DE19945742C1 - Metallfaser-Katalysator und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Metallfaser-Katalysatorkörper zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, der ein Gewebe, Gestrick oder Faserfließ aus Metallfasern enthält, wobei Katalysatormaterial in den Metallfasern enthalten oder selbst in Form von Fasern in dem Gewebe vorliegt, und ein Verfahren zur Herstellung von Fasern für diesen Katalysatorkörper. Um die Nachteile von Abrieb und Versinterung bei hohen Temperaturen von Katalysatorbeschichtungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, durch Schmelzextraktion sehr dünne Fasern aus dem Metall, dem Katalysatormaterial und/oder aus einer Legierung aus Metall und Katalysatormaterial zu bilden und aus diesen ein textiles Gewebe zu formen. Die dünnen Fasern zeichnen sich durch hohe Homogenität, Oberfläche und Temperaturbeständigkeit aus, so daß der sich ergebende Katalysatorkörper im oder nahe des Brennraums angeordnet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Metallfaser-Katalysatorkörper zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, der ein Gewebe, Gestrick oder Faserfließ aus Metallfasern enthält, wobei Kata­ lysatormaterial in den Metallfasern enthalten oder selbst in Form von Fasern in dem Gewebe vorliegt, und ein Verfahren zur Herstellung von Fasern für diesen Katalysatorkörper.

Es sind verschiedene Katalysatoren zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen bekannt. Diese haben die Aufgabe, Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid, Stickoxide, und Kohlenwasser­ stoffe, aus dem Abgasstrom zu entfernen. Hierzu werden die Schadstoffe oxidiert oder chemisch umgesetzt, so daß Kohlendi­ oxid, Wasser und Stickstoff als Reaktionsprodukte verbleiben. Der diese chemische Reaktionen bewirkende und beschleunigende Katalysator muß zur wirkungsvollen Abgasreinigung mit einer großen Oberfläche pro Katalysatorvolumen bereitgestellt wer­ den. Die Katalysatoren sind hierzu meist aus einem Trägerwerk­ stoff, beispielsweise von feinen Kanälen durchzogene, kerami­ sche Monolithe hergestellt, auf die zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche ein sogenannter washcoat aufgebracht ist, der wiederum mit dem katalytisch wirkenden Material beschichtet ist. Als Katalysatormaterial werden in der Regel Edelmetalle, wie Platin, Paladium oder Rhodium, oder Oxide von verschiede­ nen Nichtedelmetallen, wie Chrom, Molybdän oder Vanadium, ein­ gesetzt.

Die Abgasreinigung mittels Katalysatoren setzt ab einer be­ stimmten Abgastemperatur, ab etwa 250°C, ein. Bei diesen Tem­ peraturen, die sich im Laufe des Fahrbetriebs einstellen, kön­ nen dann bis zu über 90% der Schadstoffe entfernt werden. Bei Betriebstemperaturen ab 550°C kann eine Schädigung der Kataly­ satoren eintreten, da thermische Überhitzung zum Sintern der Beschichtung führt.

Da bei den niederen Temperaturen während der Warmlaufphase bis zum Erreichen der Reaktionstemperatur die Abgase nahezu unge­ reinigt den Auspuffverlassen, sind u. a. elektrische Heizele­ mente vorgesehen, die den Katalysator auf seine Starttempera­ tur erwärmen.

Problematisch ist weiterhin der Verschleiß der dünnen kataly­ tisch wirkenden Beschichtung, die die Lebensdauer der Kataly­ satoren und damit der Abgasentgiftung begrenzt.

In der EP 0 364 153 A1 ist als Katalysatormaterial ein metal­ lisches Geflecht aus Fasern vorgeschlagen, die aus einem Edel­ metall wie Platin oder aus Edelmetallegierungen besteht. Ein Katalysatorkörper, der Drähte oder Fasern aufweist, die ein- oder mehrlagig als Gewebe, Geflecht oder Gestrick ausgebildet sind, ist aus der DE 40 22 937 A1 bekannt wobei die Drähte oder Fasern durch Versintern oder Verschweißen wenigstens teilweise miteinander verbunden sind. Katalytisch wirkende Werkstoffe können hierbei durch Beschichtung auf das Gewebe aufgebracht sein, oder aber selbst dieses bilden. Ein ähnli­ ches Geflecht wird in der DE 42 21 763 A1 vorgeschlagen, bei dem Materialien mit katalytischer Wirkung durch Aufsintern oder durch Flammspritzen auf das Geflecht aufgebracht oder ka­ talytisch wirkendes Metallpulver in einem Oxidationsverfahren aufoxidiert wird. Hierdurch soll eine Erhöhung der Katalysato­ roberfläche bewirkt werden. Ein weiteres Verfahren zum Auf­ bringen katalytisch wirkender Materialien auf einen Kataly­ satorträger ist aus der DE 42 00 995 A1 bekannt. Hierbei wird ein wabenförmiges Gasadsorptionselement zunächst mit einer Dispersion von Teilchen des Katalysators imprägniert, wobei nach dem Trocknen die Zwischenräume der Teilchen des Katalysa­ tors und der Fasern gleichmäßig mit einer Dispersion eines an­ organischen Bindemittels imprägniert und getrocknet werden. Hierdurch findet eine feste Verbindung der Katalysatorteilchen mit dem Katalysatorträger statt.

Schließlich ist aus der DE 40 12 719 A1 ein aus Fasermatten oder Faserwatte hergestellter Filter für die Abgasreinigung bei Dieselmotoren bekannt, der auch als Träger für Oxidations- und Reduktionskatalysatoren verwendet werden kann. Das Kataly­ satormaterial wird hier in fein verteilter Form auf den Filter aufgebracht, es kann sich aber auch in der Oberfläche des Fa­ sermaterials selbst befinden, wodurch der Abtrag an Katalysa­ tormaterial wesentlich verringert werden soll. Zum Implantie­ ren von Katalysatormaterial in eine adsorptiv wirkende Schicht wird in der DE 44 23 329 A1 das bekannte Sol-Gel-Verfahren vorgeschlagen.

Die bekannten, Metallfasergeflechte verwendende Katalysatoren weisen verschiedene Nachteile auf. Bei Beschichtung mit dem katalytisch wirksamen Material ist Abrieb der Beschichtung und ein Versintern bei thermischer Überhitzung unvermeidlich, so daß die Lebensdauer dieser Katalysatoren begrenzt ist. Die mit den bisher bekannten Techniken hergestellten katalytischen Edelmetallfasern besitzen eine ungünstige Relation von wirksa­ mer Oberfläche zu eingesetztem Volumen, wodurch die Effektivi­ tät des Katalysators vermindert und unnötig viel Katalysator­ material verschwendet wird. Werden die Katalysatorteilchen mittels Implantierung oder durch sonst übliche schmelzmetall­ urgische Verfahren in den Katalysatorträger eingebracht, sind Inhomogenitäten, Entmischungen und Seigerung zu beobachten.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, einen wirksamen Metallfaser-Katalysatorkörper hoher Lebensdauer vorzuschlagen, der die genannten Nachteile vermeidet, sowie ein Verfahren zur Herstellung von für einen solchen Katalysator geeigneten Fa­ sern anzugeben. Der erhaltene Katalysator soll nahe des Brenn­ raums der Brennkraftmaschine angebracht werden können, ohne durch thermische Überhitzung beschädigt zu werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Metallfaser-Katalysatorkörper kann das Katalysatormaterial entweder in den Metallfasern enthalten sein oder selbst in Form von Fasern vorliegen. Im ersten Fall bestehen die Metallfasern aus einer homogenen Legierung des Katalysatormaterials mit dem Katalysatorträgermaterial, die durch Schmelzextraktion hergestellt sind. Es stellt sich her­ aus, daß das an sich bekannte Schmelzextraktionsverfahren her­ vorragend für die Herstellung solcher Fasern geeignet ist. Im Gegensatz zu den anderen bekannten schmelzmetallurgischen Ver­ fahren tritt überraschenderweise keine Entmischung oder Seige­ rung ein und die Homogenität der Legierung bleibt langdauernd erhalten.

Bei der Schmelzextraktion wird eine rotierende, mehrschneidige Walze in ein Schmelzbad eingetaucht, wobei an den Kanten der Walze Schmelzfäden aus dem Schmelzbad gezogen werden. Die Schmelzfäden erstarren an den Kanten der wassergekühlten Walze sehr schnell und werden durch die Fliehkraft von dieser abge­ trennt. Bei Legierungen arbeitet die Schmelzextraktion meist unter Schutzgasatmosphären oder Vakuum, um Oxidationen und Schlackenbildung an der Oberfläche des Schmelzbades zu verhin­ dern. Durchmesser und Rotationsgeschwindigkeit der Walze sowie die Temperatur des Schmelzbades und der Walze sind neben der Art der Legierung Faktoren, die die Länge und Dünne der metal­ lischen Fasern und deren Homogenität bestimmen. Es können sehr dünne metallische Fasern mit weniger als 100 µm Durchmesser hergestellt werden, die mit einem zeitlichen Temperaturgra­ dienten von 10⁵ K/s zu Fasern erstarren. Bei dieser schnellen Abkühlung sind Entmischungen nicht möglich.

Bei einem Katalysatorkörper, bei dem Metallfasern und Fasern aus Katalysatormaterial zu einem Gewebe verbunden sind, können erfindungsgemäß durch Schmelzextraktion hergestellte Fasern verwendet werden. Die sehr dünnen metallischen Fasern lassen sich mit bekannten textilen Techniken besondern gut zu Gewe­ ben, Gestricken oder Faserfließen weiterverarbeiten und auf­ grund ihrer großen Reaktionsoberfläche direkt als Katalysato­ ren einsetzen.

Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Katalysator­ körpers besteht darin, daß der hergestellte homogene Katalysa­ torwerkstoff eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, wo­ durch er in einem brennerraumnahen Bereich des Motors, im Brennraum selbst oder im Abgaskrümmer angebracht werden kann. Da die Abgase in diesem Bereich sehr heiß sind, wird die Starttemperatur der Katalyse unmittelbar nach dem Start des Motors erreicht, so daß die bisher in der Warmlaufphase ent­ stehenden Emissionen drastisch reduziert sind.

Als temperaturbeständiges Material eignet sich vorzugsweise Eisen und/oder Nickel, dem als korrosionsbeständiges Material Chrom und/oder Aluminium zugesetzt ist. Als Katalysatormateri­ al sind auch hier die bekannten Elemente Platin, Paladium, Rhodium und weitere Edelmetalle sowie Chrom, Molybdän, Vanadi­ um, Mangan, etc. und deren Oxide einsetzbar.

Der erfindungsgemäße Katalysatorkörper kann in Form von Schläuchen, Strümpfen, Rohreinsätzen, Matten oder ähnlichen Strukturen im oder in der Nähe des Brennraums eingesetzt wer­ den.

Die Vorteile gegenüber den bekannten Lösungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Raumbedarf und Gewicht des erfindungsge­ mäßen Katalysatorkörpers sind erheblich reduziert, wobei kein Abrieb oder sonstige Verschleißerscheinungen über der Fahr­ zeug-Lebensdauer festzustellen sind. Die Abgasemissionen in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sind erheblich herab­ gesetzt. Vorheizeinrichtungen für den Katalysator während der Warmlaufphase des Motors können entfallen. Da das Katalysator­ material in Reinform oder als homogene Legierung mit dem me­ tallischen Trägermaterial vorliegt, besteht eine hohe Tempera­ turbeständigkeit, die Schädigungen oder Ausfälle des Katalysa­ tors bei thermischer Überhitzung verhindert.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen die Erfindung näher erläutern.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper im Kol­ benboden des Brennraums eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Katalysatorkörper als Gewe­ be im Krümmer des Kraftfahrzeugauspuffs.

Fig. 3 zeigt einen rohrförmigen Katalysatorkörper im Krümmer des Auspuffes eines Kraftfahrzeugs.

In den Fig. 1 bis 3 sind schematisch der Brennraum 2 und der Krümmer 3 des Auspuffes bei einem Kraftfahrzeug dargestellt, wobei sich der erfindungsgemäße Metallfaser-Katalysatorkörper 1 in Fig. 1 im Kolbenboden des Brennraums 2 nahe des Auspuff­ krümmers 3, in Fig. 2 im Auspuffkrümmer 3, diesen als Gewebe ausfüllend, und in Fig. 3 ebenfalls im Krümmer 3 als rohrför­ mige Katalysatorstruktur befindet. Bei der letzteren Variante wird das Abgas durch eine Umlenkfläche 4 zur Innenfläche des Krümmers 3 durch das rohrförmige Katalysatorgewebe 1 geleitet.

Die hohe Temperaturbeständigkeit und die fehlende Beschichtung beim erfindungsgemäßen Katalysatorkörper 1 ermöglichen dessen Anordnung im oder nahe des Brennraums 2, so daß die Abgasent­ giftung sofort bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs einsetzen kann und nicht erst nach einer Warmlaufphase.

Claims (9)

1. Metallfaser-Katalysatorkörper zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, der ein Gewebe, Gestrick oder Faser­ fließ aus Metallfasern enthält, wobei Katalysatormaterial in den Metallfasern enthalten oder selbst in Form von Fasern in dem Gewebe vorliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Katalysatormaterial in den Metallfasern eine durch Schmelzextraktion hergestellte homogene Legierung bildet, oder
daß die Metallfasern und/oder die Katalysatorfasern jeweils dünne, durch Schmelzextraktion hergestellte Fasern bilden.

2. Katalysatorkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallfasern aus einer korrosions- und tempara­ turbeständigen Legierung bestehen, die vorzugsweise Eisen und/oder Nickel und/oder Chrom und/oder Aluminium enthält.

3. Katalysatorkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Katalysatormaterial eines oder mehrere der folgenden Elemente oder Verbindungen dieser Elemente, insbe­ sondere Oxide dieser Elemente, enthält, wie Platin, Paladium, Rhodium, Cer, Chrom, Molybdän und Vanadium.

4. Katalysatorkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von we­ niger als 100 µm aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung von Fasern für einen Metallfa­ ser-Katalysatorkörper zur Reinigung von Abgasen aus Brenn­ kraftmaschinen, der ein Gewebe, Gestrick oder Faserfließ aus Metallfasern enthält, wobei Katalysatormaterial in den Metall­ fasern enthalten oder selbst in Form von Fasern in dem Gewebe vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder das Katalysatormaterial oder das Metall mit dem Katalysatormateri­ al geschmolzen und aus dem Schmelzbad mittels Schmelzextrakti­ on Fäden gezogen werden, die bei Abkühlung dünne Fasern bil­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall ein temperaturbeständiges Material, wie Eisen oder Nickel, zusammen mit korrosionshemmenden Elementen, wie Chrom, Yttrium und/oder Aluminium, verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und/oder das Katalysatormaterial oder beide zu­ sammen unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum mittels Schmelzextraktion zu Fasern verarbeitet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Fasern mit einem Durchmesser unter 100 µm hergestellt werden.

9. Verwendung eines Metallfaser-Katalysatorkörpers nach An­ spruch 1 oder hergestellt nach Anspruch 5 zur Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen in einem Kraftfahrzeug, wobei der Metallfaser-Katalysatorkörper (1) vorzugsweise im Brenn­ raum (2) oder im Auspuffkrümmer (3) des Kraftfahrzeugs ange­ ordnet ist.