DE102011114465A1 - Honeycomb structure useful for filtering exhaust gases in internal combustion engine or in heat exchangers, comprises several channels, which opens at inlet- and outlet surfaces, made of ceramic material comprising sintered grains - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Wabenstruktur, insbesondere eine Wabenstruktur, die bestimmt ist für die Filtration von Auspuffgasen aus einem Verbrennungsmotor oder für einen Wärmetauscher.The invention relates to a honeycomb structure, in particular a honeycomb structure, which is intended for the filtration of exhaust gases from an internal combustion engine or for a heat exchanger.
Sie besteht insbesondere aus einem monolithischen Körper, einem zusammengesetzten Körper bestehend aus einer Zusammensetzung einer Vielzahl von einzelnen Blöcken, welche mittels zwischen diesen einzelnen Blöcken eingefügten Verbindungen miteinander verbunden sind, und einem einzelnen Block, welcher für die Herstellung eines solchen zusammengesetzten Körpers bestimmt ist.In particular, it consists of a monolithic body, a composite body consisting of a composite of a plurality of individual blocks joined together by means of joints inserted between these individual blocks, and a single block intended for the manufacture of such a composite body.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur gemäß der Erfindung.Finally, the invention relates to a method for producing a honeycomb structure according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Bevor die Verbrennungsgase eines Automobils an die Umgebungsluft abgegeben werden, können sie mittels eines Filterkörpers wie diejenigen, die in den
Wie die Pfeile in
Nach einer gewissen Gebrauchszeit führen die Teilchen, oder „der Russ”, die sich in den Kanälen ansammeln, zu einem Druckverlust und verschlechtern so die Motorleistung. Aus disem Grund muss der Filterkörper regelmäßig regeneriert werden, z. B. alle 500 Km.After a certain period of use, the particulates, or "soot", that accumulate in the channels cause a pressure drop, thus degrading engine performance. For this reason, the filter body must be regenerated regularly, for. B. every 500 km.
Die Regeneration oder „Dekolmation” besteht darin, den Russ zu oxidieren. Um dies zu tun ist es notwendig, diesen bis auf eine Temperatur zu erhitzen, die ihre Entflammung erlaubt. Während der Regenerationsphasen differiert die Temperatur je nach den Zonen des Filterkörpers
Die Temperaturinhomoginität im Innern des Filterkörpers
Der Filterkörper
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Es besteht ein permanenter Bedarf an einer Wabenstruktur, die einen exzellenten thermomechanischen Widerstand darstellt, insbesondere um für die Filtration von Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, benutzt werden zu können.There is a continuing need for a honeycomb structure that provides excellent thermo-mechanical resistance, particularly for use in the filtration of exhaust gases from an internal combustion engine, particularly a diesel engine.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Bedarf zu befriedigen.An object of the present invention is to meet this need.
Die Erfindung schlägt eine Wabenstruktur vor, die bevorzugterweise durch ein keramisches Material gebildet ist, welches aus gesinterten Körner besteht, wobei diese Wabenstruktur einen offenen Riss mit einer Länge Lf aufweist, die zwischen 3 mm und 30 mm liegt, und eine maximale Breite Imax, die kleiner ist als die dreifache maximale Größe D99,5 der Körner.The invention proposes a honeycomb structure, which is preferably formed by a ceramic material which consists of sintered grains, said honeycomb structure having an open crack with a length L f which is between 3 mm and 30 mm, and a maximum width I max which is less than three times the maximum size D 99.5 grains.
Ein solcher Riss wird im folgenden „Mikroriss” genannt. Die Anwesenheit von Rissen wird klassischerweise als schädlich angesehen. In der Tat führen die Risse, die während der Regenerationen auftreten, gewöhnlich zur Zerstörung der Wabenstruktur.Such a crack is called "microcrack" in the following. The presence of cracks is classically considered harmful. In fact, the cracks that occur during the regeneration usually lead to the destruction of the honeycomb structure.
Im Gegensatz zu dieser Schädlichkeit haben die Erfinder entdeckt, dass überraschenderweise die Anwesenheit eines oder mehrerer Mikrorisse den thermomechanischen Widerstand der Wabenstruktur verbessern. Ohne durch diese Theorie gebunden zu sein, sind sie der Meinung, dass die Mikrorisse es erlauben, die thermomechanischen Spannungen effektiver zu absorbieren, die zu Deformationen führen, welche während der Regenerationen aus Dilatationsphänomenen resultieren, und können somit dazu beisteuern, die Lebensdauer des Filters zu erhöhen.In contrast to this harmfulness, the inventors have discovered that, surprisingly, the presence of one or more microcracks improves the thermo-mechanical resistance of the honeycomb structure. Without being bound by theory, they believe that the microcracks allow the thermomechanical stresses to be more effectively absorbed resulting in deformations resulting from dilatation phenomena during regeneration, and thus may contribute to increasing the life of the filter increase.
Mikrorissmicrocrack
Dieser Mikroriss kann ein oder mehrere der folgenden optionellen Merkmale aufweisen:
- – Das Verhältnis zwischen der maximalen Breite des Mikrorisses und der Maximalgröße der Körner, Imax/D99,5 ist kleiner als 2,5, kleiner als 2,0, kleiner als 1,5, kleiner als 1,2, und/oder größer als 0,1, größer als 0,5, ja sogar größer als 0,8; auf wenigstens 90% seiner Länge weist der Mikroriss eine maximale Breite Imax auf, die kleiner 90 micron, kleiner als 80 micron, kleiner als 60 micron, kleiner als 50 micron, kleiner als 40 micron, ja sogar kleiner als 30 micron ist und/oder eine minimale Breite Imin aufweist, die größer als 3 micron, ja sogar größer als 5 micron ist;
- – der Mikroriss weist eine maximale Tiefe pmax auf, die bevorzugterweise kleiner als 100 micron, kleiner als 80 micron, kleiner als 60 micron, kleiner als 40 micron, kleiner als 30 micron ist und/oder größer als 10 micron, größer als 20 micron ist;
- – der Mikroriss weist eine Länge Lf auf, die bevorzugterweise größer als 5 mm, bevorzugterweise größer als 7 mm und/oder bevorzugt kleiner als 40 mm, bevorzugt kleiner als 30 mm, bevorzugt kleiner als 25 mm ist;
- – der Mikroriss weist eine Länge auf, die kleiner als 25%, kleiner als 20%, kleiner als 15%, kleiner als 12%, kleiner als 10%, kleiner als 8%, kleiner als 6%, kleiner als 4% und/oder größer als 1% der Länge der Wabenstruktur ist.
- – der Mikroriss erstreckt sich im Wesentlichen entlang der longitudinalen Richtung der Wabenstruktur. Insbesondere ist der Winkel zwischen einer senkrechten Ebene zur Hauptrichtung des Mikrorisses und einer Transversalebene (senkrechte Ebene zur longidutinalen Richtung) bevorzugterweise kleiner als 45°, kleiner als 30°, ja sogar kleiner als 20°.
- – Bevorzugterweise mündet der Mikroriss auf einer Oberfläche der Wabenstruktur, die an der Aussenseite der Wabenstruktur liegt. Insbesondere ist der Mikroriss vorzugsweise auf einer Seitenfläche eines Einzelblocks angeordnet.
- The ratio between the maximum width of the microcrack and the maximum size of the grains, I max / D 99.5, is less than 2.5, less than 2.0, less than 1.5, less than 1.2, and / or greater than 0.1, greater than 0.5, even greater than 0.8; at least 90% of its length, the microcrack has a maximum width I max of less than 90 microns, less than 80 microns, less than 60 microns, less than 50 microns, less than 40 microns, even less than 30 microns, and / or has a minimum width I min greater than 3 microns, even greater than 5 microns;
- The microcrack has a maximum depth p max which is preferably less than 100 microns, less than 80 microns, less than 60 microns, less than 40 microns, less than 30 microns and / or greater than 10 microns, greater than 20 microns is;
- The microcrack has a length L f which is preferably greater than 5 mm, preferably greater than 7 mm and / or preferably less than 40 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm;
- The microcrack has a length which is less than 25%, less than 20%, less than 15%, less than 12%, less than 10%, less than 8%, less than 6%, less than 4% and / or greater than 1% of the length of the honeycomb structure.
- The microcrack extends substantially along the longitudinal direction of the honeycomb structure. In particular, the angle between a vertical plane to the main direction of the microcrack and a transverse plane (vertical plane to the longidutinal direction) is preferably less than 45 °, less than 30 °, even less than 20 °.
- - Preferably, the microcrack opens on a surface of the honeycomb structure, which lies on the outside of the honeycomb structure. In particular, the microcrack is preferably arranged on a side surface of a single block.
Mit Mikrorissen versehener BereichMicrocracked area
Vorzugsweise weist die Wabenstruktur eine Mehrzahl von Mikrorissen auf, wobei mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% bzw. 95% oder sogar 100% der Mikrorisse gemäß der Erfindung ein oder mehrere der oben erwähnten optionalen Merkmale aufweisen.Preferably, the honeycomb structure has a plurality of microcracks, with more than 50%, more than 70%, even more than 90%, 95% or even 100% of the microcracks according to the invention having one or more of the optional features mentioned above.
Die Mikrorisse können in der Wabenstruktur homogen verteilt sein oder zu Gruppen zusammengefasst. Der Bereich des die Mikrorisse aufweisenden Blocks wird „Mikrorissbereich” genannt. Der Mikrorissbereich wird begrenzt durch die geschlossene Einhüllende mit dem kleinstmöglichen Volumen, welches die Gesamtheit der Mikrorisse der Wabenstruktur beinhaltet und begrenzt durch die Seitenfläche der Wabenstruktur und durch die beiden Querebenen.The microcracks may be homogeneously distributed in the honeycomb structure or grouped together. The area of the microcracked block is called the "microcrack area". The microcrack area is limited by the closed envelope with the smallest possible volume, which is the totality the microcracks of the honeycomb structure includes and bounded by the side surface of the honeycomb structure and by the two transverse planes.
Bevorzugterweise ist die Konzentration an Mikrorissen, die auf der Seitenfläche der Wabenstruktur münden, größer als 0,001, bevorzugt größer als 0,01 und/oder kleiner als 0,1 Mikrorisse pro cm2 der Seitenfläche, die den Mikrorissbereich begrenzt. Die Erfinder haben gleichfalls entdeckt, dass sich der Mikrorissbereich bevorzugterweise nicht über die gesamte Länge der Wabenstruktur erstreckt. Bevorzugterweise erstreckt er sich über weniger als 50%, weniger als 40%, ja sogar weniger als 30% der Länge der Wabenstruktur.Preferably, the concentration of microcracks opening on the side surface of the honeycomb structure is greater than 0.001, preferably greater than 0.01 and / or less than 0.1 microcracks per cm 2 of the side surface which limits the microcrack area. The inventors have also discovered that the microcrack region preferably does not extend the entire length of the honeycomb structure. It preferably extends for less than 50%, less than 40%, even less than 30% of the length of the honeycomb structure.
Die Position des Mikrorissbereichs modifiziert gleichfalls die erreichten Leistungen. Bevorzugterweise erstreckt sich dieser Bereich gänzlich in dem Teil der Wabenstruktur, die sich von einer der Eintrittsflächen und Austrittsflächen auf 40%, 30%, sogar 20% der Länge L der Wabenstruktur erstreckt.The position of the microcrack also modifies the achievements. Preferably, this area extends entirely in the part of the honeycomb structure which extends from one of the entrance surfaces and exit surfaces to 40%, 30%, even 20% of the length L of the honeycomb structure.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann mehr als 2, mehr als 3, mehr als 5, mehr als 10, mehr als 15, mehr als 20 Mikrorisse aufweisen.A honeycomb structure according to the invention may have more than 2, more than 3, more than 5, more than 10, more than 15, more than 20 microcracks.
Vorzugsweise münden mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% der Mikrorisse auf der Aussenseite der Wabenstruktur. Vorzugsweise münden mehr als 50%, mehr als 70%, ja sogar mehr als 90% der Mikrorisse insbesondere der querlaufenden Mikrorisse, ja sogar alle Mikrorisse, insbesondere die quer verlaufenden Mikrorisse auf der Seitenfläche (oder „äusseren”) der Wabenstruktur, wobei die Seitenfläche die Aussenseite der Wabenstruktur ist, die sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche erstreckt.Preferably, more than 50%, more than 70%, even more than 90% of the microcracks open on the outside of the honeycomb structure. Preferably, more than 50%, more than 70%, even more than 90% of the microcracks, in particular the transverse microcracks, even all microcracks, in particular the transverse microcracks on the side surface (or "outer") of the honeycomb structure, with the side surface is the outside of the honeycomb structure that extends between the entrance surface and the exit surface.
Wabenstrukturhoneycomb structure
Im Allgemeinen ist die Länge L einer Wabenstruktur gemäß der Erfindung kleiner als 50 cm, kleiner als 40 cm, kleiner als 30 cm, kleiner als 25 cm, ja sogar kleiner als 20 cm bzw. kleiner als 15 cm.In general, the length L of a honeycomb structure according to the invention is smaller than 50 cm, smaller than 40 cm, smaller than 30 cm, smaller than 25 cm, even smaller than 20 cm and smaller than 15 cm, respectively.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann aus einem Material bestehen, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oberhalb von 1,0 × 10–6C–1 zwischen 20 und 1000°C aufweist. Die Erfindung wird insbesondere für die Wabenstrukturen aus einem Material angewendet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient größer als 2,5 × 10–6 C–1 zwischen 20 und 1000°C ist. Sie kann insbesondere beinhalten bzw. sogar bestehen aus Siliciumcarbid SiC.A honeycomb structure according to the invention may be made of a material having a thermal expansion coefficient above 1.0 × 10 -6 C -1 between 20 and 1000 ° C. The invention is used in particular for the honeycomb structures of a material whose thermal expansion coefficient is greater than 2.5 × 10 -6 C -1 between 20 and 1000 ° C. It may in particular contain or even consist of silicon carbide SiC.
Dieses Merkmal ist insbesondere nützlich in einem zusammengesetzten Filterkörper. Während der Regeneration weisen die peripheren und zentralen Einzelblöcke in der Tat eine sehr unterschiedliche Deformation auf, die transversal sich erstreckende Spannungen (in den Querebenen) generiert und eventuell zu longitudinalen Rissen in den Verbindungen führt. Die Anwesenheit von Mikrorissen in den Einzelblöcken stellt sich besonders vorteilhaft in dieser Situation heraus.This feature is particularly useful in a composite filter body. During regeneration, the peripheral and central discrete blocks indeed have a very different deformation that generates transversally extending stresses (in the transverse planes) and eventually leads to longitudinal cracks in the connections. The presence of microcracks in the individual blocks turns out to be particularly advantageous in this situation.
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann ein monolithischer Körper sein, ein zusammengesetzter Körper oder ein Einzelblock, der für die Fabrikation eines zusammengesetzten Körpers bestimmt ist. Sie kann eine Vorform oder eine gesinterte Struktur sein. Sie kann filtrierend (wobei die Kanäle an einem ihrer Ende geschlossen sind) sein oder nicht.A honeycomb structure according to the invention may be a monolithic body, a composite body or a single block intended for the fabrication of a composite body. It can be a preform or a sintered structure. It may or may not be filtered (with the channels closed at one end).
Vorzugszweise ist eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung neu, d. h., dass sie niemals für die Filtration benutzt worden ist. Sie ist somit ohne jede Spur von Russ.Preferably, a honeycomb structure according to the invention is novel, i. h. that it has never been used for filtration. It is thus without any trace of soot.
Vorzugszweise ist eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung ein zusammengesetzter Körper, welcher aus einer Zusammensetzung von Einzelblöcken mit Zwischenverbindungen und zwar fortlaufend oder nicht, gebildet ist.Preferably, a honeycomb structure according to the invention is a composite body, which is formed of a composition of individual blocks with interconnections, whether continuous or not.
Die Erfindung betrifft einen zusammengesetzten Körper, wobei bemerkenswert ist, dass er aus mindestens einem Einzelblock gemäß der Erfindung besteht. Vorzugsweise wenigstens 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, vorzugsweise alle Einzelblöcke des zusammengesetzten Körpers sind gemäß der Erfindung aufgebaut.The invention relates to a composite body, it being noteworthy that it consists of at least one single block according to the invention. Preferably at least 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, preferably all individual blocks of the composite body are constructed according to the invention.
Wenn der zusammengesetzte Körper zur Filtration von Teilchen bestimmt ist, insbesondere von Teilchen des Auspuffgases eines Verbrennungsmotors, besteht jeder Einzelblock aus einem Ensemble von einander benachbarten Kanälen, die sich zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche erstrecken und voneinander durch die Filterwände getrennt sind, wobei die Kanäle durch Stopfen verschlossen sind, die stromauf- und stromabwärts abwechselnd in der Nähe der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet sind.When the composite body is intended for filtration of particles, particularly particles of the exhaust gas of an internal combustion engine, each individual block consists of an ensemble of adjacent channels extending between the entrance surface and the exit surface and separated from each other by the filter walls are closed by plugs, which are arranged upstream and downstream alternately in the vicinity of the entrance surface and the exit surface.
Bevorzugterweise ist jeder Einzelblock gemäß der Erfindung so angeordnet, dass sein Mikrorissbereich näher an der Austrittsfläche als an der Eintrittsfläche liegt, vorzugsweise so, dass der Bereich sich bis zu der Austrittsfläche hin erstreckt, vorzugsweise auf einer Länge, die kleiner als 30% der Länge des Einzelblocks ist. Preferably, each individual block according to the invention is arranged so that its microcrack region is closer to the exit surface than to the entry surface, preferably so that the region extends up to the exit surface, preferably to a length less than 30% of the length of the Single block is.
Die thermomechanischen Spannungen, insbesondere an den Verbindungen, sind bei aus Einzelblocks zusammengesetzten asymmetrischen Körpern besonders stark, d. h., in solchen asymmetrischen Körpern, bei denen die Querschnitte der Eingangskanäle verschienden sind von denen der Ausgangskanäle. Die Anordnung des Mikrorissbereiches in der Nähe der Austrittsfläche ist besonders vorteilhaft bei dem Typ der Einzelblocks. Die Erfinder denken, dass diese besondere Anordnung es erlaubt, die thermomechanischen Spannungen in der Nähe dieser Fläche zu vermindern.The thermo-mechanical stresses, particularly at the joints, are particularly strong in asymmetric bodies composed of single blocks, i. h., in such asymmetric bodies where the cross-sections of the input channels are different from those of the output channels. The arrangement of the microcrack region in the vicinity of the exit surface is particularly advantageous in the type of single block. The inventors believe that this particular arrangement allows the thermomechanical stresses in the vicinity of that area to be reduced.
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Vorrichtung, die ausgewählt ist aus einem Wärmetauscher und einem Partikelfilter, wobei diese Vorrichtung insofern bemerkenswert ist, als sie mindestens aus einer gesinterten Wabenstruktur besteht gemäß der Erfindung. Diese Struktur ist bevorzugt neu, d. h. ohne Gebrauchsspuren und insbesondere ohne Russspuren.The invention also relates to a device which is selected from a heat exchanger and a particle filter, this device being remarkable insofar as it consists of at least one sintered honeycomb structure according to the invention. This structure is preferably new, d. H. without signs of wear and especially without traces of russia.
In einer Ausführungsform ist die Wabenstruktur niemals in einer Auspufflinie montiert.In one embodiment, the honeycomb structure is never mounted in an exhaust line.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Auspufflinie eines Automobils, die mit einer gesinterten Wabenstruktur gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, insbesondere eine Auspufflinie eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs.The invention equally relates to an exhaust line of an automobile equipped with a sintered honeycomb structure according to the invention, in particular an exhaust line of a diesel engine of a motor vehicle.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen ein Herstellungsverfahren für eine Wabenstruktur, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
- a) Extrusion eines keramischen Materials durch eine Düse, um eine Vorform der Wabenstruktur zu formen,
- b) Trocknung,
- c) Entbinderung und Sinterung der Vorform, um eine gesinterte Wabenstruktur zu erhalten,
- d) optional vor oder nach der Sinterung, Verstopfung der Kanäle der gesinterten Wabenstruktur,
- e) optional Zusammenstellung der gesinterten Wabenstruktur mit anderen gesinterten Wabenstrukturen, vorzugsweise gemäß der Erfindung, derart, dass ein zusammengesetzter Körper erhalten wird (insbesondere gemäß den Schritten A) bis E) oder A') bis E').
- a) extrusion of a ceramic material through a die to form a preform of the honeycomb structure,
- b) drying,
- c) debindering and sintering the preform to obtain a sintered honeycomb structure,
- d) optionally before or after sintering, clogging of the channels of the sintered honeycomb structure,
- e) optionally assembling the sintered honeycomb structure with other sintered honeycomb structures, preferably according to the invention, such that a composite body is obtained (in particular according to steps A) to E) or A ') to E').
Dieses Verfahren ist insofern bemerkenswert, dass zur Zeit der Entbinderung mindestens eine Region in einer Umgebung entwickelt wird, die geeignet ist, ein Mikroreissen zu generieren, genannt „Mikrorissumgebung” und zwar in der gesinterten Wabenvorform.This method is noteworthy in that, at the time of debindering, at least one region is developed in an environment capable of generating a microcrack, called a "microcracking environment", in the sintered honeycomb preform.
Der Mikrorisscharakter einer Umgebung ist charakterisiert durch die drei folgenden Punkte:
- – Umgebungstemperatur
- – Konzentration des oxidierenden Gases in der Umgebung;
- – Dauer des in Kontakthaltens dieser Umgebung mit besagter Region.
- - Ambient temperature
- - concentration of oxidizing gas in the environment;
- - Duration of keeping this environment in contact with said region.
Vorzugsweise ist die Temperatur unterhalb von 700°C und/oder oberhalb von 300°C, vorzugsweise oberhalb von 400°C.Preferably, the temperature is below 700 ° C and / or above 300 ° C, preferably above 400 ° C.
Bevorzugt ist die Umgebung gasförmig und die Sauerstoffkonzentration der Umgebung ist größer als 15 Vol und bevorzugt kleiner als 25 Vol, wobei eine Konzentration von 21% passend ist. Luft kann benutz werden. Vorzugsweise wird der verbrauchte Sauerstoff erneuert, um eine solche Umgebung in Kontakt mit besagter Region zu halten, beispielsweise durch permanentes Einblasen oder nicht von mit Sauerstoff beladenem Gas.Preferably, the environment is gaseous and the oxygen concentration of the environment is greater than 15 vol and preferably less than 25 vol, with a concentration of 21% being appropriate. Air can be used. Preferably, the spent oxygen is renewed to maintain such an environment in contact with said region, for example by permanent blowing or not by oxygen-laden gas.
Beispielsweise kann ein Gasdurchsatz insbesondere von Luft im Mittel zwischen 5 und 20 × 10–2 m3/s pro m2 der Oberfläche der Vorform der Wabenstruktur, die dieser Luft ausgesetzt ist (Oberfläche, die direkt diesem Luftfluss ausgesetzt ist, d. h., durch welche der Fluss zum ersten Mal in Kontakt mit der Vorform kommt) angemessen sein. Dieser Durchsatz hängt somit vom Massengehalt an organischen Verbindungen ab, um Zusätze in der Extrusionsmischung der Nabenvorformen zu zersetzen, insbesondere die Bindemittel, Plastifizierer und Schaumbildner organischer Natur. Der im Durchschnitt aufgebrachte Luftdurchsatz, wie er eben angesprochen worden ist, ist insbesondere an einen Massengehalt an organischen Verbindungen oberhalb von 10% und unterhalb von 30% angepasst.For example, a gas flow rate, in particular of air, may average between 5 and 20 × 10 -2 m 3 / s per m 2 of the surface of the preform of the honeycomb structure exposed to that air (surface directly exposed to this air flow, ie, through which the river comes into contact with the preform for the first time) may be appropriate. This throughput thus depends on the bulk content of organic compounds to decompose additives in the extrusion mixture of hub preforms, especially the binders, plasticizers and foaming agents of an organic nature. The average air flow rate as just mentioned is particularly adapted to a mass content of organic compounds above 10% and below 30%.
Bevorzugt dauert die Operation der Entbinderung länger als 1 Stunde.Preferably, the operation of debinding takes longer than 1 hour.
Einfache Versuche dürften dem Fachmann erlauben, leicht akzeptable Triplets zu bestimmen. Simple experiments should allow one skilled in the art to easily determine acceptable triplets.
Vorzugsweise ist die Vorform der Wabe während der Entbinderung einer nicht einheitlichen Temperatur ausgesetzt. Vorzugsweise wird das Gas etwa entlang der Achse der Vorform indiziert. Vorzugsweise setzt man mindestens zwei Bereiche der Vorform Umgebungen aus, welche verschiedene potenzielle Oxidantien repräsentieren. Vorteilhafterweise ist es auch möglich, nur einen Teil der gesinterten Wabenstruktur mit Mikrorissen zu versehen, und insbesondere nur die Bereiche der Wabenstruktur mit Mikrorissen zu versehen, die in der gewünschten Anwendung die stärksten thermomechanischen Spannungen erleiden.Preferably, the preform of the honeycomb is exposed to a non-uniform temperature during debinding. Preferably, the gas is indexed approximately along the axis of the preform. Preferably, at least two regions of the preform are exposed to environments representing various potential oxidants. Advantageously, it is also possible to provide only a part of the sintered honeycomb structure with microcracks, and in particular to provide only the areas of the honeycomb structure with microcracks which suffer the strongest thermo-mechanical stresses in the desired application.
Vorzugszweise weist die extrudierte keramische Masse mehr als 5%, vorteilhafterweise mehr als 7% ja sogar mehr als 10% organischen Materials auf, beispielsweise Methylzellulose und zwar in Massenprozenten. Ein gesteigerter Gehalt an organischem Material, welches während der Entbinderung eliminiert wird, favorisiert vorteilhafterweise die Mikrorissbildung.Vorzugszweise, the extruded ceramic mass more than 5%, advantageously more than 7% yes even more than 10% organic material, such as methyl cellulose in mass percentages. An increased content of organic material which is eliminated during debindering advantageously favors microcracking.
Die klassischerweise angewandten Umgebungen zur Entbinderung der Vorformen gemäß dem Stand der Technik erlauben es nicht eine Mikrorissbildung zu generieren. Im Gegenteil, wie beispielsweise in der
Nach der Entbinderungsoperation kann die Temperatur der Wabenstruktur reduziert werden, eventuell bis auf die Umgebungstemperartur vor der Sinteroperation.After the debinding operation, the temperature of the honeycomb structure may be reduced, possibly to the ambient temperature prior to the sintering operation.
Vorzugsweise ist die Entbinderung eine von der Sinterung getrennte Operation. Insbesondere ist die Temperatur der Entbinderung klassischerweise geringer als die Sintertemperatur.Preferably, debindering is an operation separate from sintering. In particular, the temperature of debindering is classically lower than the sintering temperature.
Vorzugsweise weist die Entbinderungsoperation einen Schritt auf, in dem die Temperatur unterhalb von 700°C gehalten wird, vorzugsweise unterhalb von 500°C, vorzugsweise während einer Dauer von mehr als 30 Minuten, vorzugsweise mehr als 1 Stunde.Preferably, the debinding operation comprises a step of maintaining the temperature below 700 ° C, preferably below 500 ° C, preferably for a period of more than 30 minutes, preferably more than 1 hour.
Die Erfindung betrifft noch eine mit Mikrorissen versehene Vorform, die insbesondere nach einem Entbinderungsschriftt wie oben beschrieben erhalten wird.The invention also relates to a microcracked preform obtained in particular according to a debinder as described above.
Definitionendefinitions
Ein Riss wird „offen” genannt, wenn er an der Aussenseite des Materials mündet (im Gegensatz zu einem geschlossenen Riss, der ausschließlich im Inneren des Materials verläuft).A crack is called "open" when it opens to the outside of the material (as opposed to a closed tear that runs exclusively inside the material).
Ein Mikroriss wird als „querverlaufend” bezeichnet, wenn er eine Wand durchstößt.A microcrack is called "transverse" when it pierces a wall.
Die Länge eines Mikrorisses wird auf der Oberfläche, auf der der Mikroriss mündet, dem Richtungsverlauf des Mikrorisses folgend gemessen (klassischerweise auf einem Foto dieser Oberfläche). Die Breite wird auf der Oberfläche gemessen, auf der der Mikroriss mündet, und zwar senkrecht zur Verlaufslinie.The length of a microcrack is measured on the surface on which the microcrack opens, following the direction of the microcrack (classically on a photo of this surface). The width is measured on the surface on which the microcrack opens, perpendicular to the curve.
Die Hauptrichtung eines Mikrorisses ist die Richtung, die durch die Verbindungslinie seiner beiden Enden definiert ist.The main direction of a microcrack is the direction defined by the connecting line of its two ends.
Die „longitudinale” Richtung oder die Richtung der Länge „einer Wabenstruktur (C-C oder D-D in den
Eine „longitudinale” Fläche ist eine Fläche, die parallel zur longitudinalen Richtung der Wabenstruktur verläuft.A "longitudinal" surface is an area that is parallel to the longitudinal direction of the honeycomb structure.
Eine „transversale” Ebene ist eine Ebene, die senkrecht auf der longidutinalen Richtung steht. In einer Wabenstruktur, deren Kanäle alle zueinander parallel sind, ist eine transversale Ebene eine Ebene senkrecht zur Richtung dieser Kanäle.A "transversal" plane is a plane that is perpendicular to the longidutinal direction. In a honeycomb structure whose channels are all parallel to each other, a transverse plane is a plane perpendicular to the direction of these channels.
In einem Partikelpulver nennt man die „Größe” eines Teilchens den Mittelwert zwischen seiner größten und seiner kleinsten Dimension. Die Prozentangaben oder „Zentillen” 10 (D10), 50 (D50), 90 (D90) und 99,5 (D99,5) einer Partikelmenge in einem Pulver sind die Größen dieser Partikel entsprechend den Volumenprozenten von 10%, 50%, 90% und 99,5% auf der kummulierten Verteilungskurve der Größen der Partikel, wobei die Größen nach ihrer zunehmenden Größe klassifiziert werden. Beispielsweise haben 10 Vol% von Teilchen eine Größe kleiner als D10 und 90% der Teilchen im Volumen haben eine Größe größer oder gleich D10. In a particle powder, the "size" of a particle is called the mean between its largest and smallest dimension. The percentages or "cubes" 10 (D 10 ), 50 (D 50 ), 90 (D 90 ) and 99.5 (D 99.5 ) of a particle amount in a powder are the sizes of these particles corresponding to the volume percentages of 10%, 50%, 90% and 99.5% on the cumulative distribution curve of the sizes of the particles, the sizes being classified according to their increasing size. For example, 10% by volume of particles have a size smaller than D 10 and 90% of the particles in volume have a size greater than or equal to D 10 .
In einem gesinterten Material spricht man von der „Größe” eines Korns in einem Materialschnitt als dem Mittel zwischen seiner größten und seiner kleinsten Dimension. Die Größe wird klassischerweise mit einem Elektronenmikroskop gemessen.In a sintered material, one speaks of the "size" of a grain in a material cut as the means between its largest and smallest dimension. The size is classically measured with an electron microscope.
Für eine Gesamtheit von Körnern in einem gesinterten Material sind die Zentillen 10 (D10), 50 (D50), 90 (D90) und 99,5 (D99,5) die Größen dieser Körner in einer Schnittebene entsprechend den Prozenten von Kornzahlen von 10%, 50%, 90% und 99,5% über die kummulierte Größenverteilungskurve der Körner, wobei die Größen in aufsteigender Ordnung klassifiziert sind. Beispielsweise haben 10% der Anzahl von Körnern eine Größe die kleiner ist als D10 und 90% der Anzahl der Körner eine Größe die größer oder gleich D10. Die Zentillen können mit Hilfe einer geeigneten Logik durch Bildanalyse eines metallographischen Schnitts des verwendeten Materials mit einem Elektronenmikroskop bestimmt werden. Bei einem in etwa homogenen gesinterten Material hängt die kummulierte Größenverteilungskurve der Körner nicht unbedingt von der betrachteten Schnittebene ab.For a total of grains in a sintered material, the cubes 10 (D 10 ), 50 (D 50 ), 90 (D 90 ) and 99.5 (D 99.5 ) are the sizes of these grains in a section plane corresponding to the percentages of Grain counts of 10%, 50%, 90% and 99.5% over the cumulative size distribution curve of the grains, the sizes being classified in ascending order. For example, 10% of the number of grains has a size less than D 10 and 90% of the number of grains has a size greater than or equal to D 10 . The ccillions can be determined by suitable analysis of image analysis of a metallographic section of the material used with an electron microscope. For an approximately homogeneous sintered material, the cumulative size distribution curve of the grains does not necessarily depend on the considered section plane.
Klassischerweise nennt man die Zentille „D50” „die mittlere Größe” und die Zentille „D99,5” die „maximale Größe”.Classically, the centille "D 50 " is called "the medium size" and the centille "D 99.5 " is the "maximum size".
Die „Entbinderung” ist eine thermische Behandlung, die es erlaubt, die Bindemittel und die temporären Schaumbildner zu eliminieren. Klassischerweise sind diese Bindemittel organische Bindemittel. Die schaumbildenden Zuschläge sind insbesondere solche vom Zellulosetyp wie Polyethylen, Polystyren, Amidon und Graphit. Sie sind beispielsweise in den Anmeldungen
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die folgende Beschreibung, die sich auf die angehängten Zeichnungen bezieht, erlaubt es, die Vorteile der Erfindung besser zu verstehen und zu beurteilen.The following description, which refers to the attached drawings, makes it possible to better understand and to judge the advantages of the invention.
In diesen Zeichnungen:In these drawings:
zeigt die
die
die
die
die
die
die
Auf diesen nicht einschränkenden Figuren werden die verschiedenen Elemente nicht notwendigerweise mit dem gleichen Maßstab dargestellt.In these non-limiting figures, the various elements are not necessarily shown to the same scale.
Insbesondere aus Gründen der Klarheit ist der Mikroriss
Identische Bezugszeichen werden auf den verschiedenen Figuren zur Bezeichnung identischer oder ähnlicher Elemente verwendet.Identical reference numerals are used on the various figures to designate identical or similar elements.
Um die Klarheit der Figuren zu verbessern, ist die Zahl der dargestellten Kanäle sehr viel kleiner als die der Einzelblocks oder der klassischen kommerziellen Filterkörper.To improve the clarity of the figures, the number of channels shown is much smaller than that of the individual blocks or the classic commercial filter body.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Wabenstrukturhoneycomb structure
Ein Partikelfilter
Der Filterkörper
Um seinen thermomechanischen Widerstand zu verbessern, im besonderen während der Regenerationsphasen, ist es daher vorteilhaft, dass er aus einer Zusammenstellung einer Mehrzahl von Einzelblocks
Der Filterkörper ist somit ein „zusammengesetzter Körper” wie in den
Ein Einzelblock
Ein monolithischer Körper und ein Einzelblock
Man nennt „äußere Wand” die periphere Wand einer Wabenstruktur, die die Seitenoberfläche definiert."Outer wall" is the peripheral wall of a honeycomb structure that defines the side surface.
Die Wabenstruktur kann aus einem porösem Material sein, welches mehr als 30%, sogar mehr als 40% und/oder weniger als 65%, insbesondere weniger als 50% offener Porosität aufweist.The honeycomb structure may be made of a porous material having more than 30%, even more than 40% and / or less than 65%, in particular less than 50% of open porosity.
In einer Ausführungsform ist die Wabenstruktur aus einem Material, welches bei einer Temperatur, die zwischen 20°C und 600°C liegt, eine thermische Leitfähigkeit unterhalb von 60 W/m°C, insbesondere unterhalb von 40 W/m°C, und/oder oberhalb von 1 W/m°C, insbesondere oberhalb von 10 W/m°C aufweist.In one embodiment, the honeycomb structure is made of a material which, at a temperature which is between 20 ° C and 600 ° C, a thermal conductivity below 60 W / m ° C, in particular below 40 W / m ° C, and / or above 1 W / m ° C, in particular above 10 W / m ° C.
Die Wabenstruktur kann aus einem Material bestehen, das einen Ausdehnungskoeffizienten oberhalb von 2,5·10–6°C–1 zwischen 20 und 1000°C aufweist, für den die Erfindung besonders brauchbar ist.The honeycomb structure may be made of a material having a coefficient of expansion above 2.5 · 10 -6 ° C -1 between 20 and 1000 ° C, for which the invention is particularly useful.
Vorzugsweise ist die Wabenstruktur aus einem gesinterten Material und ebenfalls bevorzugt, beinhaltet es mehr als 50%, mehr als 80%, sogar mehr als 95% oder sogar mehr als 98% bzw. 100% einer SiC-Masse, die bevorzugterweise rekristallisiert ist.Preferably, the honeycomb structure is made of a sintered material and also preferred, it contains more than 50%, more than 80%, even more than 95% or even more than 98% or 100% of a SiC mass, which is preferably recrystallized.
Das Siliciumcarbid (SiC) kann gesintert sein und/oder durch Silicium gebunden sein.The silicon carbide (SiC) may be sintered and / or bonded by silicon.
Die Wabenstruktur kann gleicherweise aus einem Material bestehen, welche wenigstens 50% Aluminiumtitanat und/oder Mullit und/oder Cordierit (Mg2Al4Si2O18) und/oder aus Siliciumnitrat und/oder gesinterten Metallen.Likewise, the honeycomb structure may be made of a material comprising at least 50% of aluminum titanate and / or mullite and / or cordierite (Mg 2 Al 4 Si 2 O 18 ) and / or of silicon nitrate and / or sintered metals.
In einem zusammengesetzten Körper können alle Einzelblocks aus identischem Material bestehen.In a composite body, all individual blocks can be made of identical material.
Kanäle channels
Vor allem bei einer Anwendung zur Filtration sind die Kanäle
Der Querschnitt der Kanäle, der bevorzugt entlang der Länge konstant ist, kann insbesondere zwischen 0,4 und 9 mm2 betragen.The cross section of the channels, which is preferably constant along the length, may be in particular between 0.4 and 9 mm 2 .
Jeder Kanal mündet nach aussen über eine stromaufwärts liegenden Öffnung
In einer Filtrieranwendung ist die Anzahl der Kanäle der Wabenstruktur typischerweise zwischen 7,75 und 62 pro cm2 der Eintrittsfläche, bevorzugterweise zwischen 150 bis 400 cpsi.In a filtration application, the number of channels of the honeycomb structure is typically between 7.75 and 62 per cm 2 of the entrance surface, preferably between 150 to 400 cpsi.
Klassischerweise extrudiert man eine keramische Masse durch eine geeignete Düse, um eine Wabenstruktur herzustellen. Die Extrusionsdüse ist so ausgebildet, dass die Vorform die Form eines Zylinders mit einem kreisförmigen oder elipsiodalen Querschnitt aufweist, um einen monolithischen Körper herzustellen, oder aus einem Zylinder mit polygonalem Querschnitt, beispielsweise quadratisch, hexagonal oder rechteckig, um einen Einzelblock herzustellen.Classically, a ceramic mass is extruded through a suitable die to produce a honeycomb structure. The extrusion die is formed so that the preform has the shape of a cylinder having a circular or ellipsoidal cross-section to make a monolithic body, or a cylinder of polygonal cross-section, such as square, hexagonal or rectangular, to make a single block.
Verschlusskappencaps
Die Kanäle einer Wabenstruktur, die zur Fabrikation eines Filterskörpers bestimmt ist, werden schließlich auf der Eintrittsfläche
Weiterhin bevorzugt erstrecken sich die stromaufwärts und stromabwärts liegenden Stopfen jeweils entlang der Eintrittsfläche und entlang der Austrittsfläche.Further preferably, the upstream and downstream plugs each extend along the entrance surface and along the exit surface.
Somit definieren die Eintritts- und Austrittskanäle Eintritts- und Austrittskammern
In einer Ausführungsform sind die Eintrittskanäle
Vorzugszweise sind die Gesamtheiten der Eintritts- und der Austrittskanäle so ineinander verschachtelt, dass im Querschnitt ein Schachbrettmuster gebildet wird, wo besagte Eintrittskanäle mit besagten Austrittskanälen einander abwechseln.Preferably, the entirety of the inlet and outlet channels are interlaced so that a checkerboard pattern is formed in cross-section, where said inlet channels alternate with said outlet channels.
Die Eintrittskanäle haben bevorzugterweise einen Querschnitt, der größer als der der Austrittskanäle ist, um das für das Speichern von Rückständen verfügbare Volumen zu vergrößern. Vorteilhafterweise sind die Reinigungsfrequenz des Filters und der Druckverlust reduziert. Zu diesem Zweck sind die Kanalwände „deformiert”, um das Gesamtvolumen der Eintrittskanäle auf Kosten desjenigen der Austrittskanäle zu vergrößern. Beispielsweise können die Wände konkav zur Seite eines Eintrittskanals und konvex zur Seite eines Austrittskanals sein, die einander benachbart sind.The inlet channels preferably have a cross-section larger than that of the outlet channels to increase the volume available for storing residues. Advantageously, the cleaning frequency of the filter and the pressure loss are reduced. For this purpose, the channel walls are "deformed" to increase the total volume of the inlet channels at the expense of that of the outlet channels. For example, the walls may be concave to the side of an entrance channel and convex to the side of an exit channel adjacent to each other.
Die Zwischenwände, die zwei Linien oder zwei Kolonnen von Kanälen voneinander trennen, können insbesondere einen Querschnitt in Wellenform aufweisen („wavy” im englischen), wobei die Zwischenwand sich in etwa mit einer halben Wellenlänge über die Breite eines Kanals erstreckt. Man nennt „Wellenlänge” die Distanz, die zwei Punkte auf dieser Welle voneinander trennt, die auf der gleichen Höhe angeordnet sind mit gleicher Steigungsrichtung. Im Fall einer periodischen Welle nennt man „Länge” der Welle „Periode”. Vorzugsweise ist die Welle periodisch, die Amplitude der Wellen kann jedoch konstant oder auch variabel sein. Vorzugszweise ist diese Amplitude konstant. Weiterhin vorzugsweise stellt die Welle eine Sinuskurve dar, deren Halbperiode gleich ist dem Schritt „p” des Kanalnetzes, oder eine Folge von aneinander gereihter Kreisbögen, wobei jeder Bogen eine Länge aufweist, die gleich dem Schritt „p” ist.In particular, the partitions separating two lines or two columns of channels may have a wavy cross-section ("wavy" in English) with the intermediate wall extending approximately half a wavelength across the width of a channel. "Wavelength" is the distance that separates two points on this wave, which are arranged at the same height with the same slope direction. In the case of a periodic wave, "length" of the wave is called "period". Preferably, the wave is periodic, but the amplitude of the waves may be constant or variable. Vorzugszweise this amplitude is constant. Further preferably, the wave represents a sinusoid whose half-period is equal to the step "p" of the channel network, or a series of arcs arranged in a row, each arc having a length equal to the step "p".
Schließlich weisen bevorzugt alle die Zwischenwände, die sich zwischen zwei Linien und/oder zwischen zwei Kolonnen von Kanälen erstrecken, im Querschnitt eine Welle von identischer Form auf.Finally, preferably all the intermediate walls, which extend between two lines and / or between two columns of channels, have in cross section a wave of identical shape.
Der „Asymmetrie-Grad” einer „wavy”-Struktur bezeichnet das Verhältnis von der Amplitude „hw” und der Halblänge besagter Welle, d. h., im Falle einer periodischen Welle das Verhältnis zwischen der Amplitude „hw” und der Halbperiode. Vorzugsweise ist der Asymmetrie-Grad kleiner als 40%, bevorzugt kleiner als 30%, bevorzugt kleiner als 20% und in einer besonders bevorzugten Form kleiner oder gleich 10% und/oder größer als 2%, bevorzugt größer als 5%. Vorteilhafterweise ist der Druckverlust, der durch die Ansammlung von Russ durch den Block induziert wird, stark reduziert, und die Regenerationsfrequenz des Filterkörpers ist somit beschränkt.The "degree of asymmetry" of a "wavy" structure denotes the ratio of the amplitude "h w " and the half-length of said wave, ie, in the case of a periodic wave, the ratio between the amplitude "h w " and the half-period. Preferably, the degree of asymmetry is less than 40%, preferably less than 30%, preferably less than 20% and in a particularly preferred form less than or equal to 10% and / or greater than 2%, preferably greater than 5%. Advantageously, the pressure loss induced by the accumulation of soot by the block is greatly reduced, and the regeneration frequency of the filter body is thus limited.
Mit dieser asymmetrischen Kanalkonfiguration ist das totale Volumen der Eingangskanäle größer als das der Ausgangskanäle und die Gesamtoberfläche der Öffnungen der Eingangskanäle auf der Eintrittsfläche, d. h. die Summe der Flächen dieser Öffnungen, ist größer als die der Öffnungen der Ausgangskanäle auf der Austrittsfläche. Für eine optimale Wirkung ist das Verhältnis r des Totalvolumens Ve der Eingangskanäle zum Totalvolumen Vs der Ausgangskanäle oder das Verhältnis r' der Gesamtinnenfläche der Eingangskanäle zur Gesamtinnenfläche der Ausgangskanäle vorzugsweise größer als 1,03, größer als 1,10, größer als 1,15 und/oder kleiner als 3, kleiner als 2,5 bevorzugt kleiner als 2.With this asymmetrical channel configuration, the total volume of the input channels is greater than that of the output channels and the total surface area of the openings of the input channels on the entrance surface, i. H. the sum of the areas of these openings is greater than that of the openings of the exit channels on the exit surface. For optimum effect, the ratio r of the total volume Ve of the input channels to the total volume Vs of the output channels or the ratio r 'of the total inner surface of the input channels to the total inner surface of the output channels is preferably greater than 1.03, greater than 1.10, greater than 1.15 and / or less than 3, less than 2.5, preferably less than 2.
Nach dem Verschließen werden die Wabenstrukturen gesintert.After sealing, the honeycomb structures are sintered.
Der Sinterung kann ein Entbinderungsschritt vorgeschaltet sein. Üblicherweise werden die Wabenstrukturen in einen Ofen gegeben und einer thermischen Entbinderungsbehandlung bei einer Temperatur unterworfen, die allgemein zwischen 300 und 700°C liegt.The sintering may be preceded by a debinding step. Usually, the honeycomb structures are placed in an oven and subjected to a thermal debinding treatment at a temperature generally between 300 and 700 ° C.
Nach der Entbinderung können die Wabenstrukturen auf eine Temperatur oberhalb von 1600°C, sogar oberhalb von 1800°C, bevorzugt zwischen 1900°C und 2400°C, bevorzugt zwischen 2000°C und 2300°C ja sogar oberhalb von 2100°C gebracht werden, bevorzugt während einer typischen Dauer zwischen 2 und 10 Stunden, bevorzugt zwischen 4 und 6 Stunden, um gesintert zu werden.After debindering, the honeycomb structures may be brought to a temperature above 1600 ° C, even above 1800 ° C, preferably between 1900 ° C and 2400 ° C, preferably between 2000 ° C and 2300 ° C, and even above 2100 ° C , preferably for a typical duration of between 2 and 10 hours, preferably between 4 and 6 hours, to be sintered.
Um einen zusammengesetzten Körper herzustellen, setzt man die Einzelblocks wie im Beispiel unten beschrieben zusammen.To make a composite body, put the individual blocks together as described in the example below.
Allgemein wird die Seitenfläche
Die Dichtheit des Beschichtungszements ermöglicht die Herbeiführung von querverlaufenden Mikrorissen in der Dicke der Aussenwand des Filterkörpers ohne nachteiligen Effekt auf die Filterwirksamkeit (indem man diesen Zement derart aufbringt, dass die Öffnungen dieser Mikrorisse abgedeckt sind).The tightness of the coating cement makes it possible to induce transverse microcracks in the thickness of the outer wall of the filter body without adversely affecting filter efficiency (by applying this cement so as to cover the openings of these microcracks).
Der Filterkörper
Beispiele von Filterkörpern sind insbesondere in den Patentanmeldungen
Zusammengesetzter KörperComposite body
Ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Körpers beinhaltet klassischerweise folgende Verfahrensschritte:
- A) Herstellung einer Vielzahl
von gesinterten Einzelblöcken 11 ; - B) Präparation eines Montagezements für die Zusammensetzung;
- C) Zusammenkleben der Einzelblocks mittels des frischen Montagezements;
- D) Härtung des frischen Montagezements derart,
das Verbindungen 12 zwischen den Verbindungsflächen gebildet werden; - E) Optional eine thermische Behandlung.
- A) Production of a large number of sintered
individual blocks 11 ; - B) preparation of an assembly cement for the composition;
- C) gluing together the individual blocks by means of the fresh assembly cement;
- D) Hardening of the fresh assembly cement so, the
compounds 12 be formed between the connecting surfaces; - E) Optionally a thermal treatment.
Im Schritt A können die Einzelblöcke wie oben beschrieben hergestellt werden.In step A, the individual blocks can be manufactured as described above.
Im Schritt B wird der frische Montagezement im Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften für die Verbindungen zubereitet.In step B, the fresh mounting cement is prepared in view of the desired properties for the joints.
Die beiden Flächen der Verbindung, zwischen denen sich eine Verbindung erstreckt, können im allgemeinen von ebener Form sein.The two surfaces of the connection between which a connection extends may generally be flat.
Der Montagezement, der die Verbindungen bildet, besteht im allgemeinen aus Siliciumdioxid und/oder aus Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrat. Vorzugszweise ist der Montagezement im wesentlichen für die zu filternden Auspuffgase undurchlässig. Der Montagezement kann bei einer Temperartur zwischen 20°C und 600°C eine thermische Leitfähigkeit von oberhalb von 0,1 W/mK aufweisen, und vorzugsweise kleiner als 5 W/mK, sogar kleiner als 1 W/mK, um die thermomechanischen Spannungen zu begrenzen. Typischerweise ist die mittlere Dicke einer Verbindung 12 zwischen 0,3 und 4 mm.The assembly cement which forms the joints generally consists of silica and / or of silicon carbide or aluminum nitrate. Vorzugszweise the assembly cement is substantially impermeable to the exhaust gases to be filtered. The cement at a temperature between 20 ° C and 600 ° C may have a thermal conductivity of above 0.1 W / mK, and preferably less than 5 W / mK, even less than 1 W / mK, to increase the thermomechanical stresses limit. Typically, the average thickness of a
Die totale Porosität des Montagezements der Verbindungen kann oberhalb von 5% und kleiner von 90% sein, vorzugsweise oberhalb von 30% und/oder unterhalb von 85%. Der Montagezement kann vorteilhafterweise mehr als 0,05% und weniger als 5% eines hitzebeständigen Kunststoffs aufweisen in Prozenten im Verhältnis zur Masse des trockenen mineralischen Materials.The total porosity of the assembly cement of the compounds may be above 5% and below 90%, preferably above 30% and / or below 85%. The assembly cement may advantageously comprise more than 0.05% and less than 5% of a heat-resistant plastic in percentages relative to the mass of the dry mineral material.
Der Montagezement kann aus einem mineralischen Pulver erhalten werden, welches in Massenprozent im Verhältnis zur mineralischen Masse weniger als 5% von Teilchen aufweist, dessen mittlere Größe zwischen 0,1 und 10 micron, vorzugsweise zwischen 0,3 und 5 micron ist. Vorzugsweise stellen das Siliciumcarbid (SiC), das Aluminat (Al2O3) das Zirkon (ZrO2), das Titanoxyd (TiO2), das Magnesiumoxyd, das Silicat (SiO2) und die Mischungen aus diesen Oxyden, wie das Titanat von Aluminium, das Mullit oder das Zirkon insgesamt mehr als 85% der Masse des trockenen Mineralmaterials des Montagezements dar. Der Montagezement kann einen Gehalt an Kalk (CaO) unterhalb von 0,5% in Masseprozent im Verhältnis zum trockenen Mineralmaterial aufweisen. Der Montagezement kann ein Komposit-Material sein, welches Körner aus einem anorganischen Material aufweist, die durch eine geopolymere Matrix verbunden sind.The assembly cement may be obtained from a mineral powder having a mass percentage relative to the mineral mass of less than 5% of particles whose mean size is between 0.1 and 10 microns, preferably between 0.3 and 5 microns. Preferably, the silicon carbide (SiC), the aluminate (Al 2 O 3 ), the zirconium (ZrO 2 ), the titanium oxide (TiO 2 ), the magnesium oxide, the silicate (SiO 2 ) and the mixtures of these oxides, such as the titanate of Aluminum, mullite or zirconium altogether represents more than 85% of the mass of the dry mineral material of the assembly cement. The assembly cement may have a content of lime (CaO) below 0.5% by mass in relation to the dry mineral material. The mounting cement may be a composite material having grains of an inorganic material joined by a geopolymeric matrix.
Der Montagezement kann mehr als 30%, mehr als 50%, mehr als 60%, sogar mehr als 75% Siliciumcarbid enthalten, und zwar in Masseprozent bezogen auf das trockene Mineralmaterial, insbesondere um eine erhöhte thermische Leitfähigkeit zu erhalten. Vorzugsweise ist das Siliciumcarbid in Form von Teilchen vorhanden, deren mittlere Größe unterhalb von 200 micron liegt.The assembly cement may contain greater than 30%, greater than 50%, greater than 60%, even greater than 75% silicon carbide, in weight percent based on the dry mineral material, particularly to provide increased thermal conductivity. Preferably, the silicon carbide is in the form of particles whose average size is below 200 microns.
Das Siliciumcarbid weist somit einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der relativ erhöht ist. Der Gehalt an Siliciumcarbid muss daher begrenzt sein, um einen thermomechanischen Widerstand sicherzustellen, der an die Anwendung auf Partikelfilter angepasst ist. Ein Gehalt an Silicumcarbid zwischen 30 und 90%, vorzugsweise zwischen 55 und 75% ist besonders geeignet.The silicon carbide thus has an expansion coefficient which is relatively increased. The content of silicon carbide must therefore be limited to ensure a thermo-mechanical resistance adapted to the application to particulate filters. A content of silicon carbide between 30 and 90%, preferably between 55 and 75% is particularly suitable.
Der Montagezement weist vorzugsweise weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 1% mineralischer Fasern auf, insbesondere keramische in Massenprozent auf der Basis des trockenen Mineralmaterials.The assembly cement preferably has less than 10%, preferably less than 5%, preferably less than 1% mineral fibers, in particular ceramic by mass based on the dry mineral material.
Vorzugszweise weist der Montagezement keine solche Fasern auf.Vorzugszweise, the mounting cement has no such fibers.
Vorzugsweise weist der Montagezement eine anorganische und/oder organische Verbindung auf.Preferably, the mounting cement to an inorganic and / or organic compound.
Klassischerweise ist der Montagezement für das filtrierte Gas undurchlässig. Die Dichtheit des Montagezements bietet somit vorteilhafterweise die Möglichkeit, in der Dicke der äusseren Wand eines Einzelblocks die Erzeugung von quer verlaufenden Mikrorissen ahne nennenswerte Wirkung auf die Filtrationswirkung vorzusehen (indem man diesen Zement so anordnet, dass er die Öffnungen der Mikrorisse abdeckt).Classically, the assembly cement is impermeable to the filtered gas. The tightness of the mounting cement thus advantageously provides the ability to provide in the thickness of the outer wall of a single block the generation of transverse microcracks without significant effect on the filtration effect (by placing this cement so as to cover the openings of the microcracks).
In Schritt C werden zwei benachbarte Einzelblocks aneinander geklebt, indem man sie einander gegenüberstellt, vorzugsweise parallel zueinander und zwar jeweils mit den Seitenflächen
In Schritt D wird, nachdem er zwischen die Verbindungsflächen der Einzelblocks angeordnet worden ist, der frische Montagezement getrocknet, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 100°C und 200°C, vorzugsweise in Luft oder einer Atmosphäre mit geregelter Feuchte, vorzugsweise derart, dass die Restfeuchte zwischen 0 und 20% liegen. Vorzugsweise liegt die Dauer der Trockung zwischen einigen Sekunden und 10 Stunden, insbesondere als Funktion des Verbindungsformats und des zusammengesetzten keramischen Körpers.In step D, after it has been placed between the bonding surfaces of the individual blocks, the fresh assembly cement is dried, preferably at a temperature between 100 ° C and 200 ° C, preferably in air or an atmosphere with controlled humidity, preferably such that the residual moisture between 0 and 20%. Preferably, the duration of drying is between a few seconds and 10 hours, especially as a function of the bonding format and the composite ceramic body.
Die Einzelblocks werden vorzugsweise in Position gehalten, um eine Expansion des frischen Montagezements währen der Aushärtung zu vermeiden, beispielsweise durch Festklemmen mit Hilfe von Abstandshaltern, wie es beispielsweise in der
In Schritt E kann eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die ausreichend ist, um eventuelle Partikel und/oder organische Fasern zu eliminieren, bewirkt werden, um sie zu eleminieren und so die Markroporosität (geschlossene Porosität) zu schaffen, was vorteilhaft ist, um die thermische Leitfähigkeit zu reduzieren.In step E, a heat treatment may be effected at a temperature sufficient to eliminate any particulates and / or organic fibers to eliminate them and thus to provide the marrow porosity, which is advantageous for achieving thermal stability Reduce conductivity.
Die Wärmebehandlung wird vorteilhafterweise unter einer oxidierenden Atmosphäre realisiert, vorzugsweise bei Atmosphärendruck, bei einer Temperatur zwischen 300°C bis 1200°C. Die Wärmebehandlung führt zu der Polymerisation des eventuell vorhandenen wärmehärtbaren Kunststoffs zur Aushärtung der eventuell vorhandenen anorganischen Verbindung, zur Elimination der eventuell vorhandenen organischen Komponenten, sogar zu einer mehr oder weniger vollständigen Sinterung des Montagezements, wenn die Temperatur über 700°C hinausgeht. Diese Wärmebehandlung geht im allgemeinen mit einer Verbesserung des mechanischen Widerstandes einher.The heat treatment is advantageously carried out under an oxidizing atmosphere, preferably at atmospheric pressure, at a temperature between 300 ° C to 1200 ° C. The heat treatment leads to the polymerization of the possibly present thermosetting plastic to cure the possibly present inorganic compound, to eliminate the possibly present organic components, even to a more or less complete sintering of the assembly cement, when the temperature exceeds 700 ° C. This heat treatment is generally accompanied by an improvement in the mechanical resistance.
Seine Dauer liegt vorzugsweise ungefähr zwischen 1 und 20 Stunden vom Aufheizen bis Abkühlen und ist variabel als Funktion der Materialien aber auch der Größe und der Form der Verbindungen.Its duration is preferably from about 1 to 20 hours from heating to cooling and is variable as a function of materials but also the size and shape of the compounds.
Die Wärmebehandlung kann gleichermaßen auch in situ bewirkt werden. Insbesondere in dem Fall, dass zusammengesetzte Filterkörper zur Filterung in Automobilen bestimmt sind, können die Filterkörper in das Automobil eingebaut werden, vor der Elimination organischer Komponenten des Montagezements, wobei die Regenerationstemperatur ausreichend ist, um sie zu eliminieren. Beispielsweise ist die Verbrennungstemperatur der Zellulosefasern ungefähr 200°C, während die Regenerationstemperatur typischerweise ungefähr 500°C beträgt, sogar noch höher.The heat treatment can equally be effected in situ. In particular, in the case where composite filter bodies are intended for filtering in automobiles, the filter bodies may be incorporated into the automobile prior to the elimination of organic components of the mounting cement, the regeneration temperature being sufficient to eliminate them. For example, the combustion temperature of the cellulosic fibers is about 200 ° C, while the regeneration temperature is typically about 500 ° C, even higher.
Der so aufgebaute zusammengesetzte Körper kann danach benutzt werden, um eine Form zu erhalten, die an die Hülse
Alternativ zum gerade beschriebenen Verfahren kann ein Verfahren gemäß der Erfindung auch folgende Schritte aufweisen:
- A') Herstellung einer
Vielzahl von Einzelblocks 11 , die nicht gesintert sind; - B') Zubereitung eines frischen Montagezements;
- C') Verkleben der Einzelblöcke mittels des frischen Montagezements;
- D') Aushärtung des frischen Montagezements,
um Verbindungen 12 zwischen den Verbindungsflächen zu bilden; - E') Wärmebehandlung durch Sintern, derart, dass die Einzelblocks und der Montagezement gesintert werden und die Einzelblocks mit Mikrorissen versehen werden.
- A ') Production of a large number of
individual blocks 11 that are not sintered; - B ') preparation of a fresh assembly cement;
- C ') gluing the individual blocks by means of the fresh assembly cement;
- D ') Curing the fresh assembly cement to
compounds 12 to form between the bonding surfaces; - E ') Heat treatment by sintering, such that the individual blocks and the mounting cement are sintered and the individual blocks are provided with microcracks.
Verfahren zur Herstellung von MikrorissenProcess for producing microcracks
Eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung kann unter Anwendung aller aktuellen Verfahren hergestellt werden, vorausgesetzt, dass dieser Prozess geeignet ist, zur Erzeugung von Mikrorissen zu führen, insbesondere, in dem man den Entbinderungs-Schritt anpasst.A honeycomb structure according to the invention may be made using all current methods, provided that this process is suitable for producing microcracks, in particular, by adjusting the debindering step.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Herstellungsprozess zur Herstellung einer Wabenstruktur, welcher die Schritte a) bis d) aufweist, wie sie oben beschrieben sind. More particularly, the invention relates to a manufacturing process for producing a honeycomb structure comprising steps a) to d) as described above.
Vorzugsweise kann in Schritt b) die Trocknung durch eine Wärmebehandlung erfolgen und/oder unter Verwendung von Mikrowellen, und zwar während einer Zeit und einer Temperatur, die ausreichen, um den Gehalt an nicht chemisch gebundenem Wasser auf unter 1% in der Masse zu bringen. Wohlverstanden können auch andere äquivalente und bekannte Mittel berücksichtigt werden ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu verlassen.Preferably, in step b) drying may be by heat treatment and / or using microwaves for a time and temperature sufficient to bring the non-chemically bound water content below 1% by mass. Of course, other equivalent and known means may be considered without departing from the gist of the present invention.
In Schritt c) wird die Elimination der Bindung (oder Entbinderung) vorzugsweise unter einer oxidierenden Atmosphäre, insbesondere unter Luft bewirkt, und zwar bei einer Temperatur vorzugsweise unterhalb von 700°C, um einen ausreichenden mechanischen Gehalt sicherzustellen vor der Sinterung und eine unkrontollierte Oxidation auszuschließen, insbesondere des eventuell vorhandenen Siliciumcarbids. Eine Entbinderung kann unter einer weniger oxidierenden Atmosphäre als Luft bewirkt werden, um einer zu wesentlichen Oxidation des eventuell vorhanden Siliciumcarbids vorzubeugen, dann ist der Entbinderungs-Schritt jedoch länger.In step c), the elimination of binding (or debindering) is preferably effected under an oxidizing atmosphere, especially under air, at a temperature preferably below 700 ° C to ensure a sufficient mechanical content prior to sintering and to exclude an unconjugated oxidation , in particular of the possibly present silicon carbide. Debinding may be effected under a less oxidizing atmosphere than air to prevent substantial oxidation of any silicon carbide present, but the debinding step is longer.
Methoden und Vorrichtungen zur Entbinderung sind beispielsweise in
Das Sintern wird bei einer Temperatur oberhalb von 1600°C realisiert sogar oberhalb von 1800°C, bevorzugt oberhalb von 2000°C, noch bevorzugter oberhalb von 2100°C. Vorzugsweise ist diese Temperatur unterhalb von 2400°C. Vorzugsweise wird das Sintern unter einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Argonatmosphäre durchgeführt.The sintering is realized at a temperature above 1600 ° C, even above 1800 ° C, preferably above 2000 ° C, more preferably above 2100 ° C. Preferably, this temperature is below 2400 ° C. Preferably, the sintering is carried out under a non-oxidizing atmosphere, for example in an argon atmosphere.
Gemäß diesem Verfahren sind die in Schritt c) angegebenen Bedingungen so angepasst, dass die gesinterte Wabenstruktur mit Mikrorissen versehen wird. Insbesondere können Mikrorisse im Laufe eines Entbinderungsschritts auftreten, welcher unter Luft in den oben angegebenen Bedingungen bewirkt wird.According to this method, the conditions specified in step c) are adapted so that the sintered honeycomb structure is provided with microcracks. In particular, microcracks may occur in the course of a debindering step which is effected under air in the conditions given above.
Um die Umgebung, in der Mikrorisse entstehen sollen, beherrschen zu können, ist es möglich, eine Injektionsvorrichtung für oxidierendes Gas, insbesondere Luft vorzusehen, welche calibrierte Mündungen aufweist, die so orientiert sind, dass das oxidierende Gas in Kontakt mit der Region, in der die Mikrorisse entstehen sollen, erneuert wird.In order to be able to control the environment in which microcracks are to occur, it is possible to provide an injecting device for oxidizing gas, in particular air, having calibrated orifices oriented such that the oxidizing gas is in contact with the region in which the microcracks should arise, be renewed.
Es ist auch möglich, lokal einen Bereich einer Wabenstruktur, insbesondere die Eintrittsfläche oder die Austrittsfläche lokal einem variablen Strom von oxidierendem Gas und/oder einem oxidierenden Gas auszusetzen, welches eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die mehr oder weniger erhöht ist. Die Entbinderung provoziert eine Reaktion, die um so mehr exothermisch ist, als die Konzentration von Sauerstoff im oxidierenden Gas und der Strom des oxidierenden Gases erhöht sind. Je größer nun diese Freisetzung von Wärme ist, desto mehr Auftreten von Mikrorissen ist möglich.It is also possible locally to subject a region of a honeycomb structure, in particular the entry surface or the exit surface, locally to a variable flow of oxidizing gas and / or an oxidizing gas which has an oxygen concentration which is more or less increased. Debindering provokes a reaction that is all the more exothermic as the concentration of oxygen in the oxidizing gas and the flow of oxidizing gas are increased. The greater the release of heat, the more microcracking is possible.
Vorzugsweise ist die Injektionsvorrichtung so gewählt, dass in der Wabenstruktur Mikrorisse lokal erzeugt werden, insbesondere um ausschließlich Mikrorisse auf der äusseren Wand der Wabenstruktur zu erzeugen.Preferably, the injection device is selected such that microcracks are generated locally in the honeycomb structure, in particular in order to exclusively generate microcracks on the outer wall of the honeycomb structure.
Insbesondere kann es von Vorteil sein, das oxidierende Gas durch die Kanäle der Wabenstruktur einzublasen.In particular, it may be advantageous to inject the oxidizing gas through the channels of the honeycomb structure.
Um den mit Mikrorissen versehenen Bereich besser einzugrenzen, wird die Vorform vorteilhafterweise in einer „Gazette” plaziert.To better confine the microcracked area, the preform is advantageously placed in a "gazette".
Wie in
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelblocks
Weiterhin bevorzugt ist, dass ein Einzelblock
Die in Stromrichtung hintere Wand weist eine Austrittsöffnung
Der Gazettenstapel wird in einen Ofen eingefahren, der auf der Entbinderungstemperatur gehalten wird, beispielsweise bei 450°C.The gazette stack is run in an oven maintained at the debinding temperature, for example at 450 ° C.
Ein oxidierendes Gas G, beispielsweise Luft, vorzugszweise auf Entbinderungstemperatur, wird dann durch die Injektionsöffnungen
Die Temperatur, die Zirkulation des oxidierenden Gases und die Orientierung der Einzelblocks führen zu einer Mikrorissbildung der Einzelblocks, insbesondere wenn die Einzelblocks asymmetrisch sind.The temperature, the circulation of the oxidizing gas and the orientation of the individual blocks lead to microcracking of the individual blocks, in particular if the individual blocks are asymmetric.
Tpischerweise erscheinen mit einer Luftstrommenge durch die Injektionsöffnung
Wie in
Die Länge des Mkrorisses
Die maximale Breite Imax des Mikrorisses
Die während der Entbinderung erzeugten Mikrorisse erhalten sich bei dem Backvorgang, ohne überhaupt den Bruchmodul oder den Elastizitätsmodul der gesinterten Wabenstruktur zu beeinflussen.The microcracks generated during the debindering are obtained in the baking process without at all affecting the modulus of rupture or the elastic modulus of the sintered honeycomb structure.
In Schritt C) können der Entbinderungs- und der Sintervorgang getrennt voneinander oder simultan geschehen. Vorzugsweise sind die Schritte voneinander getrennt, wobei die Entbinderung vorzugsweise unter Luft und die Sinterung unter einer kontrollierten Argonatmosphäre ausgeführt werden.In step C), the debinding and sintering processes may be performed separately or simultaneously. Preferably, the steps are separated from one another, wherein debinding is preferably carried out under air and sintering under a controlled argon atmosphere.
Die Entbinderung und das Sintern können in einem gleichen Ofen stattfinden, wobei die Ofentemperatur nach der Entbinderung nicht auf die Umgebungstemperatur abgesenkt wird.Debinding and sintering can take place in a single oven, with the oven temperature not being lowered to ambient temperature after debindering.
Gemäß der Erfindung zeigen die
Die erhaltenen Mikrorisse sind feiner als die Risse, die durch die harten Regenerationen erhalten werden, die typischerweise eine Breite von 1 mm aufweisen. Darüber hinaus können diese bei der Regeneration auftretenden Risse einen Einzelblock umgeben, wodurch seine Filtrationskapazität reduziert wird, aber auch seine Integrität bedroht wird. Der Mikroriss kann durchgängig sein, insbesondere wenn er in der Dicke der äusseren Wand der Wabenstruktur vorhanden vorhanden ist. Er kann aber auch nicht durchgängig sein, d. h. lediglich mit einer einzigen Öffnung münden. Anders gesagt durchdringt er nicht die Wand der Wabenstruktur, auf welcher er mündet. Vorteilhafterweise verschlechtert ein solcher Mikroriss nicht die Filtrationswirkung, auch dann nicht, wenn er auf einer Wand vorhanden ist, die sich im inneren der Wabenstruktur erstreckt, als „interne Wand” bezeichnet, oder auf der Aussenwand eines monolithischen Filterkörpers, der keine periphere Verkleidung aufweist.The microcracks obtained are finer than the cracks obtained by the hard regenerations, which typically have a width of 1 mm. In addition, these cracks occurring in the regeneration can surround a single block, which reduces its filtration capacity, but also threatens its integrity. The microcrack may be continuous, especially if it is present in the thickness of the outer wall of the honeycomb structure. But he also can not be consistent, d. H. only open with a single opening. In other words, it does not penetrate the wall of the honeycomb structure on which it flows. Advantageously, such a microcrack does not degrade the filtration effect, even if it is present on a wall extending inside the honeycomb structure, referred to as an "internal wall", or on the outside wall of a monolithic filter body having no peripheral cladding.
Die maximale Tiefe pmax des Mikrorisses kann insbesondere größer als 0,8, größer als 0,9 mal der Dicke der externen Wand der Wabenstruktur sein, ja sogar genauso groß wie diese Dicke (durchgängiger Mikroriss). In particular, the maximum depth p max of the microcrack can be greater than 0.8, greater than 0.9 times the thickness of the external wall of the honeycomb structure, and even as large as this thickness (continuous microcracking).
Die maximale Tiefe pmax des Mikrorisses kann insbesondere kleiner als 0,7, kleiner als 0,6, ja sogar kleiner als 0,5 mal der Dicke der Wand der Wabenstruktur, auf der er angeordnet ist, sein, insbesondere wenn diese Wand eine innere Wand ist. Vorteilhafterweise bleibt die Filterwirkung somit sehr befriedigend.The maximum depth p max of the microcrack may in particular be less than 0.7, less than 0.6, even less than 0.5 times the thickness of the wall of the honeycomb structure on which it is arranged, in particular if this wall has an internal thickness Wall is. Advantageously, the filter effect thus remains very satisfactory.
Mikrorisse können speziell in der Nähe der Eingangs- oder der Ausgangsfläche erzeugt werden, vorzugsweise in der Nähe der Ausgangsfläche, und zwar durch lokale Modifikation des Luftstroms. Je mehr der Strom des oxidierenden Gases, welches während der Entbinderung lokal eingebracht wird, wichtig ist, desto mehr erzeugt die exothermische Reaktion der Entbinderung Mikrorisse generienende lokale Spannungen.Microcracks may be created especially near the entrance or exit face, preferably near the exit face, by local modification of the airflow. The more important the flow of oxidizing gas introduced locally during debindering, the more the exothermic reaction of debindering generates microcracks generating local stresses.
Um einen zusammengesetzten Körper gemäß der Erfindung herzustellen, wird mindestens einer der Einzelblocks in Schritt A) hergestellt, und zwar den Schritten a) bis d) (siehe oben) folgend.In order to produce a composite body according to the invention, at least one of the individual blocks is prepared in step A), following steps a) to d) (see above).
BeispieleExamples
Alle Einzelblocks der Beispiele werden nach folgender Methode hergestellt:
In einem Rührgefäß mischt man Siliciumcarbidpulver, einen Schaumbildner vom Typ Polyethylen und eine organische Verbindung vom Typ Methylzellulose.All individual blocks of the examples are prepared by the following method:
In a stirred vessel mixed silicon carbide powder, a foaming agent of the polyethylene type and an organic compound of the methylcellulose type.
Präziser mischt man in einem ersten Zeitraum 70 Gewichtsprozent eines SiC-Pulvers, dessen Körner einen mittleren Durchmesser D50 von 10 Micron aufweisen, mit einem zweiten SiC-Pulver-30-Gewichtsprozent- dessen Körner einen mittleren Durchmesser D50 von 0,5 Micron aufweisen. Zu dieser Mischung wird ein Schaumbildner vom Typ Polyethylen zugegeben in einer Proportion, die gleich ist 4,5-Gewichtsprozent des Totalgewichts der Körner von SiC und ein Additiv in Form des Zellulosetyps in einer Proportion, die gleich ist 10-Gewichtsprozent des Totalgewichts der SiC-Körner.More precisely, in a first period, 70% by weight of a SiC powder whose grains have a mean diameter D 50 of 10 microns is mixed with a second SiC powder 30% by weight whose grains have an average diameter D 50 of 0.5 microns , To this mixture is added a foaming agent of the polyethylene type in a proportion equal to 4.5% by weight of the total weight of the grains of SiC and an additive in the form of the cellulose type in a proportion equal to 10% by weight of the total weight of the SiC. grains.
Man fügt Wasser hinzu, und rührt bis eine homogene Paste erhalten wird und deren Plastizität die Extrusion durch eine Düse erlaubt. Diese Paste wird nun durch eine Düse extrudiert, die an die Herstellung einer Wabenstruktur-Vorform angepasst ist, die die dimensionellen Merkmale der Tabelle 1 aufweist.Add water and stir until a homogeneous paste is obtained and its plasticity allows extrusion through a die. This paste is then extruded through a die adapted for the manufacture of a honeycomb preform having the dimensional characteristics of Table 1.
Man trocknet danach die Vorformen durch Mikrowelle unter Luft während einer Zeit, die ausreicht, den nicht chemisch gebundenen Wasseranteil auf mindestens ein Massenprozent zu bringen.The preforms are then dried by microwave in air for a time sufficient to bring the non-chemically bound water content to at least one percent by mass.
Man verstopft anschließend alternativ die Kanäle auf der Eingangsfläche und auf der Ausgangsfläche der Vorformen gemäß bekannter Techniken, beispielsweise wie in der Anmeldung
Die Vorformen werden anschließend bei 500°C während einer Stunde unter Luft entbindert und dann nach einem Zyklus gebacken, der einen Temperaturanstieg von 20°C/h bis auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2200°C aufweist, wonach diese Temperatur für 2 Stunden beibehalten wird.The preforms are then debinded at 500 ° C for one hour in air and then baked after a cycle having a temperature rise of 20 ° C / hr to a temperature on the order of 2200 ° C, after which this temperature is maintained for 2 hours becomes.
Man erhält so eine Serie von Einzelblocks aus Siliciumcarbid, die im wesentlichen identisch sind, dessen Merkmale in der Tabelle 1 aufgelistet sind:
Die Einzelblocks gemäß der Erfindung wiesen jeder einen durchgängigen Mikroriss auf einer ihrer Seitenflächen auf. Die Länge dieses Mikrorisses war ungefähr 1 cm und seine maximale Breite Imax war ungefähr 1 mal die maximale Größe D99,5 der Körner.The individual blocks according to the invention each had a continuous microcrack on one of their side surfaces. The length of this microcrack was about 1 cm and its maximum width I max was about 1 times the maximum size D 99.5 of the grains.
Gemäß der Lehre der Patentanmeldung
Für den Vergleichs-zusammengesetzten Körper C1 war keiner der 16 Einzelblocks mit der Erfindung konform. Einzelblocks wurden in „Gazetten”, welche wie oben beschrieben, die Injektionsöffnungen aufweisen, einer Entbinderung unterzogen, wobei die Menge an Luft in Richtung der Eingangsfläche der Einzelblocks in der Größenordnung von 2·10–2m3/s pro m2 der Oberfläche besagter Eintrittsfläche ist.For the comparative composite body C1, none of the 16 individual blocks was compliant with the invention. Single blocks were debinded in "gazettes" having the injection ports as described above, with the amount of air toward the input face of the single blocks being on the order of 2 x 10 -2 m 3 / s per m 2 of surface area Entry surface is.
Für das Verkleben der Einzelblocks bereitet man einen Montagezement zu, in dem man folgende Anteile miteinander mischt.
- – 66-Gewichtsprozent eines Sic-Pulvers deren Korngröße zwischen 10 und 200 micron liegt,
- – 3-Gewichtsprozent eines reaktiven Aluminatpulvers, welches durch die Gesellschaft Almatis gehandelt wird mit einer mittleren Größe von ungefähr 3 micron,
- – 24% Hohlkugeln, welche durch Enviro-spheres unter dem Namen „e-spheres” gehandelt wird, die eine chemische Zusammensetzung darstellt, welche 60% SiO2 und 40% Al2O3 enthält und eine mittlere Größe in der
Größenordnung von 100 micron aufweist, - – 6% Siliciumrauch vom Type Elkem 971,
- – 0,8-Gewichtsprozent einer temporären und plastifizierenden Verbindung vom Typ Zellulose,
- – 0,2-Gewichtsprozent eines Entflockungsmittels vom Typ TPPNa (Natriumtripolyphosphat).
- - 66% by weight of a Sic powder whose particle size is between 10 and 200 microns,
- 3% by weight of a reactive aluminate powder sold by the company Almatis with a mean size of approximately 3 microns,
- - 24% hollow spheres, which is traded by Enviro spheres under the name "e-spheres", which represents a chemical composition containing 60% SiO 2 and 40% Al 2 O 3 and an average size of the order of 100 micron having,
- - 6% silicon smoke of the type Elkem 971,
- 0.8% by weight of a cellulose-type temporary and plasticizing compound,
- 0.2% by weight of a deflocculant of the TPPNa (sodium tripolyphosphate) type.
Man gibt eine Menge Wasser hinzu, welche ungefähr 15-Gewichtsprozent dieser Mischung ausmacht, um einen frischen Montagezement mit adequater Viskosität zu erhalten.An amount of water is added, which constitutes about 15% by weight of this mixture, to obtain a fresh assembly cement of adequate viscosity.
In allen Beispielen ist der frische Montagezement ohne Druck und gleichmäßig zwischen die Einzelblocks appliziert worden, derart, dass Verbindungen mit einer mittleren Dicke von ungefähr 1 mm erhalten werden, wobei der gesamte Raum zwischen den Verbindungsflächen ausgefüllt wird.In all examples, the fresh assembly cement has been applied without pressure and evenly between the individual blocks, such that compounds having an average thickness of about 1 mm are obtained, filling the entire space between the bonding surfaces.
Die Zusammensetzungen der Einzelblöcke werden anschließend unter Luft bei 100°C während 1 Stunde getrocknet, dann bei 1000°C unter Luft während 1 Stunde gebacken, derart, dass filtrierende zusammengesetzte Körper erhalten werden. Die filtrierenden zusammengesetzten Körper werden dann benutzt, um zusammengesetzte Körper mit kreisförmigen Querschnitt zu erhalten, mit einem Volumen in der Größenordnung von 4,1 l (5,66'' × 10''). Die zusammengesetzten Körper werden anschließend folgenden Tests unterworfen:The compositions of the individual blocks are then dried under air at 100 ° C for 1 hour, then baked at 1000 ° C under air for 1 hour, so that filtering composite bodies are obtained. The filtering composite bodies are then used to To obtain composite bodies of circular cross section, with a volume of the order of 4.1 l (5.66 '' x 10 ''). The composite bodies are then subjected to the following tests:
Kontrolle des thermomechanischen WiderstandsControl of the thermo-mechanical resistance
Die so erhaltenen zusammengesetzten Körper werden in einer Auspufflinie eines 2,0 l Dieselmotor mit direkter Einspritzung eingebaut, wobei der Motor mit voller Leistung (4000 Umdrehungen pro Minute) während 30 Minuten läuft, danach werden sie demontiert und gewogen, um ihre Ausgangsmasse zu bestimmen.The composite bodies thus obtained are installed in an exhaust line of a 2.0 liter direct injected diesel engine, with the engine running at full power (4000 rpm) for 30 minutes, after which they are disassembled and weighed to determine their initial mass.
Die zusammengesetzten Körper werden anschließend erneut auf einer Motorbank montiert, in einem Bereich von 3000 Umdrehungen pro Minute und einem Drehmoment von 50 N·m während einer geeigneten Dauer, um eine Russmenge von 8 g/l (im Volumen des zusammengesetzten Körpers) zu erhalten. Die so beladenen zusammengesetzten Körper werden erneut auf der Auspufflinie montiert, um einer starken Regeneration unterworfen zu werden: Nach einer Stabilisierung des Motorlaufs bei 1700 Umdrehungen pro Minute für ein Drehmoment von 95 N·m während 2 Minunten wird eine Nachinjektion realisiert mit 70° Phase für eine Nachinjektionsmenge von 18 mm3/Hub. Wenn einmal die Verbrennung des Russes begonnen hat, d. h. wenn der Belastungsverlust während mindestens 4 Sekunden verringert wird, wird die Motorleistung auf 1050 Umdrehungen pro/Minute für ein Drehmoment von 40 N·m während 5 Minuten abgesenkt, um die Russverbrennung zu beschleunigen.The assembled bodies are then re-mounted on a motor bench, in a range of 3000 revolutions per minute and a torque of 50 N · m for an appropriate period to obtain a soot amount of 8 g / L (in volume of the assembled body). The composite bodies thus loaded are mounted again on the exhaust line to be subjected to strong regeneration: After stabilizing the engine running at 1700 rpm for a torque of 95 N · m for 2 minutes, a post-injection is realized with 70 ° phase for a Nachinjektionsmenge of 18 mm 3 / stroke. Once the combustion of the soot has begun, ie when the load loss is reduced for at least 4 seconds, the engine power is lowered to 1050 rpm for a torque of 40 N · m for 5 minutes to accelerate the soot combustion.
Die zusammengesetzten Körper werden anschließend bei einer Motorleistung von 4000 Umdrehungen pro Minute während 30 Minuten unterworden, um verbleibenden Russ zu eliminieren.The composite bodies are then subjected to engine power of 4000 rpm for 30 minutes to eliminate residual soot.
Die regenerierten zusammengesetzten Körper werden untersucht nach der Zerlegung, um die eventuelle Präsenz von mit bloßem Auge erkennbaren Rissen ans Licht zu bringen. Der thermomechanische Widerstand wird anhand der Zahl der Risse geschätzt, wobei eine geringe Anzahl an Rissen einen thermomechanischen Widerstand angibt, der für einen Gebrauch als Filterkörper akzeptabel ist.The regenerated composite bodies are examined after disassembly to reveal the eventual presence of visible cracks. The thermo-mechanical resistance is estimated by the number of cracks, with a small number of cracks indicating a thermo-mechanical resistance that is acceptable for use as a filter body.
Die folgenden Noten können vergeben werden:
Bei einer unter den extremen Bedingungen realisierten Regeneration ist das Vorhandensein von einigen Rissen (Note „+”) akzeptabel. Die Noten „++” und „+++” sprechen für einen schlechten thermomechanischen Widerstand.For regeneration under extreme conditions, the presence of some cracks ("+" mark) is acceptable. The notes "++" and "+++" speak for a poor thermo-mechanical resistance.
Indiz der FiltereffizienzIndicator of filter efficiency
Das Indiz der Filtereffizienz ist definiert als Differenz zwischen der Russpartikelmenge am Eingang des zusammengesetzten Körpers und der Menge der Russpartikel am Ausgang dieses Körpers bezogen auf die Russpartikelmenge am Eingang besagten zusammengesetzten Körpers.The index of filter efficiency is defined as the difference between the amount of soot particles at the entrance of the assembled body and the amount of soot particles at the outlet of this body relative to the amount of soot particles at the entrance of said composite body.
Das Indiz der Filtereffizienz wird gemessen mit Hilfe von Rauchmessern, die am Eingang und am Ausgang des zusammengesetzten Körpers angeordnet sind, wobei letzterer in die Auspufflinie eines Motors eingesetzt ist, wobei der Motor unter voller Leistung bei 4000 Umdrehungen pro Minute während 30 Minuten läuft.The index of filter efficiency is measured by means of smoke meters located at the entrance and exit of the assembled body, the latter being placed in the exhaust line of an engine with the engine running at full power at 4000 rpm for 30 minutes.
Messungen der Young-Module des Montagezements und der filtrierenden Einzelblöcke:Measurements of the Young modules of the assembly cement and the filtering individual blocks:
Der dynamische Young-Modul wird gemäß der
Man misst bei Umgebunstemperartur die natürliche Vibrationsfrequnez eines Prüfkörpers in der „dynamischen” Mode. Zu diesem Zweck ist der Prüfkörper auf zwei aus Gummi bestehenden Trägern positioniert, derart, dass er nicht mit der Vibrationsmode des Prüfkörpers wechselwirkt. Die Träger sind symmetrisch zur Mitte der Längsachse des Prüfkörpers plaziert, wobei die Distanz zwischen den Trägern 100 mm ist. Der Prüfkörper wird danach mit einem mechanischen Stoß in der Mitte seiner oberen Fläche (entgegengesetzt zur unteren auf den Trägern stehenden Fläche) erregt, beispielsweise mittels eines Stabes, eines Bleistiftes oder eines mit der Apparatur gelieferten Hammers, wobei die Erregungsenergie schwach ist. Diese Erregung bewirkt eine Vibration im inneren des Materials des Prüfkörpers. Ein piezoelektrischer Detektor, der in Kontakt mit dem Prüfkörper angeordnet ist, registriert dann diese Vibration und wandelt sie in ein elektrisches Signal um, aufgrund dessen die natürliche Vibrationsfrequenz f (oder „Flexionsresonanzfrequenz”) bestimmt wird.At ambient temperature, the natural vibration frequency of a test specimen is measured in the "dynamic" mode. For this purpose, the specimen is positioned on two gum carriers, such that it does not interfere with the mode of vibration of the specimen. The supports are placed symmetrically to the center of the longitudinal axis of the test piece, the distance between the supports being 100 mm. Of the The specimen is then excited with a mechanical impact in the middle of its upper surface (opposite to the lower surface on the supports), for example by means of a rod, a pencil or a hammer supplied with the apparatus, the excitation energy being weak. This excitation causes a vibration inside the material of the specimen. A piezoelectric detector placed in contact with the specimen then registers that vibration and converts it into an electrical signal which determines the natural vibration frequency f (or "flexion resonance frequency").
Man berechnet den dynamischen Young-Modul E (in Gpa) in Funktion von der Masse m (in g) des Prüfkörpers und der Frequenz (in Hz) nach der folgenden Formel:
Der dynamische Young-Modul wird an den filtrierenden Einzelblocks mit den Dimensionen 36 × 36 × 254 mm3 gemessen.The dynamic Young's modulus is measured on the single-block filtering blocks of
Der dynamische Young-Modul wird gleichermaßen bei einem Prüfkörper von 22 × 22 × 143 mm3 beim Montagezement gemessen, welcher durch Gießen zubereitet wird und der selben thermischen Behandlung unterworfen wird wie diejenige beim Montagezement, wenn er in einem zusammengesetzten Körper benutzt wird. Der Prüfkörper wird anschließen bei 110°C getrocknet, bevor er auf die Umgebungstemperatur herabgekühlt wird. Ergebnisse:
- C1: VergleichsbeispielC1: Comparative Example
- Beispiel 1: Beispiel gemäß der ErfindungExample 1: Example according to the invention
Eine Erhöhung der Mikrorissanzahl verbessert eindeutig das thermomechanische Verhalten. Diese Verbesserung führt indessen nicht zu einer merklichen Reduktion der Filtrationseffizienz.An increase in the number of microcracks clearly improves the thermomechanical behavior. However, this improvement does not result in a marked reduction in filtration efficiency.
Komplementäre Messungen haben bestätigt, dass die Anwesenheit von Mikrorissen nicht wesentlich die Porosität und den mittleren Porendurchmesser des Materials modifizieren, aus dem die Einzelblocks bestehen.Complementary measurements have confirmed that the presence of microcracks does not significantly modify the porosity and average pore diameter of the material composing the individual blocks.
Die vorstehende Beschreibung erlaubt einige mögliche Realisationsmöglichkeiten der Erfindung zu illustrieren. Es ist jedoch klar, dass diese Beschreibung nicht begrenzend ist und dass der Fachmann von sich aus andere Varianten der Erfindung realisieren kann ohne den Kern derselben zu verlassen.The foregoing description allows to illustrate some possible implementations of the invention. It is to be understood, however, that this description is not limiting and that those skilled in the art can practice other variations of the invention without departing from the spirit thereof.
Insbesondere könnte eine Wabenstruktur gemäß der Erfindung in anderen Anwendungen als der Filtration verwendet werden, und insbesondere als Katalysator.In particular, a honeycomb structure according to the invention could be used in applications other than filtration, and in particular as a catalyst.
In einer Ausführungsform ist ein Teil der Wabenstruktur mit einem katalytischen Mantel umgeben, auch „wash coat”, z. B. so angepasst für die Behandlung von umweltverschmutzenden Gasen vom Typ CO, HC oder NOx. Beispielsweise kann die katalytische Ummantelung für eine optimale Leistung nur auf den Oberflächen angeordnet werden, die einen Teil der Kanäle begrenzen, beispielsweise nur auf den Oberflächen, die die Eintrittskanäle des Filterkörpers begrenzen.In one embodiment, a part of the honeycomb structure is surrounded by a catalytic jacket, also called "wash coat", e.g. B. adapted for the treatment of polluting gases of the type CO, HC or NOx. For example, the catalytic jacket can only be used on the surfaces for optimum performance are arranged, which limit a portion of the channels, for example, only on the surfaces that define the inlet channels of the filter body.
Insbesondere können für eine Anwendung als Katalysator die Kanäle nicht verstopft sein.In particular, for an application as a catalyst, the channels may not be clogged.
Im übrigen stellen die Beispiele zylindrische Einzelblocks auf quadratischer Basis dar, genannt „parallelepipedisch”. Die Erfindung ist allerdings auf derartige Blocks nicht beschränkt.Otherwise, the examples represent single-block cylindrical blocks on a square basis, called "parallelepipedic". However, the invention is not limited to such blocks.
Schließlich in anderen Ausführungsformen sind die Eingangskanäle und die benachbarten Ausgangskanäle nicht so zueinander angeordnet, dass die Gesamtheit des durch einen beliebigen Eintrittskanal gefilterten Gases in zu diesem Eintrittskanal benachbarte Austrittskanäle strömt.Finally, in other embodiments, the input channels and the adjacent output channels are not arranged to each other such that the entirety of the gas filtered by an arbitrary inlet channel flows into outlet channels adjacent to this inlet channel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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