WO2009144261A1 - Filtereinrichtung zur entfernung von partikeln aus einem gasstrom - Google Patents
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Definitions
- Filter device for removing particles from a gas stream
- the invention generally relates to a filter device for the removal of
- the invention relates to a
- Such filter device for removing soot particles from a Ab ⁇
- Such a filter device based on aluminum titanate Such a filter device based on aluminum titanate.
- Such filters are for example in the exhaust aftertreatment
- Cordierite ceramic bodies are used in
- Wand1filter usually have a cylindrical shape with two end faces and a lateral surface and are traversed by the first end face to the second end face of a plurality of lying substantially parallel to the cylinder axis flow channels for the exhaust gases of diesel engines.
- the cross-sectional shape of the wall flow filter depends on the installation requirements of the motor vehicle. Widely used are filter bodies with a round, elliptical or triangular cross-section.
- the flow channels usually have a square or hexagonal cross section and are arranged in a narrow grid over the entire cross section of the filter body.
- a diesel particulate filter ideally combines a low coefficient of thermal expansion, low pressure drop, high strength, and low cost. Problems that may arise with the use of cordierite include both low volumetric heat capacity and low thermal conductivity, which can result in unacceptably high temperatures or temperature peaks during operation, as well as low thermal stability. Furthermore, inorganic particulates present in the diesel exhaust may react with the cordierite and cause filter failures.
- SiC silicon carbide
- Ceramic filter elements based on aluminum have recently been used.
- Main component of each of the honeycomb segments comprises at least one of
- Silicon carbide silicon nitride, cordierite, alumina, molybdenum, zirconium di ⁇
- DE 10 2006 040 739 A1 discloses a filter for removing particles from a gas stream, in particular soot particles from an exhaust stream of an internal combustion engine, with a filter body of a ceramic filter substrate, wherein the filter substrate is coated with a porous protective layer of a coating material ,
- the coating material is selected from the group consisting of aluminum oxides, aluminum hydroxide, titanium dioxide, silicon dioxide, zirconium oxide, cerium oxide, aluminum silicates, magnesium aluminum silicates, cordierite, mullite, silicon carbide, aluminum titanate, zeolites, quartz, glasses, mixtures and mixed oxides thereof.
- the invention is based on the object, a filter for the removal of
- the present invention solves this problem by providing a
- Filters for removing particles from a gas stream in particular
- the filter consisting of aluminum titanate, to which a mineral phase zu ⁇
- the single FIGURE shows a schematic representation of a Verbren ⁇
- the figure shows a schematic representation of a Verbrennungskraft ⁇
- combustion engine 10 is connected via an exhaust pipe 12, in which the
- Filter device 14 is arranged. With the filter inlet
- ter for example. In industrial plants, can be used.
- the filter device 14 includes in the embodiment shown a zy ⁇
- cylindrical housing 16 in which, for example, a rotationally symmetric, insge ⁇
- the filter element 18 consists of A-
- the feldspars used according to the invention offer more suitable material properties with regard to the thermal expansion behavior and the service life of the filter. At the same time, only very small amounts of glass phase are present in the microstructure ( ⁇ 5% by weight), which leads to a significantly improved thermal expansion behavior.
- the heat capacity can be influenced by this combination of raw materials. From the feldspars used, it is possible to generate different mineral phases, which is not possible with the conventional barium, calcium and strontium feldspars.
- feldspars are supplied as individual components (barium, calcium, strontium compounds, Al 2 O 3 and SiO 2 or other Al 2 O 3 or SiO 2 -containing compounds), usually as oxides or carbonates, and then react during sintering to the feldspars. In the case of the lithium, sodium and potassium feldspars according to the invention, this reaction does not take place from the individual components. It is possible to use feldspars directly or to use individual components which are sintered via the intermediate step of a glass phase to the required mineral phases.
- This variant offers the possibility of selectively adjusting microstructures and material properties, since the ratio glass phase; resulting mineral phase, as well as mineral, mineral composition and thus properties such as thermal expansion in a range of 0-2 x 10 " 6 Km" 1 or the heat capacity can be changed.
- Spinels improve the mechanical properties especially of the strength.
- Aluminum titanate spinel materials are suitable for use at very high temperatures.
- specific structural properties can be influenced.
- Spinels have a high mechanical strength as materials.
- suitable sintering conditions the spinel can increase the strength in other materials as an additive. This is done by adjusting the sintering conditions, which generates the growth of crystal needles. This in turn leads to a felting of the structure, which can increase the strength.
- the filter element has the following composition: 35-90% by weight of aluminum titanate; 1-60 wt .-% mineral phase
- the mineral phase consists of one or more of the following substances in the indicated proportions: 10-80% by weight of MuMt; 0-80% by weight of zirconium titanate; 0-50 wt% alkali feldspars and 0-80 wt% spinels.
- the filter element may additionally have a glass phase in an amount of ⁇ 5 wt .-%
- the feldspars present invention are selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium feldspar.
- the filter element may contain zirconium titanate.
- the microstructure may also contain two or more mineral phases. In this case, can be dispensed with the glass phase.
- mineral used which stabilize the entire ATi microstructure and at the same time have low thermal expansion, it can be completely dispensed with the glass phase, as this would be a disadvantage for the structure due to higher thermal expansion.
- the filter device according to the invention consists of a temperature-resistant material and is therefore suitable for use as a diesel particulate filter. By selecting the mineral phase according to the invention, the material properties can be better influenced and the microstructural properties adjusted better.
- the filter device according to the invention shows a good thermal shock resistance and a low thermal expansion.
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Abstract
Es wird eine Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom, insbesondere von Partikeln aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Filterelement bereit gestellt, wobei das Filterelement aus Aluminiumtitanat besteht, dem eine Mineralphase zugegeben ist. Die Mineralphase besteht aus Alkalifeldspäten und Mullit und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat.
Description
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.
Claims
1. 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 Aluminiumti- tanat besteht, dem eine Mineralphase zugegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralphase aus Alkalifeldspäten und MuIMt und/oder Spinellen und/oder Zirkontitanat besteht.
2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement zusätzlich eine Glasphase enthält.
3. Filtereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasphase in einer Menge von < 5 Gew.-% vorhanden ist.
4. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalifeldspäte ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Lithium-, Natrium-, Kaliumfeldspat.
5. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement Zirkontitanat enthält.
6. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement zwei oder mehr Mineralphasen enthält.
7. Filtereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement folgende Zusammensetzung aufweist: 35-90 Gew.-% Aluminiumtita- nat; 1-60 Gew.-% Mineralphase.
8. Filtereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralphase aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe besteht: 10-80 Gew.-% MuIMt; 0-80 Gew.-% Zirkontitanat; 0-50 Gew.-% Alkalifeldspäte und 0-80 Gew.- % Spinelle.
9. 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.
10. Dieselpartikelfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (18) eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP09753916A EP2291339A1 (de) | 2008-05-29 | 2009-05-28 | Filtereinrichtung zur entfernung von partikeln aus einem gasstrom |
Applications Claiming Priority (4)
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|---|---|---|---|
| DE202008007223.9 | 2008-05-29 | ||
| DE202008007223U DE202008007223U1 (de) | 2008-05-29 | 2008-05-29 | Filtereinrichtung zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom |
| DE202008007224.7 | 2008-05-29 | ||
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