DE4028720A1 - Keramischer wabenkoerper, enthaltend stoffe mit hoher dielektrozitaetskonstante - Google Patents

Keramischer wabenkoerper, enthaltend stoffe mit hoher dielektrozitaetskonstante

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Wabenkörper, der im Strahlungsbereich einer Quelle von Mikrowellenstrahlung angeordnet ist.
Das Abgas selbstzündender Verbrennungsmotoren enthält unverbrannte Rußpartikel, denen gesundheitsschädliche Wirkungen zugeschrieben werden, wenn sie von Menschen über die Atemluft aufgenommen werden. Um diese Rußpartikel zurückzuhalten, sind insbesondere aus einer porösen Keramik hergestellte, wabenförmige Filter entwickelt worden, bei denen abwechselnd das eine oder andere Ende der durch die Waben gebildeten Kanäle verstopft ist, so daß das Abgas seinen Weg durch die poröse Wabenstruktur nehmen muß; in dieser werden die Rußpartikel zurückgehalten. Diese Poren setzen sich bereits nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit mit den Rußpartikeln zu, was zu einem ständig ansteigenden Leistungsverlust der damit ausgerüsteten Verbrennungsmaschine führt. In annähernd regelmäßigen Abständen muß daher der angesammelte Ruß aus dem Filter entfernt werden, was praktisch nur auf dem Wege der Verbrennung geschehen kann. Da das Abgas selbst, jedenfalls bei den unter der Höchstleistung liegenden Betriebszuständen nur eine Temperatur erreicht, die unterhalb der Selbstentzündungs­ temperatur des Rußes liegt, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die entweder die Temperatur über diese Schwelle anheben (z. B. durch die in Filternähe erfolgende zusätzliche Verbren­ nung von Brennstoff) und/oder dadurch, daß die Wabenstruktur mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung versehen wird, die die Zündtemperatur des Rußes herabsetzt. Eine andere Art der eine Temperaturerhöhung bewirkenden Energiezufuhr in den Ruß ist aus der DE-C-30 24 539 bekannt, die sich den Umstand zu Nutze macht, daß Ruß eine hohe Dielektrizitätskonstante auf­ weist und somit durch die Einwirkung von Mikrowellenstrahlung (d. h. eine elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von 1,12-170 GHz) auf seine Zündtemperatur erhitzt werden kann. Zwar wird in der genannten Druckschrift die Verwendung eines Filters vorgeschlagen, dessen aktives Element aus SiO2-Fasern besteht, doch erscheint eine Übertragung dieser Lehre auf die bevorzugt verwendeten wabenförmigen Dieselrußfilter aus einer porösen Keramik möglich. In der DE-A-35 04 737 wird die in dem früheren Patent gefundene Lösung aus konstruktiven Gründen kritisiert (das Filtermaterial sei hauptsächlich in Bereichen angeordnet, in denen nur eine geringe Feldstärke der elektro­ magnetischen Strahlung wirksam wird) und als weiterer Nachteil herausgestellt, daß eine ausreichende Erhitzung und damit Zündung des Rußes erst möglich seien, wenn schon erhebliche Ablagerungen im Filter erfolgt sind; d. h. erst dann, wenn die dadurch bewirkte Verringerung des freien Querschnitts im Filter bereits zu nachteiligen Auswirkungen auf die Motorleistung geführt hat. Um eine an sich erwünschte kontinuierliche Verbrennung des Rußes (statt einer periodischen Regeneration des Filters) zu erreichen, wird hier vorgeschlagen, auf die Verwendung eines Filters zu verzichten und die Rußpartikel einer Mikrowellenstrahlung auszusetzen, während sie noch in Suspension im Abgas einen besonderen Abschnitt der Abgasleitung durchströmen. Hier muß die gesamte zur Verbrennung erforderliche Energie durch die Mikrowellenstrahlung aufgebracht werden, und zwar innerhalb einer äußerst kurzen Zeitspanne, während die Partikel die hierfür vorgesehene Kammer passieren. Es besteht keine Möglichkeit, sich der günstigen, die Zündtemperatur herabsetzenden und damit den Energiebedarf senkenden Wirkung einer katalytischen Beschichtung zu bedienen noch des Effektes, daß eine örtliche Zündung der angelagerten Rußmasse unter Umständen genügt, da die weitere Verbrennung durch die bei ihr entwickelte Wärme selbsttätig fortschreitet.
Im Grundsatz gleiche Wabenkörper, wobei die Kanäle jedoch durchgehend offen sind, finden auch Verwendung als Trägerkörper für eine katalytisch wirkende, zumeist eine Platinverbindung enthaltende Schicht, mit deren Hilfe die infolge unvollkommener Verbrennung im Abgas von Verbrennungsmaschinen, insbesondere solcher mit Fremdzündung, enthaltenen Schadstoffe Kohlenmonoxid und verschiedene Stickoxide in gesundheitlich unschädliche Stoffe wie Kohlendioxid und Stickstoff überführt werden. Die katalytische Wirkung setzt jedoch erst nach dem Überschreiten einer Mindesttemperatur ein, die erst nach längerem Betrieb des Motors erreicht wird (bei geringer Last u. U. auch gar nicht). Um diesem Übelstand abzuhelfen, wird vielfach die Forderung gestellt, den Katalysatorträgerkörper mit einer besonderen elektrischen Beheizung zu versehen, mittels derer die Betriebstemperatur bereits vor Betriebsbeginn der Maschine erreicht wird und damit die entgiftende Wirkung von Anfang an eintritt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen keramischen Wabenkörper so abzuändern, daß er unter geringem Einsatz externer Energie auf eine zur Verbrennung von ihm anhaftendem Ruß und/oder zum Einsetzen der Wirksamkeit einer katalytischen Beschichtung ausreichende Temperatur aufgeheizt werden kann; und zwar auch dann, wenn die Rußmengen noch nicht ein Ausmaß erreicht haben, daß sie eine spürbare Vergrößerung des Strömungswiderstandes im Filter hervorrufen bzw. bevor größere Mengen nicht entgifteter Abgase ausgestoßen wurden. Hierdurch erscheint es eher möglich, eine kontinuierliche Regeneration des Dieselrußfilters vorzunehmen sowie einen Katalysatorträgerkörper vorzuheizen, und zwar mit einem Energieaufwand, wie er auch durch die Bordnetze von Fahrzeugen aufgebracht werden kann, die von den mit den Filtern ausgerüsteten Verbrennungsmaschinen angetrieben werden und die notwendigerweise nur von geringer Leistungsfähigkeit sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der keramische Wabenkörper im unbenutzten Zustand (d. h. ohne ihm anhaftenden Ruß) durch Mikrowellenstrahlung erhitzbare Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante enthält. Statt einer wie gefordert nur geringen Rußmenge (deren Wärmeverluste durch das an ihr vorbeiströmende Abgas hoch sind) wird der Körper selbst erhitzt. Mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand kann der Körper auf einer Temperatur gehalten werden, die eine nahezu sofortige Verbrennung der in ihm sich fangenden Rußpartikel gewährleistet bzw. dafür sorgt, daß der Katalysator sofort nach Betriebsbeginn "anspringt" und wirksam wird. Es versteht sich von selbst, daß das Filter darüber hinaus mit einer der bekannten katalytischen Beschichtungen versehen sein kann, die eine Herabsetzung der Zündtemperatur des Rußes bewirken.
In einer Ausformung dieses Erfindungsgedankens sind die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante auf die Körperoberfläche aufgebracht. Der Körper kann aus einer der bekannten, mit Rücksicht auf die Temperaturwechselfestigkeit und die mechanische Vibrationsfestigkeit, sowie die leichte Formbarkeit entwickelten Massen hergestellt werden, die schließlich zu Cordierit gebrannt werden. Eine anschließende Beschichtung kann, so wie für die die genannte katalytische Wirkung ausübende Verbindung auch mit den geforderten Stoffen hoher Dielektrizitätskonstante erfolgen.
Alternativ hierzu liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante Teil der Struktur des Körpers sind. Dies ist vor allem dann möglich, wenn diese Struktur aus einer Keramik besteht.
Erfindungsgemäß sind die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante aus der folgenden Gruppe ausgewählt:
TiO2, V2O5, Cr2O3, MnO, FeO, CoO, Co2O3, NiO, Ni2O3, Cu2O, CuO,
ZnO, Y2O3, Nb2O5, CdO, SnO2, La2O3, CeO2 Pr2O11, Nd2O3, Sm2O3,
Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, HoO3, Er2O3, Tm2O3, YbO3, Lu2O3,
WO, HgO, PbO, U4O9, U3O8.
Welcher oder welche dieser Stoffe im konkreten Einzelfall zu wählen sind, richtet sich neben der Verfügbarkeit hauptsächlich nach der Handhabbarkeit, d. h. der Leichtigkeit, mit der diese Stoffe auf der Oberfläche von Körpern angebracht oder in deren Struktur integriert werden können, ohne deren sonstige Eigenschaften in nachteiliger Weise zu beeinflussen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper mit einem bei einer Frequenz von 2,45 GHz arbeitenden Mikrowellen­ strahler versehen. Derartige Strahler sind gängige Marktware, da sie in großer Zahl auch in Haushaltsgeräten Verwendung finden, die zum Erhitzen von Speisen usw. bestimmt sind. Für sie sind auch die erforderlichen Abschirmungen entwickelt worden, die eine nachteilige Auswirkung der Strahlung außerhalb des betreffenden Gerätes, z. B. auf den Nachrichtenverkehr ausschließen, so daß von dieser Seite her ihrer Zulassung, z. B. für ortsbewegliche Verbrennungskraftmaschinen im Straßenverkehr keine Bedenken entgegenstehen dürften.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines erfindungs­ gemäßen Körpers bedient sich als Substrat eines der bekannten wabenförmigen keramischen Filterkörper, der mit einer wässrigen Nitrat- oder Chloridlösung eines Metalls getränkt wird, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Titan, Kobalt, Mangan, Nickel und Kupfer; der getränkte Keramikkörper wird anschließend bei einer Temperatur getrocknet, die hoch genug ist, um die Nitrate oder Chloride zu zersetzen, so daß die oben genannten Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante gebildet werden. Unter Umständen reicht die Temperatur, der der Körper im Betrieb ausgesetzt wird, aus, um diese Zersetzung zu bewirken.
Erfindungsgemäß kann der beschriebene Wabenkörper als Dieselrußfilter verwendet werden. Alternativ hierzu, und mit einer entsprechenden andersartigen Katalysatorschicht versehen, kann er auch als vorheizbarer Katalysatorträgerkörper für die Entgiftung der Abgase von insbesondere Otto-Motoren dienen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Diese zeigt einen keramischen, z. B. aus Cordierit hergestellten Wabenkörper 1, der mit einer Wärmeisolierung 2 versehen in einem Gehäuse 3 angeordnet ist, das über Flansche 4 mit den benachbarten Teilen 5, 6 der Abgasleitung eines Dieselmotors lösbar verbunden ist, wodurch eine Auswechselbarkeit des Filters gewährleistet ist. Zwischen den Teilen 3 und 5 einerseits und 3 und 6 andererseits sind Dichtungen 7 in Form keramischer Fasern angeordnet. Das Abgas nimmt den durch die Pfeile gekennzeichneten Weg durch die Anlage. Da die einzelnen zwischen den Stegen 8 verbleibenden Kanäle 9 abwechselnd an ihrer Anström- bzw. an ihrer Abströmseite mit Stopfen 10 verschlossen sind, wird das Abgas gezwungen, durch die Poren der Stege 8 seinen Weg zu nehmen, wobei etwa mitgeführte Rußpartikel in denselben zurückgehalten werden. Um ein allmähliches Zusetzen der Poren durch die Rußpartikel zu verhindern, werden diese kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen abgebrannt. Dies geschieht dadurch, daß gegebenenfalls intermittierend ein Mikrowellen aussendendes Magnetron 11 eingeschaltet wird. Im Bereich seiner Strahlung wird nicht nur der dem Filter anhaftende Ruß erhitzt, sondern auch andere Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante, (z. B. einer oder mehrere der folgenden: TiO2 Titan-(IV)-oxid, V2O5 Vanadium-(V)-oxid, Cr2O3 Chrom-(III)-oxid, MnO Mangan-(II)-oxid, FeO Eisen-(II)-oxid, CoO Kobalt-(II)-oxid, Co2O3 Kobalt-(III)­ oxid, NiO Nickel-(II)-oxid, Ni2O3 Nickel-(III)-oxid, Cu2O Kupfer-(I)-oxid, CuO Kupfer-(II)-oxid, ZnO Zinkoxid, Y2O3 Yttriumoxid, Nb2O5 Niob-(V)-oxid, CdO Cadmiumoxid, SnO2 Zinn-(IV)-oxid, La2O3 Lanthanoxid, CeO2 Cer-(IV)-oxid, Pr2O11 Praseodymoxid, Nd2O3 Neodymoxid, Sm2O3 Samarium-(III) -oxid, Eu2O3 Europiumoxid, Gd2O3 Gadoliniumoxid, Tb4O7 Terbiumoxid, Dy2O3 Dysprosiumoxid, HoO3 Holmiumoxid, Er2O3 Erbiumoxid, Tm2O3 Thuliumoxid, YbO3 Ytterbiumoxid, Lu2O3 Lutetiumoxid, WO Wolfram-(II)-oxid, HgO Quecksilber-(II)-oxid, PbO Blei-(II)- oxid, U4O9 Uran-( )-oxid, U3O8 Uran-(IV, VI)-oxid) angeregt, die entweder als (hier nicht dargestellte) Schicht auf den Stegen 8 aufgebracht sind oder aber ein Teil der diese Stege bildenden keramischen Masse selbst sind. Durch die Erwärmung wird eine Temperatur erreicht, bei der die Rußpartikel selbsttätig zünden und abbrennen. Dies kann dadurch unterstützt werden, daß die Stege 8 mit einer (hier ebenfalls nicht dargestellten) zusätzlichen Schicht (z. B. aus Silbervanadat) versehen sind, die infolge ihrer katalytischen Wirkung eine Herabsetzung der Zündtemperatur des Rußes bewirkt. Das Magnetron 11 ist hier über einen an die Abgasleitung 5 angesetzten Stutzen 12 angeschlossen. Ein Sperrfilter 13 verhindert eine Verschmutzung des Magnetrons durch das Abgas, insbesondere durch die darin mitgeführten Rußpartikel. Ein zur Abgasentgiftung eingesetzter Wabenkörper dieser Art weist neben dem Verzicht auf die Stopfen 10 (so daß die Kanäle 9 beidseitig offen bleiben) und die die Zündtempertur des Rußes herabsetzende zusätzliche Schicht eine andersartige, hier ebenfalls nicht dargestellte katalytische Beschichtung (vorzugsweise aus einer Platinverbindung) auf.

Claims (10)

1. Keramischer Wabenkörper (1), der im Strahlungsbereich einer Quelle (11) von Mikrowellenstrahlung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im unbenutzten Zustand durch Mikrowellenstrahlung erhitzbare Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante enthält.
2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante auf dessen Oberfläche aufgebracht sind.
3. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante Teil der Struktur (8) des Körpers sind.
4. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: TiO2, V2O5, Cr2O3, MnO, FeO, CoO, Co2O3, NiO, Ni2O3, Cu2O, CuO, ZnO, Y2O3, Nb2O5, CdO, SnO2, La2O3, CeO2, Pr2O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, HoO3, Er2O3, Tm2O3, YbO3, Lu2O3, WO, HgO, PbO, U4O9, U3O8.
5. Wabenkörper (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich mit einer katalytisch wirkenden Schicht versehen ist, durch deren Wirkung Stickoxide spaltbar und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidierbar sind.
6. Wabenkörper (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem bei einer Frequenz von 2,45 GHz arbeitenden Mikrowellenstrahler (11) versehen ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein wabenförmiger keramischer Filterkörper mit einer wässrigen Nitratlösung eines Metalls getränkt wird, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Titan, Kobalt, Mangan, Nickel und Kupfer und daß der getränkte Keramikkörper anschließend bei einer Temperatur getrocknet wird, die hoch genug ist, um die Nitrate zu zersetzen.
8. Verfahren zur Herstellung eines Filters (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein wabenförmiger keramischer Filterkörper mit einer wässrigen Chloridlösung eines Metalls getränkt wird, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Titan, Kobalt, Mangan, Nickel und Kupfer und daß der getränkte Keramikkörper anschließend bei einer Temperatur getrocknet wird, die hoch genug ist, um die Chloride zu zersetzen.
9. Verwendung eines Wabenkörpers (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4 als Dieselrußfilter.
10. Verwendung eines Wabenkörpers (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4 in Verbindung mit Anspruch 5 als Katalysatorkörper zur Entgiftung des Abgases von Verbrennungskraftmaschinen.
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