DE102007021470A1 - Ceramic honeycomb body for use in emission control systems - Google Patents
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Abstract
Es wird ein keramischer Wabenkörper (118) für den Einsatz in Abgasreinigungssystemen vorgeschlagen. Der keramische Wabenkörper (118) weist eine Eingangsseite (122) und eine Ausgangsseite (124) auf und umfasst eine Vielzahl von Blindkanälen (126). Die Blindkanäle (126) wiederum umfassen eine Vielzahl von eingangsseitig verschlossenen Auslasskanälen (130) und eine Vielzahl von ausgangsseitig verschlossenen Einlasskanälen (128). Das Verhältnis eta des Anteils der Einlasskanäle (128) an einer Querschnittsflächeneinheit zum Anteil der Auslasskanäle (130) an einer Querschnittsflächeneinheit variiert über die Gesamtquerschnittsfläche des Wabenkörpers (118).A ceramic honeycomb body (118) is proposed for use in emission control systems. The ceramic honeycomb body (118) has an input side (122) and an output side (124) and includes a plurality of dummy channels (126). The blind channels (126) in turn comprise a multiplicity of outlet channels (130) sealed on the input side and a large number of inlet channels (128) closed on the output side. The ratio eta of the proportion of the inlet channels (128) on a cross-sectional area unit to the proportion of the outlet channels (130) on a cross-sectional area unit varies over the total cross-sectional area of the honeycomb body (118).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten Abgasreinigungssystemen, beispielsweise Katalysatoren oder Filtern, welche üblicherweise im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Derartige Abgasreinigungssysteme umfassen in vielen Fällen keramische Trägermaterialien, welche beispielsweise als Träger für katalytisch aktive Materialien oder als poröse Filtermaterialien wirken, eingesetzt.The The invention is based on known emission control systems, for example Catalysts or filters, which are usually in the exhaust system used by internal combustion engines. Such emission control systems in many cases comprise ceramic substrates, which, for example, as a carrier for catalytic active materials or as porous filter materials, used.
In vielen Fällen werden dabei keramische Wabenkörper als Träger verwendet. Derartige keramische Wabenkörper werden beispielsweise aus keramischen Materialien wie Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat oder Cordierit oder anderen keramischen Werkstoffen gefertigt. Die Fertigung erfolgt beispielsweise mittels eines Extrusionsverfahrens.In many cases are ceramic honeycomb body used as a carrier. Such ceramic honeycomb body are made of ceramic materials such as silicon carbide, Aluminum titanate or cordierite or other ceramic materials manufactured. The production takes place for example by means of an extrusion process.
Dabei umfassen die keramischen Wabenkörper üblicherweise eine Vielzahl von Blindkanälen mit beliebigem (beispielsweise rundem, rechteckigem, quadratischen oder hexagonalem) Querschnitt, wobei wechselseitig Einlasskanäle vorgesehen sind, welche auf der (in Strömungsrichtung gesehen) Ausgangsseite des Wabenkörpers verschlossen sind, und Auslasskanäle, welche eingangsseitig verschlossen sind. Dadurch ist gewährleistet, dass ein zu reinigender Abgasstrom, welcher den Wabenkörper durchströmt, mindestens einmal die Wand des Wabenkörpers durchdringen muss.there The ceramic honeycomb bodies usually comprise a plurality of blind channels with any (for example round, rectangular, square or hexagonal) cross section, wherein mutually inlet channels are provided, which on the (seen in the flow direction) output side of the Honeycomb body are closed, and outlet channels, which are closed on the input side. This ensures that that is to be cleaned exhaust gas stream, which the honeycomb body flows through, at least once the wall of the honeycomb body must penetrate.
Insbesondere bei Dieselpartikelfiltern, welche zur Filtration von Rußpartikeln aus dem Dieselabgas eingesetzt werden, spielt die Beseitigung von Partikeln aus dem Wabenfilter eine entscheidende Rolle. Der im Filter angesammelte Ruß muss wegen des zunehmenden Abgasgegendrucks in regelmäßigen Intervallen durch Abbrand (Regeneration) entfernt werden. Wird die Regeneration bei einer zu hohen Rußbeladung eingeleitet, so droht eine thermo-mechanische Schädigung des Filters.Especially in diesel particulate filters, which are used to filter soot particles used from the diesel exhaust, plays the removal of particles from the honeycomb filter a crucial role. The accumulated in the filter Soot must be in regular due to the increasing exhaust back pressure Intervals can be removed by burning (regeneration). Will the Regeneration initiated when the soot load is too high, so threatens a thermo-mechanical damage to the filter.
Aus
Während der Regeneration wird der Filter durch das Abgas, dessen Temperatur durch motorische Maßnahmen erhöht wird, konvektiv aufgeheizt. Die Randbereiche des Filters erreichen dabei aufgrund der Wärmeableitung durch die Isolation zum Gehäuse und aufgrund der schlechteren Anströmung in der Wandgrenzschicht nur eine niedrigere Temperatur als der radial weiter innen gelegene Bereich des Filters. Nachdem durch die dort im Vergleich höheren Temperaturen ein Teil des Rußes abgebrannt worden ist, vermindert sich der durch die Rußschicht verursachte Strömungswiderstand, und ein größerer Anteil des heißen Abgases strömt durch den radial innen gelegenen Bereich.While the regeneration becomes the filter through the exhaust, its temperature is increased by motor action, convective heated. The edge areas of the filter thereby reach due to the heat dissipation through the insulation to the housing and due to the poorer flow in the wall boundary layer only a lower temperature than the radially further inward Area of the filter. After comparing higher temperatures there a part of the soot has been burned off, diminishes the flow resistance caused by the soot layer, and a larger proportion of the hot exhaust gas flows through the radially inner area.
Durch diese asymmetrische Strömung mit überwiegendem Anteil der Strömung der heißen Abgase durch den radial innen gelegenen Bereich verschlechtert sich die ohnehin schlechte Aufheizung des Außenbereichs des Filters. Als Folge kann in diesem Bereich des Filters die zur Regeneration notwendige Temperatur nicht oder nicht immer erreicht werden, und die dort eigentlich vorhandene Filterfläche bleibt ungenutzt. Außerdem gehen mit einer ausschließlich im radial inneren Bereich des Filters ablaufenden Regeneration große radiale Temperaturgradienten einher, die durch Wärmespannungen zum Versagen des Filters durch Rissbildung führen können.By this asymmetrical flow with predominant Proportion of the flow of hot exhaust gases through the radially inward area worsens the already bad Heating the exterior of the filter. As a result, can in this area of the filter, the temperature necessary for regeneration not or not always be achieved, and there actually existing filter surface remains unused. Furthermore go with one exclusively in the radially inner area regeneration of the filter, large radial temperature gradients accompanied by thermal stresses to the failure of the filter can lead to cracking.
Des Weiteren kann eine nicht regenerierte Rußschicht durch weitere (wenn auch in ihrer Geschwindigkeit verminderte) Akkumulation von Ruß bei einer letztlich doch erfolgreicheren Regeneration zu kritischen Spitzentemperaturen führen.Of Further, a non-regenerated soot layer may pass through further accumulation (albeit diminished in speed) of soot in an ultimately more successful regeneration lead to critical peak temperatures.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird dementsprechend ein keramischer Wabenkörper für den Einsatz in Abgasreinigungssystemen der oben beschriebenen Art sowie ein Dieselpartikelfilter mit einem erfindungsgemäßen keramischen Wabenkörper vorgeschlagen, welche die oben aufgeführten Nachteile keramischer Wabenkörper bzw. von Dieselpartikelfiltern mit derartigen Waben körpern zumindest weitgehend vermeiden. Neben dem Einsatz in Dieselpartikelfiltern können die keramischen Wabenkörper gemäß der Erfindung auch vorteilhaft in anderen Abgasreinigungssystemen eingesetzt werden, da die Vorteile sich sinngemäß auch auf andere derartige Systeme übertragen lassen, wie beispielsweise andere Arten von Filtern oder Katalysatoren.It Accordingly, a ceramic honeycomb body for the use in emission control systems of the type described above and a diesel particulate filter with an inventive ceramic honeycomb body proposed which are those listed above Disadvantages of ceramic honeycomb body or diesel particulate filters with such honeycomb bodies avoid at least largely. In addition to use in diesel particulate filters, the ceramic Honeycomb body according to the invention also advantageous be used in other emission control systems, because the advantages mutatis mutandis transferred to other such systems such as other types of filters or catalysts.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Temperaturfeld über den Querschnitt des keramischen Wabenkörpers hinweg während einer Regeneration gleichmäßiger auszugestalten. Diese Vergleichmäßigung des Temperaturfeldes wird erfindungsgemäß durch eine erhöhte Deposition von Ruß in den Bereichen, in denen gegenüber herkömmlichen Wabenkörpern die Temperatur erhöht werden soll, erreicht. Insbesondere kann die Temperatur gezielt in den radial außen gelegenen Bereichen des Wabenkörpers erhöht werden, indem dort eine erhöhte Position von Ruß erfolgt und somit ein verstärkter Abbrand während der Regeneration.A basic idea of the present invention is to make the temperature field over the cross-section of the ceramic honeycomb body more uniform during regeneration. This homogenization of the temperature field is inventively increased by an Deposition of soot in the areas in which compared to conventional honeycomb bodies, the temperature is to be increased reached. In particular, the temperature can be selectively increased in the radially outer regions of the honeycomb body by there is an elevated position of soot and thus increased burnup during regeneration.
Es wird dementsprechend ein keramischer Wabenkörper mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite vorgeschlagen, welcher beispielsweise aus den oben genannten keramischen Werkstoffen gefertigt sein kann. Der keramische Wabenkörper kann beispielsweise insgesamt zylinderförmig ausgestaltet sein und eine Körperachse aufweisen. Der keramische Wabenkörper weist eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite auf, welche sich durch die Strömungsrichtung der den Wabenkörper durchströmenden Abgase definieren.It Accordingly, a ceramic honeycomb body with a Suggested input side and an output side, which, for example, from can be made of the above-mentioned ceramic materials. The ceramic honeycomb body may, for example, in total be cylindrical and a body axis exhibit. The ceramic honeycomb body has an input side and an exit side, which extends through the flow direction define the exhaust gas flowing through the honeycomb body.
Weiterhin umfasst, wie auch im Stand der Technik, der keramische Wabenkörper eine Vielzahl von Blindkanälen mit einer Vielzahl von eingangsseitig verschlossenen Auslasskanälen und einer Vielzahl von ausgangsseitig verschlossenen Einlasskanälen. Dabei kann insbesondere die Zahl der Einlasskanäle der Zahl der Auslasskanäle entsprechen, wobei jedoch auch unterschiedliche Anzahlen von Einlass- und Auslasskanälen mögliche sind.Farther includes, as in the prior art, the ceramic honeycomb body a plurality of blind channels having a plurality of input side sealed outlet channels and a variety of output side closed inlet channels. It can in particular the number of inlet channels of the number of outlet channels However, different numbers of admission and outlet channels are possible.
Wie
auch in
Das Verhältnis des Anteils der Einlasskanäle an einer Querschnittsflächeneinheit zum Anteil der Auslasskanäle an einer Querschnittsflächeneinheit sei dabei im Folgenden mit η bezeichnet. Beispielsweise kann eine Querschnittsflächeneinheit senkrecht zur Körperachse gewählt werden, welche mindestens einen Einlasskanal und mindestens einen Auslasskanal umfasst. Diese Querschnittsflächeneinheit kann vorzugsweise derart gewählt werden, dass diese eine sich im Gesamtquerschnitt des Wabenkörpers wiederholende Einheit (welche auch als „Zelle" bezeichnet werden könnte) umfasst. Vorzugsweise ist diese Quer schnittsflächeneinheit klein gegenüber dem Gesamtquerschnitt des keramischen Wabenkörpers.The Ratio of the proportion of inlet channels to one Cross-sectional area unit to the proportion of the outlet channels on a cross-sectional surface unit is in the following denoted by η. For example, a cross-sectional area unit be chosen perpendicular to the body axis, which at least one inlet channel and at least one outlet channel includes. This cross-sectional area unit may preferably be chosen such that this one in the overall cross-section of the honeycomb body repeating unit (which is also called "cell") could be designated). Preferably, this is Cross sectional area unit small compared to the Total cross section of the ceramic honeycomb body.
Um das Verhältnis η zu berechnen, wird also zunächst die Öffnungsfläche der Einlasskanäle innerhalb dieser Querschnittsflächeneinheit bestimmt, anschließend die Öffnungsfläche der Auslasskanäle in dieser Querschnittsflächeneinheit, und anschließend wird der Quotient aus diesen Öffnungsflächen gebildet.Around Thus, the calculation of the ratio η becomes first the opening area of the inlet channels determined within this cross-sectional area unit, then the opening area of the outlet channels in this cross-sectional area unit, and then the quotient formed from these opening areas.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dieses Flächenverhältnis η zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen über den Querschnitt des keramischen Wabenkörpers hinweg derart anzupassen, dass hierdurch die Temperatur gleichmäßiger ausgestaltet wird. Da insbesondere, wie oben beschrieben, in den Randbereichen des keramischen Wabenkörpers gemäß dem Stand der Technik zu geringe Temperaturen auftreten, ist es besonders bevorzugt, wenn η von innen nach außen zunimmt.One The basic idea of the present invention is to provide this area ratio η between Inlet and outlet channels over the cross section of the ceramic honeycomb body such time to adjust that thereby the temperature more uniform is designed. In particular, as described above, in the Edge regions of the ceramic honeycomb body according to the State of the art to low temperatures occur, it is special preferred if η increases from the inside to the outside.
Dementsprechend ist η im Bereich der Körperachse vorzugsweise kleiner als in weiter von der Körperachse entfernt gelegenen Bereichen des Wabenkörpers. Insbesondere kann η von der Körperachse aus nach außen im Wesentlichen kontinuierlich zunehmen (wobei unter „im Wesentlichen" auch sprungweise Zunahmen des Verhältnisses möglich sind, insbesondere aufgrund der nicht-kontinuierlichen Flächengestaltung mit Einlass- und Auslasskanälen). Insbesondere kann η linear oder quadratisch nach außen hin zunehmen.Accordingly is η in the region of the body axis preferably smaller than in more distant from the body axis Areas of the honeycomb body. In particular, η of the body axis outwards substantially continuously increase (where "essentially" also jumps in the ratio are possible, especially due to the non-continuous surface design with inlet and outlet channels). In particular, η can be linear or increase quadratically towards the outside.
Wie oben beschrieben, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Einlasskanäle von ihrem Querschnitt her größer sind als die Auslasskanäle, bzw. dass der Querschnittsflächenanteil der Einlasskanäle größer ist als der Querschnittsflächenanteil der Auslasskanäle, da auf diese Weise die Rußablagerung in den Einlasskanälen ausgeglichen werden kann.As As described above, it is known in the art that the inlet channels larger from their cross section are as the outlet channels, or that the cross-sectional area proportion the inlet channels is larger than the Cross-sectional area of the outlet channels, since in this way, the soot build-up in the inlet channels can be compensated.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine gezielte Einstellung des Verhältnisses η über den Querschnitt des Wabenkörpers hinweg erfolgt, kann dieses Verhältnis jedoch sogar umgekehrt werden, so dass auch Verhältnisse η kleiner 1 auftreten können. So kann beispielsweise eine Ausgestaltung vorteilhaft sein, bei welcher η im Bereich der Körperachse kleiner ist als 1 und am Rand des Wabenkörpers größer ist als 1. Auf diese Weise kann die Temperaturvergleichmäßigung erreicht werden.in the Frame of the present invention, in which a targeted setting the ratio η across the cross section of the honeycomb body, this ratio can but even be reversed, so that ratios η smaller 1 can occur. For example, an embodiment be advantageous in which η in the region of the body axis smaller than 1 and larger at the edge of the honeycomb body is considered 1. In this way, the temperature uniformity be achieved.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn η trotz der beschriebenen Variation, im gesamten Bereich des Wabenkörpers größer ist als 1. So haben sich beispielsweise Verhältnisse gleich 1,1 im Bereich der Körperachse bewährt, welche bis zum Rand des Wabenkörpers hin auf vorzugsweise η gleich 1,5 ansteigen. Auch Abweichungen von den genannten Werten sind jedoch möglich. Der Anteil der Wandfläche zwischen den Blindkanälen an der gesamten Querschnittsfläche beträgt üblicherweise zwischen 20% und 60%, vorzugsweise ca. 40%.Especially however, it is preferred if η despite the described Variation, larger in the entire area of the honeycomb body is as 1. For example, ratios have the same 1,1 proven in the body axis, which up to the edge of the honeycomb body towards preferably equal to η 1.5 increase. Deviations from the stated values are, however, also possible. The proportion of the wall surface between the Blind channels on the entire cross-sectional area is usually between 20% and 60%, preferably about 40%.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des keramischen Wabenkörpers, bei welcher das Flächenverhältnis η zur Homogenisierung der Temperaturen, insbesondere bei der Filterregeneration, genutzt wird, hat gegenüber herkömmlichen Wabenkörpern und Dieselpartikelfiltern eine Reihe entscheidender Vorteile. Da sich auf der gesamten Filterfläche nach einer gewissen Beladung eine Rußschicht mit näherungsweise gleichmäßiger Dicke ausbildet, ist als Konsequenz der ungleichmäßigen Verteilung von η über den Querschnitt des keramischen Wabenkörpers hinweg in Bereichen mit kleineren η eine geringere Menge an Ruß eingelagert als in Bereichen mit größerem η. Auf diese Weise kann, da der Ruß den „Brennstoff" für den Abbrand darstellt, die Temperatur in bestimmten Bereichen des keramischen Wabenkörpers gezielt eingestellt werden.The inventive design of the ceramic honeycomb body, in which the area ratio η is used for homogenization of the temperatures, in particular in the filter regeneration, has compared to conventional honeycomb and diesel particulate filters offer a number of key benefits. Since a soot layer of approximately uniform thickness is formed on the entire filter surface after a certain loading, as a consequence of the uneven distribution of η over the cross section of the ceramic honeycomb body in areas with smaller η, a smaller amount of soot is incorporated than in areas with a larger η , In this way, since the soot is the "fuel" for the burn-up, the temperature in certain areas of the ceramic honeycomb body can be adjusted specifically.
So kann in den Randbereichen, in denen aufgrund der oben beschriebenen Effekte geringe Temperaturen auftreten als im Filterinneren, durch Bereitstellen eines größeren Flächenverhältnisses η die geringere Wärmefreisetzung aufgrund der geringeren spezifischen Abbrandrate erfindungsgemäß teilweise dadurch kompensiert werden, dass eine größere Russmasse eingelagert wird. Die Wärmefreisetzung ist in diesem Fall gleichmäßiger und die sich einstellenden radialen Temperaturgradienten sind geringer.So may be in the peripheral areas where due to the above Effects low temperatures occur as in the filter interior, by Providing a larger area ratio η the lower Heat release due to the lower specific burn rate Partially compensated according to the invention be that a larger soot mass stored becomes. The heat release is more uniform in this case and the resulting radial temperature gradients are lower.
Insgesamt lassen sich dadurch durch Einsatz des keramischen Wabenkörpers Filter mit höherer Betriebssicherheit einsetzen, welche geringere Neigung zu Wärmespannungen und zum Versagen des Filters durch Rissbildung zeigen. Auch werden durch die gezielte Einstellung der Temperaturverteilung Möglichkeiten geschaffen, das Erreichen kritischer Spitzentemperaturen zu vermeiden.All in all can be characterized by use of the ceramic honeycomb body Use filters with higher reliability, which lower tendency to thermal stress and failure of the Show filters by cracking. Also be targeted by the Setting the temperature distribution created opportunities to avoid reaching critical peak temperatures.
Weiterhin lässt sich insgesamt die maximale Rußbeladung durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der keramischen Wabenkörper erhöhen, so dass insgesamt längere Intervalle zwischen zwei Regenerationen gesetzt werden können.Farther Overall, the maximum soot loading can be by the inventive design of the ceramic Increase honeycomb body, so that overall longer Intervals between two regenerations can be set.
Diese Verbesserung der Filtereigenschaften und die Verbesserung der Filterregeneration führt auch zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch, da insbesondere die Filterregeneration äußerst energieaufwändig ist. Auch eine Ölverdünnung lässt sich durch Einsatz des keramischen Wabenkörpers verringern.These Improvement of filter characteristics and improvement of filter regeneration also leads to lower fuel consumption, especially since the filter regeneration extremely energy-consuming is. An oil dilution can be through Reduce the use of the ceramic honeycomb body.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In
den
Der
Dieselpartikelfilter
In
Das
Abgas tritt an einer Eingangsseite
Parallel
zur Körperachse
Entsprechend
sind die Auslasskanäle
Der
Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt somit
in einen der Einlasskanäle
Bei
der schematischen Darstellung gemäß
In
In
dem in
Die
Einlass- und Auslasskanäle haben dabei in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt. Dabei
weisen die Einlasskanäle
Bei
dem in
Wie
oben dargelegt, wird erfindungsgemäß über
den Querschnitt des Wabenkörpers
Mit
den in
Im
Bereich der Mitte des Wabenkörpers
Im
Randbereich des Wabenkörpers
Abschließend
sei noch erwähnt, dass typischerweise die Öffnungen
der Einlasskanäle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |