DE68913270T3 - Erosionsresistentes Bauteil für einen katalytischen Konverter. - Google Patents

Erosionsresistentes Bauteil für einen katalytischen Konverter.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator bzw. einen Dieselpartikelfilter zur Reinigung des Abgases eines Verbrennungsmotors, und insbesondere einen Abgaskatalysator bzw. Dieselpartikelfilter mit einem Metallgehäuse, wobei ein monolithisches Katalysatorelement oder ein Dieselpartikelfilter fest, aber elastisch in dem Gehäuse mit Hilfe eines Verbundstoffes befestigt ist, der aus einer flexiblen, elastischen Dämmschichtmatte besteht, deren Ränder senkrecht zum Abgasstrom verlaufen.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Abgaskatalysatoren werden im allgemeinen zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen und zur Reduktion der Stickoxide in Autoabgasen verwendet. Dieselpartikelfilter werden verwendet, um den von Dieselmotoren erzeugten Ruß zu sammeln. Der gesammelte Ruß wird in regelmäßigen Abständen mit einem Gasbrenner oder einem elektrischen Heizgerät abgebrannt. Aufgrund der hohen Temperaturen, die in beiden Fällen auftreten, war Keramik logischerweise das Material für Katalysatorträger oder Dieselpartikelfilter.
  • Keramikmonolithe sind im allgemeinen zerbrechlich und haben Wärmeausdehnungskoeffizienten, die von denen ihrer Metallbehälter, normalerweise Behälter aus nichtrostendem Stahl, deutlich verschieden sind. Die Befestigungseinrichtung aus dem Keramikmonolith muß also beständig sein gegen mechanische Schocks infolge von Schlägen und Vibrationen sowie gegen Wärmeschocks infolge von Temperaturwechseln. Sowohl die Wärmeschocks als auch die mechanischen Schocks können zu einer Beschädigung des keramischen Trägers führen, die nach Beginn rasch fortschreitet und das Gerät schließlich unbrauchbar macht. Dämmschichtmatten, die sich für diesen Zweck als geeignete Befestigungsmaterialien erwiesen haben, sind in den US-Patenten Nr. 3,916,057, 4,305,992 und im Britischen Patent Nr. 1,513,808 offenbart.
  • Dämmschichtbefestigungsmaterialien eignen sich gut zur Halterung des Keramikmonoliths oder Dieselpartikelfilters und sind dabei beständig gegen Erosion bei mäßigen Abgastemperaturen (weniger als 700ºC) und bei Abgasstößen mit mäßigen Druckstößen, wie sie in 6- und 8-Zylinder-Motoren auftreten. Nachdem der Trend jedoch zu kleineren, nämlich 4-Zylinder- Motoren geht, die mit höheren Drehzahlen laufen, und nachdem die Abgaskatalysatoren nun in Europa eingeführt wurden, wo mit hohen Geschwindigkeiten gefahren wird, werden die derzeit vorhandenen Befestigungsmaterialien wesentlich höheren Abgastemperaturen und stärkeren Druckstößen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen kann es nach einer gewissen Zeit bei den derzeit vorhandenen Befestigungsmaterialien zur Erosion kommen.
  • Es ist bereits bekannt, daß man zur Vermeidung dieser Probleme einen monolithischen Katalysator mit Hilfe einer Matte befestigen kann. Die Matte besteht aus einem hitzebeständigen Vlies; es hat sich aber gezeigt, daß beim Auftreffen der heißen Abgase auf den Rand dieses Vlieses die Fasern an den Rändern weggeblasen werden, so daß das Vlies in seiner Fähigkeit, den monolithischen Katalysator wirksam zu halten und zu schützen, geschwächt wird. Um dieses Problem zu umgehen, schlägt die JP-A-59 183 019 vor, die Endkante der Matte, die der Einwirkung der Abgasstöße ausgesetzt ist, umzuklappen und dann mit einer Metallfolie abzudecken.
  • Ein weiterer Stand der Technik, der hier von Interesse ist, ist die JP-A-58 165 516 von Toyota, die sich mit den Problemen befaßt, die entstehen, wenn eine Abgasverarbeitungsvorrichtung in Form eines wabenförmigen monolithischen Keramikkörpers durch ein ausdehnbares Dichtungsmaterial geschützt wird, das dann, wenn es erhitzt wird, den Raum zwischen dem Keramikkörper und dem ihn umgebenden Gehäuse oder Metallbehälter ganz ausfüllt. Das Problem ist, daß sich am Seitenrand der Dichtungspackung, auf den das heiße und vibrierende oder pulsierende Abgas auftrifft, allmählich das ausdehnbare Dichtungsmaterial ablöst und dann nach einer gewissen Zeit ganz verschwindet. Um dies zu verhindern, ist der Rand in einer Dicke von 1 mm bis 15 mm mit einem anorganischen Bindemittel imprägniert. Daher wird hier gelehrt, daß der Rand der Dichtungspackung gegen Hitze und den Druck des pulsierenden Gases geschützt wird, indem er mit einem anorganischen Bindemittel imprägniert wird.
  • In dem Toyota-Patent heißt es, daß es auch möglich ist, ein aus Metallfasern bestehendes Polstermaterial, wie zum Beispiel ein Drahtgewebe, zwischen den Metallbehälter und den Keramikkörper einzusetzen. Dies geht auch aus der Zeichnung hervor, in der ein Drahtgewebe zu sehen ist, das sich um den radial nach außen weisenden Rand des ausdehnbaren Dichtungsmaterials erstreckt, so daß es sich zwischen dem Dichtungsmaterial und einem Metallbehälter befindet. Es wird nicht offenbart, daß das Drahtgewebe mindestens einen Teil eines Seitenrandes des ausdehnbaren Dichtungsmaterials bedeckt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein aus einem Keramikmonolith bestehendes Befestigungsmaterial für Abgaskatalysatoren oder Dieselpartikelfilter anzugeben, das der durch die höheren Abgastemperaturen und die stärkeren Druckstößen im Zusammenhang mit den herrschenden Betriebsbedingungen bedingten Erosion standhalten kann.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird durch den verbesserten Abgaskatalysator gemäß den Patentansprüchen gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator oder Dieselpartikelfilter zur Verwendung in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, bei dem ein neuer erosionsbeständiger Befestigungsverbundstoff verwendet wird, um das monolithische Katalysatorelement oder den Dieselpartikelfilter sicher in seinem Gehäuse zu befestigen. Der neue erosionsbeständige Befestigungsverbundstoff besteht aus einer Dämmschichtbefestigungsmatte, die auf mindestens einem Teil einer Seitenkante mit einem um die Seitenkante gewikkelten Streifen Metallgewebe geschützt wird. Es handelt sich vorzugsweise um ein Gewebe aus nichtrostendem Stahl, das aus Draht mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 mm gewebt ist und eine offene Fläche
  • von weniger als 85%, vorzugsweise etwa 40% besitzt. Bei Verwendung von Metallgewebe wird die Flexibilität des erosionsbeständigen Befestigungsverbundstoffes dadurch erreicht, daß die das Metallgewebe bildenden Drähte ausgerichtet werden, so daß die Drähte, wenn sie um die Seitenkante gewickelt sind, einen Winkel von 15º bis 75º, vorzugsweise 45º mit der Längsrichtung der Kante bilden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Figur 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Abgaskatalysators oder Dieselpartikelfilters der vorliegenden Erfindung; und
  • Figur 2A ist eine Draufsicht auf den erosionsbeständigen Befestigungsverbundstoff der Erfindung.
  • Figur 2B ist eine Seitenansicht des erosionsbeständigen Befestigungsverbundstoffs der Erfindung.
  • Figur 2C ist eine Endansicht des erosionsbeständigen Befestigungsverbundstoffs der Erfindung.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen umfaßt der Abgaskatalysator oder Dieselpartikelfilter 10 ein Metallgehäuse 11 mit im allgemeinen kegelstumpfförmigen Einlaß- und Auslaßenden 12 bzw. 13. Im Inneren des Gehäuses 11 ist ein monolithischer Abgaskatalysator oder Dieselpartikelfilter 20 angeordnet, der aus einer wabenförmigen Keramik mit mehreren Gasströmungskanälen 21 besteht. Den Abgaskatalysator oder Dieselpartikelfilter 20 umgibt ein erosionsbeständiger Befestigungsverbundstoff 30 gemäß der Erfindung.
  • Der erosionsbeständige Befestigungsverbundstoff 30 besteht aus einer Dämmschichtbefestigungsmatte 32, die auf beiden Seitenkanten durch einen Streifen Metallgewebe 34 geschützt ist. Der Befestigungsverbundstoff 30 dient zur festen, aber elastischen Lagerung des Katalysators oder Dieselpartikelfilters 20 in dem Gehäuse 11, indem sich die Befestigungsmatte 32 an Ort und Stelle ausdehnt. Des weiteren dient er zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Katalysatorelement oder Dieselpartikelfilter 20 und dem Gehäuse 11, um auf diese Weise zu verhindern, daß Abgase an dem Katalysatorelement oder Dieselpartikelfilter 20 vorbeiströmen. Das Metallgewebe 34 dient zum Schutz der Kanten der Befestigungsmatte 32 gegen die durch die Einwirkung der Abgase verursachte Erosion.
  • Die Befestigungsmatte 32 ist eine elastische, flexible Dämmschichtmatte bestehend aus etwa 20 bis 65 Gew.-% ungeschäumten Vermikulitflocken, wobei diese Flocken durch Ionenaustausch mit einer Ammoniumverbindung wie Ammoniumdihydrogenphosphat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumchlorid oder einer anderen geeigneten Ammoniumverbindung behandelt sind oder nicht; etwa 10 bis 50 Gew.-% anorganischem Fasermaterial umfassend Aluminiumsilicatfasern (im Handel erhältlich unter den Handelsnamen Fiberfrax, Cerfiber und Kaowool), Asbestfasern, weiche Glasfasern, Zirconiumdioxid-Siliciumdioxid-Fasern und kristalline Aluminiumoxid-Whisker; etwa 3 bis 20 Gew.-% Bindemittel umfassend Naturkautschuklatex, Styrol-Butadien-Latex, Butadien-Acrylnitril-Latex, Latex von Acrylat- oder Methacrylatpolymeren und -copolymeren und dergleichen; und bis zu etwa 40 Gew.-% anorganischem Füllstoff umfassend geschäumten Vermikulit, hohle Mikrokügelchen aus Glas und Bentonit. Die Matte 32 wird nach den üblichen Papierherstellungsverfahren hergestellt.
  • Das Metallgewebe 34 dieses erosionsbeständigen Befestigungsverbundstoffes 30 der vorliegenden Erfindung ist ein Streifen aus gewebtem Metall, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, hergestellt aus Draht mit einem Durchmesser von weniger als 1,0 mm, vorzugsweise etwa 0,23 mm, und mit einer offenen Fläche von weniger als 85%, vorzugsweise etwa 40%. Das Gewebe 34 besitzt im allgemeinen quadratische Öffnungen, wenngleich diese auch rechteckig sein können, und sie sind im allgemeinen weniger als 7 mm, vorzugsweise etwa 0,4 mm breit. Die über Kreuz angeordneten Drähte haben im allgemeinen den gleichen Durchmesser, wenngleich dies nicht ausschließlich so sein muß. Zur Aufrechterhaltung der Flexibilität muß das Gewebe auf der Dämmschichtmatte 32 so ausgerichtet sein, daß die das Gewebe bildenden Drähte einen Winkel von 15º bis 75º, vorzugsweise 45º mit der Längskante der Matte bilden. Beim Weben kreuzen die Drähte sich in einem Winkel von 90º, so daß der Winkel von einem Draht in bezug auf die Kante des Befestigungsverbundstoffes 30 komplementär zu dem Winkel des anderen Drahtes ist (90º minus der Winkel des anderen Drahtes). Somit kann jeder der einander kreuzenden, gewebten Drähte verwendet werden, um den Winkel des Gewebes in bezug auf die Kante der Befestigungsmatte 32 festzustellen.
  • Der oben beschriebene Kantenschutz aus Metallgewebe 34 bestand aus Drähten mit einem runden Querschnitt. Der Kantenschutz könnte natürlich auch aus Drähten mit einem quadratischen, rechteckigen oder sonstwie geformten Querschnitt hergestellt sein, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Der Kantenschutz für das Metallgewebe 34 kann an der Dämmschichtbefestigungsmatte 32 mit einem Band oder mit Klebstoff befestigt werden, oder mechanisch, wie zum Beispiel durch Nähen, Heften, Klammern oder Crimpen. Ein äußeres Befestigungsmittel ist nicht erforderlich, wenn das Gewebe 34 unmittelbar vor der Montage des Katalysators oder Filters 10 auf die Befestigungsmatte 32 gelegt wird. Der Kantenschutz aus Metallgewebe 34 sollte 5 bis 50 mm über die Längskante der Dämmschichtbefestigungsmatte 32 hinausragen. Die zeichnungen zeigen, daß der Kantenschutz aus Metallgewebe 34 die gesamte Länge der Dämmschichtbefestigungsmatte 32 abdeckt. Natürlich ist es möglich, nur einen Teil von einer oder von beiden Kanten der Befestigungsmatte 32 abzudecken.
  • Es wurde ein Erosionstest entwickelt, um die Widerstandsfähigkeit der Befestigungsverbundstoffe 30 gegen Kantenerosion durch einen einwirkenden Luftstrom zu testen. Bei dem Test wird eine 25,4 mm x 25,4 mm große Probe des Befestigungsverbundstoffes 30 genommen und zwischen zwei Ambossen aus Stahl mit Hilfe von Abstandshaltern aus Stahl mit einem vorbestimmten Abstand voneinander montiert. Diese Anordnung wird dann 1 Stunde auf 800ºC erhitzt, um das organische Bindemittel zu verbrennen. Nach dem Abwiegen auf die nächsten 0,01 g wird sie in einer Vorrichtung montiert, wo die Kante des Befestigungsverbundstoffes 30 einem nahezu mit Schallgeschwindigkeit strömenden Luftstrom ausgesetzt ist, der entlang der Kante des Befestigungsverbundstoffes 30 mit einer Geschwindigkeit von 20 Zyklen/Sekunde über eine Strecke von 19 mm oszilliert. Der Luftstrom oszilliert in einem Abstand von 3,8 mm von der Kante der Probe. Nach dem Test wird die Probe wieder gewogen, und der Gewichtsverlust pro Zeiteinheit, d.h. die Erosionsgeschwindigkeit, wird errechnet. Herkömmliche Dämmschichtmatten, die unter dem Markennamen interamtm Automatte, Serie IV mit einer Solldicke von 4,9 mm verkauft werden, wurden mit und ohne verschiedene Kantenschutzstreifen für das Metallgewebe 34 getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt. TABELLE I
  • Die Testergebnisse zeigen, daß der erfindungsgemäße Kantenschutz aus Metallgewebe 34 die Erosionsgeschwindigkeit der Dämmschichtbefestigungsmatte 32 drastisch senkt.
  • Um die Einigung verschiedener Kantenschutzvorrichtungen aus Metallgewebe 34 hinsichtlich der Flexibilität zu testen, wurden verschiedene Kantenschutzvorrichtungen auf die Kanten von Teilen der Dämmschichtbefestigungsmatte 32 geklebt und dann um ein 8,08 cm x 16,97 x 12,7 cm langes ovales Katalysatorelement 20 gewickelt. Um akzeptabel zu sein, muß der Befestigungsverbundstoff 30 in Kontakt mit der Oberfläche des Katalysatorelements 20 bleiben und darf sich nicht verwerfen, wenn er darum herumgewickelt wird. Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt. TABELLE II

Claims (7)

1. Verbesserter Abgaskatalysator (10) umfassend ein Metallgehäuse (11), ein in dem Gehäuse (11) angeordnetes keramisches Katalysatorelement (20) und eine elastische, flexible, hochtemperaturbeständige Dämmschichtbefestigungsmatte (32), die zwischen dem Katalysatorelement (20) und dem Metallgehäuse (11) angeordnet ist, um das Katalysatorelement (20) in dem Gehäuse (11) zu positionieren, und um mechanische Stöße und Wärmestöße zu dämpfen, dadurch gekennzeichnet, daß
der Katalysator einen Streifen Metallgewebe (34) umfaßt, der mindestens einen Teil von mindestens einer Seitenkante der Befestigungsmatte (32) bedeckt, und das Metallgewebe (34) ein gewebtes Metallgewebe ist, das aus Drähten besteht, die einen Winkel von 15º bis 75º mit der Kante der Befestigungsmatte (32) bilden.
2. Verbesserter Abgaskatalysator (10) nach Anspruch 1, bei dem die Dämmschichtbefestigungsmatte (32) 20 bis 65 Gew.-% ungeschäumten Vermikulit, 10 bis 50 Gew.-% anorganisches Fasermaterial und 3 bis 20 Gew.-% Bindemittel enthält.
3. Verbesserter Abgaskatalysator (10)1 nach Anspruch 2, bei dem der Vermikulit mit einer Ammoniumverbindung einem Ionenaustausch unterzogen wurde.
4. Verbesserter Abgaskatalysator (10) nach Anspruch 2, bei dem das anorganische Fasermaterial Asbest, weiche Glasfaser, Aluminiumoxid-Whisker, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faser oder Zirconiumdioxid-Siliciumdioxid-Faser ist.
5. Verbesserter Abgaskatalysator (10) nach Anspruch 2, bei dem das Bindemittel ein organisches oder anorganisches Material oder eine Kombination davon ist.
6. Verbesserter Abgaskatalysator (10) nach Anspruch 1, bei dem das Metallgewebe (34) ausgewählt ist aus Stahl, nichtrostendem Stahl, feuerverzinktem Stahl, Metallegierungen oder Kombinationen davon.
7. Verbesserter Abgaskatalysator (10) nach Anspruch 1, bei dem die Metalldrähte einen Durchmesser von weniger als 1,0 mm besitzen.
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