DE102017128968A1

DE102017128968A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Isolationsvorformlings mit abgestufter Porosität

Info

Publication number: DE102017128968A1
Application number: DE102017128968.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas M. Harris; Bradley FINGLAND; Michael C. Bradford; Adam J. Kotrba
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2018-06-21
Also published as: CN108218380A; US20180171857A1; US10450937B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Erzeugung eines Isolationsvorformlings mit abgestufter Porosität für eine Abgasbehandlungskomponente eines Fahrzeugs bereit. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines ersten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem ersten Durchmesser, eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem zweiten Durchmesser, der weniger als der erste Durchmesser beträgt, eines anorganischen Bindemittels und von Wasser. Das Verfahren umfasst ferner Erzeugen einer Aufschlämmung, die das erste granulatförmige Isolationsmaterial, das zweite granulatförmige Isolationsmaterial, das anorganische Bindemittel und Wasser umfasst. Die Aufschlämmung wird in ein Formwerkzeug gegeben, von dem mindestens eine Fläche zum Vakuumabzug ausgeführt ist. Eine Flüssigphase der Aufschlämmung wird zur Erzeugung eines feuchten Vorformlings unter Verwendung von Vakuumabzug aus dem Formwerkzeug abgesaugt. Der feuchte Vorformling weist eine abgestufte Porosität auf, so dass sich eine größere Konzentration des zweiten Isolationsmaterials als des ersten Isolationsmaterials neben der mindestens einen Fläche befindet. Der feuchte Vorformling wird zur Erzeugung des Isolationsvorformlings erhitzt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Abgasbehandlungssysteme und insbesondere auf die Isolation für eine Abgasbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Erzeugung davon.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung bereit, wobei es sich nicht zwangsweise um den Stand der Technik handelt.
In dem Bestreben, die Menge an NOx und Partikeln, die während Verbrennungsmotorbetriebs in die Atmosphäre ausgestoßen werden, zu reduzieren, sind eine Reihe von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen oder Abgasreinigungsvorrichtungen („Abgasbehandlungsvorrichtungen“) entwickelt worden. Ein Bedarf an Abgasnachbehandlungssystemen entsteht insbesondere bei der Implementierung von Dieselverbrennungsprozessen. Typische Nachbehandlungssysteme für Dieselmotorabgas können eine Kohlenwasserstoff(HC - Hydrocarbon)-Einspritzvorrichtung, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC - Diesel Oxidation Catalyst), einen Dieselpartikelfilter (DPF - Diesel Particulate Filter) und ein SCR-System (SCR - Selective Catalytic Reduction; selektive katalytische Reduktion) (einschließlich einer Harnstoff-Einspritzvorrichtung) umfassen.
Abgasbehandlungssysteme können Isolation zum Halten von Wärme in den Abgasbehandlungsvorrichtungen oder zum Abschirmen von temperaturempfindlichen Komponenten oder Materialien, die sich in der Nähe befinden, umfassen. Die Isolation kann zwischen zwei Wänden angeordnet sein. Eine Innenwand definiert einen Kanal für Abgasstrom und eine Außenwand hält die Isolation und schützt sie vor der Umgebung.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres gesamten Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Isolationsvorformlings mit abgestufter Porosität für eine Abgasbehandlungskomponente eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines ersten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem ersten Partikeldurchmesser, eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem zweiten Partikeldurchmesser, der weniger als der erste Durchmesser beträgt, eines anorganischen Bindemittels und von Wasser. Das Verfahren umfasst ferner Erzeugen einer Aufschlämmung, die das erste granulatförmige Isolationsmaterial, das zweite granulatförmige Isolationsmaterial, das anorganische Bindemittel und das Wasser umfasst. Die Aufschlämmung wird in ein Formwerkzeug gegeben, von dem mindestens eine Fläche zum Vakuumabzug ausgeführt ist. Eine Flüssigphase der Aufschlämmung wird zur Erzeugung eines feuchten Vorformlings unter Verwendung von Vakuumabzug aus dem Formwerkzeug abgesaugt. Der feuchte Vorformling weist eine abgestufte Porosität auf, so dass sich eine größere Konzentration des zweiten Isolationsmaterial als des ersten Isolationsmaterials neben der mindestens einen Fläche befindet.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Isolationsvorformling mit abgestufter Porosität für ein Abgasbehandlungssystem eines Fahrzeugs bereitgestellt. Der Isolationsvorformling umfasst mehrere erste Partikel und mehrere zweite Partikel. Jeder der mehreren ersten Partikel umfasst ein Isolationsmaterial und weist eine erste durchschnittliche Partikelgröße auf. Jeder der mehreren zweiten Partikel umfasst das Isolationsmaterial und weist eine zweite durchschnittliche Partikelgröße auf. Die zweite durchschnittliche Partikelgröße beträgt weniger als die erste durchschnittliche Partikelgröße. Der Isolationsvorformling umfasst einen ersten Bereich mit einer ersten Porosität und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Porosität, die geringer als die erste Porosität ist. Der zweite Bereich umfasst mehr der mehreren zweiten Partikel als der erste Bereich. Der erste Bereich umfasst mehr der mehreren ersten Partikel als der zweite Bereich.
Bei noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Isolationskomponente für eine Abgasbehandlungskomponente eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die Isolationskomponente umfasst eine Außenwand, eine Innenwand, die zumindest teilweise in der Außenwand angeordnet ist, und einen Isolationsvorformling, der zwischen der Außenwand und der Innenwand angeordnet ist. Der Isolationsvorformling umfasst einen ersten Bereich mit einer ersten Dichte und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Dichte, die größer als die erste Dichte ist. Der zweite Bereich des Isolationsvorformlings befindet sich neben einer Fläche der Innenwand. Der erste Bereich des Isolationsvorformlings befindet sich neben einer Fläche der Außenwand. Die Innenwand ist zur Anordnung um eine Außenfläche der Abgasbehandlungskomponente herum ausgeführt.
Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der hier bereitgestellten Beschreibung hervor. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in der vorliegenden Kurzdarstellung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.

1A ist eine schematische Teilansicht eines Auslasssystems, das eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst;
1B ist eine Querschnittsansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung von 1A entlang der Linie 1B-1B;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung von 1B;
3 ist ein Querschnitt einer Abgasbehandlungsvorrichtung, die Isolation mit einer Hülle gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst;
4 ist eine schematische Ansicht eines Herstellungsverfahrens für einen Isolationsvorformling gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein Ablaufdiagramm des Herstellungsverfahrens von 4 gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine Tabelle von in Beispiel 1 verwendeten Größen granulatförmiger Isolationspartikel;
7A ist ein Foto einer Draufsicht eines Isolationsvorformlings gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
7B ist eine perspektivische Ansicht des Isolationsvorformlings von 7A.

Übereinstimmende Bezugszeichen geben über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg übereinstimmende Teile an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen umfassender beschrieben.
Es werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich ist und dem Fachmann den Schutzumfang vollständig übermittelt. Es werden zahlreiche spezielle Details angeführt, wie z. B. Beispiele für spezielle Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die speziellen Details nicht eingesetzt werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet werden können und dass keine als den Schutzumfang der Offenbarung einschränkend ausgelegt werden soll. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden allseits bekannte Verfahren, allseits bekannte Vorrichtungsstrukturen und allseits bekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht als Einschränkung verstanden werden. Wie hier verwendet wird, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht ausdrücklich etwas anderes angibt. Die Ausdrücke „umfasst“, „umfassen(d)“, „enthalten(d)“ und „aufweisen(d)“ sind inklusiv gemeint und geben deshalb das Vorhandensein von angeführten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsgängen, Elementen und/oder Komponenten an, schließen aber das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben nicht aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Verfahren und Arbeitsschritte dürfen nicht so verstanden werden, dass ihre Durchführung unbedingt in der speziellen erörterten oder dargestellten Reihenfolge erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als die Reihenfolge der Durchführung angegeben ist. Es versteht sich ferner, dass weitere oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „an“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, kann es bzw. sie direkt an dem anderen Element oder der anderen Schicht, in Eingriff damit, verbunden damit oder gekoppelt damit sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn hingegen ein Element als „direkt an“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Ein anderer Wortlaut, der zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet wird, sollte auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (beispielsweise „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ beliebige und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Objekte.
Obwohl hier die Begriffe erster, zweiter, dritter etc. zur Beschreibung verschiedener Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte verwendet werden können, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe können nur dazu verwendet werden, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und sonstige hier verwendete numerische Begriffe implizieren keine Abfolge oder Reihenfolge, sofern dies nicht eindeutig aus dem Kontext hervorgeht. Somit könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, die nachstehend erörtert werden, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich bezogene Begriffe wie „innerer“, „äußerer“, „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und dergleichen können hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, leichter zu beschreiben. Mit räumlich bezogenen Begriffen kann bezweckt werden, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb mit zu umfassen. Wenn die Vorrichtung in den Figuren zum Beispiel umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben wurden, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Somit kann der exemplarische Begriff „unter“ sowohl eine Ausrichtung von über als auch von unter umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) ausgerichtet sein, und die hier verwendeten räumlich bezogenen beschreibenden Begriffe werden entsprechend ausgelegt.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf ein Auslasssystem und insbesondere auf einen Isolationsvorformling für eine Abgasbehandlungsvorrichtung. Unter Bezugnahme auf 1A wird ein Auslasssystem 10 bereitgestellt. Das Auslasssystem 10 umfasst einen Abgasdurchgang 12 und einen Verbrennungsmotor 14, der Abgas 18 erzeugt. Das Auslasssystem 10 umfasst des Weiteren mindestens eine Abgasbehandlungsvorrichtung 22 in Strömungsverbindung mit dem Abgasdurchgang 12. Abgasbehandlungsvorrichtungen 22 können als nicht einschränkende Beispiele Katalysatoren, DOC, DPF, Benzinpartikelfilter (GPF - Gasoline Particulate Filters), NO_x-Speicherkatalysatoren, SCR-Katalysatoren, Brenner, Krümmer, Verbindungsrohre, Schalldämpfer, Resonatoren, Endrohre, Abgasreinigungssystemsgehäusekästen, Isolationsringe, isolierte Endkegel, isolierte Einlassrohre und isolierte Auslassrohre umfassen. Obgleich der Isolationsvorformling der vorliegenden Offenbarung bei den obigen Anwendungen besonders nützlich ist, kann er allgemein bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es zu Temperaturen kleiner gleich der Erweichungstemperatur des verwendeten Isolationsmaterials kommt.
Mit Bezug auf 1A-1B umfasst die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 eine Innenwand 26 und eine Außenwand 30, ein Substrat 32 und eine Isolation 34, die zwischen der Innenwand 26 und der Außenwand 30 angeordnet ist. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 22 ist allgemein zylinderförmig.
Unter Bezugnahme auf 2 wird die Isolation 34 der Abgasbehandlungsvorrichtung 22 genauer dargestellt. Die Isolation 34 kann zunächst als ein Isolationsvorformling 72 konstruiert werden. Der Isolationsvorformling 72 umfasst mehrere erste Partikel 76 und mehrere zweite Partikel 80. Die mehreren ersten Partikel 76 weisen einen ersten durchschnittlichen Durchmesser auf und die mehreren zweiten Partikel 80 weisen einen zweiten durchschnittlichen Durchmesser auf. Der erste durchschnittliche Durchmesser beträgt mehr als der zweite durchschnittliche Durchmesser. Die mehreren ersten Partikel 76 weisen eine erste Dichte auf und die mehreren zweiten Partikel 80 weisen eine zweite Dichte auf. Die zweite Dichte kann sich von der ersten Dichte unterscheiden.
Die mehreren ersten Partikel umfassen ein erstes granulatförmiges Isolationsmaterial und die mehreren zweiten Partikel umfassen ein zweites granulatförmiges Isolationsmaterial. Das erste und das zweite Isolationsmaterial können identisch sein. Beispielsweise können das erste und das zweite Isolationsmaterial jeweils Perlit umfassen. Das erste und das zweite Isolationsmaterial können verschieden sein. Beispielsweise kann das erste Isolationsmaterial ein Isolationsmaterial mit geringerer Dichte, wie z. B. Perlit, umfassen und das zweite Isolationsmaterial kann ein Material mit höherer Dichte, das zur Infrarotreflexion in der Lage ist, wie z. B. Siliciumcarbid (SiC), Titandioxid (TiO₂) oder ein Gemisch daraus, umfassen.
Der Isolationsvorformling 72 weist eine radial abgestufte Porosität, die sich zwischen einer ersten oder Außenfläche 84 und einer zweiten oder Innenfläche 88 erstreckt, auf. Die Isolation neben der ersten Fläche 84 weist eine erste Porosität auf, die höher als eine zweite Porosität der Isolation neben der zweiten Fläche 88 ist. Somit weist die Isolation neben der ersten Fläche 84 eine erste Dichte auf, die geringer als eine zweite Dichte der Isolation neben der zweiten Fläche 88 ist. Die erste Fläche 84 befindet sich neben der Außenwand 30 und die zweite Fläche 88 befindet sich neben der Innenwand 28. Somit ist die zweite Fläche 88 zu dem Abgaskanal oder der „heißen Fläche“ gerichtet, wohingegen die erste Fläche 84 zu der „kalten Fläche“ gerichtet ist.
Eine abgestufte Porosität bei einem Isolationsvorformling ist vorteilhaft bei der Reduzierung von Wärmeverlusten aus der Abgasbehandlungsvorrichtung auf ein Minimum. Ein erster Bereich 92 neben der kalten Fläche wird von Wärmeübertragung durch Wärmeleitung dominiert. Die relativ geringe erste Dichte und die relativ hohe erste Porosität tragen zur Begrenzung der Wärmeleitung bei. Insbesondere erhöhen die luftgefüllten Poren der Schicht mit hoher Porosität den Wärmewiderstand und verringern somit die Wärmeleitung. Ein zweiter Bereich 96 neben der heißen Fläche wird von Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung durch Reflexion und Absorption dominiert. Die relativ hohe zweite Dichte und die relativ geringe zweite Porosität sind vorteilhaft bei der Abschwächung der Wärmestrahlung.
Unter Bezugnahme auf 3 stellt die vorliegende Offenbarung des Weiteren eine alternative Abgasbehandlungsvorrichtung 112 bereit, die eine Innenwand 116, eine Außenwand 120 und einen Isolationsvorformling 124, der zwischen der Innenwand 116 und der Außenwand 120 angeordnet ist, aufweist. Der Isolationsvorformling 124 umfasst eine radial abgestufte Porosität ähnlich dem Isolationsvorformling 72 von 2. Der Isolationsvorformling 124 umfasst einen ersten Bereich 128 mit geringerer Dichte und einen zweiten Bereich 132 mit höherer Dichte. Der Isolationsvorformling 124 umfasst des Weiteren eine Hülle 136 neben der Innenwand 116. Die Hülle 136 erhöht die Robustheit des Isolationsvorformlings 124 durch die Verbesserung des Widerstands gegenüber Wärme- und mechanischen Belastungen. Die Hülle 136 weist eine dritte Dichte auf, die höher als die erste Dichte und die zweite Dichte sein kann. Somit kann die Hülle 136 mit höherer Dichte im Vergleich zu einem Isolationsvorformling ohne eine Hülle die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung weiter reduzieren. Als ein Beispiel kann die Hülle 136 einen wasserdurchlässigen Gitterstoff, wie z. B. ein Baumwoll- oder Flachsgewebe, ein Bindemittel und Isolationspartikel umfassen.
Unter Bezugnahme auf 4-5 stellt die vorliegende Offenbarung ein Herstellungsverfahren 210 für einen Isolationsvorformling bereit. Das Verfahren 210 umfasst Kombinieren eines ersten und eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials 212, 214, eines Bindemittels 216 und von Wasser 218 in einem Tank 222 zur Bildung einer Aufschlämmung 226. Obgleich das erste und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial 212, 214 vermischt gezeigt werden, können sie auch separat in den Tank 222 gegeben werden. In einem Beispiel wird dem Tank 222 Wasser 218 zugegeben, dann wird dem Tank eine Zumischung aus dem ersten und dem zweiten granulatförmigen Isolationsmaterial 212, 214 zugegeben, dann wird das Bindemittel 216 dem Tank 222 zugegeben. In einem weiteren Beispiel werden das Wasser 218 und das Bindemittel 216 im Voraus vermischt und dem Tank 222 zugegeben, dann werden das erste und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial 212, 214 dem Tank 222 zugegeben. Im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung werden andere Kombinationen und Zugabereihenfolgen des ersten und des zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials 212, 214, des Bindemittels 216 und von Wasser 218 in Betracht gezogen.
Die Aufschlämmung 226 wird in ein Formwerkzeug 230 gegossen, von dem mindestens eine Fläche 234 zum Vakuumabzug ausgeführt ist. Der Vakuumabzug wird zur Entfernung einer Flüssigphase 238 von der mindestens einen Fläche 234 des Formwerkzeugs 230 zur Erzeugung eines feuchten Vorformlings 242 durchgeführt. Der feuchte Vorformling 242 wird optional zu einem geformten feuchten Vorformling 244 geformt. Der feuchte Vorformling oder geformte feuchte Vorformling 242, 244 wird zum Trocknen oder Brennen in einem Ofen 246 platziert, wodurch ein Isolationsvorformling 250 erzeugt wird.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsvorformlings mit abgestufter Porosität bereit. Mit Bezug auf 5 umfasst das Verfahren bei 310 Bereitstellen eines ersten granulatförmigen Isolationsmaterials, eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials, eines anorganischen Bindemittels und von Wasser.
In einem Beispiel weisen das erste und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial dieselbe Zusammensetzung auf. Eine Partikelgrößenverteilung kann unimodal oder bimodal sein. Bei gewissen Aspekten ist eine Größenverteilung der ersten und der zweiten Partikel unimodal oder weist eine einzige Spitze bei der Größenverteilung auf. Die Partikelgrößenverteilung ist weitläufig und umfasst eine höchste Konzentration von Partikeln mittlerer Größe. Beispielsweise kann der Perlit Ryolex ^® Klasse 1 für das erste und das zweite Isoliermaterial verwendet werden. Die mehreren ersten Partikel weisen einen ersten durchschnittlichen Durchmesser und einen ersten Größenbereich auf, und die mehreren zweiten Partikel weisen einen zweiten durchschnittlichen Durchmesser, der weniger als der erste durchschnittliche Durchmesser beträgt, und einen zweiten Größenbereich, der mit dem ersten Größenbereich überlappt oder daneben liegt, auf. Perlit der Klasse 1 umfasst einen weitläufigen Bereich von Partikelgrößen mit einem Durchmesser von größer gleich etwa 0,15 mm und einem Durchmesser von kleiner gleich etwa 2,4 mm.
Bei anderen Aspekten kann die Größenverteilung der ersten und der zweiten Partikel bimodal sein oder zwei Spitzen bei der Größenverteilung aufweisen. Somit gibt es eine erste und eine zweite Partikelgrößenverteilung. Die Partikel der ersten Verteilung sind im Allgemeinen größer als die Partikel der zweiten Verteilung. Die Partikelgrößenbereiche in der ersten Verteilung und der zweiten Verteilung können überlappen oder nicht überlappen. In einigen Beispielen beträgt der erste durchschnittliche Durchmesser größer gleich etwa 1 mm und kleiner gleich etwa 3,5 mm und der zweite durchschnittliche Durchmesser kann größer gleich etwa 0,07 mm und kleiner gleich etwa 0,7 mm betragen. Insbesondere kann die erste Isolation als nicht einschränkendes Beispiel den Perlit RYOLEX ^® Klasse 5 mit einem Durchmesserbereich von größer gleich etwa 1,18 mm und kleiner gleich etwa 3,4 mm umfassen. Das zweite Isolationsmaterial kann den Perlit RYOLEX ^® Klasse 39 mit einem Durchmesserbereich von größer gleich etwa 0,074 mm und kleiner gleich 0,6 mm umfassen.
In einem weiteren Beispiel weisen das erste und das zweite Isolationsmaterial unterschiedliche Zusammensetzungen und Partikeldichten auf. Das erste Material weist eine erste Zusammensetzung und eine erste Dichte auf. Das zweite Material weist eine zweite unterschiedliche Zusammensetzung und eine unterschiedliche zweite Dichte, die höher als die erste Dichte ist, auf. Die erste Dichte kann sehr viel geringer als die zweite Dichte sein. Die erste Dichte kann größer gleich etwa 30 kg/m³ und kleiner gleich etwa 150 kg/m³ sein. Die zweite Dichte kann größer gleich etwa 500 kg/m³ und kleiner gleich etwa 3500 kg/m³ sein. Beispielsweise kann das erste Material Perlit mit einer Dichte von etwa 48 kg/m³ aufweisen und das zweite Material kann Siliciumcarbid (SiC) mit einer Dichte von 3200 kg/m³ umfassen. Das zweite Material kann des Weiteren einen zweiten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweisen, der weniger als ein erster durchschnittlicher Partikeldurchmesser des ersten Materials beträgt. Das zweite Material kann Infrarotstrahlung wirkungsvoller als das erste Material reflektieren oder adsorbieren. Als ein nicht einschränkendes Beispiel umfassen geeignete zweite Materialien Siliciumcarbid (SiC) und Titandioxid (TiO₂).
Das Bindemittel verleiht dem Isolationsvorformling eine höhere Festigkeit durch eine stärkere Verbindungskraft zwischen Isolationspartikeln. Geeignete Bindemittel umfassen als ein nicht einschränkendes Beispiel Natriumsilikat und kolloidales Siliciumdioxid. Das Bindemittel kann eine Organosiliciumverbindung sein. Das bedeutet ein Polymer, das durch eine Reaktion verschiedener kationenhaltiger Vorläufer mit geeigneten organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Ethylenglykol oder Butoxyethanol, gebildet wird. Diese Verbindungen zersetzen sich unter Bildung eines entsprechenden anorganischen Oxids (z. B. Siliciumdioxid oder Perlit), das das Perlitgranulat zusammenklebt.
Bei 314 werden das erste und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial, das anorganische Bindemittel und Wasser zur Bildung einer Aufschlämmung kombiniert. In einigen Beispielen umfasst die Aufschlämmung größer gleich 15 Gew.-% oder kleiner gleich 50 Gew.-% Feststoffe. Die Flüssigphase der Aufschlämmung enthält das Bindemittel. Somit kann der Flüssigkeitsgehalt zur Steuerung des Bindemittelverbrauchs und der Kosten auf ein Minimum reduziert werden.
Bei 318 wird die Aufschlämmung in ein Formwerkzeug gegeben. Mindestens eine Fläche des Formwerkzeugs ist zum Vakuumabzug ausgeführt. Jedoch kann das Formwerkzeug multiple Flächen, die zum Vakuumabzug ausgeführt sind, aufweisen. Das Formwerkzeug kann flach oder komplementär zu einer Abgasbehandlungsvorrichtung geformt sein. Beispielsweise kann ein halbzylindrisches Formwerkzeug zur Erzeugung einer Hälfte eines Isolationsvorformlings verwendet werden.
Bei 322 wird die Flüssigphase der Aufschlämmung unter Einsatz von Vakuumabzug zur Erzeugung eines feuchten Vorformlings mit derart abgestufter Porosität, dass sich eine größere Konzentration des zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials als des ersten granulatförmigen Isolationsmaterials neben der mindestens einen Fläche, die zum Vakuumabzug ausgeführt ist, befindet, aus dem Formwerkzeug abgesaugt. Partikel mit geringeren Durchmessern, höheren Dichten oder beidem sind bei der Abzugfläche konzentriert, da sie durch die Flüssigphase dahin transportiert werden, während sie durch die mindestens eine Fläche, die zum Vakuumabzug ausgeführt ist, perkoliert. Die abgestufte Porosität kann bei einem einzigen Abzugsschritt unter Einfluss der Schwerkraft und ohne Verrühren oder Vermischen während des Abzugs erzielt werden. Das einschrittige Verfahren ist vorteilhaft bei der Reduzierung des Zeit- und Kostenaufwands des Herstellungsverfahrens auf ein Minimum. Die Schritte 318 und 322 können optional gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei 326 wird der feuchte Vorformling dahingehend erhitzt, die Verdampfung des Wassers zu ermöglichen. Als nicht einschränkendes Beispiel wird, wenn das erste und das zweite Isolationsmaterial Perlit umfassen, der feuchte Vorformling auf eine Temperatur von größer gleich etwa 80 °C und kleiner gleich etwa 871 °C, die Erweichungstemperatur von Perlit, erhitzt. Der feuchte Vorformling wird optional dahingehend auf größer gleich etwa 500 °C erhitzt oder calciniert, zusätzliche Steifigkeit und Beständigkeit zu verleihen.
Das Verfahren kann optional Auskleiden des Formwerkzeugs mit einer halbdurchlässigen Barriere umfassen. Geeignete halbdurchlässige Barrieren umfassen als ein nicht einschränkendes Beispiel herkömmliches Filterpapier und Gittergewebe. Gitterstoffe sind leicht und können aus Stoffen, wie z. B. Baumwolle oder Flachs, hergestellt sein. Gitterstoffe ermöglichen den Vakuumabzug durch Zurückhalten fester Partikel, während die Flüssigphase in einer senkrechten Richtung entfernt wird. Ein Gitterstoff unterstützt des Weiteren die Aufrechterhaltung der Form des feuchten Vorformlings, während er vor dem Trocknen oder Brennen aus dem Formwerkzeug entfernt wird. Flexible Gitterstofflagen sind beim Entfernen des feuchten Vorformlings aus dem Formwerkzeug besonders nützlich.
Das Verfahren kann optional die Verwendung eines Verdickungsmittels und/oder eines Netzmittels in der Aufschlämmung umfassen. Diese Zusatzstoffe werden dazu verwendet, das Verhalten der Aufschlämmung zu modifizieren. Beispielsweise, großes Isolationsgranulat zu suspendieren. Verdickungsmittel und Netzmittel sind organische Materialien, die während der Calcinierung oder bei Temperaturen von größer gleich etwa 500 °C abbrennen.
Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsvorformlings mit einer Hülle oder Haut neben dem Bereich mit höherer Dichte bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte 310, 314, 318, 322 und 326, wie oben und in 5 beschrieben wird. Das Verfahren umfasst einen zusätzlichen Schritt des Auskleidens des Formwerkzeugs mit einer halbdurchlässigen Barriere, wie z. B. einem Filterpapier oder Gitterstoff, die dahingehend funktionsfähig ist, zumindest einen Teil der Flüssigphase zu absorbieren. Wie bei dem Verfahren von 5 sammeln sich feine Partikel an einer benachbarten Fläche des Gitterstoffs an. Die feinen Partikel und das Bindemittel verfangen sich in dem Gitterstoff. Wenn der feuchte Vorformling nachfolgend getrocknet oder gebrannt wird, bilden die verfangenen feinen Partikel und das verfangene Bindemittel eine harte Fläche oder Hülle. Die Hülle verstärkt die Beständigkeit des Isolationsvorformlings. Die Hülle verbessert des Weiteren die Wärmeübertragungseigenschaften des Isolationsvorformlings, da sie im Vergleich zu benachbartem Filtermaterial eine höhere Dichte aufweist, und somit ermöglicht sie, dass Wärme zu der heißen Fläche zurück reflektiert wird. Somit erhöht die Hülle die Robustheit des Isolationsvorformlings und macht ihn resistenter gegenüber Wärme- und mechanischen Belastungen, zu denen es bei Kraftfahrzeug- und Nutzfahrzeuganwendungen kommt.
Bei einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Formen eines feuchten Vorformlings bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte 310, 314, 318, 322 und 326, wie oben und in 5 beschrieben wird. Das Verfahren umfasst ferner Platzieren eines Filterpapiers oder Gitterstoffs in dem Formwerkzeug vor dem Einfüllen der Aufschlämmung. Nach dem Absaugen der Flüssigphase wird die Gitterstofflage dazu verwendet, das Entfernen des feuchten Vorformlings aus dem Formwerkzeug zu ermöglichen. Der feuchte flexible Vorformling kann ohne Weiteres so geformt werden, dass er komplementär zur Abgasbehandlungsvorrichtung ist oder Herstellungstoleranzen bei der Abgasbehandlungsvorrichtung berücksichtigt. Der feuchte Vorformling und die Gitterstofflage werden in eine von der Abgasbehandlungsvorrichtung geforderte Endform manipuliert. Beispielsweise kann der feuchte Vorformling zu einem Hohlzylinder oder Halbzylinder geformt werden. Die Gitterstofflage kann nachfolgend entfernt werden, indem sie während des Brennens abgebrannt wird.
Bei noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsvorformlings vor Ort bereit. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines ersten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem ersten durchschnittlichen Durchmesser, eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem zweiten durchschnittlichen Durchmesser, der weniger als der erste durchschnittliche Durchmesser beträgt, eines Bindemittels und von Wasser. Das erste Material, das zweite Material, das Bindemittel und Wasser werden zur Bildung einer Aufschlämmung vermischt. Die Aufschlämmung umfasst größer gleich etwa 15 Gew.-% und kleiner gleich etwa 80 Gew.-% Feststoffe, optional größer gleich etwa 50 % und kleiner gleich etwa 70 %. Die Aufschlämmung wird in einen Raum zwischen einer Innenwand und einer Außenwand einer Abgasbehandlungsvorrichtung gegeben, wird jedoch nicht vollständig in den Raum abgedichtet. Die Aufschlämmung wird durch Hydraulikdruck, beispielsweise mit einer Spritzenpumpe, in den Raum gedrückt. Die Aufschlämmung wird zusammen mit der Abgasbehandlungskomponente auf eine Temperatur von größer gleich etwa 80 °C und kleiner gleich etwa 120 °C erhitzt, um das Wasser in der Aufschlämmung zu verdampfen.
Schritte der obigen Verfahren können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung in Kombination durchgeführt werden.
Beispiel 1
Eine Aufschlämmung wird unter Verwendung von 15 Gramm granulatförmigem Isolationsmaterial, 22 Gramm Bindemittel und 53 Gramm Wasser erzeugt. Das granulatförmige Isolationsmaterial umfasst Perlit, und insbesondere RYOLEX ^® 1-NR von Silbrico. Perlit der Klasse 1-NR umfasst eine Verteilung von Partikelgrößen, die in 6 bei 410 gezeigt wird. Die standardmäßige US-Maschengröße wird bei 414 gezeigt. 418 gibt die Partikelgröße in Millimeter (mm) entsprechend der standardmäßigen US-Maschengröße an. Die Verteilung der Partikelgröße für die Klasse NR-1 wird bei 424 gezeigt. Das Bindemittel ist Natriummetasilikat-9-hydrat (NA₂SiO₃·9H₂O) mit einer Reinheit von 99,8 % von Spectrum Chemical.
Ein Filterpapier mit einem Durchmesser von 9 cm wird in einen Vakuumfiltrationstrichter platziert. Die Aufschlämmung wird dem Vakuumfiltrationstrichter zugegeben. Vakuum wird mittels einer handbetriebenen Pumpe, die mit einem Werkzeug ausgestattet ist, angelegt. Vakuumfiltration der Aufschlämmung erzeugt einen feuchten Vorformling. Der feuchte Vorformling wird über Nacht oder für ungefähr 16 Stunden bei 80 °C getrocknet. Trocknen erzeugt einen Isolationsvorformling gemäß der Darstellung in 7A-7B. Der Isolationsvorformling wird bei 510 gezeigt. Er umfasst eine untere Fläche 514 und eine obere Fläche 518. Die obere Fläche weist eine höhere Dichte und eine geringere Porosität als die untere Fläche auf. Somit verläuft ein Porositätgradient zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche. Ein Bereich 522 mit höherer Porosität befindet sich neben der unteren Fläche 514, und ein Bereich 518 mit geringerer Porosität befindet sich neben der oberen Fläche 518.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt worden. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern, wo zutreffend, austauschbar und können in einer gewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn nicht speziell gezeigt oder beschrieben. Diese kann auch auf verschiedene Weise geändert werden. Solche Varianten sollen nicht als Abweichung von der Offenbarung betrachtet werden, und alle solchen Modifikationen sollen im Schutzumfang der Offenbarung mit enthalten sein.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Isolationsvorformlings mit abgestufter Porosität für eine Abgasbehandlungskomponente eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines ersten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem ersten Durchmesser, eines zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials mit einem zweiten Durchmesser, der weniger als der erste Durchmesser beträgt, eines anorganischen Bindemittels und von Wasser; Erzeugen einer Aufschlämmung, die das erste granulatförmige Isolationsmaterial, das zweite granulatförmige Isolationsmaterial, das anorganische Bindemittel und das Wasser umfasst; Geben der Aufschlämmung in ein Formwerkzeug, von dem mindestens eine Fläche zum Vakuumabzug ausgeführt ist; und Absaugen einer Flüssigphase der Aufschlämmung zur Erzeugung eines feuchten Vorformlings mit abgestufter Porosität unter Verwendung von Vakuumabzug aus dem Formwerkzeug, so dass sich eine größere Konzentration des zweiten Isolationsmaterials als des ersten Isolationsmaterials neben der mindestens einen Fläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial Perlit umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste granulatförmige Isolationsmaterial Perlit umfasst, sich das zweite granulatförmige Isolationsmaterial von dem ersten granulatförmigen Isolationsmaterial unterscheidet und das zweite granulatförmige Isolationsmaterial Siliciumcarbid (SiC) und/oder Titandioxid (TiO₂) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Isolationsmaterial eine Dichte von größer gleich etwa 30 kg/m³ und kleiner als 150 kg/m³ aufweist, das zweite Isolationsmaterial eine Dichte von größer gleich etwa 500 kg/m³ und kleiner gleich etwa 3500 kg/m³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das anorganische Bindemittel Natriumsilikat (Na₂SiO₃) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmung größer gleich etwa 15 Gew.-% und kleiner gleich etwa 50 Gew.-% Feststoffe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Erhitzen des feuchten Vorformlings zur Erzeugung des Isolationsvorformlings umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der feuchte Vorformling auf größer gleich etwa 80 °C und kleiner gleich etwa 871 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Auskleiden eines Hohlraums des Formwerkzeugs mit einem Gitterstoff vor dem Einfüllen der Aufschlämmung in das Formwerkzeug umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: Entfernen des feuchten Vorformlings und des Gitterstoffs aus dem Formwerkzeug; und Ausformen des feuchten Vorformlings auf eine Fläche einer Abgasbehandlungskomponente zur Erzeugung eines geformten feuchten Vorformlings vor dem Trocknen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: der Gitterstoff dazu funktionsfähig ist, zumindest einen Teil der Flüssigphase der Aufschlämmung zu absorbieren; die Flüssigphase mindestens einen Teil des Bindemittels und des zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials umfasst; und wodurch beim Erhitzen eine harte Haut auf einer Fläche des Isolationsvorformlings gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei: der Gitterstoff während des Erhitzens abgebrannt wird; und die harte Haut mindestens einen Teil des Bindemittels und des zweiten granulatförmigen Isolationsmaterials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Bereitstellen eines Verdickungsmittels und Zugeben des Verdickungsmittels zu der Aufschlämmung umfasst, wobei zumindest ein Teil des Verdickungsmittels während des Erhitzens abgebrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Bereitstellen eines Netzmittels und Zugeben des Netzmittels zu der Aufschlämmung umfasst, wobei zumindest ein Teil des Netzmittels während des Erhitzens abgebrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfüllen der Aufschlämmung in das Formwerkzeug gleichzeitig mit dem Absaugen der Flüssigphase der Aufschlämmung aus dem Formwerkzeug erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Formwerkzeug eine Außenwand und eine Innenwand, die zumindest teilweise in der Außenwand angeordnet ist, umfasst; die Außenwand und die Innenwand einen Raum definieren; und das Verfahren ferner Einfüllen der Aufschlämmung in den Raum vor dem Vakuumabzug umfasst.
Isolationsvorformling mit abgestufter Porosität für ein Abgasbehandlungssystem eines Fahrzeugs, wobei der Isolationsvorformling Folgendes umfasst: mehrere erste Partikel, wobei jeder erste Partikel ein Isolationsmaterial umfasst und eine erste durchschnittliche Partikelgröße aufweist; und mehrere zweite Partikel, wobei jeder zweite Partikel das Isolationsmaterial umfasst und eine zweite durchschnittliche Partikelgröße aufweist, wobei die zweite durchschnittliche Partikelgröße weniger als die erste durchschnittliche Partikelgröße beträgt, wobei: der Isolationsvorformling einen ersten Bereich mit einer ersten Porosität und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Porosität, die geringer als die erste Porosität ist, umfasst; der erste Bereich mehr der mehreren ersten Partikel als der zweite Bereich umfasst; und der zweite Bereich mehr der mehreren zweiten Partikel als der erste Bereich umfasst.
Isolationsvorformling nach Anspruch 17, wobei das Isolationsmaterial Perlit umfasst.
Isolationsvorformling nach Anspruch 18, wobei die erste durchschnittliche Partikelgröße größer gleich etwa 0,15 mm ist und die zweite durchschnittliche Partikelgröße kleiner gleich etwa 2,4 mm ist.
Isolationsvorformling nach Anspruch 17, wobei: jeder der mehreren ersten Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der größer gleich etwa 1 mm und kleiner gleich etwa 3,5 mm ist; und jeder der mehreren zweiten Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der größer gleich etwa 0,5 mm und kleiner gleich etwa 0,08 mm ist.
Isolationsvorformling nach Anspruch 17, der ferner Folgendes umfasst: einen ersten Bereich mit einer ersten Porosität; und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Porosität, wobei die zweite Porosität geringer als die erste Porosität ist.
Isolationsvorformling nach Anspruch 21, der ferner eine Hülle umfasst, die neben dem zweiten Bereich angeordnet ist, wobei die Hülle eine Härte aufweist, die höher als die Härte des zweiten Bereichs ist.
Isolationskomponente für eine Abgasbehandlungskomponente eines Fahrzeugs, wobei die Isolationskomponente Folgendes umfasst: eine Außenwand; eine Innenwand, die zumindest teilweise in der Außenwand angeordnet ist; einen Isolationsvorformling, der zwischen der Außenwand und der Innenwand angeordnet ist, wobei der Isolationsvorformling Folgendes umfasst: einen ersten Bereich mit einer ersten Dichte; und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Dichte, die größer als die erste Dichte ist, wobei: der erste Bereich des Isolationsvorformlings neben einer Fläche der Außenwand angeordnet ist; der zweite Bereich des Isolationsvorformlings neben einer Fläche der Innenwand angeordnet ist; und die Innenwand zur Anordnung um einen Abgasdurchgang der Abgasbehandlungskomponente herum ausgeführt ist.