DE2314465B2

DE2314465B2 - Einrichtung zur katalytischen Abgasreinigung

Info

Publication number: DE2314465B2
Application number: DE2314465A
Authority: DE
Inventors: Polat Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Oeser
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-03-23
Filing date: 1973-03-23
Publication date: 1978-03-30
Also published as: US4002433A; JPS49127022A; DE2314465C3; SE396440B; DE2314465A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen mit einem in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten metallischen Gehäuse, in dem ein aus einem keramischen Material bestehender, monolithischer Katalysator-Trägerkörper, der in Längsrichtung durchlaufende, mit einer katalytisch wirksamen Schicht ausgekleidete Strömungskanäle aufweist, mittels einer die Außenfläche des Trägerkörpers unter Vorspannung umgebenden elastischen Zwischenlage kraftschlüssig gehalten ist.

Um die in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraflfahrzeugmotoren, enthaltenen, im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd, unverbranr.ten Kohlenwasserstoffen und Stickoxyden bestehenden ^w) Schadstoffe zu beseitigen, ist es bereits bekannt, eine Einrichtung der oben bezeichneten Art in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine einzuschalten (DE-AS 76 505). Dieser Konverter besteht aus einem Gehäuse, das einen monolithischen, die Katalysatornias- ^h' se aufweisenden Trägerkörper mit einer unter Vorspannung stehenden elastischen Zwischenlage hält, die aus einem keramischen Fasermaterial, insbesondere einem keramischen Tonerde-Silikat-Fasermaterial, besteht. Um nun einen sicheren Halt des Trägerkörpers in dem Gehäuse zu gewährleisten, muß die Vorspannung der elastischen Zwischenlage im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine in ausreichender Höhe aufrechterhalten bleiben. Diese Forderung macht im unteren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine, wo die Abgastemperaturen verhällnismäßig 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 Strömungsrichtung des Abgases gesehen im vorderen Bereich des den Trägerkörper haltenden Gehäuseteils auf, fallen dann in einem mittleren Bereich, um schließlich im hinteren Teil wieder anzusteigen.

Bedingt durch diese unterschiedliche Wärmeverteilung ist auch die Wärmeausdehnung des Gehäuses unterschiedlich stark. Bei hoher Belastung der Brennkraftmaschine weitet 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 zumindest in Abgasströmungsrichtung gesehen vor dem Trägerkörper einen die Gehäusewandteile gegen die Abgaswärme schützenden Wärmeschirm aufweist, der durch einen im wesentlichen gleichlaufend und mit Abstand zu dem jeweiligen Gehäusewandteil angeordneten Blecheinsatz gebildet ist.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Blecheinsatz, der wenigstens in Abgasströmungsrichtung gesehen vor, mit Vorteil aber auch hinter dem Trägerkörper angeordnet ist, wird 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 Tierkörper selbst im allgemeinen aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht und da zumindest die aus dem keramischen Fasermaterial bestehende Zwischenlage zusätzlich wärmeisolierend wirkt. Auf diese Weise ergibt sich, daß

das den Trägerkörper haltende Gehäuse weilgehend von unzulässigen Temperaturerhöhungen verschon: bleibt und daß infolgedessen die bei der Montage des Trägerkörpers in dem Gehäuse aufgebrachte Vorspannung der elastischen Zwischenlage im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nahezu konstantbleibt.

Die DE-AS 14 76 515 zeigt zwar schon eine Ausführung, bei der in einem äußeren Metallgehäuse ein zweites, inneres Gehäuse gehallen ist und bei der das iu äußere Gehäuse eine keramische Auskleidung aufweist, die einen größeren Wärmeverlust der die Vorrichtung durchströmenden Abgase an das Außengehäuse bzw. die Umgebung verhindern soll. Das innere Gehäuse dient dabei als Behälter für die aus Schüttgut bestehenden Trägerkörper der Katalysatormasse und läßt gegenüber der keramischen Innenauskleidung des äußeren Gehäuses einen relativ großen Spalt für durchströmende Abgase frei. Die bei der Lagerung von monolithischen Trägerkörpern auftretenden Probleme der trichterförmigen Aufweitung des Gehäuses treten hier nicht auf, so daß die keramische Innenauskleidung zu deren Lösung auch keinen Beitrag leisten kann.

Auch bei der Ausführung nach der DE-OS 22 Ol 990 ist ein Schüttgutkatalysator vorgesehen, bei dem das Schüttgut von einem in einem äußeren Gehäuse gehaltenen inneren Gehäuse umgeben ist. Die dort vorgesehenen Abweisplatten können daher ebensowenig zur Lösung der Halterungsprobleme bei von einer elastischen Zwischenlage gehaltenen monolithischen «> Trägerkörpern im Sinne der Erfindung anregen. Auch aus der US-PS 20 77 563 kann der Fachmann lediglich einen Hinweis auf eine Ausfütterung des Außengehäuses mit einem üblichen wärmedämnicnden Material entnehmen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann der Blecheinsatz an seinem dem Trägerkörper abgewandten Ende am Geheuse, beispielsweise durch Verschweißen, befestigt sein. Ein derartiger Blecheinsatz verhindert 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. Darüberhinaus wirkt der zwischen dem Blecheinsatz und der Gehäusewand verbleibende, mit im wesentlichen ruhendem Abgas angefüllte Zwischenraum wärmeisolierend.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Blecheinsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende hakenförmig nach innen umgebogen 5u irt. Durch dieses Umbiegen des Blecheinsatz-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 >-> Trägerkörpers 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 w> werden, so daß sie als zusätzliche Wärmeisolierung wirken.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung soll der Blecheinsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende eine Strömungsvertcilungsvorrichtung ^h'< tragen, die bereits in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen ist und im wesentlichen aus einem kegelstumpfförmigen Lochblech besteht. Auf diese Weise werden die beiden Jem Wärmeschutz der Gehäusewundung und der Vcrgleichmaßigung des den Trägerkörper di.rihsel/enden .Strömungsprofils dienenden Bauelemente· sinnvoll /u einer konstruktiven Einhek vereinigt.

In der nachfolgenden Beschreibung sind m der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiele der l-.rlindung näher erläutert. Dabei zeigt in schemuiischer Darstelli'ngsweise

Fig.l einen in eine Abgasleitung eingeschaltete!! Konverter mit dem erfindungsgemäßen Wärmeschirm in einem Längsschnitt,

F i g. 2 einen Teil eines Konverters, bei dem der aus einem rohrförmigen Hinsatz bestehende Wärmeschirm mit einer Strömungsverieilungsvorrichtung kombiniert ist.

In der Fig.l ist mit 1 ein Konverter mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt gezeigt, dessen Gehäuse aus einem zylindrischen Mittelteil 2 zur Aufnahme eines von einer elastischen, beisp.elsweise aus einem keramischen Fasermaterial bestehenden, unter Vorspannung stehenden Zwischenlage 4 umgebenen monolithischen Trägerkörpers 3 sowie aus sich konisch verjüngenden Übergangsteilen 5 und 6 besteht An den Stirnseiten des Gehäuses sind jeweils Flansche 7 vorgesehen, mittels derer der Konverter 1 in eine mit Flanschen 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 Übergangsteile 5 und 6 rohrförmige Blecheinsätze 10 auf, die im wesentlichen gleichlaufend und mit Abstand zu dem jeweiligen Gehäusewandteil verlaufen und an ihrem dem Trägerkörper 3 abgewandten Ende 11 an dem Gehäuse, beispielsweise durch Schweißung, befestigt sind. Die Blecheinsätze schließen gegenüber der Gehäusewand der Übergangsteile 5 b/w. 6 im Querschnitt kreisringförmige Kammern 13 ein die nicht von strömendem, sondern von ruhendem Gas beaufschlagt sind.

Die rohrförmigen Blecheinsätze 10 verhindern nun, daß das heiße, strömende Abgas direkt mit den Wänden des Katalysatorgehäuses in Berührung kommt und verhindern außerdem eine direkte Wärmestrahlung von dem Abgas zu den Gehäusewänden. Dadurch erfolgi nur eine verhältnismäßig geringe Aufheizung des Gehäuses, die insbesondere im Bereich des zylindrischen, den Trägerkörper 3 mittels der elastischen 2!wischenlage 4 haltenden Gehäuseteils 2 zulässige Werte nicht überschreitet.

In der F i g. 1 ist der in Strömungsrichtung gesehen vor dem Trägerkörper angeordnete rohrförmig!. Blecheinsatz 10 an dem dem Trägerkörper 3 zugewandten Ende 12 hakenförmig umgebogen, so daß das durch den diffusorförmig ausgebildeten Blecheinsalz 10 strömende Abgas zusätzlich radial nach innen abgelenkt wird. Das aus dem Blecheinsatz austretende Gas wird also nicht auf das Gehäuse oder die elastische Zwischenlage treffen, sondern direkt auf den Trägerkörper 3 gelenkt. Dabei kann die Abbiegung 12 auch so ausgebildet sein, daß die radial außenliegenden Kanäle des T'ägerkörpers 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 Fi g. 2 ist demgegenüber eine Ausbildung eines

Konverters 1 gezeigt, bei dem der rohrförmige Blecheinsatz auf der Zuströmseite des Katalysators an dem dem Trägerkörper zugewandten Ende eine Strömungsverteilungsvorrichiung 14 trägt. Diese Strömungsvertcilungsvorrichtung 14 besteht aus einem kegelstunipfförmigen, mit Durchgangslöchern 16 versehenen Blechkegel 15, der an seinem radial inneren Ende durch eine abgerundete Kappe 17 abgeschlossen ist. Diese Strömungsverteilungsvorrichtung 14 soll das durch die Abgasleitung 8 zuströmende Abgas möglichst gleichmäßig auf die gesamte S irnfläche des Trägerkörpcrs 3 aufteilen, so daß in dessen Strömungskanälen eine nahezu gleichmäßige Geschwindigkeit herrscht. Dadurch wird eine gute Ausnutzung des Katalysators ohne die Gefahr einer Schädigung gewisser, durch die Strömung bevorzugter Bereiche erzielt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht etwa auf die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen. So soll der Blecheinsatz keineswegs nur konische oder zylindrische Formen aufweisen können; vielmehr soll sich seine Form der jeweiligen Gehäusekontur anpassen, wobei auch unregelmäßige Formen möglich sind.

Neben der in der F i g. 1 gezeigten Ausführung, bei der der Blecheinsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende nach innen umgebogen ist, ist aucl eine Umbiegung dieser Kante radial nach außei möglich und vorteilhaft. Ein derartiger, radial nacl außen verlaufender Kragen, der einen mehr ode weniger großen Abstand zu dem Trägerkörper einhäli könnte dann noch zusätzlich zur Halterung de Trägerkörpers und/oder der elastischen Zwischenlagi — gegebenenfalls mit Unterstützung eines entspre chend ausgebildeten Gehäuses — herangezogen wer

ίο den. Insbesondere könnte ein so geformter Blecheinsat; ein Hineinragen von Teilen der elastischen Zwischcnla ge in die Strömung weitgehend unterbinden.

Der wesentliche Vorteil der erfindiingsgemäliei Ausbildung eines Abgaskonverters besteht jcdocl darin, daß das Gehäuse durch verhältnismäßig einfache aber sehr wirkungsvolle Maßnahmen vor den hohei Betriebstemperaturen des den Trägerkörper durchströ tuenden Abgases geschützt wird. Infolgedessen kann e zu keiner wesentlichen Wärmedehnung im Bereich de Halterung des Trägerkörpers kommen, so daß dii Gefahr des Lösens des Trägerkörpers aus de Halterung verringert und die Standzeit des Konverter wesentlich erhöht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen mil einem in eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeschalteten metallischen Gehäuse, in dem ein aus einem keramischen Material bestehender, monolithischer Kutalysator-Trägerkörper, der in Längsrichtung durchlaufende, mit einer katalytisch wirksamen Schicht ausgekleidete Slrömungskanäle aufweist, mittels einer die Außenfläche des Trägerkörpers unter Vorspannung umgebenden elastischen Zwischenlage kraftschlüssig gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2, 5, 6) '5 zumindest in Abgasströmungsrichtung gesehen vor dem Trägerkörper (3) einen die Gehäusewandteile gegen die Abgaswärme schützenden Wärmeschirm (10) aufweist, der durch einen im wesentlichen gleichlaufend und mit Abstand zu dem jeweiligen Gehäusewandteil (5) angeordneten Blecheinsatz (10) gebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeschirm (10) sowohl in Strömungsrichtung vor als auch hinter dem Trägerkörper (3) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blecheinsatz (10) an seinem dem Trägerkörper (3) abgewandten Ende am Gehäuse befestigt ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ßlecheinsatz (10) 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 Blecheinsatz (10) an seinem dem Trägerkörper (3) zugewandten Ende eine Strömungsverteilungsvorrichtung(14) trägt.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blecheinsatz an seinem dem Trägerkörper zugewandten Ende radial nach außen umgebogen ist.

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