DE10104751A1 - Device for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine and method for its production - Google Patents
Device for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine and method for its productionInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors besteht aus einem Wabenkörper 10 mit einem motornahen und einem motorfernen Ende und einer auf diesen Wabenkörper 10 aufgebrachten aktiven Beschichtung. Zur Verhinderung von Beschädigungen weist der Wabenkörper im Bereich des motornahen Endes wenigstens eine beschichtungsfreie Zone 18 auf. Die Herstellung einer solchen Vorrichtung kann durch ein mehrstufiges Eintauchen des Wabenkörpers 10 in flüssigen Washcoat 40 erfolgen.A device for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine consists of a honeycomb body 10 with an end close to the engine and an end remote from the engine and an active coating applied to this honeycomb body 10. To prevent damage, the honeycomb body has at least one coating-free zone 18 in the region of the end near the engine. Such a device can be produced by immersing the honeycomb body 10 in liquid washcoat 40 in several stages.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 3 und 5.The invention relates to a device for cleaning exhaust gases Internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and method for Manufacture of such a device according to the preambles of claims 3 and 5.
Moderne Kraftfahrzeuge weisen in der Regel wenigstens zwei Katalysatoren auf, wobei ein sogenannter Vorkatalysator in der Regel unmittelbar hinter dem Abgaskrümmer angeordnet ist. Diese Vorkatalysatoren dienen in der Regel als NOX- Speicherkatalysatoren.Modern motor vehicles generally have at least two catalytic converters, a so-called pre-catalytic converter being generally arranged directly behind the exhaust manifold. These pre-catalysts generally serve as NO x storage catalysts.
Solche Katalysatoren besitzen einen Wabenkörper als Trägerstruktur (Matrix), welcher die katalytisch aktive Schicht trägt. Diese aktive Schicht besteht aus einer Washcoat- Schicht, auf die bestimmte Edelmetalle aufgebracht sind. Das Aufbringen des Washcoats auf den Wabenkörper geschieht in der Regel mittels Tauchen des Wabenkörpers in den Washcoat oder mittels Durchfluten des Wabenkörpers mit dem pastösen Washcoat.Such catalysts have a honeycomb body as a support structure (matrix), which carries the catalytically active layer. This active layer consists of a washcoat Layer on which certain precious metals are applied. The application of the Washcoats on the honeycomb body are usually done by dipping the Honeycomb body in the washcoat or by flooding the honeycomb body with the pasty washcoat.
Bei sehr hohen Katalysatortemperaturen, hohen Abgasmassenströmen und ungünstiger Krümmergeometrie kann es vorkommen, dass ein Vorkatalysator lokal mit sehr hohen Durchsätzen belastet wird, da eine oder mehrere Abgaszuleitungen sogenannte Schusskanäle ausbilden können, so dass das hieraus strömende Abgas den Vorkatalysator nur auf einer relativ kleinen Fläche trifft. In diesem Fall nimmt in dieser Katalysatorzone die thermische Belastung, insbesondere bei einer Volllast-Schub- Wechselbelastung, und die katalytische Umsetzung gegenüber dem Rest des Katalysators sehr stark zu und es kann zu einem lokalen Versagen des Katalysators kommen. Insbesondere bei Verwendung sogenannter Metallkatalysatoren ist hierbei die Auflösung der die Katalysatormatrix bildenden Folien untereinander möglich. Auch ein Ausbrechen von Washcoat- oder Trägermaterial oder Umformung der Matrix ist beobachtet worden. At very high catalyst temperatures, high exhaust gas mass flows and less favorable Exhaust manifold geometry can happen that a pre-catalyst locally with very high Throughputs are burdened because one or more exhaust gas lines are so-called Can form shot channels, so that the exhaust gas flowing from the Pre-catalytic converter only hits a relatively small area. In this case, this takes Catalyst zone the thermal load, especially in the case of a full-load thrust Alternating load, and the catalytic conversion against the rest of the Catalyst very strongly and there may be a local failure of the catalyst come. This is particularly the case when using so-called metal catalysts It is possible for the foils forming the catalyst matrix to dissolve among one another. Also a Breaking out of washcoat or carrier material or forming the matrix been observed.
Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Ottomotor-Abgas mit hohem Volllast- Restsauerstoffgehalt, da zusätzlich zur thermischen Belastung in der ersten Zone des Katalysators wegen der guten Wärme- und Stoffübertragung des turbulenten Abgases eine überproportional hohe katalytische Schadstoffumsetzung und damit ein noch höherer Energieeintrag in diese Katalysatorzone stattfindet.This effect is particularly pronounced for gasoline engine exhaust gas with high full load Residual oxygen content, because in addition to the thermal stress in the first zone of the Catalyst because of the good heat and mass transfer of the turbulent exhaust gas a disproportionately high catalytic conversion of pollutants and thus still higher energy input takes place in this catalyst zone.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Katalysator dahingehend weiterzubilden, dass auch dann, wenn sich im Abgaskrümmer Schusskanäle ausbilden, ein lokales Versagen des Katalysators zuverlässig vermieden werden kann.Based on this prior art, it is an object of the invention to generic catalyst to further develop that even if Form shot channels in the exhaust manifold, a local failure of the catalytic converter can be reliably avoided.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with a device having the features of claim 1.
Hierbei wird im Bereich des motornahen Endes des Wabenkörpers wenigstens eine beschichtungsfreie Zone vorgesehen. Durch diese beschichtungsfreie Zone wird die Belastung des Katalysators bezüglich des Wärmeeintrags, welcher von der Wärmeübertragung des heißen Abgases stammt, und dessen, welcher sich aus der katalytischen Umsetzung ergibt, zumindest teilweise entkoppelt.Here, at least one is located in the region of the end of the honeycomb body near the motor coating-free zone provided. This coating-free zone means that Load on the catalyst with regard to the heat input, which is from the Heat transfer from the hot exhaust gas, and that which comes from the catalytic conversion results, at least partially decoupled.
Beim Gaseintritt in die Kanäle des Katalysators erfolgt wegen der Turbulenz zunächst ein sehr guter Wärmeübergang zwischen Gas und der Katalysatormatrix, also dem Wabenkörper. Da die vordere Eintrittszone jedoch nicht katalytisch wirksam beschichtet ist, findet allenfalls eine geringe Schadstoffumsetzung statt. In dem Fall, dass der Wabenkörper aus Keramik besteht, findet nahezu keine Schadstoffumsetzung, in dem Fall, dass der Wabenkörper aus Metallfolien aufgebaut ist, nur eine geringe Schadstoffumsetzung statt. Da die Schadstoffumsetzung ein exothermer Prozess ist, wird dadurch die Erwärmung dieser Zone im Vergleich zum Stand der Technik verringert. Erst tiefer im Kanal des Katalysators befinden sich Washcoat und Edelmetall, so dass die Zone der katalytischen Schadstoffumsetzung von der Zone des besten Wärmeübergangs entkoppelt ist. Somit findet der Energieumsatz des Katalysators auf einer größeren Länge statt und das Risiko einer Strukturüberlastung wird verringert.When gas enters the channels of the catalytic converter, turbulence initially occurs a very good heat transfer between gas and the catalyst matrix, i.e. the Honeycombs. However, since the front entry zone is not coated catalytically effective there is at best a low conversion of pollutants. In the event that the Honeycomb body made of ceramic, finds almost no pollutant conversion in the If the honeycomb body is made of metal foils, only a small one Pollutant conversion instead. Since the pollutant conversion is an exothermic process, is the heating of this zone compared to the prior art reduced. Washcoat and precious metal are only deeper in the channel of the catalyst, so that the zone of catalytic pollutant conversion from the zone of the best Heat transfer is decoupled. Thus, the energy conversion of the catalyst is found longer and the risk of structural overload is reduced.
Vorzugsweise wird die Tiefe des nicht beschichteten Kanals auf die Reynolds-Zahl bei Volllast abgestimmt. Idealerweise wird erst nach Übergang von turbulenter zu laminarer Strömung eine Beschichtung innerhalb des jeweiligen Kanals zugelassen. Preferably, the depth of the uncoated channel is reduced to the Reynolds number Matched full load. Ideally, it only becomes after the transition from turbulent to laminar Flow allows a coating within the respective channel.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.Another object of the invention is a method for producing such To provide device.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 3 oder 7 gelöst.This object is achieved by the method with the features of claims 3 or 7 solved.
Bei einem Verfahren nach Anspruch 3 wird der Wabenkörper mittels Eintauchen in flüssigen Washcoat beschichtet, wobei der Wabenkörper (10) nicht vollständig in den Washcoat (40) eingetaucht wird. Hierdurch bleibt ein Teil des Wabenkörpers ohne edelmetallhaltige Washcoatbeschichtung. Diese bildet dann die beschichtungsfreie Zone.In a method according to claim 3, the honeycomb body is coated by immersion in liquid washcoat, the honeycomb body ( 10 ) not being completely immersed in the washcoat ( 40 ). This leaves part of the honeycomb body without a washcoat coating containing precious metals. This then forms the coating-free zone.
Nach Anspruch 6 werden wenigstens zwei Tauchvorgänge durchgeführt, wobei bei den beiden Tauchvorgängen die Achse des Wabenkörpers jeweils unterschiedlich zur Oberfläche des flüssigen Washcoats steht. Hierdurch kann die Form der beschichtungsfreien Zone genauer definiert werden.According to claim 6 at least two diving operations are carried out, with the two dives the axis of the honeycomb body each different Liquid washcoat surface. This allows the shape of the coating-free zone can be defined more precisely.
Nach Anspruch 7 wird der Wabenkörper, welcher eine Vielzahl von voneinander getrennten Kanälen aufweist, die sich parallel zu einer Längsachse erstrecken, ebenfalls durch einen Tauchvorgang in flüssigen Washcoat beschichtet. Hierbei wird ein Teil der oberen Stirnfläche des Wabenkörpers mit einem Abdeckelement abgedeckt, so dass aufgrund der in den darunter liegenden Kanälen stehenden Luft der Washcoat nur bis zu einer gewissen Höhe oder überhaupt nicht in diese Kanäle eindringen kann.According to claim 7, the honeycomb body, which is a plurality of each other has separate channels that extend parallel to a longitudinal axis, also coated by dipping in liquid washcoat. Part of the upper end face of the honeycomb body covered with a cover member, so that due to the air in the channels underneath the washcoat only up to a certain amount or not at all in these channels.
Nach Anspruch 8 wird ein mehrstufiges Verfahren durchgeführt, womit eine genauere Definition der beschichtungsfreien Zonen erreicht werden kann.According to claim 8, a multi-stage process is carried out, with which a more precise Definition of the coating-free zones can be achieved.
Dieses Verfahren kann eine Vielzahl von Schritten umfassen, so dass eine beliebige Anzahl beschichtungsfreier Zonen erzeugt werden können, welche wiederum untereinander unterschiedliche Formen aufweisen können.This method can include a variety of steps, so that any Number of coating-free zones can be generated, which in turn can have different shapes from one another.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described on the basis of exemplary embodiments with reference to the figures explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen Abgaskrümmer und einen sich daran anschließenden Katalysator im Längsschnitt, Fig. 1 an exhaust manifold and an adjoining catalyst in longitudinal section;
Fig. 2a einen Abgaskrümmer und einen sich daran anschließenden Katalysator im Längsschnitt gemäß dem Stand der Technik, FIG. 2a an exhaust manifold and an adjoining catalyst in longitudinal section according to the prior art,
Fig. 2b den Katalysator aus Fig. 2a in der Draufsicht, Fig. 2b the catalyst of Fig. 2a in top view,
Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Katalysator, Fig. 3a shows a plan view of a catalyst,
Fig. 3b einen Längsschnitt durch einen Katalysator, FIG. 3b shows a longitudinal section through a catalytic converter,
Fig. 3c ein Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 3a und 3b dargestellten Katalysators, Fig. 3c is a process for producing the catalyst and shown in Figs. 3a 3b,
Fig. 4a eine Draufsicht auf einen Katalysator, FIG. 4a is a plan view of a catalyst,
Fig. 4b den Katalysator der Fig. 4a im Längsschnitt, Fig. 4b the catalyst of Fig. 4a in longitudinal section;
Fig. 4c ein Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 4a und 4b dargestellten Katalysators, Fig. 4c, a process for producing the catalyst and shown in Figs. 4a 4b,
Fig. 5a eine Draufsicht auf einen Katalysator, FIG. 5a is a plan view of a catalyst,
Fig. 5b einen Längsschnitt durch den in Fig. 5a dargestellten Katalysator, Fig. 5b shows a longitudinal section through the in Fig. 5a shown catalyst
Fig. 5c ein Verfahren zur Herstellung des in den Fig. 5a und 5b dargestellten Katalysators. Fig. 5c shows a method for producing the catalyst shown in Figs. 5a and 5b.
In den Fig. 2a und 2b ist das im Stand der Technik auftretende Problem dargestellt. Die vier Abgaszuleitungen 31, 32, 33 und 34 vereinigen sich im Sammelraum 20.In FIGS. 2a and 2b, the occurring in the prior art problem is illustrated. The four exhaust gas supply lines 31 , 32 , 33 and 34 combine in the collecting space 20 .
Abgaszuleitungen und Sammelraum bilden zusammen den sogenannten Krümmer. Im hier dargestellten Beispiel bildet das aus der vierten Abgaszuleitung 34 strömende Abgas einen Schusskanal, so dass im sich anschließenden Katalysator eine Zone Z mit hoher lokaler Belastung entsteht. Hier können die oben dargestellten Probleme auftreten.Exhaust pipes and plenum together form the so-called manifold. In the example shown here, the exhaust gas flowing out of the fourth exhaust gas supply line 34 forms a shot channel, so that a zone Z with high local load is formed in the subsequent catalytic converter. The problems outlined above can occur here.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. In dem Bereich, in dem der Schusskanal S auf den Wabenkörper 10 auftrifft, befindet sich eine beschichtungsfreie Zone 18. Diese hat die Höhe H. Der Wabenkörper 10 besteht aus einer Vielzahl zueinander paralleler Kanäle 12, welche durch Kanalwände 14 getrennt sind. Die Kanalwände 14, die im Bereich der beschichtungsfreien Zone 18 liegen, weisen über die Höhe H keine Beschichtung auf. Dadurch strömt das Abgas bis zu dieser Höhe lediglich durch die Kanäle ohne eine katalytische Reaktion durchzuführen. Hierbei wird zwar Wärme vom Abgas auf den Wabenkörper übertragen, jedoch keine zusätzliche Reaktionswärme erzeugt. Erst unterhalb der Höhe H schließt sich auch hier wieder die beschichtete Zone 16 an, so dass in diesem Bereich die katalytische Umsetzung des Abgases erfolgt. Idealerweise sollte die Höhe H so bemessen sein, dass sie der Strecke entspricht, die das Abgas braucht, um von einer turbulenten zu einer laminaren Strömung überzugehen.In Fig. 1, the solution according to the invention is shown. In the area in which the firing channel S strikes the honeycomb body 10 , there is a coating-free zone 18 . This has the height H. The honeycomb body 10 consists of a plurality of channels 12 which are parallel to one another and which are separated by channel walls 14 . The channel walls 14 , which are in the region of the coating-free zone 18 , have no coating over the height H. As a result, the exhaust gas only flows through the channels up to this height without carrying out a catalytic reaction. Here, heat is transferred from the exhaust gas to the honeycomb body, but no additional reaction heat is generated. Only below the height H is the coated zone 16 connected again, so that the catalytic conversion of the exhaust gas takes place in this area. Ideally, the height H should be such that it corresponds to the distance that the exhaust gas needs to change from a turbulent to a laminar flow.
Im Folgenden werden Verfahren vorgeschlagen, wie ein solcher Katalysator mit wenigstens einer beschichtungsfreien Zone hergestellt werden kann.In the following, methods are proposed, such as using such a catalyst at least one coating-free zone can be produced.
In den Fig. 3a und 3b ist der Katalysator, welcher erzeugt werden soll, schematisch dargestellt.The catalyst which is to be produced is shown schematically in FIGS . 3a and 3b.
Der Wabenkörper wird parallel zu seiner Längsachse A-A bis zu einer ersten Tiefe t1 in den flüssigen Washcoat 40 eingetaucht. Hierbei steht die Längsachse A-A senkrecht zur Oberfläche des Washcoat-Bades. Alternativ kann die Achse A-A gegenüber der Oberfläche des Washcoats verkippt werden. Hierdurch wird erreicht, dass nur die Zone in der oberen linken Ecke des Wabenkörpers unbeschichtet bleibt. Es können auch zwei Tauchvorgänge durchgeführt werden, wobei die Achse A-A einmal senkrecht und einmal schräg bezüglich der Oberfläche des flüssigen Washcoats 40 steht.The honeycomb body is immersed in the liquid washcoat 40 parallel to its longitudinal axis AA to a first depth t 1 . The longitudinal axis AA is perpendicular to the surface of the washcoat bath. Alternatively, the axis AA can be tilted relative to the surface of the washcoat. This ensures that only the zone in the upper left corner of the honeycomb body remains uncoated. Two dipping processes can also be carried out, the axis AA being perpendicular and once inclined with respect to the surface of the liquid washcoat 40 .
Diese Vorgehensweise eignet sich grundsätzlich zur Herstellung von Katalysatoren, deren unbeschichtete Zonen komplexe Formen aufweisen sollen. Ein Beispiel hierfür ist in den Fig. 4a und 4b dargestellt.This procedure is basically suitable for the production of catalysts, the uncoated zones of which should have complex shapes. An example of this is shown in FIGS. 4a and 4b.
Dieses Verfahren ist nur dann anwendbar, wenn der Wabenkörper 10 Kanäle 12 aufweist, die voneinander vollständig getrennt sind. Dies ist jedoch in der Regel der Fall.This method can only be used if the honeycomb body 10 has channels 12 which are completely separated from one another. However, this is usually the case.
Zunächst wird der Wabenkörper 10 bis zu einer ersten Tiefe t1 in den Washcoat eingetaucht. Anschließend wird das Gebiet der oberen Stirnfläche 10A des Wabenkörpers 10, unter welchem die beschichtungsfreie Zone 18 erzeugt werden soll, mit einem ersten Abdeckelement 51 abgedeckt. Dieses Abdeckelement 51 muss die unter ihm liegenden Kanäle 12 im wesentlichen luft- und flüssigkeitsdicht verschließen. First, the honeycomb body 10 is immersed in the washcoat to a first depth t 1 . The area of the upper end face 10 A of the honeycomb body 10 , under which the coating-free zone 18 is to be created, is then covered with a first cover element 51 . This cover element 51 must close the channels 12 lying beneath it in an essentially airtight and liquid-tight manner.
In einem dritten Schritt wird nun der Wabenkörper 10 vollständig in den flüssigen Washcoat eingetaucht. Hierbei werden die Kanäle 12, die nicht vom ersten Abdeckelement 51 abgedeckt sind, vollständig geflutet. Auf Grund der Luftsäule, welche in den abgedeckten Kanälen steht, kann der Washcoat in diese Kanäle nicht oder nur bis zu einer gewissen Höhe eindringen. Hierdurch bildet sich unterhalb des Abdeckelementes 51 eine beschichtungsfreie Zone 18 aus. Das Abdeckelement 51 kann hierbei beliebige Formen haben.In a third step, the honeycomb body 10 is now completely immersed in the liquid washcoat. Here, the channels 12 , which are not covered by the first cover element 51 , are completely flooded. Due to the air column, which is in the covered channels, the washcoat cannot penetrate into these channels or can only penetrate to a certain height. As a result, a coating-free zone 18 is formed below the cover element 51 . The cover element 51 can have any shape.
Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Erweiterung des zweiten Verfahrensbeispiels, welches dahingehend erweitert ist, dass hier zwei getrennte beschichtungsfreie Zonen 18 erzeugt werden.This exemplary embodiment is an extension of the second method example, which is expanded in that two separate coating-free zones 18 are created here.
Zunächst wird der Wabenkörper 10 bis zu einer ersten Tiefe t1 in den Washcoat 40 eingetaucht. Anschließend wird ein erster Bereich der oberen Stirnfläche 10A des Wabenkörpers 10 mit dem ersten Abdeckelement 51 abgedeckt. Im weiteren wird der Wabenkörper 10 bis zu einer zweiten Tiefe t2 in den Washcoat abgesenkt. Nun wird ein weiterer Teil der Oberfläche der oberen Stirnfläche 10A mit einem zweiten Abdeckelement 52 abgedeckt, woraufhin der Wabenkörper 10 ganz in den Washcoat eingetaucht wird. Hierbei sind, wie aus den Fig. 5a und 5b ersichtlich, zwei getrennte beschichtungsfreie Zonen 18 mit unterschiedlicher Form und Höhe entstanden.First, the honeycomb body 10 is immersed in the washcoat 40 to a first depth t 1 . A first region of the upper end face 10 A of the honeycomb body 10 is then covered with the first cover element 51 . Furthermore, the honeycomb body 10 is lowered into the washcoat to a second depth t 2 . Now a further part of the surface of the upper end face 10 A is covered with a second cover element 52 , whereupon the honeycomb body 10 is completely immersed in the washcoat. Here, as can be seen from FIGS. 5a and 5b, two separate coating-free zones 18 with different shapes and heights have been created.
Es versteht sich von selbst, dass dieses Verfahren auf eine beliebige Anzahl von beschichtungsfreien Zonen erweitert werden kann. It goes without saying that this method can be used on any number of coating-free zones can be expanded.
1010
Wabenkörper
honeycombs
1010
A obere Stirnfläche des Wabenkörpers
A upper end face of the honeycomb body
1212
Kanäle
channels
1414
Kanalwände
channel walls
1616
beschichtete Zone
coated zone
1818
beschichtungsfreie Zone
coating-free zone
2020
Sammelraum
plenum
3131
erste Abgaszuleitung
first exhaust pipe
3232
zweite Abgaszuleitung
second exhaust pipe
3333
dritte Abgaszuleitung
third exhaust pipe
3434
vierte Abgaszuleitung
fourth exhaust pipe
4040
flüssiger Washcoat
liquid washcoat
5151
erstes Abdeckelement
first cover element
5252
zweites Abdeckelement
S Schusskanal
Z Zone hoher Belastung
t1 second cover element
S firing channel
Z Zone of high load
t 1
erste Eintauchtiefe
t2 first immersion depth
t 2
zweite Eintauchtiefe
H Höhe
A-A Längsachse des Wabenkörpers
second immersion depth
H height
AA longitudinal axis of the honeycomb body
Claims (9)
Priority Applications (2)
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