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Die meisten der bekannten Anordnungen für die katalytische Nachverbrennung,
beispielsweise von Kraftfahrzeug-Abgasen, bestehen aus Katalysatoren, die auf keramischen
Trägermaterialien aufgebracht sind; die mit einem Katalysator belegten keramischen
Träger werden im allgemeinen als kleine Kugeln, Zylinderstäbchen oder Tabletten
in einem geeigneten Behälter in den Gasstrom eingebaut. Beim praktischen Betrieb
im Kraftfahrzeug treten laufend Erschütterungen auf, die zur Folge haben, daß sich
derart eingebaute keramische Trägermaterialien gegeneinander bewegen und reiben.
Als Folge wird der auf die Oberfläche der Trägermaterialien aufgebrachte Katalysator
teilweise abgerieben, die an sich große, stark zerklüftete aktive Oberfläche wird
eingeebnet und verkleinert, und die vorhandenen Porenräume werden durch den Abrieb
verstopft. Die Wirkung des Katalysators geht also schon durch die rein mechanische
Beanspruchung rapid zurück.
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Es ist außerdem bekannt, daß keramische Katalysatorträger bei Temperaturen
über 700 bis 800° C nicht mehr verwendet werden können, da Phasenumwandlungen wie
auch ein Zusammensintern ihre Aktivität stark verringern. Man hat daher bekanntermaßen
für die heißen Abgase einen sogenannten »By-pass« vorgesehen, der geöffnet wird,
wenn das Katalysatoraggregat eine zu hohe Temperatur erreicht. Solche Regeleinrichtungen
machen die bekannten Anordnungen kompliziert, teuer und in der Wartung umständlich.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile gibt es verschiedene Möglichkeiten.
An Stelle keramischer Trägermaterialien können beispielsweise Metallbänder oder
Metalldrähte in beliebiger Anordnung oder Form, z. B. als Geflechte oder Gewebe,
als Träger für das katalytisch aktive Material eingesetzt werden. So ist es beispielsweise
aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1864 958 bekannt, das Katalysatormaterial als
Ummantelung auf einen Gewebekörper, der z. B. aus Draht oder aus Stahlwolle gebildet
sein kann, aufzubringen. Jedoch ist die Herstellung derartiger Gewebekörper oder
Geflechte relativ aufwendig, und die mit Katalysator ummantelbare Oberfläche ist,
verglichen mit körnigem Katalysatorträgermaterial, vergleichsweise gering. Außerdem
ist die Haftung der Ummantelung auf der Oberfläche von solchem Gewebe mäßig, so
daß bei der ständigen Vibration, der solche Geräte im Gebrauch ausgesetzt sind,
ein mindestens stellenweises Abplatzen der Katalysatorummantelung nicht sicher verhindert
werden kann.
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Bei Verwendung von Metallfasern als Katalysatorträger ergeben sich
zwar hinsichtlich der wirksamen Oberfläche erheblich günstigere Verhältnisse. Außerdem
lassen sich als Katalysatorträger geeignete Formkörper einfacher herstellen, und
die Metallfasern lassen sich leichter mit einer katalytisch wirksamen Oberflächenschicht
versehen. Neben dem Vorteil der pro Volumeneinheit recht großen wirksamen Oberfläche
haben derartige Katalysatoranordnungen den weiteren Vorteil der gegenüber keramischem
Katalysatormaterial erhöhten Temperaturbeständigkeit.
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Die Erzeugung katalytisch wirksamer Oberflächenschichten auf den Metallfasern
ist bereits in der deutschen Auslegeschrift 1287 396 von dem Erfinder vorgeschlagen
worden. Der Erfinder hat auch in dem Gebrauchsmuster 1996 059 bereits ein Aggregat
zur katalytischen Verbrennung von Auspuffgasen vorgeschlagen, das gekennzeichnet
ist durch einen aus Metallfasern bestehenden und mit Katalysatormaterial belegten
Katalysatorträger, dessen Strömungswiderstand außerdem über die Länge des Trägerkörpers
unterschiedlich sein kann, so daß der mit der katalytisch aktivierten Nachverbrennungsreaktion
gekoppelte Temperaturanstieg mittels des unterschiedlichen Strömungswiderstands
ausgeglichen werden kann. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Aggregates mit aus
Metallfasern bestehenden Trägerkörpern ist die gute Formbeständigkeit und die relative
Unempfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchung, insbesondere gegen Abrieb, im
Vergleich mit keramischem Material. Eine gewisse Schwierigkeit besteht jedoch darin,
daß die Zündtemperatur im Vergleich zu ähnlichen oder gleichartigen Katalysatoren
auf keramischem Trägermaterial bei einem Träger aus Metallfasern im allgemeinen
etwas höher liegt. Dieser Nachteil läßt sich zwar weitgehend dadurch einschränken,
daß man die Metallfasern auf der Einströmseite mit einem anderen, empfindlicheren
Katalysator belegt, der eine verhältnismäßig niedrigere Zündtemperatur gewährleistet.
Gleichzeitig kann der Querschnitt bzw. der Strömungswiderstand so ausgelegt werden,
daß, nachdem die Zündtemperatur überschritten ist, infolge der katalytischen Nachverbrennung
zunächst ein Temperaturanstieg eintritt, so daß auch die Zündtemperatur der folgenden,
mit einem weniger empfindlichen Katalysator belegten Schichten erreicht wird. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, die Anordnung im Auspuffsystem so einzubauen,
daß die Abgase noch eine genügend hohe Temperatur haben, so daß auch mit Katalysatoren
höherer Zündtemperatur belegte Träger noch einwandfrei zünden. Die Gebrauchseigenschaften
lassen sich jedoch in dieser Hinsicht trotzdem nicht mit denjenigen mit keramischem
Trägermaterial vergleichen.
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Es wurde nun gefunden, daß die bisherigen Nachteile der bekannten
Anordnungen zur katalytischen Nachverbrennung von Kraftfahrzeug-Abgasen dann in
Fortfall kommen, wenn eine solche Anordnung, bei der keramisches Material in Kombination
mit einem Trägerkatalysator angeordnet ist, erfindungsgemäß als Trägerkatalysator
Metallfasermaterial mit darauf befindlichem, aus dem Faserwerkstoff selbst entwickeltem
Katalysator aufweist. Dabei können das Metallfasermaterial und das keramische Material
schichtweise angeordnet sein, oder es kann vorteilhaft auch das keramische Material
zwischen Metallfaservliesen eingebettet vorliegen. In jedem Fall hat sich die erfindungsgemäße
Anordnung dann als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Metallfasern in loser
Häufung vorliegen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur katalytischen Nachverbrennung von
Kraftfahrzeug-Abgasen hat den Vorteil, daß der Katalysator nicht als Ummantelung
oder einfacher Oberflächenbelag von außen auf das Trägermaterial aufgebracht worden
ist, sondern vielmehr der Katalysator aus dem Metallfasermaterial, das als Katalysatorträger
dient, selbst entwickelt, d. h. direkt auf der Metallfaser erzeugt worden ist. Dadurch
werden die bisherigen Haftungsprobleme ausgeschaltet. Man braucht nicht mehr aufwendige
Draht- oder Fasergewebe herzustellen und diese mit dem Katalysator zu überziehen,
denn die in der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzten Metallfasergebilde enthalten
den
Katalysator darin oberflächlich eingebaut und praktisch eingebettet.
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Die Keramikteilchen können ebenso wie die Metallfasern als Träger
von an sich bekannten Katalysatoren dienen, und es kann zwecks Regulierung der in
der erfindungsgemäßen Anordnung auftretenden Temperaturen zweckmäßig sein, über
die Länge der Anordnung verschieden empfindliche Katalysatoren auf den Metallfasern
und/oder den Keramikteilchen vorzusehen.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Trägerkörper als längsgestreckter
Formkörper ausgebildet sein, dessen Metallfaserschichten nahezu gleiche Porosität
besitzen und dessen Querschnitt vom Eintrittsende des Gases zum Austrittsende hin
stetig oder stufenweise vergrößert ist. Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber
auch so konstruiert sein, daß der Querschnitt des Trägerkörpers über die gesamte
Länge nahezu gleich ist, daß jedoch die Porosität der Metallfaserschichten vom Eintrittsende
der Gase bis zu deren Austrittsende hin stetig oder absatzweise zunimmt. In jedem
Fall kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung so erfolgen, daß im Bereich
erhöhter Temperaturen vorwiegend Metallfasern wirksam sind.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß bei der Kombination die wie Reibstoffe wirkenden Keramikteilchen kein Abscheuern
oder Abplatzen des aktiven Katalysators vom metallischen Träger bewirken können,
weil bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Katalysator nicht als oberflächliche
Belegung, sondern in der Trägersubstanz eingebaut vorhanden ist. Die erfindungsgemäße
Anordnung kann daher auch bei Temperaturen zwischen etwa 800 und 1100° C eingesetzt
werden, und es ist, wenn die Abgase Temperaturen in dieser Größenordnung haben,
nicht mehr erforderlich, eine Belegung der Keramikteilchen mit einem besonderen
Katalysator vorzunehmen, weil die Keramikteilchen als Oxide bei diesen Temperaturen
in Kombination mit Metallfasern schon an sich katalytisch wirksam sind, insbesondere
dann, wenn die Metallfasern eine ebenfalls katalytisch wirksame Oxidschicht haben.
Dabei können die Metallfasern in loser Häufung, gegebenenfalls in zerkleinerter
Form oder auch als entsprechende Formkörper, wie Vliese, kleine gesinterte Kugeln,
Tabletten, Zylinderkörper, vorliegen.
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Man kann die erfindungsgemäße Anordnung in verschiedener Weise herstellen.
Wenn sie zum Einsatz bei so hohen Temperaturen bestimmt ist, daß das keramische
Material, z. B. das A1.03, als solches bereits als Katalysator wirkt, dann können
die Metallfasern und die Keramikteilchen in einen Hohlkörper, der eine beliebige
gewünschte Form hat, zweckmäßig schichtweise eingebracht werden. Sie können in diesem
Hohlkörper von Ringen oder gelochten Scheiben gehalten sein.
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Wenn zum Arbeiten bei niedrigeren Temperaturen zusätzliche Katalysatoren
eingebaut sein müssen, so ist es einmal möglich, die mit dem aus dem Faserwerkstoff
selbst entwickelten Katalysator aktivierten Metallfasern in bekannter Weise mit
mit Katalysatormaterial belegten keramischen Teilchen zu kombinieren. Dabei kann
man verschiedene Katalysatorbelegungen verwenden. Beispielsweise kann der aus der
Metallfaser entwickelte Katalysator oder auch der auf dem keramischen Material vorhandene
Katalysator auf der Einströmseite empfindlicher sein, so daß eine besonders niedrige
Zündtemperatur gewährleistet ist. Außerdem kann man den Temperaturgradienten in
der erfindungsgemäßen Anordnung regulieren und z. B. dadurch möglichst gering halten,
daß man den Strömungswiderstand über die Länge des Trägers entsprechend einstellt.
Wenn man bei der erfindungsgemäßen Anordnung auf der Einströmseite einen entsprechend
empfindlichen Katalysator vorgesehen hat, dann ist es unter Umständen zweckmäßig,
den Strömungswiderstand zwischen der Eintrittsseite des Gases und dem Austrittsende
durch Änderung des Querschnitts oder der Porigkeit überhaupt nicht zu verändern,
sondern über die ganze Länge der Anordnung etwa gleichzuhalten; oder aber man reguliert
den Strömungswiderstand so, daß infolge der katalytisch aktivierten Reaktion ein
Temperaturgradient bestehenbleibt und dadurch auch die Zündtemperatur eines weniger
empfindlichen Katalysators erreicht wird, also so, daß in Strömungsrichtung und
damit in Richtung zu den mit einem weniger empfindlichen Katalysator belegten Trägern
die Temperatur ansteigt.
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Eine weitere Herstellungsmethode für die erfindungsgemäße Anordnung
besteht darin, daß man das keramische. Material als Schlicker oder in pastenförmigem
oder in krümelfeuchtem Zustand mit einem Metallfaservlies kombiniert, zusammen mit
diesem entwässert, trocknet und sintert und anschließend aktiviert. In ähnlicher
Weise kann auch mit losen Metallfasern das keramische Material kombiniert werden.
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Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, daß man die Zahl
der eingebauten Metallfaservliese oder -platten auf einige wenige, im Grenzfall
auf nur je eine Platte an der Eintrittsseite und am Austrittsende reduziert und
dazwischen schichtweise Metallfasern mit darauf befindlichem, aus dem Faserwerkstoff
entwickeltem Katalysator sowie keramisches Material einbringt. Die Metallfasern
können dabei ebenfalls ganz oder teilweise im pastenförmigen oder krümelfeuchten
Zustand mit dem keramischen Material kombiniert werden, das auf die Metallfasern
aufgetrocknet und gesintert wird. An Stelle von gesinterten Vliesen oder nicht gesinterten
Metallfasern als Zwischenlagen können selbstverständlich auch kleine kugelförmige,
tablettenförmige oder zylindrische Formkörper aus gesinterten Metallfasern verwendet
werden, die in Kombination mit dem gegebenenfalls mit einem Katalysator belegten
keramischen Material zwischen Stützplatten in der Anordnung eingebaut sein können.
Es ist dann nicht mehr erforderlich, als Stützplatten auf der Eintrittsseite und
am Austrittsende Metallfaservliese zu verwenden. Es können beispielsweise auch einfache
gelochte Blechscheiben oder Drahtgitter die erfindungsgemäße Anordnung auf beiden
Seiten abschließen.
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Man erreicht mit der erfindungsgemäßen Anordnung, daß durch das keramische
Material eine niedrige Zündtemperatur gewährleistet ist, die wirksame Oberfläche
im Vergleich zum nur aus Metallfasern bestehenden Katalysatorträger noch vergrößert
ist, und der auf den Metallfasern vorhandene und an sich temperaturbeständigere
Katalysator bei höheren Temperaturen wirksam wird. Die erfindungsgemäße Anordnung
hat den weiteren Vorteil, daß die Federungseigenschaften bzw. die Pufferungswirkung
der Metallfasern die z. B. beim praktischen Betrieb eines
Kraftfahrzeugs
auftretenden Erschütterungen stark dämpfen und daher ein Abrieb des Katalysators
auf dem keramischen Material ebenfalls verhindert, wenn dieses zwischen beispielsweise
Metallfaservliesen eingebettet oder in einer anderen Kombination in der beschriebenen
Weise vorliegt.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen
Anordnung beispielsweise dargestellt. Es zeigt F i g.1 eine zylindrisch geformte
Anordnung, in der Metallfasern und Keramikmaterial schichtweise angeordnet sind,
F i g. 2 eine ebenfalls zylindrisch geformte Anordnung, in der Katalysator enthaltende
Metallfasern und mit Katalysator belegtes keramisches Material im wesentlichen schichtweise
kombiniert sind, F i g. 3 eine andere Form einer Metallfaser- und Keramikmaterial
kombiniert enthaltenden Anordnung, F i g. 4 eine verschiedene Hohlräume aufweisende,
Metallfaser- und keramisches Material schichtweise enthaltende Anordnung, Fig. 5
einen Schnitt nach V-V der Fig. 4, F i g. 6 einen Ausschnitt VI aus F i g. 2, vergrößert,
und F i g. 7 einen Ausschnitt VII aus F i g. 2, vergrößert.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die F i g. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung, in
welcher sich in Kombination mit Metallfasern keramisches Material befindet. Innerhalb
eines zylindrischen Hohlkörpers 1 sind Vliese 3 aus gesinterten Metallfasern von
eingeschweißten gelochten Scheiben 2 in ihrer Länge gehalten. Zwischen den Vliesen
3 ist keramisches Material 4 eingebettet. Die Abgase strömen in Richtung des Pfeils
durch die Anordnung hindurch. Bei dieser Ausbildungsform der F i g.1 ist keine gesonderte
Katalysatorbelegung auf dem keramischen Material vorgesehen. Eine solche erfindungsgemäße
Anordnung ist zum Arbeiten bei hohen Temperaturen geeignet, beispielsweise bei Temperaturen
um 1000° C, bei denen das keramische Material in Kombination mit den katalysatorhaltigen
Metallfasern seinerseits als Katalysator wirksam wird.
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In F i g. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung
veranschaulicht, bei der die in dem zylindrischen Hohlkörper 1 mittels gelochter
Scheiben 2 gehaltenen Vliese 5 aus gesinterten Metallfasern mit darauf befindlichem,
aus dem Faserwerkstoff selbst entwickeltem Katalysator bestehen. Das zwischen diesen
Vliesen 5 eingebettete keramische Material 6 trägt ebenfalls einen Katalysator.
Mit 7 ist eine Zwischenschicht bezeichnet, in der das keramische Material mit Metallfasern
in loser Häufung vermengt vorliegt. Auch diese Metallfasern sind katalytisch aktiviert.
Wie man aus der vergrößerten Darstellung der F i g. 6 erkennt, liegen die Keramikteilchen
teilweise aufgesintert auf den Metallfasern vor. Eine solche Kombination ist in
einem relativ weiten Temperaturbereich wirksam, da bei niedrigen Temperaturen der
auf dem keramischen Material befindliche Katalysator wirksam ist und bei höheren
Temperaturen insbesondere die auf den Metallfaseroberflächen befindliche Katalysatorschicht
die Nachverbrennung katalysiert. Bei 8 sind die Metallfasern 5 mit dem daraus entwickelten
Katalysator zu kugelförmigen Formkörpern gesintert, mit Keramikteilchen 6 kombiniert.
Wie man aus der vergrößerten Wiedergabe in F i g. 7 erkennt, liegen die Keramikteilchen
6 zwischen den zu kugelförmigen Formkörpern gesinterten Metallfasern 5 eingebettet.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Hohlkörper 1 als
Behälter mit rechteckigen, quadratischen, kreisförmigen oder auch eliptischen Stirnflächen
ausgebildet sein kann und mit angeschweißten Stutzen 9 versehen ist. Es sind zwei
Lochplatten 2 so eingeschweißt, daß ein Hohlraum entsteht, und dieser Hohlraum ist
mit einem Gemenge von Metallfasern 5 mit darauf entwickeltem Katalysator und mit
einem Katalysator belegten Keramikteilchen 6 gefüllt.
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F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
die aus einem Hohlkörper 1 besteht, der mit Stutzen 9 versehen ist, und in dem durch
einen eingeschweißten Ring 12 und eine über Stege 10 angeschweißte Platte
11 aus Metallfasern 5
mit daraus entwickeltem Katalysator gesinterte
selbsttragende zylindrische Formkörper gehalten sind, und zwischen den Metallfasern
befindet sich innerhalb des Formkörpers das mit einem Katalysator belegte keramische
Material 6.
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Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist der hohlzylinderförmige, Metallfasern
und Keramikmaterial kombiniert enthaltende Formkörper in einfacher Weise dadurch
herstellbar, daß man ein entsprechendes Vlies aus gesinterten Metallfasern mit daraus
entwickeltem Katalysator in der gewünschten Weise mit dem keramischen Trägermaterial
bedeckt und zu dem Hohlzylinder aufrollt. Man kann, falls gewünscht, das Vlies auch
in unterschiedlicher Dichte bzw. Porigkeit einsetzen.