DE2312447A1

DE2312447A1 - Katalytischer fallstrom-konverter

Info

Publication number: DE2312447A1
Application number: DE2312447A
Authority: DE
Inventors: Robert Neal Balluff; James David Stormont
Original assignee: Tenneco Inc
Current assignee: Tenneco Inc
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-13
Publication date: 1973-09-20
Also published as: CA981922A; US3809539A; GB1426452A; GB1426451A

Description

Patentanwälte Dr. Ing. H. Neeendank

Dipl. Ing. H. Hauck - Dial Pftys. W. Schmitt

Dipl. Ing. E. Graalis - Dipl. Ing. W. Wehnert

8 München 2, SViozartsiraSo 25

Telefon 5380586 2312447

Tenneco Inc.

1201 Michigan Blvd.

Racine, Wise.53402,USA

Anwaltsakte M-2527 _{13# März}

Katalytischer i'allstrom-Konverter

Die Erfindung "bezieht sich auf einen katalytischen Pallstrom-Konverter, wie er insbesondere für moderne Kraftfahrzeuge verwendbar ist.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei katalytischen Konvertern für Kraftfahrzeug-Abgasanlagen besteht darin, die Einflüsse der hohen Temperaturschwankungen und-Unterschiede, denen der Konverter ausgesetzt isb, erfolgreich auszuschalten. Die Temperatur schwankt zwischen Umgebungstemperatur und 870⁰C oder mehr, und während aes Betriebs können sich einige Teile des Konverters auf 26O⁰O oder weniger und andere auf 87O⁰O oder mehr erwärmen. Die durch Temperaturunterschiede dieser G-rößenordnung hervorgerufenen Spannungen sind beträchtlich und reichen leicht· aus, Verbindungsstellen zu zersprengen und wichtige Bauteile derart zu verformen, daß der Konverter seine Funktion als brauchbarer iimissions-Wandler verliert. Zusätzlich zu dieser Schwie-

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rigkeit besteht bei Kraftfahrzeugen noch die Forderung, daß der Konverter mit vertretbar niedrigen Kosten anzubieten ist, in Massenproduktion gefertigt werden kann, eine lange, störungs- und wartungsfreie Lebensdauer aufweist und derart bemessen ist, daß er sich auf einfache Weise in den äußerst beengten Platzverhältnissen, die unterhalb des Rahmens moderner Kraftfahrzeuge zu Verfügung stehen, unterbringen läßt.

Erfindungsgemäß soll ein katalytischer Pallstrom-Konverter geschaffen werden, bei dem durch große !Temperaturunterschiede

vor
heygerufene Beschädigungen weitmöglichst ausgeschaltet und die oben erwähnten Forderungen im wesentlichen erfüllt werden.

Der erfindungsgemäße Konverter ist in mehrfacher Hinsicht ähnlich wie ein Kraftfahrzeug-Auspuff aufgebaut. Somit läßt sich zu seiner Herstellung eine Reihe der bisher für die Auspuff-Herstellung verwendeten Massenherstellungstechniken und ein Großteil des zu diesem Zweck verwendeten Kapitalaufwands ausnutzen, so daß sich der erfindungsgemäße Konverter mit vertretbar niedrigen Kosten in großer Stückzahl herstellen läßt. Außerdem ist der erfindungsgemäße Konverter hinsichtlich seiner Größe und Gestalt vergleichbar mit größeren Abgas-Schalldämpfern, so daß er sich mit geringem Bauaufwand anstelle eines Auspuffs unterbringen läßt und aufgrund seiner schalldämpfenden Eigenschaft den Auspuff weitgehend zu ersetzen vermag. Außerdem ist das Verhältnis der Katalysatorfüllung zum Gesamtvolumen des

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Konverters groß, so daß die Baueinheit sehr geringe Abmessungen hat.

Bei dem erfindungsgemäßen Konverter werden die schädlichen Einflüsse hoher Temperaturen und großer Temperaturdifferenzen gering gehalten und es ist eine wirksame Pallstrom-Katalysatorfüllung sowie eine Einrichtung zur gleichmäßigen G-asstromverteilung vorgesehen, so daß eine lange, wirksame und störungsfreie Lebensdauer sichergestellt wird. Zum Temperaturschutz sind verschiedene GKL'eitverbindungen vorgesehen, die die durch TemperaturSchwankungen und -unterschiede hervorgerufenen Spannungen aufnehmen. Ton ausschlaggebender Bedeutung ist jedoch der Aufbau der Katalysatorkammer, die sowohl an ihrer Einlaßais auch an ihrer Auslaßfläche nach unten gebogen ist. Aufgrund dieser besonderen Form wird der schädliche Einfluß der großen Temperaturdifferenz zwischen der Einlaß- und Auslaßseite der Katalysatorkammer bis zu einem bestimmten Ausmaß selbsttätig ausgeschaltet. Dieser Temperatureinfluß wird ferner dadurch unwirksam gemacht, daß die Katalysatorkammer aus zwei relativ zueinander bewegbaren Bauteilen besteht, von denen das eine am anderen abgestützt ist, und daß Verbindungsstellen im Bereich der Katalysatorkammer, welche mögliche Leckagestellen bilden könnten, im wesentlichen ausgeschaltet werden. Aufgrund des Aufbau der Katalysatorkammer läßt sich die Expansion und Kontraktion der Begrenzungswände und des Volumens der Katalysatorkammer derart beherrschen, daß der Temperatureinfluß durch ent-

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sprechende Auslegung des Konverters weitgehend ausgeschaltet werden kann. Gewünsentenfalls kann der erfindungsgemäße Konverter zur Temperatursteuerung in der Abgasanlage eine Nebenstromeinrichtung zur Überbrückung der Katalysatorkammer aufweisen, wobei die Nebenstrom-Steuereinrichtung entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Katalysatorkammer angeordnet sein kann.

Der.erfindungsgemäße Konverter kann weiterhin ein in einem Außengehäuse angeordnetes Innengehäuse und eine Einrichtung zur Optimierung des den Konverter durchziehenden Strömungsbildes enthäL ten.

Insgesamt schafft die Erfindung einen katalytischen Konverter für die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit einer gebogenen Fallstrom-Katalysatorkammer, deren Einläßwand durch einen Abschnitt einer innerhalb .eines Außengehäuses angeordneten zylindrischen Schale und deren Auslaßwand durch eine entsprechend gebogene, an der Schale abgestützte Platte gebildet wird, wobei Schiebesitzverbindungen vorgesehen sind, die eine relative Wärmeexpansion und -kontraktion der Bauteile gestatten.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden beisp ielsweisen Beschreigung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

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Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Konverters, der" in Verbindung mit einer nicht-gezeigten Nebenstrom-Steuereinrichtung verwendbar ist, die stromaufwärts des Konverters angeordnet ist;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines abgewandelten Konverters zur Verwendung in einer Abgasanlage, wobei sich die nicht-gezeigte Nebenstrom-Steuereinrichtung stromabwärts des Konverters befindet;

Fig. 3 eine den Fign. 1 und 2 ähnliche Darstellung eines abgewandelten Konverters, der keine Nebenstromeinrichtung aufweist;

Fig. 4 einen Querschnitt der Katalysatorkammer und des Außengehäuses der Konverter gemäß den Fign. 1 bis 3;

Fig. i> einen Längsschnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 8 zur Verdeutlichung baulicher Einzelheiten des Konverters gemäß Fig. 1, wobei die gestrichelten Linien (ebenso wie in den Fign. 6 und 7) eine äußere Isolationsschicht darstellen;

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I*ig. 6' einen Querschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 5j

Fig. 7 eine Endansicht vom (linken) Einlaßende des Konverters gemäß Fig. 5J und

Fig. 8 einen Längsschnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 7.

In den Zeichnungen zeigen die durchgehenden Strömungslinien den Strömungspfad des die Katalysatorkammer durchsetzenden Gases und die gestrichelten Linien den Mebenstrom. Mit "x" sind die Schweißstellen bezeichnet.

Der Konverter 1 gemäß den Fign. 1 und 4 "bis 8 enthält ein rohrförmiges Außengehäuse 3 und ein rohrförmiges Katalysatorgehäuse 5, das innerhalb des Außengehäuses 3 angeordnet ist. Das Außengehäuse 3 besteht aus einer ovalen Außenschale 7 mit einem Einlaß-Kopfstück 9 und einem Auslaß-Kopfstück 11, die jeweils in einer strömungsmitteldichten Verbindung 13 an den Enden der Außenschale 7 befestigt sind. Das Einlaßkopfstück 9 enthält eine runde Einlaßöffnung 15 in Form einer Hülse'17 gemäß Fig. 1 oder eines einfachen Loches gemäß Fig. 8. Das Einlaßkopfstück 9 trägt ferner eine, runde Hülse 19, die den Einlaß für den Nebengasstrom längs der Außenseite des Katalysatorgehäuses 5 bildet, wie dies weiter unten beschrieben wird. Der Hals 20 des Auslaßkopfstückes 11 bildet einen Schiebesitz für eine Auslaßhülse 21, über die das Gas aus dem Konverter 1 zu einem nicht-gezeigten Jib^os-f«jr g«^»¹^

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Das Innengehäuse 5 enthält eine ovale Schale 23, deren Form am deutlichsten aus den 3?ign. 4 und 6 ersichtlich ist. Die Sohaie 23 ist an ihrem stromaufwärtigen Ende durch eine Einlaß-Stirnwand 25 verschlossen, die einen Hals 27 aufweist, an dem die Nebenstromhülse 19 an ihrem inneren Ende abgestützt ist. An ihrem anderen Ende ist die Schale 23 durch eine Auslaßstirnwand 29 verschlossen, die einen Hals 31 enthält, an dem das innere Ende der Auslaßhülse 21 punktverschweißt ist.

Die eigentliche Katälysatorkammer 33 (die mit geeigneten Katalysatorteilchen gefüllt ist) hat eine konstante Höhe und wird teilweise durch den Hauptabschnitt der oberen Hälfte der inneren Gehäuseschale 23 gebildet. Dieser Abschnitt der Schale 23 ist mit einander zugekehrten Schlitzreihen 35 und 37 versehen (Fign. 4 und 6), so daß er das obere Gitter38 der Katalysator-

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kammer 33 bildet. Die untere Auslaßwand der Katalysatorbesteht aus einer perforierten Platte in Form eines Gitters 39, in dem ebenfalls einander zugekehrte Schlitzreihen 41 und 43 ausgebildet sind. Die Schlitze sind natürlich so bemessen, daß sie die Katalysatorteilchen zurückhalten, und durch die Schlitze werden Wirbelbildungen und eine übermäßige Turbulenz des die Katalysatorkammer durchströmenden Gases unterdrückt, um den Abrieb der Katalysatorteilchen gering zu'halten. Die Katalysatorkammer ist an ihren axialen Enden durch stromaufwärtige bzw. stromabwärtige Trennwände 45 bzw. 46 verschlossen. Die Trennwand 45 ist mit Abstand stromabwärts von der Stirnwand 25 und

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dem Auslaß der Nebenstromhülse 19 angeordnet, während die stromabwärtige Trennwand 46 mit Abstand stromaufwärts vom Einlaß der Auslaßhülse 21 und der.Stirnwand 29 liegt.

Kurz gesagt, gelangt während des Betriebs des Konverters 1 gemäß den 3?ign. 1 und 4 bis 8 der zu behandelnde Gasstrom zum Einlaß 15 und in eine Einlaßkammer 47, die im Gehäuse 3 und außerhalb des Innengehäuses 5 liegt. Von dort strömt das Gas zu einem in Längsrichtung verlaufenden Zwischenraum 45 längsdes oberen Endes der Schale 2-3 und dann über die Schlitz-Leitbleche 35 oder 37 in der Einlaßwand 38 in und durch die Katalysatorkammer 33. Die chemische Zusammensetzung der Katalysatorteilchen in der Katalysatorkammer 33 ist so gewählt, daß die schädlichen Bestandteile des Abgases, normalerweise Kohlenmonoxyd, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und/oder Stickstoffoxyde, umgewandelt werden. Das die Katalysatorkammer 33 durchströmende Gas verläßt die Katalysatorkammer über die Schlitz-Leitbleche 41 und-43 im unteren Gitter 39 und gelangt in eine in Längsrichtung verlaufende Kammer 49, die am Boden des Innengehäuses 5 von dessen einem zum anderen Ende verläuft. Von dort strömt das Gas zu einer Auslaßkammer'51 im Innengehäuse 5, die am Einlaß der Auslaßhülse 21 liegt. Bei Betätigung entsprechender Steuereinrichtungen, durch die ein Gasstrom über die Nebenstromhülse 19 geleitet wird, gelangt der Hebenstrom ebenfalls in die Kammer 49 und dann über die Kammer 51 und die Hülse 21 aus dem Konverter, ohne daß er die Katalysatorkammer 33 durchströmt.

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Zur zusätzlichen Abstützung des unteren Gitters 39 der Katalysat orkammer 33 und zur Steuerung des G-asstroms durch die Kammer 49 kann ein perforiertes Zick-Zack-Blech 53 in der Kammer 49 angeordnet sein, das auf einer Seite mit der Unterseite des unteren Gitters 39 und auf der anderen Seite mit dem Boden der Schale 23 zusammenwirkt. Das Bleohteil 53 kann mit der Schale 23 verschweißt sein, ist jedoch am Gritter 39 nicht befestigt.

Die Konverter 201 und 301 gemäß den Fign. 2 und 3 haben den gleichen Grundaufbau wie der Konverter 1. In den Zeichnungen sind die dem Konverter 1 entsprechenden Bauteile mit dem entsprechenden, jedoch um 200 bzw. 300 erhöhten Bezugszeichen versehen. Beim Konverter 201 befindet sich die Nebenstromeinrichtung anstatt am Einlaßende (wie beim Konverter 1) am Auslaßende des Konverters. Beim Konverter 301 wird auf die Nebenstromeinrichtung vollständig verzichtet. Der Aufbau der Katalysatorkammern 233 bzw. 333 ist bei den Konvertern 201 und im wesentlichen der gleiche wie der der Katalysatorkammer 33. Gemäß Big. 2 enthält der Konverter 201 eine Auslaßkammer 247^! für das an der Katalysatorkammer 233 vorbeigeleitete Gas, wobei das Nebenstromgas über einen Kanal 248 zur Kammer 247' gelangt und aus dieser zur Nebenstrom-Hülse 219' strömt.

Wie die Fign. 5 bis 8 im einzelnen zeigen, kann die gesamte Baueinheit des Konverters 1 gewünschtenfalls dadurch isoliert werden,

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daß eine Schicht 54 aus geeignetem Material, "beispielsweise Asbest, um ausgewählte oder sämtliche Abschnitte des Außengehäuses 3 gewickelt und durch eine metallische Außenabdeckung 55 festgehalten wird, welche an ihren Enden 57 nach unten abgebogen ist und durch Verschweißen oder dgl. an den Verbindungsstellen 13 befestigt werden kann. Das Einlaßkopfstück 9, das aus verhältnismäßig dünnem, biegsamem Metall hergestellt ist, ist vorzugsweise durch eine Platte 61 verstärkt, die beispielsweise durch Verschweißen daran befestigt ist. Die Platte ist mit Gewindebohrungen 63 versehen, die mit den Öffnungen im Kopfstück 9 fluchten und mit denen ein nicht-gezeigtes Einlaß-Steuerteil verschraubbar ist, welches eine Ventilanordnung enthalten kann, durch die unter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einer Überhitzung, Gas in die Nebenstromhülse 19 geleitet wird. Die Nebenstromhülse 19 ' ist in einer Öffnung in der Platte 61 im Schiebesitz und über Punktschweißstellen am Hals 27 der Stirnwand 25 abgestützt. Infolge dieser Abstützung der Nebenstromhülse 19 vermag sich das Katalysatorgehäuse 5 in Längsrichtung innerhalb des Außengehäuses 3 zu verschieben, da die Nebenstromhülse im Einlaßkopfstück des Außengehäuses gleiten kann.

Am Auslaßende kann die Auslaßhülse durch Punktschweißstellen mit dem Kopfstück 11 des Außengehäuses und der Stirnwand 29 des Katalysatorgehäuses verbunden sein (lig. 8), so daß das stromabwärtige Ende des Gehäuses 5 in Längsrichtung am Gehäuse

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festgehalten ist. Die Punktschweißverbindung der inneren und äußeren Gehäuse 5 und 3 mit der gemeinsamen Auslaßhülse 21 bildet die einzige starre Verbindung zwischen den bei den Gehäusen, die sich im übrigen relativ zueinander ausdehnen und zusammenziehen können. Natürlich sind auch andere Einpunkt-Verbindungen zwischen den beiden Gehäusen möglich. Beispielsweise könnte eine derartige Verbindung lediglich am Einlaßende vorgesehen sein, oder die Hülse 19 könnte mit der Platte 61 verschweißt und im Gleitsitz am Hals 27 angeordnet sein, usw..

Die Einlaß- und Auslaß-Stirnwände 25 und 29 des Innengehäuses 5 sind an ihren äußeren Umfangsflanschen mit den entsprechenden Enden der inneren Schale 23 punktverschweißt, wie dies durch die "x" in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Trennwand 45 am stromaufwärtigen Ende der Katalysatorkammer 33 enthält einen Umfangsflansch 45a, der auf seiner Oberseite mit der Schale und an seiner Unterseite mit dem Gitter 39 punktverschweißt ist, so daß das stromaufwärtige Ende der Kammer 33 verschlossen wird. Die stromabwärtige Zwischenwand 46 ist an ihrem Umfangsflansch 46a mit der Schale 23 punktverschweißt, wirkt jedoch über einen Schiebesitz mit dem unteren Gitter 39 zusammen. Dieser Schiebesitz wird durch einen U-förmigen Halter 65 gebildet, dessen einer Schenkel mit dem Plansch 46a punktverschweißt ist und dessen anderer Schenkel soweit unterhalb des Flansches liegt, daß ein Schlitz 67 gebildet wird, in den ein Endabschnitt 69 des Gitters

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39 gleitend eingreift. Der Schiebesitz des unteren Gfitters 39 bezüglich der Schale 23 verläuft über die gesamte Länge der Schale 23 mit Ausnahme der Punktschweißverbindung an der Trennwand 45. An seinen Seitenrändern ist das G-itter 39 durch in Längsrichtung verlaufende Haltestreifen 71 und 73 gehaltert, die derart gebogen sind, daß sie an die Innenseiten der Schale 23 angepaßt sind, mit der sie an ihren oberen Abschnitten 75 punktverschweißt sind. Die Haltestreifen 71 und 73 sind bei 77 abgebogen, so daß ihre unteren Abschnitte 79 von der Wandung der Schale 23 einen Abstand'haben, der geringfügig größer als die Wandstärke des unteren Gitters 39 ist. Die äußeren Längskanten des Gitters 39 sitzen in den durch die abgekanteten unteren Abschnitte 79 gebildeten Hüten und sind daher in Querrichtung festgelegt, vermögen sich jedoch in Längsrichtung bezüglich der Schale 23 zu verschieben. Auf diese Weise werden die unterschiedlichen Längs- oder Querausdehnungen der oberen und unteren Katalysatorträger 38,39 in einfacher Weise ausgeglichen. Die Streifen 71 und 73 sind in senkrechter Richtung vorzugsweise an den gezeigten Stellen derart angeordnet, daß die Ränder des unteren Gitters bezüglich der Mittelebene der Katalysatorkammer unterhalb des Mittelpunktes gehaltert sind.

Die konkave Form der Katalysatorkammer 33 und insbesondere des unteren Stützgitters 39, das der höheren Temperatur ausgesetzt ist, sorgt selbst bei erhöhten Temperaturen für einen Eigenwiderstand gegen bleibende Verformung. Eine weitere Abstützung

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kann jedoch durch das gewellte oder zick-zack-förmige Stützblech 53 erfolgen (siehe Fign, 5 und 6). Das-Stützblech 53 enthält mehrere Wände 83, die in Längsrichtung verlaufende Kanäle 85 begrenzen, welche den Gasstrom längs der Unterseite der Kammer 33 im Kanal 49 stabilisieren helfen. Öffnungen 87 in den Wänden des Blechteils 53 sorgen für einen Druck- und Stromausgleich des an der Unterseite der Kammer 33 im Kanal strömenden Gases.

Zur gleichmäßigen Stromverteilung im Kanal 48 längs der Oberseite der Katalysatorkammer 33 können abgewinkelte, mit der Außenschale 7 verschweißte Leitbleche 91 oder Eindrückungen 391 in der Außenschale 7 (Fig· 3) vorgesehen sein. Diese Leitvorrichtungen verlaufen in Querrichtung über eine Bogenlänge, die im wesentlichen der Bogenlänge der Schlitze.35 und 37 entspricht. Vorzugsweise sind mehrere Leitbleche 91 unterschiedlicher Höhe vorgesehen, um eine gleichmäßige Verteilung des die Katalysatorkammer durchsetzenden Gasstroms zu erreichen.

Zum Einfüllen und Entfernen des Katalysators in die und aus der Katalysatorkammer 33 kann ein durch einen Schraubstopfen verschlossenes Füllrohr 95 dienen (I¹Ig, 8), das, falls es vorhanden ist, nahe der Ebene der Schweißverbindung in den Gehäusen 3 und 5 angeordnet ist, so daß es die Relativexpansion und -kontraktion nicht behindert.

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Während des Betriebs strömt Gas über ein Einlaßrohr 17 oder die Einlaßöffnung 15 in die Einlaßkammer 47 und durch den Kanal 48, der in Längsrichtung des Konverters 1 verläuft. Dann wird das Gas rechtwinklig umgelenkt und strömt nach unten durch die mit dem Katalysator gefüllte Kammer 33, wobei die Leitflächen91 oder die entsprechenden Bauteile für eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des G-asstroms über die gesamte Länge der Kammer sorgen. Erforderlichenfalls kann dem G-as an irgendeiner Stelle stromaufwärts der Katalysatorkammer 33 Hilfsluft laugeführt werden. Beim Durchströmen der Katalysatorkammer 33» wo unerwünschte Bestandteile des Abgases entfernt werden, wird Wärme freigesetzt und dadurch die Festigkeit der die Kammer 33 bildenden Metallwände verringert. Da sich die Kammer auf ihrer Auslaßseite stärker erhitzt als auf ihrer Einlaßseite, verringert sicb/ror allem die Festigkeit des unteren Traggitters 39. Aufgrund der Gestalt des unteren Traggitters und der senkrechten Abstützung des Traggitters 39 an den entgegengesetzten Längskanten ."durch; die nach oben abgebogenen Wandabschnitte 99 des Konverters wird jedoch eine Verformung des unteren Traggitters 39 unterbunden und dessen Abstützung sowohl in Vertikal- als auch in Querrichtung durch Verwendung der Stützteile 53 und der Streifen 71 und 73 weiter verbessert.

Der Gasstrom verläßt das untere Traggitter 39 über die Schlitz*- reihen 41 und 43 und gelangt in den in Längsrichtung verlaufenden Kanal 49 innerhalb des Gehäuses 5 und dann stromabwärts

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zur Auslaßkammer 51» von wo er den Konverter über die Auslaßhülse 21 verlassen kann. Falls die Nebenstrom-Einrichtung eingeschaltet ist, gelangt das anströmende Gas über die Nebenstromhülse 19 unmittelbar in das Gehäuse 5 und den Kanal 49- und strömt an der Unterseite der Kammer 33 vorbei zur Auslaßhülse 21.

Die Betriebsweise des Konverters 201 gemäß Fig. 2 entspricht weitgehend der Betriebsweise des Konverters 1. Die am Einlaßende des Konverters 1 befindliche Nebenstromeiir ichtung befindet sich jedoch am Auslaßende der Konverters 201, wobei das Einlaßende des Konverters 201 entsprechend dem Auslaßende des Konverters 1 abgeändert ist. Im Konverter 201 strömt das Nebenstromgas über einen Kanal 248 auf der Oberseite der Katalysatorkammer zu einer Auslaßkammer 247* und dann zur Nebenstrom-Auslaßhülse 219'· Der die Katalysatorkammer 233 durchsetzende Gasstrom gelangt über den in Längsrichtung verlaufenden Auslaßkanal 249 zur Auslaßhülse 221, die in den Wänden 246 und 211 abgestützt ist.

Die Betriebsweise des Konverters 301 gemäß Fig. 3 ist aus dem oben Gesagten verständlich; sie wird dadurch vereinfacht, daß auf die Nebenstrom-Anordnung vollständig verzichtet wird und das gesamte die Baueinheit durchströmende Gas durch die Katalysatorkammer 333 geführt wird.

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Aus dem oben Gesagten wird deutlich, daß ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Konverter in den Schiebesitzverbindungen besteht, durch die die Wärmespannungen sehr gering gehalten und die schädlichen .Einflüsse der im Konverter vorhandenen Temperaturunterschiede ausgeschaltet werden. Ein ebenso bedeutsames Merkmal zum Schutz gegen Temperatureinflüsse besteht in der gebogenen Querschnittsform der Katalysatorkammer 33 und der oberen und unteren Traggitter 38 und 39· Die Gitter und somit die Kammer 33 sind in Richtung des sie durchsetzenden Gasstroms nach unten abgebogen, so daß die vom Gas angeströmten Seiten der Gitter konvex verlaufen. Die Gitter und somit die Kammer 33 sind vorzugsweise im wesentlichen konzentrisch mit der oberen Wand der Außenschale 7 angeordnet, wie dies aus den Fign. 4 und 6 ersichtlich ist.

Infolge dieser Form der Katalysatorkammer ergeben sich verschiedene Vorteile. Da die oberen und unteren Gitter in derselben Richtung gebogen und konzentrisch zur Schale angeordnet sind, wird eine konstante Höhe der Katalysatorkammer erhalten, wodurch eine optimale Strom- und Temperaturverteilung in der Kammer und eine optimale Ausnützung des katalytischen Materials erzielt und ferner ein konstanter Querschnitt des Einlaßkanals 48 erreicht wird, wodurch eine optimale Yorverteilung des, Gasstroms sichergestellt wird. Infolge der gebogenen Form der ■Katalysatorkammer und der entsprechend gebogenen Schale wird außerdem ein großes Verhältnis des Volumens der Katalysator-

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kammer . zum Volumen des Gehäuses 3 erhalten,

wodurch eine optimale Ausnutzung des vom Konverter "benötigten Platzbedarfs erzielt wird.

Außerdem wird durch die gebogene Form der Gitter 38 und 39 im Vergleich zu eDenen Platten eine erhöhte Festigkeit erzielt und die gleichförmige Verteilung und Regulierung der thermischen Expansion und Kontraktion unterstützt, wodurch der Knickoder .Beulgefahr entgegengewirkt wird. Normalerweise "befindet sich das untere Stützgitter einer Fallstrom-Katalysatorfüllung auf einer merklich höheren Temperatur als das obere Stützgitter und ist etwa 170 bis i>00°C heißer. Bei dem erfinduhgsgemäiien Konverter hat das untere Stützgitter 39 eine geringere Bogenlänge als das obere Stützgitter 38 und hierdurch wira die Gesamtausdehnung jedes Gitters zumindest teilweise ausgeglichen. Da die Schale 23 und das untere Stützgitter 39 als getrennte Bauteile ausgebildet sind, können sie aus unterschiedlichen ^Materialien hergestellt werden, und durch entsprechende Wahl der thermischen iixpansionsko effizient en kann eine erwünschte Beziehung zwischen dem Füllvolumen und der !Temperatur erreicht v/eraen. Beispielsweise ist es möglich, das Füll- oder Kammervolumen auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten oder ein sich geringfügig verringerndes Füllvolumen zwecks Ausübung einer geringen Druckbeaufschlagung auf den Katalysator oder aber auch umgekehrt ein sich vergrößerndes Füllvolumen bei ansteigender temperatur zu erhalten. Daß dies möglich ist, ergibt sich

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daraus, daß das Volumen der Kammer 33 eine Punktion des Unterschieds der gesamten thermischen Ausdehnung (oder Kontraktion) zwischen dem oberen Stützgitter und dem unteren Stützgitter ist, wobei dieser Längenunterschied wiederum eine Funktion des thermischen Expansionskoeffizienten mal der Temperaturänderung und der Länge oder Breite des Gitters ist. Erfindungsgemäß läßt sich somit die thermische Kontraktion! und Expansion der Wände der Katalysatorkammer oder -füllung und des Füllvolumens regulieren.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Schale 23 infolge der gebogenen Form der Katalysatorkammer 33 und deren besonderer Anordnung /und Ausbildung eine Abstützung der seitlichen Bereiche 99 sicherstellt, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen vertikale Verformungen des heißeren unteren Stützgitters 39 verstärkt wird.

Da die das.obere Stützgitter und die gesamte Katalysatorkammer 5 bildende Schale 23 aus-einem einzigen, durchgehenden Metallstück bestehen kann, sind keine besonderen G-as -Ab dichtung en erforderlich, die normalerweise bei herkömmlichen Konvertern benötigt werden. Die Herstellung läßt sieh mit Hilfe herkömmlicher Werkzeuge und Metallverformungs- und -befestigungstechniken durchführen , die bereits in der Auspuffherstellung verwendet werden. Zur Vereinfachung der Herstellung können die Schale 23 und die daran befestigten Bauteile als Teil-Zusammenbau gefertigt werden. Außerdem können die Ein- und Auslässe des Konverters 1

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als runde Öffnungen ausgebildet werden und an unterschiedlichen Stellen "bezüglich der Achse des Konverters 1 angeordnet sein, so daß sie für den besonderen Einbaufall, für den der Konverter verwendet werden soll, geeignet sind.

Infolge der gebogenen Gestalt der Katalysatorkammer oder -füllung wird die thermische Expansion und Kontraktion in Querrichtung ausgeglichen, während die Expansion und Kontraktion in Längsrichtung durch die Schiebesitzanordnung aufgenommen wird. Da das Innengehäuse 5 am Außengehäuse 3 lediglich an einem Ende fest verbunden ist und die Schale 23 im übrigen gleitend mit der Schale 7 zusammenwirkt, kann sich das heißere Innengehäuse 5 in Längsrichtung im Außengehäuse 3 bewegen. Innerhalb des Gehäuses 5 ist das untere Stützgitter 39 lediglich an einem Ende fest mit der Schale 23 verbunden und wirkt im übrigen gleitend mit der Schale 23 zusammen. Somit kann sich das untere, heißere Gitter in Längsrichtung gegenüber dem oberen Gitter 38 und der Schale 23 verschieben.

Im Grunde genommen ist es möglieh, die Schiebesitzverbindungen zu verringern oder auszuschalten und dennoch eine Reihe von Vorteilen der Erfindung zu erreichen, indem die Stützgitter 38 und 39 nicht zylindrisch, sondern becherförmig ausgebildet sein können, so daß sie auch die Expansion und Kontraktion in Längsrichtung ausgleichen.

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Innerhalb der Kammer 33 läßt sich, ein irgend geeignetes Katalysatormaterial anordnen, wobei die Kammer jedoch, insbesondere" für Pellets oder Katalysatorpartikel einer erwünschten chemischen Zusammensetzung geeignet ist. Die Durchflußquerschnitte und Lochmuster der Ein- und Auslaßgitter 38 und 39 lassen sich derart abwandeln, daß. sich eine erwünschte Druck- und Strömungsverteilung ergibt.

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Claims

Anwaltsakte M-2527

Patentansprüche :

Katalytischer Konverter, gekennzeichnet durch ein ovales Außengehäuse (3) mit einem Ein- und Auslaß (15,21) für den zu behandelnden Gasstrom, ein im Außengehäuse angeordnetes, eine Katalysatorkammer (33) bildendes Innengehäuse (5) mit einer perforierten Einlaßwand (38) und einer perforierten Auslaßwand (39), wobei das zu behandelnde Gas von der Einlaßwand (38) über die Katalysatorkammer (33) zur Auslaßwand (39) strömt, einen im Außengehäuse angeordneten Einlaßkanal (47,48), der den Einlaß (15) mit der Einlaßwand (38) verbindet, einen im Außengehäuse angeordneten Auslaßkanal (49), der die Auslaßwand (39) mit dem Auslaß (21) verbindet, wobei die Katalysatorkammer (33) im Querschnitt gebogen ist und im wesentlichen über die gesamte große Hauptachse des ovalen Außengehäuses verläuft und die Ein- und Auslaßwände (38,39) der Katalysatorkaramer (33) in Richtung des vom Einlaßkanai (47,48) bzw. von der Katalysatorkammer (33) anströmenden Gases konvex gebogen sind.

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2. Konverter nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Bogenlänge der Einlaßwand (38) größer als die Bogenlänge der Auslaßwand (39) ist.

3. Konverter nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der gebogenen Wände (38,39) auf ihrer einen Halbseite mit einer Reihe von in einer Richtung weisenden Schiitz-Leitblechen (35ϊ41) und auf ihrer anderen Halb-Seite mit einer Reihe von in entgegengesetzter Richtung weisenden Sch.litz-Leitblech.en (37,43) versehen ist.

4. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßwaad (38) mit nach innen gebogenen Längskanten versehen ist und die Auslaßwand (39) aus einem von der Einlaßwand getrennten Bauteil besteht und gebogene Längskanten (99) aufweist, die an die Innenseiten der Einlaßwand (38) angepaßt und an diesen abgestützt sind.

5. Konverter: .nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßwände (38,39) seitlich über Schiebesitzverbindungen miteinander zusammenwirken.

6. Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, .daß die Wände (38,39) durch die Schiebesitzverbindungen in Längs- und Querrichtung relativ bewegbar sind.

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7. Konverter nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch an den Längsseiten der Einlaßwand (38) befestigte, mit diesen in Längsrichtung verlaufende Nuten bildende Haltestreifen (71,73), in welchen die Längskanten (99) der Auslaßwand (39) einsitzen.

8. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine im Außengehäuse (3) angeordnete, ovale, ringförmige Innenschale (23), deren einer Abschnitt die Einlaßwand (38) bildet und deren anderer Abschnitt sich mit Abstand über die gesamte Länge der Auslaßwand (39) erstreckt und gemeinsam mit der Auslaßwand (39) einen Hauptabschnitt des Auslaßkanals (49,85) begrenzt.

9. Konverter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Befestigungsvorrichtung, an der die ovale Schale (23) lediglich am einen Ende (29) fest mit dem Außengehäuse verbunden ist und dadurch durch Temperaturunterschiede der Schale (23) bewirkte Oimensionsschwankungen in Quer- und Längsrichtung bezüglich des Außengehäuses (3) ausgeglichen sind.

10. Konverter nach Anspruch ö oder 9, gekennzeichnet durch eine im Hauptabschnitt des Auslaßkanals (49,85) innerhalb der Schale (23) angeordnete und an dieser befestigte, in Längsrichtung verlaufende Abstützung (53,83) für die Aus-

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laßwand (39)» wobei die Auslaßwand (39) relativ zur Abstützung (53,83) bewegbar und der den Auslaßkanal (49,85) durchsetzende Gasstrom durch die Abstützung (53,83) geführt ist. . · -

11. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßwände (38,39) im wesentlichen konzentrisch zu einem der Einlaßwand (38) benachbarten Abschnitt des Außengehäuses (3) angeordnet sind und -zwischen diesem Gehäuseabschnitt und der Einlaßwand (38) ein Längsspalt (48) vorhanden ist, der einen Hauptabschnitt des Einlaßkanals (47,48) bildet.

12. Konverter nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch im Gehäuseabschnitt angeordnete Leitbleche (91), die in den Längsspalt (48) ragen und durch die der Gasstrom vom * Einlaßkanal (47,48) über die Einlaßwand (38) vergleichmäßigt wird.

13. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Auslaßkanal (49) angeordneten Einsatz (53) zur Führung und "Vergleichmäßigung des Gasstroms. , ■

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14. Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Nebenstroinst.utzen (19), der in einen der ΰ-askanäle (47,48; 49) mündet.

1p. Katalytischer Konverter, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Außengehäuse (3) mit einem an einem Ende angeordneten Einlaß (15) und einem am anderen Ende angeordneten AuslaJ3 (21) für einen im Konverter zu behandelnden ü-asstrom, ein innerhalb des Außengehäuses angeordnetes, von diesem getrenntes, rohrförmiges Innengehäuse (5), eine im Innengehäuse angeordnete Katalysatorkammer (33) mit einer innerhalb des Innengehäuses (5) angeordneten, perforierten Auslaßwand (39) und einer durch einen Abschnitt des Innengehäuses gebildeten, perforierten Einlaßwana (38) für die Katalysatorkammer (33), einen innerhalb des Außengehäuses (3) und außerhalb des Innengehäuses (5) angeordneten Außenkanal (47i48), der den Einlaß (-13) mit der Einlaßwand (38) verbindet, und einen im Innengehäuse (5) angeordneten Innenkanal (49), der die Auslaßwand (39) mit dem zum Innengehäuse (5) geöffneten Auslaß (21) verbindet.

1b. Konverter nach Anspruch 1p, gekennzeichnet durch eine Befestigungseinrichtung (11,21,29), durch die das Innengehäuse (?) lediglich an einem Ende mit dem Außengehäuse (3) fest verbunden ist und dadurch die G-ehäuse in Längsrienlun;j· relativ zueinander bewegbar sind.

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17. Konverter nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Befestigungseinrichtung, durch die die Auslaßwand (39) der Katalysatorkammer (33) lediglich am einen Ende fest mit dem Innengehäuse (5) verbunden und dadurch die Auslaßwand in Längsrichtung relativ zum Innengehäuse (5) bewegbar ist.

18. Konverter nach Anspruch 15» 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine zwischen der Auslaßwand (39) der Katalysatorkammer (33) und dem Innengehäuse (5) wirksame-Abstützung (53,83)ι durch die die Auslaßwand (39) relativ zum Gehäuse (5) und zur Einlaßwand (38) in Längs- und Querrichtung bewegbar ist.

19. Konverter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßwand-Abstützung (53,33) im Innenkanal (49) am Innengehäuse (5) angeordnet ist und verschiebbar mit der Auslaßwand (39) zusammenwirkt. ~

20. Konverter nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (53,83) derart geformt ist, daß eine Führung des G-asstroms im Innenkanal (49) bewirkt . wird. .

21. Konverter nach Anspruch 18,, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßwand ein perforiertes Stütz-

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gitter (39) enthält und die Abstützung eine am Innengehäuse (5) befestigte Lippe (65) aufweist, in der das eine Ende des Gitters einsitzt.

22. Konverter nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung Haltestreifen (71, 73) enthält, die am Innengehäuse (5) befestigt sind und Nuten zur Aufnahme der Seitenkanten (99) der Ausrlaßwand (39) bilden.

23· Konverter nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßwand (39) gebogene Seitenkanten (99) aufweist und das Innengehäuse (5) mit gebogenen, mit den Seitenkanten zusammenwirkenden und diese abstützenden Abschnitten versehen ist.

24· Konverter nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßwände (38,39) beide in Richtung des die Katalysat orkammer (3-3) durchsetzenden Gasstroms konvex gebogen sind.

25. Konverter nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßwand gebogen und bezüglich des in die Katalysatorkammer (33) einströmenden Gasstroms konvex ausgebildet und die Auslaßwand (39) ebenfalls gebogen und bezüglich des die Katalysatorkammer (33) ver-

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lassenden G-asstroms konvex ausgebildet ist, und daß die Auslaßwand (39) nach innen gebogene Längskanten (99) au'fweist, die an die Innenflächen des Innengehäuses (5) angepaßt und an diesen abgestützt sind, und somit der Abstand zwischen den Wänden (38,39) über die gesamte Länge der Auslaßwand (39) auf/einem vorgegebenen Wert gehalten ist.

26. Katalytischer Abgaskonverter, gekennzeichnet durch ein längliches, rohrförmiges Gehäuse (3) mit einem Einlaßkopfstück (9) zum Verschluß des einen Gehäuseendes und einem Auslaßkopfstück (11) zum Vorschluß des anderen Gehäuseendes, eine längliche rohrförmige Schale (23) innerhalb des Gehäuses mit einer das eine Ende verschließenden Einlaßtrennwand (25) und einer das andere Ende verschliessenden Auslaßtrennwand (29), wobei im Gehäuse (3) außerhalb der Schale (23) ein eine Einlaßkammer enthaltender Spalt (48) im wesentlichen über die gesamte Länge auf einer Seite der Schale (23) verläuft, einen im Einlaßkopfstück (9) angeordneten, in die Einlaßkammer (48) mündenden Einlaß (15), eine in der Schale (23) im wesentlichen parallel zu einer Seite (38) der Schale verlaufende Längswand (39), die an der Schale (23) derart befestigt ist, daß der Raum zwischen der Längswand (39) und der einen Schalenseite (38) eine Katalysatorkammer

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ii'j) "bildet, wobei die eine Schalenseite (3ö) und aie Längswand (39) perforiert sina und eine Gasstrü- iudn,s von aer üinlaukaminer (4^) über die ivatalysator- ^ca/iflüor (;>;>) sri.iö^lichen, einen innerhalb der Schale {2-j) una außerhalo der iiatalysatorkaiiiraer (>^) angeordneten, in wesentlichen über aie gesamte Län^e aer Schale {Ζ-/) verlaufenden ojjalt (49), der eine Atisla^icainmer für das aie Katal;/sator^armiier (5i>) durchsetzende G-as bilaet, und einen mit der AuslaiSkammer (49) verbundenen Auslas (21) im Auslaäicopi'stück (11) und der Auslaßtrennv/and (2y).

Z'[. ivon/erter nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine aie Katalysator^caEüuer überbrückende¹ riebenstroineinrichtun^ iaii/ einer iJebenstromoffnun.; (1y; 21 bl *) in einem der α ο j;i stücke (yj 211) una einem ivanai (247')» aer die j.:euenstrouiüffnung ait einer der jiin- oder AuslaJikarmuerii (4>'J 2'kO verbindet.

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