DE102006003253A1 - Filtereinrichtung, insbesondere für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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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 gemäß1 ; -
3a eine geschnittene Seitenansicht der Filtereinrichtung gemäß2 entsprechend der dort mit IIIa bezeichneten Schnittebene; -
3b eine geschnittene Ansicht der Filtereinrichtung entsprechend der in3a mit IIIb bezeichneten Schnittebene; -
4a und4b den3a und3b entsprechende Ansichten gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
5a und5b den3a und3b entsprechende Ansichten gemäß einer dritten Ausführungsform; -
6a und6b den3a und3b entsprechende Ansichten gemäß einer vierten Ausführungsform; und -
7a und7b den3a und3b entsprechende Ansichten gemäß einer fünften Ausführungsform. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- Eine Brennkraftmaschine trägt in
1 das Bezugszeichen10 . 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 Brennkraftmaschine10 einem insgesamt mit12 bezeichneten Abgassystem zugeführt. Das Abgassystem12 umfasst eine Leitung für ungefiltertes Abgas, das einer Filtereinrichtung16 zugeführt wird. Das gefilterte Abgas gelangt über eine Leitung18 zum Ausgang des Abgassystems12 . - Die Filtereinrichtung
16 weist eine Eingangsseite20 und eine Ausgangsseite22 auf. - Die Filtereinrichtung
16 ist in2a aus Richtung der Eingangsseite20 perspektivisch dargestellt. Sie umfasst eine Vielzahl von zueinander parallelen Kanälen, die wechselseitig verschlossen sind. Dies ist in2b schematisch und ausschnittsweise dargestellt. Demnach sind auf der Eingangsseite20 offene Einlasskanäle24 vorgesehen, die auf der Ausgangsseite22 verschlossen sind. Wechselseitig benachbart zu diesen Einlasskanälen24 sind Auslasskanäle26 vorgesehen, die auf der Eingangsseite20 verschlossen und auf der Ausgangsseite22 geöffnet sind. Die Einlasskanäle24 und die Auslasskanäle26 sind durch sich entlang der Filtereinrichtung16 erstreckende Kanalwände28 voneinander getrennt. Diese Kanalwände28 sind offenporig ausgebildet und für einen Durchtritt von zu filterndem Abgas geeignet. Die Durchtrittsrichtung des zu filternden Abgases ist in2b schematisch mit dem Pfeil30 angedeutet. Durch den wechselseitigen Verschluss der Einlasskanäle24 und der Auslasskanäle26 muss das zu filternde Abgas durch die Kanalwände28 hindurchtreten. Dabei lagern sich in dem Abgas enthaltende Rußpartikel an oder in den Kanalwänden28 ab. Die beschriebene Struktur aus Einlasskanälen24 , Auslasskanälen26 und Kanalwänden28 bildet eine insgesamt mit32 bezeichnete Filterstruktur. Die Filterstruktur ist32 umfangsseitig (vergleiche2a ) durch ein Gehäuse34 begrenzt. - In
2a ist eine Schnittebene IIIa eingezeichnet, um die Lage des in3a dargestellten Schnitts durch die Filtereinrichtung16 zu verdeutlichen. - In
3a ist die Haupt-Strömungsrichtung des zu filternden Abgases mit36 bezeichnet. Das zu filternde Abgas gelangt von der Eingangsseite20 her kommend zur Ausgangsseite22 . - In der Filterstruktur
32 sind verschiedene Bereiche ausgebildet. Ein erster Bereich38 ist im Wesentlichen vollzylindrisch ausgebildet und im Zentrum der Filterstruktur32 angeordnet. Dieser erste Bereich38 ist von einem zweiten Bereich40 umgeben, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Die Größe der Bereiche38 und40 geht auch aus3b hervor. Jeder der Bereiche38 und40 umfasst eine Vielzahl von mit Bezug auf2b beschriebene Einlasskanäle24 und Auslasskanäle26 sowie dazwischenliegende Kanalwände28 . In den Bereichen38 sind die Kanalwände28 der Filterstruktur32 mit einem ersten Katalysatormaterial beschichtet. In dem Bereich40 sind die Kanalwände28 der Filterstruktur32 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 Bereich40 bereits bei niedrigeren Temperaturen stattfinden kann als in dem Bereich38 . Die Katalysatormaterialien können sich wie in der Beschreibungseinleitung genannt zusammensetzen. Beispielsweise kann das erste Katalysatormaterial, das in dem Bereich38 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 und4b dargestellte zweite Ausführungsform der Filtereinrichtung16 unterscheidet sich hinsichtlich der Filterstruktur32 dahingehend von der in3a und3b dargestellten Ausführungsform, dass benachbart zur Eingangsseite20 ein kreisscheibenförmiger Eingangsbereich44 ebenfalls mit dem zweiten Katalysatormaterial beschichtet ist. An den Eingangsbereich schließt sich ein hohlzylindrischer Bereich42 an, der sich über die gesamte Länge der Filtereinrichtung16 erstreckt. Der Eingangsbereich44 und der hohlzylindrische Bereich42 bilden gemeinsam einen ersten Bereich40 . Dadurch, dass auch in dem Eingangsbereich44 das zweite Katalysatormaterial aufgetragen ist, kann auch in dem Eingangsbereich44 die Zündtemperatur der Rußpartikel herabgesetzt werden, so dass eine Regeneration der Filtereinrichtung16 auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen initiiert werden kann. - Die in
5a und5b dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den4a und4b dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass das erste Katalysatormaterial nur in einem zentrischen Bereich38 benachbart zur Ausgangsseite22 angeordnet ist. Ein zylindrischer Kernbereich46 , der zwischen dem Eingangsbereich44 , dem ersten Bereich38 sowie dem hohlzylindrischen Bereich42 des zweiten Bereichs40 angeordnet ist, ist unbeschichtet oder weitestgehend unbeschichtet. - Gemäß der in
6a und6b dargestellten vierten Ausführungsform ist der Ausgangsbereich48 mit dem gleichen Katalysatormaterial beschichtet wie der Eingangsbereich44 und der ringförmige Bereich42 . Diese Bereiche bilden gemeinsam einen zweiten Bereich40 . Der von dem zweiten Bereich40 umschlossene, zylindrische Bereich46 ist unbeschichtet oder zumindest weitestgehend unbeschichtet. - Bei der in den
7a und7b dargestellten fünften Ausführungsform ist ein erster Bereich38 , der sich über die gesamte Querschnittsfläche der Filterstruktur32 erstreckt, benachbart zur Ausgangsseite22 angeordnet. Der Bereich38 ist mit einem ersten Katalysatormaterial versehen. Ein zweiter Bereich40 wird gebildet durch einen Eingangsbereich44 und einen hohlzylindrischer Bereich42 . Der Bereich40 ist mit einem zweiten Katalysatormaterial versehen, das die Zündtemperatur von Rußpartikeln stärker herabsetzt als das erste Katalysatormaterial. Ein dritter, zentrischer Bereich46 ist unbeschichtet oder zumindest weitestgehend unbeschichtet.
Claims (16)
- 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.
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- 2006-11-30 WO PCT/EP2006/069142 patent/WO2007087915A1/de active Application Filing
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