DE102008002151A1 - Verfahren zur Beschichtung keramischer Körper, insbesondere Rußpartikelfilter - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Beschichtung eines keramischen Körpers (18) vorgeschlagen, das den erforderlichen Materialeinsatz reduziert und den durch die Beschichtung verursachten Anstieg des Abgasgegendrucks begrenzt.

Description

  • Stand der Technik
  • Poröse keramische Körper, wie sie beispielsweise bei Katalysatoren zur Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen oder als Rußpartikelfilter Verwendung finden, werden regelmäßig mit katalytisch aktiven Spezies und/oder Materialen zur Speicherung der Schadgase beschichtet.
  • Die katalytisch aktiven und/oder speichernden Beschichtungen und Imprägnierungen dienen der Absenkung der Abgasemissionen der Brennkraftmaschine.
  • Solche keramischen Körper bestehen aus mehreren Kanälen, die von porösen Wänden begrenzt werden. Die Porosität diese Wände liegt je nach Anwendung zwischen 8% und 78. Als Werkstoff haben sich keramische Materialien wie Cordierit, SIC, Aluminiumtitanat und/oder Mullit bewährt.
  • Die Beschichtung und Imprägnierung solcher keramischer Körper erfolgt häufig durch das Aufbringen flüssiger feingemahlener Suspensionen. Diese Suspensionen können beispielsweise durch Tauchen, durch Einsaugen mit Hilfe eines Unterdrucks, Einblasen mit Hilfe eines Überdrucks oder ähnliche Verfahren aufgetragen werden.
  • Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass sich die katalytisch aktiven Spezies vorwiegend auf den Oberflächen der Filterwände ablagern. Lediglich die Kapillarkräfte der Suspension führen dazu, dass ein, wenn auch nur ein kleiner Teil, der Suspension ins Innere der porösen Wände gelangt und sich dort auf den inneren Oberflächen der Filterwände beziehungsweise den Oberflächen der Poren und der Verbindungskanäle zwischen den Poren niederschlagen. Diese im Innern der Filterwände vorhandenen Oberflächen werden nachfolgend als Innere Oberflächen bezeichnet.
  • Aus der DE 10 2004 040 548 A1 ist es bekannt, durch die besonders feine Mahlung der katalytisch aktiven Spezies auf Teilchengrößen von d90 von etwa 4 μm und einem mittleren Partikeldurchmesser d50 von etwa 1,5 μm die Benetzung der Inneren Oberflächen zu verbessern. Diese besonders fein vermahlenen Partikel gelangen in das Innere der Wände und benetzen dadurch die innere Oberfläche der porösen Wände. Im Ergebnis wird dadurch eine höhere katalytische Aktivität beziehungsweise eine höhere Speicherfähigkeit des Körpers für Schadgase erreicht, ohne dass der Strömungswiderstand des keramischen Körpers in unerwünscht starker Weise ansteigt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung und/oder Imprägnierung eines keramischen Körpers bereitzustellen, bei dem die Wirksamkeit der Beschichtung erhöht beziehungsweise der Materialeinsatz reduziert werden kann. Gleichzeitig soll trotz gleichbleibender oder sogar erhöhter Wirksamkeit der Beschichtung der Strömungswiderstand reduziert und in Folge dessen der Abgasgegendruck des erfindungsgemäßen keramischen Körpers abgesenkt werden. Des Weiteren soll es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich sein, mehrere verschiedene Beschichtungen und/oder Imprägnierungen an dem Filterelement anzubringen, ohne dass dadurch eine unzulässig große Erhöhung des Strömungswiderstands eintritt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Beschichtung eines porösen Körpers aus einem keramischen Werkstoff, umfassend eine Vielzahl im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Kanäle, wobei die Kanäle durch poröse Wände voneinander getrennt sind, dadurch gelöst, dass der Körper nur bereichsweise mit einem Fluid beschichtet und/oder imprägniert wird.
  • Durch die nur bereichsweise Behandlung des Körpers kann die Effizienz der Beschichtung beziehungsweise der Imprägnierung erhöht werden. Gleichzeitig wird der Materialeinsatz reduziert und in Folge dessen auch der Strömungswiderstand, der sich durch die Beschichtung ergibt, gegenüber einer vollständigen und gleichmäßigen Beschichtung des gesamten Körpers verringert werden.
  • Im Ergebnis wird dadurch eine effektivere Abgasnachbehandlung bei verringerten Kosten und verbessertem Strömungswiderstand des Filterelements erreicht.
  • Die erfindungsgemäße bereichsweise Beschichtung lässt sich am einfachsten dadurch realisieren, dass Teile der Eintrittsfläche des Körpers durch eine erste Maske abgedeckt werden und dass in den nicht von der ersten Maske abgedeckten Teilen der Eintrittsfläche einer Strömungsverbindung durch die erste Maske in das innere des Körpers besteht.
  • Dadurch ist es möglich in den Bereichen, in denen eine Strömungsverbindung durch die erste Maske in das Innere des Körpers besteht, ein Imprägnier- oder Beschichtungsfluid in den Körper einzubringen. An den Stellen, an denen die Eintrittsfläche von einer Maske abdeckt wird, gelangt kein Fluid oder nur eine sehr geringe Menge von Fluid in die Kanäle des Körpers, sodass dort keine Beschichtung stattfindet.
  • Die Wirksamkeit dieser selektiven Beschichtung kann weiter erhöht werden, indem auch an der Austrittsfläche des Körpers eine zweite Maske angeordnet wird und diese zweite Maske ebenfalls die Austrittsfläche des Körpers bereichsweise abdeckt. Durch die Gestaltung der Bereiche der Maske, insbesondere der Bereiche der Maske in denen die Eintrittsfläche beziehungsweise die Austrittsfläche abgedeckt wird, ist es möglich, die Beschichtung beziehungsweise Imprägnierung des Körpers auf die Bereiche zu beschränken in denen diese Beschichtung, sei es auf Grund der hydraulischen Verhältnisse oder der Temperaturverteilung während des Betriebs des Filterelements, besonders wirksam ist, so dass trotz geringer Mengen aktiver Substanzen eine gute katalytische Wirkung und/oder Speicherwirkung erzielt wird.
  • Die abgedeckten Bereiche des Körpers werden nicht beschichtet, so dass dort kein zusätzlicher Strömungswiderstand entsteht.
  • Es ist weiter möglich in der ersten und/oder in der zweiten Maske Öffnungen vorzusehen, wobei die Lage der Öffnungen mit der Lage der Kanäle des Körpers abgestimmt ist, so dass das Fluid gezielt in einzelne Kanäle eingebracht werden kann und beispielsweise der benachbarte Kanal nicht mit dem Fluid getränkt und beschichtet wird.
  • Um zu verhindern, dass in die abgedeckten Bereichen des Körpers das zur Beschichtung vorgesehene Fluid eindringt, kann zwischen der oder den Masken, die vorzugsweise aus Metall hergestellt wird, und dem Körper eine Dichtung, insbesondere eine Gummidichtung, vorgesehen wird.
  • Als Fluid kann eine Suspension mit katalytisch aktiven Substanzen eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, mit Hilfe des Fluids speichernde Materialien in Form einer Beschichtung in den Körper einzubringen.
  • Die Beschichtung der Inneren Oberflächen der Filterwände wird deutlich intensiviert, wenn das Fluid durch eine zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche Druckdifferenz in die Filterwände gefördert wird; sei es durch einen Unterdruck auf der einen Seiten des Filterelements und/oder durch einen Überdruck an der anderen Seite des Filterelements. Dann wird auch sicher gestellt, dass das Fluid nicht nur an die Oberfläche der Filterwände benetzt, sondern das Fluid wird auch durch die Poren und die Verbindungskanäle dieser Poren in den Filterwänden gezogen beziehungsweise gepresst, sodass sich das Fluid und die darin enthaltenen aktiven Spezies in den inneren Oberflächen der Wände absetzt.
  • Dadurch wird die Wirksamkeit der Beschichtung beziehungsweise Imprägnierung erhöht, ohne zu einer nennenswerten beziehungsweise unakzeptabel hohen Erhöhung des Strömungswiderstands zu führen.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens können noch weiter gesteigert werden, wenn das Verfahren mehrmals mit verschiedenen Masken und verschiedenen Fluiden durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, in jedem Bereich des Körpers entsprechend den dort während des Betriebs herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen eine optimale Beschichtung und/oder Imprägnierung vorzusehen. Auch dadurch kann bei geringstem Einsatz von Beschichtungsmaterialien eine optimale Effizienz der Beschichtung erzielt werden.
  • Weitere Vorteile und Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verwahrens in der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen entnehmbar sind. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarter Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
  • 2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt,
  • 3 Ausführungsbeispiele von Masken,
  • 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
  • Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
  • In 2 ist ein Querschnitt ein Filterelement 18 dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt 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 Austrittsfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.
  • Es gibt auch Ausführungsformen bei denen die Kanäle 28 und 30 nicht durch Verschlussstopfen verschlossen sind (nicht dargestellt) oder bei denen die Verschlussstopfen durchlässig für die Abgase der Brennkraftmaschine ist. Die Erfindung betrifft alle genannten Ausführungsformen von Filterelementen 18 und ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei Filterelementen ohne Verschlussstopfen.
  • Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine der porösen Filterwände 31 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maske 34 dargestellt. Die Maske 34 ist im wesentlichen als kreisrunde Scheibe aus Blech ausgebildet, die eine Vielzahl von Öffnungen 36 aufweist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Öffnungen 36 mit Bezugszeichen versehen. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Öffnungen 36 in einem bestimmten Raster angeordnet sind. Dieses Raster ist, entspricht dem Raster der Eintrittskanäle 28 beziehungsweise der Austrittskanäle 30 eines Filterelements 18. Dieser Zusammenhang wird nachfolgend anhand der 4 noch näher erläutert. Der Außendurchmesser dA der Maske 34 entspricht in etwa dem Außendurchmesser des Filterelements 18 gemäß 2.
  • Um die Maske 34 an einer Aufnahmevorrichtung für ein Filterelement (nicht dargestellt) befestigen zu können, sind vier Augen 38 mit Befestigungsbohrungen an dem Außendurchmesser der Maske 34 ausgebildet. Die in 3 dargestellte Maske 34 kann eine erste Maske sein, die dazu dient, die Eintrittsfläche 22 des Filterelements 18 mindestens bereichsweise zu Verschließen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Maske 34 als zweite Maske eingesetzt wird, um die Austrittsfläche eines Filterelements mindestens bereichsweise zu verschließen. Der einzige Unterschied zwischen den ersten und zweiten Masken besteht in der Anordnung der Öffnungen 36.
  • In 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Maske 34 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 besteht darin, dass ein radial innerer Bereich 40 der Maske 34 keine Öffnungen 36 aufweist. Dies bedeutet, dass in den radial inneren Bereich 40 kein Fluid durch die Maske 34 hindurch dringen kann, so dass das Filterelement nur partiell oder bereichsweise beschichtet wird. Außerdem ist eine einer Seite der Maske eine Dichtung 39 vorhanden.
  • In 4 ist eine Vorrichtung 42 im Längsschnitt dargestellt. Diese Vorrichtung weist an ihrem in 4 unteren Ende einen Absatz 42 auf. Auf dem Absatz 42 ist eine zweite Maske 43 aufgesetzt. Die zweite Maske 43 weist in diesem Beispiel nur zwei Öffnungen 36 auf, die mit jeweils mit einem Austrittskanals 30 des in die Vorrichtung 42 eingesetzten Filterelements 18 korrespondieren und eine hydraulisch Verbindung der Austrittskanäle 30 durch die zweite Maske 43 erlauben.
  • An dem dem Absatz 42 entgegengesetzten Ende wird die Vorrichtung 41 von einer ersten Maske 44 abgeschlossen. Mit Hilfe von Befestigungsschrauben wird die erste Maske 44 an die Stirnseite der Vorrichtung 41 dichtend gepresst. Gleichzeitig wird dadurch auch die erste Maske 44 gegen die Eintrittsseite 22 des Filterelements 18 dichtend gepresst. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in der ersten Maske 44 ein inner Bereich 40 ohne Öffnungen vorgesehen. Dies bedeutet, dass ein Fluid (nicht dargestellt) oben über die erste Maske 44 mit Druck in die hydraulisch mit den Bohrungen 36 verbundenen Eintrittskanäle 28 des Filterelements 18 gepresst werden kann, ohne dass die Eintrittskanäle 28 im radial inneren Bereich 40 des Filterelements 18, dort wo die Masken 43 und 44 keine Öffnungen aufweisen, nicht von dem Fluid durchströmt wird.
  • Durch die Anordnung der Öffnungen 36 in der zweiten Maske 43 wird gewährleistet, dass das Fluid an bestimmten Austrittskanälen 30 wieder aus dem Filterelement 18 abgezogen wird. Dies bedeutet, wie durch gekrümmte Pfeile ohne Bezugszeichen angedeutet, dass das Fluid im Bereich der ersten Maske 44 an bestimmten vorgegebenen Eintrittskanälen 28 in das Filterelement 18 eintritt und ebenso an bestimmten Austrittskanälen 30 im Bereich der zweiten Maske 43 wieder aus dem Filterelement 18 austritt. In Folge dessen wird das Fluid durch bestimmte Filterwände 31 hindurch gefördert und dadurch die Poren und innern Oberflächen dieser Filterelemente mit dem Fluid beschichtet beziehungsweise imprägniert.
  • Durch die Wahl beziehungsweise die Gestaltung der Masken 43 und 44 ist es möglich, verschiedene Bereiche des Filterelements 18 gezielt zu beschichten und andere Bereiche nicht zu beschichten. Selbstverständlich wäre es auch möglich, nur den radial inneren Bereich eines Filterelements 18 zu beschichten und die radial äußeren Bereiche abzudecken durch die Masken 43 und 44, so dass dort kein Fluid hingelangen kann.
  • In 5 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahren als Blockschaltbild dargestellt.
  • In einem ersten Schritt 46 wird ein Filterelement 18 in eine Vorrichtung 41 eingesetzt.
  • In einem zweiten Schritt 48 wird die Vorrichtung 41 mit Hilfe der Maske 44 verschlossen.
  • In einem dritten Schritt 50 wird das Filterelement 18 bereichsweise mit einem Fluid, welches durch die Masken 44 und 43 auf bestimmte Bereiche des Filterelements 18 gelangt, beschichtet.
  • Anschließend wird das Fluid aus dem Filterelement entfernt und die Vorrichtung wieder geöffnet. Dieser Vorgang findet in dem vierten Schritt 52 statt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004040548 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Beschichtung und/oder Imprägnierung eines porösen Körpers aus einem keramischen Werkstoff, umfassend eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen (28, 30), wobei die Kanäle (28, 30) durch poröse Wände (31) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (18), insbesondere ein Filterelement (18) oder eine Trägerstruktur für einen Katalysator, bereichsweise mit einem Fluid beschichtet und/oder imprägniert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich (40) einer Eintrittsfläche (22) des Körpers (18) durch eine erste Maske (44) abgedeckt wird, und dass in den nicht von der ersten Maske (44) abgedeckten Teilen der Eintrittsfläche (22) eine Strömungsverbindung durch die erste Maske (44) in das Innere des Körpers (18) besteht.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maske (44) Öffnungen (36) aufweist, und dass die Anordnung der Öffnungen (36) mit der Anordnung von Eintrittskanälen (28) des Körpers (18) korrespondiert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich einer Austrittsfläche (24) des Körpers (18) durch eine zweite Maske (43) abgedeckt wird, und dass in den nicht von der zweiten Maske (43) abgedeckten Teilen der Austrittsfläche (24) eine Strömungsverbindung durch die zweite Maske (43) in das Innere des Körpers (18) besteht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Maske (43) Öffnungen (36) aufweist, und dass die Anordnung der Öffnungen (36) mit der Anordnungen von Austrittskanälen (30) des Körpers (18) korrespondiert.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erster Maske (44) und/oder zweiter Maske (43) einerseits sowie dem Körper (18) andererseits eine Dichtung (39), insbesondere eine Gummidichtung, vorgesehen ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid eine Suspension, insbesondere mit katalytisch aktiven Substanzen eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch eine zwischen der Eintrittsfläche (22) und der Austrittsfläche (24) angelegte Druckdifferenz durch den Körper (18) und in die porösen Wände (31) gefördert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (18) mehrfach nach einem der vorhergehenden Verfahren und mit verschieden ausgebildeten Maske (44, 43) und/oder verschiedenen Fluiden beschichtet und/oder Imprägniert wird.
  10. Keramischer Körper, bevorzugt aus Cordierit, insbesondere Filterelement (18) oder Trägerstruktur eines Katalysators für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist
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