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Die vorliegende Erfindung betrifft eine einstellbare Widerstandsheizeinrichtung und
einen katalytischen Konverter, die zur Verwendung bei der Abgasemissionsregulierung
von Kraftfahrzeugen geeignet sind.
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Nach dem Stand der Technik sind poröse Wabenstrukturen aus Keramik als
Katalysatoren oder Substrate für Katalysatoren verwendet worden, die beispielsweise
Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) entfernen, die im
Abgas von Verbrennungsmotoren, wie bei Kraftfahrzeugen, vorhanden sind. In letzter
Zeit haben jedoch Wabenstrukturen aus Metall als derartige Katalysatoren oder
Katalysatorsubstrate Aufmerksamkeit erlangt.
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Da die Beschränkung von Abgasemissionen intensiviert worden ist, hat sich abgesehen
von den obigen Katalysatoren oder Katalysatorsubstraten ein Bedarf zur Entwicklung
von Heizeinrichtungen oder katalytischen Konvertern ergeben, die zur Umwandlung
der Emissionen in der Startphase eines Motors fähig sind.
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Katalytische Konverter zur Verwendung bei der Regulierung von Kraftfahrzeugabgasen
haben eine minimale Betriebstemperatur, über der der Katalysator aktiv ist.
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Daher muß der Katalysator erwärmt werden, wenn seine Temperatur nicht ausreichend
hoch ist, d.h. wenn ein Fahrzeug gestartet wird.
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Derartige Wabenstrukturen sind beispielsweise im offengelegten japanischen
Gebrauchsmuster Nr. 67609/1988 vorgeschlagen worden. Bei dieser offengelegten
Technik handelt es sich um einen katalytischen Konverter, der aus einem
monolithischen Metallkatalysator besteht, der stromaufwärts und angrenzend an einen
monolithischen Hauptkatalysator aus Keramik angeordnet ist. Der monolithische
Metallkatalysator umfaßt ein elektrisch leitendes Metallsubstrat, das mit Tonerde
beschichtet ist.
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Jedoch umfaßt beim im offengelegten japanischen Gebrauchsmuster Nr. 67609/1988
geoffenbarten katalytischen Konverter der monolithische Metallkatalysator, ein
Vorwärmer, der stromaufwärts und an den monolithischen Hauptkatalysator angrenzend
angeordnet ist, eine Wabenstruktur aus Metallfolie, die so konstruiert ist, daß sie
stromleitend ist und dadurch von ihrer inneren Peripherie zu ihrer äußeren Peripherie
erwärmt wird. Der Widerstand des monolithischen Metallkatalysators ist nicht
eingestellt (d.h. nur das Material, die Dimensionen und die Rippenstärke der
Metallwabenstruktur sind definiert und es erfolgt keine Einstellung bezüglich des
Widerstands der Metallwabenstruktur). Weiters weist der katalytische Konverter, da der
Durchmesser des monolithischen Metallkatalysators im wesentlich gleich groß ist wie
der des monolithischen Hauptkatalysators, unzureichende
Temperaturanstiegseigenschaften auf.
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W089/10471 offenbart einen elektrisch leitenden Wabenkörper aus Metallfolien, bei
dem die Wabe durch Zwischenräume und/oder elektrisch isolierende Schichten oder
Überzüge geteilt ist, um einen Weg für den elektrischen Strom mit einem gewünschten
Widerstand bereitzustellen. Der Körper wird als zur Verwendung als Katalysatorträger in
Kraftfahrzeugen geeignet beschrieben.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen einstellbaren
Widerstandsheizeinrichtung und eines katalytischen Konverters, vorzugsweise um die
obengenannten Probleme des Standes der Technik auszuschalten.
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Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
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Vorzugsweise hat die Heizeinrichtung einen größeren Durchmesser als der
monolithische Hauptkatalysator.
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Eine Wabenheizeinrichtung mit einem Widerstandseinstellmittel oder -mechanismus,
wie einem Schlitz oder Schlitzen, zwischen den Elektroden weist hervorragende
Erwärmungseigenschaften auf und wird daher verwendet. Vorzugsweise wird eine
gemäß vorliegender Erfindung eingesetzte Wabenstruktur hergestellt, indem aus
Metallpulvern eine Wabenkonfiguration geformt und dann ein geformter Wabenkörper
gesintert wird.
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Vorzugsweise umfaßt die Wabenheizeinrichtung eine Wabenstruktur, auf der ein
Katalysator getragen wird.
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Die Figuren 1 und 2 sind jeweils Draufsichten von zwei Arten von
Wabenheizeinrichtungen mit unterschiedlichem Außendurchmesser;
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die Fig. 2(a) und 2(b) sind jeweils Querschnittansichten von katalytischen Konvertern,
bei denen die verschiedenen Typen von Wabenheizeinrichtungen mit unterschiedlichen
Außendurchmessern eingesetzt werden, wobei in jedem eine Wabenheizeinrichtung
stromaufwärts von einem monolithischen Hauptkatalysator angeordnet ist;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines katalytischen Konverters, dessen äußerer
peripherer Abschnitt durch ein wärmeisolierendes Material abgedichtet ist;
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Fig. 4 ist eine Draufsicht eines Beispiels für eine einen Katalysator tragende
Wabenheizeinrichtung, die gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird.
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Die einstellbare Widerstandsheizeinrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert,
umfaßt eine Wabenstruktur, auf der zumindest zwei Elektroden vorgesehen sind, um die
Wabenstruktur mit Strom zu versorgen, wobei zwischen den Elektroden eine
Widerstandseinstelleinrichtung vorgesehen ist. Die Widerstandseinstelleinrichtung ist so
vorgesehen, daß der Querschnitt eines Heizabschnitts der Heizeinrichtung im
wesentlichen gleich groß ist wie jener des gemeinsam mit der Heizeinrichtung
vorgesehenen monolithischen Hauptkatalysators.
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Wenn der Widerstand auf die oben beschriebene Art eingestellt wird, ist es möglich, die
Heizeigenschaften der Heizeinrichtung zu steuern.
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Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung mit Ausnahme des Heizabschnitts mit einem
wärmeisolierenden Material oder dergleichen abgedichtet, um zu verhindern, daß ein
Abgas diesen Abschnitt entlang strömt und dadurch zu bewirken, daß das Abgas nur
entlang des Heizabschnitts der Heizeinrichtung strömt. Auf diese Art kann das Abgas
rasch erwärmt werden. In diesem Fall kommen die Elektroden nicht in Kontakt mit dem
Abgas, und somit kann Korrosion der Elektroden aufgrund des Abgases verhindert
werden.
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Es kann zwar jedes Keramik- oder Metallmaterial, das zur Erzeugung von Wärme fähig
ist, wenn es mit Energie beaufschlagt wird, als Material der einen Grundkörper gemäß
vorliegender Erfindung darstellenden Wabenstruktur verwendet werden, aber die
Verwendung von Metall erhöht die mechanische Festigkeit und wird daher vorgezogen.
Beispiele für solche Metalle sind rostfreier Stahl und Materialien mit der
Zusammensetzung Fe-Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Al, Fe-Ni, W-Co und Ni-Cr. Von den obigen
Materialien wreden Fe-Cr-Al, Fe-Cr und Fe-Al wegen der geringen Kosten und hohen
Beständigkeit gegen Hitze, Oxidation und Korrosion bevorzugt. Die gemäß vorliegender
Erfindung eingesetzte Wabenstruktur kann porös oder nicht-porös sein. Für den Fall, daß
ein Katalysator auf der Wabenstruktur getragen wird, wird jedoch eine poröse
Wabenstruktur vorgezogen, weil eine Katalysatorschicht fest an einer solchen
Wabenstruktur haften kann und sich auch dann kaum von der Wabenstruktur abschält,
wenn die Wabenstruktur und der Katalysator unterschiedliche Wärmeausdehnung
aufweisen.
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Die Wabenstruktur aus Metall wird auf die nachstehend beschriebene Weise hergestellt.
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Zunächst werden Fe-Pulver, Al-Pulver und Cr-Pulver oder alternativ dazu Pulver aus
Legierungen dieser Metalle gemischt, um ein Metallpulvergemisch mit einer
gewünschten Zusammensetzung herzustellen. In der Folge wird das
Metallpulvergemisch in ein organisches Bindemittel, wie Methylzellulose oder
Polyvinylalkohol, und Wasser gemischt, um ein leicht formbares Gemisch herzustellen.
Dieses Gemisch wird dann durch Extrudieren in die Gestalt einer gewünschten
Wabenkonfiguration gebracht.
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Als nächstes wird der Wabenformkörper in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre in
einem Temperaturbereich zwischen 1000 und 1450ºC gebrannt. Während des Sinterns
in der Wasserstoff enthaltenden nicht-oxidierenden Atmosphäre wird das organische
Bindemittel zersetzt und dadurch mit Hilfe von Fe oder ähnlichem, das als Katalysator
wirkt, entfernt. Daher kann ein guter Sinterkörper (eine Wabenstruktur) erhalten
werden.
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Es ist nicht möglich unter einer Temperatur von 1000ºC zu sintern. Sintern über einer
Temperatur von 1450ºC verursacht Verformung des resultierenden Sinterkörpers und ist
daher nicht wünschenswert.
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Vorzugsweise wird dann ein hitzebeständiges Metalloxid auf die Oberfläche der
Zellwände und die Oberfläche der Poren der erhaltenen Wabenstruktur aufgetragen.
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Als nächstes wird auf auf der erhaltenen Wabenstruktur zwischen ihren Elektroden ein
Widerstandseinstellmechanismus mit einer gewünschten Form vorgesehen, der weiter
unten beschrieben wird.
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Der auf der Wabenstruktur vorgesehene Widerstandseinstellmechanismus kann jede der
folgenden Formen haben:
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(1) einen Schlitz oder Schlitze jeder beliebigen Länge, der/die in jeder beliebigen
Richtung und Position ausgebildet ist/sind
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(2) Variationen in der Länge der Zellwände in der axialen Richtung der Durchgänge
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(3) Variationen in der Dicke (Wanddicke) der Zellwände der Wabenstruktur oder
Variationen in der Zelldichte der Wabenstruktur, oder
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(4) einen oder mehrere in der Zellwand (Rippe) der Wabenstruktur ausgebildete(n)
Schlitz(e).
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Von den obengenannten Formen wird die Bildung eines Schlitzes oder von Schlitzen
gemäß Nr. (1) mehr bevorzugt, weil ein erwärmter Abschnitt damit leicht reguliert
werden kann.
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Elektroden werden im allgemeinen durch Schweißen oder Löten am äußeren peripheren
Abschnitt oder an der Innenseite der so erhaltenen Wabenstruktur aus Metall
angebracht, um eine Wabenheizeinrichtung herzustellen.
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Der Begriff "Elektroden", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird,
bezieht sich auf jeden Anschluß, durch den eine elektrische Spannung an die
Heizeinrichtung angelegt wird. Die Elektroden umfassen die direkte Verbindung des
äußeren peripheren Abschnitts der Heizeinrichtung mit einem Gehäusekörper und
Anschlüssen zum Erden.
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Im Fall der als Heizeinrichtung verwendeten Wabenstruktur aus Metall wird deren
Widerstand vorzugsweise im Bereich zwischen 0,001Ω und 0,5Ω gehalten.
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Vorzugsweise wird ein Katalysator an der Oberfläche der so erhaltenen Wabenstruktur
aus Metall angeordnet, um die Erzeugung von Wärme aufgrund der Umsetzung
(Oxidation) des Abgases zu ermöglichen.
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Somit besteht der auf der Oberfläche der Metall-Wabenstruktur getragene Katalysator
aus einem Träger mit einer großen Oberfläche und einem auf dem Träger getragenen
aktiven Katalysatormaterial. Typische Beispiele für die Träger mit einer großen
Oberfläche sind γ-Al&sub2;O&sub3;, TiO&sub2;, SiO&sub2;-Al&sub2;O&sub3; und Perovskit. Beispiele für das katalytisch
aktive Material sind Edelmetalle, wie Pt, Pd und Rh, und unedle Metalle, wie Cu, Ni, Cr
und co. Zum bevorzugten Katalysator gehört einer, bei dem 10 bis 1009/ft³ Pt oder Pd
auf den aus γ-Al&sub2;O&sub3; bestehenden Träger aufgebracht ist.
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Die gemäß vorliegender Erfindung eingesetzte Wabenstruktur kann zwar jede
Wabenkonfiguration aufweisen, es ist jedoch wünschenswert, daß die Zelldichte im
Bereich von 6 bis 1500 Zellen/in² liegt (0,9 bis 233 Zellen/cm²), wobei die Wanddicke
im Bereich von 50 bis 2000 um liegt.
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Wie oben erwähnt, kann die gemäß vorliegender Erfindung verwendete Wabenstruktur
porös oder nicht-porös sein. Um ausreichende mechanische Festigkeit und
Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion zu erreichen, wird die Porosität der
Wabenstruktur aus Metall jedoch vorzugsweise zwischen 0 und 50 Vol.-% gehalten,
wobei die Porosität am meisten bevorzugt weniger als 25 Vol.-% ausmacht. Bei einer
zur Verwendung als Katalysatorsubstrat bestimmten Wabenstruktur aus Metall wird die
Porosität bei 5% oder darüber gehalten, um starke Haftung zwischen der Wabenstruktur
und einer Katalysatorschicht zu gewährleisten.
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Der Begriff "Wabenstruktur", wie gemäß vorliegender Erfindung verwendet, bezieht sich
auf einen einstückigen Körper mit einer großen Anzahl von Durchgängen, die durch
Wände getrennt sind. Die Durchgänge können jede Querschnittsform (Zellgestalt)
haben, z.B. eine kreisförmige, mehreckige oder gerippte Form.
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Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen, die die Erfindung
veranschaulichen, aber nicht einschränken sollen, weiter dargestellt.
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Die Fig. 1(a) und 1(b) sind jeweils Draufsichten unterschiedlicher Arten von
Wabenheizeinrichtungen, die einen Außendurchmesser von 90 mm bzw. 120 mm
aufweisen. Bei jeder Wabenheizeinrichtung ist in einer Wabenstruktur 10 mit einer
großen Anzahl von Durchgängen eine Vielzahl von Schlitzen 11 vogesehen, die als
Widerstandseinstellmechanismus wirken. Ein äußerer peripherer Abschnitt 12 eines
jeden Schlitzes 11 ist mit einem anorganischen Kleber beaufschlagt und dadurch
elektrisch isoliert. Zwei Elektroden sind an der Außenwand der Wabenstruktur 10
vorgesehen, um daraus eine Wabenheizeinrichtung zu machen.
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Die Fig. (2a) und (2b) zeigen jeweils katalytische Konverter, bei denen zwei
unterschiedliche Arten Wabenheizeinrichtungen 10 mit einem Außendurchmesser von
90 mm bzw. 120 mm eingesetzt werden. Bei jedem katalytischen Konverter ist die
Wabenheizeinrichtung 10 stromaufwärts von einem monolithischen Hauptkatalysator
15 angeordnet. Bezugszeichen 16 bezeichnet einen äußeren Rahmen.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht eines Beispiels für eine Wabenheizeinrichtung mit einem
darauf getragenen Katalysator gemäß vorliegender Erfindung. Diese
Wabenheizeinrichtung umfaßt eine Wabenstruktur 10 mit einer Vielzahl darin
ausgebildeter Schlitze 11 als Widerstandseinstelleinrichtung und mit zwei an ihrer
Außenwand vorgesehenen Elektroden 13. Die Wabenstruktur 10 weist eine große Zahl
an Durchgängen 22 auf.
Beispiel 1
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Fe-Pulver, Fe-Cr-Pulver und Fe-Al-Pulver wurden gemsicht, um ein Gemisch mit der
Zusammensetzung Fe-20Cr-5al (Gew.-%) herzustellen. Aus dem erhaltenen Gemisch
wurden dann durch Extrudieren Wabenkörper gebildet. Die gebildeten Wabenkörper
wurden in H&sub2;-Atmosphäre gesintert, um Wabenstrukturen zu erhalten, die
Außendurchmesser von 90 mm bzw. 120 mm aufweisen. Beide Wabenstrukturen hatten
eine Dicke von 15 mm, eine Zellwand(Rippen)-Dicke von 4mil (0,10 mm) und eine
Durchgangsdichte von 400 Zellen/in²(cpi²). Daraufhin wurden in den erhaltenen
Wabenstrukturen 10 mit einer großen Anzahl an Durchgängen Schlitze 11 ausgebildet,
wie in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt. Der äußere periphere Abschnitt 12 eines jeden
Schlitzes 11 wurde mit einem anorganischen ZrO&sub2;-Kleber gefüllt. Die Schlitze 11
wurden so ausgebildet, daß sie durch einen Abstand voneinander getrennt waren, der
acht Zellwänden, d.h. sieben Zellen entsprach.
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Eine Schicht γ-Tonerde, in der CeO&sub2; in einem Anteil von 8 Gew.-% vorhanden war,
wurde auf jede der Wabenstrukturen 10 aufgetragen. Daraufhin wurden 209/ft³ Pd bzw.
Pt auf die aufgetragene Schicht geladen. Die gesamte Struktur wurde dann bei 600ºC
gesintert, um einen Katalysator zu erhalten. In der Folge wurden zwei Elektroden 13 an
der Außenwand einer jeden der erhaltenen Wabenstrukturen 10 vorgesehen, wie in den
Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt. Jede der erhaltenen Wabenheizeinrichtungen wurde vor
einem auf dem Markt erhältlichen Dreiwegkatalysator 14 angeordnet, bei dem es sich
um einen monolithischen Hauptkatalysator handelte, wie in den Fig. (2a) und 2(b)
gezeigt. Der Dreiwegkatalysator 15 hate eine Rippenstärke von 6mil, eine
Durchgangsdichte von 400 Zellen/in², einen Außendurchmesser von 90 mm und eine
Längevon 100 mm.
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Ein äußerer peripherer Abschnitt 27 der Heizeinrichtung mit einem Außendurchmesser
von 120 mm wurde mit einem wärmeisolierenden Material über eine Breite von 10 mm
abgedichtet, sodaß kein Abgas hindurchströmt, wie in Fig. 3 gezeigt.
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Der Durchmesser des Heizabschnitts der Heizeinrichtung mit einem
Außendurchmesser von 90 mm betrug etwa 70 mm, und der Durchmesser des
Heizabschnitts der Heizeinrichtung mit einem Außendurchmesser von 120 mm betrug
etwa 90 mm.
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Die Leistungsfähigkeit eines jeden dieser katalytischen Konvertersysteme wurde in der
Startphase eines Motors getestet, indem in das System ein Abgas (A/F = 14,6)
eingebracht wurde, dessen Temperatur mit einer fixen Geschwindigkeit zwei Minuten
lang von 100ºC auf 420ºC angehoben wurde und dann eine Minute lang bei 420ºC
gehalten wurde, und indem die Umwandlung für CO, HC und NOx gemessen wurde.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die Heizeinrichtung zuerst 5 Sekunden lang mit einer 24V-
Batterie mit Energie versorgt und dann ein- und ausgeschaltet, um ihre Temperatur auf
450ºC zu halten. Während die Heizeinrichtung eingeschaltet war, wurde sie mit einer
12V-Batterie mit Energie versorgt.
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Die folgende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen.
Tabelle 1
durchschnittliche Umwandlung (%)
Heizeinrichtung
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Wie aus der obigen Tabelle klar hervorgeht, kann der monolithische Hauptkatalysator
in seiner Gesamtheit relativ gleichmäßig erwärmt werden, da die Heizeinrichtung mit
einem Außendurchmesser von 120 mm im wesentlichen die gleiche Heizfläche
aufweist wie der an der Rückseite der Heizeinrichtung (stromabwärts davon)
angeordnete monolithische Hauptkatalysator. Weiters kann die Umwandlung effizient
durchgeführt werden, da eine größere Fläche des auf der Heizeinrichtung getragenen
Katalysators erwärmt werden kann, was zu einer Steigerung der Umwandlung führt.
Beispiel 2
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Fe-Pulver, Fe-Cr-Pulver und Fe-Al-Pulver wurden gemischt, um ein Gemisch mit der
Zusammensetzung Fe-20Cr-5Al (Gew.-%) herzustellen, und aus dem erhaltenen
Gemisch wurden dann durch Extrudieren Wabenkörper gebildet. Die gebildeten
Wabenkörper wurden in H&sub2;-Atmosphäre gesintert, um Wabenstrukturen zu erhalten, die
einen Außendurchmesser von 93 mm, eine Dicke von 15 mm eine Zellwand(Rippen)-
Dicke von 8mil und eine Durchgangsdichte von 300 Zellen/in² aufwiesen. Daraufhin
wurden in den erhaltenen Wabenstrukturen 10 acht Schlitze 11, von denen sechs eine
Länge von etwa 70 mm aufwiesen, während zwei davon, die an den beiden Seiten
angeordnet waren, eine Länge von etwa 50 mm aufwiesen, auf solche Weise in axialer
Richtung zu deren Durchgänge 22 ausgebildet, daß sie durch einen Abstand
voneinander getrennt waren, der sieben Zellen (etwa 10mm) entsprach, d.h. sieben
Zellen wurden zwischen den benachbarten Schlitzen 11 angeordnet, wie in Fig. 4
gezeigt.
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Eine Schicht γ-Tonerde wurde auf die Wabenstruktur 10 aufgetragen. Daraufhin wurden
109/ft³ Pd bzw. Pt auf die aufgetragene Schicht geladen. Die gesamte Struktur wurde
dann bei 600ºC gesintert, um einen Katalysator zu erzeugen. In der Folge wurden zwei
Elektroden 13 an der Außenwand einer jeden der erhaltenen Wabenstrukturen 10
vorgesehen, um einen Katalysator 14 mit Heizeinrichtung daraus zu machen, wie in Fig.
4 gezeigt.
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Der erhaltene Katalysator 14 mit Heizeinrichtung wurde an der Rückseite eines auf dem
Markt erhältlichen Dreiwegkatalysators 15 (stromabwärts davon) angeordnet, bei dem es
sich um einen monolithischen Hauptkatalysator handelte, und ein light-off-Katalysator,
bei dem es sich um einen Oxidationskatalysator handelte, wurde an der Rückseite des
Katalysators 14 mit Heizeinrichtung vorgesehen, wie in Fig. 5 gezeigt.
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Die Leistungsfähigkeit dieses Systems in der Startphase eines Motors wurde getestet,
indem in das System ein Abgas A eingebracht wurde, dessen Temperatur mit einer fixen
Geschwindigkeit zwei Minuten lang von 100ºC auf 420ºC angehoben wurde und dann
eine Minute lang bei 420ºC gehalten wurde (Aufwärmtest), und indem die
Umwandlung für CO, HC und NOx gemessen wurde. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse
dieser Messungen. Zu Beginn des Tests wurde der Katalysator 14 mit Heizeinrichtung
eine Minute lang mit einer 12V-Batterie mit Energie versorgt, um das Abgas auf 350ºC
zu erwärmen.
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Als nächstes wurde am oben beschriebenen System der nachstehend beschriebene
Haltbarkeitstest durchgeführt: die Temperatur eines Abgases wurde von
Raumtemperatur auf 750ºC erhöht und dann bei 750ºC gehalten; es wurde ein
zyklischer Betrieb wiederholt, bei dem der Motor 60 Sekunden lang laufen gelassen und
dann die Treibstoffzufuhr 5 Sekunden lang unterbrochen wurde. Zum Beginn des
Haltbarkeitstests wurde der Katalysator 14 mit Heizeinrichtung eine Minute lang auf die
gleiche Art wie bei den obigen Messungen mit Energie beaufschlagt, um das Abgas auf
350ºC zu erwärmen.
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Nachdem dieser Haltbarkeitstest 10mal durchgeführt worden war, wurde der
Aufwärmtest durchgeführt und die Umwandlung für CO, HC und NOx gemessen.
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Zum Vergleich wurde der Haltbarkeitstest an einem System durchgeführt, bei dem der
Katalysator 14 mit Heizeinrichtung vor dem monolithischen Hauptkatalysator 15
angeordnet war, wie in Fig. 9 gezeigt.
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Tabelle 2 zeigt die durchschnittliche Umwandlung, die mit dem System gemäß
vorliegender Erfindung vor und nach dem Haltbarkeitstest erzielt wurde, sowie die nach
dem Haltbarkeitstest mit dem Vergleichsbeispiel erzielte.
Tabelle 2 Durchschnittliche Umwandlung (%) Aufwärmtest
Vor dem Haltbarkeißsßest
Nach dem Haltbarkeißstest (vorliegende Erfindung)
Nach dem Haltbarkeitstest (Vergleichsbeispiel)
Beispiel 3
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Fe-Pulver, Fe-Cr-Pulver und Fe-Al-Pulver wurden gemischt, um ein Gemisch mit der
Zusammensetzung Fe-20Cr-5Al (Gew-%) herzustellen. Aus dem erhaltenen Gemisch
wurde dann durch Extrudieren ein Wabenkörper geformt. Der geformte Wabenkörper
wurde in einer H&sub2;-Atmosphäre gesintert, um eine Wabenstruktur mit einem
Außendurchmesser von 93 mm, einer Länge von 15 mm, einer Zellwand(Rippen)-Dicke
von 8 mil und einer Durchgangsdichte von 300 Zellen/in² zu erhalten. Daraufhin
wurden acht Schlitze 11, von denen sechs eine Länge von etwa 70 mm und die zwei an
den beiden Seiten angeordneten eine Länge von etwa 50 mm aufwiesen, in der
erhaltenen Wabenstruktur 10 in axialer Richtung zu ihren Durchgängen 22 so
ausgebildet, daß sie voneinander um einen Abstand getrennt waren, der vier Zellen
(etwa 8 mm) entsprach, d.h. vier Zellen wurden zwischen den benachbarten Schlitzen
11 angeordnet, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Wabenstruktur 10 wurde mit einer Schicht aus
γ-Tonerde überzogen. Daraufhin wurden 10g/ft³ Pd bzw. Pt auf die aufgetragene Schicht
geladen. Die gesamte Struktur wurde dann bei 600ºC gesintert, um einen Katalysator zu
erzeugen. In der Folge wurden zwei Elektroden 13 an der Außenwand der erhaltenen
Wabenstruktur 10 vorgesehen, wie in Fig. 4 gezeigt, um daraus einen Katalysator 14 mit
Heizeinrichtung zu machen.
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Die erhaltenen Katalysatoren 14 mit Heizeinrichtung wurden an der Vorderseite
(stromaufwärts) bzw. an der Hinterseite (stromabwärts) eines auf dem Markt erhältlichen
Dreiwegkatalysators 15 angeordnet, der ein monolithischer Hauptkatalysator ist, wie in
Fig. 10 gezeigt.
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Die Leistungsfähigkeit dieses Systems in der Startphase eines Motors wurde getestet,
indem in dieses System ein Abgas A eingebracht wurde, dessen Temperatur mit
gleichbleibender Geschwindigkeit zwei Minuten lang von 100ºC auf 420ºC erhöht und
dann eine Minute lang bei 420ºC gehalten wurde (Aufwärmtest), und indem die
Umwandlung für CO, HC und NOx gemessen werden. Zu Beginn des Tests wurden die
an der Vorderseite und an der Hinterseite des monolithischen Hauptkatalysators 15
angeordneten Katalysatoren 14 mit Heizeinrichtung eine Minute lang durch eine 12V-
Batterie mit Energie beaufschlagt, um das Abgas auf 350ºC zu erwärmen.
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Zum Vergleich wurde ein Aufwärmtest unter den gleichen Bedingungen wie jenen des
obigen Falls an einem katalytischen Konvertersystem durchgeführt, bei dem der
Katalysator mit Heizeinrichtung nur an der Rückseite des monolithischen
Hauptkatalysators 15 angeordnet war.
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Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen.
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Als nächstes wurde ein Haltbarkeitstest auf die gleiche Art wie in Beispiel 2 beschrieben
durchgeführt.
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Nachdem dieser Haltbarkeitstest 10mal durchgeführt worden war, wurde der oben
beschriebene Aufwärmtest durchgeführt und die Umwandlung für CO, HC und NOx
gemessen.
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Zum Vergleich wurde der Haitbarkeitstest unter den gleichen Bedingungen wie im
obigen Fall an einem System durchgeführt, bei dem der Katalysator 14 mit
Heizeinrichtung an der Vorderseite des monolithischen Hauptkatalysators 15
angeordnet war.
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Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Messungen.
Tabelle 3 Durchschnittliche Umwandlung (%) (Aufwärmtest)
Vorliegende Erfindung
Vergleichsbeispiel
Tabelle 4 Durchschnittliche Umwandlung (%) (Aufwärmtest durchgeführt
nach dem Haltbarkeitstest)
Vorliegende Erfindung
Vergleichsbeispiel
Beispiel 4
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Fe-Pulver, Fe-Cr-Pulver und Fe-Al-Pulver wurden gemischt, um ein Gemisch mit der
Zusammensetzung Fe-20Cr-5Al (Gew.-%) herzustellen. Aus dem erhaltenen Gemisch
wurde dann durch Extrudieren ein Wabenkörper geformt. Der Wabenformkörper wurde
in H&sub2;-Atmosphäre gesintert, um eine Wabenstruktur mit einem Außendurchmesser von
93 mm, einer Dicke von 15 mm, einer Zellwand(Rippen)-Dicke von 8mil und einer
Zelldichte von 300 Zellen/in² zu erhalten. Daraufhin wurden acht Schlitze 11, von
denen sechs eine Länge von etwa 70 mm aufwiesen, während zwei davon, die sich an
den beiden Seiten befanden, eine Länge von etwa 50 mm aufwiesen, in der erhaltenen
Wabenstruktur 10 so in axialer Richtung zu ihren Durchgängen 22 ausgebildet, wie in
Fig. 4, daß sie voneinander durch einen Abstand getrennt waren, der sieben Zellen
(etwa 10 mm) entsprach.
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Die Wabenstruktur 10 wurde mit einer γ-Tonerdeschicht beschichtet. Daraufhin wurden
209/ft³ Pd bzw. Pt auf die aufgetragene Schicht geladen. Die gesamte Struktur wurde
dann bei 600ºC gesintert, um einen Katalysator zu erzeugen. In der Folge wurden zwei
Elektroden 13 an der Außenwand der erhaltenen Wabenstruktur 10 vorgesehen, wie in
Fig. 4 gezeigt, um daraus einen Katalysator 14 mit Heizeinrichtung zu machen.
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Der erhaltene Katalysator 14 mit Heizeinrichtung wurde innerhalb des ersten
Strömungsdurchgangs 20, der sich an der Vorderseite (stromaufwärts) des
Dreiwegkatalysators befand, der der monolithische Hauptkatalysator 15 war, in den
katalytischen Konverter aufgenommen, wie in Fig. 13 gezeigt. Dieser katalytische
Konverter umfaßte weiters den vorbei leitenden Strömungsdurchgang 23, durch den ein
Abgas A mit hoher Temperatur floß, das Umschaltventil 18 an einem
Verzweigungsabschnitt 17 und einen Temperatursensor 19 stromaufwärts vom
Umschaltventil 18. Wenn die Temperatur des Abgases einen hohen Wert (z.B. 350ºC)
erreichte, wurde der Abgasfluß so reguliert, daß er durch Betätigung des
Umschaltventils 18 nicht durch den Katalysator 14 mit Heizeinrichtung hindurchführte.
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Die Leistungsfähigkeit des katalytischen Konvertersystems in der Startphase des Motors
wurde auf die gleiche Art wie in Beispiel 1 getestet, und die Umwandlung für CO, HC
und NOx gemessen. Bis die Temperatur des Abgases 350ºC erreichte, wurde das Abgas
in den ersten Strömungsdurchgang 20 eingeleitet. Wenn die Temperatur 350ºC
überstieg, wurde das Ventil 18 betätigt, um das Abgas in den monolithischen
Hauptkatalysator 15 einzuleiten. Am Beginn des Tests wurde der Katalysator mit
Heizgerät eine Minute lang von einer 12V-Batterie mit Strom versorgt, um das Abgas auf
350ºC zu erwärmen.
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Als nächstes wurde der Haltbarkeitstest am obigen System auf die gleiche Art wie in
Beispiel 2 durchgeführt.
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Nachdem dieser Haltbarkeitstest 10mal durchgeführt worden war, wurde der
Aufwärmtest durchgeführt und die Umwandlung für CO, HC und NOx gemessen.
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Zum Vergleich wurde der Haltbarkeitstest durchgeführt, indem das Ventil 18 nicht
betätigt und das gesamte Abgas in den Katalysator 14 mit Heizeinrichtung eingeleitet
wurde.
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Tabelle 5 zeigt die durchschnittliche Umwandlung, die mit dem erfindungsgemäßen
System vor und nach dem Haltbarkeitstest erzielt wurde, sowie die mit dem
Vergleichsbeispiel nach dem Haltbarkeitstest erzielte.
Tabelle 5 Durchschnittliche Umwandlung (%) (Aufwärmtest)
Vor dem Haltbarkeitstest
Nach dem Haltbarkeitstest (vorliegende Erfindung)
Nach dem Haltbbarkeitstest (Vergleichsbeispiel)
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, kann bei der Heizeinrichtung
und dem katalytischen Konverter gemäß vorliegender Erfindung der gesamte
monolithische Hauptkatalysator relativ gleichmäßig mit der Heizeinrichtung erwärmt
werden, da die Widerstandseinstelleinrichtung so auf der Heizeinrichtung ausgebildet
ist, daß ihr Heizabschnitt im wesentlichen mit dem Querschnitt des gemeinsam mit der
Heizeinrichtung vorgesehenen monolithischen Hauptkatalysators gleich ist. Weiters
kann Umwandlung effizient durchgeführt werden, da eine größere Fläche des auf der
Heizeinrichtung getragenen Katalysators erwärmt werden kann.
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Bei einem weiteren katalytischen Konverter gemäß vorliegender Erfindung ist die
Wabenheizeinrichtung stromabwärts vom monolithischen Hauptkatalysator vorgesehen.
Folglich kann in der Motorstartphase ein Abgas mit niedriger Temperatur von der
Wabenheizeinrichtung erwärmt werden. Weiters kann aufgrund des stromaufwärts von
der Wabenheizeinrichtung vorgesehenen monolithischen Hauptkatalysators die durch
das Abgas mit hoher Temperatur verursachte Korrosion der Wabenheizeinrichtung oder
die Beeinträchtigung des auf der Wabenheizeinrichtung getragenen Katalysators auf ein
Minimum gesenkt werden.
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Im Fall des katalytischen Konverters gemäß vorliegender Erfindung, bei dem ein Modul
verwendet wird, das aus einer katalysierten light-off-Wabenheizeinrichtung oder aus der
Wabenheizeinrichtung und dem monolithischen light-off-Katalysator besteht, kann ein
beschädigtes Modul durch ein neues ersetzt werden. Das ermöglicht es, die
Lebensdauer des katalytischen Konverters zu verlängern.
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Bei wieder einer anderen Art des katalytischen Konverters gemäß vorliegender
Erfindung sind die Wabenheizeinrichtungen stromaufwärts und stromabwärts vom
monolithischen Hauptkatalysator angeordnet. Folglich kann ein Abgas, dessen
Temperatur gering ist, von den Wabenheizgeräten in der Motorstartphase erwärmt
werden. Weiters kann, auch wenn der auf der stromaufwärts vom monolithischen
Hauptkatalysator vorgesehenen Heizeinrichtung getragene Katalysator während der
Verwendung beeinträchtigt wird, die Abgasumwandlungsleistung in der Motorstartphase
durch die stromabwärts vom monolithischen Hauptkatalysator angeordnete
Wabenheizeinrichtung gewährleistet werden.
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Bei einem weiteren katalytischen Konverter gemäß vorliegender Erfindung strömt nur
das Abgas, dessen Temperatur gering ist, durch die Wabenheizeinrichtung oder den
Katalysator mit Heizeinrichtung, der als Vorheizeinrichtung dient, da der
Strömungsdurchgang für das Abgas je nach der Temperatur des Abgases umgeschaltet
wird. Folglich kann die Korrosion des Metallsubstrats der Wabenheizeinrichtung oder
die Beeinträchtigung des auf der Katalysatorheizeinrichtung getragenen Katalysators
vermieden werden, die beide die Reduktion der Umwandlungsleistung für Abgas mit
geringer Temperatur verursachen.