EP2118457A1 - Vorrichtung zur abgasnachbehandlung - Google Patents

Vorrichtung zur abgasnachbehandlung

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EP2118457A1
EP2118457A1 EP08717536A EP08717536A EP2118457A1 EP 2118457 A1 EP2118457 A1 EP 2118457A1 EP 08717536 A EP08717536 A EP 08717536A EP 08717536 A EP08717536 A EP 08717536A EP 2118457 A1 EP2118457 A1 EP 2118457A1
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EP
European Patent Office
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filter body
filter
gas channels
ceramic
ceramic material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08717536A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Micke
Karin Gerlach
Jochen Linhart
Kathrin Lichtenwalter
Sabine Otterbach
Holger Findeisen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mann and Hummel GmbH
Original Assignee
Mann and Hummel GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for the aftertreatment of a hot
  • the ceramic filter bodies disclosed there have layered, flat surfaces
  • the gas channels are mutually closed.
  • One on one side is
  • Extruded filter body known, in each of which a number of gas 2/19 VSS 2671 channels is grouped in one segment. Several such segments adjoin one another with thickened segment walls of increased thickness. The greater thickness of the segment walls and intermediate gaps compared to the channel walls should provide adequate thermal stability.
  • WO 2006/005668 A1 shows a ceramic exhaust filter for internal combustion engines, the filter body is formed of ceramic impregnated paper. Depending on a smooth and a wavy impregnated paper web are layered into a semi-finished product to form gas channels and rolled up into a winding body.
  • the waves of the corrugated paper web have a constant shape over their entire length, so that the gas channels have a constant cross section along their length.
  • the flow channels are mutually closed by means of plugs. This arrangement allows more freedom in shaping compared to extruded filter bodies. However, a segmentation to avoid thermal cracking is hardly possible in the winding technique shown.
  • the invention has the object of developing a generic device such that a higher thermal capacity is achieved.
  • paper is formed to form gas channels and
  • Each filter body is in
  • the device accordingly comprises
  • the term chosen here of the filter body comprises in addition to a mechani ⁇
  • individual filter body can therefore as a filter, catalyst or combination
  • gas channels are provided.
  • porous filter walls the filter walls being used for 4/19 VSS 2671
  • Flow with the exhaust gas flow are provided transversely to its surface, wherein adjacent gas channels are mutually closed on an inflow side of the filter section and on an outflow side of the filter section by sealing plugs, in particular of ceramic material, and wherein the filter section is located with respect to a longitudinal direction of the gas passages between the sealing plug.
  • the plugs create a stowage effect that forces the hot exhaust flow to pass through the porous filter walls. In this case, a mechanical filtration is performed. The thermal and mechanical loads are pronounced, the division into several individual filter body to avoid voltage spikes is particularly effective.
  • the cross sections of the inlet-side gas channels narrow from the inflow side to the outflow side, with the cross-sections of the output-side gas channels expanding from the inflow side to the outflow side, the channel height being constant, in particular for all gas channels.
  • This cross-sectional profile of the gas channels means that the flow velocity within the gas channels and the pressure difference between the gas channels measured over the filter sections are at least approximately constant along their run length.
  • the thereby constant height of the channels allows the formation of wound bodies with a total of constant, approximately cylindrical overall cross-section.
  • the filtration load of the filter sections 5/19 VSS 2671 is at least approximately constant along the run length of the gas channels.
  • the filter body are held in a common housing, wherein the housing fluidly separated from each other, each provided for a single filter body housing sections.
  • the separate housing sections ensure defined flow conditions on the individual filter bodies.
  • the common housing for multiple filter body allows a space-saving and precise mutual positioning of the individual filter body with little effort. The heat dissipation is improved while the mutual fixation of the individual filter bodies in the common housing reduces vibrations and other mechanical loads.
  • the housing is advantageously formed in the region of the housing sections by interconnected half shells.
  • the half shell construction allows simple means the enclosure of several filter body and their positional positioning against each other.
  • the ceramic filter body are suitably enclosed in each case by a sealing mat.
  • the sealing mat avoids a gas exchange between the individual filter bodies.
  • On additional sealing measures on the part of the housing can be omitted.
  • the embodiment of the invention is advantageous in a Keramik ⁇
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an extruded
  • Figure 2 shows a schematic perspective view of a filter section
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a erfindungs ⁇
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an extruded, segmented ceramic catalyst body according to the prior art.
  • a number of continuous, on the inside catalytically coated gas channels 18 is combined into segments 67.
  • the gas channels 18 are separated from one another by channel walls 68.
  • each segment 67 is surrounded by a segment wall 69 with increased thickness.
  • the individual segments 67 are individually extruded, sintered and joined together only in sections by means of a connecting compound, not shown. Away from the bonding compound remains an air gap, also not shown.
  • the greater thickness of the segment walls 69, the air gaps and the compound mass applied only in partial areas serve to avoid stress cracks.
  • Fig. 2 shows a schematic, partially sectioned perspective view of a ceramic filter body 1 with a filter section 54.
  • the selected here term of the filter body 1 comprises in addition to a mechanical filtration effect and other forms of cleaning exhaust aftertreatment, in particular a catalytic exhaust aftertreatment.
  • the filter section 54 may also be provided a catalytic section or a particular one-piece combination of both.
  • the filter body 1 is part of a device described in more detail in connection with FIG. 3 for the cleaning aftertreatment of an exhaust gas flow 2 of a motor vehicle diesel engine. 8/19 VSS 2671
  • the filter body 1 is formed by impregnated with a ceramic material 6 and sintered fiber webs 4, 4 'in particular from filter paper.
  • the ceramic material 6 is preferably alumina, cordierite, MuIMt, slicium carbide and / or aluminum titanate each alone or in various combinations with each other into consideration.
  • a laminating direction is created, which is identical to a radial direction 37 of the cylindrical filter body 1.
  • the filter body 1 There is a flow through the filter body 1 from the exhaust stream 2 in an axial direction 38 of the filter body 1 from an inflow side 33 to an outflow side 34 is provided.
  • the first fiber web 4 is made wavy, while a second fiber web 4 'is substantially smooth.
  • the selected term of the waveform includes waves with rounded, for example, sinusoidal cross-section, but also those with angular, for example, triangular, rectangular or trapezoidal cross-section.
  • a corrugated filament 9/19 VSS 2671 serbahn 4 and a smooth fiber web 4 'one above the other.
  • the corrugated fibrous web 4 is connected to the second, smooth fibrous web 4 'along a multiplicity of contact lines 19, 19', 19 "extending at least approximately parallel to each other, resulting in the wavy shape of the fibrous web 4, the smooth shape of the further fibrous web 4 'and the winding structure a plurality of at least approximately axially parallel gas ducts 18, 18 'with a height measured in the radial direction 37 along the axial direction 38.
  • a gas duct 18 and a gas duct 18' are alternately provided in a circumferential direction 55 of the filter body 1.
  • the gas ducts 18 are towards the inflow side 33 open and closed in the opposite direction to the outflow side 34 by means of sealing plug 22.
  • Relative to the circumferential direction 55 is located between two gas ducts 18 each a gas duct 18 'to the inflow side 33 by means of a sealing plug 22' closed and the outflow side 34 back During operation, the exhaust gas stream 2 flows accordingly in the direction of an arrow 23, parallel to the axis, into the gas channels 18 which are open towards the inflow side 33.
  • Side walls of the ceramic structure produced by the corrugated fibrous web 4 in the circumferential direction 55 form planar and porous filter walls 3.
  • the exhaust gas stream 2 accumulated on the sealing plug 22 is deflected in the circumferential direction 55 according to arrows 24 and flows through the porous ceramic filter sections 3 transversely to its surface , According to the arrows 24, the exhaust gas stream 2 passes through the 10/19 VSS 2671
  • the width of the wave crests decreases linearly from the inflow side 33 to the outflow side 34.
  • the cross-sectional profile is also approximately linear. But it can also be a different, non-linear course in particular by multi-dimensional spatial curvature of the fiber web 4 may be appropriate.
  • an embodiment of the shafts may be advantageous in which the gas channels 18, 18 'have a constant cross section from the inflow side 33 to the outflow side 34. 11/19 VSS 2671
  • the input-side volume flow 23 in the gas channel 18 along the length of its run decreases, while the output-side volume flow 25 in the gas channel 18 'increases along the length of its run.
  • the cross-sectional profile of the gas passages 18, 18 'described above causes the flow velocity within the gas passages 18, 18' and the pressure difference between the gas passages 18, 18 'measured over the filter passages 3 to be at least approximately constant along their run length.
  • the Filtrierbelastung the filter sections 3 is characterized along the run length of the gas channels 18, 18 'at least approximately constant.
  • the fiber webs 4, 4 ' are then joined to the aforementioned semifinished product.
  • at least one bead of ceramic mass is placed between the fiber webs 4, 4 ', which forms the later closure plug 22'.
  • the corrugated fiber web 4 rests against its wave crests along contact lines 19, 19 'at the smooth fiber web 4' indicated by dashed lines and is connected to it along the contact lines 19, 19 '.
  • the compound can by a suitable glue 12/19 VSS 2671. In the embodiment shown, the connection is made by the ceramic material 6.
  • the later gas channels 18, 18 ' are preformed by the corrugated structure of the fibrous web 4 and the smooth shape of the fibrous web 4', wherein side walls of the corrugated fibrous web 4 are provided in the filter section 54 for the formation of the later filter walls 3.
  • the semifinished product impregnated or impregnated with the ceramic emulsion having the ceramic material 6 is wound or stacked in the moist state, that is to say when the ceramic emulsion has not yet dried, in the form of the later filter body 1 according to FIG.
  • at least one bead of ceramic material is placed between the fiber webs 4 ', 4, which forms the later sealing plug 22.
  • the filter blank formed in this way is first dried and then sintered in a sintering furnace under the action of temperature, wherein the ceramic material 6 including the sealing plug 22, 22 'is sintered together to form a monolithic ceramic body.
  • the material burns the fiber webs 4, 4 ', whereby a certain porosity of the ceramic material 6 is achieved.
  • the porosity is formed such that the exhaust gas stream 2 can flow through the surface of the ceramic filter walls 3 through the latter.
  • the ceramic material 6 forming the filter body 1 has in the sintered state to a thermal expansion of greater than about 2x10 -6 / ° C, in the illustrated embodiment greater than about 3x10 "6 / ° C.
  • Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of an inventive device for the aftertreatment of the hot exhaust gas stream 2 shown in Fig. 2, which is provided for an exhaust system of a motor vehicle diesel engine.
  • the apparatus shown comprises by way of example two ceramic filter bodies 1 according to FIG. 2, which are formed separately from one another and are connected in parallel flow-conducting manner to one another. It may also be appropriate three or more individual ceramic filter body 1.
  • Each individual filter body 1 is limited in its size so that it withstands the thermal and mechanical loads of the hot exhaust gas stream 2 of FIG.
  • the maximum size of each individual filter body 1 results from the expected during operation 14/19 VSS 2671 the thermal and mechanical load in connection with the material thermal expansion mentioned above.
  • the size of the individual filter bodies 1 and the total volume flow of the hot exhaust gas stream 2 according to FIG. 2 determined by these provisos results in the required number of filter bodies 1, which are combined in the manner described below for the device according to the invention.
  • Each individual filter body 1 is flowed through in parallel according to the illustration of FIG. 2 by a partial flow of the hot exhaust gas stream 2.
  • the sum of all filter bodies 1 produce the intended cleansing aftertreatment of the hot exhaust gas stream 2 (FIG. 2).
  • the device according to the invention can also be provided for the catalytic aftertreatment of the exhaust gas flow of motor vehicle gasoline engines or the like. An application is also in stationary engines, heating systems or the like into consideration.
  • the filter body 1 are held in a common housing 61, wherein the housing 61 fluidly separated from each other, each provided for a single filter body 1 housing sections 62, 63 has.
  • the housing 61 is formed according to the embodiment shown in the region of the housing sections 62, 63 by two interconnected half-shells 64, 65.
  • half-shells 64, 65 For connecting the half-shells 64, 65 together, they point outside, but also between the 15/19 VSS 2671 individual housing sections 62, 63 flanges 71 on which they are screwed by way of example according to dashed lines 70 together. Welding, soldering, crimping or another form of connection may also be expedient.
  • inlet and outlet pipes are provided, which can be executed separately, but also in one piece from the half-shells 64, 65 may be formed.
  • the aforementioned fluidic separation of the individual housing sections 62, 63 and thus the individual filter body 1 is generated on the one hand by the intermediate flanges 70, which avoid a cross flow in the connected state.
  • each ceramic filter body 1 is surrounded by a sealing mat 66 all around, resulting in a fluidic sealing of the filter body 1 to the adjacent flanges 71.
  • the sealing mat 66 lies flat on the outside of the respective filter body 1 and also flat on the associated inner side of the housing 61.
  • housing 61 As a result, the filter body 1 in the housing 61 without play, but thermally and mechanically damped fixed.
  • housing 61 it may also be expedient to form housing 61 from tubes into which a respective filter body 1 is inserted and possibly shrunk.
  • a further advantageous embodiment may consist in that, to form the housing 61, a sheet metal is bent tubularly and then connected and 16/19 VSS 2671 in particular is welded. It may also be advantageous to wind or bend a sheet around the respective filter body 1 and then to weld or otherwise connect it.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung eines heißen Abgasstromes (2) insbesondere eines Dieselmotors, umfassend einen keramischen Filterkörper (1) aus einem Keramikmaterial (6) mit Gaskanälen (18, 18'). Der Filterkörper(1) ist einteilig aus mindestens einer mit dem Keramikmaterial (6) imprägnierten Faserbahn (4, 4'), insbesondere Papier unter Bildung der Gaskanäle (18, 18') geformt und derart unter Temperatur durch Sintern gebildet, dass Fasern der Faserbahn (4, 4') freigebrannt sind, und dass das Keramikmaterial (6) unter Bildung des Filterkörpers (1) einteilig monolithisch zusammengesintert ist. Es sind mindestens zwei keramische Filterkörper (1) vorgesehen, die getrennt voneinander ausgebildet und strömungsleitend parallel zueinander geschaltet sind. Jeder Filterkörper (1) ist in seiner Größe derart beschränkt, dass er den thermischen Belastungen des heißen Abgasstromes (2) standhält.

Description

1/19 VSS 2671
Beschreibung
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung eines heißen
Abgasstromes mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Aus der DE 35 01 182 A1 ist ein Abgasfilter für Dieselmotoren bekannt.
Die dort offenbarten keramischen Filterkörper weisen geschichtete, flächi¬
ge und poröse Filterabschnitte auf, zwischen denen Gaskanäle gebildet
sind. Die Gaskanäle sind wechselseitig verschlossen. Ein auf einer Seite
in die dorthin offenen Gaskanäle einströmender Abgasstrom wird durch
die Verschlussstopfen gezwungen, die porösen Filterabschnitte quer zu ih¬
rer Fläche zu durchströmen. Die auf der gegenüberliegenden Seite befind¬
lichen Abgaskanäle sind in Abströmrichtung offen und geben den filtrierten
Abgasstrom frei.
[0003] Zur Herstellung der dort gezeigten keramischen Filterkörper werden keine
Angaben gemacht. Geometrisch vergleichbare Körper, wie sie beispiels¬
weise von Abgaskatalysatoren bekannt sind, werden durch Extrudieren
hergestellt. Feine keramische Trennwände der einzelnen Gaskanäle un¬
terliegen erheblichen thermischen Belastungen, unter denen sie zu Riss¬
bildungen neigen. Zur Vermeidung von Rissbildungen sind segmentierte
extrudierte Filterkörper bekannt, bei denen jeweils eine Anzahl von Gas- 2/19 VSS 2671 kanälen in einem Segment zusammengefasst ist. Mehrere solcher Segmente grenzen mit aufgedickten Segmentwänden mit erhöhter Dicke aneinander an. Die im Vergleich zu den Kanalwänden größere Dicke der Segmentwände und zwischenliegende Spalte sollen für eine hinreichende thermische Stabilität sorgen.
[0004] Die WO 2006/005668 A1 zeigt einen keramischen Abgasfilter für Brennkraftmaschinen, dessen Filterkörper aus keramisch imprägniertem Papier gebildet ist. Je eine glatte und eine wellige imprägnierte Papierbahn werden zu einem Halbzeug unter Bildung von Gaskanälen geschichtet und zu einem Wickelkörper aufgerollt. Die Wellen der gewellten Papierbahn haben über ihre gesamte Länge eine konstante Form, so dass auch die Gaskanäle entlang ihrer Lauflänge einen konstanten Querschnitt aufweisen. Für eine Querdurchströmung der Kanalwände sind die Strömungskanäle mittels Stopfen wechselseitig verschlossen. Diese Anordnung erlaubt im Vergleich zu extrudierten Filterkörpern mehr Freiheiten bei der Formgebung. Eine Segmentierung zur Vermeidung von thermischen Rissbildungen ist bei der gezeigten Wickeltechnik jedoch kaum möglich.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass eine höhere thermische Belastbarkeit erzielt ist.
[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. 3/19 VSS 2671
Offenbarung der Erfindung
[0007] Es wird eine Vorrichtung zur Nachbehandlung eines heißen Angasstromes
mit einem keramischen Filterkörper vorgeschlagen, wobei der Filterkörper
einteilig aus mindestens einer mit dem Keramikmaterial imprägnierten Fa¬
serbahn insbesondere Papier unter Bildung von Gaskanälen geformt und
gesintert ist. Es sind mindestens zwei keramische Filterkörper in der Vor¬
richtung vorgesehen, die getrennt voneinander ausgebildet und strö¬
mungsleitend parallel zueinander geschaltet sind. Jeder Filterkörper ist in
seiner Größe derart beschränkt, dass er den thermischen Belastungen
des heißen Abgasstromes standhält. Die Vorrichtung umfasst demnach
mehrere einzelne, für sich genommene kleine Filterkörper, die aufgrund ih¬
rer strömungsleitenden Parallelschaltung in der Summe ein hinreichend
großes Filterelement bilden. Die im Vergleich zum gesamten Filterelement
kleine Ausbildung der einzelnen Filterkörper vermeidet thermische und
mechanische Spannungsspitzen. Rissbildungen sind vermieden.
[0008] Der hier gewählte Begriff des Filterkörpers umfasst neben einer mechani¬
schen Filtrierwirkung auch andere Formen der reinigenden Abgasnachbe¬
handlung, insbesondere eine katalytische Abgasnachbehandlung. Der
einzelne Filterkörper kann also als Filter, Katalysator oder als Kombination
von beiden ausgebildet sein. In vorteilhafter Weiterbildung sind Gaskanäle
des Filterkörpers in einem Filterabschnitt angeordnet und mit flächigen
und porösen Filterwänden versehen, wobei die Filterwände zur Durch- 4/19 VSS 2671
Strömung mit dem Abgasstrom quer zu ihrer Fläche vorgesehen sind, wobei benachbarte Gaskanäle wechselseitig auf einer Einströmseite des Filterabschnitts und auf einer Ausströmseite des Filterabschnittes durch Verschlussstopfen insbesondere aus Keramikmaterial verschlossen sind, und wobei der Filterabschnitt bezogen auf eine Längsrichtung der Gaskanäle zwischen den Verschlussstopfen liegt. Die Verschlussstopfen erzeugen eine Stauwirkung, die den heißen Abgasstrom zum Durchtritt durch die porösen Filterwände zwingt. Hierbei wird eine mechanische Filtrierung vorgenommen. Die thermischen und mechanischen Belastungen sind ausgeprägt, wobei die Aufteilung in mehrere einzelne Filterkörper zur Vermeidung von Spannungsspitzen besonderes wirkungsvoll ist. In einer vorteilhaften Ausführung verengen sich die Querschnitte der ein- gangsseitigen Gaskanäle von der Einströmseite zur Ausströmseite hin, wobei sich die Querschnitte der ausgangsseitigen Gaskanäle von der Einströmseite zur Ausströmseite hin erweitern, wobei insbesondere bei sämtlichen Gaskanälen die Kanalhöhe konstant ist. Dieser Querschnittsverlauf der Gaskanäle führt dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaskanäle sowie die über die Filterabschnitte gemessene Druckdifferenz zwischen den Gaskanälen entlang deren Lauflänge zumindest näherungsweise konstant sind. Die dabei gleichbleibende Höhe der Kanäle erlaubt die Bildung von Wickelkörpern mit insgesamt konstantem, etwa zylindrischem Gesamtquerschnitt. Die Filtrierbelastung der Filterabschnitte 5/19 VSS 2671 ist entlang der Lauflänge der Gaskanäle zumindest näherungsweise konstant.
[0010] In zweckmäßiger Weiterbildung sind die Filterkörper in einem gemeinsamen Gehäuse gehalten, wobei das Gehäuse strömungstechnisch voneinander getrennte, jeweils für einen einzelnen Filterkörper vorgesehene Gehäuseabschnitte aufweist. Die voneinander getrennten Gehäuseabschnitte stellen definierte Strömungsverhältnisse an den einzelnen Filterkörpern sicher. Das gemeinsame Gehäuse für mehrere Filterkörper erlaubt eine platzsparende und präzise gegenseitige Positionierung der einzelnen Filterkörper mit geringem Aufwand. Die Wärmeabfuhr ist verbessert, während die gegenseitige Fixierung der einzelnen Filterkörper im gemeinsamen Gehäuse Schwingungen und andere mechanische Belastungen vermindert.
[0011] Das Gehäuse ist vorteilhaft im Bereich der Gehäuseabschnitte durch miteinander verbundene Halbschalen gebildet. Die Halbschalenbauweise ermöglicht mit einfachen Mitteln die Einfassung mehrerer Filterkörper und deren Lagepositionierung gegeneinander.
[0012] Die keramischen Filterkörper sind zweckmäßig jeweils von einer Dichtungsmatte umschlossen. Die Dichtungsmatte vermeidet einen Gasaustausch zwischen den einzelnen Filterkörpern. Auf zusätzliche abdichtende Maßnahmen auf Seiten des Gehäuses kann verzichtet werden. Die Dich- 6/19 VSS 2671
tungsmatte kann auch mechanisch und thermisch dämpfend wirken, was
die Belastung der einzelnen Filterkörper verringert.
[0013] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteilhaft bei einem Keramik¬
material eingesetzt, welches im gesinterten Zustand eine thermische Aus¬
dehnung von größer als etwa 2 x 10"6/°C und insbesondere von größer als
etwa 3 x 10"6/°C aufweist. Bei einer derartigen thermischen Ausdehnung
ist die Aufteilung in mehrere einzelne, kleine Filterkörper besonders wir¬
kungsvoll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0014] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeich¬
nung näher beschrieben. Es zeigen:
[0015] Figur 1 in schematischer Querschnittsdarstellung einen extrudierten,
segmentierten keramischen Katalysatorkörper nach dem Stand der Tech¬
nik,
[0016] Figur 2 in schematischer Perspektivdarstellung einen Filterabschnitt
eines keramischen Filterkörpers aus keramisch imprägnierten, gewickelten
Faserbahnen,
[0017] Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungs¬
gemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit beispielhaft zwei ge¬
trennt voneinander und strömungsleitend parallel zueinander geschalteten
Filterkörpern nach Fig. 2.
Ausführungsform(en) der Erfindung 7/19 VSS 2671
[0018] Fig. 1 zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung einen extrudierten, segmentierten keramischen Katalysatorkörper nach dem Stand der Technik. Eine Anzahl von durchgehenden, innenseitig katalytisch beschichteten Gaskanälen 18 ist zu Segmenten 67 zusammengefasst. Innerhalb eines Segmentes 67 sind die Gaskanäle 18 durch Kanalwände 68 voneinander getrennt. Außenseitig ist jedes Segment 67 von einer Segmentwand 69 mit erhöhter Dicke umschlossen. Die einzelnen Segmente 67 sind einzeln extrudiert, gesintert und nur abschnittsweise mittels einer nicht dargestellten Verbindungsmasse aneinander gefügt. Abseits der Verbindungsmasse verbleibt ein ebenfalls nicht dargestellter Luftspalt. Die größere Dicke der Segmentwände 69, die Luftspalte und die nur in Teilbereichen aufgebrachte Verbindungsmasse dienen der Vermeidung von Spannungsrissen.
[0019] Fig. 2 zeigt in schematischer, teilweise geschnittener Perspektivdarstellung einen keramischen Filterkörper 1 mit einem Filterabschnitt 54. Der hier gewählte Begriff des Filterkörpers 1 umfasst neben einer mechanischen Filtrierwirkung auch andere Formen der reinigenden Abgasnachbehandlung, insbesondere eine katalytische Abgasnachbehandlung. Anstelle des Filterabschnittes 54 kann auch ein katalytischer Abschnitt oder eine insbesondere einteilige Kombination aus beidem vorgesehen sein. Der Filterkörper 1 ist Teil einer im Zusammenhang mit Fig. 3 näher beschriebenen Vorrichtung zur reinigenden Nachbehandlung eines Abgasstromes 2 eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors. 8/19 VSS 2671
[0020] Der Filterkörper 1 ist durch mit einem Keramikmaterial 6 imprägnierte und gesinterte Faserbahnen 4, 4' insbesondere aus Filterpapier gebildet. Als Keramikmaterial 6 kommt bevorzugt Aluminiumoxid, Cordierit, MuIMt, Slici- umcarbid und/oder Aluminiumtitanat jeweils für sich alleine oder auch in verschiedenen Kombinationen miteinander in Betracht. Zur Herstellung des Filterkörpers 1 sind zwei verschiedene Faserbahnen 4, 4' zu einem Halbzeug zusammengefügt, welches zu dem näherungsweise zylindrisch ausgeführten Filterkörper 1 aufgewickelt ist. Durch das Aufwickeln der keramisch imprägnierten Faserbahnen 4, 4' zu einem Wickelkörper entsteht eine Schichtungsrichtung, die zu einer Radialrichtung 37 des zylindrischen Filterkörpers 1 identisch ist. Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, mehrere gewellte Faserbahnen 4 bzw. Halbzeuge in einer Ebene anzuordnen und stapelartig übereinander zu schichten.
[0021] Es ist eine Durchströmung des Filterkörpers 1 vom Abgasstrom 2 in einer Axialrichtung 38 des Filterkörpers 1 von einer Einströmseite 33 zu einer Ausströmseite 34 vorgesehen. Dazu ist die erste Faserbahn 4 gewellt ausgeführt, während eine zweite Faserbahn 4' im Wesentlichen glatt ist. Der hier gewählte Begriff der Wellenform umfasst Wellen mit gerundetem, beispielsweise sinusförmigem Querschnitt, aber auch solche mit eckigem, beispielsweise dreieckigem, rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt. In Folge der Stapelung bzw. Wickelstruktur liegen bezogen auf eine radiale Richtung 37 des Filterkörpers 1 abwechselnd eine gewellte Fa- 9/19 VSS 2671 serbahn 4 und eine glatte Faserbahn 4' übereinander. Die gewellte Faserbahn 4 ist mit der zweiten, glatten Faserbahn 4' entlang von einer Vielzahl zumindest näherungsweise parallel verlaufender Kontaktlinien 19, 19', 19" verbunden. Durch die Wellenform der Faserbahn 4, die glatte Form der weiteren Faserbahn 4' und die Wickelstruktur entsteht eine Vielzahl von zumindest näherungsweise achsparallel verlaufenden Gaskanälen 18, 18' mit entlang der Axialrichtung 38 konstanter, in der Radialrichtung 37 gemessener Höhe. In einer Umfangsrichtung 55 des Filterkörpers 1 ist abwechselnd je ein Gaskanal 18 und ein Gaskanal 18' vorgesehen. Die Gaskanäle 18 sind zur Einströmseite 33 hin offen und in gegenüberliegender Richtung zur Ausströmseite 34 hin mittels Verschlussstopfen 22 verschlossen. Bezogen auf die Umfangsrichtung 55 liegt zwischen zwei Gaskanälen 18 je ein Gaskanal 18', der zur Einströmseite 33 hin mittels eines Verschlussstopfens 22' verschlossen und zur Ausströmseite 34 hin offen ist. Im Betrieb strömt der Abgasstrom 2 entsprechend einem Pfeil 23 achsparallel in die zur Einströmseite 33 hin offenen Gaskanäle 18 ein. In der Umfangsrichtung 55 angeordnete Seitenwände der durch die gewellte Faserbahn 4 hergestellten keramischen Struktur bilden flächige und poröse Filterwände 3. Der an den Verschlussstopfen 22 aufgestaute Abgasstrom 2 wird in der Umfangsrichtung 55 entsprechend Pfeilen 24 abgelenkt und durchströmt die porösen keramischen Filterabschnitte 3 quer zu ihrer Fläche. Entsprechend den Pfeilen 24 tritt der Abgasstrom 2 durch die 10/19 VSS 2671
Filterwände 3 hindurch in die zur Ausströmseite 34 hin offenen Kanäle 18 ein und strömt aus ihnen entsprechend Pfeilen 25 aus. Beim Durchtritt durch die porösen Filterwände 3 wird der Abgasstrom 2 von mitgeführten Rußpartikeln oder dergleichen gereinigt. Der Querschnitt der Gaskanäle 18, 18' verändert sich entlang der Axialrichtung 38, und zwar verengen sich die Querschnitte der eingangsseiti- gen Gaskanäle 18 von der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin. Umgekehrt erweitern sich die Querschnitte der ausgangsseitigen Gaskanäle 18' von der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin, wobei jedoch bei sämtlichen Gaskanälen 18, 18' die Kanalhöhe konstant bleibt. Dies wird erreicht durch eine Wellenform der Faserbahn 4 mit an der Einströmseite 33 breiten und an der Ausströmseite 34 schmalen Wellenbergen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nimmt die Breite der Wellenberge von der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin linear ab. Infolge der konstanten Kanalhöhe und einer eindimensionalen, etwa konischen Krümmung der Faserbahn 4 ist auch der Querschnittsverlauf etwa linear. Es kann aber auch ein abweichender, nichtlinearer Verlauf insbesondere durch mehrdimensionale räumliche Krümmung der Faserbahn 4 zweckmäßig sein. Alternativ kann auch eine Ausgestaltung der Wellen vorteilhaft sein, bei der die Gaskanäle 18, 18' von der Einströmseite 33 zur Ausströmseite 34 hin einen konstanten Querschnitt aufweisen. 11/19 VSS 2671
[0023] Der entlang von Pfeilen 23 in die Gaskanäle 18 eintretende Abgasstrom 2 dringt entlang der gesamten Lauflänge der Gaskanäle 18, 18' durch die Filterabschnitte 3 entsprechend Pfeilen 24 hindurch. Dadurch verringert sich der eingangsseitige Volumenstrom 23 im Gaskanal 18 entlang dessen Lauflänge, während sich der ausgangsseitige Volumenstrom 25 im Gaskanal 18' entlang dessen Lauflänge vergrößert. Der vorstehend beschriebene Querschnittsverlauf der Gaskanäle 18, 18' führt dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaskanäle 18, 18' sowie die über die Filterabschnitte 3 gemessene Druckdifferenz zwischen den Gaskanälen 18, 18' entlang deren Lauflänge zumindest näherungsweise konstant sind. Die Filtrierbelastung der Filterabschnitte 3 ist dadurch entlang der Lauflänge der Gaskanäle 18, 18' zumindest näherungsweise konstant.
[0024] Beispielhaft erfolgt zur Herstellung zunächst eine Formgebung der Faserbahnen 4, 4' und eine keramische Imprägnierung insbesondere mit einer keramischen Emulsion. Die Faserbahnen 4, 4' werden dann zu dem vorgenannten Halbzeug gefügt. Dabei wird mindestens eine Raupe aus keramischer Masse zwischen die Faserbahnen 4, 4' gelegt, die die späteren Verschlussstopfen 22' bildet. Es ist zu erkennen, dass die gewellte Faserbahn 4 an ihren Wellenbergen entlang von Kontaktlinien 19, 19' an der gestrichelt angedeuteten, darüber liegenden glatten Faserbahn 4' anliegt und entlang der Kontaktlinien 19, 19' mit ihr verbunden ist. Bei der Herstellung des Halbzeuges kann die Verbindung durch einen geeigneten Leim 12/19 VSS 2671 erfolgen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung durch das Keramikmaterial 6 hergestellt. Im verbundenen Zustand des Halbzeuges sind die späteren Gaskanäle 18, 18' durch die Wellstruktur der Faserbahn 4 und die glatte Form der Faserbahn 4' vorgeformt, wobei Seitenwände der gewellten Faserbahn 4 im Filterabschnitt 54 für die Bildung der späteren Filterwände 3 vorgesehen sind. Das mit der das Keramikmaterial 6 aufweisenden keramischen Emulsion imprägnierte bzw. getränkte Halbzeug wird im feuchtem Zustand, also bei noch nicht durchgetrockneter keramischer Emulsion, in die Form des späteren Filterkörpers 1 nach Figur 2 aufgewickelt oder gestapelt. Auch dabei wird mindestens eine Raupe aus keramischer Masse zwischen die Faserbahnen 4', 4 gelegt, die die späteren Verschlussstopfen 22 bildet. Beim Aufwickeln bzw. Stapeln werden Wellentäler der gewellten Faserbahn 4 entlang von Kontaktlinien 19" mit der darunter liegenden glatten Faserbahn 4' verbunden, wodurch neben den Gaskanälen 18 auch die weiteren Gaskanäle 18' in der radialen Richtung 37 und in der Umfangsrichtung 55 des etwa zylindrischen Filterkörpers 1 (Fig. 1) geschlossen sind. Die Verbindung an den Kontaktlinien 19" erfolgt in gleicher Weise wie an den Kontaktlinien 19, 19'. Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, den Rohling zunächst aus keramisch nicht imprägnierten Faserbahnen 4, 4' herzustellen und den Rohling anschließend beispielsweise in einem Tauchbad keramisch zu tränken bzw. zu imprägnieren. 13/19 VSS 2671
[0026] Der auf diese Weise gebildete Filterrohling wird zunächst getrocknet und anschließend in einem Sinterofen unter Einwirkung von Temperatur gesintert, wobei das Keramikmaterial 6 einschließlich der Verschlussstopfen 22, 22' zu einem monolithischen Keramikkörper zusammengesintert wird. Bei der hohen Sintertemperatur verbrennt das Material der Faserbahnen 4, 4', wodurch eine bestimmte Porosität des Keramikmaterials 6 erreicht wird. Die Porosität ist derart ausgebildet, dass der Abgasstrom 2 quer zur Fläche der keramischen Filterwände 3 durch diese hindurchströmen kann.
[0027] Das den Filterkörper 1 bildende Keramikmaterial 6 weist im gesinterten Zustand eine thermische Ausdehnung von größer als etwa 2x10-6/°C, im gezeigten Ausführungsbeispiel von größer als etwa 3x10"6/°C auf.
[0028] Fig. 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachbehandlung des in Fig. 2 dargestellten heißen Abgasstromes 2, die für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeug- Dieselmotors vorgesehen ist. Die gezeigte Vorrichtung umfasst beispielhaft zwei keramische Filterkörper 1 nach Fig. 2, die getrennt voneinander ausgebildet und strömungsleitend parallel zueinander geschaltet sind. Es können auch drei oder mehr einzelne keramische Filterkörper 1 zweckmäßig sein. Jeder einzelne Filterkörper 1 ist in seiner Größe derart beschränkt, dass er den thermischen und auch mechanischen Belastungen des heißen Abgasstromes 2 nach Fig. 2 standhält. Die maximale Größe jedes einzelnen Filterkörpers 1 ergibt sich aus der im Betrieb zu erwarten- 14/19 VSS 2671 den thermischen und mechanischen Belastung in Verbindung mit der o- ben genannten materialbedingten thermischen Materialausdehnung. Aus der nach diesen Maßgaben festgelegten Größe der einzelnen Filterkörper 1 und dem gesamten Volumenstrom des heißen Abgasstromes 2 nach Fig. 2 ergibt sich die erforderliche Anzahl der Filterkörper 1 , die in nachstehend beschriebener Weise zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zu- sammengefasst sind. Jeder einzelne Filterkörper 1 wird entsprechend der Darstellung nach Fig. 2 von einem Teilstrom des heißen Abgasstromes 2 parallel durchströmt. Die Summe aller Filterkörper 1 erzeug dabei die vorgesehene reinigende Nachbehandlung des heißen Abgasstromes 2 (Fig. 2). Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der einzelnen Filterkörper 1 kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur katalytischen Nachbehandlung des Abgasstromes von Kraftfahrzeug-Ottomotoren oder dergleichen vorgesehen sein. Ein Einsatz kommt auch bei stationären Motoren, bei Heizungsanlagen oder dergleichen in Betracht.
[0029] Die Filterkörper 1 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 61 gehalten, wobei das Gehäuse 61 strömungstechnisch voneinander getrennte, jeweils für einen einzelnen Filterkörper 1 vorgesehene Gehäuseabschnitte 62, 63 aufweist. Hierzu ist das Gehäuse 61 nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich der Gehäuseabschnitte 62, 63 durch zwei miteinander verbundene Halbschalen 64, 65 gebildet. Zur Verbindung der Halbschalen 64, 65 miteinander weisen diese außerhalb, aber auch zwischen den ein- 15/19 VSS 2671 zelnen Gehäuseabschnitten 62, 63 Flansche 71 auf, an denen sie beispielhaft entsprechend gestrichelter Linien 70 miteinander verschraubt sind. Es kann auch eine Verschweißung, Verlötung, Bördelung oder eine andere Form der Verbindung zweckmäßig sein. Zusätzlich zu den Halbschalen 64, 65 sind noch nicht dargestellte Ein- und Auslassrohre vorgesehen, die separat ausgeführt, aber auch einteilig aus den Halbschalen 64, 65 ausgeformt sein können. Die vorgenannte strömungstechnische Trennung der einzelnen Gehäuseabschnitte 62, 63 und damit der einzelnen Filterkörper 1 wird zum einen durch die zwischenliegenden Flansche 70 erzeugt, die im verbundenen Zustand eine Querströmung vermeiden. Zum anderen ist jeder keramische Filterkörper 1 von einer Dichtungsmatte 66 ringsum umschlossen, wodurch sich eine strömungstechnische Abdichtung des Filterkörpers 1 zu den benachbarten Flanschen 71 ergibt. Die Dichtungsmatte 66 liegt flächig auf der Außenseite des jeweiligen Filterkörpers 1 und ebenso flächig an der zugeordneten Innenseite des Gehäuses 61 an. Dadurch wird der Filterkörper 1 im Gehäuse 61 spielfrei, jedoch thermisch und mechanisch gedämpft fixiert. Alternativ zu der gezeigten Halbschalenbauweise des Gehäuses 61 kann es auch zweckmäßig sein, Gehäuse 61 aus Rohren zu bilden, in die je ein Filterkörper 1 eingeschoben und ggf. eingeschrumpft wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführung kann darin bestehen, dass zur Bildung der Gehäuse 61 ein Blech rohrförmig gebogen und anschließend verbunden und 16/19 VSS 2671 insbesondere verschweißt wird. Es kann auch vorteilhaft sein, ein Blech um den jeweiligen Filterkörper 1 herum zu wickeln oder zu biegen und anschließend zu verschweißen oder in anderer Weise zu verbinden.

Claims

17/19 VSS 2671Ansprüche
1. Vorrichtung zur Nachbehandlung eines heißen Abgasstromes (2) insbesonde¬
re eines Dieselmotors, umfassend einen keramischen Filterkörper (1) aus ei¬
nem Keramikmaterial (6) mit Gaskanälen (18, 18'), wobei der Filterkörper (1)
einteilig aus mindestens einer mit dem Keramikmaterial (6) imprägnierten Fa¬
serbahn (4, 4'), insbesondere Papier unter Bildung der Gaskanäle (18, 18')
geformt und derart unter Temperatur durch Sintern gebildet ist, dass Fasern
der Faserbahn (4, 4') freigebrannt sind, und dass das Keramikmaterial (6) un¬
ter Bildung des Filterkörpers (1) einteilig monolithisch zusammengesintert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei keramische Filterkörper (1)
vorgesehen, getrennt voneinander ausgebildet und strömungsleitend parallel
zueinander geschaltet sind, wobei jeder Filterkörper (1) in seiner Größe derart
beschränkt ist, dass er den thermischen Belastungen des heißen Abgasstro¬
mes (2) standhält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskanäle
(18, 18') in einem Filterabschnitt (54) des Filterkörpers (1) angeordnet und mit
flächigen und porösen Filterwänden (3) versehen sind, wobei die Filterwände
(3) zur Durchströmung mit dem Abgasstrom (2) quer zur ihrer Fläche vorgese¬
hen sind, wobei benachbarte Gaskanäle (18, 18') wechselseitig auf einer Ein¬
strömseite (33) des Filterabschnitts (54) und auf einer Ausströmseite (34) des
Filterabschnitts (54) durch Verschlussstopfen (22, 22') insbesondere aus Ke¬
ramikmaterial verschlossen sind, und wobei der Filterabschnitt (54) bezogen 18/19 VSS 2671 auf eine Längsrichtung (38) der Gaskanäle (18, 18') zwischen den Verschlussstopfen (22, 22') liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnitte der eingangsseitigen Gaskanäle (18) von der Einströmseite (33) zur Ausströmseite (34) hin verengen, und dass sich die Querschnitte der aus- gangsseitigen Gaskanäle (18') von der Einströmseite (33) zur Ausströmseite (34) hin erweitern, wobei insbesondere bei sämtlichen Gaskanälen (18, 18') die Kanalhöhe konstant ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkörper (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (61) gehalten sind, wobei das Gehäuse (61) strömungstechnisch voneinander getrennte, jeweils für einen einzelnen Filterkörper (1) vorgesehene Gehäuseabschnitte (62, 63) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (61) im Bereich der Gehäuseabschnitte (62, 63) durch miteinander verbundene Halbschalen (64, 65) gebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Filterkörper (1) von einer Dichtungsmatte (66) umschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial (6) im gesinterten Zustand eine thermische Ausdehnung 19/19 VSS 2671 von größer als etwa 2x10"6/°C und insbesondere von größer als etwa 3x10"6/°C aufweist.
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