DE19638542A1

DE19638542A1 - Vehicle exhaust catalyst expansion mat

Info

Publication number: DE19638542A1
Application number: DE19638542A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Stoepler
Original assignee: Leistritz AG and Co Abgastechnik
Current assignee: Faurecia Automobiltechnik GmbH
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2016-09-21
Also published as: DE29515081U1; DE19638542C2

Abstract

The expansion mat material for a vehicle exhaust catalyst system comprises high temp. fibres such as or ceramic, aluminium oxide or glass and the like. The bonding agent has a constant reassertion characteristic at the initial working temp. range starting at room temps. As the working temp. increases, the mat material expands to take up expansion through heat in the catalyst system. The bonding agent is of silicon, a high temp. elastomer, a polyurethane elastomer or an epoxy elastomer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerungsmatte für einen Abgaskatalysator. Unter einem Abgaskatalysator ist dabei eine Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasströmen insbesondere von Kraftfahrzeugen zu verstehen. Sie umfassen u. a. ein Gehäuse, in dem ein katalytisch wirkender Katalysatorkörper gelagert ist. Katalysatorkörper aus keramischen Werkstoffen, sogenannte Monolithe, müssen aufgrund ihrer Bruchempfindlichkeit besonders gut im Gehäuse gelagert werden. Zu ihrer Lagerung werden Mineralfasermatten verwendet, die expandierbare Partikel, beispielsweise Blähglimmer (z. B. Vermiculit) oder Graphitsalze enthalten. Solche, im folgenden Quellmatten genannte Lagerungsmatten sind in einem zwischen Monolith und Gehäusewandung vorhandenen Spaltraum verpreßt angeordnet. Aufgrund ihrer elastischen Rückstellkräfte üben sie eine Haltekraft auf den Monolith aus.The invention relates to a storage mat for an exhaust gas catalytic converter. Under an exhaust gas catalyst is a device for detoxifying To understand exhaust gas flows, in particular from motor vehicles. They include u. a. a housing in which a catalytic catalyst body is mounted. Catalyst bodies made of ceramic materials, so-called monoliths, have to can be stored particularly well in the housing due to their sensitivity to breakage. Mineral fiber mats, which are expandable, are used for their storage Particles, for example expanded mica (e.g. vermiculite) or graphite salts. Such storage mats, called swelling mats in the following, are in one existing gap between the monolith and the housing wall pressed arranged. Due to their elastic restoring forces, they exert a holding force on the monolith.

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 Metallgehäuse, vergrößert sich der Spaltraum während des Betriebs des Fahrzeuges. Diesem Effekt wirken die in einer Quellmatte vorhandenen expandierbaren Partikel, meist Blähglimmerplättchen entgegen. Ab einer Expansionstemperatur etwa von 300°-350°C spaltet sich in den Zwischenschichten der Blähglimmerpartikel gebundenes Wasser irreversibel ab, geht in den Dampfzustand über und bläht gewissermaßen die dicht an dicht aneinanderliegenden Einzelschichten des Blähglimmers ziehharmonikaartig auf. Durch diese Expansion der Blähglimmerpartikel wird die Lagerungsmatte im heißen Betriebszustand des Abgaskatalysators expandiert. Die Spaltraumvergrößerung wird dadurch ausgeglichen.In exhaust gas catalysts for motor vehicles, the problem arises that hot exhaust gases, the entire catalytic converter is heated. Since the monoliths are one have less thermal expansion than metal housings, the increases Gap space during the operation of the vehicle. This effect works in a swellable mat of expandable particles, usually Expanded mica platelets. From an expansion temperature of about 300 ° -350 ° C splits in the intermediate layers of the expanded mica particles bound water irreversibly, evaporates and expands to some extent the individual layers of the Expanded mica like an accordion. Through this expansion of the Expanded mica particles become the storage mat in the hot operating state of the Exhaust gas catalyst expands. This will increase the gap balanced.

Um die Handhabbarkeit der Matten bei der Montage eines Abgaskatalysators zu erleichtern, enthalten sie ein Bindemittel, das die Fasern zusammenhält. Als Bindemittel werden z. B. Latex-Acryl-Binder oder vergleichbare polymere Stoffe verwendet. Diese Stoffe dürfen jedenfalls bei Raumtemperatur nicht fest sondern müssen elastisch sein, damit die Quellmatten flexibel und insbesondere noch komprimierbar sind. Sie werden nämlich in dem zwischen Monolith und Gehäuse vorhandenen Spaltraum unter Verpressung und dementsprechend 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 hervorgerufene Anfangshalterung des Monolithen im Katalysatorgehäuse bewirkt.To make the mats easier to handle when installing an exhaust gas catalytic converter they contain a binder that holds the fibers together. As Binders are e.g. B. latex acrylic binder or comparable polymeric substances used. In any case, these substances must not be solid at room temperature must be elastic so that the swelling mats are flexible and, in particular, still are compressible. They are namely in the between monolith and housing existing gap under compression and accordingly under elastic deformation built in. I.e. its thickness is in the unassembled state larger than the gap size of the gap. In this way, one through the Restoring forces of the swelling mat caused initial mounting of the monolith in the catalytic converter housing.

Bei den herkömmlichen Quellmatten tritt nun folgendes Problem auf: Das aus Mineralfasern, expandierbaren Partikeln und einer Matrix in Form eines elastischen Binders bestehende System übt zwar bei Raumtemperatur eine genügend große Haltekraft auf den Katalysator und die Gehäuseinnenwandung aus. Wird der Abgaskatalysator aber von heißen Abgasen durchströmt, erwärmt sich die Quellmatte und die elastischen Rückstellkräfte 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 Blähglimmerpartikeln 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 Auslegung 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 Dieselfahrzeugen, bei denen die Abgastemperaturen im Teillastbereich nur zwischen 150° und 300°C liegen. Dies könnte unter Umständen dazu führen, daß die Expansionstemperatur erst nach sehr langem Gebrauch des Fahrzeugs 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.The following problem now arises with conventional swelling mats: Mineral fibers, expandable particles and a matrix in the form of a existing binder exercises a system at room temperature sufficient holding force on the catalytic converter and the inside wall of the housing out. However, if hot exhaust gases flow through the catalytic converter, it is heated the swelling mat and the elastic restoring forces of the binder decrease visibly at temperatures of around 100 ° C. Only when in the catalytic converter or a temperature in the swelling mat, for example, of about 300 ° -350 ° C prevails, the expanded mica particles and the one described above expand negative effect is compensated. Between a temperature of about 100 ° C to around 350 ° C the monolith is no longer stored safely. Depending on the driving style or the design of the respective engine can take quite a long time take until the expansion temperature for the Expanded mica is reached. This problem is particularly critical Diesel vehicles where the exhaust gas temperatures in the partial load range only are between 150 ° and 300 ° C. Under certain circumstances, this could lead to the expansion temperature only after very long use of the vehicle or is not achieved at all. The monolith can then because of inadequate retention force of the swelling mat from its anchoring loosen what failure of the catalytic converter.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, anstelle der bisherigen, bereits ab 100°C ihre elastischen Rückstelleigenschaften verlierenden Bindemittel solche Bindemittel, nämlich Hochtemperaturbindemittel zu verwenden, bei denen eine Elastizitätsverringerung erst in einem mit der Expansionstemperatur beginnenden Temperaturbereich auftritt. Als Bindemittel können beispielsweise Silikone, Hochtemperatur-Elastomere, PU-Elastomere oder Epoxid-Elastomere eingesetzt werden. Als Fasern kommen allgemein Hochtemperatur-Fasern zum Einsatz, also etwa Keramikfasern, Aluminiumoxidfasern, Glasfasern und Quarzfasern. Es ist auch denkbar, daß herkömmliche Bindemittel mit Hochtemperaturbindemitteln gemischt werden. Ob die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bindemittel sich später bei den Betriebstemperaturen des Abgaskatalysators zersetzen oder nicht spielt keine Rolle. Wesentlich ist nur, daß eine gegebenenfalls stattfindende Zersetzung in einem Temperaturbereich stattfindet, bei dem der Blähglimmer bereits in seinem expandierten Zustand vorliegt oder in diesen Zustand übergeht.According to the invention, it is now proposed to replace the previous one 100 ° C binders lose their elastic recovery properties Binder, namely to use high temperature binders, in which one Reduction of elasticity only in a beginning with the expansion temperature Temperature range occurs. For example, silicones, High temperature elastomers, PU elastomers or epoxy elastomers are used will. Generally, high-temperature fibers are used as fibers such as ceramic fibers, aluminum oxide fibers, glass fibers and quartz fibers. It is also conceivable that conventional binders with high temperature binders be mixed. Whether the binders proposed according to the invention are decompose later at the operating temperatures of the catalytic converter or not does not matter. It is only essential that an eventual event takes place Decomposition takes place in a temperature range in which the expanded mica already exists in its expanded state or changes into this state.

Anhand des den Anmeldeunterlagen beigefügten Diagramms sollen die Unterschiede zwischen herkömmlichen und erfindungsgemäßen Quellmatten nochmal verdeutlicht werden. Um die Veränderung der elastischen Eigenschaften bzw. der Haltekraft von Quellmatten im Verlauf ihrer Erwärmung und Abkühlung 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 wurden scheibenförmige Zuschnitte von etwa 11 mm Durchmesser verwendet. Ihre Dicke betrug im belasteten Zustand (Preßstempel mit 7 mm Durchmesser und 250 g Masse) 5 mm. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, halten herkömmliche Quellmatten (durchgezogene Linie) 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 Rückstelleigenschaften verliert. Der Anstieg von Δd bei etwa 350°C kommt durch die beginnende Expansion des Blähglimmers zustande. Die Aufheizphase einer Quellmatte läßt sich somit in zwei Temperaturbereiche I und II unterteilen. 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 erreicht. 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 praktisch nicht mehr gegeben. Wird dagegen eine erfindungsgemäße Quellmatte mit einem Hochtemperaturbinder eingesetzt, tritt keine Verringerung der elastischen Rückstelleigenschaften bzw. der Haltekraft auf. Im Versuch zeigt die Dickenänderung Δd eines Zuschnittes aus einer erfindungsgemäßen Quellmatte den durch die strichpunkierte Linie im Diagramm angedeuteten Verlauf. Trotz Erwärmung behält die Quellmatte ihre Haltekraft im Temperaturbereich I bei. Eine Haltekraftsenke im Temperaturbereich I wie bei herkömmlichen Quellmatten tritt dagegen nicht auf. Das Bindemittel ist 50 gewählt, daß frühestens im Temperaturbereich II nennenswerte Rückstellkraft- bzw. Haltekrafteinbußen auftreten. In diesem Temperaturbereich wird nämlich dieser negative Effekt durch die Expansion der Blähglimmerpartikel überkompensiert. Die erfindungsgemäßen Quellmatten gewährleisten daher von Anfang an eine lückenlose und von der Fahrweise oder der Art des Motors bzw. der Abgastemperaturen unabhängige Haltefunktion.Using the diagram attached to the registration documents, the Differences between conventional swelling mats and swelling mats according to the invention be clarified again. To change the elastic properties or the holding power of swelling mats in the course of their heating and cooling It is customary to be able to estimate source mat blanks with a constant Load weight and their thickness change Δd depending on the Measure temperature. In the present example, they were disc-shaped Cuts of approximately 11 mm in diameter are used. Its thickness was loaded condition (press ram with 7 mm diameter and 250 g mass) 5 mm. As the diagram shows, conventional swelling mats last (solid line) from a temperature of about 100 ° C to about 350 ° C Pressure of the press ram no longer stood and sink together. This stems from the fact that the binder is increasingly elastic Reset properties loses. The increase in Δd at about 350 ° C comes through the expanding mica begins to expand. The heating up phase Swelling mat can thus be divided into two temperature ranges I and II. in the Temperature range I there is a dramatic loss from about 100 ° C Holding force that reaches its maximum in the range between 300 ° and 350 ° C. The Thickness reduction of the source mat blank is only 15% here. This but corresponds to a decrease in the holding force of the mat of 70-80%. A Holding function of conventional mats is practically no longer available here. In contrast, a swelling mat according to the invention with a High temperature binder used, no reduction in elastic occurs Reset properties or the holding force. The experiment shows Change in thickness Δd of a blank from a swelling mat according to the invention the course indicated by the dash-dotted line in the diagram. Despite The swelling mat maintains its holding force in temperature range I when heated. A Holding force sink in the temperature range I occurs as with conventional swelling mats don't mind. The binder is chosen 50 that at the earliest Temperature range II significant loss of restoring force or holding force occur. This negative effect is caused by this temperature range the expansion of the expanded mica particles overcompensated. The invention Therefore, swelling mats guarantee a complete and from the beginning Driving style or the type of engine or exhaust gas temperatures independent Hold function.

Claims

1. swelling mat for a catalytic converter with

High-temperature fibers, such as ceramic fibers, aluminum oxide fibers, glass fibers or the like,
- a binder holding the fibers together and
Expansion particles which have a constant volume during the heating of the exhaust gas catalyst by the exhaust gases in a first temperature range (I) starting at room temperature and change to an expanded state in a second, higher temperature range (II) following the first temperature range,

characterized by a binder with elastic recovery properties which are essentially constant at the temperatures prevailing in the first temperature range.

2. swelling mat according to claim 1 characterized; that the binder is a silicone.

3. swelling mat according to one of claims 1 or 2, characterized, that the binder is a high temperature elastomer.

4. swelling mat according to one of claims 1 or 2, characterized, that the binder is a PU elastomer.

5. swelling mat according to one of claims 1 or 2, characterized, that the binder is an epoxy elastomer.

6. swelling mat according to one of claims 1-5, characterized, that the expansion particles are expanded mica or graphite salt particles.