DE202008007224U1

DE202008007224U1 - Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom

Info

Publication number: DE202008007224U1
Application number: DE202008007224U
Authority: DE
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2018-05-30

Abstract

Filtereinrichtung (14) zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterelement (18), wobei das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Mineralphase zugegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und Mullit und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat besteht.

Description

Technisches Gebiet
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 Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Ganz speziell betrifft die Erfindung eine solche Filtereinrichtung auf der Basis von Aluminiumtitanat.
Derartige Filter werden zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung selbstentzündender Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Üblicherweise sind solche Filter aus einem keramischen Material, zum Beispiel Cordierit oder Siliziumcarbid gefertigt. Keramische Körper aus Cordierit finden Verwendung in einer Vielzahl von Hochtemperatur-Anwendungen, wie zum Beispiel katalytischen Konvertern, NO_x-Adsorbern, elektrisch geheizten Katalysatoren, chemischen Prozesssubstraten und eben auch Dieselpartikelfilter.
Bei der Filtration von Dieselabgasen war Cordierit als kostengünstiges Material, das einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, 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.
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.
Ein Dieselpartikelfilter (DPF) vereint idealerweise einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einen geringen Druckabfall, hohe Festigkeit und geringe Kosten. Probleme, die bei der Verwendung von Cordierit 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.
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 Wärmeausdehnung und eines hohen Elastizitätsmoduls auch eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit. Dies macht es notwendig, SiC-Filter zu segmentieren, um bei der Verwendung Ausfälle zu verhindern. Auch resultieren die Verarbeitungserfordernisse (d. h., hohe Temperaturen, Inertatmosphäre und Segmentation) in hohen Herstellungskosten.
In neuerer Zeit sind keramische Filterelemente auf der Basis von Aluminiumtitanat bekannt geworden, die geeignete Eigenschaften zur Anwendung bei hohen Temperaturen, wie z. B. Fahrzeug-Abgaskontrolle und Dieselabgas-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
Aus DE 602 17 084 T2 ist eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Wabensegmenten bekannt, die zu einem Einheitskörper verbunden sind. Die Hauptkomponente jedes der Wabensegmente umfasst zumindest eine aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Zirkoniumdioxid, Zirkoniumphosphat, Aluminiumtitanat, Titandioxid und Kombinationen davon.
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 Aluminiumoxide, Aluminiumhydroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Ceroxid, Aluminiumsilikate, Magnesium-Aluminiumsilikate, Cordierit, Mullite, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Zeolithe, Quarz, Gläser, Mischungen und Mischoxide daraus.
Schließlich offenbart die WO 2005/046840 einen keramischen Körper zur Verwendung als DPF mit einer Zusammensetzung, die umfasst: a(Al₂O₃·TiO₂) + b(CaO·Al₂O₃·2SiO₂) + c(SrO·Al₂O₃·2SiO₂) + d(BaO·Al₂O₃·2SiO₂) + e(3Al₂O₃·2SiO₂) + f(Al₂O₃) + g(SiO₂) + h(Fe₂O₃·TiO₂) + 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 Aluminiumtitanat 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 Bariumverbindungen sind sehr reizend, Strontiumverbindungen sind schwach radioaktiv.
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 Temperaturen einsetzbar ist, und bei dem eine bessere Beeinflussung der Materialeigenschaften möglich ist und die Gefügeeigenschaften gut einstellbar sind. Weitere Aufgaben liegen in der Bereitstellung einer höheren mechanischen Festigkeit und einer niedrigeren Wärmedehnung.
Offenbarung der Erfindung
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 zugegeben ist, und die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und Mullit und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat besteht. Optional kann das Filterelement zusätzlich eine Glasphase von < 5 Gew.-% enthalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden, in dem die erfindungsgemäße Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Dieselkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Filtereinrichtung nicht auf die Verwendung als DPF beschränkt ist, sondern ganz allgemein als Heißgasfilter, bspw. in Industrieanlagen, eingesetzt werden kann.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem bspw. ein rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist. Andere Gehäuseformen sind ebenfalls möglich. Das Filterelement 18 besteht aus Aluminiumtitanat, dem eine Mineralphase zugesetzt ist, die aus Alkalifeldspäten und/oder Spinellen besteht.
Bisher wurden bei Dieselpartikelfiltern auf Aluminiumtitanatbasis ausschließlich 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, Al₂O₃ und SiO₂ oder andere Al₂O₃- bzw. SiO₂-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 × 10^–6 Km^–1 oder die Wärmekapazität verändert werden können.
Spinelle verbessern die mechanischen Eigenschaften speziell der Festigkeit. Aluminiumtitanat-Spinell-Werkstoffe eignen sich für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen. Außerdem lassen sich gezielt Gefügeeigenschalten 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.
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.-% Mullit; 0–80 Gew.-% Zirkontitanat; 0–50 Gew.-% Alkalifeldspäte und 0–80 Gew.-% Spinelle.
In einer zweiten Ausführungsform kann das Filterelement zusätzlich eine Glasphase in einer Menge von <5 Gew.-% aufweisen.
Die erfindungsgemäß vorhandenen Feldspäte sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithium-, Natrium-, Kaliumfeldspat. Außerdem kann das Filterelement Zirkontitanat enthalten.
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 Gefügeeigenschalten besser einstellen. Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung zeigt eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Wärmeausdehnung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 60217084 T2 [0008]
- DE 102006040739 A1 [0009]
- WO 2005/046840 [0010]

Claims

Filtereinrichtung (14) zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterelement (18), wobei das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Mineralphase zugegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und Mullit und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat besteht.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement zusätzlich eine Glasphase enthält.
Filtereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasphase in einer Menge von < 5 Gew.-% vorhanden ist.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalifeldspäte ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Lithium-, Natrium-, Kaliumfeldspat.
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement Zirkontitanat enthält.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement zwei oder mehr Mineralphasen enthält.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 35–90 Gew.-% Aluminiumtitanat; 1–60 Gew.-% Mineralphase.
Filtereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralphase aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe besteht: 10–80 Gew.-% Mullit; 0–80 Gew.-% Zirkontitanat; 0–50 Gew.-% Alkalifeldspäte und 0–80 Gew.% Spinelle.
Dieselpartikelfilter, bestehend aus einem wabenförmigen Filterelement (18) mit wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Mineralphase zugegeben ist und dass die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und/oder Spinellen besteht.
Dieselpartikelfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.