DE2245535A1

DE2245535A1 - Katalytische entgiftungseinrichtung zur behandlung der abgase von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2245535A1
Application number: DE19722245535
Authority: DE
Inventors: Gerhard Gaysert
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1972-09-16
Filing date: 1972-09-16
Publication date: 1974-04-04
Also published as: DE2245535C2

Description

Katalytische Entgiftungseinrichtung zur Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen.
Die Erfindung betrif£t eine katalytische Entgiftungseinrichtung zur Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen unter Verwendung monolithisch aufgebauter keramischer LTabenkörper als Katalysatorträger zur katalytischen Oxydation und/oder Reduktion der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen gesundheitsschadlichen bzw. für die Umwelt lästigen Bestandteile. Darunter fallen nach heutigem Erkenntnisstand insbesondere die Stoffe Kohlenmonoxyd CO, unverbrannte oder nur teilverbrannte Kohlenwasserstoffe CHy sowie Stickoxyde NOxS Es ist bekannt, daß zur Umwandlung der genannten Schadstoffe mit Vorteil Katalysatoren eingesetzt werden können.
Bei den bisher verwendeten Abgaskatalysatoren wird die katalytische aktive Substanz (z. B. Platin) auf einen keramischen porösen Träger aufgebracht , der die Form kleiner zylindrischer oder kugelförmiger "Pellets" hat. Diese Pellets (übliche Abmessungen liegen zwischen 1 und 4 mm ) werden in einem mit perforierten Blechen versehenen Blechgehäuse eingelagert, das vom tiotorenabgas durchströmt wird.
Die Hauptnachteile dieser Granulat-Katalysatoren sind 1. der hohe Strömungswiderstand, damit verbunden hoher Abgasgegendruck, was wieder ein Abfallen der maximal erzielbaren lotorleistung zur Folge hat; 2. die vergleichsweise hohe Wärmekapazität G . Cp der Katalysator£üllung, welche einer schnellen Aufheizung auf Betriebs temperatur nach Kaltstart des nIotors entgegenstellt; 3. der hohe Abrieb der Pellets, der ein Erreichen der von den Behörden vorgeschriebenen Mindestlebensdauer der Entgiftungsanlage nicht gewährleistet.
Es ist ferner bekannt, daß it Vorteil als Katalysatoren monolithisch aufgebaute Trägerkörper, die aus einem zusammenhängenden Gerippe aus porösem, keramischem Material bestehen, eingesetzt werden können. Diese in der Fachwelt als "Wabenkörper" bezeichneten Elemente bestehen in der Regel aus zylindischen Blöcken mit ca. 100 mm und Längen zwischen 50 und'200 mm. Die genannten Ilaße sind typisch für den in einem Pkw der europäischen ilittelklasse vorzusehenden Abgaskatalysator.
Die von dem Gerippe gebildeten Strömungskanäle haben ilblicherweise quadratischen oder trapezförmigen Querschnitt mit einem lichten Querschnitt zwischen 1 und 3 mm2. Dadurch werden bei einem Körper der beschriebenen Größenordnung eine Tausend parallele Strömungskanäle mit nahezu konstantem Querschnittsverlauf erreicht. Ein Beispiel eines keramischen Wabenkörpers ist in der DOS 1 476 507 beschrieben. Die @abenkörper haben, bedingt durch die geringen Wandstärken von einigen Zerntelmillimetern ihrer Rippenstruktur, relativ geringe mechanische Festigkeit und sind gegen Beanspruchung durch schnell wechselnde Temperaturen, insbesondere Thermoschock, anfällig. Der irmeausdehnungskoeffizient ist merklich kleiner als der bei den zur ilalterung in Frage kommenden @etall-Legierungen. Deshalb scheidet eine direkte llalterung des lJabenkörpers in einer starren Blechkonstruktion grundsätzlich aus. Versuche, den Wabenkörper mit einer Zwischenlage aus hochhitzebeständiger Keramikfaser im Metallgehäuse einzubetten, wurden durchgeführt, erwiesen sich jedoch bisher als nicht ausreidiend. Die starke Pulstion der @otorabgase mit dynamischen Wechseldrüchen von mehreren Zehntel Atmosphären zerstört in Zusammenwirkung mit den hohen Gastemperaturen - 8000 C oder nehr -innerhalb weniger Betriebsstunden die Keramikfaser.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung bzw. Einbettung für den nabenkörper zu schaffen, an die folgende Anforderungen zu stellen sind: 1. Die elastischen Eigenschaften der Einbettung müssen auch noch bei den im ungünstigsten Betriebsfall auftretenden Temperaturen in genügendem @aße vorhanden sein.
2. Die Relativbewegungen zwischen Mantel und Wabenkörper infolge unterschiedlicher Wärmedehnung und unterschiedlichen Temperaturen müssen durch entsprechende Vorspannung aufgefangen werden können.
Ebenso dürfen die durch mechanische Einwirkungen a) Gaskräfte p A b) Massenkräfte infolge Erschütterungen entstehenden Beanspruchungen die Vorspannung nicht au@@@@en.
Dabei ist für die Gesamtbeureilung die ungünstigste Addition all dieser Einflüsse maßgeblich.
3. Die am Wabenkörper vorbeiströmende Gasmenge wird der katalytischen Behandlung entzogen und muS so klein wie möglich gehalten werden.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Entgiftungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wabenkörper riiit iiilfe einer elastiscilen aucli. bei hohen Temperaturen noch wirksamen Lagerung im Gehäuse, vorzugsweise Ab gas rohr aus @etall, befestigt ist. Als Material der elastischen Lagerung eignet sich beispielsweise ein. besonders geformtes und vorbehandeltes ;-Ietallgestrick. Die elastische Einbettung kann auch durch einen am Gehäuse sich abstützenden federnden Metallbalg erfolgen.
Der Metallbalg kann auch als elastiscne Einbettung in Verbindung mit einem bzw. mehreren an druckempfiniilicher, Wabenkörper angebrachten, zur krafteinleitung dienenden Keramikring erzielt werden. Der letallbalg kann auch durch ein zysten von Tellerfedern ersetzt werden.
@it der geschilderten Anordnung wird sichergestellt daß die vom Gehäuse auf den @abenkörper ausgeübten Krafte auch unter ungünstigen mechanischen und thernischen Bedingungen in Rahmen der fiir die Wabenkörper-Struktur zulässigen Fä@chenpressung bleiben, andererseits stets ein Kraftschluß zwischen Wabenkörper und Gehäuse besteht. Dadurch kann vermieden werden, daß zwischen Gehäuse und Wabenkörper Spiel auftreten kann, was infolge der Abgaspulsation innerhalb kurzer Zeit zur Zerstörung des Wabenkörpers führen würde.
Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt und zwar in den Fig. 1 - 7 je ein Längsschnitt durch sieben Varianten der Lagerung von Wabenkörpern je in einem Abgasrohr.
In: Katalysatortopf gern. Fig. 1 ist der Wabenkörper 11 in Gehäuse 12 in drei Formkörper aus verdichtetem Metallgestrick 13a, 13b, 13c eingebettet. Das Gestrick ist aus einem hochwarmfesten Draht gefertigt, der vorzugsweise aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt, z. B. Werkstoff 2. 4969, hergestellt wird. Mit solchen Legierungen ist es möglich, auch bei Temperaturen von bis zu 900°C noch ausreichende Federeigenschaften zu erzielen. Die Formkprper werden bei der Endmontage und vor dem Verschweißen der Anschlagscheiben 14 und 15 sowohl radial als auch axial definiert vorgespannt.
Fig. 2 zeigt eie Ausführung, bei der der Formkörper zur radialen halterung in zwei Teile 21a und 21b aufgeteilt ist. Mit dem Distanzstück 22 werden die beiden @ormkörper auf Abstand gehalten Die Endscheiben 23a und 23 b des Distanzstückes sind im Gehäuse 24 mit geringem Radialspalt verschiebbar angeordnet, df Spalt 25 zwischen Wabenkörper 26 und Endscheibe 23 muß etwas größer gehalten werden, um ein Einschlagen der Endscheiben in den Wabenkörper zu vermeiden. Zwischen dem Radial-Formko@per 21 a und dem Axial-Formköper 27a ist eine Dichtungsscheibe 28 aus einem hoch hitzebeständigen Werkstoff zur Verminderung des den Katal-ysatof umströmenden Leckstromes eingelegt.
Der vom Wabenkörper 26, Distanzstück 22 und Endscheibe 23a und 23b gebildete Raum 29 kann mit einer wärmeisolierenden und gleichzeitig abdichtend wirkenden Masse ausgefüllt bein Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der auf den Wabenkörper ein ringförmig umlaufender Wulst 31 aufgebracht ist> der aus dem gleichen oder einem ähnliden keramischen Material besteht, wie der Wabenkörper selbst. Mit diesem Wulst wird eine for'mschlüssige Verbindung zum Radialkörper 32 erzielt, wodurch der sonst übliche Axial-Formkörper entfallen kann.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsdetail, bei dem zwischen der mit dem Gehäuse verschweißten Endscheibe 41 und der den Formkörper abdekkenden Scheibe 42 eine oder mehrere Tellerfedern 43 aus hochwarmfestem Werkstoff angeordnet sind. Diese Ausführung ist für besonders hohe Beanspruchungen vorgeseheng für den Fall, daß das Oetallgestrick sich im Laufe der Zeit setzer@ sollte. Die Tellerfedern sind so ausgelegt, daß noch genügend Wegreserve unter Vorspannung vorhanden bleibt.
In Fig. 5 ist eine Ausführung dargestellt, die als federndes Element einen Faltenbalg 51 verwendet. Ein am Umfang geteilter Ring 52 aus einer speziellen,esonders gegen Thermoschock beständigen keramischen Masse ist in eine Nut des Wabenkörpers 53 eingelegt und mit diesem unter Verladung eines feuerfesen Zementes verkittet. Der Ring 52 stellt eine relativ druckfeste und definierte Anlagefläche zur Übertragung der axialen Spannkräfte dar, die vom Faltenbalg 51 bzw. vom Gegenanschlag 54ati£ den Wabenkörper 53 auszuüben sind.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig, 6 dargestellt. Es sind zwei Keramikringe 61 und 62 auf den Wabenkörper 63 aufgeschoben und verkittet. Diese Anordnung hat gegenüber der in Fig. S beschriebenen den Vorteil, daß die Keramikringe ungeteilt, d.. aus einem Stück sein können.
Der Wabenkörper ist auf der einen Seite über den Keramikring 62 und einem fest im Gehäuse 65 eingeschweißten Anschlagring 4 gel halten. Auf der Gegenseite hat der Anschlagring 66 zum Gehäuse 65 ein gewisses Radiaispiel,so daß dieses in Axialrichtung frei beweglich ist. Die auf den Wabenkörper 63 auszuübende Vorspannungskraft wird vom Faltenbalg 67 aufgebracht, der selbst im Gehäuse 65 an der Stelle 68 verschweißt ist, Der Zwischenraum, der vom Wabenkörper 63, dem Faltenbalg 67, dem Gehäuse 65 und dem Anschlagring 64 gebildet ist, ist mit einer wärmeisolierenden Masse 69 ausgefüllt, vorzugsweise kann eine Keramikfaser verwendet werden. Dadurch wird der Wärmeübergang vom heißen Wabenkörper an den Faltenbalg infolge Konvektion und Strahlung reduziert.
Ein weiteres Ausführungsdetail zeigt Fig. 7. Der Aufbau ist ähnlich zu dem in Fig. 6 beschriebenen, jedoch wird anstelle des Faltenbalges eine oder mehrere Tellerfedern 71 verwendet. Auch bei dieser- Ausführung kann der Zwischenraum 72 mit Isoliermasse ausgefüllt sein.

Claims

Patentansp ruch

Katalytische Entgiftungseinrichtung zur Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen unter Verwendung monolithisch au£gebauter keramischer Wabenkörper als SatalysatortrEger, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper mit Hilfe einer dastischen auch bei hohen Temperaturen noch wirksamen Lagerung im Gehäuse se, vorzugsweise Abgasrohr aus Metall, befestigt ist.
2.) Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Lagerung aus i'Ietallgestrick-Formkörpern aus hochwarmfestem Draht besteht.
3.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgestrick im eingebauten Zustand unter Vorspannung durch eine mechanische Verdichtung steht.
4.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der :letallgestrick-Formkörper ein Ring mit L-förmigem Querschnitt ist und an beiden Enden des keramischen Wabenkörpers ein solcher Ring unter radialer und axialer Vorspannung zwischen Gehäuse und Wabenkörper eingespannt ist. (Fig. 1).
5.) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das L-Profil in zwei Rechteckprofile aufgeteilt ist und in die Trennfuge zwischen diesen eine ringförmige Dichtungsscheibe aus einem hochhitzebeständigen Material eingelegt ist.
6.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Wabenkörper, Gehäuse und dem Metallgestrick" Formkörper mit einer temperaturfesten wärmeisolierenden Masse ausgefüllt ist.
7.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß das Metallgestrick einen am wabenkörper integriert angebrachten, aus demselben oder einem ähnlichen Material wie der Wabenkörper selbst bestehenden ringförmig umlaufenden Wulst umschließt.
8.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks axialer Verspannung der Metallgestrick-Formkörper ein System von Tellerfedern stirnseitig des Wabenkörpers und außerhalb der diesen abstützenden Gestrickes angeordnet ist.
9.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aüf den Wabenkörper ein oder mehrere keramische Ringe fest angebracht, sind.
10.) Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, däß ein Faltenbalg aus hochwarmfestem Material an einem dieser Ker mikringe befestigt ist und in axialer Richtung vorspannungserzeugend auf diesen einwirkt.
11.) Einrichtung nach Anspruch 9-, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Tellerfedern auf einen dieser Keramikringe in axialer Richtung vorspannungserzeugend Mix einwirkend angeordnet sind.