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Katalysator zur katalytischen Reinigung von Abgasen Die Erfindung
bezieht sich auf einen Katalysator zur katalytischen Reinigung der Abgase von-Brennkraftmaschinen,
bei dem ein mit einer Katalysatormasse versehener monolithischer Urägerkörper in
einem Gehäuse elastisch gehalten ist.
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Die Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in
Kraftfahrzeugen, wird heute allgemein durch eine Nachverbrennung erreicht. Zur schnelleren
Einleitung dieser Nachverbrennung werden die Abgase dabei durch Katalysatoren geleitet,
die aus einem Trägermaterial bestehen, das mit einer die chemische Umsetzung der
schädlichen Gasbestandteile bewirkenden Katalysatormasse überzogen ist. Dabei kann
das Trägermaterial entweder ein Schüttgut oder ein Feststoffkörper (Monolith) mit
durchgehenden Kanälen sein. Als besonders günstig haben sich dabei auf dem Gebiet
der Eraftfahrzeugtechnik die Katalysatoren mit monolithischen Trägerkörpern erwiesen.
Diese Urågerkörper werden in einem gasdichten, temperaturbeständigen Blech- oder
Gußgehäuse gelagert, das den Anschluß an das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine
ermöglicht.
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Bei der Befestigung des monolithischen rägerkörpers im Gehäuse sind
nun
eine Reihe von Schwierigkeiten entstanden, die zu beseitigen Zweck der vorliegenden
Erfindung ist.
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Die zur Zeit üblichen Trägerkörper bestehen nämlich aus einer porösen,
keramischen Substanz, die nur eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweist. Es
ist daher nicht möglich, zur Erzielung einer sicheren und festen Lagerung des Trägerkörpers
auf diesen größere Einspannkräfte auszuüben. Andererseits soll der Katalysator,
um eine kurze Anlaufzeit nach dem Starten der Brennkraftmaschine zu erreichen, in
unmittelbarer Nähe von dieser angeordnet sein. Hierdurch werden jedoch die von der
Brennkraftmaschine ausgehenden Schwingungen auf das Katalysator-Gehäuse übertragen,
so daß zur Vermeidung einer Beschädigung des Trägerkörpers dieser elastisch gelagert
sein muß. Eine derartige Lagerung ergibt sich auch aus der Notwendigkeit, die bei
der Fertigung auftretenden, verhältnismäßig großen Querschnittstoleranzen des Trägerkörpers
sowie die infolge unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten von « ägermaterial
und Metallgehäuse auftretenden Wärmedehnungsdifferenzen aufnehmen zu können.
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Es ist schon ein Katalysator bekannt (9AS 1 476 507), bei dem in einem
zylindrischen Gehäuse ein Trägerkörper gehalten wird und bei dem in einem Ringspalt
zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorkörper ein'vorzugsweise aus einem Dråhtgeflecht
bestehendes>federndes, gewelltes Teil angeordnet ist, das den Katalysatorkörper
eng umgibt. Nun hat sich jedoch gezeigt, daß eine derartige Zwischenlage aus einem
federnden Drahtgeflecht den gestellten Anforderungen nicht genügt, da infolge der
hohen Temperaturen im Katalysator das Drahtgeflecht leicht ausglüht. Würde dagegen
dieses Drahtgeflecht aus einem hoch temperaturfesten Werkstoff hergestellt, so würde
ein derartiger Katalysator, der für Serienanwendung
vorgesehen ist,
allzu teuer.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher
in der Schaffung einer elastischen Halterung für den Trägerkörper eines Katalysators,
die zum einen den hohen mechanischen und Wärmebelastungen standhält und die zum
anderen einfach und preisgünstig in ihrer Ausführung ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
in einem Zwischenraum zwischen dem Trägerkörper und dem Gehäuse eine den Trägerkörper
umgebende, unter Vorspannung stehende Ummantelung aus einem hoch temperaturbeständigen,
elastischen Material angeordnet ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll
die Ummantelung aus einem keramischen Fasermaterial bestehen. Dabei kann die Ummantelung
eine oder mehrere Lagen einer aus keramischen Fasern bestehenden Matte aufweisen.
Eine besonders bevorzugte Ummantelung besteht aus einem Tonerde-Silikat-Faser-Material.
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Die besonderen Vorteile dieser elastischen Ummantelung liegen in einer
besonders guten Temperaturbeständigkeit und in einer zusätzlich wärmeisolierenden
Wirkung. Darüberhinaus schafft diese Ummantelung eine gute Abdichtung des Zwischenraumes
zwischen dem Trägerkörper und dem Gehäuse für das in dem Gehäuse strömende Gas.
Schließlich ist dieses Material auch preisgünstig und eignet sich deshalb besonders
gut für eine serienmäßige Verarbeitung.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sollen am Außenumfang der
Ummantelung sich axial erstreckende Gleitsegmente vorgesehen sein, mittels derer
der Trägerkörper zusammen mit der Ummantelung in axialer Richtung in das Gehäuse
einbringbar ist. Dabei können die Gleitsegmente an mindestens einem
Ende
einen nach innen gerichteten, die Ummantelung umfassenden Kragen aufweisen. Dieser
Kragen ermöglicht die Aufbringung eines axialen Druckes auf die Gleitsegmente, beispielsweise
unter Zuhilfenahme einer Druckplatte, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß der
Trägerkörper selbst einen Druck in axialer Richtung erfährt und dabei Schaden nimmt.
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Anstelle der Anordnung von Gleitsegmenten kann gemäß einer anderen
Ausführungsform der Erfindung auch die Außenhaut der Ummantelung zumindest segmentweise
verhärtet sein. Hierbei übernehmen die verhärteten Schichten der Außenhaut der Ummantelung
die Aufgaben der besonderen Gleitsegmente, die darin bestanden, eine über den Umfang
möglichst gleichmäßige radiale Vorspannung auf die Ummantelung aufzubringen, so
daß eine gleichmäßige Verdichtung der Fasermatte und dadurch eine möglichst zentrische
Lage des Trägerkörpers erreicht wird.
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Darüberhinaus sollen die Gleitsegmente das Einbringen des ummantelten
Trägerkörpers in das Gehäuse erleichtern und dabei ein etwa durch Reibung an der
Gehäusewandung verursachtes Verrutschen der Ummantelung vermeiden.
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Zur Herstellung eines solchen Katalysators wird von der Erfindung
schließlich ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der mit der Ummantelung versehene
Trägerkörper zusammen mit den Gleitsegmenten in eine konische, den Außendurchmesser
der Ummantelung auf den Gehäuseinnendurchmesser verringernde Fuhrungsbuchse eingesetzt
wird und unter Ausübung von Druck auf die Gleitsegmente in axialer Richtung in das
Gehäuse eingepreßt wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache und preiswerte
Herstellung der elastischen Lagerung des Trägerkörpers in dem Gehäuse unter weitgehender
Schonung des empfindlichen Trägerkörpers.
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Weitere Vorteile'und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind
in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung dargestellte
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Katalysator mit einem in einem Gehäuse elastisch awfgehängten monolithischen
Trägerkörper, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Katalysator gemäß den Schnittlinien
II-II nach Figur 1 und Fig. 3 ein Schnittbild, aus dem das Einbringen des Trägerkörpers
in das Gehäuse näher hervorgeht.
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In der Figur 1 ist der fertige Katalysator im Längsschnitt gezeigt,
der mit Hilfe von Flanschen 9 und ii in eine Abgasführungsleitung eingeschaltet
werden kann Mit 1 ist dabei der monolithische Trägerkörper mit in axialer Richtung.
verlaufenden, durchgehenden Kanälen bezeichnet, der in einem Gehäuse 2 mit Hilfe
der elastischen,hoch temperaturfe sten Ummantelung 3 federnd elastisch aufgehängt
ist. Da der Durchtritt des Abgases durch den ICatalysatorkorper 1 mit ei nem Druckverlust
verbunden ist, der zu einer Verminderung des thermodynamischen Wirkungsgrades der
Verbrennungskraftmaschine führt, ist die Querschnittsfläche des Katalysators in
dem Bestreben, diesen Druckverlust möglichst gering zu halten, wesentlich größer
gewählt als die Querschnittsfläche der das Abgas zu- und abführenden, hier nicht
gezeigten Rohrleitungen. Der uebergang von den Rohrleitungen zu dem den Katalysatorkörper
aufnehmenden Gehäuse 2 wird daher an der Zu- und Abströmseite des Abgases durch
konische Übergangsstükke 8 und 10 gebildet Während normalerweise der Querschnitt
des
Katalysatorkörpers 1 und des Gehäuses 2 kreisförmig ist, sind jedoch auch alldere,
beispielsweise ovale oder rechteckförmige Querschnittsformen des Katalysators möglich.
Mit dem Pfeil 12 ist die Strömungsrichtung des den Katalysator durchætrömenden Abgases
angedeutet.
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Am Außenumfaiig der Urmantelung 5, die gemäß der Erfindung aus einem
hoch teuperaturfesten, unter einer radialen Vorspannung stehenden elastischen, keramischen
Faser-Material besteht, sind Gleitsegmente 4 vorgesehen, die sich in axialer Richtung
erstrecken und, wie aus der Figur 2 näher hervorgeht, die Ummantelung 3 bis auf
kleine, zwischen den Gleitsegmenten verbleibende axiale Spalte fast vollständig
umfassen. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier über
den Umfang gleichmößig verteilte Gleitsegmente 4 vorgesehen, die an einem Ende radial
nach innon gerichtete Kragen 5 aufweisen. Dieso Kragen bedecken Ciileil Teil der
Frontfläche der Ummantelung 3 und dienen als Anlagefläche zur Aufbringung eines
axialen Druckes beim Einpressen des Trägerkörpers 1 in das Gehäuse 2 Dieser Vorgang
des Eixlpressen des Trägerkörpers in das Gehäuse ist in der Figur 3 dargestellt.
Dabei ist das Gehäuse 2 mit dem an dem konischen Übergangsstück 8 befestigten Flansch
9 auf einer festen Unterlage 13 aufgestellt und über der Einfüllöffnung des Gehäuses
2 ist eine konische Führungsbuchse 6 angebracht. Das Einbringen des Trägerkörpers
1 in dag Gehäuse 2 erfolgt nun in der Weise, daß der mit der Ummantelung 3 versehene
Trägerkörper 1 zusammen mit den Gleitsegmenten 4 in die Führungsbuchse 6 eingesetzt
wird und daß durch Aufbringung eines axialen Druckes entsprechend dem Pfeil 14 mit
Hilfe einer auf die Kragen 5 der Gleitsegmente 4 aufgesetzten Druckplatte 7 der
Katalysatorkörper in das Gehäuse 2 eingepreßt wird. Dabei gleiten die Gleitsegnente
4 zunächst an der konischen
Innenwandung der Führungsbuchse 6,
die eine Verringerung des Außendurchmessers der Ummantelung 3 auf den Innendurchmesser
des Gehäuses 2 bewirkt, und später an der Innenwand des Gehäuses 2, wobei auf die
Ummantelung 3 lediglich eine gleichmäßig über den Umfang verteilte, radiale Vorspannung
zur Verdichtung des elastischen Ummantelungsmaterials ausgeübt wird. Auch der besonders
gegen axiale Belastung sehr empfindliche Trägerkörper 1 erfährt bei diesem Einpreßvorgang
lediglich eine radiale Belastung, so daß eine Beschädigung des Trägerkörpers, die
zu einer Wirkungsgradver schlechterung des Katalysators führen würde, nicht zu befürchten
ist.
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Wie Versuche ergeben haben, ist die von der Erfindung vorgeschlagene
elastische Halterung des Kàtalysator-Urägerlrörpers in der Lage, den besonders in
einer Abgasreinigungsanlage für Kraftfahrzeuge auftretenden hohen thermischen und
mechanischen Belastungen mit hoher Lebensdauer standzuhalten. Als Material für die
elastische Ummantelung wurde dabei eine Matte aus keramischen Tonerde-Silikat-Fasern
verwendet, die in einer oder mehreren Lagen um den Trägerkörper 1 gewickelt war.
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Dieses Material zeigte neben einer hohen Temperaturbeständigkeit und
einer guten Elastizität auch eine für die Funktion des Katalysators vorteilhafte
Wärmeisolierung sowie eine gute Abdichtung des zwischen dem Drägerköxper 1 und dem
Gehäuse 2 verbleibenden Raumes. Diese Abdichtung ist erforderlich, damit nicht ein
Teil der Abgase den Katalysator-Trägerkörper umgehen kann, wie das bei Anbringung
der bekannten elastischen Drahtgeflechtmatten ohne Vorsehung besonderer Vorkehrungen
möglich ist. Schließlich ist noch die einfache und schonende Herstellung der erfindungsgemäßen
Trägerkörper-Halterung unter Verwendung der Gleitsegmente und der konischen Führungsbuchse
hervorzuheben, so daß zusammen
mit dem verhältnismäßig preisgünstigen
Material für die Ummantelung ein auch fiir Serienanfertigung geeigneter Katalysator
geschaffen wurde.
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Ähnliche Probleme wie bei den hier beschriebenen Katalysatoren treten
auch bei Rotationswärmetauschern auf, die vor allem bei Warmekraftmaschinen eingesetzt
werden. Die dort zur Anwendung kommenden Wärme speicher bestehen häufig aus keramischen
Itassen, die einen gleichen oder zumindest vergleichbaren Aufbau wie die monolithischen
Katalysator-Trägerkörper aufweisen, und sind ebenfalls erheblichen mechanischen
und thermischen Belastungen ausgesetzt. Um daher eine sichere und preisgünstigere
Halterung dieser empfindlichen, keramischen Wärmespeicherkörper zu gewährleisten,
könnte auch dort der erfindungsgemäße Vorschlag mit Vorteil angewendet werden.
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Die Erfindung ist also nicht allein auf die Verwendung bei Katalysatoren
beschränkt.