DE3731889A1 - Dieselruss-partikelfilter und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Dieselruss-partikelfilter und verfahren zu seiner herstellung

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DE3731889A1
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particulate filter
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Klaus Prof Dr Rer Nat Mangold
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MOTOTECH MOTOREN UMWELTSCHUTZ
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Description

Das Hauptpatent betrifft ein Dieselruß-Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Dieselruß-Partikelfilter der im Hauptpatent beschriebenen Art haben sich im wesentlichen gut bewährt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Zusetzen des Filters mit Rußpartikeln insbesondere bei stark intermittie­ rendem Fahrbetrieb, etwa während der täglichen Hochverkehrszeiten in den Ballungszentren oder bei Linienbussen öffentlicher Verkehrsunternehmen oder Kraftfahrzeugen nicht vollständig verhindert werden kann. Dies hat seine Ursache darin, daß bei derartigen Fahrzuständen die für eine Oxidation und damit Verbrennung des Rußes sowie entsprechend Freibrennen des Filters erforderliche Zündtemperatur von etwa 300 bis 350°C nicht erreicht wird. Der durch die zunehmende Verstopfung des Filters eintretende Druckaufbau im Abgaskanal beeinträchtigt in erheblichem Maße das Verbrennungsverhalten und die Leistung des Motors.
Die vorliegende Erfindung bildet eine Weiterentwicklung der Erfindung nach dem Hauptpatent, da mit dem Ziel der Schaffung eines Dieselrußfil­ ters, mit dessen Hilfe unabhängig von dem Fahrbetrieb jederzeit eine voll­ ständige Beseitigung des Rußes aus dem Abgas ohne Beeinträchtigung des Fahrverhaltens des Motors erzielt wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Filter mit den im Patentanspruch 1 wie­ dergegebenen Merkmalen gelöst.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Filters werden die Dieselruß-Partikel auch der kleinsten Partikelgröße zuverlässig aufgefangen, so daß die über die Abgase bereits in der Anfahrphase des Motors absolut rußfrei in die Atmosphäre abgegeben werden. Hierbei wird im Falle des - von der Zusetzung des Filters mit Rußpartikeln abhängigen - Unterschreitens eines vorbe­ stimmten Durchströmquerschnittes die Verbindung zwischen dem Filterraum und der Reaktionskammer hergestellt mit der Wirkung, daß das aus dem Re­ servoir in die Reaktionskammer einströmende Gas unter Erwärmung kataly­ tisch oxidiert wird und damit das eigentliche Rußfilter auf die Zündtempe­ ratur von etwa 350°C gebracht wird. Hierbei genügt die Erwärmung nur eines minimalen Flächenstückes auf diese Temperatur, nachdem der hierdurch ausgelöste Verbrennungsvorgang stark exotherm verläuft und aufgrund des hohen Brennstoffangebots in Form des im Filter gespeicherten Rußes konti­ nuierlich eine weitere starke Temperaturerhöhung bewirkt, so daß das Filter selbstverstärkend innerhalb kurzer Zeit freibrennt. Die Zündein­ richtung kann somit bereits unmittelbar nach der Einleitung des Freibrenn­ vorganges wieder abgeschaltet werden, der Verbrauch an Hilfsgas ist demge­ mäß außerordentlich gering.
Als Gasquelle kann jeder beliebige gasförmige Brennstoff eingesetzt werden, so etwa Methan-, Butan- oder Propangas in Form von Flaschengas, darüber hinaus aber auch vergastes Benzin oder Mischungen aus diesen Brenn­ stoffen.
Das katalytisch wirksame Material besteht vorteilhaft aus einem Me­ talloxid oder mehreren Metalloxiden der Gruppen Ib, Vb, VIb, VIIb oder der Fe-Gruppe des periodischen Systems, vorzugsweise aus einem der Kupfer-, Eisen-, Mangan-, Kobalt- oder Chromoxide sowie einer Alkali- oder Erdalka­ limetallverbindung, vorzugsweise Kaliumcarbonat als Aktivator, die mit Hilfe einer Bindemittelschicht, insbesondere Vanadiumpentoxid oder Alumi­ niumoxidgel auf einen Träger aufgebracht sind. Besonders vorteilhaft finden hierbei Mischoxide oder Spinelle des Kupfers, Chroms und Mangans, insbesondere Kupferchromit oder Kupfermanganit Verwendung, denen Eisenoxid und Kobaltoxid in einer Menge von jeweils bis zu 10 Gew.-% und eine Al­ kali- oder Erdalkaliverbindung, insbesondere Kaliumcarbonat oder Barium­ carbonat, in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamt­ menge des katalytisch wirksamen Materials beigemischt ist. Zur Bildung der Spinelle enthält das katalytisch wirksame Material hierbei vorteilhaft Kupferoxid und Chromoxid in einer Menge bis zu je 40 Gew.-%, Kobaltoxid in einer Menge bis zu 20 Gew.-% sowie Eisen-(III)-oxid in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, bezogen jeweils auf die Gesamtmenge der katalytisch wirk­ samen Substanz, wobei das katalytisch wirksame Material zweckmäßig in eine Matrix aus Aluminiumoxid und/oder Aluminiumhydroxid und/oder Titandioxid und/oder Siliziumdioxid eingebettet ist.
Der Träger kann aus jedem beliebigen Material bestehen, es findet je­ doch als Träger vorteilhaft ein Körper aus Keramik- oder Metallschaum, Me­ talldrahtgewirk oder einem Wabenmaterial Verwendung. Hierbei können - bei Verwendung eines Metallschaumkörpers - mit großem Vorteil insbesondere Ferro-Chrom-Aluminium-Legierungen (FECRALLOY) eingesetzt werden.
Die Reaktionskammer ist mit dem Filterraum zweckmäßig über eine auf eine Teilfläche des Filters gerichtete (Brenner)-Düse verbunden, wobei die Zündung des Brenners entweder in Abhängigkeit von der im Filterraum herr­ schenden Temperatur zeitabhängig in festliegenden Zeitintervallen oder - wegen der stärkeren Anpassung an die tatsächlichen Betriebsverhältnisse mit größerem Vorteil (geringerer Verbrauch an Hilfsbrennstoff) - in Abhän­ gigkeit von dem vor dem Filter herrschenden Staudruck geregelt werden kann. Hierbei kann die Zündung in beliebiger Weise elektrisch mit Hilfe von Batteriestrom oder durch Selbstzündung mittels im Gasstrom liegenden Zündkirsche erfolgen.

Claims (10)

1. Dieselruß-Partikelfilter, bestehend aus mindestens einem Filterele­ ment als Träger für einen unter Verwendung von mindestens einem Metalloxid hergestellten Katalysator, bei dem gem. Patent-Anmeldung P 37 29 126.2 der Träger aus einem Keramik- oder Metallschaumkörper, vorzugsweise aus einer Ferro-Chrom-Aluminium-Legierung, mit einer Porenzahl von mindestens 25 PPI besteht, dessen Porenflächen durchgängig mit einem Metalloxid oder mehreren Metalloxiden der Gruppen Ib, Vb, VIb, VIIb oder der Fe-Gruppe des periodischen Systems, vorzugsweise Vanadinpentoxid, als katalytisch wirk­ sames Material beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Fil­ terkörper enthaltenden Reaktionsraum eine weitere Reaktionskammer vorge­ schaltet ist, die der Aufnahme eines die Oxidation von gasförmigem Brenn­ stoff dienenden Katalysators dient und in Abhängigkeit von dem Grad der Zusetzung des Filters mit einem einen gasförmigen Brennstoff enthaltenden Reservoir verbindbar ist.
2. Dieselruß-Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Material aus einem Metalloxid oder mehreren Metalloxiden der Gruppen Ib, Vb, VIb, VIIb oder der Fe-Gruppe des periodi­ schen Systems, vorzugsweise aus einem der Kupfer-, Eisen-, Mangan-, Ko­ balt- oder Chromoxide sowie einer Alkali- oder Erdalkalimetallverbindung, vorzugsweise Kaliumcarbonat als Aktivator besteht, die mit Hilfe einer Bindemittelschicht, insbesondere Vanadiumpentoxid oder Aluminiumoxidgel auf einen Träger aufgebracht sind.
3. Dieselruß-Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Träger ein Körper aus Keramik- oder Metallschaum, Me­ talldrahtgewirk oder einem Wabenmaterial vorgesehen ist.
4. Dieselruß-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein aus einer Ferro-Chrom-Aluminium-Legie­ rung hergestellter Metallkörper vorgesehen ist.
5. Dieselruß-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Material aus Mischoxiden oder Spinellen des Kupfers, Chroms und Mangans, insbesondere Kupferchromit oder Kupfermanganit besteht, denen Eisenoxid und Kobaltoxid in einer Menge von jeweils bis zu 10 Gew.-% und ein Alkali- oder Erdalkaliverbindung insbe­ sondere Kaliumcarbonat oder Bariumcarbonat, in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des katalytisch wirksamen Materials beigemischt ist.
6. Dieselruß-Partikelfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Material zur Bildung der Spinelle Kupferoxid und Chromoxid in einer Menge bis zu je 40 Gew.-%, Kobaltoxid in einer Menge bis zu 20 Gew.-% sowie Eisen-(III)-oxid in einer Menge bis zu 10 Gew.-%, bezogen jeweils auf die Gesamtmenge der katalytisch wirksamen Substanz enthält.
7. Dieselruß-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame Material in eine Matrix aus Aluminiumoxid und/oder Aluminiumhydroxid und/oder Titandioxid und/oder Siliziumdioxid eingebettet ist.
8. Dieselruß-Partikelfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Matrix Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid zu etwa gleichen Teilen enthalten sind.
9. Dieselruß-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer mit dem Reaktionsraum über einen auf eine Teilfläche des Filters gerichteten, in Abhängigkeit von dem vor dem Filter herrschenden Staudruck angesteuerten Brenner verbunden ist.
10. Dieselruß-Partikelfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner mit einer Selbstzündeinrichtung versehen ist.
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