DE202008007223U1

DE202008007223U1 - Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom

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Publication number: DE202008007223U1
Application number: DE202008007223U
Authority: DE
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2018-05-30

Abstract

Filtereinrichtung (14) zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterelement (18), wobei das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Glasphase zugegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasphase aus Borosilikatgläsern oder Bleikristallgläsern besteht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein eine Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Filtereinrichtung zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Ganz speziell betrifft die Erfindung eine solche Filtereinrichtung auf der Basis von Aluminiumtitanat.
Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung selbstentzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise sind solche Filter aus einem keramischen Material, zum Beispiel Cordierit oder Siliziumcarbid gefertigt. Keramische Körper aus Cordierit finden Verwendung in einer Vielzahl von Hochtemperatur-Anwendungen, wie zum Beispiel katalytischen Konvertern, NO_x-Adsorbern, elektrisch geheizten Katalysatoren, chemischen Prozesssubstraten und eben auch Dieselpartikelfilter.
Bei der Filtration von Dieselabgasen war Cordierit als kostengünstiges Material, das einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, lange das Material der Wahl. Poröse Cordierit-Keramikfilter wurden in Form von Wandflussfiltern seit den frühen 80er Jahren zur Entfernung von Partikeln im Abgasstrom von Dieselmotoren verwendet.
Wandflussfilter besitzen in der Regel eine zylindrische Form mit zwei Stirnflächen und einer Mantelfläche und werden von der ersten Stirnfläche zur zweiten Stirnfläche von einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse liegenden Strömungskanälen für die Abgase von Dieselmotoren durchzogen. Die Querschnittsform der Wandflussfilter hängt von den Einbauerfordernissen am Kraftfahrzeug ab. Weit verbreitet sind Filterkörper mit rundem, elliptischem oder dreiecksförmigem Querschnitt. Die Strömungskanäle weisen meist einen quadratischen oder hexagonalen Querschnitt auf und sind in einem engen Raster über den gesamten Querschnitt der Filterkörper angeordnet.
Ein Dieselpartikelfilter (DPF) vereint idealerweise einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen geringen Druckabfall, hohe Festigkeit und geringe Kosten. Probleme, die bei der Verwendung von Cordierit auftauchen können, umfassen sowohl eine niedrige volumetrische Wärmekapazität und niedrige thermische Leitfähigkeit, was zu nicht akzeptablen hohen Temperaturen oder Temperaturspitzen während des Betriebs führen kann, als auch eine geringe thermische Beständigkeit. Des weiteren können im Dieselabgas vorhandene anorganische Partikel mit dem Cordierit reagieren und Filterausfälle hervorrufen.
Ein alternatives Material zu Cordierit bei der Herstellung von Diesel-Partikelfiltern ist Siliciumcarbid (SiC). Obwohl dieses Material sowohl eine hohe volumetrische Wärmekapazität als auch eine hohe thermische Leit fähigkeit aufweist, besitzt es, als Ergebnis einer relativ hohen Wärmeausdehnung und eines hohen Elastizitätsmoduls auch eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit. Dies macht es notwendig, SiC-Filter zu segmentieren, um bei der Verwendung Ausfälle zu verhindern. Auch resultieren die Verarbeitungserfordernisse (d. h., hohe Temperaturen, Inertatmosphäre und Segmentation) in hohen Herstellungskosten.
In neuerer Zeit sind keramische Filterelemente auf der Basis von Aluminiumtitanat bekannt geworden, die geeignete Eigenschaften zur Anwendung bei hohen Temperaturen, wie z. B. Fahrzeug-Abgaskontrolle und Dieselabgas-Nachbehandlungssysteme wie DPFs, aufweisen. Aluminiumtitanat ist die stöchiometrische Mischphase von Aluminiumoxid und Titandioxid. Es zeichnet sich aus durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine damit verbundene sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit.
Stand der Technik
Aus DE 602 17 084 T2 ist eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Wabensegmenten bekannt, die zu einem Einheitskörper verbunden sind. Die Hauptkomponente jedes der Wabensegmente umfasst zumindest eine aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Zirkoniumphosphat, Aluminiumtitanat, Titandioxid und Kombinationen davon.
Die DE 10 2006 040 739 A1 offenbart einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterkörper aus einem keramischen Filtersubstrat, wobei das Filtersubstrat mit einer porösen Schutzschicht aus einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist. Das Beschichtungsmaterial ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxide, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium-Aluminiumsilikate, Cordierit, Mullite, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser, Mischungen und Mischoxide daraus.
Schließlich offenbart die WO 2005/046840 einen keramischen Körper zur Verwendung als DPF mit einer Zusammensetzung, die umfasst: a(Al₂O₃·TiO₂) + b(CaO·Al₂O₃·2SiO₂) + c(SrO·Al₂O₃·2SiO₂) + d(BaO·Al₂O₃·2SiO₂) + e(3Al₂O₃·2SiO₂) + f(Al₂O₃) + g(SiO₂) + h(Fe₂O₃·TiO₂) + i(MgO·2TiO₂), worin a, b, c, d, e, f, g, h, und i Gewichtsfraktionen jeder Komponente darstellen, so dass (a + b + c + d + e + f + g + h + i) = 1, und die folgenden Bedingungen erfüllt sind 0.5 < a < 0.95; 0 ≤ b ≤ 0,5; 0 ≤ c ≤ 0.5; 0 ≤ d ≤ 0.5; 0 < e ≤ 0.5; 0 ≤ f ≤ 0.5; 0 ≤ g ≤ 0.1; 0 ≤ h ≤ 0.3; 0 ≤ i ≤ 0.3; b + d > 0,01. Es handelt sich hierbei um eine Mischung aus Aluminiumtitanat und einer Glasphase, wobei es sich bei den Gläsern um solche aus Erdalkalien, Alkalien, Siliziumdioxid, Aluminiumdioxid, Alkali- und Erdalkaligläsern handelt. Des weiteren enthält die Mischung eine Mi neralphase, wie bspw. Barium-, Calcium- und Strontium-Feldspäte. Nachteilig daran ist, dass Feldspäte natürliche Rohstoffe darstellen, die Schwankungen unterliegen und auch Verunreinigungen enthalten können. Strontium-Feldspat ist zudem extrem schwer erhältlich. Weitere Nachteile der Barium-, Calcium- und Strontiumfeldspäte liegen in der hohen Sintertemperatur und der schwierigen Verarbeitbarkeit. Calcium- und insbesondere Bariumverbindungen sind sehr reizend, Strontiumverbindungen sind schwach radioaktiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere ein Dieselpartikelfilter auf der Basis von Aluminiumtitanat bereit zu stellen, bei dem eine bessere Beeinflussung der Materialeigenschaften möglich ist und die Gefügeeigenschaften gut einstellbar sind. Weitere Aufgaben liegen in der Bereitstellung einer höheren mechanischen Festigkeit und einer niedrigeren Wärmedehnung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Filter aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Glasphase zugegeben ist, und die Glasphase aus Borosilikatgläsern oder Bleikristallgläsern besteht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden, in dem die erfindungsgemäße Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Filtereinrichtung nicht auf die Verwendung als DPF beschränkt ist, sondern ganz allgemein als Heißgasfilter, bspw. in Industrieanlagen, eingesetzt werden kann.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem bspw. ein rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Andere Gehäuseformen sind ebenfalls möglich. Das Filterelement 18 besteht aus Aluminiumtitanat, dem eine Glasphase zugesetzt ist, die aus Borosilikatgläsern oder Bleikristallgläsern besteht.
Sowohl Borosilikatgläser als auch Bleikristallgläser unterscheiden sich von den bisher verwendeten Gläsern in ihrer Zusammensetzung und ihrem Eigenschaften. Borosilikatgläser enthalten keine Alkalien, dafür ver wendet man zusätzlich Boroxid. Bleikristallgläser enthalten einen hohen Anteil an Bleioxid.
In einer ersten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; < 0,5 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
In einer zweiten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; 0,5–10 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; < 0,5 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
In einer dritten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; > 10 Gew.-% TiO₂; 0,5–10 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–10 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
In einer vierten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; < 0,5 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
In einer fünften Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; 0,5–20 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; < 0,5 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
In einer sechsten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase. Die Glasphase weist folgende Zusammensetzung auf: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; > 10 Gew.-% TiO₂; 0,5–20 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung besteht aus einem temperaturbeständigen Material und ist daher für den Einsatz als Dieselpartikelfilter geeignet. Durch die Auswahl der erfindungsgemäßen Glasphase lassen sich die Materialeigenschaften besser beeinflussen und die Gefügeeigenschaften besser einstellen. Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung zeigt eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Wärmeausdehnung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 60217084 T2 [0008]
- DE 102006040739 A1 [0009]
- WO 2005/046840 [0010]

Claims

Filtereinrichtung (14) zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterelement (18), wobei das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Glasphase zugegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasphase aus Borosilikatgläsern oder Bleikristallgläsern besteht.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; < 0,5 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; 0,5–10 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; < 0,5 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; > 10 Gew.-% TiO₂; 0,5–10 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–10 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 10 Gew.-% B₂O₃.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; < 0,5 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; 0,5–10 Gew.-% TiO₂; 0,5–20 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; < 0,5 Gew.-% RO, wobei R ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 1. 65–95 Gew.-% (Al₂O₃·TiO₂); 2. 5–35 Gew.-% Glasphase, wobei die Glasphase folgende Zusammensetzung aufweist: 50–90 Gew.-% SiO₂; < 2 Gew.-% Fe₂O₃; 1–25 Gew.-% Al₂O₃; > 10 Gew.-% TiO₂; 0,5–20 Gew.-% R'₂O, wobei R' ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Ru, Cs und Fr; 0,5–20 Gew.-% RO, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Ca, Ba und Ra; und < 20 Gew.-% PbO.
Dieselpartikelfilter, bestehend aus einem wabenförmigen Filterelement (18) mit wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Glasphase zugegeben ist und dass die Glasphase aus Borosilikatgläsern oder Bleikristallgläsern besteht.
Dieselpartikelfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 7 aufweist.