DE19820580A1 - Regenerierbarer Diesel-Abgasfilter - Google Patents

Regenerierbarer Diesel-Abgasfilter

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Abstract

Eine keramische Mikrofiltrationsmembran auf einem metallischen Träger zum Entfernen von partikulären Teilchen aus dem Abgasstrom von Dieselmotoren. Mittels Durchleiten von elektrischem Strom durch den metallischen Träger wird die keramische Mikrofiltrationsmembran erhitzt und der auf der Mikrofilteroberfläche abgeschiedene Ruß verbrannt.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Filtersystem zum Reinigen von Abgasen aus Verbrennungsmaschinen, insbesondere einen durch elektrische Beheizung regenerierbaren Abgasfilter von Dieselverbrennungsmaschinen.
Luftverschmutzungen rücken immer mehr als Bedrohung der Gesundheit ins öffentliche Bewußtsein. Die gesetzlichen Vorgaben, die die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, werden daher ständig verschärft. Zur Erfüllung dieser Vorgaben wird neben der Verwendung von entsprechend modifizierten Treibstoffen versucht, die festen Partikel mittels Filter zu entfernen.
Besonders Dieselantriebe, die am häufigsten in größeren Fahrzeugen eingesetzt werden, produzieren große Mengen Ruß und damit ernste Gefahren für Mensch und Umwelt. Daher gibt es gerade in diesem Bereich ständig wachsendes Interesse, partikuläre Verunreinigungen aus Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffpartikeln aus dem Dieselabgas zu entfernen.
Es wurden bereits viele Anordnungen zur Behandlung von Dieselabgas vorgeschlagen. Im allgemeinen bestehen diese Anordnungen aus Filtersystemen, welche die partikulären Inhaltsstoffe zurückhalten. Ein effizienter Filter soll dabei die Rußpartikel, die in einer Größenordnung von hauptsächlich oberhalb 0,25 µm rangieren, wirkungsvoll zurückhalten. Keramische Filter, die diese Aufgabe erfüllen, sind in US 4 872 889 oder US 4 948 403 beschrieben.
Die von diesen Filtern zurückgehaltenen Teilchen verursachen aber durch Belegung des Filters, bzw. seiner Oberfläche eine Verringerung des Gasdurchsatzes und bewirken damit einen Anstieg des Filtrationswiderstandes. Dieser Widerstand führt zu einem Mehrverbrauch an Treibstoff bis hin zum Motorstillstand.
Es ist daher notwendig, den Filter in zeitlichen Abständen mit dem Ziel der Entfernung der Kohlenstoffpartikel zu regenerieren. Dies geschieht durch das zusätzliche Verbrennen von Treibstoff am Filter, wobei diese Methode allerdings einige gravierende Nachteile, wie Zündprobleme, hohen Treibstoffverbrauch und ungenügende Tiefenwirkung der Reinigung mit sich bringt.
Eine andere Methode nutzt die Abreinigung durch Heizen auf über 600°C. Dazu sind bereits eine Reihe von Verfahren beschrieben.
Nach DE 38 00 723 (Heuer et al.) werden zum Aufheizen Heizdrähte verwendet. Nach EP 0275 372 (Gürtler et al.) werden Heizelemente benutzt, die aus Draht, Streckmetall oder perforierten Folien bestehen. Nach GB 2193656 (Henkel) werden Drähte verwendet, zwischen denen Strom fließt, sobald sich eine Rußschicht als Strombrücke gebildet hat. Nach US 5258164 (Bloom et al.) werden poröse metallische Träger mit anorganischem Filtermaterial belegt. Nach US 5202548 (Kondo et al.) werden elektrisch leitfähige Wabenstrukturen verwendet. Nach US 5246672 (Bak) werden Drahtgewebe, nach US 5254840 werden metallische und keramische Waben kombiniert verwendet. Bislang hat sich ein in der Praxis für alle Fahrzeugtypen brauchbarer Filtertyp am Markt noch nicht durchsetzen können.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein anforderungsgerechter Filter zur dauerhaft zuverlässigen Abtrennung von Partikeln aus Dieselabgas mit den weiteren Merkmalen, daß gleichzeitig der Filtrationswiderstand nur in engen Grenzen variiert, daß die Leistung des Motors durch den Filter nur gering reduziert wird, daß der Filter beständig gegen Hitze, leicht regenerierbar, stoßunempfindlich, gut handhabbar, platzsparend, preiswert und leicht montierbar ist.
Das Ziel wurde erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Dieselabgasfilter eine keramische Mikrofiltrations-Flachmembran auf einem metallischen Träger verwendet wird. Der metallische Träger kann dabei ein Drahtgewebe, Streckmetall, Drahtvlies oder Sintermetall sein, wobei die Herstellung der keramischen Membran auf dem metallischen Träger durch kurzzeitiges Erhitzen einer Dispersion aus mineralsaurem Titandioxidsol und Aluminiumoxid mit einer Teilchengrösse von vorzugsweise zwischen 0,3 und 3,0 µm erfolgt. Besonders günstig ist die Verwendung eines Edelstahldrahtgewebes als Träger. Die sehr flexible Flachmembran wird flach, gewickelt oder gefaltet, wie nach dem Stand der Technik in der Flüssigkeitsfiltration üblich, in ein Gehäuse derart eingebaut, daß die Dieselabgase die Membran durchströmen. Dabei werden Rußpartikel und Kohlenwasserstoffpartikel auf der Oberfläche der keramischen Membran zurückgehalten. Die keramische Membran weist dabei von Ihrer Porenweite her, typische Mikrofiltrationseigenschaften auf. Besonders typisch sind Porenweiten zwischen 0,2 und 1,5 µm.
Erfindungsgemäß wird die Abreinigung des Filters durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den mit der keramischen Membran imprägnierten, metallischen Träger vorgenommen.
Vorteilhaft bei der Verwendung dieser Filter ist die Tatsache, daß es sich um einen reinen Oberflächenfilter mit definierten Trenneigenschaften handelt. Demgegenüber lagern sich die Rußpartikel in Filterschichten aus keramischen Fasern nach dem Stand der Technik nach US 5258164 in der Tiefe des Filtermateriales ab.
Vorteilhaft bei der Verwendung dieser Filter ist auch, daß die gesamte Dicke des Filters, bestehend aus dem elektrisch leitenden metallischen Träger und der in den Maschen und auf den Stegen befindlichen Keramik, typischerweise im Bereich kleiner 100 µm liegt, wodurch eine hohe Filterfläche auf kleinstem Raum möglich ist. Bei der Verwendung eines gut geeigneten Edelstahldrahtgewebes mit einer Maschenweite von 70 µm als Membranträger beträgt der maximale Abstand von Keramikteilchen zu einer Metalloberfläche 35 µm. Dies bedeutet eine sehr gute Verfügbarkeit der elektrisch erzeugten Wärme zur Oxidation der auf der Keramik abgelagerten Partikel. Weiterhin vorteilhaft ist die Tatsache, daß es sich um eine einfache und robuste Konstruktion handelt. Obwohl es sich bei dem filteraktiven Material um Keramik handelt, ist der Filter so flexibel, daß er ohne Zerstörung auf einen Radius von 2-3 mm gebogen werden kann. Weiterhin von Vorteil ist die Tatsache, daß der Filter wegen seines geringen elektrischen Widerstandes mit niedriger, KFZ-üblicher Spannung aufgeheizt werden kann.

Claims (2)

1. Regenerierbarer Diesel-Abgasfilter, gekennzeichnet dadurch, daß eine keramische Mikrofiltrationsmembran auf einem porösen metallischen Träger, hergestellt durch Aufbringen und Erhitzen einer Dispersion aus einem mineralsauren Titandioxidsol und Aluminiumoxidpulver mit Teilchengrößen oberhalb 0,3 µm, zur Filtration der Abgase verwendet wird und die sich auf der Oberfläche der Membran abgelagerten Partikel durch Aufheizen mittels Anlegen einer elektrischen Spannung an den metallischen Träger oxidiert werden.
2. Regenerierbarer Diesel-Abgasfilter nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in die Mikrofiltrationsmembran katalytisch aktive Materialien eingebracht werden.
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