DE69936777T2 - Katalysatorelement mit unter zu hilfenahme eines elektrischen bogens besprühten substrats und verfahren zur herstellung dieses elements - Google Patents

Katalysatorelement mit unter zu hilfenahme eines elektrischen bogens besprühten substrats und verfahren zur herstellung dieses elements Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft katalysierte Substrate, das heißt, Katalysatorelemente umfassend ein Substrat, auf welchem ein katalytisches Material aufgebracht ist, und ein Verfahren zur Herstellung solcher katalysierter Substrate. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung katalysierte Substrate umfassend ein Substrat, welches mit einer metallischen Ankerschicht bzw. Verankerungsschicht beschichtet ist, um die Haftung eines katalytischen Materials an dem Substrat zu steigern oder um die Befestigung des Katalysatorelements in einem Behälter zu erleichtern.
  • Stand der Technik
  • US-Patent 5,204,302 , ausgegeben am 20. April 1993 an I.V. Gorynin et al, besitzt den Titel "Catalyst Composition and a Method For Its Preparation" und wird im folgenden als "das '302 Patent" bezeichnet. Das '302 Patent offenbart ein mehrschichtiges Katalysatormaterial getragen auf einem Metallsubstrat. Das Metallsubstrat (Spalte 4, Zeilen 64–68) kann jedes thermisch stabile Metall sein, einschließlich rostfreiem Stahl und niedrig legiertem Stahl, wobei das '302 Patent angibt, dass, unabhängig von der Art des verwendeten Substrats, kein bemerkenswerter Unterschied der Leistung der gebundenen Schichten festgestellt werden kann. Wie in 1 des Patentes dargestellt und in Spalte 4, Zeile 32 und folgenden beschrieben, wird eine Flammen-Spray- oder Plasma-Spray-Vorrichtung (2 und Spalte 5, Zeile 32 und folgende) verwendet, um eine haftende Unterschicht 12 auf das Metallsubstrat 11 aufzubringen, welches im festen Querschnitt als dichte (feste) plattenartige Struktur dargestellt ist. Die haftende Unterschicht 12 enthält eine selbstbindende intermetallische Verbindung, gebildet aus einer Anzahl von Metallpaarungen, einschließlich Aluminium und Nickel, wie in Spalte 5, Zeile 1–6 des '302 Patentes beschrieben. Die hohe Temperatur des Flammen-Spray- oder Plasma-Spray-Verfahrens soll eine Diffusionsschicht erzeugen (13 in 1), bewirkt durch die Diffusion des Materials des Substrats 11 und der Unterschicht 12 über ihre Zwischenfläche (Spalte 4, Zeilen 37–41). Eine katalytisch aktive Schicht 14 (1) wird auf die Unterschicht 12 gespritzt und weist eine abgestufte Zusammensetzung auf, mit einem zunehmenden Gehalt des katalytisch aktiven Materials, während sie sich von der Zwischenfläche entfernt (Spalte 5, Zeilen 7–24). Die katalytisch aktive Schicht kann Aluminiumoxid, vorzugsweise Gamma-Aluminiumoxid sein, und kann des Weiteren spezifische Metalloxidstabilisatoren enthalten, wie CaO, Cr2O3. etc., und katalytische Metalloxidmaterialien wie ZrO2, Ce2O3, etc. Eine poröse Schicht 18 (1 und Spalte 5, Zeilen 25–32) enthält einige katalytisch aktive Bestandteile und Übergangsmetalloxide als Zersetzungserzeugnisse von Poren bildenden Verbindungen, wie MnCO3, Na2CO3 etc., welche vermutlich Poren bilden, während Gase aus den Carbonaten oder Hydroxiden austreten (Spalte 7, Zeilen 40–45), während sie sich thermisch zersetzen (siehe Spalte 7, Zeilen 37–45). Wie in Spalte 5, Zeile 44 und folgende und in Spalte 7, Zeile 37 und folgende beschrieben, können die Unterschicht 12, die katalytisch aktive Schicht 14 und die poröse Schicht 18 durch ein kontinuierliches Plasma-Spray-Verfahren aufgebracht werden, wobei unterschiedliche Pulver 21, 28 und 33 (2) mit einer vorgewählten Abfolge und mit vorgewählten Intervallen in das Plasma-Spray eingeführt wird. Eine optionale Aktivatorbeschichtung 19 kann auf die poröse Schicht aufgebracht werden, vorzugsweise durch Magnetronsputtern (siehe Spalte 4, Zeilen 56–63 und Spalte 8, Zeile 24 und folgende).
  • US-Patent 4,027,367 , ausgegeben am 07. Juni 1977 an H.S. Rondeau besitzt den Titel "Spray Bonding of Nickel Aluminum and Nickel Titanium Allogs" und wird hier als "das '367 Patent" bezeichnet. Das '367 Patent offenbart ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenspritzen von selbstbindenden Materialien, insbesondere von Nickelaluminiumlegierungen oder Nickeltitanlegierungen, indem metallhaltige Drähte in eine elektrische Lichtbogenspritzkanone eingeführt werden (Spalte 1, Zeilen 6–13). Das '367 Patent erwähnt, beginnend in Spalte 1, Zeile 25, Verbrennungsflammen-Spray-Kanonen, zum Beispiel Kanonen, die eine Mischung aus Sauerstoff und Acetylen einsetzen, um einen Pulvereinsatzstoff in den Flammen zu schmelzen. Solche Verbrennungsflammen-Spray-Kanonen sollen bei relativ niedriger Temperatur betrieben werden und sind häufig nicht in der Lage Materialien mit Schmelzpunkten, die 2760 °C (5000 °F) überschreiten, zu sprühen. Das '367 Patent erwähnt auch (beginnend in Spalte 1, Zeile 32), dass Plasmalichtbogen-Spray-Kanonen die teuerste Art von thermischen Spray-Einrichtungen sind und sehr viel höhere Temperaturen erzeugen als Flammen-Spray-Kanonen vom Verbrennungstyp, von bis zu ungefähr 16649 °C (30000 °F). Es wird des Weiteren in dem '367 Patent herausgestellt, dass die Plasmalichtbogen-Spray-Kanone eine Quelle eines inerten Gases für die Erzeugung des Plasmas benötigt, wie auch eine extrem genaue Steuerung der Gasflussrate und elektrische Energie für den exakten Betrieb. Im Gegensatz dazu werden beginnend in Spalte 1, Zeile 39, elektrische Lichtbogenkanonen so dargestellt, dass sie nur eine Quelle einer elektrischen Leistung und eine Zufuhr von verdichteter Luft oder einem anderen Gas benötigen, um das geschmolzene Material in dem Lichtbogen zu zerstäuben und zu dem Substrat oder dem Ziel zu befördern. Die Verwendung von elektrischem Lichtbogenspritzen mit einer Drahtzufuhr aus Nickelaluminium oder Nickeltitanlegierungen auf geeignete Substrate, einschließlich glattem Stahl und Aluminiumsubstrate wird beispielhaft genannt, beginnend in Spalte 5, Zeile 28, es werden jedoch keine offenen, porösen oder wabenkörperartigen Substrate genannt, oder keramische Substrate, und es gibt keinen Hinweis darauf die resultierenden Artikel als Träger für katalytische Materialien zu verwenden.
  • US Patent 3,111,396 von Ball, mit dem Datum 19. November 1963 (im folgenden als "das '396 Patent" bezeichnet), offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallmaterials oder "Metallschaums". Im Wesentlichen umfasst das Verfahren das Bilden einer porösen organischen Struktur, wie ein Netz, Gewebe oder eine gehärtete Schaumstruktur, wie ein offenporiger Schwamm, Tränken der Struktur mit einer flüssigen Suspension aus pulverförmigem Material in einen flüssigen Träger, und Trocknen und Erwärmen der getränkten Struktur, um den flüssigen Träger zu entfernen und anschließend weiteres Erwärmen der organischen Struktur um diese zu zersetzen und das Metallpulver in einer kontinuierlichen Form zu sintern. Die resultierende metallische Struktur wird, obwohl sie während des Herstellungsverfahrens nicht geschäumt wird, trotzdem als geschäumt beschrieben, da die fertige Struktur der eines geschäumten Materials ähnelt.
  • SAE (Society of Automotive Engineers) Technical Paper 971032, mit dem Titel "A New Catalyst Support Structure For Automotive Catalytic Converters" von Arun D. Jatkar, wurde in dem International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, 24.–27. Februar 1997, vorgestellt. Dieses Paper offenbart die Verwendung von Metallschäumen als ein Substrat für Katalysatoren für Kraftfahrzeuge. Das Paper beschreibt die Verwendung verschiedener Metallschäume als Katalysatorsubstrate und bemerkt dass Schäume, welche aus reinem Nickel oder aus Nickelchromlegierungen bestehen, als Substrate für Katalysatoren für Kraftfahrzeuge nicht erfolgreich waren, aufgrund der Korrosionsprobleme, die mit der Umgebung in einem Abgaskatalysator eines Kraftfahrzeuges zusammenhängen. Metallschäume, hergestellt aus Fecr-Legierung und ALFA-IV® ferritischen rostfreien Stahlpulvern werden wenigstens in vorläufigen Untersuchungen, als erfolgreich zur Verwendung als Substrate für Katalysatoren für Kraftfahrzeuge bezeichnet,. Eine keramische Washcoat mit einer Edelmetallbeladung wurde auf Scheiben aus ALFA-IV® Metallschaum, hergestellt von Astro Met, Inc., abgeschieden. Die Washcoat umfasste Gamma-Aluminiumoxid und Ceroxid, auf welchem Platin und Rhodium in einem Verhältnis von 4:1 dispergiert wurde, um zu einer Beladung von 40 Gramm Edelmetall je Kubikfuß des Schaums getragenen Katalysators zu führen. Solche katalysierten Substrate werden als wirksam bei der Behandlung von Kohlenwasserstoffemissionen bezeichnet.
  • In einem Artikel mit dem Titel "Catalysts Based On Foam Metals", veröffentlicht in Journal of Advanced Materials, 1994, 1(5) 471–476, schlägt Pestryakov et al. die Verwendung von geschäumtem Metall als ein Trägersubstrat für katalytische Materialien für die katalytische Neutralisation von Abgasen von Fahrzeugmotoren vor. Die Verwendung einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid mit großer Oberfläche zwischen dem Metallschaum und dem katalytischen Material durch direkte Abscheidung auf dem Schaumträger wird empfohlen. Zusätzlich zur Erhöhung der Oberfläche des Substrats wird Aluminiumoxid auch dem Schutz der Oberfläche des Substrates gegen Korrosion gutgeschrieben.
  • SAE Paper 462473 von Reck et al der EMITECH GmbH, mit dem Titel "Metallic Substrates and Hot Tubes for Catalytic Converters in Passenger Cars, Two- und Three-Wheelers", betrifft die Verwendung von Katalysatoren und Glührohren, um das Abgas von Motorrollern und Motorrädern zu behandeln, insbesondere von solchen mit Zweitaktmotoren.
  • Ein Anbieter von Drahtnetzträgern für katalytische Materialien bekannt als OptiCat bietet Drahtnetze zum Verkauf an, umfassend Draht, welcher Plasma-Spray-beschichtet wurde, um eine raue Oberfläche darauf zu bilden, um die Haftung eines katalytischen Materials zu verbessern, welches darauf abgeschieden wird.
  • Frühere Versuche katalytische Materialien an metallische Substrate zu haften umfassen die Verwendung von eisenhaltigen Legierungen enthaltend Aluminium. Die Legierung wird zu einer Substratstruktur geformt und unter oxidierenden Bedingungen wärmebehandelt. Das Aluminium oxidiert, bildet Whisker aus Aluminiumoxid, welche aus der Substratoberfläche hervorstehen und von welchen man annimmt, dass sie Anker für katalytische Materialien bereitstellen. Die Verwendung anderer Legierungsmaterialien, zum Beispiel Hafnium, in eisenhaltigen Metallen für diesen Zweck ist dafür bekannt, solche Whisker bei der Oxidierbehandlung bereitzustellen.
  • US-Patent 4,455,281 , ausgegeben am 19. Juni 1984 an N. Ishida et al, besitzt den Titel "Plate-shaped Catalysts Unit for NOx Reduktion in Exhaust Gas" und offenbart einen plattenförmigen Katalysator, wobei geschmolzenes Metall auf die Oberfläche einer Metallplatte gesprüht wurde, wodurch sich das geschmolzene Metall darauf anhäuft, um raue Oberflächen zu bilden. Eine katalytische Substanz für die NOx-Reduktion wird auf die raue Oberfläche abgeschieden. Die Metallplatte kann aus dünnen rostfreien Stahlplatten bestehen. Das geschmolzene Metall, welches auf die Platte gesprüht wird, besteht aus dem gleichen Material wie die Platte.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von elektrischem Lichtbogenspritzen von Metall auf verschiedene Substrate zur Verwendung bei der Herstellung von Katalysatorelementen.
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Katalysatorelement umfassend ein Trägersubstrat mit einer Anker- bzw. Verankerungsschicht, welche darauf durch ein elektrisches Lichtbogenspritzen abgeschieden ist, wobei die Ankerschicht gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, rostfreie Stähle der 300er Serie, rostfreie Stähle der 400er Reihe und Mischungen von zwei oder mehreren dieser; und katalytisches Material, welches auf dem Trägersubstrat abgeschieden ist. Das Substrat ist ein wabenartiger Monolith, wattierte Fasern oder geschäumtes Metall.
  • In einer Ausführungsform kann die Ankerschicht Nickel und Aluminium umfassen. Das Aluminium kann von 3 bis 10 Prozent, wahlweise von 4 bis 6 Prozent des kombinierten Gewichts von Nickel und Aluminium in der Ankerschicht umfassen.
  • Gemäß eines bevorzugten Merkmales der Erfindung kann das katalytische Material auf der Ankerschicht abgeschieden werden. Es kann einen feuerfesten Metalloxidträger umfassen, auf welchem ein oder mehrere katalytische Metallbestandteile dispergiert werden.
  • Wahlweise kann das Substrat wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Dichte umfassen, welche unterschiedliche wirksame Beladungen des katalytischen Materials darauf aufweisen können. Die zwei Bereiche können geschäumtes Metall umfassen.
  • Eine Abgasbehandlungsvorrichtung kann ein Katalysatorelement umfassen, wie hier beschrieben, angeordnet in dem Abgasweg eines Verbrennungsmotors. In einer Art der Ausführungsform kann das Substrat des Katalysatorelements die Innenoberfläche einer Leitung umfassen, durch welche das Abgas eines Verbrennungsmotors vor dem Abgeben des Abgases fließt.
  • Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung betrifft ein Katalysatorelement umfassend einen Träger, umfassend ein offenes Substrat gewählt aus der Gruppe bestehend aus geschäumten Metallsubstraten und wabenartigen Monolithsubstraten und mit einer Ankerschicht, welche darauf angeordnet ist, und katalytisches Material, welches auf dem Träger angeordnet ist. In einer besonderen Ausführungsform kann das Substrat ein geschäumtes Metall mit zwischen ungefähr 7,62 bis 203,2 Poren je Zentimetern (linear centimeter) (ppcm) (3 bis 80 Poren je linear Inch (ppi)) umfassen. Alternativ kann das geschäumte Metallsubstrat zwischen 7,62 bis 76,2 ptcm (3 bis 30 ppi) oder zwischen 7,62 bis 25,4 ppcm (3 bis 10 ppi) oder alternativ zwischen 7,62 bis 203,2 ppcm (10 bis 80 ppi) aufweisen. Wahlweise kann das geschäumte Metallsubstrat eine Dichte von ungefähr 6 Prozent der Dichte des Metalls aufweisen, aus welchen es geformt ist.
  • Das Trägersubstrat in einem Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Metallsubstrat oder keramisches Substrat oder eine Kombination der zwei umfassen.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorelementes zur Verfügung. Das Verfahren umfasst das Abscheiden durch Lichtbogenspritzen eines Metalleinsatzmaterials auf ein Trägersubstrat, um eine Metallankerschicht auf dem Substrat bereitzustellen, um wenigstens eine Ankerschicht beschichtetes Substrat bereitzustellen, wobei die Ankerschicht ein Metall umfasst gewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al und Fe/Ni/Cr, rostfreie Stähle der 300er Reihe, rostfreie Stähle der 400er Reihe und Mischungen von zwei oder mehreren dieser, und Abscheiden eines katalytischen Materials auf das Substrat. Gegebenenfalls kann das katalytische Material durch andere Mittel als Lichtbogenspritzen abgeschieden werden. Das Abscheiden des katalytischen Materials kann das Beschichten der metallischen Ankerschicht mit einem katalytischen Material umfassen, welches einen feuerfesten Metalloxidträger umfasst, auf dem ein oder mehrere katalytische Bestandteile dispergiert sind. Gegebenenfalls kann das Verfahren das elektrische Lichtbogenspritzen eines geschmolzenen metallischen Einsatzmateriales bei einer Temperatur umfassen, welche es ermöglicht, dass das geschmolzene Metall mit einem unregelmäßigen Oberflächenaufbau beim Auftreffen auf die Substratoberfläche einfriert, zum Beispiel elektrisches Lichtbogenspritzen des geschmolzenen Metalls bei einer Lichtbogentemperatur von nicht mehr als 5538 °C (10000 °F).
  • Ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorelementes umfassend das elektrische Lichtbogenspritzen eines Metallausgangsmaterials auf wenigstens einem Substrat, um wenigstens ein mit einer Ankerschicht beschichtetes Substrat bereitzustellen, Abscheiden eines katalytischen Materials, umfassend ein feuerfestes Schüttgutmetalloxid, auf welchem ein oder mehrere katalytisch aktive Bestandteile dispergiert sind, auf dem wenigstens einem mit einer Ankerschicht beschichteten Substrat, um das wenigstens eine katalysierte Substrat bereitzustellen; und Einbauen des wenigstens einen katalysierten Substrats in einen Körper, welcher aufgebaut ist, um eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung zu definieren, und auf diese Weise Aufbauen und Anordnen des wenigstens einen katalysierten Substrats zwischen der Einlass- und Auslassöffnung, um dazwischen eine Vielzahl von Fluiddurchflusswegen zu definieren.
  • Die Erfindung kann daher eine Abgasbehandlungsvorrichtung bereitstellen, umfassend ein katalysiertes Substrat umfassend ein Metallsubstrat, welches eine Vielzahl von Fluiddurchflusswegen durch dieses hindurch definiert und worauf eine definierte Ankerschicht bereitgestellt ist, die darauf lichtbogengespritzt wurde. Es kann ein katalytisches Material vorhanden sein, welches auf der Ankerschicht angeordnet wurde, das katalytische Material umfasst ein feuerfestes Schüttgut-Metalloxid, auf welchem ein oder mehrere katalytisch aktive Metallbestandteile dispergiert wurden. Das katalysierte Substrat kann in einem Behälter eingeschlossen sein, mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, und zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung angeordnet sein, wodurch wenigstens etwas eines Fluiddurchflusses durch den Kanister zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen dazu gezwungen wird, dem Fluiddurchflussweg zu folgen und auf diese Weise das katalysierte Metallsubstrat zu kontaktieren. Das katalysierte Metallsubstrat kann innerhalb des Kanisters aufgebaut und angeordnet sein, wodurch im Wesentlichen das Ganze eines Fluids, welches durch den Behälter zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen fließt, dazu gezwungen wird, dem Fluiddurchflussweg zu folgen und auf diese Weise das katalysierte Metallsubstrat zu kontaktieren.
  • Weitere bevorzugte Merkmale des Katalysatorelementes der vorliegenden Erfindung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Katalysatorelementes sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Behandlung eines Motorabgasstromes zur Verfügung, indem der Abgasstrom in Kontakt mit einem Katalysatorelement fließt, wie hier beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein Verfahren zur Herstellung des Katalysatorelementes der vorliegenden Erfindung bereitstellen, welches zur Befestigung in einem Behälter geeignet ist, wobei das Verfahren das Abscheiden einer Ankerschicht auf ein formbares Substrat umfasst, um ein mit einer Ankerschicht beschichtetes Substrat bereitzustellen, Abscheiden eines katalytischen Materials auf das Substrat und erneutes Formen des Substrats, um in den Behälter zu passen, nachdem wenigstens die Ankerschicht darauf abgeschieden wurde. Das Abscheiden der Ankerschicht umfasst das thermische Sprühen bzw. Spritzen eines Metallausgangsmaterials auf das Substrat durch elektrisches Lichtbogenspritzen. Das Verfahren kann gegebenenfalls das erneute Formen des Substrats umfassen, nachdem das katalytische Material darauf abgeschieden wurde. Das Anpassen des Substrates an den Behälter kann das Einführen des Substrates in den Behälter umfassen.
  • Die Erfindung kann eine Verbesserung einer Vielzahl von Einrichtungen bereitstellen, welche von kleinen Motoren und Dieselmotoren betrieben werden, die Abgasbehandlungsvorrichtungen aufweisen, wobei die Verbesserung die ist, dass die Abgasbehandlungsvorrichtung ein Katalysatorelement umfasst, wie hier beschrieben. Solche Erfindungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Motorräder, Rasenmäher, gasbetriebene Generatoren, Schutt- bzw. Müllgebläse und dergleichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A–1D zeigen Mikroaufnahmen eines geschäumten Metallsubstrats, wobei darauf keine Ankerschicht abgeschieden ist, mit den Vergrößerungen 38x, 55x, 152x und 436x;
  • 2A–2D zeigen Mikroaufnahmen eines geschäumten Metallsubstrats, auf welchem eine Ankerschicht durch elektrisches Lichtbogenspritzen aufgebracht wurde, mit den Vergrößerungen 38x, 55x, 153x und 434x;
  • 4A zeigt einen schematischen Querschnitt eines Auspufftopfes für einen kleinen Motor enthaltend eine Abgasbehandlungseinrichtung, welche ein Katalysatorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
  • 4B zeigt eine Ansicht eines Teils A der Vorrichtung aus 4A;
  • 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines keramischen Wabenkörpersubstrats, wobei eine Ankerschicht auf der glatten Außenfläche abgeschieden ist, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • 6A zeigt einen schematischen Querschnitt einer Abgasbehandlungsvorrichtung einschließlich zweier geschäumter Metallbereiche mit unterschiedlichen Dichten gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6B zeigt einen schematischen Querschnitt eines beschichteten geschäumten Metallsubstrats, befestigt in einer sich verjüngenden Hülse gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6C zeigt eine schematische vergrößerte Ansicht einer Befestigungshülse für ein Katalysatorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6D zeigt einen schematischen Querschnitt der Hülse aus 6C entlang der Linie 6D-6D;
  • 7A zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweirädrigen Traktors, betrieben von einem kleinen Motor, welcher mit einem Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
  • 7B zeigt eine schematische vergrößerte Ansicht eines Motorrades umfassend ein Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 7C zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines benzinbetriebenen Generators umfassend einen Nutzmotor, ausgestattet mit einem Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DIESER
  • Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Trägers für katalytisches Material durch elektrisches Lichtbogenspritzen einer metallischen Ankerschicht auf ein Substrat. Das katalytische Material kann anschließend auf dem Träger abgeschieden werden.
  • Ein breiter Gegenstand dieser Erfindung betrifft die Verwendung von elektrischem Lichtbogenspritzen, um eine Metallankerschicht auf einem Substrat, welches eine offene Struktur aufweist, das heißt ein "offenes Substrat", aufzubringen. Ein offenes Substrat definiert eine Vielzahl von Öffnungen, Poren, Kanälen oder ähnlichen strukturellen Merkmalen, die bewirken, dass eine Flüssigkeit und/oder ein Gas in turbulenter oder im Wesentlichen nicht laminarer Weise hindurchfließt und dem Substrat eine höhere Oberfläche je Gesamtvolumen des Durchfluss-weges des Fluids durch das Substrat verleiht, zum Beispiel Merkmale, die eine höhere Massentransferzone für das Fluid darin erzeugen. Im Gegensatz dazu weist ein dichtes Substrat, wie eine Platte, Rohr, Folie oder dergleichen eine relativ geringe Oberfläche je Gesamtvolumen des Flussweges durch das Substrat auf, unabhängig davon, ob es perforiert ist oder nicht, und stört den laminaren Fluss durch dieses hindurch im Wesentlichen nicht. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Substrate sind Wabenkörpermonolithe, wattierte Fasern oder geschäumtes Metall. Da diese Strukturen eine höhere Oberfläche als dichte Substrate aufweisen und da sie einen Fluidfluss durch dieses hindurch gestatten, sind sie für die Verwendung bei der Herstellung von Katalysatorelementen für die katalytische Behandlung von flüssigkeits- oder gasgetragenen Materialien geeignet. Ein Grund warum elektrisches Lichtbogenspritzen bisher noch nicht an offenen Substraten verwendet wurde, ist die Annahme, dass es zur Erhaltung guter Ergebnisse notwendig ist, dass im Wesentlichen die ganze Oberfläche eines Substrats, welche besprüht wird, in einer Sichtlinie von dem Sprühkopf zugänglich sein müsste und dass offene Substrate soviel Oberfläche aufweisen, dass sie auf diese Weise nicht zugänglich seien, das heißt, dass offene Substrate ein solch hohes Maß an Oberfläche aufweisen, die relativ zu einer Sichtlinie von einem Sprühkopf verdunkelt ist, so dass ein befriedigendes Sprühen nicht erzielt werden könne. Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch, dass offene Substrate tatsächlich geeignet unter Verwendung von elektrischen Lichtbogenspritzverfahren beschichtet werden können.
  • Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung beruht auf einer Entdeckung, dass elektrisches Lichtbogenspritzen, das heißt Doppeldrahtlichtbogenspritzen der metallischen Ankerschicht, wie hier beschrieben, auf ein metallisches oder keramisches Substrat zu einer Struktur führt, mit unerwarteter überragender Verwendbarkeit als ein Träger für katalytische Materialien auf dem Gebiet von Katalysatorelementen. Twin-Wire-Lichtbogenspritzen (umfasst hierbei durch den Ausdruck "Drahtlichtbogenspritzen" und den breiteren Ausdruck "elektrisches Lichtbogenspritzen") ist ein bekanntes Verfahren, wie von der obigen Referenz auf das US-Patent 4,027,367 angegeben. Kurz beschrieben dienen in den Twin-Wire-Lichtbogenspritzverfahren die zwei Einsatzdrähte als zwei verbrauchbare Elektroden. Diese Drähte sind voneinander isoliert, während sie in die Spritzdüse einer Spritzpistole auf eine ähnliche Weise wie bei Drahtflammenpistolen zugegeben werden. Die Drähte treffen sich in dem Mittelpunkt eines Gasstromes, welcher in der Düse erzeugt wird. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen den Drähten veranlasst und der Strom fließt durch die Drähte um zu bewirken, dass ihre Spitzen schmelzen. Ein unter Druck gesetztes zerstäubtes Gas, im Allgemeinen Luft, wird durch die Düse und über die Lichtbogenzone gerichtet und reißt die geschmolzenen Tröpfchen ab, um ein Spray zu bilden, welches auf das Substrat getrieben wird. Nur metallisches Drahteinsatzmaterial kann in einem Lichtbogenspritzsystem verwendet werden, da das Einsatzmaterial leitfähig sein muss. Die hohen Partikeltemperaturen, welche von der Spritzpistole erzeugt werden, erzeugen kleine geschweißte Zonen in dem Aufprallpunkt auf einem metallischen Substrat. Als ein Ergebnis weisen solche Beschichtungen durch elektrisches Lichtbogenspritzen (hier auch als "Ankerschichten" bezeichnet) eine gute Korrosionsfestigkeit und eine sehr gute haftende Bindung an das Substrat auf.
  • Die wesentlichen Betriebsparameter bei dem Lichtbogenspritzen umfassen die Spannung und die Amperezahl bzw. Stromstärke für den Lichtbogen, die Komprimierung des Zerstäubungsgases, die Düsenkonfiguration und die Distanz von dem Substrat. Die Spannung liegt im Allgemeinen in dem Bereich von 18 bis 40 Volt, und liegt typischerweise in dem Bereich von zwischen 28 bis 32 Volt; der Strom kann in dem Bereich von ungefähr 100 bis 400 Ampere liegen. Das Zerstäubungsgas kann auf einen Druck in dem Bereich von ungefähr 206,8 bis 482,6 × 103 Pa (30 bis 70 psi) komprimiert werden. Die Düsenkonfiguration (zum Beispiel schlitzförmige Öffnung oder kreuzförmige Öffnung) und Sprühmuster variieren gemäß der gewünschten Natur der Ankerschicht oder kann gewählt werden, um andere Parameter zu erfüllen oder gemäß des Charakters des Substrates. Ein geeigneter Abstand liegt im Allgemeinen in dem Bereich von ungefähr 10,16 bis 25,4 cm (4 bis 10 Inch) von dem Substrat zu der Düse. Ein anderer Betriebsparameter ist die Spritzrate für das Einsatzmaterial, ein typisches Beispiel wäre 4,5 kg/Stunde/100 Ampere (100 Pfund je Stunde je 100 Ampere). Noch ein weiterer Parameter ist die Bedeckungs- oder Einsatzmaterialverbrauchsrate, welche, um ein bestimmtes Beispiel anzugeben, 274,64 Gramm je Quadratmeter je 0,00254 cm (0,9 Unzen je Quadratfuß je 0,001 Inch) Dicke der Ankerschicht betragen kann. (Es ist typisch eine Abscheidungswirksamkeit von 70 Prozent (zum Beispiel für das Spritzen einer Platte) oder weniger zu erzielen.) Elektrische Lichtbogenspritzbeschichtungen sind normalerweise härter zu bearbeiten (zum Beispiel abzuschleifen) und weisen normalerweise höhere Spritzraten als Beschichtungen anderer thermischer Spritzverfahren auf. Verschiedene Elektrodendrähte können verwendet werden, um eine Ankerschicht zu erzeugen, enthaltend eine Mischung aus zwei oder mehr unterschiedlichen Metallmaterialien, bezeichnet als eine "Pseudolegierung". Wahlweise können reaktive Gase verwendet werden, um das geschmolzene Einsatzmaterial zu zerstäuben, um Änderungen der Zusammensetzungen oder der Eigenschaften der aufgebrachten Ankerschicht zu bewirken. Auf der anderen Seite kann es vorteilhaft sein ein Schutzgas oder wenigstens ein Gas einzusetzen, welches keinen Sauerstoff oder eine andere oxidierende Art enthält. Sauerstoff kann zum Beispiel die Oxidation auf einer Oberfläche eines Metallsubstrates bewirken oder in dem Einsatzmaterial und so die Bindung zwischen der Ankerschicht und dem Substrat schwächen.
  • Ein spezifisches Beispiel eines Metalls, welches für das Drahtlichtbogenspritzen auf ein Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist eine Nickel/Aluminiumlegierung, welche im Allgemeinen wenigstens ungefähr 90 Gew.-% Nickel und zwischen ungefähr 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% Aluminium enthält, vorzugsweise zwischen ungefähr 4 Gew.-% bis 6 Gew.-% Aluminium. Solch eine Legierung kann kleine Anteile anderer Metalle enthalten, welche hier als "Verunreinigungen" bezeichnet werden, und nicht mehr als ungefähr 2 % der Legierung bilden. Eine bevorzugte spezifische Einsatzmateriallegierung umfasst ungefähr 95 % Nickel und 5 % Aluminium und kann einen Schmelzpunkt von ungefähr 1450 °C (2642 °F) aufweisen. Einige solche Verunreinigungen können in der Legierung für verschiedene Zwecke enthalten sein, zum Beispiel als Verarbeitungshilfsmittel, um das Drahtlichtbogenspritzverfahren oder die Bildung der Ankerschicht zu vereinfachen, oder um die Ankerschicht mit bevorzugten Eigenschaften bereitzustellen.
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass das elektrische Lichtbogenspritzen eines Metalls auf ein metallisches Substrat zu einem unerwartet überragenden Träger für katalytische Materialien führt, im Vergleich mit Trägern, welche metallische Ankerschichten aufweisen, die darauf durch andere Verfahren aufgebracht wurden. Es hat sich gezeigt, dass katalytische Materialien besser an Trägern haften, welche eine Ankerschicht aufweisen, die durch elektrisches Lichtbogenspritzen hergestellt wurde, als an einem Träger umfassend ein Substrat ohne eine Zwischenschicht, welche darauf abgeschieden wurde, und noch besser als an einem Träger umfassend ein Substrat, auf welchem eine metallische Schicht durch Plasmaspritzen abgeschieden wurde. Vor der vorliegenden Erfindung hafteten die katalytischen Materialien, welche auf metallischen Substraten abgeschieden wurden, mit oder ohne Zwischenschichten zwischen dem Substrat und dem katalytischen Material häufig nicht ausreichend gut an dem Substrat, um ein kommerziell geeignetes Erzeugnis bereitzustellen. Zum Beispiel konnte ein Metallsubstrat mit einer metallischen Zwischenschicht, welche darauf plasmagespritzt wurde und mit einem katalytischen Material, welches auf die Zwischenschicht aufgebracht wurde, das katalytische Material nicht halten, welches während der normalen Handhabung abblätterte, vermutlich aufgrund eines Fehlers der Zwischenschicht, sich mit dem Substrat zu verbinden. Das katalytische Material auf anderen Trägern splitterte während der normalen Verwendung ab, vermutlich da es einer hohen Gasdurchflussrate unterworfen wurde, einem thermischen Zyklus, einem erodierenden Kontakt mit Hochtemperaturdampf oder anderen Bestandteilen des Abgasstromes, Vibrationen etc. Die vorliegende Erfindung verbessert daher die Beständigkeit von Katalysatorelementen umfassend katalytische Materialien, die auf Trägersubstraten getragen werden, indem ihre Beständigkeit verbessert wird. Sie erlaubt auch die Verwendung solcher Katalysatorelemente an Positionen stromaufwärts von empfindlichen Geräten, wie Turboladern, welche durch das katalytische Material und/oder das Ankerschichtmaterial beschädigt würden, welche von Katalysatorelementen des Standes der Technik abplatzten.
  • Überraschend haben die Anmelder herausgefunden, dass elektrisches Lichtbogenspritzen, von denen Drahtlichtbogenspritzen eine besondere Ausführungsform ist, eines Metalls auf ein metallisches Substrat zu einer überragenden Bindung zwischen der resultierenden Ankerschicht und dem Substrat im Vergleich zu dem Plasmaspritzen führt. Eine durch einen elektrischen Lichtbogen aufgespritzte Ankerschicht soll wenigstens zwei Eigenschaften aufweisen, welche diese Schicht von Ankerschichten unterscheidet, die durch Plasmasprit zen aufgebracht wurden: eine überragende Ankerschicht-metallische Substrat-Zwischenflächenbindung und eine sehr unregelmäßig oder "raue" Oberfläche. Man nimmt an, dass die Bindung der Zwischenfläche zwischen Ankerschicht-metallischer Oberfläche das Resultat einer Diffusion zwischen dem gespritzten Material und dem metallischen Substrat ist, erzielt an der Zwischenfläche unabhängig von der relativ niedrigen Temperatur, mit welchen das Drahtlichtbogenspritzen durchgeführt wird. Zum Beispiel kann die elektrische Lichtbogentemperatur nicht mehr als 5538 °C (10000 °F) betragen. In solchen Fallen erwartet man, dass die Temperatur des geschmolzenen Einsatzmaterials eine Temperatur von nicht mehr als ungefähr 2760 °C (5000 °F) aufweist, und vorzugsweise in dem Bereich von 538 °C (1000 °F) bis 2204 °C (4000 °F) liegt, noch bevorzugt nicht mehr als ungefähr 1093 °C (2000 °F) beträgt. Man nimmt auch an, dass die niedrige Temperatur für die besonders ungleichmäßige Oberfläche der Ankerschicht verantwortlich ist, da das gespritzte Material auf dem Substrat (unabhängig davon ob, dieses metallisch oder keramisch ist) auf dessen Einfriertemperatur abkühlt, so schnell, dass es nicht wesentlich auf der Substratoberfläche fließt und sich daher nicht glätten kann. Stattdessen friert es in einer unregelmäßigen Oberflächenkonfiguration ein. Demzufolge weist die Oberfläche der Ankerschicht ein raues Profil auf, welches einen überragenden physikalischen Anker für katalytische Bestandteile und Materialien bereitstellt, die darauf abgeschieden werden. Das raue Profil scheint das Ergebnis von einer "Säulenbildung" zu sein, die Bildung von kleinen, säulenartigen Strukturen resultiert aus der aufeinanderfolgenden Abscheidung und Frieren eines geschmolzenen Tropfens des Einsatzmaterials auf einem anderen.
  • Ein elektrisches Lichtbogenspritzverfahren kann verwendet werden, um eine Ankerschicht auf einer Vielzahl von Substraten zu erzeugen, welche sich durch ihre Zusammensetzung und/oder durch ihren physikalischen Aufbau unterscheiden können. Es scheint nicht wichtig zu sein, das gesprühte Metall mit dem Metall des Substrates anzugleichen.
  • Wie oben angeführt, kann geschäumtes Metall eine Art von offenem Substrat zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Verfahren zur Herstellung von geschäumtem Metall sind im Stand der Technik bekannt, wie durch das US-Patent 3,111,396 bewiesen, welches oben diskutiert wurde, und die Verwendung von geschäumtem Metall als Träger für ein katalytisches Material wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, wie oben durch Bezugnahme auf das SAE Technical Paper 971032 (oben erwähnt) anerkannt und in dem Artikel von Pestryakov et al (oben angeführt). Geschäumtes Metall kann auf verschie dene Weise charakterisiert werden, von denen einige sich auf die Eigenschaften der anfänglichen organischen Matrix beziehen, um welche das Metall abgeschieden wird. Einige Eigenschaften geschäumter Metallsubstrate, die im Stand der Technik bekannt sind, umfassen Zellengröße, Dichte, freies Volumen und spezifische Oberfläche. Zum Beispiel kann die Oberfläche das 1500-Fache der Oberfläche eines festen Substrates betragen, mit den gleichen Abmessungen, wie das geschäumte Substrat. Wie von Pestryakov et al erwähnt, können geschäumte Metallsubstrate, welche als Träger für Katalysatorelemente geeignet sind, mittlere Zelldurchmesser in dem Bereich von 0,5 bis 5 mm aufweisen, und sie können ein freies Volumen von ungefähr 80 bis 98 % aufweisen, zum Beispiel kann 3 bis 15 % des Volumens, welches von dem geschäumten Substrat besetzt wird, Metall enthalten. Die Porosität des Substrats kann zwischen 1,18 bis 31,5 ppcm (3 bis 80 ppi) betragen, zum Beispiel zwischen 1,18 bis 11,8 ppcm (3 bis 30 ppi) oder zwischen 1,18 bis 3,93 ppcm (3 bis 10 ppi) oder alternativ zwischen 3,93 bis 31,5 ppcm (10 bis 80 ppi). Zum Beispiel hat sich ein Metallschaum mit 1,97 ppcm (5 ppi) als geeignet erwiesen, als ein Träger für ein katalytisches Material in einem Katalysatorelement, welches in einem Motorradmotor verwendet wird. In dem angegebenen Bereich von 3,93 bis 31,5 ppcm (10 bis 80 ppi) können andere Eigenschaften wie die Zellen je Quadratzentimeter (je Quadratinch) zwischen 15,5 bis 992,0 (100 bis 6400) betragen und der ungefähre Netzdurchmesser kann zwischen 0,0254 und 0,102 cm (0,01 Inch bis 0,004 Inch) betragen. Solche Schäume können offenzellige netzartige Strukturen aufweisen, basierend auf einem netzartigen/verbundenen Netzvorläufer. Sie weisen vorzugsweise Oberflächen auf, die mit der Porosität zunehmen, in dem Bereich von zwischen 24720 Quadratmeterje Kubikmeter Schaum (m2/m3) bei ungefähr 3,93 ppcm (700 Quadratmeterje Kubikfuß Schaum (m2/ft3), bei ungefähr 10 ppi) bis 141258 m2/m3 oder ungefähr 23,6 ppcm (4000 m2/ft3) bei ungefähr 60 ppi) etc. Andere geeignete geschäumte Metallsubstrate weisen Oberflächen in dem Bereich von ungefähr 656,5 Quadratmeterje Kubikmeter des geschäumten Metalls (m2/m3) bei ungefähr 3,93 ppcm (200 Quadratfuß je Kubikfuß des geschäumten Metalls (ft2/ft3) bei ungefähr 10 ppi) bis ungefähr 6236,8 m2/m3, bei ungefähr 31,5 ppcm (1900 ft2ft3) bei ungefähr 80 ppi) auf. Ein solches Substrat weist ein spezifisches Gewicht von 500 Gramm je m2 bei einer Dicke von ungefähr 1,6 ± 0,2 Millimeter mit einer Porosität von 43,3 ppcm (110 ppi) auf. Sie können Volumendichten in dem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gramm je Kubikzentimeter (g/ccm3) aufweisen. Geschäumte Metallbögen können gerollt, geschichtet, etc sein, um ein Substrat mit jeder gewünschten Abmessung aufzubauen.
  • Geeignetes geschäumtes Nickel, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist kommerziell in extrudierten Bögen erhältlich, mit 1,6 Millimeter (mm) Dicke. Es kann Zugfestigkeiten von wenigstens 3 Kilogramm je Quadratzentimeter (kg/cm2) in der Maschinenrichtung und 9 Prozent in der Querrichtung aufweisen. Bei Dicken von 1,3 bis 2,5 mm kann das spezifische Gewicht in dem Bereich von 350 bis 1000 g/m2 und eine Korngröße von 13,6 bis 43,3 Poren je linearer Zentimeter (ppcm) (60 bis 110 Poren je linearer Inch (ppi)) aufweisen. Ein bestimmtes Material weist ein spezifisches Gewicht von 500 Gramm je m2 und 31,5 ppcm (80 ppi) auf.
  • Ein geeignetes geschäumtes Metallsubstrat zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung weist eine Dichte von ungefähr 6 Prozent auf. Geschäumte Metallsubstrate können aus einer Vielzahl von Metallen geformt werden, einschließlich Eisen, Titan, Tantal, Wolfram, Edelmetalle, übliche sinterbare Metalle, wie Kupfer, Nickel, Bronze etc., Aluminium, Zirconium, etc, und Kombinationen und Legierungen dieser, wie Stahl, rostfreier Stahl, Hastalloy, Ni/Cr, Inconel (Nickel/Chrom/Eisen) und Monel (Nickel/Kupfer).
  • Rostfreier Stahlschaum ist eine gute, billige Alternative gegenüber plattenartigen Substraten und gegenüber teureren Legierungsschäumen, wie FeCr-Legierung (FeCrAl).
  • Pestryakov et al führen aus, dass die spezifische Oberfläche von reinen Schaummetallen ungefähr 0,01 bis 0,1 m2/g entspricht, dies ist jedoch unzureichend, um aktive Katalysatoren für einen Hauptanteil katalytischer Verfahren bereitzustellen, die in dem genetischen Bereich stattfinden. Es wird daher empfohlen die spezifische Oberfläche durch die direkte Abscheidung auf dem geschäumten Metall aus Gamma-Aluminiumoxid mit einer Oberfläche von 20 bis 50 m2/g zu erhöhen, obwohl sie anführen, dass geschäumte Metalle mit geringer Oberfläche für externe Diffusionsverfahren in hoher Temperatur verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung lehrt stattdessen das elektrische Lichtbogenspritzen einer Metallankerschicht, welche vorzugsweise Nickelaluminid umfasst, auf das Metallschaumsubstrat.
  • Um den deutlichen Unterschied der Oberfläche einer Ankerschicht darzustellen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurde, im Vergleich mit der Oberfläche eines Metallsubstrats ohne Ankerschicht, wird auf die 1A–1D und zum Vergleich auf die 2A–2D Bezug genommen. Die 1A–1D zeigen Mikroaufnahmen eines geschäumten Metallsubstrats, mit einer Vielzahl von verschiedenen Vergrößerungen. Diese Figuren zeigen, dass das Substrat eine dreidimensionale netzartige Struktur mit glatten Oberflächen aufweist. Im Vergleich dazu zeigen 2A–2D Mikroaufnahmen eines geschäumten Metallsubstrats, aufgenommen bei entsprechenden Vergrößerungen, nachdem eine Ankerschicht darauf durch elektrisches Lichtbogenspritzen aufgebracht wurde. Ein optischer Vergleich der 1A–1D und der entsprechenden 2A–2D zeigt die angerauten Oberflächen, die von dem elektrischen Lichtbogenspritzen einer Ankerschicht auf ein Substrat resultiert, wie hier gelehrt.
  • Eine Ankerschicht, die auf ein Substrat wie hier gelehrt abgeschieden wurde, kann einem übermäßig duktilen oder verformbaren Metallsubstrat einige Steifheit verleihen, es kann eine aufgeraute Oberfläche bereitstellen, auf welche ein katalytisches Material abgeschieden werden kann, und kann die Oberfläche eines Metallsubstrats abdichten und so die Oberfläche gegen Oberflächenoxidation während der Verwendung schützen. Wie oben erwähnt kann die Fähigkeit, ein katalytisches Material hartnäckig an ein Metallsubstrat zu haften, wie hier bereitgestellt, auch eine strukturelle Modifikation eines Katalysatorelements ermöglichen, wie gefordert, um die physikalischen Randbedingungen zu erfüllen, welche von dem Behälter auferlegt werden oder andere Merkmale der Abgasbehandlungsvorrichtung, in welche das Katalysatorelement befestigt wird, ohne beträchtlichen Verlust des katalytischen Materials von diesen.
  • Ein geeignetes katalytisches Material zur Verwendung auf einem Trägersubstrat gemäß dieser Erfindung kann hergestellt werden, indem eine Verbindung und/oder ein Komplex jedes katalytisch aktiven Bestandteils, zum Beispiel einem oder mehreren Verbindungen oder Komplexen eines Platinmetalls, auf ein relativ inertes grobes Trägermaterial dispergiert wird. Wie hier verwendet bedeutet der Ausdruck "Verbund" wie in "Platinmetallverbund" jede Verbindung, Komplex oder dergleichen eines katalytisch aktiven Bestandteils (oder "katalytischen Bestandteils"), welches sich beim Kalzinieren oder bei der Verwendung des Katalysators zersetzt oder sich anders in eine katalytisch aktive Form umwandelt, welche häufig, jedoch nicht notwendigerweise, ein Oxid ist. Die Verbindungen oder Komplexe eines oder mehrerer katalytischer Bestandteile können in jeder Flüssigkeit aufgelöst oder suspendiert sein, welche das Trägermaterial benetzt oder tränkt, welche nicht nachteilig mit anderen Bestandteilen des katalytischen Materials reagiert und welche geeignet ist von dem Katalysator durch Verflüchtigung oder Zersetzung beim Erwärmen und/oder dem Anlegen eines Vakuums entfernt zu werden. Im Allgemeinen sind sowohl von dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit als auch der Umweltaspekte wässerige Lösungen aus löslichen Verbindungen oder Komplexen bevorzugt. Zum Beispiel sind geeignete wasserlösliche Platinmetallverbindungen Chloroplatinsäure, Amin-gelöstes Platinhydroxid, Rhodiumchlorid, Rhodiumnitrat, Hexaminrhodiumchlorid, Palladiumnitrat oder Palladiumchlorid, etc. Die den Verbund enthaltende Flüssigkeit wird in die Poren der Schüttgut-Trägerpartikel des Katalysators getränkt und das getränkte Material wird getrocknet und vorzugsweise kalziniert, um die Flüssigkeit zu entfernen und um das Platinmetall in das Trägermetall zu binden. In einigen Fällen tritt das Vervollständigen der Entfernung der Flüssigkeit (welche zum Beispiel als Kristallisationswasser vorhanden sein kann) nicht auf, bis der Katalysator in Verwendung genommen wird und dem Hochtemperaturabgas ausgesetzt wird. Während des Schrittes der Kalzinierung oder wenigstens während der anfänglichen Phase der Verwendung des Katalysators werden solche Verbindungen in eine katalytisch aktive Form des Platinmetalls oder einer Verbindung dessen umgewandelt. Eine analoge Annäherung kann vorgenommen werden, um andere Bestandteile in das katalytische Material einzubauen. Wahlweise können die inerten Trägermaterialien weggelassen werden und das katalytische Material kann im Wesentlichen aus dem katalytischen Bestandteil bestehen, welches direkt auf dem gesprühten Trägersubstrat durch herkömmliche Verfahren abgeschieden wird.
  • Geeignete Trägermaterialien für den katalytischen Bestandteil umfassen Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Alumino-Silikate, Aluminium-Zirconiumoxid, Aluminium-Chromoxid etc. Solche Materialien werden vorzugsweise in ihrer Form mit hoher Oberfläche verwendet. Zum Beispiel wird Gamma-Aluminiumoxid gegenüber Alpha-Aluminiumoxid bevorzugt verwendet. Es ist bekannt Trägermaterialien mit hoher Oberfläche zu stabilisieren, indem das Material mit einer Stabilisatorart getränkt wird. Zum Beispiel kann Gamma-Aluminiumoxid gegen thermische Zersetzung stabilisiert werden, indem das Material mit einer Lösung aus einer Cerverbindung getränkt wird und anschließend das getränkte Material kalziniert wird, um das Lösungsmittel zu entfernen, und um die Cerverbindung in ein Ceroxid umzuwandeln. Die Stabilisatorart kann in einer Menge von ungefähr zum Beispiel 5 Gew.-% des Trägermaterials vorhanden sein. Die katalytischen Materialien werden typischerweise in Parikelform verwendet, mit Partikeln im Mikrometergrößenbereich, zum Beispiel 10 bis 10 μm Durchmesser, so dass sie zu einer Aufschlämmung geformt werden können und auf ein Trägerelement aufgebracht werden können.
  • Ein typisches katalytisches Material zur Verwendung auf einem Katalysatorelement für einen kleinen Motor umfasst Platin, Palladium und Rhodium, dispergiert auf einem Aluminiumoxid und umfasst des Weiteren Oxide von Neodym, Strontium, Lanthan, Barium und Zirconium. Einige geeignete Katalysatoren sind in der US-Patentanmeldung 08/761,544 , angemeldet am 06, Dezember 1996, beschrieben. In einer dort beschriebenen Ausführungsform umfasst ein katalytisches Material einen ersten feuerfesten Bestandteil und wenigstens einen ersten Platinbestandteil, vorzugsweise einen ersten Palladiumbestandteil und gegebenenfalls wenigstens einen anderen ersten Platinmetallbestandteil als Palladium, einen Sauerstoffspeicherbestandteil, welcher sich vorzugsweise in innigem Kontakt mit dem Platinmetallbestandteil in der ersten Schicht befindet. Ein Sauerstoffspeicherbestandteil ("OSC") absorbiert überschüssigen Sauerstoff während Perioden des mageren Motorbetriebs wirksam und lässt Sauerstoff während der Perioden des brennstofffetten Motorbetriebs frei und verbessert so die Änderungen der Sauerstoff/Kohlenwasserstoff-Stöchiometrie in dem Abgasstrom aufgrund der Änderungen des Motorbetriebs zwischen einem brennstofffetten Betriebsweise und einer mageren (das heißt überschüssiger Sauerstoff) Betriebsart. Schüttgut-Cerdioxid ist zur Verwendung als ein OSC bekannt, andere seltenen Erdoxide können jedoch auch verwendet werden. Zusätzlich kann, wie oben angegeben, ein co-gebildetes Seltenerdoxid-Zirconiumdioxid als ein OSC eingesetzt werden. Das co-gebildete Seltenerdoxid-Zirconiumdioxid kann durch jedes geeignete Verfahren hergestellt werden, wie Co-Ausfällung, Co-Gebildung oder desgleichen. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines co-gebildeten Cerdioxid-Zirconiumdioxidmaterials ist in dem Artikel von Luccini, E., Mariani, S., und Sbaizero, O. (1998) "Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea" Int. J. of Materials and Product Technology, Band 4, Nr. 2, Seiten 167–175 beschrieben. Wie beginnend auf Seite 169 des Artikels offenbart, wird eine verdünnte (0,1 M) destillierte Wasserlösung aus Zirconylchlorid und Ceriumnitrat in Verhältnissen, um ein Endprodukt aus ZrO2-10 Molprozent CeO2 zu fördern, mit Ammoniumnitrat als ein Puffer hergestellt, um den pH-Wert zu steuern. Die Lösung wurde unter konstantem Rühren für zwei Stunden gesiedet und eine vollständige Ausfällung wurde mit einem pH-Wert erzielt, welcher zu keinem Zeitpunkt 6,5 überschritt.
  • Jedes geeignete Verfahren zur Herstellung des co-gebildeten Seltenerdoxid-Zirconiumdioxids kann eingesetzt werden, vorausgesetzt dass das resultierende Produkt das Seltenerdoxid enthält, welches im Wesentlichen durch die gesamte Zirconiumdioxidmatrix in dem fertig gestellten Produkt dispergiert ist, und nicht nur auf der Oberfläche des Zirconiumdio xidpartikels oder nur innerhalb einer Oberflächenschicht, so dass ein beträchtlicher Kern der Zirconiumdioxidmatrix ohne darauf dispergiertes Seltenerdoxid zurückbleibt. Die so co-ausgefällte Zirconium und Cerium- (oder ein anderes Seltenerdmetall) Salze können Chloride, Sulfate, Nitrate, Acetate etc. enthalten. Die Co-Precipitate können nach dem Waschen sprühgetrocknet oder gefriergetrocknet werden, um Wasser zu entfernen und anschließend in Luft bei ungefähr 500 °C kalziniert werden, um die co-gebildeten Seltenerdoxid-Zircondioxidträger zu bilden. Die katalytischen Materialien der zuvor genannten Anmeldung Nr. 08/761,544 können auch einen ersten Zirconiumbestandteil enthalten, wenigstens einen ersten Erdalkalimetallbestandteil und wenigstens einen Seltenerdmetallbestandteil, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Lanthanmetallbestandteilen und Neodymmetallbestandteilen. Das katalytische Material kann auch wenigstens ein Erdalkalimetallbestandteil enthalten und wenigstens einen Seltenerdbestandteil und gegebenenfalls wenigstens einen zusätzlichen Platinmetallbestandteil vorzugsweise gewählt aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Ruthenium und Iridiumbestandteilen, wobei vorzugsweise zusätzliche Platinmetallbestandteile der ersten Schicht gewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Platin und Rhodium und deren Mischungen.
  • Ein besonderes katalytisches Material, welches in 08/761,544 beschrieben ist, umfasst zwischen ungefähr 0,3 bis 3,0 Teile (zum Beispiel Gramm je Einheitsvolumen) wenigstens eines Palladiumbestandteils; von 0 bis ungefähr 2,0 Teile wenigstens eines ersten Platin und/oder ersten Rhodiumbestandteils; von ungefähr 100 bis ungefähr 2000 Teile eines ersten Trägers; von ungefähr 50 bis ungefähr 1000 Teile des Gesamtanteils der ersten Sauerstoffspeicherbestandteile in der ersten Schicht, zwischen 0,0 und vorzugsweise ungefähr 01, bis ungefähr 10 Teile wenigstens eines ersten Erdalkalimetallbestandteils; zwischen 0,0 und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,1 bis ungefähr 300 Teile eines ersten Zirconiumbestandteils; und von 0,0 und vorzugsweise ungefähr 0,1 bis ungefähr 200 Teile wenigstens eines ersten Seltenerdmetallbestandteils gewählt aus der Gruppe bestehend aus Cerdioxidmetallbestandteilen, Lanthanmetallbestandteilen und Neodymmetallbestandteil. Andere geeignete katalytische Materialien sind in dem US-Patent 5,597,771 beschrieben.
  • Ein spezifisches katalytisches Material, welches für die vorliegende Erfindung geeignet ist, kann 43,2 Gew.-% Gamma-Aluminiumoxid mit einer Oberfläche von 150 Quadratmeter je Gramm (m2/g) und einem Porenvolumen von 0,462 Kubikzentimeter je Gramm (cm3/g); 41,5 Gew.-% eines zweiten Gamma-Aluminiumoxids mit gleicher Oberfläche jedoch mit einem Porenvolumen von 0,989 cm3/g; 0,3 Gew.-% Neodymoxid, 0,6 Gewichtsprozent Lanthanoxid; 2,9 Gew.-% Cerdioxid (Cerdioxid eingeführt in einer löslichen Form in die Aufschlämmung); 3,2 Gew.-% Bariumoxid; 0,3 Gew.-% Strontiumoxid; 2,9 Gew.-% Zircondioxid und 5,1 Gew.-% wiederverwendete Katalysatorzusammensetzung aufweisen. Die Teilchengröße des feuerfesten Oxids kann ungefähr 12 Mikrometer betragen. Die Verwendung des Aluminiumoxids mit größerem Porenvolumen ist so aufgebaut, um die Erhöhung der Porosität der Oberschicht zu unterstützen und die Vermeidung der Vergiftung der Außenoberfläche zu unterstützen.
  • Ein anderes katalytisches Material, welches zur Verwendung bei Motorradmotoren bevorzugt ist, umfasst ein Platinmetallbestandteil umfassend Platin und Rhodium dispergiert auf einem feuerfesten Oxidträgerbestandteil umfassend Aluminiumoxid, co-gebildetes Cerdioxid-Zirconiumoxid, Bariumoxid und Zirconiumdioxid, und kann wie folgt hergestellt werden.
  • Zunächst wird Rhodium auf einem Aluminiumoxidträgerbestandteil dispergiert, indem gleiche Gewichte eines Aluminiumoxids mit geringer Oberfläche, kleinen Mesoporen mit einer Oberfläche in dem Bereich von 148–168 m2/g und einem Porenvolumen von ungefähr 0,6 g/cm3 und ein Aluminiumoxid mit hoher Oberfläche, großem Porenvolumen mit einer Oberfläche in dem Bereich von 150–170 m2/g und einem Porenvolumen von 1 cm3/g ± 0,04 cm3/g, kombiniert werden, um insgesamt 1818,34 Gramm zu erhalten. Der Aluminiumoxidträgerbestandteil wird mit einer Rhodiumnitratlösung getränkt, enthaltend 11,8 Gramm Rhodiumnitrat.
  • Platin wird auf einem Trägerbestandteil umfassend Aluminiumoxid und co-geformtes Cerdioxid-Zirconiumdioxid dispergiert, indem gleiche Anteile an VGL-Aluminiumoxid und dem co-gebildeten Cerdioxid-Zirconiumdioxid mit insgesamt 3732,38 Gramm vermischt werden. Der Trägerbestandteil wird mit einer wässerigen Platinaminhydroxidlösung getränkt, enthaltend 55,38 Gramm des Platinaminhydroxids. Eine Aufschlämmung des katalytischen Materials wird hergestellt, indem 1829 Gramm des mit Rhodium getränkten Aluminiumoxids (trockene Basis) und 3788 Gramm des mit Platin getränkten Aluminiumoxids und Cerdioxid-Zirconiumdioxid in 4700 Gramm Wasser mit 1 Prozent Essigsäure, einer Zirconiumacetatlösung enthaltend 153 Gramm Zirconiumacetat und 230 Gramm Bariumacetat kombiniert werden. Diese Bestandteile werden vermischt und in einer Kugelmühle gemahlen, um eine Partikelgrößenverteilung zu erzielen, so dass 90 Prozent der Partikel einen Durchmesser von 8 Mikrometer oder weniger aufweisen. Die Aufschlämmung enthält ungefähr 0,3 Prozent OctanolTM oberflächenaktives Mittel. Das Platin und Rhodium werden so in einem Verhältnis von Pt:Rh entsprechend 5:1 bereitgestellt und das Platin besteht ungefähr aus 1,35 Prozent des katalytischen Materials in Bezug auf das Gewicht (trockene Basis). Das co-gebildete Cerdioxid-Zirconiumdioxid soll als ein Sauerstoffspeicherbestandteil wirken.
  • Eine Vielzahl von Abscheidungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt, um katalytisches Material auf ein Trägersubstrat abzuscheiden und die meisten dieser können mit einem Träger verwendet werden, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Diese umfassen zum Beispiel das Abscheiden des katalytischen Materials in einem flüssigen Träger um eine Aufschlämmung zu bilden, und benetzen das Trägersubstrat mit der Aufschlämmung, indem der Träger in die Aufschlämmung eingetaucht wird, die Aufschlämmung auf den Träger gesprüht wird etc. Alternativ kann das katalytische Material in einem Lösungsmittel aufgelöst werden und das Lösungsmittel kann auf die Oberfläche des Trägersubstrats benetzt werden und anschließend entfernt werden, um das katalytische Material zurückzulassen, oder einen Vorläufer dessen auf dem Trägersubstrat. Das Entfernungsverfahren kann das Erwärmen des benetzten Trägers und/oder das Unterwerfen des benetzten Trägers in einem Vakuum umfassen, um das Lösungsmittel durch Verdampfung zu entfernen. Ein anderes Verfahren zur Abscheidung eines katalytischen Materials auf dem Träger ist das katalytische Material in Pulverform bereitzustellen und es an das Substrat über elektrostatische Abscheidung zu haften. Dieses Verfahren wäre geeignet, um ein Katalysatorelement zur Verwendung in chemischen Flüssigphasenreaktionen bereitzustellen. Diese Verfahren des Aufbringens des katalytischen Bestandteils auf den Träger bilden einen getrennten Schritt bei den Herstellungsverfahren relativ zu dem Aufbringen der Ankerschicht, und ihre Verwendung stellt einen Unterschied zu der Lehre der US 5,204,302 bereit (welche oben beschrieben wurde), in welcher das gleiche Plasmasprühverfahren zum Aufbringen einer Unterschicht verwendet wird, um den Katalysator aufzubringen. Dieses Verfahren kann als ein elektrisches Lichtbogenspritzen einer Ankerschicht auf ein Substrat beschrieben werden, Unterbrechen des Sprühens des Substrates und anschließend Abscheiden eines katalytischen Materials darauf. Andere Verfahren sind bekannt und können auch verwendet werden, einschließlich chemische Dampfabscheidung.
  • Ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein geschäumtes Metallsubstrat Bereiche mit unterschiedlicher Substratdichte umfassen können, und stellt daher innerhalb eines spezifischen Einheitsvolumens unterschiedliche Oberflächenbereiche zur Verfügung, auf welchen das katalytische Material abgeschieden werden kann, das heißt unterschiedliche spezifische Oberflächen. Geschäumte Metallsubstrate mit einer gleichförmigen spezifischen Oberfläche werden hier als "geschäumte Substrate mit einer einzigen Dichte" bezeichnet, wohingegen Substrate mit Bereichen unterschiedlicher spezifischer Oberfläche hier als "geschäumte Substrate mit einer Vielzahl von Dichten" bezeichnet werden. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die spezifische Oberfläche eines geschäumten Substrats mit einer einzigen Dichte durch die geeignete Wahl der organischen Vorläufer des geschäumten Metalls bestimmt werden können. Ein geschäumtes Metallsubstrat kann jedoch duktil sein und kann verdichtet werden, nachdem es gebildet wurde. Elektrisches Lichtbogenspritzen gemäß dieser Erfindung macht es einfacher, den Schaum zu verdichten, nachdem er mit einer Ankerschicht beschichtet wurde, oder auch nachdem der katalytische Bestandteil darauf aufgebracht wurde.
  • Es wurde im Stand der Technik bisher noch nicht bemerkt, dass ein vorgegebenes Verfahren zur Abscheidung des katalytischen Materials auf einem offenen Substrat, welches Bereiche mit unterschiedlicher spezifischer Oberfläche aufweist, unterschiedliche wirksame Beladungen der katalytischen Materialien in den Bereichen mit unterschiedlicher spezifischer Oberfläche abscheidet. Zum Beispiel kann ein geschäumtes Substrat mit einer Vielzahl von Dichten als eine integrale Struktur gebildet werden, zum Beispiel indem nur ein Teil eines geschäumten Substrats mit einer einzigen Dichte verdichtet wird, oder es kann zusammengebaut werden, indem zwei oder mehr getrennte geschäumte Metallstrukturen mit einzelner Dichte mit dem gleichen katalytischen Material darauf, jedoch mit unterschiedlichen spezifischen Oberflächen und in enger Nachbarschaft zueinander, in der gleichen Vorrichtung angeordnet werden, das heißt in einer zusammenhängenden Beziehung miteinander, so dass das Gas, welches durch ein Substrat fließt, in das andere eintritt. Zum Beispiel kann ein Katalysator zwei (oder mehr) Katalysatorelemente umfassen, welche jeweils ein Schaum mit einzelner Dichte oder unterschiedlichen Dichten umfassen, die in einer wirksamen zusammenhängenden Beziehung zueinander in dem gleichen Behälter angeordnet sind. Die zusammenhängende Anordnung der Katalysatorelemente mit Substraten mit unterschiedlichen spezifischen Oberflächen, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, können mit anderen Substraten als mit geschäumten Metallsubstraten ausgeübt werden. Für ein Beispiel kann dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden unter Verwendung von Trägersubstraten umfassend gewellte Folien und/oder Siebe und/oder Kombinationen dieser.
  • Katalysatorelemente hergestellt unter Verkörperung der vorliegenden Erfindung können in einer breiten Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wobei ein Fluidstrom durch das Katalysatorelement geflossen wird, um mit dem katalytischen Material darin in Kontakt zu kommen. Eine wichtige Verwendung für solch ein Katalysatorelement ist ein Durchflusskatalysatorelement für die katalytische Behandlung von Bestandteilen eines Fluidstroms, zum Beispiel für die katalytische Umwandlung von schädlichen Bestandteilen von Motorabgasen einschließlich, jedoch ohne Einschränkung, Abgasen von Verbrennungsmotoren, zum Beispiel Ottomotoren, wie Motorradmotoren, Gebrauchsmotoren und dergleichen und Dieselmotoren etc. Solche Abgase können ein oder mehrere unverbrannter Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NOx), lösliche Ölanteile ((SOF), Ruß etc. umfassen, welche durch das katalytische Material in unschädliche Substanzen umgewandelt werden sollen. Zum Beispiel kann die Erfindung bei Abgas-rezyklierenden (EGR) Schmierölkatalysatoren zur Entfernung von SOF aus Dieselruß ausgeübt werden. Andere Anwendungen umfassen katalytische Filter für Fahrzeugkabinenluft, wieder verwendbare Wärmeluftfilter, katalytische Flammenschutzfilter und katalytische Wasserfiltriereinheiten von Gemeinden.
  • In den meisten oben erwähnten Anwendungen wird es als vorteilhaft betrachtet, einen Träger mit hoher Oberfläche bereitzustellen, das heißt ein offenes Substrat einzusetzen, um den Kontakt zwischen dem Fluidstrom und dem Katalysatorelement zu steigern. Für die Fluidphasenreaktionen weist ein geeigneter Träger typischerweise eine Vielzahl von Fluiddurchflussdurchgängen auf, welche sich durch dieses von einer Fläche des Trägers zu einer anderen Fläche erstrecken, um einen Fluidfluss hindurch zu gewährleisten. In einem herkömmlichen Trägeraufbau, welcher herkömmlicherweise für Gasphasenreaktionen verwendet wird, und als ein "Wabenkörper" bekannt ist, sind die Durchgänge typischerweise im Wesentlichen (jedoch nicht notwendigerweise) von einer Einlassfläche zu einer Auslassfläche des Trägers gerade und werden durch Wände definiert, auf welchen das katalytische Material aufgebracht ist, so dass die durch die Durchgänge fließenden Gase das katalytische Material berühren. Die Durchflussgänge des Trägerelementes können dünnwandige Kanäle sein, welche jede geeignete Querschnittsform und Größe aufweisen können, wie trapezförmig, rechteckig, quadratisch, sinusförmig, hexagonal, oval oder kreisförmig. Solche Strukturen können zwischen ungefähr 9,3 bis ungefähr 108,5 (60 bis ungefähr 700) oder mehr Gaseinlassöffnungen ("Zellen") je Quadratzentimeter (Quadratinch) des Querschnittes ("cpscm" ("cpsi")) aufweisen, und noch typischerweise 31 bis 32 cpscm (200 bis 400 cpscm). Solch ein wabenkörperartiger Träger kann aus metallischen Substraten auf eine Vielzahl von Wegen hergestellt sein, wie zum Beispiel durch das Einführen eines gewählten Metallbogens auf einen flachen Metallbogen und Wickeln der zwei Bögen miteinander um einen Dorn. Alternativ können sie aus jedem geeigneten feuerfesten Material bestehen, wie Cordierit, Cordierit-Alpha-Aluminiumoxid, Siliconnitrid, Zirconiummullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxidmagnesiumdioxid, Zirconiumsilicat, Sillimanit, Magnesiumsilicate, Zirconiumoxid, Petallit, Alpha-Aluminiumoxid und Alumino-Silicate. Typischerweise werden solche Materialien zu einem wabenkörperartigen Aufbau extrudiert und anschließend kalziniert, wodurch Durchgänge gebildet werden, die durch glatte Innenzellenwände und eine glatte Außenoberfläche oder "Haut" definiert werden.
  • Das Lichtbogenspritzverfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um eine Ankerschicht auf die glatten Innenoberflächen der Gasdurchflussgänge aufzubringen, welche in einem wabenkörperartigen keramischen Träger ausgebildet sind, wie auch auf die Vorderseite dessen, um eine überragende Oberfläche bereitzustellen, auf welcher katalytisches Material abgeschieden werden kann und wodurch die Strömung des Gases, welches durch das Katalysatorelement fließt, erhöht wird und so die katalytische Aktivität erhöht wird. Zusätzlich kann die Ankerschicht auf der glatten Außenoberfläche des Substrates abgeschieden werden, um die Befestigung des Substrates in einem Behälter zu vereinfachen, wie hier beschrieben. In vielen solchen Ausführungsformen werden die Einlass- und Auslassfläche des Trägers einfach als die Flächen definiert, durch welche das Fluid in den Träger eintritt oder diesen verlässt. Ein Durchflusskatalysatorelement wird normalerweise in einem Körper, wie einem Behälter befestigt, um den Fluidfluss durch den Träger zu führen.
  • Wenn auf einem wabenkörperartigen oder einem anderen Durchflussträger abgeschieden, werden die Mengen der verschiedenen katalytischen Bestandteile des katalytischen Materials häufig basierend auf Gramm je Volumenbasis dargestellt, zum Gramm je Kubikmeter (g/m3) (Gramm je Kubikfuß (g/ft3)) für Platinmetallbestandteile und Gramm je Kubikzentimeter (g/cm3) (Gramm je Kubikinch (g/in3)) für das Katalysatorelement als Gesamtes, da diese Messungen die unterschiedlichen Gasdurchflusskonfigurationen in unterschiedlichen Trägern aufnehmen. Katalysatorelemente, welche zur Verwendung bei der Behandlung von Motorabgasen geeignet sind, können eine Platinmetallbestandteilbeladung von 900,5 g/m3 (25,5 g/ft3) mit einem Gewichtsverhältnis von Platin-zu-Rhodium von 5:1 umfassen, obwohl diese Beschreibung deutlich variieren kann, gemäß des Aufbaus und der Anforderungen der Leistung. Das fertige Katalysatorelement kann in einem metallischen Behälter angeordnet sein, welcher einen Gaseinlass und einen Gasauslass definiert, und welcher die Befestigung des Katalysatorelements in dem Abgasrohr des Motors vereinfacht.
  • Katalysatorelemente dieser Erfindung sind zur Verwendung bei der Behandlung von Abgasen von kleinen Motoren gut geeignet, insbesondere von Zweitakt- und Viertaktmotoren, aufgrund des überragenden Haftens des katalytischen Materials an dem Substrat, und zur Behandlung des Abgases von Dieselmotoren. Die Abgasbehandlungsvorrichtung, welche mit dem kleinen Motor zusammenhängt, wird deutlich anderen Betriebsbedingungen unterworfen, im Vergleich mit solchen von Katalysatoren für Kraftfahrzeuge oder anderen Maschinen mit großem Motor. Dies liegt daran, dass die Einrichtungen, mit welchen kleine Motoren betrieben werden, entsprechend kleiner sind als solche, die von großen Motoren betrieben werden, zum Beispiel ist eine typische Verwendung für einen kleinen Motor der Antrieb eines Rasenmähers, wohingegen ein großer Motor ein Kraftfahrzeug betreibt. Kleine Motoren werden auch in Fahrzeugen, wie Motorrädern, Krafträdern, Schneemobilen, Jetskis, Bootmotoren etc. verwendet, oder als Nutzmotoren für Kettensägen, Schneegebläse, Gras- und Blättergebläse, Mähmaschinen, Grünflächenmähern, Gartentraktoren, Generatoren etc. Solche kleineren Einrichtungen sind viel weniger in der Lage die Vibrationen zu absorbieren und zu verbreiten, welche von dem Motor bewirkt werden, und sie stellen geringere Flexibilität des Designs in Bezug auf die Anordnung des Katalysators bereit. Aufgrund der Nähe des Katalysators zu einem kleinen Motor wird das Katalysatorelement erheblichen Vibrationen unterworfen. Zusätzlich sind kleine Motoren durch hohe Temperaturveränderungen gekennzeichnet, wenn sich die Last des Motors erhöht und verringert, obwohl die geringe Masse des Motors ein schnelles Abkühlen der Abgase ermöglicht. Demzufolge wird ein Katalysatorelement, welches verwendet wird, um das Abgas eines kleinen Motors zu behandeln, typischerweise einer größeren thermischen Veränderung und mehr Vibration unterworfen, als der Katalysator eines Kraftfahrzeugs, und diese Bedingungen haben zu einem Abplatzen des katalytischen Materials von den Katalysatorelementen des Standes der Technik geführt. Man nimmt an, dass sich dieses Problem in Einrichtungen zur Behandlung des Abgases von Motorrädern verstärkt, da die Verbrennung des Kraftstoffes in jedem Zyklus eines Motorradmotors eine Explosion erzeugen soll, die eine Schockwelle durch das Abgas schickt. Die Schockwellen legen periodische Spannungen auf das Katalysatorelement an, zusätzlich zu der Wärme und den Vibrationen, die anderen kleinen Motoren eigen sind, wodurch die Notwendigkeit einer starken Bindung des katalytischen Materials an das Substrat erhöht wird, und daher wird die Herstellung eines Katalysatorelements, wie durch diese Erfindung bereitgestellt, besonders vorteilhaft.
  • Das Einführen eines Katalysatorelements gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Einrichtung, wie einen Rasenmotor, Motorrad, Generator, Abfallgebläse, etc. führt zu einer verbesserten Einrichtung.
  • Aufgrund der überragenden Haltbarkeit können die Katalysatorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um das Abgas eines großen Motors zu behandeln, auf Arten, welche für viele Katalysatorelemente des Standes der Technik ungeeignet sind. Während zum Beispiel ein herkömmliches Katalysatorelement deutlich stromabwärts eines Motors in einer so genannten Unterbodenposition angeordnet ist, an welcher die Abgastemperaturen und Motorvibrationen reduziert sind, kann ein Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafter Weise in einer relativ nahen Position zu einem Fahrzeugmotor angeordnet werden. Eine nahe Position ist eine solche, die sich sehr viel näher an dem Motor befindet als an der Unterbodenposition und ist typischerweise in dem Motorraum näher als der Position unter dem Limousinenboden. Eine nahe Position kann sich innerhalb von Zentimetern (Inches) von dem Abgasverteiler befinden, oder direkt daneben. Die Erfindung erlaubt das nahe Anordnen dieser Art relativ zu dem Motor, an Positionen, an denen Katalysatorelemente des Standes der Technik nicht angeordnet würden, aufgrund der Besorgnis, dass die intensive Wärme und Vibration von dem Motor zu einem physikalischen Ausfall des Katalysatorelementes führen könnte, zum Beispiel Abplatzen des katalytischen Materials. Die Anordnung eines Katalysatorelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher deutlich stärker von den Grenzen der Hochtemperaturbeständigkeit des katalytischen Materials abhängig als von der physikalischen Integrität des Katalysatorelements. Das Abplatzen des katalytischen Materials von dem Katalysatorelement des Standes der Technik wird mit metallischen Trägern erschwert, die sich unter Spannung biegen oder beugen können. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung insbesondere bei solchen Anwendungen vorteilhaft, aufgrund der überragenden Haftung, die sich zwischen dem katalytischen Material und dem Träger als ein Ergebnis der elektrisch lichtbogengespritzten Ankerschicht auf dem me-tallischen Substrat bereitstellt.
  • Noch ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung betrifft die Verwendung des elektrischen Lichtbogenspritzens, um ein Substrat an einem anderen zu haften. Daher kann ein Metallbogen befestigendes Substrat, welches Befestigungsstellen definiert, sicher an einem keramischen Katalysatorelement befestigt werden, um die Befestigung des Katalysatorelementes in einem Metallkanister zu vereinfachen, als eine Alternative gegenüber der Verwendung von kostspieligen keramischen Fasergewebebefestigungsmatten. Die Verwendung von einem metallischen Befestigungssubstrat, welches das keramische Katalysatorelement umgibt, ist vorteilhaft, da das metallische Befestigungselement einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher dem des umgebenden metallischen Behälters näher ist als dem keramischen Monolith oder einer typischen keramischen Fasergewebebefestigungsmatte. Intumescente-Keramikfasergewebe wurden für Befestigungsmatten für keramische Katalysatorelemente in Metallbehältern verwendet, um die Unterschiede der thermischen Ausdehnung des Behälters und des Katalysatorelementes zu verbessern, solche Gewebe sind jedoch teuer und werden einer Zerstörung bei normalen Betriebsbedingungen unterworfen. Ein metallisches Befestigungssubstrat wäre beständiger, billiger und besser geeignet als ein keramisches Fasergewebe, um das Katalysatorelement an dem Behälter zu befestigen, das geformt werden kann, um Befestigungsstreifen zur Verfügung zu stellen, über welche das Katalysatorelement an dem metallischen Kanister genietet, geschweißt oder gelötet werden kann. Auch wenn es gewünscht ist, die Verwendung von keramischen Fasergewebebefestigungsmatten vorzunehmen, kann die raue Oberfläche der Ankerschicht, welche durch das elektrische Lichtbogenspritzverfahren der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde, vorteilhaft verwendet werden, um einen rauen, haftenden Greifbereich auf der sonst glatten Außenoberfäche des keramischen Katalysatorelements bereitzustellen, so dass das Katalysatorelement sicherer innerhalb des umgebenden keramischen Fasergewebes befestigt werden kann.
  • Eine Abgasbehandlungsvorrichtung umfassend ein Katalysatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in dem Abgasflussweg angeordnet ist, ist schematisch in den 4A und 4B dargestellt. Die Vorrichtung 10, welche in einem Auspufftopf 11 angeordnet ist, umfasst einen Behälter 15, welcher an dem Ende eines Abgasrohres 12 befestigt ist, welches das aus dem Abgasauslass eines kleinen Motors (nicht dargestellt) fließende Abgas sammelt, wie durch den Pfeil 13 angegeben. Der Behälter 15 ist ein Behälter vom Greiftyp, welcher ein Katalysatorelement 14 enthält, das darin befestigt ist. Das Katalysatorelement 14 innerhalb des Kanisters 15 wird von einer Schicht aus einem keramischen Fasergewebe 16 umgeben, welches als Befestigungsmatte dient, wie im Stand der Technik bekannt. Das Katalysatorelement 14 ist im Detail in 5 dargestellt, wobei deutlich wird, dass das Katalysatorelement 14 ein extrudiertes keramisches Wabenkörpersubstrat umfasst, welches eine Vielzahl von sich längs erstreckenden Gasdurchflussgängen 46 definiert, welche sich zwischen einer Einlassfläche 14a und einer Auslassfläche 14b erstrecken. Das Katalysatorelement 14 weist eine glatte Außenhaut 14c auf. Das Katalysatorelement 14 wurde gemäß der vorliegenden Erfindung lichtbogengespritzt, um einen Ankerbereich 14d auf der Außenhaut 14c bereitzustellen. Der Ankerbereich 14d haftet stark an dem keramischen Monolith und stellt einen Bereich mit verbessertem Greifkontakt mit dem keramischen Fasergewebe 16 zur Verfügung. Zusätzlich wurde der keramische Monolith von wenigstens einer der Einlassflächen 14a und der Auslassflächen 14b gespritzt, um eine Ankerschicht im Inneren der Gasdurchflussdurchgänge abzuscheiden, um die Oberfläche innerhalb der Gasdurchflussdurchgänge zu erhöhen, auf welchen das katalytische Material abgeschieden werden kann und um einen Träger bereitzustellen, welcher eine stark haftende Bindung zwischen dem katalytischen Material und dem Träger bereitstellt. Zusätzlich neigen alle diese Oberflächen dazu, da die Einlass- und Auslassflächen des Katalysatorelementes durch die Ankerschicht, welche darauf abgeschieden ist, angeraut wurden, wie auch die Gasdurchflussgänge, den laminaren Gasfluss durch das Katalysatorelement zu stören und so den Kontakt zwischen den Bestandteilen des Abgasstromes und dem katalytischen Material zu erhöhen, wodurch die Wirksamkeit des Katalysatorelements erhöht wird. Das keramische Fasergewebe 16 wird gegebenenfalls von einem Drahtnetz 18 umgeben. Das Gewebe 16 und das Drahtnetz 18 werden um die Seiten des Katalysatorelements 14 herumgeschlagen und über die Enden 14a und 14b des Katalysatorelements 14 gefaltet. Wahlweise werden kreisförmige Endringe 20 und 22 mit dem Kanister 15 verschweißt, um einen axialen Druck auf die Enden 14a und 14b des Katalysatorelementes 14 auszuüben, und um das Katalysatorelement 14 innerhalb des Kanisters 15 zu sichern. In alternativen Ausführungsformen kann der Behälter 15 ausgebaut sein, um Endringe zu bilden, als einen integralen Teil des Behälters. Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren gegebenenfalls Lufteinlässe 36a, durch welche wahlweise Luftpumpen 38 Luft oder anderes sauerstoffhaltiges Gas in den Abgasstrom über Lufteinspritzleitungen 40a einführen können. Der Auspufftopf 11 belüftet in ein Abgasrohr 32. In alternativen Ausführungsformen kann das Katalysatorelement 14 ein metallisches Wabenkörpersubstrat, ein geschäumtes Metallsubstrat, ein Drahtmaschensubstrat oder jedes geeignete Durchflusssubstrat umfassen.
  • Im Betrieb fließen Abgase durch das Abgasrohr 12 in den Behälter 15 der Vorrichtung 10. Die Gase fließen durch das Katalysatorelement 14 und treten in die erste Kammer 24 des Auspufftopfes 11 ein. Während die Gase durch das Katalysatorelement 14 fließen, stimuliert das katalytische Material in diesen die Umwandlung eines Teiles der Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid in dem Abgas in unschädliche Substanzen, zum Beispiel Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Gase fließen dann durch die Leitung 26 in die zweite Kammer 28 und anschließend in die dritte Kammer 30. Gase werden von dem Auspufftopf 11 in das Rohr 32 entlüftet. Daher definiert die Vorrichtung 10 einen Flussweg von dem Rohr 12 zu dem Rohr 32, durch das Katalysatorelement 14.
  • In einer bestimmten Ausführungsform, welche in 6 dargestellt ist, umfasst das Katalysatorelement 14' ein katalytisches Material, welches durch das gleiche Verfahren auf geschäumten Metallbereichen 14e und 14f mit unterschiedlichen Dichten abgeschieden wurde. Als ein Ergebnis unterscheidet sich die Beladung des katalytischen Materials in dem Bereich 14e von dem in dem Bereich 14f. Wie oben angegeben kann der Bereich 14e und 14f jeweils ein geschäumtes Substrat mit einziger Dichte umfassen, wobei der eine eine andere Dichte als der andere aufweist. Als ein Ergebnis neigen die Beladungen der katalytischen Bestandteile, welche darauf in ähnlichen Verfahren abgeschieden werden, dazu sich zu unterscheiden. Indem zwei Bereiche in enger Nachbarschaft zueinander innerhalb des Behälters angeordnet werden, fließt das Abgas von einem zu dem anderen. Alternativ kann das Katalysatorelement 14' ein ursprünglich geschäumtes Substrat mit einzelner Dichte umfassen, welches in einem der Bereiche 14e und 14f verdichtet wird, um Bereiche mit unterschiedlicher Dichte zu bilden. Der Behälter 15 leitet Abgas in eine Einlassfläche des Bereichs 14e und anschließend in den Bereich 14f und aus der Auslassfläche des Bereichs 14f und schließlich aus dem Auslass 15b des Behälters, wie durch die Pfeile angegeben. Wie oben angegeben umfasst die Erfindung Ausführungsformen, wobei andere Strukturen eine Ankerschicht mit katalytischem Material darauf tragen. Zum Beispiel kann das Innere des Metallrohrs 14 elektrisch lichtbogengespritzt sein, um eine Ankerschicht darin abzuscheiden und kann ein katalytisches Material aufweisen, welches darauf als eine Ausführungsform der Erfindung abgeschieden wurde.
  • Eine bevorzugte Art zur Ausübung der vorliegenden Erfindung ist in der 6B dargestellt, wobei ein Katalysatorelement 14g, welches ein lichtbogengespritztes geschäumtes Metallsubstrat mit einem katalytischen Material, welches darauf abgeschieden ist, umfasst, und in einer metallischen Befestigungshülse 15' befestigt ist. Die Hülse 15' definiert einen verjüngten Aufbau zum Beispiel einen konischen Kegelstumpf, welcher an beiden Enden offen ist und von dem breiten Ende 15a' zu dem engen Ende 15b' konvergiert. In einer bestimmten Ausführungsform kann die sich verjüngende Hülse einem konischen Winkel von ungefähr 5 Prozent entsprechen. Das geschäumte Metallsubstrat kann in der Hülse durch ein herkömmliches Gießverfahren gebildet sein, wobei ein Ende der Hülse temporär abgedichtet wird, um eine Tasse zu bilden. Die Hülse wird anschließend mit einer Mischung aus Metallpulver und Granulaten aus einem expandierbaren entfernbaren Material angefüllt. Die Hülse und die Metallpulver-entfernbares Granulat Mischung darin wird gesintert. Das Metallpulver bildet eine poröse Matrix über den entfernbaren Granulaten, welche weggebrannt werden. Das resultierende geschäumte Metallsubstrat wird so an die Hülse gesintert. Auf das Substrat kann anschließend die Ankerschicht und das katalytische Material abgeschieden werden. Alternativ kann das geschäumte Metallsubstrat unabhängig von der Hülse geformt werden und kann bearbeitet werden, um in die Hülse eingeführt zu werden, bevor es mit dem katalytischen Material beschichtet wird, und wahlweise, jedoch bevorzugt, bevor es thermisch mit der Ankerschicht bespritzt wird. Wenn das geschäumte Metallsubstrat innerhalb der Befestigungshülse angeordnet wird, kann es gesintert werden, gelötet oder auf andere Weise an Ort und Stelle befestigt werden. Vorzugsweise wird das verjüngte Katalysatorelement befestigt, so dass die Abgase von dem großen Ende eintreten und durch den Ausgang an dem engen Ende austreten, wie durch die Richtung des Flusspfeiles (unbezeichnet) in 6B dargestellt. Wenn die Bindung zwischen dem Metallsubstrat und der Hülse während der Verwendung getrennt wird, dient der Flansch 15c' dazu zu verhindern, dass das Katalysatorelement 14g aus der Hülse 15' durch die dadurch fließenden Abgase geblasen wird.
  • Die Hülse 15' und das Katalysatorelement 14g können in einer Gasbehandlungsvorrichtung auf herkömmliche Weise eingebaut werden. Gegebenenfalls kann die konische Hülse 15' in einer Befestigungsplatte 115 befestigt werden, um die Anordnung des Katalysatorelements in einer Abgasleitung zu vereinfachen.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann ein geschäumtes Metallsubstrat in einer Übergangshülse geformt werden oder in dieser befestigt werden, mit einem Einlassbereich, welcher einen geometrischen Querschnittsaufbau definiert und einem Auslassbereich, welcher einen unterschiedlichen Querschnittsaufbau definiert, mit einem deutlichen Übergang zwischen diesen. Wenigstens ein Teil des Auslassbereichs weist einen Radius oder Durchmesser auf, welcher geringer ist als der entsprechende Radius oder Durchmesser des Einlassbereiches, so dass eine Schulter innerhalb der Hülse zwischen den zwei Bereichen definiert wird. Das Substrat wird in dem Einlassbereich angeordnet und ist aufgebaut, um gegen die Schulter zu drücken, wodurch verhindert wird, dass das Substrat den Einlassbereich verlässt, wenn das Gas hindurchfließt, falls die Bindung zwischen dem Substrat und dem Einlassbereich versagt. Die Einlass- und Auslassbereiche können in der Form übereinstimmen, können jedoch eine unterschiedliche Größe aufweisen, zum Beispiel beide zylindrische Bereiche mit einer kreisförmigen Schulter zwischen dem größeren Einlasszylinder und dem kleineren Auslasszylinder definieren. Alternativ, wie in den 6C und 6D dargestellt, kann der Einlassbereich einen von dem Auslassbereich unterschiedlichen geometrischen Aufbau aufweisen. Die 6C und 6D zeigen eine Übergangshülse 15'' umfassend einen quadratischen rohrförmigen Einlassbereich 15a'' und einen runden rohrförmigen Auslassbereich 15c'', dessen innerer Durchmesser der gleiche ist wie die innere Seitenlänge des Einlassbereichs. Zwischen den Einlass- und Auslassbereich sind vier Schultern 15d'' gebildet, wobei der diagonale Radius des Einlassbereiches 15a'' den entsprechenden Radius des Auslassbereiches 15c'' überschreitet. Ein Substrat mit einem im Allgemeinen quadratischen Querschnitt kann aufgebaut sein, um innerhalb des quadratischen Einlassbereichs 15a'' aufgenommen zu werden und gegen die Schultern 15d'' zu drücken. Die Übergangshülse ist so aufgebaut, dass der Einlass und der Auslass mit entsprechend geformten Enden von Gasdurchflussleitungen in einer Gasbehandlungsvorrichtung verbunden werden können.
  • In anderen Ausführungsformen kann ein beschichtetes Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Trigger für einen Katalysator zur Behandlung von Düsenmotorabgasen und/oder als ein Träger für eine Giftfalle zur Verwendung stromabwärts eines Düsenmotorabgaskatalysators verwendet werden, um die Arten in den Motorabgasen zu verringern, die schnell die Aktivität des Katalysators verringern (das heißt "vergiften").
  • Ein zweirädriger Gartentraktor 40, welcher ein Gehäuse 41 umfasst, enthaltend einen kleinen Motor und Getriebeaufbau 42 um ein paar Räder 43 anzutreiben, ist in 7A dargestellt. Lenker 44 erstrecken sich nach hinten von dem Traktor um den Traktor zu führen, wobei geeignete Steuerungen 45 befestigt sind, an einer zugänglichen Position auf den Lenkern, um den Motor und/oder das Getriebe zu steuern. Ein zweirädriger Anhänger 48 ist entfernbar und drehbar mit dem hinteren Ende des Traktors 40 verbunden, um einen Sitz bereitzustellen, auf welchem der Benutzer sitzen kann und den Traktor 40 steuern kann. Wie in der Figur dargestellt, ist der Motor und der Getriebeaufbau 42 mit einem Auspufftopf 50 versehen, zu welchem das Abgas aus dem Motor über ein rohrförmiges Katalysatorelement 52 fließt. Eine Vielzahl von Werkzeugen können mit dem Traktor verbunden werden oder mit dem Anhänger, wie im Stand der Technik bekannt ist.
  • 7B zeigt ein verbessertes Motorrad umfassend einen kleinen Motor 56, aus welchem Abgas durch das Abgassystem 58 fließt. Der Motor 56 ist auf einem Rahmen 60 befestigt, welcher von einem Hinterrad 62 und einem Vorderrad 64 getragen wird. Das Vorderrad 64 ist rotierbar auf dem Rahmen 60 befestigt und mit dem Lenker 66 verbunden, welcher ein Steuern des Fahrers ermöglicht, der auf dem Rahmen 60 sitzt. Ein Bereich des Abgassystems 58 umfasst ein rohrförmiges Katalysatorelement 60 gemäß der vorliegenden Erfindung, befestigt in dem Durchflussweg der Abgasvorrichtung.
  • 7C zeigt einen kleinen Gebrauchsmotor 68, befestigt auf einem Trägerrahmen 70. Der Motor 68 zieht Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 52 und Luft aus einem Luftfilter 74. Das Abgas aus dem Motor 68 wird durch ein Abgassystem 76 geleitet und umfasst ein Abgasrohr 78 befestigt zwischen dem Motorausgang und dem Abgastopf 80. Innerhalb des Abgasrohres 78 sind ein oder mehrere Katalysatorelemente befestigt, welche jeweils ein Durchflusssubstrat umfassen, auf welchen eine Ankerschicht durch Lichtbogenspritzen aufgebracht wurde, und ein katalytisches Material auf der Ankerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde. In der dargestellten Ausführungsform ist der Gebrauchsmotor 68 über eine Getriebeeinheit 82 mit einem elektrischen Generator 84 verbunden, welcher elektrische Leistung über herkömmliche Auslässe 86 bereitstellt. Es wird jedoch Fachleuten auf dem Gebiet klar, dass der Gebrauchsmotor 68 auf ähnliche Weise angepasst werden könnte, um andere Einrichtungen anzutreiben, wie eine Pumpe, einen Kompressor, Holzspaltvorrichtung, etc., die alle verbesserte Einrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitstellen würden.
  • Kleine Gebrauchsmotoren stellen eine andere Umgebung und eine Benutzungsart für beschichtete Substrate gemäß der vorliegenden Erfindung bereit, bei denen sie als Flammenhemmer mit und ohne katalytisches Material darauf verwendet werden können. Die Verwendung von Flammenhemmern für kleine Motoren ist per se im Stand der Technik bekannt und wurde zum Beispiel in der WO 9802649 beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Ein 15,54 cpscm (100cpsi) metallischer Wabenkörper wurde unter Verwendung von Nickealuminiddraht als das Eisatzmaterial der Ankerschicht lichtbogengespritzt. Der Nickelaluminiddraht wies einen Durchmesser von 1,58 Millimeter (mm) (176 Inch) auf. Die geschmolzene Nickelaluminidlegierung wurde mit 4,99 kg (11 Ibs/hr) mit einem Gasdruck von 482,6 × 103 Pa (70 psi) spritzt, um eine Ankerschicht auf dem Substrat bei einem Distanz von 15,24 cm (6 Inch) abzuscheiden. Das Spritzverfahren auf dem 15,54 cpscm (100 cpsi) Monolith lagerte erfolgreich eine Ankerschicht in den inneren Gasdurchflusswegen des Monolith ab.

Claims (27)

  1. Ein Katalysatorelement umfassend: ein Trägersubstrat mit einer Anker- bzw. Verankerungsschicht, welche darauf durch elektrisches Lichtbogenspritzen abgeschieden ist, und wobei katalytisches Material auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, wobei das Substrat aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus: wabenartigen Monolithen, zusammengeknüllten Fasern und geschäumten Metall, und wobei die Ankerschicht gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, rostfreie Stähle der 300er Reihe, rostfreie Stähle der 400er Reihe und Mischungen von zwei oder mehreren diese.
  2. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei die Ankerschicht Nickel und Aluminium umfasst.
  3. Katalysatorelement nach Anspruch 2, wobei das Aluminium von 3 bis 10 % des kombinierten Gewichts von Nickel und Aluminium in der Ankerschicht umfasst.
  4. Katalysatorelement nach Anspruch 2, wobei das Aluminium von 4 bis 6 % Aluminium des kombinierten Gewichts von Nickel und Aluminium in der Ankerschicht umfasst.
  5. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei das katalytische Material auf der Ankerschicht abgeschieden ist und einen feuerfesten Metalloxidträger umfasst, auf welchem ein oder mehrere katalytische Metallbestandteile dispergiert sind.
  6. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei: das Trägersubstrat wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Substratdichten umfasst, welche für den Fluidfluss von einem Bereich zu dem anderen angeordnet sind; und ein katalytisches Material, welches auf den wenigstens zwei Substratbereichen mit unterschiedlichen Oberflächendichten abgeschieden ist.
  7. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Substratbereiche, welche unterschiedlichen Substratdichten aufweisen, darauf unterschiedliche wirksame Beladungen des katalytischen Materials aufweisen.
  8. Katalysatorelement nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die wenigsten zwei Substratbereiche Bereiche aus geschäumten Metall umfassen.
  9. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement ein geschäumtes Metallsubstrat ist.
  10. Katalysatorelement nach Anspruch 9, wobei das geschäumte Metallsubstrat ein freies Volumen von 80 bis 98 % aufweist.
  11. Katalysatorelement nach Anspruch 1, wobei das Substrat gewählt wird aus starren oder verformbaren geschäumten Metall.
  12. Katalysatorelement nach Anspruch 1, welches umgeformt ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorelementes umfassend: Abscheiden eines Metallausgangsmaterials auf ein Trägersubstrat durch elektrisches Lichtbogensprühen, um eine Metallankerschicht auf dem Substrat bereitzustellen und Abscheiden eines katalytischen Materials auf die Ankerschicht, wobei das Trägersubstrat gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: wabenartigen Monolithen, zusammengeknüllten Fasern und geschäumten Metallstrukturen, und wobei die Ankerschicht gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, rostfreie Stähle der 300er Reihe, rostfreie Stähle der 400er Reihe und Mischungen von zweien oder mehreren dieser.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ankerschicht Nickel und Aluminium umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aluminium von 3 bis 10 % des kombinierten Gewichts von Nickel und Aluminium in der Ankerschicht umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aluminium von 4 bis 6 % des kombinierten Gewichts von Nickel und Aluminium in der Ankerschicht umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, umfassend das Abscheiden des katalytischen Materials durch andere Mittel als elektrisches Lichtbogensprühen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Abscheiden des katalytischen Materials das Beschichten der Metallankerschicht mit einem katalytischen Material umfasst, umfassend einen feuerfesten Metalloxidträger auf welchem ein oder mehrere katalytische Bestandteile dispergiert sind.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, umfassend das elektrische Lichtbogensprühen eines geschmolzenen Metallausgangsmaterials bei einer Temperatur, welche es ermöglicht das geschmolzene Metall mit einer unregelmäßigen Oberfläche zu erstarren, wenn es auf die Substratoberfläche auftrifft.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, umfassend das Sprühen des geschmolzenen Metalls mit einer Lichtbogentemperatur von nicht mehr als 5.538 °C (10.000 °F).
  21. Verfahren nach Anspruch 13 des Weiteren umfassend: Abscheiden des katalytischen Materials auf dem wenigstens einem mit einer Ankerschicht beschichteten Substrat, welches ein feuerfestes Schüttgut-Metalloxid umfasst, auf welchem ein oder mehrere katalytisch aktive Bestandteile dispergiert sind, um das wenigstens eine katalysierte Substrat bereitzustellen; und Einbauen des wenigstens einen katalysierten Substrats in einen Körper, welcher aufgebaut ist, um eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung zu definieren und auf diese Weise aufbauen und anordnen des wenigstens einen katalysierten Substrats zwischen der Einlass- und Auslassöffnung um dazwischen eine Vielzahl von Fluiddurchflusswegen zu definieren.
  22. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat einen ferritischen Stahlschaum umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat eine geschäumte Metallstruktur ist und das geschäumte Metall ein freies Volumen von 80 bis 98 % aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat starres oder verformbares geschäumtes Metall ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend das Umformen des Katalysatorelementes.
  26. Verfahren zur Behandlung des Abgasstromes aus einem Motor, umfassend das Fließen des Abgasstromes in Kontakt mit dem Katalysatorelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 6.
  27. Kraftfahrzeug umfassend einen Motor und eine Abgasbehandlungsvorrichtung, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung ein Katalysatorelement gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 6 umfasst.
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