DE2708908C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft keramische Wabenkörper mit belastungsgünstigen Zellstrukturen.

Keramische Wabenkörper sind aus einer Vielzahl einzelner Zellen aufgebaut und an der Peripherie von einem Mantel umgeben. Alle Zellen, mit Ausnahme der an der Peripherie des Körpers gelegenen Zellen, haben die gleiche Form im Querschnitt, z. B. die Form von Dreiecken, Quadraten, Rhomben, Hexagonen, Kreisen usf. Um ein möglichst großes Gesamtvolumen zu erhalten, werden die Trennwände der Zellen meist dünn ausgeführt, z. B. in Dicken von 0,05-1,27 mm.

Eine besonders günstige Verwendung finden keramische Wabenkörper als Träger für Katalysatoren, insbesondere für die Emissionskontrolle von Verbrennungsmaschinen. Hierzu sei auf die US-PS 37 83 350, 37 90 654, 38 46 197, 38 26 603, 38 85 977 verwiesen.

Bei Verwendung in Verbrennungsmaschinen entstehen ganz erhebliche Temperaturgefälle infolge der durch die Zellen strömenden Abgase, die zu hohen tangentialen und radialen Belastungen des Keramikkörpers und schließlich zu Rissen, Sprüngen und zum Bruch führen können. Wie in dem Aufsatz "Effects of Cell Geometry on Thermal Shock Resistance of Catalytic Monoliths", in Society of Automotive Engineers Paper No. 750 171, Februar 1975, ausgeführt wird, ist die Wärmeschockfestigkeit keramischer Wabenkörper dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials und seiner mechanischen Festigkeit in den Belastungsrichtungen direkt und seinem strukturellen Elastizitätsmodul in den Belastungsrichtungen umgekehrt proportional. Die bisher zur Verfügung stehenden Körper niedriger Dehnung und hoher Festigkeit sind für die erwarteten verschärften staatlichen Anforderungen an die Emissionskontrolle, insbesondere die zur Entfernung von Stickoxiden benötigten erhöhten Umsetzungstemperaturen immer noch unzureichend.

So beschreibt die US-PS 39 03 341 keramische Wabenkörper mit verschieden gekrümmten Zellwänden, wobei die Krümmungen auch so ausgebildet werden können, daß die Wandkrümmungen jeweils zwei benachbarter Zellen etwa der Form einer Sinuswelle entsprechen. Bei wärmedehnungsbedingten Verformungen sollen durch eine mehr oder weniger starke Begradigung der Wandkrümmungen die Belastungen an den Zellenstoßstellen wesentlich herabgesetzt werden.

Hierbei wurde jedoch den sehr komplexen Beziehungen zwischen der als günstig angestrebten Biegsamkeit der Zellwände unter differentieller Wärmedehnungsbelastung, ihrer mechanischen Festigkeit und der Krümmungs- oder Sinuswellenamplitude der Wände keine Beachtung geschenkt. Wie sich herausstellte, sind diese Bedingungen und Beziehungen von großer Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung sind keramische Wabenkörper, welche ohne wesentlich veränderten Investitionsaufwand mit dem für die bisher verwendeten Wabenkörper eingesetzten Maschinenpark hergestellt werden können, und die bei der verschärften Emissionskontrolle unvermeidlichen höheren thermischen und mechanischen Belastungen schadensfrei aushalten, indem sie eine in Richtung der Zellenquerschnittsebenen geringe und optimal sogar geringstmögliche anisotrope Elastizität bei gleichzeitiger weitgehender Erhaltung der mechanischen Festigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird in keramischen Wabenkörpern mit einer Vielzahl untereinander verbundener Zellen, die ein sich wiederholendes symmetrisches Muster bilden, deren Zellwände zur Zellachse gekrümmt verlaufen, wobei die im Umfang einer jeden Zelle aneinander stoßenden Wände abwechselnd je einer halben Sinuswelle entsprechend konkav und konvex gekrümmt sind dadurch gelöst, daß die Sinuswellenamplitude kleiner als die Dicke der Zellwände ist.

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine quadratische Zelle eines bekannten Wabenkörpers;

Fig. 1a ein Polardiagramm der Kennlinie des strukturellen Elastizitätsmoduls der bekannten Zelle nach Fig. 1 in den verschiedenen Richtungen einer Querschnittsebene x-y;

Fig. 2 perspektivisch eine erfindungsgemäß ausgebildete Zelle in Form eines modifizierten Quadrats; und

Fig. 2a das dazugehörige Polardiagramm des Elastizitätsmodul;

Fig. 3 schematisch eine sich wiederholende Gruppierung von Zellen nach Fig. 2;

Fig. 4 schematisch eine Zelle nach der Fig. 2, mit sinusförmiger Wandkrümmung, wobei die Amplituden der halben Sinuswellen kleiner als die Dicke der Zellwände ist;

Fig. 5 und 6 schematisch weitere Ausbildungen der Erfindung mit Zellen in Form modifizierter Hexagone und Parallelogramme oder Rhomben.

Die verschiedenen Wabenkörper der Fig. 1-6 enthalten eine Vielzahl paralleler Zellen 30-38, 40-44, 50-60. Diese werden durch ineinander übergehende Trennwände 20 gebildet. Die Trennwände führen durch den gesamten Körper und verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse des Wabenkörpers. Die Zellen werden durch eine Außenwand oder Haut 70 begrenzt, Fig. 3. Vorzugsweise sind die Trennwände dünn ausgebildet, um einen möglichst großen, durch die Querschnittsebenen x und y definierten Zellenraum zu schaffen.

In der Ausbildung der Fig. 2-4 haben die Zellen 30-38 einen quadratischen Querschnitt. Das Quadrat wird durch die Geraden begrenzt, die man durch die Verbindungs- oder Stoßlinien der Trennwände 20 a, 20 b ziehen kann. Jede Zelle 30-38 enthält die einander gegenüberliegenden, konkav gekrümmten Trennwände 20 a und die einander gegenüberliegenden, konvex gekrümmten Trennwände 20 b, welche an den vier Verbindungslinien 24 aneinander grenzen, so daß beide Enden der konvexen bzw. konkaven Trennwände an die jeweils beiden anders gekrümmten Trennwände angrenzen.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, haben alle Trennwände die gleiche Länge L, sowie den gleichen Krümmungswinkel, so daß die vier Eckwinkel an den Verbindungsstellen der Trennwände jeweils 90° betragen, wobei der Eckwinkel durch die in der Querschnittsebene liegenden Tangenten zweier angrenzender Trennwände gebildet wird. Alle Trennwände sind gleich dick, wobei diese Dicke möglichst klein gehalten wird, um die offene Fläche möglichst groß zu gestalten. Zur Vermeidung konzentrierter Belastung in den Endbereichen der Trennwände werden die Verbindungsstellen vorzugsweise ausgekehlt oder abgerundet.

Wie die Fig. 3 zeigt, haben alle Zellen die gleiche Form, aber anliegende Zellen sind zueinander um einen Winkel von 90° versetzt. So sind alle Zellen 30-38 von gleicher Form, aber die Zellen 32-38 sind zur Zelle 30 um 90° gedreht angeordnet. In einer Zellenreihe liegen die Zellen 38 und 36 oder 32 und 34 gleich, während die jeweils innenliegende Zelle z. B. die Zelle 30 zu den benachbarten bzw. anliegenden Zellen um 90° versetzt ist. Damit entsteht ein sich regelmäßig wiederholendes Zellenmuster. Dies läßt sich auch in der Weise betrachten, daß jede Trennwand konvex zu einem Zellteil, aber konkav zu einem diese Trennwand teilenden Zellteil ist. So sind beispielsweise die Trennwände 20 a der Zelle konkav zur Zelle 30, aber in den die Trennwände 20 a mit der Zelle 30 teilenden Zellen 36 und 38 bilden die Trennwände eine konvexe Krümmung. Umgekehrt bilden die Trennwände 20 b für die Zelle 30 eine konvexe Krümmung, aber für die über bzw. unter dieser Zelle liegenden Zellen 32, 34 eine konkave Krümmung. Hierbei ist zu beachten, daß die zwei Zellen gemeinsamer Trennwände jeweils die gleiche Bezugsziffer tragen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Wabenkörper besteht darin, daß bei Verformung unter thermischer oder mechanischer Belastung die Eckwinkel in den Zellen im wesentlichen gleich, im Falle der Ausbildung nach den Fig. 2-4 mit modifiziert-quadratischem Querschnitt, also etwa 90°, bleiben. Dies ist die Folge der Ausbildung der gegenüberliegenden Zellwände 20 a, 20 b, welche vom Zellenzentrum hinweg oder zu diesem wirkende, eingebaute Momentarme aufweisen, die bei der Verformung der Trennwände vom Zellenzentrum hinweg oder zu diesem hin biegen. So biegen die parallel zu den konkav gekrümmten Trennwänden wirkenden Kräfte die beiden Wände nach innen, die entsprechenden parallel zu konvex gekrümmten Wänden wirkenden Kräfte diese dagegen nach außen. Infolgedessen behalten die Zellen ihre ursprünglichen Eckwinkel bei. Als parallele wirkende Kräfte werden hierbei die entlang einer Geraden, der x-Achse der Fig. 4, wirkenden Kräfte bezeichnet; diese Gerade verbindet die Enden der Trennwände an den Stoßstellen 24 in einer Querschnittsebene.

In keramischen Wabenkörpern konzentrieren sich die Belastungen zunehmend in den Endbereichen der Zellwände, je kleiner die Eckwinkel werden. Erfindungsgemäß wird durch die Konstanthaltung der Eckwinkel unter Belastung und Verformung diese Belastungskonzentration weitgehend vermieden. Im Gegensatz zu Zellen mit geraden Wänden verursacht die gekrümmte Ausbildung der Zellwände eine vorbedingte, keine willkürliche Verformung. Damit ergibt sich - zusätzlich zu oder unabhängig von einer Senkung des Wärmedehnungskoeffizienten der Keramik - eine verbesserte Wärmeschockfestigkeit der erfindungsgemäßen Wabenkörper.

Als weiteren wichtigen Vorteil verursacht die gekrümmte Ausbildung der Zellwände einen niedrigeren und gleichmäßigeren Elastizitätsmodul in Richtungen, die in den Querschnittsebenen liegen. Dadurch erhöht sich die Belastungsfestigkeit gegenüber thermisch oder mechanisch bedingten radialen und tangentialen Belastungen.

Ein wesentliches Merkmal ist die Ausbildung der Wandkrümmungen entsprechend je einer halben Sinuswelle, deren Amplitude kleiner als die Dicke der Zellenwände ist, was eine in Richtung der Zellenquerschnittsebenen (x, y) geringe anisotrope Elastizität und geringe Biegebelastung an den gekrümmten Wandenden ergibt.

Wie die vorstehend erwähnte Veröffentlichung der S. A. E. berichtet, kann der strukturelle Elastizitätsmodul einer Zelle mit quadratischem Querschnitt durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

und

worin R die Winkelverschiebung zur x-Achse (Fig. 1) und E der Elastizitätsmodul des Zellmaterials ist; L bezeichnet die Länge der Trennwand, t deren Dicke, ν ist Poisson's Verhältnis, das in diagonaler Richtung, R = 45°, wegen Unregelmäßigkeiten der Zellabmessung, z. B. ungleichmäßigen Wanddicken, mit 0,9 angenommen wird.

Bei einer Dicke t = 0,0254 cm, einer Länge L = 0,178 cm, und einem für extrudierte Cordieritkeramiken typischen Elastizitätsmodul E = 275 800 bar beträgt der nach den obigen Gleichungen (1) und (2) berechnete Elastizitätsmodul einer quadratischen Zelle gemäß Fig. 1

_{(0, 90°)} = 39 301,5 bar (3)

und

_(45°) = 2068,5 bar (4)

Eine quadratische Zelle bekannter Ausbildung ist also in hohem Maße elastisch-anisotrop. Der strukturelle Elastizitätsmodul parallel zu den Zellwänden (Gleichung 3) ist neunzehnmal größer als in diagonaler Richtung (4). Die Fig. 1a zeigt die anisotrope Elastizität sehr deutlich.

Wie in der Fig. 4 gezeigt ist, haben die Trennwände 20 a, 20 b die Krümmung einer halben Sinuswelle, entsprechend der Gleichung

worin y die Winkelverschiebung zur x-Achse der Fig. 4 und L die Entfernung zwischen den Verbindungsstellen 24 an den Enden angrenzender Trennwände bezeichnet; e ist die maximale Exzentrizität der Amplitude der Trennwände an der im Abstand von den Verbindungsstellen 24 liegenden Mitte. Hierbei werden y und e von der Mittellinie der Trennwände nicht von deren Innen- oder Außenfläche gemessen. Das schematisch in der Fig. 4 gezeigte Profil der Trennwände verläuft also entlang dieser Mittellinie; die Amplitude e ist die Abweichung von einer durch die Enden der Mittellinie gezogenen Geraden x an der Mitte der Trennwand.

Zum Vergleich der kennzeichnenden Elastizitätsmodulen der Erfindung mit den anisotropen Kennwerten bekannter Zellen nach Fig. 1 und 1a wurden für die erfindungsgemäßen Zellausbildungen die entsprechenden Gleichungen erarbeitet. Die modifizierten quadratischen Ausbildungen der Zellen nach den Fig. 2, 3 und 4 haben bei sinusförmig gekrümmten Trennwänden nach Gleichung (5) die durch die folgenden Gleichungen gekennzeichneten Elastizitätsmodulen:

und

worin e die maximale Amplitude der sinusförmigen Krümmung gemäß Fig. 4 ist; die sonstigen Parameter entsprechend denen der Gleichungen (1) und (2). Da aus den erwähnten Gründen nur kleine Krümmungsamplituden erforderlich erschienen, entspricht die Gleichung für den Modul in diagonaler Richtung der obigen Gleichung (2), wobei ′ _(45°) annähernd gleich _(45°) ist.

Die folgende Tabelle enthält die Elastizitätsmodulwerte für Wanddicken t = 0,0254 cm, Wandlängen L = 0,178 cm im wesentlichen parallel zu den Trennwänden, für die verschiedenen Verhältniswerte der Amplitude zu der Wanddicke :

Tabelle I

039 301,5 bar 0,231 717 bar 0,419 995,5 bar 0,612 411 bar 0,8 8 274 bar 1,0 5 653,9 bar 1,2 4 068 bar 1,5 2 689 bar

Wie die Tabelle zeigt, ist bei einer Amplitude = 0, also geraden Trennwänden, der Modul gleich 39 301,5 bar. Überraschenderweise nimmt bei einem Verhältnis der Amplitude zur Dicke von 1,5 der Elastizitätsmodul auf 2689 bar ab. Das entspricht einer Verbesserung des strukturellen Moduls von mehr als einer Größenordnung.

Indessen ist die Wärmeschockfestigkeit nicht nur dem strukturellen Modul umgekehrt proportional, sondern auch der Festigkeit in der jeweiligen Richtung direkt proportional. Daher muß auch die Steigerung der Biegefestigkeit an den Enden der Trennwände nahe den Verbindungsstellen 24 infolge der Momentarme der gekrümmten Trennwände berücksichtigt werden. Das Verhältnis der Biegemomente bekannter, quadratischer Zellen zu denen der erfindungsgemäßen Wabenkörper läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

worin M₀ gekrümmt das Biegemoment an den Endteilen der sinusförmig gekrümmten Trennwände; M₀ gerade das Biegemoment an den Enden bekannter, quadratischer Zellen nach Fig. 1; e und L wie oben; α die Winkelverschiebung zwischen einer Tangente s an der Krümmung an der Verbindungsstelle 24 und einer Geraden d durch das Ende der Trennwand und die gegenüberliegende Verbindungsstelle (Fig. 4) ist. Für α = , e = 0,15 mm und L = 1,8 mm.

Hiernach ergibt sich ein Elastizitätsmodul parallel zur Zellwand von 12 411 bar, also eine Verringerung im Vergleich zur geraden Wand um einen Faktor 3, während die Steigerung der Biegebelastung an den Enden der Trennwände nur 10% beträgt. Dadurch ergibt sich wenigstens eine Verdoppelung der Wärmeschockfestigkeit im Vergleich zu geraden Zellwänden.

Außerdem bedeutet die erfindungsgemäße Ausbildung der Zellen eine wesentliche Verbesserung der sonst stark anisotropen Strukturmodulmerkmale des keramischen Wabenkörpers. In dem gerade erwähnten Beispielfall (Modul von 12 411 bar parallel zu den Zellwänden) ergibt sich unter Anwendung der Gleichung (7) ein Strukturmodul in diagonaler Richtung von 2068,5 bar. Für diese Werte erläutert die Fig. 2a die verbesserte Gleichmäßigkeit des strukturellen Elastizitätsmoduls infolge verringertem Elastizitätsmodul in den Winkelrichtungen 0, 90, 180 und 270° eines Wabenkörpers mit sinusförmig gekrümmten Wänden mit einer 6/10 der Wanddicke betragenden Amplitude. Die Verringerung des maximalen Elastizitätsmoduls liegt somit im Bereich von 67%, also eine Änderung um den Faktor 3. Während die Werte der strukturellen Moduln in diagonalen und parallelen Richtungen (jeweils zu den Wänden) in Körpern mit geraden Zellwänden sich um einen Faktor 19 unterscheiden, beträgt dieser Unterschied bei der erfindungsgemäß modifizierten Form etwa 6. Die Anisotropie wird also um den Faktor 19/6, also annähernd 3, verbessert.

Nach einer weiteren, in der Fig. 5 gezeigten Ausbildung sind modifiziert-hexagonale Zellen vorgesehen. Die durch die Verbindungsstellen 24′ gezogenen Geraden beschreiben ein Hexagon. Eine erste Gruppe konkav gekrümmter Wände besteht aus drei, nicht einander gegenüberliegenden Trennwänden 20 c, während eine zweite Gruppe konvex gekrümmter Wände aus drei nicht gegenüberliegenden Trennwänden 20 d besteht. Eine in einer Richtung gekrümmte Trennwand liegt also jeweils zwischen zwei anders gekrümmten Trennwänden. Die Trennwände sind gleich lang und in gleichem Maße gekrümmt; jede Verbindungslinie 24 ist im gleichen Abstand und Winkel relativ zu zwei benachbarten Verbindungslinien angeordnet. Somit entstehen zwischen den Trennwänden jeweils gleiche Winkel von je 120°.

Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, sind die Zellen 40, 42, 44 so zueinander orientiert, daß ein sich wiederholendes, symmetrisches Muster entsteht, dergestalt, daß die für eine Zelle konkav gekrümmten Trennwände (z. B. 20 c-40) für die sie als Trennwand teilende Zelle, z. B. die Zelle 42, konvex gekrümmt sind. Die Zellen sind einander gleich, aber anliegende Zellen sind um einen den Eckwinkeln der Zellen gleichen Winkelbetrag (120°) zueinander versetzt. (Vgl. die um die gemeinsame Verbindungslinie 24 verdrehten Zellen 40, 42, 44 der Fig. 5.) Die hexagonalen Zellen einer beliebigen Zelle, z. B. die Zellen 40, 42 sind somit so zueinander orientiert, daß die quer zu der Reihe verlaufenden Trennwände in der gleichen Richtung gekrümmt sind.

Nach einer weiteren, in der Fig. 6 dargestellten Ausbildung haben die Zellen eine modifizierte Rhombusform. Die zwei gegenüberliegenden konkaven Trennwände 20 e stoßen mit ihren Enden an die einander gegenüberliegenden, konvexen Trennwände 20 f. Alle Trennwände haben die gleiche Länge und sind um den gleichen Betrag gekrümmt. Zwei der einander gegenüberliegenden Eckwinkel betragen 60°, die anderen, gegenüberliegenden Winkel betragen etwa 120°. Wie zuvor werden die Eckwinkel durch den Schnitt der Tangenten an benachbarten Wänden definiert, die an den Verbindungslinien 24′ aufeinander stoßen und in einer Querschnittsebene liegen.

Als Teil eines Wabenkörpers ist, mit Ausnahme der Peripherie des Körpers, jede der Trennwände der Zellen für eine Zelle konkav, für die benachbarte und diese Wand teilende Zellen aber konvex gekrümmt. Es sind Gruppen von jeweils drei einander gleichen Zellen um eine gemeinsame mittlere Verbindungs- oder Stoßlinie gruppiert, z. B. die Zellen 50, 52, 54 und die Verbindungslinie 24′, die Zellen 56, 58, 60 um eine andere Verbindungslinie 24′. Anders ausgedrückt besteht das sich wiederholende Zellenmuster des Wabenkörpers aus Gruppen von sechs einander gleichen, jeweils um eine gemeinsame Verbindungslinie gruppierten Zellhaufen. Die Zellen 52, 54, 56, 58 bilden beispielsweise vier einer solchen Sechsergruppe.

Für diese Ausbildung gelten die weiter oben für die modifizierten Zellquadrate erörterten Vorteile. Bei thermisch oder mechanisch verursachter Verformung behalten die Winkel zwischen benachbarten Zellwänden ihren Ausgangswert, während Belastungskonzentrationen an den Enden der Trennwände gering bleiben. Außerdem haben die gekrümmt-modifiziert hexagonalen oder rhombusförmigen Zellstrukturen eine größere Biegsamkeit parallel zu den Trennwänden.

Um die infolge der gekrümmten Ausbildung an den Enden der Trennwände auftretenden Belastungen möglichst niedrig zu halten, gleichzeitig aber einen niedrigen, gleichmäßigen Elastizitätsmodul zu erhalten, werden die Trennwände vorzugsweise sinusförmig gekrümmt ausgeführt, insbesondere Krümmungen mit der vorstehend erörterten Sinusamplitude e. Für die modifiziert-hexagonalen Formen ist hierbei zu beachten, daß sinusförmige Krümmungen sehr kleiner Amplitude die Zellgeometrie im wesentlichen isotrop elastisch machen, weil auch echt hexagonale Zellen mit geraden Wänden sehr viel weniger stark anisotrop sind als Parallelogrammformen.

Die Erfindung ist in allen Fällen günstig einsetzbar, die eine hohe Belastungstoleranz und Wärmeschockfestigkeit verlangen. Ein besonders günstiges Anwendungsbeispiel ist die Verwendung als Wabenkörper für die Abgaskontrolle von Verbrennungsmaschinen.

Claims (2)

1. Keramischer Wabenkörper mit einer Vielzahl untereinander verbundener Zellen, die ein sich wiederholendes symmetrisches Muster bilden, deren Zellwände zur Zellachse gekrümmt verlaufen, wobei die im Umfang einer jeden Zelle aneinander stoßenden Wände abwechselnd je einer halben Sinuswelle entsprechend konkav und konvex gekrümmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinuswellenamplitude kleiner als die Dicke der Zellwände ist.

2. Keramischer Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen die Form eines modifizierten Parallelogramms, Quadrats oder Rhombus oder Hexagons bilden.