DE2917924A1 - Verfahren zur herstellung eines katalytischen reaktors sowie katalytischer reaktor - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors sowie
• katalytischer Reaktor Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors, der in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere solchen von Kraftfahrzeugen, anwendbar ist und die Aufgabe hat, unverbrannte Bestandteile des Abgases zu spalten und dadurch die Schadstoffemission zu verringern. Ferner bezieht sich die Erfindung auf den katalytischen Reaktor selber.
• Katalytische Reaktoren der genannten Art arbeiten mit Katalysatoren, die in Zwischenräumen von entweder aus keramischem Material oder aus Metall bestehenden Zellen- oder Wabenstrukturen angeordnet sind. Metallische Wabenstrukturen dieser Art können aus abwechselnden Lagen aus gewelltem und flachem Blech hergestellt werden, beispielsweise in der Weise1 daß ein Schichtblech aus einer gewellten Lage und einer flachen Lage zu einem zylindrischen Körper gerollt bzw. gewickelt wird. Eine Alternative dazu besteht darin, daß zwei Lagen aus spiralig gewelltem Blech überkreuz gelegt und zu einem zylindrischen Körper gerollt bzw. gewickelt werden. Diese den Katalysator enthaltenden Zellen- bzw. Wabenstrukturen sind in einem geeigneten Behälter bzw. Gehäuse angeordnet, das Mittel aufweist, die eine Verbindung mit der Abgasanlage ermöglichen.
• Um maximale Lebensdauer des katalytischen Reaktors zu gewährleisten, müssen Relativbewegungen, beispielsweise Schwingungen oder Drehungen, zwischen dem Gehäuse und der Wabenstruktur vermieden werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße katalytische Reaktor sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
• Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein katalytischer Reaktor in der Weise hergestellt, daß ein elastisches katalytisches Element in ein metallisches Gehäuse eingeführt wird und daß die Innenabmessungen des Gehäuses so verringert werden, daß das katalytische Element zusammengedrückt wird. Vorzugsweise werden die Innenabmessungen des Gehäuses gleichmässig verringert.
• Das elastische katalytische Element kann aus einem elastischen Substrat mit darin angeordnetem Katalysator bestehen.
• Das elastische Substrat ist beispielsweise eine metallische Waben- oder Gitterzellenstruktur. Alternativ kann das elastische katalytische Element aus einem steifen Substrat mit darin angeordnetem Katalysator bestehen. Das steife Substrat ist beispielsweise eine keramische Waben- oder Gitterzellenstruktur, die zur Erzielung der elastischen Eigenschaften von einer tragenden Schicht aus elastischem Material, beispielsweise gekräseltem Draht oder einer faserigen Matte, umgeben ist. Im letzteren Fall ist der Ringraum zwischen dem Gehäuse und der keramischen Waben- bzw. Gitterzellenstruktur vorzugsweise so abgedichtet, daß die durch den katalytischen Reaktor strömenden Abgase nicht durch die Schicht aus gekräuseltem Draht oder faserigem Material sondern durch die keramische Struktur strömen.
• Die Innenabmessungen des metallischen Gehäuses können durch ein Kalibrierverfahren verringert werden, bei dem, nachdem das katalytische Element in das metallische Gehäuse eingeführt worden ist, diese Einheit in einem Reduzierwerkzeug angeordnet wird, das mehrere Segmente aufweist, deren Innenflächen der Außenseite des metallischen Gehäuses entsprechen, wobei die Segmente in einer im wesentlichen zur Oberfläche des Gehäuses senkrechten Richtung nach innen bewegt werden, so daß das metallische Gehäuse zusammengedrückt wird und seine Abmessungen gleichmäßig verringert werden.
• Wenn nach diesem Verfahren gearbeitet wird, paßt das katalytische Element vorzugsweise vor dem Kalibrieren genau in das Metallgehäuse, wobei allerdings dann, wenn das katalytische Element ein von einer Schicht aus gekräuseltem Draht oder Faservlies umgebenes keramisehes Substrat umfaßt, die Schicht aus gekräuseltem Draht oder Faservlies vor dem Einführen in das Metallgehäuse vorkomprimiert werden kann. Das Kalibrierverfahren führt im Falle eines katalytischen Elementes auf der Grundlage einer metallischen Waben- bzw. Gitterzellenstruktur zu einer Verringerung des Innendurchmessers des metallischen Gehäuses im Bereich von 1 bis 4 mm, vorzugsweise von 2 mm. Im Falle eines katalytischen Elementes auf der Grundlage einer keramischen Waben- bzw. Gitterzellenstruktur wird der Innendurchmesser um 4 bis 10 mm und mehr, vorzugsweise um 6 bis 8 mm, verringert.
• Im Falle eines katalytischen Elementes auf der Grundlage einer metallischen Waben- bzw. Gitterzellenstruktur wird das metallische Gehäuse nach dem Kalibrieren bzw. Reduzieren vorzugsweise durch gleichmäßiges Pressen oder Rollen an bestimmten Stellen weiter zusammengedrückt, um zumindest einen Abschnitt mit verringerter Querschnittsfläche in Form eines engeren Endabschnittes oder einer umlaufenden Rille zu schaffen, der bzw. die für formschlüssige axiale Sicherung zwischen dem katalytischen Element und dem metallischen Gehäuse sorgt. Zusätzlich oder alternativ kann das katalytische Element im metallischen Gehäuse mit Hilfe von Halteteilen gesichert sein, die an den Stirnflächen des katalytischen Elementes anliegen und direkt oder indirekt am Gehäuse befestigt sind. Diese Halteteile können einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die in das katalytische Element vorstehen, wie dies in der Patentanmeldung P 27 52 716.8 beschrieben ist.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen katalytischen Reaktor; Figur 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten katalytischen Reaktors; und Figur 3 schematisch ein Werkzeug zur Herstellung der katalytischen Reaktoren gemäß den Figuren 1 und 2.
• Der in Figur 1 dargestellte katalytische Reaktor umfaßt einen Reaktoreinsatz 10, der aus einer metallischen Wabenstruktur besteht, die aus einem Schichtblech hergestellt ist, das aus einer ebenen Blechlage und einer darüberliegenden gewellten Blechlage besteht und zu einem zylindrischen Körper gerollt bzw. gewickelt worden ist. Der Katalysator befindet sich in den Zwischenräumen der metallischen Wabenstruktur. Dieser Reaktoreinsatz 10 ist in einem Gehäuse 11 aus Metall angeordnet, das auf den Reaktoreinsatz 10 starken radialen Druck ausübt, der dazu beiträgt, eine Relativbewegung zwischen dem Reaktoreinsatz 10 und dem Gehäuse 11 zu verhindern. Am Gehäuse 11 sind zwei in Umfangsrichtung verlaufende Rillen 12 ausgebildet, die durch formschlüssigen Eingriff- in den Reaktoreinsatz für dessen axiale Festlegung sorgen.
• Am metallischen Gehäuse 11 sind zwei kegelstumpfförmige Endstücke 13 und 14 angeschweißt, die einen Einlaß bzw. einen Auslaß für den katalytischen Reaktor bilden. Ferner sind zwei Anschlußstutzen 18 torgesehen, die dazu dienen, den katalytischen Reaktor mit der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges verbinden zu können. In den weiteren Enden der Endstücke 13 und 14 sind stern- bzw. kreuzförmige Halteteile 15 so befestigt, daß diese an den Stirnflächen des Reaktoreinsatzes 10 anliegen. Die Halteteile 15 sind mit Vorsprüngen 16 versehen, die in den Reaktoreinsatz 10 eindringen und dadurch eine Drehung des Reaktoreinsatzes 10 relativ zum Gehäuse 11 verhindern.
• Im einlaßseitigen Endstück 13 des katalytischen Reaktors ist eine V-förmige Ablenkplatte 17 angeordnet, die den Abgasstrom so aufteilen kann, daß er über den gesamten Reaktoreinsatz 10 verteilt wird.
• Zur Herstellung des vorstehend beschriebenen katalytischen Reaktors wird ein Reaktoreinsatz 10, der beispielsweise einen Durchmesser von 88,5 mm hat, in ein zylindrisches Gehäuse 11 mit einem Innendurchmesser von 90 mm gesetzt, wobei das Gehäuse 11 an beiden Enden über den Reaktoreinsatz 10 vorsteht.
• Diese Einheit wird dann in ein Reduzierwerkzeug 30 eingebracht, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Das Reduzierwerkzeug 30 umfaßt vier Segmente 31, deren Innenflächen 32 der Außenseite des metallischen Gehäuses 11 entsprechen. Die Segmente 31 werden in Radialrichtung zusammengeschoben, so daß sie die Einheit aus dem Gehäuse 11 und dem Reaktoreinsatz 10 gleichmäßig zusammendrücken und den Innendurchmesser des metallischen Gehäuses auf beispielsweise 88 mm verringern. Da die Elastizität des metallischen Gehäuses 11 wesentlich geringer als die des metallischen Reaktoreinsatzes 10 ist, wird dadurch hoher radialer Druck zwischen dem Gehäuse 11 und dem Reaktoreinsatz 10 erzeugt. Die zusammengedrückte Einheit wird dann aus dem Reduzierwerkzeug 30 entnommen und in einem weiteren Arbeitsgang örtlich so zusammengedrückt, daß die Rillen 12 ausgebildet werden, die V-Form oder U-Form haben können und beispielsweise eine Tiefe von 3,2 mm und einen Abstand von 25 mm haben.
• Der in Figur 2 dargestellte katalytische Reaktor weist einen Reaktoreinsatz 20 auf, der als keramische Zellen- oder Wabenstruktur ausgebildet ist und eine nichtporöse Umfangsfläche 22 hat. Den keramischen Reaktoreinsatz 20 umgibt eine Drahtschicht 21 aus Drahtgewebe, Drahtgewirke, Drahtwolle oder dergleichen. Wie bei der unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Ausführungsform ist der Reaktoreinsatz in dem Metallgehäuse 11 angeordnet. An den Enden des Gehäuses 11 befestigte kegelstumpfförmige Endstücke 23 und 24, die den Einlaß und den Auslaß des katalytischen Reaktors bilden, weisen Flanschabschnitte 25 auf, die den Ringraum zwischen dem keramischen Reaktoreinsatz 20 und dem Gehäuse 11 abdichten, in dem sich die elastische Drahtschicht 21 befindet. Die Flanschabschnitte 25 und die nichtporöse Umfangsfläche 22 des keramischen Reaktoreinsatzes 20 sorgen gemeinsam dafür, daß alles Abgas durch den keramischen Reaktoreinsatz und nicht durch die Drahtschicht 21 strömt.
• Der in Figur 2 dargestellte katalytische Reaktor wird auf ähnliche Weise hergestellt wie der in Figur 1 dargestellte katalytische Reaktor. Der Reaktoreinsatz 20, der als keramische Wabenstruktur ausgebildet ist und beispielsweise einen Außendurchmesser von 101,5 mm hat, wird mit der Drahtschicht 21 umgeben, die unkomprimiert eine Dicke von 7,2 mm hat. Nach einer Vorkomprimierung wird der Reaktoreinsatz 20 mit der herumgelegten Drahtschicht 21 in das metallische Gehäuse 11 gesetzt, das beispielsweise einen Innendurchmesser von 114,6 mm hat. Diese Einheit wird dann in einem dem unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebenen Werkzeug entsprechenden Reduzierwerkzeug zusammengedrückt, bis der Innendurchmesser des metallischen Gehäuses 11 auf 106,8 mm verringert ist. Der auf diese Weise von der zusammengedrückten Drahtschicht 21 auf den keramischen Reaktoreinsatz 20 ausgeübte radiale Druck reicht aus, um eine Relativbewegung zwischen dem keramischen Reaktoreinsatz 20 und dem metallischen Gehäuse 11 unter Betriebsbedingungen zu verhindern. Alternativ zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Drahtschicht, die beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus gekräuseltem Draht besteht, aus einem Faservlies mit einer Dicke von 8 mm bestehen, wobei dann der Innendurchmesser des metallischen Gehäuses 11 auf 108,8 mm verringert wird.
• Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen haben die katalytischen Reaktoren kreisförmigen Querschnitt; nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch katalytische Reaktoren mit nicht kreisförmigen Querschnitten, beispielsweise mit elliptischen Querschnitten, hergestellt werden. Das in Figur 3 dargestellte Reduzierwerkzeug 30 hat vier Segmente 31; je nach Form und Abmessungen des herzustellenden katalytischen Reaktors kann das Reduzierwerkzeug jedoch auch mehr oder weniger Segmente aufweisen.

Claims (16)

1. Patentansprüche (1Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein elastisches katalytisches Element in ein metallisches Gehäuse eingeführt wird und daß nach dem Einführen des katalytischen Elementes in das metallische Gehäuse die Innenabmessungen des metallischen Gehäuses so verringert werden, daß das katalytische Element zusammengedrückt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Innenabmessungen des metallischen Gehäuses gleichmäßig verringert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n-e t , daß das metallische Gehäuse mittels eines Reduzierwerkzeuges zusammengedrückt wird, das mehrere Segmente aufweist, deren Innenflächen der Außenseite des metallischen Gehäuses entsprechen und die so angeordnet sind, daß sie in einer im wesentlichen zur Oberfläche des Gehäuses senkrechten Richtung nach innen bewegt werden können, so daß die Innenabmessungen des Gehäuses verringert WeTd en und dadurch das darin angeordnete katalytische Element zusammengedrückt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das katalytische Element ein Reaktoreinsatz in Form einer zylindrischen metallischen Wabenstruktur oder Gitterzellenstruktur ist, wobei sich der Katalysator in den Zwischenräumen der Waben- bzw. Gitterzellenstruktur befindet.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der metallische Reaktoreinsatz aus abwechselnden Lagen aus flachem Blech und gewelltem Blech hergestellt wird, die zu einem zylindrischen Körper gewickelt bzw. gerollt werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Reaktoreinsatz solche Abmessungen hat, daß er genau in das Gehäuse paßt, bevor dessen Innenabmessungen verringert werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Innenabmessungen des Gehäuses um 1 bis 4 mm verringert werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß nach der Verringerung der Innenabmessungen des Gehäuses der katalytische Reaktor an bestimmten Stellen durch gleichmäßiges Pressen oder Rollen örtlich weiter zusammengedrückt wird, so daß zumindest ein Abschnitt mit verringerter Querschnittsfläche ausgebildet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der katalytische Reaktor mit zumindest einem Endabschnitt mit verringerter Querschnittsfläche oder zumindest einer Umfangsrille versehen wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das katalytische Element einen steifen keramischen Reaktoreinsatz mit Waben- oder Gitterzellenstruktur sowie eine den Reaktoreinsatz umgebende Schicht aus elastischem Material umfaßt, wobei der Katalysator in den Zwischenräumen der Waben- bzw. Gitterzellenstruktur angeordnet ist und zwischen dem keramischen Reaktoreinsatz und der Schicht aus elastischem Material eine dichtende Schicht angeordnet ist.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Schicht aus elastischem Material aus gekräuseltem Draht oder einer faserigen Matte besteht.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Schicht aus elastischem Material vorkomprimiert wird, bevor das katalytische Element in das Gehäuse eingeführt wird.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Innenabmessungen des Gehäuses um 4 bis 10 mm verringert werden.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß am Gehäuse Flansche befestigt werden,die den Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem keramischen Reaktoreinsatz abdichten.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß am Gehäuse kegelstumpfförmige Endstücke befestigt werden, die Ein- und Auslässe zur Herstellung einer Verbindung mit einer Abgasanlage bilden.
16. 16. Katalytischer Reaktor, g e k e n n z e i c h n e t durch ein elastisches katalytisches Element (10; 20, 21), das innerhalb eines metallischen Gehäuses (11) angeordnet ist, das starken radialen Druck auf das katalytische Element ausübt, wobei zunächst das elastische katalytische Element in das metallische Gehäuse eingeführt worden ist und danach die Innenabmessungen des metallischen Gehäuses so verringert worden sind, daß das katalytische Element zusammengedrückt ist.