DE202004007433U1 - Automotive catalyst comprises sintered metal filter substrate covered by intermediate layer of aluminum oxide and silicone dioxide nano-particles - Google Patents

Automotive catalyst comprises sintered metal filter substrate covered by intermediate layer of aluminum oxide and silicone dioxide nano-particles Download PDF

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Abstract

An automotive exhaust gas catalytic converter has a sintered metal filter substrate that is separated from the catalytic coating by an intermediate wash-coat layer of aluminum oxide and silicone dioxide nano-particles. 5-20% of the particles are aluminum oxide and the remainder are largely silicone dioxide particles. The catalytic agent is platinum, palladium, rhodium, cerium, lanthanum, or a mixture of these. The sintered metal substrate is made from one or more strips of punctured sheet metal, whose punctures are packed with sintered metal powder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbehandeln der Abgase einer Brennkraftmaschine, umfassend einen vom Abgas angeströmten Träger, ausgerüstet mit einer auf einer die Oberfläche des Trägers vergrößernden Zwischenschicht aufgebrachten, zur Abgasnachbehandlung katalytisch wirksamen Beschichtung.The invention relates to a device for aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine, comprising one flowed by the exhaust gas Carrier, equipped with one on one the surface of the carrier magnifying Intermediate layer applied, catalytically effective for exhaust gas aftertreatment Coating.

Zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine sind in dem Abgasstrang derselben ein oder mehrere Vorrichtungen zum Nachbehandeln der Abgase eingeschaltet. Bei diesen Vorrichtungen kann es sich um Katalysatoren und/oder um Filter, etwa Partikelfilter handeln. Katalysatoren und ebenso katalytisch beschichtete Filterkörper umfassen einen strukturierten Träger, damit der Träger eine möglichst große angeströmte Oberfläche aufweist. Sowohl zur Abgasnachbehandlung eingesetzte Filter, beispielsweise Sintermetallfilter als auch Katalysatoren sind aus diesem Grunde mitunter aus einem feinwellig strukturierten Metallblech oder einer Metallfolie gebildet, wodurch eine Vielzahl von Strömungskanälen mit nur kleinem Strömungsquerschnitt gebildet werden. Eine große vom Abgas angeströmte Oberfläche wird benötigt, da die gewünschte chemische Umsetzung der im Abgas mitgeführten Moleküle nur stattfindet, wenn diese die katalytisch wirksame Beschichtung des Trägers kontaktieren.For cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine are one or more devices in the exhaust line thereof switched on for aftertreatment of the exhaust gases. These devices can they are catalysts and / or filters, such as particle filters act. Catalysts and also catalytically coated filter bodies include a structured carrier, thus the carrier one if possible size be streamed surface having. Filters used for exhaust gas aftertreatment, for example Sintered metal filters as well as catalysts are for this reason sometimes from a finely corrugated metal sheet or Metal foil formed, creating a variety of flow channels only small flow cross-section be formed. A big flown by the exhaust gas surface is required, because the one you want Chemical conversion of the molecules carried in the exhaust gas only takes place if this contact the catalytically active coating of the support.

Grundsätzlich kann die katalytische Beschichtung des Trägers auf das zur Ausbildung des Trägers vorgesehene Vorprodukt, beispielsweise ein Metallblech vor seiner Umformung aufgetragen werden. Es ist dann jedoch darauf zu achten, dass bei der Umformung beispielsweise des katalytisch beschichteten Metallbleches die katalytische Beschichtung nicht beschädigt wird. Dieses ist in Abhängigkeit von dem durchgeführten Umformprozess, beispielsweise ein Kanten, Biegen oder dergleichen nicht immer zu gewährleisten. Aus diesem Grunde wird die katalytische Beschichtung in aller Regel erst auf die Oberfläche des fertigen Trägers aufgebracht.Basically, the catalytic Coating the carrier to that for training the carrier provided preliminary product, for example a metal sheet in front of it Forming can be applied. However, care must then be taken that during the shaping of, for example, the catalytically coated Metal sheet the catalytic coating is not damaged. This depends on the carried out Forming process, for example an edge, bending or the like not always guaranteed. For this reason, the catalytic coating is usually first on the surface of the finished carrier applied.

Es ist bekannt, zur weiteren Oberflächenvergrößerung der Oberfläche eines solchen Trägers die katalytisch wirksame Beschichtung nicht unmittelbar auf den Träger aufzutragen, sondern auf die Trägeroberfläche zunächst eine die Oberfläche des Trägers vergrößernde Zwischenschicht (einen sogenannten Washcoat) aufzutragen, auf der dann die katalytisch wirksame Beschichtung aufgebracht wird. Ein solcher Washcoat enthält keramische Partikel, die, an der Oberfläche des Trägers anliegend und mit dieser durch einen Calzinierprozess verbunden, die Gesamtoberfläche des mit dem Washcoat beschichteten Trägers vergrößern. Eingesetzt werden zur Ausbildung eines solchen Washcoats Partikel die in der Regel eine Größe zwischen 1 und 10 μm aufweisen. Zum Aufbringen dieser Partikel befinden sich diese in einer Suspension, die auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird. Neben Mittel zum Verhindern eines Gelierens der Partikel und zum Verhindern eines Partikelabsinkens befinden sich in der Suspension Zuschlagpartikel, um eine Verbindung mit der auf den Washcoat aufzutragenden katalytischen Beschichtung zu verbessern. Bei der katalytischen Beschichtung handelt es sich in aller Regel um eine Platin-, Palladium- oder Rhodiumbeschichtung.It is known to further increase the surface area of the surface of such a carrier the catalytically active coating is not directly on the carrier apply, but first on the support surface the surface intermediate layer enlarging the support (a so-called washcoat), on which the catalytically active Coating is applied. Such a washcoat contains ceramic Particles that, on the surface of the carrier adjacent and connected to it by a calcining process, the total surface enlarge the carrier coated with the washcoat. Be used for Formation of such a washcoat particles which are usually one Size between 1 and 10 μm exhibit. To apply these particles, they are in one Suspension on the surface of the carrier applied becomes. In addition to means for preventing gelling of the particles and to prevent particle subsidence are in the suspension Additive particles to connect with the one to be applied to the washcoat to improve catalytic coating. In the catalytic Coating is usually a platinum, palladium or rhodium plating.

Nicht unproblematisch ist das Dosieren einer solchen Washcoatsuspension auf der zu beschichtenden Trägeroberfläche, insbesondere wenn der Träger und nicht das Trägervorprodukt beschichtet werden. Eine Beschichtung strukturierter Träger, wie beispielsweise von Katalysatoren oder von Partikelfiltern erfolgt in aller Regel durch einen Tauchvorgang durch Eintauchen des Trägers in die Washcoatsuspension. Bei diesem Vorgang kann nur mit zusätzlichem Aufwand weitestgehend sichergestellt werden, dass die relativ dickflüssige Washcoatsuspension die gesamte Trägeroberfläche benetzt, insbesondere wenn der Träger eine sehr feine Strömungsstrukturierung aufweist, wie dieses beispielsweise bei Partikelfiltern der Fall ist. Gerade bei Trägern mit einer sehr feinen Strukturierung ist jedoch eine gleichmäßige Dosierung auf der Trägeroberfläche kaum zu erreichen. Bei Partikelfiltern als Abgasnachbehandlungsvorrichtungen besteht beim Aufbringen eines Washcoats zudem die Gefahr, dass sich für die Filterung notwendige Poren zusetzen.Dosing is not without problems such a washcoat suspension on the carrier surface to be coated, in particular if the carrier and not the carrier precursor be coated. A coating of structured supports, such as of catalysts or of particle filters is usually done by a dipping process by immersing the carrier in the washcoat suspension. This process can largely only be done with additional effort ensure that the relatively viscous washcoat suspension covers the entire Substrate surface wetted, especially if the carrier a very fine flow structuring has, as is the case for example with particle filters is. Especially with porters with a very fine structure, however, is an even dosage hardly on the carrier surface to reach. With particle filters as exhaust gas aftertreatment devices when applying a washcoat there is also the risk that for the Filter necessary pores.

Eine nur unzureichende Washcoatbeschichtung eines Trägers aus Metall kann zu unerwünschten Korrosionserscheinungen führen. Vor allem bei Partikelfiltern aus Metall, die als Träger dienen, bedingt eine unzureichende Washcoatbeschichtung des Trägers eine unzureichende Beschichtung des Trägers mit der gewünschten katalytischen Beschichtung. Die zum Teil hohen Temperaturen einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die beispielsweise bei einem Partikelfilter beim Rußabbrand entstehen können, können dann eine Agglomeratbildung der katalytischen Beschichtung und somit ein Wandern des katalytisch wirksamen Materials auslösen. Dadurch ist die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung hinsichtlich der gewünschten katalytischen Reaktion beeinträchtigt.An inadequate washcoat of a carrier Metal can be undesirable Lead to signs of corrosion. Especially with metal particle filters that serve as carriers, an inadequate washcoat coating of the carrier inadequate coating of the carrier with the desired one catalytic coating. The sometimes high temperatures of such Exhaust gas aftertreatment device, for example in a particle filter arise when soot burns up can, can then agglomeration of the catalytic coating and thus trigger a migration of the catalytically active material. Thereby is the effectiveness of the exhaust aftertreatment device in terms of the desired catalytic Reaction affected.

Um eine bestimmungsgemäße Washcoat- und katalytische Beschichtung zu erzielen, sind daher der Formgebung der Träger insbesondere hinsichtlich der Größe der Strömungskanäle Grenzen gesetzt. Eine Verringerung der Querschnittsfläche der Strömungskanäle ist jedoch zur Vergrößerung der Oberfläche des Trägers bei gleichbleibendem Trägervolumen gewünscht, jedoch nur dann, wenn sichergestellt werden kann, dass die angeströmte Oberfläche der Strömungskanäle auch katalytisch beschichtet werden kann.In order to achieve a proper washcoat and Achieving catalytic coating is therefore the shaping the carrier in particular, there are limits to the size of the flow channels. A reduction in the cross-sectional area of the flow channels is, however, to enlarge the surface of the carrier with the same carrier volume desired however only if it can be ensured that the surface of the surface Flow channels too can be coated catalytically.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine dergestalt weiterzubilden, dass die zu dem vordiskutierten Stand der Technik aufgezeigten Nachteile zumindest weitgehend minimiert sind.Proceeding from this discussed prior art, the invention is therefore based on the object of developing an exhaust gas aftertreatment device of an internal combustion engine mentioned at the outset in such a way that those discussed above Disadvantages shown in the prior art are at least largely minimized.

Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Vorrichtung gelöst, bei der die in der Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung des Trägers enthaltenen Partikel Nanopartikel sind.This task is initiated by a called generic device solved, in which those contained in the intermediate layer to enlarge the surface of the carrier Particles are nanoparticles.

Diese Vorrichtung verfügt über eine Zwischenschicht – einen Washcoat – dessen Partikel sogenannte Nanopartikel sind. Diese Nanopartikel weisen eine Größe zweckmäßigerweise zwischen 5 und 150 nm auf. Diese Partikel sind um mehrere Größenordnungen kleiner als die in herkömmlichen Washcoats enthaltenen Partikel. Eine Zwischenschicht verfügt typischerweise über mehrere Nanopartikellagen, so dass die Oberfläche des Trägers nicht nur durch die einzelne Partikelgröße sondern auch zur Tiefe hin vergrößert ist. Das Aufbringen eines solchen aus Nanopartikeln aufgebauten Washcoats ist ohne weiteres möglich. Zu diesem Zweck können die Nanopartikel in eine relativ dünnflüssige Suspension aufgenommen werden, die auf den Träger aufgebracht werden wird. Die Dünnflüssigkeit der Suspension und die nur sehr geringe Größe der zur Ausbildung des Washcoats eingesetzten Partikel gewährleistet, dass durch die Washcoatsuspension die gesamte Oberfläche eines auch mit sehr feinen Strukturen ausgebildeten Trägers benetzt und an der gesamten Trägeroberfläche die gewünschten Nanopartikel angelagert werden können. Durch einen solchen Washcoat wird der Strömungsquerschnitt eines Strömungskanals des Trägers nicht nennenswert reduziert. Die hinsichtlich der Trägeroberfläche ursprünglich berechnete Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes in einem solchen Strömungskanal bleibt durch die nur sehr dünne Washcoatbeschichtung so gut wie unverändert, so dass die zu einem Strömungskanal berechnete Verweildauer des Abgases zum Durchführen der gewünschten katalytischen Reaktion auch nach Auftragen des Washcoats den berechneten Voraussetzungen entspricht.This device has a Interlayer - one Washcoat - its Particles are so-called nanoparticles. These nanoparticles point a size conveniently between 5 and 150 nm. These particles are of several orders of magnitude smaller than that in conventional ones Washcoats contain particles. An intermediate layer typically has several Nanoparticle layers, so that the surface of the carrier is not only through the individual Particle size but is also enlarged towards the depth. The application of such a washcoat composed of nanoparticles is easily possible. For this purpose you can the nanoparticles taken up in a relatively thin suspension be on the carrier will be applied. The thin fluid of the suspension and the very small size of the washcoat used particles guaranteed that through the washcoat suspension the entire surface of a also wetted with very fine structures trained carrier and on the whole Carrier surface the desired Nanoparticles can be attached. Such a washcoat makes the flow cross-section of a flow channel of the carrier not significantly reduced. The one originally calculated with regard to the carrier surface flow rate the exhaust gas flow in such a flow channel remains through the only very thin Washcoat coating virtually unchanged, making it one flow channel calculated residence time of the exhaust gas to carry out the desired catalytic reaction even after applying the washcoat the calculated Meets requirements.

Von besonderem Vorteil eines solchen Washcoats ist ferner, dass die Nanopartikel in die Poren bzw. Öffnungen eines auch als Tiefenfilter ausgelegten Partikelfilters hineintransportiert werden können und eine wirksame Tiefenbeschichtung eines Partikelfilters in die Filterwände hinein möglich ist. Dieses ist möglich bei Filtern aus einem Vlies, etwa einem Sintermetallfaservlies oder auch bei Sintermetallfiltern, gebildet aus gesinterten Einzelelementen, wie etwa Sintermetallblechen. Die vollständige oder nahezu vollständige Ummantelung sämtlicher Körner eines Sintermetallfilters mit den Nanopartikeln des Washcoats schützt den aus Sintermetall hergestellten Träger vor Korrosionen und wirkt als elektrischer Isolator gegenüber den edleren Metallen der auf der Außenseite des Washcoats aufgetragenen katalytischen Beschichtung. Aufgrund der nur geringen Größe, der die Zwischenschicht bildenden Nanopartikel ist letztendlich nicht nur die Oberfläche des Trägers erheblich vergrößert, sondern eine Anlagerung der zum Herstellen der katalytischen Beschichtung eingesetzten Metalle kann vorgenommen werden, ohne dass in der Zwischenzeit zusätzliche anhaftungserhöhende Bestandteile enthalten sind. Die Ausbildung einer relativ glatten Washcoatoberfläche hat auch eine gleichmäßigere Verteilung des katalytischen Metalls und eine bessere Dauerhaltbarkeit zur Folge.This is particularly advantageous Washcoats is furthermore that the nanoparticles in the pores or openings a particle filter, which is also designed as a depth filter can be and an effective deep coating of a particle filter into the filter walls possible is. This is possible for filters made of a fleece, such as a sintered metal fiber fleece or also with sintered metal filters, formed from sintered individual elements, such as sintered metal sheets. The complete or almost complete casing all Grains of a Sintered metal filter with the nanoparticles of the washcoat protects the Carrier made of sintered metal against corrosion and acts opposite as an electrical insulator the nobler metals of those applied to the outside of the washcoat catalytic coating. Because of its small size, the the intermediate layer forming nanoparticles is ultimately not only the surface of the wearer significantly enlarged, but an accumulation of the to produce the catalytic coating Metals used can be made without in the meantime additional anhaftungserhöhende Components are included. The formation of a relatively smooth Washcoatoberfläche also has a more even distribution of the catalytic metal and better durability Episode.

Bei den Nanopartikeln der Zwischenschicht handelt es sich zweckmäßigerweise um Aluminiumoxidpartikel und um Siliziumdioxidpartikel in einem Gemenge, wobei eine Gemengezusammensetzung bevorzugt wird, bei der 5 – 20% der Nanopartikel der Zwischenschicht Siliziumdioxidpartikel und der Rest zumindest weitestgehend, zweckmäßigerweise jedoch ausschließlich Aluminiumoxidpartikel sind.The nanoparticles of the intermediate layer are concerned it expediently alumina particles and silica particles in one Batch, with a batch composition being preferred in which 5 - 20% the nanoparticles of the intermediate layer silicon dioxide particles and the rest at least as far as possible, but expediently only aluminum oxide particles are.

Aufgrund der vorbeschriebenen positiven Eigenschaften der aus den Nanopartikeln aufgebauten Zwischenschicht eignet sich diese als Zwischenschicht bei einem Sintermetallfilterkörper, der zur Abgasnachbehandlung eine katalytisch wirksame Beschichtung tragen soll. Ein solcher Sintermetallfilterkörper kann zur Ausbildung von im Durchmesser sehr kleinen einzelnen Filterkanälen aus einem Sintermetallblechstreifen hergestellt sein. Ein solcher Sintermetallblechstreifen umfasst einen mit Öffnungen versehenen Träger, beispielsweise ein Streckmetall, dessen Öffnungen mit Sintermetallpulver gefüllt sind. Zur eigentlichen Ausbildung der Strömungskanäle kann ein solcher Sintermetallblechstreifen in eine wellenartige Form umgeformt werden, wobei ein solches Filterbauteil mit weiteren, gegebenenfalls unter Verwendung einer Zwischenlage, gestapelt oder auch spiralförmig aufgewickelt einen Sintermetallfilterkörper ausbilden kann. Entsprechendes gilt für einen Filter, bei dem als Filtermedium ein Faservlies, etwa ein Sintermetallfaservlies eingesetzt wird.Because of the positive described above Properties of the intermediate layer built up from the nanoparticles this is suitable as an intermediate layer in a sintered metal filter body that wear a catalytically effective coating for exhaust gas aftertreatment should. Such a sintered metal filter body can be used to form very small individual filter channels in diameter from a sintered metal sheet strip be made. Such a sintered metal sheet strip comprises one with openings provided carrier, for example an expanded metal, the openings of which with sintered metal powder filled are. Such a sintered metal sheet strip can be used to actually form the flow channels are formed into a wave-like shape, such a filter component with others, possibly using an intermediate layer, stacked or spiral can form a sintered metal filter body wound. The same applies to a filter in which a nonwoven as a filter medium, such as a Sintered metal fiber fleece is used.

Claims (6)

Vorrichtung zum Nachbehandeln der Abgase einer Brennkraftmaschine, umfassend einen vom Abgas angeströmten Träger, ausgerüstet mit einer auf einer die Oberfläche des Trägers vergrößernden Zwischenschicht aufgebrachten, zur Abgasnachbehandlung katalytisch wirksamen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung des Trägers enthaltenen Partikel Nanopartikel sind.Device for the aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a carrier against which the exhaust gas flows, equipped with a coating which is catalytically active for exhaust gas aftertreatment and which is applied to an intermediate layer which enlarges the surface of the carrier, characterized in that the particles contained in the intermediate layer to increase the surface area of the carrier are nanoparticles , Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanopartikeln der Zwischenschicht um ein Gemenge aus Aluminiumoxidpartikeln und Siliziumdioxidpartikeln handelt.Device according to claim 1, characterized in that the nanoparticles of the intermediate layer are a mixture consists of aluminum oxide particles and silicon dioxide particles. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 5% bis 20% der Nanopartikel der Zwischenschicht Siliziumdioxidpartikel und der Rest zumindest weitestgehend Aluminiumoxidpartikel sind.Apparatus according to claim 2, characterized in that 5% to 20% of the nanoparticles of the intermediate layer silicon dioxide particles and the rest at least largely aluminum oxide particles are. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Zwischenschicht aufgebrachte katalytisch wirksame Beschichtung des Trägers aus einem oder mehreren der Metalle Platin, Palladium, Rhodium, Cer oder Lanthan gebildet ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the catalytically active applied to the intermediate layer Coating the carrier one or more of the metals platinum, palladium, rhodium, Cerium or lanthanum is formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Sintermetallfilterkörper ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the carrier a sintered metal filter body is. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sintermetallfilterkörper aus einem oder mehreren umgeformten Sintermetallblechstreifen, gebildet jeweils aus einem mit Sintermetallpulver gefüllten Öffnungen aufweisenden Träger aus Metall, hergestellt ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that the sintered metal filter body formed from one or more formed sintered metal strips each from a carrier filled with sintered metal powder Metal.
DE202004007433U 2004-05-06 2004-05-06 Automotive catalyst comprises sintered metal filter substrate covered by intermediate layer of aluminum oxide and silicone dioxide nano-particles Expired - Lifetime DE202004007433U1 (en)

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AT501042B1 (en) * 2005-02-02 2006-06-15 Pankl Emission Control Systems Motor vehicle exhaust gas purifying device, has purification module arranged within housing in such a manner that discharged streams flows through purification module to outlet, and gas porous metal foam body connected upstream of module
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