DE19840906A1 - Abgaskatalysator für Kraftfahrzeugabgase - Google Patents

Abgaskatalysator für Kraftfahrzeugabgase

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator für Kraftfahrzeugabgase mit einem gasdurchlässigen Träger und einer Trägerbeschichtung aus einem für den Abbau von Stickstoffoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid geeigneten Edelmetall und/oder Metalloxid als katalysatoraktives Material. Erfindungsgemäß besteht der Träger aus einem Textilkörper aus hochtemperaturfesten, anorganischen Fasern und sind die Fasern mit dem katalysatoraktiven Material beschichtet. Vorzugsweise ist der Textilkörper aus ebenen Gewebeschichten aufgebaut, die zu einem Gewebepaket gestapelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator für Kraft­ fahrzeugabgase mit einem gasdurchlässigen Träger und einer Trägerbeschichtung aus einem für den Abbau von Stickstoff­ oxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid geeigneten Edelmetall und/oder Metalloxid als katalysatoraktives Material.
Als Träger kommen keramische Wabenkörper (sog. Monolithe), metallische Wabenkörper oder Schüttgut zum Einsatz. Bei den Monolithen hat sich wegen seiner geringen Wärmeausdehnung Cordierit (Magnesium-Alumorsilikat) durchgesetzt. Die Ober­ fläche der Zellkanäle ist mit einer oxidischen Zwischen­ schicht aus γ-Al2O3 belegt, auf der das Edelmetall als kata­ lysatoraktives Material aufgebracht ist. Die Edelmetall­ schicht besteht zumeist aus Platin oder Rhodium (RÖMPP Chemie Lexikon, Band 3, (1990), Seite 2169).
Zum Einbau in ein Metallgehäuse wird der Wabenkörper mit einer Vliesmatte aus keramischen Fasern umwickelt. Die Vliesmatte dient der Abdichtung des Ringspaltes zwischen Monolith und Gehäuse und muß eine Spaltänderung, die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der Materialien unter Betriebstemperatur ein­ stellt, kompensieren. Die bekannte Anordnung ist nicht frei von Nachteilen. Der in der Faser-Vliesmatte eingespannte Abgaskatalysator ist bei den entsprechend dem Fahrzeug­ betrieb sich ändernden Betriebstemperaturen einer beacht­ lichen Druckwechselbeanspruchung ausgesetzt, wobei örtliche Druckspitzen oft nicht vermeidbar sind. Hinzu kommen erheb­ liche mechanische Belastungen durch Fahrzeugerschütterungen und Vibrationen durch die Gasströmung. Sobald aufgrund der beschriebenen mechanischen Belastungen am Umfang des Waben­ körpers ein Spalt entsteht, beginnt ein Erosionsprozeß an der Fasermatte, wobei durch Ausblasen von Fasern und Bläh­ glimmer die Lagerungseigenschaften der Matte sich ver­ schlechtern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskata­ lysator für Kraftfahrzeugabgase anzugeben, bei dessen Ein­ bau in ein Katalysatorgehäuse eine gute Dichtwirkung sowie eine gleichmäßige Druckverteilung am Umfang sichergestellt ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Träger aus einem Textilkörper mit hochtemperaturfesten, anorganischen Fasern besteht und die Fasern mit dem kataly­ satoraktiven Material beschichtet sind. Der erfindungsgemäß als Textilkörper ausgebildete Träger besitzt eine weiche, anpassungsfähige Außenfläche. Beim Gehäuseeinbau des Abgas­ katalysators ist dadurch eine gute Abdichtung sowie eine gleichmäßige Druckverteilung am Umfang des Abgaskatalysa­ tors sichergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht der Textilkörper aus ebenen Gewebeschichten, die zu einem Gewebepaket gestapelt sind oder aus einem Gewebe, das zu einem Gewebepaket gefaltet ist. Eine Anordnung ähnlich Luft-, Öl- oder Wasserfiltern ist möglich. Strömungs­ verluste und Austauschfläche sind durch die Größe der Maschen, die Stärke sowie Struktur des verarbeiteten Garns sowie die Anzahl der Gewebeschichten bzw. Faltungen ein­ stellbar. Der Textilkörper ist druckunempfindlich und bruchsicher. Das Umwickeln mit einer Vliesmatte ist nicht mehr erforderlich.
Als Fasern sind insbesondere im Düsenziehverfahren gezogene Filamente geeignet. Vorzugsweise bestehen die Fasern aus Siliziumfilamenten mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 90 Gew.-%. Besonders geeignet sind Siliziumfilamente mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 94 Gew.-% und einem Al2O3- Gehalt von mehr als 3 Gew.-%. Die Siliziumfasern sind nicht lungengängig und daher gesundheitlich unbedenklich, so daß etwaige geringe Ausblasverluste toleriert werden können.
Als Trägerbeschichtung eignen sich die Edelmetalle Platin, Rhodium, Nickel, Palladium, Ruthenium, Osmium, Iridium und dergleichen. Auch die Verwendung von Metalloxiden, z. B. Vanadiumpentoxid oder Titandioxid, ist möglich.
Zum Aufbringen der Trägerbeschichtung auf den Träger sind an sich bekannte Beschichtungsverfahren einsetzbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Träger­ beschichtung als Überzug ausgeführt, der durch ein Vakuum­ bedampfungsverfahren auf die Fasern oder auf das daraus hergestellte Garn oder auf das aus dem Garn hergestellte, zum Textilkörper weiterverarbeitete Gewebe aufgebracht ist. Das Beschichtungsverfahren wird dabei zweckmäßig so geführt, daß sich ein poröser Überzug mit möglichst großer Austauschfläche ausbildet. Als Bedampfungsverfahren kommen insbesondere die Verfahren der Elektronenstrahlverdampfung, des PVD (Physical Vapor Deposition)-Vakuumbogenverfahrens und des PVD-Sputterverfahrens in Betracht. (Firmendruckschriften "Modular Vacuum Coating System MAT VAC-400" und "Information 835 zur Draht- und Faserbeschich­ tung" der Firma MAT GmbH Dresden). Ferner kann ein als CVD (Chemical Vapor Deposition) bekanntes Beschichtungs­ verfahren eingesetzt werden, bei dem die Schichtabscheidung durch chemische Reaktionen gasförmiger Ausgangsstoffe an erhitzten Oberflächen erfolgt. Schließlich sind galvano­ technische Verfahren sowie Plasma-Sprüh-Auftragsverfahren denkbar.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß die Trägerbeschich­ tung zweischichtig aufgebaut ist und unterhalb der Schicht des katalysatoraktiven Materials eine Zwischenschicht aus Al2O3 aufweist. Auch die Zwischenschicht wird vorzugsweise durch ein Vakuumbedampfungsverfahren auf die Fasern oder auf das daraus hergestellte Garn oder auf das aus dem Garn hergestellte, zum Textilkörper weiterverarbeitete Gewebe aufgebracht. Andere Auftragsverfahren sollen jedoch nicht ausgeschlossen sein.
Die Gewebeschichten des Textilkörpers sind zur besseren Handhabung des Katalysators zu einem Aggregat vereinigt. Für die konstruktive Ausführung bieten sich zahlreiche Mög­ lichkeiten an. Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß die Gewebeschichten des Gewebepaketes punktweise miteinander verklebt sind. Die punktweise Verklebung ist eine Montage­ hilfe, die nach Inbetriebnahme des Katalysators unter den hohen Betriebstemperaturen ihre Wirkung verliert. Eine andere, alternative oder zusätzliche Ausgestaltung sieht vor, daß das Gewebepaket zwischen zwei gasdurchlässigen, gegeneinander verspannbaren Stirnplatten gehalten ist. Die Stirnplatten sind zweckmäßigerweise durch einen Zuganker verbunden, der das Gewebepaket durchfaßt.
Der erfindungsgemäße Abgaskatalysator ist in Katalysator­ gehäuse üblicher Bauart einsetzbar, wobei eine Durch­ strömung des Textilkörpers bzw. Gewebepaketes in Längs­ richtung erfolgt. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, in den Textilkörper eine Gasverteilereinrichtung mit mindestens einem gasdurchlässigen, an die Abgaszuführung angeschlossenen Verteilerrohr einzusetzen. Das heiße Abgas strömt durch die vorzugsweise in der Mittelachse des Textilkörpers angeordnete Verteilereinrichtung radial in den Textilkörper ein. Die Gasführung hat Einfluß auf die Temperaturverteilung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Abgaskatalysator für Kraftfahrzeugabgase,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Abgaskatalysator, aus­ schnittsweise,
Fig. 3 eine weitere Ausführung der Erfindung, im Längs­ schnitt.
Der in Fig. 1 dargestellte Abgaskatalysator 1 ist in ein im wesentlichen zylindrisches Katalysatorgehäuse 2, welches zweischalig aufgebaut sein kann, eingesetzt und wird in Längsrichtung durchströmt. Der Abgaskatalysator 1 weist einen gasdurchlässigen Träger und eine Trägerbeschichtung aus einem für den Abbau von Stickstoffoxiden, Kohlenwasser­ stoffen und Kohlenmonoxid geeignetem Edelmetall und/oder Metalloxid als katalysatoraktives Material auf. Der Träger ist als Textilkörper ausgeführt und besteht aus hoch­ temperaturfesten, anorganischen Fasern, die mit dem kataly­ satoraktiven Material beschichtet sind. Im Ausführungsbei­ spiel und nach bevorzugter Ausführung der Erfindung ist der Textilkörper aus ebenen Gewebeschichten 3 zusammengesetzt, die zu einem Gewebepaket gestapelt sind. Das Gewebe 3 ist aus einem Filamentgarn 4 gefertigt (Fig. 2) und besteht aus Siliziumfilamenten 5 mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 90 Gew.-%. Vorzugsweise werden Siliziumfilamente mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 94 Gew.-% und einem Al2O3-Gehalt von mehr als 3 Gew.-% eingesetzt, die eine Temperatur­ beständigkeit von 1100°C erreichen. Für Abgaskatalysato­ ren, die bei geringeren Temperaturen betrieben werden, können auch andere temperaturbeständige Fasermaterialien, z. B. Glasfilamente, eingesetzt werden.
Als Trägerbeschichtung 6 eignen sich Platin, Rhodium, Nickel, Palladium, Ruthenium, Osmium, Iridium und andere Edelmetalle, die für den Abbau von Stickstoffoxiden, Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid als Katalysator­ material geeignet sind. Die Trägerbeschichtung 6 kann auch Metalloxide, z. B. Vanadiumpentoxid oder Titandioxid, auf­ weisen.
Für die Beschichtung des Textilkörpers mit einem kataly­ satoraktiven Edelmetall und/oder Metalloxid eignen sich Vakuumbedampfungsverfahren. Dazu gehören die Verfahren der Elektronenstrahlverdampfung, PVD (Physical Vapor Deposi­ tion)-Vakuumbogenverfahren und PVD-Sputterverfahren. In Betracht zu ziehen ist auch eine Schichtabscheidung durch chemische Reaktionen gasförmiger Ausgangsstoffe an erhitz­ ten Oberflächen nach der CVD-Technologie (Chemical Vapor Deposition), eine Beschichtung durch Plasma-Sprühverfahren sowie galvanotechnische Verfahren. Die Beschichtung des Textilkörpers ist so auszuführen, daß sich dünne, vorzugs­ weise poröse Schichten bilden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Beschichtung auf die Fasern oder auf das dar­ aus hergestellte Garn oder auf das aus dem Garn herge­ stellte, zum Textilkörper weiterverarbeitete Gewebe aufzu­ bringen.
Die Trägerbeschichtung 6 kann auch zweischichtig aufgebaut sein und unterhalb der Schicht des katalysatoraktiven Materials eine Zwischenschicht aus Al2O3 aufweisen. Auch die Zwischenschicht ist durch ein Vakuumdampfungsverfahren auf die Fasern oder auf das daraus hergestellte Garn oder auf das aus dem Garn hergestellte, zum Textilkörper weiter­ verarbeitete Gewebe aufbringbar.
Der Fig. 1 entnimmt man, daß das Gewebepaket zwischen zwei gasdurchlässigen, gegeneinander verspannbaren Stirnplatten 7 gehalten ist. Die Stirnplatten 7 sind durch einen Zug­ anker 8 verbunden, der das Gewebepaket durchfaßt. Dadurch bleibt die Umfangsfläche des Gewebepaketes weich und schmiegt sich an die Innenfläche des metallischen Kataly­ satorgehäuses 1 an.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist in den Textilkörper eine Gasverteilereinrichtung 9 mit mindestens einem gasdurchlässigen, an die Abgaszuführung angeschlos­ senen Verteilerrohr angesetzt. Das heiße Abgas strömt durch das Verteilerrohr radial in den Textilkörper ein. Die Abströmung erfolgt axial. Die erfindungsgemäße Lehre ermög­ licht es, die Durchströmung des Abgaskatalysators variabel zu gestalten und im Hinblick auf die Temperaturverteilung zu optimieren.
Die Trägerbeschichtung soll am Beispiel des PVD-Sputter­ verfahrens im folgenden erläutert werden. Ein Gewebe aus Siliziumfilamenten wird in einer Vakuumkammer in der Nähe eines oder mehrerer Targets, die aus den Materialien der abzuscheidenden Schicht bestehen, positioniert. Die Targets sind auf Magnetronquellen angeordnet. Die Vakuumkammer wird auf einen Startdruck von mindestens 10-4 mbar evakuiert, wobei vorzugsweise mit einem Druck von 10-4 bis 10-6 mbar gearbeitet wird. Durch die Evakuierung werden Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle, die schädlich für die Beschichtung sind, praktisch vollständig entfernt. Danach wird ein Trägergas, z. B. Argon, in die Vakuumkammer eingelassen, wobei der Druck in der Kammer ansteigt. Unter Argon­ atmosphäre wird ein Glimmprozeß durchgeführt. Dieser dient der Feinreinigung von Absorbatschichten auf der Gewebeober­ fläche, wobei die Haftfestigkeit des anschließend aufge­ brachten Überzugs verbessert wird. Alternativ kann auch eine Ionenbeschußreinigung der Substratoberfläche im Argon-Plasma erfolgen. Nach der Vorbehandlung folgt die Zündung einer Gasentladung bei einem Druck von 0,1 bis 1 Pa. Die Gasentladung ist durch eine sehr hohe Plasmadichte im targetnahen Bereich charakterisiert, die beim Magnetron­ sputtern durch die Kreuzung elektrischer und magnetischer Felder erreicht wird. Durch eine Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode werden die Ionen in Richtung Kathode beschleunigt und schlagen aus dem Gitterverband des Festkörpertargets Atome heraus. Die Atome kondensieren auf dem Gewebe und bilden einen dünnen Überzug aus dem als Targetmaterial eingesetzten Edelmetall. Schließlich wird die Kammer belüftet und das Substrat her­ ausgenommen. Das beschriebene Verfahren kann auch im Durch­ laufprozeß eingesetzt werden, bei dem das Gewebe von einer Rolle abgewickelt und das beschichtete Gewebe auf eine zweite Rolle aufgewickelt wird. Durch beidseitige Anordnung von Magnetronen kann das Gewebe im Durchlauf zweiseitig beschichtet werden.

Claims (13)

1. Abgaskatalysator für Kraftfahrzeugabgase mit einem gasdurchlässigen Träger und einer Trägerbeschichtung aus einem für den Abbau von Stickstoffoxiden, Kohlenwasserstof­ fen und Kohlenmonoxid geeigneten Edelmetall und/oder Metalloxid als katalysatoraktives Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Textil­ körper mit hochtemperaturfesten, anorganischen Fasern (5) besteht und die Fasern (5) mit dem katalysatoraktiven Material (6) beschichtet sind.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Textilkörper aus ebenen Gewebeschichten (3) besteht, die zu einem Gewebepaket gestapelt sind.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus im Düsenziehverfahren gezogenen Filamenten (5) bestehen.
4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fasern (5) aus Siliziumfilamenten mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 90 Gew.-%, vorzugsweise mit einem SiO2-Gehalt von mehr als 94 Gew.-% und einem Al2O3-Gehalt von mehr als 3 Gew.-%, bestehen.
5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerbeschichtung (6) aus einem oder mehreren der Edelmetalle Platin, Rhodium, Nickel, Palladium, Ruthenium, Osmium, Iridium besteht.
6. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerbeschichtung (6) als Überzug ausgeführt ist, der durch ein Vakuumbedampfungsver­ fahren auf die Fasern (5) oder auf das daraus hergestellte Garn oder auf das aus dem Garn hergestellte, zum Textil­ körper weiterverarbeitete Gewebe (3) aufgebracht ist.
7. Abgaskatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Überzug porös ausgeführt ist.
8. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trägerbeschichtung (6) zwei­ schichtig aufgebaut ist und unterhalb der Schicht des kata­ lysatoraktiven Materials eine Zwischenschicht aus Al2O3 aufweist, wobei die Zwischenschicht durch ein Vakuumbe­ dampfungsverfahren auf die Fasern (5) oder auf das daraus hergestellte Garn (4) oder auf das aus dem Garn herge­ stellte, zum Textilkörper weiterverarbeitete Gewebe (3) aufgebracht ist.
9. Abgaskatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gewebeschichten (3) des Gewebepaketes punkt­ weise miteinander verklebt sind.
10. Abgaskatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gewebepaket zwischen zwei gasdurchlässigen, gegeneinander verspannbaren Stirnplatten (7) gehalten ist.
11. Abgaskatalysator nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnplatten (7) durch einen Zuganker (8) verbunden sind, der das Gewebepaket durchfaßt.
12. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Textilkörper aus einem Gewebe besteht, das zu einem Gewebepaket gefaltet ist.
13. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Textilkörper eine Gasverteilereinrichtung (9) mit mindestens einem gasdurchlässigen, an die Abgas­ zuführung angeschlossenen Verteilerrohr eingesetzt ist.
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