DE2462167A1 - Katalysatoreinsatzeinheit - Google Patents
KatalysatoreinsatzeinheitInfo
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Description
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Industrivägen 2 ο·αΓ phvs. w. Carstens
Anwaltsakte M-3688 Oktober 1975
L.2:.:
Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einem porigen Körper und auf diesem angebrachten Katalysator, wie Platin,
bestehende Einsatzeinheit. Ein wichtige Anwendungsgebiet für eine solche Einsatzeinheit ist die Umwandlung von in Motorabgasen
enthaltenen giftigen Stoffen, wie Kohlenstoffmonoxyd , in eine
unschädliche Form durch Oxydation.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Katalysatoreinsatzeinheit,
die hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann und für grosse und schnelle Temperaturschwankungen unempfindlich
ist. Ein besonderer Zweck der Erfindung besteht darin, die vorgenannten
Eigenschaften mit Widerstandskraft gegen solche mechanische Beanspruchungen, die bei der Anwendung der Einsatzeinheit
als Abgasreiniger in Motorfahrzeugen auftreten, zu vereinigen/Ein wesentlicher Faktor ist hierbei, dass der porige
Körper eine grosse Oberfläche haben soll, über die der Katalysator
verteilt ist und die den den Körper durchstreichenden heissen Gasen, wie den Abgasen von einem Verbrennungsmotor, ausgesetzt
wird. Die Anmelderin hat gefunden, dass ein Körper, der dieser Bedingung weitgehend gerecht wird, aus dünnen Schichten zusammengesetzt
sein soll, die ganz oder teilweise gefaltet sind und sich gegeneinander unter Bildung einer grossen Anzahl von feinen,
durchgehenden Durchlässen für die Gase abstützen, und die aus auf einem Träger aus Asbestschichten aus anorganischem Stoff
gebildeten Gerüst bestehen. Dieses Gerüst ist dadurch hervorgebracht, dass an der dünnen Asbestschicht eine oder mehrere Flüssigkeiten
aufgetragen werden, in der anorganische Stoffe gelöst sind, die nach Niederschlag auf den Fasern der dünnen Asbestschicht
auf hohe Temperatur erhitzt werden. '
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Die Erhitzung wird bis auf 900° - 12000C hochgetrieben,
wobei in dem Asbestfasern vorhandenes Kristallwasser ausgetrieben wird. Durch die Austreibung des Kristallwassers verliert der
Asbest praktisch seine ganze Festigkeit, aber gesellt sich zu dem anorganischem Stoff, der zu dem dünnen Gerüst zusammenschmilzt
oder -sintert, das trotz seiner sehr hohen Porigkeit dem fertigen Körper hohe Festigkeit verleiht.
Der Asbest kann eine Stärke haben, die einem Oberflächen-
gewicht von 80 - 100 bis hinauf zu 150 - 250 g/m oder mehr entspricht.
Durch die Erhitzung entweichen aus dem Asbest einerseits das Kristallwasser und andererseits organische; bisher den Zusammenhalt
der Fasern bewirkende Bestandsteile, die zusammen 15 - 30 Gewichtsprozente ausmachen. Der statt dessen zugeführte anorganische
Stoff bzw. die zugeführten anorganischen Stoffe, die im Endzustand keramischer oder mineralischer Natur sein können,
werden in so begrenzten Mengen zugesetzt, dass das Oberflächen-Grammgewicht der Schichten im Endzustand ungefähr dasselbe wird
wie das des Asbests im Ausgangszustand. Eine gewisse Steigerung des Gewichtes je Oberflächeneinheit um bis zu 20 ä 50 % ist jedoch
zulässig.
Die ganze Behandlung hat zum Endergebnis, dass sie z.B. spiralförmige aufgewickelten Schichten in dem porigen Körper dank
ihrer geringen Stärke weitgehend für die grossen Temperaturunterschiede unempfindlich werden, denen der Körper ausgesetzt wird,
wenn er z.B. im Winter beim Ingangsetzen des Motor in sehr kurzer Zeit von Kältegraden auf viele Wärmegrade erhitzt wird. Dank
seiner geringen Stärke wird der Schichtenquerschnitt nahezu augenblicklich während der Temperatursteigerung des Gases homogen
erhitzt, derart, dass Wärmespannungen*überhaupt nicht entstehen, wie es dagegen der Fall ist, wenn der porige Körper aus keramischem
Werkstoff mit dickeren Schichtenwänden dadurch aufgebaut ist, dass auf einen Träger eine Aufschwemmung eines pulverförmigen Stoffs
aufgebracht wird, der sich nach dem Verdampfen der Flüssigkeit zu einer zusammenhängenden Schicht versintert. Durch die grossen
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Temperaturunterschiede, die in einem solchen Fall auftreten können,
wenn der Körper beim Ingangsetzen eines Kraftwagenmotors im Winter von vielen Kältegraden zu der Temperatur der Abgase erhitzt wird,
dehnen sich die äusseren Teilstücke der Schichten schneller aus als die inneren, sodass der Werkstoff zerplatzt oder abblättert.
Gemäss der Erfindung erhalten die Schichten des porigen
Körpers nach Aufbringen des Katalysatorbelags,z.B. durch Niederschlag
von Platin aus einer Lösung, je Oberflächeneinheit der Schichten eine sehr grosse, auswärts gerichtete Oberfläche, die
für die vorgesehene Reinigung der Abgase, wie durch Verbrennung von darin enthaltendem Kohlenstoffmonoxyd zu Kohlenstoffdioxyd,
wirksam ist.
Dank der geringen Stärke der in dem porigen Körper enthaltenen Schichten werden diese, wie oben festgestellt, unempfindlich
gegen iTemperaturschwankungen. Infolge des geringen Gewichts
werden ausserdem die auf den Körper einwirkenden Trägheitskräfte bei Erschütterungen und Vibrationen unbedeutend, weswegen die
einzelnen Schichten nicht zerbrochen werden. Jedoch kann gerade diese Eigenschaft beim Einbau des Körpers Schwierigkeiten bereiten,
und deswegen kann eine nachgiebige Einhängung vorgesehen sein,, gegebenenfalls in Kombination mit einer Verstärkung der Schichten
innerhalb der Einhängzone.
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf in den anliegenden Zeichnungen beispielsweise dargestellte Ausführung
sformen näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben
werden. Es zeigen:
Fig. 1 schaubildlich eine gemäss der Erfindung ausgeführten Abgasreinigereinheit, wobei gewisse Teile zwecks Erzielung
verbesserter Anschaulichkeit weggeschnitten gedacht sind; Fig. 2 einen Schnitt durch diese Abgasreinigereinheit;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Abgasreinigereinheit in einer abgewandelten Ausführung.
In den Zeichnungen ist die generell mit 10 bezeichnete
Abgasreinigereinheit in ein Abgasrohr 12 , 14 eines V er brennung s*-
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motors eingebaut. Die Abgasreinigereinheit umfasst einen porigen Körper 16, der die Form einer zylindrischen Scheibe haben kann und
an seinem Aussenumfang mittels einer ringförmigen Stütze 18 in einem zylindrischem Gehäuse 20 befestigt ist. Dieses Gehäuse ist
bei der Ausfilhrungsform nach Fig. 1 und 2 unmittelbar mit den
Rohrteilen 12, 11 verbunden, dagegen bei der Ausfilhrungsform nach
der Fig. 3 über Faltenbalge 22.
Der Körper 16 ist aus spiralförmig aufgewickelten,
abwechselnd glatten und gewellten Schichten aufgebaut. Die Faltungen
verlaufen axial zwischen den beiden ebenen Stirnseiten des Körpers. Der Abstand zwischen den glatten Schichten beträgt höchstens 3 mm,
was einem Mittelabstand zwischen den Schichten von 1,5 mm entspricht. Bei Ausführungen für die Praxis beträgt der Abstand zwischen den
glatten Schichten zweier aufeinander liegenden Wicklungen etwa 1,5 mm. Bei der Herstellung des Körpers geht man von Streifen von
einfach glatt beschichtetem*Wellasbest aus, d.h. von Streifen, die
aus je einer glatten und einer gewellten, miteinander durch z.B. Wasserglas verbundenen Schicht bestehen. Der nach der AufWickelung
erhaltene Körper wird dann in eine oder mehrere, vorzugsweise wässerige Lösungen derartiger organischen Salze eingetaucht oder
damit bespritzt, dass die Salze auf den dünnen Asbestschichten nach Verdampfen des Lösungsmittels und nachfolgender Erhitzung
auf hohe Temperatur zusammen mit dem Rückstand des Asbests das tragende Gerüst bilden.
Auf den fertigen Körper wird eine Lösung des Katalysators, wie eine Platinverbindung, in an sich bekannter Weise als äusserst
dünner Belag über die in sich sehr porigan|>chichten des Gerüsts
aufgetragen.
Der für die Bildung des porigen Körpers erforderliche anorganische Stoff bzw. die erforderlichen Stoffe können Silikate,
wie Kalzium- oder Aluminiumsilikat sein, oder Oxyde wie Aluminiumoxyd.
Ein Ausgangswerkstoff von auf einer Seite mit einer glatten Schicht bedecktem Asbestwellpapier mit einem Flächen-
ir ve - 5 -
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gewicht von 80 - 100 g/m wird spiralförmig zu einem Körper von
gewünschter Abmessung aufgerollt. Der Körper wird dann in eine
Wasserglaslösung (Natronwasserglas) mit eine Dichte von 1,30 kg/dm eingetaucht. Der Körper wird in der Lösung so lange liegen
gelassen, dass keine Luftblasen mehr aufsteigen, wonach so viel Wasserglas entfernt wird, dass die feinen Kanäle des Körpers, offen
gelegt werden.
Der Körper wird hin- und hdergedreht, derart, dass sich
das Wasserglas gleichmässig in ihm verteilt. Danach wird der Körper in konzentrierten Äthylalkohol (96 %) eingelegt und einige
Male herausgehoben und abgesenkt, derart, dass alle Teile des Körpers mit dem konzentrierten Alkohol in Berührung kommen. Hierdurch
wird das Wasserglas wasserfrei gemacht und hierdurch wird der Körper verhältnismässig fest und handhabbar, so dass er sich
in eine kochende Lösung von Aluminiumchlorid in Wasser (1 Gewichtsteil AlCl3 - 6 H2O auf 1 Gewichtsteil Wasser) überführen lässt.
Den Körper lässt man in den kochenden Aluminiumchloridlösung während einer Stunde liegen, wonach er herausgehoben und in Warmluft
mit einer Temperatur von 3 000C getrocknet wird. Hierbei
hat der Körper einen Niederschlag von Aluminiumsilikat und -oxyd erhalten. Schliesslich wird der Körper in einen Ofen eingelegt,
in dem die Temperatur während drei Stunden gleichförmig auf 1150 C steigen gelassen wird, und danach sich ebenfalls während drei
Stunden gleichmässig auf Zimmertemperatur abzukühlen gelassen. Damit ist der keramische Körper fertig und kann auf seinen
Stirnseiten durch Schleifen bearbeitet werden.
Um einen Körper mit höherer mechanischer Festigkeit zu erhalten, kann man zur Herstellung des einseitig glatt beschichteten
Wellpapierstreifens von einem verhältnismässig dicken Asbest-
2 papier mit einem Flächengewicht von 150 - 2 50 g/m ausgehen und
das Eintauchen in eine Wasserglaslösung mit einer Dichte von
3
1,375 kg/dm vornehmen. Im übrigen ist die Behandlung dieselbe wie im Beispiel 1.
1,375 kg/dm vornehmen. Im übrigen ist die Behandlung dieselbe wie im Beispiel 1.
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Das Kochen nach dem Eintauchen in den Alkohol wird in einer gesättigten Lösung von Kalziumchlorid vorgenommen, wodurch
als Niederschlag Kalziumsilikat erhalten wird. Dies gilt für beide PapierSorten gemäss den vorigen Beispielen. Die Brenntemperatur
ist dieselbe wie bisher. Die Festigkeit wird etwas geringer als bei dem Verfahren gemäss den Beispielen 1 und 2.
Das Kochen nach dem Eintauchen in Alkohol wird wie im Beispiel 3 durchgeführt. Danach wird der Körper in Wasser gespült,
sodann getrocknet und in Aluminiumchlorid eingetaucht. Während der nachfolgenden Erhitzung auf die höhere Temperatur zersetzt
sich das Aluminiurachlorid, so dass sich Aluminiumoxyd bildet, das den Körper noch mehr verstärkt.
Wie aus den Zeichnungsfiguren ersichtlich, kann der porige Körper einen grösseren Durchmesser haben als dem der
Rohre 12, 14, weswegen nur der mittlere Teil des porigen Körpers für die vorgesehene katalysatorische Wirkung ausgenutzt zu werden
braucht. Dieser Teil kann ebenso gross wie oder auch grosser sein als der Rohrdurchmesser: in letzterem Fall bedeutet dies einen
Ausgleich für das von den porigen Schichten eingenommene Volumen, derart, dass sich die Geschwindigkeit der Abgase durch den Körper
gleich hoch beibehalten lässt. Diejenigen Teile des Körpers, die somit nicht bei der Abgasreinigung beteiligt sind, brauchen
nicht mit einem Katalysatorbelag versehen zu sein, lassen sich stattdessen mechanisch kräftiger ausführen, derart, dass die
Festigkeit des Körpers in den äusseren Teilen grosser wird als in dem Mittelteil. Diese Verstärkung einer äussere Zone lässt sich
dadurch erzielen, dass man diese Zone mehrfach in die Lösung oder die Lösungen der anorganischen Stoffe eintaucht oder damit bespritzt.
Dadurch, dass das Aufhängen oder Befestigen des Körpers an dessen verstärkten Teilen erfolgt, wird der verhältnismässig
empfindliche Kern des porigen Körpers gegen schädliche Beanspruchungen, z.B. durch Erschütterungen des Kraftwagens, geschützt.
Die gleiche Wirkung lässt sich dadurch erhalten bzw. steigern, dass man die äussere ringförmige Stütze 18 aus federndem Werkstoff,
z.B. Gummi, ausführt. Da der Körper einen grösseren Durchmesser
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hat als sein wirksamer Kern, erhält man ferner einen Temperaturfall
von dem Kern zu der Aufhängzone, was die Benutzung solcher Aufhängglieder ermöglicht, welche die hohe Abgastemperatur nicht
aushalten. Ferner kann es zweckmässig sein, die äussere Zone des porigen körpers mittels eines Gases, wie Luft, zu kühlen,
das mittels eines Bläsers 24 und durch eine Leitung 26 an der einen Seite des Körpers 10 unter Überdruck zugeführt wird und
an dessen anderen Seite durch einen Auslass 28 austritt, nachdem das Gas durch die parallelen, sich axial von der einen Stirnseite
des Körpers zu seiner anderen erstreckenden feinen Durchlässe hindurchgegangen ist. Die Kühlzone soll von der Mittzone des
Körpers, durch die die Abgase hindurchgehen, abgeschirmt sein, z.B. dadurch, dass die Enden 3 0 und 3 2 der Rohre 12 bzw. 14
den Körper über dessen Stirnseiten hinaus hineinragen. Durch Abdeckscheiben 3 4 nach Massgabe der Fig. 2 lässt sich ein Dichtspalt
von grosser radialer Erstreckung gegenüber dem porigen Körper 16 erhalten.
Die faltbalgförmigen Kapseln 22 in der Fig. 3 haben einerseits zur Aufgabe, die Wirkung von Erschütterungen des
Kraftwagens zu dämpfen, und anderereseits einer Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung von den heissen Rohren 12, 14 zu dem Gehäuse 20 des Reinigers bzw. der federnden, ringförmigen Stütze 18 an
dessen Aussenumfang entgegenzuwirken.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte Aüsführungsformen begrenzt, sondern lässt sich im
weitesten Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrundeliegenden Leitgedankens abwandeln.
- Patentansprüche -
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Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorträgers, bestehend aus ganz oder teilweise gefalteten, sich aneinander abstützenden,
dünnen Schichten, die eine große Anzahl von feinen Durchlässen bilden und gesintert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus dünne» Asbestwerkstoff bestehenden und mit aus einer Flüssigkeit ausgefälltem Siliciumdioxyd versehenen
Schichten durch Erhitzung bei hoher Temperatur zu einem zusammenhängenden porösen Körper umgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Schichten mit einem Flächengewicht von 80 bis 150 und höchstens
250 g/m verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Zone der Schichten mit einer größeren mechanischen
Festigkeit als deren mittlere Zone hergestellt, werden.
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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß nur eine mittlere Zone der Schichten mit einem Katalysatorbelag versehen wird.
5. Verwendung des nach Anspruch 1 hergestellten Katalysatorträgers
als Einsatz in die Abgasleitung einer Brennkraftmaschine.
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