CATALYTIC FILTER FOR THE PURIFICATION OF DIESEL EXHAUST GAS

Abstract: 1. A catalytic filter for the purification of diesel engine exhaust gas, consisting of layers which are arranged in a pile to produce a gas-permeable package, or are wound up spirally to produce a gas-permeable body, the package or the wound body being sealed at the opposite front faces by cover means so that a sealed front face section is opposite an open front face section, characterised in that the layers consist of temperature- and corrosionresistant metal, and either a) in each case one layer of a wavy or folded screen cloth alternates with in each case one flat, closed cover layer, or b) in each case one layer of a wavy or folded screen cloth alternates with in each case one flat perforated cover layer, or c) in each case one layer of a wavy or folded sheet alternates with in each case one flat perforated cover layer and the filter is coated with a catalysis-promoting metal oxide, with filling of the cross-sections of the openings defined according to a), b) and c), and the oxide layer is designed to be permeable to gas.

Description: Katalytisches Filter für die Dieselabgasreinigung Die Erfindung betrifft ein katalytisches Filter für die Dieselabgasreinigung. Im Zuge der Verknappung der Welterdölvorräte werden Erdölprodukte und damit auch Treibstoffe für Verbrennungskraftmaschinen immer teurer. Man ist daher bestrebt, Motoren zu konstruieren, welche einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch haben. Eine Alternativlösung zu diesem Problem ist der Dieselmotor mit einem um mindestens ca, 5 % höheren Wirkungsgrad als mit Ottokraftstoffen betriebene Motoren. Ausgenommen hiervon sind sogenannte Magerkonzepte für Ottomotoren, jedoch sind diese konstruktiv noch nicht voll ausgereift. Mit den meisten Dieselmotoren sind ohne Katalysator sämtliche z. Z. gültigen Abgasgrenznormen einzuhalten. Das schliesst aber nicht aus, dass es durch Dieselmotoren häufig zu Umweltbelastungen kommt und bei einem prozentualen Anstieg der Zulassungszahlen ein echtes Problem daraus erwachsen könnte. Dieselmotoren emittieren nämlich neben den auch von Ottomotoren ausgestossenen Schadstoffen, wie CO, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden. bedingt durch ihre BetrieDsweise, auch Ruteilchen. bzw. feinste Kondensattröpfchen, oder ein Konglomerat von beiden (particu- lautes"). Diese "particulates" sind besonders reich an kondensierten, polynuklearen Kohlenwasserstoffen,von denen einige als krebserregend erkannt worden sind. Auch Aldehyde gehören zu den emittierten Stoffen und tragen zur Geruchsbelästigung der Umwelt bei. In manchen Ländern,wie in den Vereinigten Staaten, ist nun beabsichtigt, Grenzwerte zur Schadstoffe und "particuiates" in Dieselabgasen einzuführen: welche durch motorseitige Massnahmen nicht mehr erreicht werden können. Mit Abgasrückführung (EGR) kann zwar z.B. eine Reduzierung der NOx-Emission erzielt werden, führt aber gleichzeitig zu einer Uberproportionalen Erhöhung der ,1particulates". Andere Lösungen zur Reduzierung der Schadstoffe aus Dieselmotorabgasen schlagen vor, Russ und Kondensatteilchen in Fallen (particulate traps) einzufangen. Da aber die Temperaturen von Diesel abgasen normal er- weise nicht ausreichen um Russ abzubrennen - dazu sind mindestens 4500C nötig - muss für eine Erhöhung der Abgastemperatur zur Regenerierung der Falle gesorgt werden, um ein Akkumulieren von Russ und Kondensat und damit Verstopfungen zu vermeiden. Dies kann u. a. so geschehen, dass das Luft/Kraftstoffgemisch periodisch angefettet wird und sich dadurch hohere Abgastemperaturen ergeben Eine Anfettung des buft/Kraftstoffgemisches ist aber mit zusätzlichem Kraftstoffverbrauch verbunden und würde einen Vorteil des Dieselmotors teilweise wieder aufheben. Ausserdem kann ein Zünden einer Anhäufung von Russ- und Kondensatteilchen zu einem unkontrollierten, ja explo sionsartigen Abbrennen und mit zur Zerstörung der Falle bzw. des ganzen Auspuffsystems führen. Die im Dieselabgas enthaltenen fluchtgen Kohlenwasserstoffe. Kohlenmonoxid sowie aeruchsbelcst nenden Stoffe, wie Aldehyde können mittels Fallen o. ä. natürlich nicht abgeschieden werden; zu deren 3eseitigung ist die kata lytische Umsetzung erforderlian. Es bestünde zwar die Niöglichkeit, zum Abbau der genannten Schadstoffe einen Katalysator z. B. auf Basis eines monolithischen keramischen Verstärkerkörpers (siehe US-PS 3 597 165) einzusetzen, jedoch werden solche Anordnungen schon nach kurzer Qe-rieDszeit aufgrund ihrer relativ weit vom Motor entfernten Anbringung nach und nach mit Russ belegt und verlieren dadurch oft rasch ihre Aktivität. Die "particulates" können aber ungehindert die Kanäle des Verstärkers passieren ohne abgebaut zu werden. Andere Vorrichtungen behelfen sich zusätzlich zu einem Katalysator mit einem Filter zur Abscheidung von Russund Kondensatteilchen. Die Reinigung dieses Filters erfolgt mechanisch durch Abschütteln der Partikeln (GB 1 425 386). Es bleibt aber immer noch das Problem, dass die Partikel an einem nachoeschalteten Katalysator praktisch nicht umgesetzt werden. Die Erfindung betrifft nun eine Siebcewebeanordnung aus Metall, welche als hochwirksames Filter und/oder als Katalysatorträger angewandt weraen kann und das Abgas zum Durchströmen der Filterflchen zwingt. Diese Siebgewebeanordnung besteht aus temperatur- und korrosionsbeständigem Metall ml abwechselt mindestens einer Lage eines gewellten oder gefalteten Siebgewebes oder Bleches und mindestens einer ebenen, geschlossenen oder durchbrochenen Decklage, wobei die Lagen zu einem gasdurchlä.ssigen Paket geschichtet oder spiralig zu einem zylincrischen,ovalen, recnteckigen oder mehreckigen gasdurchl2ssigen Körper aufgewickelt sind und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Paket bzw. der Wickelkörper an den gegenüberliPgenden Scirnflächen so durch Abdeckmittel verschlossen ist, dass ein verschlossener Stirnflächenabschnitt einem offenen Stirnflcchen- abschnitt gegenüberliegt. Dabei kann die ebene Decklage ein glattes Blech oder ein metallisches Siebgewebe sein. Über eine, oder bei gleicher geometrischer Form, über mehrere Siebgewebelagen kann stirnseitig eine ihrem jeweiligen Profil angepasste U-förmige Einfassung geschoben sein, welche an ihr befestigt ist. Zur Fixierung der Siebgewebeanordnung hat es sich als günstige Lösung erwiesen, die Einfassungen mit den Lagen punktförmig oder flächig zu verschweissen oder zu verlöten. Eine aus abwechselnd mindes-tens einer Lage eines gewellten oder gefalteten Siebgewebes und mindestens einer ebenen, geschlossenen oder durchbrochenen Decklage hergestellte Packung oder Wicklung wird zweckmässig zur weiteren mechanischen Verfestigung stirnseitig verschweisst oder verlötet. Die so hergestellten Siebgewebeanordnungen können nach üblichen Verfahren, z. B. durch Elektroplattieren oder Imprägnieren mit Edelmetall und/oder Unedelmetall belegt werden. Sie können aber auch zu einer mit einem üblichen Trägermaterial für Katalysatoren überzogenen, mit Lösungen aktiver Kat2lysa¯0rmet¯:e imprägnierbaren, Trägermatrix verarbeitet werden. Dabei sind nach einer Ausführungsform der Erfindung cie einzelnen Lagen an ihrer Oberfläche mit einem katalysefördernden Trägermaterial, meist einem Metalloxid hoher Oberfläche, wie aktives A1203, soweit beschichtet, dass ein Teil des Öffnungsquerschnitts der durchbrochenen Lagen, d. h. der Siebgewebelagen, erhalten bleibt. Die Filterwirkung wird hier über die Maschenweite engestellt. Eine weitere Ausführungsform mit besonders intensiver Filterwirkung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sieb- gewebeanordnung mit einem katalysefördernden Metalloxid unter Füllung des Öffnungsquerschnitts der durchbrochenen Lagen beschichtet ist, wobei die Oxidschicht gasdurchlässig ausgebildet ist. D e Filterwirkung wird hier über die Porosität der Oxidschicht eingestellt. Als katalysefördernde Zusätze können in dieses Metall oxid noch die Elemente Cer, Zirkon, Eisen, Nickel, Seltene Erden, oder eine Kombination aus diesen, einge- baut werden. Die Trägermaterialzwischenschicht wird dann nach gängigen Verfahren.mit dem eigentlichen Katalysator versehen. Das zum Abdecken der Stirnflächen verwendete Mittel besteht aus temperatur- oder kor¯os onsbeständigem Material. Das Abdeckmittel kann aus einer keramischen Masse. einem Schweiss-oder Lötauftrag oder aus einer anliegenden und/oder befestigten Schablone bestehen, die gegebenen falls als eine einen Teil des Mantels des Pakets oder der Wicklung umgreifende Lochmaske ausgebildet ist. Als Abdeckmittel für die Strn=iachenabschnitte eignen sich besonders Stopfen aus einer keramischen Masse, welche aus Talk und Wasserglas besteht. Mit dieser Masse werden an den beschriebenen Slebsewebeanorcnunge. die einzelnen Kanäle so verstopft, dass abwechselnd ein verschlossenes Kanalende einem offenen Kanal ende gesenüDer- liegt, d. h. dass bei einer spiraligen Anordnung der Sieboewebelagen ein verschlossener Stirnflchenabschnitt zwei offenen Stirnflchenaasritten benachbart ist und umgekehrt. Die Abdeckung der Stirnflächenabschnitte kann auch derart erfolgen, dass eine an den Stirnflächen anliegende und/oder befestigte Schablone gegebenenfalls als eine einen Teil des Mantels des Pakets oder der Wicklung umgreifende Loch- oder Schlitzinaske ausgebildet ist, welche für die Schliessung der entsprechenden Kanalenden sorgt. Die Maske kann so gestaltet sein, dass sie bei einer spiralförmig aufgewickelten, ausschliesslich aus Sieb- gewebe gefertigten Matrix jeweils abwechselnd Abschnitte in der Breite der doppelten Amplitude der Wellung oder Faltung abdeckt und offenl=sst. wobei sich an gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils offene und geschlossene Abschnitte gegenüberstehen. Damit. wird erreicht, dass in einem offenen Stirnflächenanschnitt eintretendes Abgas an der diesem Abschnitt gegenüberliegencen Stirnseite nicht austreten kann, sondern die gasdurchlässigen Zwischenwände der Matrix passieren muss. Die spiralförmigen Öffnungssegmente können bis knapp um den Umfang einer Wicklung oder eines Paketes herumführen, wobei gewährleistet sein muss, dass zur Verhinderung von Bypasswirkung stets eine entsprechende Überlappung der verschlossenen Stlrnflächenanteile gegeben ist. Eine Segmentteilung der spiralörmig geschlitzten Flächen durch ungerade Zahlen. ist ebenfalls möglich. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Stirnflächen in der schon beschriebenen Art und Weise durch Schweiss- oder Lötauftrag verschlossen sein. Das verwendete Siebgewebe kann eine Bahn mit einer Maschenweite von 0,25 bis C,C25, vorzugsweise 0,1 bis 0,05 und mit einer Drahtstarke von 0,15 bis 0,025, vorzugsweise 0,1 bis 0,05, insbesondere 0,07 mm darstellen. Als geschlossene Decklagen finden Metallbänder mit einer Wandstärke unterhalb 0,15 mm Verwendung. Breite und Höhe der von den abwechselnd angeordneten glatten und gewellten, bzw. gefalteten Lagen umschlossenen Zellen, sollte nicht kleiner als 0,5 mm sein. Die gewellte Lage kann verschieden geformt sein. Günstig ist, wenn sie Sinusform oder die Form einer Evolvente oder eine rechteckige oder quadratische Form aufweist. Für die verwendete Siebgewebeanordnung eignen sich be sonder Bleche und Siebgewebe, welche aus einer Legierung von Eisen, Chrom, Aluminium und gegebenenfalls Cer oder Yttrium und den üblichen Legierungsbegleitelementen bestehen, bzw. andere hitzefeste und zunderbeständige Materialien. Die erfindungsgemässen Siebgewebeanordnungen in Paket oder Wicklungsform können zur mechanischen Stabilisierung in einem stirnseitig offenen Stahlmantel angeordnet und mit diesem durch Verlötung oder Verschweissen fest verbunden sein. Eine icrme solierung des Stahlman tels mit Hochtemperaturisoliermaterial kann von Vorteil sein. Muss der Filterkatalysator, z. 3. aus Platzgründen an Stellen kälterer Abgastemperauren installiert werden, oder soll bereits während der Kaltstartphase mit dem Abbau von Russ und 'sparticul2tes" begonnen werden, so kann von Vorteil sein, für den Filterkatalysator Stromzuführungen zu dauernder oder periodischer galvanischer Erhitzung der Lagen zu installieren. Die erfindungsgemässe Siebgewebeanordnung kann in Abgasreinigungsanlagen, insbesondere für Brennkraftmaschinen, als Filter für Stäube und/oder Aerosole und/oder als Trägermatrix für Katalysatoren verwendet werden. Als bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Reinigung von Abgasen aus Dieselmotoren ins Auge gefasst.Hierbei wird ein Filterkatalysator im Äuspuffkrümmer direkt am Motorblock plaziert. Ein Abbau der oxydierbaren flüchtigen Bestandteile des Abgases kann durch Vorsehen einer geeigneten katalytischen Beschichtung parallel dazu erfolgen. Es kann aber auch einer ausschliesslich als Filteranordnung ausgebildeten Ausführungsform ein normaler oder erfin dungsgemäss ausgebildeter Katalysator nachgeschaltet werden. Die Erfindung wird im folgenden anhand von verschiedenen wirkungsvollen Ausführungsformen, welche in der Zeichnung dargestellt sind. weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1: Grund- und Aufriss eines zylindri schen Wickelkörpers, bei dem ein mit Stopfen verschlossener Stirnflächen- abschnitt einer offenen Stirnflächen abschnitt gecenuerliegt; Fig. 2: zwei mögliche Formen von Abdeckmasken, wenn eine gewickelte Matrix ausser der äusseren Umhüllung zur Gänze aus Sieb gewebe besteht sowie die Teilansicht eines Schnittes durch einen solchen Wickelzylince¯. Fig. 3: verschiedene Kcnoinationsmöglichkeiten von Siebgewebe bzw. Blech und Fig. 4: eine schematwsche Darstellung einer erfindungsgemässen Siebgewebeanordnung mit Stromzuführungen zur galvanischen Erhitzung der Lagen. Wie aus Figur 1 ersichtlich, besteht eine Ausführung der Erfindung aus spiralig aufgewickelten Lagen aus glattem Siebgewebe, oder glatter Metallfolie und gewelltem Siebgewebe. Die dadurch gebildeten Kanäle sind an der einen Stirnseite bei 1 verschlossen und an der anderen Stirnseite bei 2 offen. Als Verschluss dient ein Stopfen 3 aus keramischer Nasse, bestehend z. B. aus einer gehärteten Talk/Wasserglas-Nasse.Das Abgas 4 tritt durch die Stirnseite an den offenen Kanälen des Filters ein, durchdringt die porösen Seitenwände 5 und tritt am anderen Ende an den offenen Seiten der Kanäle wieder aus. Zur Anwendung in Auspuffsystemen von Kraftfahrzeugen ist der Wickelkörper in einen Metallmantel 6 eingepasst und damit fest verbunden. Als Abdeckmittel zum partiellen Verschliessen von Stirnflächenabschnitten eignen sich aber aucn Loch- oder Schlitzmasken wie in Figur 2 cezeigt. Figur 2a und 2c stellen alternative Formen einer Schlitzmase dar. Mit ihnen werden Kreissegmente 7, 11 der Stirnflächen abgedeckt. während die nichtabgedeckten Segmente 8, 10 an der gegenüberliegenden StFrnfläche verschlossen sind. Figur 2b zeigt einen Schnitt durch eine zylindrische Anordnung von Siebgeweben, worin schematisch der Verlauf der Abgasströmung 4 durch die Siebgewebelagen 5 dargestellt ist. Die zur Abdeckung verwendete Schlitzmaske kann als Kappe 9 ausgeführt und mit dem Wickelkörper durch Verschweissen oder Verlöten fest verbunden sein. Wie Figur 3 zeigt, gibt es verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Siebgewebe 12 und Bleche 13. So können die gewellten oder gefalteten Lagen aus Siebgewebe und die Decklagen aus glatter Metallfolie bestehen, oder die gewellten oder gefalteten und die Decklagen aus Siebgewebe. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die gewellten oder gefalteten Lagen aus Blech herzustellen und als Decklage ein entsprechendes Siebgewebe zu verwenden. Wie erwähnt, kann es von Vorteil sein, den Filterkata lysator= vor Inbetriebnahme des Motors über Zündschloss und Zeitrelais vorzuheizen und dadurch die besonders in der Kaltstartphase eines Dieselmotors auftretenden Russmengen und "particulates abzubauen. Auch kann dies während normaler Betriebsphasen, z. B. bei zu niedriger Abgastemperatur oder zu starker Russansammlung auf dem Filter und dadurch bewirktem erhöhten Druckverlust im Abgassystem erforderlich werden. In Figur 4 ist schematisch die Möglichkeit dargestellt, einen erfindungsgemässen Filterkatalysator mit Hilfe einer normalen Autobatterie galvanisch aufzuheizen. So kann z. B. der Stromkreis während des Startvorganges automatisch für beispielsweise 30 Sekunden eingeschaltet werden. Anschliessend übernimmt entweder ein Zeitrelais oder ein Differenzdruckschalter die Kontrollfunktion über den Stromfluss.

Claims: Katalytisches Filter für die Dieselabgasreinigung PATENTANSPRÜCHE 1. Siebgewebeanordnung aus temperatur- und korrosions beständigem Metall aus abwechselnd mindestens einer Lage eines gewellten oder gefalteten Siebgewebes oder Bleches und mindestens einer ebenen geschlos senen oder durchbrochenen Decklage, wobei die Lagen zu einem gasdurchlässigen Paket geschichtet oder spiralig zu einem zylindrischen, ovalen, recht eckigen oder mehreckigen gasdurchlässigen Körper aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Paket bzw. der Wickelkörper an den gegenüberliegen den Stirnflächen so durch Abdeckmittel verschlossen ist, dass ein verschlossener Stirnflächenabschnitt einem offenen Stirnflächenabschnitt gegenüberliegt. 2. Siebgewebeanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die ebene Decklage ein Blech oder ein metallisches Siebgewebe ist. 3. Siebgewebeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch aekennzeichnet, dass über eine oder, bei gleicher geometrischer Form, über mehrere Siebgewebelagen stirnseitig eine ihrem jeweiligen Profil angepasste U-förmige Einfassung geschoben und an ihr befestigt ist. 4. Siebgewebeanordnung nach Anspruch 3, dadurch qe- kennzeichnet, dass die Einfassungen mit den Lagen punktförmig oder flächig verschweisst oder verlötet sind. 5. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 4, da durch gekennzeichnet, dass die Packung bzw. Wicklung stirnseitig verschweisst oder verlötet ist. 6. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 5, da durch gekennzeichnet, dass das Paket bzw. der Wickel körper mit einem Katalysator beschichtet ist. 7. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 6, da durch gekennzeichnet, dass der Katalysator auf einem katalysefördernden Metalloxid aufgebracht ist. 8. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 7, da durch gekennzeichnet, dass sie mit einem katalyseför werden Metalloxid so weit beschichtet ist, dass ein Teil des Öffnungsquerschnitts der durchbrochenen Lagen erhalten bleibt. 9. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 7, da durch gekennzeichnet, dass sie mit einem katalyseför dernden Metalloxid unter Füllung des Öffnungsquer schnitts der durchbrochenen Lagen beschichtet ist, wobei die Oxidschicht gasdurchlässig ausgebildet ist. 10. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 9, da durch qekennzeichnet, dass das Abdeckmittel aus tem peratur- oder korrosionsbeständigem Material besteht. 11. Siebgewebeanordnung nach Anspruch 10, dadurch qe- kennzeichnet, dass das Abdeckmittel aus einer kera mischen Masse, einem Schweiss- oder Lötauftrag oder einer anliegenden und/oder befestigten Schablone, die gegebenenfalls als eine einen Teil des Mantels des Pakets oder der Wicklung umgreifende Lochmaske ausgebildet ist, besteht. 12. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 11, da durch gekennzeichnet, dass das Paket bzw. die Wick lung in einem stirnseitig offenen, gegebenenfalls aussen mit einer Wärmeisolierung versehenen Stahl mantel angeordnet und mit diesem fest verbunden ist. 13. Siebgewebeanordnung nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, dass das Paket bzw. die Wicklung mit dem Stahlmantel verlötet oder verschweisst ist. 14. Siebgewebeanordnung nach den Ansprüchen 1 - 13, da durch gekennzeichnet, dass das Paket bzw. die Wick lung mit Stromzuführungen zur galvanischen Erhit zung der Lagen versehen ist. 15. Verwendung der Siebgewebeanordnung nach den vor stehenden Ansprüchen in Abgasreinigungsanlagen, ins besondere für Brennkraftmaschinen, als Filter für Stäube und/oder Aerosole und/oder als Trägermatrix für Katalysatoren.

Inventors: BOZON, ALFRED, KOBERSTEIN, EDGAR, DR., PLETKA, HANS-DIETER, DR., VOLKER, HERBERT, Völker, Herbert
Applicants: DEGUSSA AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: B01D53
IPC codes: F01N3, B01D46, B01D53, F02B3, B01J35