DE1594716C - Anordnung zur katalytischen Nachverbrennung von Kraftfahrzeug-Abgasen - Google Patents

Description

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Die meisten der bekannten Anordnungen für die gasen vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch katalytische Nachverbrennung, beispielsweise von einen aus Metallfasern bestehenden und mit Kataly-Kraftfahrzeug-Abgasen, bestehen aus Katalysatoren, satormaterial belegten Katalysatorträger, dessen Strödie auf keramischen Trägermaterialien aufgebracht mungswiderstand außerdem über die Länge des Träsind; die mit einem Katalysator belegten kerami- 5 gerkörpers unterschiedlich sein kann, so daß der mit sehen Träger werden im allgemeinen als kleine Ku- der katalytisch aktivierten Nachverbrennungsreaktion geln, Zylinderstäbchen oder Tabletten in einem ge- gekoppelte Temperaturanstieg mittels des untereigneten Behälter in den Gasstrom eingebaut. Beim schiedlichen Strömungswiderstands ausgeglichen werpraktischen Betrieb im Kraftfahrzeug treten laufend ' den kann. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Erschütterungen auf, die zur Folge haben, daß io Aggregates mit aus Metallfasern bestehenden Träsich derart eingebaute keramische Trägermaterialien gerkörpern ist die gute Formbeständigkeit und die gegeneinander bewegen und reiben. Als Folge wird relative Unempfindlichkeit gegen mechanische Beder auf die Oberfläche der Trägermaterialien auf- anspruchung, insbesondere gegen Abrieb, im Vergebrachte Katalysator teilweise abgerieben, die an gleich mit keramischem Material. Eine gewisse sich große, stark zerklüftete aktive Oberfläche wird 15 Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß die Zündeingeebnet und verkleinert, und die vorhandenen Po- temperatur im Vergleich zu ähnlichen oder gleichrenräume werden durch den Abrieb verstopft. Die artigen Katalysatoren auf keramischem Trägermate-Wirkung des Katalysators geht also schon durch die rial bei einem Träger aus Metallfasern im allgemeirein mechanische Beanspruchung rapid zurück. nen etwas höher liegt. Dieser Nachteil läßt sich zwar

Es ist außerdem bekannt, daß keramische Kataly- ao weitgehend dadurch einschränken, daß man die Mesatorträger bei Temperaturen über 700 bis 800° C tallfasern auf der Einströmseite mit einem anderen, nicht mehr verwendet werden können, da Phasen- empfindlicheren Katalysator belegt, der eine verhältumwandlungen wie auch ein Zusammensintern ihre nismäßig niedrigere Zündtemperatur gewährleistet. Aktivität stark verringern. Man hat daher bekann- Gleichzeitig kann der Querschnitt bzw. der Strötermaßen für die heißen Abgase einen sogenannten as mungswiderstand so ausgelegt werden, daß, nachdem »By-pass« vorgesehen, der geöffnet wird, wenn das die Zündtemperatur überschritten ist, infolge der Katalysatoraggregat eine zu hohe Temperatur er- katalytischen Nachverbrennung zunächst ein Tempereicht. Solche Regeleinrichtungen machen die be- raturanstieg eintritt, so daß auch die Zündtemperatur kannten Anordnungen kompliziert, teuer und in der der folgenden, mit einem weniger empfindlichen Ka-Wartung umständlich. ' 30 talysator belegten Schichten erreicht wird. Eine

Zur Vermeidung dieser Nachteile gibt es verschie- andere Möglichkeit besteht, darin, die Anordnung im

dene Möglichkeiten. An Stelle keramischer Träger- Auspuffsystem so einzubauen, daß die Abgase noch

materialien können beispielsweise Metallbänder oder eine genügend hohe Temperatur haben, so daß auch

Metalldrähte in beliebiger Anordnung oder Form, mit Katalysatoren höherer Zündtemperatur belegte

z.B. als Geflechte oder Gewebe, als Träger für das 35 Träger noch einwandfrei zünden. Die Gebrauchs-

katalytisch aktive Material eingesetzt werden. So ist eigenschaften lassen sich jedoch in dieser Hinsicht

es beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchs- trotzdem nicht mit denjenigen mit keramischem Trä-

muster 1 864 958 bekannt, das Katalysatormaterial germaterial vergleichen.

als Ummantelung auf einen Gewebekörper, der z. B. Es wurde .nun gefunden, daß die bisherigen Nachaus Draht oder aus Stahlwolle gebildet sein kann, 40 teile der bekannten Anordnungen zur katalytischen aufzubringen. Jedoch ist die Herstellung derartiger Nachverbrennung von Kraftfahrzeug-Abgasen dann Gewebekörper oder Geflechte relativ aufwendig, und in Fortfall kommen, wenn eine-, solche Anordnung, die mit Katalysator ummantelbare Oberfläche ist, " bei der keramisches Material in Kombination mit verglichen mit körnigem Katalysatorträgermaterial, einem Trägerkatalysator angeordnet ist, erfindungsvergleichsweise gering. Außerdem ist die Haftung 45 gemäß als Trägerkatalysator Metallfasermaterial mit der Ummantelung auf der Oberfläche von solchem darauf befindlichem, aus dem Faserwerkstoff selbst Gewebe mäßig, so daß bei der ständigen Vibration, entwickeltem Katalysator aufweist. Dabei können der solche Geräte im Gebrauch ausgesetzt sind, das Metallfasermaterial und das keramische Material ein mindestens stellenweises Abplatzen der Kataly- schichtweise angeordnet sein, oder es kann vorteilsatorummantelung nicht sicher verhindert werden 50 haft auch das keramische Material zwischen Metallkann. - ■■"· - . ■· faservliesen eingebettet vorliegen. In. jedem Fall hat

Bei Verwendung von Metallfasern als Katalysator- sich die erfindungsgemäße Anordnung dann als beträger ergeben sich zwar hinsichtlich der wirksamen sonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Metallfasern Oberfläche erheblich günstigere Verhältnisse. Außer- in loser Häufung vorliegen.

dem lassen sich als Katalysatorträger geeignete Form- 55 Die erfindungsgemäße Anordnung zur katalyti-

körper einfacher herstellen,, und die Metallfasern las- sehen Nachverbrennung von Kraftfahrzeug-Abgasen

sen sich leichter mit einer katalytisch wirksamen hat den Vorteil, daß der Katalysator nicht als Um-

Oberflächcnschiclit versehen. Neben dem Vorteil der mantelung oder einfacher Oberflächenbelag von

pro Volumcncinheit recht großen wirksamen Ober- außen auf das Trägermaterial aufgebracht worden

fläche haben derartige Katalysatoranordnungen den 60 ist, sondern vielmehr der Katalysator aus dem Me-

weiteren Vorteil der gegenüber keramischem Kataly- tallfasermaterial, das als Katalysatorträger dient,

satormaterial erhöhten Temperaturbeständigkeit. selbst entwickelt, d. h. direkt auf der Metallfaser er-

Dic Hrzuugung katalytisch wirksamer Oberflächen- zeugt worden ist. Dadurch werden die bisherigen

schichten auf den Metallfasern ist bereits in der Haftungsprobleme ausgeschaltet. Man braucht nicht

deutschen Auslegcschrift 1 287 396 von dem Erfin- 65 mehr aufwendige Draht- oder Fasergewebe hef-

der vorgeschlagen worden. Der Erfinder hat auch in zustellen und diese mit dem Katalysator zu über-

dum Gebrauchsmuster 1 996 059 bereits ein Aggre- ziehen, denn die in der erfindungsgemäßen Anord-

gat zur katalytischen Verbrennung von Auspuff- nung eingesetzten Metallfasergebilde enthalten den

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Katalysator darin oberflächlich eingebaut und prak- talysator auf der Einströmseite empfindlicher sein, tisch eingebettet. · so daß eine besonders niedrige Zündtemperatur ge-Die Keramikteilchen können ebenso wie die Me- währleistet ist. Außerdem kann man den Temperatallfasern als Träger von an sich bekannten Kataly- lurgradienten in der erfindungsgemäßen Anordnung satoren dienen, und es kann zwecks Regulierung der 5 regulieren und z. B. dadurch möglichst gering halten, in der erfindungsgemäßen Anordnung auftretenden daß man den Strömungswiderstand über die Länge Temperaturen zweckmäßig sein, über die Länge der des Trägers entsprechend einstellt. Wenn man bei der Anordnung verschieden empfindliche Katalysatoren erfindungsgemäßen Anordnung auf der Einströmauf den Metallfasern und/oder den Keramikteilchen seite einen entsprechend empfindlichen Katalysator vorzusehen. " io vorgesehen hat, dann ist es unter Umständen zweckin der erfindungsgemäßen Anordnung kann der mäßig, den Strömungswiderstand zwischen der Ein-Trägerkörper als längsgestreckter. Formkörper aus- trittsseite des Gases und dem Austrittsende durch gebildet sein, dessen Metallfaserschichten nahezu Änderung des Querschnitts oder der Porigkeit übergleiche Porosität besitzen und dessen Querschnitt haupt nicht zu verändern, sondern über die ganze vom Eintrittsende des Gases zum Austrittsende hin ¹S Länge der Anordnung etwa gleichzuhalten; oder aber stetig oder stufenweise vergrößert isL Die erfindungs- ^man reguliert den Strömungswiderstand so, daß ingemäße Anordnung kann aber auch so konstruiert ^foISe der katalytisch aktivierten Reaktion ein Temsein. daß der Querschnitt des Trägerkörpers über die peraturgradient bestehenbleibt und dadurch auch die gesamte Länge nahezu gleich ist, daß jedoch die Po- Zündtemperatur eines weniger empfindlichen Katarosität der Metallfaserschichten vom Eintrittsende »° lysators erreicht wird, also so, daß in Strömungsrichder Gase bis zu deren Austrittsendc hin stetig oder ^tunS ^und damit in Richtung zu den mit einem weniabsatzweise zunimmt. In jedem Fall kann der Auf- E^er empfindlichen Katalysator belegten Trägern die bau der erfindungsgemäßen Anordnung so erfolgen, Temperatur ansteigt.

daß im Bereich erhöhter Temperaturen vorwiegend Eine weitere Herstellungsmethode für die erfin-

Metallfasern wirksam sind. - »5 dungsgemäße Anordnung besteht darin, daß man das

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen keramische Material als Schlicker oder in pasten-

Vorrichtung besteht darin, daß bei der Kombination förmigem oder in krümelfeuchtem Zustand mit einem

die wie Reibstoffe wirkenden Keramikteilchen kein Metallfaservlies kombiniert, zusammen mit diesem

Abscheuern oder Abplatzen des aktiven Katalysa- entwässert, trocknet und sintert und anschließend

tors vom metallischen Träger bewirken können, weil 3<> aktiviert. In ähnlicher Weise kann auch mit losen

bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Kataly- Metallfasern das keramische Material kombiniert

sator nicht als oberflächliche Belegung, sondern in werden.

der Trägersubstanz eingebaut vorhanden ist. Die er- Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, findungsgemäße Anordnung kann daher auch bei daß man die Zahl der eingebauten Metallfaservliese Temperaturen zwischen etwa 800 und 1100° C ein- 35 oder -platten auf einige wenige, im Grcnzfall auf nur gesetzt werden, und es ist, wenn die Abgase Tempe- je eine Platte an der Eintrittsseite und 'am Austrittsraturen in dieser Größenordnung haben, nicht mehr ende reduziert und dazwischen schichtweise Metallerforderlich, eine Belegung der Keramikteilchen mit fasern mit darauf befindlichem, aus dem Faserwerkeinem besonderen Katalysator vorzunehmen, weil die stoff entwickeltem Katalysator sowie keramisches Keramikteilchen als Oxide bei diesen Temperaturen 4° Material einbringt. Die Metallfasern können dabei in Kombination mit Metallfasern schon an sich kata- ebenfalls ganz oder teilweise im pastenförmigen oder lytisch wirksam sind, insbesondere dann, wenn die krümelfeuchten Zustand mit dem keramischen Ma-Metallfasern eine ebenfalls katalytisch wirksame terial kombiniert werden, das auf die Metallfasern Oxidschicht haben. Dabei können die Metallfasern aufgetrocknet und gesintert wird. An Stelle von gein loser Häufung, gegebenenfalls in zerkleinerter 45 sinterten Vliesen oder nicht gesinterten Metallfasern Form oder auch als entsprechende Formkörper, wie als Zwischenlagen können selbstverständlich auch Vliese, kleine gesinterte Kugeln, Tabletten, Zylinder- kleine kugelförmige, tabletteiiförmige oder zylindrikörper, vorliegen. sehe Formkörper aus gesinterten Metallfasern ver-Man kann die erfindungsgemäße Anordnung in wendet werden, die in Kombination mit dem geverschiedener Weise herstellen. Wenn sie zum Ein- 5<> gebenenfalls mit einem Katalysator belegten keramisatz bei so hohen Temperaturen bestimmt ist, daß sehen Material zwischen Stützplatten in der Anorddas keramische Material, z. B. das AUO₃, als solches nung eingebaut sein können." Es ist dann nicht mehr bereits als Katalysator wirkt, dann können die Me- erforderlich, als Stützplatten auf der Eintrittsseite tallfasern und die Keramikteilchetf in einen Hohl- und am Austrittsende Metallfaservliese zu verwenkörper, der eine beliebige gewünschte Form hat, 55 den. Es können beispielsweise auch einfache gelochte zweckmäßig schichtweise. eingebracht werden. Sie Blechscheiben oder Drahtgitter, die erfindungsgemäße können in diesem Hohlkörper von Ringen oder ge- . -Anordnung auf beiden Seiten abschließen, lochten Scheiben gehalten sein. Man erreicht mit der erfindungsgemäßen Anord-Wenn zum Arbeiten bei niedrigeren Temperaturen ming, daß durch das keramische Material eine niedzusätzliche Katalysatoren eingebaut sein müssen, so 6o rige Zündtemperatur gewährleistet ist, die wirksame ist es, einmal möglich, die mit dem aus dem Faser- Oberfläche im Vergleich zum nur aus Metallfasern werkstoff selbst entwickelten Katalysator aktivierten bestehenden Katalysatorträger noch vergrößert ist, Metallfasern in bekannter Weise mit mit Katalysator- und der auf den Metallfasern vorhandene und an material belegten keramischen Teilchen zu kombi- sich temperaturbeständigere Katalysator bei höheren nieren. Dabei kann man verschiedene Katalysator- 65 Temperaturen wirksam wird. Die erfindungsgemäße belegungen verwenden. Beispielsweise kann der aus Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß die Fededer Metallfaser entwickelte Katalysator oder auch rungseigenschaften bzw. die Pufferungswirkung der der auf dem keramischen Material vorhandene Ka- Metallfasern die z. B. beim praktischen Betrieb eines

Kraftfahrzeugs auftretenden Erschütterungen stark dämpfen und daher ein Abrieb des Katalysators auf dem keramischen Material ebenfalls verhindert, wenn dieses zwischen beispielsweise Metallfascrvlicsen eingebettet oder in einer anderen. Kombination in der beschriebenen Weise vorliegt.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung beispielsweise dargestellt. Es zeigt

I^r i g. 1 eine zylindrisch geformte Anordnung, in der Metallfasern und Keramikmaterial schichtweise angeordnet sind.

I·* i g. 2 eine ebenfalls zylindrisch geformte Anordnung, in der Katalysator enthaltende Metallfasern und mit Katalysator belegtes keramisches Material im wesentlichen schichtweise kombiniert sind,

Fig.3 eine andere Form einer Metallfaser- und Kcramikmaterial kombiniert enthaltenden Anordnung.

Fig.4 eine verschiedene Hohlräume aufweisende. Metallfaser- und keramisches Material schichtweise enthaltende Anordnung,

Fig. 5 einen Schnitt nach V-V der Fig. 4.

F i g. 6 einen Ausschnitt VI aus F i g. 2. vergrößert, und

F i-g. 7 einen Ausschnitt VII aus F i g. 2. vergrößert.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemüßen Anordnung, in welcher sich in Kombination mit Metallfasern keramisches Material befindet. Innerhalb eines zylindrischen Hohlkörpers 1 sind Vliese 3 aus gesinterten Metallfasern von eingeschweißten gelochten Scheiben 2 in ihrer Länge gehalten. Zwischen den Vliesen 3 ibt keramisches Material 4 eingebettet. Die Abgase strömen in Richtung des Pfeils durch die Anordnung hindurch. Bei dieser Ausbildungsform der F i g. 1 ist keine gesonderte Katalysatorbelegung auf dem keramischen Material vorgesehen. Mine solche erfindungsgemäße Anordnung ist zum Arbeiten bei hohen Temperaturen geeiunc:. beispielsweise bei Temperaturen um 1000 C. bei denen das keramische Material in Kombination mit den katahsatorhaltigen Metallfasern seinerseits als Katalysator wirksam wird.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung veranschaulicht, bei der die in dem zylindrischen Hohlkörper I mittels gelochter Scheiben 2 gehaltenen Vliese 5 aus gesinterten Metallfasern mit darauf befindlichem, aus dem Faserwerkstoff selbst entwickeltem Katalysator be-, stehen. Das zwischen diesen Vliesen 5 eingebettete keramische Material 6 trägt ebenfalls einen Katalysator. Mit 7 ist eine Zwischenschicht bezeichnet, in der das keramische Material mit Metallfasern in loser Häufung vermengt vorliegt. Auch diese Metallfasern sind katalytisch aktiviert. Wie man aus der vergrößerten Darstellung der F i g. 6 erkennt, liegen die Keramikteilchen teilweise aufgesintert auf den Metallfasern vor. Eine solche Kombination ist in einem relativ weiten Temperaturbereich wirksam, da bei niedrigen Temperaturen der auf dem keramischen Material befindliche Katalysator wirksam ist und bei höheren Temperaturen insbesondere die auf den Metallfaseroberflächcn befindliche Katalysatorschicht die Nachverbrennung katalysiert. Bei 8 sind die Metallfasern 5 mit dem daraus entwickelten Katalysator zu kugelförmigen Formkörpern gesintert, mit Keramikteilchen 6 kombiniert. Wie man aus der vergrößerten Wiedergabe in Fig. 7 erkennt, liegen die

ίο Keramikteilchen .6 zwischen den zu kugelförmigen Formkörpern gesinterten Metallfasern 5 eingebettet. Fig.3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Hohlkörper 1 als Behälter mit rechteckigen, quadratischen, kreisförmigen oder auch eliptischen Stirnflächen ausgebildet sein kann und mit angeschweißten Stutzen 9 verschen ist. Es sind zwei Lochplatten 2 so eingeschweißt, daß ein Hohlraum entsteht, und dieser Hohlraum ist mit einem Gemenge von Metallfasern 5 mit darauf entwickeltem KataUsator und

so mit einem Katalysator belegten Keramiktciichen 6 gefüllt.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, die aus einem Hohlkörper 1 besteht, der mit Stutzen 9 versehen ist. und in dem durch einen eingeschweißten Ring 12 und eine über Stege 10 angeschweißte Platte 11 aus Metallfasern 5 mit daraus entwickeltem Katalysator gesinterte selbsttragende zylindrische Formkörper gehalten sind, und zwischen den Metallfasern befindet sich innerhalb des Formkörpers das mit einem Katalysator belegte keramische Material.6.

Wie aus Fig.5 ersichtlich, ist der hohlzylinderförmige. Metallfasern und Keramikmaterial kombiniert enthaltende Formkörper in einfacher Weise dadurch herstellbar, daß man ein entsprechendes Vlies aus gesinterten Metallfasern mit daraus entwickeltem Katalysator in der gewünschten Weise mit dem keramischen Trägermaterial bedeckt und zu dem Hohlzylinder aufrollt. Man kann, falls gewünscht.

das Vlies auch in unterschiedlicher Dichte bzw. Porigkeit einsetzen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur katah tischen Nachverbrennung \on Kraftfahrzeug-Abgasen, wobei ein Trägerkatalysator in Kombination mit keramischem Material angeordnet ist. dadurch gekenn-

■ zeichnet, daß als Trägerkatalysator Metall-.fasermaterial mit darauf befindlichem, aus dem Faserwerkstoff selbst entwickeltem Katalysator vorhanden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das' Metallfasermaterial und da?« keramische Material schichtweise angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material zwischen Metallfaservliese eingebettet vorliegt.

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4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, 'daß die Metallfasern in loser Häufung vorliegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen .