Verfahren zur Herstellung eines Filterelements und einer Trägerstruktur für einen Katalysator mit verbesserter Temperaturbeständigkeit .

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von keramischen Körpern mit verbesserter Temperaturfestigkeit und keramische Körper, insbesondere Filterelemente und Trägerstrukturen für Abgasnachbehandlungseinrichtungen einer Brennkraftmaschine.

Filterelemente für Partikelfilter von Dieselbrennkraftmaschinen und die Trägerstrukturen von Katalysatoren für Brennkraftmaschinen werden häufig aus Cordierit hergestellt. Reines Cordierit hat einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und weist somit eine gute Beständigkeit gegen plötzliche Temperaturänderungen (Thermoschocks) auf.

Bei der kontinuierlichen oder zyklischen Regeneration der Filterelemente können Temperaturen von über 1.000° Celsius auftreten, da die Regeneration von Ruß exotherm ist. Da die Rußverteilung innerhalb des Filterelements nicht homogen ist und außerdem die Möglichkeiten der Wärmeabfuhr lokal

unterschiedlich sind, entstehen bei der Regeneration lokale Temperaturunterschiede im Filterelement.

Aus den lokalen Temperaturunterschieden im Filterelement resultieren Wärmespannungen, die zur Zerstörung des Filterelements durch Risse führen können.

Ein möglicher Ansatzpunkt zur Verringerung dieser Wärmespannungen besteht darin, die Motorsteuerung der Brennkraftmaschine so auszulegen, dass unzulässig hohe Temperaturgradienten im Filterelement mit Sicherheit vermieden werden. Allerdings führt dies zu erheblichen Restriktionen bei der Steuerung der Brennkraftmaschine und ist deshalb nicht vorteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelements und ein Filterelement bereitzustellen, das bezüglich Wärmespannungen robuster ist als herkömmliche keramische Körper aus Cordierit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Magnesium- Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, oder einem Körper aus einem anderen keramischen Werkstoff, bei welchem die Ausgangsmaterialien von Magnesium-Aluminium-Silikat oder eines anderen keramischen Werkstoffs zu einer formbaren Masse gemischt werden, der formbaren Masse Fasern zugefügt werden. Aus dieser mit Fasern versetzten formbaren Masse wird anschließend ein Körper geformt und einer Wärmebehandlung unterzogen.

Vorteile der Erfindung

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte keramische Körper weist eine faserverstärkte Struktur auf,

die mechanisch sehr belastbar ist und eine gute Eigendämpfung aufweist. Dadurch steigt naturgemäß auch die Temperaturbeständigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körpers.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit Ausnahme der Zugabe der Fasern zu der formbaren Masse kein weiterer verfahrenstechnischer Aufwand gegenüber der Herstellung eines keramischen Körpers aus Cordierit nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr kostengünstig und effektiv.

Die mechanische Belastbarkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körpers kann weiter gesteigert werden, indem die Fasern vor dem Zufügen zu der formbaren Masse beschichtet werden. Bevorzugt werden die Fasern mit Eisen, Kobalt, Nickel, Palladium, Platin und/oder Titan beschichtet. Es hat sich bei praktischen Versuchen gezeigt, dass durch die Beschichtung der Fasern in dem fertig gestellten keramischen Körper ein direkter

Kontakt zwischen dem eigentlichen keramischen Material und den Fasern vermieden wird, und dass zwischen den ursprünglich beschichteten Fasern und dem keramischen Werkstoff ein Luftpolster gebildet wird. Die Erhöhung der thermomechanischen Stabilität der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten keramischen Körper beruht auf einer verbesserten Schwingungsdämpfung durch die Fasern. Diese Schwingungsdämpfung ist besonders wirkungsvoll, wenn um die Fasern herum ein Hohlraum vorhanden ist, der eine in dem keramischen Körper vorhandene Schwingung aufnehmen und dämpfen kann.

Die erfindungsgemäßen Beschichtungen wirken als Trennmittel zwischen den Fasern und dem keramischen Werkstoff.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Körper durch Extrudieren geformt wird, da bei diesem Verfahren vor allem prismatische Körper mit wabenförmigen Querschnitt schnell und kostengünstig hergestellt werden können.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden auch erzielt bei einem keramischen Körper aus Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, insbesondere einem Filterelement oder einer Trägerstruktur eines Katalysators für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, wenn er nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist .

Eine besonders vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Fasern aus einem temperaturbeständigen

Material bestehen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Fasern aus Magnesium-Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, oder einem Material mit ähnlichen Eigenschaften bestehen, und dass das Material der Fasern mit einem Material dotiert ist, welches die Sinterung unterdrückt. Diese Dotierung unterdrückt die Sinterung beim Kalzinierungsvorgang, so dass die Fasern nach dem Kalzinierungsvorgang als solche erhalten bleiben.

Als geeignete Materialen zum Dotieren der Fasern haben sich Zirkonium, Lanthan und/oder Cer erwiesen.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Fasern aus anderen keramischen Werkstoffen bestehen. Bezüglich der Abmessungen der Fasern hat sich eine Dicke von 3 μm - 6 μm, besonders bevorzugt von 3 μm - 5 μm, erwiesen. Für die Länge der Fasern haben sich Abmessungen von 10 μm - 100 μm, besonders bevorzugt von 10 μm - 20 μm, erwiesen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein .

Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer

Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Filterelement im Längsschnitt,

Figur 3 ein Ablaufdiagramme eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßer Verfahrens und

Figur 4 die Struktur eines erfindungsgemäßen Körpers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10. Die Abgase werden über ein Abgasrohr 12 abgeleitet, in dem eine Filtereinrichtung 14 angeordnet ist. Mit dieser werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel- Brennkraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.

Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel

rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.

In Figur 2 ist ein Querschnitt ein Filterelement 18 nach dem Stand der Technik dargestellt. Das Filterelement 18 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von nicht dargestelltem Abgas durchströmt. Eine Eintrittsfläche hat in Figur 2 das Bezugszeichen 22, während eine Austrittsfläche in Figur 2 das Bezugszeichen 24 hat.

Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelements 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der

Austrittsfläche 24 verschlossen. Die Verschlussstopfen sind in Figur 2 ohne Bezugszeichen dargestellt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfläche 22 verschlossen.

Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt also in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand (ohne Bezugszeichen) in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.

In Figur 3 ist ein Ablaufdiagramm eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt .

In einem ersten Schritt 34 werden die zur Herstellung eines keramischen Körpers erforderlichen Materialien in der gewünschten Zusammensetzung zusammengemischt. Daraufhin werden dieser Mischung temperaturbeständige keramische Fasern zugegeben. Anschließend wird in einem dritten

Schritt 38 der Masse in einem formgebenden Verfahren die gewünschte Form gegeben. Bevorzugt kann die Formgebung durch Extrudieren erfolgen.

Der durch den formgebenden Vorgang 38 entstandene Körper wird in einem weiteren Schritt 40 einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Sinterprozess, unterzogen. Dabei behalten die Fasern ihre Form und Struktur und erhöhen die mechanische Belastbarkeit des keramischen Werkstoffs. Idealerweise bildet sich zwischen dem keramischen Werkstoff und den Fasern ein kleines Luftpolster aus, was die Eigendämpfung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten keramischen Körpers weiter erhöht.

In Figur 4 ist die Struktur eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten keramischen Körpers schematisch dargestellt. Der keramische Werkstück ist in Figur 4 durch eine Schraffur dargestellt. In diese Matrix sind Fasern 42 eingebunden. Unterbrochen wird diese Struktur durch verschiedene Poren 44, welche die für ein Filterelement erforderliche Porosität des keramischen Körpers sicherstellen. Wie aus Figur 4 ersichtlich, ragen manche der Fasern 42 in die Poren 44. Dieser Effekt ist gewünscht, weil dadurch die Speicherfähigkeit des Filterelements, insbesondere für Ruß, zunimmt. Falls die Fasern 42 mit einer geeigneten Beschichtung versehen wurden, können die Enden der Fasern 42, die in die Poren 44 ragen, auch eine katalytische Wirkung haben.

Im rechten Teil von Figur 4 ist durch eine gestrichelte Linie 46 exemplarisch angedeutet, dass sich durch die Beschichtung der Fasern 42 vor dem Sintervorgang beim Sintern ein Luftpolster 48 zwischen dem schraffiert dargestellten keramischen Körper und den Fasern 42 bildet. Dieses Luftpolster 48 erhöht die Eigendämpfung des

keramischen Werkstoffs und ist deshalb vorteilhaft.