DE102007021471A1 - Method for producing filter for removing particles from gas flow, particularly soot particles from exhaust gas flow of internal combustion engine, involves wetting filter substrate, which is made of ceramic material with sol - Google Patents

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Abstract

Filter production involves wetting a filter substrate (18), which is made of a ceramic material with a sol. The sols are converted into a gel through a hydrolysis reaction. The filter substrate is dried. A catalytically active surface coating is applied on the filter substrate, where the surface coating is applied before or after drying. An independent claim is also included for removing particles from a gas flow, particularly soot particles from an exhaust gas flow of an internal combustion engine, which has a filter substrate made of a ceramic material, where the ceramic material has microcracks, which contain a temperature-stable material.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Russpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung geht weiterhin von einem Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 aus. Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Üblicherweise sind solche Filter zur Entfernung von Partikeln, so genannte Partikelfilter aus den keramischen Materialien Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat und/oder Cordierit gefertigt. Die Partikelfilter sind im Allgemeinen in Form einer wabenförmigen Keramik mit wechselseitig verschlossenen Kanälen ausgebildet. Derartige Partikelfilter besitzen einen Filtrationswirkungsgrad von mehr als 80% bis regelmäßig > 90%. Die Schwierigkeit besteht jedoch nicht alleine in der Filtration der Rußpartikel sondern auch in der Regeneration des Filters. Hierzu werden Kraftstoff oder seine Zersetzungsprodukte in einer Abgasnachbehandlung, die den Partikel umfasst, katalytisch oxidiert, um die zur Zündung des Rußes notwendigen Temperaturen zu erzeugen. Während der heißeren Regenerationsphasen werden höchste Anforderungen an die thermische Stabilität des Filters gestellt.The The invention relates to a method for producing a filter for Removal of particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine. The invention continues to assume a filter to remove particles a gas stream according to the preamble of the claim 9 off. Such filters are for example in the exhaust aftertreatment self-igniting internal combustion engines, in particular used in diesel-powered vehicles. Usually such particulate removal filters, so-called particulate filters from the ceramic materials silicon carbide, aluminum titanate and / or cordierite. The particulate filters are generally in the form of a honeycomb ceramic with mutually closed Channels formed. Have such particle filter a filtration efficiency of more than 80% to regularly> 90%. The difficulty however, is not alone in the filtration of the soot particles but also in the regeneration of the filter. This will be fuel or its decomposition products in an exhaust aftertreatment containing the Particles, catalytically oxidized to those for ignition of the soot necessary to produce temperatures. While the hotter regeneration phases become highest Requirements for the thermal stability of the filter posed.

Thermochemische Reaktionen des Filtermaterials mit Abgaskomponenten und sich während des Betriebs über die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs auf dem Filter ansammelnde Aschen, zum Beispiel aus Öl, Kraftstoff, Kraftstoffadditiven oder Motorenabrieb, vermindern die mechanische und thermochemische Festigkeit keramischer Filter. Durch thermochemische Reaktion gealterte Filter, insbesondere wenn diese aus den Werkstoffen Cordierit und Aluminiumtitanat gefertigt sind, weisen eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit auf als nicht gealterte Filter. Mit hoher thermischer Belastung nimmt die Ausfallwahrscheinlichkeit zu.Thermochemical Reactions of the filter material with exhaust gas components and during operation over the life of the motor vehicle collecting ashes from the filter, for example from oil, fuel, Fuel additives or engine abrasion, reduce the mechanical and thermochemical strength of ceramic filters. By thermochemical Reaction aged filter, especially if these are made of the materials Cordierite and aluminum titanate are made have a higher Failure probability on as non-aged filter. With high Thermal stress increases the probability of failure.

Aufgrund des Herstellungsprozesses weisen insbesondere Cordierit und andere keramische Materialien eine Reihe von Mikrorissen im Gefüge auf. Diese Mikrorisse sind teilweise erwünscht, und leisten einen wesentlichen Beitrag beispielsweise zur Filterwirkung oder Katalysatorwirkung der Funktionselemente. Die Mikrorisse führen zwar zu einer geringeren Festigkeit des keramischen Materials, jedoch gleichzeitig auch zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul und einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und tragen dazu bei, dass thermische Spannungen in der Keramik abgebaut werden und die thermische Belastbarkeit erhöht wird. Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und ein niedriges Elastizitätsmodul gewährleisten geringe induzierte Spannungen bei thermischer Belastung des Substrats. Dies ist insbesondere darauf zurück zu führen, dass die Mikrorisse im keramischen Trägermaterial sich nach und nach bei Temperaturerhöhung schließen und so einen Puffer für die thermische Ausdehnung bilden.by virtue of In particular, cordierite and others are used in the manufacturing process ceramic materials a series of microcracks in the microstructure on. These microcracks are partially desirable and perform a significant contribution for example to the filter effect or Catalyst effect of the functional elements. The micro cracks lead although to a lower strength of the ceramic material, but at the same time also to a lower elastic modulus and a lower one Coefficients of thermal expansion and contribute to that thermal stresses in the ceramic are degraded and the thermal Resilience is increased. A low thermal expansion coefficient and ensure a low modulus of elasticity low induced stresses under thermal stress of the substrate. This is particularly due to the fact that the micro-cracks in the ceramic carrier material are after and after close at temperature increase and form such a buffer for thermal expansion.

Auf dem keramischen Träger wird üblicherweise eine katalytische Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung wird häufig auch als „Washcoat" bezeichnet. Für diese Beschichtung werden im Allgemeinen keramische Materialien, zum Beispiel poröses Aluminiumoxid (A2O3) auf eine gewünschte Partikelgröße gemahlen, anschließend eine Suspension mit einer gewissen Teilchengrößenverteilung erzeugt, und diese Suspension, die auch Slorry genannt wird, auf den keramischen Träger aufgebracht.On the ceramic support usually a catalytic coating is applied. This coating is often also referred to as a "washcoat." For this coating, ceramic materials, for example porous aluminum oxide (A 2 O 3 ), are generally ground to a desired particle size, and then a suspension with a certain particle size distribution is produced, and this suspension, the also called Slorry, applied to the ceramic carrier.

Das Problem dieses bekannten Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Suspensionen auch kleinste Partikel enthalten, die in die Mikrorisse des keramischen Trägers eindringen können. Dies bewirkt, dass sich diese Mikrorisse bei einer Erwärmung des keramischen Trägers nicht in dem oben beschriebenen Maße schließen können. Hierdurch erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Trägers und es treten unerwünschte, erhöhte thermische Spannungen auf.The Problem of this known method, however, is that the Suspensions also contain the smallest particles in the microcracks of the ceramic carrier can penetrate. This causes these microcracks when heated of the ceramic carrier not in the above-described Can close measurements. This increases the thermal expansion coefficient of the ceramic support and there are unwanted, increased thermal Tensions.

Neben den Partikeln des Washcoats können während des Betriebs des Filters auch die sich ansammelnden Aschen in die Mikrorisse eindringen, was den vorstehend beschriebenen Effekt weiter verstärkt.Next The particles of the washcoat can be removed during the Operation of the filter also the accumulating ashes in the microcracks penetrate, which further enhances the effect described above.

Um zu vermeiden, dass bei dem Auftrag der katalytischen Beschichtung keine Partikel in die Mikrorisse eindringen können, ist es zum Beispiel aus US-A 2005/0037147 bekannt, die Mikrorisse zunächst durch organische Polymere zu verschließen. Hierzu wird das Filtersubstrat zunächst mit einer Lösung, die darin dispergierte oder gelöste organische Polymere enthält, getränkt. Die Lösung dringt in die Mikrorisse ein, in denen sich organische Polymere abscheiden und so die Mikrorisse verschließen. Anschließend wird der Washcoat aufgetragen. Bei einer anschließenden thermischen Behandlung verdampfen die organischen Polymere vollständig und geben so die Mikrorisse wieder frei.For example, in order to avoid that no particles can penetrate into the microcracks during the application of the catalytic coating, it is not US-A 2005/0037147 known to close the microcracks first by organic polymers. For this purpose, the filter substrate is first impregnated with a solution containing therein dispersed or dissolved organic polymers. The solution penetrates the microcracks, where organic polymers are deposited, closing the microcracks. Then the washcoat is applied. In a subsequent thermal treatment, the organic polymers evaporate completely and thus release the microcracks again.

Nachteil hierbei ist es jedoch, dass nach der Entfernung der organischen Polymere ein Ascheeintrag oder eine nachträgliche teilweise Füllung der Mikrorisse mit Washcoatpartikeln erfolgen kann.disadvantage However, it is here that after the removal of the organic Polymers an ash entry or a subsequent partial Fill the microcracks with Washcoatpartikeln can be done.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Russpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, umfasst folgende Schritte:

  • (a) Benetzen eines Filtersubstrates aus einem keramischen Material mit einem Sol,
  • (b) Umwandeln des Sols in ein Gel und
  • (c) Trocknen und/oder Kalzinieren des Filtersubstrates.
The inventive method for producing a filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust stream of an internal combustion engine, comprises the following steps:
  • (a) wetting a filter substrate made of a ceramic material with a sol,
  • (b) converting the sol to a gel and
  • (c) drying and / or calcining the filter substrate.

Beim Benetzen des Filtersubstrates dringt das Sol in Mikrorisse des keramischen Materials ein. Beim Umwandeln in ein Gel vernetzen einzelne separierte Einheiten, die im Sol vorliegen, miteinander. Hierdurch bildet sich ein Netzwerk aus, welches in den Mikrorissen enthalten ist. Beim Trocknen wird das Lösungsmittel des Sols entfernt. Es findet ein Schrumpfungsprozess statt. Aus diesem Grund sind die Mikrorisse nicht vollständig gefüllt. Durch das Füllen der Mikrorisse wird verhindert, dass bei einer nachfolgend aufgetragenen Beschichtung Beschichtungsmaterial in die Mikrorisse eindringen kann. Dadurch dass die Mikrorisse nicht vollständig gefüllt sind, können sich diese bei Temperaturerhöhung schließen, wodurch Spannungen, die auf den Filter wirken, abgebaut werden. Hierdurch wird eine hinreichende Temperaturstabilität erzielt. Durch die Füllung der Mikrorisse mit den Netzwerken, die durch die Gelbildung entstehen, wird weiterhin vermieden, dass zum Beispiel Aschen während des Betriebes in die Mikrorisse eindringen können.At the Wetting the filter substrate penetrates the sol into microcracks of the ceramic Materials. When converting to a gel, individual separated ones crosslink Units that are present in the sol, with each other. This forms a network contained in the microcracks. At the Drying the solvent of the sol is removed. It finds a shrinking process is taking place. That's why the microcracks are not completely filled. By filling the micro-cracks are prevented from being applied to a subsequently applied Coating coating material penetrate into the microcracks can. Because the microcracks are not completely filled, they can close when the temperature rises, whereby stresses acting on the filter are reduced. As a result, a sufficient temperature stability is achieved. By filling the microcracks with the networks, the caused by the gelation, it is further avoided that the Example ashes during operation in the microcracks can penetrate.

Das keramische Material für das Filtersubstrat wird vorzugsweise ausgewählt aus Cordierit, Aluminiumtitanat und Siliziumcarbid. Besonders bevorzugt ist das keramische Material Cordierit, da dieses das preislich günstigste ist. Hierdurch wird es ermöglicht, günstige Filter herzustellen.The Ceramic material for the filter substrate is preferably selected from cordierite, aluminum titanate and silicon carbide. Particularly preferred is the ceramic material cordierite, since this is the Cheapest is. This makes it possible produce cheap filters.

Der Abscheidegrad des Sols, mit dem das Filtersubstrat benetzt wird, in den Mikrorissen, wird über Trocknungsparameter bzw. die Kapillarkräfte beeinflusst. Die Einstellung der Kapillarkräfte erfolgt durch den Durchmesser der Poren und Mikrorisse.Of the Separation efficiency of the sol, with which the filter substrate is wetted, in the microcracks, is about drying parameters or influences the capillary forces. The adjustment of the capillary forces is done by the diameter of the pores and microcracks.

Das Sol, mit dem das Filtersubstrat benetzt wird, enthält vorzugsweise Metallalkoholate, metallorganische Verbindungen oder Mischungen daraus. Bevorzugt werden Alkoholate des Aluminium, Silizium oder Zirkon eingesetzt. Diese sind im Allgemeinen auch Bestandteil einer gegebenenfalls später auf das Filtersubstrat aufgetragenen Beschichtung. Somit werden keine weiteren Substanzen aufgebracht. Weitere geeignete Substanzen für die Beschichtung sind zum Beispiel Siloxane, Böhmit oder Kieselsäure. Auch können Mischungen aus verschiedenen Metallalkoholaten und/oder metallorganischen Verbindungen eingesetzt werden.The Sol, with which the filter substrate is wetted, preferably contains Metal alcoholates, organometallic compounds or mixtures it. Alcoholates of aluminum, silicon or are preferred Zircon used. These are generally also part of one optionally later applied to the filter substrate Coating. Thus, no further substances are applied. Further suitable substances for the coating are, for example Siloxanes, boehmite or silica. Also can Mixtures of various metal alcoholates and / or organometallic Connections are used.

Die Menge an organischen Resten der Metallalkoholate bzw. der metallorganischen Verbindungen kann an die Struktur der Mikrorisse angepasst werden. Die Risse sollen während eines Beschichtungsvorganges mit einer weiteren Beschichtung vollständig geschlossen sein, damit von dem Beschichtungsmaterial nichts in die Mikrorisse eindringen kann. Weiterhin ist es jedoch notwendig, dass sich die Mikrorisse bei Aufbringen einer hohen Temperatur im Betrieb des Filters noch schließen können. Durch die Menge und die Art der organischen Reste wird die Menge an anorganischem Material eingestellt, die nach einem Kalzinierungsvorgang, bei welchem die organischen Reste verbrennen, in den Mikrorissen zurückbleibt. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine ausreichende und nicht zu große Menge an anorganischen Komponenten in den Mikrorissen verbleibt. Die Menge an anorganischem Material, die in den Mikrorissen verbleibt, ist so zu wählen, dass sich die Mikrorisse im Betrieb noch schließen können, jedoch keine Fremdpartikel in die Mikrorisse eindringen können.The Amount of organic radicals of the metal alcoholates or organometallic Compounds can be adapted to the structure of the microcracks. The cracks should during a coating process with be completely closed with another coating, so that nothing of the coating material penetrates into the microcracks can. Furthermore, however, it is necessary that the microcracks when applying a high temperature during operation of the filter yet can close. By the amount and the kind the organic radicals, the amount of inorganic material is adjusted, after a calcination process in which the organic Burn leftovers, remaining in the microcracks. hereby will ensure that a sufficient and not too large amount of inorganic components remains in the microcracks. The amount of inorganic material remaining in the microcracks should be chosen so that the microcracks in operation still close, but no foreign particles in the microcracks can penetrate.

Übliche organische Reste der Metallalkoholate bzw. metallorganischen Verbindungen sind zum Beispiel Methyl, Ethyl, Butyl, Phenyl, Siliziumtrimethyl oder aromatische Systeme, zum Beispiel tri-Phenyl.usual organic radicals of the metal alcoholates or organometallic compounds For example, methyl, ethyl, butyl, phenyl, silicon trimethyl or aromatic systems, for example tri-phenyl.

In dem Sol, mit welchem das Filtersubstrat aus dem keramischen Material benetzt wird, liegen einzeln voneinander separierte Einheiten vor. Diese sind die vorstehend beschriebenen Metallalkoholate oder metallorganischen Verbindungen. Das Umwandeln des Sols in ein Gel erfolgt zum Beispiel durch eine Hydrolysereaktion. Hierdurch wird eine Vernetzung initiiert. So werden zum Beispiel unter der Abspaltung von Wasser Metall-Sauerstoff-Metall-Bindungen zwischen den einzelnen separierten Einheiten ausgebildet. Die Vernet zung kann zum Beispiel mit Hilfe von Additiven, zum Beispiel Brönsted- oder Lewissäuren oder -basen, beispielsweise H2O, Essigsäure, Zitronensäure, HNO3, NH3 oder NaOH oder durch eine Modifikation der eingesetzten Alkoholate gesteuert werden, beispielsweise durch Einführen von Protonendonor- oder -akzeptorgruppen.In the sol, with which the filter substrate is wetted from the ceramic material, individually separated units are present. These are the above-described metal alcoholates or organometallic compounds. The conversion of the sol into a gel occurs, for example, by a hydrolysis reaction. This initiates networking. Thus, for example, with the elimination of water, metal-oxygen-metal bonds are formed between the individual separated units. The crosslinking can be controlled, for example by means of additives, for example Bronsted or Lewis acids or bases, for example H 2 O, acetic acid, citric acid, HNO 3 , NH 3 or NaOH or by a modification of the alcoholates used, for example by introduction of proton donor or acceptor groups.

Durch den sich an die Umwandlung des Sols in ein Gel anschließenden Trocknungsschritt wird das Lösungsmittel des Sols, im Allgemeinen Wasser, entfernt. Dies führt zu einem Schrumpfungsprozess und es bleibt ein Netzwerk aus anorganischem Material im Mikroriss zurück. Bei Verwendung von Alkoholaten des Aluminiums, Siliziums oder Zirkons bildet sich ein Netzwerk mit Al-O-, Si-O- bzw. Zr-O-Bindungen.By following the transformation of the sol into a gel Drying step becomes the solvent of the sol, in general Water, away. This leads to a shrinking process and a network of inorganic material remains in the microcrack. When using alcoholates of aluminum, silicon or zirconium Forms a network with Al-O, Si-O or Zr-O bonds.

Das Benetzen des Filtersubstrates aus dem keramischen Material mit dem Sol erfolgt zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse. Bevorzugt wird das Filtersubstrat aus keramischem Material in das Sol eingetaucht.The Wetting the filter substrate of the ceramic material with the Sol is done, for example, by spraying, dipping, watering or similar coating processes. This is preferred Filter substrate of ceramic material immersed in the sol.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf das Filtersubstrat in einem weiteren Schritt nach der Ausbildung des Gels und dem Trocknen eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht. Die Oberflächenbeschichtung ist zum Beispiel eine katalytisch aktive Beschichtung, wie sie dem Fachmann bekannt ist.In a preferred embodiment is applied to the filter substrate in a further step after the formation of the gel and drying applied a surface coating. The surface coating is, for example, a catalytically active coating, as the Is known in the art.

Als Beschichtungsmaterial für die Oberflächenbeschichtung eignen sich zum Beispiel Aluminiumoxid, Aluminiumoxidhydrate, Zirkondioxid, Siliziumdioxid oder Titandioxid. Diese Substanzen sind im Allgemeinen mit einem Oxid eines Metalls der dritten bis fünften Nebengruppe, mindestens einem Oxid eines Lanthanoiden, einschl. des Lanthan oder einer Mischung eines oder mehrerer dieser Oxide dotiert. Besonders bevorzugt ist ein Oxid des Ces, Praseodym oder Neodym.When Coating material for surface coating For example, alumina, alumina hydrates, zirconia, Silica or titania. These substances are in general with an oxide of a metal of the third to fifth subgroups, at least one oxide of a lanthanum, including the lanthanum or a mixture of one or more of these oxides doped. Especially preferred is an oxide of the ces, praseodymium or neodymium.

Die Oberflächenbeschichtung wird zum Beispiel in Form von Partikeln als Schlicker oder als Sol durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse auf das keramische Filtersubstrat aufgebracht. Weiterhin sind auch auf Vakuum basierende Beschichtungsprozesse geeignet.The Surface coating is for example in the form of particles as a slip or as a sol by spraying, dipping, watering or similar coating processes on the ceramic Applied filter substrate. Furthermore, they are also based on vacuum Coating processes suitable.

Geeignete Deckschichten werden zum Beispiel durch Kombination von Nanopartikeln, das heißt Partikel mit einem mittleren Durchmesser < 1 μm, und Mikropartikeln, das heißt Partikel mit einem mittleren Durchmesser > 1 μm, mitunter mit bi- oder polymodaler Partikelgrößenverteilung, erzielt.suitable Cover layers are produced, for example, by combining nanoparticles, that is particles with a mean diameter <1 μm, and microparticles, that is, particles having a middle one Diameter> 1 μm, sometimes with bi or polymodal particle size distribution, achieved.

Aufgrund der in den Mikrorissen enthaltenen Gel-Netzwerke können während des Beschichtungsprozesses zur Herstellung der Oberflächenbeschichtung keine Partikel in die Mikrorisse eindringen.by virtue of the gel networks contained in the microcracks can during the coating process for producing the Surface coating no particles in the microcracks penetration.

Damit das Gel sich während des Beschichtungsprozesses mit der Oberflächenbeschichtung nicht auflöst, ist es erforderlich, dass es nicht zu hydrophil ist. Andererseits ist es jedoch auch notwendig, dass das Gel nicht zu hydrophob ist, damit das Auftragen der Oberflächenbeschichtung nicht erschwert wird. Dies wird zum Beispiel durch Einfügen von primären, sekundären oder tertiären Siloxangruppen erzielt.In order to the gel is during the coating process with the Surface coating does not dissolve, it is required that it is not too hydrophilic. On the other hand it is but also necessary that the gel is not too hydrophobic, so the application of the surface coating is not difficult becomes. This is done, for example, by inserting primary, achieved secondary or tertiary siloxane.

Zur Fixierung der Oberflächenbeschichtung wird das Filtersubstrat nach dem Auftragen des partikelhaltigen Schlickers oder des Sols vorzugsweise in einem weiteren Schritt getrocknet und/oder kalziniert. Das Trocknen erfolgt dabei vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 150°C, das Kalzinieren bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 700°C.to Fixation of the surface coating becomes the filter substrate after application of the particulate slip or sol preferably dried and / or calcined in a further step. The drying is preferably carried out at temperatures in the range from 60 to 150 ° C, calcining at temperatures in the range from 300 to 700 ° C.

Beim Kalzinieren, sofern dies durchgeführt wird, oder auch bei höheren Temperaturen während des Betriebs des Filters werden im Allgemeinen die organischen Reste des Gels verbrannt. Hierdurch wird das Gel-Netzwerk zerstört. Es bleiben Agglomerate aus den anorganischen Verbindungen des Gels zurück. Bei Einsatz von Aluminium-, Silizium- bzw. Zirkonalkoholaten als Ausgangsreagenzien zur Erzeugung des Gels sind die anorganischen Verbindungen Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumoxid (SiO2) bzw. Zirkonoxid (ZrO2). Diese Agglomerate verbleiben in den Mikrorissen und stellen auf diese Weise sicher, dass während des Betriebes keine Fremdsubstanzen in die Mikrorisse eingetragen werden. Diese Fremdsubstanzen sind zum Beispiel Aschepartikel, wie sie beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine entstehen können. Das Verhältnis der anorganischen Bestandteile zu den organischen Resten, die bei hohen Temperaturen verbrannt werden, wird so eingestellt, dass sich die Risse noch in ausreichendem Maße schließen können, um thermische Spannungen ausgleichen zu können. Ein geeignetes Verhältnis von organischen zu anorganischen Bestandteilen liegt vorzugsweise im Bereich von 95 zu 5 bis 70 zu 30, insbesondere im Bereich von 90 zu 10 bis 80 zu 20.When calcining, if this is done, or even at higher temperatures during operation of the filter, the organic radicals of the gel are generally burned. This will destroy the gel network. There remain agglomerates of the inorganic compounds of the gel. When using aluminum, silicon or zirconium alcoholates as starting reagents for producing the gel, the inorganic compounds are aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ). These agglomerates remain in the microcracks and thus ensure that no foreign substances are introduced into the microcracks during operation. These foreign substances are, for example, ash particles, such as may occur during operation of the internal combustion engine. The ratio of the inorganic constituents to the organic radicals which are burned at high temperatures is adjusted so that the cracks can still close sufficiently to be able to compensate for thermal stresses. A suitable ratio of organic to inorganic constituents is preferably in the range from 95 to 5 to 70 to 30, in particular in the range from 90 to 10 to 80 to 20.

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 zeigenIt demonstrate

1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung, 1 a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention,

2 ein erfindungsgemäßes Filtersubstrat im Längsschnitt, 2 a filter substrate according to the invention in longitudinal section,

3 eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrates, 3 a schematic representation of the coated filter substrate,

4 einen Verfahrensablauf zur Bildung des Gels am Beispiel eines Mikrorisses. 4 a procedure for the formation of the gel using the example of a micro-crack.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist ein Filter, in welchem Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt werden. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention. The exhaust aftertreatment device is a filter in which soot particles are removed from the exhaust gas flow.

Ein Verbrennungskraftmaschine 10 ist über Abgasrohr 12 verbunden, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.An internal combustion engine 10 is over exhaust pipe 12 connected in which a filter device 14 is arranged. With the filter device 14 soot particles are out of the exhaust pipe 12 filtered exhaust gas filtered out. This is especially necessary for diesel engines to comply with legal requirements.

Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filtersubstrat 18 angeordnet ist.The filter device 14 includes a cylindrical housing 16 in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, also a total cylindrical filter substrate 18 is arranged.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Filtersubstrat im Längsschnitt. 2 shows a filter substrate according to the invention in longitudinal section.

Das Filtersubstrat 18 ist zum Beispiel als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, z. B. Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, hergestellt. Das Filtersubstrat 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas durchströmt. Das Abgas tritt über eine Eintrittsfläche 22 in das Filtersubstrat 18 ein und verlässt dieses über eine Austrittsfläche 24.The filter substrate 18 For example, as an extruded molded body made of a ceramic material, for. For example, magnesium-aluminum silicate, preferably cordierite produced. The filter substrate 18 will be in the direction of the arrows 20 flows through exhaust gas. The exhaust gas passes over an entrance surface 22 in the filter substrate 18 and leaves this via an exit surface 24 ,

Parallel zu einer Längsachse 26 des Filtersubstrats 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 verschlossen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind hierzu Verschlussstopfen 36 vorgesehen. Anstelle der Verschlussstopfen 36 ist es jedoch auch möglich, dass Eintrittskanäle 28 sich zur Austrittsfläche 24 hin verjüngen, bis sich die Wandungen des Eintritts kanals 28 berühren und der Eintrittskanal 28 so verschlossen wird. In diesem Fall weist der Eintrittskanal 28 in Richtung parallel zur Längsachse 26 einen dreieckförmigen Querschnitt auf.Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter substrate 18 run several inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30 , The entrance channels 28 are at the exit surface 24 locked. In the embodiment shown here are sealing plugs for this purpose 36 intended. Instead of the sealing plugs 36 However, it is also possible that entrance channels 28 to the exit surface 24 Rejuvenate until the walls of the entrance channel 28 touch and the entrance channel 28 so closed. In this case, the inlet channel 28 in the direction parallel to the longitudinal axis 26 a triangular cross section.

Entsprechend sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.Accordingly, the outlet channels 30 at the exit surface 24 open and in the area of the entrance area 22 locked.

Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt somit in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 38 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.The flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall 38 in one of the exit channels 30 , This is exemplified by the arrows 32 shown.

In 3 ist eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrats dargestellt. Eine Filterwand 38 ist aus einem keramischen Filtersubstrat gefertigt. Das keramische Filtersubstrat besteht aus einzelnen Kristalliten 40, die im Allgemeinen durch Sintern miteinander verbunden sind. Das keramische Filtersubstrat ist vorzugsweise Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat oder Cordierit. Auch sind Mischungen dieser Materialien möglich. Zwischen den einzelnen Kristalliten 40 des keramischen Filtersubstrats befinden sich Poren 42, welche von dem zu reinigenden Gasstrom durchströmt werden. Die Partikel, die im Gasstrom enthalten sind, werden vom keramischen Filtersubstrat der Filterwand 38 zurückgehalten. Die Partikel, die aus dem Gasstrom entfernt werden, setzen sich auch in den Poren 42 ab. Hierdurch verringert sich der freie Querschnitt in der Filterwand 38 und der Druckverlust über die Filterwand 38 steigt an. Aus diesem Grund ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen die Partikel aus den Poren zu entfernen. Dies geschieht im Allgemeinen durch thermische Regeneration, indem der Filter auf eine Temperatur von mehr als 600°C aufgeheizt wird. Bei dieser Temperatur verbrennen die in der Regel organischen Partikel zu Kohlendioxid und Wasser und werden gasförmig aus dem Partikelfilter ausgetragen.In 3 a schematic representation of the coated filter substrate is shown. A filter wall 38 is made of a ceramic filter substrate. The ceramic filter substrate consists of individual crystallites 40 which are generally interconnected by sintering. The ceramic filter substrate is preferably silicon carbide, aluminum titanate or cordierite. Also, mixtures of these materials are possible. Between the individual crystallites 40 of the ceramic filter substrate are pores 42 , which are flowed through by the gas stream to be purified. The particles contained in the gas stream become from the ceramic filter substrate of the filter wall 38 retained. The particles that are removed from the gas stream also settle in the pores 42 from. This reduces the free cross section in the filter wall 38 and the pressure loss across the filter wall 38 rises. For this reason, it is necessary to remove the particles from the pores at regular intervals. This is generally done by thermal regeneration by heating the filter to a temperature in excess of 600 ° C. At this temperature, the usually organic particles burn to carbon dioxide and water and are discharged in gaseous form out of the particle filter.

Die Kristallite 40 des keramischen Filtersubstrates sind im Allgemeinen mit einer Oberflächenbeschichtung 44 beschichtet. Die Oberflächenbeschichtung ist üblicherweise katalytisch aktiv, um zum Beispiel im Abgas enthaltenes CO zu CO2 und im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O zu oxidieren sowie Stickstoffoxide zu Stickstoff und Sauerstoff zu reduzieren. Üblicherweise enthält die Oberflächenbeschichtung 44 Partikel, die ein katalytisch aktives Material enthalten. Die Partikel werden üblicherweise zu einer keramischen Beschichtung gesintert. Die Herstellung derartiger Oberflächenbeschichtungen 44 ist dem Fachmann bekannt.The crystallites 40 of the ceramic filter substrate are generally coated with a surface 44 coated. The surface coating is usually catalytically active to oxidize hydrocarbons contained in the exhaust gas, for example, contained CO to CO 2 and in the exhaust gas to CO 2 and H 2 O as well as to reduce nitrogen oxides to nitrogen and oxygen. Usually, the surface coating contains 44 Particles containing a catalytically active material. The particles are usually sintered to a ceramic coating. The production of such surface coatings 44 is known in the art.

In den einzelnen Kristalliten 40 sind im Allgemeinen Mikrorisse 46 enthalten. Bei hohen Temperaturen kann sich das Material ausdehnen, indem die Mikrorisse 46 geschlossen werden. Hierdurch werden Spannungen im Gefüge aus den Kristalliten 40 abgebaut. Sind die Mikrorisse 46 durch Komponenten, die aus dem Beschichtungsprozess stammen, oder durch Asche vollständig oder teilweise verstopft, kann das Filtersubstrat sich nicht in genügendem Maße ausdehnen. Hierdurch können sich lokal sehr hohe Spannungen aufbauen, die insbesondere bei hohen Temperaturen unter hydrothermalen Bedingungen zur reversiblen Rissbildung führen können. Das Filtersubstrat 18 reißt auf.In the individual crystallites 40 are generally micro cracks 46 contain. At high temperatures, the material can expand by the microcracks 46 getting closed. As a result, tensions in the structure of the crystallites 40 reduced. Are the microcracks 46 due to components originating from the coating process or completely or partially blocked by ash, the filter substrate can not expand sufficiently. As a result, locally very high voltages can build up, which can lead to reversible cracking, especially at high temperatures under hydrothermal conditions. The filter substrate 18 tears open.

Um ein Verschließen der Mikrorisse 46 mit Partikeln des Beschichtungsmaterials zu verhindern und ein Eindringen von Asche beim laufenden Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden, werden die Mikrorisse 46 mit einem Gel gefüllt.To close the microcracks 46 with particles of the coating material to prevent and to prevent the ingress of ash during ongoing operation of the internal combustion engine, the microcracks 46 filled with a gel.

In 4 ist ein Verfahren zur Füllung von Mikrorissen mit einem Gel exemplarisch für einen Mikroriss dargestellt.In 4 a method for filling microcracks with a gel is exemplified for a microcrack.

In einem ersten Schritt wird das Filtersubstrat mit einem Sol benetzt. Das Benetzen erfolgt zum Beispiel durch Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche Beschichtungsprozesse. Durch das Benetzen dringt Sol 48 in die Mikrorisse 46, die in den einzelnen Kristalliten 40 des Filtersubstrates enthalten sind, ein. Das Sol enthält vorzugsweise metallorganische Verbindungen oder Alkoholate des Aluminium, Silizium oder Zirkon. Geeignete Bestandteile des Sols sind zum Beispiel Aluminiumalkoholate, Siloxane, Böhmit oder Kieselsäure. Auch Mischungen dieser Substanzen können zum Einsatz kommen. Die Alkoholate bzw. metallorganischen Verbindungen liegen im Sol als einzeln voneinander separierte Einheiten vor, die nicht miteinander vernetzt sind. Durch eine Hydrolyse wird eine Vernetzung der einzelnen voneinander separierten Einheiten initiiert. Hierbei bilden sich unter Abspaltung von Wasser Metall-Sauerstoff-Metall-Bindungen aus. Es entsteht ein Gel-Netzwerk 52 im Mikroriss 46. Durch Zugabe geeigneter Additive bzw. durch eine Modifikation der eingesetzten Alkoholate kann die Vernetzung kontrolliert werden.In a first step, the filter substrate is wetted with a sol. Wetting is done, for example, by spraying, dipping, soaking or the like coating processes. By moistening sol penetrates 48 into the microcracks 46 that exist in the individual crystallites 40 of the filter substrate are included. The sol preferably contains organometallic compounds or alcoholates of aluminum, silicon or zirconium. Suitable constituents of the sol are, for example, aluminum alcoholates, siloxanes, boehmite or silicic acid. Mixtures of these substances can also be used. The alcoholates or organometallic compounds are present in the sol as individually separated units, which are not crosslinked with each other. Hydrolysis initiates crosslinking of the individual units separated from each other. This forms metal-oxygen-metal bonds with elimination of water. It creates a gel network 52 in the microcrack 46 , By adding suitable additives or by a modification of the alkoxides used, the crosslinking can be controlled.

In einem nachfolgenden Trocknungsschritt 54 wird das Lösemittel entfernt. Hierbei handelt es sich im Allgemeinen um Wasser. Durch das Trocknen tritt ein Schrumpfungsprozess ein. Im Mikroriss 46 verbleibt ein trockenes Netzwerk 56. Dieses enthält Metall-Sauerstoff-Bindungen und organische Bestandteile. Die Metall-Sauerstoff-Bindungen sind abhängig von den eingesetzten Alkoholaten oder metallorganischen Verbindungen, im Allgemeinen Aluminium-Sauerstoff-Bindungen, Silizium-Sauerstoff-Bindungen oder Zirkon-Sauerstoff-Bindungen bzw. Kombinationen daraus.In a subsequent drying step 54 the solvent is removed. These are generally water. Drying causes a shrinkage process. In the microcrack 46 remains a dry network 56 , This contains metal-oxygen bonds and organic components. The metal-oxygen bonds are dependent on the alkoxides or organometallic compounds used, generally aluminum-oxygen bonds, silicon-oxygen bonds or zirconium-oxygen bonds or combinations thereof.

Der Abscheidegrad des Sols 48 in den Mikrorissen 46 sowie der Ausbildung des Gel-Netzwerkes 52 in den Mikrorissen 46 lässt sich durch die Trocknungsparameter bzw. die Kapillarspannungen einstellen. Damit die Mikrorisse 46 durch das Gel-Netzwerk 52 gefüllt werden, wird die Trocknung im Allgemeinen im Bereich von 40 bis 120°C über eine Zeitdauer von 5 bis 30 Minuten durchgeführt.The degree of separation of the sol 48 in the microcracks 46 as well as the formation of the gel network 52 in the microcracks 46 can be adjusted by the drying parameters or the capillary tension. So the microcracks 46 through the gel network 52 The drying is generally carried out in the range of 40 to 120 ° C over a period of 5 to 30 minutes.

Die Kapillarspannungen lassen sich zum Beispiel durch Zugabe von oberflächenaktiven Substanzen, beispielsweise Tensiden, einstellen. Je mehr von der oberflächenaktiven Substanz zugegeben wird, um so niedriger wird die Oberflächenspannung. Als oberflächenaktive Substanzen eignen sich sowohl nicht-ionische, als auch anionische, kationische und amphotere Tenside. Bei der Auswahl der Tenside ist jedoch darauf zu achten, dass diese nicht mit den eingesetzten Alkoholaten bzw. metallorganischen Verbindungen reagieren. Insbesondere als Tenside geeignet sind Polyoxyethylensorbitanmonolaurat, Polyoxyethylensorbitanmonopalmitat, Polyoxyethylensorbitanmonostearat, Polyoxyethylensorbitanmonooleate, Polyoxyethylensorbitantrioleat, Polyoxyethylen-(20)-stearylether, Polyoxyethylen-(10)-laurylether, Polyoxyethylen-(4)-laurylether, Polyoxyethylen-(2)-cetylether, Polyoxyethylen-(10)-cetylether und Polyoxyethylen-(20)-stearylether.The Capillary stresses can be, for example, by adding surface-active Adjust substances, for example surfactants. The more of the surfactant is added, the lower will be the surface tension. As surface-active Substances are both non-ionic, and anionic, cationic and amphoteric surfactants. When choosing the surfactants is However, make sure that these are not with the alcoholates used or organometallic compounds react. In particular as surfactants suitable are polyoxyethylene sorbitan monolaurate, polyoxyethylene sorbitan monopalmitate, Polyoxyethylene sorbitan monostearate, polyoxyethylene sorbitan monooleate, Polyoxyethylene sorbitan trioleate, polyoxyethylene (20) stearyl ether, Polyoxyethylene (10) lauryl ether, polyoxyethylene (4) lauryl ether, polyoxyethylene (2) cetyl ether, Polyoxyethylene (10) cetyl ether and polyoxyethylene (20) stearyl ether.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 2005/0037147 A [0007] US 2005/0037147 A [0007]

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, folgende Schritte umfassend: (a) Benetzen eines Filtersubstrates (18) aus einem keramischen Material mit einem Sol (48), (b) Umwandeln des Sols (48) in ein Gel (52) und (c) Trocknen und/oder Kalzinieren des Filtersubstrates (18).Method for producing a filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine, comprising the following steps: (a) wetting a filter substrate ( 18 ) of a ceramic material with a sol ( 48 ), (b) converting the sol ( 48 ) into a gel ( 52 ) and (c) drying and / or calcining the filter substrate ( 18 ). Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln des Sols (48) in ein Gel (52) durch eine Hydrolysereaktion erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that the conversion of the sol ( 48 ) into a gel ( 52 ) by a hydrolysis reaction. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol (48) Metallalkoholate, Metallorganische Verbindungen oder Mischungen daraus enthält.Process according to claim 1 or 2, characterized in that the sol ( 48 ) Metal alkoxides, organometallic compounds or mixtures thereof. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol (48) Aluminiumalkoholate, Siliziumalkoholate, Zirkonalkoholate, Siloxane, Böhmit, Kieselsäure oder Mischungen daraus enthält.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sol ( 48 ) Aluminum alkoxides, silicon alkoxides, zirconium alcoholates, siloxanes, boehmite, silica or mixtures thereof. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholate organische Reste enthalten, die ausgewählt sind aus Methyl, Ethyl, Butyl, Phenyl, SiMe3, Ph3 und aromatischen Systemen.A method according to claim 4, characterized in that the alcoholates contain organic radicals selected from methyl, ethyl, butyl, phenyl, SiMe 3 , Ph 3 and aromatic systems. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt eine katalytisch aktive Oberflächenbeschichtung auf das Filtersubstrat (18) aufgebracht wird, wobei die Oberflächenbeschichtung vor oder nach dem Trocknen in Schritt (c) aufgebracht werden kann.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in a further step, a catalytically active surface coating on the filter substrate ( 18 ), wherein the surface coating may be applied before or after drying in step (c). Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Oberflächenbeschichtung in Form von Partikeln als Schlicker oder als Sol auf das Filtersubstrat (18) aufgebracht wird.A method according to claim 6, characterized in that the catalytically active surface coating in the form of particles as a slip or as a sol on the filter substrate ( 18 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (18) nach dem Aufbringen der katalytisch aktiven Oberflächenbeschichtung getrocknet und/oder kalziniert wird.Method according to claim 6 or 7, characterized in that the filter substrate ( 18 ) is dried and / or calcined after application of the catalytically active surface coating. Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, ein Filtersubstrat (18) aus einem keramischen Material umfassend, wobei das keramische Material Mikrorisse (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mikrorissen (46) Partikel aus einem temperaturstabilen Material enthalten sind.Filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine, a filter substrate ( 18 ) comprising a ceramic material, the ceramic material having microcracks ( 46 ), characterized in that in the microcracks ( 46 ) Particles are contained in a temperature-stable material. Filter gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturstabile Material ausgewählt ist aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid und Mischungen daraus.Filter according to claim 9, characterized characterized in that the temperature-stable material is selected is of alumina, silica, zirconia and mixtures thereof. Filter gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material des Filtersubstrates (18) Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Cordierit ist.Filter according to claim 9 or 10, characterized in that the ceramic material of the filter substrate ( 18 ) Alumina, silicon carbide or cordierite.
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