DE2905241A1

DE2905241A1 - Traegermatrix fuer einen katalytischen reaktor zur abgasreinigung bei brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2905241A1
Application number: DE19792905241
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Ing Busse
Original assignee: Bremshey AG
Current assignee: Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
Priority date: 1979-02-12
Filing date: 1979-02-12
Publication date: 1980-08-14

Description

Trägermatrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung
bei Brennkraftmaschinen.
Die Erfindung geht aus von einer Trägermatrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Wabeneinsatz in Form eines Wickels aus hochtemperaturfestem gewellten und glatten Metallband mit einer katalytisch aktiven Beschichtung.
Eine derartige Trägermatrix ist in gewickelter Form beispielsweise bereits aus der DE-OS 23 03 746 bekannt und zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie eine große geometrische Oberfläche bei verhältnismäßig geringem Gewicht und Druckverlust sowie eine hohe Verschleißfestigkeit hat bei guter Anordnungs- und Einbaufähigkeit und einfacher Herstellbarkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Trägermatrix noch insbesondere bezüglich der Durchströmung, der Wärmebelastung, des Anspringverhaltens und der Einbaufähigkeit weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wabeneinsatz aus einer konischen Wicklung besteht. Auf diese Weise ist eine katalytische Trägermatrix der eingangs genannten Bauart in Form eines Kegels geschaffen, dessen innere Lagen gegenüber den äußeren Lagen in axialer Richtung verschoben sind. Dadurch hat die Trägermatrix eine schraubenförmig verlaufende, treppenförmige Kontur von der Außenfläche zur Kegelachse hin, wobei die von dem gewelltem Metallband gebildeten Wabenkanäle schräg zur Kegelachse ausgerichtet sind. Diese schräg verlaufenden Wabenkanäle erzeugen einen Strösungsdrall, der mit der einhergehenden Verwirbelung des Abgases einen weit höheren katalytisch aktiven Wirkungsgrad als bei der bekannten Wickelform einer Trägermatrix ergibt, weil die Abgasströmung durch den Drall eine intensivere Kontaktierung bzw. einenintensiveren Stoffausstausch mit der katalytisch aktiven Beschichtung der Trägermatrix und gegebenenfalls auch der katalytischen Beschichtung der Abgasleitung selbst herbeiführt. Da die Reaktionen auch über eine größere Länge verteilt werden, wird die Reaktionszone vergrößert und zugleich auchJlB Wärmebelastung der Matrix und damit die Einschmelzgefahr bei Überhitzung verringert, zum Beispiel bei Ausfall der Zündung oder infolge von Treibstoff-Gemischfehlern, womit auch die Funktionsbeständigkeit wesentlich erhöht wird. Außerdem wird auch die Wärmeableitung vom Kern der Matrix nach außen hin an die ältere Abgasleitung verringert und somit das Anspringverhalten der katalytischen Reaktionen verbessert. Und schließlich läßt sich die Matrix mit ihrer Kegelspitze auch noch leichter in die Abgasleitungen einführen, insbesondere auch in schwer zugängliche Rohrbögen. Die Kegelspitze kann insbesondere auch in Öffnungen oder Freiräume benachbarter Bauteile hineinragen, ohne daß diese Bauteile mit der Matrix unmittelbar verbunden sein müssen. Alle diese Vorteile lassen sich ohne Mehraufwand an Material und Gewicht erzielen.
Eine besonders vorteilhafte, einfache Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die konische Wicklungvonden aus dz äußeren Wickel-Lage teleskopförmig ausgezogenen inneren Wickel-Lagen gebildet ist. Hierbei kann das glatte und das gerollte Metallband für den Wickelvorgang von der Rolle weg verarbeitet werden.
Einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entsprechend kann die konische Wicklung aus sichelförmigen Metallbändern gewickelt sein. Auf diese Weise läßt sich die schraubenförmig verlaufende Abstufung der Trägermatrix bereits beim Wickeln erzielen und über die gesamte Baulänge der Konusform konstant halten. Dadurch steigt auch der Drall der Wabenkanäle zum Kern des Wickels hin an, so daß auch eine stabile Wirbelströmung der Wabenkanäle gegeben ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in bezug auf die Formbeständigkeit und leichte Montage der Trägermatrix ergibt sich noch dadurch, daß die vorzugsweise aus hochtemperaturfesten Stahlbändern gegen Eigenspannung zusammengerollte Wicklung durch vorzugsweise lösbare bzw. abstreifbare Aufrollsicherungen formbeständig sicherbar ist.
Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 den Querschnitt durch ein Teilstück der erfindungsgemäßen Trägermatrix, Fig. 2 eine Seitenansicht dieser Trägermatrix in einem Halb-Längsschnitt, Fig. 3 die Trägermatrix innerhalb einer Abgas leitung, und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Trägermatrix aus sichelförmigen Metallbänder- Zuschnitten.
Die Trägermatrix ist aus einem glatten Blechband 1 und aus einem profilierten, vorzugsweise gerippten oder gewellten Blechband 2 gebildet. Die beiden Bänder 1 und 2 bestehen vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Stahl und sind in der dargestellten Form zu einer Wicklung W mit einem separaten Rohrstück als Kern oder ohne einen solchen zusammengerollt Die Wicklung W ist mit einer geeigneten katalytisch aktiven Beschichtung versehen, die entweder vor dem Wickeln der Bänder 1 und 2 oder aber danach aufgebracht sein kann.
Beim Zusammenrollen der Bänder 1 und 2 bildet das zu unterst liegende glatte Band 1 die Boden- und Deckenlagen der Wicklung W und das auf Band 1 aufliegende gewellte Band 2 die dazwischen befindliche Wabenstruktur mit in Richtung zur Wickelachse x-x verlaufenden Wellen 2a. Auf diese Weise ergeben sich wabenförmige Kanäle 3 zur Passage der Abgasströmung.
Je nach Materialbeschaffenheit der Bänder 1 und 2 steht die Wicklung W bzw. der Wabeneinsatz unter einer mehr oder weniger großen Federspannung, die sich in Richtung einer radialen AusdehnungOzu entfalten sucht. Die Wicklung W kann darum zur Sicherung der gewickelten Form der Trägermatrix mit einem geeigneten Fixiermittel, zum Beispiel einer Draht- oder Bandmanschette 4 versehen sein. Diese Manschette 4 kann auch beim Einbau des Wabeneinsatzes wieder bedarfsweise leicht abgestreift werden, um die erwähnte Federvorspannung zur kraftschlüssigen Verankerung K des Wabeneinsatzes in der Abgas leitung 5, 6 zu nützen Anstelle der Manschette 4 kann das glatte Band 1 an seinem äußeren Ende la beispielsweise auch mit einem Haken lb in einem Durchbruch lc der nächst darunter befindlichen Lage des Bandes 1 eingehakt sein und auf diese Weise die Wicklung W gegen das Aufrollbestreben zusammenhalten.
Der Haken lb ist elastisch nachgiebig, wenn er aus dem Durchbruch lc ausgehakt ist und der Wabeneinsatz unter Eigenspannung in der Abgasleitung 5, 6 verankert werden soll. Im übrigen läuft das äußere Ende la vorzugsweise in der aus Fig. 1 ersichtlichen Ausgestaltung unter Bildung einer zylindrischen Mantelfläche M aus.
Erfindungsgemäß hat die katalytische Trägermatrix in Gestalt des Wabeneinsatzes eine konische Formgebung.
Diese Formgebung ist am einfachsten dadurch zu erhalten, daß man die inneren Lagen I der Wicklung W teleskopförmig aus der äußeren Lage II der Wicklung mehr oder weniger herauszieht bzw. -drückt, wobei die Wellen 2a des gewellten Bandes 2 an der Kegelspitze freigelegt werden. Durch das Teleskopieren der inneren Lagen I der Wicklung W in Richtung der Achse x-x erhält die Trägermatrix eine schraubenförmig verlaufende, treppenförmige Kontur von der Außenfläche M bzw. äußeren Lage I zur Achse x-x hin. Gleichzeitig verschieben sich die wabenförmigen Abgaskanäle 3 schräg zur Achse x-x. Diese Schrägstellung der Abgaskanäle 3 verleiht der Abgasströmung in der Abgasleitung 5,6 einen Strömungsdrall und bewirkt dadurch eine intensive Verwirbelung und solchermaßen eine ebenso intensive Kontaktierung des Abgases mit der katalytisch aktiven Beschichtung des Trägermatrix-Wabeneinsatzes sowie auch noch gegebenenfalls einer entsprechenden Beschichtung an der Innenwandung der Abgasleitung 5,6 selbst. Man kann die inneren Lagen II gleichmäßig oder ungleichmäßig ausschreien.In letzterem Falle ergeben sich unterschiedlich lange Abstufungen s',s",s ,st"und damit voneinander abweichende Drallrichtungen im Sinne einer noch aktiveren Verwirb0sE Zugleich wird infolge der Vergrößerung der Länge der Trägermatrix und der damit verbundenen Verteilung der Reaktionen auf eine entsprechend größere Länge, die Reaktionszone ohne irgendeinen Mehraufwand an Bauteilen und Material vergrößert. Außerdem wird auch die Wärmebelastung der Trägermatrix verringert, so daß auch die Gefahr eines Einschmelzens der Trägermatrix durch Überhitzung vermindert wird, wie etwa bei Ausfall der Zündung oder auf-grumd von Gemischfehlern des Treibstoffes.
Darüber hinaus wird durch die konusförmige Ausgestaltung der Trägermatrix die Ableitung der Wärme vom Kern der Matrix her nach außen hin an die kältere Abgasleitung 5,6 verringert und dadurch noch das thermisch abhängige Anspringverhalten der katalytischen Reaktionen verbessert.
Und schließlich ermöglicht die konusförmige Ausbildung der Trägermatrix auch noch eine leichtere Einführung und Montage in die Abgasleitung 5,6 und damit insbesondere auch die aus Fig. 3 ersichtliche Anordnung in schwer zugängliche Rohrkrümmer . Dabei kann die Trägermatrix mit ihrer Konusspitze erforderlichenfalls auch in die gekrümmte Abgas leitung 6 unter Ausnutzung des ansonsten unzugänglichen Freiraumes 6a wie ein Fühler hineinragen. Die Trägermatrix braucht darüber hinaus auch nicht einmal in der gekrümmten Abgasleitung 6 direkt verankert sein; vielmehr kann die Trägermatrix erforderlichenfalls auch in dem an den gekrümmten Leitungsteil 6 angeschlossenen bzw. angeflanschten geraden Leitungsteil 5 gehalten sein und von dort mit ihrer Kegelspitze in den gekrümmten Leitungsteil 6 hineinragen, ohne diesen selbst zu berühren.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann die Wicklung W bzw.
die Trägermatrix beispielsweise auch aus Bändern 1' und 2' sichelförmigen Zuschnittes gewickelt sein Dadurch erhält man die Konusform in gewickeltem Zustand mit der schraubenförmig verlaufenden Abstufung in der Kontur der Trägermatrix unmittelbar schon beim Au6vickeln der Bänder 1' und 2'. Je nach der Ausrichtung der Wellen 2a im Zuschnitt erhält man ferner hierbei eine konstante Abstufung über die ganze Länge der Trägermatrix bei voller Kegelmasse und entsprechender großer katalytischer Träger-Beschichtungsfläche.
Die Formbeständigkeit der konischen Trägermatrix wird beispielsweise dadurch gewährleistet, daß man die Matrix nach dem Wickeln mittels Elektronenstrahl-Schweißung in sich fixiert, vorzugsweise bei diametraler Ausrichtung des Elektronenstrahles. Einer besonderen äußeren Formhalterung, etwa entsprechend den Fixiermitteln lb, lc oder 4 bedarf es danach nicht.

Claims

Patentansprüche Trägermatrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Wabeneinsatz in Form eines Wickels aus hochtemperaturfestem gewelltem und glattem Metallband mit einer katalytisch aktiven Beschichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wabeneinsatz (W) aus einer konischen Wicklung besteht.
2. Trägermatrix nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die konische Wicklung von den aus der äußeren Wickel-Lage (II) teleskopförmig ausgezogenen inneren Wickel-Lagen (I) gebildet ist.
3. Trägermatrix nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die konische Wicklung aus sichelförmigen Metallbändern (1", 2') gewickelt ist.
4. Trägermatrix nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die vorzugsweise aus hochtemperaturfesten Stahlbändern (1,2) gegen Eigenspannung zusammengerollte Wicklung durch vorzugsweise lösbare bzw. abstreifbare Aufrollsicherungen (lb, lc; 4) formbeständig sicherbar ist.