Cordierita para convertidores catalíticos

Cordierita para convertidores catalíticos

Flujo a través del sustrato

Una perspectiva de cordierita

La cordierita se emite a partir de rocas sedimentarias. Los depósitos se pueden encontrar en Sri Lanka, India, Birmania, Madagascar, EE. UU. y Canadá. Tiene una alta resistencia térmica y es un material relativamente fuerte. Sin embargo, tiene un alto coeficiente de expansión térmica (CTE) y una densidad relativamente baja. La cordierita es un rendimiento de alto volumen a través de procesos de extrusión o prensado de tinta de bajo costo. Se utiliza en el dominio del aislamiento eléctrico, resistencias de alto rendimiento, tubos de quemadores y, por supuesto, soportes y filtros de catalizadores de escape.

Convertidores catalíticos a base de panal de cerámica de cordierita

La primera aplicación de la cordierita en la industria automotriz fue el uso de cerámicos de cordierita en los convertidores catalíticos a partir de mediados de los años setenta. Estos convertidores catalíticos son reactores químicos de pared que están integrados en el tubo de escape . Se utilizan para convertir contaminantes como CO, HC y NOx en algunos casos particulares.Agrietamiento en anillo

¿Cómo funciona un convertidor catalítico?

Un convertidor catalítico se compone de un sustrato, la capa de baño, los catalizadores, la estera y la lata.agrietamiento de la cara



El sustrato es un tipo de panal cerámico que proporciona un área superficial para el catalizador y donde se deposita la capa de lavado. La capa de lavado es un depósito que aumenta el área efectiva del sustrato. Ayuda a controlar la catálisis gracias a sus propiedades y facilita el depósito de catalizador en la superficie. El catalizador es en general un metal precioso que cataliza la conversión de contaminantes en gases inocuos. Se aplica al sustrato washcoated a través de un proceso químico. El tapete se envuelve alrededor del sustrato y brinda aislamiento térmico, protección contra impactos mecánicos y vibraciones del vehículo. La lata es un paquete de metal que encierra los sustratos y su tapete.

Sustrato catalizador para el control de la contaminación del aire

El monolito cerámico utilizado en los convertidores tiene una estructura de poros (alrededor de 3 a 4 µm de poros) que permite la unión tanto mecánica como química con el washcoat. Ofrece una gran área de superficie para el depósito de washcoat como Al2O3y puede impregnarse aún más con un componente catalítico como el platino.

Elementos clave de fabricación

El proceso de fabricación es el siguiente:

1. Procesamiento de materias primas

El material es entregado al sitio de fabricación por camiones. Es pesado y controlado por el laboratorio de fabricación. Luego, los materiales se mezclan en un lote que se mezcla con agua y se transporta a la extrusión.

2. Formación y secado

La geometría de la celda se forma por extrusión del material del lote. Aquí se forman la densidad celular, la forma y el grosor de la pared. Luego se seca gracias al microondas.

3. Corte y carga

Las piezas se cortan a medida y se limpian. En este paso se realiza un control de proceso para garantizar la conformidad de las piezas. A continuación, las piezas se cargan en un horno (cámara aislada térmicamente).

4. disparar

La cocción se realiza de acuerdo con un ciclo preciso de tiempo y temperatura.

5. Acabado y envío

Luego, los sustratos de cordierita se empaquetan y envían al sitio de ensamblaje del cliente.

Datos de rendimiento y diseño macrocelular

Cerámicas porosas monolíticas como sustratos catalizadores para el control de la contaminación del aire

La principal ventaja del material monolítico es que ofrece una contrapresión relativamente baja en comparación con los catalizadores en forma de gránulos. Es importante desde el punto de vista de la economía de combustible ya que el motor necesitará menos trabajo para evacuar el gas quemado.

Entonces ofrece un área de superficie más alta que los catalizadores convencionales en forma de gránulos. Esto permite tener más área de washcoat y luego una mejor eficiencia de conversión. Por lo tanto, las propiedades del monolito se pueden adaptar para un rendimiento óptimo del catalizador y del reactor:Cálculo de tensiones axiales

Consideraciones geométricas del sustrato

Las principales características geométricas se definen de la siguiente manera:La densidad de celdas a menudo se define en celdas por pulgada cuadrada (cpsi) y el grosor de la pared en 10^-3 pulgadas. La definición de dimensión típica de un sustrato es N/w como 400/4 o 900/2. Tener una densidad celular más alta y un grosor de pared más bajo permite una mejor conversión de contaminantes y una menor temperatura de apagado:

Para probar la eficiencia de diferentes sustratos, los fabricantes realizan pruebas de vehículos en ciclos homologados. Para ello, se elige un motor estándar como generador de gases de escape. El motor funciona durante un ciclo determinado (por ejemplo, ciclo FTP). El sustrato probado se monta en la línea de escape, recubierto con una cantidad constante de Platinum Group Metals (PGM). Luego, se realizan 3 ejecuciones con remojo durante la noche y arranque en frío. Se realizan y analizan tanto la medición continua como el muestreo de bolsas. El resultado típico del análisis es un gráfico que representa los HC acumulados frente al tiempo para diferentes sustratos:

Consideraciones sobre choque térmico y erosión

Tensión térmica inducida

El estrés térmico se define por un cambio repentino de temperatura. Una fractura puede ocurrir cuando el estrés térmico excede la fuerza del cuerpo.

El estrés térmico se debe a la expansión térmica que se define por el aumento relativo de la longitud en comparación con la longitud inicial del cuerpo (∆L/L). Cuanto más caliente se expanda la región más que la región más fría del cuerpo. Esta diferencia de expansión se llama deformación térmica y causará estrés en la región más fría:

Existen dos tipos de agrietamiento debido a la expansión térmica. El primero, llamado agrietamiento anular, ocurre cuando el centro del sustrato está más caliente que la piel. Por lo tanto, el centro se expande en dirección axial más que la piel. Este último está entonces en tensión y si la tensión supera la resistencia axial, aparece una fisuración circular alrededor de la circunferencia.

El segundo tipo de fisura térmica es la fisuración frontal. Aparece cuando el centro está más caliente que las caras de los extremos. El centro caliente se expande en dirección radial más que las caras de los extremos. Entonces las caras están en tensión y si la tensión excede la resistencia radial, aparece un agrietamiento en la cara.

Para estimar el esfuerzo térmico y la temperatura de rotura se tienen en cuenta varios valores físicos como la curva CTE (Coeficiente de Expansión Térmica), E (Módulo Elástico), T1, T2 y MOR (Módulo de Ruptura). el panal de un catalizador como cilindro macizo de longitud infinita, donde la temperatura interior es igual a T2 y la temperatura superficial es igual a T1. El tratamiento simplificado de la ecuación de tensión da:

Tensión axial ≈ ET1(∆L/LT2-∆L/LT1), lo que equivale a:

Tensión axial ≈ ET1(CTET1 a T2)(T2-T1)

Una vez que se calcula la tensión axial prevista, se define el 'parámetro de tensión' para evaluar la durabilidad térmica de un DPF durante la regeneración a alta temperatura, por ejemplo:

SP≡E500°C(∆L/L500-900°C)

Este parámetro de tensión permite estimar la probabilidad de supervivencia en tales condiciones considerando el Módulo de Ruptura (MOR). De hecho, la relación SP/MOR es proporcional a la probabilidad de supervivencia del sustrato. De la misma manera, la falla ocurre cuando el MOR es igual al estrés.

Erosión

El fenómeno de la erosión se debe principalmente a la presencia de partículas en el escape. Disminuye a medida que aumenta la temperatura porque el MOR del sustrato aumenta a temperaturas más altas (>400 °C).

Para evaluar el fenómeno de la erosión, se “chorrea con arena” la cara frontal de un sustrato, p. 100 g de partículas de SiC en un laboratorio. El objetivo es determinar la huella dejada por la erosión y la cantidad de celda taponada por partículas de SiC. Si las partículas son más pequeñas que los canales, la distribución del flujo será uniforme y la huella de erosión solo dependerá de la distribución del flujo (izquierda). Mientras que si las partículas son más grandes que los canales, habrá un taponamiento de las células y luego una erosión desigual que conducirá a una distribución desigual del flujo (derecha).

Conclusión

La utilidad del producto macrocelular se mejora aún más a través de la flexibilidad del proceso para controlar los atributos macroestructurales (diseño) clave. El atributo crítico es la resistencia al estrés y la erosión que representa la durabilidad del sustrato y luego la durabilidad del catalizador o filtro.