DE2809749C3 - Gegen thermischen Schock beständige keramische Honigwabenstrukturen - Google Patents

Gegen thermischen Schock beständige keramische Honigwabenstrukturen

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DE2809749C3 DE2809749A DE2809749A DE2809749C3 DE 2809749 C3 DE2809749 C3 DE 2809749C3 DE 2809749 A DE2809749 A DE 2809749A DE 2809749 A DE2809749 A DE 2809749A DE 2809749 C3 DE2809749 C3 DE 2809749C3
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Description

Die Erfindung betrifft keramische Honigwabenstrukturen mit hoher thermischer Schockbeständigkeit.
In neuerer Zeit sind katalytische Konverter zum Reinigen von Abgasen aus Verbrennungsmotoren zur Vermeidung der Luftverschmutzung verwendet worden.
Die für katalytische Konverter verwendeten Katalysatoren sind solche, die man erhält durch Aufbringen eines Edelmetalls auf keramische, granulierte Träger oder keramische Honigwabensubstrate, wobei die honigwabenförmigen Katalysatoren im Katalysatorbett einen geringeren Druckverlust verursachen, die Fähigkeit des besseren Aufwärmens haben und eine höhere Abriebbeständigkeit als granulierte Katalysatoren aufweisen, während die honigwabenförmigen Katalysatoren problematisch sind hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit, die durch schnelles Erhitzen und Abschrecken verursacht wird.
Zur Verbesserung der thermischen Schockbeständigkeit bei honigwabenförmigen Katalysatoren hat man bereits den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Honigwabensubstrates erniedrigt und die mechanische Festigkeit erhöht Honigwabenförmige Katalysatoren, die keramische Honigwabensubstrate verwenden, aus Cordierit
(2 MgO · Al2O3 · 5 SiO2)
mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind z. B. aus DE-OS 24 50 071 bekannt
in Der niedrige Ausdehnungskoeffizient wird dort dadurch erreicht, daß man den Cordierit parallel zu der Oberfläche der Zellwandungen orientiert
Katalytische Konverter unter Verwendung von honigwabenförmigen Katalysatoren werden in der
Ij Praxis wie folgt hergestellt Eine Honigwabenstruktur aus Cordierit-Keramik wird mit einer aktiven Substanz, wie einem y-Aluminiumoxid mit einer großen spezifischen Oberfläche beschichtet und ein Edelmetall, wie Platin, Palladium, Rubidium und dergleichen, wird auf die y-AIuminiumoxid-Schicht abgeschieden unter Ausbildung eines honigwabenförmigen Katalysators, und der so gebildete honigwabenförmige Katalysator wird in einem Topf aufgenommen, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht, und in den Weg eines Auspuffgases, das aus einem Verbrennungsmotor stammt, angeordnet, wobei Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxide in den Auspuffgasen durch den honigwabenförmigen Katalysator unter Reinigung des Auspuffgases oxidiert oder reduziert werden.
ίο Dabei wird der honigwabenförmige Katalysator sehr schnell auf etwa 600 bis 800° C in einem Zeitraum von einigen dutzend Sekunden bis einigen Minuten aufgrund der Erhitzung durch die Auspuffgase und der Wärmeentwicklung aufgrund der katalytischen Reaktion
α erhitzt und kühlt dann auf annähernd Raumtemperatur ab, wenn der Verbrennungsmotor abgestellt wird.
Infolgedessen muß die Honigwabenstruktur, die in dem honigwabenförmigen Katalysator verwendet wird, diese Erhöhung der Temperatur end die Erniedrigung der Temperatur erdulden und insbesondere wenn die Temperatur erhöht wird, tritt ein Temperaturgradient auf, bei dem die Temperatur an dem inneren Teil des honigwabenförmigen Katalysators höher ist und an der äußeren Peripherie niedriger ist, so daß eine Reißbeanj spruchung an den Teilen der äußeren Peripherie eintritt, und wenn ein Unterschied auftritt, welcher die thermische Schockbeständigkeitstemperatur der keramischen Honigwabenstruktur übersteigt, werden Risse von der äußeren Peripherie gebildet und die Honigwa-
W benstruktur bricht.
Die keramische Honigwabenstruktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird und die bisher im allgemeinen für katalytische Konverter verwendet wurde und bei welcher die Form einer Vielzahl von Kanälen, die sich
v, parallel zueinander erstrecken, quadratisch, und der äußere Umfang kreisförmig ist, zeigte verhältnismäßig wenig Rißbildung aufgrund des vorerwähnten thermischen Schocks, aber da die Anforderungen an die Reinigung von Auspuffgasen in jüngerer Zeit erhöht
w) worden sind und das Volumen der katalytischen Konverter größer wird, besteht ein Bedarf an ellipsenförmigen keramischen Honigwabenstrukturen von ovaler oder Rennbahn-ähnlicher Form, wie in Fig. IB und 1C gezeigt wird.
bi Das heißt, daß bei keramischen Honigwaben mit einer äußeren peripheren Form einer Ellipse, wie in F i g. 2A gezeigt wird, die Form der Vielzahl der Kanäle, die sich parallel zueinander erstrecken, quadratisch ist
und eine ader zwei Gruppen der Abtrennungen, die sich im rechten Winkel kreuzen, parallel zum Längendurchmesser XX' der Ellipse sind und andere Abtrennungen parallel zu dem kürzeren Durchmesser YY' der Ellipse sind, und wenn man eine solche Honigwabenstruktur in ί einem katalytischen Konverter verwendet und der Temperaturgradient, bei dem die Temperatur im zentralen Teil höher ist und die Temperatur am äußeren peripheren Teil niedriger ist, vorliegt, wie beispielsweise in Fig.2B, so tritt eine Reißbeanspruchung an der äußeren Wandung ab auf und eine Druckbeanspruchung an den Trennwänden cd, die im Inneren der äußeren Wand ab entgegenwirkt und im wesentlichen parallel zu der äußeren Wand ab ist, d. h. parallel zu dem Längendurchmesser der XX -Achse. Keramiken zeigen nur eine sehr geringe Deformierbarkeit gegen Druckbeanspruchung aufgrund der Materialeigenschaften und ein Drucknachlassen aufgrund von Deformation findet kaum statt, so daß in einer keramischen Honigwabenstruktur, in welcher die Trennwand cd parallel in 2» Richtung der XX'-Achse verläuft, bei einem hohen thermischen Spannungszustand aufgrund ues Temperaturgradienten Risse gebildet werden, von den äußeren Wandteilen ab, wo die Zugkräfte angreifen und wenn Risse an der Wand ab gebildet werden, wird die ?ϊ Zugbeanspruchung infolgedessen auf die Trennwandung cd ausgeübt, und es bilden sich auf diese Weise Risse in den Trennwänden cd, so daß sich abwechselnd Risse bilden und Rißbruch eintritt, wie in Fig.2C gezeigt wird. ju
Weiterhin ist bei eiiipsenförmigen keramischen Honigwabenstrukturen der Größenunterschied des Längsdurchmessers und des kurzen Durchmessers groß, und anhand der Fig.2A ist ersichtlich, daß die Reißbeanspruchung an den äußeren Wandungen AB und CD bzw. an den Trennwandungen AB und CD entlang des Längsdurchmessers XX' viel größer ist als die Reißbeanspruchung an den äußeren Wandungen AC und ZJDbzw. den entsprechenden Trennwänden ACund BD parallel zu dem kürzeren Durchmesser YY', und Rißbruch tritt verstärkt ein und tritt an den äußeren Wandteilen A B und CD auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, gegen thermischen Schock beständige keramische Honigwabenstrukturen zu schaffen, die beim Brennen in elektrischen öfen gleichmäßig verfestigt werden und keine Rißbildung aufgrund von auftretenden Spannungen aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der F i g. 3 ■->< > näher erläutert:
Eine Gruppe von parallelen Trennwandungen 2, 2' unter den beiden Gruppen von parallelen Trennwandungen 2, 2' und 3,3' die eine Vielzahl von viereckigen sich parallel zueinander erstreckenden Kanälen 1 bilden, v, hat einen geneigten Winkel von vorzugsweise mehr als 10°, noch bevorzugter etwa 45 ± 150, zur X-Achse der Ellipse der keramischen Honigwabenstruktur und andere parallele Trennwände 3, 3' sind parallel zu der Richtung der K-Aehse der vorerwähnten Ellipsenform, wi wie in Fig.4 gezeigt wird, oder sie haben einen geneigten Winkel von vorzugsweise mehr als 10°, noch bevorzugter von etwa 45 ± 15°, gegenüber der Richtung der Y-Achse, wie in den F i g. 3,5 und 6 gezeigt wird, und die beiden Gruppen der Trennwandungen 2.2' und 3,3' bi überkreuzen sich unter Bildung von viereckigen Kanälen.
Bei den keramischen Honigwabenstrukturen gemäß
r,
40
4) der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, daß eine Gruppe der Trennwandungen 2, 2' auf jeden Fall gegenüber der X-Achse der Ellipse geneigt ist und dies wird anhand der F i g. 3 B erklärt Die Trennwand cd hat einen geneigten Winkel von vorzugsweise mehr als 10° gegenüber der äußeren Wand ab, die im wesentlichen parallel zur X-Achse verläuft, und die Zugbeanspruchung tritt an der äußeren Wand ab auf, aufgrund des Temperaturgradienten, bei dem die Temperatur im inneren Teil der Honigwabenstruktur höher ist und die Temperatur an den äußeren peripheren Teilen niedriger ist, wobei die Biegebeanspruchung auf die Trennwandung cd einwirkt. Keramik verformt sich mehr oder weniger unter Biegebeanspruchung unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und die Zugbeanspruchung, welche auf die äußere Wandung ab einwirkt, wird durch diese Deformation abgeschwächt In der eiiipsenförmigen keramischen Honigwabenstruktur ist, wie bereits »rwähnt, die Zugbeanspruchung, weiche auf die äußeren Wandungen AB und "JD in Richtung des Längsdurchmessers einwirkt, gro3er als die Zugbeanspruchung an den äußeren Wandungen ACund BD in Richtung der K-Achse, jedoch ist bei den keramischen Honigwabenstrukturen der vorliegenden Erfindung die Trennwand gegenüber der λ'-Achse geneigt und durch diese Maßnahme wird die hohe Zugbeanspruchung, die auf die äußere Wandung AB und CD in Richtung des Längsdurchmessers einwirkt, wie schon erwähnt, abgeschwächt. Durch eine große Anzahl von Untersuchungen wurde bestätigt, daß man ellipsenförmige, keramische Honigwabenstrukturen mit einer sehr hohen thermischen Schockbeständigkeit erhalten kann.
Bei den besonders bevorzugten keramischen Honigwabenstrukturen gemäß der Erfindung ist, wie in F i g. 3 gezeigt wird, eine Gruppe von Trennwänden 2, 2' in einem Winkel von etwa 45° zur Λ'-Achse von Trennwänden 3, 3' in einem Winkel von etwa 45° gegenüber der Y- Achse geneigt.
Die Form der Kanäle der erfindungsgemäßen keramischen Honigwabenstrukturen muß nicht unbe-Jingt quadratisch sein, aber man erzielt praktisch ähnliche Effekte mit rechteckigen und rhombischen Formen.
Der Ausdruck »Ellipse«, wie er für die äußere periphere Form hier verwendet wird, bedeutet oval, Pferderennbahn-förmig und eine kombinierte Form aus geraden Linien und Bögen und mit solchen Formen werden ähnliche Wirkungen erzielt. In einem Rechteck, welches die Grenze einer Rennbahn-ähnlichen Form ist, werden im wesentlichen die gleichen Wirkungen festgestellt.
Die keramischen Honigwabenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen geringere durch das Trocknen und Brennen verursachte Rißbildung an den äußeren Wanduigen in Richtung der X-Achse.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen beschrieben.
Fig. IA, B und C zeigen perspektivische Ansichten, welche schematisch Querschnitte von üblichen Honigwabensu'ukturen darstellen;
Fig. 2A zeigt eine Ansicht, in welcher thematisch ein Querschnitt einer üblichen keramischen Honigwabenstruktur dargestellt ist;
F i g. 2B zeigt eine Ansicht, in welcher die Bildung von Spannungen aufgrund eines thermischen Schocks erklärt wird;
Fig. 2C zeigt eine Ansicht, in welcher die Art des entstehenden Risses gezeigt wird;
F i g. 3A ist eine Ansicht, die schematisch den Querschnitt einer Ausführungsform einer keramischen Honigwabenstruktur gemäß der Erfindung zeigt;
F i g. 3B ist eine Ansicht, in welcher die Erzeugung der Belastungen aufgrund des thermischen Schocks erklärt wird;
F i g. 4, 5 und 6 sind perspektivische Darstellungen, in denen schematisch andere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden;
F i g. 7A bis H zeigen Ansichten der äußeren peripheren Formen und der Anordnungen der Kanäle der Honigwabenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung;
F i g. 71 bis J zeigen Ansichten der äußeren peripheren Form und Anordnungen der Kanäle bei üblichen Honigwabenstrukturen.
Beispiele
Eine keramische Honigwabenstruktur aus Cordierit hat viereckige Kanäle, in denen die Länge einer Seite der Kanäle 1,5 mm beträgt. Die Dicke der Trennwände ist 0,28 mm, und der kürzere Durchmesser und dei längere Durchmesser der Ellipse beträgt 64 mm bzw 127 mm, und die Länge der Honigwabenstruklur is 76 mm. Die Neigung der Winkel der beiden Grupper von parallelen Trennwandungen gegenüber dem Längs durchmesser und dem kurzen Durchmesser wird, wie ir der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt wird, bei der verschiedenen Proben der Flonigwabenstrukturen vari iert. Diese Proben wurden in einen elektrischen Ofen be einer gegebenen Temperatur von 8000C bis 10000C gegeben, und nach 15 Minuten wurden die Prober herausgenommen und an der Luft bei Raumtemperatui gelagert, und die Zugbeanspruchung aufgrund liesei Abkühlung der äußeren Wandanteile und die Art dci Rißbildung wurde beobachtet. Die Ergebnisse sind ir Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle I ersichtlich ist, sind die keramischer Honigwabenstrukiuren gemäß der Erfindung 30° C foi: 150"C höher bezüglich der thermischen Schockbestän digkeitstemperatur als keramische Honigwabenstruktu ren üblichen Aufbaus, und die thermische Schockbestän digkeit ist ausgezeichnet.
Tabelle l(a) vorlie vorlie AuUcrc Winkel der Winkel der Temperaturen im elektrischen Ofen 850 ( 900 C keine Temperaturen im elektrischen Ofen 850 C 900 C 95OC 1000 (
Probe Nr. gende gende peri Neigung der Neigung der keine keine Riß keine Riß Riß
Erfindung Erfindung phere Wandung Wandung Riß Riß bildung Riß bildung bildung
vorlie- Form gegen den gegen den bildung bildung Riß- bildung
"ende Längsdurch kürzeren keine keine hiMiino -
Erfindung messer Durchmesser pin. RiR-
vorlie (V-Achse) (V-Achse) 800 ( bildung bildung Riß 800 C
gende oval 45° 45° keine keine keine bildung keine -
1 Erfindung Riß Riß Riß Riß
(Fig. 7Λ) vorlie bildung bildung bildung keine bildung
gende oval 30° 60° keine keine keine Riß Riß
2 Erfindung RiR. Riß Riß bildung bildung
vorlie bildung bildung bildung -
gende oval W parallel keine keine Riß -
} Erfindung Riß Riß bildung
(Fig. 7C) Tabelle l(b) bildung bildung
Probe Nr. Renn- 45° 45° keine
4 bahn- Riß
(Fig. 7D) förmig bildung
Renn- 20° parallel keine
5 bahn- Riß
(Fig. 7E) förmig bildung
6 Äußere Winkel der Winkel der 1000 C
(Fig. 7F) peri Neigung der Neigung der
phere Wandung Wandung
Form gegen den gegen den
Längsdurch kürzeren
messer Durchmesser
(A-Achse) (K-Achse)
Renn- 10° 20°
bahn-
forrnig
lortsLt/ιΐΜμ
!'robe Nr. vorlie
gende
Erfindung		 AuUere
peri
phere
Form		 Winkel der
Neigung der
Wandung
gegen den
Längsdurch
messer		 Winkel der
Neigung der
Wandung
gegen den
kürzeren
Durchmesser
vorlie
gende
Erfindung		 (X-Acts?) (K-Achse)
7
(Fig.		 7G) Stand der
Technik		 modifi
zierte
Renn
bahn
form		 45° 45°
8
(fig.		 711) Stand der
Technik		 modifi
zierte
Renn
ba hn-
Io rm		 30° 60°
9
(Fig.		 71) oval parallel parallel
IO
(Fig.		 7J) Renn
bahn
förmig		 parall' parallel
Temperaturen im elektrischen Ofen
Die keramischen Honigwabenstnikturen gemäß der Erfindung sind merklich den bisher verwendeten Honigwabenstrukturen hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit, überlegen und sie sind deshalb sehr geeignet als ellipsenförmige Katalysatorträger und 800 C
keine RiD-bildung keine Rißbildung
850 C
900 C
950 C
1000 C"
keine keine keine keine Riß-Riß- Riß- Riß- Riß- bildung bildung bildung bildung bildung
keine keine keine Riß-Riß- Riß- Riß- bildung bildung bildung bildung
RiD-bildung
Rißbildung
können insbesondere verwendet werden für katalytische Konverter zum Reinigen der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren und sie sind deshalb außerordentlich brauchbar unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung der Luftverschmutzung.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Gegen thermischen Schock beständige keramische Honigwabenstrukturen, bei welchen die Form einer Vielzahi der sich parallel zueinander erstrekkenden Kanäle viereckig ist und die äußere periphere Form des vertikalen Querschnittes der Honigwabenstruktur eine Ellipse ist, mit einer X-Achse in Richtung des langen Durchmessers und einer K-Achse in Richtung des kurzen Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe der Wandungen von zwei Gruppen von parallelen Wandungen, die die viereckigen Kanäle bilden, gegenüber der X-Achse geneigt und eine andere Gruppe von Wandungen parallel zu oder geneigt gegenüber der y-Achse sind.
2. Keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle quadratisch, rechteckig oder rhombisch sind.
3. Keramische Honigwabenslruklur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere periphere Form der Honigwabenstruktur elliptisch, oval oder Rennbahn-förmig aus einer Kombination von geraden Linien und Bögen ist
4. Keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe der Trennwände in einem Winkel von mehr als 10° gegenüber der Richtung des Längsdurchmessers der ellipsenförmigen Honigwabenstruktur ist
5. Kerariische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel 45 ± 15° ist
6. Keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere Gruppe von Trennwandungen parallel zu der Richtung des kürzeren Durchmessers verläuft.
7. Keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere Gruppe von Trennwandungen in einem Winkel von mehr als 10° geneigt ist.
8. Keramische Honigwabenstruktur gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel 45 ±10" ist.
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