DE102014203950A1

DE102014203950A1 - Zelluläres Substrat für einen Katalysator

Info

Publication number: DE102014203950A1
Application number: DE102014203950.9A
Authority: DE
Inventors: Christopher Mark Greiner; Lawrence M. Rose
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2014-09-11
Also published as: RU145543U1; US20140255261A1; CN203796373U

Abstract

Ein Abgasreinigungskatalysatorbaustein umfasst mehrere geformte Metallbänder, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen definieren. Die Bänder sind in Schichten miteinander verbunden, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind. Ein Katalysator-Washcoat ist auf die mehreren Metallbänder aufgebracht.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftfahrzeugkonstruktion und insbesondere auf Abgasreinigungskatalysatorbausteine und Verfahren zur Herstellung derselben.
Eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs umfasst typischerweise einen Kern oder "Baustein", der aus einem Keramikmaterial besteht. Der Baustein kann mit einem katalytischen Washcoat beschichtet sein, der einen Edelmetallkatalysator umfassen kann. Der Katalysator fördert den Abbau von beispielsweise unerwünschten Kraftmaschinenemissions-Stickstoffoxiden (NO_x), Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid (CO) und Partikeln. Im aktuellen Stand der Technik ist der Baustein eine Anordnung von vielen schmalen Röhren oder Bienenwaben, die an einem oder beiden Enden offen sind, wobei der Katalysator das Innere jeder Röhre überzieht.
Auf einigen kinetischen Gebieten ist die heterogene Katalyse einer chemischen Gasphasenreaktion – wie z. B. der Abbau von NO_x oder die Oxidation von CO – insgesamt schneller, wenn das Gas turbulent über den Katalysator strömt. Die langen, dünnen Röhren des Katalysatorbausteins des Standes der Technik transportieren jedoch das Abgas mit relativ geringer Turbulenz. Typischerweise geht die turbulente Abgasströmung an den Enden jeder Röhre in ein laminares Strömungsmodell über, wenn es durch die Röhre strömt. Eine gleichmäßige, laminare Strömung begrenzt den Massentransport der Abgase und die Reaktionsprodukte an der katalytischen Reaktionsoberfläche.
Ferner können die einzelnen Röhren des Bausteins des Standes der Technik aufgrund eines Partikelaufbaus über die Zeit verstopft werden. Dieser Effekt erhöht nicht nur den Abgasgegendruck an der Kraftmaschine, sondern verringert auch die katalytisch aktive Oberfläche, die für das Abgas zur Verfügung steht, was sowohl die Kraftmaschineneffizienz als auch die Abgasreinigungsleistung untergräbt. Schließlich ist das Keramikmaterial, aus dem ein Baustein des Standes der Technik besteht, stets brüchig und einem durch Spannung induzierten Bruch ausgesetzt. Ein solcher Bruch kann zu einer zusätzlichen Verstopfung führen.
Folglich schafft eine Ausführungsform dieser Offenbarung einen Abgasreinigungskatalysatorbaustein mit mehreren geformten Metallbändern, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen definieren. Die Bänder werden in Schichten miteinander verbunden, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind. Ein Katalysator-Washcoat wird dann auf die mehreren Metallbänder aufgebracht. Mit dieser Struktur strömt das Abgas turbulent durch den ganzen Baustein für einen schnelleren Massentransport zu und von der katalytischen Oberfläche der Zellen. Außerdem wird die Gesamtströmung durch den Baustein weniger durch die Verstopfung der individuellen Zellen beeinflusst, die sich nicht auf der ganzen Länge des Bausteins erstrecken. Hier strebt die Abgasströmung nur einen Weg um verstopfte Zellen an. Ferner ist die flexible Metallstruktur des Bausteins viel weniger anfällig für einen Bruch in Bezug auf ein Keramiksubstrat.
Die obige Zusammenfassung ist vorgesehen, um einen ausgewählten Teil dieser Offenbarung in vereinfachter Form einzuführen, nicht um Schlüssel- oder wesentliche Merkmale zu identifizieren. Der beanspruchte Gegenstand, der durch die Ansprüche definiert ist, ist weder auf den Inhalt dieser Zusammenfassung noch auf Implementierungen begrenzt, die die hier angegebenen Probleme oder Nachteile angehen.
1 und 2 zeigen Aspekte von Beispiel-Kraftmaschinensystemen gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung.
3 zeigt Aspekte einer Beispiel-Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
4 zeigt ein Band eines ersten Beispiel-Katalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
5 zeigt eine Struktur des ersten Beispiel-Katalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
6 zeigt den ersten Beispiel-Katalysatorbaustein gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
7 zeigt ein Band eines zweiten Beispiel-Katalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
8 zeigt eine Struktur des zweiten Beispiel-Katalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
9 zeigt den zweiten Beispiel-Katalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
10 zeigt Aspekte einer anderen Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung.
11 stellt ein Beispielverfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungskatalysatorbausteins gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung dar.
Aspekte dieser Offenbarung werden nun als Beispiel und mit Bezug auf die vorstehend aufgelisteten dargestellten Ausführungsformen erörtert. Komponenten, Prozessschritte und andere Elemente, die in einer oder mehreren Ausführungsformen im Wesentlichen dieselben sein können, werden koordiniert identifiziert und werden mit minimaler Wiederholung beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, dass koordiniert identifizierte Elemente sich auch in einem gewissen Grad unterscheiden können. Ferner wird angemerkt, dass die in dieser Offenbarung enthaltenen Zeichnungsfiguren schematisch und im Allgemeinen nicht maßstäblich gezeichnet sind. Vielmehr können die verschiedenen Zeichnungsmaßstäbe, Seitenverhältnisse und Zahlen von Komponenten, die in den Figuren gezeigt sind, absichtlich verzerrt sein, um bestimmte Merkmale oder Beziehungen leichter ersichtlich zu machen.
1 zeigt schematisch Aspekte eines Beispiel-Kraftmaschinensystems 10 eines Kraftfahrzeugs. Im Kraftmaschinensystem 10 wird Frischluft in den Luftfilter 12 eingeführt und strömt zum Kompressor 14. Der Kompressor kann ein beliebiger geeigneter Einlassluft-Kompressor sein – beispielsweise ein durch einen Motor angetriebener oder eine Antriebswelle angetriebener Laderkompressor. Im Kraftmaschinensystem 10 ist jedoch der Kompressor mechanisch mit einer Turbine 16 im Turbolader 18 gekoppelt, wobei die Turbine durch expandierendes Kraftmaschinenabgas vom Auslasskrümmer 20 angetrieben wird. In einer Ausführungsform können der Kompressor und die Turbine innerhalb eines Doppelschnecken-Turboladers gekoppelt sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Turbolader ein Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) sein, in dem die Turbinengeometrie aktiv als Funktion der Kraftmaschinendrehzahl verändert wird.
Der Kompressor 14 ist fluidtechnisch mit dem Einlasskrümmer 22 über einen Ladeluftkühler (CAC) 24 und ein Drosselventil 26 gekoppelt. Druckluft vom Kompressor strömt durch den CAC und das Drosselventil auf dem Weg zum Einlasskrümmer. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Kompressorumleitventil 28 zwischen den Einlass und den Auslass des Kompressors gekoppelt. Das Kompressorumleitventil kann ein normalerweise geschlossenes Ventil sein, das dazu konfiguriert ist, sich zu öffnen, um überschüssigen Ladedruck unter ausgewählten Betriebsbedingungen abzubauen.
Der Auslasskrümmer 20 und der Einlasskrümmer 22 sind mit einer Reihe von Zylindern 30 durch eine Reihe von Auslassventilen 32 bzw. Einlassventilen 34 gekoppelt. In einer Ausführungsform können die Auslass- und/oder Einlassventile elektronisch betätigt sein. In einer anderen Ausführungsform können die Auslass- und/oder Einlassventile durch einen Nocken betätigt sein. Ob elektronisch betätigt oder durch einen Nocken betätigt kann die Zeitsteuerung des Auslass- und Einlassventilöffnens und -schließens nach Bedarf für eine gewünschte Verbrennungs- und Abgasreinigungsleistung eingestellt werden.
Zylinder 30 können mit irgendeinem von einer Vielfalt von Kraftstoffen in Abhängigkeit von der Ausführungsform versorgt werden: Benzin, Alkoholen oder Gemischen davon. In der dargestellten Ausführungsform wird Kraftstoff vom Kraftstoffsystem 36 zu den Zylindern über Direkteinspritzung durch Kraftstoffeinspritzdüsen 38 zugeführt. In den hier betrachteten verschiedenen Ausführungsformen kann der Kraftstoff über Direkteinspritzung, Kanaleinspritzung, Drosselkörpereinspritzung oder irgendeine Kombination davon zugeführt werden. Im Kraftmaschinensystem 10 wird die Verbrennung über Funkenzündung an Zündkerzen 40 eingeleitet. Die Zündkerzen werden durch zeitgesteuerte Hochspannungsimpulse von einer elektronischen Zündeinheit (in den Zeichnungen nicht gezeigt) angesteuert.
Das Kraftmaschinensystem 10 umfasst ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil (HP-AGR-Ventil) 42 und einen HP-AGR-Kühler 44. Wenn das HP-AGR-Ventil geöffnet wird, wird einiges Hochdruckabgas vom Auslasskrümmer 20 durch den HP-AGR-Kühler zum Einlasskrümmer 22 gesaugt. Im Einlasskrümmer verdünnt das Hochdruckabgas die Einlassluftladung für kältere Verbrennungstemperaturen, verringerte Emissionen und andere Vorteile. Das restliche Abgas strömt zur Turbine 16, um die Turbine anzutreiben. Wenn ein verringertes Turbinendrehmoment erwünscht ist, kann einiges oder alles des Abgases stattdessen durch den Ladedruckbegrenzer 46 gelenkt werden, wobei die Turbine umgangen wird. Die kombinierte Strömung von der Turbine und vom Ladedruckbegrenzer strömt dann durch die verschiedenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen des Kraftmaschinensystems, wie nachstehend weiter beschrieben.
Im Kraftmaschinensystem 10 ist eine Dreiwege-Katalysatorvorrichtung (TWC-Vorrichtung) 48 stromabwärts der Turbine 16 gekoppelt. Die TWC-Vorrichtung umfasst eine interne Katalysatorstützstruktur, auf die ein katalytischer Washcoat aufgebracht ist. Der Washcoat ist dazu konfiguriert, restliches CO, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und Stickstoffoxide (NO_x) zu reduzieren, die im Kraftmaschinenabgas vorhanden sind. Eine Mager-NO_x-Falle (LNT) 50 ist stromabwärts der TWC-Vorrichtung 48 gekoppelt. Die LNT ist dazu konfiguriert, NO_x von der Abgasströmung einzufangen, wenn die Abgasströmung mager ist, und das eingefangene NO_x zu reduzieren, wenn die Abgasströmung fett ist.
Es wird angemerkt, dass die Art, Anzahl und Anordnung von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen im Kraftmaschinensystem sich für die verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung unterscheiden können. Einige Konfigurationen können beispielsweise einen zusätzlichen Rußfilter oder eine Mehrzweck-Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfassen, die Rußfilterung mit anderen Abgasreinigungsfunktionen wie z. B. NO_x-Einfang kombiniert.
Mit Fortsetzung in 1 kann alles oder ein Teil des behandelten Abgases über einen Auspufftopf 52 in die Umgebung abgegeben werden. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kann jedoch einiges behandeltes Abgas durch einen Niederdruck-AGR-Kühler (LP-AGR-Kühler) 54 umgeleitet werden. Das Abgas kann durch Öffnen eines LP-AGR-Ventils 56, das mit dem LP-AGR-Kühler in Reihe gekoppelt ist, umgeleitet werden. Vom LP-AGR-Kühler 54 strömt das gekühlte Abgas zum Kompressor 14. Durch teilweises Schließen des Abgasgegendruckventils 58 kann das Strömungspotential für LP-AGR während ausgewählter Betriebsbedingungen erhöht werden. Andere Konfigurationen können ein Drosselventil stromaufwärts des Luftfilters 12 anstelle des Abgasgegendruckventils umfassen.
Das Kraftmaschinensystem 10 umfasst ein elektronisches Steuersystem 60, das dazu konfiguriert ist, verschiedene Kraftmaschinensystemfunktionen zu steuern. Das elektronische Steuersystem umfasst einen Speicher und einen oder mehrere Prozessoren, die für eine geeignete Entscheidungsfindung in Reaktion auf eine Sensoreingabe konfiguriert sind und auf eine intelligente Steuerung der Kraftmaschinensystemkomponenten gerichtet sind. Eine solche Entscheidungsfindung kann gemäß verschiedenen Strategien verordnet werden, wie z. B. durch ein Ereignis gesteuert, durch eine Unterbrechung gesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. In dieser Weise kann das elektronische Steuersystem dazu konfiguriert sein, irgendeinen oder alle Aspekte der nachstehend offenbarten Verfahren zu verordnen. Folglich können die nachstehend offenbarten Verfahrensschritte – z. B. Operationen, Funktionen und/oder Handlungen – als Code verkörpert sein, der in maschinenlesbare Speichermedien im elektronischen Steuersystem programmiert ist. In dieser Weise kann das ECS dazu konfiguriert sein, beliebige oder alle Aspekte der hier offenbarten Verfahren zu verordnen, wobei die verschiedenen Verfahrensschritte – z. B. Operationen, Funktionen und Handlungen – als Code verkörpert sein können, der in maschinenlesbare Speichermedien im ECS programmiert ist.
Das elektronische Steuersystem 60 umfasst eine Sensorschnittstelle 62, eine Kraftmaschinensteuerschnittstelle 64 und eine Borddiagnoseeinheit (OBD-Einheit) 66. Um Betriebsbedingungen des Kraftmaschinensystem 10 und des Fahrzeugs, in dem das Kraftmaschinensystem installiert ist, zu bewerten, empfängt die Sensorschnittstelle 62 eine Eingabe von verschiedenen Sensoren, die im Fahrzeug angeordnet sind – Strömungssensoren, Temperatursensoren, Pedalpositionssensoren, Drucksensoren usw. Einige Beispielsensoren sind in 1 gezeigt – ein Krümmerluftdrucksensor (MAP-Sensor) 68, Krümmerlufttemperatursensor (MAT) 70, Luftmassensensor (MAF-Sensor) 72, NO_x-Sensor 74 und Auslasssystem-Temperatursensor 76. Verschiedene andere Sensoren können ebenso vorgesehen sein.
Das elektronische Steuersystem 60 umfasst auch eine Kraftmaschinensteuerschnittstelle 64. Die Kraftmaschinensteuerschnittstelle ist dazu konfiguriert, elektronisch steuerbare Ventile, Aktuatoren und andere Komponenten des Fahrzeugs zu betätigen – beispielsweise ein Drosselventil 26, ein Kompressorumleitventil 28, einen Ladedruckbegrenzer 46 und AGR-Ventile 42 und 56. Die Kraftmaschinensteuerschnittstelle ist mit jedem elektronisch gesteuerten Ventil und Aktuator wirksam gekoppelt und ist dazu konfiguriert, sein Öffnen, Schließen, und/oder seine Einstellung zu befehlen, wie erforderlich, um die hier beschriebenen Steuerfunktionen zu verordnen.
Das elektronische Steuersystem 60 umfasst auch eine Borddiagnoseeinheit (OBD-Einheit) 66. Die OBD-Einheit ist ein Abschnitt des elektronischen Steuersystems, der dazu konfiguriert ist, die Verschlechterung von verschiedenen Komponenten des Kraftmaschinensystems 10 zu diagnostizieren. Solche Komponenten können Sauerstoffsensoren, Kraftstoffeinspritzdüsen und Abgasreinigungskomponenten als Beispiele umfassen.
2 zeigt Aspekte eines anderen Kraftmaschinensystems 78 – einer Dieselkraftmaschine, in der eine Verbrennung über Kompressionszündung eingeleitet wird. Folglich werden die Zylinder 30 des Kraftmaschinensystems 78 mit Dieselkraftstoff, Biodiesel usw. vom Kraftstoffsystem 36 versorgt. Im Kraftmaschinensystem 78 ist eine Dieseloxidationskatalysator-Vorrichtung (DOC-Vorrichtung) 80 stromabwärts der Turbine 16 gekoppelt. Die DOC-Vorrichtung umfasst eine interne Katalysatorstützstruktur, auf die ein DOC-Washcoat aufgebracht ist. Die DOC-Vorrichtung ist dazu konfiguriert, restliches CO, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, die im Kraftmaschinenabgas vorhanden sind, zu oxidieren.
Ein Dieselpartikelfilter (DPF) 82 ist stromabwärts der DOC-Vorrichtung 80 gekoppelt. Der DPF ist ein regenerierbarer Rußfilter, der dazu konfiguriert ist, Ruß, der in der Abgasströmung mitgeführt wird, einzufangen; er umfasst ein Rußfiltersubstrat. Auf das Substrat ist ein Washcoat aufgebracht, der die Oxidation des angesammelten Rußes und die Wiederherstellung der Filterkapazität unter bestimmten Bedingungen fördert. In einer Ausführungsform kann der angesammelte Ruß intermittierenden Oxidationsbedingungen unterzogen werden, bei denen die Kraftmaschinenfunktion eingestellt wird, um vorübergehend ein Abgas mit höherer Temperatur bereitzustellen. In einer anderen Ausführungsform kann der angesammelte Ruß kontinuierlich oder quasi kontinuierlich während normaler Betriebsbedingungen oxidiert werden.
Eine Reduktionsmitteleinspritzdüse 84, ein Reduktionsmittelmischer 86 und eine SCR-Vorrichtung 88 sind stromabwärts des DPF 82 im Kraftmaschinensystem 78 gekoppelt. Die Reduktionsmitteleinspritzdüse ist dazu konfiguriert, ein Reduktionsmittel (z. B. eine Harnstofflösung) vom Reduktionsmittelreservoir 90 zu empfangen und das Reduktionsmittel steuerbar in die Abgasströmung einzuspritzen. Die Reduktionsmitteleinspritzdüse kann eine Düse umfassen, die die Reduktionsmittellösung in Form eines Aerosols dispergiert. Stromabwärts der Reduktionsmitteleinspritzdüse angeordnet ist der Reduktionsmittelmischer dazu konfiguriert, den Umfang und/oder die Homogenität der Dispersion des eingespritzten Reduktionsmittels in der Abgasströmung zu erhöhen. Der Reduktionsmittelmischer kann ein oder mehrere Flügel umfassen, die dazu konfiguriert sind, die Abgasströmung und das mitgeführte Reduktionsmittel zu verwirbeln, um die Dispersion zu verbessern. Nachdem es im heißen Kraftmaschinenabgas dispergiert ist, kann sich zumindest einiges des eingespritzten Reduktionsmittels zersetzen. In Ausführungsformen, in denen das Reduktionsmittel eine Harnstofflösung ist, zersetzt sich das Reduktionsmittel zu Wasser, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid. Der restliche Harnstoff zersetzt sich beim Auftreffen auf den SCR-Katalysator (siehe unten).
Die SCR-Vorrichtung 88 ist stromabwärts des Reduktionsmittelmischers 86 gekoppelt. Die SCR-Vorrichtung kann dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere chemische Reaktionen zwischen Ammoniak, der durch die Zersetzung des eingespritzten Reduktionsmittels gebildet wird, und NO_x vom Kraftmaschinenabgas zu erleichtern, wodurch die Menge an NO_x, das in die Umgebung abgegeben wird, verringert wird. Die SCR-Vorrichtung umfasst eine interne Katalysatorstützstruktur, auf die ein SCR-Washcoat aufgebracht ist. Der SCR-Washcoat ist dazu konfiguriert, das NO_x und den Ammoniak zu sorbieren und die Redox-Reaktion derselben zu katalysieren, um Distickstoff (N₂) und Wasser zu bilden.
Die vorstehend beschriebenen Kraftmaschinensysteme umfassen verschiedene Abgasreinigungsvorrichtungen – beispielsweise die TWC-Vorrichtung 48, die LNT 50, die DOC-Vorrichtung 80, den DPF 82 und die SCR-Vorrichtung 88. Irgendeine, einige oder alle dieser Vorrichtungen können einen Abgasreinigungskatalysatorbaustein 92 innerhalb eines Gehäuses 94 umfassen, wie für die allgemeine Abgasreinigungsvorrichtung 96 von 3 gezeigt. Der Abgasreinigungskatalysatorbaustein kann mehrere geformte Metallbänder umfassen, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen definieren. Die Bänder können in Schichten miteinander verbunden sein, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind, wie nachstehend weiter beschrieben. In den hier in Betracht gezogenen Ausführungsformen kann ein Katalysator-Washcoat, der für irgendeine der obigen Abgasreinigungsvorrichtungen geeignet ist, auf die mehreren Metallbänder aufgebracht sein, um die gewünschte katalytische Aktivität zu unterstützen.
4, 5 und 6 zeigen Aspekte eines Beispiel-Katalysatorbausteins 92A in einer Ausführungsform. 4 zeigt ein einzelnes geformtes Metallband 98A, das als Baueinheit für den Katalysatorbaustein dienen kann. In einer Ausführungsform kann das Band eine Edelstahllegierung umfassen. In anderen Ausführungsformen kann das Band Titan oder irgendein anderes geeignet starkes und flexibles feuerfestes Metall umfassen. In der Ausführungsform von 4 ist das Band entlang Faltlinien 100 zu einer Reihe von sich wiederholenden dreieckigen Wandabschnitten 102A gefaltet. Das Band kann ein bis zehn Millimeter in der Breite W und so lang wie erforderlich sein, um sich über den Baustein zu erstrecken.
5 zeigt eine teilweise Struktur des Katalysatorbausteins 92A. In dieser Struktur sind mehrere Bänder 98A in Schichten 104 miteinander verbunden. Für Erläuterungszwecke sind nur zwei Schichten in der Zeichnung gezeigt; der Baustein könnte in der Praxis Dutzende oder Hunderte von Schichten umfassen. Jede Schicht kann eine Dicke von ein bis zehn Millimeter aufweisen, wobei ein Abstand der Breite eines Bandes entspricht. In dieser Weise angeordnet definieren die Bänder zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen 106. In einer Ausführungsform ist jede offene Zelle in der Querschnittsfläche ein bis einhundert Quadratmillimeter. Wie in der Zeichnung gezeigt, stellt jede Schicht mehrere offene Zellen dar; jede offene Zelle umfasst ein offenes Einlassende 108 entgegengesetzt zu einem offenen Auslassende 110, wobei mehrere Wandabschnitte 102 benachbart zu den Einlass- und Auslassenden angeordnet ist. In dieser und anderen Ausführungsformen ist jede offene Zelle ein rechteckiges Prisma mit vier geschlossenen Wandabschnitten benachbart zu den Einlass- und Auslassenden.
Der Katalysatorbaustein 92A ist dazu konfiguriert, Abgas vom Einlassende 108 zum Auslassende 110 jeder offenen Zelle 106 zu leiten. In der Ausführungsform, wie dargestellt, sind die Wandabschnitte parallel zueinander und zur Richtung der Abgasströmung durch den Baustein. In anderen Ausführungsformen können die Wandabschnitte zur Richtung der Abgasströmung durch den Baustein schräg sein, um die Strömungstrennung und Turbulenz zu verstärken.
In der Ausführungsform von 5 sind benachbarte Bänder 98A einer gegebenen Schicht 104 mit parallelen Faltlinien 100 angeordnet. Die Bänder sind an Scheitelpunkten 112 der dreieckigen Wandabschnitte verbunden, um die offenen Zellen 106 auszubilden. Ferner sind benachbarte Schichten von offenen Zellen an Schnittpunkten 114 zwischen den geformten Bändern einer Schicht und den geformten Bändern einer benachbarten Schicht miteinander verbunden. In dieser und anderen Ausführungsformen sind die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt. In einigen Ausführungsformen sind benachbarte Schichten des Bausteins um etwa eine Hälfte einer Breite und/oder Höhe von einer der offenen Zellen versetzt, wie in den Zeichnungen gezeigt. 6 zeigt einen vollständig ausgebildeten Katalysatorbaustein 92A in einer Ausführungsform.
7, 8 und 9 zeigen Aspekte eines anderen Beispiel-Katalysatorbausteins 92B. Diese Ausführungsform ist wie die vorherige, außer dass jedes Band 98B in eine Reihe von sich wiederholenden rechteckigen Wandabschnitten 116 gefaltet ist, wie in 7 gezeigt. Mit Bezug auf 8 sind benachbarte Bänder einer gegebenen Schicht 104 wie in der vorherigen Ausführungsform mit parallelen Faltlinien 100 angeordnet. Die Bänder sind an den Ecken 118 der rechteckigen Wandabschnitte verbunden, um offene Zellen 106 zu bilden.
Mit Rückkehr zu 3 ist das Gehäuse 94, das den Baustein 92 umgibt, dazu konfiguriert, Kraftmaschinenabgas zu empfangen, das Abgas in die mehreren offenen Zellen einer Einlassschicht 120 des Bausteins zu führen und das aus den mehreren offenen Zellen einer Auslassschicht 122 des Bausteins abgegebene Abgas zu sammeln. In dieser Ausführungsform stützt das Gehäuse den Baustein ab, wobei seine Schichten aus geformten Metallbändern zur Nettoströmungsrichtung des Abgases durch die Vorrichtung senkrecht sind. In der Abgasreinigungsvorrichtung 96´ von 10 stützt dagegen das Gehäuse 94 den Baustein 92 ab, wobei seine Schichten von geformten Metallbändern zur Nettoströmungsrichtung des Abgases durch die Vorrichtung schräg sind. Die Konfiguration erhöht weiter den Grad der Turbulenz in der Abgasströmung durch den Baustein, was die hinsichtlich des Massentransports begrenzten Raten der katalytischen Reaktionen darin erhöhen kann.
Kein Aspekt der obigen Zeichnungen oder der Beschreibung sollte in einer begrenzenden Hinsicht verstanden werden, da zahlreiche andere Ausführungsformen innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs dieser Offenbarung liegen. Anstatt dass die verschiedenen Schichten des Katalysatorbausteins eben und zueinander parallel sind, wie in den Zeichnungen gezeigt, können die Schichten beispielsweise konzentrisch wie jene einer Biskuitrolle sein. Diese Struktur kann beispielsweise in einem zylindrischen Baustein verwendet werden, der in einem zylindrischen Gehäuse abgestützt ist.
Die hier beschriebenen Konfigurationen ermöglichen verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungskatalysatorbausteins. Folglich werden einige derartige Verfahren nun beispielhaft mit fortgesetztem Bezug auf die obigen Konfigurationen beschrieben. Selbstverständlich können jedoch die hier beschriebenen Verfahren und andere innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung ebenso durch andere Konfigurationen ermöglicht werden. Ferner können einige der hier beschriebenen und/oder erläuterten Prozessschritte in einigen Ausführungsformen weggelassen werden, ohne vom Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen.
Ebenso kann die angegebene Sequenz der Prozessschritte nicht immer erforderlich sein, um die beabsichtigten Ergebnisse zu erzielen, sondern ist für eine leichte Erläuterung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der dargestellten Handlungen, Funktionen, Operationen können in Abhängigkeit von der verwendeten speziellen Strategie wiederholt durchgeführt werden.
11 stellt ein Beispielverfahren 124 zur Herstellung eines Abgasreinigungskatalysatorbausteins in einer Ausführungsform dar. Bei 126 des Verfahrens 124 werden mehrere Metalbänder durch Walzen und Schneiden der Bänder aus Metallblechmaterial (z. B. Edelstahl- oder Titanmaterial) ausgebildet. Solche Vorgänge können mit einem Werkzeug ähnlich zu einem ausgeführt werden, das bei der Herstellung von Kühlerrippen verwendet wird. Bei 128 werden die Bänder zu einer Reihe von sich wiederholenden dreieckigen oder rechteckigen Wandabschnitten gefaltet. Bei 130 werden benachbarte Bänder einer gegebenen Schicht mit parallelen Faltlinien angeordnet. Bei 132 werden benachbarte Bänder der gegebenen Schicht an den Scheitelpunkten oder Ecken der Wandabschnitte verbunden, um die offenen Zellen des Katalysatorbausteins auszubilden. Bei 134 werden die Schichten von gefalteten Metallbändern gestapelt, wobei offene Zellen von benachbarten Schichten voneinander versetzt sind. In dieser Weise werden mehrere Metallbänder ausgebildet, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen definieren. Bei 136 werden die versetzten Schichten an Schnittpunkten zwischen den geformten Bändern einer Schicht und den geformten Bändern einer benachbarten Schicht verbunden. Benachbarte Schichten können in einer Ausführungsform durch Induktionsschweißen verbunden werden. Folglich können die Bänder in Schichten miteinander verbunden werden, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind. Bei 138 des Verfahrens 124 wird ein Katalysator-Washcoat auf die verbundenen Bänder aufgebracht. Bei 140 werden die gestapelten Schichten von gefalteten Metallbändern in einem Polyedergehäuse eingeschlossen. Das Gehäuse kann in einigen Ausführungsformen rechteckig prismatisch oder hexagonal prismatisch sein – geformt wie erforderlich, um den eingeschlossenen Katalysatorbaustein abdichtbar aufzunehmen.
Bei bestimmten anderen Verfahren können die Schichten von gefalteten Metallbändern zu einer Biskuitrollenkonfiguration gerollt werden (vgl. 134 des Verfahrens 124), anstatt dass sie gestapelt werden. In dieser Ausführungsform können die gerollten Schichten von gefalteten Metallbändern in einem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen werden. In einer anderen gestapelten Konfiguration kann eine lange Platte mit einer Struktur und Dicke entsprechend einer Schicht 104 des Katalysatorbausteins über einen kontinuierlichen Prozess ausgebildet werden. Diese Platte kann in einem Zickzack-Muster gefaltet werden, um parallele Schichten auszubilden, die anschließend miteinander verbunden werden, um einen rechteckigen prismatischen Baustein zu bilden.
Selbstverständlich sind die vorstehend beschriebenen Gegenstände, Systeme und Verfahren Ausführungsformen dieser Offenbarung – nicht begrenzende Beispiele, für die zahlreiche Variationen und Erweiterungen ebenso in Erwägung gezogen werden. Diese Offenbarung umfasst auch alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der obigen Gegenstände, Systeme und Verfahren und beliebige und alle Äquivalente davon.

Claims

Abgasreinigungskatalysatorbaustein, der Folgendes umfasst: mehrere geformte Metallbänder, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen bilden, wobei die Bänder in Schichten miteinander verbunden sind, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind; und einen Katalysator-Washcoat, der auf die mehreren Metallbänder aufgebracht ist.
Baustein nach Anspruch 1, wobei die Bänder aus einer Edelstahllegierung bestehen.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jede Schicht eine Dicke von ein bis zehn Millimetern aufweist und wobei jede offene Zelle eine Querschnittsfläche von ein bis einhundert Quadratmillimetern aufweist.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jede offene Zelle ein offenes Einlassende entgegengesetzt zu einem offenen Auslassende und mehrere Wandabschnitte benachbart zu den Einlass- und Auslassenden umfasst, und wobei die Wandabschnitte zueinander und zur Richtung der Abgasströmung durch den Baustein parallel sind.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jede offene Zelle ein offenes Einlassende entgegengesetzt zu einem offenen Auslassende und mehrere Wandabschnitte benachbart zu den Einlass- und Auslassenden umfasst, und wobei die Wandabschnitte zur Richtung der Abgasströmung durch den Baustein schräg sind.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jede offene Zelle ein rechteckiges Prisma mit einem offenen Einlassende entgegengesetzt zu einem offenen Auslassende und vier geschlossenen Wandabschnitten benachbart zu den Einlass- und Auslassenden ist, und wobei der Baustein dazu konfiguriert ist, Abgas vom Einlassende zum Auslassende jeder offenen Zelle zu leiten.
Baustein nach Anspruch 1, wobei die benachbarten Schichten von offenen Zellen an Schnittpunkten zwischen den geformten Bändern einer Schicht und den geformten Bändern einer benachbarten Schicht miteinander verbunden sind.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jedes Band in eine Reihe von sich wiederholenden dreieckigen Wandabschnitten gefaltet ist, wobei benachbarte Bänder einer gegebenen Schicht mit parallelen Faltlinien angeordnet sind und an den Scheitelpunkten der dreieckigen Wandabschnitte verbunden sind, um die offenen Zellen zu bilden.
Baustein nach Anspruch 1, wobei jedes Band in eine Reihe von sich wiederholenden rechteckigen Wandabschnitten gefaltet ist, wobei benachbarte Bänder einer gegebenen Schicht mit parallelen Faltlinien angeordnet sind und an den Ecken der rechteckigen Wandabschnitte verbunden sind, um die offenen Zellen zu bilden.
Baustein nach Anspruch 1, wobei die benachbarten Schichten um etwa eine Hälfte einer Breite und/oder Höhe von einer der offenen Zellen versetzt sind.
Baustein nach Anspruch 1, wobei der Washcoat einer oder mehrere eines Dreiwege-Katalysator-Washcoats (TWC-Washcoats), eines Dieseloxidationskatalysator-Washcoats (DOC-Washcoats), eines Mager-NO_x-Fallen-Washcoats (LNT-Washcoats) und eines Washcoats zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungskatalysatorbausteins, das Folgendes umfasst: Ausbilden von mehreren Metallbändern, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen bilden; Verbinden der Bänder miteinander in Schichten, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind; und Aufbringen eines Katalysator-Washcoats auf die Bänder.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Verbinden der versetzten Schichten an Schnittpunkten zwischen den geformten Bändern einer Schicht und den geformten Bändern einer benachbarten Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verbinden miteinander das Verbinden durch Induktionsschweißen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der mehreren Metallbänder das Walzen und Schneiden der Bänder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der mehreren Metallbänder Folgendes umfasst: Falten der Bänder in eine Reihe von sich wiederholenden dreieckigen oder rechteckigen Wandabschnitten; Anordnen von benachbarten Bändern einer gegebenen Schicht mit parallelen Faltlinien; und Verbinden der benachbarten Bänder der gegebenen Schicht an den Scheitelpunkten oder Ecken der Wandabschnitte, um die offenen Zellen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Stapeln der Schichten von gefalteten Metallbändern und Einschließen der gestapelten Schichten von gefalteten Metallbändern in einem Polyedergehäuse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Rollen der gefalteten Metallbänder und Einschließen der gerollten Schichten von gefalteten Metallbändern in einem zylindrischen Gehäuse umfasst.
Abgasreinigungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Baustein mit mehreren geformten Metallbändern, die zusammen ein sich wiederholendes Muster von offenen Zellen bilden, wobei die Bänder in Schichten miteinander verbunden sind, wobei die offenen Zellen jeder Schicht von jenen der benachbarten Schicht versetzt sind; einen Katalysator-Washcoat, der auf die mehreren Metallbänder aufgebracht ist; und den Baustein umgebend ein Gehäuse, das dazu konfiguriert ist, Kraftmaschinenabgas zu empfangen, das Abgas in die mehreren offenen Zellen einer Einlassschicht des Bausteins zu führen und das aus den mehreren offenen Zellen einer Auslassschicht des Bausteins abgegebene Abgas zu sammeln.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Gehäuse den Baustein abstützt, wobei seine Schichten aus geformten Metallbändern zur Nettoströmungsrichtung des Abgases durch die Vorrichtung schräg sind.