DE102006003253A1

DE102006003253A1 - Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006003253A1
Application number: DE200610003253
Authority: DE
Inventors: Oliver Marquardt; Markus Widenmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2007-07-26
Also published as: WO2007087915A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung (16), insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (10), mit einer offenporigen Filterstruktur (32) zur Ablagerung von Rußpartikeln, wobei die Filterstruktur (32) mindestens zwei verschiedene Bereiche (38, 40, 46) aufweist, wobei in einem ersten Bereich (38) der Filterstruktur (32) ein erstes Katalysatormaterial angeordnet ist und wobei in einem zweiten Bereich (40) der Filterstruktur (32) ein zweites Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Katalysatormaterial hinsichtlich ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden und/oder hinsichtlich der Menge mindestens einer katalytisch wirkenden Komponente.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine, mit einer offenporigen Filterstruktur zur Ablagerung von Rußpartikeln.

Stand der Technik

Aus dem Buch "Dieselmotor-Management" der Robert Bosch GmbH, 4. Auflage, Oktober 2004, Seite 346, ist es bekannt, Filterstrukturen mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung zu versehen, mit der die Oxidation von Kohlenstoffmonoxiden, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffmonoxiden unterstützt wird.

Diese Reaktionen finden im Rahmen der sogenannten Regeneration statt. Die Regeneration eines Partikelfilters ist erforderlich, wenn der Filter mit einem so hohen Maß mit Ruß beladen ist, dass der Abgasgegendruck eine zulässige Höchstgrenze überschreitet, wodurch der Wirkungsgrad des Motors negativ beeinträchtigt wird.

Diese Regeneration kann einige Minuten dauern und muss nach Fahrstrecken von 300 bis 800 km durchgeführt werden. Bei der Regeneration brennt der in der Filtereinrichtung gesammelte Ruß ab. Hierfür werden ohne Verwendung eines Katalysators Verbrennungstemperaturen von ca. 600°C benötigt. Mit den oben genannten katalytisch wirkenden Beschichtungen kann der Ruß bereits bei Temperaturen von 300 bis 450°C oxidiert werden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Filtereinrichtung mit einem optimalen Regenerationsverhalten bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Filterstruktur mindestens zwei verschiedene Bereiche aufweist, wobei in einem ersten Bereich der Filterstruktur ein erstes Katalysatormaterial angeordnet ist und wobei in einem zweiten Bereich der Filterstruktur ein zweites Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Katalysatormaterial hinsichtlich ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden und/oder hinsichtlich der Menge mindestens einer katalytisch wirkenden Komponente.

Die Katalysatormaterialien können sich also hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Es ist auch möglich, dass die Katalysatormaterialien identisch sind, jedoch die in den verschiedenen Bereichen eingebrachten Mengen mindestens einer katalytisch wirkenden Komponente unterschiedlich sind, so dass in den verschiedenen Bereichen voneinander abweichende Regenerationscharakteristika erzeugt werden. Diese Möglichkeiten können selbstverständlich miteinander kombiniert werden. Ferner ist es möglich, dass nicht nur zwei verschiedene, sondern weitere Bereiche der Filterstruktur mit unterschiedlichen Katalysatormaterialien und/oder -mengen mindestens einer katalytisch wirkenden Komponente versehen sind.

Die dieser Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Filtereinrichtung der eingangs genannten Art auch dadurch gelöst, dass die Filterstruktur mindestens zwei verschiedene Bereiche aufweist, wobei in mindestens einem Bereich ein Katalysatormaterial angeordnet ist und wobei in mindestens einem Bereich kein Katalysatormaterial angeordnet ist. Es werden also nur Teilbereiche der Filterstruktur mit einem Katalysatormaterial versehen, so dass die Regenerationseigenschaften dieses Teilbereichs angepasst werden können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen haben den Vorteil, dass Bereiche der Filterstruktur, die unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind (beispielsweise thermisch unterschiedlich beansprucht sind), jeweils so ausgelegt werden können, dass sie den jeweils anliegenden Belastungen oder Beanspruchungen bestmöglich gerecht werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Bereich im Betrieb der Filtereinrichtung eine höhere Temperatur auf als der zweite Bereich. Bei im Wesentlichen rotationssymmetrischen Filtereinrichtungen befindet sich der erste Bereich üblicherweise im Zentrum der Filtereinrichtung und der zweite Bereich radial außen. Die in die Filtereinrichtung eingeleiteten heißen Abgase erwärmen die Filtereinrichtung. Aufgrund der Ableitung der gespeicherten Wärme in die Umgebung der Filtereinrichtung weist diese in unterschiedlichen Bereichen voneinander abweichende Temperaturen auf.

Zusätzlich oder optional kann der erste Bereich dem zweiten Bereich in Strömungsrichtung des zu filternden Abgases vorgeschaltet sein. Somit ist es insbesondere in der Aufwärmphase der Filtereinrichtung möglich, die verschiedenen Bereiche der Filtereinrichtung hinsichtlich ihres Regenerationsverhaltens zu optimieren.

Die genannten Bereiche können zumindest abschnittsweise konzentrisch zueinander angeordnet sein und/oder zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sein. Die Bestimmung der einzelnen Bereiche hängt von der jeweiligen Geometrie, der Einlassposition für zu filterndes Abgas, der Auslassposition für gefiltertes Abgas und auch von der Wärmeleitfähigkeit des Materials der Filterstruktur ab.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zweite Katalysatormaterial ausgebildet ist, die Zündtemperatur von Rußpartikeln stärker herabzusetzen als das erste Katalysatormaterial. Auf diese Weise ist es möglich, die Zündtemperatur in jenen Bereichen herabzusetzen, die thermisch schwächer belastet sind als Bereiche mit hoher thermischer Belastung. Somit kann der Abbrand von Rußpartikeln in der Filtereinrichtung vergleichmäßigt werden. Dies hat auch den Vorteil, dass die Regeneration insgesamt verkürzt werden kann und auch in Bereichen stattfinden kann, in denen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Filtereinrichtungen bei einem Abbruch des Regenerationsvorgangs Teilbereiche der Filtereinrichtung nicht regeneriert werden können. Gleichzeitig kann erreicht werden, dass die thermisch stark belasteten Bereiche der Filtereinrichtung während des Abbrands der Rußpartikel nicht thermisch überlastet werden, da sich in diesem Bereich Rußpartikel erst bei einer vergleichsweise hohen Temperatur entzünden, der Abbrand also später beginnt.

Das erste und/oder das zweite Katalysatormaterial können zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Platin, Palladinum, Rhodium, Iridium und/oder Gold enthalten. Diese Materialien unterstützen die Oxidation von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickstoffmonoxid.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zweite Katalysatormaterial 1 bis 40 Gew.-% der Komponente X, 1 bis 99 Gew.-% der Komponente Y und 1 bis 98 Gew.-% der Komponente Z enthält. Dabei enthält X zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Silber und/oder Kupfer, Y zumindest einteilig zumindest eines der Elemente Cer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Bor, Aluminium, Gallium, Silizium, Phosphor. Die Komponente Z enthält zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Cer, Silizium, Germanium, Aluminium, Gallium.

Die Komponente Y kann zumindest anteilig als Oxid-, Karbonat-, Sulfat-, Hydroxid- und/oder Nitratverbindung vorliegen; die Komnponente Z zumindest anteilig als Oxid- oder Hydroxidverbindung. Durch die vorstehend genannte Zusammensetzung des zweiten Katalysatormaterials können die vorstehend beschriebenen Oxidationsprozesse unterstützt werden. Ferner ist es möglich, die Rußzündtemperatur auf Temperaturen von ca. 350 bis 500°C zu senken.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Katalysatormaterialien als Beschichtung auf die Filterstruktur aufgebracht sind. Eine solche Beschichtung kann eine auch als "Washcoat" genannte Oxidmischung mit den vorstehend beschriebenen Verbindungen enthalten. Die Stärke oder Dicke der Beschichtung kann bspw. 0,5 bis 250 μm betragen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein dritter Bereich der Filterstruktur frei von Katalysatormaterialien ist. Hierdurch kann Katalysatormaterial eingespart werden.

Die Filterstruktur kann durch eine vorzugsweise monolithische Keramikstruktur oder durch eine metallische Struktur, insbesondere durch eine Struktur aus Sintermetall gebildet sein. Diese Filterstrukturen können auch keramische oder metallische faserhaltige Materialien enthalten.

Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung gezeigten sowie in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, das eine Filtereinrichtung aufweist;
2 eine perspektivische Ansicht der Filtereinrichtung gemäß 1;
3a eine geschnittene Seitenansicht der Filtereinrichtung gemäß 2 entsprechend der dort mit IIIa bezeichneten Schnittebene;
3b eine geschnittene Ansicht der Filtereinrichtung entsprechend der in 3a mit IIIb bezeichneten Schnittebene;
4a und 4b den 3a und 3b entsprechende Ansichten gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5a und 5b den 3a und 3b entsprechende Ansichten gemäß einer dritten Ausführungsform;
6a und 6b den 3a und 3b entsprechende Ansichten gemäß einer vierten Ausführungsform; und
7a und 7b den 3a und 3b entsprechende Ansichten gemäß einer fünften Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Motorblock, in dem durch eine Verbrennung von Dieselkraftstoff und Luft in mehreren Brennräumen eine nicht gezeigte Kurbelwelle in Drehung versetzt wird. Die Verbrennungsabgase werden aus der Brennkraftmaschine 10 einem insgesamt mit 12 bezeichneten Abgassystem zugeführt. Das Abgassystem 12 umfasst eine Leitung für ungefiltertes Abgas, das einer Filtereinrichtung 16 zugeführt wird. Das gefilterte Abgas gelangt über eine Leitung 18 zum Ausgang des Abgassystems 12.
Die Filtereinrichtung 16 weist eine Eingangsseite 20 und eine Ausgangsseite 22 auf.
Die Filtereinrichtung 16 ist in 2a aus Richtung der Eingangsseite 20 perspektivisch dargestellt. Sie umfasst eine Vielzahl von zueinander parallelen Kanälen, die wechselseitig verschlossen sind. Dies ist in 2b schematisch und ausschnittsweise dargestellt. Demnach sind auf der Eingangsseite 20 offene Einlasskanäle 24 vorgesehen, die auf der Ausgangsseite 22 verschlossen sind. Wechselseitig benachbart zu diesen Einlasskanälen 24 sind Auslasskanäle 26 vorgesehen, die auf der Eingangsseite 20 verschlossen und auf der Ausgangsseite 22 geöffnet sind. Die Einlasskanäle 24 und die Auslasskanäle 26 sind durch sich entlang der Filtereinrichtung 16 erstreckende Kanalwände 28 voneinander getrennt. Diese Kanalwände 28 sind offenporig ausgebildet und für einen Durchtritt von zu filterndem Abgas geeignet. Die Durchtrittsrichtung des zu filternden Abgases ist in 2b schematisch mit dem Pfeil 30 angedeutet. Durch den wechselseitigen Verschluss der Einlasskanäle 24 und der Auslasskanäle 26 muss das zu filternde Abgas durch die Kanalwände 28 hindurchtreten. Dabei lagern sich in dem Abgas enthaltende Rußpartikel an oder in den Kanalwänden 28 ab. Die beschriebene Struktur aus Einlasskanälen 24, Auslasskanälen 26 und Kanalwänden 28 bildet eine insgesamt mit 32 bezeichnete Filterstruktur. Die Filterstruktur ist 32 umfangsseitig (vergleiche 2a) durch ein Gehäuse 34 begrenzt.
In 2a ist eine Schnittebene IIIa eingezeichnet, um die Lage des in 3a dargestellten Schnitts durch die Filtereinrichtung 16 zu verdeutlichen.
In 3a ist die Haupt-Strömungsrichtung des zu filternden Abgases mit 36 bezeichnet. Das zu filternde Abgas gelangt von der Eingangsseite 20 her kommend zur Ausgangsseite 22.
In der Filterstruktur 32 sind verschiedene Bereiche ausgebildet. Ein erster Bereich 38 ist im Wesentlichen vollzylindrisch ausgebildet und im Zentrum der Filterstruktur 32 angeordnet. Dieser erste Bereich 38 ist von einem zweiten Bereich 40 umgeben, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Die Größe der Bereiche 38 und 40 geht auch aus 3b hervor. Jeder der Bereiche 38 und 40 umfasst eine Vielzahl von mit Bezug auf 2b beschriebene Einlasskanäle 24 und Auslasskanäle 26 sowie dazwischenliegende Kanalwände 28. In den Bereichen 38 sind die Kanalwände 28 der Filterstruktur 32 mit einem ersten Katalysatormaterial beschichtet. In dem Bereich 40 sind die Kanalwände 28 der Filterstruktur 32 mit einem zweiten Katalysatormaterial beschichtet. Das zweite Katalysatormaterial senkt die Zündtemperatur der Rußpartikel stärker ab als das erste Katalysatormaterial. Hierdurch wird erreicht, dass ein Abbrand von Rußpartikeln in dem Bereich 40 bereits bei niedrigeren Temperaturen stattfinden kann als in dem Bereich 38. Die Katalysatormaterialien können sich wie in der Beschreibungseinleitung genannt zusammensetzen. Beispielsweise kann das erste Katalysatormaterial, das in dem Bereich 38 angeordnet ist, 0,1 bis 10 Gewichtsprozent Platin enthalten, das auf einem oberflächenreichen Träger, bspw. CeO2, ZrO2 oder Aluminiumoxid angeordnet ist.
Das zweite Katalysatormaterial, das in dem Bereich 40 angeordnet ist, kann die folgende Materialzusammensetzung aufweisen: 25 Gew.-% Silber, 65 Gew.-% Aluminiumoxid und 10 Gew.-% Titanoxid.
Die in 4a und 4b dargestellte zweite Ausführungsform der Filtereinrichtung 16 unterscheidet sich hinsichtlich der Filterstruktur 32 dahingehend von der in 3a und 3b dargestellten Ausführungsform, dass benachbart zur Eingangsseite 20 ein kreisscheibenförmiger Eingangsbereich 44 ebenfalls mit dem zweiten Katalysatormaterial beschichtet ist. An den Eingangsbereich schließt sich ein hohlzylindrischer Bereich 42 an, der sich über die gesamte Länge der Filtereinrichtung 16 erstreckt. Der Eingangsbereich 44 und der hohlzylindrische Bereich 42 bilden gemeinsam einen ersten Bereich 40. Dadurch, dass auch in dem Eingangsbereich 44 das zweite Katalysatormaterial aufgetragen ist, kann auch in dem Eingangsbereich 44 die Zündtemperatur der Rußpartikel herabgesetzt werden, so dass eine Regeneration der Filtereinrichtung 16 auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen initiiert werden kann.
Die in 5a und 5b dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 4a und 4b dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass das erste Katalysatormaterial nur in einem zentrischen Bereich 38 benachbart zur Ausgangsseite 22 angeordnet ist. Ein zylindrischer Kernbereich 46, der zwischen dem Eingangsbereich 44, dem ersten Bereich 38 sowie dem hohlzylindrischen Bereich 42 des zweiten Bereichs 40 angeordnet ist, ist unbeschichtet oder weitestgehend unbeschichtet.
Gemäß der in 6a und 6b dargestellten vierten Ausführungsform ist der Ausgangsbereich 48 mit dem gleichen Katalysatormaterial beschichtet wie der Eingangsbereich 44 und der ringförmige Bereich 42. Diese Bereiche bilden gemeinsam einen zweiten Bereich 40. Der von dem zweiten Bereich 40 umschlossene, zylindrische Bereich 46 ist unbeschichtet oder zumindest weitestgehend unbeschichtet.
Bei der in den 7a und 7b dargestellten fünften Ausführungsform ist ein erster Bereich 38, der sich über die gesamte Querschnittsfläche der Filterstruktur 32 erstreckt, benachbart zur Ausgangsseite 22 angeordnet. Der Bereich 38 ist mit einem ersten Katalysatormaterial versehen. Ein zweiter Bereich 40 wird gebildet durch einen Eingangsbereich 44 und einen hohlzylindrischer Bereich 42. Der Bereich 40 ist mit einem zweiten Katalysatormaterial versehen, das die Zündtemperatur von Rußpartikeln stärker herabsetzt als das erste Katalysatormaterial. Ein dritter, zentrischer Bereich 46 ist unbeschichtet oder zumindest weitestgehend unbeschichtet.

Claims

Filtereinrichtung (16), insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (10), mit einer offenporigen Filterstruktur (32) zur Ablagerung von Russpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (32) mindestens zwei verschiedene Bereiche (38, 40, 46) aufweist, wobei in einem ersten Bereich (38) der Filterstruktur (32) ein erstes Katalysatormaterial angeordnet ist und wobei in einem zweiten Bereich (40) der Filterstruktur (32) ein zweites Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Katalysatormaterial hinsichtlich ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden und/oder hinsichtlich der Menge mindestens einer katalytisch wirkenden Komponente.
Filtereinrichtung (16), insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine (10), mit einer offenporigen Filterstruktur (32) zur Ablagerung von Russpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (32) mindestens zwei verschiedene Bereiche (40, 46) aufweist, wobei an mindestens einem Bereich (40) ein Katalysatormaterial angeordnet ist und wobei an mindestens einem Bereich (46) kein Katalysatormaterial angeordnet ist.
Filtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) im Betrieb der Filtereinrichtung eine höhere Temperatur aufweist als der zweite Bereich (40).
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) dem zweiten Bereich (40) in Strömungsrichtung (36) des zu filternden Abgases vorgeschaltet ist.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) und der zweite Bereich (40) zumindest abschnittsweise konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) und der zweite Bereich (40) zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sind.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Katalysatormaterial ausgebildet ist, die Zündtemperatur von Rußpartikeln stärker herabzusetzen als das erste Katalysatormaterial.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatormaterial und/oder das zweite Katalysatormaterial zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Pt, Pd, Rh, Ir, Au enthält.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Katalysatormaterial 1 bis 40 Gewichtsprozent der Komponente X, 1 bis 99 Gewichtsprozent der Komponente Y und 1 bis 98 Gewichtsprozent der Komponente Z enthält, wobei X zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Ag, Cu enthält, wobei Y zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Ce, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, B, Al, Ga, Si, Ge, P enthält und wobei Z zumindest anteilig zumindest eines der Elemente Ce, Si, Ge, Al, Ga enthält.
Filtereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Y zumindest anteilig als Oxid-, Carbonat-, Sulfat-, Hydroxid- und/oder Nitratverbindung vorliegt.
Filtereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Z zumindest anteilig als Oxid- oder Hydroxidverbindung vorliegt.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatormaterialien als Beschichtung auf die Filterstruktur (32) aufgebracht sind.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Bereich (46) der Filterstruktur (32) frei von Katalysatormaterialien ist.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (32) durch eine vorzugsweise monolithische Keramikstruktur gebildet ist.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (32) durch eine metallische Struktur gebildet ist, insbesondere durch eine Struktur aus Sintermetall.
Filtereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur (32) faserhaltige Materialien aufweist, insbesondere aus keramischen oder metallischen Materialien.