PURIFICATION DEVICE FOR THE EXHAUST GASES OF DIESEL ENGINES, PARTICULARLY IN MOTOR VEHICLES

Abstract: 1. A device for cleansing the exhaust gases of diesel engines, especially for motor vehicles, characterized by a plurality of macrocells (11), in a substrate of porous ceramic, said plurality being positioned in the flow of exhaust gas, with said macrocells having an opening connected with the stream of exhaust gas, and some or all being wholly or partly filled with a gas-permeable catalyst support (13), whose surface is coated with catalytic material.

Description: Vorrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren, insbesondere bei Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren, insbesondere bei Kraftfahrzeugen. Neben den als schädlich erkannten Russteilchen enthalten die Abgase von Dieselmotoren nur verhältnismässig kleine Mengen von Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffverbindungen und Stickoxyden. Bei bekannten Abgasfiltern für Dieselmotoren geht es daher in erster Linie darum, die Russteilchen aufzufangen und zu verbrennen, wobei gewisse Emissionsgrenzen für den Kohlenwasserstoffanteil im Abgas einzuhalten sind. Diese Grenzen werden vorgegeben durch nationale Vorschriften, massgeblich seitens der Environmental Protection Agency (EPA) der Vereinigten Staaten von Amerika. Diese Vorschriften legen die zulässige Emission an Russpartikelchen für das Modelljahr 1982 auf 0,6 g/mi (in Worten: Gramm pro Meile) und für das Modelljahr 1985 auf 0,2 g/mi für Personenkraftfahrzeuge fest. Derzeitige Vorstellungen für das Jahr 1990 gehen von einer Reduzierung der Russpartikelchen, bezogen auf die Gesamtdieselabgase um 74% aus. Diese Vorschriften sind dazu bestimmt, die Umweltbelastung erheblich zu reduzieren, wobei man in Rechnung stellt, dass beispielsweise im Jahr 1985 ca. 8 Mio. mit Dieselmotoren ausgerüstete Kraftfahrzeuge hergestellt werden und dass ein Personenkraftwagen ohne Abgasfilter durchschnittlich 30 bis 40 kg Russpartikelchen, bezogen auf eine Fahrstrecke von 100.000 km an die Umwelt ausscheidet. In der Fachwelt ist man sich darüber einig, dass die oben genannteEmissionsgrenze für 1985 nur durch- zusätzliche Filtervorrichtungen im Dieselabgas erreicht werden kann. Die Fachwelt geht ferner davon aus, dass geeignete Filtervorrichtungen Einrichtungen zur Regeneration benötigen, d.h. die anfallenden Russpartikelchen werden gesammelt und abgebrannt, sobald die Abgastemperatur die bei 450 bis 5000C liegende Verbrennungstemperatur des Russes erreicht hat. Ein bekannter Russfilter für Dieselabgase besteht aus einem Monolithen aus poröser Keramik, der aus zueinander parallelen dünnwandigen Kanälen aufgebaut ist, welche über dessen gesamte Länge durch baufen.¯Die Kanäle sind an ihren Stirnseiten nach einem Schachbrettmuster verschlossen bzw. offen, wobei jeder..anal ein offenes und ein verschlossenes Ende besitzt. Bei Einschaltung eines derartigen Keramikfilters in die Dieselabgase ;wirddas Auspuffgas, welches durch die einlassseitig offenen Ka näle eintritt gezwungen',' durch die porösen Kanalwände hindurch in die benachbarten, auslassseitig offenen Kanäle zu strömen. Dabei sammeln sich di Russpartikelchen, die zu 50% eine Grösse von mehr als 0,5 haben und daher die Kanalwände nicht passieren können, in den stromaufwärts offenen Kanälen an. Der Abbrand des in einem derartigen Filir angesammelten Russes erfolgt nicht vor Erreichen der genannten EntzündungstemperÅatur und nur bei einer bestimmten Sauerstoffkonzentration im Abgas. Zwischen zwei derartigen Regenerationsvorgängen kommt es mit zunehmender Beladung des Filters zu einem nicht unerheblichen Anstieg des Abgasgegendrucks. Bei besonders hoher Beladung kann der Russabbrand sehr heftig und unter Erzeugung unerwünscht hoher Temperaturen verlaufen. Unter ungünstigen Bedingungen besteht sogar die Gefahr, dass der Schmelzpunkt des Keramikmaterials überschritten wird. Obwohl mit einem derartigen Teilchenfilter eine hohe Filterwirkung von etwa 70% erreichbar ist, d.h. nur 30% der Partikelchen im Abgas gelangen durch den Auspuff nach aussen, sind die Abbrandbedingungen wegen des hohen und mit zunehmender Betriebsdauer im Grundniveau sogar allmählich ansteigenden Abgasgegendrucks und des plötzlichen starken Temperaturanstiegs bei der Ent kündung,des Russes verbesserungswürdig. Eine Vergleichmässigung des Russabbrandes wird erreicht durch eine andere bekannte Filtervor- richtung (DE-OS 30 24 491) bei welcher diese Auspuffgase durch eine mit einem Katalysator versehene Kammer geschickt werden, wobei der Katalysator ein Substrat aus fadenförmigem, metallischem Material in maschenbildender, gewobener oder zerklüfteter Form ist, welches mit katalytischem Material aus Metallen, Metallegierungen und Metalloxyden beschichtet ist. Im Katalysator komt es dabei zu einerkatalytischen Oxidation der rauchbildenden Partikel der Abgase, die infolge der Katalysatorwirkung nicht erst bei Temperaturen fiber 45O0C sondern bereits bei Temperaturen aab 2000 C anläuft. Die damit erzielte Vergleichmässigung der Verbrennung der Russpartikelchen im Dieselabgas ermöglicht den Betrieb dieses bekannten Katalysators bei verhältnismässig niedrigem Gegendruck des Abgases. Die Russpartikelchen werden nicht mehr angesammelt sondern brennen im Bereich -des Katalysators im Rhythmus der Abgaspulsation kontinuierlich ab. Dabei reicht für den Verbrennungsvorgang im Katalysator die bei Dieselmo toren übliche Betriebstemperatur von 4000 C ohne weiteres aus; Voraussetzung für die katalytische Oxidation ist lediglich ein Luftüberschuss im Ab gas und die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen, die unter der Katalysatorwirkung exotherm verbren nen. Die erreichte Filterwirkung liegt allerdings deutlicfrniedriger als bei dem oben erläuterten keramischen Filter, nämlich bei 40 bis 50%. . Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Filter für Dieselmotorabgase zu schaffen, der hinsichtlich der erzielten Filterwirkung mit dem bekannten ieramikfilter vergleichbar ist und bei dem eine gleichmässige Partikelverbrennung bei verhältnismässig niedrigem Abgasge gen.druck und niedriger Temperatur erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine in den Abgasstrom eingeschaltete Vielzahl von Makrozellen in einem Substrat aus poröser Keramik, welche jeweils-eine mit dem Abgasstrom verbundene Öffnung aufweisen und alle oder zu einem Teil mit einem gasdurchlässigen Katalysatorträger, dessen Oberfläche mit katalytischem Material beschichtet ist, ganz oder teilweise gefüllt sind. Dieser nach' den Unteransprüchen 2 bis 4 in seinen Einzelheiten noch ausgestaltete Grundgedanke vereinigt auf sich die Vorteile der gleichmässigen katalytischen Verbrennung der Abgase und der teilweisen Oxidation von Partikeln bei Temperaturen kleiner als 4500C mit denen der Ausfilterung auch feinster Russpartikelchen im Bereich der Wände der den Katalysator enthaltenden Makrozellen eines keramischen Substrats. Die in den Poren der Wände und deren Oberfläche gesammelten Russpartikelchen, die den Katalysator ohne Verbrennung passiert haben, werden im Gegensatz zu dem bekannten kera mischen Filter-gleichiria.ssig und bei Temperatu- ren unterhalb 4500 C verbrannt. Offenbar wird die erforderliche Energie durch die katalytische Reaktion geliefert. Dem kommt entgegen, dass der bevorzugt-in Form von Metallfäden vorhandene Katalysatorträger den Hohlraum der Makrozellen bis zu den Wänden hin ausfüllt, wodurch die katalytische Energie direkt oder in Form von Strahlung auf die porösen Wände der Makrozellen, an denen die flüchtigen Russpartikelchen gefangen sind, einwirken kann. Die katalytische Energie entsteht im wesentlichen bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen, die in freier Form oder angelagert an feste Kohlepartikel im Abgas vorhanden sind. Naeh einem weiteren Lösungsvorschlag sind die mit dem Katalysator gefüllten Makrozellen als langgestreckte einseitig offene Kanäle in einem mono lithischen Keramikkörper ausgebildet, wobei die Kanäle abwechselnd stromaufwärts oder stromabwärts offen bzw. geschlossen sind, etwa nach dem Bauprinzip des bekannten eingangs erörterten Keramikfilters aus Zellular-Keramik. Unterschiedlich zu den bekannten Keramikfiltern sind die Kanalquerschnitte erheblich grösser; statt 50 bis 200 (leerer) Kanäle pro Quadratzoll sieht die nach dem vorliegenden Lösungsvorschlag gewählte Keramikstruktur nur etwa 5 bis 15 Kanäle pro Quadratzoll, das sind etea 0,5 bis 4 Kanäle pro Quadratzentimeter vor. Diese Kanäle sind mit Einsatzkörpern in Form ton KDatalysatoren gefüllt, wobei der Katalysatorträger aus Metallfäden in Form von Draht oder Bandmaterial besteht, welche entsprechend der Hohlform der'Kanäle vorgepresst sind. Hingegen wird nach dem erfindungsgemässen Lösungs vorschlag die Wandstärke der Kanäle etwa gleich den bekannten Keramikfiltern gewählt; sie liegt unter 1 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,7 mm. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass pro Quadratzentimeter Stirnfläche des Keramikkäpers nur ein vollständiger Kanalquerschnitt vorgesehen ist. Es wurde bereits betont, dass die katalytischen Einsatzkörper im Querschnitt der Hohlform der Kanäle entsprechen, hinsichtlich ihrer Länge können sie die Kanäle ganz oder teilweise ausfüllen, wobei sich ein besserer Halt ergibt, wenn sie sich über die gesamte Kanalänge erstrecken. Zur Erreichung der angestrebten Filterwirkung von 60 bis 80% kann es nach der Erfindung ausreichen, dass nur die stromaufwärts effenen Kanäle jeweils mit einem Einsatzkörper versehen sind, da davon auszugehen ist, dass nur noch ein sehr kleiner Anteil der Russpartikelchen, und davon wiederum nur die mit den kleinsten Abmessungen von einem stromaufwärts offenen Kanal durch die Kanalwände hindurch in einen stromabwärts offenen Kanal gelangen können. !Am Anmeldungsgegenstand ist darüberhinaus besonders vorteilhaft, dass neben der üblichen Befestigung des Keramikmonolithen keine besonderen Be festigungsmittel für die Einsatzkörper im Inneren der- Kanäle erforderlich sind. Diese werden durch die Oberflächenreibung des Drahtgestrickmaterials an den Kanalwänden gehalten. Diese Möglichkeit bringt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem eingangs erläuterten bekannten katalytischen Filter bei dem aufwendige Vorrichtungen zur Befestigung des Katalystorträgers im Inneren einer Brennkammer erforderlich sind. Hinsichtlich des Abgasgegeridrucks wird eine deutliche Absenkung gegenüber dem bekannten, ohne jede katalytische Wirkung arbeitenden Keramikfilter erzielt. Erst die katalytische Verbrennung sorgt für einen kontinuierlichen Russabbrand im Bereich der Katalysator-Einsatzkörper. Die dabei entstehende Energie wird wiederum unmittelbar benutzt zum Abbrand der an den Kanalwänden gefangenen Russpartikelchen, die den .Katalysatore insatzkörper unverbrannt passieren konnten,so dass es zu keinerlei RuBansamm- lungen und damit zu keinerlei Verstopfungen der Ka naiwande bzw. der Kanäle selbe kommt. Diese bleiben stets frei für den ungehinderten Durchtritt der Abgase mit dem Ergebnis, dass der Abgasgegendruck das gewünschte niedrige Niveau von etwa 0,1 bis 0,2 bar aufweist. Im folgenden wird ein Ausfürungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung,welche einen axialen Längsschnitt durch eine an einen Dieselmotor angeschlossene Filtervorrichtung zeigt, erläutert. Der Zylinderkopf 1 eines Dieselmotors ist mit einem Abgassammler 2 verbunden, welcher an dem Auslass 3 des Motors angeschlossen ist. Vom Abgassammler 2 führt ein Rohrstutzen 4 die Abgase über einen Anschlussstutzen 5 in das Gehäuse 6 einer Filtervorrichtung für diese Abgase, deren Strömungsverlauf mit Pfeilen angegeben ist. Stromabwärts besitzt das Gehäuse 6 wiederum einen Anschlussstutzen 7 für den Anschluss an die restliche Auspuffleitung. Im Inneren des Gehäuses 6 ist ein monolithischer Keramikkörper 8 stosssicher mittels einer zwischen Gehäuse 6 und Umfangsfläche des Keramikkörpers angeordneten Drahtgestrickhülle 9 abgestützt. Damit durch die Drahtgestrickhülle 9 keine Abgase passieren können ist in diese ein gasdichter Ring 10 a integriert. Der monolithische Keramikkörper 8 besteht aus porösem Keramikmaterial, z.B. wie an sich bekannt aus Kordierit-Keramik. Der Monolith ist aufgebaut aus über dünne Wände aneinandergrenzenden axialen, zueinander parallelen Kanälen 10, 11, welche, im Querschnitt gesehen, abwechselnd, in der Draufsicht auf die Stirnseiten des Monolithen gesehen, schachbrettartig verteilt entweder am stromaufwärts liegenden pder am stromabwärts liegenden Ende verschlossen sind. Die stromaufwärts offenen Kanäle 11 sind also stromabwärts, die stromabwärts offenen Kanäle 10 sind stromaufwärts jeweils durch ei nen Boden 12, ebenfalls aus keramischem Material, verschlossen. Der Boden 12 kann auch eine grössere Dicke als die Kanalwände haben. Die in die stromaufwärts offenen Kanäle 11 einströmenden Abgase diffundieren,wie durch Pfeile angedeutetldurch de Kanalwände hindurch in benachbarte Kanäle 10, welche abgasseitig offen sind. Von besonderer Wichtigkeit ist nun, dass die Kanäle 10, 11 ausgefüilt sind mit Katalysatoreinsätzen 13, welche von den offenen Enden her in die Kanäle hineingesteckt werden. Es handelt sich bei den Katalysatoreinsätzen 13 um formgepresste Drahtgestrickkörper, wobei der Draht mit einer katalytisch wirksamen Oberfläche im Sinne.eines Oxidationskatalysators beschichtet ist. Die Einsätze 13 haben eine der Hohlform der Kanäle entsprechende Querschnittsform, beispielsweise çadratisch, so dass sie sich einschieben lassen und dort ohne besondere Halterung fixiert sind. Nur der besseren zeichnerischen Darstellung wegen sind die Einsätze in den stromabwärts offenen Kanälen 10 ohne Schraffur dargestellt. Aller dings ist es auch möglich, die stromabwärts offe- nen Kanäle 10 leer zu lassen, d.h. darin keine Einsätze 13 anzuordnen. Im Bereich der Katalysa tore)Lnsätze'-13 kommt es zur katalytischen Verbrennung der Russpartikelchen im Abgas, wobei die Kohlenwasserstoffbestandteile1die an die Kohlenstoffpartikelchen angelagert sindamit dem Sauerstoffgehalt des Abgases verbrannt werden zu Kohlendioxyd und Wasser; reiner Kohlenstoff wird zu Kohlendioxyd verbrannt. Die nicht bereits im Bereich der Katalysatoreinsätze 13 verbrannten Partikelchen setzen sich in den Poren der Kanalwände und an deren Oberfläche fest und werden dort durch die Energieeinwirkung aus der katalytischen Verbrennung ebenfalls verbrannt. Nur ein sehr geringer Teil der im Abgas enthaltenen Russpartikelchen, nämlich mit besonders kleinen Abmessungen, gelangt durch die Kanalwände in abgasseitig offene Kanäle und von -dort, falls darin keine katalytische Nachverbrennung stattfindet, in das aus der Filtervorrichtung ausströmende Abgas. Der Anteil dieser Partikelchen liegt bei ca. 20 bis 30%. Selbstverständlich ist für die katalytische Reaktion im Bereich des Russfilters eine bestimmte Abgastemperatur erforderlich. Infolge der katalytischen Verbrennung wird diese Temperatur jedoch von allen Dieselmotortypen, also auch solchen mit verhältnismässig niedrigen Verbrennungstemperaturen erreicht. Normalerweise beträgt die Temperatur- in dem aus dem Motorbrennraum austretenden Abgas ca. 400 C. Die katalytischen'Reaktionen laufen bereits ab 2060 C ab. Das Drahtgestrickmaterial der Einsatzkörper 13 besteht bevorzugt aus einer korrosionsbeständigen Metalllegierung, mit Nickel-und Chromanteilen. Derartige Materialien sind für den gleichen Zweck bekannt; dies gilt gleichermassen für die-katalytisch aktive Beschichtung die aus verschiedensten Metallen, deren Legierungen und intermetallischen Verbindungen zusammengesetzt ist. Was den keramischen Monolithen betrifft so entspricht die zeichnerische Darstellung einer möglichen tatsächlichen Ausführungform. Davon abweichend sind selbstverständlich kleinere und grössere Kanalquerschnitte denkbar. Die Dichte der Kanäle, gemessen pro stirnseitiger Flächeneinheit, liegt zwischen 0,5 und 4 Kanälen pro cm2 Stirnfläche. Die zeichnerische Darstellung liegt an der oberen Grenze dieses Bereiches. Die Wandstärke zwischen den Kanälen liegt etwa zwischen 0,3 und 0,7 mm. Die Porosität des Keramikmaterials liegt zwischen 35 und 55%, bei einem mittleren Porendurchmesser von 10 bis 35 sm.

Claims: Patentansprüche .. Vorrichtung zur Reinigung der Abgase xn Diesel motoren, insbesondere bei Kraftfahrzeugen 1. Vorrichtung zur Reinigung der Abgase von Diesel motoren, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, gekennzeichnet durch eine in den Abgasstrom eingeschaltete Vielzahl von Makrozellen in einem Substrat aus poröser Keramik, welche jeweils eine mit dem Abgasstrom verbundene Öffnung aufweisen und al-le oder zu ei nem Teil mit einem gasdUrci;i:ässigen -Xatalysator-- träger, dessen Oberfläche mit katalytischem Material beschichtet ist, ganz oder teilweise ge füllt sind. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische Material aus Metallen, Legierungen und intermetallischen Verbindungen besteht, die eine oxidierende-Wirkung haben. 3. Vorrichtung n & Anspruch 1 oder 2, ¯¯dadurch gekennzeichnet, dass der gasdurchlässige Katalysatorträger aus Metallfäden in Form von Draht oder Bandmaterial besteht, welche zu einzelnen, der Hohlraumform der Makrozellen entsprechenden Einsatzkörpern (33)verdichtet sind. 4.Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrozellen in einem monolithischen KeramikRörper ausgebildet sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrozellen, langgestreckte einseitig offene Kanäle (10,11) sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Makrozelen durch ein Bündel paralleler, in Strömungsrichtung der Abgase ausgerichteter abwechselnd entweder stromaufwärts oder stromab wärts offener bzw= stromabwärts oder stromauf wärts am Ende geschlossener Kanäle gebildet sind, derart, dass Öffnungen und Verschlüsse der Kanäle(10,11) über die Stirnseiten des Keramikkörpers (8) schach brettartig verteilt sind und dass wenigstens die stromaufwärts offenen Kanäle (11) jeweils mit einem Einsatzkörper-(13) versehen sind. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer grössten Wandstärke zwischen be nachbarten Kanälen (10,11) des Keramikkörpers:(8) von 2 weniger als 1,0 mm die Anzahl der Kanäle pro cm Stirnfläche des Keramikkörpers 0,5 bis 4 beträgt. 8.!Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro cm2 Stirnfläche des Keramikkörpers(8) nur ein vollständiger Kanalquerschnitt vorgesehen ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Kanäle (10,11) zwischen 93 und 0,7 mm beträgt. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle(10,11) quadratischen Querschnitt auf we isen 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass de Einsatzkörper(13) im Querschnitt entsprechend der Hohlform der Kanäle(10,11) und in ihrer Länge ent sprechend der ganzen oder teilweisen Längser streckung der Kanäle (10,11) ausgebildet sind.

Inventors: SANTIAGO, ENRIQUE, WOLSING, WILHELM
Applicants: ENGELHARD KALI-CHEMIE GMBH, ZEUNA-STARKER GMBH & CO KG
Application year: 1983
Main classification: F01N3
IPC codes: F02B3, B01D46, F01N3