DE2402835A1 - Katalytischer abgaskonverter - Google Patents

Katalytischer abgaskonverter

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DE2402835A1
DE2402835A1 DE2402835A DE2402835A DE2402835A1 DE 2402835 A1 DE2402835 A1 DE 2402835A1 DE 2402835 A DE2402835 A DE 2402835A DE 2402835 A DE2402835 A DE 2402835A DE 2402835 A1 DE2402835 A1 DE 2402835A1
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Description

DR.-ΙΝβ. ΟΙΜ-ΙΝβ. M. SC. D.FL.--HYS. PR. OIPL.-WHYS. HÖGER - STELLRECMT - GRJESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART *y / f\ r\ Q O C
A 4O 554 b
21.Januar 1974
k-35
Universal Oil Products Company Des Piaines, Illinois 6OO16f USA
Katalytischer Abgaskonverter
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Abgaskonverter mit einem metallischen Gehäuse mit Einlass- und Auslasstutzen und mit einem in axialer Richtung durchlässigen Keramikelement mit mit Katalysatormaterxal beschichteten Oberflächen.
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Λ 40 554 b - 2 -
21.Januar 1974
Insbesondere befasst sich die Erfindung mit katalytischen Konvertern für die Entfernung von schädlichen Bestandteilen aus dem Abgasstroin von Brennkraftmaschinen, und zwar speziell mit katalytischen Konvertern des Typs, bei denen das Katalysatormaterial in Form einer Beschichtung eines viele Kanäle aufweisenden Keramikelerients vorliegt, welches üblicherweise als ein "Wabenelement" bezeichnet wird.
Katalytische Konverter, bei denen das ?veramikeleinent mittels zweier ringförmiger Flansche in. dem zylindrischen Gehäuse des Konverters gegen eine axiale Verschiebung gesichert werden, sind bekannt. Unglücklicherweise besitzt das Keramikmaterial bei diesen Konvertern, in denen am Gehäuse angeformte Flansche mit dem Keramikelement in Kontakt stehen, die Tendenz, im Bereich der Berührungsstellen abzublättern und zu zerbrechen. Das Abblättern bzw. der Abrieb scheint eine Folge von Vibrationen zu sein, welche das Kerarr.ikelement in axialer Richtung zwischen den Flanschen hin- und hertreiben. Die liauptquellai derartiger Vibrationen scheinen die Druckschwankungen der Abgase zu sein, welche dem Konverter schubweise zugeführt werden, wenn die Auslassventile der Brennkraftmaschinen geöffnet werden. Bei einen Acht-Zylinder-Ilotor , der mit 1500 U/min, umläuft, ergeben sich beispielsweise 6000 Abgasstösse pro Minute. Das pulsierende Auftreffen der Abgase auf das Keramikelement kann schädlich sein, speziell, wenn das Keramikmaterial sich in dem Gehäuse frei bev/egen kann, wie dies normalerweise der Fall ist, wenn sich der Konverter erwärmt. Die Bewegung des Keramikmaterials wird dadurch möglich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Keramikmaterials weit geringer ist als derjenige des metallischen Gehäuses.
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k-35
Die im Handel erhältlichen Wabenelemente haben üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nur 1/10 des Ausdehnungskoeffizienten von rostfreiem Stahl des US-Typs
409 ausmacht, d.h. einer Legierung, wie sie üblicherweise für die Konvertergehäuse'verwendet wird.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halterung für ein Keraiuikeleiaent mit Waben bzw. durchgehenden Kanälen im Gehäuse eines katalytischen Abgaskonverters vorzuschlagen, mit deren Hilfe das Keramikmaterial gegen Beschädigungen infolge der auf seiner Vorderseite auftreffenden pulsierenden Abgase geschützt wird und mit deren Hilfe ferner die Schaden vermieden werden, die sich infolge der Lockerung des Zusammenhalts zwischen dem Keramikelement und dem Gehäuse ergeben, wenn die
Temperatur während des Betriebes ansteigt.
Diese Aufgabe wird durch einen katalytischen Abgaskonverter
der eingangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Einlass— stutzen und dem Keramikelement mindestens ein öffnungen aufweisendes Einlasseleiaent vorgesehen ist, und dass zwischen dem Einlasseleiaent und dem Keraiaikelement ein Distanzelement vorgesehen ist, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse besitzt.
Durch die erfindungsgemässe Konstruktion wird' erreicht, dass das relative Schrumpfen des Keramikelements gegenüber dem metallischen Gehäuse bei Erwärmung des Abgaskonverters zumindest
teilweise durch die relative Ausdehnung des Distanzelements
gegenüber dem Gehäuse kompensiert wird.
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A 40 544 b - 4 -
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines katalytischen Abgaskonverters gemäss der Erfindung sind zwei mit Öffnungen versehene, im Abstand voneinander angeordnete.gewölbte Einlasselemente auf der dem Einlasstutzen zugewandten Seite des Gehäuses vorgesehen. Die beiden Einlasselemente begrenzen eine zwischen ihnen liegende Expansions- und Druckausgleichskammer für die Abgase, aus welcher die mit schwankendem Druck von der Brennkraftmaschine ankommenden Abgase mit im wesentlichen gleichförmigem Druck in Richtung auf das katalytisch aktive Keramikelement austreten. Die Druckausgleichskammer dient gleichzeitig dazu, die Abgase, die durch einen relativ kleinen Querschnitt in den Einlasstutzen eintreten, auf einen grösseren Querschnitt zu verteilen, derart, dass sie auf die Stirnfläche des Keramikelements, welche einen wesentlich grösseren Durchmesser besitzt, gleichförmig auf treffen. Das Distanzeleraent, welches die beiden Einlasselemente voneinander trennt, ist ein ringförmiges Element U-förmigen Querschnitts und besteht aus einem Metall mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Metall des Gehäuses. Das Distanzelement kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl des US-Typs 321 hergestellt werden und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, v/elcher etwa 65 % grosser ist als derjenige des rostfreien Stahls vom US-Typ 409. Das Kermaikelement, welches einen wesentlich kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das metallische Gehäuse, liegt in Serie zu dem Distanzelement, welches einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, so dass die Summe der thermischen Ausdehnungen des Distanzelements und des keramischen Elements der thermischen Ausdehnung des Gehäuses besser angepasst wird. Das Keramikelement kann somit in dem Gehäuse mit einer relativ
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engen Passung gehaltert werden, so dass es in axialer Richtung nicht vibriert, und so dass eine Zerstörung des Kermaiknaterials während des Einsatzes des Abgaskonverters vermieden wird. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:
Fig..1 einen Längsschnitt durch einen katalytischen
Abgaskonverter gemäss" der Erfindung längs der
Linie 1-1 in Fig.2 und
Fig. 2 eine Stirnansicht des katalytischen Abgaskonverters gemäss Fig.1, wobei einige Teile zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus des Abgaskonverters
weggebrochen sind.
Der in Fig.1 gezeigte Abgaskonverter ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet'und besitzt ein metallisches Gehäuse 12 aus einem zylindrischen Mittelstück 14 sowie einen Einlassstutzen 16 und einen Auslasstutzen 17, die jeweils längs einer Schweissnaht 18 mit dem zylindrischen Mittelstück verschweisst sind. Einlass- und Auslasstutzen 16 bzw. 17 können in die Abgasleitung einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingefügt werden oder auch in die Abgasleitung einer anderen Abgasquelle, wobei die Abgase in den Einlasstutzen 16 eintreten und den Abgaskonverter durch den Auslasstutzen 17 verlassen. Das·
mit wabenförirtigen Öffnungen versehene katalytisch aktive Keramikelement 24 ist in dem Gehäuse 12 montiert. Das Keramikelement
24 besitzt eine Vielzahl von axialen Poren oder Öffnungen 26, deren Oberflächen mit einem Katalysatormaterial 28 beschichtet sind. Das keramische Element 24 besitzt Aussparungen 30, welche
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Schultern bilden und welche geeignet sind, Isolatipnsringe 34 aus nicht brennbarem hochte^nipcraturfestem Material aufzunehmen, beispielsweise Isolationsringe aus langfaseriger. Steinwolle. Um eine axiale Verschiebung der Isolationsringe 34 zu verhindern und um das Kerantikelement 24 mit Hilfe der Isolationsringe 34 bezüglich des Gehäuses 12 zu haltern, sind an Einlass- und Auslasstutzen 16, 17 Schultern 36 bzw. 37 vorgesehen. Da die Isolationsringe 34 in radialer Richtung eine grössere Höhe haben als dies der Tiefe der Aussparungen 3O entspricht, wird das Keramikelment im Abstand von der Innenwandung des Mittelteils 14 gehalten, so dass sich ein Zwischenraum 38 ergibt. Die Isolationsringe 34 verdecken Eingang und Ausgang eines Ringes von axialen öffnungen am Umfang des Keramikelements 24 und verhindern somit, dass Abgasströme durch diese öffnungen geleitet v/erden. Hierdurch und aufgrund des Zwischenraums 38 sind die Isolationsringe 34 in der Lage, das Keramikelement 24 wirksam gegenüber dem Mittelteil 14 des Gehäuses zu isolieren und sicherzustellen, dass die Abgase das Katalysatormaterial 28 schnell auf Betriebstemperatur aufheizen .
Der an die auf der Einlasseite liegende Schulter 36. angrenzende Isolationsring 34 wird durch zwei gewölbte, mit Öffnungen versehene Linlasselemente 42 und 44 sowie durch ein Distanzelement 46 von U-förmigem Querschnitt im Abstand von der Schulter 36 gehalten. Das ringförmige Distanzelement 46 bildet zusammen mit den Einlasselementen 42 und 44 eine Expansions- und Druckausgleichkammer 48. Die Einlasselemente 42 und 44 besitzen Öffnungen 50, durch die die Abtase hindurchströmen können. Die Gesamtfläche der Öffnungen 50 in den Einlasselementen 42 und 44 ist vorzugsweise mindestens 50 % grosser als der Querschnitt
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der Eintrittsöffnung 52 des Einlasstutzens 16. Durch die Einlasselemente 42 und 44 sowie die zwischen ihnen liegende Expansionsund Druckausgleichskammer 48 wird die Abgasströmung ziemlich gleichförmig auf die Stirnseite des Keramikelements 24 verteilt Die Expansions- und Druckausgleichkammer 48 dient ferner dazu, Druckschwankungen der Abgase auf der Einlasseite des Konverters auszugleichen, so dass die Abgase auf der Eintrittsseite des Keramikeleiuents 24 einen im wesentlichen gleichförmigen Druck besitzen. Infolge des Vorhandenseins der Einlasselemente 42, 43 und der KaMmer 43 wird die Energie der Abgasimpulse bzw. Druckwellen in beträchtlichem Masse aufgeteilt, und ausserdem ist die maximale Strömungsgeschwindig in jeder der Öffnungen 26 des Keramikelements 24 wesentlich geringer als wenn die Einlasselernente 42, 44 nicht vorhanden wären, da die Strömung sich beim Fehlen dieser Einlasselemente im mittleren Bereich, d.h. im Bereich der mittleren Öffnungen des Keramikelements konzentrieren würde. Das Keramikelement wird somit einerseits gegen die Auswirkungen der Druckschwankungen der Abgase geschützt und ausserdem besser ausgenutzt, da die Abgase gleichförmiger · auf die einzelnen Kanäle des Keramikelements verteilt werden.
Das ringförmige Distanzelement 46 besteht vorzugsweise aus einer Legierung, wie z-.B. aus rostfreiem Stahl der US-Serie 321, welche einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Das Gehäuse 12 besteht vorzugsweise aus einer Legierung, wie z.B. rostfreiem Stahl der US-Serie 409, welche einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Das keramische Element 24 besitzt einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Distanzelement 46 und das Gehäuse 12. Da das sich stark ausdehnende Distanzelement 46 in Serie zu dem sich schwach ausdehnenden Keramikelement 24 liegt,
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dehnt sich das Distanzelement 46 stärker als das Gehäuse, während das Keramikeleraent 24 relativ zu dem Gehäuse schrumpft, wenn dieses erwärmt- wird. In Abhängigkeit von dem Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien und der axialen Länge derselben, kann im Ergebnis die axiale Bewegung zwischen dem Keramikeleraent 24 und dem Gehäuse 12 während der Erwärmung beträchtlich reduziert oder vollständig vermieden werden.
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Claims (8)

A 40 54 4 b - 9 - .Januar 1974 Patentansprüche :
1. Katalytischer Abgaskonverter mit einem metallischen Gehäuse mit Einlass- und Auslasstutzen und einem in axialer Richtung durchlässigen Keramikelement mit mit Katalysatormaterial beschichteten Oberflächen, dadurch gekenn zeichne t·, dass zwischen- dem Einlasstutzen (16) und dein Keramikelement (24) mindestens ein öffnungen aufweisendes Einlasselement. (42, 44) vorgesehen ist, und dass zwischen dem tinlasselement (42, 44) und dem Keramikelement
(24) ein Distanzelement (46) vorgesehen ist, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse (12) besitzt.
2. Abgaskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei öffnungen aufweisende Einlasselemente (42) 44) vorgesehen sind, die zwischen dem Einlasstutzen (16) uncT* Keramikelement (24) liegen.
3. Abgaskonverter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mit Öffnungen versehenen Einlasselemente (42, 44) gewölbt ist.
4. Abgaskonverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der öffnungen (50) in jedem der Einlasselemente (42, 44) gröseer ist als der Querschnitt der Eintrittsöffnung (52) des Einlasstutzens (1G).
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5. Abgaskonverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesantfläche der öffnungen (50) in jeden der Einlasseleiaente (42, 44) um etwa 50 % grosser ist als der Querschnit der Eintrittsöffnung (52) des Einla.sstutzens (16) .
6. Abgaskonverter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) Schultern (36, 37) aufweist, zwischen denen das zumindest eine Einlasselement (42,. 44), das Distanzelement (46) und das Keramikelement (24) angeordnet sind.
7. Abgaskonverter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement ein nach Art eines Ringkanals ausgebildetes Metallelement ist.'
8. Abgaskonverter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (46) und das Gehäuse (12) aus rostfreien Stahllegierungen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.
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