longitudinal an exhaust duct continuously (this is the ideal case) or discontinuous, especially in stages, and as follows is still a step change the flow cross section therefore advantageous because then the ceramic molded body with a known manufacturing method can be produced inexpensively. In preferred Embodiments of the invention ceramic shaped body is the change of the Flow cross-section along the exhaust passage or along the exhaust ducts so in stages, the change can be understood literally in stages (but not must), that the channel walls have gradations, through which changed the flow cross-section of an exhaust passage abruptly becomes. Such a stage could also be a bit oblique run (in a longitudinal section through the relevant Exhaust duct), although this for manufacturing reasons not preferred.

Eine besonders dichte Packung der Abgaskanäle in einem erfindungsgemäßen keramischen Formkörper lässt sich dadurch erreichen, dass, abgesehen von einem Umfangsrand des Formkörpers, die Einlasskanäle eine andere Querschnittsform haben als die Auslasskanäle, und zwar insbesondere dann, wenn der keramische Formkörper ungefähr die Gestalt eines Kreiszylinders hat. Durch unterschiedliche Querschnittsformen von Einlass- und Auslasskanälen lassen sich auch Kanalwände mit geringstmöglichen Wandstärken erreichen, was nicht nur hinsichtlich des Materialaufwands von Vorteil ist, sondern auch hinsichtlich des Strömungswiderstands des keramischen Formkörpers. Diese Vorteile sind besonders ausgeprägt bei einer Ausführungsform, die sich dadurch auszeichnet, dass die eine, erste Art von Abgaskanälen, d. h. die Einlass- oder die Auslasskanäle, mindestens ungefähr einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und im keramischen Formkörper nach Art eines Wabenmusters angeordnet sind, und dass die andere, zweite Art von Abgaskanälen zur optimalen Ausnutzung der Querschnittszwischenräume des keramischen Formkörpers zwischen den ersten Abgaskanälen einen ungefähr mehreckigen Querschnitt aufweisen (die Änderung der Strömungsquerschnitte der Abgaskanäle längs des keramischen Formkörpers kann dabei dazu führen, dass aus einem z. B. dreieckigen Querschnitt ein z. B. sechseckiger Querschnitt wird).A particularly dense packing of the exhaust ducts in a ceramic molded body according to the invention can be achieved in that, apart from a peripheral edge of the molded body, the inlet channels have a different cross-sectional shape than the outlet channels, in particular when the ceramic molded body has approximately the shape of a circular cylinder , Due to different cross-sectional shapes of inlet and outlet Ducts can also be achieved channel walls with the lowest possible wall thickness, which is not only in terms of material cost of advantage, but also in terms of flow resistance of the ceramic molding. These advantages are particularly pronounced in an embodiment, which is characterized in that the one, first type of exhaust channels, ie the inlet or the outlet channels, at least approximately have a circular cross-section and are arranged in the ceramic molding in the manner of a honeycomb pattern, and that the other, second type of exhaust ducts for optimal utilization of the cross-sectional interspaces of the ceramic molded body between the first exhaust ducts have an approximately polygonal cross section (the change of the flow cross sections of the exhaust ducts along the ceramic molded body can lead to a, for example, a triangular cross section eg hexagonal cross-section).

Bei bekannten Dieselpartikelfiltern mit den keramischen Formkörper geradlinig durchquerenden Durchströmkanälen mit überall gleichem Querschnitt wird der Formkörper üblicherweise aus einer durch Härten (Trocknen) und Sintern verfestigbaren keramischen Masse im Strangpress- oder Stranggießverfahren hergestellt. Ein solches Herstellverfahren erlaubt es jedoch naturgemäß nicht, erfindungsgemäße Querschnittsänderungen in den Abgaskanälen zu erzeugen.at known diesel particulate filters with the ceramic moldings straight through flow channels with everywhere the same cross-section of the molded body is usually from hardening by hardening (drying) and sintering ceramic mass in the extrusion or continuous casting process produced. However, such a manufacturing method does not naturally permit cross section changes according to the invention to generate in the exhaust ducts.

Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers vorgeschlagen, bei dem ein zu sinternder Rohling des Formkörpers schichtweise aufgebaut wird, und zwar in zur Längsrichtung der Abgaskanäle quer verlaufenden Schichten, welche nicht alle gleich gestaltet sind, da mit den Schichten Abgaskanäle mit sich längs der Kanäle veränderndem Strömungsquerschnitt erzeugt werden müssen. Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Rohling des Formkörpers durch in Kanallängsrichtung aufeinanderfolgende Schichten durch wiederholte Abfolge der folgenden Schritte aufgebaut wird:

  • (a) Erzeugung einer dem jeweiligen Querschnitt des Formkörpers entsprechend gestalteten Schicht aus einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse und
  • (b) Verfestigung dieser Schicht,
worauf der so erzeugte Rohling gesintert wird.Therefore, according to the present invention, a method for producing a ceramic shaped body according to the invention is proposed, in which a sintered blank of the shaped body is built up in layers, in the longitudinal direction of the exhaust channels transverse layers, which are not all the same design, as with the layers Exhaust gas channels with along the channels changing flow cross-section must be generated. Such a method is characterized in that a blank of the shaped body is constructed by successive layers in the channel longitudinal direction by repeated succession of the following steps:
  • (A) production of the respective cross-section of the shaped body correspondingly shaped layer of a moldable, solidifiable ceramic mass and
  • (b) solidification of this layer,
whereupon the blank thus produced is sintered.

Besonders einfach lassen sich solche Schichten mit definierten Poren, und zwar auch Schichten unterschiedlicher Gestalt, im Siebdruckverfahren erzeugen. Am einfachsten erfolgt die Verfestigung einer zuvor hergestellten Schicht durch Trocknen, wobei die Schicht nur insoweit verfestigt werden muss, dass sie beim Auftragen der nächsten Schicht ihre Gestalt nicht mehr ändert. Nach der Erzeugung aller Schichten und der Verfestigung der zuletzt aufgetragenen Schicht wird der Rohling dann gesintert.Especially easily such layers with defined pores, and Although also layers of different shapes, screen-printed produce. The easiest way is the solidification of a previously prepared Layer by drying, wherein the layer are only solidified insofar you have to do yours when applying the next layer Shape does not change anymore. After the generation of all layers and the solidification of the last applied layer is the Blank then sintered.

Formbare keramische Massen, die beim Verfestigen und beim Sintern des Rohlings ihre Dimensionen zumindest nicht nennenswert ändern, sind auf dem Markt erhältlich.formable ceramic compositions used in solidification and sintering of the blank at least not change their dimensions significantly, are available in the market.

Ein solches Herstellverfahren für keramische Formkörper, welche mit katalytisch wirksamen Substanzen versehen sind, ergibt sich aus der EP-0 627 983-B1 .Such a production method for ceramic shaped bodies, which are provided with catalytically active substances, results from the EP-0 627 983-B1 ,

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten schematischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers sowie der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsform; in der Zeichnung zeigen:Further Features, details and advantages of the invention will become apparent the attached schematic representation of a preferred Embodiment of the invention ceramic shaped body and the following description of this embodiment; in the drawing show:

1 einen Längsschnitt durch den keramischen Formkörper; 1 a longitudinal section through the ceramic molding;

1A den durch Linien angedeuteten Ausschnitt aus 1 in größerem Maßstab; 1A the section indicated by lines 1 on a larger scale;

2 eine Stirnansicht des keramischen Formkörpers gemäß 1 von rechts gesehen; 2 an end view of the ceramic molding according to 1 seen from the right;

3 eine Stirnansicht des keramischen Formkörpers gemäß 1 von links gesehen; 3 an end view of the ceramic molding according to 1 seen from the left;

4 einen Schnitt durch den Formkörper nach der Linie 4-4 in 1 und 4 a section through the molding according to the line 4-4 in 1 and

5 einen Schnitt durch den Formkörper gemäß der Linie 5-5 in 1. 5 a section through the molding according to the line 5-5 in 1 ,

Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers hat die Gestalt eines Kreiszylinders, welcher im Abgasstrang eines Dieselmotors so angeordnet sein soll, dass der Formkörper durch die noch nicht gereinigten Abgase gemäß 1 von links angeströmt wird und die gereinigten Abgase den Formkörper gemäß 1 nach rechts verlassen. Bei dem Formkörper handelt es sich erfindungsgemäß um einen monolithischen Keramikkörper mit einer kreiszylindrischen Außenwand 10. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass bei einem Dieselpartikelfilter der keramische Formkörper immer in einem Stahlblechgehäuse angeordnet ist. In den Zeichnungsfiguren wurde die Längsmittelachse des keramischen Formkörpers mit 12 bezeichnet.The illustrated preferred embodiment of the ceramic molded body according to the invention has the shape of a circular cylinder, which should be arranged in the exhaust line of a diesel engine so that the shaped body by the not yet purified exhaust gases according to 1 flows from the left and the cleaned exhaust gases according to the molding 1 leave right. The shaped body according to the invention is a monolithic ceramic body with a circular cylindrical outer wall 10 , In this connection, it should be noted that in the case of a diesel particle filter, the ceramic molding is always arranged in a sheet steel housing. In the drawing figures, the longitudinal center axis of the ceramic molded body with 12 designated.

In dem keramischen Formkörper sind in dessen Längsrichtung und parallel zueinander verlaufende Abgas-Einlasskanäle 14 sowie parallel zu diesen verlaufende Abgas-Auslasskanäle 16 ausgebildet. Sieht man von den unmittelbar an die Außenwand 10 angrenzenden Abgaskanälen ab, sind alle Einlasskanäle 14 identisch gestaltet und ebenso sind alle Auslasskanäle 16 identisch gestaltet. Wegen der kreiszylindrischen Außenwand 10 gibt es aber auch Einlasskanäle 14a und Auslasskanäle 16a mit anderer Querschnittsform.In the ceramic molded body are in the longitudinal direction and parallel to each other de exhaust inlet ducts 14 and parallel to these extending exhaust outlet ducts 16 educated. Looking from the directly to the outer wall 10 adjacent exhaust ducts are all inlet ducts 14 identical designed and also are all outlet channels 16 identically designed. Because of the circular cylindrical outer wall 10 But there are also inlet channels 14a and outlet channels 16a with different cross-sectional shape.

Wie die 2 bis 5 erkennen lassen, haben die Einlasskanäle 14 einen kreisrunden Querschnitt, dessen Größe sich jedoch längs der Einlasskanäle in noch zu beschreibender Weise ändert, und die Einlasskanäle 14 sind zur Erzielung einer dichten Packung im Formkörper nach Art eines Wabenmuster (honeycomb) angeordnet. In den Zwischenräumen zwischen den Einlasskanälen 14 liegen die Auslasskanäle 16, für die sich infolgedessen eine Querschnittsform ergibt, welche ungefähr dreieckig bis fünfeckig (siehe die 4 und 5) ist und die sich ebenso wie die Querschnittsgröße längs der Auslasskanäle 16 ändert. Durch die Anordnung der Einlasskanäle 14, 14a und der Auslasskanäle 16, 16a im Formkörper verlaufen neben jedem Einlasskanal mehrere Auslasskanäle und neben jedem Auslasskanal mehrere Einlasskanäle. Sieht man von der Außenwand 10 ab, werden die Einlasskanäle 14, 14a und die Auslasskanäle 16, 16a durch in Längsrichtung des Formkörpers bzw. der Abgaskanäle verlaufende Kanalwände 18 begrenzt, welche alle porös sind und mit ihren Poren definierter Größe definierte Filteröffnungen bilden sowie an ihren Oberflächen und/oder den Wänden der Poren mit einer katalytisch wirksamen Substanz versehen sind, um vom keramischen Formkörper zurückgehaltene Dieselrußpartikel bei moderaten Temperaturen verbrennen, d. h. zu CO2 oxidieren, zu können.As the 2 to 5 recognize the inlet channels 14 a circular cross-section, the size of which, however, changes along the inlet channels in a manner to be described later, and the inlet channels 14 are arranged in the form of a honeycomb pattern (honeycomb) in order to achieve a tight packing. In the spaces between the inlet channels 14 are the outlet channels 16 for which consequently results in a cross-sectional shape, which is approximately triangular to pentagonal (see the 4 and 5 ) and which are as well as the cross-sectional size along the outlet channels 16 changes. By the arrangement of the inlet channels 14 . 14a and the outlet channels 16 . 16a In the molded body, a plurality of outlet channels run next to each inlet channel and a plurality of inlet channels next to each outlet channel. Looks from the outside wall 10 off, the inlet channels become 14 . 14a and the outlet channels 16 . 16a by channel walls extending in the longitudinal direction of the shaped body or the exhaust gas channels 18 limited, which are all porous and defined with their pores of defined size filter openings and are provided on their surfaces and / or the walls of the pores with a catalytically active substance to burn the ceramic molding retained diesel soot particles at moderate temperatures, ie oxidize to CO 2 to be able to.

Der keramische Formkörper ist so gestaltet, dass die Einlasskanäle 14, 14a am gemäß 1 linken einlassseitigen Ende, d. h. dem Anströmende des Keramikkörpers, offen sind, während sie am anderen Ende durch vom Keramikkörper gebildete Verschlusswände 14b verschlossen sind. Für die Auslasskanäle 16, 16a gilt das umgekehrte, d. h. die Auslasskanäle sind am gemäß 1 rechten Ende, d. h. dem Auslass- oder Abströmende des Formkörpers, offen und am gegenüberliegenden Anströmende des Formkörpers durch von diesem gebildete Verschlusswände 16b verschlossen.The ceramic molded body is designed so that the inlet channels 14 . 14a according to 1 left inlet-side end, ie the upstream end of the ceramic body, are open, while at the other end formed by the ceramic body closure walls 14b are closed. For the outlet channels 16 . 16a the reverse applies, ie the outlet channels are on according to 1 right end, ie the outlet or outflow end of the shaped body, open and at the opposite upstream end of the shaped body formed by this closure walls 16b locked.

Wie die 1A erkennen lässt, verengen sich die Einlasskanäle 14 (entsprechendes gilt für die Einlasskanäle 14a) in der in 1 durch Pfeile angedeuteten Durchströmrichtung des keramischen Formkörpers, wobei sich die Querschnittsfläche der Einlasskanäle 14, 14a längs der Durchströmrichtung gemäß 1 von links nach rechts entlang der Einströmkanäle nicht stetig verändert, nämlich verkleinert, sondern in Stufen (wegen des später noch zu erwähnenden Herstellverfahrens), und gleiches gilt für die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der Auslasskanäle 16, 16a entlang dieser Kanäle gemäß 1 von links nach rechts. Zu diesem Zweck weisen die Kanalwände 18 in 1A deutlich erkennbare Abstufungen auf, welche einerseits zu einer Querschnittsverkleinerung der Einströmkanäle 14, 14a und andererseits zu einer Querschnittsvergrößerung der Ausströmkanäle 16, 16 führen.As the 1A can be seen, the inlet channels narrow 14 (The same applies to the inlet channels 14a ) in the 1 indicated by arrows flow direction of the ceramic molding, wherein the cross-sectional area of the inlet channels 14 . 14a along the flow direction according to 1 from left to right along the inflow channels not continuously changed, namely reduced, but in stages (because of the later-mentioned production method), and the same applies to the enlargement of the flow cross-section of the outlet channels 16 . 16a along these channels according to 1 left to right. For this purpose, the channel walls 18 in 1A clearly recognizable gradations, which on the one hand to a cross-sectional reduction of the inflow channels 14 . 14a and on the other hand to a cross-sectional enlargement of the discharge channels 16 . 16 to lead.

Bei einer für Dieselpartikelfilter typischen Länge des keramischen Formkörpers von ca. 20 cm hat bei einem erfindungsgemäß gestalteten keramischen Formkörper jeder Abgaskanal 14, 14a, 16, 16a 5 bis 20 Abstufungen. Die Stufenhöhe liegt typischerweise zwischen 2 μm und 200 μm und vorzugsweise zwischen 5 und 20 μm, d. h. der Durchmesser des jeweiligen Abgaskanals wird durch jede Abstufung 20 μm das Doppelte der vorgenannten Werte vermindert bzw. vergrößert. Der Durchmesser der Abgaskanäle 14, 14a, 16, 16a hat typischerweise einen Mittelwert zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. In den 4 und 5 wurden die jeweils dort vorliegenden Durchmesser der Einlasskanäle 14 mit D1 bzw. D2 bezeichnet, wobei D1 z. B. 1,5 mm und D2 z. B. 1,25 mm betragen kann. Bei einem keramischen Formkörper mit im Querschnitt kreisrunden Einlasskanälen beträgt das Verhältnis der Einlasskanalquerschnittsfläche zur Auslasskanalquerschnittsfläche am anströmseitigen Ende des keramischen Formkörpers z. B. 2,95, am abströmseitigen Ende des Formkörpers nur noch 1,08.In a typical for diesel particulate filter length of the ceramic shaped body of about 20 cm has in an inventively designed ceramic molding each exhaust passage 14 . 14a . 16 . 16a 5 to 20 gradations. The step height is typically between 2 .mu.m and 200 .mu.m, and preferably between 5 and 20 .mu.m, ie the diameter of the respective exhaust gas duct is reduced or increased by twice the aforementioned values by each graduation 20 .mu.m. The diameter of the exhaust ducts 14 . 14a . 16 . 16a typically has a mean of between 0.5 mm and 2.5 mm. In the 4 and 5 were the respective diameter of the inlet channels present there 14 denoted by D 1 and D 2 , wherein D 1 z. B. 1.5 mm and D 2 z. B. can be 1.25 mm. In the case of a ceramic molded body having inlet channels of circular cross-section, the ratio of the inlet channel cross-sectional area to the outlet channel cross-sectional area at the upstream end of the ceramic molded body is z. B. 2.95, at the downstream end of the molding only 1.08.

Wenn der zu sinternde Rohling des monolithischen keramischen Formkörpers, wie vorstehend beschrieben wurde, schichtweise erzeugt wird, und zwar mittels eines Siebdruckverfahrens zur Erzeugung der Schichten, bedarf es nur so vieler Siebdruckschablonen, wie längs eines Abgaskanals Abstufungen 20 vorhanden sind, zuzüglich derjenigen Siebdruckschablonen, mit deren Hilfe auch die Verschlusswände 14b und 16b hergestellt werden. Typischerweise haben die bei diesem Herstellverfahren erzeugten Schichten eine Dicke von ca. 40 μm.As described above, when the blank to be sintered of the monolithic ceramic molded body is formed in layers by means of a screen printing method for forming the layers, only as many screen printing stencils as steps along an exhaust passage are required 20 are present, plus those Siebdruckschablonen, with the help of which also the closure walls 14b and 16b getting produced. Typically, the layers produced in this manufacturing process have a thickness of about 40 microns.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen keramischen Formkörpers wird die Verwendung einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse empfohlen, welche außer den später zusammenzusinternden Keramikpartikeln und einem durch Erhitzen verflüchtigbaren Bindemittel Partikel enthält, welche beim Erhitzen des schichtweise aufgebauten Rohlings des Formkörpers zur Porenbildung führen, und zwar zur Bildung eines offenporigen Formkörpers, weil die diese Partikel bildende Substanz beim Erhitzen aus der keramischen Masse ausgetrieben wird. Durch den Anteil dieser porenbildenden Partikel an der den Rohling bildenden keramischen Masse und/oder durch die Größe der porenbildenden Partikel lassen sich der Grad der Porosität sowie die Porengröße bestimmen.For the production of a ceramic shaped body according to the invention, the use of a moldable, solidifiable ceramic composition is recommended which, in addition to the later sintered ceramic particles and a volatilizable by heating binder particles that lead to the formation of pores on heating the layered blank of the molding, namely to form a open-pore shaped body, because the substance forming these particles is expelled on heating from the ceramic mass. By the proportion of these pore-forming particles on the blank forming ceramic mass and / or by the size of the pore-forming Parti The degree of porosity and the pore size can be determined.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0627983 B1 [0017] - EP 0627983 B1 [0017]

Claims (10)

Keramischer Formkörper eines Dieselpartikelfilters mit von sich mindestens ungefähr in Längsrichtung des keramischen Formkörpers erstreckenden Kanalwänden begrenzten, von Dieselmotor-Abgasen zu durchströmenden Abgaskanälen, wobei der Formkörper im Bereich seines einen, ein Einlassende bildenden Längsendes offene, als Einlasskanäle dienende Abgaskanäle sowie im Bereich seines anderen, ein Auslassende bildenden Längsendes offene, als Auslasskanäle dienende Abgaskanäle aufweist, die Einlasskanäle im Bereich des Formkörper-Auslassendes und die Auslasskanäle im Bereich des Formkörper-Einlassendes verschlossen sind, jedem Einlasskanal mindestens ein Auslasskanal benachbart ist und die Kanalwände mindestens bereichsweise mit definierten Filteröffnungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bei einem überwiegenden Teil der Auslasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Auslasskanals in der abströmseitigen Hälfte des Auslasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte und/oder mindestens bei einem überwiegenden Teil der Einlasskanäle der Mittelwert des Strömungsquerschnitts eines Einlasskanals in der anströmseitigen Hälfte des Einlasskanals größer ist als in dessen anderer Hälfte.A ceramic shaped body of a diesel particulate filter with exhaust ducts delimiting itself at least approximately in the longitudinal direction of the ceramic shaped body, the mold body being open in the region of its one end end forming an inlet end, serving as inlet ducts, and in the region of its other, an outlet end forming longitudinal end open, serving as exhaust ducts exhaust ducts, the inlet channels in the region of the mold outlet end and the outlet channels are closed in the region of the molding inlet end, each inlet channel at least one outlet channel is adjacent and the channel walls are at least partially provided with defined filter openings, characterized in that the mean value of the flow cross-section of an outlet channel in the outflow-side half of the outlet channel is large at least in a predominant part of the outlet channels r is than in the other half and / or at least a majority of the inlet channels, the average value of the flow cross-section of an inlet channel in the upstream half of the inlet channel is greater than in the other half. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Auslasskanäle vom abströmseitigen Ende eines Auslasskanals zu dessen anderem Ende abnimmt.Ceramic molding according to claim 1, characterized in that the flow cross-section of the outlet channels from the downstream end of an exhaust duct to the latter other end decreases. Keramischer Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Einlasskanäle vom anströmseitigen Ende eines Einlasskanals zu dessen anderem Ende abnimmt.Ceramic molding according to claim 1 or 2, characterized in that the flow cross-section the inlet channels from the upstream end of a Inlet channel decreases to the other end. Keramischer Formkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Strömungsquerschnitts längs des Abgaskanals in Stufen erfolgt.Ceramic molding according to claim 2 or 3, characterized in that the change of the flow cross-section along the exhaust duct in stages. Keramischer Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass abgesehen von einem Umfangsrandbereich des Formkörpers, die Einlasskanäle eine andere Querschnittsform haben als die Auslasskanäle.Ceramic molding according to one of the claims 1 to 4, characterized in that apart from a peripheral edge region of the molding, the inlet channels another Have cross-sectional shape than the outlet channels. Keramischer Formkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine, erste Art von Abgaskanälen, d. h. die Einlass- oder die Auslasskanäle, einen mindestens ungefähr kreisrunden Querschnitt aufweisen und im keramischen Formkörper nach Art eines Wabenmusters angeordnet sind, und dass die andere, zweite Art von Abgaskanälen zur optimalen Ausnutzung der Querschnittszwischenräume des keramischen Formkörpers zwischen den ersten Abgaskanälen einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.Ceramic molding according to claim 5, characterized characterized in that the one, first type of exhaust ducts, d. H. the inlet or outlet channels, one at least have approximately circular cross-section and in the ceramic Moldings are arranged in the manner of a honeycomb pattern, and that the other, second type of exhaust ducts for optimal Utilization of the cross-sectional interspaces of the ceramic Shaped body between the first exhaust ducts a have polygonal cross-section. Keramischer Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasskanäle einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt aufweisen.Ceramic molding according to claim 6, characterized characterized in that the inlet channels are approximately have circular cross-section. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling des keramischen Formkörpers durch in dessen Längsrichtung aufeinanderfolgende Schichten durch wiederholte Abfolge der folgenden Schritte aufgebaut wird: (a) Erzeugung einer dem jeweiligen Querschnitt des keramischen Formkörpers entsprechend gestalteten Schicht aus einer formbaren, verfestigbaren keramischen Masse und (b) Verfestigung dieser Schicht, worauf der so erzeugte Rohling gesintert wird.Process for producing a ceramic shaped body according to one of the preceding claims, characterized that a blank of the ceramic molding by in the Lengthwise successive layers by repeated Sequence of the following steps is established: (a) Generation one of the respective cross section of the ceramic molding appropriately designed layer of a malleable, solidifiable ceramic mass and (b) solidification of this layer, whereupon the blank thus produced is sintered. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten im Siebdruckverfahren erzeugt werden.Method according to claim 8, characterized in that that the layers are produced by screen printing. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Trocknen verfestigt werden.Method according to claim 8 or 9, characterized that the layers are solidified by drying.
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