DE2255087A1 - Katalytischer konverter mit elektrisch widerstandsfaehigem katalysatortraeger - Google Patents

Katalytischer konverter mit elektrisch widerstandsfaehigem katalysatortraeger

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Description

Die Erfindung !betrifft einen katalytischen Konverter zur Behandlung eines Gasstroms. Insbesondere werden ein gewelltes Blech aus rostfreiem Stahl und ein ebenes Blech aus rostfreiem Stahl sandwichartig zusammengefügt und spiralförmig aufgewickelt, so daß die Wellungen eine Vielzahl von kleinen Gasströmungsdurchgängen bilden, die den Konvertereinlaß mit dem Konverterauslaß verbinden. Aluminiumoxidüberzüge auf den Blechen isolieren die Bleche elektrisch voneinander, und ein fein zerteilter Katalysator wird auf den Aluminiumoxidüberzügen verteilt. Elektrische Energie
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fließt durch die Bleche, um den Katalysator auf Betriebstemperatur zu erhitzen.
Die Katalysatoren der meisten katalytischen Konverter zur Behandlung von Abgasen von Kolbenverbrennungsmotoren müssen gewöhnlich eine gewisse vorbestimmte Temperatur vor Beginn der effektiven katalytischen Umwandlung erreichen. Ein Kolbenmotor erfordert ein angereichertes Brennstoff-Luftgemisch während des Startes und des anfänglichen Betriebs, und die während dieser Zeiträume erzeugten Abgase enthalten relativ hohe Mengen an unverbrannteh Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Durch Freigabe dieser unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid an die Atmosphäre wird die Gesamtmenge an von dem Motor erzeugten unerwünschten Bestandteile erheblich erhöht.
Nach einem eigenen älteren Vorschlag umfaßt die katalytische Trägerstruktur eine elektrische Heizeinrichtung > und elektrische Energie wird der Heizeinrichtung während des anfänglichen Betriebs zugeführt, um den Katalysator innerhalb eines kurzen Zeitraums, nach dem der Motor gestartet wurde, auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Die Heizeinrichtung besteht aus einer Widerstandswicklungs-Heizvorrichtung, die in wärmeleitendem Kontakt mit dem Katalysator angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft eine katalytische Konverterkonstruktion, in der die Katalysatorträgerstruktur dazu verwendet wird, wenigstens einen Teil des Katalysators rasch und wirksam auf Betriebstemperatur zu erhitzen. Wärme aus der exothermen Reaktion, die von diesem Teil erzeugt wurde, trägt dazu bei, den Rest des Katalysators in dem Konverter auf Betriebstemperatur zu bringen. Der katalytische Konverter umfaßt ein äußeres Gehäuse mit einem Einlaß zum Herein-
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lassen der Abgase in das Gehäuse und einen Auslaß zur Entfernung der Abgase aus dem Gehäuse. Eine Katalysatorträgerstruktur befindet sich innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlaß und dem Auslaß« Die Trägerstruktur umfaßt ein elektrisch widerstandsfähiges Bauteil mit einer großen Oberfläche, das in der AbgasStrömungsbahn zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet ist. Ein Katalysator ist auf der großen Oberfläche der Trägerstruktur verteilt, wo der Katalysator mit den Abgasen in Berührung kommt. Eine Quelle elektrischer Energie ist mit dem elektrisch widerstandsfähigen Bauteil verbunden und führt elektrische Energie zu, bis der Katalysator eine gewisse vorbestimmte Temperatur erreicht.
Das elektrisch widerstandsfähige Bauteil weist vorzugsweise ein gewelltes Metallblech auf, das so zu einer Spirale gewunden ist, daß die Wellungen eine Vielzahl von kleinen Durchgängen bilden, welche den Gehäuseeinlaß mit dem Gehäuseauslaß verbinden. Ein ebenes Metallblech kann mit dem gewellten Metallblech gegebenenfalls sandwichartig zusammengefügt sein. Die Bleche werden mit einem elektrisch isolierenden Material Überzogen, und deren innere Kanten werden mit einem elektrisch leitenden Stab verbunden, der den Kern der Spiralkonstruktion bildet. Ein elektrisch leitendes Rohr umgibt die äußeren Ränder der Metallbleche und ist damit elektrisch verbunden. Der Stab und das Rohr bilden somit innere und äußere Begrenzungen für die Bleche. Fein zerteilter Katalysator wird auf die Überzüge auf den Blechen aufgebracht, so daß die durch die schmalen Durchgänge strömenden Abgase den Katalysator kontaktieren.
Ein übliches Katalysatorbett kann radial auswärts oder stromabwärts von der Spiralkonstruktion angeordnet werden. Das übliche Katalysatorbett umfaßt in typischer Weise mo-
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nolithische keramische Bienenwaben mit längs der Durchgänge verteiltem fein zerteiltem Katalysator. Wärme, die durch die exotherme katalytische Reaktion in der Spiralstruktur erzeugt wird, geht auf den Katalysator in dem üblichen Katalysatorbett über und bringt somit die gesamte Katalysatorcharge rasch in Betrieb.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, worin
Fig. 1 eine Seitansicht im Schnitt eines katalytischen Konverters der Erfindung, wobei die Spiralträgerstruktur von einem üblichen katalytischen Bett radial einwärts angeordnet ist,
Fig. 2 eine Endansicht im Schnitt der Katalysatorstruktur nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Vergrößerung eines Teils der Spiralstruktur, welche die Beziehung zwischen den überzogenen Blechen aus ebenem und gewelltem Metall zeigt,
Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild, das die Parallelverbindungen des die Spiralstruktur darstellenden ebenen Blechs und gewellten Blechs zu einer Batterie zeigt und
Fig. 5 eine teilweise perspektivische Darstellung, welche die Technik des Zusammenfügens einer Sandwichstruktur aus einem gewellten Blech und einem ebenen Blech zu dem zentralen Stab zeigt,
wiedergeben.
In den Fig. 1 bis 3 weist ein katalytischer Konverter der Erfindung ein Gehäuse 10 mit einem konischen Einlaß 12 und einem konischen Auslaß 14 auf. Der Einlaß 12 ist mit der Motorabgassammelleitung und der Auslaß 14 mit der Atmosphäre durch eine Auspuffleitung verbunden.
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Ein elektrisch leitender Metallstab 16 ist koaxial innerhalb des Konvertergehäuses 10 angeordnet. Der Stab 16 ist mit den inneren Kanten eines ebenen Bleches 18 aus rostfreiem Stahl verbunden, das mit einem gewellten Blech 20 aus rostfreiem Stahl sandwichartig zusammengefügt ist. Beide Seiten der Bleche 18 und 20 sind mit einem dünnen Überzug 22 bzw. 23 aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material, wie beispielsweise γ-Aluminiumoxid, überzogen. Die Sandwichstruktur aus dem überzogenen Blech 18 und dem überzogenen Blech 20 ist spiralförmig um .den Stab 16 gewickelt, so daß die Wellungen eine Vielzahl von kleinen Gasströmungsdurchgängen 24 bilden, welche den Auslaß mit dem Auslaß 14 verbinden. Ein elektrisch leitendes Rohr 26 umgibt die Spiralsandwichstruktur aus den Blechen 18 und 20, und die äußeren Kanten der-Bleche 18 und 20 sind elektrisch mit dem Rohr 26 verbunden.
Ein ringförmiges Katalysatorbett 28 füllt den Rausa zwischen dem Rohr 26 und dem Inneren des Gehäuses 10. Das Katalysatorbett ist, in typischer Weise ein monolithisches keramisches Material, wie beispielsweise Cordierit oder Spodumen, überzogen mit γ-Aluminiumoxid * wobei dieses Material eine Vielzahl von Gasströmungsdurchgängen aufweist, die sich hindurch erstrecken und den Einlaß 12 mit dem Auslaß 14 verbinden. Fein zerteilte Katalysatorteilchen sind gleichmäßig über den Oberflächenbereich der Überzüge 22 und 23 und die Durchgänge in dem Katalysatorbett 28 verteilt.
Eine elektrische Leitung 30 ist mit dem Stab 16 verbunden, und eine zweite elektrische Leitung 32 ist mit dem Rohr 26 verbunden. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, ist die Leitung 30 durch einen Schalter 34 mit dem positiven Ende einer Batterie 36 und die Leitung 32 mit dem negativen Ende einer Batterie 36 verbunden. Das ebene Blech 18 und das gewellts Blech 20 sind somit elektrisch parallel zueinander.
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Beim Starten des Motors wird der Schalter 3^ geschlossen und dadurch die Batterie 36 über das ebene Blech 18 und das gewellte Blech 20 verbunden. Der elektrische Widerstand der Bleche 18 und 20 wandelt die elektrische Energie in Wärme um, die konduktiv durch die Überzüge 22 und 23 auf die fein zerteilten Teilchen des auf der Oberfläche der Überzüge verteilten Katalysators übertragen wird. Die Temperatur der Katalysatorteilchen erhöht sich rasch auf Betriebstemperatur, wo die katalytische Wirksamkeit des Katalysators beginnt. Wärme aus der exothermen katalytisehen Reaktion geht radial auswärts durch Rohr 26 auf den Katalysator im Katalysatorbett 28 über. Diese Wärme wird durch Wärme ergänzt, die aus den Abgasen erhalten wird, welche durch die Durchgänge in dem Katalysatorbett 28 strömen, um das Katalysatorbett 28 auf Betriebstemperatur zu bringen. Wenn ein wesentlicher Teil des Katalysators in dem Konverter Betriebstemperatur erreicht hat, öffnet ein Temperaturregelmechanismus (nicht gezeigt) den Schalter 34, um die Verbindung der Batterie 36 von den Blechen 18 und 20 zu unterbrechen.
Zahlreiche andere Materialien mit geeigneter elektrischer Widerstandsfähigkeit können anstelle des zur Herstellung der Bleche 18 und 20 verwendeten rostfreien Stahls eingesetzt werden. Zu typischen Materialien, die gleichfalls geeignete Hochtemperatureigenschaften aufweisen, gehören Chrom-Eisenlegierungen, Nickel-Eisenlegierungen, Nickel-Chromlegierungen und dergleichen. γ-Aluminiumoxid ist als überzüge 22 und 23 für die Bleche 18 und 20 äußerst zweckmäßig, da es ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften besitzt und auch eine unregelmäßige Oberfläche mit einem vergrößerten Oberflächenbereich erzeugt. Zu anderen brauchbaren Materialien, die als Überzüge 22 und 23 ge-
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eignet sind, gehören Chromoxid und verschiedene andere Metalloxide und keramische Materialien.
Die Erfindung liefert somit einen katalytischen Konverter, der rasch und wirksam elektrische Energie in erhöhte Katalysatortemperaturen umwandelt und dadurch die katalytische Gesamtwirksamkeit verbessert. Unter Verwendung der elektrisch widerstandsfähigen Bauteile als Träger für den Katalysator werden die Kosten der Konverterkonstruktion herabgesetzt
und der Wärmeübergang von dem elektrisch widerstandsfähigen Bauteil zu dem Katalysator erhöht.
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Claims (8)

Patentansprüche
1. Katalytischer Konverter zur Behandlung eines Gasstromes gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse (10) mit einem Einlaß (12) zum Einlassen des Gasstroms in das Gehäuse und einem Auslaß (14) zum Entfernen des Gasstroms aus dem Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnete Kätalysatorträgerstruktur (16, 18f 20, 22, 23), die ein elektrisch widerstandsfähiges Bauteil (22, 23) mit einem großen Oberflächenbereich in der Gasströmungsbahn zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeordnet, enthält, einen auf dem großen Oberflächenbereich der Trägerstruktur verteilten Katalysator, wo dieser mit Gasen in dem vom Einlaß zum Auslaß strömenden Gasstrom in Berührung kommt und elektrische Einrichtungen (30, 32, 36) zur Zuführung elektrischer Energie zu dem elektrisch widerstandsfähigen Bauteil.
2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch widerstandsfähige Bauteil ein gewelltes Metallblech (20) aufweist, das in einer Spirale aufgewickelt ist, so daß seine Wellungen eine Vielzahl kleiner Strömungsdurchgänge (24) bilden, welche den Einlaß mit dem Auslaß verbinden.
3. Konverter nach Anspruch 1 bis 2, d a d u r cn gekennzeichnet , daß die Trägerstruktur einen elektrisch leitenden Stab (16) aufweist, der mit der inneren Kante des gewellten Metallblechs (20) und einem elektrisch leitenden Rohr (26) elektrisch verbunden ist, welches die äußere Kante des gewellten Metallblechs umgibt und damit elektrisch verbunden ist, wobei der Stab und das
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Rohr mit einer elektrischen Einrichtung elektrisch verbunden sind.
4. Konverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch widerstandsfähige Bauteil ein ebenes Metallblech (18) aufweist, das mit dem gewellten Metallblech (20) sandwichartig verbunden, jedoch davon isoliert ist, wobei das ebene Metallblech mit dem leitenden Stab (16) und dem leitenden Rohr (26) unter Bildung eines parallelen elektrischen Schaltkreises mit dem gewellten Blech verbunden ist.
5. Konverter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet „ daß ^edes gewellte Meto.TlM.edh (20) und ebene Metallblech (18) eiE&m Öberzisg (22, 25) eines elektrisch isolierenden Materials ai2feeistt wobei di© Überzüge unregelmäßige Oberflächen haben 9 welch© dea Oberflächen» bereich vergrößern, wobei der Katalysator auf €©m Ob©i?£iächenbereich der Überzüge verteilt ist,
6. Konverter nach Anspraeia 1 bis 59 dadurch gekennzeichnet s daß er ©in Katalysatorbett (28) aufweist, das radial außerhalb der lataljsatorträgerstraktur angeordnet ist. · " "
7. Konverter" nach Anspruch. 1 bis S9 dadurch gekennzeichnet , daß die gewellten Metallbleche (20) und die ^ebenen Hetallbleche (18) aus rostfreiem Stahl und der Überzug aus Aluminiumoxid besteht.
8. Konverter nacfo/Anspracli 1 bis 7, dadurch geke nnzeichnet;", daß" das elektrisch widerstandsfähige Bauteil'ein gewelltes Metallblech -(20) aufweists'das mit ^inem ebenen Metallblech (18) sandwichartig verbunden ui?€l davon "isoliert "Ist,, wobei das sandwichartig verbundene
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gewellte Metallblech und ebene Metallblech spiralförmig unter Bildung einer Vielzahl kleiner Strömungsdurchgänge (24), welche den Einlaß (12) mit dem Auslaß (14) verbinden, aufgewickelt sind.
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