DE102011081490A1 - Katalysator zur Abgasreinigung - Google Patents

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Abstract

Ein Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors weist einen in einem Hüllrohr (5) angeordneten Katalysatorträger aus mindestens einem Wabenkörper (6, 7) auf, der jeweils eine Vielzahl von sich in Strömungsrichtung (2) des Abgases erstreckende Kanäle (8, 9) aufweist, denen der Abgasstrom zugeführt wird. Der Wabenkörper (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) weist eine konvex oder konkav ausgebildete Einlassseite (11) mit Einlassöffnungen (18) in die Kanäle (8) auf, die zur Aufnahme von Anteilen (16) des Abgasstromes (2) ausgebildet sind, die die Einlassseite (11) des Wabenkörpers (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) in Queranströmung erreichen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Katalysator ist bereits bekannt ( DE 10 2005 017 378 A1 , DE 10 2007 008 954 B1 ). Dabei wird nach DE 10 2005 017 378 A1 durch den Abstand der Wabenkörper zur Verbesserung der katalytischen Wirksamkeit des Katalysators eine turbulente Strömung erzielt, während nach DE 10 2007 008 954 B1 durch den Abstand der Wabenkörper Temperaturspitzen vermieden werden und damit die Alterung des Katalysators verlangsamt wird.
  • Durch den Katalysator werden Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe im Abgas des Verbrennungsmotors in Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Dazu muss der Katalysatorträger auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Anspring- oder „light-off”-Temperatur liegt. Da der Katalysator zunächst inaktiv ist, tritt während der Aufwärmzeit zwischen dem Kaltstart des Motors und dem Erreichen der „light-off”-Temperatur ungereinigtes Abgas aus dem Katalysator aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Aufwärmzeit bis zum Anspringen des Katalysators wesentlich zu verbessern.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Katalysator erreicht. In den Unteransprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Katalysators wiedergegeben, während im Anspruch 4 ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Katalysators nach dem Anspruch 2 angegeben ist.
  • Nach der Erfindung weist der Katalysator zum einen mindestens einen Wabenkörper auf, der mit einer Vielzahl von sich in Strömungsrichtung des Abgases erstreckenden Kanälen versehen ist, denen der Abgasstrom zugeführt wird. Zum andren weist der mindestens eine Wabenkörper am Einlass des Katalysators eine konkav oder konvex ausgebildete Einlassseite auf, die zu derart ausgebildeten Einlassöffnungen der Kanäle führt, dass die Anteile des Abgasstromes, die die Einlassseite des Wabenkörpers an dem Einlass des Katalysators in Queranströmung erreichen, von den Kanälen weitgehend aufgenommen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Katalysator mindestens zwei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander und im Abstand voneinander angeordnete Wabenkörper auf, die jeweils mit einer Vielzahl von sich in Strömungsrichtung des Abgases erstreckenden Kanälen versehen sind, denen der Abgasstrom zugeführt wird. Mindestens der am Einlass des Katalysators angordnete Wabenkörper weist eine konkav oder konvex ausgebildete Einlassseite auf, die zu derart ausgebildeten Einlassöffnungen der Kanäle führt, dass die Anteile des Abgasstromes, die die Einlassseite des Wabenkörpers an dem Einlass des Katalysators in Queranströmung erreichen, von den Kanälen weitgehend aufgenommen werden.
  • Durch die Trennung des Katalysators in wenigstens zwei Wabenkörpern weist der Wabenkörper am Einlass eine relativ geringe thermische Masse auf. Auch ist die Wärmeleitung von dem Wabenkörper am Einlass zudem dahinter angeordneten Wabenkörpern durch den Abstand zwischen den beiden Wabenkörpern, der beispielsweise 2 bis 40 mm betragen kann, reduziert. Dabei kann zwischen den beiden Wabenkörpern ein Abstandshalter vorgesehen sein. Auch kann die axiale Länge des Wabenkörpers am Einlass geringer sein als die des oder der dahinter angeordneten Wabenkörper.
  • Durch diese Trennung, insbesondere seine dadurch erzielte geringe thermische Masse wird der Wabenkörper am Einlass schneller aufgeheizt und somit mit erhöhter Effizienz schneller aktiv.
  • Damit erreicht der Wabenkörper am Einlass bereits kurz nach dem Motorstart die „light-off”-Temperatur, d. h. der Katalysator ist bereits nach kurzer Zeit wirksam.
  • Durch das in dem Wabenkörper am Einlass des Katalysators durch katalytische Reaktion erhitzte Abgas wird der wenigstens eine dahinter angeordnete Wabenkörper schnell aufgeheizt, sodass der Katalysator in kurzer Zeit seine vollständige Effizienz erreicht.
  • Unabhängig von der Anzahl der vorgesehenen Wabenkörper weist der Abgasstrom aufgrund von Verwirbelungen im Abgasstrom Anteile auf, welche die Einlassseite des Wabenkörpers am Einlass des Katalysators in Queranströmung erreichen. Um diese Queranströmungsanteile des Abgasstromes aufzunehmen, ist die Einlassseite des Wabenkörpers am Einlass des Katalysators konkav oder konvex ausgebildet, um Einlassöffnungen in die Kanäle zu erzielen, die derart ausgebildet sind, dass die Queranströmungsanteile des Abgasstromes weitgehend von den Kanälen aufgenommen werden. Hierdurch wird neben der gewünschten Abgasumwandlung auch der gewünschte Temperaturanstieg im Abgasstrom unterstützt.
  • Diese Queranströmung kommt insbesondere bei einem Katalysator zum Tragen, der über ein gekrümmtes Vorrohr mit dem Motor verbunden ist.
  • Während eine konvex ausgebildete Einlassseite des Wabenkörpers am Einlass den Abgasstrom zusätzlich in Turbulenz versetzt und damit die Queranströmung erhöht wird, hat eine konkav ausgebildet Einlassseite zur Folge, dass der Wabenkörper in seinem axial mittleren Bereich besonders schnell aufgeheizt und damit aktiv wird, da dieser Bereich die geringste Länge in Strömungsrichtung und damit den geringsten Strömungswiderstand aufweist, also bevorzugt durchströmt wird. Zudem wird durch die konkave Ausbildung die thermische Masse der Wabenkörper weiter verringert.
  • Die konkav ausgebildete Einlassseite des Wabenkörpers am Einlass des Katalysators kann beispielsweise durch eine halbkugelförmige oder trichterförmige Vertiefung gebildet sein, während die konvex ausgebildete Einlassseite durch eine beispielsweise kegelförmige oder halbkugelförmige Erhebung an der Einlassseite des Wabenkörpers gebildet sein kann.
  • Der Wabenkörper wird wie üblich mit einer Beschichtung aus einem Washcoat, z. B. aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid und/oder Ceroxid gebildet, welcher ein Edelmetall wie Platin, Palladium und/oder Rodium enthält.
  • Der Wabenkörper am Einlass des Katalysators kann dabei eine Beschichtung mit einer anderen Zusammensetzung als der wenigstens eine dahinter angeordnete Wabenkörper aufweisen.
  • Vorzugsweise weist der Wabenkörper am Einlass des Katalysators eine Beschichtung mit einer höheren katalytischen Aktivität auf als der wenigstens eine dahinter angeordneten Wabenkörper.
  • Die höhere katalytische Aktivität kann durch eine höhere Edelmetallkonzentration, insbesondere eine höhere Platin-Konzentration in der Beschichtung des Wabenkörpers am Einlass des Katalysators gegenüber der Beschichtung des wenigstens einen dahinter angeordneten Wabenkörpers hervorgerufen werden. Zudem kann beispielsweise durch eine Verringerung des Platingehalts oder ohne Platin als Edelmetall in der Beschichtung des wenigstens einen dahinter angeordneten Wabenkörpers die Alterungsbeständigkeit des Katalysators verbessert werden.
  • Der Wabenkörper kann als keramischer Wabenkörper ausgebildet sein, vorzugsweise wird er jedoch durch einen Katalysatorträger aus Metall gebildet.
  • Während bei einem keramischen Katalysatorträger die konvexe oder der konkave Einlassseite des Wabenkörpers am Einlass beispielsweise durch Fräsen erzeugt werden kann, wird der Metallträger aus einem gewellten Blechstreifen hergestellt, der so aufgewickelt wird, dass der Blechstreifen in der Draufsicht auf die Stirnseite des Wabenkörpers eine Spirale bildet.
  • Dabei wird zur Bildung des Wabenkörpers am Einlass des Katalysators ein Blechstreifen mit einem Zuschnitt verwendet, der an einem Ende des Blechstreifens eine größere Breite als am anderen Ende aufweist. Beim spiralförmigen Aufwickeln wird dann ein Wabenkörper mit konvexer oder konkav ausgebildeter Einlassseite gebildet.
  • Anschließend werden die Wabenkörper beispielsweise durch Löten in dem Hüllrohr befestigt. Die Katalysatorschicht, also der Washcoat mit dem darin enthaltenen Edelmetall, kann durch eine Beschichtungsflüssigkeit auf die Wände der Kanäle der Wabenkörper aufgebracht werden, beispielsweise durch Eintauchen des Hohlrohres mit den Wabenkörpern in die Beschichtungsflüssigkeit.
  • Der erfindungsgemäße Katalysator ist insbesondere für Kraftfahrzeuge bestimmt. Bei Verwendung eines Metallträgers ist er vor allem für Motorräder geeignet. Der Katalysator kann ein Drei-Wege-Katalysator sein. Er kann z. B. bei Otto-Motoren oder Dieselmotoren eingesetzt werden.
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Katalysators aus zwei Wabenkörpern mit teilweise weggeschnittenem Hüllrohr;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Einlassöffnung in einen Kanal des Wabenkörpers an der Einlassseite des Katalysators nach 1;
  • 3 eine Einlassöffnung in einen Kanal eines Wabenkörpers mit ebener Stirnfläche an der Einlassseite; und
  • 4 eine Draufsicht, den Zuschnitt eines gewellten Blechstreifens mit weggebrochenen Teilen zur Herstellung des Wabenkörpers an der Einlassseite des Katalysators gemäß 1.
  • Gemäß 1 weist der Katalysator 1, der von dem Abgas in Richtung des Pfeiles 2 vom Einlass 3 zum Auslass 4 durchströmt wird, in einem Hüllrohr 5 zwei Wabenkörper 6 und 7 auf, die jeweils aus einem gewellten Metallblechstreifen bestehen, der spiralförmig aufgewickelt ist, um in Strömungsrichtung 2 verlaufende Kanäle 8, 9 zu bilden.
  • Die beiden Wabenkörper 6 und 7 weisen einen axialen Abstand a von beispielsweise 2 bis 30 mm auf. Der Wabenkörper 6 am Einlass 3 des Katalysators 1 weist eine kürzere axiale Länge als der dahinter angeordnete Wabenkörper 7 auf.
  • Die Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 am Einlass 3 des Katalysators 1 ist konkav ausgebildet, d. h. die Einlasseite 11 ist mit einer konzentrischen trichterförmigen Vertiefung 12 versehen.
  • Die Kanäle 8 an der konkav ausbildeten, also mit der trichterförmigen Vertiefung 12 versehenen Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 weisen Einlassöffnungen 13 für das Abgas auf, wobei in 2 eine solche Einlassöffnung 13 näher dargestellt ist.
  • Dabei ist in 2 nur ein Kanal 8 dargestellt, welche entstehen, wenn, wie nachstehend anhand der 4 näher erläutert, der dort dargestellte Zuschnitt 14 eines gewellten Blechstreifens 15 zu dem Wabenkörper 6 spiralförmig aufgewickelt wird, wobei in 2 die beiden Halbwellen des gewellten Metallblechs zu sehen sind, die den Kanal 8 bilden, und zwar ist mit „Wi” die Halbwelle der inneren Wicklung nach dem spiralförmigen Aufwickeln des Blechstreifens 15 nach 5 bezeichnet, und mit „Wa” die Halbwelle der benachbarten Wicklung.
  • Aufgrund der Verwirbelungen in Abgasstrom 2 weist der Abgasstrom 2 Anteile auf, welche die Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 in Queranströmung erreichen. Dieser Abgassstromanteil in Querrichtung ist in 2 durch den Pfeil 12 veranschaulicht. Durch die Einlassöffnungen 13 in die Kanäle 8 des Wabenkörpers 6 am Einlass 3 des Katalysators 1 tritt der Abgasstromanteil 16 leichter in die Kanäle 8 ein. Dadurch trifft das Abgas insgesamt schneller in die Kanäle 8 ein, sodass es zu einer schnelleren Erwärmung des Katalysators 1 kommt.
  • Demgegenüber strömt der Abgasstrom in Querrichtung gemäß dem Pfeil 12' in 3 über die Einlassöffnung 11' des Kanals 8' hinweg, wenn die Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 im Gegensatz zur Erfindung eine plane Stirnfläche aufweist.
  • In 4 ist der Zuschnitt 14 eines mit Wellen 17 versehenen Blechstreifens 15 dargestellt, der, wenn er spiralförmig aufgewickelt wird, den Wabenkörper 6 mit trichterförmiger Vertiefung 12 nach 1 ergibt.
  • Der Zuschnitt weist dazu an einem Ende eine gröbere Breite B1 als am anderen Ende auf, an dem die Breite B2 beträgt.
  • Zur Bildung des Wabenkörpers 6 mit der Vertiefung 12 wird der Blechstreifen entsprechend dem Pfeil 18 von der schmalen Seite B2 her aufgewickelt. Bei der Herstellung eines Wabenkörpers mit konvex ausgebildeter Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 wird der Zuschnitt 14 von der breiten Seite B1 her aufgewickelt.
  • Die schräg verlaufende Kante des Blechstreifenzuschnitts 14 zwischen der breiten Seite B1 und der schmalen Seite B2 nach 4 bildet also nach dem Aufwickeln die Einlassseite 11 des Wabenkörpers 6 und die gegenüberliegende Kante die dem dahinter angeordneten Wabenkörper zugewandte Seite.
  • Anstelle der schräg verlaufenden Kante des Blechstreifenzuschnittes zwischen der breiten Seite B1 und er schmalen Seite B2 nach 4 kann gemäß 5 eine wellenförmig ausgebildete Kante 51 vorgesehen werden, um den Blechstreifen 50 zur Herstellung von Wabenkörpern um mehrere Dorne bzw. Achsen aufzuwickeln. Wie wellenförmige Kante 51 umfasst hierzu eine in abwechselnder Folge angeordnete Anzahl von Auswölbungen 52a, 52b, 53c und Einwölbungen 53a, 53b zur Erzeugung einer konkaven oder konvexen Einlassseite 511. In der dargestellten Ausführungsform beginnt der Kantenverlauf an der linken Seite mit einer ersten Auswölbung 52a, geht über in eine erste Einwölbung 53a und eine nachfolgende zweite Auswölbung 52b sowie in eine anschließende zweite Einwölbung 53b und eine ebenfalls nachfolgende dritte Auswölbung 52c.
  • Je nachdem ob eine konkave oder konvexe Einlassseite 511 vorgesehen ist, oder eine Aufwicklung um mehrere Dorne bzw. Achsen erfolgen soll, kann die Anzahl und Anordnung der Ein- und Auswölbungen 53a, 53b bzw. 52a, 52b, 52c variiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005017378 A1 [0001, 0001]
    • DE 102007008954 B1 [0001, 0001]

Claims (5)

  1. Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem in einem Hüllrohr (5) angeordneten Katalysatorträger aus mindestens einem Wabenkörper (6, 7), der jeweils eine Vielzahl von sich in Strömungsrichtung (2) des Abgases erstreckende Kanäle (8, 9) aufweist, denen der Abgasstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) eine konvex oder konkav ausgebildete Einlassseite (11) mit Einlassöffnungen (8) in die Kanäle (8) aufweist, die zur Aufnahme von Anteilen (16) des Abgasstromes (2) ausgebildet sind, die die Einlassseite (11) des Wabenkörpers (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) in Queranströmung erreichen.
  2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator wenigstens zwei in Strömungsrichtung (2) des Abgases hintereinander und im Abstand voneinander angeordnete Wabenkörper (6, 7) umfasst, die jeweils eine Vielzahl von sich in Strömungsrichtung (2) des Abgases erstreckende Kanäle (8, 9) aufweisen, denen der Abgasstrom zugeführt wird, und mindestens der am Einlass (3) des Katalysators (1) angeordnete Wabenkörper (6) eine konvex oder konkav ausgebildete Einlassseite (11) mit Einlassöffnungen (8) in die Kanäle (8) aufweist, die zur Aufnahme von Anteilen (16) des Abgasstromes (2) ausgebildet sind, die die Einlassseite (11) des Wabenkörpers (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) in Queranströmung erreichen.
  3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger als Metallträger ausgebildet ist, wobei die Wabenkörper (6, 7) aus gewelltem, spiralförmig gewickeltem Metallblech bestehen.
  4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (6) am Einlass (3) des Katalysators (1) eine Beschichtung mit einer höheren katalytischen Aktivität als der wenigstens eine dahinter angeordnete Wabenkörper (7) aufweist.
  5. Verfahren zur Herstellung des Katalysators nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkörper (6, 7) jeweils durch spiralförmiges Aufwickeln eines gewellten Blechstreifens hergestellt werden, wobei der Blechstreifen (15) zur Bildung des Wabenkörpers (6) am Einlass des Katalysators (1) einen Zuschnitt (14) aufweist, aus dem beim spiralförmigen Aufwickeln der Wabenkörper (6) mit konvex oder konkav ausgebildeter Einlassseite (11) gebildet wird, worauf die Wabenkörper (6, 7) in dem Hüllrohr (5) befestigt und anschließend die Kanäle (8, 9) der Wabenkörper (6, 7) mit einer Katalysatorschicht versehen werden.
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