DE19522312A1

DE19522312A1 - Abgasfilter und Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen

Info

Publication number: DE19522312A1
Application number: DE19522312A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Kasai; Yoshiro Ono; Ikuko Ishiyama
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: US5634952A; JP3288536B2; JPH08931A; DE19522312C2

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abgasfilter, um feine Partikel, die in von Brennkraftmaschinen, z. B. Diesel motoren, ausgestoßenen Abgasen enthalten sind, abzuscheiden, und auf Vorrichtungen zur Behandlung von Abgasen mit diesen Filtern.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In Abgasen sind im allgemeinen feine Partikel enthalten, die als einen Hauptbestandteil Kohlenstoff außer Stickstoff oxiden NO_x, Kohlenmonoxid CO, Hydrogenkarbide HC od. dgl. um fassen. Diese feinen Partikel rufen per se nicht nur eine Luftverschmutzung hervor, sondern verschlechtern als Gift die katalytische Wirksamkeit oder Aktivität von Katalysato ren, um NO_x, CO, HC od. dgl. einer Reinigung zuzuführen. Deshalb sind bisher verschiedene Abgasfilter vorgeschlagen worden, um diese Feinpartikel abzuscheiden oder sammeln.

Abgasfilter erfordern bestimmte Kennwerte, z. B. niedrige Druckverluste, hohe Leistungsfähigkeiten im Abscheiden von Feinpartikeln, hohe Druckfestigkeiten, hohe Temperaturwech selbeständigkeiten od. dgl., und darüber hinaus ist es von Bedeutung, daß die Abgasfilter mit einem hohen Nutzeffekt regeneriert werden können, weil die Filter, da sich während der Filterung feine Partikel daran niederschlagen, eine in termittierende Regenerierung durch Beseitigen der Ablagerun gen nötig machen. Wenn die Regeneriereffizienz niedrig ist, wird eine lange Verwendung des Filter in einem Anstieg sei nes Druckverlustes resultieren.

Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 03-47507 beschreibt eine Technik, um ein ausgezeichnetes Filter zu erlangen, indem eine Filterlage, die einen mittleren Poren durchmesser von 0,2-10 µm besitzt, auf ein Filtersubstrat, das einen mittleren Porendurchmesser von 10-100 µm und ein Verhältnis des Porendurchmessers in der Position von 75 Vol.-% zu demjenigen in der Position von 25 Vol.-% mit Bezug auf eine kumulative Porenverteilung von mindestens 1,3 hat, gelegt wird, wobei die Filterlage am Filtersubstrat in einer solchen Weise befestigt ist, daß die Filterlage of fene Poren an der Fläche des Filtersubstrats blockieren kann.

Als ein Prozeß zur Regenerierung von Filtern ist bekannt, daß abgeschiedene Feinpartikel in situ an den Filtern abge brannt werden, indem die Temperatur der Filter erhöht wird. Alternativ ist auch ein anderer herkömmlicher Prozeß bekannt geworden, wobei abgeschiedene oder gesammelte Feinpartikel an Filtern durch Einblasen von Gegenluft in die Filter ent gegen der Abgasströmung abgeblasen und dann die feinen Par tikel verbrannt werden. Der letztgenannte Prozeß, wobei die Feinpartikel durch Gegenblasluft weggeblasen werden, hat den Vorteil, daß im Vergleich mit dem erstgenannten Prozeß, wo bei die Feinpartikel in situ an den Filtern abgebrannt wer den, die Lebensdauer der Filter im allgemeinen verlängert wird.

Jedoch hat der oben genannte herkömmliche Gegenblasprozeß ein Problem einer unzureichenden Fähigkeit im Regenerieren von Filtern während des Gegenblasens aufgeworfen, das in einem Anstieg von Druckverlusten mit Verstreichen der Zeit eines Abscheidevorgangs resultiert, obwohl das teilweise von den Eigenschaften der Filter abhängen mag. Andererseits hat sich in dem Fall, da die Filter in einer zweilagigen Struktur ausgebildet sind, wie in der Japanischen offenge legten Patentanmeldung Nr. 03-47507 offenbart ist, auch ein Problem eines Anstiegs im Druckverlust herausgestellt, obwohl das vom Material, das die Filterschicht bildet, ab hängen mag.

Abriß der Erfindung

Die primäre Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein Abgas filter, das eine durch Gegenblasluft verbesserte Regenerier effizienz hat und einen geringen Anstieg im Druckverlust selbst nach langer Verwendungszeit zeigt, sowie eine Vorrich tung zur Behandlung von Abgasen mit derartigen Filtern zu schaffen.

Die genannte Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung gelöst, d. h. durch ein Abgasfilter zur Ab scheidung von in von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen Abgasen enthaltenen Feinpartikeln, welches durch einen hier im fol genden näher definierten Valley-Level einer Fläche des Fil ters von nicht mehr als 20%, einer Porosität des Filters von zwischen 40% und 55% sowie einem mittleren Porendurch messer des Filters von zwischen 5 µm und 50 µm gekennzeichnet ist.

Die Aufgabe dieser Erfindung kann auch alternativ durch eine zweite Ausführungsform dieser gelöst werden, d. h. ein Abgas filter zur Abscheidung von in von Brennkraftmaschinen aus gestoßenen Abgasen enthaltenen Feinpartikeln, das ein Fil tersubstrat sowie eine an einer Fläche des Filtersubstrats vorgesehene Filterlage umfaßt, wobei das Abgasfilter dadurch gekennzeichnet ist, daß die obige Filterlage eine Fläche mit einem hierin definierten Valley-Level von nicht mehr als 20% besitzt und das obige Filtersubstrat eine Porosi tät von zwischen 45% sowie 60% und einen mittleren Poren durchmesser von zwischen 10 µm und 80 µm hat. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird bevorzugt, daß die Filterlage offene Poren an der Fläche des Filtersubstrats virtuell nicht blockiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung soll das Abgasfilter be vorzugterweise ein Keramikmaterial enthalten, das minde stens eine Haupt-Kristallkomponente umfaßt, welche aus der aus Kordierit, Mullit und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Ferner wird bevorzugterweise das Abgasfilter dieser Erfin dung als eine Wabenstruktur gefertigt.

Darüber hinaus wird für das Abgasfilter dieser Erfindung bevorzugt, daß es ein Keramikmaterial enthält, das als die Haupt-Kristallkomponente insbesondere Kordierit umfaßt und einen Wärmedehnungskoeffizienten längs einer Abgasströmungs richtung von höchstens 1,0 × 10^-6/°C zwischen 40°C und 800°C hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Aufgabe und weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden, auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein Profil einer Filterfläche zur Erläuterung der Definition des Valley-Levels bei dieser Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen mit erfindungsgemäßen Abgasfiltern;

Fig. 3 einen schematischen Aufriß der Vorrichtung zur Ab gasbehandlung bei Betrachtung aus der Richtung des Pfeils III, der in Fig. 2 angegeben ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der vorliegenden Erfindung werden Bedingungen oder Zustän de der Fläche eines Filters mit Hilfe eines "Valley-Levels" beurteilt.

Der in der folgenden Beschreibung durchweg verwendete Aus druck "Valley-Level" wird nachstehend erläutert.

Die Oberflächenrauheit eines Filters wird mittels eines Instruments zur Messung der Oberflächenrauheit durch die Tast- oder Meßstiftmethode gemäß JIS B-0651 bestimmt. Die erlangten Daten werden dreidimensional analysiert, und es wird sich eine Ebene vorgestellt, die das Profil der Filter fläche in Hälften mit einem gleichen Inhalt teilt, nämlich in eine obere Hälfte von Erhebungen und eine untere Hälfte von Vertiefungen. Diese imaginäre Ebene wird als eine mitt lere Ebene definiert. Wenn angenommen wird, daß das Filter auf dem Niveau der mittleren Ebene geschnitten wird, wird ein Verhältnis der gesamten Querschnittsfläche der Vertie fungen, die an der mittleren Ebene auftreten oder erschei nen, zur gesamten Fläche der mittleren Ebene als ein Valley- Level definiert.

In Fig. 1 ist die Art und Weise, wie der Valley-Level zu fin den ist, zweidimensional dargestellt und erläutert. Eine mittlere Ebene wird festgesetzt, um die Summe im Volumen der Erhebungen oben mit der Summe im Volumen der Vertiefun gen unten in bezug auf die mittlere Ebene innerhalb des Meßbereichs S gleichzumachen oder zu egalisieren. Die mitt lere Ebene wird also derart festgesetzt, daß sie die folgen de Gleichung (1) erfüllt:

(V₁₁+V₁₂+V₁₃+V₁₄+V₁₅) = (V₂₁+V₂₂+V₂₃+V₂₄) (1)

worin V den Inhalt der Erhebungen oder Vertiefungen wieder gibt.

Vertiefungen, die Querschnittsflächen s₁, s₂, s₃ und s₄ je weils haben, treten auf, wenn die Fläche des Filters auf dem Niveau der mittleren Ebene geschnitten wird. Das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Vertiefungen auf dem Niveau der mittleren Ebene zur gesamten Fläche der mittle ren Ebene im Meßbereich S wird als der Valley-Level defi niert, der durch die folgende Gleichung (2) wiedergegeben wird:

Valley-Level = (s₁ +s₂2+s₃+ s₄)/S × 100 (2)

Es ist zu bemerken, daß abgesehen von der bei der Berechnung des Valley-Levels, dessen Begriff in diese Erfindung einge führt worden ist, verwendeten Querschnittsfläche der Vertie fungen eine übliche Querschnittsfläche von Poren mittels einer Bildanalyse, z. B. REM (SEM) od. dgl., gefunden wird und ihr erhaltener Wert größer ist als eine Querschnitts fläche von Vertiefungen, die sich auf dem Niveau (Level) der mittleren Ebene, welche bei einem Berechnen des Valley- Levels verwendet wird, wie in Fig . . 1 dargestellt ist, zeigen.

Während des Abscheidens von Feinpartikeln werden diese, ob wohl sie an der gesamten Fläche des Filters gesammelt werden können, insbesondere vorzugsweise in den Poren an der Fläche gesammelt. Dies deswegen, weil die Feinpartikel abgeschieden und in den Porenbereichen an der Fläche, wo der Druckverlust niedrig ist, selektiv abgelagert werden. Da es schwierig ist, die Ablagerungen der Feinpartikel von den Porenbereichen der Fläche mittels einer Gegenblasluft gänzlich zu entfernen, wird die effektive Fläche des Filters mit der Konsequenz ver mindert, daß der Druckverlust erhöht wird.

In diesem Fall sind die Poren, in denen feine Partikel vor zugsweise aufgefangen werden, diejenigen Öffnungen an der Fläche, die tiefer als die durch die Messung der Oberflä chenrauheit festgesetzte mittlere Ebene sind, d. h., unter den Querschnittsflächen der Poren an der Fläche sind die Querschnittsflächen der Poren auf dem Niveau der mittleren Ebene jene, die einen Effekt hinsichtlich eines Ansammelns und Freigebens von feinen Partikeln herbeiführen, und nicht die gesamte Fläche der Poren, die an der Fläche öffnen, was aus den Bildanalysen, wie REM od. dgl. herzuleiten ist.

Wenn die Querschnittsfläche der Poren am Niveau der mittle ren Ebene, d. h. dem Valley-Level, verkleinert wird, werden die Bereiche, in denen Feinpartikel bevorzugterweise gesam melt werden, vermindert. Deshalb werden die abgeschiedenen oder gesammelten Feinpartikel in der Lösbarkeit während Ge genblasvorgängen mit der Konsequenz verbessert, so daß die wirksame Fläche der Filter kaum herabgesetzt wird. Folglich wird sich mit einer Verminderung des Valley-Levels die Rege neriereffizienz der Filter erhöhen.

Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage der obigen Erkenntnisse konzipiert worden. Wie oben beschrieben wurde, ist nämlich das Abgasfilter der ersten Ausführungsform die ser Erfindung, das zum Abscheiden von in Abgasen, welche von Brennkraftmaschinen ausgestoßen werden, enthaltenen Feinpar tikeln verwendet wird, durch einen Valley-Level der Fläche von nicht mehr als 20%, eine Porosität zwischen 40% sowie 55% und einen mittleren Porendurchmesser zwischen 5 µm so wie 50 µm gekennzeichnet.

Wenn der Valley-Level 20% oder weniger beträgt, wird die Lösbarkeit der an der Fläche des Filters angesammelten Feinpartikel verbessert, und dadurch wird die Effizienz in der Regenerierung des Filters mittels Gegenblasluft somit ebenfalls gesteigert. Um Druckverluste weiter herabzusetzen, soll der Valley-Level bevorzugterweise nicht mehr als 10% betragen. Falls der Valley-Level 20% übersteigt, ist die Lösbarkeit der angesammelten Feinpartikel von der Fläche des Filters während eines Gegenblasens so niedrig, daß der Druckverlust erhöht werden kann. Selbst wenn der Valley- Level 20% oder weniger ist, so strömt, wenn das Filter eine Porosität von weniger als 40% hat, die Gegenblasluft zu langsam, um die angesammelten Feinpartikel gänzlich abzu lösen, wodurch ebenfalls ein Anstieg im Druckverlust hervor gerufen wird. Überschreitet andererseits die Porosität den Wert von 55%, so wird die mechanische Festigkeit des Fil ters in unerwünschter Weise herabgesetzt. Des weiteren strömt, selbst wenn der Valley-Level 20% oder weniger ist, falls das Filter einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 µm hat, die Gegenblasluft zu langsam, um die angesammelten Fein partikel gänzlich zu lösen, was somit ebenfalls einen An stieg im Druckverlust verursacht. Ist andererseits der mitt lere Porendurchmesser größer als 50 µm, so wird die Leistungs fähigkeit im Abscheiden oder Sammeln von Feinpartikeln ver mindert.

Das Abgasfilter der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung, das auch zum Abscheiden von in Abgasen, welche von Brennkraft maschinen ausgestoßen werden, enthaltenen Feinpartikeln ver wendet wird, hat alternativ einen zweilagigen Aufbau, der ein Filtersubstrat sowie eine an der Fläche dieses Filtersub strats vorgesehene Filterlage umfaßt, wobei das Filter durch einen Valley-Level einer Fläche der obigen Filterla ge von nicht mehr als 20%, eine Porosität des obigen Fil tersubstrats von zwischen 45% sowie 60% und einem mittle ren Porendurchmesser des obigen Filtersubstrats von zwischen 10 µm sowie 80 µm gekennzeichnet ist.

Die Technik dieser Erfindung zur Verbesserung der Lösbar keit von abgeschiedenen und niedergeschlagenen Feinpartikeln sowie zur Steigerung der Regeneriereffizienz der Filter mittels eines Erniedrigens des Valley-Levels ist insbeson dere wirkungsvoll, wenn sie auf die Filter eines zweilagi gen Aufbaus mit einem Filtersubstrat und einer Filterlage angewendet wird. Dies deswegen, weil in üblichen Einlagen filtern die Schwierigkeit besteht, gleichzeitig drei Para meter, nämlich den Valley-Level, die Porosität und den mitt leren Porendurchmesser, zu kontrollieren und ferner die Ab nahme des Wärmedehnungskoeffizienten zu erlangen. Die Herab setzung des Valley-Levels der Fläche der Filterlage auf 20% oder weniger wird erleichtert, indem das Filter in einem zweilagigen Aufbau ausgestaltet wird, wobei bei der Herstel lung des Filtersubstrats auf die Luftdurchlässigkeit, die mechanische Festigkeit, die Wärmebeständigkeit u. dgl. Auf merksamkeit gerichtet und für die Filterlage dem Valley-Le vel Beachtung geschenkt wird. Wenn die Filterlage so ausge bildet wird, daß sie einen Valley-Level von 20% oder weni ger hat, und gleichzeitig so ausgestaltet wird, daß sie of fene Poren an der Fläche des Filtersubstrats nicht bloc kiert, kann zusätzlich der Druckverlust vermindert werden, ohne den Abscheidegrad negativ zu beeinflussen, so daß sol che Filter mehr zu bevorzugen sind.

Die Filter des zweilagigen Aufbaus zeigen, weil die Filter lage im allgemeinen eine höhere mechanische Festigkeit als das Filtersubstrat hat, eine ausreichende mechanische Festig keit im Vergleich mit Filtern eines einlagigen Aufbaus, selbst wenn das Filtersubstrat eine etwas hohe Porosität hat. Deshalb liegt eine geeignete Porosität des Filter substrats im Bereich zwischen 45% und 60%. Weil die Fil terlage einen Luftdurchlässigkeitswiderstand hinzufügt, wird ferner bevorzugt, daß die offenen Poren an der Flä che des Filtersubstrats bevorzugterweise einen größeren Durchmesser im Vergleich mit Filtern eines einlagigen Auf baus haben. Jedoch werden Durchmesser von mehr als 80 µm nicht bevorzugt, weil diese Partikeln, die die Filterlage bilden, die Möglichkeit bieten, in das Filtersubstrat mit dem Resultat hoher Druckverluste einzutreten.

Bei der obigen zweiten Ausführungsform wird bevorzugt, daß die Filterlage offene Poren an der Fläche des Filtersub strats virtuell nicht blockiert.

Wenn die Filterlage die an der Fläche des Filtersubstrats offenen Poren blockiert, wird die Porosität des gesamten zweilagigen Filters, das die Filterlage einschließt, niedri ger als diejenige des Filtersubstrats allein, und darüber hinaus können Partikel, die die Filterlage bilden, in das Filtersubstrat eintreten, was in hohen Druckverlusten re sultiert.

Sowohl bei der obigen ersten als auch zweiten Ausführungs form dieser Erfindung soll das Abgasfilter bevorzugterweise ein Keramikmaterial enthalten, das mindestens eine Haupt- Kristallkomponente umfaßt, welche aus der aus Kordierit, Mullit und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Ferner wird das Abgasfilter gemäß dieser Erfindung in bevor zugter Weise als eine Wabenstruktur ausgebildet.

Das Abgasfilter gemäß dieser Erfindung soll des weiteren in bevorzugter Weise insbesondere als eine Haupt-Kristall komponente des Filters oder Filtersubstrats Kordierit ent halten, und es hat vorzugsweise einen Wärmedehnungskoeffi zienten längs einer Strömungsrichtung des Abgases von höch stens 1,0 × 10^-6/°C zwischen 40°C und 800°C.

Wenn der Wärmedehnungskoeffizient 1,0 × 10^-6/°C überschreitet, wird sich die Temperaturwechselbeständigkeit der Filter in einem solchen Ausmaß vermindern, daß die Filter nicht für eine Anwendung in einem Abgasfilter für Dieselmotoren geeig net sein können. Um die Temperaturwechselbeständigkeit für eine lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten, ist der Wärmedeh nungskoeffizient vorzugsweise nicht größer als 0,8 × 10^-6/°C.

Gemäß dieser Erfindung werden die Abgasfilter in der Rege neriereffizienz dank eines synergetischen Effekts eines Valley-Levels, einer Porosität und eines mittleren Poren durchmessers, die für dieses in adäquater Weise vorgesehen sind, verbessert oder gesteigert.

Insbesondere bei der zweiten Ausführungsform dieser Erfin dung sind die Abgasfilter des zweilagigen Aufbaus gleich zeitig leicht in ihren drei Parametern zu kontrollieren, nämlich dem Valley-Level, der Porosität und dem mittleren Porendurchmesser.

Ferner können bei dieser zweiten Ausführungsform, wenn die Filterlage offene Poren an der Fläche des Filtersubstrats tatsächlich nicht blockiert, Druckverluste niedrig gehalten werden.

Gemäß dieser Erfindung können die Abgasfilter eine ausrei chende Temperaturwechselbeständigkeit und mechanische Fe stigkeit dank der Verwendung eines keramischen Materials aufweisen, welches mindestens eine Haupt-Kristallkomponente umfaßt, die aus der aus Kordierit, Mullit und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe gewählt ist. Mit einem Keramikmaterial, das Kordierit als eine Haupt-Kristallkomponente enthält, und mit einem Wärmedehnungskoeffzienten in der Abgasströ mungsrichtung von höchstens 1,0 × 10^-6/°C haben die Filter gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere eine ausge zeichnete Temperaturwechselbeständigkeit.

Ferner kann das Abgasfilter gemäß dieser Erfindung, weil es eine Wabenstruktur mit einem großen Oberflächenbereich pro Volumen umfaßt, zu einer kompakten Baugröße mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit ausgestaltet werden.

Die vorliegende Erfindung wird ferner in einer Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen, welche die oben beschriebenen Filter der ersten oder zweiten Ausführungsform der Erfin dung umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß Gegenblas luft für ein Regenerieren oder Wiederherstellen der Filter verwendet wird, verwirklicht.

Die genannte Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen wird bei einem an Motorfahrzeugen montierten Dieselmotor zum Einsatz gebracht.

Bei der Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen gemäß der obigen Ausführungsform dieser Erfindung werden die Filter, die eine durch Erniedrigen des Valley-Levels verbesserte Lösbarkeit für feine Partikel haben, mit Hilfe von Gegen blasluft regeneriert. Deshalb hat die Vorrichtung zur Be handlung von Abgasen, die die erfindungsgemäßen Filter um faßt, eine ausgezeichnete Regeneriereffizienz der Filter.

Darüber hinaus kann die in einen Dieselmotor eingebaute Vor richtung zur Behandlung von Abgasen leistungsfähig feine Partikel, die vom Dieselmotor ausgestoßen werden und Um weltstörungen, wie eine Luftverschmutzung, hervorrufen so wie die katalytische Wirksamkeit herabsetzen, abscheiden und sammeln.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen nach stehend mehr im einzelnen erläutert.

Bei diesen Beispielen wurden die physikalischen Eigenschaf ten der Filter gemäß den folgenden Methoden bestimmt.

Physikalische Eigenschaften (1) Porosität

Die Porosität wurde nach der in JIS R-2206 gezeigten Siede methode (Boiling Method) bestimmt.

(2) Mittlerer Porendurchmesser

Der mittlere Porendurchmesser wurde durch die Queck silber-Injektionsmethode (Mercury Injecting Method) be stimmt.

(3) Valley-Level

Mit einem Instrument zur Messung einer Oberflächenrauheit durch die Meßstiftmethode mit einem Diament-Taststift mit einem Krümmungsradius von 2 µm an der Spitze wurde eine Oberflächenrauheit unter den Bedingungen gemessen: Meßbildfeld 0,8 mm × 0,8 mm; Meßteilung oder -abstand 1,5 µm; Stiftbelastung 85 mgf. Dann wurde auf der Grundla ge der oben beschriebenen Definition der Valley-Level als ein Mittelwert von 5 Messungen bestimmt.

(4) Wärmedehnungskoeffizient

Mit einer Probe von 50 mm Länge in der Abgasströmungsrich tung und von 5 mm Breite wurde ein mittlerer Wärmedehnungs koeffizient von 40°C bis 800°C (der in der folgenden Ta belle 2 mit "WDK" bezeichnet ist) bestimmt.

Kennwerte (a) Druckverlust

Unter Anwendung eines Dieselmotors von 2000 cm³ als einer Abgas-Lieferquelle wurden unter den folgenden Betriebsbedin gungen feine Partikel abgeschieden bzw. gesammelt:

Abgastemperatur von 400°C; durchschnittliche Erzeugungsmenge von Feinpartikeln von 17 g/h; Abgasdurchsatzmenge von 3 m³/min, während die Filter unter den Bedingungen regene riert wurden von: einem Gegenblas-Luftdruck von 5,886 bar (6 kg/cm²); einem Gegenblasintervall von 5 min; einer Ge genblaszeit von 0,5 s. Unter diesen Bedingungen wurde der Motor kontinuierlich über 20 h betrieben, und dann war der Druckverlust im wesentlichen stabilisiert. Deshalb war nach einem Betrieb über 20 h die Änderung im Druckverlust als sehr gering anzusehen. Demzufolge wurde der Wert des Druck verlusts 20 h nach dem Beginn des Versuchs für eine Beur teilung der Leistungsfähigkeit verwendet.

Der Druckverlust soll aus einem praktischen Gesichtspunkt heraus erwünschterweise höchstens 9800 Pa (1000 mm H₂O) betragen.

(b) Abscheidegrad

Die Menge der in einem Aufnahmebehälter wiedergesammelten Feinpartikel wurde 3 h nach Beginn des Testlaufs des Motors unter denselben Bedingungen wie bei der Messung des Druckver lusts gemessen. Das Verhältnis der Menge der wiedergesammel ten feinen Partikel im Vergleich zur Menge der von der Ab gas-Lieferquelle erzeugten feinen Partikel repräsentierte einen Abscheidegrad. Die Berechnung des Abscheidegrades ist in der folgenden Formel (3) dargestellt:

(Menge der wiedergesammelten Feinpartikel/ erzeugte Feinpartikel) × 100 (3).

Erwünschterweise soll aus dem praktischen Gesichtspunkt her aus der Abscheidegrad mindestens 90% betragen.

(c) Druckfestigkeit in der A-Achse

Die axiale Richtung einer zylindrischen Probe mit 2,5 cm ⌀ × 2,5 cm Länge wurde als eine A-Achse angenommen. Die Druck festigkeit in der Richtung der A-Achse wurde bestimmt und eine Einheitsumrechnung ausgeführt.

Vom praktischen Gesichtspunkt aus beträgt wunschgemäß die Druckfestigkeit mindestens etwa 98 bar (100 kg/cm²).

(d) Temperaturwechselbeständigkeit

Eine Probe wurde in einen Elektroofen eingebracht und von 500°C aus mit stufenweiser Steigerung von 50°C erhitzt, wobei jede Stufe 30 min beibehalten wurde. Bei jeder Tem peraturstufe wurde die Probe auf Raumtemperatur herausge nommen, durch Klopfen geprüft oder visuell in Augenschein genommen. Bis ein dumpfer Ton bei einem Klopfen gehört oder ein Riß beobachtet wurde, wurde die stufenweise Steigerung wiederholt. Die maximale Temperatur vor Entstehen eines Risses wurde als ein gemessener Wert der Temperaturwechsel beständigkeit (die als "TWB" in der folgenden Tabelle 2 be zeichnet ist) angenommen.

Die TWB soll vom praktischen Gesichtspunkt aus erwünschter weise mindestens 700°C betragen.

Beispiel 1

Filterproben mit den Nr. 1-15 mit unterschiedlichen Val ley-Levels, Porositäten und mittleren Feinpartikeldurchmes sern, wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, wurden gemäß dem folgenden Verfahren gefertigt.

Herstellung von Keramikfiltern

Es wurden Talkum, Kaolin, Aluminiumoxid, Silika und andere Materialien zur Herstellung von Kordierit jeweils im Bereich einer Menge, um die Kordierit-Erzeugung zufriedenstellend fortzuentwickeln, gemischt, und mit der Mischung wurden Formungshilfsstoffe, wie Methylzellulose, oberflächenaktive Stoffe od. dgl., und Lösungsmittel, wie Wasser, Alkohole od. dgl., vermischt und verknetet. Das Endprodukt wurde zu einer Wabenstruktur von 118 mm ⌀ × 152 mm Länge mit einer Trennwanddicke von 430 µm und einer Zellendichte von 15,5 Zellen/cm² extrudiert und geformt. Diese Wabenstruktur wur de bei Temperaturen, die für das Fortschreiten einer Kordie rit-Erzeugungsreaktion ausreichend sind, gebrannt. Dann wurden die Durchgangslöcher dieser Wabenstruktur in einer sog. "Zickzackweise" verschlossen derart, daß benachbarte Durchgangslöcher alternierend am einen und am anderen Ende abgeschlossen wurden. Auf diese Weise wurde ein Keramikfil ter des Wandströmungstyps hergestellt.

Die Eigenschaften und Kennwerte der resultierenden Keramik filter wurden in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Methoden beurteilt. Die Resultate sind in der Tabelle 1 aufgetragen.

Tabelle 1

Wie aus der Tabelle 1 deutlich wird, hatten die Filterpro ben mit einer Porosität von 40% bis 55%, mit einem mitt leren Porendurchmesser von 5 µm-50 µm und mit einem Val ley-Level von 20% oder weniger (Proben Nr. 1-10) ausge zeichnete Leistungskennwerte eines niedrigen Druckverlusts, eines gesteigerten Abscheidegrades und einer hohen A-Achsen- Druckfestigkeit.

Im Gegensatz hierzu ergab sich bei der Probe mit einem Val ley-Level von mehr als 20% (Probe Nr. 15) ein erhöhter Druckverlust, weil sich bei dieser eine schlechte Lösbar keit der abgelagerten Feinpartikel während eines Gegenluft blasens herausstellte, so daß sich diese als für eine prak tische Anwendung nicht geeignet erwies. Weil andererseits bei der Probe mit einer Porosität von weniger als 40% (Pro be Nr. 11) die Gegenblasluft durch diese zu langsam für ein ausreichendes Ablösen von abgelagerten Feinpartikeln strömte, wurde deren Druckverlust ebenfalls erhöht. Selbst wenn der Valley-Level erniedrigt wurde, um die Lösbarkeit der Fein partikel zu verbessern, konnte der Druckverlust wegen der immer noch schlechten Lösbarkeit nicht klein gehalten wer den. Des weiteren nahm die Probe mit einer Porosität von mehr als 55% (Probe Nr. 12) in ihrer als eine A-Achsen- Druckfestigkeit dargestellten mechanischen Festigkeit ab, so daß sie nicht in der Lage war, auch nur eine minimale Festigkeit, die für eine Montage in Motorfahrzeugen notwen dig ist, zu erlangen. Auch wurde bei der Probe mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 µm (Probe Nr. 13), weil die Gegenblasluft zu langsam wie im Fall der zu geringen Porosität durch diese strömte, deren Druckver lust aufgrund einer schlechten Lösbarkeit von Feinpartikeln erhöht, selbst wenn der Valley-Level zur Steigerung der Lös barkeit erniedrigt wurde. Andererseits nahm bei der Probe mit einem mittleren Porendurchmesser von mehr als 50 µm (Probe Nr. 14) ihr Abscheidegrad ab, so daß sich ihre Lei stungsfähigkeit als ein Filter als unzureichend erwies.

Beispiel 2

Filterproben mit der Nr. 16-19 und mit unterschiedlichen Valley-Levels, Porositäten und mittleren Feinpartikeldurchmessern, wie in Tabelle 2 ge zeigt ist, wurden in derselben Weise wie im Beispiel 1 hergestellt und gemäß den oben beschriebenen Methoden beurteilt. Zusätzlich zu den Be urteilungspunkten im Beispiel 1 wurden auch der mittlere Wärmedehnungs koeffizient (WDK) und die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) beur teilt. Die Resultate sind in der Tabelle 2 dargestellt.

In der Einbauposition von Filtern, die allgemein in Diesel motoren verwenden werden, beträgt die Maximaltemperatur etwa 700°C, und ein während eines rapiden Abkühlens auftretender maximaler Temperaturunterschied wird mit 700°C angenommen. Deshalb ist es erwünscht, daß die Filter eine Temperaturwech selbeständigkeit von mindestens 700°C entfalten. Wie aus der Tabelle 2 deutlich wird, zeigten die Proben mit einem mittleren Wärmedehnungskoeffizienten von nicht mehr als 1,0 × 10^-6/°C (Proben Nr. 16-18) eine Temperaturwechsel beständigkeit von 700°C oder mehr. Um eine hohe Temperatur wechselbeständigkeit über einen langen Zeitraum aufrechtzu erhalten, wird zusätzlich angenommen, daß eine anfängliche Temperaturwechselbeständigkeit von mindestens 750°C erfor derlich sein wird. Aus der Tabelle 2 ergibt sich, daß die Proben, die einen mittleren Wärmedehnungskoeffizienten von nicht mehr als 0,8 × 10^-6/°C (Proben Nr. 17 und 18) haben, dieses Erfordernis erfüllen.

Wie sich aus dem Obigen deutlich ergibt, ist es für an Mo torfahrzeugen zu montierende Filter notwendig, außer einem niedrigen Valley-Level eine hohe Temperaturwechselbeständig keit zu haben, und um dieses Erfordernis zu erfüllen, wird es notwendig sein, daß der mittlere Wärmedehnungskoeffizient nicht mehr als 1,0 × 10^-6/°C, vorzugsweise nicht mehr als 0,8 × 10^-6/°C beträgt.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurden Keramikfilter eines zweilagigen Aufbaus, d. h. die Proben Nr. 20-33, gemäß der nachstehend beschriebenen Methode gefertigt.

Herstellung von Keramikfiltern mit zweilagigem Aufbau

Es wurden Talkum, Kaolin, Aluminiumoxid, Silika und andere Materialien zur Herstellung von Kordierit jeweils im Be reich einer Menge, um die Kordierit-Erzeugung zufriedenstel lend fortzuentwickeln, gemischt, und mit dieser Mischung wurden Formungshilfsstoffe, wie Methylzellulose, oberflächen aktive Stoffe od. dgl., und Lösungsmittel, wie Wasser, Alko hole od. dgl., vermischt und verknetet. Das resultierende Produkt wurde zu einer Wabenstruktur von 118 mm ⌀ × 152 mm Länge mit einer Trennwanddicke von 380 µm und einer Zellen dichte von 15,5 Zellen/cm² extrudiert und geformt. Diese Wabenstruktur wurde bei Temperaturen, die für das Fort schreiten einer Kordierit-Erzeugungsreaktion ausreichend sind, gebrannt. Dann wurden die Durchgangslöcher dieser Wa benstruktur in einer sog. "Zickzackweise" derart verschlos sen, daß benachbarte Durchgangslöcher alternierend am einen und am anderen Ende abgeschlossen wurden. Auf diese Weise wurde ein Filtersubstrat hergestellt. Die Oberfläche die ses Filtersubstrats wurde mit Silikamaterial, das einen mitt leren Partikeldurchmesser von 10 µm hatte, beschichtet, in dem eine Aluminiumoxidlösung verwendet wurde, wobei die Silikabeschichtung eine Filterlage mit 50 µm Dicke bildete.

Die Eigenschaften und Kennwerte der sich ergebenden zweila gigen Filter wurden in Übereinstimmung mit den oben beschrie benen Methoden beurteilt. Die Resultate sind in der folgen den Tabelle 3 aufgetragen.

Wie aus der Tabelle 3 deutlich wird, hatten die Filterpro ben mit einer Porosität von 45% bis 60%, mit einem mitt leren Porendurchmesser von 10 µm-80 µm und mit einem Val ley-Level von 20% oder weniger (Proben Nr. 20-28) ausge zeichnete Leistungskennwerte eines niedrigen Druckverlusts, eines verbesserten Abscheidegrades und einer hohen Druckfe stigkeit in der A-Achse.

Im Gegensatz hierzu ergab sich bei der Probe mit einem Val ley-Level von mehr als 20% (Probe Nr. 33) ein erhöhter Druck verlust, weil sich bei dieser eine schlechte Lösbarkeit der abgelagerten Feinpartikel während eines Gegenluftblasens herausstellte, so daß sich diese als für eine praktische Verwendung nicht geeignet erwies. Obwohl andererseits die Probe mit einer Porosität von weniger als 45% (Probe Nr. 29) einen Valley-Level von weniger als 20% aufwies, stieg deren Druckverlust an, weil die Gegenblasluft zu langsam durch diese hindurchströmte, um die Feinpartikel in ausreichender Weise zu lösen. Die Probe mit einer Porosität von mehr als 60% (Probe Nr. 30) nahm dagegen in ihrer mechanischen Fe stigkeit ab, so daß sie nicht in der Lage war, auch nur eine minimale Festigkeit, die für einen Einbau bei einem Motorfahrzeug notwendig ist, zu erlangen. Auch wurde bei der Probe mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 10 µm (Probe Nr. 31), weil die Gegenblasluft zu langsam durch diese strömte, deren Druckverlust aufgrund einer schlechten Lösbarkeit von Feinpartikeln erhöht.

Wenn die Filterlage an der Oberfläche des Filtersubstrats in einer solchen Weise ausgebildet wurde, daß die Filterlage offene Poren an der Fläche des Filtersubstrats nicht bloc kieren kann, hatten die resultierenden zweilagigen Filter (Probe Nr. 26 und 27) als Ganze ferner eine Porosität, die im allgemeinen höher als die Porosität des Filtersubstrats allein war. Es hat sich gezeigt, daß diese Proben im Ver gleich mit der zweilagigen Filterprobe, die durch die Fil terlage blockierte Poren an der Oberfläche des Substrats besitzt (Probe Nr. 28), einen niedrigeren Druckverlust hat ten.

Um die Erhöhung der Druckverluste im Filter des zweilagigen Aufbaus zu verhindern, ist es deshalb vorzuziehen, daß die offenen Poren an der Fläche des Filtersubstrats nicht durch die Filterlage blockiert werden. Jedoch ist es viel schwie riger, eine Filterlage an der Fläche des Filtersubstrats ohne ein Blockieren als mit einem Blockieren der offenen Poren (wie bei der Probe Nr. 28) an der Fläche des Filtersubstrats durch eine Filterlage auszu bilden. Insbesondere gilt das, wenn die offenen Poren einen großen mittleren Porendurchmesser haben, weil, je größer der Porendurchmesser ist, desto mehr feine Partikel der Filterlage ohne weiteres in die offenen Poren eintreten und zu einem Blockieren dieser neigen, was in einem Druck verlust von mehr als 9800 Pa (1000 mm H₂O) resultiert. Als Ergebnis einer Untersuchung hat sich herausgestellt, daß ein mittlerer Porendurchmesser, um tatsächlich die feinen Partikel der Filterlage aus den offenen Poren des Filter substrats herauszuhalten, höchstens 80 µm im zweilagigen Filter betragen soll, um einen Anstieg in den Druckverlusten zu verhindern.

Beispiel 4

In Fig. 2 ist ein Beispiel eines an einem Kraftfahrzeug mon tierten Dieselmotors gezeigt, der mit einer Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen ausgestattet ist, bei welcher die nach den Beispielen 1-3 der vorliegenden Erfindung gefer tigten Abgasfilter zur Anwendung gelangen.

In der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 10 zur Behandlung von Abgasen, strömen während einer üblichen Abgasfiltrierung (die übliche Abgasfilterung wird im folgenden als "Abschei debetrieb" bezeichnet) die Abgase von einer Abgasleitung 11 in jeden von Abgasfiltern 12. Da während des Abscheidebe triebs jedes Abgasventil 13 geöffnet ist, strömen die Abga se in jeden Abgasfilter 12 ein, in welchem die feinen, in den Abgasen enthaltenen Partikel, die in der Hauptsache Koh lenstoff umfassen, abgeschieden werden, und dann werden die Abgase aus der Abgas-Behandlungsvorrichtung 10 ausgetragen.

Während einer Gegenluft-Regenerierung (die im folgenden als "Gegenblasbetrieb" bezeichnet wird) wird ein Abgasventil 13 auf der Regenerierseite, z. B. das in Fig. 2 untere Abgas ventil 13, geschlossen, um ein Strömen der Abgase in die zu regenerierenden Abgasfilter 12 zu unterbrechen, und es wird ein Magnetventil 14 geöffnet, um Gegenblasluft in die Abgasfilter 12 einzublasen. Auf diese Weise werden die Abgas filter regeneriert. Ausgetragene Feinpartikel werden pneuma tisch zu einem Sammelbehälter 15, d. h. einer Vorrichtung zur Aufnahme der wiederzusammelnden Partikel, gefördert. Die geförderten und wiedergesammelten Feinpartikel werden durch Verbrennen mit einer elektrischen Heizeinrichtung, einem Brenner od. dgl., die nicht dargestellt sind, beseitigt oder durch Abbauen des Sammelbehälters 15 von der Abgas- Behandlungsvorrichtung 10 zurückerlangt.

Da gemäß diesem Beispiel der vorliegenden Erfindung Abgas filter mit einer Lösbarkeit von abgeschiedenen und abgela gerten feinen Partikeln, die durch Kontrollieren des Valley- Levels, der Porosität und des mittleren Porendurchmessers der Abgasfilter 12 verbessert sind, mit Hilfe von Gegen blasluft regeneriert werden, d. h. wiederhergestellt oder wiederaufbereitet werden, besitzen die Abgasfilter eine ausgezeichnete Regeneriereffizienz.

Gemäß der Erfindung wird eine imaginäre Ebene, die ein Pro fil einer rauhen Fläche eines Filters in Hälften mit glei chem Volumen teilt, als eine mittlere Ebene definiert. Un ter der Annahme, daß das Filter an der mittleren Ebene durch geschnitten wird, wird ein Verhältnis der gesamten Quer schnittsfläche der dabei auftretenden Vertiefungen zur ge samten Fläche der mittleren Ebene als ein Valley-Level be zeichnet. Ein Abgasfilter, das eine Fläche mit einem Valley- Level von höchstens 20%, mit einer Porosität von 40% bis 55% und mit einem mittleren Porendurchmesser von 5 µm bis 50 µm hat, sammelt leistungsfähig in von Brennkraftmaschi nen, wie Dieselmotoren, ausgestoßenen Abgasen enthaltene Feinpartikel mit geringem Druckverlust, es hat eine verbes serte Lösbarkeit von abgelagerten Feinpartikeln und kann mittels eines Gegenblasens ohne weiteres mit hoher Lei stungsfähigkeit regeneriert werden. Wenn das Filter einen spezifizierten zweilagigen Aufbau hat, ist der Valley- Level auf einfache Weise kontrollierbar.

Claims

1. Abgasfilter zur Abscheidung von in von Brennkraftma schinen ausgestoßenen Abgasen enthaltenen Feinparti keln, gekennzeichnet durch eine Fläche mit einem hier in definierten Valley-Level von nicht mehr als 20%, mit einer Porosität zwischen 40% und 55% sowie einem mittleren Porendurchmesser zwischen 5 µm und 50 µm.

2. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Keramikmaterial umfaßt, welches mindestens eine Haupt-Kristallkomponente enthält, die aus der aus Kordierit, Mullit und Aluminiumoxid be stehenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Wabenstruktur besitzt.

4. Abgasfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Keramikmaterial umfaßt, welches als die Haupt-Kristallkomponente insbesondere Kordierit enthält und einen Wärmedehnungskoeffizienten längs einer Abgasströmungsrichtung von höchstens 1,0 × 10^-6/°C zwischen 40°C sowie 800°C besitzt.

5. Abgasfilter zur Abscheidung von in von Brennkraftma schinen ausgestoßenen Abgasen enthaltenen Feinpartikeln, gekennzeichnet durch ein Filtersubstrat sowie eine an einer Fläche dieses Filtersubstrats vorgesehene Fil terlage, wobei die Filterlage eine Fläche mit einem hierin definierten Valley-Level von nicht mehr als 20% besitzt und das Filtersubstrat eine Porosität von zwischen 45% und 60% sowie einen mittleren Poren durchmesser von zwischen 10 µm und 80 µm hat.

6. Abgasfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterlage offene Poren an der Fläche des Fil tersubstrats im wesentlichen nicht blockiert.

7. Vorrichtung zur Behandlung von von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen Abgasen, die ein Abgasfilter zur Ab scheidung von in den Abgasen enthaltenen Feinpartikeln umfaßt und mit Gegenluftblaseinrichtungen ausgestat tet ist, um das Abgasfilter zu regenerieren, wobei das Filter eine Fläche mit einem hierin definierten Valley-Level von nicht mehr als 20%, mit einer Poro sität von zwischen 40% und 55% sowie mit einem mitt leren Porendurchmesser von zwischen 5 µm und 50 µm be sitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschinen an Motorfahrzeugen montier te Dieselmotoren sind.

9. Vorrichtung zur Behandlung von von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen Abgasen, die ein Abgasfilter zur Abschei dung von in den Abgasen enthaltenen Feinpartikeln um faßt und mit Gegenluftblaseinrichtungen ausgestattet ist, um das Abgasfilter zu regenerieren, wobei das Ab gasfilter ein Filtersubstrat sowie eine an einer Fläche dieses Filtersubstrats vorgesehene Filterlage umfaßt und die Filterlage eine Fläche mit einem hierin definier ten Valley-Level von nicht mehr als 20% besitzt sowie das Filtersubstrat eine Porosität von zwischen 45% und 60% sowie einen mittleren Porendurchmesser von zwischen 10 µm und 80 µm hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschinen an einem Motorfahrzeug mon tierte Dieselmotoren sind.