DE4342652B4

DE4342652B4 - Honigwabenförmige Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE4342652B4
Application number: DE4342652A
Authority: DE
Inventors: Tomoharu Nagoya Kondo; Masato Nagoya Ogawa; Keiji Nagoya Noda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-12-15
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2013-12-15
Also published as: JP3506747B2; GB9325436D0; US5533167A; DE4342652A1; GB2273637B; GB2273637A; US5664049A; JPH06285337A

Abstract

Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Katalysatormaterial-Zusammensetzung, mit:
einer elektrisch leitenden Honigwaben-Struktur (10; 70; 80; 90), die eine Mantelfläche, eine stromaufwärtige Stirnfläche (16; 76; 86; 96) und eine stromabwärtige Stirnfläche (17; 77; 87; 97) sowie eine Vielzahl durch Trennwände begrenzter Durchlässe aufweist, durch die ein Fluid von der stromaufwärtigen Stirnfläche zur stromabwärtigen Stirnfläche strömen kann; und
Vorrichtungen (15; 75; 85; 95) zum Anlegen elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur, um Wärme zu erzeugen, die das durch die Durchlässe strömende Fluid erhitzt, wobei
die Honigwaben-Struktur mindestens einen Spalt (14; 74; 84; 94) aufweist, der von der stromabwärtigen Stirnfläche durch die Trennwände in Richtung der stromaufwärtigen Stirnfläche verläuft und mit einem blinden Ende (14d; 74d; 84d; 94d) abschließt, so dass der Spalt die stromaufwärtige Stirnfläche nicht erreicht, und
die Katalysatormaterial-Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Trennwände aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Honigwaben-Struktur mindestens einen Schlitz (12; 72;...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Katalysatormaterial-Zusammensetzung, die als eine Vorheizeinrichtung zur Kontrolle von Automobil-Abgasemissionen oder als eine industrielle Heizeinrichtung verwendet werden kann. Die Heizeinrichtung kann als Bestandteil in einer Anlage zur Kontrolle von Motorabgasen verwendet werden.

Es ist üblich, poröse, keramische Honigwaben-Strukturen als Trägermaterialien für eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung zum Entfernen von beispielsweise Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren zu verwenden. Kürzlich hat eine Honigwaben-Struktur, zusammengesetzt aus einem metallischen Material, Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da die metallische Honigwaben-Struktur eine hohe mechanische Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist. Die metallische Honigwaben-Struktur kann durch Brennen eines grünen Presslings, der Metallpulver enthält, hergestellt werden.

Da die Grenzwerte bei Abgas-Emissionskontrollen verschärft worden sind, hat es eine Nachfrage nach Heizeinrichtungen gegeben, die auf ein Verringern der Schadstoffe während des anfänglichen Motorbetriebs, wenn der Motor nicht warmgelaufen ist, eingestellt sind. Die Entfernung von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Stickoxiden ist besonders wichtig, während das Abgas kalt ist.

Wenn die Temperatur eines Abgases während des anfänglichen Motorbetriebs niedrig ist, hat die Katalysatormaterial-Zusammensetzung eine niedrige Wirksamkeit beim Oxidieren von Kohlenwasserstoffen im Abgas. Die Konversionsrate von Kohlenwasserstoffen durch eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung beträgt beispielsweise 5% oder weniger, wenn das Abgas ungefähr 200°C hat, 50%, wenn das Abgas ungefähr 300°C hat, und mindestens 95%, wenn das Abgas ungefähr 400°C hat. Darüber hinaus emittiert der Motor während des anfänglichen Betriebs eine größere Menge Kohlenwasserstoffe als während des kontinuierlichen Betriebs. Um Schadstoffe aus dem Abgas zu entfernen, ist das Abgas während des anfänglichen Motorbetriebs bevorzugt auf eine Temperatur zu erhitzen, die gegenüber der, bei der die Katalysatormaterial-Zusammensetzung ausreichend aktiviert ist, leicht erhöht ist.

Eine Anlage zur Kontrolle eines Motorabgases im Auto-Abgassystem umfasst im Allgemeinen eine Vorheizeinrichtung und ein Hauptkatalysatorelement (z.B. einen Drei-Wege-Katalysator), wobei die Vorheizeinrichtung stromaufwärts des Hauptkatalysatorelements bereitgestellt wird.

Die DE 691 22 321 T2 , die auf der EP 04 65 184 B1 fußt, offenbart eine Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Katalysator-Zusammensetzung, die eine elektrisch leitende Honigwaben-Struktur umfasst, deren Widerstand durch mehrere axiale Schlitze eingestellt wird, die in Bezug auf das durchströmende Fluid sowohl die stromaufwärtige als auch die stromabwärtige Stirnfläche der Honigwaben-Struktur erreichen. Durch die Schlitze wird die Katalysatormaterial-Zusammensetzung als Ganzes erwärmt.

Die JP 03-295 184 A , die der Patentschrift US 5063029 entspricht, beschreibt Heizeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4. Die Heizeinrichtungen weisen aufeinanderzulaufende Spalte oder Vertiefungen auf, die von der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Stirnfläche der Honigwaben-Struktur ausgehen und jeweils mit einem blinden Ende abschließen, das die gegenüber liegende Stirnfläche nicht erreicht. Durch diese Anordnung wird die Katalysatormaterial-Zusammensetzung lokal in der Mitte oder als Ganzes erwärmt.

Bei den obigen Heizeinrichtungen lässt sich die Wärmeerzeugung durch Einstellen des elektrischen Widerstands der Honigwaben-Struktur steuern. Die Heizeinrichtung erreicht vorzugsweise hohe Temperaturen in kurzer Zeit mit einer hohen Temperaturerhöhungsrate, wenn sie einer Nachaufheizung ausgesetzt ist (d.h. wenn sie gleichzeitig mit dem Motorstart erhitzt wird).

Dennoch erfordert es noch immer verhältnismäßig viel Zeit, die ganze Honigwaben-Struktur bis auf die sogenannte leicht erhöhte Temperatur der Katalysatormaterial-Zusammensetzung zu erhitzen. Um die Aufheizdauer zu verringern, wurde versucht, das Volumen der Heizeinrichtung zu verkleinern, damit die Wärmekapazität der Honigwaben-Struktur verringert wird. Dennoch war es schwierig, Kohlenwasserstoffe im Abgas während des anfänglichen Motorbetriebs zu behandeln, beispielsweise während einer Zeitdauer von ungefähr einer Minute vom Zeitpunkt des Motorstarts an.

Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung, mit der sich eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung schnell erhitzen lässt, und eine Anlage zur Kontrolle von Motorabgas zur Verfügung zu stellen, die sich die Eigenschaften der Heizeinrichtung zunutze macht.

Die obige Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4 und eine Anlage zur Kontrolle von Motorabgas gemäß Anspruch 8 gelöst, wobei die Unteransprüche 2, 3 und 5 bis 7 Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung angeben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass man selektiv den stromaufwärtigen Bereich der honigwabenförmigen Heizeinrichtung erhitzt, sodass die Katalysatormaterial-Zusammensetzung, die auf dem stromaufwärtigen Bereich aufgebracht ist, aktiviert wird. Im stromaufwärtigen Bereich wird bei der Umwandlung von Schadstoffen durch katalytische Reaktionen Wärme erzeugt, und die Wärme wird auf den anderen Bereich übertragen, wodurch die Zeit, um die Honigwaben-Struktur ganz aufzuheizen, reduziert wird.

Die Erfindung wird nun näher anhand der Zeichnungen beschrieben.
Die 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Heizeinrichtung, wobei 1(a) eine Vorderansicht, 1(b) eine Seitenansicht und 1(c) eine Unteransicht darstellt.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Heizeinrichtung von 1.
Die 3(a) und 3(b) zeigen eine als Vergleichsbeispiel dienende Heizeinrichtung, die sich aus der oben angesprochenen Patentschrift US 5063029 ableiten lässt, wobei 3(a) eine Vorderansicht und 3(b) eine Seitenansicht darstellt.
Die 4(a) und 4(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Heizeinrichtung, wobei 4(a) eine Vorderansicht und 4(b) einen Querschnitt durch die Linie A-A' in 4(a) darstellt.
Die 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der honigwabenförmigen Heizeinrichtung, wobei 5(a) eine Vorderansicht, 5(b) eine Seitenansicht und 5(c) eine Unteransicht darstellt.
Die 6(a) und 6(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Heizeinrichtung, wobei 6(a) eine Vorderansicht und 6(b) eine Seitenansicht darstellt.
Die 7(a) und 7(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Heizeinrichtung, wobei 7(a) eine Vorderansicht und 7(b) eine Seitenansicht darstellt.
Wenn eine honigwabenförmige Heizeinrichtung in einem Abgassystem eines Automotors gleichzeitig mit dem Motorstart erhitzt wird, erreicht die honigwabenförmige Heizeinrichtung vorzugsweise hohe Temperaturen in einer kurzen Zeit mit einer hohen Temperaturerhöhungsrate.
Wenn elektrischer Strom selektiv durch einen stromaufwärtigen Bereich der Honigwaben-Struktur der honigwabenförmige Heizeinrichtung fließt, dann hat der stromaufwärtige Bereich eine höhere Temperaturerhöhungsrate als der übrige Bereich der Honigwaben-Struktur. Daher wird die Katalysatormaterial-Zusammensetzung im stromaufwärtigen Bereich früher als im stromabwärtigen Bereich aktiviert, und die in der katalytischen Reaktion erzeugte Wärme wird durch (1) Fluid, das durch die Durchlässe der Honigwaben-Struktur strömt, und (2) die Wärmeleitfähigkeit der Honigwaben-Struktur in den stromabwärtigen Bereich der Heizeinrichtung übertragen.
Für diesen Zweck weist die Honigwaben-Struktur mindestens einen Spalt, der von einer stromabwärtigen Stirnfläche der Honigwaben-Struktur zu einer stromaufwärtigen Stirnfläche verläuft, die stromaufwärtige Stirnfläche aber nicht erreicht, und mindestens einen Schlitz auf, der von der stromaufwärtigen Stirnfläche bis zur strom abwärtigen Stirnfläche verläuft und daher beide Stirnflächen erreicht. In der vorliegenden Beschreibung wird der Abschluss des Spalts, der die stromaufwärtige Stirnfläche der Honigwaben-Struktur nicht erreicht, "blindes Ende" genannt.
Die Heizeinrichtung weist im Übrigen Vorrichtungen zum Anlegen von elektrischem Strom an die Honigwaben-Struktur auf, um in der Honigwaben-Struktur Wärme zu erzeugen. Diese können in Form von elektrischen Verbindungen vorliegen. Dazu wird vorzugsweise ein Elektrodenpaar auf einer Oberfläche der Außenfläche der Honigwaben-Struktur angebracht.
Die 3(a) und 3(b) zeigen als Vergleichsbeispiel eine honigwabenförmige Heizeinrichtung ohne Spalt. Die Honigwaben-Struktur 30 enthält eine Vielzahl von Durchgängen, die durch Trennwände begrenzt sind und sich in einer axialen Richtung der Honigwaben-Struktur erstrecken. Durch die Trennwände erstrecken sich Schlitze 32 zum Behindern des elektrischen Stroms von einer stromaufwärtigen Stirnfläche 36 bis zu einer stromabwärtigen Stirnfläche 37. Über elektrische Verbindungen 35, die als Vorrichtungen zum Anlegen von elektrischen Strom dienen, kann an die Honigwaben-Struktur 30 elektrischer Strom angelegt werden. Jeder der Schlitze 32 ist so dünn wie höchstens 10 Durchgänge und vorzugsweise höchstens 5 Durchgänge. Fluid kann durch einen breiten Schlitz strömen, der breiter als 10 Durchgänge ist. Der Schlitz 32 kann so dünn wie 1 oder 2 Durchgänge sein.
Die 1(a), 1(b), 1(c) und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform der honigwabenförmigen Heizeinrichtung. Die Honigwaben-Struktur 10 enthält Schlitze 12, die sich, ähnlich wie in der Honigwaben-Struktur der 3(a) und 3(b), durch Trennwände von einer stromaufwärtigen Stirnfläche 16 bis zu einer stromabwärtigen Stirnfläche 17 erstrecken. Die Honigwaben-Struktur 10 enthält ferner Spalte 14, die sich durch die Trennwände von einer stromabwärtigen Stirnfläche 17 in Richtung einer stromaufwärtigen Stirnfläche 16 bis zu einem blinden Ende 14d erstrecken. Die Spalte 14 erreichen jedoch nicht die stromaufwärtige Stirnfläche 16. Fluid kann durch die Honigwaben-Struktur von der stromaufwärtigen Stirnfläche 16 zu der stromabwärtigen Stirnfläche 17 strömen.
Wenn über die elektrischen Verbindungen 15 elektrischer Strom an die Honigwaben-Struktur 10 angelegt wird, dann wird der elektrische Strom durch die Schlitze 12 in einem stromaufwärtigen Bereich 13, der keine Spalte 14 enthält, behindert. Im Gegensatz dazu wird der elektrische Strom durch die Schlitze 12 und Spalte 14 in einem stromabwärtigen Bereich, der die Spalte 14 enthält, so behindert, dass die elektrische Weglänge in dem stromabwärtigen Bereich länger wird. Als Ergebnis fließt mehr elektrischer Strom durch den stromaufwärtigen Bereich 13 als durch den stromabwärtigen Bereich, wodurch mehr Wärme in dem stromaufwärtigen Bereich 13 als in dem stromabwärtigen Bereich erzeugt wird. Folglich heizt sich der stromaufwärtige Bereich 13, der frei von den Spalten 14 ist, schneller als der stromabwärtige Bereich auf, der die Spalte 14 enthält.
Die Bereiche 13a sind ein Teil des stromaufwärtigen Bereichs 13 und heizen sich schneller als die übrigen Bereiche in dem stromaufwärtigen Bereich 13 auf. Die Bereiche 13a befinden sich jeweils zwischen dem blinden Ende 14d eines der Spalte 14 und der stromaufwärtigen Stirnfläche 16. Die senkrecht zu der axialen Richtung der Honigwaben-Struktur 10 gemessene Breite eines der Bereiche 13a ist größer als die Dicke des entsprechenden Spalts 14.
Es gibt keine Grenze für die Dicke des Spalts, solange der Spalt den elektrischen Stromfluss durch die Honigwaben-Struktur behindert. Der Spalt enthält den Schlitz, der eine begrenzte Breite hat, und der Spalt kann eine größere Breite als der Schlitz haben. Der Spalt mit einer großen Breite kann eine Vertiefung oder einen Hohlraum, gebildet im stromabwärtigen Bereich, überlappen.
Gemäß der Ausführungsform der 1(a), 1(b), 1(c) und 2 ist jeder der Spalte 14 so dünn wie der Schlitz 12. Die Spalte 14 können jedoch auch größere Breiten als die Schlitze 12 haben.
Die 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen beispielsweise eine weitere Ausführungsform, bei der jeder der Spalte 74, die sich von der stromabwärtigen Stirnfläche zu den blinden Enden 74d erstrecken, breiter ist als Schlitze 72, die sich von der stromaufwärtigen Stirnfläche 76 bis zu der stromabwärtigen Stirnfläche 77 erstrecken. Die anderen Elemente gemäß dieser Ausführungsform sind dieselben wie bei der Ausführungsform der 1(a), 1(b), 1(c) und 2.
Bei der Ausführungsform der 1(a), 1(b), 1(c) und 2 schneiden die Spalte 14 die Schlitze 12. Die Spalte müssen jedoch nicht Schlitze schneiden. Unabhängig davon, ob die Spalte die Schlitze schneiden oder nicht, heizt sich der von Spalten freie stromaufwärtige Bereich schneller als der stromabwärtige, Spalte enthaltende Bereich auf.
Die 6(a) und 6(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Spalte 84 die Schlitze 82 nicht schneiden. Wird über die elektrischen Verbindungen 85 ein elektrischer Strom an die Honigwaben-Struktur 80 angelegt, heizt sich ein stromaufwärtiger, von Spalten 84 freier Bereich 83 schneller als ein stromabwärtiger, die Spalte enthaltender Bereich auf. Die Spalte 84 sind im wesentlichen parallel zu den Schlitzen 82.
Die 7(a) und 7(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Spalte 94 die Schlitze 92 nicht schneiden. Die Spalte 94 sind im wesentlichen parallel zu den Schlitzen 92.
Die Spalte können jeden Winkel mit den Schlitzen bilden. Ein Spalt ist nicht darauf beschränkt, zu anderen Spalten parallel zu sein, und er kann jeden Winkel mit den anderen Spalten bilden. Ein Spalt kann einen anderen Spalt schneiden. Ein Schlitz kann jeden Winkel mit den anderen Schlitzen bilden. Vorzugsweise jedoch schneidet ein Schlitz keinen anderen Schlitz.
Das blinde Ende 14d befindet sich vorzugsweise in einer stromaufwärtigen Hälfte der Honigwaben-Struktur 10 und ferner vorzugsweise in einem stromaufwärtigen Drittel, der Honigwaben-Struktur, wodurch sichergestellt wird, dass sich der stromaufwärtige Bereich 13 an der stromaufwärtigen Stirnfläche der Honigwaben-Struktur befindet.
Die 6(a) und 6(b) zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform. Die Schlitze 62 erstrecken sich durch Trennwände von einer stromaufwärtigen Stirnfläche 66 bis zu einer stromabwärtigen Stirnfläche 67 der Honigwaben-Struktur 60. Die stromabwärtige Stirnfläche 67 ist vertieft, um den elektrischen Strom zu behindern. Die Vertiefung oder Aushöhlung 64 ist kein Durchgangsloch und erreicht nicht die stromaufwärtige Stirnfläche 66.
Bei Anlegen eines elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur 60 heizt sich ein stromaufwärtiger Bereich 63, der sich zwischen der Vertiefung 64 und der stromaufwärtigen Stirnfläche 66 befindet, schneller als andere Bereiche der Honigwaben-Struktur auf, z.B. schneller als der stromabwärtige Bereich. Der stromabwärtige Bereich kann sich auf den Bereich beziehen, der die Vertiefung 64 in transversaler Richtung umrundet.
In den 6(a) und 6(b) hat die Vertiefung 64 eine zylindrische Form. Die Form der Vertiefung ist jedoch nicht eingeschränkt und kann eine mehreckige Säule, eine konische Form, ein Kasten, eine Halbkugel, ein Paraboloid usw. sein.
Die Vertiefung 64 befindet sich im Zentrum der stromabwärtigen Stirnfläche 67. Die Lage der Vertiefung ist jedoch nicht eingeschränkt, und eine Umfangslinie in der stromabwärtigen Stirnfläche 67 kann vertieft sein.
Die Anzahl an Vertiefungen ist nicht begrenzt. So kann in der stromabwärtigen Stirnfläche 67 eine Vielzahl von Vertiefungen in zufälliger Anordnung vorliegen.
Die Honigwaben-Struktur der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung wird nachfolgend erklärt. Die Honigwaben-Struktur kann dabei jede Form einnehmen, z.B. eine zylindrische Form oder eine Kastenform.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Honigwaben-Struktur auf eine einteilige Struktur mit einer Vielzahl von Durchlässen, die durch Trennwände begrenzt sind. Die Durchgänge können in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung unterschiedliche Formen einnehmen. Die Zellenformen umfassen einen Kreis, ein Vieleck wie ein Viereck und ein Sechseck, eine gerippte Form und dergleichen. Die Durchlässe haben vorzugsweise eine Zellendichte von beispielsweise 6 bis 1500 Zellen/in² (0,9 bis 233 Zellen/cm²). Die Trennwände haben vorzugsweise eine Dicke von 50 bis 2000 μm.
Die Honigwaben-Struktur kann porös sein oder nicht. Die Porosität ist nicht eingeschränkt. Eine Porosität bis zu 50% und günstigerweise bis zu 25% ist in Hinblick auf mechanische Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Honigwaben-Struktur bevorzugt. Wenn eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung auf die Honigwaben-Struktur aufgebracht wird, beträgt die Porosität im Hinblick auf die Haftfähigkeit der Katalysatormaterial-Schicht auf der Honigwaben-Struktur vorzugsweise 5% oder mehr.
Die Honigwaben-Struktur kann ein Folientyp sein oder ein Typ, der hergestellt wird, indem man ein Materialpulver zu einem grünen Pressling mit Honigwabenform extrudiert und den grünen Pressling sintert. Jeder dieser Typen kann geeigneterweise verwendet werden. Der letztere Typ ist jedoch bevorzugt, da er sich einfach bei niedrigen Kosten herstellen lässt.
Der elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung kann zu einem gewünschten Grad durch die Spalte und Schlitze in der Honigwaben-Struktur kontrolliert werden. Der elektrische Widerstand kann beispielsweise erhöht werden, indem man die Anzahl der Schlitze und Spalte erhöht, sodass die elektrische Weglänge in der Honigwaben-Struktur verlängert wird. Die Honigwaben-Struktur hat vorzugsweise einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,001 bis 0,5 Ω.
Auf mindestens einem Teil der Oberflächen der Durchlässe der Honigwaben-Struktur wird eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung aufgebracht, vorzugsweise zur Adsorption von schädlichen Substanzen im Automobilabgas oder zur Reaktion mit den schädlichen Substanzen. Die Katalysatormaterial-Zusammensetzung kann ein Trägermaterial mit einem großen Oberflächeninhalt und einen darauf aufgetragenen, katalytisch aktiven Bestandteil umfassen.
Trägermaterialien umfassen den γ-Al₂O₃-Typ, TiO₂-Typ, SiO₂-Al₂O₃-Typ und einen Perowskit-Typ. Beispiele für den katalytisch aktiven Bestandteil sind Edelmetalle wie Platin, Palladium, Rhodium und dergleichen und Nicht-Edelmetalle wie Kupfer, Kobalt und dergleichen. Die Katalysatormaterial-Zusammensetzung enthält vorzugsweise Teilchen aus γ-Al₂O₃ als Trägermaterial, wobei auf die Teilchen vorzugsweise Platin oder Palladium in einer Menge von 10 bis 100 g/ft³ (0,35 bis 3,5 kg/m³) aufgebracht wird.
Die Honigwaben-Struktur kann aus jedem Material hergestellt werden, das beim Anlegen von elektrischem Strom elektrisch leitet und Wärme erzeugen kann. Das Material kann daher metallisch oder keramisch sein. Ein metallisches Material ist jedoch bevorzugt, da eine metallische Honigwaben-Struktur eine bessere mechanische Festigkeit aufweist. Beispiele für das Metall sind rostfreier Stahl und Metalle mit Zusammensetzungen aus Fe-Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Al, Fe-Ni, W-Co und Ni-Cr. Von diesen Metallen sind Fe-Cr-Al, Fe-Cr und Fe-Al aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer hohen Beständigkeit gegen Wärme, Oxidation und Korrosion vorzuziehen.
Im Folgenden wird ein Herstellungsverfahren für eine aus Metall hergestellte Honigwaben-Struktur beschrieben.
Zunächst werden ein Eisenpulver, ein Aluminiumpulver, ein Chrompulver und/oder Pulver von Legierungen dieser Metalle zur Bildung einer Mischung mit der gewünschten Zusammensetzung vermischt. Nachfolgend wird die Mischung mit einem organischen Bindemittel (z.B. Methylcellulose oder Polyvinylalkohol) und Wasser unter Herstellung einer leicht formbaren Mischung vermischt, und die leicht formbare Mischung wird durch eine Extrudierdüse extrudiert, wobei man einen grünen Pressling mit einer gewünschten Honigwabenform erhält.
Wenn die Metallpulvermischung mit dem organischen Bindemittel und Wasser vermischt wird, kann der Metallpulvermischung vor dem Hinzufügen von Wasser ein Oxidationsinhibitor wie Ölsäure oder dergleichen beigemischt werden. Alternativ können die Metallpulver zur Verstärkung der Oxidationsbeständigkeit vorbehandelt worden sein.
Als nächstes wird der grüne Pressling mit Honigwabenform in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1450°C unter Bildung einer Honigwaben-Struktur gebrannt. Die Atmosphäre während des Brennschritts enthält vorzugsweise Wasserstoff, sodass das organische Bindemittel zersetzt und entfernt wird, mit Eisen oder dergleichen als ein Katalysator, wodurch ein guter, gesinterter Körper erhalten werden kann.
Bei einer Brenntemperatur von weniger als 1000°C sintert der grüne Pressling nicht. Andererseits verformt eine Brenntemperatur von mehr als 1450°C die sich ergebende gesinterte Honigwaben-Struktur.
Vorzugsweise wird ein wärmebeständiges anorganisches Oxid wie Al₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂ oder dergleichen auf die Oberflächen der Trennwände der gesinterten Honigwaben-Struktur aufgetragen, um die Wärmebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Sinterkörpers zu verbessern. Das anorganische Oxid kann vorzugsweise durch eines der folgenden Verfahren auf Trennwände der Honigwaben-Struktur aufgetragen werden.

(1) Der Sinterkörper mit der metallischen Honigwaben-Struktur wird einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 700°C bis 1100°C unterzogen.
(2) Die Oberflächen oder offenen Poren der Trennwände werden mit einem Metall wie Aluminium oder dergleichen beschichtet, und dann wird der Sinterkörper einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur in einem Bereich von 700°C bis 1100°C unterzogen. Das Beschichten beinhaltet elektrolytisches Beschichten, Gasphasenbeschichten und ein PVD- oder CVD-Verfahren.
(3) Die gesinterte Honigwaben-Struktur wird in ein geschmolzenes Metall wie geschmolzenes Aluminium oder dergleichen eingetaucht, und dann wird die gesinterte Honigwaben-Struktur einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur in einem Bereich von 700°C bis 1100°C unterzogen.
(4) Die Oberflächen der Trennwände der gesinterten Honigwaben-Struktur werden mit einer kolloiden Lösung beschichtet, die ein geeignetes Metall wie Aluminium oder dergleichen enthält, und dann wird die gesinterte Honigwaben-Struktur einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur in einem Bereich von 700°C bis 1100°C unterzogen.

Vorzugsweise wird die vorstehende Wärmebehandlung bei einer Temperatur in einem Bereich von 900°C bis 1100°C durchgeführt.
Die Schlitze werden in der Honigwaben-Struktur so ausgebildet, dass die Schlitze zwischen einem Elektrodenpaar zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur vorliegen.
Die Vorrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur, wie Elektroden oder dergleichen, werden an der Außenfläche der Honigwaben- Struktur oder an einer Innenseite der Honigwaben-Struktur durch Hartlöten, Schweißen oder dergleichen angebracht, damit die Elektroden in elektrischem Kontakt mit der Honigwaben-Struktur stehen, um dadurch die honigwabenförmige Heizeinrichtung herzustellen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung leicht ersichtlich ist, werden jemandem, der in diesem Fachgebiet erfahren ist, ohne Weiteres zusätzliche Vorteile und Änderungen einfallen. Die Erfindung ist daher in ihren breiteren Ausführungsformen nicht auf die spezifischen Beispiele, wie gezeigt und beschrieben, beschränkt. Es können also Abweichungen von den in dem Beispiel gezeigten Details bewirkt werden, ohne von dem beschriebenen, allgemeinen erfinderischen Gedanken abzuweichen.
Beispiel
Ein Fe-Pulver, ein Cr-Al-Pulver (Al: 30 Gewichts-%), ein Fe-Al-Pulver (Al: 50 Gewichts-%), ein Fe-B-Pulver (B: 20 Gewichts-%) und ein Y₂O₃-Pulver, alle mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 44 um oder weniger, wurden unter Herstellung einer Mischung mit einer Zusammensetzung von Fe-12Cr-10Al-0,05B-0,5Y₂O₃ (Gewichts-%) vermischt. Diese Mischung wurde unter Bildung einer leicht formbaren Masse mit 4 Gramm Methylcellulose als einem organischen Bindemittel und einem Gramm Ölsäure als einem Oxidationsinhibitor auf 100 Gramm der Mischung vermischt. Diese Masse wurde durch eine Extrudierdüse extrudiert, wobei man einen grünen Pressling einer Honigwaben-Struktur mit einer zylindrischen Form erhielt.
Der grüne Pressling wurde 16 Stunden lang bei 90°C in Luft getrocknet und dann 2 Stunden lang bei 1325°C in einer Wasserstoffatmosphäre aufbewahrt, um den grünen Pressling zu sintern. Die gesinterte Honigwaben-Struktur wurde 30 Minuten lang bei 1150°C in Luft wärmebehandelt. Die sich ergebende Honigwaben-Struktur hatte eine Porosität von bis zu 2%.
Die Honigwaben-Struktur hatte einen Außendurchmesser von 93 mm, eine Dicke von 38 mm, eine Dicke der Trennwände von 0,1 mm, eine quadratische Zellenform und eine Zellendichte von 500 Zellen pro Quadratzoll (77,5 Zellen/cm²). Die Honigwaben-Struktur wurde mit einer Diamantsäge eingeschnitten, um, wie in 1 gezeigt, in der Honigwaben-Struktur parallel zur axialen Richtung der Durchgänge sieben Schlitze 12 zu bilden, sodass die Anzahl der Zellen zwischen zwei angrenzenden Schlitzen 12 sieben betrug.
Parallel zur axialen Richtung der Durchgänge wurden in der Honigwaben-Struktur vier Spalte 14 gebildet. Die Spalte 14 waren senkrecht zu den Schlitzen 12. Der Abstand zwischen den blinden Enden 14d und der stromaufwärtigen Stirnfläche 16 betrug 10 mm.
Ein γ-Al₂O₃-Pulver und ein CeO₂-Pulver wurden in einem Gewichtsverhältnis von 70:30 vermischt. Die Mischung wurde mit Wasser und einer kleinen Menge Salpetersäure vermischt und nachfolgend unter Herstellung einer Trägermaterial-Aufschlämmung nass zerkleinert. Die Honigwaben-Struktur mit Schlitzen und Spalten wurde in die Trägermaterial-Aufschlämmung eingetaucht, sodass sich auf den Oberflächen der Trennwände eine aufgewaschene Schicht (engl. "washcoat layer") bildete. Die Honigwaben-Struktur wurde getrocknet und dann bei 500°C gebrannt, wobei die Trennwände mit einem Trägermaterial, bestehend aus γ-Al₂O₃ und CeO₂, beschichtet wurden. Die sich ergebende Honigwaben-Struktur wurde ungefähr 20 Minuten lang in eine wässrige Lösung getaucht, die Chlorplatinsäure und Rhodiumnitrat enthielt, sodass die katalytisch aktiven Bestandteile aus Platin und Rhodium in einem molaren Verhältnis von 5:1 zusammengesetzt auf das aus γ-Al₂O₃ und CeO₂ bestehende Trägermaterial aufgebracht wurden. Die aufgebrachte Menge Platin und Rhodium der Honigwaben-Struktur betrug insgesamt 40 g/ft³ (1,413 kg/m³).
Als nächstes wurden, wie in 1 gezeigt ist, durch Schweißen zwei Elektroden- bzw. Kontaktstifte an die Außenfläche der Honigwaben-Struktur 10 angebracht. Ein Metallstreifen wurde zur Bedeckung der Außenfläche und der ringförmigen Ränder der beiden Stirnflächen der Honigwaben-Struktur bereitgestellt, sodass Fluid durch die zentralen Teile strömen konnte, wie in der Patentschrift US 5202548 A beschrieben ist. Zwischen dem Metallstreifen und der Honigwaben-Struktur wurde eine Keramikabdeckung bereitgestellt. Die Honigwaben-Struktur hatte einen Durchmesser von 82 mm, damit Fluid hindurchströmen konnte.
Vergleichsbeispiel
Zum Vergleich wurde eine Heizeinrichtung mit derselben Form, demselben Volumen, Material usw. wie bei dem obigen Beispiel hergestellt, die jedoch keinen Spalt 14 aufwies.
Haltbarkeitstest
Jede der Heizeinrichtungen, die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel hergestellt worden waren, wurden im Auspuffrohr eines Motors angeordnet, der auf einem Prüfstand montiert war. Stromabwärts der Heizeinrichtung wurde ein kommerziell erhältliches Katalysatorelement mit einer zylindrischen Form, einem Durchmessers von 3,66 Zoll (9,29 cm) und 1,3 Liter Volumen aufgestellt. Das Katalysatorelement hatte eine monolithische Struktur und eine darauf aufgebrachte Katalysatormaterial-Zusammensetzung. Dann wurde 100 Stunden lang ein Haltbarkeitstest unter der Bedingung durchgeführt, dass in die Heiz einrichtung ein Abgas bei einer Temperatur von 850°C eingeleitet wurde, und zwar gemäß einer Kraftstoffzufuhrunterbrechungsmethode, bei der die Kraftstoffzufuhr zum Motor jeweils nach einer Minute vorübergehend unterbrochen wurde.
Test nach FTP (USR-Testzyklus)
Jede der Heizeinrichtungen gemäß dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel wurde an der Position einer Sammelleitung angeordnet, die ungefähr 400 mm stromabwärts der Auslassöffnung in einer Abgasanlage eines 2000 ccm Motors lag. Eine Öffnung zum Einleiten von Neben- bzw. Zusatzluft wurde stromabwärts der Heizeinrichtung eingerichtet. Stromabwärts der Heizeinrichtung wurde ein Katalysatorelement, das dem vorstehenden Haltbarkeitstest unterworfen worden war, bereitgestellt. Zum Anlegen elektrischen Stroms an die Heizeinrichtung wurde eine 12 Volt-Batterie aufgestellt.
Gemäß FTP (USA-Testzyklus) wurde die BAG-Emission gemessen. Elektrischer Strom wurde mit der Batterie an die honigwabenförmige Heizeinrichtung 30 Sekunden lang vom Zeitpunkt des Motorstarts aus angelegt. Die elektrische Leistung betrug 2 kW und der elektrische Strom ungefähr 260 Ampere. Der elektrische Widerstand betrug ungefähr 30 mΩ. Neben- bzw. Zusatzluft wurde 90 Sekunden lang vom Zeitpunkt des Motorstarts an in das Abgassystem bei einer Rate von 160 Litern/min. eingeleitet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 FTP Totalemission (g/ml)
Bei der Heizeinrichtung mit der Honigwaben-Struktur mit Spalten wird, wenn elektrischer Strom angelegt wird, ein stromaufwärtiger, spaltfreier Bereich der Honigwaben-Struktur schneller aufgeheizt als ein stromabwärtiger Bereich, wobei der stromabwärtige Bereich der Heizeinrichtung gemäß dem Beispiel schneller als der stromabwärtige Bereich der Heizeinrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel aufgeheizt wird.
Eine Anlage zur Kontrolle von Motorabgas, die als Vorheizeinrichtung solch eine Heizeinrichtung enthält, verbessert während des anfänglichen Betriebs nach dem Motorstart die Leistungsfähigkeit beim Entfernen schädlicher Substanzen (z.B. Stickoxide) im Abgas.

Claims

Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Katalysatormaterial-Zusammensetzung, mit: einer elektrisch leitenden Honigwaben-Struktur (10; 70; 80; 90), die eine Mantelfläche, eine stromaufwärtige Stirnfläche (16; 76; 86; 96) und eine stromabwärtige Stirnfläche (17; 77; 87; 97) sowie eine Vielzahl durch Trennwände begrenzter Durchlässe aufweist, durch die ein Fluid von der stromaufwärtigen Stirnfläche zur stromabwärtigen Stirnfläche strömen kann; und Vorrichtungen (15; 75; 85; 95) zum Anlegen elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur, um Wärme zu erzeugen, die das durch die Durchlässe strömende Fluid erhitzt, wobei die Honigwaben-Struktur mindestens einen Spalt (14; 74; 84; 94) aufweist, der von der stromabwärtigen Stirnfläche durch die Trennwände in Richtung der stromaufwärtigen Stirnfläche verläuft und mit einem blinden Ende (14d; 74d; 84d; 94d) abschließt, so dass der Spalt die stromaufwärtige Stirnfläche nicht erreicht, und die Katalysatormaterial-Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Trennwände aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Honigwaben-Struktur mindestens einen Schlitz (12; 72; 82; 92) aufweist, der von der stromaufwärtigen Stirnfläche bis zur stromabwärtigen Stirnfläche verläuft.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Spalt (74) breiter als der Schlitz (72) ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich der Spalt (84; 94) und der Schlitz (82; 92) nicht kreuzen.
Heizeinrichtung zum Erhitzen einer Katalysatormaterial-Zusammensetzung, mit: einer elektrisch leitenden Honigwaben-Struktur (60), die eine Außenfläche, eine stromaufwärtige Stirnfläche (66) und eine stromabwärtige Stirnfläche (67) sowie eine Vielzahl durch Trennwände begrenzter Durchlässe aufweist, durch die ein Fluid von der stromaufwärtigen Stirnfläche (66) zur stromabwärtigen Stirnfläche (67) strömen kann; und Vorrichtungen (65) zum Anlegen elektrischen Stroms an die Honigwaben-Struktur (60), um Wärme zu erzeugen, die das durch die Durchlässe strömende Fluid erhitzt, wobei die Honigwaben-Struktur an ihrer stromabwärtigen Stirnfläche (67) eine Vertiefung (64) aufweist und die Katalysatormaterial-Zusammensetzung auf mindestens einem Teil der Trennwände aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Honigwaben-Struktur mindestens einen Schlitz (62) aufweist, der von der stromaufwärtigen Stirnfläche (66) bis zur stromabwärtigen Stirnfläche (67) verläuft.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtungen (15; 65; 75; 85; 95) zum Anlegen elektrischen Stroms mindestens zwei Elektroden umfassen, die mit der Honigwaben-Struktur in elektrischem Kontakt stehen.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Katalysatormaterial-Zusammensetzung ein wärmebeständiges anorganisches Oxid und einen auf das anorganische Oxid aufgebrachten katalytisch aktiven Bestandteil enthält, der ein Element enthält, das aus Platin, Palladium und Iridium ausgewählt ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Honigwaben-Struktur durch Brennen eines ein Metallpulver enthaltenden grünen Presslings hergestellt ist.
Verwendung der mit der Katalysatormaterial-Zusammensetzung versehenen Heizeinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einer Anlage zur Kontrolle von Motorabgas stromaufwärts von einer Katalysatoreinrichtung, die eine monolithische Struktur mit einer Mantelfläche, zwei Stirnflächen und einer Vielzahl durch Trennwände begrenzter Durchlässe umfasst, durch die ein Fluid von der einen zur anderen Stirnfläche strömen kann, wobei auf mindestens einen Teil der Trennwände eine Katalysatormaterial-Zusammensetzung aufgebracht ist, die ein wärmebeständiges anorganisches Oxid und einen auf das anorganische Oxid aufgebrachten katalytisch aktiven Bestandteil enthält, der ein Element enthält, das aus Platin, Palladium und Iridium ausgewählt ist.