DE69405062T2

DE69405062T2 - Keramischer Körper mit Wabenstruktur und Katalysator haltende derselben

Info

Publication number: DE69405062T2
Application number: DE69405062T
Authority: DE
Inventors: Yukihito Ichikawa; Minoru Machida; Toshio Yamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: CA2119604C; CA2119604A1; DE69405062D1; CN1098029A; KR100297621B1; US5494881A; KR950002855A; EP0636410A1; CN1092082C; EP0636410B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramikkörper mit Wabenstruktur, der sich für einen Katalysatorträger eignet, worin eine Anzahl Strömungskanäle mit polygonalem zellartigem Querschnitt, die sich in Längsrichtung durch den Körper mit Wabenstruktur erstrecken, durch eine periphere Wand und innerhalb der peripheren Wand angeordnete Trennwände definiert sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen keramischen Wabenkatalysator, der einen solchen Körper mit Wabenstruktur und eine darauf aufgetragene katalytische Substanz umfasst.

2. Beschreibung verwandter Gebiete

Der Keramikkörper mit Wabenstruktur der oben erwähnten Anordnung findet oft z.B. als Katalysatorträger in einem Abgasreinigungssystem für Automobile Anwendung. Der Keramikkörper mit Wabenstruktur als Katalysatorträger hat sich aufgrund eines geringen Druckverlusts während des Durchströmen des Abgases infolge einer hohen offenen Stirnfläche und einer hervorragenden Abgasreinigungsleistung allgemein durchgesetzt. Ein moderner, in der Praxis verwendeter Keramikkörper mit Wabenstruktur weist z.B. eine Trennwanddicke von 0,170 mm und eine Zelldichte von 60 Zellen pro 1 cm² auf.
Da - bedingt durch die Umweltproblematik - die Abgasvorschriften immer strenger werden, ist es z.B. erforderlich, die gesamte Emissionsmenge an Kohlenwasserstoffen im LA-4-Modus, einem Abgasevaluierungs-Versuchsmodus in den Vereinigten Staaten, zu reduzieren - gibt es einen großen Bedarf an verbesserten Keramikkörpern mit Wabenstruktur, die im Vergleich zu herkömmlichen Wabenstrukturkörpern eine hervorragende Abgasreinigungsleistung erbringen. Insbesondere in einem Betriebszustand unmittelbar nach dem Starten des Motors, d.h. im Zustand des sogenannten Kaltstarts, ist die Abgasreinigungseffizienz deutlich beeinträchtigt, da der Katalysator noch nicht sehr erwärmt und folglich nicht ausreichend aktiviert ist. Eine frühe Aktivierung des Katalysators während des Kaltstarts gilt somit als wichtiger Punkt bei der Erfüllung von Abgasvorschriften. Es wurde daher vorgeschlagen, die Dicke der Trennwände von Keramikkörpern mit Wabenstruktur zu verringern. Dünnwandige Keramikkörper mit Wabenstruktur besitzen den Vorteil, dass einerseits die offene Stirnfläche vergrößert und dadurch der Druckverlust und das Strukturgewicht verringert werden und dass andrerseits die Wärmekapazität des Katalysators vermindert und die Temperatursteigerungsrate des Katalysators erhöht wird. In diesem Fall kann eine große geometrische Oberfläche des Wabenstrukturkörpers erzielt werden, sodass die Realisierung einer kompakten Struktur möglich ist. Die dünnwandige Keramikwabenstruktur erfordert jedoch eine vorsichtige Handhabung, da es im Allgemeinen schwierig ist, einen vorbestimmten garantierten Mindestwert der isostatischen Zerstörungsfestigkeit als ein Index der Strukturfestigkeit zu erzielen. Somit kann der Katalysatorträger während des Einbauvorgangs beschädigt werden, d.h. während des sogenannten "Einhüllens" zur Montage des Wabenstrukturkörpers in einem katalytischen Konvertergehäuse, um Bewegungen des Wabenstrukturkörpers aufgrund von Vibrationen u.dgl. während der praktischen Verwendung zu verhindern. Ein typisches Einhüll-Verfahren ist in diesem Zusammenhang das Befestigen des Wabenstrukturkörpers an seiner peripheren Außenfläche, obwohl es Fälle geben kann, wo der Wabenstrukturkörper entweder nur in Strömungsrichtung oder von der peripheren Außenfläche und auch in Strömungsrichtung befestigt wird. Daher geht man davon aus, dass es allgemein notwendig ist, dass der oben erwähnte garantierte Mindestwert der isostatischen Zerstörungsfestigkeit zumindest 5 kp/cm², vorzugsweise zumindest 10 kp/cm², beträgt.
Üblicherweise wurden eine Verringerung der Trennwanddicke in der keramischen Wabenstruktur und die Erzielung einer ausreichenden isostatischen Zerstörungsfestigkeit als gegensätzliche Zielsetzungen erachtet, und es wurde noch keine keramische Wabenstruktur entwickelt, die eine Trennwanddicke von weniger als 0,170 mm aufweist und zufriedenstellend und zuverlässig verwendet werden kann.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen dünnwandigen Keramikkörper mit Wabenstruktur bereitzustellen, der eine bevorzugte offene Stirnfläche und trotz dünner Trennwände eine ausreichende isostatische Zerstörungsfestigkeit aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten keramischen Wabenkatalysators mit geringerer Wärmekapazität aufgrund eines dünnwandigen Keramikkörpers mit Wabenstruktur, der trotz seiner dünnen Trennwände eine ausreichende isostatische Zerstörungsfestigkeit aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Keramikkörper mit Wabenstruktur bereitgestellt, umfassend eine periphere Außenwand mit einer Dicke von zumindest 0,1 mm, vorzugsweise 0,15 mm oder mehr, und Trennwände, die innerhalb der peripheren Wand angeordnet sind und eine Dicke (t) im Bereich von 0,050 mm und 0,150 mm aufweisen, wobei eine Anzahl Strömungskanäle durch die periphere Wand und die Trennwände definiert und aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei sich die Trennwände zwischen benachbarten Strömungsdurchgängen befinden, und wobei die Strömungsdurchgänge einen polygonalen, zellartigen Querschnitt aufweisen und sich in Längsrichtung durch den Wabenstrukturkörper hindurch erstrecken, der ein Keramikmaterial umfasst, das ein echtes spezifisches Gewicht und Porosität aufweist und wobei der Wabenstrukturkörper zumindest einer der folgenden Formeln (1) und (2) genügt:
065≤OFA≤ -058xt + 0,98 ... (1)
k x {1 - (-0,58 x t + 0,98)}≤G≤k x 0,35 ... (2)
worin OFA und G eine offene Stirnfläche bzw. eine Gesamtdichte des Wabenstrukturkörpers sind und k ein Faktor ist, der das echte spezifische Gewicht multipliziert mit (1 - Porosität) darstellt; wobei der Wabenstrukturkörper eine A-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 50 kp/cm² und eine B-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 5 kp/cm², vorzugsweise 10 kp/cm² oder mehr, besitzt.
Die vorliegende Erfindung bietet weiters einen verbesserten keramischen Wabenkatalysator, umfassend einen Katalysatorträger, der aus einem Keramikkörper mit Wabenstruktur ausgebildet ist, und eine katalytische Substanz, die durch den Wabenstrukturkörper getragen wird, worin der Keramikkörper mit Wabenstruktur alle oben erwähnten neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung enthält. Der erfindungsgemäße Katalysator kann eine Wärmekapazität von nicht mehr als 450 kJ/K pro Volumseinheit von 1 m³ Katalysator, vorzugsweise nicht mehr als 410 kJ/K pro 1 m³, aufweisen.
Die "A-Achsen-Druckfestigkeit", die "B-Achsen-Druckfestigkeit" und die "isostatische Festigkeit" werden hierin als Indizes der Druckfestigkeit verwendet und sind alle im JASO-Standard M505-87 definiert, einer Automobilnorm der Corporation of Automobile Technology Association. Die A-Achsen-Druckfestigkeit bezieht sich somit auf die Zerstörungsfestigkeit beim Anlegen einer Drucklast in Strömungsdurchgangsrichtung der Wabenstruktur, d.h. in der zum Querschnitt der Wabenstruktur senkrechten Richtung. Die B-Achsen-Druckfestigkeit ist als Zerstörungsfestigkeit beim Anlegen einer Drucklast in der zum Querschnitt der Wabenstruktur parallelen und zu den Trennwänden senkrechten Richtung definiert. Die isostatische Festigkeit bezieht sich weiters auf eine Zerstörungsdruckfestigkeit beim Anlegen einer isostatischen, d.h. einer isotropen hydrostatischen Last an die Wabenstruktur und wird beim Auftreten der Zerstörung durch einen Druckwert dargestellt.
Die A-Achsen-Druckfestigkeit wird durch Störungen der Wabenstruktur wie z.B. den Verformungsgrad der Trennwände u.dgl. nicht wesentlich beeinflusst, korreliert aber eng mit der Materialfestigkeit, da die Drucklast in Strömungsdurchgangsrichtung angelegt wird. Im Gegensatz dazu hängt zwar die B-Achsen-Druckfestigkeit von der Materialfestigkeit ab, doch sie wird durch Störungen der Wabenstruktur wie z.B. den Verformungsgrad der Trennwand stärker beeinflusst. Dies gilt auch für die isostatische Festigkeit, sodass sowohl die isostatische Festigkeit als auch die B-Achsen-Druckfestigkeit als Index der Festigkeitscharakteristik der Struktur dienen. Die B-Achsen-Druckfestigkeit wird jedoch in einem Zustand gemessen, in dem es keine periphere Wand gibt, wodurch sie durch die Struktur der peripheren Wand nicht beeinflusst wird.
Selbstverständlich erfüllt die periphere Wand die Funktion als Außenhülle, um die innere Wabenstruktur vor Außendruck zu schützen und um während des Einhüllens an der peripheren Außenfläche der Last standzuhalten. Die periphere Wand spielt in dieser Hinsicht eine wichtige Rolle, da ihre Zerstörung in vielen Fällen dazu führt, dass die an die periphere Wand angrenzenden Trennwände unter der Wirkung einer anomalen Last stehen, wodurch eine Kette lokaler Zerstörungen in Gang gesetzt wird. Wenn die Extrusionsformungseigenschaft des Wabenstrukturkörpers ebenfalls in Betracht gezogen wird, ist es vorzuziehen, wenn die Dicke der peripheren Wand zumindest 0,15 mm beträgt.
Es gibt keine klare Korrelation zwischen der isostatischen Festigkeit und der B-Achsen- Druckfestigkeit, da sowohl der Lastanlegezustand als auch die erzeugte Spannungsverteilung unterschiedlich sind. Tendenziell lässt sich jedoch folgendes feststellen: je höher die B-Achsen-Druckfestigkeit, desto höher ist die isostatische Festigkeit.
Wie bereits beschrieben, sind die A-Achsen-Druckfestigkeit und die B-Achsen-Druckfestigkeit insoferne Grundindizes der Festigkeitscharakteristik der Wabenstruktur, als die A-Achsen-Druckfestigkeit vor allem den Einfluss der Materialfestigkeit und die B- Achsen-Druckfestigkeit den Einfluss der Wabenstruktur anzeigt. Die isostatische Festigkeit zeigt ihrerseits die Strukturfestigkeitscharakteristik während der praktischen Verwendung auf und wird als Ergebnis der Wechselbeziehung der Einflüsse des Materials, der Wabenstruktur und der Struktur der peripheren Wand, dargestellt durch die Dicke der peripheren Wand, ausgedrückt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Trennwände des Keramikkörpers mit Wabenstruktur als Katalysatorträger für den keramischen Waben katalysator im Vergleich zu den bekannten Trennwänden des Stands der Technik als dünne Wände ausgebildet. Es ist daher möglich, nicht nur die offene Stirnfläche zu- vergrößern und den Druckverlust zu verringern, sondern auch die Wärmekapazität der Wabenstruktur als Katalysatorträger und somit jene des Katalysators selbst zu reduzieren. je geringer die Wärmekapazität des Katalysators ist, desto schneller steigt natürlich die Katalysatortemperatur im Zustand des Kaltstarts, wodurch der Katalysator früher aktiviert werden kann, sodass die Abgasreinigungsistung verbessert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die durch die Formeln (1) und/oder (2) ausgedrückten vorbestimmten Bedingungen zwischen der Dicke der Trennwände und der offenen Stirnfläche und/oder der Gesamtdichte der Wabenstruktur erfüllt, sodass es möglich ist, trotz der dünnwandigen Ausführung in der Praxis zufriedenstellende Druckfestigkeitseigenschaften des Wabenstrukturkörpers zu erzielen.
Die Ausführung des Wabenstruktur-Keramikkörpers mit den oben erwähnten Grundmerkmalen der vorliegenden Erfindung kommt vom praktischen Standpunkt besonders zur Geltung, wenn die Dicke t der Trennwände höchstens 0,124 mm, die offene Stirnfläche OFA zumindest 0,70 und die Gesamtdichte G höchstens k x 0,30 beträgt. Die Gründe hierfür sind die folgenden: Wenn die Wabenstruktur mit einer Wanddicke t von höchstens 0,124 mm als Katalysatorträger verwendet wird, lässt sich eine besonders gute Gasreinigungsleistung erreichen, wobei in der Praxis zufriedenstellende Druckfestigkeitseigenschaften erzielt werden. Wenn überdies die offene Stirnfläche der Wabenstruktur zumindest 0,70 als untere Grenze oder die Gesamtdichte G der Wabenstruktur höchstens k x 0,30 oberen Grenze beträgt, wird es möglich, zufriedenstellende Druckfestigkeitseigenschaften bei einer hervorragenden Druckverlusteigenschaft und einer ausgezeichneten Abgasreinigungsleistung zu erzielen. Da das Gewicht des Wabenstrukturkörpers geringer ist, wenn er als Katalysatorträger in Auto-Abgasreinigungssystemen verwendet wird, kann das Fahrzeuggewicht gesenkt und somit der Treibstoffverbrauch verbessert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Es folgt eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen, worin:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht der gesamten Anordnung des Keramikkörpers mit Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig.2 eine schematische Ansicht ist, die ein Beispiel für die Strömungsdurchgänge und die Trennwände im erfindungsgemäßen Wabenstruktur-Keramikkörper zeigt;
Fig.3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der offenen Stirnfläche und der Trennwanddicke des Keramikkörpers mit Wabenstruktur darstellt;
Fig.4 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Gesamtdichte und Trennwanddicke des Keramikkörpers mit Wabenstruktur darstellt;
Fig.5 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der offenen Stirnfläche und dem Verformungsgrad der peripheren Wand darstellt;
Figuren 6A und 6B erläuternde Ansichten sind, die den Transfermodus des Wabenstrukturkörpers unmittelbar nach seinem Extrudieren und das Auftreten lokaler Verformung der Trennwand während des Transfers zeigen;
Fig.7 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Abstand der Trennwände und der offenen Stirnfläche des Wabenstruktur-Keramikkörpers darstellt;
Fig.8 ein Diagramm ist, das das Messsystem der Druckverlusteigenschaft des Wabenstruktur-Keramikkörpers veranschaulicht;
Fig.9 ein Graph ist, der die durch das System von Fig.8 gemessene Druckverlusteigenschaft darstellt;
Fig.10 ein Graph ist, der die Änderung des Druckverlusts in Übereinstimmung mit der Änderung in der offenen Stirnfläche darstellt, die durch das System von Fig.8 bei konstant gehaltener Luftströmungsmenge gemessen wird;
Fig.11 ein Diagramm ist, das das Testsystem für den Wabenstrukturkörper unter Verwendung eines Motors veranschaulicht;
Fig.12 ein Graph ist, der die durch die Testvorrichtung von Fig.11 gemessene Motorleistung darstellt;
Fig.13A ein Diagramm ist, das das Fahrzeuggeschwindigkeits-Muster auf der Basis des LA-4-Modus als repräsentatives Beispiel des Fahrzeugbetriebs-Versuchsmodus darstellt;
Fig.13B ein detailliertes Diagramm ist, das das Fahrzeuggeschwindigkeits-Muster während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus zeigt;
Fig.14 ein Graph ist, der den akkumulierten Kohlenwasserstoffausstoß während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus darstellt;
Fig.15 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Kohlenwasserstoffausstoß während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus und der Trennwanddicke des Wabenstrukturkörpers veranschaulicht;
Fig.16 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Kohlenwasserstoff-Ausstoßmenge und der Katalysator-Wärmekapazität des Wabenstrukturkörpers veranschaulicht;
Fig.17 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Reinigungseffizienz und der Wärmekapazität des Wabenstrukturkörpers für verschiedene Abgaskomponenten darstellt;
Fig.18 ein Graph ist, der die Temperaturänderung verschiedener Wabenstrukturkörper während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus zeigt;
Fig.19 ein Graph ist, der die Ausstoßmengen verschiedener Abgaskomponenten während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus darstellt;
Fig.20 ein Diagramm ist, das die Definition der Mittellinie der Trennwand im Wabenstrukturkörper darstellt;
Figuren 21A, 21B und 21C erklärende Ansichten verschiedener Arten der Biegeverformung der Trennwand im Wabenstrukturkörper und der Verformungsausmaße solcher Verformungsarten sind;
Fig.22 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem maximalen Biegeverformungsausmaß (Längenverhältnis LB/LA) der Trennwand darstellt;
Fig.23 ein Graph ist, der die Häufigkeit des Auftretens von Trennwänden zeigt, die einer Biegeverformung im Querschnitt eines Wabenstrukturkörpers augesetzt wurden;
Fig.24 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem Anteil der Anzahl an Trennwänden mit einem Längenverhältnis LB/LA, das im Bereich von 1,10 und 1,15 liegt, an der Gesamtzahl an Trennwänden veranschaulicht;
Figuren 25A und 25B erklärende Ansichten sind, die mögliche Formen der Trennwände darstellen, die einer Biegeverformung ausgesetzt wurden;
Fig.26 eine erklärende Ansicht des Ausmaßes der Bruchverformung der Trennwände des Wabenstrukturkörpers mit Strömungsdurchgängen mit quadratischem Querschnitt ist;
Figuren 27A und 27B erklärende Ansichten sind, die jeweils den Zustand vor bzw. nach der Bruchverformung der Trennwände des Wabenstrukturkörpers mit Strömungsdurchgängen mit sechseckigem Querschnitt darstellen;
Fig.28 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen isostatischer Festigkeit und dem Längenverhältnis Lmax/Lmin der Diagonallinien im Falle eines quadratischen Querschnitts der Strömungsdurchgänge zeigt, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient;
Fig.29 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem Längenverhältnis Lmax/Lmin der Diagonalnien im Falle eines sechseckigen Querschnitts der Strömungsdurchgänge zeigt, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient;
Figuren 30A und 30B erklärende Ansichten sind, die den fehlerhaften Zustand der Trennwände im Wabenstrukturkörper mit quadratischem Querschnitt der Strömungsdurchgänge veranschaulichen;
Fig.31 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und der Anzahl fehlerhaffer Trennwänden unter den gesamten Trennwänden darstellt, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient; und
Fig.32 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und der Anzahl fehlerhafter Trennwände im peripheren Außenbereich darstellt, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bezug nehmend auf Fig.1 sieht man einen Keramikkörper mit Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet wird. Der Wabenstrukturkörper 10 ist mit einer peripheren Wand 11 und innerhalb davon angeordneten Trennwänden 12 versehen. Die Trennwände 12 definieren im Wabenstrukturkörper 10 eine Anzahl Strömungsdurchgänge 13 in Form von Zellen mit polygonalem, z.B. mit dreieckigem, quadratischem oder sechseckigem Querschnitt. Diese Strömungsdurchgänge 1 3 erstrecken sich in Längsrichtung durch den Wabenstrukturkörper 10, um ein Fluid wie z.B. ein Abgas eines Verbrennungsmotors hindurch zu leiten. Der Wabenstrukturkörper 10 kann im Querschnitt senkrecht zur Strömungsdurchgangsrichtung rund oder kreisrund sein (siehe Fig.1). Der Wabenstrukturkörper 10 kann aber auch alternativ dazu eine andere Querschnittsfrm aufweisen, z.B. einen ovalen Querschnitt mit länglicher runder oder elliptischer Kontur oder einen nichtrunden Querschnitt. Wabenstrukturkörper mit solchen Querschnittsformen sind an sich bekannt und werden verwendet. Außerdem besitzt der Wabenstrukturkörper 10 eine Längsachse, die sich in Richtung der Strömungsdurchgänge 13 erstreckt, die in herkömmlicher, an sich bekannter Weise entweder gerade oder gebogen sein können.
Der erfindungsgemäße Wabenstrukturkörper 10 kann in zweckmäßiger Weise verwendet werden, z.B. als Katalysatorträger in Auto-Abgasreinigungssystemen. Der Wabenstrukturkörper 10 kann ein einstückig extrudierter Körper sein, der im wesentlichen aus Cordierit, Mullit, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Zirconiumoxid besteht. Günstigerweise ist der Wabenstrukturkörper 10 jedoch - wenn auch die Temperaturwechselbeständigkeit in Betracht gezogen wird - ein einstückig extrudierter Körper, der im wesentlichen aus Cordierit besteht und Strömungskanäle 13 mit quadratischem Querschnitt aufweist.
Wenn gemäß der vorliegenden Erfindung der Wabenstrukturkörper 10 z.B. als Katalysatorträger verwendet wird, wird die Oberfläche der Trennwände 12 zunächst mit einem Basismaterial wie z.B. γ-Aluminiumoxid o.dgl, in einer Menge von zumindest 100 g/l bezogen auf das Katalysatorvolumen beschichtet. Anschließend wird eine katalytische Substanz, die im wesentlichen aus zumindest einem der Edelmetalle Pt, Rh und Pd besteht, in einer Menge von zumindest 2 g/l bezogen auf das Katalysatorvolumen auf die Oberfläche des Basismaterials aufgetragen. In diesem Fall besitzt der keramische Waben katalysator, der den Wabenstrukturkörper 10 umfasst, der - wie oben beschrieben - mit dem Basismaterial und der katalytischen Substanz überzogen wurde, eine Wärmekapazität von höchstens 450 kJ/K, vorzugsweise höchstens 410 kJ/K, pro 1 m³ Katalysator.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Wabenstruktur-Keramikkörper 10 eine A- Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 50 kp/cm² und eine B-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 5 kp/cm², vorzugsweise zumindest 10 kp/cm², auf. Die Dicke der peripheren Wand 11 des Wabenstrukturkörpers 10 beträgt zumindest 0,1 mm, und die Dicke t (Fig.2) der Trennwände 12 liegt im Bereich von 0,050 mm und 0,150 mm. Gemäß der vorliegenden Erfindung genügen weiters die offene Stirnfläche OFA und die Gesamtdichte G des Wabenstrukturkörpers 10 der folgenden Formel (1) bzw. (2):
0,65≤OFA≤0,58 x t + 0,98 ... (1)
k x {1 - (-0,58 x t + 0,98)}≤G≤k x 0,35 ... (2)
worin k ein Faktor ist, der das echte spezifische Gewicht des den Wabenstrukturkörper 10 bildenden keramischen Materials, multipliziert mit (1 - Materialporosität), darstellt.
Wie dies auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, stehen die offene Stirnfläche OFA und die Gesamtdichte G des Wabenstrukturkörpers 10 in einer komplementären Beziehung zueinander - wenn ein Element bestimmt wurde, kann das andere Element ermittelt werden, wenn das echte spezifische Gewicht und die Porosität des Materials bekannt sind.
Die vorliegende Erfindung soll die konkreten Beziehungen zwischen der Trennwanddicke t (in Milli-Inch-Einheiten, 1 Milli-Inch ist 0,0254 mm) und der offenen Stirnfläche OFA sowie zwischen der Trennwanddicke t und der Gesamtdichte G definieren (siehe Figuren 3 bzw. 4), worin die Formeln (1) und (2) in den schraffierten Bereichen erfüllt sind. Der obere Grenzwert (-0,58 x t + 0,98) der offenen Stirnfläche OFA in der Formel (1) ist ein approximativer Ausdruck, der auf einem Untersuchungsergebnis basiert, das in Fig.5 dargestellt ist, worin die Beziehung zwischen der offenen Stirnfläche und den lokalen Verformungen der peripheren Wände verschiedener Proben mit der Trennwanddicke t als Parameter ermittelt wurde; die Annehmbarkeit dieser Proben wurde gemäß dem Verformungsgrad beurteilt.
Wabenstrukturkörper werden unmittelbar nach ihrem Extrudieren einem nächsten Schritt zugeführt, während sie vorübergehend auf einem Gestell getragen werden und ihre peripheren Außenflächen an einer im wesentlichen horizontalen Tragefäche des Gestells aufliegen, wie man dies in Fig.6A erkennt. Während einer solchen Beförderung ist der Wabenstrukturkörper noch weich und kann daher an der peripheren Wand lokal verformt werden, wie dies aus Fig.6B ersichtlich ist. Durch eine solche lokale Verformung der peripheren Wand des Wabenstrukturkörpers kann es während des Einhüllens zu einem fehlerhaften Kontakt der Wabenstruktur kommen, oder die Trennwände in der Nähe des lokal verformten Bereichs der peripheren Wand können nachfolgend verformt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Abnahme der isostatischen Festigkeit und/oder des Brechens der Wabenstruktur steigt.
Daher wurde die Annehmbarkeit des Wabenstrukturkörpers unter Berücksichtigung des Verformungsgrads der peripheren Wand im Verhältnis zur offenen Stirnfläche OFA der Wabenstruktur beurteilt. Wie dies auf dem Gebiet bekannt ist, führt eine Vergrößerung der offenen Stirnfläche zu einer Abnahme der Zelldichte, einer geringeren Anzahl an die Wabenstruktur bildenden Trennwänden und größeren Intervallen (Zellabständen) der die Umfangswand stützenden Trennwände. Die Beziehung zwischen der offenen Stirnfläche OFA und dem Trennwandabstand in der Wabenstruktur ist in Fig.7 dargestellt. Man erkennt deutlich in dieser Figur 7, dass für jede Trennwanddicke der Trennwandabstand bei einer bestimmten offenen Stirnfläche rasch zunimmt. Weitere Untersuchungen wurden über die Beziehung zwischen der offenen Stirnfläche OFA und der Trennwanddicke t durchgeführt. Es bestätigte sich, dass sich die zwischen den Trennwänden gestützte periphere Wand zumeist verbiegt, wenn die offene Stirnfläche OFA über -0,58 x t + 0,98 hinausgeht. Weiters zeigt sich, dass eine solche Verbiegung der peripheren Wand die Neigung lokaler Verformungen der peripheren Wand und daraus resultierender Verformungen angrenzender, die periphere Wand stützender Trennwände verstärkt, wodurch die isostatische Festigkeit des Wabenstrukturkörpers deutlich verringert wird. Wenn die Trennwände und die peripheren Wände idealerweise genaue Formen ohne Verformungen aufweisen, bewirkt das Anlegen einer isostatischen Last, dass ein Druckspannungsfeld in der Wabenstruktur vorherrscht. Das Auftreten lokaler Verformungen kann jedoch zur Erzeugung von Zugspannungen in den verformten Bereichen führen, wobei die isostatische Festigkeit dann stark durch die Zugspannung beeinträchtigt wird und rasch sinkt.
Es folgt eine Erklärung typischer funktionaler Eigenschaften des Wabenstruktur- Keramikkörpers 10 und des keramischen Wabenkatalysators der Erfindung, die beide die oben beschriebenen Bedingungen erfüllen, unter Bezugnahme auf verschiedene Versuchsergebnisse.
Zu Beginn konzentrierten sich die Untersuchungen darauf, die Beziehung zwischen der Druckverlusteigenschaft und der offenen Stirnfläche des Wabenstruktur-Keramikkörpers 10 der Erfindung zu ermitteln. Fig.8 zeigt ein Messsystem 20 zur Messung der Druckverlusteigenschaft des Wabenstrukturkörpers. Das Messsystem 20 umfasst ein Luftgebläse 21, einen Strömungsausrichtungsabschnitt 22 und einen Messabschnitt 23. Die Messung mit einem solchen Messsystem 20 wurde durchgeführt, indem im Messabschitt 23 ein Gegenstand angeordnet wurde, dessen Druckverlust gemessen werden soll, d.h. einen Wabenstrukturkörpers 24, wobei das Gebläse 21 so betrieben wird, dass Druckluft dem Strömungsausrichtungsabschnitt 22 zugeführt und durch die Strömungskanäle des Wabenstrukturkörpers 24 geleitet wird, und indem der Druckverlust im Wabenstrukturkörper 24, d.h. die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Seite des Wabenstrukturkörpers 24, mittels eines Manometers 25 gemessen wird, das mit dem Messabschnitt 23 verbunden ist. Die Messung der Druckverlusteigenschaft mittels des Messsystems 20 erfolgte für eine Reihe von Keramikkörpern mit Wabenstruktur, die jeweils eine konstante Größe (Querschnitt und Volumen) und eine unterschiedliche offene Stirnfläche aufwiesen, durch Änderung der Luftströmungsrate.
Die Messung der Druckverlusteigenschaft der Reihe an Wabenstrukturkörpern ergab die in Fig.9 gezeigten Daten, aus denen klar ersichtlich ist, dass der Druckverlust mit der Verkleinerung der offenen Stirnfläche OFA zunimmt. Fig.10 zeigt die Änderung des Druckverlusts der gleichen Reihe an Wabenstrukturkörpern, ausgedrückt im Verhältnis zur Änderung der offenen Stirnfläche OFA mit konstant gehaltener Luftströmungsmenge (5 m³/min). Man erkennt aus Fig.10, dass eine zunehmende Tendenz des Druckverlusts in Bezug auf die Verkleinerung der offenen Stirnfläche bei einer offenen Stirnfläche von höchstens 70%, insbesondere von höchstens 65%, auffallend stark ist. Dies zeigt, dass der untere Grenzwert der offenen Stirnfläche günstigerweise 65% (=0,65), vorzugsweise 70% (=0,70), ist.
Es folgt eine Erklärung der durch den erfindungsgemäßen Wabenstruktur-Keramikkörper 10, insbesondere seiner offenen Stirnfläche OFA, beeinflussten Leistungseigenschaft von Verbrennungsmotoren. Fig.11 zeigt eine Versuchsvorrichtung 30 zur Messung der Leistung eines Verbrennungsmotors 31, der aus einem 6-Zylinder-Benzinmotor mit einem Hubraum von 3000 cm³ besteht und an den sich ein Auspuffkrümmer 32 mit einer Länge von 50 cm anschließt. Ein mit einem Wabenstrukturkörper (Messobjekt) ausgestatteter Konverter 33 ist an der unmittelbar stromabwärtigen Seite des Auspuffkrümmers 32 angeordnet. Ein Unterflurkonverter 34 mit einem Volumen von 1700 cm³ und ein Auspufftopf 35 sind an der stromabwärtigen Seite des Konverters 33 verbunden. Ein Dynamometer 36 ist mit der Abtriebswelle des Motors 31 verbunden. Unter Verwendung des Versuchssystems 30 wurde die Motorleistung im maximalen Leistungszustand des Motors 31 durch das Dynamometer 36 gemessen. Die Messung erfolgte hinsichtlich der Gruppe an Konvertern 33 an der unmittelbar stromabwärtigen Seite des Auspuffkrümmers 32, die mit jeweiligen Katalysatorträgern ausgestattet waren, die aus Wabenstruktur-Keramikkörpern mit konstanter Größe (Volumen von 1700 cm³) und unterschiedlichem Stirnflächen bestanden. Das Ergebnis dieser Messung ist in Fig.12 veranschaulicht, in der man erkennt, dass eine abnehmende Tendenz der Motorleistung mit Verkleinerung der offenen Stirnfläche des Wabenstruktur-Keramikkörpers bei einer offenen Stirnfläche von weniger als 70%, insbesondere weniger als 65%, stark auffällt.
Es folgt eine Erklärung der Abgasreinigungsleistung, die durch ein Auto-Abgasreinigungssystem erzielt wird, das mit einem keramischen Wabenkatalysator versehen ist, der den erfindungsgemäßen Wabenstruktur-Keramikkörper 10 enthält.
Wie dies auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, erfolgt die Abgasmessung von Fahrzeugen in einem Betriebszustand üblicherweise in Einklang mit einem vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeitsmuster, das durch einen konkreten Testfahrtmodus definiert ist. Als ein repräsentatives Beispiel eines solchen Testfahrtmodus zeigt Fig.13A ein Diagramm des Fahrzeuggeschwindigkeitsmusters des LA-4-Modus, und Fig.13B zeigt das detaillierte Fahrzeuggeschwindigkeitsmuster während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus.
Ein Testfahrzeug mit einem 6 Zylinder-Benzinmotor mit einem Hubraum von 2500 cm³ diente dazu, die Abgasmessung in einem Betriebszustand in Übereinstimmung mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitsmuster des LA-4-Modus hinsichtlich einer Reihe an katalytischen Konvertern durchzuführen, die nacheinander an der unmittelbar stromabwärtigen Seite des Auspuffkrümmers des Abgassystems verbunden wurden. Diese Konverter enthalten jeweilige keramische Wabenkatalysatorträger, die jeweils die gleiche Größe bzw. das gleiche Volumen und die gleiche Zelldichte, d.h. 1200 cm³ und 60 Zellen/cm², und eine unterschiedliche Trennwanddicke aufweisen. Für jeden derartigen Konverter wurde die akkumulierte Ausstoßmenge an Kohlenwasserstoffen (HG) während der ersten 505 Sekunden des LA-4-Modus gemessen. Die durch solche Messungen erzielten Daten sind in Fig.14 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass eine Verringerung der Trennwanddicke zu einer kleineren Menge an ausgestoßenen Kohlenwasserstoffen führt.
Fig.15 zeigt die Kohlenwasserstoff-Ausstoßmenge während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus, wobei die Daten dieser Abbildung für die gleiche Reihe an Konvertern erzielt wurden wie oben. Man erkennt in Fig.15, dass eine reduzierte Trennwanddicke zu einer geringeren Kohlenwasserstoff-Emissionsmenge führt und dass eine solche abnehmende Tendenz bei einer Trennwanddicke von höchstens 0,124 mm auffallend stark wird.
Weiters wurde die Beziehung zwischen der ausgestoßenen Menge an Kohlenwasserstoffen und der Wärmekapazität des Katalysators untersucht. Die in diesen Untersuchungen erzielten Daten sind in Fig.16 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass eine Verringerung der Wärmekapazität zu einer Abnahme der Kohlenwasserstoff-Emissionsmenge führt und dass eine solche abnehmende Tendenz bei einer Wärmekapazität von höchstens 450 kJ/m³, vorzugsweise höchstens 410 kJ/m³, auffallend stark wird.
Weiters wurde die Beziehung zwischen der Wärmekapazität des Katalysators und der Reinigungseffizienz jeder Emissionskomponente (NOx, CO, HG) bis zur Erreichung des sogenannten "BagA2-Peaks" untersucht. Die in diesen Untersuchungen erzielten Daten sind in Fig.17 veranschaulicht, aus der ersichtlich ist, dass eine reduzierte Wärmekapazität zu einer größeren Reinigungseffizienz jeder Emissionskomponente führt und dass eine derartige zunehmende Tendenz bei einer Wärmekapazität von höchstens 450 kJ/m³, vorzugsweise höchstens 410 kJ/m³, auffallend stark wird.
Wie dies auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, wird die Leistung des Auto- Abgasreinigungssystems im Kaltstartzustand vor allem durch die Qualität der Temperaturerhöhungseigenschaft des Katalysatorträgers selbst bestimmt, wobei die Reinigungsleistung durch eine geringere Gesamtdichte des Katalysatorträgers und folglich eine reduzierte Wärmekapazität des Katalysators verbessert werden kann. Die Temperatur des Katalysatorträgers wurde während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus unter Verwendung eines Testfahrzeugs mit einem 6 Zylinder-Benzinmotor mit einem Hubraum von 2500 cm³ hinsichtlich einer Reihe katalytischer Konverter gemessen, die an der unmittelbar stromabwärtigen Seite des Auspuffkrümmers des Abgassystems hintereinander verbunden sind. Auch in diesem Fall enthält jeder Konverter einen keramischen Wabenkatalysatorträger der gleichen Größe bzw. des gleichen Volumens und der gleichen Zelldichte, d.h. 1200 cm³ und 60 Zellen/cm², und unterschiedlicher Trennwanddicke. Die Temperatur jedes Katalysatorträgers wurde in einem Mittelabschnitt des Trägers gemessen, der in einem Abstand von 1 5 mm von der Abgaseinlassseite angeordnet ist. Die aus dieser Messung erhaltenen Daten sind in Fig.18 veranschaulicht, aus der ersichtlich ist, dass eine geringere Trennwanddicke und somit eine geringere Gesamtdichte des Katalysatorträgers eine Verbesserung der Temperaturerhöhungseigenschaft des Trägers bewirkt. Weiters erkennt man aus Fig.18, dass der Metallwabenkatalysator gegenüber dem keramischen Wabenkatalysator eine relativ niedrigere Temperaturerhöhungsrate aufweist. Man geht davon aus, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass Metall eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Keramik besitzt und daher für eine stärkere Wärmeabeitung während des Temperaturerhöhungsverfahrens sorgt als Keramik.
Außerdem wurden die Mengen verschiedener Emissionskomponenten (NOx, CO, HC), die während der ersten 505 Sekunden im LA-4-Modus ausgestoßen wurden, unter Verwendung eines Testfahrzeugs mit einem 6 Zylinder-Benzinmotors und einem Hubraum von 2500 cm³ hinsichtlich einer Reihe katalytischer Wabenkonverter gemessen, die an der unmittelbar stromabwärtigen Seite des Auspuffkrümmers des Abgassystems nacheinander verbunden wurden. Diese Konverter waren mit keramischen Wabenkatalysatorträgern bzw. einem metallischen Wabenkatalysatorträger ausgestattet. Die aus diesen Messungen erhaltenen Daten sind durch das Balkendiagramm in Fig.19 veranschaulicht, aus dem ersichtlich ist, dass die keramischen Wabenkatalysatorträger hinsichtlich der Abgasreinigungsleistung dem metallischen Waben katalysatorträger überlegen sind.
Wie bereits beschrieben, besitzt der Wabenstruktur-Keramikkörper 10 der Erfindung eine A-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 50 kp/cm² und eine B-Achsen- Druckfestigkeit von zumindest 5 kp/cm². Die Anmelder führten Untersuchungen und Versuche durch, um auf diese Weise die Druckfestigkeitseigenschaft des Keramikkörpers mit Wabenstruktur zu verbessern. Es bestätigte sich, dass Verformungen oder Fehler, die während der Herstellung des Wabenstrukturkörpers in den Trennwänden auftreten können, eine deutliche Abnahme der Druckfestigkeit bewirken. Die Anmelder erkannten weiters, dass es zur Erzielung einer hervorragenden Druckfestigkeitseigenschaft trotz einer dünnwandigen Struktur des Keramikkörpers mit Wabenstruktur vor allem notwendig ist, den Verformungsgrad der Trennwände und die Diskontinuität u.dgl. von Fehlern innerhalb quantitativ vorbestimmter Bereiche zu halten.
Es folgt eine Erklärung einer Biegeverformung der Trennwände als eine Möglichkeit ihrer Verformung. Es kann vorkommen, dass Biegeverformungen z.B. im Inneren eines Keramikkörpers mit Wabenstruktur auftreten, z.B. im Inneren des Keramikkörpers mit Wabenstruktur, obwohl sie öfters in einem Bereich der Trennwand in der Nähe ihrer Verbindungsstelle mit der peripheren Wand auftreten. Die Biegeverformung kann z.B. als Verbiegung oder Verkrümmung der Trennwände durch Beobachten des Wabenstrukturkörpers aus der Strömungsdurchgangsrichtung erkannt werden.
Bezüglich einer Trennwandeinheit, d.h. jenes Abschnitt einer Trennwand, der einen willkürlichen Strömungsdurchgang im Wabenstrukturkörper bildet und möglicherweise einer Biegeverformung zu einer bogenförmigen Ausgestaltung ausgesetzt war, ist es beispielsweise besonders günstig, die Mittellinie der Trennwandeinheit zu definieren, sodass eine quantitative Beurteilung des Biegeverformungsgrads möglich ist. Wie aus Fig.20 ersichtlich, kann die Mittellinie der Trennwandeinheit als Linie definiert werden, die durch die Mittelpunkte von Kreisen führt, die in beide Seiten dieser Trennwand eingeschrieben sind. Zwischen beliebigen zwei Punkten auf einer solchen Mittellinie, die durch eine lineare Entfernung LA voneinander beabstandet sind, weist die Mittellinie eine tatsächliche Länge LB auf, die immer größer als die Entfernung LA ist, wenn die Trennwand der Biegeverformung ausgesetzt wurde. Somit kann der Grad an Biegeverformung als Längenverhältnis LB/LA ausgedrückt werden (siehe Fig.21A). Die zwei Punkte auf der Mittellinie zur Berechnugn des Längenverhältnisses LB/LA werden solcherart ausgewählt, dass das Längenverhältnis LB/LA maximal wird. Hinsichtlich der Konfiguration der Biegeverformung gibt es neben der Verformung zu einer bogenförmigen Ausgestaltung, in der die Trennwand über die gesamte Länge gebogen ist, auch Fälle, in denen die Mittellinie der Trennwand aus zwei geraden, in einem Winkel aneinandergefügten Liniensegmenten besteht oder die Trennwand nur lokal verbogen ist, wie dies aus Fig.21B bzw. 21C ersichtlich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es für im wesentlichen alle Trennwände in der Wabenstruktur vorteilhaft, das Längenverhältnis LB/LA innerhalb eines Bereichs zwischen 1 und 1,10 zu halten und sicherzustellen, dass die Anzahl an Trennwänden mit dem Längenverhältnis LB/LA innerhalb eines Bereichs zwischen 1,10 und 1,15 höchstens 1% der Gesamtzahl der Trennwände ausmacht.
Fig.22 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem Verformungsausmaß, d.h. den maximalen Wert des Längenverhältnisses LB/LA in den Trennwänden eines Keramikkörpers mit Wabenstruktur veranschaulicht. Vor der Durchführung eines isostatischen Festigkeitsversuchs wurde das Längenverhältnis LB/LA im vorhinein für jede Trennwand gemessen, die einer starken Verformung ausgesetzt war und daher laut Vorhersage einen Zerstörungspunkt bilden wird. Der isostatische Zerstörungsversuch wurde dann mit einer Reihe von Wabenstrukturkörpern durchgeführt, die sich in der Trennwanddicke unterschieden, um die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem Längenverhältnis LB/LA der Trennwand am Zerstörungspunkt zu untersuchen. jeder Wabenstrukturkörper, der einem solchen isostatischen Zerstörungsversuch unterzogen wird, besitzt eine Standardgröße mit runder Form mit einem Außendurchmesser von etwa 100 mm. In Fig.22 zeigt die obere Kurve die Daten für eine relativ dicke Trennwand und die untere Kurve die Daten für eine relativ dünne Trennwand. Es zeigte sich in den Untersuchungen, dass die isostatische Festigkeit zumeist rasch ansteigt, wenn das Längenverhältnis LB/LA auf 1,10 oder weniger sinkt.
Fig.23 ist ein Graph, der die statistische Streuung des Längenverhältnisses LB/LA dieser Trennwände in einem willkürlichen Querschnitt eines Wabenstrukturkörpers veranschaulicht, der einer Biegeverformung ausgesetzt wurde. Dieser Graph zeigt in schematischer Weise die Häufigkeit verschiedener Längenverhältnisse LB/LA solcher verformter Trennwände. Es ist offenkundig, dass die Häufigkeit vom Längenverhältnis LB/LA solcher Trennwände abhängt. Es gibt natürlich Keramikkörper mit Wabenstruktur, in denen alle Trennwände ein Längenverhältnis LB/LA von 1,10 oder weniger aufweisen und die Trennwände mit einem Längenverhältnis LB/LA von über 1,10 aufweisen.
Fig.24 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und dem Prozentanteil (N'/N) x 100% der Zahl N' der verformten Trennwände, die jeweils ein Längenverhältnis LB/LA aufweisen, das im Bereich zwischen 1,10 und 1,15 liegt, an der Gesamtzahl N der Trennwände veranschaulicht. In Fig.24 zeigt die obere Kurve die Daten für eine relativ dicke Trennwand und die untere Kurve die Daten für eine relativ dünne Trennwand. Man erkennt anhand des Graphen, dass die isostatische Festigkeit bei Abnahme des obigen Mengenanteils auf 1,0% oder weniger rasch ansteigt.
Die Gründe für diese Tendenz der isostatischen Festigkeit können folgendermaßen erklärt werden: Ein größerer Mengenanteil der verformten Trennwände führt häufig zu einer höheren Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Clustern von zwei oder mehreren, hintereinander positionierten verformten Trennwänden (siehe Fig.25A). In diesem Fall können stark verformte Trennwände angrenzend zueinander angeordnet sein. Der Wabenstrukturkörper mit diesen Clustern verformter Trennwände steht hinsichtlich der lokalen Strukturfestigkeit in klarem Gegensatz zum Wabenstrukturkörper, in dem verformte Trennwände voneinander beabstandet verteilt sind, wie aus Fig.25B ersichtlich ist. Wenn die verformten Trennwände in Clustern auftreten, werden die zel lartigen Strömungskanäle oft zusammengedrückt, wodurch die Strukturfestigkeit abnimmt. Im Fall des isostatischen Zerstörungsversuchs des Wabenstrukturkörpers mit Clustern von verformten Trennwänden ist anzumerken, dass die Bereiche des Wabenstrukturkörpers mit geringerer Festigkeit zu den Zerstörungspunkten werden, sodass auch die isostatische Festigkeit beeinträchtigt wird.
Es wurde bestätigt, dass sich bei einem obigen Mengenanteil der verformten Trennwände von mehr als 1,0% die Cluster solcher verformter Trennwände zumeist mit höherer Wahrscheinlichkeit bilden, wodurch die isostatische Festigkeit verringert wird. Wenn hingegen der Mengenanteil der verformten Trennwände 1,0% oder weniger ist, bilden sich die Cluster solcher verformter Trennwände mit geringerer Wahrscheinlichkeit aus, was zu einer Verteilung der verformten Trennwände führt, sodass die lokale Strukturfestigkeit und folglich die isostatische Festigkeit steigen.
Es folgt eine Erklärung der Verformung der Trennwände durch Zusammendrücken und andere Verformungsmöglichkeiten. Im Gegensatz zur obigen Biegeverformung der Trennwände tritt die Verformung durch Zusammendrücken als Veränderung des Schnittwinkels zwischen angrenzenden Trennwandeinheiten auf, die einen zellartigen Strömungsdurchgang bilden. Beispielsweise tritt bei Strömungsdurchgängen mit quadratischem Querschnitt die Verformung durch Zusammendrücken als Änderung des rhombenförmigen Querschnitts des Strömungsdurchgangs auf. In diesem Fall kann man - wie dies aus Fig.26 ersichtlich ist - davon ausgehen, dass jeder Strömungsdurchgang im Wabenstrukturkörper Gitterpunkte aufweist, die jeweils durch einen Mittelpunkt des maximalen eingeschriebenen Kreises definiert sind, der zumindest drei Ecken an einer Schnittstelle angrenzender Trennwandeinheiten einschreibt. Dann kann bezüglich der diagonalen Linien, die gegenüberliegende Paare solcher Gitterpunkte verbinden, der Verformungsgrad der Trennwände durch Zusammendrücken geeigneterweise durch ein Längenverhältnis Lmax/Lmin der maximalen Diagonallinienlänge Lmax zur minimalen Diagonallinienlänge Lmin quantifiziert werden.
Günstigerweise liegt das obige Längenverhältnis Lmax/Lmin im Bereich zwischen 1 und 1,73 im Falle eines quadratischen Querschnitts der Strömungsdurchgänge (siehe Fig.26) und im Bereich zwischen 1,15 und 1,93 im Falle eines sechseckigen Querschnitts der Strömungsdurchgänge (siehe Figuren 27A und 27B). Die in Figuren 28 und 29 gezeigten Graphen veranschaulichen die Beziehung des Längenverhältnisses Lmax/Lmin und der isostatischen Festigkeit zum quadratischen bzw. sechseckigen Querschnitt der Strömungsdurchgänge, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient. In den Figuren 28 und 29 zeigen die oberen Kurven die Daten für relativ dicke Trennwände und die unteren Kurven Daten für relativ dünne Trennwände. Man erkennt anhand dieser Graphen, dass die isostatische Festigkeit zumeist rasch ansteigt, wenn das Längenverhältnis Lmax/Lmin auf 1,73 oder weniger im Falle eines quadratischen Querschnitts des Strömungsdurchgangs oder auf 1,93 oder weniger im Falle eines sechseckigen Querschnitts des Strömungsdurchgangs verringert wird.
Neben den obigen Verformungen der Trennwände durch Verbiegen und Zusammendrücken kommt es zumeist auch zu einer Verringerung der isostatischen Festigkeit, wenn sich in einem beliebigen Querschnitt des Wabenstrukturkörpers aufgrund einer Diskontinuität der Trennwand in Strömungsdurchgangsrichtung ein Spalt bildet. In Figuren 30A und 30B sieht man die Formen der Trennwände mit einer derartigen in Strömungsdurchgangsrichtung beobachteten Diskontinuität. Die Diskontinuität der Trennwand kann an einer Position zwischen den Gitterpunkten oder an den Gitterpunkten auftreten, wobei die Anzahl an Fehistellen in beiden Fällen als 1 gezählt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl NDT an Trennwänden mit einer Diskontinuität in strömungsdurchgangsrichtung, die für einen Spalt in jedem beliebigen Querschnitt des Wabenstrukturkörpers sorgt, günstigerweise nicht mehr als 1,0% der Gesamtzahl N der Trennwände im Wabenstrukturkörper. Außerdem macht bezüglich eines peripheren Außenbereichs des Wabenstrukturkörpers, der die inneren 20. Strömungsdurchgänge, gezählt von der äußersten Peripherie des Wabenstrukturkörpers, die Anzahl ND20 der Trennwände, die in diesem Bereich enthalten sind und eine Diskontinuität in Strömungsdurchgangsrichtung aufweisen, die für einen Spalt in jedem beliebigen Querschnitt des Wabenstrukturkörpers sorgt, günstigerweise nicht mehr als 0,5% der Gesamtanzahl N der Trennwände im Wabenstrukturkörper aus.
Figuren 31 und 32 sind Graphen, die die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und der Zahl ND, ND20 der Trennwände mit einer Diskontinuität veranschaulichen, wobei die Trennwanddicke als Parameter dient. In Figuren 31 und 32 zeigen die oberen Kurven die Daten für relativ dicke Trennwände und die unteren Kurven die Daten für relativ dünne Trennwände. Man erkennt aus Fig.31, dass die isostatische Festigkeit zumeist rasch zunimmt, wenn der Prozentanteil (NDT/N) x 100% der Zahl ND der diskontinuierlichen Trennwände im Verhältnis zur Gesamtzahl N der Trennwände im gesamten Wabenstrukturkörper auf 1,0% oder weniger reduziert ist. Weitere Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Beziehung zwischen der isostatischen Festigkeit und der Stelle der Diskontinuität der Trennwände zu ermitteln, wobei die Anzahl der Trennwände im oben erwähnten peripheren Außenbereich des Wabenstrukturkörpers mit einer Diskontinuität in Strömungsdurchgangsrichtung berücksichtigt wurde. Diese Untersuchungen zeigen - wie dies aus Fig.32 ersichtlich ist -, dass die isostatische Festigkeit zumeist rasch ansteigt, wenn der Prozentanteil (ND20/N) x 100% der Anzahl ND20 der diskontinuierlichen Trennwände im peripheren Außenbereich des Wabenstrukturkörpers im Verhältnis zur Gesamtzahl N der Trennwände im gesamten Wabenstrukturkörper auf 0,5% oder weniger reduziert ist.
Man beachte, dass alle oben angeführten Daten über die isostatische Festigkeit in Verbindung mit den Abbildungen aus einem Wabenstrukturkörper mit zellartigen Strömungsdurchgängen quadratischen Querschnitts oder runder Außenform stammen. Es ist jedoch auch möglich, die im wesentlichen gleichen Funktionen und Vorteile durch Wabenstrukturkörper mit Strömungsdurchgängen mit dreieckigem oder sechseckigem Querschnitt und durch Wabenstrukturkörper mit ovaler äußerer Form zu erzielen, sofern die oben erwähnten Bedingunen der vorliegenden Erfindung erfüllt sind.
Es ergibt sich aus der obigen ausführlichen Beschreibung, dass die vorliegende Erfindung einen dünnwandigen Keramikkörper mit Wabenstruktur und geringerer Trennwanddicke als Strukturen des Stands der Technik bereitstellt, wodurch es möglich ist, eine größere offene Stirnfläche und einen geringeren Druckverlust zu erzielen und dadurch die Wärmekapazität des Wabenstrukturkörpers zu reduzieren, wenn er als Katalysatorträger verwendet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es weiters möglich, trotz der dünnwandigen Struktur einen Wabenstruktur-Keramikkörper mit in der Praxis zufriedenstellenden Druckfestigkeitseigenschaften zu bilden, indem bestimmte Beziehungen zwischen der Trennwanddicke und der offenen Stirnfläche und/oder der Gesamtdichte des Keramikkörpers mit Wabenstruktur erfüllt werden und indem die speziell definierten Bereiche des Verformungsgrads und der Anzahl an Diskontinuitäten oder ähnlichen Fehlern, die während der Herstellung des Keramikkörpers mit Wabenstruktur in den Trennwänden auftreten können, quantitativ aufrechterhalten werden.

Claims

1. Keramikkörper mit Wabenstruktur, umfassend eine periphere Außenwand mit einer Dicke von zumindest 0,1 mm und Trennwände, die innerhalb der peripheren Wand angeordnet sind und eine Dicke (t) im Bereich von 0,050 mm und 0,150 mm aufweisen, wobei eine Anzahl Strömungskanäle durch die periphere Wand und die Trennwände definiert und aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei sich die Trennwände zwischen benachbarten Strömungsdurchgängen befinden und wobei die Strömungsdurchgänge einen polygonalen, zellartigen Querschnitt aufweisen und sich in Längsrichtung durch den Wabenstrukturkörper hindurch erstrecken, der ein Keramikmaterial umfasst, das ein echtes spezifisches Gewicht und Porosität aufweist, und wobei der Wabenstrukturkörper zumindest einer der folgenden Formeln (1) und (2) genügt:

065≤OFA≤-0,58 x t + 0,98 ... (1)

k x {1 -(-0,58 x t + 0,98)} ≤ G ≤ k x 0,35 ... (2)

worin OFA und G eine offene Stirnfläche bzw. eine Gesamtdichte des Wabenstrukturkörpers sind und k ein Faktor ist, der das echte spezifische Gewicht multipliziert mit (1 - Porosität) darstellt; wobei der Wabenstrukturkörper eine A-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 50 kp/cm² und eine B-Achsen-Druckfestigkeit von zumindest 5 kp/cm² besitzt.

2. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach Anspruch 1, der Formel (1) genügt, worin die Dicke (t) der Trennwände höchstens 0,124 mm beträgt und die offene Stirnfläche des Wabenstrukturkörpers zumindest 0,70 beträgt.

3. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach Anspruch 1, der Formel (2) genügt, worin die Dicke (t) der Trennwände höchstens 0,124 mm beträgt und die Gesamtdichte G des Wabenstrukturkörpers zumindest k x 0,30 beträgt.

4. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin jede Trennwandeinheit im Querschnitt des Wabenstrukturkörpers gegenüberliegende Seiten und eine Mittellinie besitzt, die durch Mittelpunkte von beide Seiten der Trennwand einschreibenden Kreisen führt, und worin eine Mittellinienlänge (LB), die zwischen beliebigen zwei Punkten entlang der Mittellinie gemessen wird, ein Verhältnis zur linearen Entfernung (LA) zwischen den beiden Punkten aufweist, wobei das Verhältnis (LB/LA) im Bereich zwischen 1 und 1,10 liegt.

5. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin jede Trennwandeinheit im Querschnitt des Wabenstrukturkörpers gegenüberliegende Seiten und eine Mittellinie besitzt, die durch Mittelpunkte von beide Seiten der Trennwand einschreibenden Kreisen führt, und worin die Trennwände einer Anzahl, die höchstens 1% aller Trennwände entspricht, ein Verhältnis einer Mittellinienlänge (LB), die zwischen beliebigen zwei Punkten entlang der Mittellinie gemessen wird, zu einem linearen Abstand (LA) zwischen den beiden Punkten aufweist, wobei das Verhältnis (LB/LA) im Bereich zwischen 1,10 und 1,15 liegt.

6. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin jede Zelle, die einen Strömungsdurchgang im Querschnitt des Wabenstrukturkörpers definiert, Gitterpunkte besitzt, die jeweils durch einen Mittelpunkt des maximalen eingeschriebenen Kreises, der zumindest drei Ecken der Schnittstellen angrenzender Trennwandeinheiten einschreibt, definiert sind, wobei ein erstes Paar gegenüberliegender Gitterpunkte durch eine erste diagonale Linie der maximalen Länge (Lmax) verbunden ist und ein zweites Paar gegenüberliegender Gitterpunkte durch eine zweite diagonale Linie der minimalen Länge (Lmin) verbunden ist, wobei die maximale Länge zur minimalen Länge in einem Verhältnis (Lmax/Lmin) steht, das im Falle von Strömungsdurchgängen mit quadratischem Querschnitt im Bereich zwischen 1 und 1,73 und im Falle von Strömungsdurchgängen mit sechseckigern Querschnitt im Bereich zwischen 1,15 und 1,93 liegt.

7. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Trennwände einer Anzahl, die nicht mehr als 1% aller Trennwände im Querschnitt des Wabenstrukturkörpers entspricht, Fehler aufweisen, die Spalten in Querschnittsrichtung im Wabenstrukturkörper bilden.

8. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Wabenstrukturkörper einen peripheren Außenbereich aufweist, der die inneren 20. Zellen, gezählt von einer äußersten Peripherie des Wabenstrukturkörpers, enthält, wobei die Trennwände Fehler aufweisen, die Spalten in Querschnittsrichtung im Wabenstrukturkörper bilden und im äußeren Umfangsbereich enthalten sind, wobei ihre Anzahl höchstens 0,5% aller Trennwände im Querschnitt des Wabenstrukturkörpers ausmacht.

9. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der durch ein integrales Strangpressverfahren gebildet wurde.

10. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der für einen Katalysatorträger in einem Abgasreinigungssystem für Verbrennungsmotoren verwendet wird.

11. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Strömungsdurchgänge einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wobei der Wabenstrukturkörper Cordierit umfasst und für einen Katalysatorträger in einem Auto- Abgasreinigungssystem verwendet wird.

12. Keramikkörper mit Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend zumindest ein Mitglied, das aus der aus Mullit, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zirkoniumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

13. Keramischer Wabenkatalysator, umfassend einen aus einem Keramikkörper mit Wabenstruktur gebildeten Katalysatorträger und eine durch den Wabenstrukturkörper getragene katalytische Substanz, wobei der Wabenstrukturkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ist; und der Katalysator eine Wärmekapazität von höchstens 450 kJ/K pro 1 m³ Katalysator aufweist.

14. Keramischer Wabenkatalysator nach Anspruch 13, worin der Wabenstrukturkörper der Formel (1) genügt, wobei die Dicke der Trennwände höchstens 0,124 mm beträgt und die offene Stirnfläche des Wabenstrukturkörpers zumindest 0,70 beträgt, und worin die Wärmekapazität des Katalysators höchstens 410 kJ/K pro 1 m³ Katalysator beträgt.

15. Keramischer Wabenkatalysator nach Anspruch 13, worin der Wabenstrukturkörper der Formel (2) genügt, wobei die Dicke der Trennwände höchstens 0,124 mm beträgt und die Gesamtdichte des Wabenstrukturkörpers zumindest k x 0,30 beträgt, und worin die Wärmekapazität des Katalysators höchstens 410 kJ/K pro 1 m³ Katalysator beträgt.

16. Keramischer Wabenkatalysator nach Anspruch 13, 14 oder 15, der für ein Abgasreinigungssystem für Verbrennungsmotoren verwendet wird.