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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial, und
insbesondere betrifft sie ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial mit
ausgezeichneter Hitzebeständigkeit,
Kompressionswiderstand und Winderosionsbeständigkeit. Die vorliegende Erfindung
betrifft auch einen katalytischen Umwandler, der mit dem Katalysatorträger-Halterungsmaterial
gefüllt
ist. Der katalytische Umwandler der Erfindung kann vorteilhaft zur
Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, wie etwa der eines
Kraftfahrzeugs, verwendet werden. Der katalytische Umwandler ist
bevorzugt ein katalytischer Umwandler, der ein katalytisches Element
in seinem Gehäuse
aufweist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Abgasreinigungssysteme,
die keramische katalytische Umwandler verwenden, sind als Mittel
zum Entfernen des Kohlenmonoxids (CO), der Kohlenwasserstoffe (HC),
der Stickstoffoxide (NOx), die im Abgas von Kraftfahrzeugsmotoren
enthalten sind, bekannt. Ein keramischer katalytischer Umwandler
umfasst im Grunde einen keramischen Katalysatorträger (der
für gewöhnlich als „katalytisches
Element" bezeichnet
wird), zum Beispiel in Form einer Wabe, der in einem Metallgehäuse oder
einer Ummantelung angeordnet ist.
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Bekanntlich
gibt es viele verschiedene Typen von keramischen katalytischen Umwandlern,
doch weist die übliche
verwendete Konstruktion im Zwischenraum zwischen dem ummantelten
Katalysatorträger
und dem Gehäuse
eine Füllung
aus wärmeisolierendem
Material auf, das typisch aus einer Kombination von anorganischen
Fasern und organischen Fasern und/oder einem allgemein flüssigen oder
pasteartigen organischem Bindemittel besteht, wie zum Beispiel in
den ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichungen
(Kokai) 57-61686 ,
59-10345 und
61-239100 offenbart. Das
wärmeisolierende
Material, das die Zwischenräume
füllt, hält somit
den Katalysatorträger
und kann verhindern, dass unerwartete mechanische Erschütterung
durch Aufprall oder Vibrationen auf den Katalysatorträger einwirken.
Da bei diesem Konstruktionstyp der Katalysatorträger in einem katalytischen
Umwandler nicht zerstört
oder verschoben wird, kann der gewünschte Betrieb über lange
Zeiträume
ausgeführt
werden.
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Im Übrigen ist
es vorzuziehen, dass katalytische Umwandler bei höheren Temperaturen
betrieben werden, um die Abgasreinigung zu verbessern und die Verbrennung
zu steigern. Besonders in den letzten Jahren bestand, mit der Hinwendung
zu strengeren Abgasstandards mit dem Ziel die Umwelt zu schützen, ein
Trend hin zu wirksamerer Reinigung von Abgasen durch Erhöhen der
Betriebstemperatur. Tatsächlich
haben die Betriebstemperaturen von katalytischen Umwandlern 800–1000°C und sogar
mehr erreicht. Doch können
Isoliermaterialien, wie die in den oben aufgeführten ungeprüften Patentveröffentlichungen
offenbarten, auf Grund ihrer Zusammensetzung und aus andere Gründen nicht
für Betriebstemperaturen
in solch hohen Bereichen verwendet werden.
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Die
Aufmerksamkeit wird seit Neuestem auf Isoliermaterialien gerichtet,
die hauptsächlich
aus kristallinen Aluminiumoxidfasern bestehen, die hohen Betriebstemperaturen
widerstehen können,
und es wurden Erzeugnisse eingeführt,
die diese verwenden. Als ein Beispiel offenbart die ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
(Kokai) 7-286514 ein Halterungsmaterial (einem Isoliermaterial
entsprechend) zur Verwendung in einer Abgasreinigungsvorrichtung,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus einer Decke gebildet
ist, in der kristalline Aluminiumoxidfasern in Schichten angeordnet
sind und Abschnitte der Fasern durch Nadelung in senkrechter Richtung
zur Schichtoberfläche
angeordnet werden. Die für
dieses Halterungsmaterial verwendeten Aluminiumoxidfasern müssen eine
Mullitzusammensetzung mit einem Gewichtsverhältnis von Aluminiumoxid zu
Siliciumoxid von 70:30 bis 74:26 aufweisen. Wenn sich das Gewichtsverhältnis von
Aluminiumoxid zu Siliciumoxid außerhalb dieses Bereichs befindet,
verschleißen
die Fasern bei hohen Temperaturen durch Kristallisation und Kristallwachstum
viel schneller, so dass das Material der Verwendung über längere Zeiträume nicht
standhalten kann.
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Dennoch
weist das in der ungeprüften
japanischen Patentveröffentlichung
(Kokai) 7-286514 beschriebene Halterungsmaterial für die Abgasreinigungsvorrichtung
nicht nur die gewünschte
Funktion und Wirkung nur dann auf, wenn Aluminiumoxidfasern mit
einer Mullitzusammensetzung im oben aufgeführten begrenzten Bereich verwendet
werden, sondern die Verwendung von Aluminiumoxidfasern mit einem
geringen Mullitanteil (zum Beispiel einige wenige Prozent) führt auch
zu einer erhöhten
plastischen Verformung und einer mangelhaften Erhaltung des Haltevermögens (Kompressionswiderstand)
in hohen Temperaturbereichen. Des Weiteren ist es sehr schwer, einen
hohen Kompressionswiderstand über
längere
Zeiträume
zu erhalten, da der Kompressionswiderstand dazu neigt, infolge der
Verwendung bei hoher Temperatur schnell abzunehmen, selbst wenn
der Kompressionswiderstand im Anfangsstadium zufriedenstellend ist.
Andererseits wird bei Verwendung von Aluminiumoxidfasern mit einem
hohen Mullitanteil (zum Beispiel 75% oder mehr) der Kompressionswiderstand
in hohen Temperaturbereichen auf Grund verminderter plastischer
Verformung verbessert, aber die größere Sprödigkeit, die ebenfalls auftritt,
führt zu
leichterem Bruch der Aluminiumoxid fasern, so dass es unmöglich ist,
die Verschlimmerung der „Winderosion" (ein Phänomen, bei
dem das Halterungsmaterial durch Winddruck an beiden Enden abbröckelt) zu
vermeiden. Die fortschreitende Winderosion verursacht das Schwinden
der Oberfläche
des Halterungs materials, das Haltekraft aufweisen soll, und dies
führt zu
geringerem Gesamtkompressionswiderstand und somit zu Komplikationen,
wie etwa das Verschieben des Katalysatorträgers. Diese Eigenschaften sind
gegensätzlich
und es ist vorzuziehen, ein Halterungsmaterial für eine Abgasreinigungsvorrichtung
bereitzustellen, das gleichzeitig beide Eigenschaften eines hohen
Kompressionswiderstands in hohen Temperaturbereichen und seine Beibehaltung
zusammen mit ausgezeichnetem Winderosionswiderstand aufweist.
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Die
US-Patentschrift A-5,580,532 offenbart
ein Gerät
zur Behandlung von Abgasen, wie etwa einen katalytischen Umwandler,
einen Dieselpartikelfilter und dergleichen, das Folgendes umfasst:
ein Gehäuse
mit einem Einlass an einem Ende und einem Auslass an seinem gegenüberliegenden
Ende, durch das Abgase strömen;
eine innerhalb des Gehäuses
elastisch angebrachte Struktur, wobei die Struktur eine äußere Oberfläche und
eine Einlassendeoberfläche
an einem Ende aufweist, die mit dem Einlass des Gehäuses in
Verbindung steht, sowie eine Auslassendeoberfläche am gegenüberliegenden
Ende, die mit dem Auslass des Gehäuses in Verbindung steht; und
Befestigungsmittel, die zwischen der Struktur und dem Gehäuse angeordnet sind,
um selektiv einen im Wesentlichen stabilen Befestigungsdruck gegen
das Gehäuse
und die Struktur über einen
Temperaturbereich von etwa 20°C
bis mindestens etwa 1200°C
auszuüben,
wobei das Befestigungsmittel eine flexible Befestigungsmatte ist,
die eine integrierte, im Wesentlichen nicht dehnbare Platte enthält, die Keramikfasern
umfasst, wobei die Fasen im Wesentlichen frei von Shots (nicht verfaserte
Keramikbestandteile) sind. Die Matte weist eine flexible, strukturelle
Integrität
auf. Ein Verfahren zur Befestigung einer fragilen Struktur in einer
Einheit wird ebenfalls beschrieben.
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Die
US-Patentschrift A-4,159,205 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxid- oder Zirko niumoxidfaser,
das das Verfasern einer Flüssigkeit
umfasst, die Milchsäure
und eine oxidierbare Verbindung enthält, die aus Aluminiumoxidchlorid,
Zirkoniumacetat und Zirkoniumoxychlorid ausgewählt ist, sowie die resultierenden
Fasern. Die Flüssigkeit
enthält
optional auch kolloidales Siliciumoxid.
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WO-A-99/46028 offenbart
ein Trageelement, das zwischen einem Gehäuse und einer fragilen Struktur angeordnet
und innerhalb des Gehäuses
elastisch befestigt ist. Das Trageelement enthält eine integrierte, im Wesentlichen
nicht dehnbare Lage oder Schicht aus schmelzgeformten Keramikfasern,
die mindestens Aluminiumoxid und Siliciumoxid enthalten. Die Fasern
weisen einen mittleren Durchmesser im Bereich von etwa 1 Mikron
bis etwa 14 Mikron auf und sind wärmebehandelt, indem die Fasern über einen
Zeitraum von 30 Minuten bei einer Temperatur von mindestens 1100°C oder über einen
Zeitraum von mindesten einer Stunde bei einer Temperatur von mindestens
990°C behandelt
wurden. Die entstandenen wärmebehandelten
Fasern besitzen geeignete Handhabungseigenschaften, weisen mindestens
etwa 5 bis etwa 50 Prozent Kristallinität, nachgewiesen mit Röntgenstrahlenbeugung,
auf und weisen eine Kristallitgröße von etwa
50 Å bis
etwa 500 Å auf.
Das entstandene Trageelement stellt einen minimalen Restdruck von
mindestens 4 psi zum Halten der fragilen Struktur innerhalb des
Gehäuses
nach 200 Testzyklen bei 900°C
bereit. Dieses Trageelement kann in Geräten zur Behandlung von Abgasen
verwendet werden, wie etwa in einem katalytischen Umwandler, Dieselpartikelfilter
und dergleichen. Ein Verfahren zur Befestigung einer fragilen Struktur
in solch einem Gerät
ist ebenfalls offenbart.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Wie
oben erläutert,
wurden in der Vergangenheit verschiedene Typen von Isoliermaterialien
zur Anwendung in katalytischen Umwandlern vorgeschlagen, aber all
diese Isoliermaterialien bieten Raum zur Verbesserung.
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Deshalb
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial
bereitzustellen, das Hitzebeständigkeit,
hohen Kompressionswiderstand in hohen Temperaturbereichen und ausgezeichneten
Winderosionswiderstand aufweist und das insbesondere in katalytischen
Umwandlern verwendbar ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen katalytischen Umwandler
bereitzustellen, der zum Zweck der Wärmeisolation, des Haltens des
Katalysatorträgers
usw. mit solch einem Katalysatorträger-Halterungsmaterial gefüllt ist.
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Eine
noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen katalytischen Umwandler
bereitzustellen, der vorteilhaft zur Behandlung von Abgasen in einem
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen verwendbar
ist.
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Diese
und weitere Aufgaben der Erfindung werden aus der ausführlichen
Beschreibung leicht verständlich,
die hiernach folgt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
die oben genannten Probleme durch ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial
nach Anspruch 1 gelöst
werden.
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Die
im Katalysatorträger-Halterungsmaterial
verwendeten anorganischen Fasern sind ein Gemisch von Fasern, die
weniger als 10% Mullit enthalten, und Fasern, die mehr als 70% Mullit
enthalten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auch ein katalytischer Umwandler bereitgestellt,
der mit einem Gehäuse,
einem katalytischen Element in dem Gehäuse und einem Katalysatorträger-Halterungsmaterial,
das zwi schen dem Gehäuse
und dem katalytischen Element angeordnet ist, ausgestattet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine auseinander gezogene Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines katalytischen Umwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Diagramm, das einen Zeitverlauf der Veränderungen des Haltevermögens bei
900°C darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen
erklärt.
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Der
katalytische Umwandler gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen Aufbau auf, der mindesten ein Gehäuse und
ein in dem Gehäuse
angeordnetes katalytisches Element aufweist, wobei ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial
gemäß der Erfindung,
das hiernach im Einzelnen beschrieben wird, derart zwischen das
Gehäuse
und das katalytische Element gefüllt
ist, dass es das katalytische Element umschließt. Je nach dem Verwendungszweck
kann das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
in einen Abschnitt des katalytischen Elements eingefüllt werden
oder in das gesamte katalytischen Element. Bei Bedarf können Befestigungsmittel wie
etwa ein Drahtgeflecht als Ergänzungsmittel
verwendet werden. Das Katalysatorträger-Halterungsmaterial wird
bevorzugt mit geeigneter Kompression verwendet, so dass es die richtige
Dichte aufweist, wenn es in das Gehäuse eingefüllt wird. Kompressionsverfahren
sind u. a. Greiferkompression, Stopfkompression, Tourniquet-Kompression
und dergleichen.
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Der
katalytische Umwandler der vorliegenden Erfindung umfasst viele
Typen von katalytischen Umwandlern, ist jedoch bevorzugt ein katalytischer
Umwandler, der mit einem monolithisch geformten katalytischen Element
ausgestattet ist, z. B. ein monolithischer katalytischer Umwandler.
Dieser Typ eines katalytischen Umwandlers weist ein katalytisches
Element mit einem wabenförmigen
Querschnitt mit kleinen Kanälen auf
und ist deshalb kleiner als herkömmliche
katalytische Umwandler des Pellet-Typs, und die Abgaskontaktfläche kann
ausreichend gesichert werden, während
gleichzeitig der Abgaswiderstand minimiert wird; infolgedessen ist
es möglich,
Abgas auf wirksamere Weise zu behandeln.
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Der
katalytische Umwandler der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft
für die
Behandlung von Abgas verwendet werden, wenn er mit verschiedenen
Typen von Verbrennungsmotoren kombiniert wird. Die ausgezeichnete
Funktion und Wirkung sind in ausreichender Art und Weise vorhanden,
wenn der katalytische Umwandler der Erfindung in ein Abgassystem
eines Kraftfahrzeugs, wie etwa eines Pkw, Bus, Lkw oder dergleichen,
eingebaut wird.
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1 ist
eine Perspektivansicht, die ein typisches Beispiel eines katalytischen
Umwandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und sie zeigt zur besseren Erklärung des Aufbaus eine auseinander
gezogene Ansicht des katalytischen Umwandlers. Der dargestellte
katalytische Umwandler 10 ist mit einem Metallgehäuse 11,
einem monolithischen katalytischen Element 20 innerhalb
des Metallgehäuses 11 und
einem Katalysatorträger-Halterungsmaterial 30,
das zwischen dem Metallgehäuse 11 und
dem katalytischen Element 20 angeordnet ist, ausgestattet.
Das Katalysatorträger-Halterungsmaterial 30 ist
aus anorganischen Fasern aufgebaut, die aus Aluminiumoxid und Siliciumoxid
bestehen oder diese aufweisen, und der Mullitanteil der anorganischen
Fasern liegt im erfindungsgemäßen Bereich.
Wie unten im Einzelnen erklärt
wird, weist das Katalysatorträger-Halterungsmaterial 30 eine
Beschichtung 31 auf, um die Oberfläche vor Beschädigung zu schützen. Die
Beschichtung 31 kann selbstverständlich weggelassen werden,
wenn sie nicht nötig
ist. Ein Abgaseinlass 12 und ein Abgasauslass 13,
jeweils mit einer Kegelstumpfform, sind in die Form des katalytischen Umwandlers 10 eingebunden.
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Konkreter
weist das massive katalytische Element in dem Metallgehäuse einen
Keramikkatalysatorträger
mit Wabenstruktur auf, die mehrere Abgaskanäle (nicht gezeigt) besitzt.
Das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
der Erfindung ist derart angeordnet, dass es das katalytische Element
umhüllt.
Zusätzlich
zur Funktion als Isoliermaterial hält das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
auch das katalytische Element innerhalb des Metallgehäuses und
dichtet den zwischen dem katalytischen Element und dem Metallgehäuse erzeugten
Zwischenraum ab, entweder um zu verhindern, dass das Abgas um das
katalytische Element herum strömt
oder mindestens um eine solchen unerwünschten Strom zu minimieren.
Das katalytische Element ist fest und elastisch im Inneren des Metallgehäuses gelagert.
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Das
Metallgehäuse
im katalytischen Umwandler der vorliegenden Erfindung kann aus jedem
der verschiedenen Metallmaterialien hergestellt sein, die auf dem
Gebiet öffentlich
bekannt sind, und in jeder gewünschten
Form je nach der vorgesehenen Funktion und Wirkung. Ein geeignetes
Metallgehäuse
besteht aus rostfreiem Stahl in der in 1 gezeigten
Form. Bei Bedarf kann das Metallgehäuse selbstverständlich in
jeder gewünschten
geeigneten Form aus einem Metall, wie etwa Aluminium oder Titan,
oder einer Legierung daraus hergestellt werden.
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Wie
das Metallgehäuse
ist auch das massive katalytische Element für gewöhnlich aus der gleichen Art von
Material hergestellt, das für
gebräuchliche
katalytische Umwandler verwendet wird, und in ähnlicher Form. Ge eignete katalytische
Elemente, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, sind u. a. solche
aus Metall, Keramik und dergleichen. Ein verwendbares katalytisches
Element ist zum Beispiel in der wieder ausgegebenen
US-Patentschrift 27,747 offenbart. Keramische
katalytische Elemente sind handelsüblich von Corning Inc., USA,
und anderenorts beziehbar. Zum Beispiel sind wabenförmige keramische
Katalysatorträger
handelsüblich
von Corning Inc. unter dem Handelsnamen „CELCOR" und von NGK Insulated Ltd. unter dem
Handelsnamen „HONEYCERAM" beziehbar. Metallene
katalytische Elemente sind handelsüblich von Behr GmbH & Co. KG, Deutschland,
beziehbar. Für
eine ausführliche
Beschreibung hinsichtlich monolithischer Katalysatoren wird zum
Beispiel auf „System
Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters" von Stroom u. a.,
SAE Technical Papers, Dokument Nr. 900500, „Thin Wall Ceramics as Monolithic
Catalyst Support" von Howitt
u. a., SAE Technical Papers, Dokument Nr. 800082 und „Flow Effect
in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converter" von Howitt u. a.,
SAE Technical Papers, Dokument Nr. 740244 verwiesen.
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Bei
den Katalysatoren, die in den oben genannten katalytischen Elementen
zu tragen sind, handelt es sich für gewöhnlich um Metalle wie etwa
Platin, Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium usw. und
um Metalloxide wie etwa Vanadiumpentaoxid, Titandioxid usw., und
sie sind bevorzugt zur Verwendung beschichtet. Eine ausführliche
Erklärung
zur Beschichtung solcher Katalysatoren ist in der
US-Patentschrift 3,441,381 zu finden.
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Bei
der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann der katalytische
Umwandler mit jedem gewünschten
Aufbau und Verfahren hergestellt werden, sofern diese im Schutzumfang
der Erfindung liegen. Der katalytische Umwandler wird zum Beispiel
im Wesentlichen durch Anordnen eines beispielsweise waben förmigen Keramikkatalysatorträgers (katalytisches
Element) in einem Metallgehäuse
hergestellt, und es wird insbesondere bevorzugt, das katalytische
Element durch Tragen einer Katalysatorschicht (Katalysatorbeschichtung),
die zum Beispiel ein Edelmetall wie Platin, Rhodium oder Palladium
aufweist, auf einem wabenförmigen
Keramikmonolithen herzustellen. Der Einsatz solch eines Aufbaus
kann eine wirksame katalytische Funktion bei relativ hohen Temperaturen
zeigen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das erfindungsgemäße Katalysatorträger-Halterungsmaterial zwischen
dem Metallgehäuse
und dem katalytischen Element darin angeordnet. Das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
kann aus einem einzigen Element aufgebaut sein, oder es kann aus
zwei oder mehr Elementen in einer verleimten oder verbundenen Art
und Weise aufgebaut sein. Für
gewöhnlich
ist es vom Standpunkt der Handhabbarkeit vorteilhaft, wenn das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
die Form einer Matte, Decke oder dergleichen hat. Die Größe des Katalysatorträger-Halterungsmaterials
kann selbstverständlich
je nach dem Verwendungszweck in einem großen Bereich variiert werden.
Zum Beispiel wird, wenn ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial in Mattenform
verwendet wird, um einen katalytischen Umwandler eines Fahrzeugs zu
füllen,
das Trägermaterial
normalerweise eine Mattendicke von etwa 1,5–10,0 mm, eine Breite von etwa 100–100 mm
und eine Länge
von etwa 200–1500
mm aufweisen. Dieses Trägermaterial
kann bei Bedarf mit einer Schere, einem Cutter oder dergleichen
auf die gewünschte
Form und Größe zugeschnitten
werden.
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Die
anorganischen Fasern, aus denen das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
zusammengesetzt ist, bestehen aus anorganischen Fasern, die wie
oben erwähnt
Aluminiumoxid (Al2O3)
und Siliciumoxid (SiO2) enthalten. Die anorganischen
Fasern weisen diese zwei Komponenten Aluminiumoxid und Siliciumoxidoxid bevorzugt
mit einem Mischungsverhältnis
von Aluminiumoxid und Siliciumoxid im Bereich von 50:50 bis 80:20 auf.
Wenn das Mischungsverhältnis
von Aluminiumoxid und Siliciumoxid außerhalb dieses Bereichs liegt, wenn
zum Beispiel das Aluminiumoxidmischungsverhältnis kleiner als 50% ist,
kann dies zu einer unerwünschten
Situation des mangelhaften Wärmewiderstandes
führen.
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Der
Anteil des in diesen Fasern vorhandenen Mullits (3Al2O3·2SiO2), d. h. der Mullitanteil, liegt im Bereich
von 60–70%,
bevorzugt bei etwa 65%. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Einstellen des Mullitanteils der anorganischen
Fasern des Katalysatorträger-Halterungsmaterials
in einem Bereich von 60–70% ein
verbessertes Halterungsmaterial mit relativ hohem anfänglichen
Haltevermögen
ergeben, das gleichzeitig eine minimierte Verringerung des Haltevermögens gestattet
und verringerten Winderosionswiderstand verhindert. Übrigens
ist, wenn der Mullitanteil zu weit unter 35% liegt, das anfängliche
Haltevermögen
hoch, aber verstärkte
plastische Verformung verringert die Erhaltung des Haltevermögens in
hohen Temperaturbereichen. Wenn dagegen der Mullitanteil zu weit über 70%
liegt, kann die Verringerung der Erhaltung des Haltevermögens minimiert
werden, da eine zunehmende plastische Verformung verhindert wird;
der höhere
Mullitanteil führt
aber auch zu größerer Brüchigkeit,
was somit zu größerer Brüchigkeit
der Fasern selbst führt.
Werden die anorganischen Fasern brüchiger, neigen die Fasern dazu,
während
des Formens der Matte feiner zu brechen und dies führt zu einem
Verlust an Winderosionswiderstand, was eine weitere der wichtigen
Eigenschaften für die
Verwendung des Katalysatorträger-Halterungsmaterials
ist, sowie zu einem geringeren anfänglichen Haltevermögen.
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Im
Detail kann der Mullitanteil der anorganischen Fasern, soweit er
in der Beschreibung dieser Anmeldung genannt ist, als ein Anteil
mit Höchstfestigkeit
be zeichnet werden, der nach folgenden Verfahren bestimmt wird.
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Eine
Probe der anorganischen Fasern, für die ein Mullitanteil bestimmt
werden soll, wird in eine Röntgendiffraktometervorrichtung
eingegeben, um eine Höchstfestigkeit „A" bei einem Beugungswinkel
von 26,3° zu
bestimmen. Dann werden die anorganischen Fasern mit dem gleichen
Aluminiumoxid-/Siliciumoxid-Anteil und mittleren Durchmesser wie
die Probe 8 Stunden lang auf 1500°C
erhitzt, um eine Standardprobe anzufertigen. Die Standardprobe wird
in eine Röntgendiffraktometervorrichtung
eingegeben, um eine Höchstfestigkeit „A0" bei
einem Beugungswinkel von 26,3° zu
bestimmen. Der Mullitanteil der anorganischen Fasern, die als Probe
getestet wurden, ist als ein Prozentsatz von A/A0 definiert.
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Zu
Referenzzwecken: Die hierbei verwendete Röntgendiffraktometervorrichtung
ist eine „RINT
1200" (Handelsname),
handelsüblich
von Rigaku Denki Kabushikikaisha beziehbar, und die Bestimmung wurde
unter folgenden Bedingungen ausgeführt:
Rohrspannung: 40
kV
Rohrstrom: 30 mA
Ziel: Cu
Winkel: 20–40°
Prüfgeschwindigkeit:
2°/MIN
Schritt
der Probenahme: 0,02°
Blende
(RS): 0,3 mm
Glättungspunkt:
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Die
anorganischen Fasern werden in einer Kombination aus einem oder
mehreren Typen von Fasern verwendet. Die Verwendung einer Mischung
aus zwei oder mehreren verschiedenen Typen von anorganischen Fasern
mit verschiedenen Mullitanteilen kann die oben beschriebene Wirkung
leichter erreichen, während
gleichzeitig eine Feinabstimmung der Wirkung möglich ist. Zum Beispiel kann
ein verringertes Haltevermögen
durch anorganische Fasern mit einem hohen Mullitanteil ausgeglichen
werden, während
der verringerte Winderosionswiderstand durch anorganische Fasern
mit einem geringen Mullitanteil ausgeglichen werden kann.
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Die
Dicke (der mittlere Durchmesser) der anorganischen Fasern ist nicht
konkret eingeschränkt,
doch weisen die Fasern bevorzugt einen mittleren Durchmesser von
2–7 μm auf. Weisen
die anorganischen Fasern einen mittleren Durchmesser auf, der kleiner
als 2 μm
ist, neigen sie zu Brüchigkeit
mit ungenügender
Festigkeit, wohingegen sie, wenn sie einen mittleren Durchmesser
von mehr als 7 μm
aufweisen, tendenziell zum Formen zu einem Halterungsmaterial weniger
geeignet sind.
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Wie
bei der Dicke bestehen bei der Länge
der anorganischen Fasern gleichfalls keine konkreten Beschränkungen.
Jedoch weisen die anorganischen Fasern bevorzugt eine mittlere Länge von
0,5–50
mm auf. Ist die Länge
der anorganischen Fasern kleiner als 0,5 mm, zeigt sich die Wirkung
des Halterungsmaterials, das unter Verwendung solcher Fasern geformt
wurde, möglicherweise
nicht, wohingegen die Fasern, wenn ihre Länge größer als 50 mm ist, schwer zu
handhaben sind, was den Glättungsvorgang
im Herstellungsvorgang des Halterungsmaterials komplizierter macht.
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Das
Katalysatorträger-Halterungsmaterial
der vorliegenden Erfindung kann zur Integration der anorganischen
Fasern oder zu anderen Zwecken auch andere zusätzliche Komponenten zu den
bereits erwähnten anorganischen
Fasern enthalten. Geeignete zusätzliche
Komponenten sind insbesondere Integrierungskomponenten, Ausflockungsmittel,
Wärmeausdehnungsmittel
usw.
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Das
Katalysatorträger-Halterungsmaterial
der vorliegenden Erfindung kann mit jedem der verschiedenen bekannten
und üblicherweise
verwendeten Verfahren hergestellt werden. Diese Herstellungsverfahren können u.
a. Nassverfahren oder Trockenverfahren unter Verwendung einer Nadelung
oder dergleichen sein. Gemäß der Erfindung
können
Nassverfahren mit besonderen Vorteilen verwendet werden. Solche
Verfahren umfassen einfachere Herstellungsvorgänge und erfordern keine großformatigen
Herstellungsanlagen. Zum Beispiel kann das Katalysatorträger-Halterungsmaterial
der Erfindung vorteilhaft mit dem folgenden Nassverfahren hergestellt
werden.
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Zuerst
werden die anorganischen Fasern und Bindemittel zum Öffnen und
Mischen der Fasern in Wasser gegeben. Danach wird die Mischung gerührt, während ein
anorganisches oder organisches Ausflockungsmittel zugesetzt wird,
um eine Aufschlämmung
herzustellen. Die Aufschlämmung
wird dann geschichtet und in die gewünschte Form gebracht. Das daraus
erzielte geformte Produkt wird ausgepresst, um die überschüssige Feuchtigkeit
zu entfernen. Danach wird das geformte Produkt unter Wärmezufuhr
mit der gewünschten
Trocknungstemperatur gepresst, um ein Halterungsmaterial zu erzielen.
Dieser Vorgang kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem das geformte
Produkt in einem Ofen angeordnet und 20 Minuten lang bei 150°C erhitzt und
getrocknet wird. Bei Bedarf kann das geformte Halterungsmaterial
zu einem laminierten Produkt verarbeitet werden.
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Anschließend wird
mindesten eine Seite des getrockneten Halterungsmaterials mit einer
bekannten, üblicherweise
verwendeten Technik wie Sprühen
oder Beschichten mit einem geeigneten Beschichtungsmaterial beschichtet
und optional mit einem Klebeband laminiert. In den meisten Fällen wird
das Beschichtungsmaterial mit einem Lösemittel (zum Beispiel Wasser
oder ein organisches Lösemittel)
um das 2- bis 10fach verdünnt
und dann auf mindestens eine Seite, bevorzugt sowohl auf die Vorder- als auch die Rückseite
des Halterungsmaterials aufgebracht. Auf diese Weise kann das gewünschte Halterungs material
gewonnen werden.
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Beispiele
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand Beispielen erläutert.
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Beispiel 1
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Herstellung eines Katalysatorträger-Halterungsmaterial
(Matten)
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Die
folgenden sieben Katalysatorträger-Halterungsmaterialien
in Mattenform wurden unter Verwendung von anorganischen Fasern hergestellt,
die aus den zwei Komponenten Aluminiumoxid und Siliciumoxid zusammengesetzt
sind oder diese aufweisen, mit einem Mischungsverhältnis von
Aluminiumoxid und Siliciumoxid von 72:28 und verschiedenen Mullitanteilen
(2%, 35%, 60%, 70% und 78%).
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Zur
Herstellung jedes der Halterungsmaterialien wurden zunächst die
anorganischen Fasern (eine Mischung aus zwei verschiedenen anorganischen
Fasern zur Herstellung des Halterungsmaterials G) und das organische
Bindemittel (Handelsname: „LX-816") (Ausflockungsmittel)
in Wasser gegeben, und die Fasern wurden geöffnet und gemischt. Danach
wurde die Mischung behutsam gerührt
um eine Aufschlämmung
herzustellen. Die Aufschlämmung
wurde dann geschichtet und in die gewünschte Mattenform gebracht.
Das geformte Produkt wurde ausgepresst, um die überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen,
und danach wurden die Matten gepresst, während sie mit der vorgeschriebenen
Temperatur bis zur Trocknung erwärmt
wurden. Dies ergab die folgenden Katalysatorträger-Halterungsmaterialien mit jeweils einer
Dicke von 8 mm, einer Breite von 250 mm und einer Länge von
250 mm.
| Halterungsmaterial
A ... 2% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
B ... 35% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
C ... 60% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
D ... 65% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
E ... 70% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
F ... 78% | Mullitanteil
anorganischer Fasern |
| Halterungsmaterial
G ... Mischung | aus
anorganischen Fasern mit 2% Mullitanteil und anorganischen Fasern
mit 78% Mullitanteil (Mischverhältnis
50:50) |
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Bewertung der Eigenschaften
des Katalysatorträger-Halterungsmaterialien
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Die
Erhaltung des Haltevermögens
(Kompressionswiderstand) und der Winderosionswiderstand der in Beispiel
1 hergestellten Katalysatorträger-Halterungsmaterialien
A–G wurde
nach dem folgenden Verfahren gemessen.
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Messung der Erhaltung des Haltevermögens:
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Das
Halterungsmaterial in Mattenform wurde in Scheiben mit einem Durchmesser
von 45 mm geschnitten und gewogen. Die Halterungsmaterialprobe in
Scheibenform wurde zwischen zwei rostfreie Stahlplatten gelegt und
in Richtung der Dicke bis zu einer Packdichte von 0,3 g/cm3 gepresst (der Verlust organischer Komponenten
usw. durch Erhitzen wurde ignoriert). Danach wurde die Halterungsmaterialprobe
auf 900°C
erhitzt und das Haltevermögen
zu diesem Zeitpunkt gemessen. Um die Veränderungen im Haltevermögen über einen
Zeitraum zu bestimmen, wurde die Messung des Haltevermögens über 20 Stunden
jeweils einmal pro Stunde fortgesetzt, wobei der Zeitpunkt 0 der
Ausgangsmessungspunkt war. Die Veränderung im Haltevermögen kann
unter Verwendung der Formel Y = aXb annähernd ermittelt
werden (wobei X die Kompressionskraft ist) und b das Gefälle der Änderung
im Haltevermögen.
Die Bewertung basierte auf dem Gefälle der Kurve der über den
Zeitraum gemessenen Änderung
bei 900°C,
wobei akzeptable Proben mit O und inakzeptable Proben mit X bewertet
oder beurteilt wurden.
-
Messung des Winderosionswiderstandes:
-
Das
Halterungsmaterial in Mattenform wurde in flache Proben mit einer
Breite von 25 mm und einer Länge
von 50 mm geschnitten und gewogen. Danach wurde die flache Halterungsmaterialprobe
zwischen zwei rostfreie Stahlplatten gelegt und in Richtung der
Dicke bis zu einer Packdichte von 0,2 g/cm3 gepresst (der
Verlust organischer Komponenten usw. durch Erhitzen wurde ignoriert).
Während
des Erhitzens der einen Platte auf 800°C und der anderen Platte auf
600°C wurde über einen
Zeitraum von 2 Stunden auf 600°C
erhitzte Druckluft mit 90 kPa auf ein Ende der Halterungsmaterialprobe
geblasen (in Richtung der Breite). Nach Beenden des Blasens der
Druckluft wurde die Winderosion pro Zeiteinheit bestimmt. Die Bewertung
basierte auf der gemessenen Winderosion, wobei akzeptable Proben
mit O und inakzeptable Proben mit X bewertet wurden.
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Die
nachfolgende Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der zwei oben beschriebenen
verschiedenen Bewertungstests zusammen.
2 ist ein
Diagramm, das zu Referenzzwecken einen Zeitverlauf der Veränderungen im
Haltevermögen
bei 900°C
für die
Halterungsmaterialien A, D, F und G zeigt. Die Formel der Veränderung im
Haltevermögen:
Y = aX
b für jedes dieser Haltematerialien
lautete wie folgt:
Halterungsmaterial A ... Y =
103,58X
–0,088 Halterungsmaterial
D ... Y =
83,587X
–0,0368 Halterungsmaterial
F ... Y =
75,842X
–0,0213 Halterungsmaterial
G ... Y =
91,979X
–0,0548 Tabelle 1
| Typ
des Halterungsmaterials | Gefälle der Zeitveränderungskurve
bei 900°C | Bewertung (Beurteilung) | Winderosion (g/h) | Bewertung (Beurteilung) | Hochrechnung auf
10 Jahre später |
| Halterungsmaterial
A | –0,088 | X | 0,01 | O | 38,1 |
| Halterungsmaterial
B | –0,0605 | O | 0,02 | O | 45,0 |
| Halterungsmaterial
C | –0,0428 | O | 0,02 | O | 53,8 |
| Halterungsmaterial
D | –0,0368 | O | 0,03 | O | 61,4 |
| Halterungsmaterial
E | –0,0387 | O | 0,03 | O | 82,1 |
| Halterungsmaterial
F | –0,0213 | O | 0,10 | X | 59,5 |
| Halterungsmaterial
G | –0,0548 | O | 0,02 | O | 49,3 |
-
In
diesem Test wurde die Druckveränderung über einen
Zeitraum bei 900°C
als Index für
die Bewertung der Dauerhaftigkeit der Fähigkeit zum Halten des Katalysatorträgers (Haltekraft)
genommen. Eine Hochrechnung auf 10 Jahre mit der Druckverringerungsannäherungsformel wird
für gewöhnlich verwendet,
um den Druck zu bestimmen, der nötig
ist, um einen Katalysatorträger
stabil zu halten (Kompressionskraft). Es ist wünschenswert, dass dieser Druck
mindestens 35 kPa, bevorzugt 45 kPa oder mehr und bevorzugter 50
kPa oder mehr beträgt.
Wenn die Bewertungsergebnisse von diesem Standpunkt aus betrachtet
werden, wird die korrekte Kompressionskraft erreicht, wenn der Mullitanteil
größer als
30% ist, bevorzugt 35% oder größer, bevorzugter
60% oder größer und
weniger als 78%.
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Beispiel 2
-
Die
wünschenswerten
Eigenschaften, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt wurden,
können
mit einer Matte erreicht werden, die durch Mischen von Fasern mit
geringem Mullitgehalt (z. B. weniger als 10%) und Fasern mit einem
hohen Mullitgehalt (z. B. mehr als 70%) hergestellt wurden.
-
Proben
von Katalysatorträger-Halterungsmaterial
in Mattenform wurden, wie oben für
Beispiel 1 beschrieben, aus Fasern mit 2% und 78% Mullitgehalt hergestellt.
Fasermischungsverhältnisse
und Schichtungsverhältnisse
wurden als mittlerer Mullitprozentsatz errechnet, der aus dem Fasergewicht
und dem Mullitprozentsatz seiner Fasern berechnet wurde. zum Beispiel
beträgt
der mittlere Mullitprozentsatz einer Matte, die aus einem 50:50-Gemisch
dieser Mullitfasern (d. h. Fasern mit 2% und 78% Mullitgehalt) hergestellt
wurde, 40%. Die Kompression bei 900°C und der Erosionswiderstand
wurden bewertet, und die Ergebnisse wurden unten in Tabelle 2 zusammengefasst.
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Die
Steigerung entspricht b in der angenäherten Gleichung: Y = aX
b Tabelle 2
| Mittl. Mullitprozent-satz | Steigerung
der Kompression | Hochgerechnete Kompression
nach 10 Jahren | Beurteilung | Erosion (g/h) | Beurteilung | Gesamtbeurteilung |
| Gemisch | 2% | –0,088 | 38,1 | NG | 0,01 | best. | NG |
| 20% | –0,082 | 34,9 | NG | 0,01 | best. | NG |
| 30% | –0,068 | 43,1 | NG | 0,02 | best. | NG |
| 35% | –0,064 | 46,5 | best. | 0,01 | best. | best. |
| 40% | –0,054 | 49,3 | best. | 0,02 | best. | best. |
| 60% | –0,051 | 52,1 | best. | 0,02 | best. | best. |
| 70% | –0,037 | 62,0 | best. | 0,03 | best. | best. |
| 78% | –0,021 | 59,5 | best. | 0,10 | NG | NG |
| 65%
Mullitfaser | 30% | –0,071 | 41,0 | NG | 0,01 | best. | NG |
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Wie
oben erläutert,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Katalysatorträger-Halterungsmaterial bereitgestellt,
das insbesondere für
katalytische Umwandler verwendbar ist, da es Hitzebeständigkeit
und hohen Kompressionswiderstand in hohen Temperaturbereichen sowie
auch ausgezeichneten Winderosionswiderstand aufweist.
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Des
Weiteren wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein katalytischer Umwandler bereitgestellt, der zum Zweck
der Wärmeisolation,
des Haltens des Katalysatorträgers
und dergleichen mit einem Katalysatorträger-Halterungsmaterial der
vorliegenden Erfindung gefüllt
ist.
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Außerdem wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein katalytischer Umwandler bereitgestellt, der vorteilhaft
zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, wie etwa der
eines Kraftfahrzeugs, verwendet werden kann.