DE102007036255A1

DE102007036255A1 - Filtereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007036255A1
Application number: DE200710036255
Authority: DE
Inventors: Teruo Komori; Rüdiger Nagoya Herr; Bernd Reinsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2009016008A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Filterelements aus einem keramischen Werkstoff beschrieben, bei dem die eingesetzten Verschlussstopfen (31) eine bessere und sicherere Verbindung mit den Filterwänden (34) eingehen. Dadurch werden Funktionsausfälle des Filterelements (18) auf Grund herausgefallender Verschlussstopfen (31) vermieden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Filter mit einem Filterelement nach dem nebengeordneten Anspruch 9. Derartige Filterelemente werden beispielsweise als Rußfilter für Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt.
Die Filterelemente bestehen häufig aus einem keramischen Werkstoff und weisen eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Eintrittskanälen und Austrittskanälen auf.
Hergestellt werden Filterelemente aus keramischen Werkstoffen durch Extrudieren. Dies bedeutet, dass der Rohling des Filterelements ein prismatischer Körper mit einer Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen ist. Die Kanäle eines Rohlings sind zunächst an beiden Enden offen. Um daraus ein Filterelement zu machen, wird ein Teil der Kanäle am hinteren Ende des Filterelements mit Hilfe von Verschlussstopfen verschlossen, während ein anderer Teil der Kanäle am vorderen Ende des Filterelements mit Hilfe von Verschlussstopfen verschlossen werden. Dadurch werden zwei Gruppen von Kanälen gebildet, nämlich die sogenannten Eintrittskanäle, welche am Ende verschlossen sind, und die sogenannten Austrittskanäle, welche am Anfang des Filterelements verschlossen sind.
Dann besteht zwischen den Eintrittskanälen und den Austrittskanälen nur über die porösen Wände des Filterelements (nachfolgend Filterwände) eine Strömungsverbindung, so dass die Abgase zwangsweise durch die Filterwände strömt. Dabei lagert sich der im Abgas enthaltene Ruß in den Filterwänden ab.
Bei der Regeneration der Filterelemente werden diese Rußablagerungen oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Daraus resultiert eine Temperaturerhöhung im Filterelement. Wenn die bei der Regeneration auftretenden Temperaturen zu groß werden, nimmt das Filterelement Schaden. Diese Gefahr ist vor allem bei Filterelementen aus Cordierit vorhanden, da Cordierit eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmekapazität hat und deshalb bei der Oxidation von Rußablagerungen lokal sehr hohe Temperaturen auftreten können. In Folge dessen können bei der Regeneration in kritischen Motorbetriebspunkten so hohe Temperaturen und so große Temperaturunterschiede innerhalb des Filterelements auftreten, dass das Filterelement Risse bekommt, die von der Mantelfläche ausgehen, und dadurch unbrauchbar wird.
Um das Auftreten von Wärmespannungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu verhindern, werden die Filterelemente und die dazugehörigen Verschlussstopfen üblicherweise aus dem gleichen Ausgangsmaterial, einer Suspension von keramischen pulverförmigen Werkstoffen in einer wässrigen Dispersionsflüssigkeit, hergestellt.
Der Rohling eines Filterelements wird durch Extrudieren der Suspension hergestellt, während die Verschlussstopfen durch Pressen oder ein anderes Umformverfahren aus der Suspension hergestellt werden. Vor der Wärmebehandlung werden die Rohlinge der Verschlussstopfen in die Kanäle des Rohlings eines Filterelements eingesetzt. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung verbinden sich mit den Filterwänden des Filterelements und verschließen dadurch die Eintritts- und Austrittskanäle.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass die Verschlussstopfen nicht immer ausreichend fest mit der Filterwand des Filterelements verbunden sind, so dass sie während des Betriebs, aufgrund der Temperaturänderungen und der Druckkräfte, manchmal aus den Filterelementen herausfallen. In Folge dessen strömt das Abgas nicht mehr zwangsweise durch die Filterwände 34, sondern direkt durch die dann nicht mehr verschlossenen Kanäle im Filterelement, so dass sich der Filtrationswirkungsgrad eines solcherart geschädigten Filterelements stark verringert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Filterelement aus einem keramischen Werkstoff bereit zu stellen, dessen Zuverlässigkeit und Betriebsdauer erhöht ist und bei dem Funktionsausfälle auf Grund fehlender Verschlussstopfen nahezu ausgeschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren bei dem ein erster pulverförmiger keramischer Werkstoff mit einem ersten Dispersionsmittel zu einer ersten Suspension gemischt wird, die erste Suspension zu einem Rohling eines Filterelements extrudiert wird, ein zweiter pulverförmiger keramischer Werkstoff mit einem zweiten Dispersionsmittel zu einer zweiten Suspension gemischt wird, Rohlinge der Verschlussstopfen aus der zweiten Suspension geformt werden und diese Rohlinge der Verschlussstopfen in den Rohling des Filterelements eingesetzt werden.
Dadurch, dass der Rohling des Filterelements aus einer ersten Suspension gefertigt wird, die ein erstes Dispersionsmittel aufweist, und die Rohlinge der Verschlussstopfen aus einer zweiten Suspension mit einem anderen Dispersionsmittel hergestellt werden, ist es möglich, den Verschlussstopfen in den Rohling einzusetzen, ohne dass sich die Rohlinge der Verschlussstopfen und des Filterelements gegenseitig anlösen. Dieses Anlösen führt nämlich dazu, dass sich der Rohling des Filterelements oder die Rohlinge der Verschlussstopfen verformen. Dieser Verformungen verhindern oder erschweren eine sichere Verbindung zwischen den Rohlingen der Verschlussstopfen und der Filterelemente.
Erfindungsgemäß kann das erste Dispersionsmittel im Wesentlichen aus Wasser bestehen, während das zweite Dispersionsmittel im Wesentlichen aus Alkohol, insbesondere Ethanol, Methanol oder einem anderen höheren Alkohol, einem teilpolaren Lösungsmittel, einem unpolaren Lösungsmittel oder einer Mischung von mindestens zwei dieser Lösungsmittel besteht.
Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Dispersionsmitteln für die Herstellung der ersten Suspension und der zweiten Suspension ist es möglich, im Wesentlichen die gleichen pulverförmigen keramischen Werkstoffe für die erste Suspension und für die zweite Suspension zu benutzen, ohne dass sich die Rohlinge der Verschlussstopfen und die Rohlinge der Filterelemente gegenseitig anlösen. Dadurch bleiben die Abmessungen der Rohlinge der Filterelemente und der Rohlinge der Verschlussstopfen erhalten und bei der anschließenden Wärmebehandlung des Filterelements ergibt sich eine zuverlässige und über die gesamte Lebensdauer des Filterelements haltbare Verbindung zwischen den Verschlussstopfen und dem Filterelement. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders geeignet erwiesen, wenn der erste keramische Werkstoff Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titanoxid, Siliziumcarbit und/oder Aluminiumtitanat ist.
Des weiteren ist es erforderlich, dass der zweite keramische Werkstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten keramischen Werkstoffs ist. Dies kann besonders einfach und wirkungsvoll dadurch erreicht werden, dass der zweite keramische Werkstoff im Wesentlichen gleich ist wie der erste keramische Werkstoff. Allerdings können, um eine weiter verbesserte Verbindung zwischen den Verschlussstopfen und dem Filterelement zu erreichen, dem zweiten keramischen Werkstoff Haftvermittler, insbesondere Niedrig-WAK-Gläser oder Gläser mit hohem Siliziumoxidgehalt, zugegeben werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Filtereinrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch 9 erreicht. Die durch die erfindungsgemäße Filtereinrichtung realisierbare Vorteile entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl Einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements,
3 ein Detail eines erfindungsgemäßen Filterelements und
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Ein Steuergerät 11 steuert die Brennkraftmaschine 10 über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen). Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filtereinrichtung 14 ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt. Bei Bedarf wird die Brennkraftmaschine 10 von dem Steuergerät 11 so angesteuert, dass das Filterelement 18 der Filtereinrichtung 16 regeneriert wird.
In 2 ist ein Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterelements 18 sowie das umgebende Gehäuse 16 dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine Eintrittsfläche hat in 2 das Bezugszeichen 22, während eine Austrittsfläche in 2 das Bezugszeichen 24 hat.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der zweiten Stirnfläche 24 mittels Verschlussstopfen 31 verschlossen. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der zweiten Stirnfläche 24 offen und im Bereich der ersten Stirnfläche 22 mittels Verschlussstopfen 31 verschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 34 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
Wie sich aus dem Längsschnitt gemäß 2 ergibt, ist das Filterelement 18 dichtend in einem Gehäuse 16 der Filtereinrichtung 14 aufgenommen. Zwischen Gehäuse 16 und Filterelement 18 ist eine Dichtmatte 36 angeordnet, die dafür sorgt, dass die Verbindung zwischen Gehäuse 16 und Filterelement 18 gasdicht ist.
In 3 ist ein Teil einer Austrittsfläche 24 des Filterelements 18 stark vergrößert dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Eintrittskanäle 28, alle Austrittskanäle 30, alle Filterwände 34 und alle Verschlussstopfen 31 mit Bezugszeichen versehen. In 3 sind die drei Raumesrichtungen in Form einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine entstehen auf Grund der hohen Temperaturen des Abgases Wärmedehnungen im Filterelement 18. Diese Wärmedehnungen finden sowohl in Richtung der X-Achse, der Y-Achse als auch der Z-Achse statt. Dadurch kann es zu inneren Spannungen zwischen den Filterwänden 34 und den Verschlussstopfen 31 kommen. Damit während des Betriebs des Filterelements 18 die Verschlussstopfen 31 nicht aus dem Filterelement 18 herausfallen, ist es daher erforderlich, dass die Wärmedehnungen der Filterwände 34 und der Verschlussstopfen 31 möglichst gleich ist. Des weiteren ist eine innige und belastbare Verbindung zwischen den Verschlussstopfen 31 und den Filterwänden 34 notwendig. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, indem die Rohlinge der Verschlussstopfen 31 aus einer zweiten Suspension, die ein anderes Dispersionsmittel umfasst als die erste Suspension, hergestellt werden. Dadurch kommt es nicht zu einem Anlösen der Filterwände 34, wenn die Verschlussstopfen 31 noch vor der Wärmebehandlung in die noch feuchten Rohlinge des Filterelements eingesetzt werden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Rohlinge der Verschlussstopfen 31 genau in die Kanäle 28 beziehungsweise 30 des Rohlings des Filterelements 18 hineinpassen und dadurch bei der. anschließenden Wärmebehandlung des Filterelements 18 mit den eingesetzten Rohlingen der Verschlussstopfen 31 eine flächige und haltbare Verbindung zwischen den Verschlussstopfen 31 und den Filterwänden 34 stattfindet.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms gemäß 4 erläutert.
In einem ersten Schritt 101 wird eine erste Suspension aus einem ersten pulverförmigen keramischen Werkstoff und einem ersten Dispersionsmittel gemischt.
In einem zweiten Schritt 103 wird die erste Suspension zu einem Rohling eines Filterelements 18 extrudiert.
In einem dritten Schritt 105 wird eine zweite Suspension durch Mischen eines zweiten pulverförmigen keramischen Werkstoff mit einem zweiten Dispersionsmittel hergestellt. Aus dieser zweiten Suspension werden in einem vierten Schritt 107 Rohlinge der Verschlussstopfen 31 geformt. In einem fünften Schritt 109 werden diese Rohlinge der Verschlussstopfen 31 in den Rohling des Filterelements 18 eingesetzt. Anschließend wird dieser Rohling des Filterelements 18 mit eingesetztem Verschlussstopfen 31 in einem sechsten Schritt Wärmebehandlung 111, insbesondere einer Kalzinierung, unterzogen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Filterelements (18) aus einem keramischen Werkstoff, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Mischen eines ersten pulverförmigen keramischen Werkstoffs in einem ersten Dispersionsmittel zu einer ersten Suspension, Extrudieren der ersten Suspension zu einem Rohling eines Filterelements (18), Mischen eines zweiten pulverförmigen keramischen Werkstoffs in einem zweiten Dispersionsmittel zu einer zweiten Suspension, Formen von Rohlingen der Verschlussstopfen (31) aus der zweiten Suspension und Einsetzen der Rohlingen der Verschlussstopfen (31) in den Rohling des Filterelements (18).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling des Filterelements (18) mit eingesetzten Rohlingen der Verschlussstopfen (31) einer Wärmebehandlung, insbesondere einer Calzinierung, unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dispersionsmittel im Wesentlichen aus Wasser besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dispersionsmittel im Wesentlichen aus Alkohol, insbesondere Ethanol, Methanol, oder einem anderen höheren Alkohol, einem teilpolaren Lösungsmittel, einem unpolaren Lösungsmittel oder einer Mischung von mindestens zwei dieser Lösungsmittel besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste keramische Werkstoff Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titandioxid (TiO₂), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite keramische Werkstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des ersten keramischen Werkstoffs ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite keramische Werkstoff Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titandioxid (TiO₂), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite keramische Werkstoff Haftvermittler, insbesondere Niedrig-WAK-Gläser oder Gläser mit hohem Silizium-Oxid-(SiO₂)-Gehalt, umfasst.
Filterelement, insbesondere zur Filterung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von Eintrittskanälen (28), und mit einer Vielzahl von Austrittskanälen (30), wobei die Eintrittskanäle (28) und die Austrittskanäle (30) an einem Ende durch Verschlussstopfen (31) verschlossen sind, wobei das Filterelement (18) aus einem keramischen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanäle (28) und/oder die Austrittskanäle (30) durch Filterwände (34) begrenzt werden, und dass die Filterwände (34) aus Aluminium-Magnesium-Silikat, bevorzugt Cordierit, Titandioxid (TiO₂), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Aluminiumtitanat bestehen.
Filtereinrichtung mit einem Filterelement (18), mit einem Gehäuse (16) und mit einem Abgasrohr (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement ein Filterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.