DE69724434T2

DE69724434T2 - Montagevorrichtung für katalysator

Info

Publication number: DE69724434T2
Application number: DE69724434T
Authority: DE
Inventors: Shinn H. Hwang; J. John MOONEY; J. Ronald BROWN
Original assignee: Engelhard Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2017-07-01
Also published as: DE69724434D1; EP0912820A1; AU3590197A; EP0912820B1; WO1998002649A1; ATE248291T1; TW357225B; HK1020207A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Einbauen von Katalysatorelementen in Behältern.
Es ist bekannt, dass die Abgase von Verbrennungsmotoren, auch von Kleinmotoren, Verunreinigungen wie Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickoxide (NOx) enthalten, die die Luft verschmutzen. Gesetzliche Beschränkungen für solche Emissionen von größeren Motoren wie bei Automobilen verlangen, dass diese mit Kraftstoffsteuerungsvorrichtungen ausgestattet werden, die dazu entworfen sind, das im Motor verwendete Luft-Kraftstoft-Gemisch so im stöchiometrischen Gleichgewicht zu halten, dass eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung und eine katalytische Behandlung des Kraftstoffes ein Kohlendioxid ohne wesentliche Bildung von NOx erzielen kann. Automobile sind typischer Weise auch mit Unterflur angeordneten Durchfluss-Katalysatorelementen ausgerüstet, die gewöhnlich als Abgaskatalysator (Kat) bekannt sind und Umweltkatalysatoren umfassen, die unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und NOx in unschädliche Substanzen umwandeln, wie z. B. Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf. Die Kraftstoffsteuerungsvorrichtungen helfen die Umwandlungswirksamkeit der Abgaskatalysatoren zu optimieren, indem sie das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Verbrennung im Motor im stöchiometrischen Gleichgewicht halten. Obwohl die Wirkungsweise des Umweltkatalysators grundsätzlich exotherm ist, werden die Abgase auch dann nicht in Brand gesetzt, wenn sie durch die exotherme Wirkung eines einzelnen Umweltkatalysators aufgeheizt werden, weil die von einem Motor erzeugten Abgase, der mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, eine Selbstentzündungstemperatur aufweist, die höher ist, als die durch den Katalysator erreichbare.
Kleine Verbrennungsmotoren, gewöhnlich Zweitakt- oder Viertaktmotoren mit Funkenzündung, wie z. B. mit Vergasermotoren angetriebene Rasenmäher, Motorroller, Motorräder, Mopeds und ähnlichen, stellen eine ernsthafte Umweltaufgabe für eine katalytische Abgasbehandlungsvorrichtung dar. Das ist so, weil Kleinmotoren typischer Weise Maschinen antreiben, die nicht groß genug sind, um zwischen dem Motor und der katalytischen Behandlungsvorrichtung eine Länge eines Abgasrohres unterzubringen, die zum Abkühlen des Abgases ausreicht, bevor es mit dem Katalysator in Kontakt kommt. Ferner enthält das Abgas eine hohe Konzentration von unverbranntem Kraftstoff und unverbrauchtem Stickstoff, die große Hitzemengen freisetzen, wenn sie über den Katalysator reagieren. Die Hitzebedingungen sind oft hart, weil ein Katalysatorelement oft innerhalb einer anderen Struktur wie einer Verkleidung angebracht ist, oder es zum Schutze des Bedieners isoliert sein kann; in jedem Falle kann die von ihm erzeugte Hitze nicht schnell abgeführt werden.
Des Weiteren kann in einem Zweitaktmotor die Schwingungskraft drei- oder viermal so groß sein wie bei einem Viertakter. So sind bei Kleinmotoren z. B. Schwingungsbeschleunigungen von 70 g bis 90 g (g = Erdbeschleunigung) bei 150 Hertz (Hz) beobachtet worden. Die rauen Schwingungen und die Temperaturzustände des Abgases führen in Verbindung mit Kleinmotoren zu verschiedenen Fehlerarten in der katalytischen Abgasbehandlungsvorrichtung, einschließlich Fehlern an der Befestigungsstruktur, durch die ein Katalysatorelement in der Vorrichtung gesichert ist, und nachfolgender Beschädigung oder Zerstörung des Katalysatorelementes wegen der mechanischen Schwingung und der Durchflussschwankung des Abgases unter Hochtemperaturbedingungen. Das Katalysatorelement umfasst gewöhnlich ein keramikähnliches Trägerelement, das eine Vielzahl von es durchdringenden, feinen, parallelen Gasstromdurchlässe aufweist (manchmal als „Honigwabe" bezeichnet) und das typischer Weise aus Cordierit, Mullit usw. hergestellt ist, auf das ein katalytisches Material beschichtet wird. Ein typisches Trägerelement besitzt Zellen, die im Abstand von 2,54 mm von einander angeordnet sind (100 cpsi), und Wände mit 0,3 mm Dicke. Das keramikähnliche Material kann bei extremen Schwingungen brechen oder zerbröseln. Das Katalysatorelement ist typischer Weise in einem Behälter befestigt, indem das Katalysatorelement mit einer elastischen Matte umhüllt wird und der Behälter das umhüllte Katalysatorelement einschließt. Die Matte verbleibt in einem Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Katalysatorelement. Der Behälter ist so ausgebildet, dass er leicht auf der Abgasstrecke des Fahrzeuges untergebracht werden kann.
Verwandte Technik
Im den technischen Veröffentlichungen SAE mit der Nummer 922252 und dem Titel New Developments in Packaging of Ceramic Honeycomp Catalysts vom 19–22 Oktober 1992 diskutieren Gulati et Alterna das Befestigen von keramischen Honigwabenkatalysatoren in Behältern, die in die Abgasstrecke von Diesel und Benzinlastwagen eingebaut werden sollen. Sie empfehlen eine Rohdichte des Zwischenraums (GBD) der keramischen Honigwabenkatalysatoren von 0,78 bis 1,2 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3), bezüglich der Dichte des Keramikfasertextils, wenn es zwischen der Behälterschale und dem Katalysatorelement darin zusammengedrückt wird, und einen entsprechenden mittleren Befestigungsdruck von 0,67 bis 23 kg/cm2. Für Temperaturen über 700°C wird ein unter dem Handelsnamen FIBERMAX-LS^TM von der Carborundum Company verkauftes Keramikmaterial vorgeschlagen. Eine hybride Matte, in der eine Innenschicht von hoch isolierendem FIBERFRAX^TM neben einem XPE-FF Intumeszenzmaterial angeordnet ist, wird zur Verwendung in einem Abgaskatalysator eines Schwerlast-Benzinmotors für einen LKW offen gelegt, wo die Gastemperatur in der Einlage sich 1100°C annähern und die Temperatur der monolithischen Wand 900°C überschreiten kann.
EP-A-0603754 und US-A-4698213 legen beide die Verwendung von Keramikfasern offen, zur Befestigung eines Katalysators in einem Gehäuse.
Produktliteratur zu Textilmaterial aus Keramikfasern nach dem Stand der Technik, das zum Einbauen von Katalysatorelementen benutzt wird, sagt aus, dass das Textil Fasern mit einer Länge von bis zu annähernd 254 mm (10 Inch) umfasst. Eine ähnliche Offenlegung ist in WO-94/24425 zu finden.
US-Patent 3.795.524 für Sowman, vom 5. März 1974, legt ein Keramikfasertextil offen, dessen Fasern endlos sind und Aluminium, zwischen 5 und 25% Bor und zwischen 0 und 65% Silizium enthalten, jedoch ist das Material zur Anwendung als eine Befestigungsmatte für ein Katalysatorelement nicht fest genug.
Übersicht über die Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in einer Abgasbehandlungsvorrichtung zur Verringerung schädlicher Bestandteile im Abgas von kleinen Verbrennungsmotoren.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 umfasst ein Katalysatorelement, das in einem Behälter befestigt ist, durch den das Abgas strömt, wobei das Katalysatorelement ein katalytisches Material umfasst, das die Umwandlung mindestens einiger der schädlichen Bestandteile in unschädliche Substanzen bewirkt. Ein Textil aus Keramikfasern ist in einem Zwischenraum zwischen dem Katalysatorelement und dem Behälter angeordnet, um das Katalysatorelement im Behälter zu befestigen. Eine Verbesserung beinhaltet, dass das Textil aus Keramikfasern eine Dichte von mehr als 0,089 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist. Das Textil aus Keramikfasern kann z. B. ein Dichte von mindestens ungefähr 0,1 g/cm³ oder mindestens etwa 0,5 g/cm³ oder auch mindestens etwa 0,74 g/cm³ besitzen. Das Textil enthält Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von über 25,4 cm (10 Inch), z. B. einer Durchschnittslänge von mindestens etwa 1,5 Metern, bevorzugt mindestens etwa 3 Meter. Das Textil kann so ausgebildet sein, dass es eine Breite aufweist, die nicht größer als die Länge des Katalysatorelementes ist, und bevorzugt gewebte Kanten haben kann. Das Textil kann aus Garn gewebt sein, das wirkungsvoll endlose Keramikfasern umfasst.
Bevorzugt kann das Textil aus Keramikfasern im Wesentlichen frei von Intumeszenzfasern sein. Das Textil aus Keramikfasern kann eine Zwischenraumrohdichte, unter der die Dichte des Textils aus Keramikfasern verstanden wird, wenn es in dem Zwischenraum zwischen Behälterschale und einem Katalysatorelement zusammengedrückt ist, von mindestens etwa 0,8 g/cm³ aufweisen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Zwischenraum eine Breite von weniger als etwa 2,5 mm (0,1 Inch) besitzen. Der Zwischenraum kann z. B. eine Weite von etwa 1,3 bis 1,5 mm (0,05 bis 0,06 Inch) haben. Optional kann der Zwischenraum weniger als 1,3 mm (0,05 Inch) betragen.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung kann das Katalysatorelement eine Einlassendfläche, eine Auslassendfläche und eine Umfangsfläche aufweisen, wobei die Keramikfaser auf die Umfangsfläche begrenzt sein kann. Optional kann die Vorrichtung Endringe umfassen, die so bemessen und ausgebildet sind, dass sie das Textil auf die Umfangsfläche begrenzen, ohne die Endflächen des Katalysatorelementes zu verstopfen.
In einer besonderen Ausführungsform kann das Textil aus Keramikfasern ein Gewicht von etwa 1.550 Gramm pro Quadratmeter (1 Gramm pro Quadratinch) aufweisen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 19. Das Verfahren umfasst das Einwickeln eines Katalysatorelementes in ein Textil aus Keramikfasern, wobei das Katalysatorelement ein katalytisches Material umfasst, das die Umwandlung von Bestandteilen eines Gasstromes bewirkt und so bemessen und ausgebildet ist, dass es zwei Endflächen, eine Umfangsfläche und eine Vielzahl von Gasstromdurchlässen aufweist, die sich von einer Endfläche durch dieses zur andern erstrecken. Das eingehüllte Katalysatorelement ist mindestens von einer Schale mit Kanten umgeben, die zusammengefügt werden können. Eine Zusammensetzkraft wird mindestens auf eine Schale ausgeübt und aufrecht erhalten, während die Schalenkanten zusammengefügt werden, um einen Behälter um das Katalysatorelement herum auszubilden und einen Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Katalysatorelement festzulegen, in dem das Textil aus Keramikfasern angeordnet wird.
Nach einem Aspekt der Erfindung können die Gasstromdurchlasse des Katalysatorelementes durch Gruppen paralleler Zellenwände bestimmt werden, die gegeneinander angewinkelt sind, und das Verfahren kann die Ausübung von Zusammensetzkräften unter einem anderen Winkel als Null gegenüber jeder Gruppe von Zellwänden umfassen. Die Gruppen von Zellwänden können z. B. senkrecht zueinander sein und die Zusammenbaukräfte können gegenüber den Zellwänden in einem spitzen Winkel ausgeübt werden, z. B. in einem Winkel von 45 Grad.
In einer besonderen Ausführungsform kann das Verfahren eine Begrenzung des Textils aus Keramikfasern auf die Umfangsfläche des Katalysatorelementes umfassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A zeigt Diagramme von Kompressions- und Entspannungsdicken von gealterten und nicht gealterten Geweben in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
1B zeigt Diagramme wie diejenigen in 1A von einem Webfilztextil nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Querschnitt von einem rennbahnförmigen Katalysatorelement, das in einen Zweischalenbehälter nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
3A ist eine schematische Ansicht von einer Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Baugruppe aus Schale und Katalysatorelement;
3B ist ein Querschnitt eines runden Katalysatorelementes, das in Behälterschalen mit Zusammenbaukräften ausgerichtet wird, die unter einem 45°-Winkel gegenüber den Zellwänden in dem Katalysatorelement ausgeübt werden;
4 ist ein schematischer Querschnitt einer abgestuften katalytischen Flammensperre nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zwei Katalysatorelemente umfasst, welche nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Textilien aus Keramikfasern in den Schalldämpfer eingebaut sind;
5 ist ein Querschnitt eines mittels Textil befestigten Katalysatorelementes mit einem Textil, das sich nicht bis zu den Enden des Katalysatorelementes erstreckt und mit das Textil begrenzenden Endringen, die die Endflächen des Katalysatorelementes nicht verstopfen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und deren bevorzugte Ausführungsformen
Eine Abgasbehandlungsvorrichtung umfasst typischer Weise ein Katalysatorelement, das einen keramischen Durchflussträger beinhaltet, der eine dünne Reinigungsschicht aus katalytischem Material trägt. Solche Katalysatorelemente können in Metallbehältern montiert sein, durch die das Abgas strömt, indem die Katalysatorelemente in ein Stoffstück von Textil aus Keramikfasern eingewickelt werden und wodurch die eingewickelten Katalysatorelemente innerhalb des Durchflussbehälters befestigt werden. Der Behälter wird dann gewöhnlich durch Schweißen am Abgasrohr des Motors angebracht. Einige der für diesen Zweck verwendeten Textilien aus Keramikfasern nach dem Stand der Technik sind intumeszent, so dass die Temperatur der Abgasbehandlungsvorrichtung steigt und sich der Behälter ausdehnt, wobei die Matte sich auch ausdehnt, um den „Griff", der vom Behälter auf das Katalysatorelement ausgeübt wird aufrecht zu erhalten. Jedoch verlieren intumeszente Textilien gewöhnlich ihre Intumeszenz bei Temperaturen über 700°C, die regelmäßig von Abgasen erreicht werden, die in eine Behandlungsvorrichtung eintreten, die in einem Auspuff für einen Kleinmotor installiert ist. Um ferner das Katalysatorelement gegenüber starken Schwingungen zu stabilisieren, wird der Behälter gewöhnlich so entworfen, dass er das Textil um das Katalysatorelement herum zusammendrückt, d. h. dass ein hoher Montagedruck auf das Textil und das Katalysatorelement ausgeübt wird, was das Textil zerquetschen und damit die Befestigung fehlschlagen lassen kann.
Textilien aus Keramikfasern nach dem Stand der Technik haben keine ausreichende Dauerhaftigkeit aufgewiesen, um die Befestigung von Durchflusskatalysatorelementen in Schalldämpfern von Kleinmotoren zu gestatten, wie sie in Rasenmähern zu finden sind. Wie oben dargestellt sind die Bedingungen in den Schalldämpfern dieser Vorrichtungen hart und schließen hohe Temperaturen ein, z. B. Temperaturen über 700°C, wie auch hohe Einbaudrücke, die zum sicheren Befestigen des Katalysatorelementes gegen durch Schwingungen verursachtes Verrutschen erforderlich sind, welche Beschleunigungskräfte von 50 g oder mehr auf das Katalysatorelement ausüben können. Eins der am Markt verfügbaren Textilien aus Keramikfasern nach dem Stand der Technik zerbröckelt, wenn es einem Einbaudruck von über 2,1 Kilogramm pro Quadratzentimeter (kg/cm²) ausgesetzt wird. Das ist eine signifikante Größenordnung, bei der die Fasern durch den ausgeübten Einbaudruck zerquetscht werden. Andere Textilien nach dem Stand der Technik weisen eine unannehmbare Erosion unter Gebrauchsbedingungen auf. Die Textilien aus Keramikfasern nach dem Stand der Technik, die zur Befestigung von Katalysatorelementen benutzt werden, sind nicht gewebte Textilien aus Webfilz.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass ein bestimmter Typ von nicht intumeszentem Textil aus Keramikfaser, der am Markt unter der Handelsbezeichnung NEXTEL^TM als Isolationsmaterial für Industrieöfen verkauft wird, als Einbaumatte für ein in einem Auspuff für einen Kleinmotor angeordnetes Katalysatorelement, im Vergleich zu den anderen für diesen Zweck verwendeten Textilien, mit besten Ergebnissen benutzt werden kann. Der Gebrauch eines solchen Textils aus Keramikfasern nach der vorliegenden Erfindung erzielt die Vorteile, dass ein Montagetextil zur Verfügung gestellt wird, das auch bei Temperaturen über 700°C stabil ist und den Druckkräften widerstehen kann, die wegen kräftiger Vibrationen und Abgasströmungsschwankungen zur Befestigung eines Katalysatorelementes in einem Behälter erforderlich sind. Ohne den Wunsch zu haben, sich an eine bestimmte Theorie zu binden, wird angenommen, dass die unten beschriebenen NEXTEL^TM-Textilien eine hervorragende Leistung erbringen, weil sie dichter als die bisher als Einbaumatten verwendeten Textilien sind. Wenn ein Textil mit geringer Dichte in einem Behälter um ein Katalysatorelement herum zusammengedrückt wird, tritt das Textil aus dem Zwischenraum zwischen Behälter und Katalysatorelement hervor und die Fasern neigen dazu, von dem Textil abgestoßen zu werden. Daneben zerquetscht, wie unten genauer erläutert wird, das Zusammendrücken eines derartigen Textils durch einen Behälter die Fasern, was zum Versagen von Webfilztextilien als Einbaumatten führt. Im Gegensatz dazu besitzen Textilien nach der vorliegenden Erfindung Dichten von mehr als 0,089 Gramm pro cm³ (1,46 Gramm pro Inch³). Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, dass die Anordnung der Fasern im Textil in eine Ordnung gebracht wird, z. B. indem die Fasern zu Garn gesponnen werden und das Textil aus dem Garns durch Weben, Wirken usw. gebildet wird, anstatt ein Filzmaterial nach dem Stand der Technik zu schaffen. Hier und in den Ansprüchen ist der Begriff „Gewebetextil" weit gefasst und umfasst Textilien mit regelmäßig eingewobenen Fasern oder Garnfäden, ob sie nun gewirkt, geflochten, mit Kette und Schuss gewebt usw. sind. Solche Textilien weisen Dichten auf von mindestens 0,1 g/cm³ (1,6 g/Inch³) oder von mindestens etwa 0,5 g/cm³ (8,2 g/Inch³) auf. Zum Beispiel kann die Dichte des Textils ungefähr 0,76 g/cm³ (12,45 g/Inch³) sein. Im Gegensatz dazu hat ein typisches 1,27 cm (0,5 Inch) dickes Webfilztextil eine Dichte von nur 0,024 g/cm³ (0,38 g/Inch³) und ein Webfilztextil mit hoher Dichte weist nur 0,089 g/cm³ (1,46 g/Inch3) auf. Nur ein Textil nach dem Stand der Technik besitzt eine hohe Dichte, d. h. eine Dichte von etwa 0,6 g/cm³, dies ist aber ein intumeszentes Material, und die hohe Dichte wird dem darin enthaltenen intumeszenten Mineral geschuldet. Nach Kenntnis der Erfinder ist, wie hier erläutert, kein nicht intumeszentes Textil aus Keramikfasern mit eine Dichte größer als 0,089 g/cm3 als Einbaumatte verwendet worden.
Ein Textil aus Keramikfasern der vorliegenden Erfindung umfasst bevorzugt Fasern mit einer durchschnittlichen Länge, die größer ist, als die der Fasermaterialien nach dem Stand der Technik, die als Einbaumatten für Katalysatorelemente benutzt werden. Nach der vorliegenden Erfindung benutzte Textilien umfassen Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 25,4 cm (10 Inch), z. B. mindestens ungefähr 1,5 Meter (etwa 5 Fuß). Am besten enthält das Textil Garn, das aus Endlosfasern wirksam gesponnen ist, d. h. Fasern, die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Garns im Textil ausdehnen. Im Gegensatz dazu umfassen Materialien nach dem Stand der Technik gewöhnlich grundsätzlich Fasern, deren Durchschnittslänge weniger als 25,4 cm (zehn Inch), in manchen Fällen nur 2,5 bis 5,0 cm (ein oder zwei Inch) beträgt. Die Fasern der Materialien dieser Erfindung haben typischer Weise einen Durchmesser von mindestens etwa 5 Mikrometer und der Durchmesser kann größer als 20 Mikron sein. Im Allgemeinen sollten die Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 5 bis 15 Mikron aufweisen, d. h. um die 10 Mikron, obwohl es nicht entscheidend ist, das der Faserdurchmesser in diesen Bereich fällt. Die Fasern enthalten grundsätzlich Aluminium und Silizium mit einem relativ geringen Anteil von Bor. Das Bor kann 0,5 bis 10% des Fasergewichtes ausmachen. Die Fasern werden typischer Weise zu Garnfäden gesponnen, die ungefähr 500 bis 3000 Fasern pro Faden enthalten. Typischer Weise hat das Garn 700–800 Fasern pro Faden, wobei Garnfäden erreicht werden, die typischer Weise einen Durchmesser von 0,25–1,78 mm (0,01–0,07 Inch) besitzen.
Das für die vorliegende Erfindung benutzte Textil wird bevorzugt gewirkt oder in einem Kette-und-Schuss-Muster gewoben, um ein Material zu erhalten, das auf eine Druckkraft mit Elastizität reagiert, auch während es Temperaturen von über 1050°C ausgesetzt ist. Solche Elastizität unter Hochdruckkraft ist bei Webfilztextilien nach dem Stand der Technik nicht zu finden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jedes Textilstück auf eine Breite gewoben, die der Länge des Katalysatorelementes entspricht. Die an den Enden des Katalysatorelementes angeordneten Kanten des Textils werden daher keine geschnittenen, ausgefransten Garnenden aufweisen, die das Textil empfindlich gegenüber Qualitätsverlust machen würden. Während die Textilien nach dem Stand der Technik einen ringförmigen Zwischenraum von etwa 2,5 bis 6,35 mm (0,1 bis 0,25 Inch) zwischen dem Kataly satorelement und dem Behälter in Anspruch nehmen müssen, um einen geeigneten Elastizitätsgrad zu erhalten, beanspruchen die Textilien nach der vorliegenden Erfindung einen Spalt von weniger als 2,5 mm (0,1 Inch), so kann der Spalt z. B. ungefähr 1,27 bis 1,78 mm (0,05 bis 0,07 Inch) oder weniger betragen. Nach der vorliegenden Erfindung benutzte Textilien gestatten es also, ein gegebenes Katalysatorelement in einen kleineren Behälter als bei herkömmlichen Textilien einzubauen. Da umgekehrt Katalysatorelemente manchmal innerhalb von bereits bestehenden Strukturen wie Auspufftöpfe eingebaut werden, werden die Textilien der vorliegenden Erfindung das Einbauen größerer Katalysatorelemente in diese Strukturen erlauben, als bei herkömmlichen Textilien, wodurch eine erhöhte katalytische Wirkung erzielt wird.
Die Minnesota Mining and Manufacturing Company („3M") stellt zwei Textilien unter der Handelsbezeichnung NEXTEL^TM 440 und NEXTEL^TM 312 her, die für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Diese Textilien werden aus Endlosfasern mit einem mittleren Durchmesser von 10 bis 12 Mikron gewoben. NEXTEL^TM 440 enthält etwa 70 Aluminium und etwa 2% Bor nach Gewicht. NEXTEL^TM 312 enthält ungefähr 62% Aluminium, 24% Silikat und 14% Bor. Diese Textilien liegen beim Gewicht zwischen 237 und 1085 g/m² (7 bis 32 Unzen pro Quadrat-Yard) bei der Bindungsart zwischen 32 × 21 und 40 × 20. Bevorzugte Textilien, die in doppelten Schichten benutzt werden, haben Bindungsarten von 40 × 20 und ein Gewicht von 1000g/m² (29,5 Unzen pro Quadrat-Yard) (Handelsbezeichnung AF-62) und 32 Unzen pro Quadrat-Yard (Handelsbezeichnung BF-54). Eine einzelne Schicht des Textils vom Typ NEXTEL^TM, das auf 1550 g/m² (1 Gramm pro Quadrat-Inch) (ungefähr 45,7 Unzen pro Quadrat-Yard) gewoben wurde, ist in der vorliegenden Erfindung auch nützlich gewesen.
Die überragende Eignung von Gewebetextilien als Einbaumaterialien ist, wenn eine Doppelschicht eines solchen Materials Druck ausgesetzt ist, zu erkennen, indem die Materialdicke unter einer derartigen Kompression festgestellt und dann die nach der Befreiung vom Druck wiederhergestellte Dicke beobachtet wird. In 1A wird ein Diagramm gezeigt, das dieses Zusammendrücken und Entspannen für eine gealterte und eine nicht gealterte Materialprobe einer Doppelschicht NEXTEL^TM 440 aus Gewebetextil aus Keramikfasern zum Gebrauch in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 1A stellt Kurve 3 die Dicke unter Druck eines nicht gealterten, gewebten Musters von Textil NEXTEL^TM 440 dar und Kurve 4 zeigt die Dicke nach der Entspannung des Textils, wenn die Druckkraft zurück genommen ist. Die Druckkraft wurde zwischen den Testschritten schrittweise erhöht, so dass das Diagramm von links nach rechts zu lesen ist. Ähnlich zeigen die Kurven 1 und 2 Druck- und Entspannungsdicken über denselben Druckbereich wie in den Kurven 3 und 4 für ein Materialmuster, das vor dem Versuch über 48 Stunden bei 1000°C gealtert wurde. In diesen Versuchen, die unter Verwendung von schrittweise erhöhtem Druck über einen Bereich von 138 bis 1379 kPa ( 20 bis etwa 200 Pounds pro Quadrat-Inch) ausgeführt wurden, wurde das nicht gealterte Gewebetextil unter Druck auf eine Dicke zusammengedrückt, die von etwa 2,13 mm (0,084 Inch) auf etwa 1,40 mm (0,055 Inch) abnahm, als die Druckkraft erhöht wurde, und jeweils wieder auf Dicken im Bereich zwischen 2,23 mm (0,088 Inch) und etwa 1,80 mm (0,071 Inch) entspannt. Mit anderen Worten die Dickendifferenz zwischen Druck und Entspannung des nicht gealterten Gewebetextils lag zwischen etwa 0,10 mm (0,004 Inch bei etwa 138 kPa (20 psi) und ungefähr 0,40 mm (0,016 Inch) bei etwa 1,30 MPa (190 psi). Gewebtes Textil, das gealtert wurde, indem es einem Rösten über 48 Stunden bei 1000°C ausgesetzt war, entspannte sich von etwa 2,2 mm (0,087 Inch) Dicke bei 138 kPa (20 psi) auf 2,49 mm (0,098 Inch), und es entspannte sich von etwa 1,52 mm (0,060 Inch) Dicke bei etwa 1,3 MPa (190 psi) auf eine Entspannungsdicke von ungefähr 2,0 mm (0,079 Inch). Mit anderen Worten die Dickendifferenzen zwischen Zusammendrücken und Entspannung des gealterten Gewebetextils bewegte sich zwischen etwa 0,011 bei 138 kPa (20 psi) und ungefähr 0,019 bei 1,3 MPa (190 psi), was grundsätzlich mit dem Differenzbereich des nicht gealterten Musters zusammenfällt. Entsprechend beträgt die Differenz der Zwischenraumweite für ein rennbahnförmiges, auf Kordierit basiertes Katalysatorelement, das in einem 316er Edelstahlbehälter über einen Temperaturwechsel von 1017°C (1832°F) 4,6 cm (1,8 Inch) × 2,8 cm (1,1 Inch) misst, 0,41 mm (0,016 Inch) entlang der Hauptachse und ungefähr 0,25 mm (0,01 Inch) entlang der Nebenachse. Die Dickendifferenz für die Doppelschicht Gewebetextil, ob gealtert oder nicht, entspricht über einen weiten Druckbereich grob den Änderungen im Zwischenraum zwischen diesem Katalysatorelement und dem Behälter, die als ein Ergebnis der thermischen Ausdehnung des Behälters auftreten. Entsprechend können in einer passend ausgebildeten Baugruppe aus Katalysatorelement und Behälter die für diese Erfindung benutzten Textilien unter hohem Druck bei Umgebungstemperatur platziert werden und, weil das Textil Elastizität aufweist, auch eine geeignete Griffigkeit aufrecht erhalten werden, wenn der Behälter sich thermisch ausdehnt.
Die Kurven 1 und 2 in 1B stellen die Dickenwerte unter Druck und nach Entspannung für eine Einzelschicht eines nicht gealterten Webfilztextils nach dem Stand der Technik dar, und die Kurven 3 und 4 stellen ähnliche Daten eines gealterten Musters dar. Die Dickendifferenz zwischen Druck und Entspannung des nicht gealterten Webfilzmusters liegen zwischen 1,22 mm (0,048 Inch) bei 138 kPa (20 psi) und ungefähr 0,86 mm (0,034 Inch) bei 1,3 MPa (190 psi), mit zusammengedrückten Dicken von etwa 4,3 mm (0,170 Inch) bei 138 kPa (20 psi) und 2,1 mm (0,082 Inch) bei 1,3 MPa (190 psi). Aus 1B wird deutlich, dass das Webfilztextil seine Elastizität nach der Alterung verliert, weil die zusammengedrückten und entspannten Dicken des gealterten Musters innerhalb eines engeren Bereiches zurückgehen, als die entsprechenden Dicken eines ungealterten Musters und die Dickendifferenz zwischen Druck und Entspannung im Bereich zwischen nur etwa 0,08 mm (0,032 Inch) bei etwa 241 kPa (35 psi) und etwa 0,30 mm (0,012 Inch) bei etwa 1,3 MPa (190 psi). Ein Vergleich von 1A mit 1B veranschaulicht, dass ein gewebtes Textil nach dem Altern besser in der Lage ist, seine Elastizität zu bewahren, als ein Webfilztextil. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass die ausgezeichnete Aufrechterhaltung der Elastizität eines gewebten Textils zu der hervorragenden Leistung beiträgt, die solche Textilien als Einbaumedium für Katalysatorelemente nach dieser Erfindung aufweisen.
Textilien aus Keramikfasern, die nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden, können einer anhaltenden Temperaturbeanspruchung von über 1200°C widerstehen, ohne sich aufzulösen und wobei die Elastizität erhalten bleibt, während sie um ein Katalysatorelement herum in einem Behälter zusammengedrückt werden.
Die Textilien nach der vorliegenden Erfindung dienen dazu, auf geeignete Weise das Katalysatorelement in dem Behälter einzubauen. Typischer Weise wird das Katalysatorelement in eine oder mehrere Textilschichten eingewickelt, und das eingewickelte Katalysatorelement wird in einem zweischaligen Metallbehälter untergebracht. Manchmal wird ein Textilstreifen mit einer Breite, die der Länge des Katalysatorelementes entspricht, von einem breiteren Materialstück abgeschnitten. Der abgeschnittene Streifen wird dann um das Katalysatorelement herumgewickelt. In diesem Fall besitzt die geschnittene Kante des Textils jedoch lose Faserenden, die an den Enden des Katalysatorelementes frei liegen. Das Textil kann ausfransen und zu einer Fehlerstelle des Einbaus werden. Es wird daher bevorzugt, dass das Textil gewebte Kanten aufweist und so bemessen wird, dass seine Breite der Län ge des Katalysatorelementes entspricht. Auf diese Weise kann das Textil um das Katalysatorelement herumgewickelt werden, ohne dass es geschnitten werden muss und es daher auch keine freiliegenden, ausgefransten Kanten gibt. Das Textil kann auch zum Wickeln um das Katalysatorelement gefaltet werden, und der Faltsaum kann an einem Ende des Katalysatorelementes platziert werden, um eine gewebte Kante vorzusehen.
Der Behälter wird bevorzugt aus Metall hergestellt, das einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, so dass 409er oder 430er Edelstahl der 300er Edelstahlqualität vorgezogen wird. Der Behälter wird um das eingewickelte Katalysatorelement herum unter einem geeigneten Druck geschlossen und wird gewöhnlich durch Schweißen versiegelt. Die Innenfläche des Behälters, die auf das Textil aus Keramikfasern einwirkt, kann glatt oder aufgeraut sein, wie z. B. durch Sandstrahlen. In einer typischen Ausführungsform wird eine Doppelschicht eines Textils NEXTEL^TM 400 mit 1550 g/m² (1 Gramm pro Quadrat-Inch) um eine rennbahnförmiges Katalysatorelement herumgewickelt, d. h. eines, das zwei parallele gerade Seiten mit zwei abgerundeten Seiten verbindet, welches 4,32 cm über seine Hauptachse und 2,79 cm × 2,54 cm über seine Nebenachsen misst. Das eingewickelte Katalysatorelement wird in einem zweischaligen Behälter untergebracht, der geschweißt verschlossen wird, um auf das Textil einen Druck auszuüben, der 2,1 kg/cm² überschreiten kann. Typischer Weise umfasst der Behälter zwei Schalen, welche die gerundeten Seiten des Katalysatorelementes umfassen und sich wie in 2 gezeigt überlappen. Während des Zusammenbauens werden die Schalen 115a, 115b um das Katalysatorelement 114 und um das es umgebende Textil aus Keramikfasern 116 herum so platziert, dass die Schalen sich entlang der Nebenachse M₁ des Katalysatorelementes überlappen. (M₁ ist als ein Linie in einem Querschnitt des Katalysatorelementes zu sehen, jedoch umfasst sie eine Ebene, die das Katalysatorelement, genau wie M₂ entlang seiner Länge halbiert.) Die Baugruppe aus Schalen und Katalysatorelement wird in einer Spannvorrichtung platziert, die auf die Schalen Druck ausübt, während sie zusammengeschweißt werden. In der fertig gestellten Baugruppe wird das Textil 116 in einem Zwischenraum g auf eine Dicke zusammengedrückt, die der Breite des Zwischenraums entspricht.
In alternativen Ausführungsformen können die Behälterschalen entlang ihrer Hauptachse M₁ überlappen oder der Behälter kann aus einer Einzelschale bestehen, die das eingewickelte Katalysatorelement umschließt und die überlappende Kanten hat, die zusammengeschweißt werden können.
Eine Ausführungsform einer Spannvorrichtung zum Einhüllen eines Katalysatorelementes ist in 3A gezeigt, wo die Baugruppe aus Schalen und Katalysatorelement zwischen den Spannschuhen der Nebenachse 142a, 142b und den Spannschuhen der Hauptachse 144a, 144b angeordnet ist. Die Spannschuhe 142a, 142b der Nebenachse sind so bemessen und ausgebildet, dass sie mit dem Äußeren der Behälterschalen der Baugruppe 146 aus Schalen und Katalysatorelement entlang der Seiten der Baugruppe 146 aus Schalen und Katalysatorelement in Eingriff kommen, wobei sie die Naht, wo die Schalen sich überlappen, so freiliegen lassen, dass sie zusammengeschweißt werden kann, während der Druck ausgeübt wird. Die Spannschuhe und die Baugruppe aus Schalen und Katalysatorelement sind in einem Rahmen 148 durch Lastzellen 148a, 148b und 150a, 150b aufgehängt, die die Kräfte aufbringen und messen, welche auf die Spannschuhe ausgeübt werden. Die Kräfte, welche sich entlang der Haupt- und Nebenachsen des Katalysatorelementes unterscheiden können, können durch Drehen einer oder beider Schrauben 152, 154 eingestellt werden. In alternativen Ausführungsformen können die auf die Schuhe 142a, 142b und 150a, 150b ausgeübten Kräfte durch hydraulische, pneumatische oder herkömmliche Druckvorrichtungen gesteuert werden. Im Betrieb ist das Katalysatorelement mit dem Textil aus Keramikfasern und einer oder mehreren Behälterschalen umhüllt, das Bauteil aus Katalysatorelement und Schalen ist zwischen den Spannschuhen platziert, und eine vorbestimmte Kraft wird aufgebracht, um eine vorbestimmte Druckkraft auf das Textils aus Keramikfasern auszuüben. Die Schale oder Schalen werden dann verschweißt oder anderweitig miteinander befestigt. Dieser Arbeitsablauf unterscheidet sich vom Stand der Technik, bei dem die Zusammenbaukraft aufgebracht werden musste, um eine exakte Anordnung der Behälterschalen vor dem Schweißen zu erreichen. Im Ablauf nach dem Stand der Technik veränderte sich die aufgebrachte Zusammenbaukraft, um sie Veränderungen in den physikalischen Abmessungen der Bauteile der Baugruppe anzupassen; als Folge konnte sich die Druckkraft auf die Einbaumatte von einer zur anderen Baugruppe verändern, was signifikante Leistungsschwankungen der fertigen Produkte verursachte. Durch Steuern der ausgeübten Kraft während des Zusammenbaues nach der vorliegenden Erfindung kann eine vorbestimmte Druckkraft, die auf das Textil aus Keramikfasern (und damit auf das Katalysatorelement) ausgeübt werden soll, trotz Abweichungen in den Abmessungen der Behälterschalen, des Katalysatorelementes oder in der Textildicke gleich bleibend erreicht werden. Die Toleranzen des Keramikträgermaterials für Katalysatorelemente von Automobilen können z. B. zwischen etwa ± 0,89 und ± 1,65 mm (von ± 0,035 bis 0,065 Inch) liegen. Die Verwen dung von Behälterschalen mit überlappenden Kanten (wie in 2 zu sehen), die zusammengeschweißt werden sollen, erleichtert die Steuerung der Zusammenbaukraft, weil der Grad, bis zu welchem die Schalenkanten überlappen, für die Ausbildung einer zufrieden stellenden Verschweißung nicht kritisch ist. Daher sind Abweichungen im Grad der Überlappung, die erforderlich sind, um die Verwendung einer vorbestimmten Druckkraft trotz Schwankungen in den Abmessungen des Schalen, des Katalysatorelementes usw. zu gestatten, leicht unterzubringen. Die vorbestimmten Zusammenbaukräfte können im Bereich von etwa 45,4 bis 522 kg (100 bis 1150 Pound) und noch typischer von etwa 90,7 bis 227 kg (200 bis 500 Pound) liegen. Die Zusammenbaukraft wird ausgewählt, um eine gewünschte Druckkraft auf die Matte aus Keramikfasern zu erzielen. Für einen Behälter mit einem Katalysatorelement für einen Zweitaktmotor mit hohen Vibrationen liegt die Druckkraft typischer Weise im Bereich von etwa 552 bis etwa 827 kPa (etwa 80 bis etwa 120 Pound pro Quadrat-Inch; psi), z. B. etwa 620 bis 689 kPa (90 bis 100 psi). Die Druckkraft kann höher sein, darf jedoch nicht die isostatische Festigkeit des Katalysatorelementes überschreiten. In Vorrichtungen für Viertaktmotoren kann die Druckkraft weniger als 552 kPa (80 psi) sein, z. B. kann sie so niedrig wie etwa 207 kPa (30 psi) sein. Rahmen 148 ist bevorzugt schwenkbar auf einer Basis so befestigt, dass er gedreht werden kann, um dem Schweißer zum bequemen Schweißen die Ausrichtung erst einer und dann der anderen Behälternaht zu gestatten.
Wie in 2 und 3B zu sehen ist, können die Gasstromdurchlasse eines Katalysatorelementes durch Gruppen von Parallelen Zellwänden definiert sein, die gegeneinander angewinkelt sind. Die Zusammenbaukrafte werden bevorzugt in einem Winkel aufgebracht, der relativ zu jeder Gruppe von parallelen Zellwänden nicht Null ist. Wenn, wie in 2 und 3B zu sehen ist, die Gruppen von Zellwänden gegenseitig zueinander senkrecht sind, d. h. wenn eine Wandgruppe sich vertikal und eine andere Gruppe sich horizontal erstrecken, werden die Zusammenbaukräfte in spitzen Winkeln relativ zu den Zellwänden ausgeübt. Wie in 3B zu sehen ist, werden die Kräfte F unter einem Winkel von 45° relativ zu beiden Gruppen von Zellwänden des Katalysatorelementes 14''' aufgebracht.
Eine weitere Zusammenbautechnik die benutzt werden kann, ist eine Stopftechnik, bei der das Katalysatorelement mit dem Textil aus Keramikfasern umwickelt und dann vom breiten Ende durch einen Konus gedrückt wird. Das enge Ende des Konus ist so bemessen, dass es dem Innendurchmesser des Behälters entspricht und befindet sich an der Behälter öffnung. Während das Katalysatorelement durch den Konus gedrückt wird, drückt der Konus das Textil so zusammen, dass es in den Behälter passen kann, wobei das Katalysatorelement und das Textil aus dem engen Ende des Konus in den Behälter gleiten.
Nachdem der Behälter um das umwickelte Katalysatorelement herum befestigt ist, wird er an ein Abgasrohr angebracht, das mit dem Abgasauslass des Motors oder mit einem Abgasverteilerauslass des Motors verbunden ist.
Der Behälter ist typischer Weise aus Metall, wohingegen das Katalysatorelement und die Einbaumatte in der Zusammensetzung hauptsächlich aus Keramik bestehen. Da die Abgase die Vorrichtung aufheizen, erfährt der Behälter demzufolge eine größere thermische Ausdehnung als das Katalysatorelement und die Textilmate aus Keramikfasern, und der Einbaudruck, der das Katalysatorelement an Ort und Stelle hält, verringert sich.
Zwar sind die Textilien aus Keramikfasern nach der vorliegenden Erfindung elastisch und behalten ihre Elastizität auch beim Altern bei, sie können jedoch nicht bei allen Behältergrößen einen konstanten Druck auf das Katalysatorelement aufrecht erhalten, da sich die Behältergröße mit der Temperatur ändert. Da ein geringerer Einbaudruck das Katalysatorelement anfällig für Vibrationsschäden macht, kann es vorteilhaft sein, die Keramikmatte um einen Metallmaschendraht zu ergänzen, der zwischen der Keramikmatte und dem Behälter angeordnet ist. Ein Maschendraht um das eingewickelte Katalysatorelement in dem Behälter dient dazu, den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen Metallbehälter und keramischen Bauteilen darin zu verbessern und tendiert folglich dazu, den Einbaudruck auf das Katalysatorelement beizubehalten, wenn die Temperatur der Vorrichtung steigt. Ein im Hinblick dieser Erfindung nützlicher Maschendraht wird aus Draht einer Inconel^TM-Legierung ausgebildet, der einen Durchmesser von 0,1 mm und eine Webeperiode (die Länge von einer Spitze eines sinusförmig gewobenen Drahtes bis zur nächsten Spitze) von 3,18 mm aufweist. Das Einbaumaterial und das oben beschriebene Verfahren kann benutzt werden, um einzelne Katalysatorelemente zur Behandlung von schädlichen Abgasen aus kleinen Motoren allein einzusetzen, wie auch um mehrfache Katalysatorelemente in einer abgestuften Flammensperre nach der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
Eine abgestufte katalytische Flammensperre nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 4 und 4A gezeigt. Die erste Stufe 10 der Flam mensperre umfasst einen Behälter 15, der am Ende eines Abgasrohres 12 angebracht ist, welches, wie durch Pfeil 13 angegeben, das aus dem Abgasauslass eines Kleinmotors ausströmende Abgas sammelt. Behälter 15 ist zweischalig und enthält ein darin eingebautes Katalysatorelement 14. Innerhalb des Behälters 15 ist das Katalysatorelement 14 von einer Doppelschicht von Textil aus Keramikfasern 16 umgeben, das nach der vorliegenden Erfindung Endlosfasern mit großem Durchmesser umfasst. Das Textil aus Keramikfasern 16 ist optional von einem Maschendraht 18 umgeben, der bevorzugt aus Inconel^TM-Draht hergestellt ist. Das Textil 16 und der Maschendraht 18 werden um die Seiten des Katalysatorelementes 14 herumgewickelt und über den Enden 14a, 14b des Katalysatorelementes 14 gefaltet. An den Behälter 15 werden optionale ringförmige Endringe 20 und 22 geschweißt, um die Enden 14a und 14b des Katalysatorelementes 14 einem axialen Druck auszusetzen und zu helfen, das Katalysatorelement 14 innerhalb des Behälters 15 zu sichern. In alternativen Ausführungsformen kann der Behälter 15 so ausgebildet sein, dass er Endringe als integraler Bestandteil des Behälters formt. Behälter 15 liegt innerhalb des Auspufftopfs 11.
Auspufftopf 11 leitet das Gas in Rohr 32, an welches eine zweite Stufe der Flammensperre 34 angebracht ist. Die zweite Stufe umfasst einen Behälter 35, in dem ein Katalysatorelement 14' in derselben Weise untergebracht ist, wie Katalysatorelement 14 in Behälter 15.
Beim Betrieb strömen die Abgase durch das Abgasrohr 12 in den Behälter 15 der ersten Stufe 10. Die Gase strömen durch das Katalysatorelement 14 und gelangen in die erste Kammer 24 des Auspufftopfes 11. Da die Gase durch das Katalysatorelement 14 strömen, regt das katalytische Material darin die Umwandlung einiger Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids im Abgas in unschädliche Substanzen wie z. B. Kohlendioxid und Wasser an. Die Gase strömen dann durch Leitung 26 in die zweite Kammer 28 und dann zu Kammer 30. Die Gase ventilieren dann durch Rohr 32 aus den Auspuff 11. Der Strömungsweg des Gases durch den Auspufftopf 11 schwächt die durch den Motor erzeugten Druckpulse ab, und verringert so den mit dem Motorbetrieb verbundenen Lärmausstoß. Zusätzlich wirken Auspufftopf 11 und Rohr 32 als Kühleinrichtung, die einen Teil der durch die Oxidation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids über das Katalysatorelement 14 erzeugten Hitze ableitet. Der gekühlte Abfluss von der ersten Stufe 10 strömt aus Rohr 32 in die nachfolgende zweite Stufe 34 der Flammensperre, wo im Wesentlichen der ganze Rest der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxides im Gasstrom zu Kohlendioxid umge wandelt wird, ohne die Temperatur des Abgases auf seine Selbstentzündungstemperatur anzuheben. Die Vorrichtung umfasst ferner optionale Lufteinlässe 36a und 36b, durch welche eine optionale Luftpumpe 38 Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas über die Einspritzleitungen 40a und 40b in den Abgasstrom hinein pumpen kann.
In der Ausbildung von 4 ist zu sehen, dass kleine Umfangsabschnitte der Enden oder der Endseiten 14a und 14b, d. h. der Einlass- und Auslassendflächen 14a und 14b, des Katalysatorelementes 14 durch einen darüber gefalteten Abschnitt des Textils 16 und durch die Endringe 22 versperrt sind. In manchen Situationen kann die Struktur des Schalldämpfers nur ein Katalysatorelement von geringer Größe unterbringen, so dass es erwünscht sein kann sicher zu stellen, dass kein Teil der Ein- und Auslassendflächen versperrt ist. In jedem Falle verringert eine solche Versperrung das wirksame Volumen des Katalysatorelementes und ist daher zu minimieren oder ganz zu vermeiden. Entsprechend kann es erwünscht sein, das gewickelte Textil aus Keramikfasern auf die Umfangsfläche des Katalysatorelementes zu begrenzen, d. h. das Textil auf den Zwischenraum zwischen dem Katalysatorelement und dem Behälter zu begrenzen. Zum Beispiel kann das Textil so ausgebildet sein, dass es eine Breite aufweist, die nicht größer als die Länge des Katalysatorelementes ist. 5 zeigt ein keramisches Textil 16', welches so geformt worden ist, dass es eine Breite besitzt, die kleiner als die Länge L des Katalysatorelementes 14'' ist. Auf diese Weise gestaltet kann das Textil 16' auf dem Katalysatorelement 14'' zentriert werden, und wird nicht über die Endfläche 14a' oder 14b' des Katalysatorelementes gefaltet sein und sie versperren. Die am Behälter 15' befestigten optionalen Endringe 23a, 23b erstrecken sich über den Zwischenraum zwischen Behälter 15' und Katalysatorelement 14'', um zu verhindern, dass sich Textil 16' jenseits der Endflächen 14a', 14b' erstreckt und die Endflächen 14a' und 14b' versperrt. Der Gebrauch solcher Endringe ist bevorzugt, wenn sich die Keramikfaser 16' über die gesamte Länge L des Katalysatorelementes 14'' erstreckt. Das Vermeiden der Versperrung der Endflächen des Katalysatorelementes auf diese Weise ist besonders wichtig, wenn das Katalysatorelement im Verhältnis zu seinem Durchmesser kurz ist, d. h. wenn die Länge des Katalysatorelementes (gemessen als Strömungsweg durch das Katalysatorelement) kürzer als sein Durchmesser ist.
Beispiel 1
Eine Reihe von Katalysatorelementen wurde in Schalldämpfer für Kleinmotoren eingebaut. Die Katalysatorelemente wurden montiert, indem sie in Textilien aus Keramikfasern eingewickelt wurden und die eingewickelten Katalysatorelemente in zweischaligen Behältern angeordnet wurden. Mit Ausnahme für Vorrichtung (B) in Tabelle I unten, war an jedem Behälter ein Endring angebracht. Jede Textilumwickelung aus Keramikfasern war um beide Enden des Katalysatorelementes herum gefaltet, wobei dessen ein Ende gegen den befestigten Endring gedrückt wurde und der herum gefaltete Abschnitt als Hülse zwischen dem Katalysatorelement und dem Endring diente. Ein zweiter Endring wurde dann gegen das gegenüberliegende Ende des Katalysatorelementes gedrückt und an Ort und Stelle angeschweißt, um das Katalysatorelement in den zwei Halbschalen unter Axialdruck zu befestigen. Es wurden vier keramische Textilmaterialien aus Webfilz mit kurzer Faser und kleinem Durchmesser verwendet, diese sind mit „F", „D" und „D–S" bezeichnet, wie auch ein Keramiktextil nach der vorliegenden Erfindung, das als NEXTEL^TM 400 identifiziert wurde. In jedem Fall wurde der zweischalige Behälter durch Schweißen geschlossen, und einem Druck von 2,1 kg/cm² auf das Textil aus Keramikfasern und das eingeschlossene Katalysatorelement ausgesetzt, der das Textil auf ein Rohdichte des Zwischenraumes von 1,92 g/cm3 zusammendrückte. Jeder Zweischalenbehälter war so ausgebildet, dass er einen Abgaseinlass und einen -auslass so definierte, dass Abgas in den Behälter, durch das Katalysatorelement hindurch und wieder aus dem Behälter herausströmen konnte. Jeder Behälter wurde wie in 4 gezeigt innerhalb eines Schalldämpfers an einem Kettensägemotor vom Modell Husgvarna 242 montiert. Die Katalysatorelemente in den Vorrichtungen (A), (B) und (C) wurden in den Behältern ohne Endringe befestigt, während die anderen Vorrichtungen Endringe enthielten, um die Katalysatorelemente darin zu befestigen. Der Motor wurde durchgängig betrieben und die Dauerhaftigkeit jedes Textils aus Keramikfasern festgehalten. Die getesteten Materialien und die entsprechenden Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I angegeben.
Tabelle 1
Für die Vorrichtungen (G) und (H), die das Textil NEXTEL^TM 440 enthielten, versagte die Schweißnaht des Behälters, ehe das Textil aus Keramikfasern versagte. Bei den anderen Materialien versagten die Wandler wegen Gaserosion an den Mattenmaterialien oder weil sich das Katalysatorelement aufgrund mechanischer Vibration löste. Die Werte der Tabelle I zeigen klar, dass Textil aus endlosen Keramikfasern mit größerem Durchmesser unter Druck von über 2,1 kg/cm² beträchtlich dauerhafter ist als andere am Markt erhältliche Textilien aus Keramikfasern mit kürzerer Faserlänge und geringerem Durchmesser.
Beispiel 2
Eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die wie in Beispiel 1 beschrieben unter Verwendung von zwei Schichten des Textils NEXTEL^TM 440 aus Keramikfasern als Befestigungsmaterial hergestellt war, wurde getestet, indem ein damit verbundener Motor längere Zeit betrieben wurde und die Dauerhaftigkeit des Einbaumaterials beobachtet wurde. Nach 400 Betriebsstunden hielt das Einbaumaterial immer noch das Katalysatorelement wirksam im Schalldämpferbehälter fest.
Beispiel 3
Vibrationstest mit Hitzezyklus
Die Betriebsbedingungen für einen an einem Zweitaktmotor verwendeten Abgaskatalysator können zu Testzwecken simuliert werden, indem heiße Gase aus einem Propanbrenner oder aus einem Motorauspuff durch einen Behälter geleitet werden, in den ein Katalysatorelement eingebaut ist, das eine Textilmatte aus Keramikfasern benutzt. Der Behälter wird für die Dauer des Testes an einen Vibrator angebracht und zur Vermeidung von Wärmeverlusten in ein Isoliermaterial eingewickelt. Die Behälter umfassen intumeszente Einbaumatten aus keramischem Textil nach dem Stand der Technik, um die Katalysatorelemente zu befestigen, und halten zehn Stunden oder weniger in einem derartigen Versuch, wenn die Gaseinlasstemperatur 1050°C oder die Schalentemperatur des Behälters 650°C überschreitet. Eine Referenz nach dem Stand der Technik berichtete, dass ein Behälter 100 Stunden bei einer Vibrationsbeschleunigung von 40 g und einer Einlasstemperatur von 850 °C überlebte. Einhundert Stunden werden als eine annehmbare Dauerhaftigkeit angesehen.
Ein Katalysatorelement mit 55 mm Durchmesser und 40 mm Länge wurde in einen Behälter eingebaut, indem ein Textil aus Keramikfasern nach der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, und wurde einem Hitzezyklus-Vibrationstest unterzogen. Der Versuchsbehälter wurde unter 70 g Beschleunigung bei Schwingungen von 150 Hz und einer Eingangsgastemperatur, die sich in Zehn-Minuten-Intervallen von 200°C bis 1050°C und zurück zyklisch wiederholte, über eine Zeitspanne von 100 Stunden getestet. Am Ende der 100 Stunden war der Behälter funktionsfähig und hatte den Test bestanden. Ein Versagen wäre angezeigt worden, durch eine Beeinträchtigung des Textils aus Keramikfasern, eine strukturelle Beschädigung des Katalysatorelementes, was die Umwandlungsleistung geschwächt hätte, und/oder eine Verschiebung des Katalysatorelementes im Behälter. Die Schalentemperatur des Behälters betrug während der meisten Testzeit 800°C.
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Katalysatorelemente, die unter Verwendung von Textilien aus Keramikfasern nach der vorliegenden Erfindung eingebaut werden, eine geeignete Dauerhaftigkeit unter Bedingungen aufweisen, die härter als für Materialen nach dem Stand der Technik sind.

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung zum Beseitigen von schädlichen Bestandteilen des Abgases eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung ein Katalysatorelement umfasst, das in einem Behälter befestigt ist, durch den das Abgas strömt, das Katalysatorelement ein katalytisches Material umfasst, das die Umwandlung wenigstens einiger der schädlichen Bestandteile in unschädliche Substanzen bewirkt, und die Vorrichtung des Weiteren ein Keramikfaser-Textilerzeugnis umfasst, das in einem Zwischenraum zwischen dem Katalysatorelement und dem Behälter zum Anbringen des Katalysatorelementes in dem Behälter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikfaser-Textilerzeugnis Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 25,4 cm (10 Inch) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von wenigstens ungefähr 1,5 m umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von wenigstens ungefähr 3 m umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis effektiv endlose Fasern umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis so ausgeführt ist, dass es eine Breite hat, die nicht größer ist als die Länge des Katalysatorelementes, und wobei das Textilerzeugnis gewebte Kanten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis im Wesentlichen frei von intumeszenten Fasern ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die des Weiteren ein Drahtnetz umfasst, dass das Katalysatorelement in dem Behälter umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zwischenraum weniger als ungefähr 2,5 mm (0,1 Inch) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Zwischenraum eine Breite von ungefähr 1,27 bis 1,52 mm (0,05 bis 0,06 Inch) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Zwischenraum eine Breite von weniger als 1,27 mm (0,05 Inch) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Katalysatorelement eine Umfangsfläche hat und wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis auf die Umfangsfläche beschränkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Katalysatorelement eine Einlass-Endfläche und eine Auslass-Endfläche hat und die Vorrichtung des Weiteren Endringe umfasst, die so bemessen und geformt sind, dass sie das Keramikfaser-Textilerzeugnis auf den Zwischenraum beschränken, ohne die Endflächen des Katalysatorelementes zu blockieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis ein Gewicht von ungefähr 0,15 g/cm² (1 Gramm pro Quadratinch) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis ein Gewebe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis eine Dichte von wenigstens ungefähr 0,1 Gramm pro Kubikzentimeter hat.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis eine Dichte von wenigstens ungefähr 0,5 Gramm pro Kubikzentimeter hat.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis eine Dichte von ungefähr 0,76 Gramm pro Kubikzentimeter hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Katalysatorelement Endflächen und eine Umfangsfläche hat und das Keramikfaser-Textilerzeugnis auf die Umfangsfläche des Katalysatorelementes beschränkt ist, und wobei die Vorrichtung des Weiteren einen Endring umfasst, der sich über den Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Katalysatorelement erstreckt, ohne eine Endfläche des Katalysatorelementes zu blockieren.
Verfahren zum Zusammensetzen einer Gasbehandlungsvorrichtung, das umfasst: Einwickeln eines Katalysatorelementes in ein Keramikfaser-Textilerzeugnis, das Fasern umfasst, die eine durchschnittliche Länge von mehr als 25,4 cm (10 Inch) haben, wobei das Katalysatorelement ein katalytisches Material umfasst, das die Umwandlung von Bestandteilen eines Gasstroms bewirkt, und so bemessen und geformt ist, dass es zwei Endflächen, eine Umfangsfläche und eine Vielzahl von Gasstromdurchlassen aufweist, die sich von einer Endfläche zur anderen durch es hindurch erstrecken; Umschließen des eingewickelten Katalysatorelementes mit wenigstens einer Ummantelung, die Kanten aufweist, die miteinander verbunden werden können; und Ausüben einer vorgegebenen Zusammensetzkraft auf die wenigstens eine Ummantelung und Aufrechterhalten der vorgegebenen Zusammensetzkraft beim Befestigen der Ummantelungskanten aneinander, um einen Behälter um das Katalysatorelement herum herzustellen und einen Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Katalysatorelement auszubilden, in dem das Keramikfaser-Textilerzeugnis angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Gasstromdurchlasse des Katalysatorelementes durch Gruppen von parallelen Zellwänden gebildet werden, die zueinander angewinkelt sind, und das das Ausüben der Zusammensetzkraft in einem anderen Winkel als 0 in Bezug auf jede Gruppe von Zellwänden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gruppen von Zellwänden senkrecht zueinander sind und das das Ausüben der Zusammensetzkraft in einem schiefen Winkel in Bezug auf die Zellwände umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, das das Ausüben der Zusammensetzkraft in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Zellwände umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Ausbilden eines Zwischenraums mit einer Breite von weniger als 2,54 mm (0,1 Inch) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, das das Ausbilden eines Zwischenraums mit einer Breite von ungefähr 1,27 bis 1,52 mm (0,05 bis 0,06 Inch) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Zwischenraum eine Breite von weniger als 1,27 mm (0,05 Inch) hat.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Beschränken des Keramikfaser-Textilerzeugnisses auf die Umfangsfläche des Katalysatorelementes umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis ein Gewebe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Keramikfaser-Textilerzeugnis im Wesentlichen frei von intumeszenten Fasern ist.