Beschreibung
Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft allgemein eine Filtereinrichtung zur Entfernung von
Partikeln aus einem Gasstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
solche Filtereinrichtung zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Ab¬
gasstrom einer Brennkraftmaschine. Ganz speziell betrifft die Erfindung
eine solche Filtereinrichtung auf der Basis von Aluminiumtitanat.
[0002] Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung
selbstentzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in die¬
selbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise sind solche Fil¬
ter aus einem keramischen Material, zum Beispiel Cordierit oder Silizium-
carbid gefertigt. Keramische Körper aus Cordierit finden Verwendung in
einer Vielzahl von Hochtemperatur-Anwendungen, wie zum Beispiel kata-
lytischen Konvertern, NOx-Adsorbern, elektrisch geheizten Katalysatoren,
chemischen Prozesssubstraten und eben auch Dieselpartikelfilter.
[0003] Bei der Filtration von Dieselabgasen war Cordierit als kostengünstiges
Material, das einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf¬
weist, lange das Material der Wahl. Poröse Cordierit-Keramikfilter wurden
in Form von Wandflussfiltern seit den frühen 80er Jahren zur Entfernung
von Partikeln im Abgasstrom von Dieselmotoren verwendet.
[0004] Wandflussfilter besitzen in der Regel eine zylindrische Form mit zwei Stirnflächen und einer Mantelfläche und werden von der ersten Stirnfläche zur zweiten Stirnfläche von einer Vielzahl von im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse liegenden Strömungskanälen für die Abgase von Dieselmotoren durchzogen. Die Querschnittsform der Wandflussfilter hängt von den Einbauerfordernissen am Kraftfahrzeug ab. Weit verbreitet sind Filterkörper mit rundem, elliptischem oder dreiecksförmigem Querschnitt. Die Strömungskanäle weisen meist einen quadratischen oder hexagonalen Querschnitt auf und sind in einem engen Raster über den gesamten Querschnitt der Filterkörper angeordnet.
[0005] Ein Dieselpartikelfilter (DPF) vereint idealerweise einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen geringen Druckabfall, hohe Festigkeit und geringe Kosten. Probleme, die bei der Verwendung von Cordie- rit auftauchen können, umfassen sowohl eine niedrige volumetrische Wärmekapazität und niedrige thermische Leitfähigkeit, was zu nicht akzeptablen hohen Temperaturen oder Temperaturspitzen während des Betriebs führen kann, als auch eine geringe thermische Beständigkeit. Des weiteren können im Dieselabgas vorhandene anorganische Partikel mit dem Cordierit reagieren und Filterausfälle hervorrufen.
[0006] Ein alternatives Material zu Cordierit bei der Herstellung von Diesel- Partikelfiltern ist Siliciumcarbid (SiC). Obwohl dieses Material sowohl eine hohe volumetrische Wärmekapazität als auch eine hohe thermische Leit-
fähigkeit aufweist, besitzt es, als Ergebnis einer relativ hohen Wärmeaus¬
dehnung und eines hohen Elastizitätsmoduls auch eine schlechte Tempe¬
raturwechselbeständigkeit. Dies macht es notwendig, SiC-Filter zu seg¬
mentieren, um bei der Verwendung Ausfälle zu verhindern. Auch resultie¬
ren die Verarbeitungserfordernisse (d.h., hohe Temperaturen, Inertat¬
mosphäre und Segmentation) in hohen Herstellungskosten.
[0007] In neuerer Zeit sind keramische Filterelemente auf der Basis von Alumini-
umtitanat bekannt geworden, die geeignete Eigenschaften zur Anwendung
bei hohen Temperaturen, wie z.B. Fahrzeug-Abgaskontrolle und Diesel¬
abgas-Nachbehandlungssysteme wie DPFs, aufweisen. Aluminiumtitanat
ist die stöchiometrische Mischphase von Aluminiumoxid und Titandioxid.
Es zeichnet sich aus durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, einen sehr
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine damit verbundene
sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit.
Stand der Technik
[0008] Aus DE 602 17 084 T2 ist eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Wa¬
bensegmenten bekannt, die zu einem Einheitskörper verbunden sind. Die
Hauptkomponente jedes der Wabensegmente umfasst zumindest eine aus
Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Cordierit, Aluminiumoxid, MuIMt, Zirkoniumdi¬
oxid, Zirkoniumphosphat, Aluminiumtitanat, Titandioxid und Kombinatio¬
nen davon.
[0009] Die DE 10 2006 040 739 A1 offenbart einen 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 porösen Schutzschicht aus einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist. Das Beschichtungsmaterial ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus A- luminiumoxide, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondi- oxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium-Aluminiumsilikate, Cordierit, Mullite, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser, Mischungen und Mischoxide daraus.
[0010] Schließlich offenbart die WO 2005/046840 einen keramischen Körper zur Verwendung als DPF mit einer Zusammensetzung, die umfasst: 8(AI2O3TiO2) + b(CaO AI2O3-2SiO2) + c(SrO AI2O3-2SiO2) + d(BaO AI2O3-2SiO2) + e(3AI2O3-2SiO2) + f(AI2O3) + g(SiO2) + In(Fe2O3TiO2) + i(MgO-2TiO2), worin a, b, c, d, e, f, g, h, und i Gewichtsfraktionen jeder Komponente darstellen, so dass (a+b+c+d+e+f+g+h+i)=1 , und die folgenden Bedingungen erfüllt sind 0.5 < a < 0.95; 0 ≤ b ≤ 0,5; 0 < c < 0.5; 0 < d < 0.5; 0 < e < 0.5; 0 < f < 0.5; 0 < g < 0.1 ; 0 < h < 0.3; 0 < i < 0.3; b+d > 0,01. Es handelt sich hierbei um eine Mischung aus A- luminiumtitanat und einer Glasphase in einer Menge von > 5 Gew.-%, wobei es sich bei den Gläsern um solche aus Erdalkalien, Alkalien, Siliziumdioxid, Aluminiumdioxid, Alkali- und Erdalkaligläsern handelt. Des weiteren
enthält die Mischung eine Mineralphase, wie bspw. Barium-, Calcium- und
Strontium-Feldspäte sowie optional Mullit. Nachteile der Barium-, Calcium-
und Strontiumfeldspäte liegen in der hohen Sintertemperatur und der
schwierigen Verarbeitbarkeit. Calcium- und insbesondere Bariumverbin¬
dungen sind sehr reizend, Strontiumverbindungen sind schwach radioak¬
tiv.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter zur Entfernung von
Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere ein Dieselpartikelfilter auf
der Basis von Aluminiumtitanat bereit zu stellen, das bei höheren Tempe¬
raturen einsetzbar ist, und bei dem eine bessere Beeinflussung der Mate¬
rialeigenschaften möglich ist und die Gefügeeigenschaften gut einstellbar
sind. Weitere Aufgaben liegen in der Bereitstellung einer höheren mecha¬
nischen Festigkeit und einer niedrigeren Wärmedehnung.
Offenbarung der Erfindung
[0012] Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen eines
Filters zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere
von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei der Filter aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Mineralphase zu¬
gegeben ist, und die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und Mullit
und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat besteht. Optional kann das Fil¬
terelement zusätzlich eine Glasphase von
< 5 Gew.-% enthalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbren¬
nungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
[0014] Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraft¬
maschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung. Die Verbren¬
nungskraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden, in dem die
erfindungsgemäße Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der Filterein¬
richtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden
Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen er¬
forderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten. Es ist darauf hin¬
zuweisen, dass die erfindungsgemäße Filtereinrichtung nicht auf die Ver¬
wendung als DPF beschränkt ist, sondern ganz allgemein als Heißgasfil¬
ter, bspw. in Industrieanlagen, eingesetzt werden kann.
[0015] Die Filtereinrichtung 14 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ein zy¬
lindrisches Gehäuse 16, in dem bspw. ein rotationssymmetrisches, insge¬
samt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Andere Ge¬
häuseformen sind ebenfalls möglich. Das Filterelement 18 besteht aus A-
luminiumtitanat, dem eine Mineralphase zugesetzt ist, die aus Alkalifeld-
späten und/oder Spinellen besteht.
[0016] Bisher wurden bei Dieselpartikelfiltern auf Aluminiumtitanatbasis aus¬
schließlich Calcium-, Barium- und Strontium-Feldspäte als zusätzliche
Phasen und eine Glasphase in einer Menge von > 5 Gew.-% verwendet.
Die erfindungsgemäß verwendeten Feldspäte bieten geeignetere Werkstoffeigenschaften im Hinblick auf das Wärmeausdehnungsverhalten und die Lebensdauer des Filters. Gleichzeitig sind nur sehr geringe Mengen an Glasphase im Gefüge vorhanden (< 5 Gew.-%), was zu einem wesentlich verbesserten Wärmedehnungsverhalten führt. Die Wärmekapazität ist durch diese Kombination der Rohstoffe beeinflussbar. Aus den verwendeten Feldspäten lassen sich gezielt verschiedene Mineralphasen erzeugen, was mit den herkömmlichen Barium-, Calcium- und Strontiumfeldspäten nicht gelingt. Diese werden als Einzelkomponenten (Barium-, Calcium-, Strontiumverbindungen, AI2O3 und SiO2 oder andere AI2O3- bzw. Siθ2-haltige Verbindungen), meist als Oxide oder Carbonate, zugeführt und reagieren dann während des Sinterns zu den Feldspäten. Bei den erfindungsgemäßen Lithium-, Natrium- und Kaliumfeldspäten findet diese Reaktion aus den Einzelkomponenten nicht statt. Es besteht die Möglichkeit, direkt Feldspäte einzusetzen oder Einzelkomponenten zu verwenden, welche über den Zwischenschritt einer Glasphase zu den geforderten Mineralphasen gesintert werden. Diese Variante bietet die Möglichkeit, Gefüge und Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen, da das Verhältnis Glasphase ; entstehende Mineralphase, sowie Mineralart, Mineralzusammensetzung und damit Eigenschaften wie Wärmedehnung in einem bereich von 0-2 x 10"6 Km"1 oder die Wärmekapazität verändert werden können.
[0018] Spinelle verbessern die mechanischen Eigenschaften speziell der Festigkeit. Aluminiumtitanat-Spinell-Werkstoffe eignen sich für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen. Außerdem lassen sich gezielt Gefügeeigenschaften beeinflussen. Spinelle besitzen als Werkstoffe eine hohe mechanische Festigkeit. Durch geeignete Sinterbedingungen kann der Spinell als Zusatz die Festigkeit in anderen Werkstoffen erhöhen. Dies geschieht durch Einstellung der Sinterbedingungen, die das Wachstum von Kristallnadeln erzeugt. Dies wiederum führt zu einer Verfilzung des Gefüges, was die Festigkeit erhöhen kann.
[0019] In einer ersten Ausführungsform weist das Filterelement die folgende Zusammensetzung auf: 35-90 Gew.-% Aluminiumtitanat; 1-60 Gew.-% Mineralphase Die Mineralphase besteht dabei aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe in den angegebenen Mengenverhältnissen: 10-80 Gew.- % MuIMt; 0-80 Gew.-% Zirkontitanat; 0-50 Gew.-% Alkalifeldspäte und 0-80 Gew.-% Spinelle.
[0020] In einer zweiten Ausführungsform kann das Filterelement zusätzlich eine Glasphase in einer Menge von < 5 Gew.-% aufweisen
[0021] Die erfindungsgemäß vorhandenen Feldspäte sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithium-, Natrium-, Kaliumfeldspat. Außerdem kann das Filterelement Zirkontitanat enthalten.
[0022] Das Gefüge kann auch zwei oder mehr Mineralphasen enthalten. In diesem Fall kann auf die Glasphase verzichtet werden. Werden Mineralpha-
sen eingesetzt, die das gesamte ATi-Gefüge stabilisieren und gleichzeitig niedrige Wärmedehnung haben, so kann auf die Glasphase vollständig verzichtet werden, da diese aufgrund höherer Wärmedehnung von Nachteil für das Gefüge wäre. Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung besteht aus einem temperaturbeständigen Material und ist daher für den Einsatz als Dieselpartikelfilter geeignet. Durch die Auswahl der erfindungsgemäßen Mineralphase lassen sich die Materialeigenschaften besser beeinflussen und die Gefügeeigenschaften besser einstellen. Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung zeigt eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Wärmeausdehnung.