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DE102013213191A1 - Partikelwandstromfilter zur Abgasnachbehandlung und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Partikelwandstromfilter zur Abgasnachbehandlung und Verfahren zur Herstellung desselben Download PDF

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Martin Gallinger
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelwandstromfilter (10) zur Abgasnachbehandlung mit einem Katalysator und einer Filterwand (30) aus einem porösen Werkstoff. Der Filter zeichnet sich dadurch aus, dass die Filterwand (30) ein Gemisch aus dem Katalysator und porösem Werkstoff enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Partikelwandstromfilters.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Partikelwandstromfilter zur Abgasnachbehandlung, der einen Katalysator enthält und eine Filterwand besitzt, die aus einem porösen Werkstoff besteht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Partikelwandstromfilters.
  • Die gesetzlichen Vorgaben zur Abgasnachbehandlung haben sich in den vergangenen Jahren deutlich verschärft. Insbesondere Abgase mit Rußpartikeln, wie sie von Dieselmotoren, aber auch von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen etc. entstehen können, werden heutzutage einer Abgasnachbehandlung unterzogen, bei der Partikelfilter Einsatz finden können. In Zukunft werden Partikelfilter zusätzliche Funktionen, wie zum Beispiel eine Stickoxidreduzierung erfüllen müssen.
  • Eine Ausführungsform eines solchen Partikelfilters ist ein sogenannter Wandstromfilter, bei dem das mit Partikeln behaftete Abgas bei der Durchdringung einer porösen Filterwand (Kanalwand) gefiltert wird. Hierbei lagern sich die Partikel zunächst durch Tiefenfiltration im Inneren der porösen Kanalwände ein, ehe eine Partikelabscheidung auf der Oberfläche der Kanalwände stattfindet. Für die Filterwände können unterschiedliche poröse Werkstoffe verwendet werden, die zumeist aus Fasern oder Pulvern aufgebaut sind (Faser- oder Kornstruktur). Die Fasern oder Pulver selbst bestehen aus keramischen Materialien oder Metallen. Klassische Keramiken für Partikelfilter umfassen Mullit, Cordierit, Siliziumcarbid und Aluminiumtitanat.
  • Der konkrete geometrische Aufbau des Partikelwandstromfilters hängt von der angedachten Verwendung, aber auch von den eingesetzten Materialien ab. So weisen aus Keramikpulver gefertigte Filter in der Regel eine Kanalstruktur auf, wobei die Kanäle wechselseitig verschlossen sind. Das Abgas wird dadurch gezwungen, die poröse Wand zu durchdringen. Beim Einsatz in Fahrzeugen sind insbesondere die Parameter Wandstärke, Zelldichte, Filtervolumen, Porosität und die Porenvolumenverteilung des Filters für die konkrete Auslegung bedeutsam.
  • Eine Regeneration des Filters erfolgt durch Oxidation der eingelagerten Partikel und wird notwendig, wenn durch die Rußpartikelbeladung ein zu hoher Abgasgegendruck den Abgasausstoß behindert. Die Regeneration erfordert in der Regel Temperaturen zwischen 600 und 800 °C. Zur Oxidation der von unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid sowie zur Begünstigung der Partikelfilterregeneration durch Erhöhung der Abgastemperatur können Oxidationskatalysatoren eingesetzt werden, die zumeist als Beschichtung auf der Filterwand des Wandstromfilters aufgetragen werden. Weiterentwicklungen sind Partikelfilter, die nach dem Prinzip der kontinuierlichen Regeneration (Continous Regenerating Trap (CRT)) arbeiten. Hier wandelt ein vorgeschalteter Oxidationskatalysator beziehungsweise die katalytisch wirkende Filterbeschichtung den in den Abgasen vorhandenen Stickstoffmonoxid zusammen mit dem vorhandenem Restsauerstoff in Stickstoffdioxid um, welches wiederum eine kontinuierliche Verbrennung des im Partikelfilter angesammelten Rußes zu Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid bei Temperaturen von ca. 400°C ermöglicht. Weiterhin ist auch eine Kombination von Partikelfiltern mit Katalysatoren zur Stickoxidreduzierung (z.B. Selective Catalytic Reduction (SCR) oder NOx-Speicherkatalysatoren) bekannt. SCR-Katalysatoren dienen zur selektiven Reduktion von Stickoxiden.
  • Bei bekannten Partikelwandstromfiltern mit katalytischer Aktivität sind die Katalysatoren als Beschichtung auf der porösen Filterwand aufgebracht. Zur Herstellung solcher Filter ist demnach ein zusätzlicher Prozessschritt, der Beschichtungsprozess, notwendig. Dieser Prozessschritt verursacht zusätzlich logistischen Aufwand (z.B. Filterherstellung und Beschichtungsprozess an unterschiedlichen Produktionsstandorten) und zusätzliche Prozesskosten.
  • Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden mithilfe des erfindungsgemäßen Partikelwandstromfilters zur Abgasnachbehandlung gelöst oder zumindest gemindert. Der erfindungsgemäße Partikelwandstromfilter enthält einen Katalysator und besitzt eine Filterwand aus einem porösen Wirkstoff. Der Filter zeichnet sich dadurch aus, dass die Filterwand ein Gemisch aus dem Katalysator und porösen Werkstoff enthält. Mit anderen Worten, die porösen Kanalwände des erfindungsgemäßen Partikelwandstromfilters enthalten einen Katalysator (SCR-aktives Material oder andere dem Stand der Technik eingesetzte Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung). De poröse Filterwand besteht aus einem Gemisch aus dem Katalysator und Grundmaterial (keramische Kornstruktur bzw. Fasermaterial).
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Fertigung eines Partikelwandstromfilters wesentlich vereinfacht werden kann, wenn die Katalysatoren bereits bei der Herstellung der Filterwand mit eingebracht werden. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Verteilung der Katalysatoren über das gesamte Volumen der Filterwand möglich ist, ohne die katalytische Aktivität nennenswert herabzusetzen. Zudem ist die Anbindung des Katalysators wesentlich verbessert und die Gefahr eines Abblättern/Abplatzen einer zusätzlich aufgebrachten Katalysatorbeschichtung gänzlich behoben. Weiterhin kann durch die Bereitstellung des Katalysators im gesamten Volumen der Filterwand auch die Regeneration des Filters über die gesamte Tiefe der Filterwand verbessert werden.
  • Zur Anbindung des Katalysators enthält die Filterwand vorzugsweise ein glasartiges oder keramisches Bindemittel. Gerade Bindematerialien auf Basis von Hochtemperaturglas eignen sich für die Versinterung unterhalb von 1000°C und beugen so einer Zerstörung des katalytisch aktiven Materials vor. Im Fall von Siliziumcarbid als porösem Werkstoff der Filterwand eignet sich insbesondere Quarzglas. Besonders geeignet ist hierfür eine rekristalisierende Glasphase, wodurch eine geringere Verfestigungstemperatur als die spätere Einsatztemperatur möglich ist. Die Endfestigkeit wird in diesem Falle durch Rekristallisation im ersten Betrieb erreicht. Bei Aluminiumoxid kann die Bindung insbesondere durch das Flussmittel Ton erfolgen. Alternativ können auch andere Materialien verwendet werden, die unterhalb von 1000°C ein signifikantes Kornwachstum aufweisen.
  • Der poröse Werkstoff zur Ausbildung der Filterwand ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Siliziumcarbid (SiC), Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und weiterer keramischer Oxide.
  • Die eingesetzten Katalysatoren umfassen vorzugsweise SCR-Katalysatoren und/oder Oxidationskatalysatoren. Die hochaktiven katalytischen Materialien können insbesondere aus kupfer- beziehungsweise eisendotieren Zeolithen sowie Cer/Zirkonium-Mischoxiden bestehen. Auch der Einsatz von Materialien mit NOx-Speicherfähigkeiten als weitere Komponente des Gemischs ist denkbar, insbesondere in Kombination mit einem NOx-Speicherkatalysator.
  • Der Katalysator ist vorzugsweise homogen über die Filterwand verteilt. In spezifischen Anwendungen kann jedoch auch eine abweichende Verteilung des Katalysators über die Filterwand vorgegeben werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelwandstromfilters der vorab beschriebenen Ausführung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
    • (i) Herstellen eines Formlings für die Filterwand aus einem Gemisch, das den Katalysator, ein glasartiges oder keramisches Bindemittel, einen den Werkstoff und gegebenenfalls Hilfsstoffe enthält; und
    • (ii) Sintern des Formlings zur Filterwand bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C.
  • Im Schritt (i) wird also zunächst ein Gemisch der Filtermaterialien über einen herkömmlichen Misch- und Knetprozess für keramische Extrudiermaterialien hergestellt. Als Hilfsmittel können herkömmliche Dispergiermittel, Bindemittel, Porenbildner und Viskositäts- und Gleitmodulatoren eingesetzt werden. Die Einbringung der einzelnen Komponenten des Gemisches muss nicht in einem Schritt erfolgen. So können beispielsweise auch zuvor imprägnierte Mischungen eingesetzt werden (zum Beispiel Imprägnierung des Katalysators mit dem Bindemittel). Wesentlich ist, dass die katalytisch aktiven Komponenten bereits bei der Rohmassenherstellung für die Substratherstellung beigemengt werden, so dass diese aktiven Komponenten später über den gesamten Kanalquerschnitt der Filterwand homogen verteilt sind.
  • Das Sintern des Formlings erfolgt bei Temperaturen unterhalb von 1000°C, so dass die katalytische Aktivität der beigemengten Katalysatoren nicht herabgesetzt wird (Schritt (ii)). Die konkret vorzugebende Temperatur hängt wesentlich von den eingesetzten Basiswerkstoffen für die Filterwand sowie dem verwendeten Bindemittel ab und ist im Einzelfall zu bestimmen. Ein nachfolgender Beschichtungsprozess ist bei dieser Methode nicht nötig.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Partikelwandstromfilter nach dem Stand der Technik und
  • 2 eine schematische Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßen Partikelwandstromfilter.
  • 1 zeigt stark schematisiert einen Schnitt durch einen herkömmlichen Partikelwandstromfilter 10, der in der vorliegenden Ausführungsform wechselseitig durch Stopfen 20 verschlossenen Kanäle 22 aufweist. Im Betrieb wird eine poröse Filterwand 24 von einem Abgas 26 durchströmt. Die Filterwand 24 besteht aus einem porösen Werkstoff beispielsweise einer porösen Keramik, und weist eine katalytisch aktive Beschichtung 28 auf. Die Beschichtung 28 enthält beispielsweise SCR-Katalysatoren oder Oxidationskatalysatoren.
  • Der erfindungsgemäße Partikelwandstromfilter 10 der 2 unterscheidet sich von der herkömmlichen Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt ist, im Wesentlichen dadurch, dass eine Filterwand 30 ein Gemisch aus dem Katalysator und porösen Werkstoff enthält. Mit anderen Worten, der Katalysator ist bereits integraler Bestandteil der Filterwand 30.
  • Die Herstellung einer solchen Filterwand 30 kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein Gemisch aus den einzelnen Komponenten, also einem pulverförmigen Basiswerkstoff (keramischer Grundwerkstoff) für die Filterwand 30, katalytisch aktivem Material, einem pulverförmigen Bindemittel sowie gegebenenfalls weiteren Hilfsstoffen zur Porenbildung beziehungsweise Viskositätsbeeinflussung hergestellt wird. Dieses Gemisch wird dann in üblicher Weise (zum Beispiel durch Extrusion/Strangpressen) geformt und thermisch bei Temperaturen zwischen 500 bis 1000°C gesintert/verfestigt. In Folge der thermischen Behandlung stellt das Bindemittel einen innigen Kontakt zwischen dem Katalysator und dem Basismaterial der Filterwand 30 her und trägt zur Stabilisierung sowie zur Verfestigung des Partikelfilters bei.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Partikelwandstromfilter
    20
    Stopfen
    22
    Kanäle
    24
    Filterwand
    26
    Abgas
    28
    Beschichtung
    30
    Filterwand

Claims (9)

  1. Partikelwandstromfilter (10) zur Abgasnachbehandlung mit einem Katalysator und einer Filterwand (30) aus einem porösen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwand (30) ein Gemisch aus dem Katalysator und porösem Werkstoff enthält.
  2. Partikelwandstromfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwand (30) ein glasartiges oder keramisches Bindemittel enthält.
  3. Partikelwandstromfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein Quarzglas oder Ton ist.
  4. Partikelwandstromfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumcarbid (SiC), Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und keramische Oxide.
  5. Partikelwandstromfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein SCR-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator ist.
  6. Partikelwandstromfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Zeolith oder Mischoxid ist.
  7. Partikelwandstromfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwand (30) ein Material mit NOx-Speicherfähigkeit enthält.
  8. Partikelwandstromfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator homogen über die Filterwand (30) verteilt ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Partikelwandstromfilters (10) zur Abgasnachbehandlung mit einem Katalysator und einer Filterwand (30) aus einem porösen Werkstoff, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: (i) Herstellen eines Formlings für die Filterwand (30) aus einem Gemisch, das den Katalysator, ein glasartiges oder keramisches Bindemittel, einen den Werkstoff und gegebenenfalls Hilfsstoffe enthält; und (ii) Sintern des Formlings zur Filterwand (30) bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1.000°C.
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