DE19945742C1 - Exhaust gas catalytic converter comprises a fabric consisting of metal and/or catalyst fibers produced by melt extraction - Google Patents
Exhaust gas catalytic converter comprises a fabric consisting of metal and/or catalyst fibers produced by melt extractionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Metallfaser-Katalysatorkörper zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, der ein Gewebe, Gestrick oder Faserfließ aus Metallfasern enthält, wobei Kata lysatormaterial in den Metallfasern enthalten oder selbst in Form von Fasern in dem Gewebe vorliegt, und ein Verfahren zur Herstellung von Fasern für diesen Katalysatorkörper.The invention relates to a metal fiber catalyst body for Cleaning exhaust gases from internal combustion engines, which is a tissue Contains knitted or fiber flow from metal fibers, being Kata lysatormaterial contained in the metal fibers or even in Form of fibers present in the fabric, and a method for Manufacture of fibers for this catalyst body.
Es sind verschiedene Katalysatoren zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen bekannt. Diese haben die Aufgabe, Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid, Stickoxide, und Kohlenwasser stoffe, aus dem Abgasstrom zu entfernen. Hierzu werden die Schadstoffe oxidiert oder chemisch umgesetzt, so daß Kohlendi oxid, Wasser und Stickstoff als Reaktionsprodukte verbleiben. Der diese chemische Reaktionen bewirkende und beschleunigende Katalysator muß zur wirkungsvollen Abgasreinigung mit einer großen Oberfläche pro Katalysatorvolumen bereitgestellt wer den. Die Katalysatoren sind hierzu meist aus einem Trägerwerk stoff, beispielsweise von feinen Kanälen durchzogene, kerami sche Monolithe hergestellt, auf die zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche ein sogenannter washcoat aufgebracht ist, der wiederum mit dem katalytisch wirkenden Material beschichtet ist. Als Katalysatormaterial werden in der Regel Edelmetalle, wie Platin, Paladium oder Rhodium, oder Oxide von verschiede nen Nichtedelmetallen, wie Chrom, Molybdän oder Vanadium, ein gesetzt. There are various catalysts for cleaning exhaust gases known from internal combustion engines. These have the task Pollutants such as carbon monoxide, nitrogen oxides, and hydrocarbons substances to remove from the exhaust gas flow. For this, the Pollutants oxidized or converted chemically, so that Kohlendi oxide, water and nitrogen remain as reaction products. The one that causes and accelerates these chemical reactions For effective exhaust gas purification, the catalytic converter must have a large surface area per catalyst volume the. The catalysts are mostly from a carrier plant fabric, for example kerami with fine channels cal monoliths made on the for further enlargement a so-called washcoat is applied to the surface again coated with the catalytically active material is. Precious metals are generally used as catalyst material, such as platinum, palladium or rhodium, or oxides of various base metals such as chromium, molybdenum or vanadium set.
Die Abgasreinigung mittels Katalysatoren setzt ab einer be stimmten Abgastemperatur, ab etwa 250°C, ein. Bei diesen Tem peraturen, die sich im Laufe des Fahrbetriebs einstellen, kön nen dann bis zu über 90% der Schadstoffe entfernt werden. Bei Betriebstemperaturen ab 550°C kann eine Schädigung der Kataly satoren eintreten, da thermische Überhitzung zum Sintern der Beschichtung führt.The exhaust gas purification by means of catalysts starts at one agreed exhaust gas temperature, from about 250 ° C. At these tem temperatures that occur during driving, can then up to over 90% of the pollutants are removed. At Operating temperatures above 550 ° C can damage the cataly occur because thermal overheating to sinter the Coating leads.
Da bei den niederen Temperaturen während der Warmlaufphase bis zum Erreichen der Reaktionstemperatur die Abgase nahezu unge reinigt den Auspuffverlassen, sind u. a. elektrische Heizele mente vorgesehen, die den Katalysator auf seine Starttempera tur erwärmen.Since at low temperatures during the warm-up phase to reach the reaction temperature, the exhaust gases almost unhealthy cleans the exhaust leaving, are u. a. electric heater elements provided that the catalyst to its starting temperature heat the door.
Problematisch ist weiterhin der Verschleiß der dünnen kataly tisch wirkenden Beschichtung, die die Lebensdauer der Kataly satoren und damit der Abgasentgiftung begrenzt.The wear of the thin kataly is still problematic table-like coating that extends the life of the Kataly limited and thus exhaust gas detoxification.
In der EP 0 364 153 A1 ist als Katalysatormaterial ein metal lisches Geflecht aus Fasern vorgeschlagen, die aus einem Edel metall wie Platin oder aus Edelmetallegierungen besteht. Ein Katalysatorkörper, der Drähte oder Fasern aufweist, die ein- oder mehrlagig als Gewebe, Geflecht oder Gestrick ausgebildet sind, ist aus der DE 40 22 937 A1 bekannt wobei die Drähte oder Fasern durch Versintern oder Verschweißen wenigstens teilweise miteinander verbunden sind. Katalytisch wirkende Werkstoffe können hierbei durch Beschichtung auf das Gewebe aufgebracht sein, oder aber selbst dieses bilden. Ein ähnli ches Geflecht wird in der DE 42 21 763 A1 vorgeschlagen, bei dem Materialien mit katalytischer Wirkung durch Aufsintern oder durch Flammspritzen auf das Geflecht aufgebracht oder ka talytisch wirkendes Metallpulver in einem Oxidationsverfahren aufoxidiert wird. Hierdurch soll eine Erhöhung der Katalysato roberfläche bewirkt werden. Ein weiteres Verfahren zum Auf bringen katalytisch wirkender Materialien auf einen Kataly satorträger ist aus der DE 42 00 995 A1 bekannt. Hierbei wird ein wabenförmiges Gasadsorptionselement zunächst mit einer Dispersion von Teilchen des Katalysators imprägniert, wobei nach dem Trocknen die Zwischenräume der Teilchen des Katalysa tors und der Fasern gleichmäßig mit einer Dispersion eines an organischen Bindemittels imprägniert und getrocknet werden. Hierdurch findet eine feste Verbindung der Katalysatorteilchen mit dem Katalysatorträger statt.In EP 0 364 153 A1 a metal is used as the catalyst material lichen network of fibers proposed, made of a noble metal such as platinum or made of precious metal alloys. On Catalyst body that has wires or fibers that or multilayered as a woven, braided or knitted fabric are known from DE 40 22 937 A1 where the wires or fibers by sintering or welding at least are partially connected. Catalytically active Materials can be coated on the fabric be angry, or even form this. A similar one ches braid is proposed in DE 42 21 763 A1, at materials with a catalytic effect by sintering or applied to the braid by flame spraying or ka metallic powder in an oxidation process is oxidized. This is intended to increase the catalytic converter r surface. Another method of opening bring catalytically active materials onto a Kataly Satorträger is known from DE 42 00 995 A1. Here will a honeycomb gas adsorption element first with a Impregnated dispersion of particles of the catalyst, wherein after drying, the spaces between the particles of the catalyst tors and the fibers evenly with a dispersion of one impregnated and dried organic binder. This ensures that the catalyst particles are firmly bonded with the catalyst carrier instead.
Schließlich ist aus der DE 40 12 719 A1 ein aus Fasermatten oder Faserwatte hergestellter Filter für die Abgasreinigung bei Dieselmotoren bekannt, der auch als Träger für Oxidations- und Reduktionskatalysatoren verwendet werden kann. Das Kataly satormaterial wird hier in fein verteilter Form auf den Filter aufgebracht, es kann sich aber auch in der Oberfläche des Fa sermaterials selbst befinden, wodurch der Abtrag an Katalysa tormaterial wesentlich verringert werden soll. Zum Implantie ren von Katalysatormaterial in eine adsorptiv wirkende Schicht wird in der DE 44 23 329 A1 das bekannte Sol-Gel-Verfahren vorgeschlagen.Finally, DE 40 12 719 A1 is made of fiber mats or cotton wool filter for exhaust gas cleaning known in diesel engines, which is also used as a carrier for oxidation and reduction catalysts can be used. The Kataly Sator material is applied to the filter in finely divided form applied, but it can also in the surface of the company sermaterials themselves, whereby the removal of catalys goal material should be significantly reduced. For implantation ren of catalyst material in an adsorptive layer is the known sol-gel method in DE 44 23 329 A1 suggested.
Die bekannten, Metallfasergeflechte verwendende Katalysatoren weisen verschiedene Nachteile auf. Bei Beschichtung mit dem katalytisch wirksamen Material ist Abrieb der Beschichtung und ein Versintern bei thermischer Überhitzung unvermeidlich, so daß die Lebensdauer dieser Katalysatoren begrenzt ist. Die mit den bisher bekannten Techniken hergestellten katalytischen Edelmetallfasern besitzen eine ungünstige Relation von wirksa mer Oberfläche zu eingesetztem Volumen, wodurch die Effektivi tät des Katalysators vermindert und unnötig viel Katalysator material verschwendet wird. Werden die Katalysatorteilchen mittels Implantierung oder durch sonst übliche schmelzmetall urgische Verfahren in den Katalysatorträger eingebracht, sind Inhomogenitäten, Entmischungen und Seigerung zu beobachten.The known catalysts using metal fiber braids have several disadvantages. When coating with the catalytically active material is abrasion of the coating and a sintering in the event of thermal overheating is inevitable, so that the life of these catalysts is limited. With the previously known techniques Precious metal fibers have an unfavorable ratio of effective mer surface to the volume used, whereby the Effective catalyst reduced and unnecessarily much catalyst material is wasted. Will the catalyst particles by means of implantation or by means of other common molten metal urgent processes are introduced into the catalyst carrier Observe inhomogeneities, segregation and segregation.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, einen wirksamen Metallfaser-Katalysatorkörper hoher Lebensdauer vorzuschlagen, der die genannten Nachteile vermeidet, sowie ein Verfahren zur Herstellung von für einen solchen Katalysator geeigneten Fa sern anzugeben. Der erhaltene Katalysator soll nahe des Brenn raums der Brennkraftmaschine angebracht werden können, ohne durch thermische Überhitzung beschädigt zu werden.The object of the present invention is therefore an effective one To propose long-life metal fiber catalyst bodies which avoids the disadvantages mentioned, and a method for Production of a company suitable for such a catalyst to specify. The catalyst obtained is said to be close to the burner room of the internal combustion engine can be attached without to be damaged by thermal overheating.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa tentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the features of Pa Tent claims 1 and 5 solved. Advantageous configurations each result from the subclaims.
Beim erfindungsgemäßen Metallfaser-Katalysatorkörper kann das Katalysatormaterial entweder in den Metallfasern enthalten sein oder selbst in Form von Fasern vorliegen. Im ersten Fall bestehen die Metallfasern aus einer homogenen Legierung des Katalysatormaterials mit dem Katalysatorträgermaterial, die durch Schmelzextraktion hergestellt sind. Es stellt sich her aus, daß das an sich bekannte Schmelzextraktionsverfahren her vorragend für die Herstellung solcher Fasern geeignet ist. Im Gegensatz zu den anderen bekannten schmelzmetallurgischen Ver fahren tritt überraschenderweise keine Entmischung oder Seige rung ein und die Homogenität der Legierung bleibt langdauernd erhalten.In the metal fiber catalyst body according to the invention, this can Catalyst material either contained in the metal fibers be or even be in the form of fibers. In the first case the metal fibers consist of a homogeneous alloy of Catalyst material with the catalyst support material, the are produced by melt extraction. It is established from that the known melt extraction process ago is outstandingly suitable for the production of such fibers. in the Contrary to the other known melt metallurgical Ver driving surprisingly, no segregation or seige occurs and the homogeneity of the alloy remains long-lasting receive.
Bei der Schmelzextraktion wird eine rotierende, mehrschneidige Walze in ein Schmelzbad eingetaucht, wobei an den Kanten der Walze Schmelzfäden aus dem Schmelzbad gezogen werden. Die Schmelzfäden erstarren an den Kanten der wassergekühlten Walze sehr schnell und werden durch die Fliehkraft von dieser abge trennt. Bei Legierungen arbeitet die Schmelzextraktion meist unter Schutzgasatmosphären oder Vakuum, um Oxidationen und Schlackenbildung an der Oberfläche des Schmelzbades zu verhin dern. Durchmesser und Rotationsgeschwindigkeit der Walze sowie die Temperatur des Schmelzbades und der Walze sind neben der Art der Legierung Faktoren, die die Länge und Dünne der metal lischen Fasern und deren Homogenität bestimmen. Es können sehr dünne metallische Fasern mit weniger als 100 µm Durchmesser hergestellt werden, die mit einem zeitlichen Temperaturgra dienten von 105 K/s zu Fasern erstarren. Bei dieser schnellen Abkühlung sind Entmischungen nicht möglich.During the melt extraction, a rotating, multi-bladed roller is immersed in a melt pool, with melt threads being pulled out of the melt pool at the edges of the roller. The filaments solidify very quickly at the edges of the water-cooled roller and are separated from it by the centrifugal force. In the case of alloys, the melt extraction usually works under a protective gas atmosphere or vacuum in order to prevent oxidation and slag formation on the surface of the weld pool. In addition to the type of alloy, the diameter and speed of rotation of the roller and the temperature of the melt pool and the roller are factors which determine the length and thickness of the metallic fibers and their homogeneity. Very thin metallic fibers with a diameter of less than 100 μm can be produced, which solidify into fibers with a temperature gradient of 10 5 K / s over time. With this rapid cooling, segregation is not possible.
Bei einem Katalysatorkörper, bei dem Metallfasern und Fasern aus Katalysatormaterial zu einem Gewebe verbunden sind, können erfindungsgemäß durch Schmelzextraktion hergestellte Fasern verwendet werden. Die sehr dünnen metallischen Fasern lassen sich mit bekannten textilen Techniken besondern gut zu Gewe ben, Gestricken oder Faserfließen weiterverarbeiten und auf grund ihrer großen Reaktionsoberfläche direkt als Katalysato ren einsetzen.In the case of a catalyst body in which metal fibers and fibers of catalyst material can be connected to a fabric Fibers produced according to the invention by melt extraction be used. Leave the very thin metallic fibers works particularly well with known textile techniques Further processing, knitting or fiber flow and on because of their large reaction surface directly as a catalyst insert.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Katalysator körpers besteht darin, daß der hergestellte homogene Katalysa torwerkstoff eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, wo durch er in einem brennerraumnahen Bereich des Motors, im Brennraum selbst oder im Abgaskrümmer angebracht werden kann. Da die Abgase in diesem Bereich sehr heiß sind, wird die Starttemperatur der Katalyse unmittelbar nach dem Start des Motors erreicht, so daß die bisher in der Warmlaufphase ent stehenden Emissionen drastisch reduziert sind. Another great advantage of the catalyst according to the invention body is that the homogeneous catalyzed gate material has a high temperature resistance where through it in an area of the engine near the burner chamber, in the Combustion chamber itself or in the exhaust manifold can be attached. Since the exhaust gases are very hot in this area, the Start temperature of the catalysis immediately after the start of the Motors reached so that the ent in the warm-up phase emissions are drastically reduced.
Als temperaturbeständiges Material eignet sich vorzugsweise Eisen und/oder Nickel, dem als korrosionsbeständiges Material Chrom und/oder Aluminium zugesetzt ist. Als Katalysatormateri al sind auch hier die bekannten Elemente Platin, Paladium, Rhodium und weitere Edelmetalle sowie Chrom, Molybdän, Vanadi um, Mangan, etc. und deren Oxide einsetzbar.Is preferably suitable as a temperature-resistant material Iron and / or nickel, which as a corrosion-resistant material Chromium and / or aluminum is added. As a catalyst material al are also the well-known elements platinum, paladium, Rhodium and other precious metals as well as chrome, molybdenum, vanadi um, manganese, etc. and their oxides can be used.
Der erfindungsgemäße Katalysatorkörper kann in Form von Schläuchen, Strümpfen, Rohreinsätzen, Matten oder ähnlichen Strukturen im oder in der Nähe des Brennraums eingesetzt wer den.The catalyst body according to the invention can be in the form of Hoses, stockings, pipe inserts, mats or the like Structures used in or near the combustion chamber the.
Die Vorteile gegenüber den bekannten Lösungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Raumbedarf und Gewicht des erfindungsge mäßen Katalysatorkörpers sind erheblich reduziert, wobei kein Abrieb oder sonstige Verschleißerscheinungen über der Fahr zeug-Lebensdauer festzustellen sind. Die Abgasemissionen in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sind erheblich herab gesetzt. Vorheizeinrichtungen für den Katalysator während der Warmlaufphase des Motors können entfallen. Da das Katalysator material in Reinform oder als homogene Legierung mit dem me tallischen Trägermaterial vorliegt, besteht eine hohe Tempera turbeständigkeit, die Schädigungen oder Ausfälle des Katalysa tors bei thermischer Überhitzung verhindert.The advantages over the known solutions can be as summarize as follows: space requirement and weight of the fiction Moderate catalyst body are significantly reduced, with none Abrasion or other signs of wear over the driving tool life can be determined. The exhaust emissions in the warm-up phase of the internal combustion engine are considerably reduced set. Preheaters for the catalyst during the Warm-up phase of the engine can be omitted. Because the catalyst material in pure form or as a homogeneous alloy with the me metallic carrier material is present, there is a high temperature Resistance to damage, damage or failure of the catalytic converter prevents thermal overheating.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele anhand der beigefüg ten Zeichnungen die Erfindung näher erläutern.In the following, exemplary embodiments are to be described with reference to the attached th drawings illustrate the invention in more detail.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper im Kol benboden des Brennraums eines Kraftfahrzeugs. Fig. 1 shows a catalyst body according to the invention in the Kol benboden the combustion chamber of a motor vehicle.
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Katalysatorkörper als Gewe be im Krümmer des Kraftfahrzeugauspuffs. Fig. 2 shows the catalyst body according to the invention as a tissue in the manifold of the motor vehicle exhaust.
Fig. 3 zeigt einen rohrförmigen Katalysatorkörper im Krümmer des Auspuffes eines Kraftfahrzeugs. Fig. 3 shows a tubular catalyst body in the exhaust manifold of a motor vehicle.
In den Fig. 1 bis 3 sind schematisch der Brennraum 2 und der Krümmer 3 des Auspuffes bei einem Kraftfahrzeug dargestellt, wobei sich der erfindungsgemäße Metallfaser-Katalysatorkörper 1 in Fig. 1 im Kolbenboden des Brennraums 2 nahe des Auspuff krümmers 3, in Fig. 2 im Auspuffkrümmer 3, diesen als Gewebe ausfüllend, und in Fig. 3 ebenfalls im Krümmer 3 als rohrför mige Katalysatorstruktur befindet. Bei der letzteren Variante wird das Abgas durch eine Umlenkfläche 4 zur Innenfläche des Krümmers 3 durch das rohrförmige Katalysatorgewebe 1 geleitet.In Figs. 1 to 3 of the combustion chamber 2 and the manifold are shown schematically of an exhaust of a motor vehicle 3, wherein the metal fiber catalyst body according to the invention 1 in Fig. 1 in the piston head of the combustion chamber 2 near the exhaust manifold 3, in Fig. 2 in the exhaust manifold 3 , filling this as a fabric, and in Fig. 3 also in the manifold 3 as a tubular catalyst structure. In the latter variant, the exhaust gas is passed through a deflection surface 4 to the inner surface of the manifold 3 through the tubular catalyst fabric 1 .
Die hohe Temperaturbeständigkeit und die fehlende Beschichtung beim erfindungsgemäßen Katalysatorkörper 1 ermöglichen dessen Anordnung im oder nahe des Brennraums 2, so daß die Abgasent giftung sofort bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs einsetzen kann und nicht erst nach einer Warmlaufphase.The high temperature resistance and the lack of coating in the catalyst body 1 according to the invention enable its arrangement in or near the combustion chamber 2 , so that the exhaust gas poisoning can start immediately when the motor vehicle is started and not only after a warm-up phase.
Claims (9)
daß das Katalysatormaterial in den Metallfasern eine durch Schmelzextraktion hergestellte homogene Legierung bildet, oder
daß die Metallfasern und/oder die Katalysatorfasern jeweils dünne, durch Schmelzextraktion hergestellte Fasern bilden.1. Metal fiber catalyst body for cleaning exhaust gases from internal combustion engines, which contains a fabric, knitted fabric or fiber flow made of metal fibers, catalyst material contained in the metal fibers or even present in the form of fibers in the fabric, characterized in that
that the catalyst material in the metal fibers forms a homogeneous alloy produced by melt extraction, or
that the metal fibers and / or the catalyst fibers each form thin fibers produced by melt extraction.
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