DE19750980A1 - Abgas-Katalysator für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Abgas-Katalysator für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abgas-Katalysator für eine
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der EP 0 577 117 A2 ist ein Katalysator mit einer kata
lytischen Beschichtung zur Umwandlung der schädlichen Be
standteile im Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt. Die
Beschichtung ist auf einen Katalysatorträger aufgebracht,
der vom Abgas durchströmt wird und aus einem Geflecht bzw.
Gestrick metallischer Bestandteile unterschiedlicher Größe,
beispielsweise Drähte, Blechstreifen und Späne, besteht.
Jeweils einzelne Lagen des Geflechts werden übereinanderge
legt und miteinander verbunden. Zwischen den Lagen sind
Durchlässe gebildet, die vom Abgas durchströmt werden.
Dieser Katalysator weist infolge der Vielzahl metallischer
Bestandteile in den verschiedenen Lagen ein hohes spezifi
sches Gewicht und eine hohe Wärmekapazität auf. Nach einem
Kaltstart der Brennkraftmaschine muß eine relativ lange
Warmlaufphase durchlaufen werden, bis der Katalysator die
für einen optimalen Reinigungsgrad erforderliche Arbeit
stemperatur erreicht. Während der Warmlaufphase werden die
Schadstoffe im Abgas nur unzureichend umgewandelt.
Darüberhinaus sind die metallischen Bestandteile im Kataly
sator nicht für einen Hochtemperatur-Einsatz ausgelegt. Der
Katalysator muß daher in einem motorfernen Abschnitt des
Abgasstrangs angeordnet werden, um die Gefahr einer Über
hitzung auszuschließen. Dadurch verlängert sich die Zeit
spanne für die Erwärmung nach einem Kaltstart bis zum Er
reichen der Arbeitstemperatur.
Aufgrund des hohen spezifischen Gewichts können nur Kataly
satoren bis zu einer bestimmten Größe verbaut werden. Der
Katalysator hat auch ein ungünstiges Verhältnis von Bauvo
lumen in bezug auf die katalytische Oberflächenbeschich
tung. Die Reinigungsleistung des Katalysators ist dadurch
beschränkt.
Derartige Katalysatoren weisen außerdem eine schlechte
Schalldämpfung auf, da der im Abgasstrang sich fortpflan
zende Körperschall durch die regellos angeordneten metalli
schen Bestandteile im Geflecht nur unzureichend gedämpft
wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen klein bau
enden Katalysator mit hoher Reinigungsleistung, gutem An
sprechverhalten und guten Schalldämpfungseigenschaften aus
zubilden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
Der Trägerkörper als wesentlicher Bestandteil des Kataly
satorträgers mit der Metallfaser-Struktur weist eine hohe,
im Vergleich zu bislang bekannten Katalysatorträgern ge
steigerte Porosität auf. Die Porosität erlaubt von der
Hauptströmungsrichtung abweichende Querströmungen der Abga
se im Katalysator. Dies erhöht die Verweildauer der Abgase
im Katalysator und die Kontakt zeit mit der katalytischen
Beschichtung; der Reinigungsgrad wird verbessert.
Die Porosität reduziert das Gewicht und die Wärmekapazität
des Katalysators. Zugleich ist die die Beschichtung aufneh
mende Oberfläche im Trägerkörper erhöht. Der Katalysator
baut bei gleicher Leistungsfähigkeit kleiner und erreicht
schneller seine Arbeitstemperatur. Es kann auch bei gleich
bleibendem Bauvolumen die Reinigungsleistung gesteigert
werden.
Die hohe Porosität führt auch zu einer besseren Schalldämp
fung. Insbesondere bei Verwendung gradierter poröser Trä
gerstrukturen mit einer gezielten Ausrichtung der Metallfa
sern ist eine gezielte Schallabsorption bestimmter Schall
wellenlängen möglich.
Der Werkstoff der Metallfasern kann im Hinblick auf ge
wünschte Werkstoffeigenschaften ausgewählt werden. Durch
die Beigabe bestimmter Stoffe zu dem vorteilhaft aus einer
Eisen- oder Nickelbasislegierung bestehendem Werkstoff,
insbesondere durch die Beigabe von mindestens 5% bis etwa
20% Aluminium und Zusätze Seltener Erden, wird die Zunder
beständigkeit des Trägerkörpers deutlich erhöht. Der Kata
lysator kann motornah im Abgasstrang eingebaut und im
Hochtemperaturbereich bis etwa 1200° C eingesetzt werden,
wodurch sich die Erwärmungszeit nach einem Kaltstart ver
kürzt.
Die Metallfasern im Werkstoff des Trägerkörpers, die zweck
mäßig einen Durchmesser von maximal 50 µm aufweisen, können
entsprechend einem gewünschten Eigenschaftsprofil aufberei
tet werden. Die Faserstruktur kann beispielsweise isotrop
oder anisotrop sein. Es kann vorteilhaft durch Walzen der
gesinterten Faserstruktur die Steifigkeit des Trägerkörpers
gesteigert werden. Zudem kann durch das Walzen der Träger
körper zu einer leicht zu verbauenden Plattenform mit einer
vorgegebenen Wandstärke von vorzugsweise maximal 200 µm um
geformt werden. Der Trägerkörper zeichnet sich durch gute
Formgestaltungsmöglichkeiten aus und kann beispielsweise
gewellt werden. In dieser Ausbildung strömt das Abgas mit
nur geringem Widerstand in Hauptströmungsrichtung durch den
Katalysator, so daß auch die Gefahr reduziert ist, daß
durch einen am Katalysator anliegenden erhöhten Staudruck
die Zylinderentleerung behindert wird. Zugleich ist wegen
der Wellenform die für die katalytische Beschichtung zur
Verfügung stehende Oberfläche gesteigert. Die geringe Plat
tendicke unterstützt in Verbindung mit der porösen Struktur
die Ausbildung von Querströmungen im Katalysator.
In bevorzugter Ausführung ist der Trägerkörper des Kataly
satorträgers von einer Metallfolie geringer Dicke einge
hüllt, die auch als Katalysatormantel ausgebildet sein
kann. Die Metallfolie ist zweckmäßig perforiert und unter
stützt ebenfalls Querströmungen. Der Werkstoff der Metall
folie ist wie auch der Trägerkörper hochtemperaturbeständig
und beinhaltet vorteilhaft etwa 20% Chrom und 5% bis 7%
Aluminium. Auch die Metallfolie kann mit einer katalyti
schen Beschichtung versehen sein.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeich
nungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt des Katalysatorträgers im
Schnitt,
Fig. 2 eine Prinzipskizze zum Schalleinfall auf eine
Wand des Katalysatorträgers,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Katalysator
träger.
Der in Fig. 1 dargestellte Katalysatorträger 1 ist Bestand
teil eines Abgas-Katalysators im Abgasstrang einer Brenn
kraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors in einem
Kraftfahrzeug. Mit Hilfe des Katalysators werden schädliche
Bestandteile des Abgases, insbesondere Kohlenmonoxid, un
verbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, in unschädli
che Verbindungen umgewandelt.
Der Katalysatorträger 1 umfaßt einen Trägerkörper 2 und ei
ne Metallfolie 3, die den Trägerkörper 2 einhüllt. Sowohl
der Trägerkörper 2 als auch die Metallfolie 3 sind mit ei
ner die Katalyse bewirkenden Beschichtung, zweckmäßig Rho
dium und Platin, versehen.
Der Trägerkörper 2 besteht aus einer gesinterten Metallfa
ser-Struktur mit einem Aluminid als Werkstoffbasis. Das
Aluminid kann eine Eisenbasislegierung oder eine Nickelba
sislegierung mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 5%
bis etwa 20%, vorteilhaft zwischen 10% und 20%, sein. Wei
terhin kann der Werkstoff Zusätze seltener Erden enthalten.
Der aus diesem Werkstoff gefertigte Trägerkörper zeichnet
sich durch eine hohe Zunderbeständigkeit bis etwa 1200° C
aus und kann im motornahen Abschnitt des Abgasstrangs ange
ordnet werden.
Der Werkstoff besteht aus Metallfasern, die durch
Schmelzextraktion hergestellt werden. Die Metallfasern wer
den zu einer Faserstruktur mit Hilfe des Sinterverfahrens
aufbereitet, wobei dem gewünschten Eigenschaftsprofil ent
sprechend eine isotrope oder eine anisotrope Faserstruktur
erzeugt werden kann. Die Faserstruktur wird anschließend
zur Steigerung der Steifigkeit und zur Erzielung einer ge
wünschten Wandstärke von maximal etwa 200 µm zu einer Fa
serplatte gewalzt. Für eine optimale Schallabsorption am
Katalysator können die Poren in der Faserstruktur gradiert
eingestellt werden.
Der Trägerkörper 2 ist hochporös, wodurch Querströmungen des
Abgases in Pfeilrichtung 5 quer zur Hauptströmungsrichtung mög
lich sind. Die Porosität reduziert das Gewicht und die Wärmeka
pazität des Trägerkörpers und vergrößert die katalytisch nutz
bare Oberfläche. Zugleich wird das Bauvolumen des Katalysators
verringert.
Der zu einer Faserplatte gewalzte Trägerkörper 2 ist zu einer
Well-Lage mit einem etwa sternförmigen Querschnitt umgeformt.
Die Wellenform erhöht ebenfalls die katalytisch nutzbare Ober
fläche. Die poröse Faserstruktur des Trägerkörpers erlaubt dar
überhinaus auch weitere Formgestaltungen.
Gemäß einer anderen Ausführung kann der Trägerkörper auch eine
Monolith-Struktur aufweisen.
Die den Trägerkörper 2 einhüllende, glatte Metallfolie 3 ist in
Folienwalz-Technik hergestellt und übernimmt die Funktion einer
Stützlage. Die Wandstärke der Metallfolie beträgt vorteilhaft
weniger als etwa 50 µm. Der Werkstoff der Metallfolie be
steht wie derjenige des Trägerkörpers aus einer Eisen- oder
Nickelbasislegierung mit einem auf etwa 5% bis 7% begrenz
ten Gehalt an Aluminium, etwa 20% Chrom und Zugaben Selte
ner Erden.
Die Metallfolie 3 weist gezielt eingebrachte Perforationen 4
auf, die radial in der zylindrisch geformten Metallfolie ver
laufen und die Ausbreitung quer strömender Abgase unterstützen.
In Fig. 2 ist das Prinzip der Schallabsorption am Trägerkörper
2 dargestellt. Der auf die Wandung des Trägerkörpers 2 gemäß
Pfeil 6 auftreffende Schall, der sich über den Abgasstrang in
den Katalysator fortpflanzt, wird gemäß Pfeil 7 teilweise an
der Wandung reflektiert. Der in die Wandung des Trägerkörpers
eintretende Schall wird an einem symbolisch dargestellten Ab
sorptionspunkt 9 absorbiert, der restliche, nunmehr stark redu
zierte Schall tritt auf der anderen Wandseite gemäß Pfeil 8
wieder aus. Die Porosität der Faserstruktur des Trägerkörpers 2
ermöglicht eine gezielte Absorption bestimmter Schallwellenlän
gen im Punkt 9.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Der von der Metallfolie 3 ummantelte Trägerkörper 2 wird in Haupt strömungsrichtung 10 vom zu reinigenden Abgas durchströmt. Der Trägerkörper 2 besteht aus einer gewellten, im Prinzip unend lich langen Faserstruktur, die mäanderförmig zu mehreren anein anderliegenden Lagen 11 zusammengefaltet ist, wobei die Umkehr punkte 12 der Faserstruktur die Knickpunkte der ursprünglich geraden Faserstruktur darstellen. Zwischen den Lagen verlaufen in Längsrichtung des Katalysators Kanäle, die vom Abgas durch strömt werden. Aufgrund der Porosität der gesinterten Faser struktur bilden sich zum Teil Querströmungen durch die Lagen der Faserstruktur aus.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Der von der Metallfolie 3 ummantelte Trägerkörper 2 wird in Haupt strömungsrichtung 10 vom zu reinigenden Abgas durchströmt. Der Trägerkörper 2 besteht aus einer gewellten, im Prinzip unend lich langen Faserstruktur, die mäanderförmig zu mehreren anein anderliegenden Lagen 11 zusammengefaltet ist, wobei die Umkehr punkte 12 der Faserstruktur die Knickpunkte der ursprünglich geraden Faserstruktur darstellen. Zwischen den Lagen verlaufen in Längsrichtung des Katalysators Kanäle, die vom Abgas durch strömt werden. Aufgrund der Porosität der gesinterten Faser struktur bilden sich zum Teil Querströmungen durch die Lagen der Faserstruktur aus.
Claims (14)
1. Abgas-Katalysator für eine Brennkraftmaschine, mit einer
die Katalyse der Abgase bewirkenden Beschichtung auf einem vom
Abgas durchströmten Katalysatorträger (1), der aus einem porö
sen Material auf Metallbasis besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Katalysatorträger (1) einen Trägerkörper (2) mit
einer gesinterten Metallfaser-Struktur umfaßt.
2. Katalysator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallfasern einen Durchmesser von maximal etwa 50
µm aufweisen.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Trägerkörper (2) gewalzt ist.
4. Katalysator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Trägerkörper (2) eine Wandstärke von maximal etwa
200 µm aufweist.
5. Katalysator nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Trägerkörper (1) wellenförmig ausgebildet ist.
6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff des Katalysatorträgers (1) aus einer Ei
senbasislegierung besteht.
7. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff des Katalysatorträgers (1) aus einer Nic
kelbasislegierung besteht.
8. Katalysator nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff des Katalysatorträgers (1) einen Alumini
um-Gehalt von mindestens 5% bis etwa 20% aufweist.
9. Katalysator nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff des Katalysatorträgers (1) Zusätze von
Seltenen Erden enthält.
10. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Katalysatorträger (1) eine den Trägerkörper (2)
einhüllende Metallfolie (3) umfaßt.
11. Katalysator nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallfolie (3) Perforationen (4) aufweist.
12. Katalysator nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallfolie (3) eine Dicke von maximal etwa 50 µm
aufweist.
13. Katalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff der Metallfolie (3) einen Aluminium-Ge
halt von etwa 5% bis 7% aufweist.
14. Katalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff der Metallfolie (3) etwa 20% Chrom ent
hält.
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