DE10309862B4

DE10309862B4 - Vorrichtung zum Entfernen von Schadstoffen aus einem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE10309862B4
Application number: DE10309862A
Authority: DE
Inventors: Carola Schneider; Erich Bittner
Original assignee: Rhodius GmbH
Current assignee: Rhodius GmbH
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: DE10309862A1

Abstract

Vorrichtung zum Entfernen von Schadstoffen aus einem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Substrat aus einem zwei- oder mehrfädigen, als schlauchförmiges Rundgestrick ausgebildeten Kombinationsgestrick (2), dessen Maschen aus wenigstens einem Metalldraht (6) und wenigstens einem Metallfasergarn gebildet sind, wobei am mitgestrickten Metallfasergarn ein Katalysatormaterial angelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht (6) und das Metallfasergarn aus Edelstahl oder einer korrosionsfreien Legierung bestehen und das Katalysatormaterial porös ausgebildet ist und dass um das Substrat (1) ein ein- oder mehrlagiges Gestrick (7) aus einem Metallfasergarn angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen von Schadstoffen aus einem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist DE 43 03 850 C1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung beinhaltet einen Katalysatorkörper, welcher aus einem mehrfädigen Kombinationsgestrick gebildet ist, welches zumindest zweifädig aus verschiedenen Fasermaterialien gearbeitet ist und im Gestrick wenigstens ein Metallfaden mitverarbeitet ist. Das Gestrick kann elektrisch leitende Fasern enthalten, wobei diese als Kohlenstoff- oder Metallfasern in Gestalt von Metalldrähten vorliegen können. Das Katalysatormaterial wird auf das aus Keramikfasern bestehende Fasermaterial aufgebracht.

Aus DE 199 29 911 A1 ist ein Katalysatorkörper bekannt, welcher aus einem Rundgestrick aus Mineralfasern und einem Rundgestrick aus einem Metalldraht gebildet wird. Dabei werden die beiden Rundgestrickschläuche nebeneinander liegend zum Katalysatorkörper gewickelt.

Eine aus der DE 101 33 231 A1 bekannte Vorrichtung ist als Oxidationskatalysator ausgebildet, bei dem in Abgasströmungsrichtung dem Katalysatorkörper ein Filter, das ebenfalls aus einem Metalldrahtgestrick besteht, vorgeschaltet ist. Der Oxidationskatalysator kann mit einem Dieselrußfilter kombiniert werden.

Aus DE 100 58 824 A1 ist ein rohrförmiges Dieselrußfilter bekannt, bei dem ein die Rußzündpunkttemperatur absenkender Katalysator als Beschichtung auf einem ersten Filter, das als Drahtgestrickfilter ausgebildet ist, aufgebracht ist. Dem ersten Filter schließt sich ein zweites Filter aus einem keramischen oder metallischen Gestrick, Gewebe, Fließ, Faser- oder Sinterkörper an.

Aus DE 199 40 792 A1 ist es bekannt, ein Flächengefüge aus Metallgewebe zur Filtration und als Transportband herzustellen. Es besteht aus Metalldrähten, die mit einem Metallfasergarn verwebt sind. Dabei bilden die monophilen Metalldrähte die Kette und das Metallfasergarn bildet den Schuss.

Aus DE 199 45 742 C1 ist ein Metallfaser-Katalysator zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen bekannt. Der Katalysator enthält ein Gewebe, Gestrick oder Faserfließ aus Metallfasern, wobei das Katalysatormaterial entweder in den Metallfasern enthalten ist, d.h. die Metallfasern aus einer homogenen Legierung des Katalysatormaterials bestehen oder selbst in Form von Fasern vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher in kompakter Anordnung sowohl Filter- als auch Katalysatorwirkung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung ist in den Zwischenräumen des Metalldrahtgestrickes, welches als Kombinationsgestrick aus wenigstens einem Metalldraht und wenigstens einem Metallfasergarn besteht, das poröse Katalysatormaterial angeordnet. Das Metalldrahtgestrick ist ein Rundgestrick und besteht aus einer oder mehreren Lagen und bildet die Trägermatrix eines Zwischenräume aufweisenden, porösen Filterrohres. Der wenigstens eine Metalldraht und das wenigstens eine Metallfasergarn werden gleichzeitig verstrickt. Bei dem Metalldrahtgestrick handelt es sich somit um ein zwei- oder mehrfädiges Gestrick. Das Gestrick, welches beispielsweise aus einem Metalldraht und einem Metallfasergarn besteht, bildet ein zweifädiges Gestrick. Es können jedoch auch drei- oder mehrfädige Gestricke zum Einsatz kommen, wobei vorzugsweise ein Metalldraht und zwei oder mehr Metallfasergarne gemeinsam verstrickt werden. Der Metalldraht und das Metallfasergarn bestehen aus Edelstahl und Edelstahlfasern. Es kann jedoch auch eine andere geeignete, korrosionsfreie Legierung für den Metalldraht und das Metallfasergarn verwendet werden.

Bei dem Metallfasergarn handelt es sich um ein durch ein Spinnverfahren aus Metallfasern hergestelltes fadenförmiges Erzeugnis. Ein geeignetes Edelstahlfasergarn ist beispielsweise als Spinngarn (Nm 11/2) oder als Endlos-Multifilamentgarn mit einem Filament-Durchmesser von 12 μm im Handel erhältlich.

Das mehrfädige Kombinationsgestrick dient als Substrat für den Katalysator. Es bildet den Träger bzw. die Matrix, an welcher der Katalysator angelagert ist. Die Filterfunktion wird auch vom Katalysator übernommen. Dies wird durch das Kombinationsgestrick aus Metalldraht und Metallfasergarn ermöglicht. Die feinen Fasern des Metallfasergarns füllen die Maschen des Gestricks aus und bieten für das Katalysatormaterial eine große Haftfläche. Durch das Kombinationsgestrick wird somit eine volumenfüllende Matrix, an welcher das Katalysatormaterial angelagert ist, gebildet.

Auf diese Weise wird ein poröser Filter- und Katalysatorkörper geschaffen. Der Katalysatorkörper ist vorzugsweise als Washcoat ausgebildet, welche mit katalytisch wirkenden Stoffen, insbesondere Edelmetallen und/oder Übergangsmetallen dotiert ist. Die Poren des porös ausgebildeten Katalysatorkörpers wirken als Tiefenfilter.

In den Poren des Katalysatorkörpers kann auch die Abscheidung und Verbrennung von im Abgas befindlichen Partikeln, beispielsweise Rußpartikeln erfolgen. Der Katalysator kann hierzu mit Stoffen bzw. Substanzen dotiert sein, die zündpunkterniedrigend wirken. Als Substanzen zur Erniedrigung der Rußzündtemperatur eignen sich in bekannter Weise ( DE 32 32 729 A1 ), beispielsweise Oxyde des Lithiums, Kupfers, Palladiums oder Kombinationen davon. Ferner ist aus der DE 36 23 600 Kupfervanadat (Cu₃V₂O₈) als Rußzündpunkt – erniedrigende Substanz bekannt. Dadurch, dass der Katalysator auch als Filtermedium wirkt, steht der gesamte Strömungsweg des Abgases, der sowohl von der äußeren, die Zwischenräume des Kombinationsgestrickes begrenzenden als auch von der inneren Oberfläche des porösen Katalysatormaterial (z.B. Al O₃) gebildet wird, der Reaktionsmasse des Abgases zur Verfügung.

Der Filter-/Katalysatorkörper ist vorzugsweise hohlzylindrisch, vorzugsweise als Rohr ausgebildet. Der Strömungsweg des Abgases ist radial entweder von innen nach außen oder vorzugsweise von außen nach innen gerichtet. Der rohrförmige Filter-/Katalysatorkörper ist vorzugsweise an einem Ende gasdicht verschlossen und am anderen Ende offen.

Die in die Washcoat (AlO₃) eingelagerten Substanzen sind beispielsweise Platin, Palladium, Iridium und Rhodium. Ferner kommen als Dotierungssubstanzen Oxide der Seltenerdmetalle und/oder der Übergangsmetalle, wie La, Ti, Zr, Hf zur Anwendung.

Das Kombinationsgestrick kann auch als Substrat für einen Oxidations-Katalysator (Zwei-Wege-Katalysator) oder für einen Reduktionskatalysator (Reduktion von NO_x) verwendet werden. Ferner kann das Kombinationsgestrick als Substrat für einen Drei-Wege-Katalysator (Oxidation von HC, CO und NO_x) verwendet werden.

Insbesondere durch die Ausbildung als zwei- oder mehrfädiges Gestrick aus Edelstahlfasergarn und Edelstahldraht erreicht man einen korrosionsbeständigen Filter-/Katalysatoraufbau.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem mehrere Filter-/Katalysatorkörper in einer Filter-/Katalysatoreinheit verbaut sind;
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch einen Wandbereich eines rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpers, der im Ausführungsbeispiel der 1 zum Einsatz kommt;
3 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus einer Lage eines Kombinationsgestrickes, das bei den Ausführungsformen der 1 und 2 zum Einsatz kommt;
4 eine Draufsicht auf die Gasanströmseite (linke Seite) der in 1 dargestellten Baueinheit; und
5 eine Draufsicht auf die Gasanströmseite (rechte Seite) der in 1 dargestellten Baueinheit.
In der 1 ist eine Filter-/Katalysatorbaueinheit dargestellt, die mehrere rohrförmige Filter-/Katalysatorkörper 3 aufweist. Das Gehäuse der in 1 dargestellten Baueinheit wird von einem Metallmantel 11 mit beispielsweise einer Blechstärke von 1,5 mm, einem an der Gasanströmseite (linke Seite in 1) vorgesehenen Gitter 8 und einem an der Gasabströmseite (rechte Seite in 1) vorgesehenes Lochblech 9 gebildet. Die rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörper 3 sind auf entsprechende in das Gehäuseinnere ragende, nicht näher dargestellte Vorsprünge aufgesteckt. Das zu reinigende Abgas strömt in der 1 von links durch das Gitter 8 in das Gehäuseinnere der Baueinheit der 1. Von den Zwischenräumen zwischen den einzelnen rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpern 3 strömt das Gas durch die Rohrwände der Filter-/Katalysatorkörper in deren Innenräume und gelangt von dort durch Öffnungen 12 im Lochblech 9 an der Auslassseite nach außen. Durch Pfeile 5 ist die Strömungsrichtung des Abgases in der 1 dargestellt. Um diese Strömungsrichtung zu erzielen, sind die rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörper 3 an der Gaseinlassseite (linke Seite in der 1) durch Verschlussstopfen 10 verschlossen und im Lochblech 9 sind die Öffnungen 12 vorgesehen, durch welche die jeweiligen Innenräume der Filter-/Katalysatorkörper 3 nach außen hin offen sind.
Die Länge der Filter-/Katalysatorkörper 3 kann beispielsweise 254,0 mm betragen. Der Außendurchmesser kann beispielsweise 17,0 mm betragen. Der Innendurchmesser kann beispielsweise 13,0 mm betragen. Hieraus ergibt sich eine Gesamtwandstärke von 4,0 mm beim Ausführungsbeispiel. Die Wandstärke des rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpers 3 kann bis zu 8,0 mm betragen.
Die 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Wandteil eines rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpers 3. Dieser besitzt ein rohrförmiges poröses Substrat 1, das aus einem ein- oder mehrlagigen, schlauchförmigen Metalldrahtgestrick 2 hergestellt ist. Das Metalldrahtgestrick 2 ist ein ein- oder mehrlagiges Kombinationsgestrick aus Edelstahldraht oder Edelstahlfasergarn mit einer Filterfeinheit von ≤ 100 μm. Das Kombinationsgestrick 2 wird vorzugsweise als Rundgestrick hergestellt.
Das Metalldrahtgestrick 2 wird von einem Metalldraht, insbesondere Edelmetalldraht 6 und einem mitgestrickten Metallfasergarn, welches in der Gestrickmatrix im wesentlichen parallel mit dem Metalldraht 6 angeordnet ist, gebildet. Durch das Metallfasergarn wird eine poröse Matrix gebildet, welche in der 3 schematisch mit der Schraffur angedeutet ist. Die von dem Gestrick des Metallfasergarn gebildete Matrix beinhaltet Poren bzw. Zwischenräume 4, in welchen der Katalysator, der an den die Poren bzw. Zwischenräume 4 umgrenzenden Fasern des Metallfasergestricks angelagert ist, angeordnet ist. Der Draht 6 bildet eine Versteifung des vom Metallfasergarn gebildeten porösen Trägerkörpers bzw. Substrats 1. Der vorzugsweise aus Washcoat (AlO₃) gebildete Katalysator ist ebenfalls porös ausgebildet und übernimmt in der Trägermatrix sowohl Filterfunktion als auch Katalysatorfunktion. Die feinen Fasern des Metallfasergarnes füllen die Maschen des Gestrickes, wie in der 3 schematisch dargestellt ist, aus und bieten für den Katalysator eine volumenfüllende Matrix im rohrförmigen Körper 3 und somit eine hohe Haftfläche.
Für das zwei- oder mehrfädige Gestrick wird vorzugsweise Spinngarn aufgrund seiner Flauschigkeit verwendet. Der Draht 6, welcher eine Versteifung für die aus dem Metallfasergarn gebildete, volumenfüllende Matrix darstellt, besitzt einen Drahtdurchmesser von 0,05 bis 0,20 mm. Anstelle von Edelstahl kann auch ein anderes korrosionsbeständiges Material für den Draht 6 und das mitgestrickte Metallfasergarn verwendet werden.
Die Poren bzw. Zwischenräume 4 des Substrats 1 sind durch die Anlagerung an die Gestrickmatrix mit dem Katalysator angefüllt. Das Katalysatormaterial ist porös ausgebildet und beinhaltet ebenfalls Poren. Der Katalysator besteht vorzugsweise aus porösem Washcoat, der mit Edelmetallen und/oder Übergangsmetallen und/oder die Rußzündtemperatur erniedrigenden Substanzen dotiert ist. Die Poren des Katalysators besitzen Porendurchmesser im Nano- bis Mikrometerbereich. Die Poren im Washcoat bilden ebenfalls Strömungswege für das Abgas, welches in radialer Richtung durch den Filter-/Katalysatorkörper 3 hindurchgeleitet wird.
Bei Dieselmotor-Abgasen erfolgt sowohl die Abscheidung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln als auch die Verbrennung der Rußpartikel in den Poren im Innern des Katalysators.
Die Strömungsrichtung des Abgases durch den Filter-/Katalysatorkörper 3 ist im wesentlichen radial ausgerichtet und ist vorzugsweise von außen nach innen (Pfeil 5) gerichtet. Das aus dem Kombinationsgestrick bestehende Substrat 1 kann von einer oder mehren Lagen eines Gestrickes 7 nur aus Metallfasergarn, insbesondere Edelstahlfasergarn umwickelt sein (2).

1: Substrat
2: Kombinationsgestrick (Metalldraht und
: Metallfasergarn)
3: Filter-/Katalysatorkörper
4: Zwischenräume
5: Strömungsrichtung
6: Metalldraht
7: Metallfasergarn-Gestrick
8: Gitter
9: Lochblech
10: Verschlussstopfen
11: Mantel
12: Öffnungen

Claims

Vorrichtung zum Entfernen von Schadstoffen aus einem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Substrat aus einem zwei- oder mehrfädigen, als schlauchförmiges Rundgestrick ausgebildeten Kombinationsgestrick (2), dessen Maschen aus wenigstens einem Metalldraht (6) und wenigstens einem Metallfasergarn gebildet sind, wobei am mitgestrickten Metallfasergarn ein Katalysatormaterial angelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht (6) und das Metallfasergarn aus Edelstahl oder einer korrosionsfreien Legierung bestehen und das Katalysatormaterial porös ausgebildet ist und dass um das Substrat (1) ein ein- oder mehrlagiges Gestrick (7) aus einem Metallfasergarn angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Zwischenräumen (4) des Metallfasergarns gebildete Filterfeinheit im Bereich von ≤ 100 μm liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das um das Substrat vorgesehene ein- oder mehrlagige Gestrick (7) aus Edelstahlfasergarn gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der porös ausgebildete Katalysator ein Tiefenfilter bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Oxidations- und/oder Rußverbrennungskatalysator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Katalysators im Nanometer- bis Mikrometerbereich liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator aus poröser Washcoat besteht, welche mit Edelmetallen und/oder Übergangsmetallen dotiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Filter-/Katalysatorkörper (3) aufweist, der rohrförmig ausgebildet ist und eine radiale Strömungsrichtung durch die Rohrwand für das Abgas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpers (3) 3 bis 8 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Rußfilter oder Oxidationskatalysator oder Reduktionskatalysator.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere rohrförmige Filter-/Katalysatorkörper (3) parallel zueinander und im Abstand voneinander in einem Gehäuse (8, 9, 11) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Fasern des mitgestrickten Metallfasergarns gebildeten Zwischenräume (4) Strömungswege für das Abgas durch die Wand des rohrförmigen Filter-/Katalysatorkörpers (3) bilden.