DE60027688T2

DE60027688T2 - Honigwabenstruktur mit gewellter wandung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE60027688T2
Application number: DE60027688T
Authority: DE
Inventors: c/o Ngk Insulators Yukihito Nagoya-city ICHIKAWA; c/o Ngk Insulators Toshihiko Nagoya-city HIJIKATA; c/o Ngk Insulators Makoto Nagoya-city MIYAZAKI
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: WO2001015877A1; CN1179830C; CA2347376A1; DE60027688D1; EP1125704A4; US7655195B1; EP1125704A1; EP1125704B1; CN1327410A; JP3784718B2; EP1125704B2; KR20010080918A; KR100500223B1; DE60027688T3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, die als Abgasreinigungskatalysatorträger einer Verbrennungskraftmaschine oder als Geruchsbeseitigungskatalysatorträger für Fahrzeugabgase und dergleichen, als Filter für verschiedenste Filtrationsvorrichtungen, als Wärmetauschereinheit oder als Träger chemischer Reaktoren, etwa als Modifizierungskatalysator für Brennstoffzellen, und dergleichen verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Wabenstrukturen werden häufig als Abgasreinigungskatalysatorträger einer Verbrennungskraftmaschine oder als Geruchsbeseitigungskatalysatorträger für Fahrzeugabgase und dergleichen verwendet. Üblicherweise wurden bei solchen Wabenstrukturen, beispielsweise wenn diese als Abgasreinigungskatalysatorträger verwendet werden, die die Zelldurchlässe trennenden Wände in allgemein flacher Form ausgebildet, um den Druckabfall zu mindern.
In letzter Zeit wurde aber in Übereinstimmung mit strengeren Emissionsstandards, die sich aus Umweltüberlegungen ergaben, der Reinigungsfähigkeit von Abgasreinigungskatalysatoren für Fahrzeuge größere Bedeutung zugemessen als den Druckabfalleigenschaften. Daher schreiten die Entwicklung von Motoren zur Reduzierung der Emissionsmenge von Schadstoffen wie Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NO_x) usw., und die Verbesserung von Dreiwegekatalysatoren fort, und die Emission von Schadstoffen wird durch die Effekte dieser gesenkt.
Während also die Gesamtemissionen während des Motorbetriebs abnehmen, wird nun der Emissionsmenge an Schadstoffen unmittelbar nach dem Start des Motors vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt. Beispielsweise werden beim FTP-75-Zyklus, dem einschränkenden Testzyklus in den USA, 60 bis 80 % der Gesamtabgasmenge innerhalb der Kaltstart-Übergangsphase, also der ersten 140 Sekunden nach den Start des Motors, ausgestoßen.
Ein Grund hierfür besteht darin, dass insbesondere gleich nach dem Start des Motors die Abgastemperatur niedrig ist und der Katalysator nicht ausreichend aktiviert wird, sodass die Schadstoffe durch den Katalysator durchtreten, ohne dabei gereinigt zu werden. Ein weiterer Faktor ist, dass der Kraftstoffverbrennungszustand in den Motoren unmittelbar nach dem Start nicht stabil ist und das A/F-Verhältnis (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) des Abgases, d. h. das Verhältnis von Sauerstoff im Abgas, das einen wichtigen Faktor der Beeinflussung der Reinigungsfähigkeit des Dreiwegekatalysators darstellt, sich ändert.
Demzufolge werden verschiedene Versuche unternommen, um die Temperatur des Katalysators sofort nach dem Start des Motors anzuheben, indem etwa der Katalysator dort angeordnet wird, wo die Temperatur hoch ist, also der Katalysator so nah wie möglich am Motor platziert wird, indem die Zellentrennwände dünn ausgebildet werden, um die Wärmekapazität des Katalysatorträger selbst zu senken, indem die Zellenkonzentration des Trägerelements angehoben wird, um die Größe der Kontaktfläche zwischen dem Katalysator und dem Abgas anzuheben und gleichzeitig die Hitze des Abgases rasch zu absorbieren, usw.
Allerdings sind bei herkömmlichen, gewöhnlichen Wabenstrukturen die Wände fast immer in flacher Form ausgebildet, sodass die Zelldurchlässe gerade Röhren sind, um den Druckverlust zu mindern. Daher werden zwar Maßnahmen ergriffen, um die Kontaktfläche zwischen den Wänden und dem Abgas durch Dünnermachen der Wände und Anheben der Anzahl der Zellen zu erhöhen, aber die Verbesserung der Reinigungseigenschaften ist beschränkt, da Beschränkungen hinsichtlich der Vergrößerung der Kontaktfläche vorliegen und keine ausreichende Reinigungswirkung für Schadstoffe beobachtet werden konnte usw.
Im Fall dass die Menge des getragenen Katalysators angehoben wird, um die Reinigungsfähigkeit zu verbessern, werden nicht nur große Mengen an Platin, der Katalysatorkomponente, verwendet, was die Kosten in die Höhe treibt, sondern auch die Katalysatorschicht dicker, was eine Reduktion des Prozentsatzes des Katalysators, der tatsächlich in ausreichenden Kontakt mit dem Abgas geraten kann, mit sich bringt, sodass der erhoffte Anstieg der Reinigungsfähigkeit nicht erzielt werden kann. Auch wenn die Anfangsfähigkeit des Katalysators hoch ist, liegt eine höhere Konzentration an Edelmetallen vor, und die Katalysatoren neigen im Laufe der Zeit dazu, miteinander zu koagulieren, was das Problem einer kurzen Lebensdauer mit sich bringt.
Dementsprechend offenbart die JP-A-58-43238 eine keramische Wabenstruktur, in der die Zelldurchlässe vom Eingang bis zum Ausgang in einer Mäanderform ausgebildet sind, um die Wechselwirkung zwischen den Zelldurchlasswänden und dem durch diese strömenden Fluid zu steigern, wodurch die Reinigungsfähigkeit durch die Vergrößerung der Oberfläche innerhalb der Zelldurchlässe gesteigert wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur, bei dem die Zelldurchlässe in in der Zelldurchlassrichtung (bezogen auf die Durchlassrichtung der Zelldurchlässe) in einer Mäanderform ausgebildet werden, indem die Extrusionsformungselemente zur Ausführung einer Rotationsvibrationsbewegung innerhalb der Zelldurchlassquerschnitte veranlasst werden.
Zwar wiesen bei der in der JP-A-58-43238 geoffenbarten Wabenstruktur die Wände, welche die Zelldurchlässe voneinander trennen, eine gebogene Form auf, es sind aber keine Einbuchtungen oder Ausbauchungen an der Oberfläche der Wände ausgebildet. Demnach ist die Vergrößerung der Oberfläche innerhalb des Zelldurchlasses auf die Länge des Zelldurchlasses eingeschränkt, die durch die Mäanderform des Zelldurchlasses verlängert wurde, sodass keine deutliche Verbesserungen der Katalysatorfähigkeit zu erwarten ist.
Des weiteren offenbart die JP-A-3-151049 eine keramische Wabenstruktur, in der die Wände des Umfangsabschnitts der Wabenstruktur flach und nur die Wände im Mittelabschnitt Erhebungen und Absenkungen aufweisen, wodurch die Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden zur Steigerung der Reinigungseffizienz erhöht wird, wobei auch die Wände des Umfangsabschnitts dicker ausgebildet sind, um die Festigkeit gegenüber Druck von außen und die Haltefestigkeit zu verbessern, Bei der in der JP-A-3-151049 geoffenbarten Wabenstruktur weisen zwar die Zellwände selbst in der Richtung des Zelldurchlasses Erhebungen und Absenkungen auf, allerdings sind die Wände nicht ausgebildet, um in der Querschnittsrichtung der Zelldurchlässe Erhebungen und Absenkungen aufzuweisen. Demnach ist auch hier, wie bei der in der JP-A-58-43238 geoffenbarten Wabenstruktur, die Vergrößerung der Oberfläche innerhalb des Zelldurchlasses auf die Länge eingeschränkt, um die die Zelldurchlasslänge durch Ausbilden von Ausbauchungen und Einbuchtungen in der Zelldurchlassrichtung verlängert wurde, sodass keine deutlichen Verbesserungen der Katalysatorfähigkeit zu erwarten ist.
Außerdem offenbart die JP-A-5-123580 eine Wabenstruktur, in der die Wände im Mittelabschnitt in beiden Richtungen, der Zelldurchlassrichtung und der senkrecht zur Durchlassrichtung stehenden Querschnittsrichtung, wellenförmig ausgebildet sind und in der ebenfalls Ausbauchungen und Einbuchtungen der wellenförmigen Wand synchronisiert sind, um in der Richtung des Zelldurchlasses in die gleiche Richtung zu weisen.
Bei der Wabenstruktur gemäß der JP-A-5-123580 sind zusätzlich zur vergrößerten Oberfläche durch das wesentliche Verlängern der Zelldurchlasslänge wie in der JP-A-58-43238 und der JP-A-3-151049 die Wände auch in der senkrecht zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung gewellt, wodurch die Oberfläche vergrößert wird.
Die Einbuchtungen und Ausbauchungen selbiger sind aber in der Richtung des Zelldurchlasses synchronisiert, sodass die Form des Querschnitts an einer beliebigen Position entlang dem Zelldurchlass gleich ist. Demzufolge wird die Strömung eines Fluids innerhalb des Zelldurchlasses rasch zu einer stationären Strömung, sodass es schwierig ist, die Wechselwirkung zwischen dem durch die Zelldurchlässe strömenden Fluid und den Wandflächen drastisch zu steigern.
Weiters offenbart die JP-A-52-119611 sich verformende Wände, um die Wärmespannung oder Verformung, die sich durch mechanische Beanspruchung an der senkrecht zur Längsrichtung der Zellen (Durchlassrichtung) stehenden Ebene erge ben, einzustellen, aber aufgrund des gleichen Problems wie bei der JP-A-5-123580 trägt dies nicht zu verbesserter Katalysatorleistung bei. Zwar mindert die in der JP-A-52-119611 beschriebene Tatsache, dass die Scheitelwerte der Wandverformung (Sinuswelle) kleiner als die Wanddicke sind, die sich auf die verformten Abschnitte konzentrierte Beanspruchung, trägt aber nichts zur drastischen Steigerung der Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden bei, was den Kern der vorliegenden Erfindung darstellt.
Zudem werden hinsichtlich Metallwabenstrukturen, in denen die Zellbildungen aus wärmebeständigem Edelstahl wellenförmig ausgebildet sind, Strukturen vorgeschlagen, bei denen in der Zelldurchlassrichtung eine große Anzahl an kleinen, runden Einbuchtungen in gewissen Abständen in der orthogonal zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung ausgebildet sind. Bei dieser Struktur sind keine starken Wirbeleffekte zu erwarten, und wenn der Katalysator aufgebracht ist, sind die Rillen so klein, dass die Katalysatorschicht die Rillen auffüllt und die Wirkung der ausgebildeten Rillen senkt. Wird Metall verwendet, so gibt es kaum Poren, weshalb die Beschichtung mit einer Katalysatorschicht aus γ-Aluminiumoxid zu einem Überzug führt, der sich gerne in Eckabschnitten, etwa in Rillen, ansammelt.
Zusätzlich zum obgenannten Ziel der Abgasreinigung sind Wabenstrukturen, die klein und leicht sind und die eine geringere Menge an Katalysator verwenden, gleichzeitig aber hervorragende Eigenschaften der Transfereffektivität usw. aufweisen, erwünscht, etwa als Wabenstrukturen, die als Träger für Katalysatoren für chemische Reaktionen zur Modifizierung von Gas und dergleichen Anwendung finden und bei denen der Druckabfall kein großes Hindernis für die Verwendung darstellt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Licht der oben beschriebenen Probleme des Stands der Technik entwickelt und setzt sich folgendes Ziel: die Bereitstellung einer Wabenstruktur, deren Oberfläche der Wände vergrößert ist und die gleichzeitig einen komplexen Strömungsweg des Fluids innerhalb der Zelldurchlässe aufweist, um die Wechselwirkung zwischen dem Fluid und den Wänden zu verstärken, und die zudem mechanische Festigkeit sowie ausgezeichnete Hitze- und Stoßbeständigkeitseigen schaften aufweist, die ausreichen, um eine Anordnung in der Nähe eines Motors zuzulassen, um der Reinigung von Abgasen von Motoren und dergleichen dienen zu können; sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung dieser.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden wie in Anspruch 1 dargelegt bereit.
Bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung ist, was jeden der Zelldurchlässe betrifft, zumindest eine der Vielzahl an Wänden, die einen Zelldurchlass bilden, wellenförmig ausgebildet, d. h. sodass kein Zelldurchlass vorliegt, der nicht in Kontakt zu einer wellenförmig ausgebildeten Wand steht. Zudem ist der Grad der wellenförmigen Verformung, mit der die Wände mit gewellter Form ausgebildet sind, vorzugsweise am Außenabschnitt größer als am Mittelabschnitt, wodurch im Wesentlichen kein Durchtritt von Abgas durch die Zelldurchlässe am Außenabschnitt ermöglicht wird. Somit können die Vorteile des Unterbindens einer Wärmeabgabe am Umfangsabschnitt, des Erhöhens der mechanischen Festigkeit und des Verhinderns, dass Edelmetallkomponenten übermäßig am Umfangsabschnitt getragen werden, so wie in der JP-A-49-63821 und der JP-A-56-129042 geoffenbart, erhalten werden.
Außerdem gilt, je größer der Scheitelwert und Abstand der wellenförmigen Verformung Wände desto besser, und der Grad der wellenförmigen Verformung der Wände mit gewellter Form beträgt vorzugsweise 150 % der Dicke der Wände oder mehr. Eine übermäßige Verformung bringt aber die Gefahr eines vergrößerten Druckabfalls mit sich, sodass das Ausmaß des Scheitelwerts der Verformung für jede Zellenstruktur optimiert wird, indem der Grad der Verbesserung der Reinigungsfähigkeit und der Anstieg des Druckabfalls abgewogen werden und gleichzeitig mit der Motorleistung verglichen wird. Eine relativ kleine Anzahl an Zellen ermöglicht größere wellenförmige Verformungen und zudem einen größeren Prozentsatz der Öffnung der Wabenstruktur, was vom Standpunkt des Druckabfalls aus betrachtet bevorzugt ist. Bei der Erzeugung von Kohlenstoff, wie dies bei Abgasen aus Dieselmotoren der Fall ist, ist außerdem vom Standpunkt der Verstopfung aus betrachtet eine relativ kleinere Anzahl an Zellen bevorzugt. Als Mittel zur Druckabfallsminderung kann gegebenenfalls nur ein Teil der Wände gewellt sein, anstatt alle Wände mit gewellter Form auszubilden. Dieses Mittel ist auch vom Standpunkt des Verhinderns von Verstopfungen aus betrachtet bevorzugt.
Für die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung können verschiedene Anordnungen ins Auge gefasst werden, etwa dass die Zelldurchlässe aus gemischt wellenförmigen Wänden und flachen Wänden aufgebaut sind, aus gewellten Flächen und gewellten Wänden, die die Richtung ändern, aufgebaut sein, oder so aufgebaut sein, dass die Größe der Wellenformen der Wände mit gewellter Form, d. h. die Scheitelwerte und Abstände der Wellen, variierend festgelegt sind, usw., und außerdem ist eine Struktur möglich, bei der sich das Muster der Anhebungen der Wellen der gewellten Wände so wie nachstehend beschrieben ändert. Unter der Voraussetzung, dass es sich bei den Wellen um Wiederholungen von Einbuchtungen und Ausbauchungen handelt, wird beispielsweise durch die Einbuchtungen und Ausbauchungen der Wellen eine kontinuierliche Linie gebildet, und es ist weiters bevorzugt, dass eine Linie, welche die höchsten Abschnitte der Ausbauchungen und/oder die tiefsten Abschnitte der Einbuchtungen der in der Zelldurchlassrichtung mit gewellter Form ausgebildeten Wandflächenabschnitte verbindet, ein Muster des sich Hinwendens zu der vertikal zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung wiederholt. Um hinsichtlich der Einbuchtungen und Ausbauchungen eine Analogie zu einer Berglandschaft herzustellen, handelt es sich hierbei um eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, bei der die Gratlinie der Berge oder eine Linie, die die Täler verbindet, in der Zelldurchlassrichtung mäanderförmig verläuft. In diesem Fall kann die Wiederholung des sich Hinwendens einmal pro Zelldurchlass oder einmal pro mehrerer Zelldurchlässe vorliegen, doch ist es hinsichtlich verbesserter Dämpfungseigenschaften bevorzugt, dass die Formen diese Biegung vorzugsweise einmal pro Zelldurchlass wiederholen. D. h., dass die Gratlinie der Berge noch bevorzugter mäanderförmig mit kleinen Biegungen verläuft.
Auch können Zelldurchlässe, die durch die Wandflächenabschnitte der mit gewellter Form ausgebildeten Wände gebildet sind, und Zelldurchlässe, die durch die Wandflächenabschnitte der mit flacher Form ausgebildeten Wände gebildet sind, diskontinuierlich auftreten und koexistieren, Die Bildung eines Zelldurchlasses mit gemischten Formen von unterschiedlicher Wandform anstatt eines gleichmäßigen Zelldurchlasses wühlt den Fluidstrom zur Wabenstruktur auf, sodass die Kontakteffizienz zwischen Fluid und Wänden weiter gesteigert wird,
Zudem umfasst die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Zelldurchlassbereich A, der vom Mittelpunkt aus mit einem im Allgemeinen runden Querschnitt ausgebildet ist, und einen Zelldurchlassbereich B, der von der Außenseite des Zelldurchlassbereichs A aus mit einem im Allgemeinen ringförmigen Querschnitt gebildet ist, wobei der Zelldurchlassbereich A Zelldurchlässe umfasst, die durch die Wandflächenabschnitte der mit gewellter Form ausgebildeten Wände gebildet sind, und wobei der Zelldurchlassbereich B Zelldurchlässe umfasst, die durch die Wandflächenabschnitte der mit flacher Form ausgebildeten Wände gebildet sind. Noch stärker bevorzugt ist eine Anordnung, bei der die Dicke der Wände der Zelldurchlässe im Zelldurchlassbereich B größer ist als die Dicke der Wände der Zelldurchlässe im Zelldurchlassbereich A, und bei der außerdem die Dicke dieser vom Innenumfangsabschnitt zum Außenumfangsabschnitt hin schrittweise zunimmt oder nur in der Umgebung der Grenzbereiches zwischen Bereich A und Bereich B in Stufen zunimmt. Dadurch steigt die Festigkeit des Wabenstruktur drastisch an.
Geeigneterweise werden die Folgenden als Material für die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendet: ein Keramikmaterial wie Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Lithiumaluminiumsilicat, Aluminiumtitanat, Titandioxid, Zirconiumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid; hitzebeständige Metallmaterialien wie Edelstahl; und verschiedene Adsorbenzien wie Aktivkohle, Silicalgel oder Zeolith. Es kann eine Art Keramikmaterial oder ein Verbund aus einer Vielzahl solcher verwendet werden.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden können der Konfiguration der Düse entsprechend auch mit anderen Materialien erhalten werden, solange das Material extrusionsgeformt werden kann, sodass ähnlich Ergebnisse wie die obgenannten von Materialien erwartet werden, in denen Teilchen unterschiedlicher Materialien oder Fasern dispergiert und zu den obgenannten Materialien verbunden wurden, oder von Polymeren, wie etwa Harzen, oder Artikeln, bei denen die Wandoberflächen nach der Extrusion beschichtet wurden. Sollte eine Metallfolie gewellt gewickelt werden, um eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden zu bilden, so kann die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden erhalten werden, indem in der Metallfolie durch zuvoriges plastisches Bearbeiten Wellen ausgebildet werden.
Bei diesen Materialien beträgt die Porosität des verwendeten Materials vom Standpunkt der Unterdrückung eines Anstiegs der Wärmekapazität aus betrachtet vorzugsweise zwischen 45 % bis 80 %. Außerdem kann in diesen Fällen die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden auf passende Weise auf ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter angewendet werden. Das Verschließen eines Endes bestimmter Zelldurchlässe der Wabenstruktur und das Verschließen des anderen Endes der verbleibenden Zelldurchlässe bildet Filtrationsschichten der die Zelldurchlässe trennenden Wände aus. Im Fall der Verwendung als Feinpartikel-Beseitigungsfilter beträgt die Wanddicke der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden vorzugsweise in etwa 0,2 bis 1,2 mm, und die Zellendichte der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden beläut sich vorzugsweise auf etwa 50 bis 600 cpsi (Zellen pro Quadratzentimeter). Die Bereitstellung von Ausbauchungen und Einbuchtungen an der Oberfläche der Wände mit gewellter Form der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden ermöglicht eine weitere Verbesserung der Fähigkeit zur Beseitigung von Feinpartikeln.
Beträgt die Oberflächenrauigkeit der gewellten Wände 10 % oder mehr im Valley Level, der als Standard verwendet wird, so verbessern sich die Eigenschaften der wellenförmigen Wände zum Einfangen von Feinpartikelstoffen, auch wenn bei der gleichen Wabenstruktur, aber mit einer Oberflächenrauigkeit in einem Bereich von unter 10 %, keine besondere Veränderung beim Einfangen von Feinstoffen beobachtet wird, selbst wenn der Valley Level geändert wird. Diese Verbesserung ist auf die Vergrößerung des Oberflächenverhältnisses des feinporigen Abschnitts der gewellten Wandoberfläche zurückzuführen. Das heißt, dass durch die Ausbildung einer größeren Anzahl an feinen Vertiefungen durch Mikroporen an der Oberfläche der gewellten Wand das Einfangen von Feinpartikelstoffen durch die feinen Löcher erleichtert wird. Die eingefangenen Feinpartikelstoffe sammeln sich langsam an, lösen sich aber aufgrund der Verankerungswirkung der feinen Löcher nicht rasch von der Oberfläche der wellenförmigen Wände ab. Dies ist insofern von Vorteil, als nicht nur die Einfangfähigkeit für Feinpartikelstoffe verbessert ist, sondern auch die an der Oberfläche der Wände getragenen Katalysatorkomponente ausreichend auf die Feinpartikelstoffe einwirken kann. Das Anheben des Valley Levels ist bis zu einem Grad wirkungsvoll, allerdings zeigen sich so lange keine besonderen Effekte, bis der Valley Level 20 % oder mehr beträgt. Die Verwendung einer Struktur mit wellenförmigen Wänden steigert die Effekte bei 10 % oder mehr. Das Festlegen dieses Werts auf 20 % oder darüber verbessert die Einfangeigenschaften, weshalb die Anwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden auf ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter die Wirksamkeit des Einfanges von Feinpartikelstoffen steigern kann. Im Fall eines Feinpartikel-Beseitigungsfilters mit einer Cordierit-Wabenstruktur mit einer Wanddicke von 0,30 mm und einer Zellendichte von 200 cpsi sorgte die Vergrößerung des Valley Levels von 15 % auf 30 % durch Anheben der Porosität für eine Verbesserung der Wirksamkeit um weniger als 5 % bei normalen Wabenstrukturen mit flacher Ebene, bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden hingegen für eine etwa 10%ige Verbesserung.
25 ist ein erklärende Darstellung, die den Valley Level veranschaulicht, der den Grad der Wandoberflächenrauigkeit der Wabenstruktur repräsentiert. Hier bezieht sich der Terminus Valley Level auf jenen Prozentsatz der Gesamtfläche der Wände, den die Summe der Oberfläche des Abschnitts der feinen Löcher 47 an der mittleren Ebene 43 einnimmt, wenn die Trennwandoberfläche entlang der mittleren Ebene 43 geschnitten wird, wobei die mittlere Ebene 43 eine Oberfläche ist, bei der durch die Analyse der Wandoberflächenrauigkeitsdaten, die mit einem Wandoberflächenrauig keits-Messgerät zweidimensional gemessen wurde, festgestellt wurde, dass das Volumen der Ausbauchungen und Einbuchtungen an der Oberfläche gleich ist.
Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch zur Verwendung als Katalysatorträger geeignet und wird z. B. als Abgasreinigungskatalysatorträger für Fahrzeuge verwendet. Dabei wird der Katalysator auf der Oberfläche der Zellwandflächen und in Mikroporen in den Wänden der Wabenstruktur getragen. In diesem Fall beträgt die Wanddicke vorzugsweise in etwa 0,01 bis 0,12 mm und die Zellendichte vorzugsweise in etwa 200 bis 3000 cpsi (Zellen pro Quadratzoll).
Das Verfahren zur Herstellung des Abgasreinigungskatalysatorträgers für Fahrzeuge kann entweder ein Verfahren sein, bei dem die Katalysatorkomponenten an den Wänden der Wabenstruktur aufgebracht werden, um ein katalytisches Element zu erhalten, ein Verfahren, bei dem die Wabenstruktur selbst aus einer Katalysatorkomponente ausgebildet wird, oder ein Verfahren, das die beiden Ersteren kombiniert.
Im Allgemeinen werden derzeit Hybridkatalysatoren, bei denen γ-Aluminiumoxid, das eine große Oberfläche aufweist, auf die Wandoberfläche einer Cordierit-Wabenstruktur aufgetragen wird und dann die Aluminiumschicht dazu gebracht wird, Edelmetallkomponenten als Abgasreinigungskatalysator für Fahrzeuge zu tragen, und Festkörperkatalysatoren, bei denen eine Wabenstruktur aus Titandioxid als Abgasreinigungskatalysator für stationäre Emissionsquellen verwendet wird, verwendet.
Die Katalysatorkomponenten sind aus einer Kombination aus Edelmetallen, wie etwa Platin, Palladium, Rhodium und dergleichen, und Vanadiumoxiden, Ceroxid, Ytrriumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Alkalimetallen, Perowskitzusammensetzungen und Turmalinkompontenen ausgebildet und sind jeweils zumindest eine aus der folgenden Gruppe oder eine Verbindung aus einer Vielzahl dieser: ein Dreiwegekatalysator, der Kohlenwasserstoffe oxidiert und reduziert; ein Oxidkatalysator, der Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, NO, SOF und Kohlenstoffkomponenten oxidiert; ein NO_x reduzierender Katalysator, der NO_x reduziert; und ein Katalysator, der Sulfide, flüchtiges, organisches Gas (VOC, gasförmige organische Verbindungen) und Dioxine zersetzt und entfernt. Unabhängig von den Komponenten des Katalysators muss die Kontaktreaktion zwischen dem Abgas und dem Katalysator beschleunigt und der Katalysator in einem frühen Stadium aktiviert werden, weshalb die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden vorteilhaft als Träger des Katalysators verwendet werden kann.
Ein Abgaseinigungskatalysator ist bereitgestellt, indem nur die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden als Träger solcher Katalysatoren verwendet wird. Auch ist ein Abgaseinigungskatalysatorsystem bereitgestellt, das eine Vielzahl dieser Abgaseinigungskatalysatoren und eine Vielzahl an Abgaskatalysatoren umfasst, in denen ein Katalysator auf einer normalen flachwandigen Wabenstruktur getragen ist, wobei die Abgaskatalysatoren alternierend in Reihen angeordnet sind. Natürlich kann die Einrichtung auch die Anordnung von Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden und flachwandigen Wabenstrukturen zum Tragen der Katalysatorsubstanz innerhalb eines Katalysators umfassen anstatt den Katalysator zu teilen.
Andere Anordnungen sehen die Bereitstellung eines Abgasreinigungskatalysatorsystems vor, bei dem der die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendende Katalysator an der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist und das die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendende Feinpartikel-Beseitigungsfilter an der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist. Was das nachher angeordnete Feinpartikel-Beseitigungsfilter betrifft, kann auch ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter, das eine normale, flachwandige Wabenstruktur umfasst, verwendet werden.
Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für ein Abgasreinigungssystem zum Einfangen von Feinpartikelstoffen im Abgas angewendet werden. Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden ist elektrisch geladen, normalerweise positiv, um die Feinpartikelstoffe, die normalerweise negativ geladen wurden, einzufangen. Je nachdem, was eingefangen wird, kann die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden auch negativ geladen sein.
Abgasreinigungssysteme, die die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden auf die gleiche Weise einsetzen, können auch zum Einfangen von Feinpartikelstoffen unter Verwendung von nicht-thermischem Gleichgewichtsplasma (nicht-thermischem Plasma) oder Mikrowellentladungsplasma verwendet werden. Für derartige Abgasreinigungssysteme verwendete Wabenstrukturen mit wellenförmigen Wänden sind vorzugsweise vom Typ einer einfach austauschbaren Patrone.
Andere Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die Verwendung als Katalysatorträger für Modifikatoren für Brennstoffzellensysteme oder für die Brennstoffzellen selbst, als Teil eines Brennstofftank-Verdampfungssystem, um den Austritt flüchtiger Komponenten des Brennstoffs nach außen zu verhindern, oder sogar als Verbundplatte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist als Verfahren zur Herstellung einer solchen Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine Rückwand mit benachbarten Durchgangslöchern mit unterschiedlichem Materialdurchflusswiderstand als Düsenmaterial zur Strangpressformung verwendet wird. Die Dicke der Rückwand ändert sich vorzugsweise vom Außenabschnitt aus zum Mittelabschnitt hin, und die Rückwand weist vorzugsweise Durchgangslöcher A und Durchgangslöcher B mit unterschiedlichem Lochdurchmesser auf.
Ebenfalls ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden bereitgestellt, bei dem die Wellen in einer Metallfolie durch vorheriges plastisches Bearbeiten ausgebildet werden und die Metallfolie dann gewellt gewickelt wird, wodurch eine Metallwabenstruktur erhalten wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1(a) und (b) sind Querschnittsdarstellungen, die eine Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
2 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine weitere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine andere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine wiederum andere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung im Fall der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden als Abgasreinigungskatalysatorträger veranschaulicht.
Die 6(a) bis (c) sind Querschnittsdarstellungen, die eine schematische Konfiguration von Düsen darstellen, die zur Verwendung für das Strangpressen der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
7 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Prüfung der Abgasreinigungsfähigkeit darstellt.
8 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Prüfung der isostatischen Festigkeit darstellt.
9 ist eine erklärende Darstellung, die das Verfahren zur Probennahme für die Durchführung der Druckbeanspruchungsprüfung sowie die Form der Proben veranschaulicht.
10 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Druckbeanspruchungsprüfung darstellt.
11 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Prüfung der Temperaturwechselbeständigkeit darstellt.
12 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Wasserabsorptionsprüfung darstellt.
Die 13(a) und (b) sind Querschnittsdarstellungen, die eine wiederum andere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
14 ist eine Querschnittsdarstellung, die nochmals eine andere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die 15(a) bis (e) sind Querschnittsdarstellungen, die eine weitere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
16 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine wiederum andere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die 17(a) und (b) sind Querschnittsdarstellungen, die eine Ausführungsform die im Fall der Anwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß. der vorliegenden Erfindung auf ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter veranschaulichen.
Die 18(a) und (b) sind erklärende Darstellungen, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator veranschaulichen.
Die 19(a) und (b) sind erklärende Darstellungen, die ein weiteres Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator veranschaulichen.
Die 20(a) und (b) sind erklärende Darstellungen, die noch ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator veranschaulichen.
21 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator, der die Effekte der Coulombschen elektrischen Kräfte aus dem Ausstoß nutzt, veranschaulicht.
22 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator, der die Effekte von Plasma nutzt, veranschaulicht.
23 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Brennstoffzellensystemkomponente veranschaulicht.
24 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Zellendichte in der Wabenstruktur und dem hydraulischen Zellendurchmesser und der GSA veranschaulicht.
25 ist eine erklärende Darstellung, die den Valley Level für die Oberflächenrauigkeit in der Wabenstruktur veranschaulicht.
26 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Brennstofftank-Verdampfungssystem veranschaulicht.
27 ist eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Verbundplatte veranschaulicht.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Es folgt nun eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen, es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist.
Die 1(a) und (b) veranschaulichen eine Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung, worin die Wände einer normalen Wabenstruktur mit viereckiger (quadratischer) Zellenform des Querschnitts (hierin in Folge als "Zelldurchlassquerschnitt" bezeichnet), der senkrecht zur Zelldurchlassrichtung (d. h. der Durchlassrichtung des Zelldurchlasses) verläuft, in gewellter Form ausgebildet wurden. Hierin werden in Folge normale Wabenstrukturen als "normale Wabenstruktur" oder als "flachwandige Wabenstruktur" bezeichnet. "Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden" bezeichnet eine Wabenstruktur, in der Wände mit gewellter Form vorliegen und umfasst auch Konfigurationen, bei denen alle Wände als wellenförmige Wände ausgebildet sind.
1(a) zeigt den Zelldurchlassquerschnitt der Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden, wobei die Durchlassrichtung des Zelldurchlasses 2 die Z-Achsenrichtung ist und die orthogonalen Koordinatenachsen in einer senkrecht zu dieser stehenden Ebene die X- und Y-Achsen sind. 1(a) zeigt ebenfalls in unterbrochenen Linien die Position der Wände, wenn es sich hierbei nicht um eine Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden handeln würde, d. h. der Wände einer normalen Wabenstruktur. 1(b) zeigt auch einen Querschnitt (X-Z-Ebene) entlang der Linie A-A' aus 1(a) und steht parallel zum Zelldurchlass 2; umgekehrt ist 1(a) eine X-Y-Ebene entlang der Linie B-B' aus 1(b).
Bei der Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden ist die Vielzahl an Zelldurchlässen 2 so ausgebildet, dass die jeweiligen Durchlassrichtungen parallel zueinander verlaufen. Die Durchschneidungsbereiche 4 zwischen den Wänden 3, die die Zelldurchlässe 2 trennen, sind systematisch mit einem vorbestimmten Abstand D dazwischen am Zelldurchlassquerschnitt angeordnet.
Der vorbestimmte Abstand D der Durchschneidungsbereiche 4 bedeutet, dass die Durchschneidungsbereiche 4 so positioniert sind, dass sie einen vorbestimmten Abstand D aufrechterhalten, damit sie an den Ecken der quadratischen Zellen, d. h. an den Schnittstellen der Gitter, angeordnet sind, so wie dies bei den Durchschneidungsbereichen 4 normaler Wabenstrukturen mit quadratischen Zelldurchlassquerschnitten der Fall ist und wie allein schon aus der Anordnung der Durchschneidungsbereiche 4 ersichtlich ist. Die systematische Positionierung der Durchschneidungsbereiche 4 bedeutet im Fall der Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden die Anordnung an den Ecken der quadratischen Zellen, d. h. an den Schnittstellen der Gitter. Demnach sind bei Wabenstrukturen mit dreieckigen Zellen und Wabenstrukturen mit hexagonalen Zellen die Positionen der Ecken der dreieckigen und hexagonalen Zellen die systematischen Positionen, an denen Durchschneidungsbereiche ausgebildet sind.
Die Wandflächenabschnitte 5 der Wände unter Ausschluss der Durchschneidungsbereiche 4 sind in beiden Richtungen, der Durchlassrichtung der Zelldurchlässe und der Querschnittsrichtung der Durchlässe, in gewellter Form ausgebildet. Wie oben beschrieben wurde, ist eine X-Y-Ebene entlang der Linie B-B' in 1(b), und somit ist der Wandflächenabschnitt, der in die positive Richtung der Y-Achse in 1(a) ausgebaucht ist, in der positiven Richtung der Y-Achse in der X-Y-Ebene entlang der Linie C-C' in 1(b) eingebuchtet, die eine halbe Wellenlänge der Wellenform in der Z-Achsenrichtung entfernt liegt. Analog dazu ist jener Wandflächenabschnitt, der in die positive Richtung der Y-Achse ausgebaucht ist, in der positiven Richtung der Y-Achse eingebuchtet, und dieses Muster gilt auch für die X-Achsenrichtung.
Die Ausbildung der Flächenabschnitte 5 der Wände 3 mit einer in der Zelldurchlassrichtung und in der Zelldurchlassquerschnittsrichtung ausgebildeten Wellenform, so wie bei der Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden, vergrößert nicht nur die Oberfläche der Wände 3, sodass die Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden 3 gesteigert werden kann, sondern macht es durch die sich verändernde Querschnittsform der Zelldurchlässe 2 bei fast konstanter Querschnittsfläche möglich, die Strömung des Abgases durch die Zelldurchlässe 2 nicht-stationär zu gestalten, wodurch die Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden 3 noch weiter gesteigert werden kann. Somit können die Katalysatoreigenschaften verbessert werden.
2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung und zeigt eine Anordnung, die dem Zelldurchlassquerschnitt aus 1(a) entspricht. Beim Zelldurchlass 2 in 1(a) lagen bei einem Satz an Wandflächenabschnitten der beiden Sätzen an Wandflächenabschnitten 5, die einander gegenüberliegen, um den Zellendurchlass 2 zu definieren, die jeweiligen Ausbauchungen einander gegenüber, während beim anderen Satz an Wandflächenabschnitten die jeweiligen Einbuchtungen einander gegenüberlagen. Bei der Wabenstruktur 11 mit wellenförmigen Wänden, die in 2 dargestellt ist, sind hingegen die beiden Sätze an Wandflächenabschnitten 15, die einander gegenüberliegen, um den Zellendurchlass 12 zu definieren, so angeordnet, dass bei beiden Sätzen entweder die Ausbauchungen oder die Einbuchtungen einander gegenüberliegen.
Durch das derartige Ausbilden der Wandflächenabschnitte 15 ändert sich die Querschnittsfläche des Zelldurchlasses 12 in Durchlassrichtung kontinuierlich, sodass die Strömung des Abgases nicht-stationär wird, was den Effekt der Wechselwirkung zwi schen dem Abgas und den Wänden weiter verstärkt, was von Vorteil ist, da sich so die Reinigungseigenschaften verbessern.
Der Zustand der Form der Ausbauchungen und Einbuchtungen an den Wandflächenabschnitten ist nicht auf die Formen der obigen Wabenstrukturen 1 oder 11 mit wellenförmigen Wänden eingeschränkt. Das heißt, dass die wellenförmigen Ausbauchungen und Einbuchtungen an einem Satz einander gegenüberliegender Wandflächenabschnitte auch so angeordnet sein können, dass an einem Satz an Wandflächenabschnitten die Ausbauchungen einander gegenüberliegen und die Einbuchtungen einander gegenüberliegen, oder dass die Ausbauchungen und Einbuchtungen einander gegenüberliegen.
Beispielsweise zeigt sich bei der Betrachtung der in 1(a) und 2 dargestellten Ausbauchungen und Einbuchtungen der Wandflächenabschnitte 5 und 15 in der vertikalen und horizontalen Richtung der Wabenstrukturen 1 oder 11 mit wellenförmigen Wänden hinsichtlich eines Zelldurchlasses 2, dass die Ausbauchungen einander gegenüberliegend ausgebildet sind und die Einbuchtungen einander gegenüberliegend ausgebildet sind, der einzige Unterschied besteht in ihrer Form (Zyklus). Dementsprechend kann eine Anordnung gebildet werden, bei der an den vertikalen Wänden die Ausbauchungen einander gegenüberliegen und die Einbuchtungen einander gegenüberliegen, während bei den horizontalen Wänden die Ausbauchungen und die Einbuchtungen einander gegenüberliegen.
Wird aber eine Struktur verwendet, bei der an den vertikalen und horizontalen Wänden die Ausbauchungen und Einbuchtungen einander gegenüberliegen, wird die Strömung des im Zelldurchlass strömenden Gases rasch zu einer stationären Strömung, was zum Problem führt, dass keine guten Reinigungseigenschaften rasch erhalten werden können, wie oben mit Bezug auf die JP-A-5-123580 beschrieben wurde.
Bei den Wabenstrukturen 1 und 11 mit wellenförmigen Wänden ist ein gesteigerter Druckabfall unvermeidlich. Um dieses Problem bei der Verwendung der Wabenstruk turen 1 und 11 mit wellenförmigen Wänden als Abgasreinigungskatalysatorträger zu umgehen, kann eine Anordnung gebildet werden, bei der das durch die den Katalysator tragende Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gebildete Katalysatorelement in der Strömungsrichtung des Abgases in der Nähe des Motors 92, wo die Abgastemperatur besonders hoch ist und die Effekte des Druckabfalls stark sind, in zwei Wege geteilt wird, wie in 5 dargestellt ist, und das die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendende Katalysatorelement 95 zur Vorderseite (zum Motor 92) hin angeordnet wird, während ein Katalysatorelement 96, das eine normale Wabenstruktur verwendet, zur Rückseite (zum Auspuffrohr 99) hin angeordnet wird; zudem ist die Länge des die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendenden Katalysatorelements 95 kürzer gehalten als jene des eine normale Wabenstruktur verwendenden Katalysatorelements 96, das nach hinten hin angeordnet ist. So kann eine gute Reinigungsfähigkeit der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden erhalten und gleichzeitig die Auswirkungen des Druckabfalls unterdrückt werden. Außerdem kann eine Anordnung verwendet werden, bei der eine normale Wabenstruktur zur Vorderseite hin angeordnet ist, während eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden und niedriger Dichte zur Rückseite hin angeordnet ist.
Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung einer Anordnung, bei der der Grad der wellenförmigen Verformung der Wände mit gewellter Form im Vergleich zum Mittelabschnitt am Umfangsabschnitt größer ist, sodass Abgas im Wesentlichen nicht durch den Umfangabschnitt durchtreten kann, d. h., sodass die Zelldurchlässe im Wesentlichen abgeschlossen sind. Somit können die Vorteile des Unterbindens einer Wärmeabgabe am Umfangsabschnitt der Wabenstruktur, des Erhöhens der mechanischen Festigkeit des Umfangsabschnitts und des Verhinderns, dass Edelmetallkomponenten übermäßig am Umfangsabschnitt getragen werden, so wie in der JP-A-49-63821 und der JP-A-56-129042 geoffenbart, erhalten werden.
Das Ausmaß der wellenförmigen Verformung der Wände als Scheitelwert beträgt vorzugsweise 150 % der Dicke der Wände oder mehr. Ist der Scheitelwert der wellenförmigen Wände kleiner als 150 %, so kann keine ausreichende Reduktionswirkung des Abgasemissionsmenge erzielt werden. Der Grund hierfür liegt wohl darin, dass eine Anhebung des Scheitelwerts der wellenförmigen Wände die aufwühlende Wirkung auf den Abgasstrom innerhalb der Zelldurchlässe verstärkt, doch ein Anheben der Wellenberge an der wellenförmigen Wand, d. h. das Erhöhen des Scheitelwerts, sorgt für einen stärkeren Druckabfall, sodass sich die Notwendigkeit ergibt, den Scheitelwert passend festzulegen und gleichzeitig die Toleranzgrenze für den Druckabfall zu ermitteln.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine weitere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und zeigt den gleichen Zelldurchlassquerschnitt wie 1(a). Bei der in 3 dargestellten Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden handelt es sich um eine Anordnung, bei der Wandflächenabschnitte 35A mit in Wellenform ausgebildeten Einbuchtungen und Ausbauchungen und Wandflächenabschnitte 35B mit flachen Oberflächen gemischt vorliegen. Die Zelldurchlässe 32 weisen eine flache Form auf, und benachbarte Wände, die zwei Seiten bilden, sind flach, während die anderen benachbarten Wände, die zwei Seiten bilden, in Wellenform ausgebildet sind. Eine derartige Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden kann auch als eine normale Wabenstruktur mit quadratischen Zellquerschnitten, bei der jede zweite flache Wand mit einer wellenförmigen ersetzt wurde, beschrieben werden Im Fall einer solchen Anordnung, bei der die wellenförmigen Wandflächenabschnitte 35A und die flachen Wandflächenabschnitte 35B gemischt vorliegen, liegen die Eigenschaften, etwa die Katalysatorleistung und die mechanische Festigkeit, zwischen jenen der Anordnungen, bei denen alle Wände wellenförmig sind, und jenen der Anordnungen, bei denen alle Wände flach sind, worauf nachstehend noch eingegangen wird. Sind alle Wände wellenförmig, steigt der Druckabfall, weshalb die Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden für Anwendungen geeignet ist, bei denen die Katalysatorleistung verbessert und gleichzeitig ein Anstieg des Druckabfalls unterdrückt werden soll.
4 ist, wie auch 3, eine Querschnittsdarstellung, die eine Anordnung einer Wabenstruktur 41 mit wellenförmigen Wänden zeigt, bei der wellenförmige Wänden 45A und flache Wände 45B gemischt vorliegen. Der Vergleich der Wabenstrukturen 31 und 41 mit wellenförmigen Wänden zeigt, dass die Einbuchtungen und Ausbauchungen der Wände 35A und 45A in unterschiedliche Richtungen weisen. Mit anderen Worten ist bei der Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden die Querschnittsfläche des Zelldurchlassquerschnitts in der Durchlassrichtung fast konstant, bei der Wabenstruktur 41 mit wellenförmigen Wänden hingegen ändert sich die Zelldurchlassquerschnittsfläche kontinuierlich, sodass breite und schmale Bereiche gebildet werden. Dementsprechend wird der Abgasstrom bei der Wabenstruktur 41 mit wellenförmigen Wänden im Vergleich zur Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden nicht-stationär, sodass der Effekt der Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden ansteigt, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Reinigungsfähigkeit gesteigert ist.
Bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung treten die durch Wände mit gewellter Form ausgebildeten Zelldurchlässe vorzugsweise nicht kontinuierlich auf. Eine Anordnung, bei der der Bereich der durch die wellenförmigen Wände definierten Zellen in der gesamten Wabenstruktur nicht gleichmäßig ausgebildet ist und bei der flachwandige Zellenbereiche, bei denen alle Wände, einschließlich Außenwände, normale Wände sind, gemischt vorliegen, führt dazu, dass die Strömung des Fluids, das in die Wabenstruktur hinein und aus dieser heraus führt, aufgewühlt wird, sodass die Kontaktwirkung zwischen dem Fluid und den Zellwänden an den Eingängen und an den Ausgängen der Zelldurchlässe verbessert werden kann.
Die 15(a) bis (e) sind Querschnittsdarstellungen, die Ausführungsformen der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden veranschaulichen, und zeigen vertikal zu den Zelldurchlässen verlaufende Querschnitte. Der Querschnitt der Wabenstruktur kann rund, aber auch oval oder elliptisch sein, oder sie kann einen modifizierten Querschnitt oder dergleichen aufweisen, wodurch die Verteilung der Einströmungsgeschwindigkeit des Fluids in die Wabenstruktur eingestellt und die Verteilung der Einströmungsgeschwindigkeit gleichmäßig gemacht werden kann.
Die 15(a) bis (c) sind Beispiele für Wabenstrukturen mit wellenförmigen Wänden, bei denen ein aus flachwandigen Zelldurchlässen 22 bestehender Bereich und ein aus Zelldurchlässen 21 mit wellenförmigen Wänden bestehender Bereich alternierend auftreten, 15(d) zeigt ein Beispiel für eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, bei denen aus flachwandigen Zelldurchlässen 22 bestehende Bereiche in Linien mit einer Breite gitterartig innerhalb von Bereichen aus Zelldurchlässen 21 mit wellenförmigen Wänden angeordnet sind, und 15(e) zeigt ein Beispiel für eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, deren Querschnitt oval ist und bei der ein annähernd quadratischer Bereich, der aus Zelldurchlässen 21 mit wellenförmigen Wänden besteht, innerhalb von flachwandigen Zelldurchlässen 22 angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anordnung von Zelldurchlässen 21 mit wellenförmigen Wänden und flachwandigen Zelldurchlässen 22 in einem bestimmten Muster so wie in diesen Beispielen eingeschränkt, aber ist es bevorzugt, dass Maßnahmen ergriffen werden, um eine ungleichmäßige Verteilung der Zelldurchlässe 21 mit wellenförmigen Wänden am vertikalen Querschnitt zu verhindern, um den Druckabfall der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden zu mindern und gleichzeitig das Auftreten einer unausgeglichenen Gasströmung zu erschweren.
Die 13(a) und (b) veranschaulichen noch eine andere Ausführungsform einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, wobei, so wie in den 1(a) und (b), die Durchlassrichtung des Zelldurchlasses die Z-Achsenrichtung ist, während die orthogonalen Koordinatenachsen, also die X-Achse und die Y-Achse, in einer senkrecht zu dieser stehenden Ebene festgelegt sind. 13(a) ist ein parallel zum Zelldurchlass verlaufender Querschnitt, d. h. ein Querschnitt, der einen Abschnitt der durchgehenden Wand (in der Y-Z-Ebene), während 13(b) eine vergrößerte Querschnittsansicht der 13(a) ist.
Bei der in den 13(a) und (b) dargestellten Wabenstruktur 61 mit wellenförmigen Wänden sind die Linien, die die höchsten Punkte der Ausbauchungen und die tiefsten Punkte der Einbuchtungen, die in der Zelldurchlassrichtung ausgebildet sind, in der senkrecht zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung (in der Y-Richtung der Y-Z-Ebene) an den Wandflächen in welliger Form ausgebildet.
Im Vergleich dazu treten bei der in den 1(a) und (b) dargestellten Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden, wenn diese in der Y-Richtung der Y-Z-Ebene betrachtet wird, Ausbauchungsflächen und Einbuchtungsflächen alternierend auf, und eine die Scheitel der Ausbauchungsflächen verbindenden Linie ist eine gerade Linie, wie in 1(b) zu erkennen ist; umgekehrt sind aber bei der in den 13(a) und (b) dargestellten Wabenstruktur 61 mit wellenförmigen Wänden die Ausbauchungsflächen und die Einbuchtungsflächen verbunden, sodass die Wellen, oder mit anderen Worten, die Linie 6 des Scheitelabschnitts der Ausbauchungen und die Linie 7 der tiefsten Punkte der Einbuchtungen, systematisch eine Mäanderlinie nachzeichnen. Um die Analogie der Berglandschaft zu verwenden, ist bei der Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden, bei Betrachtung der Berge in der Y-Richtung der Y-Z-Ebene, die Linie, welche die Berggipfel miteinander verbindet, geradlinig, während die Berge der in den 13(a) und (b) dargestellten Wabenstruktur 61 mit wellenförmigen Wänden einen Gebirgszug bilden, wobei die Gratlinie systematisch mäanderförmig verläuft.
Das Ausbilden der Linie 6 des Scheitelbereiches der Ausbauchungen und der Linie 7 des tiefsten Punkts der Einbuchtungen auf eine Weise, dass diese in der senkrecht zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung wellenförmig verlaufen, wie dies bei der Wabenstruktur 61 mit wellenförmigen Wänden der Fall ist, steigert die Dämpfungseigenschaften in der Querschnittsrichtung der Wabenstruktur. Es werden nicht nur die Eigenschaften der Festigkeit und der Temperaturwechselbeständigkeit verbessert, sondern es tritt auch eine starke, kontinuierliche Veränderung der Querschnittsfläche der Zelldurchlässe auf, uns zwar bis zu einem Ausmaß, das jenes der in 2 dargestellten Wabenstruktur 11 mit wellenförmigen Wänden überschreitet, sodass die Gasströmung verwirbelt wird und so die Wechselwirkung zwischen dem Abgas und der Wand gesteigert wird, was wiederum die Reinigungsfähigkeit verbessert.
Bei der Wabenstruktur 61 mit wellenförmigen Wänden kann die Höhe der Ausbauchungen, wenn die flache Wand als Bezugspunkt herangezogen wird, konstant sein oder sich ändern, und es ist weiters bevorzugt, dass der Punkt P an der Linie 6 der hohen Punkte der Ausbauchungen, gezeigt in 13(b), am weitesten vorstehen und Punkt Q etwas niedriger ist. In der Analogie der Berglandschaft ist Punkt P ein Gipfel und Punkt Q ein Sattel. Solch zusätzliche Änderungen hinsichtlich der Ausbauchungen und Einbuchtungen fördern die Verwirbelung des Abgasstroms, und die Wechselwirkung zwischen dem Abgas und den Wänden wird weiter verstärkt.
Der systematisch mäanderartige Verlauf der Linie 6 des Scheitelbereichs der Ausbauchungen und der Linie 7 der tiefen Punkte der Einbuchtungen in einer senkrecht zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung ist nicht auf das in 13(a) dargestellte Muster eingeschränkt, bei dem sich die Richtungen der Linie 6 des Scheitelbereichs der Ausbauchungen und der Linie 7 der tiefen Punkte der Einbuchtungen bei jedem Zelldurchlass ändern, noch ist er auf das in 14 dargestellte Muster eingeschränkt, bei dem sich die Richtungen der Linie 6 des Scheitelbereichs der Ausbauchungen und der Linie 7 der tiefen Punkte der Einbuchtungen bei jedem zweiten Zelldurchlass ändern.
Wie oben beschrieben wurde, werden bei einer solchen Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden die Dämpfungseigenschaften in der Zelldurchlassquerschnittsrichtung gesteigert, und auch die Eigenschaften der isostatischen Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit können verbessert werden. Zudem kann auch die Kontaktwirkung zwischen dem Fluidstrom und den Zellwänden innerhalb der Zellen weiter gesteigert werden. Beispielsweise wurde eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden (eine Cordierit-Wabenstruktur) mit einem Außendurchmesser von 100 mm, einer Länge von 150 mm und einer Außenwanddicke von 0,15 mm der Wabenstruktur, die eine Zellenstruktur mit einer Zellwanddicke von 0,05 mm und einer Zellendichte von 900 cpsi aufwies, hergestellt und ihre isostatische Festigkeit mit der einer normalen Wabenstruktur verglichen, die aus flachen Wänden mit der gleiche Zellenstruktur gebildet war und die gleiche Größe aufwies. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit im Schnitt um etwa 10 % gesteigert werden konnte, während die Temperaturwechselbeständigkeit im Schnitt um etwa 5 % verbessert war.
Ähnliche Ergebnisse wurden mit Wabenstruktur von niedriger Zellendichte, wobei die Zellendichte in einem Bereich von 200 bis 600 cpsi lag, und mit einer Zellwanddicke von 0,01 bis 0,12 mm erzielt. Dies zeigt, dass die Strukturen mit wellenförmigen Wänden wirksame Mittel sind, um Wabenstrukturen von niedriger Zellendichte, deren isostatische Festigkeit schwach ist, mehr Festigkeit zu verleihen. Selbstverständlich ändern sich die obigen Wirkungen auch nicht bei Zellenstrukturen mit einer Dichte von über 900 cpsi, etwa 1200 cpsi usw.
16 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung. Einzelne oder mehrere Zellen sind mit normalen, d. h. flachwandigen Wänden, einschließlich der Außenwand, ringförmig vom Umfangsabschnitt der Wabenstruktur 16 mit wellenförmigen Wänden aus nach innen hin ausgebildet, während der Innenabschnitt ein Bereich ist, der im Wesentlichen die Form eines Kreises aufweist und Zellen enthält, die aus wellenförmigen Wänden aufgebaut sind, wobei die Wanddicke der des dickwandigen Abschnitts 24 mit flachen Wänden, d. h. des ringförmigen Bereichs mit flachen Wänden, passend in Stufen dicker ausgebildet ist als die Wanddicke des Abschnitts 23 mit wellenförmigen Wänden, also des Bereichs, der die inneren, wellenförmigen Wände umfasst, was die isostatische Festigkeit der Wabenstruktur im Vergleich zu Anordnungen, die vollständig aus Strukturen mit wellenförmigen Wänden gebildet sind, anhebt.
Als Beispiel wurde eine in 16 dargestellte Wabenstruktur 16 mit wellenförmigen Wänden (eine Cordierit-Wabenstruktur) mit einer Wanddicke von 0,035 mm des dünnwandigen Abschnitts 23 mit wellenförmigen Wänden hergestellt, die vom Umfangsabschnitt aus zur Innenseite hin einen dickwandigen Abschnitt 24 mit flachen Wänden aus 14 Zellen aufweist, wobei die Wanddicke von 10 Zellen vom Umfangsabschnitt aus zur Innenseite hin 0,115 mm betrug und die Wanddicke von 4 Zellen von dort aus zur Innenseite 0,075 mm betrug, wobei es sich bei der Anordnung um eine Zellenstruktur mit einer Zellendichte von 900 cpsi handelte und die Wabenstruktur einen Außendurchmesser von 110 mm, eine Länge von 150 mm und eine Außenwanddicke von 0,15 mm aufwies. Diese wurde mit einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verglichen, die die gleiche Zellenstruktur und die gleiche Größe aufwies, aber zur Gänze aus Strukturen mit wellenförmigen Wänden gebildet war. Die Ergebnisse zeigten, dass die isostatische Festigkeit im Schnitt um etwa 15 gesteigert werden konnte.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden beschrieben. Strangpressung, das am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung gewöhnlicher Wabenstruktur, kann zur Herstellung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Querschnittsdarstellungen der 6(a) bis (c) veranschaulichen die schematische Konfiguration und Struktur der Düse 50, die für die Extrusionsformung verwendet wird. Hierbei zeigt 6(a) den Querschnitt entlang der Linie A-A' aus 6(c), und 6(b) zeigt den Querschnitt entlang der Linie B-B' aus 6(c).
Die Düse 60 ist aus einer Rückwand 51 gebildet, in der Durchgangslöcher 52A und 52B ausgebildet sind, einem rückseitigen Lochkanalelement 54, an dem rückseitige Löcher 53 ausgebildet sind, und einem Schlitzelement 56, an dem Schlitze 55 ausgebildet sind. Die Änderung des Durchmessers und der Tiefe (der Dicke der Rückwand) der in der Rückwand 51 ausgebildeten Durchgangslöcher 52A und 52B sorgt für den Widerstand des Formungsmaterials (hierin in Folge als "Material" bezeichnet) gegenüber der Fluidbewegung, sodass der Fluss des stranggepressten Materials eingestellt werden kann.
Das rückseitige Lochkanalelement 54 dient dazu, das Material zu den Schlitzen 55 zu leiten, und im Allgemeinen ist die Positionierung solcherart, dass die Durchschneidungsabschnitte der Wände der Wabenstruktur dem Mittelpunkt der rückseitigen Löcher 53 entspricht. Das Schlitzelement 56 definiert die Form und Struktur der Wabenstruktur, und das aus den Schlitzen 56 extrudierte Material bildet die Wände aus.
Das Material tritt in dieser Reihenfolge durch die Durchgangslöcher 52A und 52B, die rückseitigen Löcher 53 und die Schlitze 55, aber das aus dem rückseitigen Loch 53 ausgetretene Material und das aus dem benachbarten rückseitigen Loch 53 ausgetretene Material fließen durch die Schlitze 55 und werden im Schlitz 55 zwischen den beiden rückseitigen Löchern 53 zusammengeführt, geraten in engem Kontakt, um die Wände der Wabenstruktur zu bilden, und werden dabei kontinuierlich extrudiert.
Bei näherer Betrachtung der beiden rückseitigen Löcher 53 zeigt sich, dass die Wand der Wabenstruktur dann gerade ausgebildet wird, wenn das aus dem rückseitigen Loch 53 austretende Materialflussvolumen und das aus dem anderen rückseitigen Loch 53 austretende Materialflussvolumen gleich sind, und es wird eine normale Wabenstruktur erhalten. Besteht aber ein relativer Unterschied im Materialflussvolumen zwischen den beiden benachbarten rückseitigen Löchern 53, so bricht das Gleichgewicht des Materialflusses im Schlitz 55 zusammen, und Material neigt an gewissen Abschnitten dazu, stärker auszutreten, wodurch die Wand gekrümmt wird.
Zum Zeitpunkt der Strangpressung wirkt diese die Wand biegende Kraft als vibrierende Kraft, sodass die Wand in Zelldurchlassrichtung vibriert und sich wellt. Auch in der Zelldurchlassquerschnittsrichtung verursacht die Reaktion die Biegung der benachbarten Wand in entgegengesetzter Richtung, sodass bei der Betrachtung der Wände in einer Reihe in der Zelldurchlassquerschnittsrichtung Wellenformen zutage treten sollten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden in den Wänden der Wabenstruktur Wellenformen ausgebildet, indem ein Unterschied in diesen Materialflussvolumen herbeigeführt wird. Spezifisch wird entweder der Durchmesser der in der Rückwand ausgebildeten Durchgangslöcher vom Umfangsabschnitt aus zum Mittelabschnitt hin kontinuierlich geändert, oder die Rückwand wird gewölbt ausgebildet, sodass ihre Dicke vom Umfangsabschnitt aus zum Mittelabschnitt hin oder umgekehrt abnimmt. Somit wird der Materialflusswiderstand vom Umfangsabschnitt nach innen hin kontinuierlich geändert, was zu einem Unterschied im Flusswiderstand benachbarter Durchgangslöcher führt, wodurch Wabenstrukturen 1 und 11 mit wellenförmigen Wänden, dargestellt in den 1 und 2, erhalten werden können, bei denen alle Wände mit gewellter Form ausgebildet sind.
Wie in den 6(a) bis (c) dargestellt ist, führt das Anordnen der Durchgangslöcher 52A in Gitterform, das Anordnen der Durchgangslöcher 52B so, dass ein Durchgangsloch 52B am Mittelpunkt von vier Durchgangslöchern 52A, die ein Quadrat bilden, positioniert ist, und das Ändern der Durchmesser der Durchgangslöcher 52A und der Durchgangslöcher 52B sowie die Verwendung einer Rückwand 51 mit einer solchen Anordnung dazu, dass die an Positionen, die die Durchgangslöcher 52A mit größerem Durchmesser verbinden, ausgebildeten Wände wellenförmig werden, während die an Positionen, die die Durchgangslöcher 52B mit kleinerem Durchmesser verbinden, ausgebildeten Wände gerade werden. Somit werden Wabenstrukturen 31 und 41 mit wellenförmigen Wänden erhalten, wie in 3 und 4 abgebildet, bei denen wellenförmige Wände und flache Wände gemischt vorhanden sind.
Nun werden Beispiele für Materialien aufgeführt, die für die Herstellung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, nämlich unter anderem Keramikmaterialien, wie z. B. Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Lithiumaluminiumsilicat, Aluminiumtitanat, Zirconiumdioxid, Siliciumnitride, Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid; oder wärmebeständige Metallmaterialien, wie z. B. Edelstahl; eine Aluminiumlegierung; und Adsorbenzien, wie z. B. Aktivkohle, Silicagel und Zeolith. Was die Keramikmaterialien betrifft, so kann ein Keramikmaterial oder ein Verbund aus mehreren dieser verwendet werden.
Wabenstrukturen mit wellenförmigen Wänden können der Konfiguration der Formungsdüse auch mit anderen Materialien erhalten werden, solange das Material extrusionsgeformt werden kann, sodass ähnlich Ergebnisse wie die obgenannten von Materialien erwartet werden, in denen Teilchen unterschiedlicher Materialien oder Fasern dispergiert und zu den obgenannten Materialien verbunden wurden, oder von Polymeren, wie etwa Harzen, oder von Artikeln, bei denen die Wandoberflächen nach der Extrusion beschichtet wurden. Sollte eine Metallfolie gewellt gewickelt werden, um eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden zu bilden, so kann die Wa benstruktur mit wellenförmigen Wänden erhalten werden, indem in der Metallfolie durch zuvoriges plastisches Bearbeiten Wellen ausgebildet werden.
Die Porosität des verwendeten Keramikmaterials oder Adsorbens beträgt vorzugsweise zwischen 45 % bis 80 %. Bei gewellten Wände steigt die Wandkapazität pro Einheitskapazität im Vergleich zu normalen, flachwandigen Strukturen an, sodass die Wärmekapazität der Wabenstruktur steigt. Dies ist somit für einen Katalysatorträger unvorteilhaft, wenn man bedenkt, dass der Katalysator erwärmt ist, doch unterdrückt ein Anheben der Materialporosität der Wabenstruktur den Anstieg der Wärmekapazität der Wabenstruktur. Im Allgemeinen werden für Abgasreinigungskatalysatorträger für Kraftfahrzeuge Cordierit-Wabenstrukturen mit einer Porosität von 25 bis 35 % verwendet, bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Porosität des Materials geeigneterweise aber 45 % oder mehr und 80 % oder weniger.
Eine Porosität des Materials von 45 % oder mehr bedeutet nicht nur eine Senkung der Wärmekapazität der Wände, sondern hebt durch die Mikroporen in der Oberfläche der Wände auch die Oberflächenrauigkeit der Wandoberfläche an, was die Kontaktwirkung mit dem Abgas verbessert, und weil zudem die Wände porös sind, werden auch die Mikroporen in den Wänden genutzt. Die poröse Natur, die einen Luftdurchtritt zulässt, bringt mit sich, dass der Artikel auch als Filter für Feinpartikelmaterial Anwendung finden kann. Sollte die Porosität des Materials 80 % überschreiten, so nimmt die Festigkeit des Materials drastisch ab, und der Prozentsatz an Hohlräumen in den Wänden wird so groß, dass die Wirksamkeit des Kontakts mit dem Abgas nun abnimmt.
Die 17(a) und (b) sind Darstellungen, die eine Ausführungsform der Anwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter zeigen. Für das hier dargestellte Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter wurde als Beispiel eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden 17 (eine Cordierit-Wabenstruktur) mit einer Wanddicke von 0,3 mm, einer Zellendichte von 300 cpsi, einem Außendurchmesser von 144 mm, einer Länge von 152 mm und einer Porosität von 65 % hergestellt, wobei Verschlüsse 18 aus dem gleichen Cordieritmaterial alternierend an den Zelldurchlässen 2 an beiden Enden der Wabenstruktur angebracht wurden, sodass ein Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter hergestellt wurde, bei dem Abgas durch die poröse Zellwand 3 tritt. Die Prüfungsergebnisse einer Messung der Einfangwirkung für Feinpartikelstoffe des Filters, das in einem Auspuffrohr eines Dieselmotors installiert ist, zeigten, dass die Einfangwirkung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden im Vergleich zu einer normalen Wabenstruktur mit flachen Wänden um in etwa 10 % verbessert werden konnte. Diese Wirkung wurde auch mit einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden bestätigt, für die Siliciumcarbid als Material verwendet wurde. Bei der Verwendung von Siliciumcarbid als Material wurden Ergebnisse erzielt, die belegten, dass die Temperaturwechselbeständigkeit im Vergleich zu einer normalen Wabenstruktur mit flachen Wänden im Schnitt um in etwa 20 % verbessert wird.
Wird die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter verwendet, so ist die Wanddicke vorzugsweise auf 0,2 bis 1,2 mm und die Zellendichte auf 50 bis 600 cpsi festgelegt. Diese Dicke genügt, dass die wellenförmigen Wände der Verwendung als Filterschichten standhalten. Ist die Wanddicke dünner als 0,2 mm, verschlechtert sich die Partikeleinfangleistung an der Wand drastisch. Ist die Wanddicke hingegen stärker als 1,2 mm, so steigt der Luftdurchlasswiderstand stark an, was nicht erwünscht ist. Beträgt die Zellendichte 50 cpsi oder weniger, so ist die Wandoberfläche zu klein und der Druckabfall zu stark. Wenn die Zellendichte hingegen 600 cpsi überschreitet, so ist die offene Zellenfläche zu gering, und die Zellen werden durch Feinpartikelstoff oder abblätterndes Metall rasch verstopft, was nicht wünschenswert ist.
Außerdem erleichtert bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden als Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter eine Konfiguration, bei der die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden eine einfach austauschbare Patrone ist, die Wartungsarbeiten, was erwünscht ist. Zusätzlich zu den Feinpartikelstoffen verstopfen auch oxidierte Abblätterungen von der Motorseite, Metallfremdkörper und Achse komponenten, die nach der Bearbeitung der Feinpartikelstoffe zurückbleiben, das Wabenstrukturfilter mit wellenförmigen Wänden, sodass der Druckabfall zunimmt. Da diese Komponenten nur schwer durch Katalysatoren bearbeitet werden können, ermöglicht eine Anordnung, bei der die Wabenstruktur als Patrone vorliegt, die dann ausgetauscht wird, wenn der Druckabfall eine Toleranzgrenze erreicht hat, die Verwendung des Systems über sehr große Zeiträume.
Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch zur Verwendung als Katalysatorträger geeignet. Die wellenförmige Struktur beschleunigt die Kontaktreaktion zwischen der an der Wandoberfläche getragenen Katalysatorkomponente und dem Abgas, die beschleunigte katalytische Reaktion erzeugt katalytische Reaktionswärme, die insofern von Vorteil ist, als die Abgastemperatur schon früh ansteigt und der Katalysator aktiviert wird. Die Erwärmung insbesondere für den Zeitraum unmittelbar nach dem Kaltstart des Motors wird verbessert, sodass die Emissionen von HC, NO_x und CO im Vergleich zu normalen Wabenstrukturen gesenkt werden können. Nicht nur gasförmige NC-, NO_x- und CO-Komponenten, sondern auch Feststoffkomponenten mit Kohlenstoff als Kern, also die Komponente der Partikelstoffe, die Dieselmotoren emittieren, sowie SOF-Feinpartikelstoffe, d. h. die nicht verbrannten Komponenten von Brennstoff und Öl, werden von der wellenförmigen Wandstruktur rascher eingefangen als von einer normalen, flachen Wand; gleichzeitig können Feinpartikelstoffe aufgrund des durch höhere Temperaturen aktivierten Katalysators wirksamer gereinigt werden. Bei normalen, flachwandigen Wabenstruktur gestaltet sich das Einfangen von Feinpartikelstoffen an der Wandoberfläche schwierig, und der Gasstrom im Inneren der Zelldurchlässe ist eine fast laminare Strömung, sodass Feinpartikelstoffe mit besonders kleinem Durchmesser ohne Wechselwirkung einfach durch die Zelldurchlässe hindurchtreten können. Die Struktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Einfangen von Feinpartikelstoffen mit besonders kleinem Durchmesser an den Wandoberflächen, ohne dass diese unbearbeitet durchtreten,
Um die Feinpartikelstoffe aus dem Abgas zu entfernen, wird häufig eine Anordnung eingesetzt, bei der die Zellwände der Wabenstruktur aus einem porösen Material mit ausreichenden Luftdurchlasseigenschaften hergestellt sind, und die Eingänge und Ausgänge der Zelldurchlässe sind an beiden Enden der Struktur alternierend in versetzter Art und Weise verschlossen, um eine Filterstruktur zu bilden. Abgas wird durch die Zellwände zwangsgeleitet, um die Feinpartikelstoffe an den Wänden physisch einzufangen. Beim Verfahren unter Verwendung einer solchen Filterkonfiguration sammeln sich die Feinpartikelstoffe an den Wänden, sodass sich der Druckabfall in der Filterstruktur drastisch verstärkt. In diesem Fall werden die Feinpartikelstoffe, die sich angesammelt haben, durch Erhitzen des Abgases mit einer stromaufwärts des Filters bereitgestellten Heizvorrichtung periodisch verbrannt und beseitigt, wodurch das Filter regeneriert und der Druckabfall wieder korrigiert wird, oder es ist eine Katalysatorkomponente auf den Filterwänden aufgebracht, und das Filter wird durch die Bearbeitung der Feinpartikelstoffe durch die Einwirkung dieser regeneriert, oder aber es wird ein Oxidationskatalysator stromaufwärts des Filters angeordnet, und die im Filter angesammelten Feinpartikelstoffe werden durch diesen bearbeitet und das Filter so regeneriert. Bei diesen Verfahren kann aber ein rascher Anstieg des Druckabfalls bis zur Regeneration nicht vermieden werden, und weitere Aschenkomponenten sammeln sich nach der Regenration weiterhin an den Wänden an, sodass die Zellen langfristig gesehen verstopft werden und einen steigenden Druckabfall verursachen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu der in den 17(a) und (b) dargestellten Wabenstruktur 17 mit wellenförmigen Wänden (Feinpartikelstoff-Beseitigungsfilter) ein Katalysator von der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden getragen, und die Eigenschaften des Einfangens von Feinpartikelstoffen und die Kontaktreaktionseigenschaften mit dem Katalysator werden gesteigert, wodurch die Eigenschaften des Einfangens von Feinpartikelstoffen einer Filterstruktur, in der Verschlüsse 8 angebracht sind, verbessert werden. Auch bei einer Anordnung, bei der keine abgeschlossene Struktur zur Anwendung gelangt, verbessert der getragene Katalysator die Eigenschaften des Einfangens von Feinpartikelstoffen im Vergleich zu normalen, flachen Wänden, und aufgrund der Kontaktreaktionsaktivierung des Ka talysators tritt ein Temperaturanstieg auf, sodass die Feinpartikelstoffe bearbeitet werden können. Diese Wirkungen können weiter verbessert werden, indem die Wandoberfläche durch Anheben der Zellendichte vergrößert und die Wanddicke zur Senkung der Wärmekapazität verringert wird. Das Anheben der Zellendichte vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem Katalysator und dem Abgas, und der hydraulische Durchmesser des Zelldurchlasses ist verkleinert, sodass Feinpartikelstoffe nicht einfach vollständig durch den Zelldurchlass hindurchtreten können, was die Eigenschaften des Einfangens an den Wänden verbessert.
Bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden, die als Katalysatorträger verwendet wird, beträgt die Wanddicke vorzugsweise in etwa 0,01 bis 0,12 mm. So kann durch die gewellte Form der Wände ein Anstieg des Druckabfalls zum Zeitpunkt des Gasdurchtritts unterdrückt werden; auch eine hohe Wärmekapazität, die dann ein Problem darstellt, wenn ein Katalysator getragen wird, kann ebenfalls unterdrückt werden. Eine Wanddicke von 0,01 mm oder weniger sorgt für eine weitere Minderung des Druckabfalls und der Wärmekapazität, was noch bevorzugter ist. Ist jedoch die Wanddicke zu dünn, ist die Festigkeit der Wände selbst unzulänglich, sodass die Wanddicke 0,01 mm oder mehr betragen sollte. Auch wenn die Wand aus einem Metallmaterial hergestellt ist, führt eine zu dünne Ausbildung der Wand zu einer deutlichen Verschlechterung der Säure- oder Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen mit hohen Temperaturen, was nicht erwünscht ist.
Die Zellendichte beträgt vorzugsweise in etwa 200 bis 3000 cpsi. So wie dünnere Zellwände sorgt auch dies für eine Unterdrückung einer hohen Wärmekapazität, die dann ein Problem darstellt, wenn ein Katalysator getragen wird, und die notwendige Festigkeit der Wabenstruktur kann gewährleistet werden. Außerdem kann eine ausreichende GAS (geometrische Oberfläche) erhalten werden, sodass die Kontakteffizienz zwischen Gas und Wand erhöht ist. Beträgt die Zellendichte weniger als 200 cpsi, so ist die Wandoberfläche zu klein und die Verbesserung der Katalysatoreigenschaften unzulänglich. Die katalytischen Reinigungseigenschaften verbessern sich mit zunehmender Zellendichte selbst bei einer Wabenstruktur, die normale, flache Wände aufweist, bei etwa 1000 cpsi aber pendelt sich die katalytische Reini gungseffizienz ein. Bei Verwendung einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden hingegen pendelt sich die katalytische Reinigungseffizienz selbst über 1000 cpsi nicht ein, ab über etwa 3000 cpsi aber ist nur noch ein geringfügiger Anstieg der katalytischen Reinigungseffizienz zu beobachten.
24 zeigt ein Beispiel für eine Kurve 34 der Beziehung zwischen der Zellendichte einer flachwandigen Wabenstruktur und dem hydraulischen Durchmesser innerhalb der Zellen sowie eine Kurve 33 der Beziehung zwischen der Zellendichte und der geometrischen Oberfläche GSA. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, nimmt der hydraulische Durchmesser mit steigender Zellendichte ab, aber der Grad der Abnahme schwächt bei etwa 1000 cpsi ab, um bei 3000 cpsi noch schwächer zu werden. Die Reduktion des hydraulischen Durchmessers verringert den räumlichen Abstand zwischen den Molekülen im Abgas und der Wandoberfläche innerhalb der Zellen, sodass die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen den Gasmolekülen und der Wandoberfläche steigt, wodurch davon ausgegangen werden kann, dass die katalytische Reinigungswirkung durch die erhöht Wahrscheinlichkeit des Kontakts zwischen den Gasmolekülen und der Wandoberfläche ab etwa 1000 cpsi bis etwa 3000 cpsi verbessert wird.
Andererseits vergrößert sich mit steigender Zellendichte auch die geometrische Oberfläche GSA der Zellwände, aber der Grad der Vergrößerung schwächt bei etwa 1000 cpsi ab, um bei 3000 cpsi noch schwächer zu werden. Die Vergrößerung der GSA bedeutet eine Vergrößerung der Kontaktfläche der Gasmoleküle und der Wandoberfläche, wodurch davon ausgegangen werden kann, dass die katalytische Reinigungswirkung durch den Synergieeffekt der Verkleinerung des hydraulischen Durchmessers und der Vergrößerung der GSA bis zu etwa 1000 cpsi verbessert ist. Ab 1000 cpsi aber nehmen sowohl der Grad der Verkleinerung des hydraulischen Durchmessers als auch der Grad der Vergrößerung der GSA ab, und demnach kann davon ausgegangen werden, dass dies der Grund ist, warum sich bei Wabenstrukturen mit normalen Wänden die Wirksamkeit an diesem Punkt einpendelt. Auch der übermäßig werdende Dispersionseffekt der Katalysatorkomponente, der mit einer Vergrößerung der GSA einhergeht, kann als ein Faktor angesehen werden. Die Ver wendung einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden sorgt dafür, dass die Gasströmung in den Zelldurchlässen nicht-stationär ist, und der hydraulische Durchmesser der Zellen ändert sich, sodass die Kontaktwirkung zwischen den Gasmolekülen und der Wandoberfläche deutlich verbessert ist, woraus die Annahme folgt, dass sich die katalytische Reinigungswirkung bei etwa 1000 cpsi und sogar bis zu 3000 cpsi nicht einpendelt. Es wird davon ausgegangen, dass die gegensätzlichen Effekte der vergrößerten Oberfläche dafür verantwortlich sind, dass sich die Wirksamkeit nach etwa 3000 cpsi einpendelt, doch wird erwartet, dass ein gewisses Ausmaß der Verbesserung durch Anheben der Menge des getragenen Katalysators erzielt werden kann.
Die 18(a) und (b) sind erläuternde Diagramme, die ein Beispiel für die Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator veranschaulichen. Wie bereits unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wurde, ist die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als Abgasreinigungskatalysatorträger für Fahrzeuge geeignet. 18(a) zeigt ein Abgasreinigungskatalysatorsystem 97, in dem eine Wabenstruktur 18 mit wellenförmigen Wänden vorne an der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist und eine flachwandige Wabenstruktur 28 hinten an der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist, um die beiden in Reihe zu schalten und in einem einzigen Katalysator unterzubringen. In diesem übt die Wabenstruktur 18 mit wellenförmigen Wänden eine Aufheizfunktion aus, wobei der Katalysator rasch nach dem Starten des Motors erwärmt wird, die Temperatur des Abgases steigt, sodass der Katalysator in der letzteren Struktur rasch nach dem Start des Motors aktiviert wird und die Schadstoffkomponenten aus dem Abgas reinigt. Ersterer dient also zum "Einschalten" des Katalysators, dementsprechend weist die Wabenstruktur 18 vorzugsweise eine relativ kleine Kapazität auf, wodurch die Länge der Wabenstruktur 18 kürzer gehalten werden kann, was zu einem reduzierten Druckabfall beiträgt.
Wie in 18(a) dargestellt ist, kann eine Anordnung ausgeführt werden, bei der die beiden Strukturen nicht in einem Katalysator untergebracht sind, sondern als vorderer bzw. hinterer Katalysator getrennt installiert sind. Ein solches Angasreinigungskatalysatorsystem 98 ist bevorzugt, da der Freiraum bei der Konzipierung des Abgassystems des Fahrzeug größer ist. Die Wabenstruktur 18 mit wellenförmigen Wänden weist außerdem hervorragende Temperaturwechselbeständigkeitseigenschaften auf, weshalb sie geeignet ist, in der Nähe des Motors an stromaufwärts der Abgasanlage gelegenen Seite installiert zu werden.
Wie in 19(a) dargestellt ist, ermöglicht das alternierende Anordnen in Reihen von Wabenstrukturen 19 mit wellenförmigen Wänden und von Wabenstruktur 29 mit flachen Wänden die Bereitstellung eines Angasreinigungskatalysatorsystems 91, das eine noch höhere katalytische Reinigungsfähigkeit aufweist.
Zudem kann ein Angasreinigungskatalysatorsystem 93 konfiguriert werden, indem die Wabenstruktur 19 mit wellenförmigen Wänden stromabwärts eingesetzt wird, Diese Anordnung ist für Fälle geeignet, bei denen eine deutliche Verbesserung der katalytischen Reinigungsfähigkeit unmittelbar nach einem Kaltstart wichtiger ist als die Verbesserung der Aktivierung des Katalysators nach dem Kaltstart, oder wenn das Einfangen und Bearbeiten von Feinpartikelstoffen mithilfe der Wabenstruktur 19 mit wellenförmigen Wänden erwünscht ist.
Die 20(a) und (b) sind erklärende Darstellungen, die ein wiederum ein anderes Beispiel für eine Positionsanordnung bei der Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung als Abgasreinigungskatalysator zeigen.
Wie 20(a) zu entnehmen ist, wird ein Abgasreinigungskatalysatorsystem 90 vorgeschlagen, bei dem die als Katalysatorträger dienende Wabenstruktur 20 mit wellenförmigen Wänden vorne oder an der stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet ist, während ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter 30, bei dem es sich um eine Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden handelt, hinten oder an der stromabwärts gele genen Seite angeordnet ist. Das hinten oder an der stromabwärts gelegenen Seite angeordnete Filter kann auch eine normale Wabenstruktur verwenden, also keine Struktur mit wellenförmigen Wänden. Natürlich kann auch eine Bauweise eingesetzt werden, bei der die Wabenstrukturen nicht in getrennten Metallkästen 89 untergebracht sind, wie in 20(a) dargestellt, sondern bei der der Katalysatorträger und das Filter in einem einzigen Metallkasten 89 untergebracht sind, wie in 20(b) veranschaulicht ist.
Abgesehen davon, dass die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als Abgasreinigungskatalysatorträger, insbesondere als Abgasreinigungskatalysatorträger für Fahrzeuge geeignet ist, ist sie auch zur Verwendung für Abgasreinigungssysteme geeignet, bei denen die Wabenstruktur elektrisch geladen wird, um Feinpartikel elektrisch zu absorbieren, für Systeme zur Reinigung von Abgasen mit nicht-thermischem Gleichgewichtsplasma (nicht thermischem Plasma) oder Mikrowellenentladungsplasma, als Geruchsbeseitigungskatalysatorträger verschiedenster Arten und sogar als Träger chemischer Reaktoren, etwa als Modifizierungskatalysatorträger für Brennstoffzellen und dergleichen.
21 zeigt ein Abgasreinigungssystem 86, das das Verfahren der elektrostatischen Staubansammlung unter Verwendung von Hochspannungs-Koronaentladung einsetzt, wie dies zur Reinigung von Abgases aus feststehenden Quellen angewendet wird, etwa zur Entfernung von feinen Schwebeteilchen oder Dioxin. Bei diesem System sorgt die Wabenstruktur 40 mit wellenförmigen Wänden durch Coulombsche Kraft und die Synergieeffekte der wellenförmigen Wände für verbesserte Eigenschaften des Einfangens von Feinpartikeln an den Wänden. In diesem Beispiel wird eine schwimmreifenförmige Wabenstruktur 40 mit wellenförmigen Wänden, die ausgehöhlt wurde, verwendet, und eine nadelförmige, negative Entladungselektrode 39 ist in dieser eingeführt. Es kann auch eine Anordnung ausgeführt werden, bei der eine feine Entladungselektrode in die Zellen der Wabenstruktur 40 mit wellenförmigen Wänden eingeführt ist. Ist die Wabenstruktur aus einem Metall ausgebildet, so kann die Wabenstruktur selbst als Erdungselektrode 38 dienen.
Wie in 22 dargestellt ist, ermöglicht ein Abgasreinigungssystem 97 die weitere Verbesserung der Abgasreinigungswirkung. Hier wird eine Hochspannungsbelastung aus einer Hochspannungsquelle 37 pulsartig an die Wabenstruktur 40 mit wellenförmigen Wänden angelegt, um die elektrolytische Dissoziation innerhalb der Abgasdurchlässe zu veranlassen und Plasma zu bilden, wobei dieses System nicht-thermisches Gleichgewichtsplasma, das durch die im Abgas erzeugten Radikale Oxidationsreaktionen auslöst, oder Plasmen wie das Mikrowellenentladungsplasma verwendet. Wird die Wabenstruktur 40 mit wellenförmigen Wänden zudem veranlasst, einen Katalysator zu tragen steigt die Wirksamkeit aufgrund der unterstützenden Wirkung des Katalysators noch weiter an. Die Beschleunigung der Radikalreaktionen unter Verwendung von Turmalinkomponenten ist ebenfalls effektiv.
Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden kann auch für Brennstoffzellen-Systemkomponenten verwendet werden. Beispiele für Brennstoffzellensysteme umfassen Dispersionserzeugungssysteme, die mit automotiven Anwendungen oder relativ kleinen Co-Generatorsystemen gekoppelt sind, Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensysteme (PEFC-Systeme), die als tragbare Stromquellen verwendet werden, usw.
23 ist ein Beispiel eines Polymerbrennstoffzellensystems. Bei einem Brennstoffzellensystem ist es für die Wirksamkeit des Modifikators 63 und für die Verbesserung der Gesamtbetriebseffizienz des ganzen Brennstoffzellensystems notwendig, Wasserstoff 72 in einem frühen Stadium aus dem zum Modifikator 67 der Brennstoffzelle transportierten Brennstoff 58, etwa Methanol, Erdgas, modifiziertem Benzin, usw., zu extrahieren, den Wasserstoff 72 zum Brennstoffzellenstapel zu leiten und den Wasserstoff 72 am Brennstoffzellenstapel wirksam mit Sauerstoff umzusetzen, um Elektrizität zu extrahieren. Das Anheben der Temperatur des Katalysators innerhalb des Modifikators 63 zu einem frühen Zeitpunkt ist wichtig, wobei es sich hierbei um den gleichen Vorgang wie bei einem Abgasreinigungskatalysator handelt. Die Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden ist zur Steigerung der Effizienz des Modifikators 63 wirksam und ermöglicht die Verkleinerung der Größe des Modifikators 63. Üblicherweise wurde für den Modifikator 63 ein Pelletkatalysator verwendet, doch die Verwendung der Wabenstruktur ermöglicht die Konfiguration des Modi fikationskatalysators mit niedrigem Druckabfall und niedriger Wärmekapazität, sodass die Wirksamkeit durch die Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden weiter steigt. Im Allgemeinen verwendet der Brennstoffzellenstapel 65 eine Struktur, in der Kohlenstoffseparatoren und ein elektrolytischer Feststoffpolymerfilm laminiert sind, auf die eine Wabenstruktur angewendet werden kann, Die Verwendung einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden ermöglicht die Steigerung der Effizienz und somit die Verringerung der Größe. Auch die Verwendung als Wasserstoffabscheidefilter ist möglich. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Struktur des Modifikators 63 derartig, dass der Brennstoff 58, der durch eine Entschwefelungsvorrichtung 62 getreten ist, und Wasserdampf durch den die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verwendenden Katalysator hindruchtreten. Dies gilt auch für die Dispersionserzeugung im mittelgroßen Maßstab und die für die Großerzeugung verwendeten Festoxidbrennstoffzellen (SOFC).
Die in letzter strenger gewordenen Abgasregelungen machen nicht nur die Unterdrückung der während des Betriebs des Fahrzeugs emittierten Komponenten, sondern auch das Verhindern des Austritts flüchtiger Brennstoffkomponenten, die aus Brennstofftanks von Fahrzeugen und aus Brennstofftanks an Tankstelleneinrichtungen austreten, erforderlich. 26 zeigt ein Beispiel für die Anwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden auf ein Brennstofftank-Verdampfungssystem. Im Allgemeinen werden Adsorbenzien, wie etwa Aktivkohle, in Kanistern verwendet, um den Austritt flüchtiger Komponenten des Brennstoffs 59 aus Brennstofftanks 57 von Fahrzeugen zu unterdrücken, und die Wabenstruktur 25 mit wellenförmigen Wänden oder ein Filter, das die Wabenstruktur 25 mit wellenförmigen Wänden umfasst, kann für solche Verdampfungssysteme verwendet werden, um den Austritt flüchtiger Komponenten des Brennstoffs 59 wirksam zu verhindern.
Wabenstrukturen wurden in der Praxis auch als leichtgewichtige Strukturelemente als Verbundplatten, die Dämpfungseigenschaften aufweisen, mit Karton- und Baumaterialien verwendet, und derartige, aus Aluminium hergestellte Strukturen werden für Flugzeugflügel eingesetzt. Die Verwendung einer Wabenstruktur 26 mit wellen förmigen Wänden für Verbundplatten, wie in 27 dargestellt ist, ermöglicht die Verbesserung der Dämpfungseigenschaften.
Ausführungsformen
Nun werden die Eigenschaften der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen Wabenstruktur beschrieben.
Bei den Materialien wird dem Cordierit, dessen Hauptbestandteile Talk, Kaolin und Aluminiumoxid sind, ein Bindemittel zugesetzt, das Gemisch wird geknetet und eine Wabenstruktur 1 mit wellenförmigen Wänden (erste Ausführungsform), bei der alle Wände wie in den 1(a) und (b) dargestellt wellenförmig ausgebildet sind, sowie eine Wabenstruktur 31 mit wellenförmigen Wänden (zweite Ausführungsform), bei – der wellenförmige Wände und flache Wände, so wie in 3 gezeigt, gemischt vorliegen, werden unter Verwendung der gewölbten Rückwand, bei der sich Dicke der Rückwand ändert, und der Rückwand, bei der die Durchmesser der Durchgangslöcher unterschiedlich sind, ausgebildet. Danach werden die Artikel auf vorbestimmte Längen zugeschnitten und nach dem Trocknen gebrannt, wodurch die vorliegende Erfindung erhalten wurde.
Zu Vergleichszwecken wurde unter Verwendung des gleichen Materials wie für die erste und zweite Ausführungsform eine normale Wabenstruktur (erstes Vergleichbeispiel) hergestellt, bei der keine wellenförmigen Verformungen an den Wänden vorliegen und deren Zelldurchlässe eine quadratische Querschnittsform aufweisen. Die erste und die zweite Ausführungsform sowie das erste Vergleichbeispiel wiesen eine Wanddicke von 0,09 mm, eine Zellendichte von 400 cpsi (62/cm²), einen Außendurchmesser der Wabenstruktur von 100 mm, eine Länge der Wabenstruktur von 150 mm, eine Dicke der Außenwand von 0,25 mm, einen Grad der Verformung der wellenförmigen Wände, als Scheitelwert ausgedrückt, von 0,2 mm (in etwa das Doppelte der Wanddicke) und einen Wellenabstand in der Zelldurchlassrichtung (eine Wellenlänge) von etwa 1,3 mm. Die Porosität des Materials wurde auf etwa 35 % festgelegt, der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient in Zelldurchlassrichtung bei 40 bis 800 °C betrug 0,4 × 10^–6/°C.
Als zweites Vergleichbeispiel wurde eine normale Wabenstruktur ohne Verformungen der Wände hergestellt und dabei die Anzahl der Zellen auf mehr als das Doppelte angehoben, d. h. die Zellendichte betrug, bei gleicher Wanddicke, 900 cpsi (140/cm²).
Prüfung der Reinigungsfähigkeit
Ein Wash-Coat aus einer γ-Aluminiumoxid-Komponente wurde auf die erhaltenen Wabenstrukturen aufgebracht, auf welche die aufgetragenen Edelmetallkomponenten aus Platin, Rhodium und Palladium aufgebracht wurden, um ein Katalysatorelement herzustellen. Dieses Katalysatorelement wurde in einen Metallbehälter unter Verwendung einer Keramik-Haltematte eingebracht, wodurch ein Abgaskatalysator fertig gestellt wurde. Die Menge des darin getragenen Katalysators (Edelmetallkomponente) wurde so festgelegt dass sie pro Kapazitätseinheit der Wabenstruktur gleich war, und da die Wabenstrukturen alle die gleiche Größe aufweisen, trugen sie auch alle die gleiche Menge.
Der hergestellte Abgaskatalysator wurde unterhalb der Bodenplatte (an einer 1.100 mm vom Motor entfernten Stelle) eines Fahrzeugs Baujahr 1998 mit einem 4-Zylinder-2,3-1-Benzinmotor installiert und die Prüfung der Reinigungsfähigkeit dem Abgas-Einschränkungszyklus FTP 75 unterzogen, der in den USA allgemein angewendet wird. Anzumerken ist, dass der Abgaskatalysator vor der Ausführung dieses Modellversuchs 50 Stunden lang bei 850 °C mit einem anderen Motor altern gelassen wurde.
Die Ergebnisse der Prüfung sind in 7 dargestellt. In 7 wird die Emission des Vergleichsbeispiels 1 als Bezugswert herangezogen, die anderen Proben sind standardisiert. Es wurde herausgefunden, dass die Emission von Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NO_x) bei der ersten Ausführungsform deutlich geringer waren als beim Vergleichsbeispiel 1, dem normalen Artikel mit derselben Anzahl an Zellen (400). Auch im Vergleich zum anderen Vergleichsbeispiel mit 900 cpsi konnte die hervorragende Reinigungsfähigkeit bestätigt werden.
Wie oben beschrieben wurde erzielt die Verwendung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden (erste Ausführungsform) im Vergleich zum normalen Artikel mit der gleichen Zellendichte (erstes Vergleichsbeispiel) und zum Artikel mit hoher Zellendichte (zweites Vergleichsbeispiel) eine hervorragende Reinigungsfähigkeit, doch ist der Druckabfall höher als jener des Artikels mit hoher Zellendichte, was also Nachteile hinsichtlich der Motorausgangsleistung und des Brennstoffverbrauchs mit sich bringt. Demnach kann aber ein Druckverlust mit in etwa dem gleichen wie beim Artikel mit hoher Zellendichte erreicht werden, wenn so wie bei der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der zweiten Ausführungsform nur teilweise wellenförmige Wände ausgebildet werden, anstatt alle Wände wellenförmig zu bilden.
Die Prüfung der Reinigungsfähigkeit eines Abgaskatalysators, der die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet, führt zu den in 7 gezeigten Ergebnissen, bei denen die Emissionen, etwa die von HC, im Vergleich zur ersten Ausführungsform höher sind, die Reinigungsfähigkeit aber besser als beim ersten Vergleichsbeispiel sind. Insbesondere die Reinigungsfähigkeit für CO und NO_x ist auch besser als beim zweiten Vergleichsbeispiel.
Prüfung der isostatischen Festigkeit
Bei der Prüfung der isostatischen Festigkeit handelt es sich um einen Test, der durchgeführt wird, indem die Wabenstruktur in einem zylindrischen Gummibehälter eingebracht wird, dieser mit einem Aluminiumdeckel verschlossen wird und anschließend unter Wasser isotropem Druck ausgesetzt wird, um das Druckbelastungsgewicht, das auf die durch den Außenumfangsabschnitt der Katalysatordose gehaltene Wabenstruktur lastet, nachzustellen. Die isostatische Festigkeit ist als Wert des Drucks dargestellt, der im Moment der Zerstörung der Wabenstruktur angelegt wird, und ist in der Vorschrift Nr. M505-87 der Kraftfahrzeugnormen der Society of Automotive Engineers of Japan, Inc. festgeschrieben (JASO-Norm). Üblichweise wird für Abgasreinigungskatalysatoren für Kraftfahrzeuge eine Eindosungsstruktur verwendet, die die Tatsache nutzt, dass der Außenumgangsabschnitt die Wabenstruktur hält, und natürlich ist es vom Standpunkt der Eindosung aus betrachtet umso besser, je höher die isostatische Festigkeit ist.
Die Ergebnisse des Prüfung auf isostatische Zerstörungsfestigkeit, bei der die Druckkraft des Wassers von allen Seiten an die Wabenstruktur angelegt werden, sind in 8 für die erste und der zweite Ausführungsform sowie für das erste Vergleichsbeispiel angegeben, wobei die Messwerte des Vergleichsbeispiels 1 als Referenzwerte verwendet und die anderen Proben standardisiert wurden. Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der ersten Ausführungsform wies eine höhere isostatische Zerstörungsfestigkeit als der Wabenstrukturartikel gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel auf. Es wird davon ausgegangen, dass bei normalen Wabenstrukturen wie in dem ersten Vergleichsbeispiel eine Zerstörung schon bei relativ niedrigen Stärken auftritt, wenn bei der Herstellung Verformungen der Zellwände und Verformungen der Zellengitter auftreten, wobei dieser verformte Abschnitt den Beschreibungspunkt bildet. Andererseits wird davon ausgegangen, dass bei der ersten Ausführungsform, bei der die Wände wellenförmig ausgebildet sind, in der gesamten Wabenstruktur die Druckkraft von den wellenförmigen Wänden absorbiert wird und somit die Zerstörungsfestigkeit erhöht ist. Aufgrund dieser Faktoren wies die zweite Ausführungsform Eigenschaften auf, die zwischen der ersten Ausführungsform und dem ersten Vergleichsbeispiel lagen.
Druckbeanspruchungsprüfung
Die JASO-Norm M505-87 legt nahe, die Druckbeanspruchungsprüfung in der A-Achsen-, B-Achsen- und C-Achsenrichtung einer quadratischen Zelle durchzuführen. Die Methode zur Entnahme einer Messprobe ist in 9 dargestellt. Für die A-Achsen-Zerstörungsfestigkeit wird eine zylindrische Probe (A-Achsen-Probe 82) mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Länge von 25,4 mm aus der Wabenstruktur 81 entnommen, sodass die Längsrichtung der Zylinderform entlang der Zell durchlassrichtung (der A-Achse) verläuft. Die Festigkeit ist jener Wert, der durch Dividieren der die A-Achsen-Probe in der Zelldurchlassrichtung komprimierenden Zerstörungsbelastung durch die Fläche der Kompressionsebene erhalten wird. Gleichermaßen wird für die B-Achsen-Zerstörungsfestigkeit eine Probe (B-Achsen-Probe 82) in der B-Achsenrichtung, die den Wänden folgend senkrecht zur A-Achsenrichtung verläuft, genommen und gemessen, und für die C-Achsen-Zerstörungsfestigkeit wird eine Probe (C-Achsen-Probe 83) in der C-Achsenrichtung, die senkrecht zur A-Achsenrichtung steht und am Zelldurchlassquerschnitt um 45° von der B-Achsenrichtung gedreht ist, genommen und gemessen.
Die Ergebnisse der Druckbeanspruchungsprüfung sind in 10 dargestellt, wobei die Messwerte des Vergleichsbeispiels 1 als Referenzwerte verwendet und die anderen Proben standardisiert wurden. Wie aus den Ergebnissen der ersten und zweiten Ausführungsform hervorgeht, nimmt die Druckbeanspruchungsfestigkeit bei wellenförmigen Wänden in der A-Achsenrichtung ab, tendiert aber in der B-Achsenrichtung zu einem Anstieg. Es kann also davon ausgegangen werden, dass dieser Anstieg der Druckbeanspruchungsfestigkeit zur Verbesserung der isostatischen Festigkeit beiträgt.
Der Grund, warum bei der ersten und zweiten Ausführungsform die A-Achsen-Druckbeanspruchungsfestigkeit nicht zunimmt wie die B-Achsen Druckbeanspruchungsfestigkeit, obwohl in der A-Achsenrichtung, d. h. der Zelldurchlassrichtung, Wellen ausgebildet sind, liegt wohl darin, dass die Kompressionskraft an den Durchschneidungsabschnitten in der A-Achsenrichtung nicht absorbiert werden kann, da die Durchschneidungsabschnitte der Wände in der A-Achsenrichtung nicht wellenartig verformt sind.
Ein ähnliches Problem wurde hinsichtlich der Biegefestigkeit beobachtet. Allerdings ist die Methode des Haltens der Wabenstruktur in der Dose für Katalysatoren heutzutage üblich, wobei es am üblichsten ist, die Wabenstruktur an der Seitenfläche mithilfe einer Keramikfasermatte oder einer Drahtgeflechtmatte zu halten, sodass eine Verschlechterung der Festigkeit in der A-Achsenrichtung bei der Eindosen kein größeres Problem darstellt.
Prüfung der Temperaturwechselbeständigkeit
Die JASO-Norm M505-87 beschreibt das Verfahren zur Prüfung der Temperaturwechselbeständigkeit. Zunächst wird eine Wabenstruktur bei Raumtemperatur und vorbestimmter Feuchte in einen Elektroofen eingebracht, 20 Minuten lang gehalten, danach herausgenommen und auf feuerfeste Ziegel platziert. Wird bei der Beobachtung der äußeren Erscheinung und beim leichten Klopfen am Umfangsabschnitt der Wabenstruktur mit einem Metallstab keine Rissbildung beobachtet und ist der Klang beim Klopfen metallisch und nicht dumpf, so besteht der Artikel die Prüfung. Derselbe Prüfvorgang wird nun wiederholt ausgeführt, wobei die Ofentemperatur jedes Mal um 50 °C erhöht wird, bis der Artikel durchfällt. Fällt der Artikel bei 950 °C über Raumtemperatur durch die Prüfung, beispielsweise, so bedeutet dies, dass die Temperaturwechselbeständigkeit einen Unterschied von 900 °C aufweist. Anzumerken ist, dass die Abgastemperatur jedes Jahr ansteigt und die Katalysatorelemente immer näher am Motor angeordnet werden, sodass die Anforderungen an die Temperaturwechselbeständigkeit einer Wabenstruktur höher werden.
Die Ergebnisse der Temperaturwechselbeständigkeitsprüfung sind in 11 aufgeführt, wobei die Messwerte des Vergleichsbeispiels 1 als Referenzwerte verwendet und die Ergebnisse der anderen Proben standardisiert wurden. Die Temperaturwechselbeständigkeit der ersten Ausführungsform war höher als jene des ersten Vergleichbeispiels. Die zweite Ausführungsform wies eine Temperaturwechselbeständigkeit auf, die einen Mittelwert zwischen jener der ersten Ausführungsform und des ersten Vergleichbeispiels bildete. Somit kann angenommen werden, dass die Ausbildung von Wänden in Wellenform die Absorption der Wärmebelastungsverformung insgesamt erleichtern, wodurch die Temperaturwechselbeständigkeit ansteigt.
Messung des Prozentsatzes der Wasserabsorption
Die Prüfung des Prozentsatzes der Wasserabsorption wird durchgeführt, indem zuerst die Trockenmasse (M₁) der Wabenstruktur, als der zu messenden Probe, gemessen wird, danach wird die Probe mit vertikaler Zellrichtung in Wasser gelegt, die Probe nach einer Minute im Wasser aus dem Wasser herausgenommen und überschüssiges Wasser leicht abgeschüttelt. Dann wird die Probe erneut mit vertikal ausgerichteter Zellrichtung in Wasser gelegt und die Probe nach einer Minute aus dem Wasser herausgenommen. Die Probe wird nun mit vertikaler Zellrichtung auf ein Förderband gelegt, unter einer Luftdüse durchgeführt, die sich in Richtungen vorund zurückbewegt, die in rechten Winkeln zur Förderrichtung des Förderbands stehen, und die Wasserabsorptionsmasse (M₂) wird gemessen, nachdem das überschüssige Wasser von der Düse abgeblasen wurde. Der Prozentsatz der Wasserabsorption W_ab wird berechnet als W_ab = (M₁ – M₂)/M₁ × 100 (Gew.-%).
Die Ergebnisse der Wasserabsorptionseigenschaften der Proben, erhalten durch, ein solches Prüfverfahren, sind in 12 dargestellt, wobei das Vergleichsbeispiel 1 als Referenzwert verwendet wurde. Wie aus 12 deutlich hervorgeht, steigt der Prozentsatz der Wasserabsorption bei gleicher Zellendichte mit den durch die Wellenformen der Wände vergrößerten Bereichen, d. h. mit vergrößerter Oberfläche.
Was den Wash-Coat aus γ-Aluminiumoxid an der Wabenstruktur betrifft, so ist ein höherer Prozentsatz der Wasserabsorption umso bevorzugter, und die Menge des Wash-Coats aus γ-Aluminiumoxid nimmt zu, da eine verbesserte katalytische Reinigungsfähigkeit in letzter Zeit auch immer größere Menge an Katalysator aufgebracht werden. Derzeit ist somit ein höherer Prozentsatz der Wasserabsorption bevorzugt; da auch die pro Coat aufgetragene Beschichtungsmenge ansteigt. Folglich weist die Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung mit wellenförmigen Wänden ausgezeichnete Halteeigenschaften für den Wash-Coat auf und ist somit vom Standpunkt des Auftragens eines Katalysators vorteilhafter als normale Wabenstrukturen.
Im Obigen wurde eine Beschreibung der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eines Verfahrens zur Herstellung derselben abgegeben, in erster Linie Bezug nehmend auf eine Anordnung mit Zellen mit quadratischer Querschnittsform, die gute mechanische Eigenschaften aufweist und leicht herzustellen ist; es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch auf Wabenstrukturen mit anderen Zellenquerschnittsformen angewendet werden. Das heißt, dass alle oder ein Teil der Wände in Wabenstrukturen mit dreieckigem oder hexagonalem Zellenquerschnitt auch wellenförmig ausgebildet werden können.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben wurde, können mit der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung und mit dem Verfahren zur Herstellung derselben verschiedene Vorteile erzielt werden, etwa die verbesserte Abgasreinigungsfähigkeit und Katalysatorfähigkeit, die verbesserte mechanische Festigkeit zum Einblechen und eine weiter verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit, was bedeutet, dass die vorliegende Erfindung herausragende Vorteile mit sich bringt, die den Einbau näher am Verbrennungsmotoren, etwa an Motoren mit höherem Abgasdruck und höheren Abgastemperaturen, ermöglichen. Zudem verbessern sich die Wash-Coat-Eigenschaften, was für die Herstellungsverfahren von Abgaskatalysatoren von Vorteil ist. Die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung als Abgasreinigungskatalysatorträger für Verbrennungskraftmaschinen oder als Geruchsbeseitigungskatalysatorträger für Fahrzeugabgase und dergleichen, als Filter für verschiedenste Filtrationsvorrichtungen, als Wärmetauschereinheit oder als Träger chemischer Reaktoren, etwa als Modifizierungskatalysatorträger für Brennstoffzellen und dergleichen, geeignet.

Claims

Wabenstruktur (1, 11, 31, 41) mit wellenförmigen Wänden, die eine Vielzahl an Zelldurchlässen (2, 12, 32, 42) aufweist, die in Kanalrichtung parallel zueinander stehen, worin: (i) Durchschneidungsabschnitte (4) zwischen Wänden (3), welche die Zelldurchlässe abteilen, ausgebildet sind, um in senkrecht zu den Zelldurchlässen verlaufenden Querschnitten einen vorbestimmten Abstand aufrechtzuerhalten, und systematisch angeordnet sind; und (ii) die Wandflächenabschnitte (5, 15, 35A, 45A) der Wände mit Ausnahme der Durchschneidungsabschnitte (4) so ausgebildet sind, dass sie in der senkrecht zur Zelldurchlassrichtung stehenden Querschnittsrichtung eine gewellte Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass (iii) die Wandflächenabschnitte der Wände mit Ausnahme der Durchschneidungsabschnitte so ausgebildet sind, dass sie auch in der Zelldurchlassrichtung eine gewellte Form aufweisen; und (iv) bei jedem Zelldurchlass die Wandflächenabschnitte eines Paars aus gegenüberliegenden Wänden so ausgebildet sind, dass sie eine gewellte Form aufweisen, sodass Einbuchtungen und Ausbauchungen an einem Wandflächenabschnitt und Einbuchtungen und Ausbauchungen am anderen Wandflächenabschnitt so angeordnet sind, dass jeweils die Ausbauchungen einander gegenüberliegen und die Einbuchtungen einander gegenüberliegen; oder (v) bei jedem Zelldurchlass die Wandflächenabschnitte eines Paars aus gegenüberliegenden Wänden so ausgebildet sind, dass sie eine gewellte Form aufweisen, sodass Einbuchtungen und Ausbauchungen an einem Wandflächenabschnitt und Einbuchtungen und Ausbauchungen am anderen Wandflächenabschnitt so angeordnet sind, dass jeweils die Ausbauchungen den Einbuchtungen gegenüberliegen und die Einbuchtungen den Ausbauchungen gegenüberliegen; oder (vi) weitere Wände (35B, 45B) von flacher Form bereitgestellt sind, die zwischen gewellten Wänden angeordnet sind, wobei Einbuchtungen und Ausbauchungen an einer gewellten Wand und Einbuchtungen und Ausbauchungen an einer benachbarten gewellten Wand so angeordnet sind, dass jeweils die Ausbauchungen einander über die flachen Wände gegenüberliegen, oder dass die Ausbauchungen und Einbuchtungen einander über die flachen Wände gegenüberliegen.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 1, worin die flachen Wände zwischen den Wänden mit gewellter Form angeordnet bereitgestellt sind.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 1 oder 2, worin bei jedem Zelldurchlass zumindest eine der Vielzahl an Wänden, die den Zelldurchlass bilden, in einer gewellten Form ausgebildet ist.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 1 bis 3, worin die wellenförmige Verformung der Wände mit gewellter Form am Außenabschnitt stärker als am Mittelabschnitt ist.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Scheitelwert der wellenförmigen Verformung der Wände mit gewellter Form 150 % der Dicke der Wände oder mehr beträgt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine Linie, welche die höchsten Abschnitte der Ausbauchungen und/oder die tiefsten Abschnitte der Einbuchtungen der in der Zelldurchlassrichtung mit gewellter Form ausgebildeten Wandflächenabschnitte verbindet, ein Muster des sich Hinwendens zu der vertikal zur Zelldurchlassrichtung stehenden Richtung wiederholt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin Zelldurchlässe, die durch die Wandflächenabschnitte der mit gewellter Form ausgebildeten Wände gebildet sind, und Zelldurchlässe, die durch die Wandflächenabschnitte der mit flacher Form ausgebildeten Wände gebildet sind, diskontinuierlich auftreten und koexistieren.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend einen Zelldurchlassbereich A (21), die vom Mittelpunkt aus mit einem im Allgemeinen kreisrunden Querschnitt gebildet ist, und einen Zelldurchlassbereich B (22), der von der Außenseite des Zelldurchlassbereichs A (21) aus mit einem im Allgemeinen ringförmigen Querschnitt gebildet ist, worin der Zelldurchlassbereich A Zelldurchlässe umfasst, die durch die Wandflächenabschnitte der mit gewellter Form ausgebildeten Wände gebildet sind; und worin der Zelldurchlassbereich B Zelldurchlässe umfasst, die durch die Wandflächenabschnitte der mit flacher Form ausgebildeten Wände gebildet sind; und worin die Dicke der Wände der Zelldurchlässe im Zelldurchlassbereich B größer ist als die Dicke der Wände der Zelldurchlässe im Zelldurchlassbereich A, und worin außerdem die Dicke dieser vom Innenumfangsabschnitt zum Außenumfangsabschnitt hin schrittweise zunimmt oder nur in der Umgebung der Grenzbereiches zwischen Bereich A und Bereich B in Stufen zunimmt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Material dieser eines aus der folgenden Gruppe an Keramikmaterialien oder eine Zusammensetzung aus einer Vielzahl dieser ist: Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Lithiumaluminiumsilicat, Aluminiumtitanat, Titandioxid, Zirconiumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid, oder eines aus der folgenden Gruppe ist: Edelstahl, eine Aluminiumlegierung; oder ein Adsorbens aus Aktivkohle, Silicalgel oder Zeolith ist.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 9, worin die Porosität des verwendeten Materials zwischen 45 % und 80 % beträgt.
Feinpartikel-Beseitigungsfilter mit einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 10, umfassend Filtrationsschichten aus Wänden, welche die Zelldurchlässe abteilen, indem ein Ende von bestimmten Zelldurchlässen der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden verschlossen wird und das andere Ende der verbleibenden Zelldurchlässe ebenfalls verschlossen wird.
Feinpartikel-Beseitigungsfilter nach Anspruch 11, worin die Oberflächenrauigkeit der wellenförmigen Wände der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden 10 % oder mehr im Valley Level aufweist.
Feinpartikel-Beseitigungsfilter nach Anspruch 11, worin die Wanddicke der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden in etwa 0,2 bis 1,2 mm beträgt.
Feinpartikel-Beseitigungsfilter nach Anspruch 11, worin die Zellendichte der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden in etwa 50 bis 600 cpsi (Zellen pro Quadratzentimeter) beträgt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die als Abgasreinigungskatalysatorträger für Fahrzeuge verwendet wird und einen Katalysator an der Oberfläche der Zellwandfronten und/oder in Mikroporen in den Wänden der Wabenstruktur trägt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15, worin die Wanddicke der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden in etwa 0,01 bis 0,12 mm beträgt.
Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15, worin die Zellendichte in etwa 200 bis 3.000 cpsi (Zellen pro Quadratzoll) beträgt.
Abgaseinigungskatalysator, der die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet.
Abgaseinigungskatalysator nach Anspruch 18, worin die Katalysatorkomponente zumindest eine aus der folgenden Gruppe oder eine Verbindung einer Vielzahl dieser ist: ein Dreiwegekatalysator, ein Oxidkatalysator, ein NO_x reduzierender Katalysator, ein Sulfidkatalysator, ein flüchtiges, organisches Gas (VOC, gasförmige organische Verbindungen) und ein Dioxine zersetzender/entfernender Katalysator.
Abgaseinigungskatalysatorsystem, umfassend eine Vielzahl an Abgaseinigungskatalysatoren nach Anspruch 18 und eine Vielzahl an Abgaskatalysatoren, in denen ein Katalysator auf einer normalen flachwandigen Wabenstruktur getragen ist, wobei die Abgaskatalysatoren alternierend in Reihen angeordnet sind.
Abgaseinigungskatalysatorsystem, worin der Abgaseinigungskatalysator nach Anspruch 18 an der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist und das Feinpartikel-Beseitigungsfilter nach Anspruch 11 oder ein Feinpartikel-Beseitigungsfilter, das eine normale, flachwandige Wabenstruktur umfasst, an der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasanlage angeordnet ist.
Abgaseinigungskatalysatorsystem nach Anspruch 21, worin jedes der Feinpartikel-Beseitigungsfilter ein einfach austauschbares Patronenfilter ist.
Abgaseinigungssystem, welches die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet, um Feinpartikelstoffe im Abgas einzufangen, wobei das Abgaseinigungssystem Folgendes umfasst: Mittel zum Beladen der Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden und zum elektrischen Einfangen der Feinpartikelstoffe.
Abgaseinigungssystem, welches die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet, um Feinpartikelstoffe im Abgas einzufangen, wo bei das Abgasreinigungssystem ein nicht-thermisches Gleichgewichtsplasma (nicht-thermisches Plasma) oder ein Mikrowellentladungsplasma ist.
Brennstofftank-Verdampfungssystem, welches die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet, um den Austritt flüchtiger Komponenten des Brennstoffs nach außen zu verhindern.
Abgaseinigungssystem nach Anspruch 24 oder 25, worin die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden die Konfiguration einer einfach austauschbaren Patrone aufweist.
Brennstoffzellensystemkomponente, welche die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet.
Verbundplatte, welche die Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach Anspruch 15 verwendet.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin eine Rückwand mit benachbarten Durchgangslöchern mit unterschiedlichem Materialdurchflusswiderstand als Düsenmaterial zur Strangpressformung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, worin sich die Dicke der Rückwand vom Außenabschnitt aus zum Mittelabschnitt hin ändert.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, worin die Rückwand Durchgangslöcher A und Durchgangslöcher B mit unterschiedlichem Lochdurchmesser aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur mit wellenförmigen Wänden nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Wellen in einer Metallfolie durch vorheriges plastisches Bearbeiten ausgebildet werden und die Metallfolie dann gewellt gewickelt wird, wodurch eine Metallwabenstruktur erhalten wird.