DE60305598T2

DE60305598T2 - Wabenkörperstruktur mit Filtereigenshaften, dessen Herstellung und Verwendung in der Abgasreinigung

Info

Publication number: DE60305598T2
Application number: DE60305598T
Authority: DE
Inventors: NGK Insulators Shogo c/o IP Dept. Nagoya-shi Hirose; NGK Insulators Toshio c/o IP Dept. Nagoya-shi Yamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: EP1408207A1; JP2004130231A; EP1408207B1; US7645427B2; DE60305598D1; US20040071611A1; JP4222599B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur zur Verwendung in Filtern zum Auffangen und Sammeln von Teilchen im Abgas eines Verbrennungsmotors, Kessels und dergleichen, ein Verfahren zur Herstellung der Wabenstruktur und ein Abgasreinigungssystem unter Verwendung der Wabenstruktur.
Beschreibung des Stands der Technik
Da eine große Menge an hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehenden Teilchen (Materialteilchen) im von Verbrennungsmotoren, wie z.B. einem Dieselmotor, abgegebenen Abgas enthalten ist, und solche Materialteilchen zur Umweltverschmutzung beitragen, wird mitunter ein Filter zum Auffangen/Sammeln der Materialteilchen in solche Verbrennungsmotoren eingebaut.
Im Allgemeinen umfasst das für diesen Zweck zu verwendende in 6 angeführte Filter eine Vielzahl an Durchgangskanälen 9, die durch poröse Trennwände 7 getrennt sind und sich in axialer Richtung der Wabenstruktur erstrecken. Vorbestimmte Durchgangskanäle 9a sind durch Verschlussabschnitte 11 an einem Ende verschlossen, und der Rest der Durchgangskanäle 9b ist am gegenüberliegenden Ende in der zu verwendenden Wabenstruktur abwechselnd schachbrettartig verschlossen.
Das Abgas strömt über eine Endseitenfläche 3 des Filters mit der Wabenstruktur ein, die im Gas enthaltenen Materialteilchen werden entfernt und in der Folge strömt das gereinigte Gas über die andere Endseitenfläche 5 wieder aus. Konkreterweise strömt das Abgas zuerst in die Durchgangskanäle 9b, deren Enden an der Endseitenfläche 3 des Filters auf einer Einströmseite nicht verschlossen sind und strömt durch die porösen Trennwände 7. Das Gas strömt in die Durchgangskanäle 9a, deren Enden an der Einströmseitenfläche 3 verschlossen sind und deren gegenüberliegende Enden an der Ausströmseitenfläche 5 nicht verschlossen sind, und wird über die Durch gangskanäle 9a ausgestoßen. Darüber hinaus fungieren die Trennwände 7 zu diesem Zeitpunkt als Filterschichten und die Materialteilchen im Gas werden von den Trennwänden 7 aufgenommen und an den Trennwänden 7 abgelagert.
Nach Gebrauch dieses Filters über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg werden die im Filter abgelagerten Materialteilchen durch Energie aus einem Elektroheizkörper erhitzt und verbrannt und entfernt. Dabei kommt es jedoch zu keiner vollständigen Entfernung und einige der Materialteilchen bleiben als Asche (Aschegehalt) im Filter zurück. Daher nimmt das Filtervolumen bei Gebrauch über einen langen Zeitraum hinweg ab, es kommt zu erhöhtem Druckverlust, und die Menge an auffang- und sammelbaren Materialteilchen nimmt aufgrund der abgelagerten Asche ab.
Daher ergibt sich das Problem, dass die Häufigkeit, mit der die Materialteilchen, wie oben beschrieben, zur Durchführung einer regenerativen Behandlung des Filters verbrannt und entfernt werden, erhöht werden muss.
Zur Lösung dieses Problems ist beispielsweise eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, bei der das Filter so gehalten wird, dass dessen Richtung vertikal zur Richtung der Gasströmung steht, wobei an das Filter eine Schwingungsvorrichtung angebracht ist. Die durch In-Schwingung-Versetzen des Filters aus dem Filter gefallene Asche wird in einem Ascheauffangabschnitt, der unterhalb des Filters vorliegt, aufgefangen (siehe JP-A-8-28247).
Darüber hinaus ist ein Verfahren offenbart worden, bei dem ein Hochdruckfluid, wie z.B. Wasser, auf ein Ende des Filters ausgespritzt wird, um die am Filter haftenden Verbrennungsrestmaterialien zu reinigen und zu entfernen (siehe JP-A-2001-50028).
Weiters ist ein Filter offenbart worden, bei dem eine Zellwandfläche aus den Zellwänden in der Einlass- oder Auslassfläche des Filters entfernt wird, um eine Öffnung zu bilden, die mit einer benachbarten Zelle zwischen den Zellwänden und dem Verschlusselement verbunden ist (siehe JP-A-60-112618).
Außerdem ist ein weiteres Filter offenbart worden, bei dem zwischen den Zellwänden und der Außenwand Verbindungslöcher vorliegen.
Diese Verfahren halten der praktischen Anwendung jedoch nicht Stand, da die Öffnung oder das Verbindungsloch während der Verwendung nicht mit Materialteilchen verschlossen wird, wodurch die Auffang- und Sammelwirksamkeit der Materialteilchen während des Gebrauchs niedrig ist. Zur Entfernung der Asche aus dem Filter ist ein spezieller Mechanismus oder eine Vorrichtung erforderlich oder das Filter muss getrennt vom Abgassystem des Filters vorliegen. Daher haben sich bisherige Verfahren als nicht besonders praktisch erwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich des herkömmlichen Zustands entwickelt worden und ein Hauptziel davon ist die Bereitstellung einer Wabenstruktur, die in einem Filter zum Auffangen und Sammeln von im Abgas vorliegenden Materialteilchen verwendet werden kann und worin die im Innern abgelagerte Asche ohne spezielle Mechanismen oder Vorrichtungen oder ohne das Filter aus dem Abgassystem trennen zu müssen entfernt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine wie in Anspruch 1 dargelegte Wabenstruktur bereitgestellt (erster Aspekt der vorliegenden Erfindung).
Zudem ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 13 dargelegtes Verfahren zur Herstellung der Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt (zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung).
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 15 dargelegtes Verfahren zur Herstellung der Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt (dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung).
Darüber hinaus ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 16 dargelegtes Abgasreinigungssystem zum Auffangen, Sammeln und Entfernen von Materialteilchen, die als Hauptkomponente Kohlenstoff enthalten, in einem staubhältigen Fluid, wie z.B. Abgas eines Verbrennungsmotors, bereitgestellt (vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung).
Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Erfindung die Bezeichnung "einschließlich zumindest eines Schlitzes pro Durchgangskanal" bedeutet, dass zumindest ein Schlitz in jedem der Trennwände um einen Durchgangskanal ausgebildet ist.
Darüberhinaus bezeichnet „Schlitzlänge" in der gegenständlichen Erfindung die Länge eines Abschnitts des Schlitzes, der im Durchgangskanal offen ist. In der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung ist das Ende manchmal durch Verschlussabschnitte 11 verschlossen, wenn Schlitze 15 von den Enden der Trennwände 7 aus, wie in 5 dargestellt, nach innen hin ausgebildet sind. In einem solchen Fall stellt die Länge L, die durch Abziehen der Länge des durch die Verschlussabschnitte 11 verschlossenen Abschnitts von der Gesamtlänge des Schlitzes 15 erhalten wird, die Länge des Schlitzes dar. Als "Schlitzbreite" wird die Maßangabe W des offenen Abschnitts des Schlitzes in eine Richtung, die die Längsrichtung im rechten Winkel kreuzt, bezeichnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Ausführungsform einer Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Teilquerschnittsansicht, die zeigt, dass die Schlitze offen sind;
3 ist eine Teilquerschnittsansicht in Längsrichtung der Wabenstruktur, die zeigt, dass die Schlitze durch Materialteilchen verschlossen sind;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht in diametraler Richtung der Wabenstruktur, die zeigt, dass die Schlitze durch Materialteilchen verschlossen sind;
5 ist eine erläuternde Ansicht zur Definition "der Länge des Schlitzes" in vorliegender Erfindung;
die 6(a) und (b) sind schematische erläuternde Ansichten, die eine Basisstruktur der Wabenstruktur zur Verwendung als herkömmliches Filter darstellen, wobei (a) eine aus der Endfläche aus gesehene Draufsicht und (b) eine Querschnittsansicht ist;
7 ist ein Diagramm, das die Druckverlustveränderungen von DPF durch die Betriebszeit in einem Fall darstellt, bei dem das Auffangen und Sammeln der Materialteilchen und die Erneuerung wiederholt durchgeführt wird;
8 ist ein Diagramm, das die Veränderungen der Auffang- und Sammelwirksamkeit im Laufe der Betriebszeit darstellt; und
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Breite des in der Nähe eines Verschlussabschnitts ausgebildeten Schlitzes einer Trennwand um jeden der Durchgangskanäle und der Auffang- und Sammelwirksamkeit in einer vorbestimmten Betriebszeit zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Ausführungsform der Wabenstruktur gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Basisstruktur der Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl an Durchgangskanälen 9, die durch poröse Trennwände 7 getrennt sind und sich in Axialrichtung der Wabenstruktur erstrecken. Vorbestimmte Durchgangskanäle 9a sind mittels Verschlussabschnitten 11 an einem Ende und der Rest der Durchgangskanäle 9b am anderen Ende auf der gegenüber den verschlossenen Enden der vorbestimmten Durchgangskanäle 9a liegenden Seite verschlossen.
In der Wabenstruktur ist zudem als kennzeichnende Struktur zumindest ein Schlitz 15 pro Durchgangskanal in der Nähe des Verschlussabschnitts 11 der Trennwand 7 um jeden der Durchgangskanäle 9 ausgebildet. Wenn die auf diese Weise strukturierte Wabenstruktur, wie in 2 dargelegt, als Filter zum Auffangen und Sammeln der im Abgas eines Verbrennungsmotors wie z.B. eines Dieselmotors vorliegenden Materialteilchen verwendet wird, gelangen einige der Materialteilchen im Abgas unmittelbar nach Verwendungsbeginn durch die Schlitze 15 in der Nähe der Verschlussabschnitte 11, wodurch die Auffang- und Sammelwirksamkeit, verglichen mit einem herkömmlichen Filter ohne Schlitze abnimmt. Wie in den 3 und 4 gezeigt, werden die Schlitze 15 jedoch in kurzer Zeit durch Ablagerung von aufgefangenen und gesammelten Materialteilchen 21 in einen im Wesentlichen geschlossenen Zustand gebracht, und zu diesem Zeitpunkt sowie währenddessen erhält das Filter den gleichen Grad an Auffang- und Sammelwirksamkeit wie ein herkömmliches Filter.
Wenn eine vorbestimmte Menge an im Filter aufgefangenen und gesammelten Materialteilchen 21 abgelagert wird, wird eine regenerative Behandlung zum Verbrennen und Entfernen der Materialteilchen 21 vorgenommen. Durch diese regenerative Behandlung kehren die durch die Materialteilchen 21 verschlossenen Schlitze 15 in einen wie in 2 gezeigten im Wesentlichen geöffneten Zustand zurück.
Wenn diese Schlitze 15 auf diese Weise in den geöffneten Zustand zurückversetzt werden, wird die im Filter zurückgebliebene Asche über die Schlitze 15 durch den Abgasstrom nach außen ausgestoßen und das Filter kehrt in einen reinen Zustand zurück, der im Wesentlichen einem unmittelbar nach Verwendungsbeginn herrschenden Zustand entspricht. Wenn eine Zyklusreihe, nämlich "Auffangen und Sammeln der Materialteilchen, das Verbrennen und Entfernen der Materialteilchen durch regenerative Behandlung, das Ausstoßen der Restasche" auf diese Weise wiederholt wird, ist es möglich die im Innern abgelagerte Asche zu entfernen, ohne dass dabei ein spezieller Mechanismus oder eine Vorrichtung erforderlich wird und das Filter auch nicht vom Abgassystem getrennt werden muss.
Im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Schlitz 15 pro Durchgangskanal vorzugsweise linear in einer Richtung angeordnet, durch die sich die Durchgangskanäle 9 erstrecken, so dass die Asche beim erneuten Öffnen des Schlitzes problemlos ausgestoßen wird. Die Breite des Schlitzes 15 beträgt vorzugsweise 0,2 bis 1 mm, noch bevorzugter 0,4 bis 0,8 mm. Eine geringerer Längenwert des Schlitzes 15 beträgt vorzugsweise 1 mm, noch bevorzugter 2 mm oder mehr. Der Oberwert für die Länge des Schlitzes 15 ist andererseits vorzugsweise eine Länge, die kürzer als zwischen 30 mm und ½ der Wabenstrukturlänge, noch bevorzugter eine Länge, die kürzer als zwischen 15 mm und ¼ der Wabenstrukturlänge ist.
Wenn die Breite des Schlitzes 15 weniger als 0,2 mm beträgt, ist es mitunter schwierig, die Asche sogar im geöffneten Zustand des Schlitzes 15 auszustoßen. Wenn die Breite des Schlitzes 15 andererseits über 1 mm liegt, ist viel Zeit erforderlich, bis die Schlitze 15 durch die Materialteilchen 21 verschlossen werden, wodurch die Auffang- und Sammelwirksamkeit für diesen Zeitraum stark abnimmt. Wenn die Breite des Schlitzes 15 0,4 mm oder mehr beträgt, kann die Asche im Wesentlichen sogar im Leerlauf vollständig ausgestoßen werden, wodurch diese Breite noch mehr bevorzugt wird.
Hinsichtlich dieser Länge des Schlitzes 15 kann der Schlitz über die gesamte Länge des Durchgangskanals ausgebildet sein, wobei die Länge bezüglich Verarbeitung und Festigkeit der Wabenstruktur vorzugsweise nicht mehr als eine Länge beträgt, die kürzer als zwischen 30 mm und ½ der Wabenstrukturlänge ist. Wenn die Länge über dieser Länge liegt, kommt es zu einer nicht zufrieden stellenden Massenherstellung und die Festigkeit stellt ebenfalls ein Problem dar. Wenn die Länge des Schlitzes 15 nicht länger als die Länge ist, die kürzer als zwischen 15 mm und ¼ der Wabenstrukturlänge ist, werden Festigkeit und Massenherstellung noch bevorzugter weiter erhöht. Wenn die Länge des Schlitzes 15 andererseits weniger als 1 mm beträgt, ist es schwierig die Asche auszustoßen, und die Länge beträgt vorzugsweise 1 mm oder mehr. Wenn die Länge des Schlitzes 15 2 mm oder mehr beträgt, ist es noch bevorzugter möglich, die Asche sogar im Leerlauf auszustoßen.
Wenn die Schlitze 15, wie oben beschrieben, in der Nähe der Verschlussabschnitte 11 ausgebildet sind, nimmt die Auffang- und Sammelwirksamkeit unmittelbar nach Verwendungsbeginn und unmittelbar nach der regenerativen Behandlung, verglichen mit einer schlitzlosen Struktur temporär ab. Wenn die Breite oder Länge des Schlitzes 15 jedoch innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, schließen sich die Schlitze 15 innerhalb kurzer Zeit durch die Ablagerung der Materialteilchen 21.
Daher ist hinsichtlich der mittleren Auffang- und Sammelwirksamkeit bei Betrieb über einen vorbestimmten Zeitraum der Wirksamkeitsunterschied bei Gegenwart und Abwesenheit von Schlitzen 15 nur gering, wodurch es in der Praxis zu keinem Problem kommt.
Wenn die Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung im Filter zum Auffangen und Sammeln der im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Materialteilchen verwendet wird, ist die Struktur üblicherweise in einem Abgassystem so angeordnet, dass die Mitte der Abgasströmung durch einen Mittelabschnitt eines Wabenstrukturabschnitts fließt. Daher kommt es dazu, dass, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das in der Nähe des Außenumfangabschnitts der Wabenstruktur fließt, verglichen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Mittelabschnitt, verlangsamt wird.
In einem Abschnitt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wie oben beschrieben niedrig ist, wird die Asche, verglichen mit anderen Abschnitten, nicht ohne weiteres ausgestoßen. Daher ist die Anzahl der Schlitze pro Durchgangskanal sowie die Länge und Breite der Schlitze nicht durchgehend einheitlich und kann im Wesentlichen gemäß der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in jedem Abschnitt uneinheitlich sein. Im oben beschriebenen Beispiel ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Nähe des Außenumfangabschnitts der Wabenstruktur beispielsweise verlangsamt. Daher ist die Anzahl der Schlitze pro Durch gangskanal sowie die Länge und Breite der Schlitze in der Nähe des Außenumfangabschnitts vorzugsweise so eingestellt, dass sie größer ist als jene, die sich im Mittelabschnitt der Umfangsseite der Wabenstruktur befinden, sodass die Asche einfach auszuströmen ist.
Es wird bevorzugt, zumindest in der Nähe der Schlitze einen Oxidkatalysator anzubringen. Durch die Katalysatorfunktion des Oxidkatalysators verbrennen die im Katalysator tragenden Abschnitt abgelagerten Materialteilchen bei einer Temperatur (z.B. etwa 350 °C), die unter der üblichen Brenntemperatur (etwa 550 °C) liegt, wodurch die Asche einfacher ausgestoßen werden kann. Beispiele für den bevorzugten Oxidkatalysatorumfassen Pt, Pd und Rh.
Die Querschnittsform (Zellform) des Durchgangskanals unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, wobei hinsichtlich Herstellung, jede der dreieckigen, viereckigen, hexagonalen und kreisförmigen Formen bevorzugt wird. Die Querschnittsform der Wabenstruktur unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, wobei zusätzlich zur kreisförmigen Ausbildung, jede beliebige Form verwendet werden kann, wie z.B. polygonale Formen, einschließlich elliptischer, länglicher, ovaler, im Wesentlichen dreieckiger, sowie im Wesentlichen viereckiger Formen.
Als Material für die Wabenstruktur eignet sich hinsichtlich Festigkeit und Hitzebeständigkeit jeder beliebige aus einer Gruppe aus Cordierit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Mullit oder Aluminiumsilicat (LAS) bestehende Typ als Hauptkristallphase der Wabenstruktur. Das Material des Verschlussabschnitts besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Wabenstruktur, da dadurch beide Wärmeausdehnungskomponenten miteinander übereinstimmen.
Die Anwendung der Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung unterliegt keiner besonderen Einschränkung, wobei es jedoch, wie oben beschrieben, insbesondere bevorzugt wird, die Struktur als Filter zu verwenden, bei dem die Trennwände zum Trennen der Durchgangskanäle Filterungseigenschaften aufweisen, um die im staubhältigen Fluid, wie z.B. Abgas eines Verbrennungsmo tors, enthaltenen Materialteilchen auffangen, sammeln und entfernen zu können, da die Eigenschaften der Struktur dadurch erfüllt werden können.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren der Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei das Ausbilden der Schlitze, die charakteristische Abschnitte der Wabenstruktur darstellen, berücksichtigt wird.
Im Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in den Schritten zur Ausbildung der Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände ein Fluid auf die Wabenstruktur aufgesprüht, die ein unkalziniertes Keramikformteil oder ein kalziniertes Keramikformteil ist, wobei die Abschnitte der Trennwände, in denen die Schlitze auszubilden sind, durch das Fluid zur Ausbildung der Schlitze abgeschabt werden.
Als Fluid kann vorzugsweise jedes beliebige aus Druckluft, Wasserdampf und Wasser ausgewählte verwendet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wabenstruktur, die ein unkalziniertes Keramikformteil oder ein kalziniertes Keramikformteil ist, in den Schritten zur Ausbildung der Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände mit Laser bestrahlt, um die Abschnitte der Trennwände, bei denen die Schlitze auszubilden sind, zur Ausbildung der Schlitze zu verbrennen und zu entfernen.
Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzlich zu oben beschriebenen Verfahren verschiedenste Herstellungsverfahren in Betracht gezogen werden, wobei die oben beschriebenen Verfahren hinsichtlich der einfachen Ausbildung der Schlitze und der wirtschaftlichen Wirksamkeit bevorzugt werden.
Ein Abgasreinigungssystem gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht aus der Wabenstruktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und wird zum Auffangen, Sammeln und Entfernen der hauptsächlich aus Koh lenstoff bestehenden, in einem staubhältigen Fluid, wie z.B. Abgas eines Verbrennungsmotors, enthaltenen Materialteilchen verwendet. Dieses System umfasst die Wabenstruktur zur Verwendung als Filter zum Auffangen und Sammeln der Materialteilchen gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sowie Heizmittel zum Verbrennen der Materialteilchen, die durch die Wabenstruktur aufgefangen oder gesammelt werden, um die Filterfähigkeit zu erneuern.
In diesem System sind die Schlitze der Wabenstruktur im Wesentlichen durch die Ablagerung von Materialteilchen durch das Auffangen und Sammeln verschlossen. Wenn die Materialteilchen mittels Wärme bei deren Regenerationsbehandlung verbrannt werden, kommt es zu einer wesentlichen Öffnung der geschlossenen Schlitze. Wenn die Schlitze geöffnet sind, werden zumindest einige der nichtverbrannten Materialien, wie z.B. in der Wabenstruktur abgelagerte Asche, durch die Strömung des staubhältigen Fluids ausgestoßen.
Als Heizmittel des Systems wird vorzugsweise eines aus einem Elektroheizkörper, einem Brenner, der Gas oder Flüssigtreibstoff verwendet, einem mikrowellenerzeugenden Gerät oder einem Heizmittel zur Erhöhung der Abgastemperatur durch Verbrennen ausgestoßener unverbrannter Treibstoffkomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors mittels Katalysatorreaktion verwendet.
Beispiele
Im Folgenden ist die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen detaillierter beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
Druckverlustveränderungen durch Betriebsdauer
Eine Wabenstruktur mit einem Durchmesser von 144 mm, einer Länge von 152 mm, einer Trennwanddicke von 0,3 mm und einer Zelldichte von 46/cm² wurde verwendet, um ein Dieselpartikelfilter (DPF), umfassend eine herkömmliche Struktur, in der ein Ende jeder der Durchgangskanäle durch wie in 6(a) oder (b) gezeigte Verschlussabschnitte verschlossen wurde, herzustellen.
Das DPF wurde im Abgassystem eines Vierzylinderdieselmotors mit Direkteinspritzung vom Speichereinspritztyp und einem Hubraum von 2.000 cm³ eingebaut, um das Auffangen und Sammeln der Materialteilchen und die Regenerationsbehandlung wiederholt durchzuführen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Regeneration des DPF der mittels Nachspritzen in die Motorverbrennungskammer eingespritzte Treibstoff durch einen stromauf im DPF angeordneten Wabenoxidkatalysator verbrannt wird und die im DPF abgelagerten Materialteilchen durch erzeugte Hitze verbrannt werden.
7 zeigt die Druckverlustveränderungen des DPF während der Betriebsdauer, wenn das Auffangen und Sammeln der Materialteilchen und die Regeneration wiederholt durchgeführt wird. Zuerst stieg der Druckverlust des DPF während der Betriebszeit (beim Auffangen und Sammeln der Materialteilchen) an und erreichte den vorbestimmten ΔP_max-Wert, wonach mit der DPF-Regeneration begonnen wurde. Die Regeneration wurde nach vorgegebener Zeit beendet. Zu diesem Zeitpunkt sank der Druckverlust auf einen ΔP_min-Wert. Anschließend wurde das Auffangen und Sammeln der Materialteilchen wieder aufgenommen.
Bei Wiederholung des Auffangens und Sammeln sowie des Regenerationsschritts und wenn das DPF während der Regenerationsbehandlung konstant vollständig erneuert wird, kommt es zu keiner Veränderung des ΔP_min-Werts. Bei einem DPF mit herkömmlicher Struktur nimmt der ΔP_min-Wert durch die Ablagerung von nichtverbrannten Bestandteilen bei Langzeitgebrauch jedoch schrittweise zu. Durch den Anstieg des ΔP_min-Werts wird die Dauer zwischen erfolgten und zukünftigen Regenerationsbehandlungen (Regenerationsintervall = T) zunehmend kürzer, womit häufige Regenerationen erforderlich werden. Daraus ergeben sich Probleme, wie z.B. die beschleunigte Verschlechterung des Regenerationssystems, Verschlechterung des Verwendungsnutzens durch Einschränkungen der Betriebsbedingungen während der Regenerationsbehandlung sowie Verschlechterung der Treibstoffkosten in Zusammenhang mit der Regenerationsbehandlung. Da beim Betrieb in einem konstanten Regenerationsintervall sowohl der ΔP_min-Wert als auch der ΔP_max-Wert ansteigt, werden die Motoreigenschaften gemindert.
Gegenwart und Abwesenheit von Schlitzen sowie Auffang- und Sammelwirksamkeit Auf gleiche Weise wie im DPF (ohne ausgebildete Schlitze), einschließlich jenem mit herkömmlicher Struktur, bei der eine Wabenstruktur, die einen Durchmesser von 144 mm, eine Länge von 152 mm, eine Trennwanddicke von 0,3 mm und eine Zelldichte von 46/cm² aufwies, verwendet wurde, um ein Ende jeder der Durchgangskanäle durch wie in 6(a) oder (b) gezeigte Verschlussabschnitte zu verschließen, wurde ein DPF gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, bei dem ein Ende jeder der Durchgangskanäle verschlossen war. Ferner waren die Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die wie in 1 gezeigten jeweiligen Durchgangskanäle ausgebildet.
Auf gleiche wie oben beschriebene Weise wurde jedes dieser DPFs in das Abgassystem eines Vierzylinderdieselmotors mit Direkteinspritzung vom Speichereinspritztyp eingebaut, um Materialteilchen aufzufangen und zu sammeln, wonach die Auffang- und Sammelwirksamkeit im Laufe der Betriebsdauer überprüft wurde.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Teil des Abgases eingesaugt und stromauf und stromab des DPF durch das Filterpapier geleitet wird, die Rußmasse im am Filterpapier haftenden Abgas gemessen wird und die Auffang- und Sammelwirksamkeit aus nachstehender Gleichung erhalten wird.
Gleichung 1

Auffang- und Sammelwirksamkeit (%) = {1 – (Rußmasse stromab vom DPF)/(Rußmasse stromauf vom DPF)} × 100.

Die Ergebnisse sind wie in 8 angezeigt. Sogar beim DPF mit herkömmlicher Struktur, in der keine Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die jeweiligen Durchgangskanäle ausgebildet sind, ist die Auffang- und Sammelwirksamkeit unmittelbar nach Beginn des Auffangens und Sammelns der Materialteilchen gering, wobei die aufgefangene und gesammelte Menge im Laufe der Zeit ansteigt und die Auffang- und Sammelwirksamkeit tendenziell zunimmt. Im DPF gemäß vorliegender Erfindung, bei der in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die jeweiligen Durchgangskanäle Schlitze ausgebildet sind, strömt das Abgas so wie es ist aus den Schlitzen. Daher ist die Auffang- und Sammelwirksamkeit unmittelbar nach Beginn des Auffangens und Sammelns geringer als bei einem DPF mit herkömmlicher Struktur. Wenn die Schlitze durch Ablagerung von Materialteilchen verschlossen werden, nimmt die Auffang- und Sammelwirksamkeit mäßig zu, werden die Schlitze vollständig verschlossen und es kommt zu einer Auffang- und Sammelwirksamkeit, die jener eines herkömmlichen DPF entspricht.
Schlitzbreite und Auffang- und Sammelwirksamkeit
Eine Wabenstruktur mit einem Durchmesser von 144 mm, einer Länge von 152 mm, einer Trennwanddicke von 0,43 mm und einer Zelldichte von 16/cm² wurde verwendet, um ein Dieselpartikelfilter (DPF) herzustellen, bei dem ein Ende jeder der Durchgangskanäle durch Verschlussabschnitte verschlossen wurde, und es wurde ein Schlitz mit einer Länge von 10 mm und verschiedenen Breiten von 0 mm (ohne jegliche Durchgangsschlitze) bis 1,2 mm pro Durchgangskanal in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um jeden der Durchgangskanäle ausgebildet.
Jedes der DPFs wurde auf gleiche wie oben beschriebene Weise in das Abgassystem eines Vierzylinderdieselmotors mit Direkteinspritzung vom Speichereinspritztyp eingebaut, und die Materialteilchen aufgefangen und gesammelt, um die Beziehung zwischen Schlitzbreite und Auffang- und Sammelwirksamkeit in der vorgegebenen Betriebsdauer zu überprüfen.
Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt. Mit zunehmender Schlitzbreite nimmt die Auffang- und Sammelwirksamkeit schrittweise ab. Sogar bei einer Schlitzbreite von 0,8 mm kommt es jedoch zu einer ausreichenden Auffang- und Sammelwirksamkeit von 70 %, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Wirksamkeit ohne jegliche Schlitze (Schlitzbreite 0 mm) 80 % beträgt. Wenn die Schlitzbreite über 0,8 mm liegt, beginnt die Auffang- und Sammelwirksamkeit stark abzunehmen, wobei die Wirksamkeit in diesem Bereich sogar bei einer Schlitzbreite von 1 mm 60 % beträgt und der Bereich praktisch unbrauchbar ist. Wenn die Schlitzbreite über 1 mm liegt, ist viel Zeit erforderlich, bis der Schlitz durch Ablagerung der Materialteilchen verschlossen wird, nimmt die Auffang- und Sammelwirksamkeit stark ab und der Bereich eignet sich nicht zur praktischen Verwendung.
Wenn die Schlitzbreite ferner weniger als 0,2 mm beträgt, kommt es in manchen Fällen zu keiner ausreichenden Ausstoßung der Asche. Daher ist die Breite vorzugsweise auf 0,2 mm oder mehr eingestellt. Wenn die Schlitzbreite jedoch weniger als 0,4 mm beträgt, kommt es bei Niedergeschwindigkeitsbetrieb bei 1.000 U/min oder weniger mitunter zu keiner vollständigen Ausstoßung der Asche. Wenn die Schlitzbreite andererseits 0,4 mm oder mehr beträgt, wird die Asche sogar im Leerlauf im Wesentlichen vollständig ausgestoßen, wodurch diese Breite stärker bevorzugt wird.
Aus obigen Erläuterungen geht hervor, dass die Schlitzbreite vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 1 mm, noch bevorzugter im Bereich von 0,4 bis 0,8 mm, liegt.
Druckverlustveränderungen im Langzeitgebrauch
Auf gleiche Weise wie der DPF (ohne ausgebildete Schlitze), einschließlich jenem mit herkömmlicher Struktur, bei der eine Wabenstruktur, die einen Durchmesser von 144 mm, eine Länge von 152 mm, eine Trennwanddicke von 0,38 mm und eine Zelldichte von 23/cm² aufwies, verwendet wurde, um ein Ende jeder der Durchgangskanäle durch wie in 6(a) oder (b) gezeigte Verschlussabschnitte zu verschließen, wurden DPFs (vier Typen mit Schlitzbreiten von 0,2 mm, 0,4 mm, 0,8 mm und 1,0 mm) gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, bei denen ein Ende jeder der Durchgangskanäle durch einen Verschlussabschnitt verschlossen war. Ferner waren die Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die wie in 1 gezeigten jeweiligen Durchgangskanäle ausgebildet.
Auf gleiche wie oben beschriebene Weise wurde jedes dieser DPFs in das Abgassystem eines Vierzylinderdieselmotors mit Direkteinspritzung vom Speichereinspritztyp eingebaut, um das Auffangen und Sammeln der Materialteilchen sowie die Regenerationsbehandlung wiederholt durchzuführen, wonach die Druckverlustveränderungen im Langzeitgebrauch überprüft wurden. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich Auffangen und Sammeln sowie Regenerationsbehandlung 7,5 g an Materialteilchen aufgefangen und gesammelt wurden und die Regenerationsbehandlung in einem Zyklus durchgeführt wurde. Dieser Vorgang wurde 500 mal wiederholt.
Beim DPF mit herkömmlicher Struktur, der keine Schlitze in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die Durchgangskanäle aufwies, nahm der Druckverlust langsam zu und nach 500 Zyklen ergab sich ein Druckverlust, der das 1,3fache von jenem zu Testbeginn darstellte. Nach Testende wurde die Ablagerung der Asche als nichtverbrannte Bestandteile in den Materialteilchen im DPF ersichtlich. Beim DPF gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die jeweiligen Durchgangskanäle Schlitze mit einer beliebigen Breite von 0,2 mm, 0,4 mm, 0,8 mm und 1,0 mm ausgebildet waren, wurde nach 500 Zyklen der gleiche Druckverlust und die gleiche Auffang- und Sammelwirksamkeit wie zu Testbeginn erhalten. Nach Testende kam es zu keiner ersichtlichen Ablagerung an nichtverbrannten Komponenten in den Materialteilchen im DPF.
Herstellungsverfahren
Bei der Herstellung der Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wurden in den Schritten der Ausbildung zumindest eines Schlitzes pro Durchgangskanal in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände um die jeweiligen Durchgangskanäle sogar unter Anwendung beliebiger Herstellungsverfahren gemäß den zweiten und dritten Aspekten der vorliegenden Erfindung zufrieden stellende Ergebnisse erzielt.
Wie oben beschrieben, ist es bei Verwendung der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung als Filter zum Auffangen und Sammeln der im Abgas von Verbrennungs motoren, wie z.B. einem Dieselmotor, enthaltenen Materialteilchen möglich, die im Inneren abgelagerte Asche, verglichen mit dem Stand der Technik, ohne spezielle Mechanismen oder Vorrichtungen und ohne dass dabei das Filter aus dem Abgassystem getrennt werden muss, zu entfernen. Da die Wabenstruktur als Filter verwendet wird, kann darüber hinaus die im Filter abgelagerte Asche im Abgasreinigungssystem der vorliegenden Erfindung einfach entfernt werden.

Claims

Wabenstruktur, umfassend: eine Vielzahl an Einströmungskanälen (9b) mit Einströmungskanal-Verschlussabschnitten (11), die an einem Ende der Wabenstruktur in einem Schachbrettflaggenmuster angeordnet sind; eine Vielzahl an Ausströmungskanälen (9a) mit Ausströmungskanal-Verschlussabschnitten (11), die am gegenüberliegenden Ende der Wabenstruktur in einem Schachbretttlaggenmuster angeordnet sind; wobei sich die Ein- und Ausströmungskanäle axial entlang der Wabenstruktur erstrecken und durch poröse Trennwände (7) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Einströmungskanäle zumindest einen Schlitz (15) aufweist, der in zumindest einer der porösen Trennwände ausgebildet ist, die den Einströmungskanal vom Ausströmungskanal trennen, wobei der zumindest eine Schlitz in der Nähe des Einströmungskanal-Verschlussabschnitts ausgebildet ist.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, worin der zumindest eine Schlitz linear in axialer Richtung, entlang derer sich die Kanäle erstrecken, ausgebildet ist.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Schlitzbreite im Bereich von 0,2 bis 1 mm liegt und die Schlitzlänge 1 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht über einer Länge liegt, die kürzer als zwischen 30 mm und ½ der Wabenstrukturlänge ist.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Schlitzbreite im Bereich von 0,4 bis 0,8 mm liegt und die Schlitzlänge 2 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht über einer Länge liegt, die kürzer als zwischen 15 mm und ¼ der Wabenstrukturlänge ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Anzahl der Schlitze pro Durchgangskanal in der Nähe eines Außenumfangsabschnitts der Struktur höher ist als jene in einem Mittelabschnitt aus einer Umfangsseite der Wabenstruktur.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Schlitzlänge in der Nähe des Außenumfangsabschnitts der Struktur länger ist als jene in einem Mittelabschnitt aus einer Umfangsseite der Wabenstruktur.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Schlitzbreite in der Nähe des Außenumfangsabschnitts der Struktur breiter ist als jene in einem Mittelabschnitt aus einer Umfangsseite der Wabenstruktur.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Schlitzbreite von Schlitz zu Schlitz unterschiedlich ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin zumindest in der Nähe der Schlitze ein Oxidkatalysator gehalten ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, deren Trennwände Filtriermöglichkeiten aufweisen und deren Struktur als Filter zum Auffangen, Sammeln und Entfernen von Materialteilchen verwendet wird, die in einem staubhältigen Fluidum, wie z.B. einem Verbrennungsmotorabgas, enthalten sind.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Querschnittform des Durchgangskanals dreieckig, viereckig, hexagonal oder kreisförmig ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin eine Hauptkristallphase der Wabenstruktur beliebig aus Folgendem besteht: Cordierit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Mullit oder LAS.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das folgende Schritte umfasst: Aufspritzen eines Fluids auf eine Wabenstruktur, um zumindest einen Schlitz pro Durchgangskanal in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände vor oder nach Brennen einer grünen Wabenstruktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Fluid beliebig Druckluft, Wasserdampf oder Wasser ist.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das folgenden Schritt umfasst: Bestrahlen der Wabenstruktur mit einem Laserstrahl, um zumindest einen Schlitz pro Durchgangskanal in der Nähe der Verschlussabschnitte der Trennwände auszubilden.
Abgasreinigungssystem zum Auffangen, Sammeln und Entfernen von Materialteilchen, die Kohlenstoff als Hauptkomponente in einem staubhältigen Fluid, wie z.B. einem Verbrennungsmotorabgas, enthalten, wobei das System Folgendes umfasst: eine Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung als Filter zum Auffangen und Sammeln der Materialteilchen; und ein Heizmittel zum Verbrennen der Materialteilchen, die durch die Wabenstruktur aufgefangen oder gesammelt werden, um die Filterfähigkeit zu erneuern, worin zumindest ein in den porösen Trennwänden jedes der Einströmungskanäle der Wabenstruktur ausgebildeter Schlitz durch Ablagern der aufgefangenen oder gesammelten Materialteilchen verschlossen ist, wobei die verschlossenen Schlitze durch Verbrennen der abgelagerten Materialteilchen mittels Wärme bei deren Rege nerationsbehandlung geöffnet werden und zumindest einige der nichtbrennbaren Materialien, wie z.B. in der Wabenstruktur abgelagerte Asche, aus der Wabenstruktur durch die Strömung des staubhältigen Fluids zum Zeitpunkt der Öffnung der Schlitze ausgestoßen werden.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 16, worin das Heizmittel eines aus einem Elektroheizkörper, einem Brenner, der Gas oder Flüssigtreibstoff verwendet, einem mikrowellenerzeugenden Gerät oder einem Heizmittel zur Erhöhung der Abgastemperatur durch Verbrennen ausgestoßener unverbrannter Treibstoffkomponenten im Abgas eines Verbrennungsmotors mittels Katalysatorreaktion ist.