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Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Reaktors sowie
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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.
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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.
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Um maximale Lebensdauer des katalytischen Reaktors zu gewährleisten,
müssen Relativbewegungen, beispielsweise Schwingungen oder Drehungen, zwischen dem
Gehäuse und der Wabenstruktur vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße katalytische
Reaktor sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
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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.
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Das elastische katalytische Element kann aus einem elastischen Substrat
mit darin angeordnetem Katalysator bestehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.