專(zhuān)利名稱(chēng)：用于從氣體流中去除顆粒的過(guò)濾器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的用于從氣體流中去除顆 粒、尤其是從內(nèi)燃機(jī)的排氣流中去除碳煙顆粒的過(guò)濾器。
背景技術(shù)：
這種過(guò)濾器例如使用在壓燃式內(nèi)燃機(jī)、特別是柴油驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車(chē)的廢 氣后處理裝置中。通常，這種用于去除顆粒的過(guò)濾器、即所謂的顆粒過(guò)濾 器由陶瓷材料即碳化硅、鈦酸鋁和/或堇青石制成。這些顆粒過(guò)濾器通常以 具有交替封閉的通道的蜂窩狀陶瓷的形式構(gòu)成。這種顆粒過(guò)濾器具有大于
80%至通常大于90%的過(guò)濾效率。但是困難不僅在于碳煙顆粒的過(guò)濾而且 也在于過(guò)濾器的再生。為此，使燃料或者其分解產(chǎn)物在包括顆粒過(guò)濾器的 廢氣后處理裝置中催化地氧化，以便產(chǎn)生對(duì)于點(diǎn)燃碳煙必要的溫度。在熱 再生階段期間對(duì)于過(guò)濾器的熱穩(wěn)定性提出了最高的要求。
過(guò)濾器材料與廢氣成份的熱化學(xué)反應(yīng)以及在機(jī)動(dòng)車(chē)壽命中的運(yùn)行期間 聚積在過(guò)濾器上的例如由機(jī)油、燃料、燃料添加劑或者發(fā)動(dòng)機(jī)磨損物構(gòu)成 的灰降低陶瓷過(guò)濾器的機(jī)械強(qiáng)度和熱化學(xué)強(qiáng)度。通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)老化的過(guò) 濾器尤其是當(dāng)該過(guò)濾器由堇青石和鈦酸鋁材料制成的情況下具有比未老化 的過(guò)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(guò)濾器，其陶瓷的過(guò)濾器基體未被涂層或者僅 設(shè)有一個(gè)催化活性的涂層。

發(fā)明內(nèi)容
一種按本發(fā)明構(gòu)成的用于從氣體流中去除顆粒、尤其是從內(nèi)燃機(jī)的排 氣流中去除碳煙顆粒的過(guò)濾器包括一個(gè)由陶瓷的過(guò)濾器基體構(gòu)成的過(guò)濾器
體，其中，該過(guò)濾器基體被涂層。所述涂層包括至少一種下面的物質(zhì)
(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) 添加了二氧化硅、 一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、 一包括鑭在內(nèi)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) 二氧化硅或者富硅的沸石，
(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(nèi)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(nèi)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(guò)涂層產(chǎn)生封閉的表面蓋層，通過(guò)該蓋層防止陶瓷的過(guò)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(xué)侵蝕。這通過(guò) 如下方式實(shí)現(xiàn)，即本發(fā)明的陶瓷蓋層持久地、也就是說(shuō)在車(chē)輛壽命期間耐 受在行駛運(yùn)行中和在再生期間的水熱條件。本發(fā)明的涂層以及本發(fā)明的涂 層過(guò)程適合于盡可能完全地對(duì)包括內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)在內(nèi)的過(guò)濾器的總表面 進(jìn)行涂層。
例如通過(guò)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(nèi) 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(shí)現(xiàn)a-氧化鋁、Y-氧化鋁、5-氧化鋁以及e-氧化鋁的熱穩(wěn)定性 和水熱穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高。同樣，水合氧化鋁的水熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 通過(guò)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 樣適合于作為涂層。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(nèi)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%重量百分比的范圍中。
適合于形成涂層的氧化鋁優(yōu)選在粉末狀中具有大于30m2/g的BET表 面。該BET表面根據(jù)DIN 66131和ISO 9277通過(guò)Brunauer、 Emmt和Teller 的氣體吸附理論確定。氧化鋁的堆積密度優(yōu)選大于0.3g/cm3并且孔隙體積 在0.2至1.3ml/g的范圍中。被添加的氧化鋁或者多種氧化鋁的混合物也具 有相應(yīng)的BET表面、堆積密度和孔隙體積。
通過(guò)添加二氧化硅也可以提高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(wěn)定性和水熱穩(wěn)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(nèi)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于涂層。二氧化鋯的適合于形成涂層的混合
5氧化物優(yōu)選在粉末狀中具有大于5m"g的BET表面，其中，該BET表面如 上所述的那樣的確定。
另外，二氧化硅也適合于對(duì)過(guò)濾器基體進(jìn)行涂層，以便提高熱穩(wěn)定性 和水熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)， 即在氧化硅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(nèi)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 氧化硅中，所述第三至第五族金屬的或者包括鑭在內(nèi)的鑭系元素的每種氧 化物的份額在1至30%重量百分比的范圍中。
除了以顆粒形式的無(wú)定形二氧化硅之外，富硅的沸石、尤其是S/A比 例大于50的沸石、尤其是Y、 P、 ZSM型沸石或者這些類(lèi)型的沸石的混合 物或者包含這些類(lèi)型的沸石的混合物也適合于進(jìn)行涂層。在此，所述沸石 優(yōu)選為氫型或者具有交換的過(guò)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，二氧化鈦也適合于陶瓷過(guò)濾器基體的涂層。 足夠的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)，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(nèi)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(nèi)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(yōu)選為1至60%重量百分比。特別適合于攙入到二氧化鈦中的 是氧化釩和氧化鉤。
所述必要時(shí)被添加的氧化鋁、所述被添加的水合氧化鋁、所述二氧化 硅或者富硅的沸石、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(duì)陶瓷的過(guò)濾器基體進(jìn)行涂層。
本發(fā)明的涂層優(yōu)選施加在過(guò)濾器的流出側(cè)或者中心區(qū)域中。在此，過(guò) 濾器基體的這樣一個(gè)側(cè)面被認(rèn)為是流出側(cè)的區(qū)域，凈化掉顆粒的氣體在該 側(cè)面上流出。過(guò)濾器橫截面的中部區(qū)域被認(rèn)為是中心區(qū)域。
另外也可能的是，過(guò)濾器的不同區(qū)域用不同的材料或者用不同的層厚 度進(jìn)行涂層。
為了制造本發(fā)明的涂層，涂層材料例如以顆粒形式作為粉漿或者溶膠 施加到燒結(jié)的陶瓷過(guò)濾器基體上并且緊接著通過(guò)烘干、煅燒或者燒結(jié)進(jìn)行 固定。如果涂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 形式在制造粉漿期間或者直接在對(duì)過(guò)濾器基體涂層之前添加至粉漿。另外， 也可能的是，在預(yù)形成的蓋層實(shí)現(xiàn)所述添加。為此，用添加物的溶液浸漬所述預(yù)形成的蓋層。這例如通過(guò)噴灑、浸入、浸濕或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知 的類(lèi)似方法實(shí)現(xiàn)，通過(guò)所述方法可以實(shí)現(xiàn)添加物在表面上的改變的分布。
攙兌的物質(zhì)例如可以以固體物質(zhì)的形式作為氧化物、氫氧化物或者鹽 優(yōu)選碳酸鹽、硝酸鹽或者醋酸鹽混合到待添加的涂層材料中或者作為溶膠 滲雜到待添加的涂層材料中。
所述涂層例如也可以以顆粒的形式作為粉漿或者作為溶膠通過(guò)噴灑、 浸入、浸濕或類(lèi)似的涂層方法施加到陶瓷過(guò)濾器基體上。此外，基于真空 的涂層方法也是合適的。
適合于構(gòu)成涂層的材料的平均顆粒尺寸(D 50)在一個(gè)寬的范圍中變 化。2rnn至20pm尺寸的顆粒尤其合適。這些顆粒例如通過(guò)沉淀方法或者熱 解方法獲得。研磨方法也適合于調(diào)節(jié)顆粒尺寸和顆粒尺寸分布。當(dāng)通過(guò)沉 淀方法產(chǎn)生顆粒時(shí)，例如可以使用鋁鹽溶液和/或鋯鹽溶液以及必要時(shí)作為 附加物的添加劑鹽溶液作為前驅(qū)體(Prakursoren)。
適合的蓋層例如通過(guò)納米微粒、即平均直徑小于l)iim的顆粒和微粒、 即平均直徑大于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?？傮w上，平均直徑大于20,的顆粒的份額小于20%重量百分比。 納米顆粒和微粒不僅可以在一個(gè)層中而且可以在兩個(gè)或多個(gè)疊置的層中彼 此結(jié)合。
通過(guò)顆粒的顆粒尺寸分布(通過(guò)這些顆粒對(duì)過(guò)濾器基體進(jìn)行涂層)和 涂層物質(zhì)的流變(reologisch)特性，所述顆粒適合于覆蓋整個(gè)過(guò)濾器基體 表面、甚至內(nèi)部的過(guò)濾器基體表面。優(yōu)選的是，不對(duì)所謂的微裂紋、即在 過(guò)濾器基體的各個(gè)微晶內(nèi)的裂紋進(jìn)行涂層。
陶瓷的蓋層在過(guò)濾器基體上的固定例如通過(guò)烘干(Trocken)、煅燒和 燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變?yōu)榱诵纬缮w層而施加的陶瓷材料的量可以改變蓋層的 厚度。過(guò)濾器用用于涂層的陶瓷材料的加載與過(guò)濾器體積有關(guān)并且相對(duì)于 過(guò)濾器總體積而言優(yōu)選在0.61g/l與61g/l之間。


在圖中示出本發(fā)明的實(shí)施例，下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其中
圖1是一個(gè)內(nèi)燃機(jī)的示意圖，其包括一個(gè)本發(fā)明的廢氣后處理裝置，
圖2是本發(fā)明的過(guò)濾器元件的縱剖視圖，
圖3是被涂層的過(guò)濾器基體的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一個(gè)內(nèi)燃機(jī)的示意圖，其包括一個(gè)本發(fā)明的廢氣后處理裝置。 在此，該廢氣后處理裝置是一個(gè)過(guò)濾器，在該過(guò)濾器中將碳煙顆粒從排氣 流中分離出。
內(nèi)燃機(jī)10連接在一個(gè)廢氣管12上，在該廢氣管中設(shè)置一個(gè)過(guò)濾裝置
14。借助該過(guò)濾裝置14將碳煙顆粒從在廢氣管12中流動(dòng)的廢氣中過(guò)濾出。 這尤其在柴油機(jī)中是必要的，以便遵守法律規(guī)定。
過(guò)濾裝置14包括一個(gè)圓柱形的殼體16，在該殼體中設(shè)置一個(gè)在本實(shí)施 例中旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的、總體上同樣圓柱形的過(guò)濾器元件18。
圖2以縱剖視圖示出一個(gè)本發(fā)明的過(guò)濾器元件。
該過(guò)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-硅酸鹽、優(yōu)選堇青石制成。該過(guò)濾器元件18被廢氣沿箭頭20的方向流過(guò)。 廢氣通過(guò)一個(gè)流入面22流入到過(guò)濾器元件18中并且通過(guò)一個(gè)流出面24離 開(kāi)該過(guò)濾器元件。
多個(gè)流入通道28與流出通道30交替地平行于過(guò)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(shí)施形式中設(shè) 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(xì)，直到流入通道28的壁接觸并且從而使流入通道28 封閉。在這種情況中，流入通道28在平行于縱軸線26的方向上具有三角 形的橫截面。
相應(yīng)地，流出通道30在流出面24上敞開(kāi)并且在流入面22的區(qū)域中封閉。
由此，未凈化的廢氣的流動(dòng)路徑通到這些流入通道28之一中并且從那 里通過(guò)一個(gè)過(guò)濾壁38通到這些流出通道30之一中。這通過(guò)箭頭32示范地 表示。
在圖3中示出被涂層的過(guò)濾器基體的示意圖。 一個(gè)過(guò)濾壁38由一種陶 瓷的過(guò)濾器基體制成。該陶瓷的過(guò)濾器基體由各個(gè)總體上通過(guò)燒結(jié)彼此連 接的微晶40構(gòu)成。該陶瓷的過(guò)濾器基體優(yōu)選是碳化硅、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(guò)濾器基體的各個(gè)微晶40之 間存在孔隙42，所述孔隙被待凈化的氣體流流過(guò)。包含在氣體流中的顆粒 被過(guò)濾壁38的陶瓷的過(guò)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(guò)濾壁38中的自由的橫截面減小并且壓力損失通過(guò)過(guò) 濾壁38提高。由于這種原因必要的是，以規(guī)定的間隔將顆粒從孔隙中排出。 這通常通過(guò)熱再生實(shí)現(xiàn)，其方式是將過(guò)濾器加熱到大于60(TC的溫度。在該 溫度上，通常有機(jī)的顆粒燃燒成二氧化碳和水并且氣態(tài)地從顆粒過(guò)濾器中 排出。
因?yàn)橛商蓟琛⑩佀徜X和/或堇青石構(gòu)成的過(guò)濾器基體通常對(duì)于所述高 溫不能持久穩(wěn)定，所以各個(gè)微晶40根據(jù)本發(fā)明設(shè)有一個(gè)涂層44。該涂層 44優(yōu)選是陶瓷的涂層，該涂層對(duì)于在再生顆粒過(guò)濾器時(shí)產(chǎn)生的高溫是穩(wěn)定 的。合適的涂層材料例如如上面已經(jīng)說(shuō)明的那樣是必要時(shí)添加了第三至 第五族金屬的氧化物、包括鑭在內(nèi)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；添加了二氧化硅、 一第三至第五族金屬的 至少一種氧化物、 一包括鑭在內(nèi)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(shí)混合了第三至第五族金 屬的氧化物、包括鑭在內(nèi)的鑭系元素的氧化物或者所述氧化物中的多種的 混合物的二氧化硅；或者一種富硅的沸石；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(nèi)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(nèi)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(gòu)成的混合物；或 者一種多個(gè)上述陶瓷材料的混合物。
本發(fā)明的涂層44適合于與另一必要時(shí)催化活性的涂層結(jié)合。 通過(guò)將涂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(jié)的 陶瓷過(guò)濾器基體上并且緊接著通過(guò)烘干、煅燒或者燒結(jié)進(jìn)行固定，過(guò)濾壁 38的過(guò)濾器基體的微晶40的表面包括孔隙42的壁在內(nèi)被涂層。優(yōu)選涂層 材料不滲透到必要時(shí)包含在微晶40中的微裂紋46中。通過(guò)微裂紋的涂層 會(huì)降低該過(guò)濾器的耐久性。
權(quán)利要求
1. 一種過(guò)濾器，用于從一氣體流中去除顆粒、尤其是從內(nèi)燃機(jī)的排氣流中去除碳煙顆粒，包括一個(gè)由陶瓷的過(guò)濾器基體構(gòu)成的過(guò)濾器體，其中，該過(guò)濾器基體被涂層，其特征在于，該涂層包括下面的物質(zhì)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)添加了二氧化硅、一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、一包括鑭在內(nèi)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)二氧化硅或者富硅的沸石，(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(nèi)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(nèi)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(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其特征在于，所述涂層的氧化鋁(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(nèi)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(quán)利要求2所述的過(guò)濾器，其特征在于，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%重量百分比的范圍中。
4. 按權(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其特征在于，所述二氧化硅(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(nèi)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(quán)利要求4所述的過(guò)濾器，其特征在于，在所述二氧化硅中的第 三至第五族金屬的每種氧化物的份額或者包括鑭在內(nèi)的鑭系元素的每種氧 化物的份額在1至30%重量百分比的范圍中。
6. 按權(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其特征在于，對(duì)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(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其特征在于，所述富硅的沸石(c) 為氫型或者具有交換的過(guò)渡金屬、尤其是第六至第十二族的金屬。
8. 按權(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其特征在于，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(nèi)的鑭系元素 的氧化物的份額在1至60%重量百分比的范圍中。
9. 按權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的過(guò)濾器，其特征在于，所述涂層 施加在過(guò)濾器的流出側(cè)區(qū)域或者中心區(qū)域中。
10. —種用于對(duì)如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的過(guò)濾器進(jìn)行涂層的 方法，其特征在于，將涂層材料以顆粒的形式作為粉漿或者溶膠施加到燒 結(jié)的陶瓷過(guò)濾器基體上并且緊接著通過(guò)烘干、煅燒或者燒結(jié)固定。
11. 按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包含在所述粉漿中的顆 粒為了形成涂層具有大于5m2/g的BET表面，在氧化鋁的情況下具有大于 30m2/g的BET表面。
12. 按權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，包含在所述粉漿中 的顆粒具有2rnn至20pm范圍中的平均微粒直徑。
13. 按權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述待混 合到氧化鋁、水合氧化鋁以及二氧化硅中的物質(zhì)以固體物質(zhì)的形式作為氧 化物、氫氧化物或者鹽、優(yōu)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(fā)明涉及一種過(guò)濾器，用于從氣體流中去除顆粒、尤其是從內(nèi)燃機(jī)的排氣流中去除碳煙顆粒，包括一個(gè)由陶瓷的過(guò)濾器基體構(gòu)成的過(guò)濾器體，其中，該過(guò)濾器基體被涂層。該涂層包括至少一種下面的物質(zhì)(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)添加了二氧化硅、一第三至第五族金屬的至少一種氧化物、一包括鑭在內(nèi)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)二氧化硅或者富硅的沸石，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(nèi)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(nèi)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(hào)B01D53/94GK101484231SQ200780021381
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者A·馬特恩, B·賴(lài)因施, C·奧塞曼, J·約克爾, L·蒂納, M·克魯澤 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司