DE2314465A1 - Einrichtung zur katalytischen abgasreinigung - Google Patents

Einrichtung zur katalytischen abgasreinigung

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DE2314465A1 DE19732314465 DE2314465A DE2314465A1 DE 2314465 A1 DE2314465 A1 DE 2314465A1 DE 19732314465 DE19732314465 DE 19732314465 DE 2314465 A DE2314465 A DE 2314465A DE 2314465 A1 DE2314465 A1 DE 2314465A1
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Description

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VOLKSWAGrENWEEK Aktiengesellschaft
5180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 1478
1702-Pt/We/Ti
22.3. 73
Einrichtung zur katalytisehen Abgasreinigung
Me Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung 'zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Gehäuse, in dem ein monolithischer Katalysator-Trägerkörper mittels einer elastischen Zwischenlage kraftschlüssig gehalten ist,
IJm die in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, enthaltenen, im wesentlichen aus Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxyden bestehenden Schadstoffe su beseitigen, ist es bereits bekannt, eins Einrichtung der cbenbezeichneten Art i.n die Abgasleitung der Brennkraftmaschine einzuschalten. Dieser Konverter- besteht aus einem Gehäuse, das einen monolith!sehen»
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die Katalysatormasse aufweisenden Trägerkörper mit einer unter Vorspannung stehenden elastischen Zwischenlage hält. Bei einer derartigen bekannten Einrichtung (DAS 1 476 507) besteht die elastische Zwischenlage aus einem federnd gewellten Teil, insbesondere aus einem Drahtgestrick, das in dem Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Trägerkörper angeordnet ist und den letzteren eng umgibt.
Bei einer anderen bereits vorgeschlagenen Ausführung besteht die elastische Zwischenlage aus einem unter Vorspannung stehenden keramischen Fasermaterial, insbesondere einem keramischen Tonerde-Silikat-Paser-Material. Um nun einen sicheren Halt des Trägerkörpers in dem Gehäuse zu gewährleisten, muß die Torspannung der elastischen Zwischenlage im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine in ausreichender Höhe aufrechterhalten bleiben. Diese Forderung macht im unteren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, wo die Abgastemperaturen verhältnismäßig niedrig sind, zwar keine Schwierigkeiten, um so mehr dagegen im oberen Leistungsbereich, in dem die Abgastemperaturen erhebliche Werte annehmen können. Mit Ausnahme des Bereichs, in dem das Gehäuse über die elastische Zwischenlage den Trägerkörper hält, werden die Wandungen des Gehäuses von dem Abgas direkt umspült und dabei auf erhebliche Temperaturen aufgeheizt. Infolge Wärmeleitung innerhalb des Gehäusematerials treten dann auch in dem Bereich des Gehäuses, das den Trägerkörper hält, Temperaturen auf, die wesentlich über den Umgebungstemperaturen liegen. Die Temperaturverteilung über die axiale Länge des Gehäuses ist zudem sehr ■unterschiedlich, und zwar treten die höchsten Temperaturen in Strömungsrich.tung des Abgases gesehen im vorderen Bereich des den Trägerkörper haltenden Gehäusesteils auf, fallen dann in einem mittleren Bereich, um schließlich im hinteren Teil wieder anzusteigen. : "
Bedingt durch diese unterschiedliche Wärmeverteilung ist auch die Värmeausdehnung des Gehäuses unterschiedlich stark. Bei hoher
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Belastung der Brennkraftmaschine dehnt sich das Gehäuse an beiden Endseiten trichterförmig auf und der Bereich, in dem der monolithische Trägerkörper unter der vorgegebenen Spannung gehalten wird, verkleinert sich erheblich. Diese Verhältnisse können in Verbindung mit den beim Motorbetrieb entstehenden Resonanzschwingungen ein Losrütteln des Trägerkörpers und damit die Gefahr des Ausfalls des Konverters zur Folge haben.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Einrichtung der oben bezeichneten Art zu schaffen, bei der die aufgezeigten Gefahren vermieden werden und bei der ohne größeren Aufwand eine sichere Halterung des Trägerkörpers im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß das Gehäuse in Abgasströmungsrichtung gesehen vor und hinter dem Trägerkörper einen die Gehäusewand gegen die Abgaswärme schützenden Wärmeschirm aufweist. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeschirm, der wenigsten in Abgasströmungsrichtung gesehen vor, mit Vorteil aber auch hinter dem Trägerkörper angeordnet ist, wird nun eine Aufheizung der Gehäusewand durch das Abgas weitgehend vermieden, so daß das Gehäuse keine merkbare Dehnung und damit die elastische Zwischenlage keine nennenswerte Vorspannungsverminderung erfährt. Auch von der unter erheblichen Temperaturen ablaufenden Umwandlungsreaktion innerhalb des Trägerkörpers ergibt sich kein wesentlicher Wärmetransport zum Gehäuse, da zum einen der monolithische Trägerkörper selbst im allgemeinen aus einem schlecht wärmeleitenden Material' besteht und da zumindest die aus dem keramischen Pasermaterial bestehende Zwischenlage zusätzlich wärmeisolierend wirkt. Auf 4iese Weise ergibt sich, daß das den Trägerkörper haltende Gehäuse weitgehend von unzulässigen Temperaturerhöhungen ver-
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schont "bleibt und daß infolgedessen die bei der Montage des Trägerkörpers in dem Gehäuse aufgebrachte Vorspannung der elastischen Zwischenlage im gesamten Betriebsbereich, der Brennkraftmaschine nahezu konstant bleibt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann als Wärmeschild ein parallel und mit Abstand zu der Gehäusewand angeordneter rohrförmiger Einsatz vorgesehen sein, der zweckmäßigerweise an seinem dem Trägerkörper abgewandten Ende an dem Gehäuse, beispielsweise durch Verschweißen, befestigt ist. Ein derartiger rohrförmiger Einsatz, der aus Blech oder einem gepreßten Isolationsmaterial besteht, verhindert nun ein direktes Herantreten der strömenden Abgase an die Gehäusewand, so daß sowohl ein direkter Wärmeübergang als auch Wärmestrahlung von dem strömenden, heißen Abgas zur Gehäusewand weitgehend ausgeschaltet wird. Darüber hinaus wirkt der zwischen dem rohrförmigen Einsatz und der Gehäusewand verbleibende, mit im wesentlichen ruhendem Abgas angefüllte Zwischenraum wärmeisolierend. ·
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der rohrförmige Einsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende hakenförmig nach innen umgebogen ist. Durch diesesUmbiegen des Einsatz-Endteils kann eine vorteilhafte !Führung des strömenden Abgases in der Weise erreicht werden, daß es von der den Trägerkörper umgebenden elastischen Zwischenlage abgelenkt und zu den durchgehenden Kanälen des Trägerkörper hingelenkt wird. Diese radial nach innen gerichtete Ablenkung der Strömung kann dabei so weit gehen, daß auch die in dem radial äußersten Bereich des Trägerkörpers liegenden durchgehenden Strömungskanäle nicht mehr von der Gasströmung beaufschlagt werden, so daß sie als zusätzliche Wärmeisolierung wirken.
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Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung soll der rohrförmige Einsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende eine Strömungsverteilungsvorrichtung tragen, die bereits in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen ist und im wesentlichen aus einem kegelstumpfförmigen Lochblech besteht. Auf diese Weise werden die beiden dem Wärmeschutz der Gehäusewandung und der Yergleichmäßigung des den Trägerkörper durchsetzenden Strömungsprofils dienenden Bauelemente sinnvoll zu einer konstruktiven Einheit vereinigt. Anstelle des rohrförmigen Einsatzes kann der Wärmeschirm auch durch eine wärmeisolierende Auskleidung der Innenwand des Gehäuses gebildet sein. Dazu wurden sich die keramischen Fasermaterialien anbieten, die schon für die elastische Zwischenlage zwischen dem Gehäuse und dem Trägerkörper herangezogen wurden.
Weitere Torteile und wesentliche Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellungsweise
Figur 1 einen in eine Abgasleitung eingeschalteten Konverter mit dem erfindungsgemäßen Wärmeschirm in einem Längsschnitt,
Figur 2 einen Teil eines Konverters, bei dem der aus einem rohrförmigen Einsatz bestehende Wärmeschirm mit einer Strömungsverteilungsvorrichtung kombiniert ist und
Figur 3 einen Konverter, bei dem der Wärmeschirm durch eine aus Isoliermaterial bestehende Auskleidung der Gehausewand gebildet wird.
In der Figur 1 ist mit 1 ein Konverter mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt gezeigt, dessen Gehäuse aus einem zylindrischen Mittelteil 2 zur Aufnahme eines von einer
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elastischen, beispielsweise aus einem keramischen Fasermaterial bestehenden, unter Vorspannung stehenden Zwischenlage 4 umgebenen monolithischen Trägerkörpers 3 sowie aus sich konisch verjüngenden Übergangsstücken 5 und 6 besteht. An den Stirnseiten des Gehäuses sind jeweils Flansche 7 vorgesehen, mittels derer der Konverter 1 in eine mit Planschen 9 versehene Abgasleitung 8 einer Brennkraftmaschine eingeschaltet werden kann. In der durch die Pfeile 18 angedeuteten Abgasströmungsrichtung gesehen vor und hinter dem Trägerkörper 3 weist das Katalysatorgehäuse im Bereich der Übergangsstücke 5 und 6 rohrförmige Einsätze 10 auf, die parallel im Abstand zu der Gehäusewand verlaufen und an ihrem dem Trägerkörper 3 abgewendeten Ende 11 an dem Gehäuse, beispielsweise durch Schweißung, befestigt sind. Die Einsätze, die aus Blech oder gepreßtem Isoliermaterial bestehen können, schließen gegenüber der Gehäusewand der Übergangsstücke 5 bzw. 6 im Querschnitt kreisringförmige Kammern 13 ein, die nicht von dem strömenden, sondern von ruhendem Gas beaufschlagt sind.
Die rohrförmigen Einsätze 10 verhindern nun, daß das heiße, strömende Abgas direkt mit den Wänden des Katalysatorgehäuses in Berührung kommt und verhindern außerdem eine Wärmestrahlung von dem Abgas zu den Gehäusewänden. Dadurch erfolgt nur eine verhältnismäßig geringe Aufheizung des Gehäuses, die insbesondere im Bereich des zylindrischen, den Trägerkörper 3 mittels der elastischen Zwischenlage 4 haltenden Gehäuseteils 2 zulässige Werte nicht überschreitet.
In der Figur 2 ist der in Strömungsrichtung gesehen vor dem Trägerkörper angeordnete rohrförmige Einsatz 10 an dem dem Trägerkörper 3 zugewandten Ende 12 hakenförmig umgebogen, so daß das durch den diffusorförmig ausgebildeten Einsatz 10 strömende Abgas zusätzlich radial nach innen abgelenkt wird, so daß das aus dem Einsatz austretende Gas nicht auf das Gehäuse oder die elastische Zwischen-
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lage trifftssondern direkt auf den Trägerkörper 3 gelenkt wird. Datei kann die Abbiegung 12 auch so ausgebildet sein, daß auch die radial außenliegenden Kanäle des Trägerkörpers nicht mit dem strömenden Gas "beaufschlagt sind, sondern im wesentlichen mit ruhendem Gas gefüllt sind und so als zusätzliche Isolation zwischen dem eigentlichen Reaktionsraum und dem Gehäuse 2 wirken.
In der Figur 2 ist demgegenüber eine Ausbildung eines Konverters 1 gezeigt, "bei dem der rohrförmige Einsatz auf der Zuströmseite des Katalysators an dem dem Trägerkörper zugewandten Ende eine Strömungsverteilungsvorrichtung 14 trägt. Diese Strömungsverteilungsvorrichtung 14 "besteht aus einem kegelstumpfförmigen, mit Durchgangslöchern 16 versehenen Blechmantel 15» der an seinem radial inneren Ende durch eine abgerundete Kappe 17 abgeschlossen ist. Diese Strömungsverteilungsvorrichtung Η soll das durch die Abgasleitung 8 zuströmende Abgas möglichst gleichmäßig auf die gesamte Stirnfläche des Trägerkörpers 3 aufteilen, so daß in dessen Strömuiigskanälen eine nahezu gleichmäßige Geschwindigkeit herrscht. Dadurch wird eine gute Ausnutzung des Katalysators ohne die Gefahr einer Schädigung gewisser, durch die Strömung bevorzugter Bereiche erzielt.
In der Figur 3 ist schließlich eine Ausführung des Konvex'tes 1 gezeigt, bei der anstelle eines rohrförmigen Einsatzes die Innenwand des Gehätises im Bereich der Übergangsstücke 5 unä 6 (in der Figur 3 ist lediglich das zuströmsei+ige Übergangsstück 5 gezeigt) eine wärmeisolierende Auskleidung 19 aufweist. Als Material für diese Auskleidung 19 kann dasselbe keramische Fasermaterial verwendet werden, das schon für die elastische Zwischenlage 4 verwendet ist, näiclich ein keramisches Tonerde-Silikat-Faser-Material. Selbstverständlich können auch andere bekannte wärmeisolier er) de Haterialiou verwendet werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht etwa auf die in'iüer Zeichnung gezeigten Ausführungsformen. So soll der rohrförmige Einsatz keineswegs nur konische oder zylindrische Formen aufweisen; vielmehr soll sich seine Form der jeweiligen Gehäusekontur anpassen, wobei auch unregelmäßige Formen möglich sind.
Neben der in der Figur 1 gezeigten Ausführung, bei der der rohrförmige Einsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende nach innen umgebogen ist, ist auch eine TJmbiegung dieser Kante radial nach außen möglich und vorteilhaft. Ein derartiger, radial nach außen verlaufender Kragen, der einen mehr oder weniger großen Abstand zu dem Trägerkörper einhält, könnte dann zur Halterung des Trägerkörpers und/oder der elastischen Zwischenlage - gegebenenfalls mit Unterstützung eines entsprechend ausgebildeten Gehäuses herangezogen werden. Insbesondere könnte ein so geformter Einsatz ein Hineinragen von Teilen der elastischen. Zwischenlage in die Strömung weitgehend unterbinden.
Der wesentliche Torteil der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Abgaskonverters besteht jedoch darin, daß das Gehäuse durch verhältnismäßig einfache, aber sehr wirkungsvolle Maßnahmen vor den hohen Betriebstemperaturen des den Trägerkörper durchströmenden Abgases geschützt wird. Infolgedessen kann es zu keiner wesentlichen Wärmedehnung im Bereich der Halterung des Trägerkörpers kommen, so daß die Gefahr des Lösens des Trägerkörpers aus der Halterung verringert tind die Standzeit des Konverters wesentlich erhöht wird.

Claims (7)

23U465 Ansprüche
1. Einrichtung zur katalytischen Reinigung der A bgase von
Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten Gehäuse, in dem ein monolithischer Katalysator-Trägerkörper mittels einer elastischen Zwischenlage kraftschlüssig gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gehäuse in AbgasStrömungsrichtung gesehen vor und hinter dem Trägerkörper (3) einen die Gehäusewand gegen die Abgaswärme schützenden Wärmeschirm (1O, 19) aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschirm durch einen parallel und mit Abstand zu
der Gehäusewand angeordneten rohrförmigen Einsatz (1O)
gebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Einsatz (1O) an seinem dem Trägerkörper (3) abgewandten Ende an dem Gehäuse befestigt ist.
4* Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Einsatz (1O) an seinem dem Trägerkörper (3) zugewandten Ende (12) hakenförmig nach innen umgebogen ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der xohrförmge Einsatz (iO) an se5.ne£i dem
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Trägerkörper (3) zugewandten Ende eine Strömungsverteilungsvorrichtting (14) trägt.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Einsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende radial nach außen umgebogen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschirm durch eine Vfärmeisolierende Auskleidung (19) der Innenwand des Gehäuses gebildet ist.
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