HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(i) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Waben-Heizgerät vom Elektroheizungstyp, das auf
geeignete Weise bei einem Abgasreinigungssystem eingesetzt werden kann, um
schädliche Komponenten, wie Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und
Stickoxide (NOx), in einem Abgas zu reinigen, das aus einem Verbrennungsmotor
abgegeben wird, insbesondere Kohlenwasserstoff, der zum Zeitpunkt des Startens des
Motors (bei einem Kaltstart) in großen Mengen erzeugt wird.
(ii) Beschreibung des Standes der Technik
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Schon bisher sind Forschung und Entwicklung in bezug auf ein Kraftfahrzeug-
Abgasreinigungssystem zur Reinigung eines Abgases eines Kraftfahrzeugs von
schädlichen Komponenten, wie HC, CO und NOx, aktiv durchgeführt worden, aber
insbesondere in den letzten Jahren ist die Reinigung dieser schädlichen Substanzen bei
einem Kaltstart eines Autos mit der Verschärfung von Abgasbestimmungen zu einem
wichtigen technischen Thema geworden.
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Das heißt, wenn die Temperatur eines solchen Abgases beim Ausstoßen unmittelbar
nach dem Start eines Motors niedrig ist, erreicht ein Katalysator seine
Betriebstemperatur nicht, und daher ist die Reinigungsfähigkeit des Katalysators gering.
Außerdem werden zu diesem Zeitpunkt Kohlenwasserstoff in einer größeren Menge
ausgestoßen als während des stabilisierten Laufes.
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Als ein Mittel, um dieses technische Problem zu lösen, ist viel Aufmerksamkeit auf eine
Technik gerichtet worden, bei der ein elektrisches Heizgerät vor oder gleichzeitig mit
dem Start des Motors mit Strom versorgt wird, um den auf dem Heizgerät getragenen
Katalysator, den sogenannten Light-off-Katalysator und den Hauptkatalysator und
dergleichen, die nahe beieinander an der Rückseite des Heizgeräts angeordnet sind,
rasch auf die Betriebstemperatur der Katalysatoren zu erwärmen.
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Beispielsweise offenbart die EP-A-452125, die von der Anmelderin der vorliegenden
Erfindung eingereicht wurde, ein Heizgerät mit einstellbarem Widerstand, bei dem
zumindest zwei Elektroden zur Elektrifizierung an einer Wabenstruktur mit einer Anzahl
von Durchgängen befestigt sind und zwischen den Elektroden ein Mittel zum Einstellen
des Widerstands vorgesehen ist, das Schlitze oder dergleichen umfaßt.
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Beim in der EP-A-452125 beschriebenen Heizgerät mit einstellbarem Widerstand ist die
Erwärmungsrate jedoch gering, wenn das gesamte Heizgerät erwärmt wird und geringe
elektrische Leistung angelegt wird. Daher kann der auf dem Heizgerät getragene
Katalysator eine Zündtemperatur nicht innerhalb kurzer Zeit erreichen, mit dem
Ergebnis, daß ein Großteil des Kohlenwasserstoffs, der zum Zeitpunkt eines Kaltstarts in
großen Mengen erzeugt wird, durch den Katalysator gelangt, ohne gereinigt zu werden.
Wenn andererseits eine starke elektrische Leistung angelegt wird, um das Heizgerät
rasch zu erwärmen, sind eine Batterie mit großer Kapazität, schwere Kabel und eine
Steuervorrichtung erforderlich.
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Die EP-A-465184 und die EP-A-502731 beschreiben Heizgeräte mit einstellbarem
Widerstand, die Wabenstrukturen umfassen. Die Strukturen sind dazu bestimmt, für
gleichmäßige Erwärmung des Heizgeräts zu sorgen und weisen Schlitze zum Einstellen
des Widerstands auf.
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Die US-A-5370943 beschreibt einen Wabenkörper mit Widerstandsheizung. Der
Wabenkörper besteht aus einer aufgewickelten Wabenbahn, wobei die Bahn
Unterbrechungen oder Lücken in Richtung senkrecht zum Stromfluß aufweist, so daß
nicht-homogenes elektrisches Heizen erfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Anbetracht dieser Gegebenheiten ist die vorliegende Erfindung gemacht worden. Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Waben-Heizgerät bereitzustellen, das
durch das Anlegen einer geringen elektrischen Leistung geeignete Reinigungsleistung
ausüben kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wabenheizgerät nach
Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wabenheizgerät
nach Anspruch 3 bereitgestellt.
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Wie oben beschrieben ist das Wabenheizgerät gemäß vorliegender Erfindung ein
Heizgerät mit partieller Heizung (lokaler Heizung), bei dem eine Öffnung zur
Verengung eines Stromflußwegs als Widerstandseinstellmittel in einer vorbestimmten
Position der Wabenstruktur ausgebildet ist, so daß eine Position mit hohem Widerstand
vorgesehen ist, wo der Stromflußweg teilweise verengt ist, wodurch der spezifische
Bereich des Waben-Heizgeräts im Vergleich zum restlichen Bereich lokal rascher
erwärmt werden kann.
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Das Waben-Heizgerät gemäß vorliegender Erfindung, das verwendet wird, um ein
Abgas zu reinigen, kann üblicherweise vorzugsweise in einem Zustand eingesetzt
werden, in dem eine Katalysatorschicht so auf den Trennwänden der
zugrundeliegenden Wabenstruktur getragen wird, daß sie diese bedeckt, wie nachstehend
beschrieben. Weiters ist das Waben-Heizgerät mit einem spezifischen Bereich versehen,
der lokal rasch erwärmt werden kann (dieser Bereich wird nachstehend als "sich rasch
erwärmender Abschnitt" bezeichnet, und der andere Bereich wird als "sich langsam
erwärmender Abschnitt" bezeichnet), wie oben beschrieben, wodurch die auf diesem
Bereich getragene Katalysatorschicht mit relativ geringer elektrischer Leistung prompt
gezündet werden kann und die durch diese katalytische Reaktion erzielte
Reaktionswärme das Erwärmen des gesamten Waben-Heizgeräts, eines Light-off-
Katalysators und eines Hauptkatalysators, die üblicherweise auf der stromab gelegenen
Seite dieses Heizgeräts angeordnet sind, beschleunigt. Daher werden, wenn das
Heizgerät gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, schädliche Substanzen im
Abgas, insbesondere Kohlenwasserstoff, der zum Zeitpunkt eines Kaltstarts in großen
Mengen erzeugt wird, mit geringer elektrischer Leistung wirksam gereinigt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Darstellung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 2 ist eine Darstellung, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Die Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) sind Darstellungen, die wieder eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen. Fig. 3(a) ist eine Draufsicht, und die Fig. 3(b) und
3(c) sind teilweise vergrößerte Ansichten.
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Die Fig. 4(a) und 4(b) sind Darstellungen eines herkömmlichen bekannten Heizgeräts
mit einstellbarem Widerstand, das Schlitze aufweist. Fig. 4(a) ist eine Draufsicht, und
Fig. 4(b) ist eine Vorderansicht.
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Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Krümmersystems, das eingesetzt wird, um die
Leistung der Heizgeräte in Beispielen zu bewerten.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun wird die vorliegende Erfindung detaillierter beschrieben.
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Gemäß vorliegender Erfindung besteht eine Wabenstruktur aus einem leitenden
Material, und Beispiele für das leitende Material sind Metalle, wie ferrithältiger rostfreier
Stahl und austenithältiger rostfreier Stahl, sowie Keramikmaterialien wie Perowskit und
SiC. Vom Standpunkt der Hitzebeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit ist jedoch
der ferrithältige rostfreie Stahl, der Fe-Cr-Al enthält, am meisten zu bevorzugen.
Alternativ dazu müssen die Trennwände der Wabenstruktur selbst nicht aus einem
leitenden Material bestehen, und beispielsweise kann ein isolierendes Material, wie
Cordierit, durch Plattieren oder ein Sputterverfahren mit einem leitenden Material, wie
Pt oder Cermet, beschichtet werden, wodurch der Überzugsfilm aus dem leitenden
Material durch Elektrifizierung Wärme erzeugen kann.
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Die Wabenstruktur kann durch Aufwickeln einer Metallfolie oder durch eine
Extrusionstechnik gemäß einem Pulvermetallurgieverfahren hergestellt werden, aber in
Hinblick auf die Beständigkeit der Struktur, insbesondere, um Ineinanderschieben unter
anspruchsvollen Bedingungen zu vermeiden, wird vorzugsweise eine Extrusionstechnik
eingesetzt.
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Es gibt keine spezielle Beschränkung für den Querschnitt (die Zellgestalt) von
Durchgängen, die sich durch die Wabenstruktur erstrecken, und es kann jede Vieleck-
Gestalt, wie die eines Rechtecks oder Sechsecks, aber auch ein Kreis oder eine Wellung
verwendet werden. In Hinblick auf die Thermoschockbeständigkeit ist jedoch eine
flexible Zellgestalt, die thermische Spannung mildern kann, beispielsweise die
hexagonale Gestalt, vorzuziehen.
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Als nächstes wird für die Wabenstrukturen, die gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt
werden können, eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der
metallischen Wabenstruktur beschrieben.
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Zunächst wird ein Metallpulvermaterial mit einer gewünschten Zusammensetzung
beispielsweise aus einem Fe-Pulver, einem Al-Pulver, einem Cr-Pulver oder einem
Pulver einer Legierung daraus hergestellt. Als nächstes wird das so hergestellte
Metallpulvermaterial mit einem organischen Bindemittel, wie Methylzellulose oder
Polyvinylalkohol, und Wasser gemischt, und das resultierende Gemisch wird dann in
eine gewünschte Wabengestalt extrudiert.
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Beim Mischschritt des Mischens des Metallpulvermaterials mit dem organischen
Bindemittel und Wasser wird das Metallpulver vor der Zugabe von Wasser
vorzugsweise mit einem Oxidationshemmer, wie Ölsäure, gemischt. Alternativ dazu ist
es auch vorzuziehen, ein Metallpulver zu verwenden, das zuvor einer
oxidationshemmenden Behandlung unterzogen worden ist.
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Als nächstes wird die extrudierte Wabe bei einer Temperatur von 1.000 bis 1.400ºC in
einer nichtoxidierenden Atmosphäre gebrannt. In diesem Fall wird das Brennen
vorzugsweise in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt, die Wasserstoff
enthält, weil Fe oder dergleichen als Katalysator eingesetzt werden können, um das
organische Bindemittel zu zersetzen und zu entfernen, wodurch ein guter gesinterter
Körper erhalten wird.
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Wenn die Brenntemperatur unter 1.000ºC liegt, wird das Formerzeugnis nicht gesintert,
und wenn sie über 1.400ºC liegt, wird unvorteilhaft ein verformter Sinterkörper
erhalten.
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Als nächstes werden die Oberflächen der Trennwände und Poren des erhaltenen
Sinterkörpers mit einem hitzebeständigen Metalloxid beschichtet, falls erwünscht.
Folgende Verfahren zum Beschichten derselben mit dem hitzebeständigen Metalloxid
werden bevorzugt:
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(1) Die Metallwabenstruktur wird in einer Oxidationsatmosphäre bei 700 bis 1.100ºC
thermisch behandelt.
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(2) Die Oberflächen der Trennwände und Poren des Sinterkörpers werden mit
Aluminium oder dergleichen metallisiert (z. B. durch Gasmetallisierung), gefolgt von
Wärmebehandlung bei 700 bis 1.100ºC in der Oxidationsatmosphäre.
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(3) Der Sinterkörper wird in eine Metall-Heißschmelze aus Aluminium oder dergleichen
eingetaucht, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 700 bis 1.100ºC in der
Oxidationsatmosphäre.
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(4) Die Oberflächen der Trennwände und Poren des Sinterkörpers werden mit einem
Aluminiumoxidsol beschichtet, gefolgt von Wärmebehandlung bei 700 bis 1.100ºC in
der Oxidationsatmosphäre.
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Die Temperatur der Wärmebehandlung liegt vom Standpunkt der Hitzebeständigkeit
und Oxidationsbeständigkeit vorzugsweise im Bereich von 900 bis 1.100ºC.
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Die Wabenstruktur ist zur Elektrifizierung mit zumindest zwei Elektroden versehen. Hier
umfassen die Elektroden eine Elektrode auf einer Erdungsseite. Die Elektroden sind über
einen Schalter und eine Steuerungsvorrichtung an eine Stromquelle, wie eine Batterie
oder einen Kondensator, angeschlossen, so daß sie elektrifiziert werden können, und sie
können an einer Außen- oder einer Innenperipherie der Wabenstruktur befestigt sein.
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Vorzugsweise wird eine Katalysatorschicht, die eine den Katalysator aktivierende
Substanz enthält, so auf den Trennwänden der Wabenstruktur getragen, daß sie diese
bedeckt.
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Die auf den Trennwänden der Wabenstruktur getragene Katalysatorschicht umfaßt einen
Träger mit einer großen Oberfläche und eine den Katalysator aktivierende Substanz, die
auf dem Träger getragen wird. Typische Beispiele für den Träger mit der großen
Oberfläche sind γ-Al&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SiO&sub2;-Al&sub2;O&sub3; und Perowskit. Typische Beispiele für die
den Katalysator aktivierende Substanz sind Edelmetalle, wie Pt, Pd und Rh, sowie
unedle Metalle, wie Cu, Ni, Cr und Co. Unter anderem bevorzugt wird ein Beispiel, bei
dem eines oder mehrere Edelmetalle aus Pt, Pd und Rh auf γ-Al&sub2;O&sub3; getragen werden.
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Das so gebildete Waben-Heizgerät gemäß vorliegender Erfindung weist Endflächen an
der Gaseinlaß- und der Gasauslaßseite auf, und ein Abgas strömt durch die Durchgänge
von der Gaseinlaßseiten-Endfläche zur Gasauslaßseiten-Endfläche. Das Wabenheizgerät
wird in einer Metallbüchse üblicherweise vorzugsweise in einem Isolationszustand
gehalten und ist so angeordnet, daß das Abgas durch seine Gaseinlaßseiten-Endfläche in
das Waben-Heizgerät eingebracht werden kann.
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Das Waben-Heizgerät wird durch Elektrifizierung erwärmt, aber zu diesem Zeitpunkt ist
es notwendig, daß Öffnungen ausgebildet sind, so daß ein spezifischer Bereich des
Waben-Heizgeräts, vorzugsweise ein spezifischer Bereich, der zumindest die
Umgebung einer Gaseinlaßseiten-Endfläche umfaßt, im Vergleich zum restlichen
Bereich des Heizgeräts lokal rascher erwärmt wird.
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Der Grund, weshalb der sich rasch erwärmende Bereich so beschaffen ist, daß er
zumindest die Umgebung der Gaseinlaßseiten-Endfläche umfaßt, besteht darin, daß
sich, wie oben beschrieben, die durch lokales rasches Erwärmen des stromauf
gelegenen Abschnitts des Waben-Heizgeräts erzeugte Reaktionswärme auf den unteren
Abschnitt des Waben-Heizgeräts übertragen kann, um wiederum die Katalysatorschicht
an der stromab gelegenen Seite des Wabenheizgeräts oder den Light-off-Katalysator oder
dergleichen zu erwärmen, die im stromab gelegenen Abschnitt vom Wabenheizgerät
angeordnet sind. Wenn umgekehrt eine Umgebung der Gasauslaßseiten-Endfläche
allein durch die Elektrifizierung erwärmt wird, wird die Umgebung der Gaseinlaßseiten-
Endfläche nicht erwärmt und fungiert so als Wärmesenke. Als Folge sind der
anzulegende Strom und die Reinigungseffizienz nicht zufriedenstellend.
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Eine der geeigneten Ausführungsformen besteht auch darin, das Waben-Heizgerät in
einer Gasströmungsrichtung von der Gaseinlaßseiten-Endfläche zur Gasauslaßseiten-
Endfläche gleichmäßig (vom Schnitt eines Gasdurchgangs gesehen lokal) und rasch zu
erwärmen. In diesem Fall ist eine große Menge der Reaktionswärme, die durch den
Katalysator auf dem Heizgerät erzeugt wird, nützlich, um den Light-off-Katalysator oder
den Hauptkatalysator, der üblicherweise unmittelbar hinten am Heizgerät angeordnet
ist, früh zu aktivieren.
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Gemäß vorliegender Erfindung bedeutet die Phrase "lokal rasch erwärmt", daß im
Heizgerät ein oder mehrere sich rasch erwärmende Abschnitte und ein oder mehrere
sich langsam erwärmende Abschnitte (einschließlich sich nicht erwärmender
Abschnitte) vorhanden sind und das Waben-Heizgerät so erwärmt wird, daß die sich
langsam erwärmenden Abschnitte um 50ºC oder mehr, vorzugsweise 100ºC oder mehr
unter einer Katalysatorzündungstemperatur liegen, wenn die sich rasch erwärmenden
Abschnitte die Katalysatorzündungstemperatur erreicht haben. Wenn die
Temperaturdifferenz geringer als 50ºC ist, wird das Heizgerät vollständig erhitzt, so daß der
beabsichtigte Effekt der Stromreduktion gering ist. Wenn sie über 100ºC liegt, kann
durch das Anlegen eines relativ geringen elektrischen Stroms geeignete
Reinigungsleistung ausgeübt werden.
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Darüber hinaus ist mit der Phrase "Katalysatorzündungstemperatur" eine Temperatur
gemeint, bei der die Reaktion intermittierend auftritt, ohne daß der Katalysator
ausgelöscht wird, und das Ziel der Katalysatorzündungstemperatur ist 350ºC oder mehr.
Der Katalysator verschlechtert sich, wenn er für einen langen Zeitraum verwendet wird,
und im Fall des Heizgeräts mit lokaler Erwärmung besteht das Problem der
Wärmeabfuhr durch die sich langsam erwärmenden Abschnitte. Daher kann eine
Temperatur von 500ºC oder mehr sicher als Katalysatorzündungstemperatur betrachtet
werden.
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Als nächstes werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Bei der ersten Ausführungsform, wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine Vielzahl langer und
schmaler Öffnungen 2 mit relativ großer Größe in einer Wabenstruktur 1 im
wesentlichen parallel zueinander in Gasströmungsrichtung ausgebildet. Bei einer
solchen Beschaffenheit wird bei Elektrifizierung durch Elektroden 5 eine Stromdichte in
einem begrenzten Bereich zwischen den Öffnungen 2 erhöht, wie in Fig. 1 als
schraffierte Bereiche gezeigt. Diese Bereiche werden vorwiegend erwärmt und werden
so sich rasch erwärmende Abschnitte.
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Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen ein herkömmliches bekanntes, Schlitze aufweisendes
Heizgerät mit einstellbarem Widerstand, das als Beispiel in der EP-A-452125
beschrieben ist, die von der Anmelderin bereits früher eingereicht wurde. Bei diesem
bekannten Heizgerät ist die äußere Peripherie einer Wabenstruktur 1 durch zwei
Elektroden 5 in eine erste halbkreisförmige äußere Peripherie a-a' und eine zweite
halbkreisförmige äußere Peripherie b-b' unterteilt, so daß diese Peripherien einander
zugewandt sein können, und erste Schlitze 60 und zweite Schlitze 61 sind in im
wesentlichen gleichen Abständen abwechselnd angeordnet. Hier schneiden die ersten
Schlitze 60 die erste halbkreisförmige äußere Peripherie a-a', nicht aber die zweite
halbkreisförmige äußere Peripherie b-b', und die zweiten Schlitze 61 schneiden die
zweite halbkreisförmige äußere Peripherie b-b', nicht aber die erste halbkreisförmige
äußere Peripherie a-a'.
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Bei einer solchen Beschaffenheit fließt Strom durch einen Bereich, der zwischen dem
Schlitzepaar angeordnet ist, so daß das gesamte Heizgerät gleichmäßig erwärmt wird,
wie durch Schraffierungen in einer Draufsicht von Fig. 4(a) und einer Vorderansicht von
Fig. 4(b) gezeigt. Daher ist es schwierig, rasches Erhitzen mit geringem elektrischem
Strom zu erreichen.
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Bei einer zweiten Ausführungsform, wie in Fig. 2 gezeigt, sind viele Öffnungen 3 mit
relativ geringer Größer (größer als Durchgänge in einer Wabenstruktur) in einer
Gasströmungsrichtung teilweise in der Wabenstruktur 1 ausgebildet. In diesem Fall sind,
wie in Fig. 2 gezeigt, zusätzlich zu den Öffnungen 3 Schlitze 15 ausgebildet, um den
Widerstand einzustellen. Fig. 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, die die
einfache Steuerung eines sich rasch erwärmenden Abschnitts aufgrund der Schlitze 15
und der Öffnungen 3 erlaubt. Bei einer solchen Konstruktion wird bei Elektrifizierung
der Wabenstruktur durch Elektroden 5 eine Stromdichte im in Fig. 2 gezeigten
schraffierten Bereich erhöht. Dieser Bereich, bei dem aufgrund der Öffnungen 3
zwischen den Schlitzen 15 Material entfernt ist, wird vorwiegend erwärmt und stellt den
sich rasch erwärmenden Abschnitt dar.
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Bei einer dritten Ausführungsform, wie in einer Draufsicht von Fig. 3(a) und teilweise
vergrößerten Ansichten der Fig. 3(b) und 3(c) gezeigt, sind Trennwände einer
Wabenstruktur 1 teilweise weggelassen, um Öffnungen 4 zu bilden. Die teilweise
vergrößerten Ansichten der Fig. 3(b) und 3(c) zeigen Beispiele für das Weglassen der
Trennwände mit hexagonalen bzw. quadratischen Trennwänden, aber die in Fig. 3(b)
gezeigte hexagonale Gestalt ist vom Standpunkt der Festigkeit vorzuziehen. Bei einer
solchen Beschaffenheit wird durch die Elektrifizierung über Elektroden 5 ein Strom in
den Trennwänden konzentriert, die in den Fig. 3(b) und 3(c) durch dicke Linien
dargestellt sind, so daß diese Trennwände sich rasch erwärmende Abschnitte werden.
Auch ist es bei dieser Ausführungsform vorzuziehen, daß Schlitze 15 gemeinsam
verwendet werden, wie in der obengenannten zweiten Ausführungsform.
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Die oben beschriebenen Konzepte der ersten bis dritten Ausführungsform können
gegebenenfalls kombiniert und verwendet werden. Es handelt sich jedoch lediglich um
Beispiele, und gemäß vorliegender Erfindung können verschiedene andere Bauarten als
die obengenannten Ausführungsformen eingesetzt werden, so lange sie es zulassen, daß
ein spezifischer Bereich des Waben-Heizgeräts im Vergleich zum übrigen Bereich lokal
rascher erwärmt wird. Es ist auch möglich, die Bauarten der vorliegenden Erfindung mit
verschiedenen herkömmlichen bekannten Mitteln zum Einstellen des Widerstands zu
kombinieren.
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Beispielsweise kann ein Mittel, durch das die Dicke oder die Zelldichte der Trennwände
in der Wabenstruktur teilweise geändert wird, um den Widerstand einzustellen, auf
geeignete Weise kombiniert und verwendet werden. Auch für den Fall, daß Schlitze
gemeinsam verwendet werden, wie in den Fig. 2 und 3(a) gezeigt, können die Position
der Ausbildung und die Länge der Schlitze, ein Raum zwischen den Schlitzpaaren und
dergleichen fakultativ festgelegt werden.
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Gemäß vorliegender Erfindung liegt die Fläche des sich rasch erwärmenden Abschnitts
vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50% der Querschnittsfläche des Gasdurchgangs.
Wenn die Fläche des sich rasch erwärmenden Abschnitts weniger als 5% der
Querschnittsfläche des Gasdurchgangs ausmacht, gelangt eine große Menge des Gases durch
den sich langsam erwärmenden Abschnitt, ohne gereinigt zu werden, und es wird kaum
Reaktionswärme durch den Katalysator im sich rasch erwärmenden Abschnitt erwartet,
so daß sich die Reinigungseffizienz verringert. Wenn sie andererseits mehr als 50%
ausmacht, nimmt das Gewicht des sich rasch erwärmenden Abschnitts zu, und daher ist
es notwendig, den anzulegenden elektrischen Strom zu erhöhen, mit dem Ergebnis, daß
die Wirkung der Reduktion des elektrischen Stroms abnimmt. Das bevorzugte
Verhältnis zwischen der Fläche des sich rasch erwärmenden Abschnitts und der
Querschnittsfläche des Gasdurchgangs liegt im Bereich von 10 bis 40%, wodurch die
elektrische Leistung, die erforderlich ist, um ein Heizgerät mit vollständiger Heizung zu
erwärmen, bei dem ein Großteil des Querschnitts des Gasdurchgangs gleichmäßig
erwärmt wird, um 30% oder mehr verringert werden kann und auch mit einer solchen
verringerten elektrischen Leistung eine ähnliche Reinigungseffizienz erzielt werden
kann.
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Die Fläche des sich rasch erwärmenden Abschnitts kann problemlos beispielsweise auf
folgende Weise berechnet werden. Zunächst werden die Erwärmungseigenschaften der
sich rasch erwärmenden Abschnitte in unbewegter Luft unter Einsatz von Thermovision
bewertet. Dann werden, um dieses Waben-Heizgerät durch einen tatsächlichen
Betriebstest zu bewerten, viele Thermoelemente am Waben-Heizgerät befestigt und
Temperaturen an vielen Positionen in den sich rasch erwärmenden Abschnitten
gemessen, wobei die sich rasch erwärmenden Abschnitte nach einem FTP (Federal Test
Procedure)-Test elektrifiziert und erwärmt werden. So kann die Fläche der sich rasch
erwärmenden Abschnitte durch eine Temperaturverteilung bei der Thermovision und
die tatsächlichen Erwärmungseigenschaften des Heizgeräts ermittelt werden.
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Das Waben-Heizgerät gemäß vorliegender Erfindung zielt auf einen Niedrigstromtyp ab,
und daher ist die Herstellung des relativ kleinen Heizgeräts vorzuziehen. Vorzugsweise
ist das Volumen des Gasdurchgangsabschnitts auf etwa 30 bis 300 cm³ eingestellt.
Wenn das Volumen des Gasdurchgangsabschnitts geringer als 30 cm³ ist, kann die
mechanische Festigkeit des Heizgeräts gering und die wirksame Fläche des Katalysators
auf dem Heizgerät beschränkt sein, so daß die davon erhaltene Reaktionswärme
unzureichend ist und die gewünschte Reinigungsleistung daher nicht erzielt werden
kann. Umgekehrt wird, wenn es mehr als 300 cm³ beträgt, das Waben-Heizgerät eines
mit lokaler Erwärmung, aber das Gewicht des Heizgeräts nimmt zu, so daß das Anlegen
eines erhöhten elektrischen Stroms erforderlich ist. Das bevorzugte Volumen des
Heizgeräts liegt im Bereich von 40 bis 150 cm³, und die wirksame Reinigung kann in
Abhängigkeit einer Position, in der das Heizgerät angeordnet ist, mit einer geringen
elektrischen Leistung von weniger als 3 kW erzielt werden.
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Die hier genannte "geringe elektrische Leistung" bedeutet, daß Watt x Zeit so niedrig
wie möglich ist, aber die langfristige Elektrifizierung mit wenigen Watt ist mehr
vorzuziehen als die kurze Elektrifizierung mit vielen Watt. Das bedeutet, daß für die
Elektrifizierung mit vielen Watt eine hohe Spannung und/oder ein hoher Strom
erforderlich ist. Im Fall der hohen Spannung sind ein kompliziertes Stromquellensystem
und Steuerungssystem erforderlich, und im Fall des hohen Stroms sind extrem dicke
Kabel und dergleichen erforderlich. Daher werden die Batterie-Stromquelle und der
Strom bei einem Benzinauto vorzugsweise auf 12 V bzw. 200 A oder weniger
eingestellt. In diesem Fall ist an das Heizgerät in Hinblick auf die Innenwiderstände der
Batterie und des Steuerungssystems eine Leistung von 2 kW oder weniger anzulegen.
Als Stromquelle können zusätzlich zur Batterie bevorzugt ein Wechselstromgenerator
und ein Ultrakondensator eingesetzt werden.
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Die Länge des Waben Heizgeräts liegt je nach seiner Querschnittsfläche üblicherweise
im Bereich von 6 bis 40 mm. Wenn die Länge des Waben-Heizgeräts geringer als 6 mm
ist, kann aufgrund von Dehnung zum Zeitpunkt hoher Temperatur Verformung
auftreten, und wenn sie über 40 mm liegt, kann das Waben-Heizgerät aufgrund von im
Heizgerät erzeugter thermischer Spannung verformt werden.
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Vorzugsweise beträgt die Länge des sich rasch erwärmenden Abschnitts in einer
Gasströmungsrichtung 25 mm oder weniger, und sie ist gleich groß wie oder geringer
als die Länge des Heizgeräts. Wenn die Länge des sich rasch erwärmenden Abschnitts
größer als 25 mm ist, nimmt die Wärmekapazität des sich rasch erwärmenden
Abschnitts zu, so daß das Ausmaß an anzulegendem elektrischen Strom unzweckmäßig
steigen kann.
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Die Dicke der Trennwände des Wabenheizgeräts liegt vorzugsweise im Bereich von
etwa 40 bis 300 um, und die Zelldichte liegt vorzugsweise im Bereich von 150 bis 600
Zellen/Inch² (23 bis 93 Zellen/cm²).
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Um schädliche Substanzen im Abgas, insbesondere zum Zeitpunkt des Kaltstarts
erzeugten Kohlenwasserstoff, unter Verwendung des oben beschriebenen
Wabenheizgeräts gemäß vorliegender Erfindung wirksam zu reinigen, wird die Elektrifizierung
vorzugsweise so durchgeführt, daß der sich rasch erwärmende Abschnitt innerhalb von
20 Sekunden ab dem Kaltstart eine Katalysatorzündungstemperatur erreichen kann.
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Die Elektrifizierung des Heizgeräts wird nach Belieben durchgeführt, beispielsweise
durch ein Vorheizmittel, um mit der Elektrifizierung vor dem Anwerfen des Motors zu
beginnen, oder eine Kombination aus dem Vorheizmittel und dem Nachheizmittel, und
diese Elektrifizierung kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. In Hinblick auf
die Einfachheit des Steuerungssystems ist das Nachheizmittel vorzuziehen, und es ist
auch vorzuziehen, den Strom zum Zeitpunkt des Kaltstarts einmal kontinuierlich
anzulegen.
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Es ist vorzuziehen, daß die Temperatur des sich rasch erwärmenden Abschnitts so früh
wie möglich 500ºC oder mehr erreicht, und im Abschnitt 1 eines FTP-Tests besteht ein
Ziel darin, daß die Temperatur (im Leerlauf) innerhalb von 20 s erreicht wird. Zu diesem
Zeitpunkt beträgt die Obergrenze der Temperatur des sich rasch erwärmenden
Abschnitts etwa 1.000ºC, und daher beträgt die Temperatur des sich rasch
erwärmenden Abschnitts vorzugsweise 1.000ºC oder weniger. Wenn die Temperatur
des sich rasch erwärmenden Abschnitts über 1.000ºC liegt, besteht die Gefahr, daß das
Waben-Heizgerät aufgrund thermischer Spannung, die durch eine Temperaturdifferenz
zwischen dem sich rasch erwärmenden Abschnitt und dem sich langsam erwärmenden
Abschnitt erzeugt wird, verformt wird oder bricht.
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Für den Fall, daß das Abgasreinigungssystem aus einem solchen Waben-Heizgerät wie
gemäß vorliegender Erfindung besteht, ist der sogenannte Light-off-Katalysator oder der
Hauptkatalysator üblicherweise an der stromab gelegenen Seite des Waben-Heizgeräts
angeordnet. Da das Waben-Heizgerät mit geringer Leistung betrieben wird, ist seine
Größe relativ gering, und daher reicht das Waben-Heizgerät selbst nicht aus, um den
gesamten beim Kaltstart ausgestoßenen Kohlenwasserstoff zu reinigen. Daher ist auf der
stromab gelegenen Seite des Waben-Heizgeräts der relativ kleine Light-off Katalysator
(etwa 0,2 bis 1,2 l) angeordnet. Außerdem ist der sogenannte Hauptkatalysator mit
relativ großem Volumen (etwa 1 bis 3 l) an der stromab gelegenen Seite des Light-off-
Katalysators angeordnet, um die Reinigungsleistung bei beständigem Laufen (z. B.
Abschnitt 2) zu verbessern.
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Als weitere Bauweise kann beispielsweise der relativ kleine Light-off-Katalysator (etwa
0,2 bis 1,2 l) an der am weitesten stromauf gelegenen Seite des Abgas-
Strömungsdurchgangs angeordnet sein, und das Waben-Heizgerät kann folgen, und der
Light-off-Katalysator und der Hauptkatalysator können weiters an der stromab gelegenen
Seite des Wabenheizgeräts angeordnet sein. In diesem Fall ist im Vergleich zu der
Bauweise, bei der das Waben-Heizgerät an der am weitesten stromauf gelegenen Seite
angeordnet ist, das Anlegen von etwas mehr Strom erforderlich, aber der am weitesten
stromauf gelegene Light-off-Katalysator fungiert als Thermoschockabsorber, so daß es
nicht mehr notwendig ist, sich um die Haltbarkeit des Waben-Heizgeräts Sorgen zu
machen.
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Die obengenannten Ausrücke "Light-off-Katalysator" und "Hauptkatalysator" sind
allgemeine Bezeichnungen, und kurz gesagt handelt es sich um Katalysatoren mit der
katalytischen Funktion, daß sie in der Lage sind, das vom Verbrennungsmotor
abgegebene Abgas zu reinigen. Im allgemeinen können als diese Katalysatoren Keramik-
oder Metallwabenstrukturen verwendet werden, auf denen eine den Katalysator
aktivierende Substanz, die die katalytische Funktion aufweist, in Form einer
Katalysatorschicht getragen wird.
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Das Wabenheizgerät ist vorzugsweise in der sogenannten Krümmerposition in der Nähe
einer Motor-Auspufföffnung angeordnet, um Abwärme zu nutzen. In diesem Fall ist das
Waben-Heizgerät besonders harten Abgasbedingungen ausgesetzt, und daher ist es
vorzuziehen, das nach einem Extrusionsverfahren wie oben beschrieben hergestellte
Waben-Heizgerät zu verwenden. Wenn es in der Krümmerposition angeordnet ist,
erfüllt das Waben-Heizgerät mit einer elektrischen Leistung von 1 kW oder weniger
eine geeignete Reinigungsfunktion.
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Zum Zeitpunkt des Kaltstarts wird ein Auto üblicherweise in einem treibstoffetten
Zustand betrieben, aber in einem solchen Zustand ist die Kohlenwasserstoff-
Reinigungsleistung des Waben-Heizgeräts unzureichend, auch wenn das Heizgerät
rasch erwärmt wird. Daher ist das Einbringen von Sekundärluft wirksam, oder bevorzugt
werden auch nach dem Anwerfen des Motors die Mengen an Brennstoff und Luft so
eingestellt, daß die Zusammensetzung des Abgases auf eine beinahe stöchiometrische
Menge oder eine etwas magere Zusammensetzung verlagert wird.
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Wie oben beschrieben können gemäß vorliegender Erfindung schädliche Substanzen in
einem Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, insbesondere
Kohlenwasserstoff, der zum Zeitpunkt eines Kaltstarts in großen Mengen erzeugt wird,
mit geringer elektrischer Leistung wirksam gereinigt werden.
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Als nächstes wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele
detaillierter beschrieben, aber der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll nicht
auf diese Beispiele beschränkt werden.
Beispiel 1
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Ein Waben-Heizgerät der oben beschriebenen dritten Ausführungsform wurde nach
dem folgenden Herstellungsverfahren hergestellt. Bei diesem Beispiel hatte das Waben-
Heizgerät hexagonale Gestalt, wie in Fig. 3(b), und Trennwände wurden weggelassen
und 5 Schlitze abwechselnd von jeder einander zugewandter halbkreisförmiger äußerer
Peripherien einer Wabenstruktur ausgebildet. Der Abstand von der Spitze eines jeden
Schlitzes zur äußeren Peripherie (der Abstand auf einer Linie, die sich vom Schlitz
erstreckt) wurde auf 7 mm eingestellt.
[Herstellungsverfahren für das Waben-Heizgerät)
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Ein Fe-Pulver, ein Cr-30 Al-Pulver (Gew.-%), ein Fe-50 Al-Pulver (Gew.-%), ein Fe-20 B-
Pulver (Gew.-%) und ein Y&sub2;O&sub3;-Pulver, die alle einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 44 um oder weniger aufwiesen, wurden gemischt, um eine
Zusammensetzung aus Fe-16 Cr-8 Al-0,05 B-0,5 Y&sub2;O&sub3; zu erhalten. Als nächstes wurden
4 g Methylzellulose als organisches Bindemittel und 1 g Ölsäure als Oxidationshemmer
zu 100 g des resultierenden Gemisches zugegeben und damit vermischt. Nach der
Herstellung eines solchen Tons wurde er zu einem zylindrischen Wabenerzeugnis
extrudiert.
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Dieses Wabenerzeugnis wurde bei 90ºC 16 h lang in der Atmosphäre getrocknet und
dann 2 h lang bei 1.325ºC gehalten, um das Erzeugnis zu sintern. Als nächstes wurde
das Erzeugnis einer Wärmebehandlung bei 1.150ºC für 30 min in Luft unterzogen.
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Nach dem obengenannten Verfahren wurde eine Wabenstruktur erhalten, die einen
Außendurchmesser vom 93 mm, eine Dicke von 12 mm, eine Trennwanddicke von 0,1
mm und eine Dichte an hexagonalen Zellen von 450 Zellen/Inch² (70 Zellen/cm²)
aufwies. Die Porosität dieser Wabenstruktur betrug 2% (im wesentlichen nicht-porös),
und auf der Oberfläche der Wabenstruktur wurde eine Schutzschicht aus einer Al&sub2;O&sub3;-
Komponente ausgebildet.
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Nachdem die Trennwände der Wabenstruktur teilweise eliminiert wurden, wurden
Schlitze wie oben beschrieben ausgebildet, um sich rasch erwärmende Abschnitte
herzustellen.
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Nach dem Ausbilden der Schlitze wurde ein Gemisch aus γ-Al&sub2;O&sub3; und CeO&sub2; so
hergestellt, daß das Gewichtsverhältnis γ-Al&sub2;O&sub3; : CeO&sub2; 70 : 30 betragen konnte, und dem
Gemisch wurden Wasser und eine Spurenmenge Salpetersäure zugegeben. Danach
wurde das Gemisch mit einem Naßverfahren gemahlen, um eine Trägeraufschlämmung
herzustellen, und dann wurde unter Verwendung dieser Trägeraufschlämmung nach
einem Tauchverfahren ein Kontaktüberzug ausgebildet. Als nächstes wurde dieser
Kontaktüberzug getrocknet und dann bei einer Temperatur von 500ºC gebrannt, um die
Wabenstruktur mit γ-Al&sub2;O&sub3; und CeO&sub2; zu bedecken. Die so behandelte Wabenstruktur
wurde für etwa 20 min in eine wäßrige Lösung eingetaucht, die Palladiumnitrat,
Chlorplatinsäure und Rhodiumnitrat umfaßte, so daß das Molverhältnis Pd : Pt : Rh 6 : 5 : 1
betrug und die Gesamtmenge der getragenen Komponenten 80 g/ft³ (2,7 kg/m³) betrug,
wodurch eine Katalysatorzusammensetzung auf der Wabenstruktur getragen wurde.
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Als nächstes wurden Elektrodenbolzen an zwei Positionen an die äußere Peripherie der
Wabenstruktur geschweißt, um ein Waben-Heizgerät herzustellen. Dieses Waben-
Heizgerät wurde in einer Metallbüchse gehalten, indem die äußere Peripherie des
Waben-Heizgeräts über ein Isoliermaterial befestigt wurde.
Beispiel 2
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Ein Waben-Heizgerät der obengenannten zweiten Ausführungsform wurde nach dem
gleichen Herstellungsverfahren hergestellt wie in Beispiel 1. In diesem Beispiel wurden
viele Durchgangsöffnungen ausgebildet, und 5 Schlitze wurden abwechselnd von jeder
einander zugewandter halbkreisförmiger äußerer Peripherien einer Wabenstruktur
ausgebildet. Diese Öffnungen wurden in der Nähe des mittleren Abschnitts der
Wabenstruktur vorgesehen, um einen Stromflußweg zwischen jedem Schlitzepaar zu
verengen. Der Abstand von der Spitze eines jeden Schlitzes zu seiner äußeren
Peripherie (der Abstand auf eine Linie, die sich vom Schlitz erstreckt) wurde auf 7 mm
eingestellt.
Beispiel 3
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Ein Waben-Heizgerät der obengenannten ersten Ausführungsform wurde nach dem
gleichen Herstellungsverfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. In diesem Fall war die
Gestalt einer Wabenstruktur die eines rechteckigen Parallelepipeds mit 90 mm · 90 mm
· 12 mm (Dicke), und in der Wabenstruktur wurde eine Vielzahl von Öffnungen
(Durchgangsöffnungen mit einem Querschnitt von 2 mm · 70 mm) parallel zueinander
ausgebildet.
Vergleichsbeispiel 1
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Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde ein herkömmliches bekanntes
Heizgerät mit einstellbarem Widerstand hergestellt, bei dem erste Schlitze 60 und
zweite Schlitze 61 abwechselnd in im wesentlichen gleichen Intervallen von einander
zugewandten halbkreisförmigen äußeren Peripherien ausgehend ausgebildet wurden,
wie in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigt. In diesem Fall war die Anzahl eines jeden der
ersten Schlitze und der zweiten Schlitze fünf. Weiters war die Anzahl an Zellen
zwischen einem jeden Paar von Schlitzen sechs, und der Abstand von der Spitze eines
jeden Schlitzes zur äußeren Peripherie (der Abstand an einer Linie, die sich vom Schlitz
erstreckt) wurde auf 7 mm eingestellt.
[FTP-Test]
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Es wurden die so erhaltenen Waben-Heizgeräte in den Beispielen 1 bis 3 und im
Vergleichsbeispiel verwendet, und ein Light-off-Katalysator mit einem Volumen von 0,9
l wurde unmittelbar an der stromab gelegenen Seite eines jeden Heizgeräts angeordnet.
Als nächstes wurde ein Hauptkatalysator mit einem Volumen von 1,7 l an der weiter
stromab gelegenen Seite des Light-off-Katalysators angeordnet, um ein in Fig. 5
gezeigtes Abgassystem zu bilden. In den Zeichnungen war Bezugszahl 100 ein Waben-
Heizgerät, Bezugszahl 101 ein Light-off-Katalysator, Bezugszahl 102 ein
Hauptkatalysator und 103 ein Motor. Bei diesem Motor handelte es sich um einen L4-
Typ mit einem Hubraum von 2.000 cm³.
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Das Waben-Heizgerät, der Light-off-Katalysator und der Hauptkatalysator wurden alle
einem stöchiometrischen Abgas mit einer Einlaßtemperatur von 850ºC ausgesetzt und
beschleunigt in einem Modus konsumiert, in dem ein Brennstoff 5 s pro Minute
abgeschnitten wurde, um sie zu beeinträchtigen. Die so behandelten Waben-Heizgerät,
Light-off-Katalysator und Hauptkatalysator wurden dann verwendet.
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Bag-Emission wurde nach dem FTP (Federal Test Procedure) gemessen, um die Kaltstart-
Eigenschaften der Waben-Heizgeräte der Beispiele zu bewerten. Während dieser
Messung wurde von der stromauf gelegenen Seite des Waben-Heizgeräts Sekundärluft
mit 120 l/min 100 s ab dem Start des Motors in das Abgassystem eingebracht. Weiters
erfolgte Elektrifizierung unter Verwendung eines Generators mit konstanter Spannung,
und die Spannung wurde reguliert, um einen 1 kW-Wert zu erzielen. Die
Elektrifizierungszeit betrug nach dem Anwerfen des Motors 30 s.
Tabelle 1 FTP-Leistung (Kohlenwasserstoffemission)
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* Bag 1 A: Die in 140 s ab dem Start eines Motors abgegebene Kohlenwasserstoffmenge