DE2454704C3 - Katalytischer Umsetzer - Google Patents

Description

Erfindung gekennzeichnet ist durch einen Katalysatorbehälter aus zwei schüsseiförmigen, perforierte Hauptflächen aufweisenden, metallischen Behälterteilen, die im Bereich radialer umlaufender Flansche miteinander verbunden sind, durch ein Metallgehäuse aus zwei 5 schalenförmigen Gehäuseteilen, die radiale umlaufende Flansche aufweisen, die in radialer Richtung über die an den Behälterteilen vorgesehenen Flansche vorstehen und diese zwischen einander gleitverschiebüch aufnehmen, durch einen an mindestens einem der Gehäuseteile vorgesehenen in axialer Richtung verlaufenden Flanschbereich, welcher mit dem anderen Gehäuseteil in radialer Richtung außerhalb der Flansche der Behälterteile verschweißt ist, durch mindestens einen Sicherungszapfen, der die Gehäuse- und Behälterteile durchgreift und der im Abstand von seinen Enden an einen verstärkten Mittelteil angrenzende innere Schultern zur Gewährleistung eines vorgegebenen Mindestabsiands der Hajptflächen der Behälterteile voneinander aufweist, durch an mindestens einem Sich^rungszapfen vorgesehene Endbereiche verringerten Durchmessers, die öffnungen größeren Durchmessers in den Gehäuseteilen durchgreifen, welche in unmittelbarer Nachbarschaft der Endbereiche konkav nach innen gewölbt sind, durch an den Enden des mindestens einen Sicherungszapfens vorgesehene Befestigungselemente zum Zusammenhalten der Gehäuseteile und durch einer gleitenden Relativbewegung zwischen den Gchüuseleilen einerseits sowie dem Sicherungszapfen und den Befestigungselementen andererseits ermöglichende Ausbildung mindestens eines der Befestigungselemente komplementär zu dein konkav gewölbten Bereich des zugeordneten Gehäuseteils.

Die erfindungsgeinäße Konstruktion des Umsetzers hat den Vorteil, daß der Katalysatorbehälter in r> Abhängigkeit von Tenipcraiurdifferenzcn zwischen seiner eigenen Temperatur und derjenigen des äußeren Metallgehäuses in der Ebene der Flansche frei gleitverschiebüch ist; mit anderen Worten wird also erfindungsgemäß ein schwimmend gehaltener Kataly- κι satorbehälter verwirklicht. Vorzugsweise besteht dieser Katalysatorbehälter aus zwei symmetrischen gezogenen siebartig wirkenden schüsseiförmigen Behälterteilen, die jeweils einen umlaufenden Flanschbereich besitzen, wobei die Flanschbereiche längs ihres äußeren Randes in Umfangsrichtung miteinander verschweißt sind, so daß sich ein Behälter für das Kataiysatormaterial ergibt, welches vorzugsweise die Form von sogenannten Pellets besitzt. Dieser Katalysatorbehälter ist in dem äußeren Metallgehäuse des Umsetzers, so welches aus einem eingangsseitigen und einem ausgangsseiiigcn Gehäuseteil zusammengesetzt ist, wobei beide Gehäuseteile mit Flanschbereichen verschen sind, derart angebracht, daß die Flanschbererche des Katalysatorbehälters auf dem Flansch des unteren νϊ Gehäuseteil aufliegen, während der in entsprechender Weise ausgebildete Flanschbcreich des oberen Gehäuseteils über der Oberseite des Flanschbereichs des Katalysatorbehälters liegt. Insbesondere ist der Flanschbereich des oberen Gehäuseteils dabei so mi ausgebildet, daß der äußere Rand des Flanschbereichs in axialer Richtung so weil nach unten gezogen ist, wie dies der Stärke der miteinander verbundenen Flanschbereiche des Katalysatorbehälters entspricht. Die Flansche an den Gehäuseteilen ermöglichen ferner die Verbin- 1., dung derselben miteinander unter Anwendung eines üblichen .Schweißverfahrens mittels einer umlaufenden Schweißnaht, welche die Flunschbereiche des oberen und des unteren Gehäuseteils miteinander verbindet, während die Flanschbereiche des Kataiysaturbehälters gleichzeitig frei beweglich bleiben. Insbesondere besitzt der nach unten gerichtete Flanschbereich des oberen Gehäuseteils, welches vorzugsweise mit der Einlaßleitung verbunden ist, einen ausreichend großen Innendurchmesser, so daß radiale Wärmedehnungen des Katalysatorbehälters möglich sind. Wenn der Katalysatorbehälter stattdessen fest mit den Gehäuseteilen des Metallgehäuses des Umsetzers verschweißt wäre und wenn ferner das Metallgehäuse kühler wäre als der Katalysatorbehälter, dann würde das Metallgehäuse Wärmedehnungen des Katalysatorbehälters behindern, was Ausbeulungen oder andere Deformationen infolge der vorhandenen Temperalurdifferenz zur Folge hätte.

Es ist auch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Konsiruktion, daß ein Sicherungszapfen vorgesehen ist, der so gestaltet ist, daß er in Verbindung mit einer Reihe von Unterlagsscheiben oder Distanzstücken den gewünschten gleichbleibenden Abstand zwischen den Elementen des Katalysatorbehälters und des Metallgehäuses aufrechterhält und diese Bauteile gleichzeitig miteinander verbindet. Ein solcher Sicherungszapfen verleiht dem Umsetzer nämlich die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegen die Druckwellen bei Rückschlägen oder Fehlzündungen in der Abgasleitung, und /war bei allen Temperaturdifferenzen, die sich /wischen dem Kataiysaiorbehälter und dem äußeren Metallgehäuse ergeben können. Die zum Ausgleich von Wärmedehnungen erforderliche Beweglichkeit wird dabei dadurch erreicht, daß der Sicherungszapfen die Behälterteile im Bereich verhältnismäßig großer öffnungen durchgreift. Vorzugsweise befinden sich oberhalb der inneren Schultern des Sicherungszapfens jeweils zwei relativ große Unterlagsscheiben, die an der Innen- bzw. Außenseite der Behälterteile im Bereich der öffnung für den Sicherungszapfen anliegen und in radialer Richtung eine Relativbewegung zwischen den Unterlagsscheiben und den Behälterteilen ermöglichen, während gleichzeitig das Eindringen von Gasen durch den Spalt zwischen den öffnungen in den Bchültcrtcilcn und dem Sicherungszapfen verhindert wird. Die Endbereiche des Sicherungszapfens stehen über die Außenseite des Katalysatorbehälters vor und durchgreifen geeignete öffnungen in den Gehäuseteilen. Der unmittelbar an die öffnungen angrenzende Bereich der Gehäuseteile ist konkav nach innen gewölbt, um beispielsweise eine komplementär gekrümmte Unterlagsscheibe aufzunehmen. Hinter dieser gekrümmten Unterlagsscheibe ist dann jeweils eine weitere Unterlagsscheibe mit dem entsprechenden linde des Sichcrungszapfens verschweißt, welche sich an der konkav gewölbten Oberseite bzw. Außenseite der gekrümmten Unterlagsscheibe abstützt. Diese Art der Befestigung gestattet innerhalb gewisser Grenzen eine Schwenkoder Kippbewegung des Sichcrungszapfens um durch seine Mitte gehende senkrecht zu seiner Längsachse verlaufende Achsen, wodurch unterschiedliche Wärmedehnungen des oberen und des unteren Gehäuseteils in gewissem Umfang ausgeglichen werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Aiiiführiingsform eines Umsetzers gemäß der Erfindung, wobei der Schnitt längs der Linie 1-1 in F i g. 2 geführt ist,

F i g. 2 eine Draufsicht ;uif einen Umsetzer gemäß

I ig. 1. wobei einige Teile 7iir Verdeutlichung weggebrochen sind und

(ig 3 einen Teilquerschnitt durch den Umsetzer gemäß I' ι g. 2 längs der Linie Ill-Ill ir dieser Figur.

In der Zeichnung ist der crfindungsgemäßc Umsetzer insgesamt mit dem Bezugs/eichen 10 bezeichnet und besitzt ein Metallgehäuse mit einem oberen oder cingangsscitigcn Gehäuseteil 12 und einem unteren ι «tier ausgangsscitigen Gehäuseteil 14 lerner ist eine zusätzliche Abdeckung 16 vorgesehen, die bei cingebati tem Umsetzer einen Hitzeschild an der Oberseite desselben bildet, wobei der Hitzeschild dazu dient, über ihm angeordnete Fahrzeugteile zu schützen, wenn der Umsetzer als Abgaskonvertcr für Automobile eingc setzt wird. Die Abgase bzw. die umzusetzenden Gase werden dem Umsetzer über eine Linlaßlcitung 18 zugeführt, die mit dem oberen Gehäuseteil 12 über ein Übergangsteil 20 verbunden ist. welches mil dem oberen Gehäuseteil 12 verschweißt ist. In ähnlicher Weise ist eine Auslaßleitung 22 mit einem ausgangsseitigen Übergangsteil 24 verschweißt, welches seinerseits mit dem unteren Gehauseteil 14 verschweißt ist.

Zwischen den Gehäuseteilen 12 und 14 befindet sich ■ in Katal>satorbehälter 28. der zwei perforierte Schalterteile 30 und 32 umfaßt. Der Katalysatorbehälter 28 ist mit Pellets 34 aus Katalysatormaterial gefüllt Das umfüllen der Pellets 34 erfolgt über ein Fiillrohr 36. welches bei 38 mit den Behältcrteilcn 30. 32 verschweißt ist. Das l'üllrohr 36 ist ferner bei 40 mit den Gehäusetcilcn 12 und 14 sowie wie 42 mn dei Abdeckung 16 verschweißt. Das hüllrohr 36 wird durch einen Verschluß 44 verschlossen

Um den Bchälterteilen 30, 32 eine zusät/K · l-Festigkeit zu verleihen, sind diese mit eingeprägten Rippen 48 bzw. 50 versehen. Die Ränder der Behälterteile 30, 32 sind als Flansche 52, 54 ausgebildet. die längs ihres Umfangs über eine Schweißnah! 56 miteinander verbunden sind. Die Flansche 52, 54 der Schalterteile 30, 32 sind in radialer Richtung in Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorbehälter 28 zwischen Flanvhen 58 und 60 an den Gehäuseteilen 12 bzw 14 beweglich Die in radialer Richtung verlaufenden Flansche 58, 60 werden durch einen in axialer Richtung verlaufenden Flanschbereich 62 am oberen Gehäuseteil 12 in einem vorgegebenen Abstand voneinander gehalten und sind über eine Schweißnaht 64 miteinander verbunden. Der Innendurchmesser des Flanschbereichs 62 ist grMier als der Außendurchmesser des katalyse •orbehähers 28. so daß sich ein Zwischenraum 66 ergibt, welcher für Wärmedehnungendes Ka-alysatorbehältc-". 28 zur Verfügung steht. Da der Katalysatorbehälter 28. die Gehäuseteile i2, 14 und die Abdeckung 16 sämtlich mn dem Füllrohr 36 verschweißt sind, versteht es sich, daß angrenzend an das Füllrohr 36 keine Relativbewegungen zwischen dem Katalysatorbehälter 28 und den Gehäuseteilen 12,14 stattfinden können. Diese Relativbewegungen ergeben sich vielmehr im Abstand von den Schweißverbindungen mit dem Füllrohr 36.

Der Katalysatorbehälter 28 kann sich aufgrund der vorstehend erläuterten Konstruktion in Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen frei zwischen den Gehäuseteilen 12, 14 bewegen. Es hat sich jedoch gezeigt daß zusätzliche Einrichtungen wünschenswert sind, um in der Mitte des Umsetzers die Gehäuseteile 12,14 und die Behälterteile 30,32 zu stützen. Zu diesem Zweck ist eine Sicherungszapfenanordnung vorgesehen, die -nsgesamt mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist. Diese Anordnung umfaßt einen Siiherungszapfcn 72 mi inneren Schultern 74. an denen jeweils eine Unterlags scheibe 76 anliegt. Auf den I 'ntcrlagsseheiben 76 lieget die Behälterleile 30 bzw. 32 mit dem Rand eine ■> Durchtrittsöffnung für den Sicherungszapfeii 72 aul wobei die Durchtrittsöffnung so groß bemessen ist. dal sich zwischen dem Sichcrungszapfen 72 und dem Ram der Diirchtriitsöffnungen ein Zwischenraum 78 ergibi weichet Wärmedehnungen der Behälterteile erniög

κι licht. Der Sicherungszapfen 72 besitzt ferner außen Schultern 80. an welchen sich jeweils eine außen Untcrlagsschcibe 82 abstützt. Die Untcrlagsscheibcn 7( und 78 verleihen den Bchälicrteilcn 30, 32 angrenzem an die Durchtrittsöffnungen fur den Sicherungszapfei

r> 72 eine gewisse Festigkeil und ermöglichen glcichzeiti| eine Gleitbewegung der Rcfiältcrteile relativ zu den Sicherungszapfen 72. Die von den äußeren Schultern 8( ausgehenden Fndbereichc 84 weiter verringcriei Durchmessers des Sichcrungszapfcns 72 sind von eine Anzahl flacher Unterlagsscheiben 76 umgeben. Dii Fnden der Endbereiche 84 durchgreifen Öffnungen ii den Gehäuseteilen 12, 14. welche angrenzend an diesi öffnungen konkav, insbesondere kugelförmig nacl innen gewölbte Bereiche 88 aufweisen. Auf de

2Ί Außenseile des konkav gewölbten Bereichs 88 jedes de Gehäuseteil 12, 14 befindet sich eine kugelförmi) gekrümmte Unicrlagsscheibc 92. welche ihrerseii durch eine flache Untcrlagsscheibe 94 gehaltert ist, di< bei 96 mit dem F.nde des Sichcrungszapfens T,

v< verschweißt ist. Die Anordnung ist dabei so gctroffcr daß die Gehäuseteil 12, 14 durch die gekrümmtci llntcrlagsschciben 92 gegen die Unterlagsscheiben 8( gepreßt werden.

Wie aus F i g. 2 der Zeichnung deutlich wird, hat de

i". i imsei.er 10 eine im wesentlichen runde Form. wob«, die der Verstärkung dienenden Rippen 48 bzw. 51 rechtwinklig zueinander verlaufen. Fs versieht sich, dal der I msetzcr auch eine längliche Form haben könnte und daß die Rippen 48, 50 entsprechend dei

*· I i-Migkeitsforderungen ebenfalls anders ausgcbildc sein konnten. Bei einem länglichen Umsetzer würdei die VerMarkungsrippen vorzugsweise parallel zu Längsrichtung des Umsetzers verlaufen. Ferner se darauf hingewiesen, daß bei größeren Umsetzern dii

i~ Notwendigkeit bestehen kann. zwei, vier oder meh Sicherungszapfenanordnunger vorzusehen.

Im Betrieb werden die umzusetzenden Gase beispielsweise die Abgase einer Brennkraftmaschine dem I Umsetzer 10 normalerweise über die Einlaßleitun,:

<" 18 zugeführt, durchströmen das Katalysatormateris (Pellets 34) und verlassen den Umsetzer durch dii Auslaßleitung 22. Dabei erwärmen sich die Gase ir Allgemeinen wegen der im Umsetzer ablaufende Reaktionen. Eine typische Einlaßtemperatur im Bereic:

des oberen Gehäuseteils 12 könnte beispielsweise be weniger als 300" C liegen, während im Bereich de ausgangsseitigen Behälterteils 32 die Temperaturen be 800⁰C oder höher liegen können. Damit nun dei Umsetzer 10 eine lange Lebensdauer erhält um

Wi beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eine Fahrstrecke von 80 000 km oder mehr übersteht, sollte er aus einen Material wie z. B. rostfreiem Stahl bestehen, welches dii erforderliche Korrosions- und Temperaturfestigkei besitzt. Obwohl die Temperaturdehnungen aufgrünt

G- von Temperaturdifferenzen, welche beim Einsatz de: Umsetzers auftreten, absolut gesehen relativ klein sind sind sie dennoch von großer Bedeutung, da dit Temperatur des Umsetzers laufend ansteigt und wiedei

abfällt, wenn die Motorendrehzahl und -belastung sich ändert. Aufgrund des Vorhandenseins des sphärisch nach innen gewölbten Bereichs 88 an den Gehäuseteilen 12 und 14 sowie aufgrund der in ähnlicher Weise gekrümmten Unterlagsscheiben 92 isi es möglich, daß die Gehäuseteile 12, 14 gegenüber dem Sicherungs/apfen 72 Rclativbewegungen, und /war Gleitbewegungen, ,umführen. Diese Gleitbewegungen verhindern, daß der Sicherungszapfen 72 ein Verbiegen der Gehäuseteile 12. 14 herbeiführt, wie dies bei einem eingeschweißten Sidierungs/apfen der !-"all wäre.

Hier/u 1 Wan Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Katalytischer Umsetzer, insbesondere Abgaskonverter für Automobile, mit einem Metallgehäuse, mit einem in dem Metallgehäuse beweglich gehalterten Katalysatorbehälter zur Aufnahme von Katalysatormaterial und mit einer Ein- und einer Auslaßleitung, die mit dem Metallgehäuse zum Zu- bzw. Abführen von Gasen verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Katalysatorbehälter (28) aus zwei schüsseiförmigen, perforierte Hauptflächen aufweisenden, metallischen Behälterteilen (30, 32), die im Bereich radialer umlaufender Flansche (52, 54) miteinander verbunden sind, durch ein Metallgehäuse aus zwei schalenförmigen Gehäuseteilen (12, 14), die radiale umlaufende Flansche (58, 60) aufweisen, die in radialer Richtung über die an den Behälterteilen (30, 32) vorgesehenen Flansche (52, 54) vorstehen und diese zwischen einander gleitverschieblich aufnehmen, durch einen an mindestens einem der Gehäuseteile (12) vorgesehenen in axialer Richtung verlaufenden Flanschbereich (62), welcher mit dem anderen Gehäuseteil (14) in radialer Richtung außerhalb der Flansche (52, 54) der Behälterteile (30, 32) verschweißt ist, durch mindestens einen Sicherungszapfen (72), der die Gehäuse- und Behälterteile (12,14 bzw. 30,32) durchgreift und der im Abstand von seinen Enden an einen verstärkten Mittelteil angrenzende innere Schultern (74) zur Gewährleistung eines vorgegebenen Mindestabstands der Hauptflächen der Behälterleile (30, 32) voneinander aufweist, durch an mindestens einem Sicherungszapfen (72) vorgesehene Endbereiche (84) verringerten Durchmessers, die Öffnungen größeren Durchmessers in den Gehäuseteilen (12, 14) durchgreifen, welche in unmittelbarer Nachbarschaft der Endbereiche (84) konkav nach innen gewölbt sind, durch an den Enden des mindestens einen Sicherungszapfens (72) vorgesehene Befestigungselemente (92 — %) zum Zusammenhalten der Gehäuseteile (12, 14) und durch eine gleitende Relativbewegung zwischen den Gehäuseteilen (12, 14) einerseits sowie dem Sicherungszapfen (72) und den Befestigungselementen (92-96) andererseits ermöglichende Ausbildung mindestens eines (92) der Befestigungselemente (92-96) komplementär zu dem konkav gewölbten Bereich des zugeordneten Gehäuseteils (12,14).

   Die Erfindung betrifft einen katalytischen Umsetzer, insbesondere einen Abgaskonverter für Automobile, mit einem Metallgehäuse, mit einem in dem Metallgehäuse beweglich gehalterten Katalysatorbehälter zur Aufnahme von Katalysatormaterial und mit einer Ein- und einer Auslaßleitung, die mit dem Metallgehäuse zum Zu- bzw. Abführen von Gasen verbunden sind. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Abgaskonvertern für ein Katalysatormaterial, welches in Form einzelner Teilchen vorliegt.

   In derartigen Umsetzern erzeugen die Reaktionen, die /wischen Sauerstoff und nichtverbrannten Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid ablaufen, eine große Wärmemenge. Wenn das Bett aus Kjtalysatormaterial, verglichen mit dem Volumen der ihm zugeführten Gase bzw. Abgase, verhältnismäßig groß ist oder wenn ein relativ schwach wirksames Katalysatormaterial verwendet wird, kann die Temperaturdifferenz zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Umsetzers üblicherweise auf Werten von 275° C oder weniger gehalten werden. Eine solche relativ geringe Temperaturdifferenz führt im allgemeinen nicht zu merklichen thermischen Spannungen zwischen dem Gehäuse des Umsetzers und dem Katalysatorbett bzw.

   ίο dem Katalysatorbehälter, welcher darin montiert ist, so daß es möglich ist, den Katalysatorbehälter und das Gehäuse direkt miteinander zu verschweißen, ohne daß hierdurch die zu erwartende Lebensdauer des Umsetzers merklich verringert würde.

   Wenn der zur Verfügung stehende Platz das Arbeiten mit einem großen Katalysatorbehälter nicht gestattet, ist es natürlich erforderlich, mit einem kleineren Katalysatorbehälter zu arbeiten und weniger Katalysatormaterial einzusetzen. Dies läßt sich erreichen, indem man wirksamere Katalysatoren, wie z. B. Platin, verwendet. In solchen kompakten Umsetzern sind Temperaturdifferenzen zwischen 670 und 1100⁰C keineswegs eine Seltenheit.

   Die mit hohen Temperaturgradienten längs eines katalytischen Umsetzers verbundenen Probleme wurden bereits früher erkannt, und in der US-PS 36 00 142 wird beispielsweise vorgeschlagen, diese Probleme dadurch zu verringern, daß man den Katalysatorbehälter in einer Weise anbringt, die eine gleitende Relativbewegung desselben gegenüber dem Gehäuse des Umsetzers ermöglicht. Obwohl eine derartige, Relativbewegungen ermöglichende Befestigung des Katalysatorbehälters gewisse Probleme beseitigt, die sich aufgrund hoher Temperaturdifferenzen ergeben,

   ii bleiben doch andere Probleme ungelöst. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, daß überschüssiger Sauerstoff in den Abgasen mit nichtverbrannten Kohlenwasserstoffen reagiert, so daß sich Rückschläge bzw. Explosionen ergeben. Solche Explosionen führen zu

   »o sehr hohen Druckimpulsen, welche auf die Eingangsseite des Katalysatorbehälters und das Umsetzergehäuse wirken und die Tendenz haben, diese Bauteile voneinander zu lösen und zu verformen. Bedingungen, welche das Entstehen von Rückschlägen fördern,

   ■4) werden häufig angetroffen, wenn eine Brennkraftmaschine langsamer wird. Bei Umsetzern, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, wurde bereits vorgeschlagen, den Katalysatorbehälter und das Umsetzergehäuse in Richtung der Gasströmung mit Hilfe

   ^r>o eines oder mehrerer Sicherungszapfen starr gegeneinander festzulegen, und zwar mit Hilfe von Sicherungszapfen, die den Katalysatorbehälier und das Umsetzergehäuse durchdringen und an diesen Bauteilen befesiigt sind. Die.<;e Art der Befestigung ist bei starren Umsetzergehäusen und beim Arbeiten mit geringen Tetnperaturdifferenzen recht befriedigend, führt jedoch bei großen Temperaturgradienten zu Spannungen, welche Schaden an dem Umsetzer zur Folge haben.

   Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand

   w) der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen katalytischen Umsetzer mit kompaktem Aufbau vorzuschlagen, bei welchem Beschädigungen infolge hoher Temperaturdifferenzen in der Größenordnung von 550"C und mehr sowie infolge von plötzlichen

   iii Druckwellen, wie sie sich aufgrund von Rückschlägen in der Abgasleitung ergeben, vermieden werden.

   Diese Aufgabe wird durch einen Umsetzer der eingangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäß der