DE2429550A1 - Katalysatoreinsatzeinheit - Google Patents

Katalysatoreinsatzeinheit

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Description

Patentanwalt·
Dr. Ing. H. Negendank
Γ DiP'· Ιη9· H. Hauck - Dipl. Phys. W. Schmitz
DipJ.lng. LGraalfs-Dipl. Ing. W.Vv'eLn&rt 8 München 2, Ntoxartstraße 23
AKTIEBOLAGETCARLMUNTERS Telelon 5380586
T V ■■■ .'.-■.. ■■-■■--■
Industrivagen 2 - -
47 Sollentuna/Schweden
München, 20.Juni 1974 Anwaltsakte M-3153
Kätalysatoreinsatzeinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einem porigen Körper und auf diesem angebrachten Katalysator, wie Platin, bestehende Einsatzeinheit. Ein wichtige Anwendungsgebiet für eine solche Einsatzeinheit ist die Umwandlung von in Motorabgaeen enthaltenen giftigen Stoffen, wie Kohlenstoffmonoxyd, in eine unschädliche Form durch Oxydation.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Katalysatoreinsatzeinheit, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann und für grosse und schnelle TemperaturSchwankungen unempfindlich ist. Ein besonderer Zweck der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Eigenschaften mit Widerstandskraft gegen solche mechanische Beanspruchungen, die bei der Anwendung der Einsatzeinheit als Abgasreiniger in Motorfahrzeugen auftreten, zu vereinigen. Ein wesentlicher Faktor ist hierbei, dass der porige Körper eine grosse Oberfläche haben soll, über die der Katalysator verteilt ist und die den den Körper durchstreichenden heissen Gaseni wie den Abgasen von einem Verbrennungsmotor, ausgesetzt wird. Die Anmelderin hat gefunden, dass ein Körper, der dieser Bedingung weitgehend gerecht wird, aus dünnen Schichten zusammengesetzt sein soll, die ganz oder teilweise gefaltet sind und sich gegeneinander unter Bildung einer grossen Anzahl von feinen, durchgehenden Durchlässen für die Gase abstützen, und die aus auf einem Träger aus Asbestschichten aus anorganischem Stoff gebildeten Gerüst bestehen. Dieses Gerüst ist dadurch hervorgebracht ,dass ander dünnen Asbestschicht eine oder mehrere Flüssigkeiten aufgetragen werden, in der anorganische Stoffe gelöst sind, die nach Niederschlag auf den Fasern der dünnen Asbestschicht auf hohe Temperatur erhitzt werden.
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Die Erhitzung wird bis auf 900° - 12000C hochgetrieben, wobei in dem Asbestfasern vorhandenes Kristallwasser ausgetrieben wird. Durch die Austreibung des Kristallwassers verliert der Asbest praktisch seine ganze Festigkeit, aber gesellt sich zu dem anorganischem Stoff, der zu dem dünnen Gerüst zusammenschmilzt oder -sintert, das trotz seiner sehr hohen Porigkeit dem fertigen Körper hohe Festigkeit verleiht.
Der Asbest kann eine Stärke haben, die einem Oberflächen-
gewicht von 80 - 100 bis hinauf zu 150 - 250 g/m oder mehr entspricht. Durch die Erhitzung entweichen aus dem Asbest einerseits das Kristallwasser und andererseits organische^ bisher den Zusammenhalt der Fasern bewirkende Bestandsteile, die zusammen 15-30 Gewichtsprozente ausmachen. Der statt dessen zugeführte anorganische Stoff bzw. die zugeführten anorganischen Stoffe, die im Endzustand keramischer oder mineralischer Natur sein können, werden in so begrenzten Mengen zugesetzt, dass das OberflSchen-Grammgewicht der Schichten im Endzustand ungefähr dasselbe wird wie das des Asbests im Ausgangszustand. Eine gewisse Steigerung des Gewichtes je Oberflächeneinheit um bis zu 20 ä 5Ü % ist jedoch zulässig.
Die ganze Behandlung hat zum Endergebnis, dass sie z.B. spiralförmige aufgewickelten Schichten in dem porigen Körper dank ihrer geringen Stärke weitgehend für die grossen Temperaturunterschiede unempfindlich werden, denen der Körper ausgesetzt wird, wenn er z.B. im Winter beim Ingangsetzen des Motor in sehr kurzer Zeit von Kältegraden auf viele Wärmegrade erhitzt wird. Dank seiner geringen Stärke wird der Schichtenquerschnitt nahezu augenblicklich während der Temperatursteigerung des Gases homogen erhitzt, derart, dass Wärmespannungen überhaupt nicht entstehen, wie es dagegen der Fall ist, wenn der porige Körper aus keramischem Werkstoff mit dickeren Schichtenwänden dadurch aufgebaut ist, dass auf einen Träger eine Aufschwemmung eines pulverförmigen Stoffs aufgebracht wird, der sich nach dem Verdampfen der Flüssigkeit zu einer zusammenhängenden Schicht versintert. Durch die grossen
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Temperaturunterschiede, die in einem solchen Fall auftreten können, wenn der Körper beim Ingangsetzen eines Kraftwagenmotors im Winter von vielen Kältegraden zu der Temperatur der Abgase erhitzt wird, dehnen sich die äusseren Teilstücke der Schichten schneller aus als die inneren, sodass der Werkstoff zerplatzt oder abblättert.
Gemäss der Erfindung erhalten die Schichten des porigen Körpers nach Aufbringen des Katalysatorbelags,z.B. durch Niederschlag von Platin aus einer Lösung, je Oberflächeneinheit der Schichten eine sehr grosse, auswärts gerichtete Oberfläche, die für die vorgesehene Reinigung der Abgase, wie durch Verbrennung von darin enthaltendem Kohlenstoffmonoxyd zu Kohlenstoffdioxyd, wirksam ist.
Dank der geringen Stärke der in dem porigen Körper enthaltenen Schichten werden diese, wie oben festgestellt unempfindlich gegen !TemperaturSchwankungen. Infolge des geringen Gewichts werden ausserdem die auf den Körper einwirkenden Trägheitskräfte bei Erschütterungen und Vibrationen unbedeutend,' weswegen die einzelnen Schichten nicht zerbrochen werden. Jedoch kann gerade diese Eigenschaft beim Einbau des Körpers Schwierigkeiten bereiten, und deswegen kann eine nachgiebige Einhängung vorgesehen sein, gegebenenfalls in Kombination mit einer Verstärkung der Schichten innerhalb der Einhängzone.
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf in den anliegenden Zeichnungen beispielsweise dargestellte Ausführung sformen näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden. Es zeigen:
Fig. 1 schaubildlich eine gemäss der Erfindung ausgeführten Abgasreinigereinheit, wobei gewisse Teile zwecks Erzielung verbesserter Anschaulichkeit weggeschnitten gedacht sind; Fig. 2 einen Schnitt durch diese Abgasreinigereinheit",
Fig.. 3 einen Schnitt durch eine Abgasreinigereinheit in einer abgewandelten Ausführung.
In den Zeichnungen ist die generell mit 10 bezeichnete Abgasreinigereinheit in ein Abgasrohr 12, 14 eines Verbrennungs-
-H-
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motors eingebaut. Die Abgasreinigereinheit umfasst einen porigen Körper 16, der die Form einer zylindrischen Scheibe haben kann und an seinem Aussenumfang mittels einer ringförmigen Stütze 18 in einem zylindrischem Gehäuse 20 befestigt ist. Dieses Gehäuse ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 unmittelbar mit den Rohrteilen 12, 14 verbunden, dagegen bei der Ausführungsform, nach der Fig. 3 über Faltenbalge 22.
Der Körper 16 ist aus spiralförmig aufgewickelten,
abwechselnd glatten und gewellten Schichten aufgebaut. Die Faltungen verlaufen axial zwischen den beiden ebenen Stirnseiten des Körpers. Der Abstand zwischen den glatten Schichten beträgt höchstens 3 mm, was einem Mittelabstand zwischen den Schichten von 1,5 mm entspricht. Bei Ausführungen für die Praxis beträgt der Abstand zwischen den glatten Schichten zweier aufeinander liegenden Wicklungen etwa 1,5 mm. Bei der Herstellung des Körpers geht man von Streifen von einfach glatt beschichtetem^Wellasbest aus, d.h. von Streifen, die aus je einer glatten und einer gewellten, miteinander durch z.B. Wasserglas verbundenen Schicht bestehen. Der nach der AufWickelung erhaltene Körper wird dann in eine oder mehrere, vorzugsweise wässerige Lösungen derartiger organischen Salze eingetaucht oder damit bespritzt, dass die Salze auf den dünnen Asbestschichten nach Verdampfen des Lösungsmittels und nachfolgender Erhitzung auf hohe Temperatur zusammen mit dem Rückstand des Asbests das tragende Gerüst bilden.
Auf den fertigen Körper wird eine Lösung des Katalysators, wie eine Platinverbindung, in an sich bekannter Weise als äusserst dünner Belag über die in sich sehr porigan-Schichten des Gerüsts aufgetragen.
Der für die Bildung des porigen Körpers erforderliche anorganische Stoff bzw. die erforderlichen Stoffe können Silikate, wie Kalzium- oder Aluminiumsilikat sein, oder Oxyde wie Aluminiumoxyd.
Beispiel 1
Ein Ausgangswerkstoff von auf einer Seite mit einer glatten Schicht bedecktem Asbestwellpapier mit einem Flächen-
;r ve - 5 -
gewicht von 8 0 - 100 g/m wird spiralförmig zu einem Körper von
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gewünschter Abmessung aufgerollt. Der Körper wird dann in eine Wasserglaslösung (Natronwasserglas) mit eine Dichte von 1,3 0
3
kg/dm eingetaucht. Der Körper wird in der Lösung so lange liegen gelassen, dass keine Luftblasen mehr aufsteigen," wonach so viel Wasserglas entfernt wird, dass die feinen Kanäle des Körpers, offen gelegt werdeni .
Der Körper wird hin-und hdergedreht, derart, dass sich das Wasserglas gleichmässig in ihm verteilt. Danach wird der Körper in konzentrierten Äthylalkohol (96 %) eingelegt und einige Male herausgehoben und abgesenkt, derart, dass alle Teile des Körpers mit dem konzentrierten Alkohol in Berührung kommen. Hierdurch wird das Wasserglas wasserfrei gemacht und hierdurch wird der Körper verhältnismässig fest und handhabbar, so dass er sich in eine kochende Lösung von Aluminiumchlorid in Wasser (1 Gewichtsteil AlCl3 - 6 H2O auf 1 Gewichtsteil Wasser) überführen lässt. Den Körper lässt man in den kochenden Aluminiumchloridlösung während einer Stunde liegen, wonach er herausgehoben und in Warmluft mit einer Temperatur von 3 000C getrocknet wird. Hierbei hat der Körper einen Niederschlag von Aluminiumsilikat und -oxyd erhalten. Schliesslich wird der Körper in einen Ofen eingelegt, in dem die Temperatur während drei Stunden gleichförmig auf 11500C steigen gelassen wird, und danach sich ebenfalls während drei Stunden gleichmässig auf Zimmertemperatur abzukühlen gelassen. Damit ist der keramische Körper fertig und kann auf seinen Stirnseiten durch Schleifen bearbeitet werden.
Beispiel 2
Um einen Körper mit höherer mechanischer Festigkeit zu erhalten, kann man zur Herstellung des einseitig glatt beschichteten Wellpapierstreifens von einem verhältnismässig dicken Asbest-
· 2
papier mit einem Flächengewicht von 150 - 250 g/m ausgehen und das Eintauchen in eine Wasserglaslösung mit einer Dichte von
3
1,37 5 kg/dm vornehmen. Im übrigen ist die Behand^ng dieselbe wie im Beispiel 1.
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Beispiel 3
Das Kochen nach dem Eintauchen in den Alkohol wird in einer gesättigten Lösung von Kaliumchlorid vorgenommen, wodurch als Niederschlag Kaiζiumsilikat erhalten wird. Dies gilt für beide PapierSorten gemäss den vorigen Beispielen. Die Brenntemperatur ist dieselbe wie bisher. Die Festigkeit wird etwas geringer als bei dem Verfahren gemäss den Beispielen 1 und 2.
Beispiel 4
Das Kochen nach dem Eintauchen in Alkohol wird wie im Beispiel 3 durchgeführt. Danach wird der Körper in Wasser gespült, sodann getrocknet und in Aluminiumchlorid eingetaucht. Während der nachfolgenden Erhitzung auf die höhere Temperatur zersetzt sich das Aluminiumchlorid, so dass sich Aluminiumoxyd bildet, das den Körper noch mehr verstärkt.
Wie aus den Zeichnungsfiguren ersichtlich, kann der porige Körper einen grösseren Durchmesser haben als dem der Rohre 12, 14, weswegen nur der mittlere Teil des porigen Körpers für die vorgesehene katalysatorisehe Wirkung ausgenutzt zu werden braucht. Dieser Teil kann ebenso gross wie oder auch grosser sein als der Rohrdurchmesser: in letzterem Fall bedeutet dies einen Ausgleich für das von den porigen Schichten eingenommene Volumen, derart, dass sich die Geschwindigkeit der Abgase durch den Körper gleich hoch beibehalten lässt. Diejenigen Teile des Körpers, die somit nicht bei der Abgasreinigung beteiligt sind, brauchen nicht mit einem Katalysatorbelag versehen zu sein, lassen sich stattdessen mechanisch kräftiger ausführen, derart, dass die Festigkeit des Körpers in den äusseren Teilen grosser wird als in dem Mittelteil. Diese Verstärkung einer äussere Zone lässt sich dadurch erzielen, dass man diese Zone mehrfach in die Lösung oder die Lösungen der anorganischen Stoffe eintaucht oder damit bespritzt. Dadurch, dass das Aufhängen oder Befestigen des Körpers an dessen verstärkten Teilen erfolgt, wird der- verhältnismäßig empfindliche Kern des porigen Körpers gegen schädliche Beanspruchungen, z.B. durch Erschütterungen des Kraftwagens, geschützt. Die gleiche Wirkung lässt sich dadurch erhalten bzw. steigern, dass man die äussere-ringförmige Stütze 18 aus federndem Werkstoff, z.B. Gummi, ausführt. Da der Körper einen grösseren Durchmesser
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hat als sein wirksamer Kern, erhält man ferner einen Temperaturfall von dem Kern zu der Aufhängzone, was die Benutzung solcher Aufhängglieder ermöglicht, welche die hohe Abgastemperatur nicht aushalten. Ferner kann, es zweckmässig sein, die äussere Zone des porigen Körpers mittels eines Gases, wie Luft, zu kühlen, das mittels eines Bläsers 24 und durch eine Leitung 26 an der einen Seite des Körpers 10 unter Überdruck zugeführt wird und an dessen anderen Seite durch einen Auslass 28 austritt, nachdem das Gas durch die parallelen, sich axial von der einen Stirnseite des Körpers, zu seiner anderen erstreckenden feinen Durchlässe hindurchgegangen ist. Die Kühlzone soll von der Mittzone des Körpers, durch die die Abgase hindurchgehen, abgeschirmt sein, z.B. dadurch, dass die Enden 3 0 und 32 der Rohre 12 bzw. 14 den Körper über dessen Stirnseiten hinaus hineinragen. Durch Abdeckscheiben 3 4 nach Massgäbe der Fig. 2 lässt sich ein Dichtspalt von grosser radialer Erstreckung gegenüber dem porigen Körper 16 erhalten.
Die faltbalgförmigen Kapseln 22 in der Fig. 3 haben einerseits zur Aufgabe, die Wirkung von Erschütterungen des Kraftwagens zu dämpfen, und anderereseits einer Wärmeübertragung · durch Wärmeleitung von den heissen Rohren 12, 14 zu dem Gehäuse 20 des Reinigers bzw. der federnden, ringförmigen Stütze 18 an dessen Aussenumfang entgegenzuwirken.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte Ausführungsformen begrenzt, sondern lässt sich im weitesten Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrundeliegenden Leitgedankens abwandeln.
- Patentansprüche -
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Claims (12)

Patentansprüche
1. Aus einem porigen Körper und auf diesem angebrachten Katalysator bestehende Katalysatoreinsatzeinheit, u.a. zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeich n.,e t, dass der Körper aus dünnen Schichten zusammengesetzt sind, die ganz oder teilweise gefaltet sind und sich gegeneinander unter Bildung einer grossen Anzahl von feinen, durchgehenden Durchlässen für das durch den Einsatz hindurchgehende Mittel abstützen, und die aus auf dünnem Asbestschichtwerkstoff durch Erhitzung zu hoher Temperatur gebildeten, zusammenhängenden, porigen Gerüst bestehen, in dem ein auf der Asbestschicht in Flüssigkeitsform niedergeschlagener, anorganischer Stoff enthalten ist.
2. Katalysatoreinsatzeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gerüst mineralischer bzw. keramischer Stoff enthalten ist.
3. Katalysatoreinsatzeinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten
ein Flächengewicht von 80 - 150 und höchstens 250 g/m haben.
4. In dem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angebrachte Katalysatoreinsatzeinheit nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper federnd.mit dem Abgasrohr verbunden ist.
5. In das Abgasrohr eines Verbrennungsmotors eingesetzte Katalysatoreinsatzeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine grössereQuerschnittsfläche hat als das Rohr.
6. Katalysatoreinsatζeinheit nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten in einer äusseren, ausserhalb der von den Abgasen durchstrichenen Mittzone des Körpers gelegenen äusseren Zone eine grössere mechanische Festigkeit haben.
7. Katalysatoreinsatzeinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich n^e t, dass nur eine Mittzone des Körpers einen Katalysatorbelag aufweist.
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8. Katalysatoreinsatzeinheit nach Anspruch ^,dadurch ge ken η ζ e i c h η e t, dass der Körper federnd in eine Zone mit niedrigerer Temperatur als in einer von den Abgasen durchstrichenen Mittzone fest eingesetzt ist.
9r Katalysatoreinsatzeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine von den Abgasen durchstrichene zentrale Zone und eine äussere, von einem Kühlmittel durchstrichene Zone hat.
10. Katalysatoreinsatzeinheit nach Anspruch U, dadurch ge k e η η ζ ei c h η e t, dass der Körper von einem Gehäuse umgeben ist, das mittels mindestens eines balgförmigen Rohrstutzens mit dem Abgasrohr-verbünden ist.
11. Katalysatoreinsatzeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durch gekennz e ichnet, dass eine radial äussere Zone der Einheit durch Durchstreichen der darin vorhandene Durchlässe mittels eines Kühlmittels kühlbar ist. .■.--■'-." : .
12. Verfahren zur Herstellung eines porigen Körpers für Abgasreiniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
409883/125 7
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