WO1993021429A1 - Keramischer wabenkörper - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a ceramic honeycomb body, in particular for cleaning exhaust gases, with a multiplicity of essentially parallel channels which are delimited by webs.
- honeycomb bodies made of mostly ceramic materials are used as supports for catalysts or as soot filters. These are exposed to high thermal loads during operation.
- the temperature gradients that occur in the cyclic changes in the exhaust gas temperature or during burning processes in the honeycomb body lead to secondary tensile and compressive stresses, which in the long term lead to crack formation and crack growth and thus to tearing through the honeycomb body.
- EP-A 332 609 describes a diesel exhaust filter with such a honeycomb body.
- a catalyst carrier body for bracing force is also known, which has expansion slots.
- the known catalyst carrier body consists of smooth ⁇ ind / or corrugated metal strips, which are wound in a spiral and are technically fastened in a mamel tube structure.
- the expansion hindrance during heating and cooling plays an essential role in the service life. This problem does not occur with ceramic honeycombs. Cracking is an essential criterion here.
- the object of the invention is to avoid the disadvantages described above and to create a honeycomb body which is simple to manufacture and in which the occurrence of internal stresses can be largely avoided.
- the internal tensions that nevertheless occur should be able to be distributed and reduced by the honeycomb body without damage.
- honeycomb structure can have any basic structure within the scope of the invention.
- the honeycombs can therefore be square, rectangular, hexagonal or have any other shape that is suitable for building a honeycomb structure.
- honeycombs are preferably rectangular and the webs are interrupted after a predetermined maximum number of honeycombs.
- honeycombs there are two groups of webs which are at right angles to one another are ordered and run in a known honeycomb body in the form of planes through the entire honeycomb body.
- the webs viewed in cross section, run continuously only for a certain number of honeycombs and are delimited on both sides by interruptions.
- the webs are interrupted after at least twelve, preferably after at least six, honeycombs. This allows internal tensions to be reduced and balanced particularly well.
- interruptions of webs are provided which form a crack extending over several channels of the honeycomb body.
- Such an intended crack is provided at those locations on the honeycomb body at which high stresses and severe deformations, which can lead to the destruction of the honeycomb body, are to be expected.
- the cracks can extend essentially radially outward from the inner opening.
- the rectangular channels are arranged offset in the form of a brick wall structure, the webs delimiting the longer side being partially interrupted.
- the webs are interrupted at certain intervals in both directions.
- the invention further relates to a method for producing a honeycomb body described above.
- this method it is provided that the ceramic mass is pressed through an extrusion tool which has a slit grid, the slits of which are partially closed between two crossing points. The interruptions in the webs are created through the closed slots.
- the invention further relates to an extrusion tool for carrying out the method described above, in which a slit grid is provided for shaping the honeycomb structure. the slots of which are partially closed between two crossing points.
- FIGS. 1 to 8 Examples according to the invention are shown in FIGS. 1 to 8. Without exception, these are cross sections or sections of cross sections of extruded honeycomb bodies. the cross-sectional plane being normal to the extrusion direction and thus normal to the cell axis (honeycomb axis).
- Fig. 1 shows a square honeycomb grid la with channels 2, in which statistically distributed longitudinal and transverse webs 3 are interrupted. For better perception, the omitted street 13 are indicated by points 4.
- 2 shows a square honeycomb grid 1b with systematically interrupted connecting webs 3, each 19th web 3 between two crossing points being omitted in both directions. Cells 12 with missing webs 13 touch each other along a common web 23.
- Fig. 3 shows a square honeycomb grid lc. in which those cells 12 are highlighted which, by omitting a connecting web 13, reach twice the size. These cells 12 do not touch each other. If such honeycomb bodies 1c are used as soot filters with honeycombs 3 alternately closed on the outside and the outside and gas-permeable intermediate walls 2, then of course both cells 13 which are open to one another must always be closed together on one side, as is indicated by the dark coloring in FIG. 3.
- Fig. 4 shows a square honeycomb grid Id. In which each 21st connecting web 13 is omitted in both directions. The corresponding connection cells 12 do not touch each other.
- Fig. 5 shows the cross section through a honeycomb body le with a flat goat wall structure. Only the continuous webs 33 are interrupted here. Every 26th connecting web 33 between two nodes 5 is interrupted. On the highlighted connection cells 12 you can see their large distance from each other.
- FIG. 6a and 6b show the cross section through a honeycomb body 1f with a circular brick wall structure in the form of a circular cylinder. Two different densities of the interruption points 12 are shown, each 26th in FIG. 6a and every 32nd connection in FIG. 6b between two nodes 5 of the circumferential webs 43 being missing.
- FIG. 7 shows an arrangement lg of rectangular honeycomb channels 2 with an aspect ratio of 1: 2, which leads to a very dense systematic distribution of the interruption points 12, which in FIG. 7 for the horizontal bars with a point, for the vertical bars with an X. Marked are.
- the interruptions of the webs 3 result from the pattern itself, the points of intersection of the webs becoming nodes at the interruption points.
- the stresses induced in the webs between two interruptions can be reduced according to the invention except for shear and slight bends in the webs that continue to run if a node, viewed from the direction of the broken web, has no webs running over at least 90 degrees in both directions. With a decreasing angle, the freely degradable part of the stress is reduced very quickly.
- FIG. 8 shows a further embodiment according to the invention of measures to reduce tension in a honeycomb body 1h.
- the honeycomb structure is built up and held by the cooler outer zones.
- the schematically turned on in Fig. 8 drawn, star-shaped zones 8 are intended to represent a total interruption of all connection structures in this area. As a result of the defined interruption, there is no build-up of tension in the lattice, and it is also impossible for cracks to form, let alone cracks to grow further, and thus for the honeycomb body to break apart.
- the tensile and compressive stresses occurring in the extrusion direction of the honeycomb body also remain locally limited because of the interruptions in the webs that have passed through and therefore are below those necessary for crack formation.
- the mechanical strength When choosing the density, mutual spacing and distribution of the interruption controls, the mechanical strength must be weighed against the thermal cycling strength or the thermal shock resistance. Especially in the automotive field, the limiting property is the thermal cycling strength. so that a higher density of breakpoints will generally be desirable. In this case, a minimum distance between the points of interruption must be observed, so that local weaknesses do not arise.
- honeycombs with larger dimensions can be arranged in a type of super structure according to the invention, which limits the slot lengths in the extrusion tool or the web lengths in cross section of the honeycomb body.
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Abstract
Keramischer Wabenkörper, insbesondere zur Reinigung von Abgasen, mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Kanälen (2, 12, 22), die von Stegen (3, 13, 23, 33, 43) begrenzt sind. Eine erhöhte Widerstandsfähigkeit wird dadurch erreicht, daß die an sich regelmäßige Wabenstruktur durch Unterbrechungen (12) in den Stegen (3, 13, 23, 33, 43) gestört ist.
Description
Keramischer Wabenkörper
Die Erfindung betrifft einen keramischen Wabenkörper, insbesondere zur Reinigung von Abgasen, mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Kanälen, die von Stegen begrenzt sind.
In der automoriven Industrie werden die als Träger für Katalysatoren oder als Rußfilter Wabenkörper aus zumeist keramischen Materialien eingesetzt. Diese sind im Betrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die bei den zyklischen Änderungen der Abgastemperamr oder bei Abbrennvorgängen im Wabenkörper auftretenden Temperaturgradienten führen zu sekundären Zug- und Druckspannungen, die längerfristig zu Rißbildungen und Rißwachstum und damit zum Durchreißen der Wabenkörper führen.
Diese Situation wird durch die Tatsache verschärft, daß bereits beim Trocknen der Rohlinge (Grünlinge) durch zu schnelles und/oder ungleichmäßiges Trocknen bei bestmπnien. wegen anderer Eigenschaften gewünschte Massen Trocknungsrisse auftreten, die bereits Keime eines späteren Rißwachstums darsteilen.
In der EP-A 332 609 ist ein Dieselabgasfilter mit einem solchen Wabenkörper beschrieben. Aus der EP-A 121 174 ist weiters ein Katalysator-Trägerkörper für Verbreππungskraffmaschmen bekannt, der Dehnungsschlitze aufweist. Der bekannte Katalysator Trägerkörper besteht aus glatten τind/oder gewellten Blechbändern, welche spiralförmig aufgewickelt und in einem Mamelrohrgefuge technisch befestigt sind. Bei solchen, aus Blechbändern aufgebauten Katalysatoren spielt die Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung eine wesentliche Rolle für die Lebensdauer. Dieses Problem tritt bei keramischen Wabenkörpern nicht auf. Hier ist die Rißbildung ein wesentliches Kriterium.
Aufgabe der Erfindung ist es die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen Wabenkörper zu schaffen, der einfach herstellbar ist und bei dem das Auftreten von inneren Spannungen weitgehend vermieden werden kann. Die dennoch auftretenden inneren Spannungen sollen ohne Schädigung vom Wabenkörper verteilt und abgebaut werden können.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die an sich regelmäßige Wabenstruktur durch Unterbrechungen in den Stegen gestört ist.
Es ist dabei möglich, daß einzelne Stege, die jeweils zwei Waben voneinander trennen, entweder gänzlich weggelassen sind oder durch einen mehr oder weniger breiten Spalt unterbrochen sind. Die Wabenstruktur kann im Rahmen der Erfindung jede beliebige Grundstruktur aufweisen. Die Waben können also quadratisch, rechteckig, sechseckig sein oder jede andere Form, die zum Aufbau einer Wabenstruktur geeignet ist, aufweisen.
Vorzugsweise sind die Waben rechteckig ausgebildet und die Stege sind nach einer vorbestimmten maximalen Anzahl von Waben unterbrochen. Bei rechteckigen oder quadratischen Waben gibt es zwei Gruppen von Stegen, die rechtwinkelig aufeinander an
geordnet sind und bei einem bekannten Wabenkörper in Form von Ebenen durch den gesamten Wabenkörper verlaufen. Bei der bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist hingegen vorgesehen, daß die Stege im Querschnitt gesehen jeweils nur für eine bestimmte Anzahl von Waben durchgehend verlaufen und an beiden Seiten von Unterbrechungen begrenzt sind.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Stege nach mindestens zwölf, vorzugsweise nach mindestens sechs Waben unterbrochen sind. Dadurch können innere Spannungen besonders gut abgebaut und ausgeglichen werden.
An sich ist es möglich die Unterbrechungen in einem gewissen regelmäßigen Muster über den Wabenkörper zu verteilen. Es hat sich jedoch durchaus als günstig und möglich herausgestellt, daß die Unterbrechungen der Stege des Wabenkörpers statistisch verteilt sind.
In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung sind Unterbrechungen von Stegen vorgesehen, die einen sich über mehrerer Kanäle des Wabenkörpers erstrecken Riß bilden. Ein solcher beabsichtigter Riß wird an denjenigen Stellen des Wabenkörpers vorgesehen an denen hohe Spannungen und starke Verformungen, die zur Zerstörung des Wabenkörpers führen können, zu erwarten sind. Insbesondere können sich die Risse von der inneren Öffnung ausgehend im wesentlichen radial nach außen erstrecken.
Weiters ist es möglich, daß die rechteckigen Kanäle in Form einer Ziegelmauerstrukmr versetzt angeordnet sind, wobei die die .längere Seite begrenzenden Stege teilweise unterbrochen sind. Durch diese Maßnahme werden die Stege in beiden Richtungen in gewissen Abständen unterbrochen.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Hersteilung eines oben beschriebenen Wabenkörpers. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, daß die keramische Masse durch ein Extrudierwerkzeug gepreßt wird, das ein Schlitzgitter aufweist, dessen Schlitze teilweise zwischen jeweils zwei Kreuzungspunkten verschlossen sind. Durch die verschlossenen Schlitze werden die Unterbrechungen in den Stegen hergestellt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Extrusionswerkzeug zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, bei dem ein Schlitzgitter zur Formung der Wabenstruktur vorgesehen ist. dessen Schlitze teilweise zwischen zwei Kreuzungspunkten verschlossen sind.
In den Figuren 1 bis 8 werden erfindungsgemäß Beispiele dargestellt. Es handelt sich ausnahmslos um Querschnitte oder Ausschnitte von Querschnitten extrudierter Wabenkörper. wobei die Querschnittebene normal zu der Extrusionsrichtung und damit normal zu der Zelleπachse (Wabenachse) liegt.
Fig. 1 zeigt ein quadratisches Wabengitter la mit Kanälen 2, in dem statistisch verteilt längs- und querlaufende Stege 3 unterbrochen sind. Zur besseren Wahrnehmunα sind die ausgelassenen Steεe 13 durch Punkte 4 indiziert.
Fig. 2 zeigt ein quadratisches Wabengitter lb mit systematisch unterbrochenen Verbindungsstegen 3 wobei in beiden Richtungen jeweils jeder 19. Steg 3 zwischen zwei Kreuzungspunkten ausgelassen ist. Zellen 12 mit fehlenden Stegen 13 berühren einander entlang eines gemeinsamen Steges 23.
Fig. 3 zeigt ein quadratisches Wabengitter lc. in dem jene Zellen 12 hervorgehoben sind, die durch das Weglassen eines Verbindungssteges 13 doppelte Größe erreichen. Diese Zellen 12 berühren einander nicht. Werden solche Wabenkörper lc als Rußfilter mit abwechselnd ein- und ausiaufseitig verschlossenen Waben 3 und gasdurchlässigen Zwischenwänden 2 verwendet, so sind natürlich immer beide gegeneinander offenen Zellen 13 gemeinsam auf einer Seite zu verschließen, wie die durch die dunkle Einfärbung in Fig. 3 angedeutet ist.
Fig. 4 zeigt ein quadratisches Wabengitter Id. in dem jeder 21. Verbindungssteg 13 in jeweils beiden Richtungen ausgelassen ist. Die entsprechenden Verbindungszellen 12 berühren einander nicht.
Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch einen Wabenkörper le mit ebener Ziegeimauerstruktur. Hier sind nur die durchlaufenden Stege 33 unterbrochen. Jeder 26. Verbindungssteg 33 zwischen zwei Knotenpunkten 5 ist unterbrochen. An den herausgehobenen Verbindungszellen 12 sieht man ihren großen Abstand zueinander.
Fig. 6a und Fig. 6b zeigen den Querschnitt durch einen Wabenkörper lf mit kreisförmiger Ziegelmauerstruktur in Form eines Kreisringzylinders. Es sind zwei unterschiedliche Dichten der Unterbrechungsstellen 12 eingezeichnet, wobei in Fig. 6a jede 26. und in Fig. 6b jede 32. Verbindungsstelle zwischen je zwei Knotenpunkten 5 der umlaufenden Stege 43 fehlt.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung lg rechteckiger Wabenkanäle 2 mit einem Seitenveihältnis von 1:2, die zu einer sehr dichten systematischen Verteilung der Unterbrechungsstellen 12 führt, die in Fig. 7 für die waagrechten Stege mit einem Punkt, für die lotrechten Stege mit einem X gekennzeichnet sind. Bei dieser Anordnung ergeben sich die Unterbrechungen der Stege 3 durch das Muster selbst, wobei an den Unterbrechungsstellen die Kreuzungspunkte der Stege zu Knotenpunkten werden.
Die in den Stegen zwischen zwei Unterbrechungen induzierten Spannungen können sich erfindungsgemäß dann bis auf Scherungen und geringfügige Biegungen der weiterlaufenden Stege frei abbauen, wenn ein Knotenpunkt aus der Richtung des unterbrochenen Steges aus gesehen nach beiden Seiten über mindestens 90 Winkelgrade keine weiterlaufenden Stege besitzt. Mit abnehmendem Winkel reduziert sich der frei abbaubare Teil der Spannungen sehr schnell.
Fig. 8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform von spaπnungsabbauenden Maßnahmen in einem Wabenkörper 1h. Hier wird die Wabenstruktur von den äußeren kühleren Randzonen aufgebaut und gehalten. Die in der Fig. 8 schematisch einge
zeichneten, sternförmig nach außen laufenden Zonen 8 sollen eine totale Unterbrechung aller Verbindungsstrukturen in diesem Bereich darsteilen. Durch die definiert angeordnete Unterbrechung tritt kein Spannungsaufbau im Gitter auf und es kann auch nicht zu einer Rißbildung geschweige denn zu einem Weiterwachsen von Rissen und damit zu einem Auseinanderbrechen des Wabenkörpers kommen.
Die in der Extrusionsrichtung des Wabenkörpers auftretenden Zug- und Druckspannungen bleiben wegen der durchlaufenen Unterbrechungen der Stege ebenfalls lokal begrenzt und daher unter den für die Rißbildung notwendigen weπen.
Bei der Wahl von Dichte, gegenseitigem Abstand und Verteilung der Unterbrechungssteüen ist die mechanische Festigkeit gegen die thermische Zyklierfestigkeit bzw. die Temperamrschockfestigkeit abzuwägen. Gerade im auiomotiven Bereich ist die begrenzende Eigenschaft die Thermozyklierfestigkeit. sodaß im allgemeinen eine höhere Dichte von Unterbrechungsstellen erwünscht sein wird. In diesem Fall ist auf einen Mindestabstand der Unterbrechungsstellen zu achten, damit nicht lokale Stnikuirschwächen entstehen.
Wünscht man einen Wabenkörper mit sehr kleinen quadratischen Waben, um eine möglichst große Oberfläche zu erzielen, so können erfindungsgemäß Waben mit größerer Abmessung vorzugsweise mit doppelter Seitenlänge in einer Art SuperStruktur angeordnet werden, die zu einer Begrenzung der Schlitzlängen im Extrudierwerkzeug bzw. der Steglängen im Querschnitt des Wabenkörpers führt.
Ungleiche Gasdurchsätze in den unterschiedlich großen Kanälen lassen sich erfindungsgemäß dadurch vermeiden. daß Kanalquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit in den großen Kanälen zu einer turbulenten, in den kleinen Kanälen aber zu einer laminaren Strömung führen. Durch den deutlich höheren Widerstand der turbulenten Strömung wird der Durchsarz in den großen Kanälen bei erfindungsgemäßer Auslegung stark reduziert und kann sogar unter jedem in den kleinen Kanälen zu liegen kommen.
Claims
1. Keramischer Wabenkörper. insbesondere zur Reinigung von Abgasen, mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Kanälen (2. 12. 22), die im wesentlichen regelmäßig angeordnet sind und die von Stegen (3. 13. 23. 33. 43) begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an sich regelmäßige Wabenstruktur durch Unterbrechungen (12) in den Stegen (3, 13, 23, 33, 43) gestört ist.
2. Wabenkörper nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Waben im wesenüichen rechteckig ausgebüdet sind und daß die Stege (3. 13, 23. 33. 43) nach einer vorbestimmten, maximalen Anzahl von Waben (2, 12. 22) unterbrochen sind.
3. Wabenkörper nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (3, 13, 23, 33, 43) nach mindestens zwölf, vorzugsweise nach mindestens sechs Waben (2, 12. 22) unterbrochen sind.
4. Wabenkörper nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen in den Stegen (3, 13, 23, 33, 43) des Wabenkörpers "statistisch verteilt sind.
5. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Unterbrechungen von Stegen (3, 13, 23, 33, 43) vorgesehen sind, die einen sich über mehrere Kanäle (2, 12, 22) des Wabenkörpers erstreckenden Riß (8) bilden.
6. Als Hohlzylinder ausgebildeter -Wabenkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Risse (8) von der inneren Öffnung ausgehend im wesentlichen radial nach außen erstrecken.
7. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Kanäle (2, 12, 22) in Form einer Ziegelmauerstruktur versetzt angeordnet sind, wobei die die längere Seite begrenzenden Stege (43) teilweise unterbrochen sind.
8. Verfahren zur Hersteilung eines Wabenkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7. wobei die keramische Masse durch ein Extrudierwerkzeug gepreßt wird, das ein Schlitzgitter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze teilweise zwischen jeweils zwei Kreuzungspunkten verschlossen sind.
9. Extrusionswerkzeug zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzgitter zur Formung der Wabenstruktur vorgesehen ist, dessen Schlitze teilweise zwischen zwei Kreuzungspunkten verschlossen sind.
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