WO2010092063A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen filterelements und filterelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines keramischen filterelements und filterelement Download PDF

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ceramic
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Jochen Linhardt
Kathrin Lichtenwalter
Sabine Otterbach
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Mann+Hummel Gmbh
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/52Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material
    • B01D46/521Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material using folded, pleated material
    • B01D46/525Particle separators, e.g. dust precipitators, using filters embodying folded corrugated or wound sheet material using folded, pleated material which comprises flutes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D46/00Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0001Making filtering elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2279/00Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses
    • B01D2279/30Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses for treatment of exhaust gases from IC Engines

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a ceramic filter element in an exhaust filter of an internal combustion engine.
  • the invention relates to a ceramic diesel particulate filter.
  • a ceramic filter element for an exhaust filter is described in an internal combustion engine, which is constructed of a corrugated, spirally wound filter web.
  • heat-resistant, inorganic fibers are mixed with ceramic powder in an aqueous suspension and processed to form a web.
  • Several superimposed webs are rolled up to the desired shape of the filter body, wherein honeycomb flow channels are formed between adjacent filter webs. The filter body is then fired at high temperature.
  • WO 2006/005668 discloses a method for producing a ceramic filter element in an exhaust filter for internal combustion engines.
  • a combustible, non-ceramic carrier web is first soaked with a ceramic slip and then burned out in the desired geometric shape until the carrier web is burned and a rigid filter body is formed.
  • the wall thickness of the finished ceramic corresponds largely to the thickness of the carrier web.
  • the porosity of the ceramic is influenced by the structure of the base paper.
  • a disadvantage of the described method is that no filter elements with variable wall thickness, porosity and cell density can be produced.
  • the invention relates in particular to the production of ceramic filter elements as diesel particulate filters and particulate filters for internal combustion engines and as ceramic supports for catalyst support.
  • a non-ceramic medium e.g. Paper, especially those comprising cellulose, first shaped, e.g. in the form of a bobbin.
  • the winding body may comprise a flat and a corrugated layer.
  • This shape e.g. the bobbin, is then coated with a ceramic mass, e.g. soaked in a ceramic slip.
  • the impregnated mold is then fired or sintered.
  • organic components e.g. paper, e.g. Cellulosic fibers include, removed or converted.
  • the ceramic filter element more flexible and better adaptable to applications and conditions of use.
  • the invention provides a method for producing a ceramic filter element for an exhaust filter for internal combustion engines, in particular for diesel particulate filter, and / or as a catalyst support available.
  • a base paper carrier web is impregnated with a ceramic slurry and then burned out.
  • the base paper carrier web used can have a thickness and / or structure that vary over its width and / or length.
  • the invention provides a ceramic filter element for exhaust filters in internal combustion engines, in particular diesel particulate filter, and / or as a catalyst support available, which has a different over its length and / or its diameter thickness and / or structure.
  • the winding direction and / or perpendicular to the winding direction for example, thickness, porosity, pore distribution, fiber diameter distribution, fiber diameter average, fiber mixing ratio, eg synthetic fiber with cellulose and / or basis weight of one or more layers of base paper carrier web, for example, from a flat layer and a Welllage which can be connected to a semi-finished product can be varied.
  • the winding direction corresponds to the finished filter element of the radial direction.
  • Perpendicular to the winding direction corresponds to the finished filter element of the longitudinal axis of input side to output side.
  • the paper thickness preferably varies between 0.2 and 0.5 mm, the porosity preferably between 50 and 100, the pore distribution may preferably be between 10 .mu.m and 100 .mu.m. Fiber diameter or their average are preferably above 500 microns.
  • the basis weight preferably varies in the range of 40g / m 2 to 150g / m 2.
  • the base paper carrier web wherein paper in this invention can stand for different paper-like media, in particular for non-ceramic, can e.g. in the winding direction in one or more base paper carrier web layers, e.g. a flat layer and / or a Welllage increase in thickness or decrease.
  • a filter element with varied thickness of the filtration layer could be created.
  • the thickness of the base paper carrier web is transferred to a corresponding thickness of the layer in the ceramic. If the thickness increases, the filter element would have thicker walls in the radially outer region than in the radially inner region.
  • the thickness of the paper can also increase or decrease perpendicular to the winding direction.
  • a filter element can be produced which, for example, has thicker walls on the input side than the output side.
  • the thickness of the base paper carrier web also transfers their structural properties in properties of the ceramic body.
  • a special base paper is now produced, which is already performed in the papermaking process with over the width or over the length of different thickness and / or structure or openness (open pores). After soaking with ceramic slurry, these different thicknesses and / or porosities are also imaged in the ceramic filter element. This is possible individually for the corrugated layer as well as for the top layer and allows a wide variety of variations.
  • an alternative embodiment is that papers of different thickness and / or porosity are joined together, for example. By gluing, embossing, welding, sewing and the like. This could be done before the semifinished product or alternatively it could also different finished semi-finished prior to the winding process get connected.
  • Another embodiment of the use of several semi-finished products provides that in addition different cell sizes and shapes could be combined in a component over the diameter. As already mentioned, the wall thickness and / or the porosity is varied either over the length of the component or over the diameter. A combination of both is possible.
  • the solution according to the invention offers the following advantages: Optimization of the pressure loss Optimization of mechanical strength
  • the catalytic coating is increasingly applied only in certain areas.
  • the coatings have a strong influence on the pressure loss and the temperature distribution in the component.
  • the component can be optimized for the coating.
  • Fig. 1 shows the winding of one or more base paper carrier web layers, such as a semifinished product from flat and corrugated layer.
  • Figures 2 a) to c) show different variations in the thickness of a base paper carrier ply
  • F i g. 3 shows the variation in the density of a raw paper carrier web
  • Fig. 1 shows in which directions variations of thickness and structure of base paper carrier web layers are possible.
  • the corrugated layer and / or the flat layer can be varied in thickness and structure.
  • A-A defines the direction perpendicular to the winding direction.
  • B indicates the winding direction.
  • the longitudinal axis of the filter element is indicated by (1).
  • Fig. 2 shows in which form the thickness of a base paper carrier web and then the ceramic wall can be varied according to the sintering in the longitudinal direction of the filter element. A corresponding variation is also possible in direction B.
  • Fig. 2c the realization of the thickness change by e.g. two layers of a paper indicated.
  • Fig. 3 shows the variation of a structural parameter of a base paper carrier web which transfers accordingly to the ceramic.
  • a variation of the area density is e.g. presented.

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  • Catalysts (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, vorgestellt, bei dem eine Rohpapier-Trägerbahn mit einem keramischen Schlicker getränkt und anschließend ausgebrannt wird. Die verwendete Rohpapier-Trägerbahn weist eine über ihre Breite und/oder Länge unterschiedliche Dicke und/oder Struktur auf.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements und Filterelement Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen keramischen Dieselpartikelfilter.
Stand der Technik
[0002] In Patent Abstracts of Japan JP 63134020 A wird ein keramisches Filterelement für einen Abgasfilter in einer Brennkraftmaschine beschrieben, das aus einer gewellten, spiralförmig aufgewickelten Filterbahn aufgebaut ist. Zur Herstellung der Filterbahn werden hitzeresistente, anorganische Fasern in einer wässrigen Suspension mit Keramikpulver vermischt und zu einer Bahn verarbeitet. Mehrere übereinander liegende Bahnen werden zu der gewünschten Form des Filterkörpers zusammengerollt, wobei zwischen benachbarten Filterbahnen wabenförmige Strömungskanäle gebildet sind. Der Filterkörper wird anschließend bei hoher Temperatur gebrannt.
[0003] Die WO 2006/005668 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen. Hierbei wird zunächst eine brennbare, nicht-keramische Trägerbahn mit einem keramischen Schlicker getränkt und anschließend in der gewünschten geometrischen Form soweit ausgebrannt, bis die Trägerbahn verbrannt und ein starrer Filterkörper gebildet ist. [0004] Bei diesem Verfahren entspricht die Wanddicke der fertigen Keramik wei- testgehend der Dicke der Trägerbahn. Ebenso wird über die Struktur des Rohpapiers die Porosität der Keramik beeinflusst.
[0005] Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist, dass keine Filterelemente mit variabler Wandstärke, Porosität und Zelldichte herstellbar sind.
[0006] Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Herstellung von keramischen Filterelementen als Dieselpartikelfiltern und Partikelfiltern für Brennkraftmaschinen sowie als keramischen Trägern für Katalysatorträger.
[0007] Im bei der Erfindung bevorzugten Verfahren wird ein nichtkeramisches Medium, z.B. Papier, insbesondere solches umfassend Cellulose, zunächst in Form gebracht, z.B. in Form eines Wickelkörpers. Der Wickelkörper kann dabei eine Flach- und eine Welllage umfassen. Diese Form, z.B. der Wickelkörper, wird dann mit einer keramischen Masse, z.B. einem keramischen Schlicker getränkt. Die getränkte Form wird dann gebrannt bzw. gesintert. Hierbei können organische Bestandteile, z.B. des Papiers, das z.B. Cellulosefasern umfasst, entfernt oder umgewandelt werden.
Offenbarung der Erfindung
[0008] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstel- l u n g e i n es kera m isch es F i ltere lem ents , i n sbeso n d ere e i n es Dieselpartikelfilters, in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das es erlaubt, in dem Filterelement eine variable Wandstärke, Porosität und Zelldichte zu realisieren. Somit wird das keramische Filter- element flexibler und besser auf Anwendungszwecke und Einsatzbedingungen anpassbar.
[0009] Diese und weitere Aufgaben werden durch das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements nach Anspruch 1 und das keramische Filterelement nach Anspruch gelöst.
[0010] Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements für einen Abgasfilter für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselpartikelfilter, und/oder als Katalysatorträger zur Verfügung. Bei dem Verfahren wird eine Rohpapier-Trägerbahn mit einem keramischen Schlicker getränkt und anschließend ausgebrannt. Die verwendete Rohpapier-Trägerbahn kann eine über ihre Breite und/oder Länge unterschiedliche Dicke und/oder Struktur aufweisen.
[0011] Die Erfindung stellt ein keramisches Filterelement für Abgasfilter in Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselpartikelfilter, und/oder als Katalysatorträger zur Verfügung, das eine über seine Länge und/oder seinen Durchmesser unterschiedliche Dicke und/oder Struktur aufweist.
[0012] In Wickelrichtung und/oder senkrecht zur Wickelrichtung können z.B. Dicke, Porosität, Porenverteilung, Faserdurchmesserverteilung, Faserdurchmesserdurchschnitt, Fasermischungsverhältnis, z.B. synthetische Faser mit Zellulose und/oder Flächengewicht einer oder mehrerer Schicht von Rohpapier-Trägerbahn, z.B. von einer Flachlage und einer Welllage, die zu einem Halbzeug verbunden sein können variiert werden. [0013] In Wickelrichtung entspricht beim fertigen Filterelement der radialen Richtung. Senkrecht zur Wickelrichtung entspricht beim fertigen Filterelement der Längsachse von Eingangsseite zu Ausgangsseite.
[0014] Die Papierdicke variiert bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 mm, die Porosität bevorzugt zwischen 50 und 100, die Porenverteilung kann bevorzugt zwischen 10 μm und 100μm liegen. Faserdurchmesser bzw. deren Durchschnitt liegen bevorzugt oberhalb von 500μm. Das Flächengewicht variiert bevorzugt im Bereich von 40g/m2 bis 150g/m2.
[0015] Die Rohpapier-Trägerbahn, wobei Papier in dieser Erfindung für unterschiedliche papierartige Medien stehen kann, insbesondere für nichtkeramische, kann z.B. in Wickelrichtung in einer oder mehreren Rohpapier- Trägerbahnlagen, z.B. einer Flachlage und/oder einer Welllage an Dicke zu oder abnehmen. So ließe sich ein Filterelement mit variierter Dicke der Filtrationsschicht erstellen. Durch das Tränken der Rohpapier-Trägerbahn mit dem Keramikschlicker und das Sintern wird die Dicke der Rohpapier- Trägerbahn in eine entsprechende Dicke der Schicht in der Keramik übertragen. Nimmt die Dicke zu, so hätte das Filterelement im radial äußeren Bereich dickere Wandungen als im radial inneren Bereich.
[0016] Alternativ oder kombiniert kann die Dicke des Papiers auch senkrecht zur Wickelrichtung zunehmen oder abnehmen. Hierdurch lässt sich dann ein Filterelement erzeugen, das z.B. Eingangsseitig dickere Wandungen besitzt als Ausgangsseitig. [0017] Ebenso wie die Dicke der Rohpapierträgerbahn übertragen sich auch deren strukturelle Eigenschafte in Eigenschaften des Keramikkörpers.
[0018] Bisher sind keine DPF mit unterschiedlichen Wanddicken und/oder Porositäten in einem Bauteil bekannt. Standard-Dieselpartikelfilter aus Keramik werden ein- oder mehrteilig extrudiert. Prinzipbedingt kann durch den Extrusionsprozess keine variable Wanddicke und/oder Porosität über die Länge des Bauteils erzeugt werden.
[0019] Erfindungsgemäß wird nun ein Spezial-Rohpapier hergestellt, das bereits beim Papierherstellungsprozess mit über die Breite oder über die Länge unterschiedlicher Dicke und/oder Struktur bzw. Offenheit (offene Poren) ausgeführt wird. Nach dem Tränken mit Keramikschlicker werden diese unterschiedlichen Dicken und /oder Porositäten auch im keramischen Filterelement abgebildet. Dies ist sowohl für die Welllage als auch für die Decklage einzeln möglich und lässt unterschiedlichste Variationen zu.
[0020] Über die Bahnbreite ist dies beim Papierprozess einfach möglich. Über die Länge der Papierbahn lässt sich dies beim Papierprozess deutlich schwieriger steuern. Daher besteht eine alternative Ausführungsform darin, dass Papiere unterschiedlicher Dicke und /oder Porosität miteinander verbunden werden, bspw. durch Verkleben, Prägen, Schweißen, Nähen und dgl. Dies könnte vor der Halbzeugherstellung erfolgen oder es könnte alternativ auch unterschiedliches fertiges Halbzeug vor dem Wickelprozess miteinander verbunden werden. [0021] Eine weitere Ausführungsform bei der Verwendung von mehreren Halbzeugen sieht vor, dass zusätzlich unterschiedliche Zellgrößen und -formen in einem Bauteil über den Durchmesser kombiniert werden könnten. [0022] Wie bereits erwähnt wird die Wanddicke und/oder die Porosität entweder über die Länge des Bauteils oder über den Durchmesser variiert. Auch eine Kombination von beidem ist möglich. [0023] Die erfindungsgemäße Lösung bietet folgende Vorteile: Optimierung des Druckverlusts Optimierung mechanische Festigkeit
Anpassung der Geometrie an die Anströmung des Filters in der Abgasanlage, um eine gleichmäßigere Ruß- und Aschebeladung zu erzeugen.
Anpassung entsprechend der katalytischen Beschichtung. Die kataly- tische Beschichtung wird vermehrt nur in bestimmten Teilbereichen aufgebracht.
[0014] Die Beschichtungen haben einen starken Einfluss auf den Druckverlust und die Temperaturverteilung im Bauteil. Mittels der erfindungsgemäß an- gepassten Wanddicke oder Porosität kann das Bauteil auf die Beschichtung hin optimiert werden.
Ausfϋhrungsform(en) der Erfindung
Fig. 1 zeigt die Wicklung einer oder mehrerer Rohpapier-Trägerbahnlagen, z.B. eines Halbzeugs aus Flach- und Welllage. Fig. 2 a) bis c) zeigen unterschiedliche Variationen der Dicke einer Rohpapier-Trägerbahnlage
F i g . 3 ze i gt d ie Variation der F lächend ichte ei ner Roh papier- Trägerbahnlage
[0024] Fig. 1 zeigt, in welchen Richtungen Variationen von Dicke und Struktur von Rohpapier-Trägerbahnlagen möglich sind. Insbesondere kann bei einem Halbzeug aus Well- und Flachlage, das gewickelt wird, die Welllage und/oder die Flachlage in Dicke und Struktur variiert werden. A-A' definiert die Richtung senkrecht zur Wickelrichtung. B zeigt die Wickelrichtung an. Die Längsachse des Filterelements ist durch (1) angezeigt.
[0025] Fig. 2 zeigt in welcher Form die Dicke einer Rohpapier-Trägerbahn und entsprechend dann die Keramikwandung nach der Sinterung in Längsrichtung des Filterelements variiert werden kann. Eine entsprechende Variation ist auch in Richtung B möglich. In Fig. 2 c ist die Realisierung der Dickenänderung durch z.B. zwei Lagen eines Papiers angedeutet.
[0026] Fig. 3 zeigt die Variation eines strukturellen Parameters einer Rohpapier- Trägerbahn, die sich entsprechend auf die Keramik überträgt. Hier ist z.B. eine Variation der Flächendichte dargestellt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Filterelements in einem Abgasfilter für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, und/oder Katalysatorträger bei dem eine oder mehrere Rohpapier- Trägerbahnen mit einem keramischen Schlicker getränkt und anschließend ausgebrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der verwendete Rohpapier-Trägerbahnen eine über ihre Breite und/oder Länge unterschiedliche Dicke und/oder Struktur aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 wobei die unterschiedliche Struktur eine über ihre Breite und/oder Länge unterschiedliche Porosität, Porenverteilung, Faserdurchmesserverteilung, Faserdurchmesserdurchschnitt, Fasermischungsverhältnis, und/oder Flächengewicht einer oder mehrerer Schichten von Rohpapier-Trägerbahnen ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Papierdicke zwischen 0,2 und 0,5 mm, die Porosität zwischen 50 und 100, die Porenverteilung zwischen 10 μm und 100μm, der Faserdurchmesser bzw. der Faserdurchmesserdurchschnitt oberhalb von 500μm und/oder das F lächengewicht im Bereich von 40g/m2 bis 150g/m2 variiert und/oder liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedliche Struktur oder Dicke in Wickelrichtung variiert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die unterschiedliche Struktur oder Dicke senkrecht zur Wickelrichtung variiert.
6. Keramisches Filterelement in Form eines Wickelfilters für einen Abgasfilter in Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselpartikelfilter, und/oder Katalysatorträger, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement eine über seine Länge und/oder seinen Durchmesser unterschiedliche Wandungsdicke und/oder Struktur mindestens einer Wickellage aufweist.
7. Filterelement nach Anspruch 6, wobei die unterschiedliche Struktur oder Dicke in Radialrichtung variiert.
8. Verfahren nach einem der Anspruch 6, wobei die unterschiedliche Struktur oder Dicke in Längsrichtung variiert.
9. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement eine Flachlage und eine Welllage besitzt.
10. Filterelement nach Anspruch 9 wobei Welllage und Flachlage über die Länge und/oder den Durchmesser des Filterelements unterschiedliche Wandungsdicken und/oder Strukturen aufweisen.
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