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Dokumentenidentifikation DE102006022364A1 15.11.2007
Titel Trägerkörper zur Abgasnachbehandlung mit disperser Katalysatoranordnung
Anmelder Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH, 53797 Lohmar, DE
Erfinder Hirth, Peter, 51503 Rösrath, DE;
Härig, Thomas, 53819 Neunkirchen-Seelscheid, DE;
Brück, Rolf, 51429 Bergisch Gladbach, DE;
Stock, Holger, 53797 Lohmar, DE
Vertreter Kahlhöfer - Neumann - Herzog - Fiesser, Patentanwälte, 40210 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 12.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006022364
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse B01J 35/10(2006.01)A, F, I, 20060512, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01J 32/00(2006.01)A, L, I, 20060512, B, H, DE   B01J 37/00(2006.01)A, L, I, 20060512, B, H, DE   B01J 23/40(2006.01)A, L, I, 20060512, B, H, DE   
Zusammenfassung Trägerkörper (1) mit einer Gesamtoberfläche (7), aufweisend zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (2), umfassend wenigstens eine Art Katalysatorelemente (32), die dispers an einer Oberfläche (35) des Trägerkörpers (1) angeordnet sind, wobei:
- die Katalysatorelemente (32) einen mittleren Abstand (34) entlang der Oberfläche von mindestens 3 Mikrometer aufweisen,
- die Oberfläche (35) eine mittlere Rauhtiefe Rz vn 2 bis 10 Mikrometern hat und
- der Trägerkörper (1) gegenüber einem Trägerkörper mit glatter oder unbeschichteter Oberfläche (35) eine maximale Druckverlusterhöhung von 25% aufweist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trägerkörper für eine katalytisch aktive Beschichtung. Solche Trägerkörper werden insbesondere zur Nachbehandlung von Abgasen in Fahrzeugen eingesetzt.

Neben anderen Erscheindungformen, sind solche Trägerkörper insbesondere so gestaltet sein, dass dieser mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage aus einem gasundurchlässigen Material aufgebaut ist, so dass eine Vielzahl von Strömungswegen mit einem Mindestquerschnitt von 0,5 mm2 vorliegt, wobei zumindest die Mehrheit der Strömungswege mit mehreren Durchlässen hin zu mindestens einem benachbarten Strömungsweg ausgeführt sind. Die Effektivität solcher Trägerkörper im Hinblick auf die Konvertierung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen wird von einer Vielzahl unterschiedlicher Kriterien beeinflusst. Zwei wesentliche Forderungen sind dabei ein effektiver Stofftransport der Schadstoffe hin zur katalytisch aktiven Beschichtung sowie ein geringer Gegendruck, der im Abgasstrom aufgrund des Durchströmens des Trägerkörpers erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass für einen verbesserten Stofftransport mit einem gewünschten Gegendruck die Strömungsmechanismen des Abgases innerhalb des Trägerkörpers beeinflusst werden müssen. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine turbulente Strömung im Inneren der Kanäle bzw. Strömungswege zu einer deutlichen Erhöhung des Stoffübergangs führt. Durch die Ausbildung turbulenter Strömungen wurden Stofftransportkoeffizienten erreicht, die um eine ganze Größenordnung höher gegenüber den von anderen Trägerkörpern liegen.

Um eine weitere Effektivitätssteigerung in der Abgasbehandlung zu erreichen, wurde ein radialer Queraustausch der Teilabgasströmungen von einem Kanal zu anderen Kanälen im Katalysator ermöglicht, so dass bislang ungenutzte Oberflächen effektiver ausgenutzt werden konnten. Diesen Strömungsausgleich lassen z. B. perforierte Metallfolien zu. Bei diesen Folien werden sowohl die glatten als auch die gewellten Folien mit Löchern mit einem großen Lochdurchmesser versehen, der insbesondere größer als der Durchmesser des Kanals ist. Durch diese Löcher wird die Kanalwand unterbrochen und die gewünschte Wechselwirkung zwischen den einzelnen Teilabgasströmungen geschaffen.

Die veränderten Strömungsbedingungen für das Abgas im Inneren des Trägerkörpers führen jedoch zu veränderten Bedingungen hinsichtlich der chemischen Reaktionen zur Umwandlung der Schadstoffe. Es wurde erkannt, dass trotz des deutlich verbesserten Stoffaustauschs zwischen dem Abgas und der Beschichtungsoberfläche nicht immer die gewünschte Reinigungswirkung bzw. Umsatzrate erzielt wurde.

Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Trägerkörper angegeben werden, dessen Beschichtung auf die turbulenten Strömungsverhältnisse im Inneren des Trägerkörpers ausgerichtet ist und eine effektivere Umsetzung von Schadstoffen im Abgas ermöglicht. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Katalysator-Trägerkörpers angegeben werden, mit dem eine besonders gleichmäßige Beschichtung erzielt werden kann, so dass diese nur geringen Einfluss auf das Strömungsverhalten des Abgases im Betrieb hat.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Trägerkörper gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.

Der erfindungsgemäße Trägerkörper hat eine Gesamtträgerfläche aufweisend zumindest einen Beschichtungsabschnitt mit einer katalytisch aktiven Beschichtung und umfasst wenigstens eine Art Katalysatorelemente, die dispers an einer Oberfläche des Trägerkörpers angeordnet sind, wobei:

  • – die Katalysatorelemente einen mittleren Abstand entlang der Oberfläche von mindestens 3 Mikrometer [&mgr;m] aufweisen,
  • – die Oberfläche eine mittlere Rauhtiefe Rz von 2 bis 10 Mikrometern [&mgr;m] hat, und
  • – der Trägerkörper gegenüber einem Trägerkörper mit glatter und unbeschichteter Oberfläche eine maximale Druckverlusterhöhung von 25 % aufweist.

Bei der Gestaltung des Trägerkörpers kann von einer Vielzahl unterschiedlicher Konzepte Gebrauch gemacht werden. So können beispielsweise für ein Gas durchströmbare Monolithen gebildet sein, die eine definierte Anzahl, Position etc. von Strömungspfaden aufweisen, es ist jedoch auch möglich, dass der Monolith mit einer zufälligen (chaotischen) Hohlraumstruktur z.B. nach Art eines Schaumes oder dergleichen ausgebildet ist. Regelmäßig wird der Trägerkörper von einem Gasstrom durchdrungen, wobei dieser an einer Seite ein- und an einer (anderen) Seite wieder austritt. Der Gasstrom wird dabei durch die die Strömungspfade und/oder die Hohlraumstruktur begrenzenden Materialoberflächen geleitet. Die Gesamtträgerfläche umfasst die Oberfläche dieser Wände der Strömungspfade bzw. die innen liegenden Materialoberflächen, und stimmt im Wesentlichen mit der so genannten „geometrischen Oberfläche" (GSA) des Trägerkörpers überein.

Zumindest ein Teil dieser Gesamtträgerfläche ist beschichtet. Es ist auch möglich, dass mehrere (unterschiedliche) Beschichtungsabschnitte vorgesehen sind. Mit dem Begriff "Katalysatorelement" sollen insbesondere partikelartige Gebilde beschrieben sein, denen eine mittlere Größe zuordenbar ist. Die äußere Gestalt der Katalysatorelemente ist anwendungsspezifisch auswählbar, wobei eine in etwa kugelförmige Gestalt bevorzugt ist. Diese Katalysatorelemente sind nun dispers auf der Oberfläche (also dem Teil der Gesamtträgerfläche, der im Beschichtungsabschnitt angeordnet ist) angeordnet, was im Wesentlichen bedeuten soll, dass keine flächig geschlossene Beschichtung vorliegen soll. Vielmehr sind die Katalysatorelemente zumindest teilweise, bevorzugt aber vollständig einzeln an bzw. auf der Oberfläche appliziert.

Die Anordnung der Katalysatorelemente erfolgt erfindungsgemäß so auf Oberfläche, dass diese einen mittleren Abstand entlang der Oberfläche von mindestens 3 um aufweisen, bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 9 &mgr;m. Mit Bezug auf den mittleren Abstand ist Folgendes zu beachten: Gemeint ist hiermit zunächst ein gemittelter Wert, wie er in einem repräsentativen Bereich des Beschichtungsabschnitts vorliegt. Des Weitern bezieht sich der Abstand auf eine Angabe entlang der Oberfläche, nicht auf eine reine Entfernungsangabe. Der mittlere Abstand entlang der Oberfläche ist vergleichbar mit dem Weg, den der Abgasstrom von einem Katalysatorelement bis hin zu einem benachbarten Katalysatorelement entlang der Oberfläche strömen muss. Je nach Größe des Katalysatorelements sollte der mittlere Abstand zumindest im Bereich der Größe (1 × D) des Katalysatorelements bis zum Zwanzigfachen (20 × D) der Größe (D) des Katalysatorelements liegen. Damit wird insbesondere vermieden, dass sich die dispers verteilten Katalysatorelemente bei Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen zusammenschließen und demzufolge die katalytisch aktive Oberfläche reduziert wird.

Um gegen dieses Zusammenschließen von Katalysatorelementen besonders effektiv zu verhindern, wird weiter gefordert, dass die Oberfläche eine mittlere Rauhtiefe Rz von 2 bis 10 &mgr;m, insbesondere von 3 bis 6 &mgr;m, hat. Die mittlere Rauhtiefe Rz bezieht sich zumindest auf einen repräsentativen Bereich des Beschichtungsabschnitts, gegebenenfalls auch auf die gesamte Oberfläche. Bei gewalzten Oberflächen ist insbesondere die mittlere Rauhtiefe längs zur Walzrichtung heranzuziehen. Unter der mittleren Rauhtiefe Rz wird das arithmetische Mittel aus einer Mehrzahl von (in der Regel 5) Einzelrauhtiefen verstanden, die den Abstand zweier Parallelen innerhalb einer Einzelmessstrecke eines Rauheitsprofils am höchsten und am niedrigsten Punkt berühren. Bei diesem Rauheitsprofil werden mittels der Rauheitsspitzen Barrieren bereit gestellt, die zunächst eine bevorzugte Lage der Katalysatorelemente zur Folge haben kann, insbesondere aber auch einen Zusammenschluss der Katalysatorelemente behindern, gleichwohl aber ein Großteil der Außenfläche der Katalysatorelemente für eine effektive chemische Reaktion an der Oberfläche zur Verfügung steht. Dabei ist insbesondere eine gleichmäßige Ausgestaltung des Rauheitsprofils zumindest im Beschichtungsabschnitt gewünscht.

Zu diesem Zweck wird auch verlangt, dass der Trägerkörper gegenüber einem Trägerkörper mit glatter oder unbeschichteter Oberfläche eine maximale Druckverlusterhöhung von 25 %, insbesondere von maximal 15 %, aufweist. Dies kann auch darauf hinweisen, dass die Rauhtiefe Rz im Wesentlichen mit geringen Toleranzen einheitlich ausgeführt ist, so dass sich ein im Beschichtungsabschnitt gleichmäßiges Umsetzungsverhalten auch bei langzeitigem Einsatz des Trägerkörpers aufrecht erhalten lassen kann. Darüber hinaus wird aber auch sichergestellt, dass sich der hydraulische Durchmesser der Strömungspfade infolge der Ausbildung des Rauheitsprofiles so verkleinert, dass das (insbesondere turbulente) Strömungsverhalten des Abgases negativ beeinflusst wird. Damit wird also insbesondere angegeben, dass die Ausbildung des Rauheitsprofiles auf sehr wandnahe Bereiche begrenzt ist.

Mit einer glatten bzw. unbeschichteten Oberfläche ist insbesondere die Oberflächengüte der zum Einsatz gelangenden Materialien gemeint, die regelmäßig eine mittlere Rauhtiefe Rz (längs der Walzrichtung) im Bereich von höchstens 1 &mgr;m (glatt) aufweisen. Zumindest kann ein Trägerkörper mit einer solchen Oberfläche als Referenz herangezogen werden. Zur Bestimmung der Druckverlusterhöhung ist der Referenz-Trägerkörper oder der Trägerkörper mit glatter bzw. unbeschichteter Oberfläche von Abgasen einer Temperatur von 900°C mit einem Massenstrom von 550 kg/h zu durchströmen, wobei der Druck in der Test-Abgasanlage hinter dem Trägerkörper 1,25 bar beträgt. Dabei wird nun der Druckabfall über den Trägerkörper bestimmt. So ergibt sich beispielsweise für einen Trägerkörper aus metallischen Folien nach Art eines Wabenkörpers mit einer Länge von 118 mm, einem Durchmesser von 110 mm und mit einer Kanaldichte von 400 cpsi (cells per square inch) ein Druckverlust von ca. 69 mbar. Zur Überprüfung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Oberfläche wird der gleiche Trägerkörper mit dem geforderten Rauheitsprofil dieser Prozedur unterzogen, wobei infolge der Rauheitsprofil und/oder der Beschichtung ein größerer Druckabfall festgestellt werden kann. Die hierbei auftretende Druckverlusterhöhung ist jedoch auf maximal 25 % zu begrenzen, so dass bei Überschreiten dieser Grenze zum Beispiel ein gleichmäßigeres Rauheitsprofil und/oder eine geringere Beschichtungsdicke vorzusehen ist.

Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass bei Trägerkörpern, die in besonderem Maße eine turbulente Strömung des Gases im Inneren bewirken, die üblicherweise in Tieferen Bereichen der Beschichtung angeordneten Katalysatorelemente aufgrund des langsamen Stofftransportes (Diffusion) nicht mehr erreicht werden. Deshalb wurde eine Applikation der Katalysatorelemente an der Oberfläche angestrebt. Dafür wird eine ausreichend große, dauerhaft existente Kontaktfläche der Katalysatorelemente mit dem zu reinigen Abgasstrom sichergestellt sein, indem die Anordnung der Katalysatorelemente mit einem Abstand gefordert wird, wobei das Rauheitsprofil Barrieren für einen Kontakt der Katalysatorelemente bilden. Damit kann z.B. effektiv verhindert werden, dass sich die Katalysatorelemente während des Einsatzes hinsichtlich ihrer Gestalt so verändern, dass benachbarte Katalysatorelemente sich miteinander vereinen. Das hätte zur Folge, dass sich die mittlere Größe des Katalysatorelement signifikant verändert, sich ein ungünstigeres Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Katalysatorelement ergeben und sich somit die Effektivität des Katalysator-Trägerkörpers reduzieren würde. Dem wird hier entgegengewirkt.

Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Katalysatorelemente in einer Menge von 0,2 bis 2,0 Gramm pro Quadratmeter [g/m2] der Gesamtträgerfläche angeordnet sind. Die Menge von 0,2 bis 2,0 g/m2 [Gramm pro Quadratmeter] der Gesamtträgerfläche ist insbesondere auf die Abgasbehandlung mobiler Verbrennungskraftmaschinen ausgelegt, z.B. für eine Reinigung von Benzin- oder Dieselabgasen. Ganz besonders bevorzugt ist ein Bereich von 0,4 bis 0,8 g/m2 für den Edelmetall-Katalysator Platin. Wird die Beladung geringer gewählt, könnte bei einer ungünstigen Zusammensetzung des zu reinigenden Abgases unter Umständen eine unzureichende Umsetzung der Schadstoffe auftreten. Bei einer über den angegebenen Bereich hinausgehenden Beladung kann es zu Uberlagerungen der Edelmetall-Katalysatoren kommen, so dass keine weitere Steigerung der katalytischen Aktivität sondern nur der Herstellungskosten eintritt.

Bevorzugt ist, dass die Art Katalysatorelemente einen Edelmetall-Katalysator aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium umfasst. Insbesondere bei diesen Katalysatorelementen liegt die mittlere Größe des Katalysatorelements bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 Nanometer [nm].

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Trägerkörpers für eine katalytisch aktive Beschichtung, ist dieser mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage aus einem gasundurchlässigen Material aufgebaut ist, so dass eine Vielzahl von Strömungswegen mit einem Mindestquerschnitt von 0,5 Quadratmillimeter [mm2] vorliegt, wobei zumindest die Mehrheit der Strömungswege mit mehreren Durchlässen hin zu mindestens einem benachbarten Strömungsweg ausgeführt.

Demnach ist der Trägerkörper bevorzugt ein so genannter Wabenkörper, dessen Strömungswege mit einer Vielzahl von im wesentlichen gerade verlaufenden, parallel zueinander angeordneten Kanälen gebildet sind. Diese Strömungswege bzw. Kanäle können mit einer oder mehreren Lagen aus einem gasundurchlässigen Material gebildet sein. Dabei ist es sowohl möglich, dass vollständig strukturierte und/oder vollständig glatte Lagen vorgesehen sind, es sind jedoch auch Mischlagen mit teilweise ausgebildeten Strukturen möglich. Bezüglich des gasundurchlässigen Materials ist anzumerken, dass dieses regelmäßig ein hochtemperaturfestes und korrosionsbeständiges Material ist. Dabei können sowohl (nichtporöse) Keramiken, wie z.B. Metalloxide, als auch Metalle zum Einsatz gelangen, die diesen Bedingungen standhalten.

Des Weiteren wird hier ausgeführt, dass die Strömungswege mit einem Mindestquerschnitt von 0,5 mm2 vorgesehen sind. Damit ist insbesondere gemeint, dass es sich hierbei nicht um Poren und/oder undefinierbare, chaotisch verlaufende Strömungswege handelt, sondern vielmehr im Wesentlichen klar abgrenzbar voneinander ausgestaltete Strömungswege vorliegen. Ganz besonders bevorzugt ist der Mindestquerschnitt mindestens 0,8 mm2 oder sogar 1,0 mm2 groß. Zusätzlich sei angemerkt, dass sich dieser Mindestquerschnitt auf einen Mittelwert über die gesamte Länge des Strömungsweges bezieht, wobei den Mindestquerschnitt lokal reduzierende Einbauten (Eindellungen, Leitschaufeln, etc.) nicht berücksichtigt werden. Dabei betrifft der Mindestquerschnitt bevorzugt gerade den Bereich der Strömungswege, in denen keine Einbauten, Leitflächen, Strömungswegverengungen und dergleichen vorliegen.

Ferner weist die Mehrheit der Strömungswege mehrere Durchlässe hin zu mindestens einem benachbarten Strömungsweg auf. Vorteilhafterweise sind alle Strömungswege mit mehreren Durchlässen versehen. Die Durchlässe können eine Verbindung hin zum direkt benachbarten Strömungsweg realisieren, beispielsweise in dem die Durchlässe der Lage selbst ausgebildet sind und damit ein Durchströmen von Abgas hin zu direkt benachbarten Strömungsweg erlaubt. Es ist alternativ oder kumulativ aber auch möglich, dass die Durchlässe durch reine Verformung der Lage erzeugt sind, wobei beispielsweise der direkt benachbarte Kanal übersprungen und in den übernächsten Strömungsweg eingedrungen werden kann. Die Durchlässe haben die Funktion, dass in einer bevorzugten Hauptströmungsrichtung durch den Trägerkörper hindurchströmendes Abgas quer dazu abzulenken bzw. zu verwirbeln, so dass das Abgas bzw. die Teilabgasströme den Strömungsweg mehrmals wechseln können.

Nun wird auch vorgeschlagen, dass zumindest ein Beschichtungsabschnitt der Gesamtträgerfläche mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist. Der Beschichtungsabschnitt kann Teil einer Lage sein, bevorzugt ist jedoch, dass der gesamte Trägerkörper über einen Abschnitt seiner axialen Erstreckung einen solchen Beschichtungsabschnitt aufweist. Das heißt mit anderen Worten auch, dass alle Strömungswege in einem (bezüglich des Trägerkörpers im gleichen Abschnitt seiner axialen Erstreckung liegenden) Längenabschnitt mit einer Beschichtung versehen sind. So ist vorstellbar, dass ein Beschichtungsabschnitt von beispielsweise höchstens 30 mm oder sogar nur 20 mm ausgehend von der Stirnseite des Trägerkörpers in dessen Tiefe hinein katalytisch aktiv ist. Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise die gesamte Gesamtträgerfläche mit einer katalytisch aktiven Beschichtung ausgeführt ist.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Trägerkörpers weist dieser zumindest einen Beschichtungsabschnitt der Gesamtträgerfläche auf, der mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist, die eine Beschichtungsdicke von höchstens 15 Mikrometer [&mgr;m] hat. Es wurde herausgefunden, dass die sonst üblichen Diffusionsvorgänge zur Umsetzung von Schadstoffen im Abgas in Folge der turbulenten Strömungen im Inneren des Trägerkörpers nicht mehr in der gewohnten Art und Weise stattfinden. Die signifikante Reduzierung der Beschichtungsdicke hat einerseits einen vergrößerten hydraulischen Durchmesser des Strömungsweges zur Folge, so dass ein geringerer Druckverlust bezüglich des Durchströmens des Trägerkörpers von Abgas erreicht wird. Zum anderen kann die Beschichtung nunmehr mit einer angepassten Verteilung der katalytisch aktiven Bereiche nahe der Oberfläche ausgeführt sein, so dass dort die katalytische Umsetzung der Schadstoffe weiter verbessert werden kann. Je nach Anwendungsfall bzw. nach Art des Strömungsweges und/oder der Zusammensetzung des Abgases kann die Beschichtungsdicke noch deutlich reduziert werden, beispielsweise auf höchstens 8 &mgr;m oder auf höchstens 1 &mgr;m.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Trägerkörpers ist zumindest ein Edelmetall-Katalysator aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium nur in einer Oberflächengrenzschicht mit einer Grenzschichtdicke von höchstens 1 Mikrometer [&mgr;m] vorgesehen. Das heißt mit anderen Worten, dass der Edelmetall-Katalysator praktisch nur auf der Oberfläche der Beschichtung vorgesehen ist. Vorteilhafterweise kann die Grenzschichtdicke noch kleiner ausgeführt sein, beispielsweise höchstens 0,1 &mgr;m. Die Begrenzung der Grenzschichtdicke veranschaulicht demnach, wie reaktionsfreudig die Oberflächengrenzschicht ist, wobei eine Dotierung von Edelmetall-Katalysatoren tief im (inaktiven) Inneren vermieden wird.

Gemäß einer Weiterbildung des Trägerkörpers umfasst die Beschichtung eine poröse Speicherschicht, wobei in dem zumindest einen Beschichtungsabschnitt zwischen 5 und 30 Gramm pro Quadratmeter [g/m2] davon vorgesehen ist. Ganz besonders bevorzugt ist ein Bereich von 10 bis 20 g/m2. Die poröse Speicherschicht stellt insbesondere eine Sauerstoffspeicherfähigkeit bereit, die beispielsweise durch so genannten Washcoat [mit Al2O3] bzw. Ceroxid [CeO] realisiert ist. Solche Speicherschichten werden insbesondere dann eingesetzt, wenn die zu reinigenden Abgase nur wenig Sauerstoff aufweisen, so dass er für die jeweiligen chemischen Reaktionen in der Speicherschicht bevorratet wird. Diese Speicherschicht hat vorteilhafterweise eine Beschichtungsdicke von höchstens 10 &mgr;m [Mikrometer], vorzugsweise nur 6 &mgr;m, wobei sie ggf. im Wesentlichen frei von Edelmetall-Katalysatoren ist. Für den Fall, dass das Abgas eines Dieselmotors zu behandeln ist, wird eine Speicherschicht umfassend ein Zeolith als Kohlenwasserstoff-Speicher vorgeschlagen, im Fall eines Benzinmotors ein Sauerstoff-Speicher (Cer/Zirkonoxid).

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn mehr als 2 Schichten vorgesehen sind, z.B. eine Oberflächengrenzschicht mit einem Edelmetall-Katalysator mit dem angegebenen Abstand zueinander, eine anwendungsorientierte Speicherschicht und eine dazwischen angeordnete Sperrschicht, die eine unerwünschte Interaktion der Abgaskomponenten in der Oberflächen- und der Speicherschicht verhindern.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau der Beschichtung selbst, also die Anordnung und Gestalt der Beschichtungskomponenten von beachtlicher Relevanz sein kann, so dass es vorteilhaft angesehen wird, diese Beschichtung mittels der so genannten Mikrotechnik und/oder Nanotechnologie aufzubauen bzw. auf dem Trägerkörper zu applizieren. Die Mikrotechnik (auch Mikrostrukturtechnik) befasst sich mit Verfahren zur Herstellung von Körpern und geometrischen Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich (0,1 &mgr;m–1000 &mgr;m). Nanotechnologie wird zum Beispiel als Sammelbegriff für eine breite Auswahl von Technologien verwendet, die sich der Produktion von Gegenständen und Strukturen widmen, die kleiner als 100 Nanometer (nm) sind. Mit diesen Verfahren lassen sich die Beschichtungen gezielter und definierter aufbauen.

Gemäß einer Weiterbildung des Trägerkörpers sind die Strömungswege zumindest teilweise mit einem Gestrick aus Drahtfilamenten begrenzt. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Trägerkörper mit einer vorgegebenen Anzahl von vollständig strukturierten Lagen und einer entsprechenden Anzahl von Gestricken aus metallischen Drahtfilamenten gebildet ist, wobei die strukturierten Lagen und die Gestricke abwechselnd zueinander angeordnet sind. Die Struktur der Lage bildet dabei zusammen mit dem Gestrick Begrenzungen bzw. Wände für die Strömungswege. In Anbetracht der Tatsache, dass die Lage aus einem gasundurchlässigen Material aufgebaut ist, kann beispielsweise ein Filtern der durch die Strömungswege hindurchströmenden Teilgasströme dadurch bewirkt werden, dass mit der strukturierten Lage Querschnittsverengungen der Strömungswege erzeugt werden, die ein zumindest teilweises Eindringen des Teilgasstromes in das Gestrick oder sogar dort hindurch bewirkt wird. In Anbetracht der Tatsache, dass die einzelnen Komponenten des Trägerkörpers regelmäßig sehr beachtlichen thermischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es vorteilhaft, sowohl die Lage als auch die Gestricke aus einem gleichen Material herzustellen. Klarstellend sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Gestrick" hier als übergeordneter Begriff für verschiedene Arten eines Verbundes von Drahtfilamenten verstanden wird: Gewirr, Gewebe, Gewirk, Vlies, etc., wobei diese miteinander zusammen verharkt, verschweißt, verlötet, versintert etc. sein können.

Auch unter diesem Gesichtspunkt wird weiter vorgeschlagen, dass die zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Lage eine Edelstahlfolie umfasst. Damit ist insbesondere eine Metallfolie gemeint, die ca. 18–22 Gew.-% Chrom, etwa 4,5–6 Gew.-% Aluminium, Zusätze von Titan, Yttrium und Zirkon zwischen etwa 0,04 und 0,08 Gew.-% sowie Eisen als Basis aufweist. Dieses hochtemperaturfeste und korrosionsbeständige Material hat sich bereits für bekannte Katalysator-Trägerkörper im Automobilbereich bewährt.

Bei so geringen Beschichtungsdicken ist es zur Gewährleistung einer hohen Lebensdauer des Trägerkörpers vorteilhaft, wenn eine sichere Fixierung der Beschichtung an der Edelstahlfolie und/oder dem Gestrick sichergestellt ist. Deshalb wird auch vorgeschlagen, dass zumindest die Drahtfilamente oder die Edelstahlfolie im zumindest einen Beschichtungsabschnitt eine Rauhtiefe Rz im Bereich von 2 bis 6 &mgr;m [Mikrometer] aufweisen. Für den Fall, dass beispielsweise eine Speicherschicht auf der Edelstahlfolie bzw. den Drahtfilamenten vorgesehen ist, liegt die Rauhtiefe vorteilhafterweise im Bereich von 2 bis 3 &mgr;m. Sollte auf eine solche Speicherschicht verzichtet werden und eine direkte Dotierung der Katalysatoren auf der Oberfläche der Drahtfilamente und/oder der Edelstahlfolie vorgenommen werden, so liegt die Rauhtiefe der Drahtfilamente und/oder der Edelstahlfolie im Bereich von 3 bis 6 &mgr;m.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass zumindest die Drahtfilamente oder die Edelstahlfolie Aluminium als Bestandteil umfasst, das im zumindest einem Beschichtungsabschnitt als Oberflächenoxid ausgebildet ist. Bevorzugt ist, dass sowohl die Drahtfilamente als auch die Edelstahlfolie mit einem Aluminiumoxid auf der Oberfläche ausgebildet sind. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Edelstahlfolie bzw. die Drahtfilamente thermisch behandelt werden, so dass aus dem im Metall befindlichen Aluminium auf der Oberfläche Aluminiumoxid gebildet wird.

Ein geeignetes Oberflächenoxid (wie insbesondere so genannte gamma- oder teta-Al2O3) kann beispielsweise für die nachfolgend spezifizierten Edelstahlfolien dadurch erreicht werden, dass die Edelstahlfolie mit einer Dicke von 50 &mgr;m [Mikrometer] 70 Stunden bei 900°C an Luft oder bei 925°C an einem Gasgemisch bestehend aus Argon sowie 4 Gew.-% H2 und 7 Gew.-% H2O behandelt wird. Bei den untersuchten Edelstahlfolien handelt es sich einmal um das Material „Fecralloy" (Fe: 72,3 Gew.-%; Cr: 22,0 Gew.-%; Al: 5,10 Gew.-%; Si: 0,42 Gew.-%; Hf: kleiner 0,01 Gew.-%; Mg: 0,003 Gew.-%; Mn: 0,10 Gew.-%; Ti: 0,051 Gew.-%; Y: 0,074 Gew.-%; Zr: 0,077 Gew.-%; C: 0,048 Gew.-%; S: kleiner 0,001 Gew.-%; N: 0,0180 Gew.-%; O: 0,0160 Gew.-%) bzw. „Aluchrom YHf" (Fe: 72,0 Gew.-%; Cr: 20,5 Gew.-%; Al: 5,39 Gew.-%; Si: 0,29 Gew.-%; Hf: 0,026 Gew.-%; Mg: 0,008 Gew.-%; Mn: 0,12 Gew.-%; Ti: 0,005 Gew.-%; Y: 0,041 Gew.-%; Zr: 0,055 Gew.-%; C: 0,035 Gew.-%; S: 0,002 Gew.-%; N: 0,0034 Gew.-%; O: 0,0086 Gew.-%). Der Edelmetall-Katalysator wurde nach Ausbildung der Oberflächenoxide aufgetragen.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung des Trägerkörpers ist zumindest ein Edelmetall-Katalysator aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium direkt auf zumindest die Drahtfilamente oder die Edelstahlfolie aufgebracht. Bevorzugt sind die Edelmetall-Katalysatoren im Wesentlichen gleichmäßig auf die Drahtfilamente und die Edelstahlfolie aufgebracht. Auf eine Speicherschicht wird an dieser Stelle verzichtet. Damit ergibt sich beispielsweise eine Beschichtungshöhe von weniger als 30 nm [Nanometer], insbesondere im Bereich von 0,5 bis 20 nm.

Zur Gewährleistung einer möglichst turbulenten Strömung in den Strömungswegen des Trägerkörpers wird zusätzlich vorgeschlagen, dass jeder Strömungsweg eine Länge hat und dieser über die Länge gesehen in einem Wiederholungsintervall von höchstens 20 mm Durchlässe aufweist. Das heißt mit anderen Worten, dass zumindest alle 20 mm, vorteilhafterweise sogar höchstens alle 10 mm ein Durchlass hin zu einem benachbarten Strömungsweg vorgesehen ist. Insbesondere wird bevorzugt, dass in aufeinander folgenden Wiederholungsintervallen eine Ablenkung hin zu bzw. eine Quermischung mit verschiedenen benachbarten Strömungswegen realisiert ist.

Grundsätzluch wäre es bereits ausreichend zur Erzielung einer turbulenten Strömung, wenn eine ausreichende Anzahl großer Durchlässe in jedem Strömungsweg vorgesehen sind, die sich beispielsweise im Betrieb des Trägerkörpers nicht zusetzen können. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der zumindest einem Teil der Durchlässe in den Strömungsweg hineinragende Leitflächen zugeordnet sind. Solche Leitflächen können beispielsweise durch Austanzungen oder Eindellungen der Lage im (angrenzenden) Umgebungsbereich eines Durchlasses gebildet sein. Bezüglich des Hineinragens der Leitflächen ist es vorteilhaft, dass die Leitfläche beispielsweise ca. 50 bis 80 % des Mindestquerschnitts des Strömungsweges versperrt und somit einen entsprechenden Staudruck für das durchströmende Abgas generiert. Dadurch werden die Teilabgasströmungen durch vorgelagerte Durchlässe und/oder das Gestricke hindurch gezwungen.

Einer Weiterbildung des Trägerkörpers zufolge bei dem die Durchlässe zumindest teilweise mit Löchern in der mindestens einen Lage gebildet sind, weisen die Löcher einen Lochquerschnitt von mindestens 25 Quadratmillimeter [mm2] auf. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Lochquerschnitts von mindestens 50 mm2. Für den Fall, dass die Löcher beispielsweise rund ausgeführt sind, sind demnach beispielsweise Löcher mit einem Lochdurchmesser von mindestens 8 mm [Millimeter] bevorzugt. Diese großen Löcher erstrecken sich regelmäßig über die Wände mehrerer Strömungskanäle, so dass benachbarte Wände gleichzeitig geöffnet werden und eine Querströmung ermöglicht ist. Zudem erfolgt beim Vorbeiströmen des Abgases an der Lochkante eine hin zum Loch gerichtete Ablenkung, was zur weiteren Aufteilung der Teilgasströme führt. Dieser Effekt wird bei zunehmendem Lochquerschnitt verbessert.

Weiter wird auch vorgeschlagen, dass zumindest die Hälfte der Lagen mit Löchern ausgeführt ist, wobei für jede dieser Lagen die Summe der offenen Lochquerschnitte zumindest 30 % einer geschlossenen Lagenfläche entspricht. Diese Ausgestaltung wird beispielsweise dann bevorzugt, wenn der Trägerkörper mit glatten und gewellten Lagen ausgeführt wird, wobei dann insbesondere die glatten Lagen mit Löchern ausgeführt sind und die gewellten Lagen Durchlässe mit Leitflächen bzw. Eindellungen bereitstellen. Mit der Angabe, dass zumindest 30 % einer geschlossenen Lagenfläche mit Löchern auszuführen sind, soll veranschaulicht werden, wie viele derartiger Löcher pro Lage vorzusehen sind. Gerade bei hoch beanspruchten Trägerkörpern oder zur Gewährleistung einer ausreichenden Oberfläche zur Platzierung der katalytisch aktiven Beschichtung sollte die Summe der offenen Lochquerschnitte einen Wert von 50 % der geschlossenen Lagenfläche nicht überschreiten. Die geschlossene Lagenfläche betrifft dabei insbesondere die Lagenfläche der Lage, wenn keine Öffnungen vorgesehen wären.

Ganz besonders bevorzugt ist ein Trägerkörper, bei dem der Strömungsweg so gestaltet ist, dass ein hindurchströmendes Gas über mindestens 80 % der Länge des Strömungsweges turbulent ist. Dabei sind bevorzugt die Mehrheit und ganz besonders bevorzugt alle Strömungswege des Trägerkörpers entsprechend gestaltet. Gerade bei diesen besonders turbulenten Gasströmungen hat sich der Einsatz der erfindungsgemäßen Beschichtung bewährt.

Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers mit einer Gesamtoberfläche aufweisend zumindest einen Beschichtungsabschnitt mit einer katalytisch aktiven Beschichtung vorgeschlagen, das zumindest folgende Schritte umfasst:

  • a) Bereitstellen eines Trägerkörpers mit einer glatten Oberfläche;
  • b) Bestimmen eines Druckverlustes des Trägerkörpers bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen;
  • c) Erzeugen einer Oberfläche mit einer mittlere Rauhtiefe Rz im Bereich von 2 bis 10 Mikrometern, wobei der Trägerkörper eine maximale Druckverlusterhöhung von 25 % erfährt;
  • d) Anordnen von Katalysatorelementen so, dass diese dispers mit einem mittleren Abstand entlang der Oberfläche von mindestens 3 Mikrometer vorliegen.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines zuvor erfindungsgemäß beschriebenen Trägerkörpers, insoweit kann stets auf diese Ausführungen auch erläuternd Bezug genommen werden.

Schritt a) umfasst insbesondere die Bereitstellung eines metallischen Wabenkörpers, dem mit einer wenigstens einer zumindest teilweise strukturierten Folie gebildet ist. Schritt b) wird insbesondere in der Weise durchgeführt, wie dies oben bereits erläutert wurde. Vor der Durchführung des Schrittes c) kann der Trägerkörper zumindest teilweise wieder zerlegt und/oder mit anderen Bauteilen kombiniert werden. Zudem können insbesondere im Rahmen von Schritt a), c) und/oder Schritt d) thermische Behandlungen (Oxidieren, Erwärmen, etc.) des Trägerkörpers und/oder Fügeverfahren (Schweißen, Hartlöten, Kleben, etc.) durchgeführt werden. Es ist auch möglich, die Schritte b) und c) zu wiederholen bis eine gewünschte Druckverlusterhöhung vorliegt, bevor mit Schritt d) begonnen wird. Es bleibt jedoch anzumerken, dass gerade im Hinblick auf eine Serienfertigung solcher Trägerkörper Schritt b) nicht zwingend durchgeführt werden muss; bei feststehenden Randbedingungen kann davon ausgegangen werden, dass die Trägerkörper aus Schritt a) stets den gleichen Druckverlust und Schritt c) die gleiche Druckverlusterhöhung zur Folge haben und diese Kennwerte demnach nicht mehr einzeln bestimmt werden müssen.

Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn Schritt c) wenigstens einen der folgenden Prozesse umfasst:

  • c1) mechanisches Bearbeiten der Oberfläche,
  • c2) Bilden von Oberflächenoxiden,
  • c3) Beschichten der Oberfläche,
  • c4) Auftragen von Material auf der Oberfläche (35) mittels Nanotechnologie.

Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, wenigstens zwei dieser Prozesse durchzuführen, wobei die Prozesse dann auch zu verschiedenen Zeitpunkten im Verfahrensablauf stattfinden können.

Der Prozess c1) umfasst beispielsweise eine abrasive Behandlung der Oberfläche (Schleifen, Kratzen, etc.); Schritt c2) betrifft insbesondere die Züchtung von Aluminiumoxiden, wie sie bereits oben erläutert wurde. Damit betreffen die Prozesse c1) und c2) primär Bearbeitungsschritte, die ein Veränderung des Rauheitsprofils des Grundmaterials des Trägerkörpers selbst betrifft, während die Prozesse c3) und c4) sich auf die Applikation eines (gleichen) Zusatzmaterials beziehen. Bei den letztgenannten Prozessen können bei Abgaskatalysatoren bekannte Beschichtungsprozesse und die oben beschriebenen Auftrageverfahren nach der Mikro- oder Nanotechnologie eingesetzt werden.

Im Hinblick auf die gewerbliche Anwendbarkeit eines erfindungsgemäß beschriebenen und/oder erfindungsgemäß hergestellten Trägerkörpers wird insbesondere auf eine Abgasbehandlungseinheit, beispielsweise in Kombination mit einem Fahrzeug, verwiesen. Deshalb wird auch eine entsprechende Abgasbehandlungseinheit sowie ein Fahrzeug aufweisend zumindest eine solche Abgasbehandlungseinheit vorgeschlagen.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren veranschaulichen besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung, auf die diese jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen schematisch:

1: perspektivisch eine Lage 3 für eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Trägerkörpers,

2: eine stirnseitige Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante des Trägerkörpers 1,

3: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lage mit einer Beschichtung,

4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lage mit einer Beschichtung,

5: ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lage mit einer Beschichtung,

6: eine Ausführungsvariante eines Strömungsweges,

7: perspektivisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Trägerkörpers im Detail,

8: ein Fahrzeug mit einer Abgasbehandlungseinheit,

9: eine Veranschaulichung der dispersen Verteilung der Katalysatorelemente auf der Oberfläche, und

10: eine weitere Veranschaulichung der dispersen Verteilung der Katalysatorelemente auf der Oberfläche.

1 zeigt perspektivisch eine erste Ausführungsvariante einer Lage 3, die mit einer Wellenstruktur versehen ist, die zumindest teilweise Strömungswege 4 begrenzt. Die Strömungswege 4 weisen dabei eine Länge 19 auf, wobei in der veranschaulichten Ausführungsvariante eine im Wesentlichen gradlinige, parallele Ausrichtung der Strömungswege 4 vorgesehen ist. In einem vorgebbaren Wiederholinterfall 20 sind jeweils Durchlässe 6 in der die Lage 3 bildende gewellte Edelstahlfolie 17 vorgesehen. Wie anhand des mittig dargestellten Strömungsweges 4 veranschaulicht, erlauben diese Durchlässe 6 ein Übertreten in andere Strömungswege 4, entweder nur über die nach oben bzw. nach unten eingedrückten Leitflächen 21 oder sogar über die angrenzenden Öffnungen durch die Lage 3 hindurch. Bei einer näheren Betrachtung des Strömungsweges 4, der mit den Pfeilen gekennzeichnet ist, trifft der Abgasstrom auf die im Strömungsweg 4 angeordnete Leitfläche 21, die den Mindestquerschnitt des Strömungsweges 4 deutlich verengt. In Folge des daraus resultierenden Staudrucks wird ein Großteil des im Strömungsweg 4 befindlichen Teilabgasstromes nach oben hin abgelenkt, wobei an dieser Stelle bevorzugt ein (hier nicht gezeigtes) Gestrick aus metallischen Drahtfilamenten vorgesehen ist, welches dann das hindurchströmende Abgas filtert bzw. reinigt. Der Staudruck baut sich jedoch nur solange auf, bis eine Ausweichmöglichkeit für das Abgas geschaffen ist. Dies kann anhand der links veranschaulichten, gestrichelt dargestellten Pfeile erkannt werden. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Leitfläche 11 den Strömungsweg 4 nicht vollständig verschließt, so dass auch dort ein Nebenstrom (gestrichelt gekennzeichnete Pfeile rechts in 1) ermöglicht wird.

Insbesondere eine solche Anordnung mit einem darauf bzw. darunter angeordneten Gestrick aus Drahtfilamenten wird auch Nebenstromfilter genannt, da dem Teilabgasstrom jeweils die Möglichkeit gegeben ist, an jeder Leitfläche vorbeizuströmen. Letztendlich ist es aber wünschenswert, dass die Anordnung der Leitflächen so vorgenommen wird, dass „statistisch" das gesamte Abgas wenigstens einmal durch ein Filtermedium hindurchtritt. Der besondere Vorteil dieses Nebenstromfilters liegt darin, dass er einen sehr geringen Druckverlust aufweist. Gleichwohl können hiermit beachtliche Umsatz- und Filterraten erreichen werden.

2 veranschaulicht eine Ausführungsvariante eines Trägerkörpers 1, wobei eine Mehrzahl von glatten und strukturierten Lagen 3 S-förmig miteinander verwunden und in einem Gehäuse 27 angeordnet sind. Die Lagen 3 sind mit glatten Edelstahlfolien 16 und gewellten Edelstahlfolien 17 gebildet. Zwischen den glatten und gewellten Edelstahlfolien bilden sich nun im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Kanäle bzw. Strömungswege 4 aus. Die Begrenzungen der Strömungswege 4 durch die Edelstahlfolien 16, 17 ergeben insgesamt die Gesamtträgerfläche 7 oder auch „GSA" genannt.

3 veranschaulicht nun in einem Detail eine erste Ausführungsvariante einer Beschichtung 2, die auf einer Lage 3 ausgebildet ist. Die Beschichtung 2 hat insgesamt eine Beschichtungsdicke 9 von höchstens 10 &mgr;m. Sie wird gebildet mit einer außen liegenden bzw. direkt mit dem Abgas in Kontakt stehenden Oberflächengrenzschicht 11 mit einer Grenzschichtdicke 12 von höchstens 1 &mgr;m. In dieser Oberflächengrenzschicht 11 sind im Wesentlichen alle Edelmetall-Katalysatoren 10 angeordnet. Zwischen der Oberflächengrenzschicht 11 und der Lage 3 ist zudem eine poröse Speicherschicht 13 vorgesehen. Diese Speicherschicht kann beispielsweise mit gamma-Al2O3 (Washcoat) oder einem Gemisch aus gamma-Al2O3 mit CeO und weiteren Oxiden gebildet sein, wobei deren Schichtdicke entsprechend kleiner zu wählen ist.

In 4 wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel der Beschichtung 2 gezeigt, wobei die Lage 3 mit einer glatten Edelstahlfolie 16 gebildet ist, die einen entsprechenden Anteil von Aluminium aufweist. Mittels dem in der glatten Edelstahlfolie 16 vorhandenen Aluminium, gegebenenfalls alternativ oder kumulativ mit nachträglich hinzugeführtem Aluminium, wird durch eine entsprechende thermische Behandlung ein Oberflächenoxid 18 gebildet. Das Oberflächenoxid 18 erhöht beispielsweise die Rauhtiefe der glatten Edelstahlfolie 16, so dass dauerhaft der Edelmetall-Katalysator 10 platziert werden kann.

In 5 wurden die Edelmetall-Katalysatoren 10 direkt auf die Lage 3 aufgeführt. Damit wird die Grenzschichtdicke 12 der Oberflächengrenzschicht 11 (also insbesondere die Schicht der Beschichtung, in der der Edelmetall-Katalysator 10 angeordnet ist) bzw. die gesamte Beschichtungsdicke 9 auf wenige Nanometer begrenzt. Bevorzugt ist dabei, dass die Edelmetall-Katalysatoren 10 im Beschichtungsabschnitt bzw. auf der Lagenfläche 24 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In der Lage 3 ist hier auch ein Loch 22 mit einem großen Lochquerschnitt 23 dargestellt. Dadurch wird ein Strömungsaustausch durch die Lage 3 selbst ermöglicht.

In den 3 bis 5 ist ebenfalls der geforderte Abstand 34 der einzelnen Edelmetall-Katalysatoren 10 zueinander veranschaulicht.

In 6 wird schematisch und als Detail einer Ausführungsvariante des Strömungsweges 4 gezeigt. Der Trägerkörper wird dabei durch eine abwechselnde Anordnung von Gestricken 14 und einer gewellten Edelstahlfolie 17 gebildet. Der Strömungsweg 4 ist mit einem Mindestquerschnitt 5 (schraffiert) von mindestens 0,5 mm2 ausgeführt. Im Hinblick auf die Bestimmung des Mindestquerschnitts 5 werden die in den Strömungsweg 4 hineinragenden Leitflächen 21 nicht berücksichtigt, sondern es wird der gesamte Querschnitt an dieser Stelle, wie er in großen Teilbereichen des Strömungsweges vorliegt, herangezogen.

Die Gestricke 14 weisen Drahtfilamente 15 auf, die beispielsweise mit einer Dickenausdehnung von 15 bis 50 &mgr;m [Mikrometer] ausgeführt sind. Die Gestricke haben vorteilhafterweise ein Flächengewicht von 200 bis 1000 g/m2 [Gramm pro Quadratmeter] und eine Höhe zwischen 0,1 und 0,5 mm [Millimeter]. Die einzelnen Drahtfilamente 15 sind miteinander verschweißt, eine entsprechende bzw. ähnliche Verbindung ist vorteilhafterweise auch zwischen dem Gestrick 14 und der gewellten Edelstahlfolie 17 vorgesehen. Direkt auf bzw. in den Gestricken 14 und auf der gewellten Edelstahlfolie 17 ist wiederum der Edelmetall-Katalysator 10 zur Aktivierung einer katalytischen Umsetzung vorbeiströmender Schadstoffe im Abgas vorgesehen.

7 veranschaulicht eine weitere Ausgestaltung eines Trägerkörpers 1 in perspektivischer Darstellung und im Detail. Der Trägerkörper ist wiederum mit gewellten Lagen 3 gebildet, zwischen denen ein Gestrick 14 vorgesehen ist. Die Lagen 3 sind mit Leitflächen 21 zur strömungstechnischen Beeinflussung des Abgases versehen, welches üblicherweise in der Hauptströmungsrichtung 14 durch den Trägerkörper 1 hindurchströmt (ebenso wie mitgeführte Partikel 29). Bei dieser Ausführungsvariante ist nur die unten dargestellte gewellte Lage 3 mit einem Loch 22 vorgesehen, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die dazwischen angeordnete, glatte Lage umfasst ein Verbundmaterial, welches einen Abschnitt mit einer glatten Edelstahlfolie 16 und einen weiteren Abschnitt mit einem Gestrick 14 umfasst. Die beiden Komponenten sind vorteilhafterweise miteinander fügetechnisch verbunden, insbesondere verschweißt. Aus der Darstellung lässt sich entnehmen, dass die glatte Edelstahlfolie 16 einen Beschichtungsabschnitt 8 bildet, dort also das katalytisch aktive Material vorgesehen ist. In dieser Ausführungsvariante ist das Gestrick 14 ohne eine entsprechende Beschichtung ausgeführt. Sowohl in der glatten Edelstahlfolie 16 als auch in dem Gestrick 14 können weitere Löcher 22 oder (nicht dargestellte) Durchlässe vorgesehen sein.

8 veranschaulicht nunmehr ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet des hier beschriebenen Trägerkörpers als Abgasbehandlungseinheit 25 in einem Fahrzeug 26. Dabei wird das in einer Verbrennungskraftmaschine 30 erzeugte Abgas durch eine entsprechende Abgasanlage 31 hindurchgeführt, wobei es beispielsweise mehrere Abgasbehandlungseinheiten 25 mit einem solchen Trägerkörper durchströmt, bevor es schließlich gereinigt an die Umgebung abgegeben wird. Neben dem veranschaulichten Einsatzgebiet können solche Trägerkörper auch bei stationären Verbrennungskraftanlagen, Arbeitsmaschinen, Handgeräten und dergleichen zum Einsatz gelangen.

9 zeigt schematisch eine Draufsicht als Veranschaulichung der dispersen Verteilung der Katalysatorelemente 32 auf der Gesamtoberfläche 7 im Beschichtungsabschnitt 8. Die Katalysatorelemente 32 sind dispers auf einer Oberfläche des Trägerkörpers 1 verteilt, wobei die Katalysatorelemente 32 eine mittlere Größe 33 von vorteilhafterweise weniger als 10 nm haben. Sie sind zueinander mit einem Abstand 34 im Bereich größer der Größe 33 des Katalysatorelements 32 angeordnet.

10 veranschaulicht noch einmal auf eine andere Weise die disperse Anordnung der Katalysatorelemente 32 einen mittleren Abstand 34 entlang der Oberfläche 35, der mindestens 3 Mikrometer betragen soll. Die Oberfläche hat zudem eine mittlere Rauhtiefe Rz von ca. 6 &mgr;m, die hier mit einem Oberflächenoxid 18 einer glatten Edelstahlfolie 16 gebildet ist. Das erfindungsgemäße Rauheitsprofil gewährleistet nunmehr einen ausreichenden Abstand der Katalysatorelemente 32 zueinander, so dass auch bei der erhöhten Konzentration der Katalysatorelemente 32 auf der Oberfläche 35 ein Zusammenschluss vermieden und eine effiziente Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet ist. Zudem können neben der verbesserten Schadstoffumsetzung zusätzliche Vorteile auch im Hinblick auf die Herstellungskosten eines solchen Trägerkörpers aufgrund der reduzierten Menge des Beschichtungsmaterials erzielt werden.

1
Trägerkörper
2
Beschichtung
3
Lage
4
Strömungsweg
5
Mindestquerschnitt
6
Durchlass
7
Gesamtträgerfläche
8
Beschichtungsabschnitt
9
Beschichtungsdicke
10
Edelmetall-Katalysator
11
Oberflächengrenzschicht
12
Grenzschichtdicke
13
Speicherschicht
14
Gestrick
15
Drahtfilament
16
glatte Edelstahlfolie
17
gewellte Edelstahlfolie
18
Oberflächenoxid
19
Länge
20
Wiederholungsintervall
21
Leitfläche
22
Loch
23
Lochquerschnitt
24
Lagenfläche
25
Abgasbehandlungseinheit
26
Fahrzeug
27
Gehäuse
28
Hauptströmungsrichtung
29
Partikel
30
Verbrennungskraftmaschine
31
Abgasanlage
32
Katalysatorelement
33
Größe
34
Abstand
35
Oberfläche
Rz
mittlere Rauhtiefe


Anspruch[de]
Trägerkörper (1) mit einer Gesamtoberfläche (7) aufweisend zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (2) umfassend wenigstens eine Art Katalysatorelemente (32), die dispers an einer Oberfläche (35) des Trägerkörpers (1) angeordnet sind, wobei:

– die Katalysatorelemente (32) einen mittleren Abstand (34) entlang der Oberfläche von mindestens 3 Mikrometer aufweisen,

– die Oberfläche (35) eine mittlere Rauhtiefe Rz von 2 bis 10 Mikrometern hat, und

– der Trägerkörper (1) gegenüber einem Trägerkörper mit glatter und unbeschichteter Oberfläche (35) eine maximale Druckverlusterhöhung von 25 % aufweist.
Trägerkörper (1) nach Patentanspruch 1, bei dem die Katalysatorelemente (32) in einer Menge von 0,2 bis 2,0 Gramm pro Quadratmeter der Gesamtträgerfläche (7) angeordnet sind. Trägerkörper (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Art Katalysatorelemente (32) einen Edelmetall-Katalysator (10) aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium umfasst. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die mittlere Größe (33) des Katalysatorelements (32) im Bereich von 5 bis 10 Nanometer liegt. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, der mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage (3) aus einem gasundurchlässigen Material aufgebaut ist, so dass eine Vielzahl von Strömungswegen (4) mit einem Mindestquerschnitt (5) von 0,5 Quadratmillimeter vorliegt, wobei zumindest die Mehrheit der Strömungswege (4) mit mehreren Durchlässen (6) hin zu mindestens einem benachbarten Strömungsweg (4) ausgeführt. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zumindest ein Beschichtungsabschnitt (8) der Gesamtträgerfläche (7) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (2) versehen ist, die eine Beschichtungsdicke (9) von höchstens 15 Mikrometer aufweist. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zumindest ein Edelmetall-Katalysator (10) aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium nur in einer Oberflächengrenzschicht (11) mit einer Grenzschichtdicke (12) von höchstens 1 Mikrometer vorgesehen ist. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Beschichtung (2) eine poröse Speicherschicht (13) umfasst, wobei in dem zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) zwischen 5 und 30 Gramm pro Quadratmeter davon vorgesehen ist. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Strömungswege (4) zumindest teilweise mit einem Gestrick (14) aus Drahtfilamenten (15) begrenzt sind. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Lage (2) eine Edelstahlfolie (16, 17) umfasst. Trägerkörper (1) nach Patentanspruch 9 oder 10, bei dem zumindest die Drahtfilamente (15) oder die Edelstahlfolie (16, 17) im zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) eine Rauhtiefe Rz im Bereich von 2 bis 6 Mikrometer aufweist. Trägerkörper (1) nach Patentanspruch 9 bis 11, bei dem zumindest die Drahtfilamente (15) oder die Edelstahlfolie (16, 17) Aluminium als Bestandteil umfasst, das im zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) als Oberflächenoxid (18) ausgebildet ist. Trägerkörper (1) nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, bei dem zumindest ein Edelmetall-Katalysator (10) aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium direkt auf zumindest die Drahtfilamente (15) oder die Edelstahlfolie (16, 17) aufgebracht ist. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem jeder Strömungsweg (4) eine Länge (19) hat und dieser über die Länge (19) gesehen in einem Wiederholungsintervall (20) von höchstens 20 Millimeter Durchlässe (6) aufweist. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zumindest einem Teil der Durchlässe (6) in den Strömungsweg (4) hineinragende Leitflächen (21) zugeordnet sind. Trägerkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Strömungsweg (4) so gestaltet ist, dass ein hindurchströmendes Gas über mindestens 80 % der Länge (19) des Strömungsweges (4) turbulent ist. Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers (1) mit einer Gesamtoberfläche (7) aufweisend zumindest einen Beschichtungsabschnitt (8) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (2) mit zumindest folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines Trägerkörpers (1) mit einer glatten Oberfläche (35);

b) Bestimmen eines Druckverlustes des Trägerkörpers (1) bei vorgegebenen Umgebungsbedingungen;

c) Erzeugen einer Oberfläche (35) mit einer mittlere Rauhtiefe Rz im Bereich von 2 bis 10 Mikrometern, wobei der Trägerkörper (1) eine maximale Druckverlusterhöhung von 25 % erfährt;

d) Anordnen von Katalysatorelementen (32) so, dass diese dispers mit einem mittleren Abstand (34) entlang der Oberfläche von mindestens 3 Mikrometer vorliegen.
Verfahren Patentanspruch 17, bei dem Schritt c) wenigstens einen der folgenden Prozesse umfasst:

c1) mechanisches Bearbeiten der Oberfläche (35),

c2) Bilden von Oberflächenoxiden (34),

c3) Beschichten der Oberfläche (35),

c4) Auftragen von Material auf der Oberfläche (35) mittels Nanotechnologie.
Abgasbehandlungseinheit (25) aufweisend zumindest einen Trägerkörper (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 16 oder hergestellt nach einem Verfahren gemäß Patentanspruch 17 oder 18. Fahrzeug (26) aufweisend zumindest eine Abgasbehandlungseinheit (25) nach Patentanspruch 19.






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