EP2059660A1 - Filter for removing particles from a gas stream and method for producing said filter - Google Patents

Filter for removing particles from a gas stream and method for producing said filter

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EP2059660A1
EP2059660A1 EP07787330A EP07787330A EP2059660A1 EP 2059660 A1 EP2059660 A1 EP 2059660A1 EP 07787330 A EP07787330 A EP 07787330A EP 07787330 A EP07787330 A EP 07787330A EP 2059660 A1 EP2059660 A1 EP 2059660A1
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EP
European Patent Office
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filter
protective layer
porous protective
coating material
coating
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Withdrawn
Application number
EP07787330A
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German (de)
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Inventor
Bernd Reinsch
Christoph Osemann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a filter for removing particles from a gas stream according to the preamble of claim 1 and to a method for producing the filter.
  • Such filters are used, for example, in the exhaust aftertreatment of self-igniting internal combustion engines, in particular in diesel-powered motor vehicles.
  • filters for the removal of particles so-called particulate filter made of a ceramic material, for example silicon carbide, aluminum titanate or cordierite.
  • the particle filters are generally in the form of a honeycomb ceramic with mutually closed channels.
  • Such particle filters have a filtration efficiency of more than 80% to regularly greater than 90%.
  • the difficulty is not only in the filtration of soot particles but also in the regeneration of the filter.
  • fuel or its decomposition products are catalytically oxidized in an exhaust aftertreatment arrangement, which comprises the particle filter, in order to generate the temperatures necessary for the ignition of the soot.
  • the thermal stability of the filter is known for example from US-B 6,898,930.
  • the diesel particulate filter described in US Pat. No. 6,898,930 can be provided with a coating which contains a catalytically active material, for example a noble metal.
  • Ceramic filter materials generally have microcracks that contribute to the thermal stability of the filter. These are simply called “expansion joints” because they close due to thermal expansion of the material and thus reduce the thermally induced stresses of the filter component As the number of microcracks increases, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the ceramic filter decreases one, the stabilizing effect can As a result, such ceramic filters, especially after high thermal stress, especially if they consist of the filter materials cordierite or aluminum titanate, have a higher probability of failure.
  • a catalyst is known from a ceramic material in which microcracks in the ceramic material are filled prior to the application of a coating with an organic substance, so that the coating can not penetrate into the microcracks. After application of the coating, the organic substance is removed by burning out. It is also known from US Pat. No. 4,451,517 to close microcracks in the ceramic with an organic substance in the case of a honeycomb catalyst before applying a coating of aluminum oxide. In this way, both US Pat. No. 4,532,228 and US Pat. No. 4,451,517 are intended to prevent coating material from penetrating into the microcracks.
  • An inventively designed filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine comprising a filter body of a ceramic filter substrate, wherein the filter substrate is coated with a porous protective layer of a coating material.
  • the coating material contains an admixture of 1 to 20% by weight of at least one member of the second main group, preferably an oxide of an element of the second main group, and cracks contained in the ceramic filter substrate are partially filled by the coating material.
  • the protective layer Besides partially filling the cracks in the ceramic filter substrate, it is possible for the protective layer to be in the form of a thin film or a thin layer on the filter substrate.
  • the addition of the at least one compound of an element of the second main group increases the thermal resistance of the protective layer.
  • the coating material for the porous protective layer is preferably selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates, cordierite, multilite, silicon carbide, aluminum titanate, zeolites, quartz, glasses and Mixtures thereof.
  • the coating material for the porous protective layer is preferably selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, mixtures and mixed oxides thereof.
  • mixed oxides of aluminum oxide and silicon oxide with a mass fraction of up to 15% by weight of silicon dioxide, based on aluminum oxide are suitable for use with zeolites rich in silicon or mixed oxides of cerium oxide and zirconium oxide.
  • the coating material for the porous protective layer further contains at least one alkali metal compound, preferably an alkali metal oxide for adjusting the morphology of the protective layer.
  • the proportion of the at least one alkali metal compound based on the coating material is preferably up to 0.5% by weight.
  • the coating material for the porous protective layer may further contain at least one compound of a third to fifth subgroup element or lanthanides including lanthanum, preferably an oxide of a third to fifth subgroup element or lanthanides including lanthanum.
  • the proportion of the compound of the element of the third to fifth subgroup or the lanthanides including the lanthanum preferably in the range up to 5 wt .-%.
  • Mixtures of the substances for the porous protective layer are possible in any ratio.
  • mixtures of aluminum oxide with up to 18% by weight of BaO, 0.03% by weight of K 2 O, 6% by weight of CeO 2 and 8% by weight of ZrO 2 are preferred.
  • At least one further protective layer is applied to the porous protective layer.
  • the porous protective layers can consist of the same or of different materials.
  • the individual porous protective layers can fulfill different functions.
  • two or more different porous protective layers are applied alternately one above the other.
  • at least one of the porous protective layers contains a catalytically active component.
  • the catalytically active component are preferably one or more metals from the group of platinum metals, preferably platinum, rhodium and / or palladium.
  • the catalytically active component can be contained in the porous protective layer, with which the ceramic filter substrate is coated or in one of the protective layers applied thereto. It is also possible, if only a porous protective layer is applied to the ceramic filter substrate, that this protective layer contains the catalytically active substance.
  • noxious gases such as unburned fuel
  • its decomposition products for example carbon monoxide, as well as nitrogen oxides, sulfur oxides and soot can be stored or converted catalytically.
  • the catalytic function is suitable to withstand the thermochemical attack of exhaust gas components.
  • the at least one catalytically active component is treated in a manner customary for the preparation of catalysts.
  • mixtures of a plurality of catalytically active substances in a porous protective layer or even a plurality of different catalytically active substances can be used on different porous protective layers.
  • the catalytically active substances preferably noble metals, may also be present as alloys or mixtures.
  • the porous protective layer is applied in the downstream and / or central region of the filter. Furthermore, it is also possible for individual regions of the filter substrate to be coated with different layers, amounts or layer sequences.
  • the porous protective layer is applied in the inflow-side region of the filter.
  • special applications allow or require application to radial edge areas of the filter.
  • the coating materials are preferably in the form of their oxides.
  • the coating materials are in the form of their nitrates, hydroxides, acetates, oxalates, carbonates or similar compounds. In general, however, these compounds decompose at least temporarily to oxides under the operating conditions of the filter. Furthermore, it is also possible that these compounds are temporarily formed from the oxides under the operating conditions of the filter.
  • the process according to the invention for producing a filter for removing particles from a gas stream comprises the following steps:
  • the coating material for forming the porous protective layer preferably has a BET surface area of more than 10 m 2 / g and a pore volume in the range of 0.1 to 1.5 ml / g in powder form.
  • the average particle size (D50) of the coating materials suitable for forming the protective layer varies widely. Particularly suitable are particles in the size of 2 nm to 20 microns. Especially suitable are particles with a size of more than 1 micron.
  • the particles suitable for coating can be obtained, for example, by precipitation processes or by pyrolytic processes. For adjusting the particle size and the particle size distribution, milling processes or precipitation processes are suitable, for example. Any other processes known to those skilled in the art for adjusting particle size and particle size distribution are also possible.
  • inorganic salt solutions and organometallic solutions can be used as precursors.
  • Suitable coatings are formed, for example, by combination of differently sized particles, sometimes with bimodal or polymodal particle size distribution.
  • the coating material for the porous protective layer is preferably applied in a sol-gel process, as a preformed sol or gel or as a suspension of solid particles.
  • the rheological properties of this coating composition and the particle size distribution are adjusted so that the coating composition is suitable for partially infilling the cracks in the ceramic filter substrate.
  • the application of the coating material for the porous protective layer can be carried out by all coating processes known to the person skilled in the art. Suitable coating processes are, for example, spraying, dipping, impregnating or the like. Furthermore, coating processes based on vacuum or pressure are also suitable.
  • aqueous solutions for example, aqueous solutions, hydrosols, hydrogels or aqueous suspensions
  • organosols, organogels or organic solutions or dispersions which have a lower surface tension than their aqueous homologs.
  • aqueous media whose surface tension has been reduced by inorganic or organic additives are also suitable.
  • Suitable additives are, for example, long-chain alcohols and surfactants.
  • the at least one compound of an element of the second main group or also optionally further substances contained in the protective layer for example, the at least one alkali metal compound, the compound of an element of the third to fifth subgroup or the lanthanides including the lanthanum or the catalytically active component, for example in the form of a solid, for example as an oxide,
  • Substances may be added to the raw material of the coating material, the coating composition or the finished coating.
  • the addition may be effected in any manner known to the person skilled in the art.
  • step (d) The fixing of the porous protective layer in step (d) is carried out by conventional methods known to the person skilled in the art. Suitable methods are, for example, drying, calcination and sintering.
  • the amount of coating materials to be applied to form the porous protective layer can be varied within wide limits.
  • the loading of the filter with the coating material is based on the filter volume and is 1 g / l to 200 g / l, preferably 10 to 150 g / l, based on the total filter volume.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a filter element according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the coated filter substrate with a layer
  • FIG. 4 shows an example of a grain of the filter substrate with a coating in several layers.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention.
  • the exhaust aftertreatment device is here a filter in which soot particles are removed from the exhaust gas flow.
  • An internal combustion engine 10 is connected via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged.
  • the arrangement contains one or more catalysts 19, which are arranged in front of the filter device 14. With the filter device 14 soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12. This is especially necessary for diesel engines to comply with legal requirements.
  • the filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, a total of cylindrical filter element 18 is arranged.
  • Figure 2 shows a filter element according to the invention in longitudinal section.
  • the filter element 18 is produced, for example, as an extruded shaped body made of a ceramic material, for example magnesium aluminum silicate, preferably cordierite.
  • the filter element 18 is traversed by exhaust gas in the direction of the arrows 20.
  • the exhaust gas occurs via an entrance surface 22 in the filter element 18 and leaves this via an exit surface 24th
  • inlet channels 28 Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 extend a plurality of inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30.
  • the inlet channels 28 are closed at the outlet surface 24.
  • sealing plugs 36 are provided for this purpose.
  • outlet channels 30 are open at the outlet surface 24 and closed in the region of the inlet surface 22.
  • the flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall 38 into one of the outlet channels 30. This is illustrated by the arrows 32 by way of example.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the coated filter substrate with a layer.
  • a filter wall 38 is made of a ceramic filter substrate.
  • the ceramic filter substrate consists of individual grains 40, which are generally interconnected by sintering.
  • the ceramic filter substrate is preferably silicon carbide, aluminum titanate, mullite or cordierite. Also, mixtures of these materials are possible.
  • Between the individual grains 40 of the ceramic filter substrate are pores 42, which are flowed through by the gas stream to be cleaned. Particles contained in the gas stream are retained by the ceramic filter substrate of the filter wall 38.
  • the particles removed from the gas stream also settle in the pores 42. This reduces the free cross section of the filter wall 38 and the pressure loss across the filter wall 38 increases. For this reason, it is necessary to remove the particles from the pores at regular intervals. This is generally done by thermal regeneration by heating the filter to a temperature in excess of 600 ° C. At this temperature, the usually organic particles burn to carbon dioxide and water and are discharged from the particle filter in gaseous form.
  • Microcracks 44 are generally included in the individual grains.
  • the microcracks 44 contribute to the thermal stability of the filter. With a thermal expansion of material, the microcracks 44 close and thus reduce the thermally induced stresses in the filter wall 38.
  • the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the ceramic filter 14 decrease.
  • the stabilizing effect may be limited since the microcracks 44 will not expand upon thermal expansion of the material can close more. This increases the thermally induced stresses in the grains. The occurring stresses can lead to rupture of the filter wall 38.
  • porous protective layer 46 In order to avoid the penetration of particles into the microcracks 44, these are partially filled with a porous protective layer 46.
  • the material for the porous protective layer is as already described above preferably selected from the group consisting of aluminum oxides, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates, cordierite, mullite, silicon carbide, aluminum titanate, zeolites, Quartz, glasses, mixtures thereof and mixed oxides thereof.
  • the coating material is 1 to 20 wt .-% of at least one compound of an element of the second main group, preferably an oxide of an element of the second main group, admixed.
  • the porous protective layer may contain alkali metal compounds or compounds of an element of the third to fifth subgroups or the lanthanides including the lanthanum.
  • the coating material may also form a thin layer or film on the grains 40 of the filter substrate.
  • the ceramic coating may further contain at least one catalytically active material.
  • catalytically active material are noble metals from the group of platinum metals, for example platinum, rhodium or palladium.
  • the catalytically active material contained in the coating also stores noxious gases and soot particles and converts them thermally catalytically. The reaction of noxious gases is generally exothermic, releasing heat of reaction. This heat of reaction contributes to the achievement of the exhaust gas temperature necessary for the regeneration of the filter.
  • the rheological properties and optionally the particle sizes of the particles contained in the coating composition are preferably adjusted so that portions of the coating material can also penetrate into the microcracks 44.
  • the coating material is preferably applied in a sol-gel process, as a performed sol or gel or as a suspension of solid particles.
  • FIG. 4 shows a grain 40 of the filter substrate with a coating of two layers.
  • a micro-crack 44 is formed in the grain 40.
  • the grain 40 shown here comprises a first protective layer 48 consisting of a coating material as described above.
  • the coating material 48 also partially contains the microcrack 44 contained in the grain 40.
  • Both the microcrack 44 and a branch 50 of the microcrack 44 include an unfilled region 52 that was not filled by the coating material.
  • the grain 40 is completely covered by the first layer 48.
  • the first layer 48 which has also partially filled the microcrack 44, increases the thermal and hydrothermal stability of the grain 40.
  • a second layer 54 is applied to the first layer 48.
  • the second layer 54 also consists essentially of a ceramic or mineral oxide, as described above.
  • the first layer 48 or the second layer 54 contain a catalytically active material.
  • the first layer 48 and the second layer 54 may also both contain the catalytically active material.
  • it is possible for the first layer 48 and the second layer 54 to consist of the same coating material. However, also the first layer 48 and the second layer 54 may be made of different coating materials.
  • At least one further porous protective layer is applied to the second layer 54.
  • protective layers of two different coating materials are each applied alternately to the grain 40.
  • each protective layer has a different composition or consists of a different coating material.
  • the protective layers are all made of the same material or have the same composition. The number of layers applied to the grain 40 is arbitrary and is limited only by the desired pore size remaining after coating.

Abstract

The invention relates to a filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine. Said filter comprises a filter body consisting of a ceramic filter substrate, the latter being coated with a porous protective layer of (46, 48) coating material. The invention is characterised in that the coating material contains an admixture of between 1 and 20 % by weight of at least one compound of an element of the 2nd main group of the periodic table, preferably an oxide of an element of the 2nd main group, and that cracks (44) in the ceramic filter substrate are partially filled with the coating material. The invention also relates to a method for producing a filter, according to which the coating material for the porous protective layer (46, 48) is applied to the sintered ceramic filter substrate, at least one compound of an element of the 2nd main group is added, other substances contained in the protective layer (46, 48) are optionally added and the porous protective layer (46, 48) is fixed.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom sowie Verfahren zu seinerFilter for removing particles from a gas stream and method for his
Herstellungmanufacturing
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Filters.The invention relates to a filter for removing particles from a gas stream according to the preamble of claim 1 and to a method for producing the filter.
Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Üblicherweise sind solche Filter zur Entfernung von Partikeln, so genannte Partikelfilter, aus einem keramischen Material, zum Beispiel Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat oder Cordierit gefertigt. Die Partikelfilter sind im Allgemeinen in Form einer wabenförmigen Keramik mit wechselseitig verschlossenen Kanälen ausgebildet. Derartige Partikelfilter besitzen einen Filtrationswirkungsgrad von mehr als 80 % bis regelmäßig größer als 90 %. Die Schwierigkeit besteht jedoch nicht allein in der Filtration der Russpartikel sondern auch in der Regeneration des Filters. Hierzu werden Kraftstoff oder seine Zersetzungsprodukte in einer Abgasnachbehandlungsanordnung, die den Partikelfilter umfasst, katalytisch oxidiert, um die zur Zündung des Rußes notwendigen Temperaturen zu erzeugen. Während der heißeren Regenerationsphasen werden höchste Anforderungen an die thermische Stabilität des Filters gestellt. Ein derartiger Filter ist zum Beispiel aus US-B 6,898,930 bekannt. Um im Abgas enthaltene Schadgase umzusetzen, kann der in US-B 6,898,930 beschriebene Diesel- partikelfilter mit einer Beschichtung versehen sein, die ein katalytisch aktives Material, zum Beispiel ein Edelmetall enthält.Such filters are used, for example, in the exhaust aftertreatment of self-igniting internal combustion engines, in particular in diesel-powered motor vehicles. Usually, such filters for the removal of particles, so-called particulate filter made of a ceramic material, for example silicon carbide, aluminum titanate or cordierite. The particle filters are generally in the form of a honeycomb ceramic with mutually closed channels. Such particle filters have a filtration efficiency of more than 80% to regularly greater than 90%. However, the difficulty is not only in the filtration of soot particles but also in the regeneration of the filter. For this purpose, fuel or its decomposition products are catalytically oxidized in an exhaust aftertreatment arrangement, which comprises the particle filter, in order to generate the temperatures necessary for the ignition of the soot. During the hotter regeneration phases, the highest demands are placed on the thermal stability of the filter. Such a filter is known for example from US-B 6,898,930. In order to react noxious gases contained in the exhaust gas, the diesel particulate filter described in US Pat. No. 6,898,930 can be provided with a coating which contains a catalytically active material, for example a noble metal.
Keramische Filtermaterialien weisen im Allgemeinen Mikrorisse auf, die zur thermischen Stabilität des Filters beitragen. Diese sind vereinfacht als „Dehnungsfuge" zu verstehen, da sie sich infolge thermischer Materialausdehnung schließen und so die thermisch induzierten Spannungen des Filterbauteils verringern. Mit zunehmender Anzahl an Mikrorissen nehmen der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Filters ab. Dringen Partikel in die Mikrorisse des Filtermaterials ein, kann die stabilisierende Wirkung als „Dehnungsfuge" eingeschränkt werden. Als Folge weisen solche keramischen Filter, insbesondere nach hoher thermischer Belastung, insbesondere wenn diese aus den Filterwerkstoffen Cordierit oder Aluminiumtitanat bestehen, eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit auf.Ceramic filter materials generally have microcracks that contribute to the thermal stability of the filter. These are simply called "expansion joints" because they close due to thermal expansion of the material and thus reduce the thermally induced stresses of the filter component As the number of microcracks increases, the thermal expansion coefficient and thermal conductivity of the ceramic filter decreases one, the stabilizing effect can As a result, such ceramic filters, especially after high thermal stress, especially if they consist of the filter materials cordierite or aluminum titanate, have a higher probability of failure.
Aus US 4,532,228 ist ein Katalysator aus einem keramischen Material bekannt, bei dem Mikrorisse im keramischen Material vor dem Auftrag einer Beschichtung mit einer organischen Substanz gefüllt werden, damit die Beschichtung nicht in die Mikrorisse eindringen kann. Nach dem Auftrag der Beschichtung wird die organische Substanz durch Ausbrennen entfernt. Auch aus US 4,451,517 ist bekannt, bei einem Katalysator mit Wabenstruktur vor dem Auftragen einer Beschichtung aus Aluminiumoxid Mikrorisse in der Keramik mit einer organischen Substanz zu verschließen. Auf diese Weise soll sowohl gemäß der US 4,532,228 als auch gemäß der US 4,451,517 vermieden werden, dass Beschichtungsmateri- al in die Mikrorisse eindringen kann.From US 4,532,228 a catalyst is known from a ceramic material in which microcracks in the ceramic material are filled prior to the application of a coating with an organic substance, so that the coating can not penetrate into the microcracks. After application of the coating, the organic substance is removed by burning out. It is also known from US Pat. No. 4,451,517 to close microcracks in the ceramic with an organic substance in the case of a honeycomb catalyst before applying a coating of aluminum oxide. In this way, both US Pat. No. 4,532,228 and US Pat. No. 4,451,517 are intended to prevent coating material from penetrating into the microcracks.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Filter zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, umfasst einen Filterkörper aus einem keramischen Filtersubstrat, wobei das Filtersubstrat mit einer porösen Schutzschicht aus einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist. Erfindungsgemäß enthält das Beschichtungsmaterial eine Beimischung von 1 bis 20 Gew.-% mindestens einer Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe, vorzugsweise eines Oxides eines Elementes der zweiten Hauptgruppe, und im keramischen Filtersubstrat enthaltene Risse sind teilweise von dem Beschichtungsmaterial gefüllt.An inventively designed filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine, comprising a filter body of a ceramic filter substrate, wherein the filter substrate is coated with a porous protective layer of a coating material. In the present invention, the coating material contains an admixture of 1 to 20% by weight of at least one member of the second main group, preferably an oxide of an element of the second main group, and cracks contained in the ceramic filter substrate are partially filled by the coating material.
Durch das teilweise Füllen der Risse im keramischen Filtersubstrat wird vermieden, dass Partikel in diese Risse eindringen können. Hierdurch wird die Stabilität des Filters erhöht.By partially filling the cracks in the ceramic filter substrate, it is avoided that particles can penetrate into these cracks. This increases the stability of the filter.
Neben dem teilweisen Auffüllen der Risse im keramischen Filtersubstrat ist es möglich, dass die Schutzschicht in Form eines dünnen Films oder einer dünnen Schicht auf dem Filtersubstrat vorliegt.Besides partially filling the cracks in the ceramic filter substrate, it is possible for the protective layer to be in the form of a thin film or a thin layer on the filter substrate.
Durch die Zugabe der mindestens einen Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe wird die thermische Beständigkeit der Schutzschicht erhöht. Das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Alumniumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium-Aluminium-Silikate, Cordierit, MuI- lite, Siliziumcarbid, Aluminiumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser und Mischungen daraus. Be- vorzugt ist das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Mischungen und Mischoxiden daraus. So eignen sich zum Beispiel Mischoxide aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid mit einem Massenanteil von bis zu 15 Gew.-% Siliziumdioxid, bezogen auf Aluminiumoxid, siliziumreiche Zeolithe oder Misch- oxide von Ceroxid und Zirkonoxid.The addition of the at least one compound of an element of the second main group increases the thermal resistance of the protective layer. The coating material for the porous protective layer is preferably selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates, cordierite, multilite, silicon carbide, aluminum titanate, zeolites, quartz, glasses and Mixtures thereof. The coating material for the porous protective layer is preferably selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, mixtures and mixed oxides thereof. Thus, for example, mixed oxides of aluminum oxide and silicon oxide with a mass fraction of up to 15% by weight of silicon dioxide, based on aluminum oxide, are suitable for use with zeolites rich in silicon or mixed oxides of cerium oxide and zirconium oxide.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht weiterhin mindestens eine Alkalimetallverbindung, vorzugsweise ein Alkalimetalloxid zur Einstellung der Morphologie der Schutzschicht. Der Anteil der mindestens einen Alkalimetallverbindung bezogen auf das Beschichtungsmaterial beträgt vorzugsweise bis zu 0,5 Gew.-%.In a preferred embodiment, the coating material for the porous protective layer further contains at least one alkali metal compound, preferably an alkali metal oxide for adjusting the morphology of the protective layer. The proportion of the at least one alkali metal compound based on the coating material is preferably up to 0.5% by weight.
Das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht kann weiterhin mindestens eine Verbindung eines Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan, vorzugsweise ein Oxid eines Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan, enthalten. Der Anteil der Verbindung des Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan mit vorzugsweise im Bereich bis zum 5 Gew.-%. Durch die Zugabe der Verbindung eines Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan wird die thermische Stabilität des Trägermaterials weiter erhöht.The coating material for the porous protective layer may further contain at least one compound of a third to fifth subgroup element or lanthanides including lanthanum, preferably an oxide of a third to fifth subgroup element or lanthanides including lanthanum. The proportion of the compound of the element of the third to fifth subgroup or the lanthanides including the lanthanum, preferably in the range up to 5 wt .-%. By adding the compound of an element of the third to fifth subgroups or the lanthanides including the lanthanum, the thermal stability of the support material is further increased.
Mischungen der Substanzen für die poröse Schutzschicht sind in jedem Verhältnis möglich. So sind zum Beispiel Mischungen von Aluminiumoxid mit bis zu 18 Gew.-% BaO, 0,03 Gew.-% K2O, 6 Gew.-% CeO2 und 8 Gew.-% ZrO2 bevorzugt.Mixtures of the substances for the porous protective layer are possible in any ratio. Thus, for example, mixtures of aluminum oxide with up to 18% by weight of BaO, 0.03% by weight of K 2 O, 6% by weight of CeO 2 and 8% by weight of ZrO 2 are preferred.
In einer weiteren Ausführungsform ist auf der porösen Schutzschicht mindestens eine weitere Schutzschicht aufgetragen. Die porösen Schutzschichten können dabei aus den gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die einzelnen porösen Schutzschichten können dabei unterschiedliche Funktionen erfüllen. Weiterhin ist es auch möglich, dass zum Beispiel zwei oder mehr unterschiedliche poröse Schutzschichten alternierend übereinander aufgetragen werden. In einer Ausführungsform enthält mindestens eine der porösen Schutzschichten eine kataly- tisch aktive Komponente. Als katalytisch aktive Komponente eignen sich vorzugsweise ein Metall oder mehrere Metalle aus der Gruppe der Platinmetalle, vorzugsweise Platin, Rhodium und/oder Palladium. Die katalytisch aktive Komponente kann dabei in der porösen Schutzschicht, mit der das keramische Filtersubstrat beschichtet ist oder in einer der auf diese aufgetragenen Schutzschichten enthalten sein. Auch ist es möglich, wenn nur eine poröse Schutzschicht auf das keramische Filtersubstrat aufgetragen ist, dass diese Schutzschicht die katalytisch aktive Substanz enthält.In a further embodiment, at least one further protective layer is applied to the porous protective layer. The porous protective layers can consist of the same or of different materials. The individual porous protective layers can fulfill different functions. Furthermore, it is also possible that, for example, two or more different porous protective layers are applied alternately one above the other. In one embodiment, at least one of the porous protective layers contains a catalytically active component. As the catalytically active component are preferably one or more metals from the group of platinum metals, preferably platinum, rhodium and / or palladium. The catalytically active component can be contained in the porous protective layer, with which the ceramic filter substrate is coated or in one of the protective layers applied thereto. It is also possible, if only a porous protective layer is applied to the ceramic filter substrate, that this protective layer contains the catalytically active substance.
Mit Hilfe der katalytisch aktiven Substanz können Schadgase, wie unverbrannter Kraftstoff, seine Zersetzungsprodukte, zum Beispiel Kohlenmonoxid, sowie Stickoxide, Schwefeloxide und Ruß katalytisch gespeichert oder umgesetzt werden. Die katalytische Funktion ist geeignet, dem thermochemischen Angriff von Abgaskomponenten zu widerstehen.With the help of the catalytically active substance noxious gases, such as unburned fuel, its decomposition products, for example carbon monoxide, as well as nitrogen oxides, sulfur oxides and soot can be stored or converted catalytically. The catalytic function is suitable to withstand the thermochemical attack of exhaust gas components.
Die mindestens eine katalytisch aktive Komponente wird in einer zur Herstellung von Katalysatoren üblichen Weise behandelt. Dabei können Mischungen mehrerer katalytisch aktiver Substanzen in einer porösen Schutzschicht oder auch mehrere unterschiedliche katalytisch aktive Substanzen auf unterschiedlichen porösen Schutzschichten eingesetzt werden. Die katalytisch aktiven Substanzen, vorzugsweise Edelmetalle, können auch als Legierungen oder Mischungen vorliegen.The at least one catalytically active component is treated in a manner customary for the preparation of catalysts. In this case, mixtures of a plurality of catalytically active substances in a porous protective layer or even a plurality of different catalytically active substances can be used on different porous protective layers. The catalytically active substances, preferably noble metals, may also be present as alloys or mixtures.
In einer Ausführungsform ist die poröse Schutzschicht im abströmseitigen und/oder zentrischen Bereich des Filters aufgebracht. Weiterhin ist es auch möglich, dass einzelne Bereiche des Filtersubstrates mit unterschiedlichen Schichten, Mengen oder Schichtfolgen beschichtet sind.In one embodiment, the porous protective layer is applied in the downstream and / or central region of the filter. Furthermore, it is also possible for individual regions of the filter substrate to be coated with different layers, amounts or layer sequences.
In einer weiteren Ausführungsform ist die poröse Schutzschicht im anströmseitigen Bereich des Filters aufgebracht. Zudem erlauben oder erfordern spezielle Anwendungen die Aufbringung auf radiale Randbereiche des Filters.In a further embodiment, the porous protective layer is applied in the inflow-side region of the filter. In addition, special applications allow or require application to radial edge areas of the filter.
Beim fertigen Filter liegen die Beschichtungsmaterialien vorzugsweise in Form ihrer Oxide vor. Jedoch ist es auch möglich, dass die Beschichtungsmaterialien in Form ihrer Nitrate, Hydroxide, Acetate, Oxalate, Carbonate oder ähnlichen Verbindungen vorliegen. Im Allgemeinen zersetzen sich diese Verbindungen jedoch unter den Betriebsbedingungen des Filters zumindest temporär zu Oxiden. Weiterhin ist es auch möglich, dass diese Verbindungen unter den Betriebsbedingungen des Filters temporär aus den Oxiden gebildet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom umfasst folgende Schritte:In the finished filter, the coating materials are preferably in the form of their oxides. However, it is also possible that the coating materials are in the form of their nitrates, hydroxides, acetates, oxalates, carbonates or similar compounds. In general, however, these compounds decompose at least temporarily to oxides under the operating conditions of the filter. Furthermore, it is also possible that these compounds are temporarily formed from the oxides under the operating conditions of the filter. The process according to the invention for producing a filter for removing particles from a gas stream comprises the following steps:
(a) Zugabe der mindestens einen Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe in Form eines Feststoffes, als Gel, als Salzlösung oder als Hydrosol oder einer Mischung daraus,(a) addition of the at least one compound of a second main group element in the form of a solid, as a gel, as a salt solution or as a hydrosol or a mixture thereof,
(b) Aufbringen des Beschichtungsmaterials für die poröse Schutzschicht auf das gesinterte, keramische Filtersubstrat,(b) applying the coating material for the porous protective layer to the sintered ceramic filter substrate,
(c) gegebenenfalls Zugabe weiterer in der BeSchichtung enthaltener Substanzen,(c) optionally adding further substances contained in the coating,
(d) Fixieren der porösen Schutzschicht.(d) fixing the porous protective layer.
Das Beschichtungsmaterial zur Bildung der porösen Schutzschicht weist vorzugsweise in Pulverform eine BET-Oberfläche von mehr als 10 m2/g und ein Porenvolumen im Bereich von 0,1 bis 1,5 ml/g auf. Die mittlere Partikelgröße (D50) der zur Ausbildung der Schutzschicht geeigneten Beschichtungsmaterialien variiert in einem weiten Bereich. Insbesondere geeignet sind Partikel in der Größe von 2 nm bis zu 20 μm. Ganz besonders geeignet sind Partikel mit einer Größe von mehr als 1 μm. Die zur Beschichtung geeigneten Partikeln können zum Beispiel durch Fällungsprozesse oder durch pyrolytische Prozesse gewonnen werden. Zur Einstellung der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung eignen sich zum Beispiel Mahlprozesse oder Fällungsprozesse. Auch beliebige weitere, dem Fachmann bekannte Prozesse zur Einstellung von Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung sind möglich. Um die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung durch Fällungsprozesse einzustellen, können zum Beispiel anorganische Salzlösungen und metallorganische Lösungen als Precursoren eingesetzt werden.The coating material for forming the porous protective layer preferably has a BET surface area of more than 10 m 2 / g and a pore volume in the range of 0.1 to 1.5 ml / g in powder form. The average particle size (D50) of the coating materials suitable for forming the protective layer varies widely. Particularly suitable are particles in the size of 2 nm to 20 microns. Especially suitable are particles with a size of more than 1 micron. The particles suitable for coating can be obtained, for example, by precipitation processes or by pyrolytic processes. For adjusting the particle size and the particle size distribution, milling processes or precipitation processes are suitable, for example. Any other processes known to those skilled in the art for adjusting particle size and particle size distribution are also possible. To adjust the particle size and the particle size distribution by precipitation processes, for example, inorganic salt solutions and organometallic solutions can be used as precursors.
Geeignete Beschichtungen werden zum Beispiel durch Kombination unterschiedlich großer Partikel, mitunter mit bi- oder polymodaler Partikelgrößenverteilung gebildet.Suitable coatings are formed, for example, by combination of differently sized particles, sometimes with bimodal or polymodal particle size distribution.
Das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht wird vorzugsweise in einem SoI- GeI- Verfahren, als präformiertes SoI oder Gel oder als Suspension von Feststoffpartikeln aufgebracht. Die Theologischen Eigenschaften dieser Beschichtungsmasse und die Partikel- größenverteilung werden dabei so eingestellt, dass sich die Beschichtungsmasse zum teilweisen Befallen der Risse im keramischen Filtersubstrat eignet. Das Aufbringen des Beschichtungsmaterials für die poröse Schutzschicht kann durch alle dem Fachmann bekannten Beschichtungsprozesse erfolgen. Geeignete Beschichtungspro- zesse sind zum Beispiel Besprühen, Tauchen, Tränken oder ähnliche. Weiterhin sind auch Beschichtungsprozesse geeignet, die auf Vakuum oder Druck basieren.The coating material for the porous protective layer is preferably applied in a sol-gel process, as a preformed sol or gel or as a suspension of solid particles. The rheological properties of this coating composition and the particle size distribution are adjusted so that the coating composition is suitable for partially infilling the cracks in the ceramic filter substrate. The application of the coating material for the porous protective layer can be carried out by all coating processes known to the person skilled in the art. Suitable coating processes are, for example, spraying, dipping, impregnating or the like. Furthermore, coating processes based on vacuum or pressure are also suitable.
Zum Aufbringen des Beschichtungsmaterials für die poröse Schutzschicht eignen sich neben wässrigen Lösungen, Hydrosolen, Hydrogelen oder wässrigen Suspensionen auch solche Organosole, Organogele oder organische Lösungen oder Dispersionen, die eine geringere Oberflächenspannung als ihre wässrigen Homologen aufweisen. Insbesondere eignen sich auch wässrige Medien, deren Oberflächenspannung durch anorganische oder organische Zusätze verringert wurde. Geeignete Zusätze sind zum Beispiel langkettige Alkohole und Tenside.For application of the coating material for the porous protective layer, in addition to aqueous solutions, hydrosols, hydrogels or aqueous suspensions, it is also possible to use organosols, organogels or organic solutions or dispersions which have a lower surface tension than their aqueous homologs. In particular, aqueous media whose surface tension has been reduced by inorganic or organic additives are also suitable. Suitable additives are, for example, long-chain alcohols and surfactants.
Die mindestens eine Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe oder auch die gegebenenfalls weiteren in der Schutzschicht enthaltenen Substanzen, beispielsweise die mindestens eine Alkalimetallverbindung, die Verbindung eines Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan oder die katalytisch aktive Komponente, wird zum Beispiel in Form eines Feststoffes, beispielsweise als Oxid,The at least one compound of an element of the second main group or also optionally further substances contained in the protective layer, for example, the at least one alkali metal compound, the compound of an element of the third to fifth subgroup or the lanthanides including the lanthanum or the catalytically active component, for example in the form of a solid, for example as an oxide,
Mischoxid, Hydroxid oder Salz, vorzugsweise Carbonat, Nitrat oder Acetat und/oder als Gel, zum Beispiel als Hydroxid, als Salzlösung, vorzugsweise als Carbonat, Nitrat oder A- cetat, oder als Hydrosol zugegeben. Die mindestens eine Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe sowie die gegebenenfalls weiteren in der Beschichtung enthaltenenMixed oxide, hydroxide or salt, preferably carbonate, nitrate or acetate and / or as a gel, for example as a hydroxide, as a salt solution, preferably as a carbonate, nitrate or acetate, or added as a hydrosol. The at least one compound of an element of the second main group and optionally further contained in the coating
Substanzen können dem Rohstoff des Beschichtungsmaterials, der Beschichtungsmasse oder der fertigen Beschichtung zugegeben werden. Die Zugabe kann dabei auf jede beliebi- ge, dem Fachmann bekannte Weise erfolgen.Substances may be added to the raw material of the coating material, the coating composition or the finished coating. The addition may be effected in any manner known to the person skilled in the art.
Das Fixieren der porösen Schutzschicht in Schritt (d) erfolgt durch gängige, dem Fachmann bekannte Methoden. Geeignete Methoden sind zum Beispiel Trocknen, Kalzinieren und Sintern.The fixing of the porous protective layer in step (d) is carried out by conventional methods known to the person skilled in the art. Suitable methods are, for example, drying, calcination and sintering.
Die Menge der zur Bildung der porösen Schutzschicht aufzubringenden Beschichtungsma- terialien kann in weiten Bereichen variiert werden. Die Beladung des Filters mit dem Be- schichtungsmaterial wird auf das Filtervolumen bezogen und beträgt 1 g/l bis 200 g/l, vorzugsweise 10 bis 150 g/l, bezogen auf das Gesamtfiltervolumen.The amount of coating materials to be applied to form the porous protective layer can be varied within wide limits. The loading of the filter with the coating material is based on the filter volume and is 1 g / l to 200 g / l, preferably 10 to 150 g / l, based on the total filter volume.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Brief description of the drawings Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigenShow it
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention,
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt,FIG. 2 shows a longitudinal section of a filter element according to the invention,
Figur 3 eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrats mit einer Schicht,FIG. 3 shows a schematic representation of the coated filter substrate with a layer,
Figur 4 exemplarisch ein Korn des Filtersubstrats mit einer BeSchichtung in mehreren Schichten.4 shows an example of a grain of the filter substrate with a coating in several layers.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer er- findungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist hier ein Filter, in welchem Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt werden.FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention. The exhaust aftertreatment device is here a filter in which soot particles are removed from the exhaust gas flow.
Eine Verbrennungskraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Optional enthält die Anordnung einen oder mehrere Kata- lysatoren 19, die vor der Filtereinrichtung 14 angeordnet sind. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.An internal combustion engine 10 is connected via an exhaust pipe 12, in which a filter device 14 is arranged. Optionally, the arrangement contains one or more catalysts 19, which are arranged in front of the filter device 14. With the filter device 14 soot particles are filtered out of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12. This is especially necessary for diesel engines to comply with legal requirements.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.The filter device 14 comprises a cylindrical housing 16, in which a rotationally symmetrical in the present embodiment, a total of cylindrical filter element 18 is arranged.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt.Figure 2 shows a filter element according to the invention in longitudinal section.
Das Filterelement 18 ist zum Beispiel als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, zum Beispiel Magnesium- Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas durchströmt. Das Abgas tritt über eine Eintrittsfläche 22 in das Filterelement 18 ein und verlässt dieses über eine Austrittsfläche 24.The filter element 18 is produced, for example, as an extruded shaped body made of a ceramic material, for example magnesium aluminum silicate, preferably cordierite. The filter element 18 is traversed by exhaust gas in the direction of the arrows 20. The exhaust gas occurs via an entrance surface 22 in the filter element 18 and leaves this via an exit surface 24th
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelementes 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 verschlossen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind hierzu Verschlussstopfen 36 vorgesehen.Parallel to a longitudinal axis 26 of the filter element 18 extend a plurality of inlet channels 28 in alternation with outlet channels 30. The inlet channels 28 are closed at the outlet surface 24. In the embodiment shown here, sealing plugs 36 are provided for this purpose.
Entsprechend sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.Accordingly, the outlet channels 30 are open at the outlet surface 24 and closed in the region of the inlet surface 22.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt somit in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 38 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.The flow path of the unpurified exhaust gas thus leads into one of the inlet channels 28 and from there through a filter wall 38 into one of the outlet channels 30. This is illustrated by the arrows 32 by way of example.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung des beschichteten Filtersubstrates mit einer Schicht dargestellt. Eine Filterwand 38 ist aus einem keramischen Filtersubstrat gefertigt. Das keramische Filtersubstrat besteht aus einzelnen Körnern 40, die im Allgemeinen durch Sintern miteinander verbunden sind. Das keramische Filtersubstrat ist vorzugsweise Silizi- umcarbid, Aluminiumtitanat, Mullite oder Cordierit. Auch sind Mischungen dieser Materialien möglich. Zwischen den einzelnen Körnern 40 des keramischen Filtersubstrats befinden sich Poren 42, welche von dem zu reinigenden Gasstrom durchströmt werden. Partikel, die im Gasstrom enthalten sind werden vom keramischen Filtersubstrat der Filterwand 38 zurückgehalten. Die Partikel, die aus dem Gasstrom entfernt werden, setzen sich auch in den Poren 42 ab. Hierdurch verringert sich der freie Querschnitt der Filterwand 38 und der Druckverlust über die Filterwand 38 steigt an. Aus diesem Grund ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen die Partikel aus den Poren zu entfernen. Dies geschieht im Allgemeinen durch thermische Regeneration, indem der Filter auf eine Temperatur von mehr als 6000C aufgeheizt wird. Bei dieser Temperatur verbrennen die in der Regel organischen Par- tikel zu Kohlendioxid und Wasser und werden gasförmig aus dem Partikelfilter ausgetragen.FIG. 3 shows a schematic representation of the coated filter substrate with a layer. A filter wall 38 is made of a ceramic filter substrate. The ceramic filter substrate consists of individual grains 40, which are generally interconnected by sintering. The ceramic filter substrate is preferably silicon carbide, aluminum titanate, mullite or cordierite. Also, mixtures of these materials are possible. Between the individual grains 40 of the ceramic filter substrate are pores 42, which are flowed through by the gas stream to be cleaned. Particles contained in the gas stream are retained by the ceramic filter substrate of the filter wall 38. The particles removed from the gas stream also settle in the pores 42. This reduces the free cross section of the filter wall 38 and the pressure loss across the filter wall 38 increases. For this reason, it is necessary to remove the particles from the pores at regular intervals. This is generally done by thermal regeneration by heating the filter to a temperature in excess of 600 ° C. At this temperature, the usually organic particles burn to carbon dioxide and water and are discharged from the particle filter in gaseous form.
In den einzelnen Körnern sind im Allgemeinen Mikrorisse 44 enthalten. Die Mikrorisse 44 tragen zur thermischen Stabilität des Filters bei. Bei einer thermischen Materialausdehnung schließen sich die Mikrorisse 44 und verringern so die thermisch induzierten Spannungen in der Filterwand 38. Mit zunehmender Anzahl an Mikrorissen 44 nehmen der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Filters 14 ab. Wenn jedoch Partikel in die Mikrorisse 44 in den Körnern 40 eindringen, kann die stabilisierende Wirkung eingeschränkt werden, da sich die Mikrorisse 44 bei thermischer Materialausdehnung nicht mehr schließen können. Hierdurch werden die thermisch induzierten Spannungen in den Körnern vergrößert. Die auftretenden Spannungen können bis zum Reißen der Filterwand 38 führen.Microcracks 44 are generally included in the individual grains. The microcracks 44 contribute to the thermal stability of the filter. With a thermal expansion of material, the microcracks 44 close and thus reduce the thermally induced stresses in the filter wall 38. As the number of microcracks 44 increases, the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the ceramic filter 14 decrease. However, if particles penetrate the microcracks 44 in the grains 40, the stabilizing effect may be limited since the microcracks 44 will not expand upon thermal expansion of the material can close more. This increases the thermally induced stresses in the grains. The occurring stresses can lead to rupture of the filter wall 38.
Um das Eindringen von Partikeln in die Mikrorisse 44 zu vermeiden, sind diese teilweise mit einer porösen Schutzschicht 46 gefüllt. Das Material für die poröse Schutzschicht ist wie vorstehend bereits beschrieben vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxide, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium-Aluminium-Silikate, Cordierit, Mullite, Siliziumcarbid, AIu- miniumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser, Mischungen daraus und Mischoxide daraus. Dem Beschichtungsmaterial sind 1 bis 20 Gew.-% mindestens einer Verbindung eines Elementes der zweiten Hauptgruppe, vorzugsweise eines Oxides eines Elementes der zweiten Hauptgruppe, beigemischt. Weiterhin kann die poröse Schutzschicht Alkalimetallverbindungen oder Verbindungen eines Elementes der dritten bis fünften Nebengruppe oder der Lantha- noiden einschließlich des Lanthans enthalten.In order to avoid the penetration of particles into the microcracks 44, these are partially filled with a porous protective layer 46. The material for the porous protective layer is as already described above preferably selected from the group consisting of aluminum oxides, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates, cordierite, mullite, silicon carbide, aluminum titanate, zeolites, Quartz, glasses, mixtures thereof and mixed oxides thereof. The coating material is 1 to 20 wt .-% of at least one compound of an element of the second main group, preferably an oxide of an element of the second main group, admixed. Further, the porous protective layer may contain alkali metal compounds or compounds of an element of the third to fifth subgroups or the lanthanides including the lanthanum.
Neben den zumindest teilweise gefüllten Mikrorissen 44 kann das Beschichtungsmaterial auch eine dünne Schicht oder einen Film auf den Körnern 40 des Filtersubstrates ausbilden. Insbesondere wenn das Beschichtungsmaterial auch einen dünnen Film oder eine dünne Schicht auf den Körnern 40 des Filtersubstrates ausbildet, kann die keramische Beschich- tung weiterhin mindestens ein katalytisch aktives Material enthalten. Als katalytisch aktives Material eignen sich insbesondere Edelmetalle aus der Gruppe der Platinmetalle, zum Beispiel Platin, Rhodium oder Palladium. Durch das in der BeSchichtung enthaltene katalytisch aktive Material werden auch Schadgase und Rußpartikel gespeichert und thermisch- katalytisch umgesetzt. Die Umsetzung der Schadgase ist im Allgemeinen exotherm, wodurch Reaktionswärme freigesetzt wird. Diese Reaktionswärme trägt zur Erreichung der zur Regeneration des Filters notwendigen Abgastemperatur bei.In addition to the at least partially filled microcracks 44, the coating material may also form a thin layer or film on the grains 40 of the filter substrate. In particular, if the coating material also forms a thin film or a thin layer on the grains 40 of the filter substrate, the ceramic coating may further contain at least one catalytically active material. Particularly suitable catalytically active material are noble metals from the group of platinum metals, for example platinum, rhodium or palladium. The catalytically active material contained in the coating also stores noxious gases and soot particles and converts them thermally catalytically. The reaction of noxious gases is generally exothermic, releasing heat of reaction. This heat of reaction contributes to the achievement of the exhaust gas temperature necessary for the regeneration of the filter.
Die Theologischen Eigenschaften und gegebenenfalls die Korngrößen der in der Beschich- tungsmasse enthaltenen Partikel werden vorzugsweise so eingestellt, dass Anteile des Be- schichtungsmaterials auch in die Mikrorisse 44 eindringen können. Das Beschichtungsmaterial wird dabei vorzugsweise in einem Sol-Gel- Verfahren, als performiertes SoI oder Gel oder als Suspension von Feststoffpartikeln aufgebracht.The rheological properties and optionally the particle sizes of the particles contained in the coating composition are preferably adjusted so that portions of the coating material can also penetrate into the microcracks 44. The coating material is preferably applied in a sol-gel process, as a performed sol or gel or as a suspension of solid particles.
In Figur 4 ist ein Korn 40 des Filtersubstrats mit einer Beschichtung aus zwei Schichten dargestellt. Im Korn 40 ist ein Mikroriss 44 ausgebildet. Das hier dargestellte Korn 40 umfasst eine erste Schutzschicht 48, die aus einem Beschich- tungsmaterial, wie oben beschrieben, besteht. Mit dem Beschichtungsmaterial 48 wird auch der im Korn 40 enthaltene Mikroriss 44 teilweise gefüllt. Sowohl der Mikroriss 44 als auch ein Abzweig 50 des Mikrorisses 44 enthalten einen ungefüllten Bereich 52, der nicht durch das Beschichtungsmaterial befüllt wurde.FIG. 4 shows a grain 40 of the filter substrate with a coating of two layers. In the grain 40, a micro-crack 44 is formed. The grain 40 shown here comprises a first protective layer 48 consisting of a coating material as described above. The coating material 48 also partially contains the microcrack 44 contained in the grain 40. Both the microcrack 44 and a branch 50 of the microcrack 44 include an unfilled region 52 that was not filled by the coating material.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Korn 40 vollkommen von der ersten Schicht 48 bedeckt. Durch die erste Schicht 48, die auch den Mikroriss 44 teilweise befüllt hat, wird die thermische und hydrothermale Stabilität des Korns 40 erhöht. In der hier dar- gestellten Ausführungsform ist auf der ersten Schicht 48 eine zweite Schicht 54 aufgebracht. Die zweite Schicht 54 besteht ebenfalls im Wesentlichen aus einem keramischen oder mineralischen Oxid, wie oben beschrieben. Weiterhin ist es möglich, dass entweder die erste Schicht 48 oder die zweite Schicht 54 ein katalytisch aktives Material enthalten. Die erste Schicht 48 und die zweite Schicht 54 können auch beide das katalytisch aktive Materi- al enthalten. Weiterhin ist es möglich, dass die erste Schicht 48 und die zweite Schicht 54 aus dem gleichen Beschichtungsmaterial bestehen. Jedoch können auch die erste Schicht 48 und die zweite Schicht 54 aus unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien gefertigt sein.In the embodiment illustrated here, the grain 40 is completely covered by the first layer 48. The first layer 48, which has also partially filled the microcrack 44, increases the thermal and hydrothermal stability of the grain 40. In the embodiment shown here, a second layer 54 is applied to the first layer 48. The second layer 54 also consists essentially of a ceramic or mineral oxide, as described above. Furthermore, it is possible that either the first layer 48 or the second layer 54 contain a catalytically active material. The first layer 48 and the second layer 54 may also both contain the catalytically active material. Furthermore, it is possible for the first layer 48 and the second layer 54 to consist of the same coating material. However, also the first layer 48 and the second layer 54 may be made of different coating materials.
Neben der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist es weiterhin möglich, dass auf der zweiten Schicht 54 mindestens eine weitere poröse Schutzschicht aufgebracht ist. Dabei ist es möglich, dass Schutzschichten aus zwei unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien jeweils alternierend auf das Korn 40 aufgebracht werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass jede Schutzschicht eine andere Zusammensetzung aufweist oder aus einem anderen Beschichtungsmaterial besteht. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass die Schutzschichten alle aus dem selben Material bestehen oder die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Die Anzahl der auf das Korn 40 aufgebrachten Schichten ist frei wählbar und wird nur durch die nach dem Beschichten noch vorhandene gewünschte Porengröße begrenzt. In addition to the embodiment illustrated in FIG. 4, it is furthermore possible for at least one further porous protective layer to be applied to the second layer 54. It is possible that protective layers of two different coating materials are each applied alternately to the grain 40. Furthermore, it is also possible that each protective layer has a different composition or consists of a different coating material. Furthermore, it is also possible that the protective layers are all made of the same material or have the same composition. The number of layers applied to the grain 40 is arbitrary and is limited only by the desired pore size remaining after coating.

Claims

Patentansprüche claims
1. 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 porösen1. A filter for removing particles from a gas stream, in particular of soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine, with a filter body of a ceramic filter substrate, wherein the filter substrate with a porous
Schutzschicht (46, 48) aus einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial eine Beimischung von 1 bis 20 Gew.-% mindestens einer Verbindung eines Elementes der 2. Hauptgruppe, vorzugsweise eines Oxides eines Elementes der 2. Hauptgruppe, enthält und im keramischen Filtersubstrat enthaltene Risse (44) teilweise mit dem Beschichtungsmaterial gefüllt sind.Protective layer (46, 48) is coated from a coating material, characterized in that the coating material contains an admixture of 1 to 20 wt .-% of at least one compound of an element of the 2nd main group, preferably an oxide of an element of the 2nd main group, and in the ceramic filter substrate contained cracks (44) are partially filled with the coating material.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht (46, 48) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alumi- numoxide, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium- Aluminium-Silikate, Cordierit, Mullite, Siliciumcarbid,2. Filter according to claim 1, characterized in that the coating material for the porous protective layer (46, 48) is selected from the group consisting of aluminum numumina, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium dioxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates , Cordierite, mullite, silicon carbide,
Aluminiumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser, Mischungen und Mischoxiden daraus.Aluminum titanate, zeolites, quartz, glasses, mixtures and mixed oxides thereof.
3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht (46, 48) weiterhin mindestens eine Alkalimetallverbindung, vorzugsweise ein Alkalimetalloxid, enthält.3. Filter according to claim 2, characterized in that the coating material for the porous protective layer (46, 48) further contains at least one alkali metal compound, preferably an alkali metal oxide.
4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial für die poröse Schutzschicht (46, 48) weiterhin mindestens eine Verbindung eines Elementes der 3. bis 5. Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan, vorzugsweise ein Oxid eines Elementes der 3. bis 5. Nebengruppe oder der Lanthanoiden einschließlich des Lanthan, enthält.4. Filter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coating material for the porous protective layer (46, 48) further comprises at least one compound of an element of the 3rd to 5th subgroup or the lanthanides including the lanthanum, preferably an oxide of a Element of the 3rd to 5th subgroup or the lanthanides including the lanthanum contains.
5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der porösen Schutzschicht (48) mindestens eine weitere poröse Schutzschicht (54) aufgetragen ist.5. Filter according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the porous protective layer (48) at least one further porous protective layer (54) is applied.
6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander aufgetragenen porösen Schutzschichten (48, 54) unterschiedliche Funktionen erfüllen.6. Filter according to claim 5, characterized in that the superimposed porous protective layers (48, 54) perform different functions.
7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das mindestens eine der porösen Schutzschichten (46; 48, 54) eine katalytisch aktive Komponente enthält, vorzugsweise ein Metall oder mehrere Metalle aus der Gruppe der Platinmetalle, vorzugsweise Platin und/oder Palladium. 7. Filter according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the porous protective layers (46; 48, 54) contains a catalytically active component, preferably one or more metals from the group of platinum metals, preferably platinum and / or Palladium.
8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine poröse Schutzschicht (46; 48, 54) im abstömseitigen und/oder zentrischen Bereich des Filters aufgebracht ist.8. Filter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one porous protective layer (46; 48, 54) is applied in the outflow-side and / or central region of the filter.
9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine poröse Schutzschicht (46; 48, 54) im anströmseitigen und/oder radial äußeren Bereich des Filters aufgebracht ist.9. Filter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one porous protective layer (46; 48, 54) is applied in the upstream and / or radially outer region of the filter.
10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Berei- che des Filtersubstates mit unterschiedlichen Schichten (46; 48, 54), Mengen oder10. Filter according to one of claims 1 to 9, characterized in that individual areas of the filter substrate with different layers (46; 48, 54), quantities or
Schichtfolgen beschichtet sind.Layer sequences are coated.
11. Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, folgende Schritte umfassend:11. A process for producing a filter for removing particles from a gas stream according to one of claims 1 to 9, comprising the following steps:
(a) Zugabe der mindestens einen Verbindung eines Elementes der 2. Hauptgruppe in Form eines Feststoffes und/oder als Gel, als Salzlösung oder als Hydrosol,(a) addition of the at least one compound of a second main group element in the form of a solid and / or as a gel, as a salt solution or as a hydrosol,
(b) Aufbringen des Beschichtungsmaterials für die poröse Schutzschicht (46, 48) auf das gesinterte, keramische Filtersubstrat,(b) applying the coating material for the porous protective layer (46, 48) to the sintered ceramic filter substrate,
(c) gegebenenfalls Zugabe weiterer in der Schutzschicht (46, 48) enthaltener Substanzen,(c) optionally adding further substances contained in the protective layer (46, 48),
(d) Fixieren der porösen Schutzschicht (46, 48).(d) fixing the porous protective layer (46, 48).
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial in Pulverform eine BET-Oberfiäche von mehr als 10 m2/g und ein Porenvolumen im Bereich von 0,1 bis 1,5 ml/g aufweist.12. The method according to claim 10, characterized in that the coating material in powder form has a BET surface of more than 10 m 2 / g and a pore volume in the range of 0.1 to 1.5 ml / g.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, das Beschichtungsmaterial eine Partikelgröße im Bereich von 2 nm bis 20 μm, vorzugsweise größer als 1 μm aufweist.13. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the coating material has a particle size in the range of 2 nm to 20 microns, preferably greater than 1 micron.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schutzschicht (46, 48) in einem Sol-Gel Verfahren, als präformiertes SoI oder Gel oder als Suspension von Feststoffpartikeln aufgebracht wird. 14. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the porous protective layer (46, 48) is applied in a sol-gel process, as preformed sol or gel or as a suspension of solid particles.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindung eines Elementes der 2. Hauptgruppe sowie die gegebenenfalls weiteren in der Beschichtung enthaltenen Substanzen dem Rohstoff des Beschich- tungsmaterials, der Beschichtungsmasse oder der fertigen Beschichtung zugegeben werden.15. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the at least one compound of an element of the 2nd main group and the optionally further substances contained in the coating are added to the raw material of the coating material, the coating composition or the finished coating.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste poröse Schutzschicht (48) mindestens eine weitere poröse Schutzschicht (54) aufgetragen wird, wobei entweder jede poröse Schutzschicht (48, 54) zunächst fixiert wird, bevor das Beschichtungsmaterial der nachfolgenden Schicht (54) aufgetragen wird oder es wird erst das Beschichtungsmaterial für mindestens zwei Schichten (48, 54) aufgetragen und anschließend gemeinsam fixiert. 16. The method according to any one of claims 10 to 14, characterized in that on the first porous protective layer (48) at least one further porous protective layer (54) is applied, wherein either each porous protective layer (48, 54) is first fixed before the Coating material of the subsequent layer (54) is applied or it is first applied the coating material for at least two layers (48, 54) and then fixed together.
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