DE102022002854A1 - Catalytically active particle filter with high filtration efficiency and oxidation function - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Wandflussfilter und ein entsprechendes System, welches den erfindungsgemäßen Wandflussfilter aufweist, gerichtet. Ein Verfahren zur Abgasminderung ist ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung.The present invention is directed to a wall flow filter and a corresponding system which has the wall flow filter according to the invention. A method for reducing exhaust gases is also the subject of this invention.
Description
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Wandflussfilter und ein entsprechendes System, welches den erfindungsgemäßen Wandflussfilter aufweist, gerichtet. Ein Verfahren zur Abgasminderung ist ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung.The present invention is directed to a wall flow filter and a corresponding system which has the wall flow filter according to the invention. A method for reducing exhaust gases is also the subject of this invention.
Das Abgas von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen enthält typischerweise die Schadgase Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NOx) und gegebenenfalls Schwefeloxide (SOx), sowie Partikel, die weitgehend aus festen kohlenstoffhaltigen Teilchen und gegebenenfalls anhaftenden organischen Agglomeraten bestehen. Diese werden als Primäremissionen bezeichnet. CO, HC und Partikel sind Produkte der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum des Motors. Stickoxide entstehen im Zylinder aus Stickstoff und Sauerstoff der Ansaugluft, wenn die Verbrennungstemperaturen 1200°C überschreiten. Schwefeloxide resultieren aus der Verbrennung organischer Schwefelverbindungen, die in nicht-synthetischen Kraftstoffen immer in geringen Mengen enthalten sind. Die Einhaltung künftig in Europa, China, Nordamerika und Indien geltender gesetzlicher Abgasgrenzwerte für Kraftfahrzeuge erfordert die weitgehende Entfernung der genannten Schadstoffe aus dem Abgas. Zur Entfernung dieser für Umwelt und Gesundheit schädlichen Emissionen aus den Abgasen von Kraftfahrzeugen sind eine Vielzahl katalytischer Abgasreinigungstechnologien entwickelt worden, deren Grundprinzip üblicherweise darauf beruht, dass das zu reinigende Abgas über einen Durchfluss- (flow-through) oder einen Wandfluss- (wall-flow) -wabenkörper mit einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung geleitet wird. Der Katalysator fördert die chemische Reaktion verschiedener Abgaskomponenten unter Bildung unschädlicher Produkte wie beispielsweise Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff. Zur Entfernung der Partikelemissionen sind Dieselpartikelfilter (DPF) bzw. Benzinpartikelfilter (GPF)/Ottopartikelfilter (OPF) mit und ohne zusätzlicher katalytisch aktiver Beschichtung geeignete Aggregate.The exhaust gas from internal combustion engines in motor vehicles typically contains the harmful gases carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NO x ) and possibly sulfur oxides (SO x ), as well as particles which largely consist of solid carbon-containing particles and possibly adhering organic agglomerates. These are called primary emissions. CO, HC and particulate matter are products of incomplete combustion of fuel in the engine's combustion chamber. Nitrogen oxides are formed in the cylinder from nitrogen and oxygen in the intake air when combustion temperatures exceed 1200°C. Sulfur oxides result from the combustion of organic sulfur compounds, which are always contained in small quantities in non-synthetic fuels. Compliance with future legal exhaust emission limits for motor vehicles in Europe, China, North America and India will require the extensive removal of the pollutants mentioned from the exhaust gas. In order to remove these emissions that are harmful to the environment and health from the exhaust gases of motor vehicles, a large number of catalytic exhaust gas purification technologies have been developed, the basic principle of which is usually based on the fact that the exhaust gas to be cleaned is passed through a flow-through or a wall-flow ) honeycomb body with a catalytically active coating applied to it. The catalyst promotes the chemical reaction of various exhaust gas components to form harmless products such as carbon dioxide, water and nitrogen. Diesel particulate filters (DPF) or gasoline particulate filters (GPF)/gasoline particulate filters (OPF) with and without an additional catalytically active coating are suitable units for removing particulate emissions.
Die eben beschriebenen Durchfluss- oder Wandflusswabenkörper werden auch als Katalysatorträger, Träger, Substrate oder Substratmonolithe bezeichnet, tragen sie doch die katalytisch aktive Beschichtung auf ihrer Oberfläche bzw. in den diese Oberfläche bildenden Wänden. Die katalytisch aktive Beschichtung wird häufig in einem sogenannten Beschichtungsvorgang in Form einer Suspension auf den Katalysatorträger aufgebracht. Viele derartige Prozesse sind in der Vergangenheit von Autoabgaskatalysatorherstellern hierzu veröffentlicht worden (
Abgase von mit überwiegend (>50% der Betriebszeit) stöchiometrischem Luft/KraftstoffGemisch betriebenen Verbrennungsmotoren, also z. B. mit Benzin oder Erdgas betriebene Ottomotoren, werden in herkömmlichen Verfahren mit Hilfe von Dreiwegekatalysatoren (three-way-catalyst; TWC) gereinigt. Diese sind in der Lage, die drei wesentlichen gasförmigen Schadstoffe des Motors, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, gleichzeitig zu unschädlichen Komponenten umzusetzen. Stöchiometrisch heißt, dass im Mittel genau so viel Luft zur Verbrennung des im Zylinder vorhandenen Kraftstoffs zur Verfügung steht, wie für eine vollständige Verbrennung benötigt wird. Das Verbrennungsluftverhältnis λ (A/F-Verhältnis; Luft/Kraftstoffverhältnis) setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse mL,tats ins Verhältnis zur stöchiometrischen Luftmasse mL,st:
Als katalytisch aktive Materialien werden in den bekannten Dreiwegekatalysatoren in der Regel Platingruppenmetalle, insbesondere Platin, Palladium und Rhodium eingesetzt, die beispielsweise auf γ-Aluminiumoxid als Trägermaterial vorliegen. Daneben enthalten Dreiwegekatalysatoren Sauerstoffspeichermaterialien, beispielsweise Cer/Zirkonium-Mischoxide. In letzteren stellt Ceroxid, ein Seltenerdmetalloxid, die für die Sauerstoffspeicherung grundlegende Komponente dar. Neben Zirkoniumoxid und Ceroxid können diese Materialien zusätzliche Bestandteile wie weitere Seltenerdmetalloxide oder Erdalkalimetalloxide enthalten. Sauerstoffspeichermaterialien werden durch Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien wie Platingruppenmetallen aktiviert und dienen somit auch als Trägermaterial für die Platingruppenmetalle.The catalytically active materials used in the known three-way catalysts are generally platinum group metals, in particular platinum, palladium and rhodium, which are present, for example, on γ-aluminum oxide as a support material. In addition, three-way catalysts contain oxygen storage materials, for example cerium/zirconium mixed oxides. In the latter, cerium oxide, a rare earth metal oxide, is the fundamental component for oxygen storage. In addition to zirconium oxide and cerium oxide, these materials can contain additional components such as other rare earth metal oxides or alkaline earth metal oxides. Oxygen storage materials are activated by applying catalytically active materials such as platinum group metals and thus also serve as a carrier material for the platinum group metals.
Zur Erfüllung der gesetzlichen Normen ist es für die aktuellen und zukünftigen Applikationen zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren aus Kostengründen aber auch aus Bauraumgründen ggf. wünschenswert, Partikelfilter mit katalytisch aktiven Funktionalitäten zu kombinieren. Der Einsatz eines Partikelfilters - ob katalytisch beschichtet oder nicht - führt zu einer im Vergleich zu einem Durchflussträger gleicher Abmessungen merklichen Erhöhung des Abgasgegendrucks und damit zu einer Verringerung des Drehmoments des Motors oder möglicherweise vermehrtem Kraftstoffverbrauch. Um den Abgasgegendruck nicht noch weiter zu erhöhen, werden die Mengen an oxidischen Trägermaterialien für die katalytisch aktiven Elemente des Katalysators bzw. oxidischen Katalysatormaterialien bei einem Filter in der Regel in geringeren Mengen aufgebracht als bei einem Durchflussträger. Es hat schon einige Anstrengungen gegeben, Partikelfilter bereitzustellen, die eine gute katalytische Aktivität durch eine aktive Beschichtung aufweisen und dennoch einen möglichst geringen Abgasgegendruck zeigen. Im Hinblick auf einen niedrigen Abgasgegendruck hat es sich als günstig erwiesen, wenn sich die katalytisch aktive Beschichtung nicht als Schicht auf den Kanalwänden eines porösen Wandflussfilters befindet, sondern die Kanalwände des Filters mit dem katalytisch aktiven Material durchsetzt sind, siehe etwa
Es hat sich gezeigt, dass durch Aufbringen der katalytisch aktiven Substanzen auf die Oberflächen der Kanalwände eines Wandflusswabenkörpers eine Erhöhung der Umsetzung der Schadstoffe im Abgas erzielt werden kann. Auch Kombinationen von Aufwand- und In-Wand-Beschichtung mit katalytisch aktivem Material sind möglich, wodurch die katalytische Performance weiter gesteigert werden kann, ohne dass sich der Staudruck wesentlich erhöht
Neben der katalytischen Wirksamkeit ist eine weitere Funktionalität des Filters, die durch eine Beschichtung verbessert werden kann, seine Filtrationseffizienz, also die Filterwirkung selbst. In der
Eine weitere Methode zur Erhöhung der Filtrationseffizienz von katalytisch nicht aktiven Filtern wird in der
Ein weiteres Verfahren bei dem zur Erhöhung der Filtrationseffizienz von katalytisch nicht aktiven Wandflussfiltern eine Membran („trapping layer“) auf den Oberflächen der Einlasskanäle von Filtern erzeugt wird, ist in der Patentschrift
Eine Beschichtung innerhalb der Poren eines Wandflussfiltersubstrats mittels Verdüsung von trockenen Partikeln wird in der
Ebenfalls wird die Einbringung des Pulvers in die Poren, z. B. mithilfe eines Aerosolgenerators, in der
In der
Alle oben aufgeführten Patente des Standes der Technik haben das Ziel, die Filtrationseffizienz eines Filters durch eine Belegung des Filters mit einem Pulver oder einer Membran zu erhöhen. Auf diese Weise können Wandflussfilter hergestellt werden, die in der Lage sind, die eintreffenden Rußpartikel fast vollständig zu filtern. Abscheideraten und Filtrationseffizienzen von größer 99% in den gängigen Testzyklen können hierbei erreicht werden. Die katalytische Beschichtung dieser Filter mit einem gängigen Washcoat, bestehend aus Oxidpartikeln und Edelmetallkomponenten führt hingegen zu einer Abnahme der ursprünglichen Filtrationseffizienz des Ausgangsfilters, da durch das Einbringen der Beschichtung der Gasfluss durch den Filter und die Porenstruktur des Filters beeinflusst werden. Hierbei ist es für gewöhnlich nicht von Belang, ob sich die katalytische Beschichtung in den Poren der Porösen Filterwand oder auf den Kanaloberflächen der Auslasskanäle befindet.All of the prior art patents listed above aim to increase the filtration efficiency of a filter by covering the filter with a powder or a membrane. In this way, wall flow filters can be manufactured that are able to almost completely filter the incoming soot particles. Separation rates and filtration efficiencies of greater than 99% can be achieved in common test cycles. The catalytic coating of these filters with a common washcoat consisting of oxide particles and precious metal components, on the other hand, leads to a decrease in the original filtration efficiency of the initial filter, since the introduction of the coating influences the gas flow through the filter and the pore structure of the filter. It is usually not important whether the catalytic coating is in the pores of the porous filter wall or on the channel surfaces of the outlet channels.
Im Zuge des in der EU7-Gesetzgebung erweiterten Partikelanzahlmessbereichs auf 10 nm, statt wie bisher von 23 nm, ist eine hohe Filtrationseffizienz zukünftig unerlässlich (PN10-Messung). Zudem bedingt das neue Messverfahren der Partikelanzahl, dass auch sehr kleine, aus volatilen organischen Komponenten bestehende Partikel mit erfasst werden können, was sich wiederum in einer höheren gemessenen Partikelanzahl am Ende des Abgasstrangs äußert. Dies führt im Zusammenhang mit einer weiteren gesetzlichen Reduktion des Partikelanzahlgrenzwerts für Verbrennungsmotoren dazu, dass zukünftig Wandflussfilter mit einer sehr hohe Filtrationseffizienz benötigt werden, die zeitgleich in der Lage sind, volatile organische Partikel zu CO2 zu oxidieren, sodass diese nicht mehr im Rahmen der zukünftig erforderlichen PN10-Messung als Partikel erfasst werden.As a result of the particle number measurement range being expanded to 10 nm in EU7 legislation, instead of the previous 23 nm, high filtration efficiency will be essential in the future (PN10 measurement). In addition, the new particle number measurement method means that even very small particles consisting of volatile organic components can be recorded, which in turn is reflected in a higher measured particle number at the end of the exhaust system. In connection with a further legal reduction in the particle number limit for internal combustion engines, this means that wall flow filters with a very high filtration efficiency will be required in the future, which at the same time are able to oxidize volatile organic particles to CO 2 , so that these will no longer be possible in the future required PN10 measurement can be detected as particles.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen entsprechend beschichteten Partikelfilter zur Verfügung zu stellen, bei dem zum einen die hervorragende Filtrationseffizienz des bereits mit einer filtrationseffizienzsteigernden Schicht versehenen Wandflussfilters beibehalten und nicht verringert wird, und zum anderen eine Edelmetallkomponente aufgebracht wird, die die Oxidation von volatilen organischen Partikeln katalysiert. Bevorzugt ändern sich durch das Aufbringen der Edelmetallkomponente weder die Filtrationsleistung noch der Gegendruck des Filters.The object of the present invention is therefore to provide an appropriately coated particle filter in which, on the one hand, the excellent filtration efficiency of the wall flow filter, which is already provided with a layer that increases filtration efficiency, is maintained and not reduced, and on the other hand, a noble metal component is applied which prevents the oxidation of catalyzed by volatile organic particles. Preferably, neither the filtration performance nor the back pressure of the filter changes as a result of the application of the precious metal component.
Diese und weitere sich aus dem Stand der Technik in naheliegender Weise ergebenden Aufgaben werden durch einen Partikelfilter gemäß den Ansprüchen 1 bis 14 gelöst. Ansprüche 15 und 16 sind auf ein Abgassystem gerichtet. Ansprüche 17 und 18 zielen auf ein Verfahren zur Abgasreinigung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Partikelfilters zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren, insbesondere überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren ab.These and other tasks arising from the prior art are solved by a particle filter according to claims 1 to 14. Claims 15 and 16 are directed to an exhaust system. Claims 17 and 18 are aimed at a method for exhaust gas purification using the particle filter according to the invention for exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines, in particular predominantly stoichiometrically operated internal combustion engines.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandflussfilter zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren, insbesondere überwiegend stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren, das ein Wandflussfiltersubstrat der Länge L und voneinander verschiedene Beschichtungen Z und F umfasst, wobei das Wandflussfiltersubstrat Kanäle E und A aufweist, die sich parallel zwischen einem ersten und einem zweiten Ende des Wandflussfiltersubstrats erstrecken, die durch poröse Wände getrennt sind und Oberflächen OE bzw. OA bilden und wobei die Kanäle E am zweiten Ende und die Kanäle A am ersten Ende verschlossen sind und wobei die Beschichtung F in den porösen Wänden und/oder auf den Oberflächen OE und/oder auf den Oberflächen OA befindet und eine filtrationssteigernde Schicht umfasst und sich die Beschichtung Z in den porösen Wänden und/oder auf den Oberflächen OE und/oder OA und und/oder auf den Stirnflächen der Kanäle E und/oder A und/oder auf den Bestandteilen der Beschichtung F befindet, und Platin und/oder Palladium enthält, und dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Beschichtung Z über mindestens einen Teilbereich von 3 mm bis 100% der Länge L des Filters erstreckt.The present invention relates to a wall flow filter for removing particles from the exhaust gas of internal combustion engines, in particular predominantly stoichiometrically operated internal combustion engines, which comprises a wall flow filter substrate of length L and different coatings Z and F, the wall flow filter substrate having channels E and A which are parallel between a first and a second end of the wall flow filter substrate, which are separated by porous walls and form surfaces O E and O A , respectively, and wherein the channels E at the second end and the channels A at the first end are closed and wherein the coating F in the porous walls and/or or on the surfaces O E and/or on the surfaces O A and comprises a filtration-increasing layer and the coating Z is in the porous walls and/or on the surfaces O E and/or O A and and/or on the end faces of the Channels E and/or A and/or are located on the components of the coating F, and contain platinum and/or palladium, and is characterized in that the coating Z extends over at least a portion of 3 mm to 100% of the length L of the filter extends.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des erfindungsgemäßen Wandflussfilters zur Reinigung von Abgas von Verbrennungsmotoren, fließt das Abgas an einem Ende in den Filter ein und verlässt es nach Durchtritt durch die porösen Wände am anderen Ende wieder. Tritt also zum Beispiel das Abgas am ersten Ende in den Filter ein, so bezeichnen die Kanäle E die Eingangskanäle oder anströmseitigen Kanäle. Nach Durchtritt durch die porösen Wände tritt es dann am zweiten Ende aus dem Filter aus, so dass die Kanäle A die Ausgangskanäle oder abströmseitigen Kanäle bezeichnen. L stellt die mittlere beschichtbare Länge des Filters dar. Aufgrund der Stopfen an den Kanalenden ist nicht die gesamte Länge des Filters zu beschichten. L stellt die real für die Beschichtung zur Verfügung stehende Summe der Längen in den beschichteten Kanälen gemittelt über die Anzahl der beschichteten Kanäle dar.When the wall flow filter according to the invention is used as intended for cleaning exhaust gas from internal combustion engines, the exhaust gas flows into the filter at one end and leaves it again at the other end after passing through the porous walls. For example, if the exhaust gas enters the filter at the first end, the channels E designate the input channels or upstream channels. After passing through the porous walls, it then exits the filter at the second end, so that the channels A denote the output channels or downstream channels. L represents the average coatable length of the filter. Due to the plugs at the channel ends, the entire length of the filter cannot be coated. L represents the sum of the lengths in the coated channels actually available for coating, averaged over the number of coated channels.
Als Wandflusssubstrat können alle aus dem Stand der Technik bekannten und auf dem Gebiet der Autoabgaskatalyse üblichen keramischen Wandflussfiltersubstrate eingesetzt werden. Bevorzugt werden poröse Wandflussfiltersubstrate aus Cordierit, Siliziumcarbid oder Aluminiumtitanat verwendet. Diese Wandflussfiltersubstrate weisen Kanäle E und Kanäle A auf, die wie oben beschrieben als Eingangskanäle, die auch Anströmkanäle genannt werden können, und als Ausgangskanäle, die auch Abströmkanäle genannt werden können, fungieren. Die abströmseitigen Enden der Anströmkanäle und die anströmseitigen Enden der Abströmkanäle sind gegeneinander versetzt mit in der Regel gasdichten „Stopfen“ verschlossen. Hierbei wird das zu reinigende Abgas, das das Filtersubstrat durchströmt, zum Durchtritt durch die poröse Wand zwischen An- und Abströmkanal gezwungen, was eine Partikelfilterwirkung bedingt. Durch die Porosität, Poren-/Radienverteilung und Dicke der Wand kann die Filtrationseigenschaft für Partikel ausgelegt werden. Erfindungsgemäß beträgt die Porosität der unbeschichteten Wandflussfiltersubstrate in der Regel mehr als 40 %, zum Beispiel von 40 % bis 75 %, besonders von 50 % bis 70 % [gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag]. All ceramic wall flow filter substrates known from the prior art and common in the field of automobile exhaust gas catalysis can be used as the wall flow substrate. Porous wall flow filter substrates made of cordierite, silicon carbide or aluminum titanate are preferably used. These wall flow filter substrates have channels E and channels A, which, as described above, function as input channels, which can also be called inflow channels, and as output channels, which can also be called outflow channels. The downstream ends of the inflow channels and the upstream ends of the outflow channels are offset from one another and closed with generally gas-tight “plugs”. Here, the exhaust gas to be cleaned, which flows through the filter substrate, is forced to pass through the porous wall between the inflow and outflow channels, which causes a particle filter effect. The filtration properties for particles can be designed through the porosity, pore/radius distribution and thickness of the wall. According to the invention, the porosity of the uncoated wall flow filter substrates is generally more than 40%, for example from 40% to 75%, especially from 50% to 70% [measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date].
Die mittlere Porengröße d50 der unbeschichteten Wandflussfiltersubstrate beträgt wenigstens 4 µm, zum Beispiel von 4 µm bis 34 µm, bevorzugt mehr als 6 µm, insbesondere mehr bevorzugt von 6 µm bis 25 µm oder ganz bevorzugt von 7 µm bis 17 µm [gemessen nach DIN 66134 neueste Fassung am Anmeldetag], wobei unter dem d50-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflussfiltersubstrates zu verstehen ist, dass 50 % des gesamten, durch Quecksilberporosimetrie bestimmbaren, Porenvolumens gebildet werden durch Poren, deren Durchmesser kleiner oder gleich dem als d50 angegebenen Wert ist. Im Falle der erfindungsgemäßen Wandflussfilter weisen die mit der Beschichtung Z versehenen Wandflussfiltersubstrate bevorzugt keine Änderung der Porengrößenverteilung gegenüber der des ursprünglichen Filters auf, der lediglich mit Beschichtung F versehen ist.The average pore size d 50 of the uncoated wall flow filter substrates is at least 4 µm, for example from 4 µm to 34 µm, preferably more than 6 µm, particularly more preferably from 6 µm to 25 µm or most preferably from 7 µm to 17 µm [measured according to DIN 66134 latest version on the filing date], whereby the d 50 value of the pore size distribution of the wall flow filter substrate is to be understood as meaning that 50% of the total pore volume that can be determined by mercury porosimetry is formed by pores whose diameter is smaller than or equal to the value specified as d 50 . In the case of the wall flow filters according to the invention, the wall flow filter substrates provided with coating Z preferably have no change in the pore size distribution compared to that of the original filter, which is only provided with coating F.
Die Beschichtung F:The coating F:
Unter dem Begriff „filtrationssteigernd“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Wandflussfilter durch die Beschichtung F die Eignung erlangt, besser als der Ursprungsfilter Partikel aus dem Abgasstrom zurückhalten zu können, ohne dass der Abgasgegendruck gegenüber dem Ausgangssubstrat exorbitant steigt. Bevorzugt bedeutet dies, dass die Filtrationseffizienz des Filters um mehr als 2 Prozentpunkte, mehr bevorzugt um mehr als 5 Prozentpunkte und ganz besonderes bevorzugt um mehr als 10 Prozentpunkte gegenüber dem Ausgangssubstrat zunimmt, ohne dass der Abgasgegendruck um mehr als 60%, bevorzugt weniger als 50% und ganz bevorzugt weniger als 40% gegenüber dem Ausgangssubstrat steigt.According to the invention, the term “filtration-increasing” means that the wall flow filter acquires the suitability through the coating F to be able to retain particles from the exhaust gas stream better than the original filter, without the exhaust gas back pressure increasing exorbitantly compared to the starting substrate. This preferably means that the filtration efficiency of the filter increases by more than 2 percentage points, more preferably by more than 5 percentage points and very particularly preferably by more than 10 percentage points compared to the starting substrate, without the exhaust gas back pressure increasing by more than 60%, preferably less than 50 % and most preferably less than 40% compared to the starting substrate increases.
Die Steigerung der Filtrationseffizienz des Filters mit Beschichtung F gegenüber dem Rohfilter, berechnet sich nach folgender Formel:
Wobei der Steigerungsfaktor im erfindungsgemäßen Fall im Bereich von 0.2 - 0.99 ist, bevorzugt im Bereich von 0.35 - 0.95 und besonders bevorzugt im Bereich von 0.5 - 0.85 ist. Dies ist insbesondere bei Filtersubstraten von Vorteil, die bereits eine hohe Filtrationsleistung im Ausgangssubstrat aufweisen.The increase factor in the case according to the invention is in the range of 0.2 - 0.99, preferably in the range of 0.35 - 0.95 and particularly preferably in the range of 0.5 - 0.85. This is particularly advantageous for filter substrates that already have a high filtration performance in the starting substrate.
Die Zunahme des Abgasgegendrucks lässt sich nach folgender Formel berechnen:
Beschichtung F umfasst vorteilhafter Weise kein Edelmetall. Sie ist damit vorzugsweise nicht katalytisch aktiv im Sinne vorliegender Erfindung. Sie ist insbesondere im Wesentlichen nicht in der Lage kohlenstoffhaltige Partikel wie Ruß oder volatile Kohlenwasserstoffpartikel zu oxidieren oder die Abgaskomponenten CO und HC zu oxidieren oder NOx zu reduzieren. Bevorzugt besteht die Beschichtung F demnach aus keramischen oder oxidischen Bestandteilen und enthält daneben keine weiteren katalytischen Komponenten.Coating F advantageously does not contain any noble metal. It is therefore preferably not catalytically active in the sense of the present invention. In particular, it is essentially unable to oxidize carbon-containing particles such as soot or volatile hydrocarbon particles or to oxidize the exhaust gas components CO and HC or to reduce NO x . The coating F therefore preferably consists of ceramic or oxidic components and does not contain any other catalytic components.
Besonders geeignete Bestandteile der Beschichtung F enthalten Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Ceroxid, Yttriumoxid, Mullit, Zinnoxid, Siliziumnitrid, Zeolith, Titandioxid, Siliziumdioxid, Aluminiumtitanat, Siliziumcarbid, Cordierite, Inselsilikate, Schichtsilikate, technische Silikate, Kettensilikate, Gruppensilikate oder Mischungen derselben.Particularly suitable components of the coating F include aluminum oxide, zirconium dioxide, cerium oxide, yttrium oxide, mullite, tin oxide, silicon nitride, zeolite, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum titanate, silicon carbide, cordierites, island silicates, layered silicates, technical silicates, chain silicates, group silicates or mixtures thereof.
F Aufwand:F Effort:
Die Membranschicht besitzt bevorzugt eine zusammenhängende Struktur auf der Oberfläche der Wand des Filters. Als solche liegt sie bevorzugt auf der Filterwand OE auf. Es kann vorkommen, dass die Bestandteile der Membranschicht auch zu einem kleinen Teil in die Poren des Filters eindringen. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform befindet sich die filtrationssteigernde Beschichtung F jedoch im Wesentlichen auf den Oberflächen OE. Dies bedeutet, dass die Bestandteile der Beschichtung F zu weniger als 20% der Gesamtmasse der Beschichtung, vorzugsweise weniger als 10% und ganz bevorzugt weniger als 5% in den Poren der Wand des Filters vorhanden sind. Die Menge an Beschichtungsbestandteilen in der Wand kann wie in
Die Beschichtung F bildet bevorzugt eine zusammenhängende Membranschicht auf den Oberflächen OE aus. Die Membranschicht ist insbesondere definiert als eine zusammenhängende, poröse Schicht mit einer Porosität im Bereich von 30-90%, bevorzugt 40-80% (gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag). Die mittlere Porengröße d50 der Membranschicht F beträgt mindestens 50 nm, zum Beispiel 50 nm bis 5 µm, bevorzugt mehr als 100 nm bis 4 µm, insbesondere mehr bevorzugt 200 nm µm bis 2,5 µm, wobei unter dem d50-Wert der Porengrößenverteilung zu verstehen ist, dass 50% des gesamten, durch Quecksilberporosimetrie bestimmbaren Porenvolumens gebildet werden durch Poren, deren Durchmesser kleiner oder gleich dem als d50 angegebenen Wert ist.The coating F preferably forms a coherent membrane layer on the surfaces O E. The membrane layer is defined in particular as a coherent, porous layer with a porosity in the range of 30-90%, preferably 40-80% (measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date). The average pore size d 50 of the membrane layer F is at least 50 nm, for example 50 nm to 5 μm, preferably more than 100 nm to 4 μm, particularly more preferably 200 nm to 2.5 μm, where below the d 50 value Pore size distribution means that 50% of the total pore volume that can be determined by mercury porosimetry is formed by pores whose diameter is smaller than or equal to the value given as d 50 .
Demgemäß besitzt Beschichtung F vorzugsweise eine gewisse Dicke über der Wandoberfläche, vorzugsweise OE. Die Beschichtung F weist bevorzugt eine Schichtdicke von 1 bis 150 µm auf, bevorzugt 2 bis 50 µm. Der Wandflussfilter zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis der Wanddicke des Wandflussfiltersubstrates zur Dicke der Membranschicht der Beschichtung F bevorzugt 0,8 bis 400, vorzugsweise 1 bis 300 und besonders bevorzugt 1,25 bis 250 beträgt. Zudem kann es vorkommen, dass sich die Beschichtung F beim Beschichten in axialer Richtung auf dem Stopfenbereich am Kanalende aufkumuliert. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Beschichtung F hier bevorzugt 0.1 bis 10 mm, insbesondere 0.25 bis 5 mm.Accordingly, coating F preferably has a certain thickness over the wall surface, preferably O E . The coating F preferably has a layer thickness of 1 to 150 μm, preferably 2 to 50 μm. The wall flow filter is characterized in that the ratio of the wall thickness of the wall flow filter substrate to the thickness of the membrane layer of the coating F is preferably 0.8 to 400, preferably 1 to 300 and particularly preferably 1.25 to 250. In addition, it can happen that the coating F accumulates in the axial direction on the plug area at the end of the channel during coating. In a preferred embodiment, the thickness of the coating F here is preferably 0.1 to 10 mm, in particular 0.25 to 5 mm.
In der hier angesprochenen Ausführungsform befindet sich die Beschichtung F also bevorzugt auf den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates. Die Partikelgröße der keramischen Membran ist dabei an die Porengröße des Wandflussfiltersubstrates angepasst. Die Partikel der Beschichtung F weisen somit insbesondere eine definierte Partikelgrößenverteilung auf. Die Beschichtung F weist bevorzugt eine monomodale, oder eine multimodale oder breite q3-Partikelgrößenverteilung auf. Für die Definition der Partikelgrößen- bzw. Korngrößenverteilung der Beschichtung F unterscheidet man in Abhängigkeit von der Methode, mit der die Menge der Partikel bestimmt wird, u.a. zwischen anzahlbezogenen (q0) und volumenbezogenen (q3) Korngrößenverteilungen (M. Stieß, Mechanische Verfahrenstechnik - Partikeltechnologie 1, Springer, 3. Auflage 2009, Seite 29).In the embodiment discussed here, the coating F is therefore preferably located on the porous walls of the wall flow filter substrate. The particle size of the ceramic membrane is adapted to the pore size of the wall flow filter substrate. The particles of the coating F thus in particular have a defined particle size distribution. The coating F preferably has a monomodal, or a multimodal or broad q3 particle size distribution. To define the particle size or grain size distribution of the coating F, depending on the method used to determine the amount of particles, a distinction is made between, among other things, number-related (q0) and volume-related (q3) grain size distributions (M. Stieß, Mechanical Process Engineering - Particle Technology 1, Springer, 3rd edition 2009, page 29).
Sofern sich also Beschichtung F auf den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates befindet, ist der d50-Wert der Partikelgrößenverteilung der Membranpartikel (q3; DIN 66143 - neueste Fassung am Anmeldetag) vorteilhafter Weise größer oder gleich dem d50-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflussfiltersubstrats (gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag). Weiterhin ist bevorzugt der d90-Wert der Partikelgrößenverteilung der Beschichtung F größer oder gleich dem d95-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflusssubstrats. Alternativ ist bevorzugt der d90-Wert der Partikelgrößenverteilung der Beschichtung F kleiner als der d95-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflusssubstrats.If coating F is located on the porous walls of the wall-flow filter substrate, the d 50 value of the particle size distribution of the membrane particles (q3; DIN 66143 - latest version on the filing date) is advantageously greater than or equal to the d 50 value of the pore size distribution of the wall-flow filter substrate (measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date). Furthermore, the d90 value of the particle size distribution of the coating F is preferably greater than or equal to the d95 value of the pore size distribution of the wall flow substrate. Alternatively, the d90 value of the particle size distribution of the coating F is preferably smaller than the d95 value of the pore size distribution of the wall flow substrate.
Dringt die Beschichtung F in die poröse Filterwand ein, so ist die Eindringtiefe limitiert. Insbesondere beträgt die Eindringtiefe der Membranbeschichtung F in die Filterwand maximal 50 % der Wanddicke, bevorzugt maximal 40 % und ganz besonders bevorzugt maximal 25 %. Befindet sich die Beschichtung F teilweise in den porösen Wände des Wandflussfiltersubstrates, so befinden sich vorzugsweise zwischen 1 bis 50 % der gesamten Masse der Beschichtung F in den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates, bevorzugt 1,5 bis 40 % und ganz besonders bevorzugt 2 bis 25%. Dies Auswertung erfolgt analog
F Inwand:F interior:
In einer alternativen Ausführungsform bildet die Beschichtung F bevorzugt keine zusammenhängende Beschichtung auf den Oberflächen des Filters, bevorzugt der Oberfläche OE aus (keine Membran). Die filtrationssteigernde Beschichtung ist in diesem Fall insbesondere definiert als eine nicht zusammenhängende Schicht, die sich gezielt über die Poren des Wandflusssubstrats ausbildet. Innerhalb dieser Bereiche weist Beschichtung F eine Porosität im Bereich von 30-90%, bevorzugt 40-80% auf Bestimmung analog
In der hier angesprochenen Ausführungsform befindet sich die Beschichtung F ganz oder teilweise in den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates. Die Beschichtung F ist vorzugsweise zu einem Anteil von 50 - 100% der gesamten Masse der Beschichtung F in den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates, bevorzugt 60 - 90 % und ganz besonders bevorzugt 70 - 80% vorhanden. Die Auswertung erfolgt analog
Die Partikelgröße der Beschichtung F ist dabei an die Porengröße des Wandflussfiltersubstrates angepasst. Die Partikel der Beschichtung F weisen somit insbesondere eine definierte Partikelgrößenverteilung auf. Die Beschichtung F weist bevorzugt eine monomodale, oder eine multimodale oder breite q3-Partikelgrößenverteilung auf. Sofern sich die Beschichtung F somit ganz oder teilweise in den porösen Wänden des Wandflussfiltersubstrates befindet ist der d50 Wert der Partikelgrößenverteilung der Oxide der Membranpartikel (q3; DIN 66143 - neueste Fassung am Anmeldetag) bevorzugt kleiner als der d50-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflussfiltersubstrats (gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag). Weiterhin ist bevorzugt, dass der d90-Wert der Partikelgrößenverteilung der Oxide insbesondere kleiner als der d95-Wert der Porengrößenverteilung des Wandflusssubstrats ist. Die filtrationssteigernde Beschichtung F ist in diesem Fall vorzugsweise überwiegend aus Aluminiumoxid aufgebaut.The particle size of the coating F is adapted to the pore size of the wall flow filter substrate. The particles of the coating F thus in particular have a defined particle size distribution. The coating F preferably has a monomodal, or a multimodal or broad q3 particle size distribution. If the coating F is located entirely or partially in the porous walls of the wall-flow filter substrate, the d 50 value of the particle size distribution of the oxides of the membrane particles (q3; DIN 66143 - latest version on the filing date) is preferably smaller than the d 50 value of the pore size distribution of the wall-flow filter substrate (measured according to DIN 66133 - latest version on the filing date). Furthermore, it is preferred that the d90 value of the particle size distribution of the oxides is in particular smaller than the d95 value of the pore size distribution of the wall flow substrate. In this case, the filtration-increasing coating F is preferably made up predominantly of aluminum oxide.
Die Beschichtung F - ob zusammenhängend oder nicht - kann nach Maßgabe des Fachmannes hergestellt werden. Die Herstellung der Beschichtung F wird z.B. in
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Wandflussfilter dadurch gekennzeichnet, dass Beschichtung F einen zunehmenden Konzentrationsgradienten (1. Ableitung des Konzentrationsverlaufs) in Längsrichtung des Filters von seinem ersten zum zweiten Ende aufweist. Unter „zunehmenden Gradienten“ wird erfindungsgemäß die Tatsache verstanden, dass sich der Gradient der Pulverkonzentration im Filter in axialer Richtung - von der Einlassseite zur Auslassseite - vergrößert, ggf. von negativen Werten hin zu positiveren Werten. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich dabei mehr Pulver in der Nähe der Ausgangsstopfen des Einlasskanals und deutlich weniger Pulver am Eingang des Filters. Zur Beschreibung des Gradienten kann der Filter entlang seiner Längsachse in drei gleich lange aufeinanderfolgende Bereiche eingeteilt. In einer bevorzugten Form ist der Filter in einem Bereich nahe der Einlassseite und in einem Bereich in der Mitte des Filters zu weniger als jeweils 40 % der Wandoberfläche des Eingangskanals mit Pulver belegt, während in einem Bereich nahe der Auslassseite mehr als 40 % der Wandoberfläche des Eingangskanals mit Pulver belegt sind, wobei in einer besonders bevorzugten Form in einem Bereich nahe der Einlassseite zwischen 5 % und 35 %, in einem Bereich in der Mitte des Filters zwischen 8 % und 38 % und in einem Bereich nahe der Auslassseite zwischen 40 % und 60 % der Wandoberfläche des Eingangskanals mit Pulver belegt sind und in einer ganz besonders bevorzugten Form in einem Bereich nahe der Einlassseite zwischen 5 % und 25 %, in einem Bereich in der Mitte des Filters zwischen 8 % und 30 % und in einem Bereich nahe der Auslassseite zwischen 45 % und 60 % der Wandoberfläche des Eingangskanals mit Pulver belegt sind. Der Belegungsgrad der Wandoberfläche wurde mittels Bildanalyse aus Lichtmikroskopiebildern bestimmt. Dabei wurden entsprechende Aufnahmen des Einlass- und Auslasskanals erstellt. In dieser Art der Analyse wird die durchschnittliche Farbe der Wandoberfläche des nicht mit Pulver belegten Auslasskanals als Referenz bestimmt. Diese Referenz wird von der entsprechenden Aufnahme der mit Pulver belegten Bereiche im Einlasskanal abgezogen, wobei der Farbabstand nach CIE76 der International Commission on Illumination mit einem geringsten noch unterscheidbaren Farbabstand von 2,33 festgelegt wurde (https://en.wikipedia.org/wiki/Color_difference#CIE76).In a further embodiment, the wall flow filter is characterized in that coating F has an increasing concentration gradient (1st derivative of the concentration curve) in the longitudinal direction of the filter from its first to the second end. According to the invention, “increasing gradients” is understood to mean the fact that the gradient of the powder concentration in the filter increases in the axial direction - from the inlet side to the outlet side - possibly from negative values to more positive values. In In a preferred embodiment, there is more powder near the outlet plugs of the inlet channel and significantly less powder at the inlet of the filter. To describe the gradient, the filter can be divided into three consecutive areas of equal length along its longitudinal axis. In a preferred form, the filter is covered with powder in an area near the inlet side and in an area in the middle of the filter to less than 40% of the wall surface of the inlet channel, while in an area near the outlet side more than 40% of the wall surface of the Input channel are covered with powder, in a particularly preferred form in an area near the inlet side between 5% and 35%, in an area in the middle of the filter between 8% and 38% and in an area near the outlet side between 40% and 60% of the wall surface of the inlet channel is covered with powder and in a particularly preferred form in an area near the inlet side between 5% and 25%, in an area in the middle of the filter between 8% and 30% and in an area near the The outlet side is covered with powder between 45% and 60% of the wall surface of the inlet channel. The degree of coverage of the wall surface was determined using image analysis from light microscopy images. Corresponding photographs of the inlet and outlet channels were taken. In this type of analysis, the average color of the wall surface of the non-powdered outlet channel is determined as a reference. This reference is subtracted from the corresponding image of the powder-covered areas in the inlet channel, whereby the color difference was set according to CIE76 of the International Commission on Illumination with a lowest still distinguishable color difference of 2.33 (https://en.wikipedia.org/wiki /Color_difference#CIE76).
Der bei der Pulverbeschichtung entstandene Gradient ist vorteilhaft für eine weiterhin erhöhte Filtrationseffizienz. In einer Ausführungsform kann der Konzentrationsgradient, z. B. durch Variation der Bestäubungsgeschwindigkeit, so ausgestaltet sein, dass einlassseitig im Filter mehr Pulver abgeschieden wird als in der Mitte des Filters und auslassseitig. In einer mehr bevorzugten Ausführungsform kann der Konzentrationsgradient so ausgestaltet sein, dass einlassseitig am Filter mehr Pulver abgeschieden wird als in der Mitte des Filters und auslassseitig (am anderen Ende des Filters) mehr als einlassseitig. Simulationsergebnisse haben folgendes Bild diesbezüglich ergeben (Tabelle 1). Tabelle 1 - Pulververteilung über den Filter bei verschiedenen Raumgeschwindigkeiten des Gases:
Simulationen des Gasflusses in einem Wandflussfilter haben gezeigt, dass für die Filtrationseigenschaft des Gesamtfilters hauptsächlich (zu mehr als 50 %) das letzte Drittel des Substrats verantwortlich ist. Durch eine verstärkte Aufbringung von Beschichtung F im letzten Drittel des Filters wird der Staudruck dort verstärkt erhöht, was auf die geringere Permeabilität zurückzuführen ist, und die Durchströmung verschiebt sich mehr in die ersten zwei Drittel des Filters. Daher sollte der Filter einen stärker steigenden Gradienten der Beschichtung F vom ersten zum zweiten Ende hin aufweisen, um seine Filtrationswirkung zu erhöhen. Für das Einstellen eines vorteilhaften Abgasgegendrucks gilt dies mutatis mutandis. Hier sollte demgemäß ggf. ein weniger stark zunehmender Gradient der Konzentration von Beschichtung F gewählt werden.Simulations of the gas flow in a wall flow filter have shown that the last third of the substrate is mainly responsible for the filtration properties of the overall filter (more than 50%). By increasing the application of coating F in the last third of the filter, the dynamic pressure there is increased, which is due to the lower permeability, and the flow shifts more into the first two thirds of the filter. Therefore, the filter should have a more increasing gradient of coating F from the first to the second end to increase its filtration effectiveness. This applies mutatis mutandis to setting an advantageous exhaust gas backpressure. Accordingly, a less strongly increasing gradient of the concentration of coating F should be selected here.
Bevorzugt weist der Wandflussfilter eine Beschichtung F auf, welche eine Masse von 1 bis 50 g/l, bezogen auf das Volumen des Wandflussfiltersubstrates besitzt. Weiter bevorzugt beträgt die Masse der Beschichtung F 5 bis 40 g/l, und ganz bevorzugt 10 bis 30 g/l bezogen auf das Volumen des Wandflussfiltersubstrates.The wall flow filter preferably has a coating F which has a mass of 1 to 50 g/l, based on the volume of the wall flow filter substrate. More preferably, the mass of the coating F is 5 to 40 g/l, and most preferably 10 to 30 g/l, based on the volume of the wall flow filter substrate.
Bevorzugt sind die Komponenten von Beschichtung F auf dem keramischen Wandflusssubstrat fixiert. Dies kann bevorzugt durch das Verwenden eines geeigneten Binders erreicht werden. Derartige Binder sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und beispielsweise in
Die Beschichtung F kann alternativ zum eben anvisierten Pulverprozess auch nasstechnisch aufgebracht werden, wie ein normaler Washcoat. Dabei kann sie sich über die gesamte Länge L des Wandflussfiltersubstrates oder nur über einen Teil davon erstrecken. Beispielsweise erstreckt sich Beschichtung F über 0 bis 100%, 25% bis 80% oder 40% bis 60% der Länge L des Filtersubstrats. Bevorzugt ist eine Ausdehnung über 80% - 100% der Länge L, insbesondere über 90%-100%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandflussfilters erstreckt sich die Beschichtung F über die gesamte Länge L der Kanäle E und stößt am Kanalende an die Stopfen an.As an alternative to the powder process just envisaged, the coating F can also be applied using wet technology, like a normal washcoat. It can extend over the entire length L of the wall flow fil tersubstrates or only extend over part of it. For example, coating F extends over 0 to 100%, 25% to 80% or 40% to 60% of the length L of the filter substrate. An extension of over 80% - 100% of the length L is preferred, in particular over 90% - 100%. In one embodiment of the wall flow filter according to the invention, the coating F extends over the entire length L of the channels E and abuts the plugs at the channel end.
Beschichtung Z:Coating Z:
Die Beschichtung Z ist eine oxidationskatalytisch wirksame Beschichtung. Mittels dieser Beschichtung sollen HC und CO sowie Rußpartikel und volatile Kohlenwasserstoffpartikel im Abgastrakt oxidiert werden. Wie derartige Beschichtungen aussehen, ist dem Fachmann geläufig (z.B.
Um eine bessere Dispergierung und eine bessere Verteilung zu erreichen, kann Beschichtung Z zusätzlich eine geringe Menge oxidischer Trägermaterialien enthalten. Vorteilhafter Weise können 5 - 40 Gramm pro Liter Filtersubstratvolumen keramische oder oxidische Trägermaterialien in Beschichtung Z vorhanden sein, bevorzugt zwischen 7 - 25 g/L und besonders bevorzugt zwischen 10 - 15 g/L. Gängige Trägermaterialien sind hier Aluminiumoxid, Boehmit, Aluminiumsol, oder weitere, dem Fachmann bekannte und bereits in
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich Beschichtung Z mindestens über einen axialen Teilbereich der Länge L des Filters. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die minimale Länge der Beschichtung Z mindestens 3 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm und ganz bevorzugt mindestens 10 mm vom Ende des Filters gerechnet. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform beträgt die maximale Länge der Beschichtung Z 5 - 100% vorzugsweise 10-100% und ganz bevorzugt 20-100% bezogen auf die Länge L des Filters. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich Beschichtung Z über die komplette Länge L des Filters.In a preferred embodiment, coating Z extends at least over an axial portion of the length L of the filter. In a preferred embodiment, the minimum length of the coating Z is at least 3 mm, preferably at least 5 mm and most preferably at least 10 mm from the end of the filter. In a further preferred embodiment, the maximum length of the coating Z is 5-100%, preferably 10-100% and very preferably 20-100% based on the length L of the filter. In a further preferred embodiment, coating Z extends over the entire length L of the filter.
Als Edelmetalle in der Beschichtung Z kommen vorzugsweise Platin und/oder Palladium in Frage. Das Massenverhältnis von Platin zu Palladium beträgt bevorzugt 0.05 - 20, mehr bevorzugt 0.1 - 10 und ganz bevorzugt 1.5 - 5. Als Edelmetalle in der Beschichtung Z kommen weiterhin vorzugsweise Platin und/oder Rhodium in Frage. Das Massenverhältnis von Platin zu Rhodium beträgt bevorzugt 0.05 - 20, mehr bevorzugt 0,1 - 10 und ganz bevorzugt 1,5 - 5. Als Edelmetalle in der Beschichtung Z kommen weiterhin vorzugsweise Platin und/oder Rhodium und/oder Palladium in Frage. Das Massenverhältnis von Platin zu Palladium zu Rhodium beträgt bevorzugt 1 - 10 : 1 - 10: 1 -2, mehr bevorzugt 1 - 10 : 1 - 7: 1 -1,5. Beschichtung Z enthält besonders bevorzugt die Edelmetalle Platin und/oder Palladium, wobei vorteilhafter Weise nur ausnahmsweise auch Rhodium als weiteres Edelmetall vorliegt. Besonders bevorzugt enthält Beschichtung Z Platin und Palladium und kein Rhodium. In einer weiteren Ausführungsform enthält Beschichtung Z die Edelmetalle Platin und/oder Rhodium, wobei vorzugsweise nur ausnahmsweise auch Palladium als weiteres Edelmetall vorliegt. Besonders bevorzugt enthält Beschichtung Z Palladium und Rhodium und kein Platin. In einer weiteren Ausführungsform enthält Beschichtung Z die Edelmetalle Platin, Palladium und/oder Rhodium. Auch in dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn das Massenverhältnis von Platin zu Palladium 0.05 - 20, bevorzugt 0.07 - 15 beträgt. Die Edelmetalle der Beschichtung Z sind bevorzugt nicht auf Trägermaterialien (keramische oder oxidische Anteile der Beschichtung Z) fixiert. Sie können sich jedoch während der Beschichtung auf den Oxiden und Bestandteilen der Beschichtung F abscheiden.Preferred noble metals in the coating Z are platinum and/or palladium. The mass ratio of platinum to palladium is preferably 0.05 - 20, more preferably 0.1 - 10 and very preferably 1.5 - 5. The noble metals in the coating Z are also preferably platinum and / or rhodium. The mass ratio of platinum to rhodium is preferably 0.05 - 20, more preferably 0.1 - 10 and very preferably 1.5 - 5. The noble metals in the coating Z are also preferably platinum and / or rhodium and / or palladium. The mass ratio of platinum to palladium to rhodium is preferably 1 - 10: 1 - 10: 1 -2, more preferably 1 - 10: 1 - 7: 1 -1.5. Coating Z particularly preferably contains the noble metals platinum and/or palladium, with rhodium advantageously only being present as a further noble metal in exceptional cases. Coating Z particularly preferably contains platinum and palladium and no rhodium. In a further embodiment, coating Z contains the precious metals platinum and/or rhodium, with palladium preferably also being present as a further noble metal only in exceptional cases. Coating Z particularly preferably contains palladium and rhodium and no platinum. In a further embodiment, coating Z contains the noble metals platinum, palladium and/or rhodium. In this embodiment too, it is particularly advantageous if the mass ratio of platinum to palladium is 0.05 - 20, preferably 0.07 - 15. The precious metals of the coating Z are preferably not fixed to carrier materials (ceramic or oxidic parts of the coating Z). However, they can deposit on the oxides and components of coating F during coating.
Die Herstellung des Beschichtungsmediums der Beschichtung Z ist dem Fachmann bekannt (z.B.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform befindet sich Beschichtung Z in den porösen Wänden und/oder auf den Oberflächen OE und/oder OA und/oder auf den Stirnflächen der Kanäle E und/oder A und/oder auf den Bestandteilen der Beschichtung F. Vorzugsweise sind auch die Stirnflächen der Kanäle OE und/oder OA mit der Beschichtung Z versehen. In dieser Ausführungsform sind die Stopfen der Enden E und/oder A des Filters an den jeweiligen Enden außen am Filter mit der Beschichtung Z beschichtet. Besonders bevorzugt ist außerdem eine Beschichtung mit Z in die Poren der porösen Filterwand hinein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befindet sich die Beschichtung Z ausschließlich in den Poren des Filtersubstrats. Die Beschichtung Z kann sich zudem auch auf den Partikeln von Beschichtung F abscheiden. Des Weiteren kann sich Beschichtung Z ebenfalls auf den Oberflächen OA befinden.In an embodiment according to the invention, coating Z is located in the porous walls and/or on the surfaces O E and/or O A and/or on the end faces of the channels E and/or A and/or on the components of the coating F. Preferably the end faces of the channels O E and/or O A are also provided with the coating Z. In this embodiment, the plugs of the ends E and/or A of the filter are coated with the coating Z at the respective ends on the outside of the filter. A coating with Z into the pores of the porous filter wall is also particularly preferred. In a further advantageous embodiment, the coating Z is located exclusively in the pores of the filter substrate. The coating Z can also deposit on the particles of coating F. Furthermore, coating Z can also be located on the surfaces O A.
Die Beschichtung Z ist insbesondere aufgrund der Bestandteile Platin und/oder Palladium und/oder Rhodium eine katalytisch aktive Beschichtung. Unter „katalytisch aktiv“ wird im Rahmen vorliegender Erfindung die Fähigkeit verstanden, kohlenstoffhaltige Partikel wie Ruß oder volatile Kohlenwasserstoffpartikel zu oxidieren oder die Abgaskomponenten CO und HC zu oxidieren oder NOx zu reduzieren. Die Beschichtung Z ist besonders bei Betriebstemperaturen von 200 bis 1100 °C katalytisch aktiv. Insbesondere ist unter dem Begriff „katalytisch aktiv“ zu verstehen, dass ein Filter, der die Beschichtungen F und Z aufweist, bei einer Abgastemperatur von 500°C, einem Lambdawert von 1.05 und einem Abgasmassenstrom von 70 kg/h in der gleichen Zeiteinheit 10% mehr Ruß und/oder Kohlenwasserstoffe oxidieren kann, als ein Filter der nur die Beschichtung F enthält, bevorzugt 15% mehr und ganz besonders bevorzugt 20% mehr.The coating Z is a catalytically active coating, in particular due to the components platinum and/or palladium and/or rhodium. In the context of the present invention, “catalytically active” is understood to mean the ability to oxidize carbon-containing particles such as soot or volatile hydrocarbon particles or to oxidize the exhaust gas components CO and HC or to reduce NO x . The coating Z is particularly catalytically active at operating temperatures of 200 to 1100 °C. In particular, the term “catalytically active” means that a filter that has the coatings F and Z is 10% at an exhaust gas temperature of 500 ° C, a lambda value of 1.05 and an exhaust gas mass flow of 70 kg / h in the same time unit. can oxidize more soot and/or hydrocarbons than a filter that only contains coating F, preferably 15% more and very particularly preferably 20% more.
Bevorzugt weist Beschichtung Z keine nennenswerte Schichtdicke auf und erhebt sich nicht über die Oberflächen OA und/oder OE. Bevorzugt ist die Schichtdicke von Beschichtung Z kleiner als 5 µm, besonders bevorzugt kleiner als 3 µm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 µm.Coating Z preferably has no significant layer thickness and does not rise above the surfaces O A and/or O E. The layer thickness of coating Z is preferably less than 5 μm, particularly preferably less than 3 μm and most preferably less than 1 μm.
Das erfindungsgemäße Wandflussfilter kann dadurch hergestellt werden, dass die Beschichtungen Z und F auf ein Wandflussfiltersubstrat aufgebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandflussfilters wird zuerst Beschichtung F und im Anschluss daran Beschichtung Z auf das Filtersubstrat aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass sich Beschichtung Z nicht nur auf dem Oberflächen OE, OA und in der porösen Filterwand abscheidet, sondern zusätzlich auch noch auf den Partikeln der Beschichtung F abgeschieden werden kann.The wall flow filter according to the invention can be produced by applying the coatings Z and F to a wall flow filter substrate. In a preferred embodiment of the wall flow filter according to the invention, coating F is first applied and then coating Z is applied to the filter substrate. This has the advantage that coating Z is not only deposited on the surface O E , O A and in the porous filter wall, but can also be deposited on the particles of the coating F.
Das Aufbringen der Beschichtung Z ist im erfindungsgemäßen Fall mit nur einem sehr kleinen Anstieg des Abgasgegendrucks verbunden. Gegenüber dem Filter, der lediglich die Beschichtung F aufweist, erhöht sich der Gegendruck durch das Aufbringen der Beschichtung Z nur um 15%, bevorzugt nur um 10% und besonders bevorzugt nur um 5%, wobei sich die Zunahme des Abgasgegendrucks nach folgender Formel berechnen lässt:
Das Aufbringen der Beschichtung Z geht im erfindungsgemäßen Fall mit nur einer sehr geringen Änderung der Filtrationseffizienz des Filters einher. Gegenüber dem Filter, der lediglich die Beschichtung F aufweist, ändert sich die Filtrationseffizienz durch das Aufbringen der Beschichtung Z nur um 3 Prozentpunkte, bevorzugt nur um 2Prozentpunkte und besonders bevorzugt nur um 1 Prozentpunkt. Unter dem Terminus Änderung kann im erfindungsgemäßen Sinn sowohl eine Erhöhung als auch eine Erniedrigung um den angegebenen Bereich verstanden werden.In the case according to the invention, the application of the coating Z is accompanied by only a very small change in the filtration efficiency of the filter. Compared to the filter that only has the coating F, the filtration efficiency changes by applying the coating Z by only 3 percentage points, preferably only by 2 percentage points and particularly preferably only by 1 percentage point. In the sense of the invention, the term change can be understood to mean both an increase and a decrease by the specified range.
Die Berechnung der Filtrationseffizienzzunahme berechnet sich nach folgender Formel.
Nimmt die Filtrationseffizienz durch das Einbringen von Z leicht ab, berechnet sich die Abnahme nach folgender Formel.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein System zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von überwiegend stöchiometrisch betrieben Verbrennungsmotoren, das einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter aufweist. Weiter bevorzugt ist ein System zur Reinigung von Abgasen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der erfindungsgemäße Wandflussfilter im Abgasstrang dem Abgas folgend als separates Aggregat nach einem motornahen Dreiwegekatalysator angeordnet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft wenn sich ein Dreiwegekatalysator in motornaher Position direkt anströmseitig zum erfindungsgemäßen Wandflussfilters befindet. Ebenso ist es vorteilhaft wenn sich ein Dreiwegekatalysator abströmseitig vom erfindungsgemäßen Wandflussfilters befindet. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn sich jeweils ein Dreiwegekatalysator anströmseitig und abströmseitig zum erfindungsgemäßen Wandflussfilters befindet. Weiter bevorzugt ist, insbesondere ein System zur Reinigung von Abgasen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich dem Abgas folgend nach dem erfindungsgemä-ßen Wandflussfilter mindestens ein weiterer Katalysator, ausgewählt aus der Gruppe von Dreiwegekatalysator, Oxidationskatalysator, NOx Speicherkatalysator, Kohlenwasserstofffalle, SCR Katalysator, Ammoniakschlupfkatalysator befindet. Die für den erfindungsgemäßen Wandflussfilter beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gelten mutatis mutandis auch für das hier erwähnte System.The present invention also relates to a system for cleaning exhaust gases from internal combustion engines, in particular from predominantly stoichiometrically operated internal combustion engines, which has a wall flow filter according to the invention. Further preferred is a system for cleaning exhaust gases, which is characterized in that the wall flow filter according to the invention is arranged in the exhaust system following the exhaust gas as a separate unit after a three-way catalytic converter close to the engine. In particular, it is advantageous if a three-way catalytic converter is located in a position close to the engine, directly upstream of the wall flow filter according to the invention. It is also advantageous if a three-way catalytic converter is located downstream of the wall flow filter according to the invention. It is also advantageous if there is a three-way catalytic converter on the upstream and downstream sides of the wall flow filter according to the invention. Further preferred is, in particular, a system for cleaning exhaust gases, which is characterized in that following the exhaust gas after the wall flow filter according to the invention there is at least one further catalyst, selected from the group of three-way catalyst, oxidation catalyst, NO x storage catalyst, hydrocarbon trap, SCR catalyst , ammonia slip catalyst is located. The preferred embodiments described for the wall flow filter according to the invention also apply, mutatis mutandis, to the system mentioned here.
Die vorliegende Erfindung betrifft alternativ des Weiteren ein Abgasreinigungssystem, das einen erfindungsgemäßen Filter und mindestens einen weiteren Katalysator umfasst. In einer Ausführungsform dieses Systems ist mindestens ein weiterer Katalysator stromaufwärts des erfindungsgemäßen Filters angeordnet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Dreiwegekatalysator oder einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator. In einer weiteren Ausführungsform dieses Systems ist mindestens ein weiterer Katalysator stromabwärts des erfindungsgemäßen Filters angeordnet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Dreiwegekatalysator oder einen SCR Katalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator oder um einen Ammoniakschlupfkatalysator. In einer weiteren Ausführungsform dieses Systems ist mindestens ein weiterer Katalysator stromaufwärts des erfindungsgemäßen Filters und mindestens ein weiterer Katalysator stromabwärts des erfindungsgemäßen Filters angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei den stromaufwärts angeordneten Katalysator um einen Dreiwegekatalysator oder einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator und bei dem stromabwärts angeordneten Katalysator um einen Dreiwegekatalysator oder einen SCR Katalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator oder um einen Ammoniakschlupfkatalysator. Die für den erfindungsgemäßen Wandflussfilter beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gelten mutatis mutandis auch für das hier erwähnte Abgasreinigungssystem.Alternatively, the present invention further relates to an exhaust gas purification system which comprises a filter according to the invention and at least one further catalyst. In one embodiment of this system, at least one further catalyst is arranged upstream of the filter according to the invention. This is preferably a three-way catalyst or an oxidation catalyst or an NO x storage catalyst. In a further embodiment of this system, at least one further catalyst is arranged downstream of the filter according to the invention. This is preferably a three-way catalyst or an SCR catalyst or an NO x storage catalyst or an ammonia slip catalyst. In a further embodiment of this system, at least one further catalyst is arranged upstream of the filter according to the invention and at least one further catalyst is arranged downstream of the filter according to the invention. Preferably, the upstream catalyst is a three-way catalyst or an oxidation catalyst or an NO x storage catalyst and the downstream catalyst is a three-way catalyst or an SCR catalyst or an NO x storage catalyst or an ammonia slip catalyst. The preferred embodiments described for the wall flow filter according to the invention also apply, mutatis mutandis, to the exhaust gas purification system mentioned here.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abgasreinigung eines Verbrennungsmotors, wobei die Abgase des Motors über einen erfindungsgemä-ßen Wandflussfilter bzw. ein diesen aufweisendes System geleitet werden. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor ein solcher der überwiegend stöchiometrisch betriebenen wird. Die bevorzugten und alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wandflussfilters und des Systems gelten hier mutatis mutandis ebenso.The present invention also relates to a method for exhaust gas purification of an internal combustion engine, wherein the exhaust gases from the engine are passed through a wall flow filter according to the invention or a system having this. The internal combustion engine is preferably one that is operated predominantly stoichiometrically. The preferred and alternative embodiments of the wall flow filter according to the invention and the system also apply here mutatis mutandis.
Motornah im Sinne der Erfindung bezeichnet einen Bereich im Abgasstrang, der sich in motornaher Position befinden, also ca. 10 - 80 cm, vorzugsweise 20 - 60 cm vom Motorausgang entfernt.Close to the engine in the sense of the invention refers to an area in the exhaust system that is in a position close to the engine, i.e. approx. 10 - 80 cm, preferably 20 - 60 cm away from the engine outlet.
Unter dem Begriff des Beschichtens wird demgemäß das Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien auf ein Wandflussfiltersubstrat verstanden. Die Beschichtung Z übernimmt die eigentliche katalytische Funktion. Vorliegend erfolgt die Beschichtung durch das Aufbringen einer entsprechend vorzugsweise wässrigen Suspension der katalytisch aktiven Komponenten in oder auf die Wand des Wandflussfiltersubstrates, zum Beispiel gemäß
Die erfindungsgemäßen katalytisch beschichteten Wandflussfilter unterscheiden sich von denen, die im Abgasstrang eines Fahrzeugs durch Ascheablagerung während des Betriebs entstehen. Erfindungsgemäß werden die katalytisch aktiven Wandflussfiltersubstrate gezielt mit einer ggf. Membranbeschichtung F versehen. Dies führt dazu, dass die Balance zwischen Filtrationseffizienz und Abgasgegendruck von Anfang an gezielt eingestellt werden kann. Nicht mitumfasst von der vorliegenden Erfindung sind daher Wandflussfilter, bei denen undefinierte Ascheablagerungen aus der Verbrennung von Kraftstoff z.B. im Zylinder während des Fahrbetriebs oder mittels eines Brenners erfolgt sind.The catalytically coated wall flow filters according to the invention differ from those that arise in the exhaust system of a vehicle due to ash deposition during operation. According to the invention, the catalytically active wall flow filter substrates are specifically provided with an optional membrane coating F. This means that the balance between filtration efficiency and exhaust gas back pressure can be set specifically from the start. Wall flow filters are therefore not included in the present invention ter in which undefined ash deposits have occurred from the combustion of fuel, for example in the cylinder during driving or by means of a burner.
Der erfindungsgemäße Wandflussfilter zeigt eine hervorragende Filtrationseffizienz bei keinem oder nur sehr geringen Anstieg des Abgasgegendrucks verglichen mit einem Wandflussfilter, der lediglich die Beschichtung F, nicht aber Beschichtung Z enthält. Bevorzugt zeigt der erfindungsgemäße Wandflussfilter eine unveränderte Rußpartikelabscheidung (Filterwirkung) gegenüber dem Ausgangsfilter, der lediglich die Beschichtung F umfasst. Der geringe Gesamtgegendruck ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass durch die Gegenwart von Beschichtung F der Querschnitt der Kanäle auf der Eingangsseite nicht stark verringert wird. Es wird angenommen, dass Beschichtung F eine poröse Struktur bildet, was sich positiv auf den Staudruck auswirkt. Durch die Beschichtung F weist ein erfindungsgemäßer Filter zudem einen niedrigeren Staudruck nach Rußbeladung auf, als ein analoger Filter ohne Beschichtung F, da diese das Eindringen des Rußes in die poröse Filterwand weitgehend verhindert. Beschichtung Z verleiht dem erfindungsgemäßen Wandflussfilter eine hervorragende katalytische Fähigkeit zur Oxidation von Ruß- bzw. Kohlenwasserstoffpartikeln, indem diese die deren Zündtemperatur herabzusetzen vermag und somit deren Oxidation erleichtert.The wall flow filter according to the invention shows excellent filtration efficiency with no or only a very small increase in the exhaust gas back pressure compared to a wall flow filter which only contains coating F but not coating Z. The wall flow filter according to the invention preferably shows an unchanged soot particle separation (filter effect) compared to the initial filter, which only comprises the coating F. The low overall back pressure is probably due to the fact that the presence of coating F does not greatly reduce the cross section of the channels on the input side. It is assumed that coating F forms a porous structure, which has a positive effect on the dynamic pressure. Due to the coating F, a filter according to the invention also has a lower dynamic pressure after loading with soot than an analogous filter without coating F, since this largely prevents the soot from penetrating into the porous filter wall. Coating Z gives the wall flow filter according to the invention an excellent catalytic ability to oxidize soot or hydrocarbon particles by being able to reduce their ignition temperature and thus facilitate their oxidation.
Üblicherweise findet der erfindungsgemäße Filter vor allem bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung Anwendung. Bevorzugt handelt es sich hierbei um überwiegend stöchiometrisch betriebene Benzin- oder Erdgasmotoren. Bevorzugt handelt es sich um Motoren mit Turboaufladung. Die Anforderungen an Benzinpartikelfilter (GPF) unterscheiden sich deutlich von den Anforderungen an Dieselpartikelfilter (DPF). Dieselmotoren ohne DPF können bis zu zehnfach höhere Partikelemissionen, bezogen auf die Partikelmasse, aufweisen als Benzinmotoren ohne GPF (Maricq et al., SAE 1999-01-01530). Außerdem fallen beim Benzinmotor deutlich weniger Primärpartikel an und die Sekundärpartikel (Agglomerate) sind deutlich kleiner als beim Dieselmotor. Die Emissionen bei Benzinmotoren liegen im Bereich von Partikelgrößen kleiner 200 nm (Hall et al., SAE 1999-01-3530) bis 400 nm (Mathis et al., Atmospheric Environment 38, 4347) mit dem Maximum im Bereich von rund 60 nm bis 80 nm. Daher muss die Filtration der Nanopartikel beim GPF hauptsächlich über Diffusionsabscheidung erfolgen. Für Partikel kleiner als 300 nm wird mit abnehmender Größe die Abscheidung durch Diffusion (Brownsche Molekularbewegung) und elektrostatische Kräfte immer bedeutender (Hinds, W.: Aerosol technology: Properties and behavior and measurement of airborne particles. Wiley, 2. Auflage 1999). Nichtsdesttrotz kann der erfindungsgemäße Wandflussfilter auch im Dieselbereich Anwendung finden.The filter according to the invention is usually used primarily in internal combustion engines, in particular in internal combustion engines with direct injection or intake manifold injection. These are preferably predominantly stoichiometrically operated gasoline or natural gas engines. These are preferably engines with turbocharging. The requirements for gasoline particulate filters (GPF) differ significantly from the requirements for diesel particulate filters (DPF). Diesel engines without DPF can have up to ten times higher particle emissions, based on particle mass, than gasoline engines without GPF (Maricq et al., SAE 1999-01-01530). In addition, the gasoline engine produces significantly fewer primary particles and the secondary particles (agglomerates) are significantly smaller than the diesel engine. The emissions from gasoline engines range from particle sizes smaller than 200 nm (Hall et al., SAE 1999-01-3530) to 400 nm (Mathis et al., Atmospheric Environment 38, 4347) with the maximum in the range from around 60 nm to 80 nm. Therefore, the filtration of the nanoparticles in GPF must take place primarily via diffusion separation. For particles smaller than 300 nm, deposition by diffusion (Brownian molecular motion) and electrostatic forces becomes increasingly important as the size decreases (Hinds, W.: Aerosol technology: Properties and behavior and measurement of airborne particles. Wiley, 2nd edition 1999). Nevertheless, the wall flow filter according to the invention can also be used in the diesel sector.
Die Beschichtungen Z, F können auf dem Wandflussfiltersubstrat in verschiedener Weise angeordnet sein. Die
-
1 betrifft einen Wandflussfiltersubstrat mit den Oberflächen OE und OA -
2 betrifft einen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE aufweist -
3 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine kurze Zone von Beschichtung Z im Eingangsbereich des Filters aufweist -
4 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine kurze Zone von Beschichtung Z im Eingangsbereich des Filters aufweist, wobei sich Beschichtung F auch auf den Stirnflächen der Stopfen befindet -
5 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine längere Zone von Beschichtung Z im Eingangsbereich des Filters aufweist. -
6 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine kurze Zone von Beschichtung Z im Auslassbereich des Filters aufweist -
7 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine längere Zone von Beschichtung Z im Auslassbereich des Filters aufweist -
8 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter der eine Beschichtung F auf den Oberflächen OE und eine Beschichtung Z aufweist, wobei sich Beschichtung Z über den ganzen Filter erstreckt. -
9 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter und zeigt schematisch, dass sich Beschichtung Z auf den Oberflächen OA und/oder in den Poren des Filtersubstrats und/oder auf den Partikeln der Beschichtung F befinden kann. -
10 betrifft einen erfindungsgemäßen Wandflussfilter und zeigt schematisch ein Bild auf dem zu erkennen ist, dass sich die Beschichtung Z über ca. 50% der Filterlänge erstreckt. -
11 zeigt einen Vergleich zwischen einem Filter ohne Beschichtung Z (schwarz) und einem erfindungsgemäßen Filter mit Beschichtung Z (grau) im Partikeloxidationstest.
-
1 relates to a wall flow filter substrate with surfaces O E and O A -
2 relates to a wall flow filter which has a coating F on the surfaces O E -
3 relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a short zone of coating Z in the entrance area of the filter -
4 relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a short zone of coating Z in the entrance area of the filter, with coating F also being located on the end faces of the plugs -
5 relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a longer zone of coating Z in the entrance area of the filter. -
6 relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a short zone of coating Z in the outlet area of the filter -
7 relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a longer zone of coating Z in the outlet area of the filter -
8th relates to a wall flow filter according to the invention which has a coating F on the surfaces O E and a coating Z, with coating Z extending over the entire filter. -
9 relates to a wall flow filter according to the invention and shows schematically that coating Z can be located on the surfaces O A and/or in the pores of the filter substrate and/or on the particles of the coating F. -
10 relates to a wall flow filter according to the invention and shows schematically an image in which it can be seen that the coating Z extends over approximately 50% of the filter length. -
11 shows a comparison between a filter without coating Z (black) and a filter according to the invention with coating Z (gray) in the particle oxidation test.
Die
- (E)
- den Eingangskanal/ Anströmkanal des Wandflussfilters
- (A)
- den Ausgangskanal/ Abströmkanal des Wandflussfilters
- (OE)
- die von den Eingangskanälen (E) gebildeten Oberflächen
- (OA)
- die von den Ausgangskanälen (A) gebildeten Oberflächen
- (L)
- die Länge der Filterwand
- (Z)
- die Beschichtung Z
- (F)
- die Beschichtung F
- (E)
- the inlet channel/inflow channel of the wall flow filter
- (A)
- the outlet channel/outflow channel of the wall flow filter
- (OE)
- the surfaces formed by the input channels (E).
- (OA)
- the surfaces formed by the output channels (A).
- (L)
- the length of the filter wall
- (Z)
- the coating Z
- (F)
- the coating F
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.The invention is explained below using examples.
Erfindungsgemäßes Beispiel 1:Example 1 according to the invention:
Ein keramisches Filtersubstrat wurde mittels eines Aerosolsprozesses (
Der so erhaltene Filter wurde im Anschluss gegen einen Vergleichsfilter, der keine Beschichtung Z enthält bezüglich des Gegendrucks und der Oxidationsfähigkeit von Partikeln am Motorprüfstand untersucht.The filter obtained in this way was then examined against a comparison filter that does not contain any coating Z with regard to the back pressure and the oxidation ability of particles on the engine test bench.
Zunächst wurde der Druckverslust des Filter vor und nach der Beschichtung Z an einem Kaltgasprüfstand bei einem Luftstrom von 600 m3/h gemessen. Vor der Beschichtung Z wies der Filter einen Gegendruck von 68.5 mbar auf, während der Gegendruck nach der Beschichtung mit Z bei 68.6 mbar lag.First, the pressure loss of the filter before and after coating Z was measured on a cold gas test stand with an air flow of 600 m 3 /h. Before coating Z, the filter had a back pressure of 68.5 mbar, while the back pressure after coating with Z was 68.6 mbar.
Anschließend wurden beide Filter zunächst an einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung mit 7 Gramm Ruß beladen und anschließend ausgewogen. Danach wurden die Filter erneut in den Abgasstrang des Motors eingebaut und bei fettem Abgas unter Sauerstoffausschluss auf eine Temperatur von 500°C temperiert. Anschließend wurde die Abgaszusammensetzung von fettem auf mageres Abgas (Lambda 1.1) umgestellt und im Anschluss die Abnahme des Gegendrucks in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet. Wie in
Somit bietet die Kombination aus Beschichtung F und Beschichtung Z eine elegante Möglichkeit, die Oxidation von Rußpartikeln, vor allem im Bereich von 10-23 nm, zu katalysieren, ohne dabei die ursprünglichen physikalischen Eigenschaften des Filters, wie zum Beispiel den Druckverlust, zu verschlechtern.The combination of coating F and coating Z therefore offers an elegant way to catalyze the oxidation of soot particles, especially in the range of 10-23 nm, without impairing the original physical properties of the filter, such as the pressure loss.
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