DE69328202T2

DE69328202T2 - Filterelement zur Steuerung der Abgasemission von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69328202T2
Application number: DE69328202T
Authority: DE
Inventors: Harry Cikanek; Vemulapalli Rao
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: DE69306715D1; EP0731256B1; DE69306715T2; US5758496A; EP0590814A2; EP0731256A3; JPH06193427A; DE69328202D1; EP0731256A2; EP0590814A3; EP0590814B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Emissionskontrolle von Brennkraftmaschinen, und insbesondere auf ein Filterelement zur Verringerung unerwünschter Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine.
Der kalifornische Gesetzgeber fordert gem. "Federal and California Air Resources Board (CARB)" von 1994 eine erhebliche Herabsetzung der Kohlenstoffpartikel-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxyd-Emissionen bei leichten Dieselmotoren. Wade u. a. in der US-Patentschrift 4,538,441 sowie Rao u. a. in der US- Patentschrift 4,544,388 lehren den Einsatz eines monolithischen Keramik-Bienenwabenfilters zum Auffangen der aus einem Dieselmotor ausgestoßenen Kohlenstoffpartikel (Ruß), mit anschließender Aufheizung eines Luftstromes durch den Keramikfilter unter Einsatz eines elektrischen Heizelementes bis auf eine ausreichend hohe Temperatur, die aufgefangenen Kohlenstoffpartikel zu entzünden. Eine monolithische Bienenwaben-Porenfilterstruktur aus Keramik ist auch in der JP-A 61 129 016 beschrieben, in welcher die Zellen parallele Ein- und Auslaßkanäle bilden, die durch poröse Wände von einander getrennt sind, durch welche die Gase dann strömen. Die Wände der Auslaßkanäle sind mit einer darauf aufgebrachten Beschichtung aus aktiviertem Aluminiumoxyd versehen, der außerdem noch ein Katalysatormetall der Platingruppe zugesetzt ist.
JP-A-56 148 607 offenbart eine Partikelfalle für Dieselmotoren mit einem Keramikkörper mit darin ausgebildeten parallelen Durchgangslöchern, die abwechselnd an ihren Eingängen und Ausgängen verschlossen werden und in ihren Eingangs- und Ausgangsbereichen einen Katalysator tragen. Bei dieser Falle strömen die Abgase über eine Katalysatorschicht erst nachdem sie durch die Wände hindurchgetreten sind, die die Durchgangslöcher von einander trennen, so daß die Partikel herausgefiltert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filterelement zur Minderung der unerwünschten Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine, mit einer Porenfilterstruktur mit mehreren verschachtelten parallelen Ein- und Auslaßkanälen, die durch poröse Längswände von einander getrennt sind, wobei besagte poröse Längswände den Durchgang der Abgase von besagten Einlaßkanälen in besagte Auslaßkanäle erlauben, und besagte Einlaßkanäle darin alle Rußpartikel, Rohabgase, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Öl auffangen, die in den Abgasen enthalten sind, wobei besagte Ausgangskanäle entlang ihren Seitenwänden einen Auftrag einer Schicht eines Oxydationskatalysators zur Förderung der Oxydation von Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen aufweisen.
Ein Filterelement dieser Art ist in der EP-A-0 056 584 offenbart.
Der vorliegenden Erfindung zufolge erstreckt sich die Schicht mit dem Oxydationskatalysator bis in die Poren der besagten porösen Längsseitenwände, so daß die Oberfläche des besagten Oxydationskatalysators erhöht wird, um so einen engeren Kontakt der Abgase mit dem Katalysator zu ermöglichen, wenn sie durch die Wände von den Einlaßkanälen in die Auslaßkanäle übertreten; sie ist etwa 100 Å bis 200 Å stark und besteht aus einer oder mehreren Schichten von Metallkristallplättchen mit einer Breite im Bereich von 100 Å bis 400 Å und einer Stärke von 50 Å bis 100 Å.
Insbesondere im Falle von Dieselmotoren arbeitet das Filterelement als Partikelfalle, indem es Rußpartikel aus den Abgasen filtert, wenn diese dort hindurchströmen, wobei eine Partikelschicht innerhalb der Einlaßkanäle gebildet wird, wo sie dann im normalen Motorbetrieb mit Hilfe eines Kraftstoffzusatzes gezündet und verbrannt werden kann, wie z. B. mit Hilfe eines Metalloktoats, das derart wirkt, daß ein reduzierfähiges Metalloxyd gebildet wird, das die Zündtemperatur der angesammelten Rußpartikel herabsetzt, wie dies von Rao in den US-A-4 655 037, 4 670 020 und 4 621 593 beschrieben wird. Die in den Ausgangskanälen angeordnete und wenigstens teilweise bis in die Poren der Längsseitenwände reichende Schicht aus Katalysatormaterial fördert dann die Oxydation von vom Motor ausgestoßenem Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, ohne daß sie durch übermäßige Rußpartikelmengen vergiftet bzw. zugedeckt wird, womit der Katalysator äußerst wirksam bei der Abführung der unerwünschten Gase aus den Abgasen ist.
Der Oxydationskatalysator wird vorteilhaft aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Platin, Palladium und Legierungen davon besteht, und das poröse Filterelement kann eine monolithische poröse Keramikstruktur sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das poröse Filterelement in einem Behälter eingeschlossen, welcher Mittel aufweist, mit welchen das Abgas vom Auspuffkrümmer der Brennkraftmaschine in die Einlaßkanäle des porösen Filterelementes geleitet werden kann.
Die Erfindung soll nun beispielartig näher erläutert werden, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigt:
Fig. 1: einen Schnitt durch ein Filterelement bzw. eine Partikelfalle gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2: eine vergrößerte Schnittdarstellung des Filterelementes, und
Fig. 3: eine Ansicht des Filterelementes im Querschnitt.
In der folgenden Beschreibung soll das Filterelement (bzw. die "Partikelfalle") in bezug auf ihren Einsatz in Verbindung mit einem Dieselmotor beschrieben werden.
Zunächst bezugnehmend auf Fig. 1, besteht die Partikelfalle 24 aus einem Metallgehäuse oder Behälter 36, das/der ein monolithisches Keramikfilterelement 38 enthält. Der Behälter 36 hat einen Eingangsflansch 40, der direkt oder nachgeschaltet hinter einem Turbolader am Auspuffkrümmer des Dieselmotors anschließbar ist, sowie einen Ausgangsflansch 42, der am hinteren Auspuffrohr 26 anschließbar ist.
Das Filterelement besteht aus einem durchlässigen Keramikmaterial, wie z. B. Cordit. Wie deutlicher in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, hat das monolithische Filterelement 38 eine aus mehreren parallelen Kanälen bestehende Bienenwabenstruktur. Die Kanäle sind abwechselnd aufgeteilt in Einlaßkanäle 44 und Auslaßkanäle 46. Die Einlaßkanäle 44 sind an einem Einlaßende 48 des Filterelements 38 offen und am Auslaßende 50 verschlossen. Die Auslaßkanäle 46 dagegen sind am Einlaßende 48 verschlossen und zum Auslaßende 50 hin offen. Die Einlaß- und Auslaßkanäle 44 und 46 sind durch dünne poröse Längsseitenwände 52 von einander getrennt, die über ihre ganze Länge den Durchgang der Abgase von den Einlaßkanälen 44 in die Auslaßkanäle 46 erlauben. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Einlaß- und Auslaßkanäle 44 und 46 in ihrer Querschnittsform im wesentlichen rechteckig, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die rechteckigen Einlaß- und Auslaßkanäle 44 und 46 sind ca. 20 bis 30 cm (8 bis 12 Zoll) lang und 2,1 mm (0,083 Zoll) weit. Die Länge der Einlaß- und Auslaßkanäle kann jedoch im Bereich von 5 bis 60 cm (2 bis 24 Zoll) liegen, und ihre Weite kann zwischen 1,25 und 3,75 mm (0,05 bis 0,15 Zoll) liegen. Das bienenwabenförmige monolithische Element 38 bietet eine sehr große Filteroberfläche pro Volumeneinheit, wodurch die Größe des Partikelfilters bedeutend gesenkt wird.
Die porösen Wände 52, welche die Einlaß- und Auslaßkanäle 44 und 46 von einander trennen, sind etwa 0,43 mm (0,017 Zoll) stark. Die Poren in den Seitenwänden 52 sind klein genug, Rußpartikel am Durchtritt zu hindern, so daß eine Schicht 54 aus Rußpartikeln und dem durch die Erwärmung der organometallischen Verbindungen in den Motorzylindern erzeugten Metalloxyd an den Innenflächen der Einlaßkanäle 44 wie dargestellt angesammelt wird.
Eine dünne Schicht 56 eines Oxydationskatalysators wird an den Innenflächen der Ausgangskanäle 46 aufgetragen. Der Oxydationskatalysator kann Platin, Palladium oder eine Platin-Palladium-Legierung sein, wie sie in üblichen Kraftfahrzeug-Katalysatoren verwendet werden. Wie in der Technik bekannt ist, sind Platin, Palladium und Legierungen derselben Katalysatoren, welche die Oxydation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd fördern, die Abfallprodukte der Kraftstoffverbrennung im Dieselmotor 10 sind, so daß die Emissionen von schadstoffhaltigen und unerwünschten Abgasen reduziert werden. Die Anordnung des Oxydationskatalysators in den Ausgangskanälen 46 ist überaus wirksam für die Entfernung von schädlichen und unerwünschten, aus dem Motor ausgestoßenen Gasen, da der Katalysator nicht durch überdicke Schmutzschichten vergiftet bzw. verstopft wird.
Die entlang der inneren Seitenwände der Ausgangskanäle geformte Oxydationskatalysatorschicht 56 reicht auch wenigstens halbwegs in die Poren hinein. In den Fig. 2 und 3 ist die Schichtdicke der Oxydationsschicht 56 nur zum Zwecke der Veranschaulichung übertrieben dargestellt. Diese Schicht besteht jedoch aus einer oder mehreren Schichten von Metallkristallplättchen mit einer Breite im Bereich von 100 Å bis 400 Å und einer Stärke von ungefähr 50 Å bis 100 Å, und ist daher selbst ca. 100 Å bis 200 Å stark und behindert nicht den Durchgang der Abgase durch die Poren des Keramikfilterelements. Der Auftrag des Oxydationskatalysators bis in die Poren ergibt eine bedeutende Erhöhung seiner Oberfläche, so daß ein engerer Kontakt der Abgase mit der Oxydationsschicht gewährleistet ist, wenn die Abgase von den Einlaßkanälen 44 in die Auslaßkanäle 46 überströmen und zum Auslaßende 50 des Filterelementes 38 hin abströmen.
Zurück zu Fig. 1, kann die Partikelfalle auch ein oder mehrere Abgasverteiler- bzw. Streuteile aufweisen, wie das zwischen dem Einlaßflansch 40 und dem Einlaßende 48 des Filterelementes 38 angeordnete Streuteil 58. Das Streuteil 58 hat mehrere Schlitze oder Öffnungen, welche die Abgase gleichmäßiger über den Einlaß des Filterelementes 38 verteilen. Auf diese Weise werden die in den Abgasen mitgeführten Rußpartikel gleichmäßiger über die zahlreichen Einlaßkanäle von Filterelement 38 verteilt.
Im Betrieb werden die Abgase aus dem Motor durch den Einlaßflansch 40 aufgenommen und durch das Streuelement 58 gleichmäßig verteilt. Wenn die Abgase durch die porösen Wände der Einlaßkanäle 44 in die Auslaßkanäle 46 hinüberströmen, werden die aus der Verbrennung des Kraftstoffes im Motor zusammen mit dem organometallischen Kraftstoffzusatz entstehenden Rußpartikel und reduzierbaren Metalloxyde 54 aus den Abgasen herausgefiltert und bilden die Schicht aus Rußpartikeln und Metalloxyden 54 an der Innenoberfläche der Einlaßkanäle 44.
Wenn dann die Abgase aus dem Motor die Oberflächen des Filterelementes für einen Zeitraum von mehr als acht Sekunden auf eine Temperatur im Bereich von 250 bis 360ºC (450 bis 675ºF) aufwärmen, fördert das reduzierbare Metalloxyd die Zündung der abgelagerten Rußpartikel und erzeugt Kohlendioxyd- und Kohlenmonoxydgase, die nun durch die Wände der Einlaßkanäle hindurchtreten. Auf diese Weise werden die abgelagerten Kohlenstoff-, d. h. Rußpartikel zu einem Gas reduziert, wodurch die Einlaßkanäle wirksam gereinigt werden.
Die als Ergebnis der Verbrennung des Kraftstoffes im Motor und der Zündung der im Filterelement gefangenen Rußpartikel erzeugten Gase treten durch die Längsseitenwände des Filter elements hindurch von den Einlaßkanälen 44 in die Auslaßkanäle 46, wo sie mit dem Katalysator reagieren und die überschüssigen Kohlenwasserstoffe verbrennen und Kohlenmonoxyd aufoxydieren. Da der Katalysator nicht "vergiftet" oder mit Schmutz verstopft wird, ist seine katalytische Wirkung größer, als sie bei einem ungeschützten Standardkatalysator sein könnte.
Wie in der US-A-4 670 020 beschriebene Versuche von Rao gezeigt haben, erfolgt die Zündung der im Filterelement 38 angesammelten Rußpartikel bei normalen Betriebsbedingungen des Fahrzeuges wiederholt, so daß der von den im Filterelement angestauten Rußpartikeln erzeugte Gegendruck normalerweise im Bereich eines Gegendruckes mit einem Wert liegt, wie er auch von einem sauberen Filterelement erzeugt wird, bis zu weniger als dem doppelten Wert des von einem sauberen Filterelementes bewirkten Gegendruckes. In der Praxis ist die Partikelfalle also selbstreinigend und wartungsfrei.
Ein Emissionskontrollsystem für Dieselmotoren, welches das erfindungsgemäße Filterelement enthält, ist in der EP-A-0 590 814 beschrieben und beansprucht, von welcher dieser Anwendungsfall abgeteilt ist.
Das erfindungsgemäße Filterelement bzw. Partikelfalle kann vorteilhaft auch in Verbindung mit einem fremdgezündeten Benzinmotor eingesetzt werden. Wie in der Technik bekannt ist, wird bei einem solchen Motor dem Motor ein fettes Luft-Kraftstoff- Gemisch zugeführt, um den Kaltstart zu erleichtern. Dieses fette Luft-Kraftstoff-Gemisch enthält mehr Kraftstoff (Benzin) als durch den Verbrennungsprozeß in den Motorzylindern verbraucht werden kann. Daraus ergibt sich, daß unverbrannter Kraftstoff und überschüssige Kohlenwasserstoffmengen in den Abgasen enthalten sind. Zusätzlich dazu ist bei kaltem Motor die von den Kolbenringen gebotene Abdichtung zwischen den Kolben und den Zylinderwänden weniger als die gewünschte Dichte und läßt geringe Mengen unverbrannten Schmieröles durch, das dann in die Abgase eintritt. Dieses unverbrannte Öl enthält Zinkthiophosphat (ZTP), welches den Oxydationskatalysator im katalytischen Wandler des Fahrzeuges vergiftet.
Die Partikelfalle 24 ist wie dargestellt am Auspuffkrümmer 22 des Benzinmotors angeschlossen. Beim Kaltstart werden die in den Abgasen enthaltenen Rohgase, unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Öl herausgefiltert und an den Innenflächen der Einlaßkanäle des porösen Keramikfilterelementes 38 in der gleichen Weise gesammelt, wie die Rußpartikel in den Abgasen eines Dieselmotors gefiltert und gesammelt werden. Nachdem der Motor gestartet wurde, wird die Kraftstoffanreicherung des dem Motor zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches unter Anwendung eines vorgegebenen Schemas allmählich beendet. Beim Erwärmen des Keramikfilterelementes 38 durch die Abgase vom Motor verdampfen die Rohgase und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, und das Öl zerfällt unter Zurücklassung des Zinkthiophosphatrestes an den Innenflächen des Einlaßkanals. Die Filterung der Rohgase, der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Öls schützt den Oxydationskatalysator 56 vor Vergiftung oder Verstopfung mit Rohgas und Öl, so daß die Katalyseoberflächen der Ausgangskanäle wirkungsvoller bei der Entfernung von Kohlenmonoxyd, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und anderen unerwünschten Gaskomponenten aus den Abgasen sind.

Claims

1. Filterelement (24) zur Minderung unerwünschter Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine, mit einer porösen Filterstruktur (38) mit mehreren verschachtelten parallelen Einlaß- und Auslaßkanälen (44, 46), die durch poröse Längsseitenwände (52) von einander getrennt sind, wobei besagte poröse Längsseitenwände ein Durchtreten der Abgase von besagten Einlaßkanälen (44) in besagte Auslaßkanäle (46) ermöglichen, und wobei besagte Einlaßkanäle (44) darin alle in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel, Rohgase, unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Öl sammeln, wobei besagte Auslaßkanäle (46) an ihren inneren Längswänden eine Schicht (54) eines Oxydationskatalysators zur Förderung der Oxydation von Kohlenmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

besagte Schicht (54) des Oxydationskatalysators bis in die Poren der besagten porösen Längsseitenwände reicht, so daß die Oberfläche des besagten Oxydationskatalysators vergrößert und ein innigerer Kontakt zwischen den Abgasen und dem Katalysator erzielt wird, wenn diese von den Einlaßkanälen in die Auslaßkanäle durch die Wände hindurchtreten, und daß sie ca. 100 Å bis 200 Å stark ist und von einer oder mehreren Schichten von Metallkristallplättchen gebildet wird, welche eine Breite im Bereich von 100 Å bis 400 Å und eine Stärke von ungefähr 50 Å bis 100 Å aufweisen.

2. Filterelement nach Anspruch 1, in welchem besagter Oxydationskatalysator aus einer aus Platin, Palladium und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

3. Filterelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin besagte poröse Filterstruktur (38) in einem Behälter (36) einge schlossen ist, welcher Mittel (40) enthält, um die Abgase von dem Auspuffkrümmer der Brennkraftmaschine in die Einlaßkanäle (44) des porösen Filterelements zu leiten.

4. Filterelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagte poröse Filterstruktur (38) eine monolithische poröse Keramikstruktur ist.

5. Filterelement nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, welches außerdem ein vor dem Einlaßende (48) der porösen Filterstruktur (38) angeordnetes Gasstreuelement (58) enthält.