用於從氣體流中去除顆粒的過濾器及其製造方法

2023-05-14 00:29:56 2

專利名稱：用於從氣體流中去除顆粒的過濾器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的用於從氣體流中去除顆 粒、尤其是從內燃機的排氣流中去除碳煙顆粒的過濾器。
背景技術：
這種過濾器例如使用在壓燃式內燃機、特別是柴油驅動的機動車的廢 氣後處理裝置中。通常，這種用於去除顆粒的過濾器、即所謂的顆粒過濾 器由陶瓷材料即碳化矽、鈦酸鋁和/或堇青石製成。這些顆粒過濾器通常以 具有交替封閉的通道的蜂窩狀陶瓷的形式構成。這種顆粒過濾器具有大於
80%至通常大於90%的過濾效率。但是困難不僅在於碳煙顆粒的過濾而且 也在於過濾器的再生。為此，使燃料或者其分解產物在包括顆粒過濾器的 廢氣後處理裝置中催化地氧化，以便產生對於點燃碳煙必要的溫度。在熱 再生階段期間對於過濾器的熱穩定性提出了最高的要求。
過濾器材料與廢氣成份的熱化學反應以及在機動車壽命中的運行期間 聚積在過濾器上的例如由機油、燃料、燃料添加劑或者發動機磨損物構成 的灰降低陶瓷過濾器的機械強度和熱化學強度。通過熱化學反應老化的過 濾器尤其是當該過濾器由堇青石和鈦酸鋁材料製成的情況下具有比未老化 的過濾器高的失效概率。該失效概率隨著熱載荷的增高而增大。
目前通常使用這樣顆粒過濾器，其陶瓷的過濾器基體未被塗層或者僅 設有一個催化活性的塗層。

發明內容
一種按本發明構成的用於從氣體流中去除顆粒、尤其是從內燃機的排 氣流中去除碳煙顆粒的過濾器包括一個由陶瓷的過濾器基體構成的過濾器
體，其中，該過濾器基體被塗層。所述塗層包括至少一種下面的物質
(a) 至少一種從oc-氧化鋁、，氧化鋁、5-氧化鋁和6-氧化鋁中選出的 氧化鋁，
(b) 添加了二氧化矽、 一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、 一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧化物的一種或多種的混 合物的水合氧化鋁，
(C) 二氧化矽或者富矽的沸石，
(d) 添加了一第三至第六族金屬的至少一種氧化物或者一種包括鑭在 內的鑭系元素的氧化物的二氧化鈦，或者
(e) —種由二氧化鋯與一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、與一 包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者與所述氧化物的一種或多種 的混合物組成的混合物。
通過塗層產生封閉的表面蓋層，通過該蓋層防止陶瓷的過濾器材料、 尤其是鈦酸鋁或者堇青石受到廢氣成份、尤其是灰的熱化學侵蝕。這通過 如下方式實現，即本發明的陶瓷蓋層持久地、也就是說在車輛壽命期間耐 受在行駛運行中和在再生期間的水熱條件。本發明的塗層以及本發明的塗 層過程適合於儘可能完全地對包括內部的孔隙結構在內的過濾器的總表面 進行塗層。
例如通過將一第三至第五族金屬的至少一種氧化物或者一包括鑭在內 的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧化物中的多種的混合物添加到氧
化鋁中可以實現a-氧化鋁、Y-氧化鋁、5-氧化鋁以及e-氧化鋁的熱穩定性 和水熱穩定性的進一步提高。同樣，水合氧化鋁的水熱穩定性和熱穩定性 通過添加所述氧化物中的至少一種提高，使得被這樣添加的水合氧化鋁同 樣適合於作為塗層。氧化鋁中和/或在水合氧化鋁中，所述第三至第五族金 屬的氧化物或者包括鑭在內的鑭系元素的氧化物或者所述氧化物的一種或 多種的混合物的份額在1至20%重量百分比的範圍中。
適合於形成塗層的氧化鋁優選在粉末狀中具有大於30m2/g的BET表 面。該BET表面根據DIN 66131和ISO 9277通過Brunauer、 Emmt和Teller 的氣體吸附理論確定。氧化鋁的堆積密度優選大於0.3g/cm3並且孔隙體積 在0.2至1.3ml/g的範圍中。被添加的氧化鋁或者多種氧化鋁的混合物也具 有相應的BET表面、堆積密度和孔隙體積。
通過添加二氧化矽也可以提高a-氧化鋁、y-氧化鋁、S-氧化鋁和e-氧 化鋁和/或水合氧化鋁的熱穩定性和水熱穩定性。
此外， 一種由二氧化鋯與一種或多種第三至第五族金屬的氧化物、與 一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者與所述氧化物的一種或多 種的混合物組成的混合物適合於塗層。二氧化鋯的適合於形成塗層的混合
5氧化物優選在粉末狀中具有大於5m"g的BET表面，其中，該BET表面如 上所述的那樣的確定。
另外，二氧化矽也適合於對過濾器基體進行塗層，以便提高熱穩定性 和水熱穩定性。熱穩定性和水熱穩定性的進一步提高通過以下方式實現， 即在氧化矽中攙入一第三至第五族金屬的至少一種氧化物或者一包括鑭在 內的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧化物中的多種的混合物。在二 氧化矽中，所述第三至第五族金屬的或者包括鑭在內的鑭系元素的每種氧 化物的份額在1至30%重量百分比的範圍中。
除了以顆粒形式的無定形二氧化矽之外，富矽的沸石、尤其是S/A比 例大於50的沸石、尤其是Y、 P、 ZSM型沸石或者這些類型的沸石的混合 物或者包含這些類型的沸石的混合物也適合於進行塗層。在此，所述沸石 優選為氫型或者具有交換的過渡金屬、尤其第六至第十二族的元素。
除了上述的氧化物之外，二氧化鈦也適合於陶瓷過濾器基體的塗層。 足夠的熱穩定性和水熱穩定性通過以下方式實現，即在二氧化鈦中攙入一 第三至第六族金屬的至少一種氧化物或者一種包括鑭在內的鑭系元素的氧 化物。所述一第三至第六族金屬的至少一種氧化物、 一包括鑭在內的鑭系 元素的至少一種氧化物或者所述氧化物的一種或多種的混合物中，每種氧 化物的份額優選為1至60%重量百分比。特別適合於攙入到二氧化鈦中的 是氧化釩和氧化鉤。
所述必要時被添加的氧化鋁、所述被添加的水合氧化鋁、所述二氧化 矽或者富矽的沸石、所述二氧化鈦以及所述二氧化鋯能夠以各種任意的混 合對陶瓷的過濾器基體進行塗層。
本發明的塗層優選施加在過濾器的流出側或者中心區域中。在此，過 濾器基體的這樣一個側面被認為是流出側的區域，淨化掉顆粒的氣體在該 側面上流出。過濾器橫截面的中部區域被認為是中心區域。
另外也可能的是，過濾器的不同區域用不同的材料或者用不同的層厚 度進行塗層。
為了製造本發明的塗層，塗層材料例如以顆粒形式作為粉漿或者溶膠 施加到燒結的陶瓷過濾器基體上並且緊接著通過烘乾、煅燒或者燒結進行 固定。如果塗層材料被摻雜或者包含攙兌物，則添加物例如可以以溶液的 形式在製造粉漿期間或者直接在對過濾器基體塗層之前添加至粉漿。另外， 也可能的是，在預形成的蓋層實現所述添加。為此，用添加物的溶液浸漬所述預形成的蓋層。這例如通過噴灑、浸入、浸溼或本領域技術人員公知 的類似方法實現，通過所述方法可以實現添加物在表面上的改變的分布。
攙兌的物質例如可以以固體物質的形式作為氧化物、氫氧化物或者鹽 優選碳酸鹽、硝酸鹽或者醋酸鹽混合到待添加的塗層材料中或者作為溶膠 滲雜到待添加的塗層材料中。
所述塗層例如也可以以顆粒的形式作為粉漿或者作為溶膠通過噴灑、 浸入、浸溼或類似的塗層方法施加到陶瓷過濾器基體上。此外，基於真空 的塗層方法也是合適的。
適合於構成塗層的材料的平均顆粒尺寸(D 50)在一個寬的範圍中變 化。2rnn至20pm尺寸的顆粒尤其合適。這些顆粒例如通過沉澱方法或者熱 解方法獲得。研磨方法也適合於調節顆粒尺寸和顆粒尺寸分布。當通過沉 澱方法產生顆粒時，例如可以使用鋁鹽溶液和/或鋯鹽溶液以及必要時作為 附加物的添加劑鹽溶液作為前驅體(Prakursoren)。
適合的蓋層例如通過納米微粒、即平均直徑小於l)iim的顆粒和微粒、 即平均直徑大於lpm的顆粒、可能具有雙峰或多峰的顆粒尺寸分布、的組 合獲得。總體上，平均直徑大於20,的顆粒的份額小於20%重量百分比。 納米顆粒和微粒不僅可以在一個層中而且可以在兩個或多個疊置的層中彼 此結合。
通過顆粒的顆粒尺寸分布(通過這些顆粒對過濾器基體進行塗層)和 塗層物質的流變(reologisch)特性，所述顆粒適合於覆蓋整個過濾器基體 表面、甚至內部的過濾器基體表面。優選的是，不對所謂的微裂紋、即在 過濾器基體的各個微晶內的裂紋進行塗層。
陶瓷的蓋層在過濾器基體上的固定例如通過烘乾(Trocken)、煅燒和 燒結實現。通過改變為了形成蓋層而施加的陶瓷材料的量可以改變蓋層的 厚度。過濾器用用於塗層的陶瓷材料的加載與過濾器體積有關並且相對於 過濾器總體積而言優選在0.61g/l與61g/l之間。


在圖中示出本發明的實施例，下面進行詳細說明。其中
圖1是一個內燃機的示意圖，其包括一個本發明的廢氣後處理裝置，
圖2是本發明的過濾器元件的縱剖視圖，
圖3是被塗層的過濾器基體的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出一個內燃機的示意圖，其包括一個本發明的廢氣後處理裝置。 在此，該廢氣後處理裝置是一個過濾器，在該過濾器中將碳煙顆粒從排氣 流中分離出。
內燃機10連接在一個廢氣管12上，在該廢氣管中設置一個過濾裝置
14。藉助該過濾裝置14將碳煙顆粒從在廢氣管12中流動的廢氣中過濾出。 這尤其在柴油機中是必要的，以便遵守法律規定。
過濾裝置14包括一個圓柱形的殼體16，在該殼體中設置一個在本實施 例中旋轉對稱的、總體上同樣圓柱形的過濾器元件18。
圖2以縱剖視圖示出一個本發明的過濾器元件。
該過濾器元件18例如作為擠出的成型體由一種陶瓷材料、例如鎂-鋁-矽酸鹽、優選堇青石製成。該過濾器元件18被廢氣沿箭頭20的方向流過。 廢氣通過一個流入面22流入到過濾器元件18中並且通過一個流出面24離 開該過濾器元件。
多個流入通道28與流出通道30交替地平行於過濾器元件18的縱軸線 26延伸。流入通道28在流出面24上封閉。為此，在所示的實施形式中設 置了一些封閉塞子36。但是取代封閉塞子36地也可能的是，流入通道28 朝流出面24逐漸變細，直到流入通道28的壁接觸並且從而使流入通道28 封閉。在這種情況中，流入通道28在平行於縱軸線26的方向上具有三角 形的橫截面。
相應地，流出通道30在流出面24上敞開並且在流入面22的區域中封閉。
由此，未淨化的廢氣的流動路徑通到這些流入通道28之一中並且從那 裡通過一個過濾壁38通到這些流出通道30之一中。這通過箭頭32示範地 表示。
在圖3中示出被塗層的過濾器基體的示意圖。 一個過濾壁38由一種陶 瓷的過濾器基體製成。該陶瓷的過濾器基體由各個總體上通過燒結彼此連 接的微晶40構成。該陶瓷的過濾器基體優選是碳化矽、鈦酸鋁或者堇青石。 所述材料的混合物也是可能的。在所述陶瓷的過濾器基體的各個微晶40之 間存在孔隙42，所述孔隙被待淨化的氣體流流過。包含在氣體流中的顆粒 被過濾壁38的陶瓷的過濾器基體阻擋。從該氣體流中排出的顆粒也沉積到孔隙42中。由此，過濾壁38中的自由的橫截面減小並且壓力損失通過過 濾壁38提高。由於這種原因必要的是，以規定的間隔將顆粒從孔隙中排出。 這通常通過熱再生實現，其方式是將過濾器加熱到大於60(TC的溫度。在該 溫度上，通常有機的顆粒燃燒成二氧化碳和水並且氣態地從顆粒過濾器中 排出。
因為由碳化矽、鈦酸鋁和/或堇青石構成的過濾器基體通常對於所述高 溫不能持久穩定，所以各個微晶40根據本發明設有一個塗層44。該塗層 44優選是陶瓷的塗層，該塗層對於在再生顆粒過濾器時產生的高溫是穩定 的。合適的塗層材料例如如上面已經說明的那樣是必要時添加了第三至 第五族金屬的氧化物、包括鑭在內的鑭系元素的氧化物或者所述氧化物的 一種或多種的混合物的氧化鋁；添加了二氧化矽、 一第三至第五族金屬的 至少一種氧化物、 一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧 化物的一種或多種的混合物的水合氧化鋁；必要時混合了第三至第五族金 屬的氧化物、包括鑭在內的鑭系元素的氧化物或者所述氧化物中的多種的 混合物的二氧化矽；或者一種富矽的沸石；添加了第三至第六族金屬的氧 化物或者添加了包括鑭在內的鑭系元素的氧化物物的二氧化鈦；由二氧化 鋯與一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、 一包括鑭在內的鑭系元素的 至少一種氧化物或者所述氧化物的一種或多種的混合物構成的混合物；或 者一種多個上述陶瓷材料的混合物。
本發明的塗層44適合於與另一必要時催化活性的塗層結合。 通過將塗層材料總體上以顆粒的形式作為粉漿或者溶膠施加到燒結的 陶瓷過濾器基體上並且緊接著通過烘乾、煅燒或者燒結進行固定，過濾壁 38的過濾器基體的微晶40的表面包括孔隙42的壁在內被塗層。優選塗層 材料不滲透到必要時包含在微晶40中的微裂紋46中。通過微裂紋的塗層 會降低該過濾器的耐久性。
權利要求
1. 一種過濾器，用於從一氣體流中去除顆粒、尤其是從內燃機的排氣流中去除碳煙顆粒，包括一個由陶瓷的過濾器基體構成的過濾器體，其中，該過濾器基體被塗層，其特徵在於，該塗層包括下面的物質中的至少一種(a)至少一種從α-氧化鋁、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁和θ-氧化鋁中選出的氧化鋁，(b)添加了二氧化矽、一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧化物的一種或多種的混合物的水合氧化鋁，(c)二氧化矽或者富矽的沸石，(d)添加了一第三至第六族金屬的至少一種氧化物或者添加了一種包括鑭在內的鑭系元素的氧化物的二氧化鈦，或者(e)一種由二氧化鋯與一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、與一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者與所述氧化物的一種或多種的混合物組成的混合物。
2. 按權利要求1所述的過濾器，其特徵在於，所述塗層的氧化鋁(a) 添加了 一第三至第五族金屬的至少一種氧化物或者添加了 一包括鑭在內的 鑭系元素的至少一種氧化物或者添加了所述氧化物中的多種的混合物。
3. 按權利要求2所述的過濾器，其特徵在於，在氧化鋁中的所述氧化 物的份額或者多種氧化物的混合物的份額在1至20%重量百分比的範圍中。
4. 按權利要求1所述的過濾器，其特徵在於，所述二氧化矽(c)還 包含一第三至第五族金屬的至少一種氧化物或者一包括鑭在內的鑭系元素 的至少一種氧化物或者所述氧化物中的多種的混合物。
5. 按權利要求4所述的過濾器，其特徵在於，在所述二氧化矽中的第 三至第五族金屬的每種氧化物的份額或者包括鑭在內的鑭系元素的每種氧 化物的份額在1至30%重量百分比的範圍中。
6. 按權利要求1所述的過濾器，其特徵在於，對所述二氧化鈦(d)所添加的一第三至第六族金屬的氧化物是釩或鉤的一種氧化物。
7. 按權利要求1所述的過濾器，其特徵在於，所述富矽的沸石(c) 為氫型或者具有交換的過渡金屬、尤其是第六至第十二族的金屬。
8. 按權利要求1所述的過濾器，其特徵在於，在所述二氧化鋯(e) 中的一第三至第五族金屬的每種氧化物的份額或者包括鑭在內的鑭系元素 的氧化物的份額在1至60%重量百分比的範圍中。
9. 按權利要求1至7中任一項所述的過濾器，其特徵在於，所述塗層 施加在過濾器的流出側區域或者中心區域中。
10. —種用於對如權利要求1至8中任一項所述的過濾器進行塗層的 方法，其特徵在於，將塗層材料以顆粒的形式作為粉漿或者溶膠施加到燒 結的陶瓷過濾器基體上並且緊接著通過烘乾、煅燒或者燒結固定。
11. 按權利要求9所述的方法，其特徵在於，包含在所述粉漿中的顆 粒為了形成塗層具有大於5m2/g的BET表面，在氧化鋁的情況下具有大於 30m2/g的BET表面。
12. 按權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，包含在所述粉漿中 的顆粒具有2rnn至20pm範圍中的平均微粒直徑。
13. 按權利要求9至11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述待混 合到氧化鋁、水合氧化鋁以及二氧化矽中的物質以固體物質的形式作為氧 化物、氫氧化物或者鹽、優選碳酸鹽、硝酸鹽或者醋酸鹽或者作為溶膠存 在。
全文摘要
本發明涉及一種過濾器，用於從氣體流中去除顆粒、尤其是從內燃機的排氣流中去除碳煙顆粒，包括一個由陶瓷的過濾器基體構成的過濾器體，其中，該過濾器基體被塗層。該塗層包括至少一種下面的物質(a)至少一種從α-氧化鋁、γ-氧化鋁、δ-氧化鋁和θ-氧化鋁中選出的氧化鋁，(b)添加了二氧化矽、一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者所述氧化物的一種或多種的混合物的水合氧化鋁，(c)二氧化矽或者富矽的沸石，或者(d)添加了一第三至第六族金屬的至少一種氧化物或者添加了一種包括鑭在內的鑭系元素的氧化物的二氧化鈦，(e)一種由二氧化鋯與一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、一包括鑭在內的鑭系元素的至少一種氧化物或者與所述氧化物的一種或多種的混合物組成的混合物。
文檔編號B01D53/94GK101484231SQ200780021381
公開日2009年7月15日 申請日期2007年4月11日 優先權日2006年6月9日
發明者A·馬特恩, B·賴因施, C·奧塞曼, J·約克爾, L·蒂納, M·克魯澤 申請人:羅伯特·博世有限公司