WO2009003792A2 - Scr-katalysatoranordnung - Google Patents

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WO2009003792A2
WO2009003792A2 PCT/EP2008/057125 EP2008057125W WO2009003792A2 WO 2009003792 A2 WO2009003792 A2 WO 2009003792A2 EP 2008057125 W EP2008057125 W EP 2008057125W WO 2009003792 A2 WO2009003792 A2 WO 2009003792A2
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washcoat
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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Definitions

  • the present invention relates to a catalyst arrangement with at least one honeycomb body, which is designed for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR, selective catalytic reduction) from exhaust gases of mobile internal combustion engines.
  • SCR nitrogen oxides
  • Such a catalyst arrangement is used in particular in exhaust systems of mobile internal combustion engines, for example in automobiles.
  • a catalyst arrangement having at least one honeycomb body with a ceramic carrier element and a selectively catalytic coating and a housing section enclosing the honeycomb body, the housing section comprising a ferritic steel material.
  • a ferritic steel is understood to mean a steel which consists for the most part of ferrite. Such steels often have a carbon content which is very low and in particular less than 1.0% by weight.
  • Ferritic steels may be iron based with components such as chromium, nickel, silicon, aluminum, magnesium. Ferrite is the structure of the iron alloy, which in the case of iron corresponds to a cubic body-centered crystal form. It is a so-called alpha-iron, which is also called alpha ferrite.
  • the preferred use of a ferritic steel material as a housing or housing section makes the catalyst particularly resistant to external influences, such as occur during driving.
  • the catalyst arrangement in the context of the present invention consists inter alia of a honeycomb body and a ferritic housing.
  • the honeycomb body carries the substances required for the intended catalytic reaction and is enclosed by a housing.
  • the housing may represent once the housing enclosing the honeycomb body including the adjoining nozzle or pipe sections.
  • the housing in turn can also be divided into a plurality of housing sections, which together form the housing. In particular, it is possible to divide the housing into an upper part and a lower part, which together completely enclose the honeycomb body.
  • housings or even individual housing sections can thus be formed so that they comprise a ferritic steel material.
  • the aforementioned influences can be, for example, thermal hollastungen or corrosion stresses.
  • the housing becomes particularly resistant if the steel material used is a ferritic, stainless steel which has a low coefficient of thermal expansion.
  • the thermal expansion coefficient of the steel material used is as close as possible to the thermal expansion coefficient of the honeycomb body enclosed by it.
  • Stainless steel may also be used as steel in the context of the invention. Steel is referred to as stainless steel if it is an alloyed or unalloyed steel with a particularly high degree of purity.
  • the relative movement can, for example, between the honeycomb body and the casing section when the thermal expansion coefficient of the ferritic steel material in the range between 10 "10" 6 K “1 and 12" 10 "6 K” 1 [l / K] is located.
  • the coefficient of thermal expansion is in a range of 8'10 "64 K -1 to 14'10 " K -1 , the most preferred, however projecting area.
  • Large temperature differences usually lead to a rapid expansion of the housing or the housing sections.
  • it may come to a shake loose the honeycomb body, which are held by means of mats within the housing.
  • Loose honeycomb bodies are subject to increased mechanical stress due to vibrations and are thus lost over time.
  • Particularly significant advantages of the invention therefore in connection with ceramic honeycomb bodies with very low thermal expansion coefficient.
  • a steel material has proved to be particularly advantageous which, in addition to iron (Fe), also contains, as further components, a chromium content (Cr) of 18.5% by weight. to 19.5 wt .-%, a molybdenum content (Md) of at most 0.1 wt .-% and a nickel content (Ni) of at most 1 wt .-%.
  • Cr chromium content
  • Mo molybdenum content
  • Ni nickel content
  • the compositions herein for a catalytic converter housing are an independent part of the invention with respect to any (eg, metallic) honeycomb body, which may optionally be independently followed up.
  • a catalyst assembly is also proposed, wherein the selectively catalytic coating at least partially covers the support member and is applied in an amount corresponding to a ratio of at least 200 g / l [grams per liter] of a honeycomb body volume.
  • the coating amount given here is an independent part of the invention with respect to any honeycomb body, which may optionally be followed up independently of the housing material.
  • the honeycomb body may be made of a metallic material (eg at least partially structured sheet metal layers) instead of a ceramic material.
  • reference will be made essentially to the ceramic honeycomb body, which, however, may apply correspondingly to metallic honeycomb bodies.
  • the honeycomb body regularly has a plurality of channels through which the exhaust gas to be cleaned or treated can flow.
  • honeycomb walls enclosing channels, which may have, for example, rectangular, square, round or similar cross-sections.
  • honeycomb bodies are produced as ceramic honeycomb bodies in an extrusion process, so that almost any desired cross-sectional shapes are possible for the honeycomb body channels to be produced.
  • a catalytically active coating is applied in addition, so that the honeycomb body consists of honeycomb walls, catalytic coating and the enclosed honeycomb body channels.
  • the catalytic coating which incidentally is also called a washcoat, is applied to the relatively porous ceramic surfaces of the honeycomb body walls.
  • the component formed by all honeycomb body walls is referred to below as a carrier element, since it gives the honeycomb body the necessary mechanical rigidity and serves as a carrier.
  • the already porous surface or wall is additionally structured by the applied washcoat.
  • the so rugged surface ensures on the one hand a sufficiently large space for the fixation of catalysts, eg. As vanadium pentoxide, tungsten trioxide, titanium dioxide or iron-zeolite coatings and mixtures thereof.
  • the fissured surface can also improve the turbulence of the exhaust gas flowing through, whereby a particularly intensive contact with the catalyst materials in the catalytic coating is created.
  • the washcoat can consist, for example, of mixtures of an alumina of the transition series and of at least one promoter oxide, such as, for example, at least one rare earth oxide, zirconium oxide, nickel oxide, iron oxide and / or barium oxide.
  • the materials used for the washcoat have a thermal expansion coefficient which is as equal as possible to the thermal expansion coefficient of the material used for the carrier element.
  • the amount of washcoat is at least 200 g / l of honeycomb volume. Under the honeycomb body volume is understood to mean the entire volume of the space enclosed by the honeycomb body.
  • the honeycomb body volume comprises the volume of the carrier element, the washcoat, as well as the channels enclosed by it.
  • the minimum amount of washcoat is 220 or even 250 g / l, more preferably not exceeding 300 g / l. In this area, particularly efficient cleaning effects have been demonstrated. In addition, a particularly large surface-specific surface is created by the highly fissured washcoat at these levels, which allows excellent cleaning of the exhaust gas flowing through.
  • the quantities are particularly advantageous in this case to regard the quantities as average quantities, which makes it possible, for example, for the same average values, to arrange larger washcoat amounts and thus larger amounts of catalytically active coating in some areas of the honeycomb body, whereas in other areas these quantities can be kept lower.
  • the averaging can also take account of the heavily rugged surface of the washcoat coating by using a mean layer height (H Wm ) in the measurement of the layer height. This average layer height can serve as a reference for the amount of washcoat applied.
  • the catalytic coating has a height of at least 10 ⁇ m [micrometers].
  • the height or layer height means the height of the coating measured in the normal direction to the coated surface. In particular, heights of 30 .mu.m to 80 .mu.m have been found to be particularly advantageous since they cause an additional enlargement of the surface.
  • a mean layer height Hw m further values for the layer height can also be obtained. to describe them in more detail. These values are, on the one hand, the maximum layer height Hwmax and the minimum layer height of the washcoat Hwmin.
  • the catalytic coating has a plurality of zones of different washcoat amount and / or doping. Under dopings here are the distributions of catalyst materials to understand. Depending on the use of the honeycomb body, these zones can be arranged, for example, more intensively in the inlet and / or outlet area and / or also in the middle of the channels. For example, it is possible to arrange particularly high washcoat amounts in a particularly effective region, such as, for example, an axial subsegment of the honeycomb body. This is advantageous if the axial subsegment has particularly good conditions for a catalytic reaction.
  • this is formed with a channel density of at least 600 cpsi.
  • Unit cpsi stands for "cells per square inch.”
  • a value of 600 cpsi speaks in about 93 cells per square centimeter.
  • the conversion factor from cpsi to cells per square centimeter is 6.4516.
  • With a channel density of 600 cpsi or more particularly large surfaces can be created in the honeycomb body and thus the honeycomb body itself can be kept very compact overall.
  • the honeycomb body volume corresponds to 0.2 to 1.2 times a combustion chamber volume of an internal combustion engine.
  • the combustion chamber volume is, for example, the displacement of a gasoline engine or a diesel engine.
  • the honeycomb body according to the invention can thus be designed to be particularly compact and at the same time cause excellent exhaust gas treatment or reduction of exhaust gas components.
  • Such a compactly constructed honeycomb body is easy to integrate in a vehicle and also has a relatively low mass.
  • the honeycomb body has at least one carrier element with porous ceramic walls.
  • the porous ceramic walls provide a very large inner surface for the washcoat.
  • the porous ceramic material can be used to create a carrier element with an additionally enlarged surface.
  • a ceramic material z As silicon carbide (SiC), ⁇ -alumina, ⁇ -alumina or the like can be used.
  • the carrier element is at least partially made of an organic oxide.
  • the previously mentioned alumina or silicon carbide into consideration.
  • the present invention can be used particularly advantageously in motor vehicles having an exhaust gas treatment device, such as passenger cars or trucks.
  • an exhaust gas treatment device such as passenger cars or trucks.
  • FIG. 1 shows an oblique view of a catalyst arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of a flow channel of a honeycomb body in an enlarged representation
  • FIG. 4 shows a sectional view of a ceramic carrier element with washcoat coating.
  • a catalyst assembly 1 is shown in an oblique view.
  • the catalyst arrangement 1 comprises two housing sections 2, a honeycomb body 3 and a mat 4.
  • the mat 4 is wound around the honeycomb body 3 and then the two housing sections 2 are slipped over it.
  • the mat 4 serves to protect the ceramic honeycomb body 3 so that it sits firmly within the housing sections 2.
  • the mat 4 serves to prevent looseness, with particularly large thermal expansion. calculations. Since the thermal expansion behavior of housing section 2 and honeycomb body 3 are usually different.
  • the mat 4 which is made of a compressible and high temperature resistant material, ensures that the honeycomb body 3 sits even at high temperatures without play within the housing section 2. Both housing sections 2 together form a housing 6.
  • the honeycomb body 3 is also divided in the direction of its axis 19 in a first zone 16 and a second zone 17, which differ only in the coating.
  • a channel 5 of the ceramic honeycomb body 3 is shown in a greatly enlarged view.
  • the honeycomb body walls 7 together form a carrier element 8.
  • the catalytic coating 9 is applied, which is formed as a washcoat 10.
  • the washcoat 10 comprises the provisionally illustrated catalyst materials 11, which cause the conversion or aftertreatment of the exhaust gas.
  • the illustrated cross-sectional shape of the channel 5 is rectangular. The applied washcoat 10 essentially retains this basic shape.
  • FIG. 3 a part of a honeycomb wall 7 is shown in a greatly enlarged sectional view.
  • Well recognizable here is the ceramic material 12, from which the honeycomb body wall 7 is made.
  • the ceramic material 12 is porous and crossed by a variety of inclusions and channels.
  • Washcoat 10 is attached here.
  • z. B. at a first location 13 and a second location 14 is that the already present in the honeycomb wall 7 fractures find in attached washcoat 10 with the predetermined height 15 again and are partially reinforced. In this way, the available surface of the honeycomb body 3 can be significantly increased.
  • FIG. 4 shows a ceramic carrier element 8 in a greatly enlarged representation, on which a washcoat 10 is applied. This washcoat is again doped with catalyst substances 11.
  • the washcoat 10 has a relatively strongly fissured surface. That is, the height difference between the lowest point of the coating indicated by the value H Wmm and the peak point of the coating indicated by the value Hwmax is relatively large. However, this has the advantage that the effective O- ber Structure of the honeycomb body is thereby greatly increased. In addition, this fissured outer surface also promotes turbulence in the exhaust gas, so that more exhaust gas can come into contact with the catalytically active coating 9. To assess the technical properties, it is also helpful if an average layer height of the washcoat is specified as the parameter. This value is given in FIG. 4 as Hw m and represents the average height of the washcoat.
  • these values can serve as indications of how heavily rugged the washcoat surface is and thus how effective the surface as a whole is is.
  • the surface increases sharply, so that an improved catalyst effect due to the increased surface area, in particular at layer heights of 10 microns and 30 microns can be observed.
  • the effective surface can be significantly increased depending on the application but also in layer thicknesses of 50 microns to 80 microns in their effectiveness.

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Abstract

Katalysator-Anordnung (1) mit wenigstens einem Wabenkörper (3) mit einem keramischen Trägerelement (8) und einer selektiv-katalytischen Beschichtung (9) sowie einen den Wabenkörper (3)umschließenden Gehäuseabschnitt (2), wobei der Gehäuseabschnitt (2) einen ferritischen Stahlwerkstoff umfasst. Außerdem werden ein besonderer Gehäusewerkstoff und eine große Washcoatmenge für eine SCR-Anwendung vorgeschlagen.

Description

S CR-Kataly satoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung mit wenigstens einem Wabenkörper, die zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR, selective catalytic reduction) aus Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen ausgebildet ist. Eine solche Katalysatoranordnung kommt insbesondere in Abgassystemen mobiler Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise in Automo- bilen, zum Einsatz.
Weltweit sind in vielen Staaten gesetzliche Regelungen getroffen worden, die einen oberen Grenzwert für den Gehalt von bestimmten unerwünschten Substanzen im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren oder Magermotoren, festlegen. Hierbei handelt es sich zumeist um Substanzen, wie etwa Stickoxide (NOx), deren Abgabe in die Umwelt unerwünscht ist. Zur Reduzierung der Substanzen im Abgas kommen Katalysatoren zum Einsatz, die besonderen Anforderungen ausgesetzt sind. Sie sind beispielsweise sehr großen thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt, wobei große Temperaturschwan- kungen ausgehend von 0°-20° C Umgebungstemperatur im Ruhezustand bis hin zu 800° C und mehr unter Vollast regelmäßig vorkommen können. Dazu treten häufig Alterungs- und Verschleißerscheinungen auf, so dass es wünschenswert ist, die Katalysatoren in ihrer Lebensdauer und Effizienz zu verbessern.
Aufgrund der Rahmenbedingungen, beispielsweise der Auslegung von Verbrennungskraftmaschinen im Hinblick auf einen günstigen Kraftstoffverbrauch und Ähnliches, reicht die innermotorische Vermeidung der Stickoxidemissionen zur Einhaltung der Grenzwerte oftmals nicht aus, so dass zumindest für die Einhaltung relativ niedriger Grenzwerte eine Abgasnachbehandlung erforderlich ist. Hierbei hat es sich herausgestellt, dass eine selektive katalytische Reduktion der Stickoxide vorteilhaft ist. Diese SCR-Methode benötigt ein Reduktionsmittel, welches stickstoffhaltig ist. Insbesondere hat sich der Einsatz von Ammoniak (NH3) als Reduktionsmittel als eine mögliche Alternative herausgestellt. Üblicherweise wird Ammoniak nicht als reines Ammoniak vorgehalten, da dies insbesondere bei Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen Anwendungen zu Problemen führen kann. Vielmehr werden statt einer Bevorratung der Reduktionsmittel selbst oftmals Reduktionsmittelvorläufer gespeichert und in mobilen Anwendungen mitgeführt.
Die Anwendung der Reduktionsmittel erfolgt dann in speziell zur Ausführung der SCR-Methode ausgebildeten Katalysatoren, die dazu speziell ausgebildete Wabenkörper aufweisen. Im Rahmen der ständig steigenden Anforderungen an solchen Bauteile, stellt sich regelmäßig das Problem ein, die Vorrichtungen im Hinblick auf ihr Gewicht, ihre Größe und ihre Effizienz sowie Zuverlässigkeit zu verbessern. In der Praxis werden dabei unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt. So ist es bei manchen Systemen gefordert, diese besonders klein zu bauen, wenn beispielsweise wenig Bauraum an einem geplanten Fahrzeug vorhanden ist. In anderen Fällen kann aber auch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit im Vordergrund stehen, wie es beispielsweise im Nutzfahrzeugbau der Fall ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Katalysatoranordnung anzugeben, die zumindest bezogen auf einen der vorgenannten problematischen Aspekte, Linderung gegenüber dem bekannten Stand der Technik verschafft.
Die Aufgabe wird mit einer Katalysatoranordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegeben Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt werden.
Vorliegend werden die Aufgaben wenigstens teilweise durch eine Katalysatoran- Ordnung mit wenigstens einem Wabenkörper mit einem keramischen Trägerelement und einer selektiv-katalytischen Beschichtung sowie einen den Wabenkörper umschließenden Gehäuseabschnitt gelöst, wobei der Gehäuseabschnitt einen ferritischen Stahlwerkstoff umfasst. Unter einem ferritischen Stahl wird dabei ein Stahl verstanden, der zum größten Teil aus Ferrit besteht. Solche Stähle haben oftmals einen Kohlenstoffgehalt der sehr niedrig liegt und insbesondere weniger als 1,0 Gew.-% beträgt. Ferritische Stähle können auf Eisenbasis mit Komponenten wie beispielsweise Chrom, Nickel, Silizium, Aluminium, Magnesium gebildet sein. Ferrit ist dabei die Gefügeart der Eisenlegierung, welche im Fall des Eisens einer kubisch-raumzentrierten Kristallform entspricht. Es handelt sich dabei um ein so genanntes Alpha-Eisen, das auch Alpha-Ferrit genannt wird.
Die bevorzugte Verwendung eines ferritischen Stahlwerkstoffes als Gehäuse oder Gehäuseabschnitt macht den Katalysator besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen, wie sie während des Fahrbetriebes auftreten. Die Katalysator- anordnung besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter anderem aus einem Wabenkörper und einem ferritischen Gehäuse. Der Wabenkörper trägt die für die beabsichtigte katalytische Reaktion erforderlichen Stoffe und wird von einem Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse kann dabei einmal das direkt den Wabenkörper umschließende Gehäuse einschließlich der sich daran anschließenden Stutzen oder Leitungsabschnitte darstellen. Das Gehäuse seinerseits kann auch in mehrere Gehäuseabschnitte untergliedert sein, die zusammen das Gehäuse bilden. Insbesondere ist es dabei möglich, das Gehäuse in ein Oberteil und ein Unterteil zu unterteilen, die zusammengefügt den Wabenkörper vollständig umschließen. Im Rahmen der Erfindung können damit ganze Gehäuse oder auch einzelne Ge- häuseab schnitte ausgebildet werden, so dass sie einen ferritischen Stahlwerkstoff umfassen. Die vorgenannten Einflüsse können beispielsweise thermische Wech- selbelastungen oder auch Korrosionsbelastungen sein. Besonders widerstandsfähig wird das Gehäuse, wenn der verwendete Stahlwerkstoff ein ferritischer, nicht rostender Stahl ist, der einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Vorteilhafterweise liegt dabei der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Stahlwerkstoffes möglichst nah an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des von ihm umschlossenen Wabenkörpers. Hierdurch wird eine Relativbewegung, welche durch Aufheizen bzw. Abkühlen der Katalysatoranordnung während des Fahrbetriebes entsteht, zwischen den einzelnen Bauteilen der Anordnung spürbar reduziert. Als Stahl kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auch Edelstahl ver- wendet werden. Stahl wird dann als Edelstahl bezeichnet, wenn er ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonders hohem Reinheitsgrad ist.
Insbesondere reduzieren lassen sich die Relativbewegungen beispielsweise zwischen dem Wabenkörper und dem Gehäuseabschnitt, wenn der Wärmeausdeh- nungskoeffizient des ferritischen Stahlwerkstoffes im Bereich zwischen 10»10"6 K"1 und 12»10"6 K"1 [l/K] liegt. Es hat sich zwar gezeigt, dass bereits eine spürbare Anhebung der Lebensdauer auch dann zu beobachten ist, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von 8'10"64K"1 bis 14'10"6 K"1 liegt, besonders bevorzugt ist jedoch der vorstehende Bereich. Große Temperatur- unterschiede führen normalerweise zu einem schnellen Längenausdehnungsverhalten des Gehäuses bzw. der Gehäuseabschnitte. Hierdurch brechen die relativ druckempfindlichen Keramikträger der Wabenkörper und werden erheblich beschädigt. Außerdem kann es zu einem Losrütteln der Wabenkörper kommen, die mit Hilfe von Matten innerhalb des Gehäuses festgehalten werden. Lose Waben- körper sind aufgrund von Vibrationen erhöhter mechanischer Belastung ausgesetzt und gehen so im Laufe der Zeit verloren. Besonders deutliche Vorteile hat die Erfindung deshalb im Zusammenhang mit keramischen Wabenkörpern mit sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Ganz besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Stahlwerkstoff bewährt, der neben Eisen (Fe) als weitere Komponenten einen Chrom- Anteil (Cr) von 18,5 Gew.-% bis 19,5 Gew.-%, einen Molybdän- Anteil (Md) von höchstens 0,1 Gew.-% und einen Nickel- Anteil (Ni) von höchstens 1 Gew.-% aufweist. Stahlwerkstoffe, die dies erfüllen, weisen eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion auf und besitzen z.B. auch den vorstehenden bevorzugten Wärmeausdeh- nungskoeffϊzienten. Sie weisen darüber hinaus besonders gute mechanische Festigkeiten auf. Besonders bevorzugt wird dabei ein Stahlwerkstoff mit einem Chromanteil von 19 Gew.-% ± 0,1 Gew.-%, einem Molybdänanteil von höchstens 0,03 Gew.-% sowie einem Nickelanteil von höchstens 0,05-Gew. %. Darüber hinaus weist der hier beschriebene ferritische Stahlwerkstoff höchstens noch Verun- reinigungen auf, die in der Summe höchstens 0,1 Gew.-% betragen. Darüber hinaus wir auch ein ferritischer Stahlwerkstoff für vorteilhaft erachtet, der 19 Gew.-% ± 0,1 Gew.-% Chrom, höchstens 1,0 Gew.-% Nickel und höchstens 0,1 Gew.-% Molybdän (Rest Verunreinigungen und Eisen) aufweist. Die hier angeführten Zusammensetzungen für ein Gehäuse eines katalytischen Konverters sind ein unabhängiger Bestandteil der Erfindung mit Bezug auf einen beliebigen (z.B. metallischen) Wabenkörper, der gegebenenfalls auch unabhängig weiterverfolgt werden kann.
Weiter wird auch eine Katalysatoranordnung vorgeschlagen, wobei die selektiv katalytische Beschichtung zumindest teilweise das Trägerelement bedeckt und in einer Menge aufgebracht ist, die einem Verhältnis von wenigstens 200 g/l [Gramm pro Liter] eines Wabenkörpervolumens entspricht. Die hier angeführte Beschichtungsmenge ist ein unabhängiger Bestandteil der Erfindung mit Bezug auf einen beliebigen Wabenkörper, der gegebenenfalls auch unabhängig vom Ge- häusematerial weiterverfolgt werden kann. Insbesondere hinaus kann der Wabenkörper hier anstatt aus einem keramischen Werkstoff auch aus einem metallischen Werkstoff (z.B. wenigstens teilweise strukturierten Blechlagen) gefertigt sein. Nachfolgend wird im Wesentlichen auf die keramischen Wabenkörper Bezug genommen, die gilt jedoch ggf. entsprechend für metallische Wabenkörper. Der Wabenkörper weist regelmäßig eine Vielzahl von Kanälen auf, durch die das zu reinigende bzw. zu behandelnde Abgas hindurchströmen kann. Die Wände werden von Wabenkörperwänden gebildet, die Kanäle umschließen, welche beispielsweise rechteckige, quadratische, runde oder ähnliche Querschnitte aufweisen können. Häufig werden Wabenkörper als keramische Wabenkörper in einem Extrudierverfahren hergestellt, so dass nahezu beliebige Querschnittsformen für die zu erzeugenden Wabenkörperkanäle möglich sind. Auf den Wabenkörperwänden, die aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind, ist im Weiteren noch eine katalytisch wirkende Beschichtung aufgebracht, so dass der Wabenkörper aus Wabenkörperwänden, katalytischer Beschichtung und den umschlossenen Wa- benkörperkanälen besteht.
Die katalytische Beschichtung, die im Übrigen auch Washcoat genannt wird, ist auf den relativ porösen keramischen Oberflächen der Wabenkörperwände aufge- bracht. Das von allen Wabenkörperwänden gebildete Bauteil wird nachfolgend als Trägerelement bezeichnet, da es dem Wabenkörper die notwendige mechanische Steifigkeit verleiht und als Träger dient. Die bereits poröse Oberfläche bzw. Wand wird durch den aufgebrachten Washcoat noch zusätzlich strukturiert. Die so zerklüftete Oberfläche gewährleistet einerseits ein ausreichend großes Platzangebot für die Fixierung von Katalysatoren, z. B. Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid, Titandioxid oder auch Eisenzeolith-Beschichtungen und deren Mischungen. Andererseits kann die zerklüftete Oberfläche auch die Verwirbelung des durchströmenden Abgases verbessern, wobei ein besonders intensiver Kontakt zu den Katalysatorstoffen in der katalytischen Beschichtung geschaffen wird. Der Washcoat kann beispielsweise aus Mischungen eines Aluminiumoxids der Übergangsreihe und mindestens eines Promoteroxids, wie beispielsweise wenigstens eines Seltenerdenoxid, Zirkonoxid, Nickeloxid, Eisenoxid und/oder Bariumoxid bestehen. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die für das Washcoat verwendeten Werkstoffe einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der möglichst gleich ist mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des für das Trägerelement verwendeten Werkstoffes. Als besonders vorteilhaft für die SCR- Verfahren bei automobilen Anwendungen hat es sich erwiesen, wenn die Menge des Washcoats mindestens 200 g/l eines Wabenkörpervolumens entspricht. Unter dem Waben- körpervolumen ist dabei das gesamte Volumen des vom Wabenkörper umschlossenen Raumes zu verstehen. Somit umfasst das Wabenkörpervolumen die VoIu- mina des Trägerelementes, des Washcoats, sowie der davon umschlossenen Kanäle.
Vorzugsweise beträgt die minimale Menge des Washcoats 220 oder sogar 250 g/l und überschreitet insbesondere nicht einen Wert von 300 g/l. In diesem Bereich haben sich besonders effiziente Reinigungswirkungen darstellen lassen. Zudem wird bei diesen Mengen eine besonders große oberflächenspezifische Oberfläche durch den stark zerklüfteten Washcoat geschaffen, welcher eine hervorragende Reinigung des durchströmenden Abgases ermöglicht.
Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, die Mengenangaben als gemittelte Mengen anzusehen, wodurch es beispielsweise bei gleichen Durchschnittswerten möglich ist, in einigen Bereichen des Wabenkörpers größere Washcoatmengen und damit größere Mengen katalytisch wirkender Beschichtung anzuordnen, wohingegen in anderen Bereichen diese Mengen geringer gehalten werden können. Ferner kann mit der Mittelung auch der stark zerklüfteten Oberfläche der Washcoatbeschich- tung Rechnung getragen werden, indem eine mittlere Schichthöhe (HWm) bei der Messung der Schichthöhe verwendet wird. Diese mittlere Schichthöhe kann als Referenzmaß für die Menge des aufgebrachten Washcoats dienen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei ferner erwiesen, wenn die katalytische Beschichtung eine Höhe von wenigstens 10 μm [Mikrometer] aufweist. Unter der Höhe bzw. Schichthöhe ist die in Normalrichtung zur beschichteten Oberfläche gemessene Höhe der Beschichtung zu verstehen. Besonders vorteilhaft haben sich hier insbesondere Höhen von 30 μm bis 80 μm herausgestellt, da diese eine zu- sätzliche Vergrößerung der Oberfläche bewirken. Neben der Verwendung einer mittleren Schichthöhe Hwm können auch weitere Werte für die Schichthöhe er- fasst werden, um diese genauer zu beschreiben. Diese Werte sind zum einen die maximale Schichthöhe Hwmax, sowie die minimale Schichthöhe des Washcoats Hwmin- Aus den Maximal- und Minimalwerten kann beispielsweise zusammen mit der mittleren Schichthöhe (Hwm) eine Aussage über die Stärke der Zerklüftung der Washcoatoberfläche getroffen werden. Indirekt ist damit auch eine Aussage über die geschaffene zusätzliche Oberfläche möglich, da mit steigender Zerklüftung auch die zusätzlich geschaffene wirksame Oberfläche des Washcoats vergrößert wird.
Da es vorkommen kann, dass ein Wabenkörper in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist, ist es vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn die katalytische Beschichtung eine Mehrzahl von Zonen unterschiedlicher Washcoatmenge und/oder Dotierung aufweist. Unter Dotierungen sind hierbei die Verteilungen von Katalysatorstoffen zu verstehen. Je nach Verwendung des Wabenkörpers können diese Zonen beispielsweise verstärkt im Einlass und/oder Auslassbereich und/oder auch in der Mitte der Kanäle angeordnet werden. Beispielsweise ist es möglich, in einem besonders wirksamen Bereich, wie beispielsweise einem axialen Teilsegment des Wabenkörpers, besonders hohe Washcoatmengen anzuordnen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn das axia- Ie Teilsegment besonders gute Voraussetzungen für eine katalytische Reaktion aufweist. Durch die hohen Washcoatmengen wird eine besonders starke Zerklüftung in dem axialen Teilsegment erzeugt, so dass große Differenzen zwischen dem Maximal- und Minimalwerten der Washcoathöhe vorliegen. Gleichzeitig kann auch eine besonders hohe Dotierung von Katalysatorstoffen an dieser Stelle vorgesehen werden, welche die Leistungsfähigkeit des Wabenkörpers zusätzlich erhöht.
Um einen möglichst kompakt bauenden Wabenkörper mit einer besonders großen
Oberfläche zu erhalten, ist es im Rahmen der Erfindung weiterhin vorteilhaft, wenn dieser mit einer Kanaldichte von wenigstens 600 cpsi ausgebildet ist. Die
Einheit cpsi steht dabei für „cells per Square inch". Ein Wert von 600 cpsi ent- spricht dabei in etwa 93 Zellen pro Quadratzentimeter. Der Umrechnungsfaktor von cpsi zu Zellen pro Quadratzentimeter beträgt 6,4516. Mit einer Kanaldichte von 600 cpsi oder mehr können besonders große Oberflächen im Wabenkörper geschaffen und damit der Wabenkörper selbst insgesamt sehr kompakt gehalten werden.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wabenkörpervolumen dem 0,2 bis 1,2-fachen eines Brennraumvolumens eines Verbrennungsmotors entspricht. Das Brennraumvolumen ist beispielsweise der Hubraum eines Ottomotors oder auch eines Dieselmotors. Mit entsprechend hoher Kanaldichte kann der erfindungsgemäße Wabenkörper damit besonders kompakt ausgebildet werden und gleichzeitig eine hervorragende Abgasbehandlung bzw. Reduktion von Abgaskomponenten bewirken. Ein so kompakt gebauter Wabenkörper ist leicht in einem Fahrzeug zu integrieren und weist darüber hinaus eine relativ geringe Masse auf.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wabenkörper zumindest ein Trägerelement mit porösen keramischen Wänden aufweist. Die porösen keramischen Wände bieten eine sehr große innere Oberfläche für den Washcoat. Neben der Zerklüftung des Washco- ats, kann durch den porösen keramischen Werkstoff ein Trägerelement mit einer zusätzlich vergrößerten Oberfläche geschaffen werden. Als keramisches Material können z. B. Siliziumkarbid (SiC), α- Aluminiumoxid, γ- Aluminiumoxid oder Ähnliches eingesetzt werden. Dazu ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass das Trägerelement zumindest teilweise aus einem organischen Oxid gefertigt ist. Hierbei kommen insbesondere das bereits zuvor erwähnte Aluminiumoxid oder auch Siliziumkarbid in Betracht. Diese Werkstoffe können mit relativ geringem Aufwand zu Wabenkörpern verarbeitet werden und bieten die notwendige thermische und mechanische Festigkeit, um als Trägerelement zu dienen. Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft in Kraftfahrzeugen mit einer Abgasbehandlungseinrichtung, wie beispielsweise Personen- oder Lastkraftwagen eingesetzt werden. Hierzu ist es bereits ausreichend, wenn wenigstens eine Katalysatoranordnung bzw. ein Wabenkörper, wie hier beschrieben, ausgebildet und in der Abgasbehandlungseinrichtung angeordnet ist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand nachfolgender Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht be- schränkt ist. In der Zeichnung zeigen schematisch:
Fig. 1 : eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung;
Fig. 2: eine Schnittansicht eines Strömungskanals eines Wabenkörpers in vergrö- ßerter Darstellung;
Fig. 3: eine stark vergrößerte Schnittansicht durch eine Wabenkörperwand mit Washcoat; und
Fig. 4: eine Schnittansicht eines keramischen Trägerelements mit Washcoatbe- schichtung.
In Fig. 1 ist eine Katalysatoranordnung 1 in einer Schrägansicht dargestellt. Die Katalysatoranordnung 1 umfasst zwei Gehäuseabschnitte 2, einen Wabenkörper 3 und eine Matte 4. An der Stirnseite 18 des Wabenkörpers 3 sind eine Vielzahl von Kanälen 5 erkennbar, durch die das zu behandelnde Abgas hindurchströmt. Zum Zusammenbau der Katalysatoranordnung 1 wird die Matte 4 um den Wabenkörper 3 herumgewickelt und anschließend die beiden Gehäuseabschnitte 2 darüber gestülpt. Die Matte 4 dient dabei zum Schutz des keramischen Wabenkörpers 3, damit dieser fest innerhalb der Gehäuseabschnitte 2 sitzt. Insbesondere dient die Matte 4 zur Verhinderung eines Losrütteins, bei besonders großen Wärmeausdeh- nungen. Da das Wärmeausdehnungsverhalten von Gehäuseabschnitt 2 und Wabenkörper 3 in der Regel unterschiedlich sind. Während sich die Gehäuseabschnitte 2 bei einer Erwärmung stärker ausdehnen als der Wabenkörper 3, sorgt die Matte 4, welche aus einem komprimierbaren und hochtemperaturfesten Werkstoff gefertigt ist, dafür, dass der Wabenkörper 3 auch bei hohen Temperaturen noch spielfrei innerhalb des Gehäuseabschnittes 2 sitzt. Beide Gehäuseabschnitte 2 zusammen bilden ein Gehäuse 6. Der Wabenkörper 3 ist zudem in Richtung seiner Achse 19 in eine erste Zone 16 und eine zweite Zone 17 unterteilt, die sich nur in der Beschichtung unterscheiden.
In Fig. 2 ist ein Kanal 5 des keramischen Wabenkörpers 3 in einer stark vergrößerten Darstellung gezeigt. Die Wabenkörperwände 7 bilden zusammen ein Trägerelement 8. Auf der Oberfläche des Trägerelementes 8 ist die katalytische Beschichtung 9 aufgebracht, welche als Washcoat 10 ausgebildet ist. Der Washcoat 10 umfasst die hier provisorisch dargestellten Katalysatorstoffe 11, welche die Umwandlung bzw. Nachbehandlung des Abgases hervorrufen. Die dargestellte Querschnittsform des Kanals 5 ist rechteckig. Durch den aufgebrachten Washcoat 10 bleibt diese Grundform im Wesentlichen beibehalten.
In Fig. 3 ist nun ein Teil einer Wabenkörperwand 7 in einer stark vergrößerten Schnittansicht dargestellt. Gut erkennbar ist hierbei der Keramikwerkstoff 12, aus dem die Wabenkörperwand 7 gefertigt ist. Der Keramikwerkstoff 12 ist porös und von einer Vielzahl von Einschlüssen und Kanälen durchzogen. In den Einschlüssen und Kanälen ist vorliegend Washcoat 10 angelagert. Gut erkennbar, z. B. an einer ersten Stelle 13 und einer zweiten Stelle 14, ist, dass sich die bereits in der Wabenkörperwand 7 vorhandenen Zerklüftungen in darauf angebrachtem Washcoat 10 mit der vorgegebenen Höhe 15 wieder finden und teilweise noch verstärkt werden. Auf diese Weise kann die zur Verfügung stehende Oberfläche des Wabenkörpers 3 deutlich vergrößert werden. In Fig. 4 ist schließlich ein keramisches Trägerelement 8 in einer stark vergrößerten Darstellung gezeigt, auf dem ein Washcoat 10 aufgebracht ist. Auch dieser Washcoat ist wieder mit Katalysatorstoffen 11 dotiert. In dieser schematischen Darstellung ist besonders gut erkennbar, dass der Washcoat 10 eine relativ stark zerklüftete Oberfläche aufweist. Das heißt, die Höhendifferenz zwischen dem niedrigsten Punkt der Beschichtung, welcher durch den Wert HWmm angegeben wird und dem Höchstpunkt der Beschichtung, welcher durch den Wert Hwmax angegeben wird ist relativ groß. Dies hat jedoch den Vorteil, dass die wirksame O- berfläche des Wabenkörpers hierdurch stark vergrößert wird. Zusätzlich fördert diese zerklüftete äußere Oberfläche auch Verwirbelungen im Abgas, so dass mehr Abgas in Kontakt mit der katalytisch wirkenden Beschichtung 9 treten kann. Zur Beurteilung der technischen Eigenschaften ist es zudem hilfreich, wenn als Kenngröße eine mittlere Schichthöhe des Washcoats angegeben wird. Dieser Wert ist in Fig. 4 als Hwm angegeben und stellt die mittlere Höhe des Washcoats dar. Zu- sammen mit den Werten Hwmm und Hwmax können diese Werte als Anhaltspunkte dafür dienen, wie stark zerklüftet die Washcoatoberfläche ist und damit wie wirksam die Oberfläche insgesamt ist. Insbesondere bei sehr großen mittleren Schichthöhen mit entsprechend großen Unterschieden zwischen den Beschichtungshöhen, und hierbei insbesondere zwischen den Werten HWmax und HWmm, steigt die Ober- fläche stark an, so dass eine verbesserte Katalysatorwirkung infolge der vergrößerten Oberfläche, insbesondere bei Schichthöhen von 10 μm und 30 μm zu beobachten ist. Darüber hinaus kann die wirksame Oberfläche je nach Anwendungsfall aber auch bei Schichtdicken von 50 μm bis 80 μm in ihrer Wirksamkeit signifikant vergrößert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche möglich. So können beispielsweise anstelle der beschriebenen metallischen und keramischen Werkstoffe noch zahlreiche andere ebenfalls metallische oder keramische Werkstoffe Verwendung finden. Auch die Kombinationen unterschiedlicher Katalysatorstoffe mit unterschiedlichen Washcoat- Trägern kann im Rahmen der Erfindung in vielfältiger Weise variiert werden, um somit auf den jeweiligen Anwendungsfall in bestmöglicher Weise angepasst zu werden.
Bezugszeichenliste
1 Katalysator- Anordnung
2 Gehäuseabschnitt
3 Wabenkörper
4 Matte
5 Kanäle
6 Gehäuse
7 Wabenkörperwand
8 Trägerelement
9 Beschichtung
10 Washcoat
11 Katalysatorstoff
12 Keramikwerkstoff
13 erste Stelle
14 zweite Stelle
15 Höhe
16 erste Zone
17 zweite Zone
18 Stirnseite
19 Achse

Claims

Patentansprüche
1. Katalysator- Anordnung (1) mit wenigstens einem Wabenkörper (3) mit ei- nem keramischen Trägerelement (8) und einer selektiv-katalytischen Be- schichtung (9) sowie einen den Wabenkörper (3) umschließenden Gehäuseabschnitt (2), wobei der Gehäuseabschnitt (2) einen ferritischen Stahlwerkstoff umfasst.
2. Katalysator- Anordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient des ferritischen Stahlwerkstoffs im Bereich zwischen 10»10"6 K"1 und 12-10"6 K"1 liegt.
3. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahlwerkstoff einen Chrom-Anteil von 18,5 Gew.% bis 19,5
Gew.%, einen Molybdän- Anteil von höchsten 0,1 Gew.% und einen Nickel-Anteil von höchstens 1 Gew.% aufweist.
4. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , mit wenigstens einem Trägerelement (8) und einer selektiv-katalytischen
Beschichtung (9), wobei diese zumindest teilweise das Trägerelement (8) bedeckt und in einer Menge aufgebracht ist, die einem Verhältnis von wenigstens 200 g/l eines Wabenkörpervolumens entspricht.
5. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die katalytische Beschichtung (9) eine Höhe (15) von wenigstens 10 μm aufweist.
6. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die katalytische Beschichtung (9) eine Mehrzahl von Zonen (16, 17) unterschiedlicher Washcoatmengen oder Dotierung aufweist.
7. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Wabenstruktur des Wabenkörpers (3) mit einer Kanaldichte von wenigstens 600 cpsi ausgebildet ist.
8. Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wabenkörpervolumen dem 0,2 bis 1,2 fachen eines Brennraumvolumens eines Verbrennungsmotors entspricht.
9. Katalysator-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wabenkörper (3) zumindest ein Trägerelement (8) mit porösen keramischen Wänden aufweist.
10. Kraftfahrzeug mit einer Abgasbehandlungseinrichtung, die wenigstens ei- ne Katalysator- Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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