-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Strukturen für die Verwendung beim Filtern
von Abgasströmen, insbesondere
beim Abfangen partikelförmiger
Materie. Speziell ist die Erfindung eine multizelluläre Struktur,
insbesondere eine Wabenstruktur mit unterschiedlichen Wanddicken
oder unterschiedlichen Wärmekapazitäten entlang
der Flussachse, speziell geeignet für Dieselpartikelfilter.
-
Herkömmliche,
kommerziell erhältliche
Filter sind aus Cordierit (2MgO-2Al2O3-5SiO2) hergestellt. Cordierit
besitzt einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(~5–8 × 10–7/°C), einen
guten Thermoschock und einen mäßig hohen
Schmelzpunkt (~1460°C).
Diese Eigenschaften zusammen mit den geringen Kosten der Cordierit
bildenden Rohmaterialen (zum Beispiel Ton, Talk, Aluminiumoxid und
Siliziumoxid) sind der Grund, der Cordierit zu einem wünschenswerten
Kandidat für
Dieselpartikelfilter gemacht hat. In einigen Anwendungen, wie zum Beispiel
Dieselpartikelfiltern (DPFs), die die Regenerierung des abgefangenen
Kohlenstoffrußes
erfordern, kann der Verbrennungsprozess jedoch Temperaturspitzen
hervorrufen, die den Schmelzpunkt des Cordierits übersteigen
können
und können
den Filter thermisch schocken und brechen lassen oder sogar schmelzen
lassen. Daher ist ein wichtiges Problem, das mit herkömmlichen
Cordierit-DPFs einhergeht, die Empfindlichkeit gegenüber Beschädigung während des
notwendigen Filterregenerierungsdurchlaufs.
-
Große Anstrengungen
wurden unternommen, um zu versuchen, ein Material zu finden, das eine
höhere
Verwendungstemperatur als Cordierit mit einer gleichen Thermoschockbeständigkeit
besitzt. Kein Material mit der gleichen Freundlichkeit in der Herstellung,
den Kosten und den Eigenschaften, insbesondere dem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
wurde bisher gefunden.
-
Kürzlich wurde
Siliziumkarbid für
die Verwendung in DPFs vorgeschlagen. SiC besitzt einen signifikant
höheren
Schmelzpunkt (2750°C)
als Cordierit. Nachteile von SiC schließen jedoch übermäßige Pressformabnutzung und
Schwierigkeiten beim Sintern ein, die sich alle in hohen Kosten
widerspiegeln, die mit der Herstellung von DPFs verbunden sind,
was zu einer beschränkten,
kommerziellen Verwendung geführt
hat. Siliziumkarbid-DPFs werden aus ungefähr einem Quadratzoll großen, DPF-artigen
Wabensegmenten hergestellt, die mit einem anorganischen Zement,
der anorganische Fasern enthält,
zusammenzementiert werden.
-
Andere
Hochtemperaturmaterialien, wie z. B. NZP, wurden vorgeschlagen,
die übermäßige Pressformabnutzung,
Schwierigkeiten beim Sintern, Phosphorverlust, etc. haben jedoch
zu einer sehr beschränkten,
kommerziellen Verwendung geführt.
-
Im
Stand der Technik ist bekannt, dass eine erhöhte thermische Masse in dem
Körper
der Teile für
DPFs wünschenswert
ist, die aus Materialien hergestellt sind, die bei gemäßigten Temperaturen schmelzen
können,
wie z. B. Cordierit, während
dennoch ein adäquat
niedriger Gegendruck und angemessene Rußbeladekapazität bereitgestellt
werden. Wenn das Teil jedoch zu massiv ist, ist es schwierig, die
Regenerierung zu starten, die mehr Energieeinsatz kostet, für gewöhnlich Brennstoff,
um das Anspringen der Regenerierung zu erreichen.
-
Ein
Dieselpartikelfilter und ein Verfahren zur Herstellung desselben
wird in dem US-Patent Nr. 4,423,090 offenbart. Die porösen Wände der
Einlasskanäle
in einem keramischen Monolithfilter werden an Ort und Stelle gebrannt,
um so Einlasskanäle
mit abnehmender Flussquerschnittsfläche und ansteigender Wanddicke
im Verhältnis
zur Entfernung vom Einlassende zum Auslassende des Filters zu definieren.
Die europäische
Patentanmeldung Nr. 0 225 402 beschreibt eine wabenformartige, poröse Keramikstruktur,
worin ein Querschnitt eines jeden Einlassloches sich allmählich zu
dem verschlossenen Auslassende hin verringert, wobei der Querschnitt
eines jeden Auslassloches fortschreitend zu dem offenen Ende hin
zunimmt. Alternativ, oder zusätzlich,
nehmen die Abtrennungswände
in ihrer Dicke fortlaufend von den Teilen des Einlassseitenendes
hin zu den Teilen des Auslassseitenendes zu.
-
Bei
den meisten Filteranordnungen tritt das Anspringen auf der Vorderseite
des DPFs auf und die maximale Temperatur tritt an der Hinterseite
des Teils auf. Daher wäre
es vorteilhaft, die Energiekosten des Startens der Regenerierung
durch die Filteranordnung zu minimieren, während übermäßige Temperatur während der
Regenerierung am Ende stromabwärts
des Filters nicht begünstigt
werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
In
einer Ausführungsform
ist die Erfindung eine multizelluläre Struktur, wie zum Beispiel
eine Wabenstruktur, mit unterschiedlichen Wanddicken entlang der
Flussachse, insbesondere geeignet für Dieselpartikelfilter (DPFs).
Sie ist jedoch auch für Durchflusswabenstrukturen
anwendbar. Die Wabenstruktur kann ein einzelner Monolith sein oder
kann ein DPF vom segmentierten Typ sein. Ein Aspekt der Erfindung
ist eine Wabenstruktur, insbesondere für Dieselmotoren oder Automotoren,
worin der Körper am
einen Ende der Wabenstruktur dünnere
Wände besitzt
und am anderen Ende dickere Wände.
Bei einem DPF erlauben die dünneren
Wände an
der Vorderseite, dass der DPF die Regenerierung mit geringeren Energiekosten
starten kann. Eine Vorderseite mit dünneren Wänden (einer geringeren Masse
der Vorderseite) erlaubt ein früheres
Zünden
bei Wabenstrukturen im Automobilbereich. Die Wabenstruktur kann
aus irgendeiner geeigneten Keramik, wie z. B. Cordierit oder Siliziumkarbid
hergestellt sein.
-
Die
Warenstruktur besitzt eine Wärmekapazität, die von
oberhalb 8,5 × 10–3 cal/cm3-K bis unterhalb 0,25 cal/cm3-K
entlang der Achse von dem Einlassende zu dem Auslassende reicht.
-
Die
Erfindung verwendet auch Herstellungsverfahren für in der Form frei wählbare Festkörper (solid
freeform manufacturing), insbesondere Bindemittel-Tintenstrahldruck,
um diese Struktur herzustellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine Wabenstruktur mit Bahnen (Wänden),
die sich kontinuierlich entlang der Gasflussrichtung verdicken.
-
2 zeigt
eine Wabenstruktur mit einer Vorderseite mit einer dünnen Bahn
(Wand) mit geringer Masse.
-
3 zeigt
eine Vorderseite eines DPFs mit dickerer Wand mit einer geringen
thermischen Masse mit dünnwandigen,
nicht DPF-Wabenstrukturen.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung ist eine multizelluläre
Struktur, insbesondere eine Wabenstruktur, die ein Einlassende und
ein Auslassende und eine Vielzahl von Zellen besitzt, die sich von
dem Einlassende zum Auslassende hin erstrecken, durch die ein Motorabgasstrom hindurchläuft, wobei
in der Wabenstruktur die Wanddicken in einer kontrollierten Art
und Weise vom Einlassende hin zu dem Auslassende der Struktur variieren.
Ein Beispiel besteht darin, eine zweischichtige Wabenstruktur herzustellen
mit dünneren
Wänden und/oder
vielleicht sogar noch geringerer Zelldichte auf der Seite stromaufwärts der
Wabenstruktur. Dies stellt eine geringere thermische Masse an der
Vorderseite bereit, während
die dickeren Bahnen und die höhere
thermische Masse an der Hinterseite der Wabenstruktur beibehalten
werden.
-
Ein
geeignetes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Strukturen
verwendet das Herstellungsverfahren für in der Form frei wählbare Festkörper (solid
freeform manufacturing), insbesondere das Bindemittel Tintenstrahldrucken,
um die erfindungsgemäßen Strukturen
herzustellen, wie es im US-Patent Nr. 5,204,055 offenbart ist, das
hierbei durch Verweis in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In Kürze
wird eine dünne
Pulverschicht auf einem beweglichen Trägerbett aufgebracht. Ein tintenstrahlartiger
Kopf oder eine Reihe von Tintenstrahlköpfen wird über das Pulverbett geführt und eine
Computersteuerung wird verwendet, um ein flüssiges Bindemittel auf ausgewählte Bereiche
in dem Pulverbett aufzubringen. Das Trägerbett wird nach unten registriert
und eine neue Pulverschicht wird auf das Bett aufgebracht. Das Verfahren
wiederholt sich selbst und eine Struktur wird aus dem Bindemittel
und dem Pulver aufgebaut. Wenn die gewünschte Struktur erhalten wurde,
wird das lose Pulver aus der Struktur entfernt. Die Struktur kann
wahlweise zu offener oder geschlossener Porosität gesintert hin werden.
-
Ein
anderes geeignetes Verfahren ist ein Verfahren, das eine Maske und
eine Sprühdüse verwendet,
wie es im US-Patent Nr. 5,940,674 beschrieben ist, das hierin durch
Verweis in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
-
Noch
ein anderes geeignetes Verfahren ist die Verwendung von anorganischem
Zement, um eine Wabenstruktur mit geringer Zelldichte und/oder dünnen Wänden auf
der Seite stromaufwärts
des DPFs zu „verkleben" oder cobrennen.
Verschiedene Keramikzemente wurden verwendet, um größere Strukturen
aus kleineren Wabenstrukturstücken
herzustellen, üblicherweise
um eine größere Dimension senkrecht
zu der Achse der Wabenkanäle
zu ergeben. Eine Wabenstruktur mit dünneren Wänden kann leicht auf die Vorderseite
einer weiteren Wabenstruktur mit dickeren Wänden aufzementiert werden,
wobei darauf geachtet wird, die Kanäle nicht zu verstopfen. Vorzugsweise
besitzt der Zement eine ähnliche Wärmeausdehnung
und eine Verwendungstemperatur so hoch, wie sie die Anwendung der
verbundenen Wabenstrukturkörper
betrifft. Wenn zwei gebrannte Wabenstrukturteile zusammen verbunden
werden, sollte der Zement sich bei einer Temperatur unterhalb des
Schmelzpunkts der Wabenstrukturen verfestigen oder „aushärten".
-
Eine
Variation dieses Verfahrens ist in der PCT-Anmeldung 94/22556 beschrieben,
worin eine getrocknete, jedoch nicht gebrannte Wabenstruktur wieder
hydratisiert wird und umgeformt wird, um Stopfen für Filter
herzustellen. Solches kann verwendet werden, um dünnwandige
an dickwandige Wabenstrukturen zu binden. Mindestens zwei Wabenstrukturen
mit unterschiedlichen Wanddicken werden separat extrudiert und getrocknet.
Mindestens ein Ende der zwei Wabenstrukturen wird wieder hydratisiert
(aufgeweicht, wenn nicht Wasser als Lösungsmittel verwendet wird)
und die wieder hydratisierten Enden werden zusammengepresst, wodurch
eine feste Bindung ausgebildet wird. Die Kompositwabenstruktur wird
getrocknet und dann gesintert. Eine Wabenstruktur mit dünnen und
dicken Wänden
ergibt sich. Das Verfahren könnte
natürlich
auch vervielfältigt
werden, um eine Wabenstruktur mit dünnen zu dicken Wänden zu
ergeben, mit einer Vielzahl von zunehmenden Wanddicken.
-
Bei
Dieselpartiketfiltern mit lediglich zwei unterschiedlichen Wanddicken
oder Wärmekapazitätsbereichen
wird dieses Zementier-, Re-Hydratisier- und Pressverfahren bevorzugt.
-
Noch
ein weiteres geeignetes Verfahren ist es, eine Art von Erosions-
oder Abriebverfahren auf der Seite der Wabenstruktur zu verwenden,
wie z. B. sanftes Sandstrahlen der gebrannten oder „grünen" Struktur, um die
Bahnen auf der Vorderseite auszudünnen. Bei einer gebrannten
Struktur wird feiner Sand, deutlich kleiner als die Kanalgröße, verwendet. Schleifpartikel,
wie zum Beispiel Aluminiumoxid und Siliziumkarbid eher als Siliziumoxid,
werden dieses Verfahren beschleunigen. Das Schleifmittel wird von einem
Fluid mitgerissen, insbesondere Druckluft, und mit einer Geschwindigkeit
geregelt, die groß genug ist,
die Seite einer Wabenstruktur auszudünnen, sie jedoch nicht signifikant
zu erodieren. Dieses Verfahren könnte
auch für
Wabenstrukturen verwendet werden, die nach der Extrusion getrocknet,
jedoch nicht gesintert wurden. In diesem Fall müssen der Fluss und der Druck
des Fluids nicht so groß sein
und die Partikel müssen
nicht so zahlreich oder abschleifend sein.
-
1 zeigt
eine Wabenstruktur 10, die insbesondere als DPF geeignet
ist. Die Wabenstruktur 10 besitzt ein Einlassende 12 und
ein Auslassende 14 und eine Vielzahl von Zellen oder Kanälen 16,
die sich von dem Einlassende 12 zu dem Auslassende 14 hin
erstrecken, wobei die Zellen poröse
Wände 18 besitzen,
worin ein Teil aller Zellen auf dem Einlassende 12 verschlossen 20 sind
entlang eines Teils ihrer Längen,
und der restliche Teil der Zellen, die an dem Einlassende offen 22 sind,
sind am Auslassende entlang eines Teils ihrer Längen verschlossen, so dass
ein Autoabgasstrom, der durch die Zellen der Wabenstruktur von dem
Einlassende zu dem Auslassende hin strömt, in die offenen Zellen fließt, durch die
Zellwände
und aus der Struktur durch die offenen Zellen am Auslassende hinaus.
-
Die
Wände 18 verdicken
sich kontinuierlich entlang der Gasflussrichtung (gezeigt durch
den Pfeil) von dem Einlassende 12 hin zu dem Auslassende 14,
für einen
geringeren Energieeintrag während
der Regenerierung.
-
2 zeigt
eine Wabenstruktur 10, die insbesondere als DPF geeignet
ist, mit zwei verschiedenen Wanddicken. Das Einlassende 12 besitzt
Wände 17,
die dünner
sind als die Wände 19 des
Auslassendes 14. Diese Konfiguration führt zu einer geringeren Zelldichte
auf der Seite stromaufwärts
der Wabenstruktur am Einlassende.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
sind die Stopfen 20 dünner
als die Stopfen 24. Dieses Verschlusskonzept unterstützt einen
Filteraufbau mit einer Vorderseite oder einem Einlassende mit geringer Masse
und dünnen
Wänden
und einer Hinterseite oder einem Auslassende mit einer höheren thermischen
Masse.
-
Es
ist wünschenswert,
dünnen
Stopfen 20 zu haben, viel dünner als die derzeitig verwendeten
2 mm bis 5 mm oder eine größere Stopfentiefe,
bevorzugt ungefähr
0,3 bis 1,5 mm. Wenn das Herstellungsverfahren für in der Form frei wählbare Festkörper (solid
freeform manufacturing) verwendet wird, können spitz zulaufende Verschlußstopfen
mit dünnen
Wänden
hergestellt werden, wobei die Verjüngung von der einen Wand hinüber zu der
gegenüberliegenden
Wand, von zwei gegenüberliegenden Wänden, von
drei Wänden
zu einer vertikalen oder von allen vier Wänden zum Zentrum hin sein kann.
-
Eine
Filterausgestaltung mit einer Vorderseite mit geringerer thermische
Masse erlaubt eine einfache Zündungsregenerierung
mit geringerer Kraftstoffeinbuße
und dennoch genügend
thermischer Masse an der Hinterseite, um das Schmelzen zu verhindern.
Bis zu einem gewissen Ausmaß wird
die Rußabscheidung
nicht vollständig
gleichförmig
sein. Das Einlassende oder die Vorderseite der Wabenstruktur mit
den dünneren
Wänden
wird zumindest anfänglich
aufgrund des geringeren Druckabfalls mehr Ruß aufsammeln. Während sich
die Rußschicht
aufbaut, erzeugt sie ihren eigenen Gegendruck. Als Folge wird die
Abscheiderate über
den gesamten DPF gleichförmiger.
Dies kann zu einer Rußschicht
führen,
die im vorderen Teil etwas dicker ist. Dies sollte die Wirkung haben,
dass nach der Zündung
der Regenerierung eine ansteigende Energieauftragung und daher eine
ansteigende Temperatur am Einlassende oder auf der Vorderseite,
während (in
einem relativen Sinn) einer abnehmenden Energieauftragung und daher
eine abnehmende maximale Temperatur am Auslassende oder der Hinterseite des
Filters vorliegt.
-
3 zeigt
eine Wabenstruktur 30, die insbesondere als DPF geeignet
ist. Die Wabenstruktur 30 besitzt zwei Teile 32 und 34.
Der erste Teil 32 ist eine dünne und/oder mit geringer Zelldichte
versehene Wabenstruktur, die nicht verschlossen ist, d. h. eine
Wabenstruktur mit einer geringen Masse, dünnen Wänden und nicht verschlossen.
Der zweite Bereich 34 ist eine verschlossene Wabenstruktur.
Teil 32 besitzt Wände 36,
die dünner
sind als die Wände 38 des
Teils 34, wodurch wiederum eine Ausgestaltung mit einer
geringeren thermischen Masse auf der Vorderseite oder dem Einlassende 31 und
einer höheren
thermischen Masse auf der Hinterseite oder am Auslassende 33 erreicht
wird. Etwas Ruß wird
auf der Wabenstruktur abgeschieden, obwohl sie nicht Teil der Durchflusswand
ist. Teil 34 enthält
Stopfen 35, die dünner
sind als die Stopfen 37, wie hierin oben beschrieben wurde.
-
Obwohl
die Figuren, die dargestellt wurden, Dieselpartikelfilter betreffen,
soll verstanden werden, dass die Erfindung auch auf andere Arten
von Filtervorrichtungen, wie z. B. Automobilkatalysatorsubstrate
oder Durchflussmonolithen anwendbar ist.
-
Die
Dicke der dünnen
und dicken Wände kann
stark variieren. Oft sind die einzigen praktischen Begrenzungen
die Möglichkeit
der Herstellung der Struktur. Für
Automobilkatalysatorsubstrate wurden Wände im Bereich von 2 mil oder
50 μm Dicke
erreicht. Ein mil oder 25 μm
Wanddicken scheinen erreichbar, da keine fundamentale wissenschaftliche Grenze
für die
Wanddicke in diesem Größenbereich besteht.
Bevorzugt besitzen die dünnen
Wände Dicken
oberhalb von 20 μm.
Bevorzugter ist die Wanddicke oberhalb von 45 μm. Für die dickeren Wände bei
Dieselpartikelfiltern sollte die Dicke oberhalb von 300 μm liegen.
Bevorzugt liegt die Dicke oberhalb von 400 μm. Bevorzugter liegt die Dicke
oberhalb von 500 μm.
-
Anstelle
der kontinuierlichen Variierung der Wanddicke kann in einem anderen
Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eine Wabenstruktur hergestellt werden,
die mehrere alternierende dicke und dünne Teile besitzt. Bis zu einem
gewissen Ausmaß wird sich
mehr Ruß in
den dickeren Bereichen und weniger in den dünneren Bereich akkumulieren.
Dies sollte eine hohe Beladung mit Ruß ermöglichen, während der Regenerierung werden
die dickeren Bereiche der Bahnen jedoch die maximale Temperatur
unter Kontrolle halten. Bis zu einem gewissen Grad erlaubt dies
eine gleichförmigere
Beladung mit Ruß über den
gesamten Filter als die kontinuierliche Wanddickenabstufung von
dünn zu
dick.
-
Das
Filterelement ist im allgemeinen aus einem keramischen Material
mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
einem hohen Thermoschock und einem relativ hohen Schmelzpunkt, wie
z. B. Cordierit, hergestellt. Bei einem Dieselpartikelfilter besitzt
das monolithische Filterelement eine Wabenstruktur, die aus einer
Vielzahl von parallelen Kanälen
besteht. Die Kanäle
sind in alternierende Einlasskanäle
und Auslasskanäle
unterteilt.
-
Die
Einlasskanäle
sind an dem Einlassende des Filterelements offen und an dem Auslassende verschlossen.
Umgekehrt sind die Auslasskanäle
an dem Einlassende verschlossen und an dem Auslassende offen. Daher
ist jede Zelle lediglich an einem Ende verschlossen. Die bevorzugte
Anordnung ist es, jede zweite Zelle einer gegebenen Seite verschlossen
zu haben, wie in einem Schachbrettmuster. Die Einlass- und Auslasskanäle sind
durch dünne,
poröse,
longitudinale Seitenwände
getrennt, die den Abgasen erlauben, von den Einlasskanälen zu den
Auslasskanälen
entlang ihrer Länge
hindurchzupassieren. Diese Verschlusskonfiguration erlaubt einen
engeren Kontakt zwischen dem Abgasstrom und der porösen Wand
des Substrates. Der Abgasstrom fließt in das Substrat durch die
offenen Zellen am Einlassende, dann durch die porösen Wände, und
durch die offenen Zellen am Auslassende aus der Struktur heraus.
Die hierin beschriebenen Filter dieser Art sind als „Wandfluss"filter bekannt, da
die Flusswege, die von dem abwechselnden Verschluss der Kanäle herrühren, das
Abgas zwingen, durch die porösen Keramikzellwände zu fließen, bevor
sie den Filter verlassen. Im allgemeinen reichen Wabenstrukturzelldichten
von ungefähr
93 Zellen/cm2 (600 Zellen/in2)
bis ungefähr
4 Zellen/cm2 (25 Zellen/in2).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
für einen
Dieselpartikelfilter besitzen die Einlass- und Auslasskanäle eine
im wesentlichen rechteckige Querschnittsform. Bevorzugt sind die
rechteckigen Einlass- und Auslasskanäle ungefähr 8 bis 12 Zoll lang und 0,083
Zoll breit. Die Länge
der Einlass- und Auslasskanäle
kann jedoch von 2 bis 24 Zoll reichen und ihre Breite kann von 0,05
bis 0,15 Zoll variieren. Das Wabenstrukturmonolithelement stellt
eine sehr große Filteroberfläche pro
Volumen zur Verfügung,
wodurch die Größe des Partikelfilters
deutlich vermindert wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
für ein
Autokatalysatorsubstrat besitzen die Einlass- und Auslasskanäle eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform.
Bevorzugt sind die rechteckigen Einlass- und Auslasskanäle ungefähr 4 bis
12 Zoll lang und 0,033 Zoll breit. Die Länge der Einlass- und Auslasskanäle kann
jedoch von 2 bis 24 Zoll reichen und ihre Breite von 0,0058 bis
0,15 Zoll variieren. Das Wabenstrukturmonolithelement stellt eine
sehr große geometrische
Oberfläche
pro Volumen mit sehr geringem Gegendruck bereit.
-
Es
ist bevorzugt, eine Wabenstruktur mit einer thermischen Masse oder
Wärmekapazität oberhalb
von 8,5 × 10–3 cal/cm3-K am vorderen oder Einlassende der Wabenstruktur
zu besitzen. Es ist bevorzugt, eine Wabenstruktur mit einer Wärmekapazität unterhalb
0,25 cal/cm3-K am hinteren oder Auslassende
der Wabenstruktur zu besitzen. Noch bevorzugter ist es, eine Wabenstruktur
mit einer veränderlichen
Wärmekapazität, die von
8,5 × 10–3 bis
0,25 cal/cm3-K stromaufwärts in Richtung des Abgasstromflusses
vom Einlassende zum Auslassende hin zu besitzen.
-
In
einer anderen Ausführungsform
kann eine geringe Zelldichte auf der Vorderseite durch Entfernen
einiger Wände
von der Fläche
der Wabenstruktur durch vorsichtiges Bearbeiten erreicht werden. Dies
kann vor dem Brennen oder nach dem Brennen der Wabenstruktur erfolgen.
Bei einer Fläche
der Wabenstruktur könnte
jeder vierte Wandschnittpunkt entfernt sein, gemeinsam mit so viel
der vier angrenzenden Wände
wie möglich,
ohne die äußeren Peripheriewände zu beschädigen. Dies
wird mit einem feinen Bohr-/Fräswerkzeug
durchgeführt,
und solche Werkzeuge können
zusammengefasst werden für mehrfache
Schnittpunkt-/Bahnentfernungen in einer einzigen Maschinenbewegung.
Die Schnittpunkte und Bahnwände
werden bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 mm bis 1 cm entfernt.
Anstelle von Bohr-/Fräswerkzeugen
könnten
auch Vibrations-/Ultraschallsonden die Materialentfernung durchführen und könnten Vorteile
darin haben, dass mehrere Wandschnittpunkte durch eine einzige Maschinenbewegung
entfernt werden. Bei Autokatalysatorsubstraten ist dieses Bearbeitungsverfahren
mit Bohr-/Fräswerkzeugen
oder vibrierenden Sonden das bevorzugte Verfahren.
-
Während diese
Erfindung dargestellt ist, wenn sie auf eine quadratische Wabenstrukturzelle mit
einem quadratischen Muster angewendet wurde, soll verstanden werden,
dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Wabenstrukturmuster
angewendet werden könnte.
-
Um
die vorliegende Erfindung vollständiger darzustellen,
werden die folgenden, nicht beschränkenden Beispiele gegeben.
-
Beispiel 1, nicht Teil
der Erfindung
-
Ein
prophetisches Beispiel des Formens eines Siliziumkarbid-DPF nach
dem Herstellungsverfahren für
in der Form frei wählbare
Festkörper
(solid free form manufacturing) unter Verwendung einer lasergesteuerten
Polymerisation, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird
wie folgt bereitgestellt. Ein Bad einer Siliziumkarbidaufschlemmung
mit weniger als ungefähr
60 Vol.-% Feststoff wird in einem langsam zirkulierenden Bad eingebracht,
worin ein Bett oder Träger
ungefähr
200 μm unterhalb
der Oberfläche
der Aufschlemmung vorliegt. Ein computergesteuerter Laser polymerisiert
feine Linien in der Aufschlemmung und das „ausgehärtete" Polymer plus Siliziumkarbidpulver verbleibt
auf dem Träger. Der
Träger
wird um 200 μm
abgesenkt, während
die Aufschlemmungshöhe
unverändert
bleibt und das Verfahren wiederholt wird. Die Vorderseite des Filters besitzt
Wände von
ungefähr
8 mil oder 200 μm
Dicke, während
die Wände
der Rückseite
des Filters ungefähr
20 mil oder 500 μm
dick sind. Die Zellen haben einen quadratischen Querschnitt und
einen Mittelpunkt-Mittelpunktabstand von ungefähr 1,8 mm. Die Zellen der Vorderseite
besitzen einen spitz zulaufenden Verschluss, der auf einen Punkt
zugeht, wie eine vierseitige Pyramide. Die Wände verdicken sich hin zur
Rückseite
in einer schrittweisen kontinuierlichen Art und Weise, wobei die
Größe der Schritte
durch den feinsten Abstand bestimmt werden, den der Laser bei der
Polymerisation erzeugen kann. Die Rückseite des Filters hat dicke
Verschlüsse
von über
5 mm Länge.
Die Struktur ist segmentiert, um Schäden durch Thermoschock zu vermindern.
Wenn die Filterstruktur aus ausgehärtetem Pulver und Polymer fertiggestellt
ist, wird die Aufschlemmung aus der Struktur herausgegossen. Nach
zusätzlichem
Trocknen und Härten
der Struktur außerhalb
des Aufschlemmungsbades wird die Struktur in einen Ofen gegeben und
der Binder in Gegenwart von etwas Sauerstoff bei geringen Temperaturen,
200 bis 600°C,
ausgebrannt, dann in einer Inertatmosphäre bei erhöhten Temperaturen, 1500–2300°C, gebrannt.
Von dem resultierenden Filter wird erwartet, dass er eine Porosität von ungefähr 40–60% besitzt.
-
Beispiel 2
-
Ein
prophetisches Beispiel des Formens eines Automobilkatalysatorsubstrats
aus Cordierit gemäß der vorliegenden
Erfindung wird wie folgt bereitgestellt.
-
Eine
Wabenstruktur mit quadratischen Zellen und 900 Zellen pro Quadratzoll
(cpsi) und 2,7 mil Wänden
wird unter Verwendung von Batchmaterialien extrudiert, die beim
Sintern reagieren, um Cordierit zu bilden, und mit Methocel als
Bindemittel, zusammen mit Wasser und ggf. Ölen und Wachsen. Eine Wabenstruktur
mit 900 Zellen pro Quadratzoll und 1 mil Wänden wird auch hergestellt.
Die extrudierten Artikel werden geschnitten und getrocknet. Vor
dem Sintern wird eine Seite der 2,7 mil Wandwabenstruktur wieder
hydratisiert, um sie zu erweichen, zusammen mit einer Seite der
Wabenstruktur mit 1 mil Wanddicke. Die zwei wieder hydratisierten
Seiten werden zusammengepresst, mit genug Druck, um eine gute Bindung
auszubilden, jedoch nicht mit so viel Druck, um die Wabenstruktur
zusammenfallen zu lassen. Wenn die Ausrichtung der Wände beider
Wabenstrukturen möglich
ist, wird dies bevorzugt, um den Gegendruck zu vermindern. Die Wabenstruktur wird
getrocknet und dann wie üblich
gesintert, wobei die Seite mit der reduzierten Masse und der geringeren
Wanddicke nach oben orientiert ist. Es wird erwartet, dass eine
Wabenstruktur mit einer Vorderseite mit reduzierter Masse resultiert.
Es wird erwartet, dass die Seite mit geringerer Masse eine verminderte thermische
Masse besitzt, weniger als 20% der thermischen Masse der Basiswabenstruktur.
-
Beispiel 3
-
Ein
prophetisches Beispiel des Formens eines Siliziumkarbid-DPF gemäß der vorliegenden
Erfindung wird wie folgt bereitgestellt. Zwei Siliziumkarbidwabenstrukturen
werden durch Extrusion hergestellt. Eine ist eine Wabenstruktur
mit 200 Zellen pro Quadratzoll, 18 mil, 450 μm dicken Wänden und eine ist eine Wabenstruktur
mit 8 mil Wänden
und 200 Zellen pro Quadratzoll. Nach dem Trocknen wird die Wabenstruktur
mit 18 mil Wänden
als ein DPF in einem Schachbrettmuster unter Verwendung einer Siliziumkarbidformulierung ähnlich der
des Extrusionsgemenges, jedoch mit einer geringeren Viskosität, verschlossen.
Die Seite, die als Einlassseite des DPFs vorgesehen ist, kann dünnere Verschlüsse besitzen. Wenn
die Verschlüsse
getrocknet sind, wird die Einlassseite des ungebrannten DPFs wieder
hydratisiert und eine Seite einer Scheibe der Wabenstruktur mit 18
mil Wand wird auch wieder hydratisiert.
-
Die
zwei wieder hydratisierten Seiten werden zusammengedrückt, mit
ausreichend Druck, um eine gute Bindung auszubilden, jedoch nicht
mit so viel Druck, dass die Wabenstruktur zusammenbricht. Wenn eine
Ausrichtung der Wände
beider Wabenstrukturen möglich
ist, wird dies bevorzugt. Die Wabenstruktur wird getrocknet und
dann wie üblich
mit der Seite mit reduzierter Masse und geringerer Wanddicke nach
oben orientiert gesintert. Sie wird in einen Ofen eingebracht und
der Binder wird in Gegenwart von etwas Sauerstoff bei geringeren
Temperaturen, 200–600°C, ausgebrannt,
dann in einer Inertatmosphäre
bei erhöhten
Temperaturen, 1500–2300°C, gebrannt.
-
Es
wird erwartet, dass der resultierende Filter eine Porosität von ungefähr 40–60% in
dem DPF-Bereich mit 18 mil Wand besitzt. Dies führt zu einer Wabenstruktur
mit einer Vorderseite mit geringerer Masse als die thermische Masse
des DPF-Bereichs. Sie kann schneller auf die Rußzündtemperatur erhitzt werden
als der DPF-Körper
mit höherer thermischer
Masse, was zu einer geringeren Brennstoffeinbuße für die kontrollierte Regenerierung
führt.
-
Beispiel 4
-
Ein
prophetisches Beispiel des Formens eines Autokatalysatorsubstrates
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird wie folgt bereitgestellt.
-
Eine
Wabenstruktur mit quadratischen Zellen, 600 cpsi und 4 mil Wand,
die als Autokatalysatorsubstrat vorgesehen ist, wird unter Verwendung
von Batchmaterialien extrudiert, die beim Sintern reagieren, um
Cordierit zu bilden, mit Methocel als Bindemittel, zusammen mit
Wasser und ggf. Ölen
und Wachsen. Der extrudierte Artikel wird geschnitten und getrocknet.
Vor dem Sintern wird auf einer Seite der Wabenstruktur jeder vierte
Wandschnittpunkt entfernt, zusammen mit so viel der vier angrenzenden Wände wie
möglich,
ohne die äußere Peripherie
zu beschädigen.
Dies wird durch ein feines Bohr-/Fräswerkzeug erreicht, und solch
ein Werkzeug kann für die
Entfernung mehrerer Schnittpunkte/Bahnen in einer einzigen Maschinenbewegung
verbunden werden. Die Schnittpunkte und Bahnwände werden bis zu einer Tiefe
von ungefähr
1 mm bis 1 cm entfernt. Anstelle der Bohr-/Fräswerkzeuge
könnten
auch Vibrations-/Ultraschallsonden die Materialentfernung erzeugen und
könnten
Vorteile darin besitzen, dass mehrere Wandschnittpunkte in einer
einzigen Maschinenbewegung entfernt werden können. Die Wabenstruktur wird
wie üblich
gesintert, wobei die Seite der reduzierten Masse und geringeren
Zelldichte nach oben orientiert ist. Dies führt zu einer Wabenstruktur
mit einer Vorderseite mit geringerer Masse von vielleicht so wenig
wie der Hälfte
der thermischen Masse der Basiswabenstruktur.
-
Zusätzlich zu
diesen Ausführungsbeispielen kann
der Fachmann erkennen, dass eine Vielzahl von Modifikationen und
Veränderungen
mit der obigen Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem vorgesehenen
Gedanken und Umfang davon abzuweichen.