DE19638542C2 - Lagerungsmatte für einen Abgaskatalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerungsmatte für einen Abgaskatalysator. Unter einem Abgaskatalysator ist da­ bei eine Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasströmen insbesondere von Kraftfahrzeugen zu verstehen. Sie umfassen u. a. ein Gehäuse, in dem ein katalytisch wir­ kender Katalysatorkörper gelagert ist. Katalysatorkör­ per aus keramischen Werkstoffen, sogenannte Monolit­ he, müssen aufgrund ihrer Bruchempfindlichkeit beson­ ders gut im Gehäuse gelagert werden. Zu ihrer Lage­ rung werden Mineralfasermatten verwendet, die expan­ dierbare Partikel, beispielsweise Blähglimmer (z. B. Ver­ miculit) oder Graphitsalze enthalten. Solche, im folgen­ den Quellmatten genannte Lagerungsmatten sind in ei­ nem zwischen Monolith und Gehäusewandung vorhan­ denen Spaltraum verpreßt angeordnet. Aufgrund ihrer elastischen Rückstellkräfte üben sie eine Haltekraft auf den Monolith aus.

Bei Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeuge tritt das Problem auf, daß durch die heißen Abgase der gesamte Abgaskatalysator erhitzt wird. Da die Monolithe eine geringere Wärmeausdehnung aufweisen als Metallge­ häuse, vergrößert sich der Spaltraum während des Be­ triebs des Fahrzeuges. Diesem Effekt wirken die in einer Quellmatte vorhandenen expandierbaren Partikel, meist Blähglimmerplättchen entgegen. Ab einer Expan­ sionstemperatur etwa von 300°-350°C spaltet sich in den Zwischenschichten der Blähglimmerpartikel gebun­ denes Wasser irreversibel ab, geht in den Dampfzustand über und bläht gewissermaßen die dicht an dicht anein­ anderliegenden Einzelschichten des Blähglimmers zieh­ harmonikaartig auf. Durch diese Expansion der Bläh­ glimmerpartikel wird die Lagerungsmatte im heißen Be­ triebszustand des Abgaskatalysators expandiert. Die Spaltraumvergrößerung wird dadurch ausgeglichen.

Um die Handhabbarkeit der Matten bei der Montage eines Abgaskatalysators zu erleichtern, enthalten sie ein Bindemittel, das die Fasern zusammenhält. Als Binde­ mittel werden z. B. Latex-Acryl-Binder oder vergleich­ bare polymere Stoffe verwendet. Diese Stoffe dürfen jedenfalls bei Raumtemperatur nicht fest sondern müs­ sen elastisch sein, damit die Quellmatten flexibel und insbesondere noch komprimierbar sind. Sie werden nämlich in dem zwischen Monolith und Gehäuse vor­ handenen Spaltraum unter Verpressung und dement­ sprechend unter elastischer Verformung eingebaut. D. h. ihre Dicke im nichtverbauten Zustand ist größer als das Spaltmaß des Spaltraumes. Auf diese Weise wird eine durch die Rückstellkräfte der Quellmatte hervorgerufe­ ne Anfangshalterung des Monolithen im Katalysatorge­ häuse bewirkt.

Bei den herkömmlichen Quellmatten tritt nun folgen­ des Problem auf: Das aus Mineralfasern, expandierba­ ren Partikeln und einer Matrix in Form eines elastischen Binders bestehende System übt zwar bei Raumtempera­ tur eine genügend große Haltekraft auf den Katalysator und die Gehäuseinnenwandung aus. Wird der Abgaska­ talysator aber von heißen Abgasen durchströmt, er­ wärmt sich die Quellmatte und die elastischen Rückstell­ kräfte des Binders verringern sich bei Temperaturen von etwa ab 100°C zusehends. Erst wenn im Katalysator bzw. in der Quellmatte eine Temperatur beispielsweise von etwa 300°-350°C herrscht, expandieren die Bläh­ glimmerpartikeln und der zuvor geschilderte negative Effekt wird kompensiert. Zwischen einer Temperatur von etwa 100°C bis etwa 350°C ist also der Monolith nicht mehr sicher gelagert. Je nach Fahrweise oder Aus­ legung des jeweiligen Motors kann es unter Umständen recht lange dauern, bis nach der Erst-Inbetriebnahme die Expansionstemperatur für den Blähglimmer erreicht ist. Besonders kritisch ist dieses Problem bei Dieselfahr­ zeugen, bei denen die Abgastemperaturen im Teillast­ bereich nur zwischen 150° und 300°C liegen. Dies könn­ te unter Umständen dazu führen, daß die Expansion­ stemperatur erst nach sehr langem Gebrauch des Fahr­ zeugs oder überhaupt nicht erreicht wird. Der Monolith kann sich dann wegen der ungenügenden Haltekraft der Quellmatte aus seiner Verankerung lösen, was zu einem Ausfall des Abgaskatalysators führen kann.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, anstelle der bisherigen, bereits ab 100°C ihre elastischen Rück­ stelleigenschaften verlierenden Bindemittel solche Bin­ demittel, nämlich Hochtemperaturbindemittel zu ver­ wenden, bei denen eine Elastizitätsverringerung erst in einem mit der Expansionstemperatur beginnenden Temperaturbereich auftritt. Als Bindemittel können bei­ spielsweise Silikone, Hochtemperatur-Elastomere, PU- Elastomere oder Epoxid-Elastomere eingesetzt werden. Als Fasern kommen allgemein Hochtemperatur-Fasern zum Einsatz, also etwa Keramikfasern, Aluminiumoxid­ fasern, Glasfasern und Quarzfasern. Es ist auch denkbar, daß herkömmliche Bindemittel mit Hochtemperatur­ bindemitteln gemischt werden. Ob die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bindemittel sich später bei den Be­ triebstemperaturen des Abgaskatalysators zersetzen oder nicht spielt keine Rolle. Wesentlich ist nur, daß eine gegebenenfalls stattfindende Zersetzung in einem Tem­ peraturbereich stattfindet, bei dem der Blähglimmer be­ reits in seinem expandierten Zustand vorliegt oder in diesen Zustand übergeht.

Anhand des den Anmeldeunterlagen beigefügten Diagramms sollen die Unterschiede zwischen her­ kömmlichen und erfindungsgemäßen Quellmatten nochmal verdeutlicht werden. Um die Veränderung der elastischen Eigenschaften bzw. der Haltekraft von Quellmatten im Verlauf ihrer Erwärmung und Abküh­ lung abschätzen zu können ist es üblich, Quellmatten- Zuschnitte mit einem konstanten Gewicht zu belasten und deren Dickenänderung Δd in Abhängigkeit von der Temperatur zu messen. Im vorliegenden Beispiel wur­ den scheibenförmige Zuschnitte von etwa 11 mm Durchmesser verwendet. Ihre Dicke betrug im belaste­ ten Zustand (Preßstempel mit 7 mm Durchmesser und 250 g Masse) 5 mm. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, halten herkömmliche Quellmatten (durchgezogene Li­ nie) ab einer Temperatur von etwa 100°C bis etwa 350°C dem Druck des Preßstempels nicht mehr stand und sinken in sich zusammen. Dies rührt daher, daß das Bindemittel zusehends seine elastischen Rückstelleigen­ schaften verliert. Der Anstieg von Δd bei etwa 350°C kommt durch die beginnende Expansion des Blähglim­ mers zustande. Die Aufheizphase einer Quellmatte läßt sich somit in zwei Temperaturbereiche I und II untertei­ len. Im Temperaturbereich I kommt es ab etwa 100°C zu einem dramatischen Verlust an Haltekraft, der sein Maximum im Bereich zwischen 300° und 350°C er­ reicht. Die Dickenabnahme des Quellmattenzuschnittes beträgt hier zwar nur 15%. Dies entspricht aber einer Abnahme der Haltekraft der Matte von 70-80%. Eine Haltefunktion von herkömmlichen Matten ist hier prak­ tisch nicht mehr gegeben. Wird dagegen eine erfin­ dungsgemäße Quellmatte mit einem Hochtemperatur­ binder eingesetzt, tritt keine Verringerung der elasti­ schen Rückstelleigenschaften bzw. der Haltekraft auf. Im Versuch zeigt die Dickenänderung Δd eines Zuschnittes aus einer erfindungsgemäßen Quellmatte den durch die strichpunkierte Linie im Diagramm angedeu­ teten Verlauf. Trotz Erwärmung behält die Quellmatte ihre Haltekraft im Temperaturbereich I bei. Eine Halte­ kraftsenke im Temperaturbereich I wie bei herkömmli­ chen Quellmatten tritt dagegen nicht auf. Das Bindemit­ tel ist 50 gewählt, daß frühestens im Temperaturbereich II nennenswerte Rückstellkraft- bzw. Haltekrafteinbu­ ßen auftreten. In diesem Temperaturbereich wird näm­ lich dieser negative Effekt durch die Expansion der Blähglimmerpartikel überkompensiert. Die erfindungs­ gemäßen Quellmatten gewährleisten daher von Anfang an eine lückenlose und von der Fahrweise oder der Art des Motors bzw. der Abgastemperaturen unabhängige Haltefunktion.

Claims (6)

1. Quellmatte für einen Abgaskatalysator mit

• - Hochtemperaturfasern, wie Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Glasfasern oder der­ gleichen,
• - einem die Fasern zusammen haltenden Bin­ demittel und
• - Expansionspartikel, die während des Auf­ heizens des Abgaskatalysators durch die Ab­ gase in einem bei Raumtemperatur beginnen­ den ersten Temperaturbereich (I) ein konstan­ tes Volumen aufweisen und in einem sich an den ersten Temperaturbereich anschließenden zweiten, höheren Temperaturbereich (II) in ei­ nen expandierten Zustand übergehen,

gekennzeichnet durch ein Bindemittel mit bei den im ersten Temperaturbereich herrschenden Tem­ peraturen im wesentlichen konstanten elastischen Rückstelleigenschaften.

2. Quellmatte nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet; daß das Bindemittel ein Silikon ist.

3. Quellmatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Hochtemperatur-Elastomer ist.

4. Quellmatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein PU-Elastomer ist.

5. Quellmatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Epoxid-Elastomer ist.

6. Quellmatte nach einem der Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Expansionspartikel Blähglimmer- oder Graphitsalz-Teilchen sind.