DE3007867A1

DE3007867A1 - Katalytischer konverter fuer brennkraftmaschinenabgase

Info

Publication number: DE3007867A1
Application number: DE19803007867
Authority: DE
Inventors: John Ingemar Jalbing; David Earle Roberts; Jack Edwin Smith
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1980-02-28
Publication date: 1980-11-06
Also published as: CA1134750A; GB2048706A; JPS55139917A; US4256700A; FR2454517A1; FR2454517B1; GB2048706B

Description

Ein katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise durch die US-PS 3 771 969 bekannt«,

Bei derartigen Konvertern ist es erforderlich, dass das Luftrohr auch bei Wärmedehnungen während des Betriebes in seiner Lage gehalten wird und zugleich eine einwandfreie Abdichtung beibehalten wlrd_o Ist ein Luftrohr gerader Form mit dem Gehäuse verbunden und ergeben sich nicht gleiche Wärmedehnungen von Gehäuse und Luftrohr, so kann das Luftrohr übermässig auf Zug oder D_ruck beansprucht werden, so dass es selbst oder seine erbindung mit dem ^uehäuse zer stört wirdβ

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ka~ talytjslchen Konverter der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, dass Schäden am Luftrohr oder dem Gehäuse infolge τοη Wärmedehnungen unter Aufrechterhalten der richtigen Lage und der Abdichtung vermieden werden«,

Diese Aufgabe wird durch die im Kennteichnungsteil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöste

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen«,

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in herst ellungsmäss ig einfacher und zuverlässiger Weise, wobei infolge der ermöglichten linearen Wärmedehnung des Luftrohrsj besondere Verstärkungsmassnahmen am Gehäuse entbehrlich sind

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den ^eicrmungen dargestellte In den Zeichnungen zeigen Figo 1 einen Längsschnitt durch einen katalytischen

Konverter nach der ü_rfindung,

Figo 2 einen Schnitt nach der linie 2-2 in Fig_o 1, Figo 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig_o1, Figo 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig_o1, Figo 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig_o 1

in grösserem Maßstäbe,

Figo 6 einen Teilschnitt nach der Linie 6-6 in Figo5» Fig. 7 einen Teilschnitt nach der Linie 7-7 in Figo Figo 8 eine perspektivische Darstellung des Konverters mit auseinander gezeichneten Teilen,,

Der katalytische Konverter enthält zwei Katalysatorelemente 10 und 12, die hintereinander in einem Metallgehäuse 13 mit ihren Stirnflächen 14 und 15 einander zugewandt untergebracht sind_e Das G-ehäuse 13 besteht aus zwei Schalen 16 und 18, die an ihren Enden Halbstutzen 20,21 und 22,23 aufweisen, die zusammen passen, so dass die Halbstut— zen 20 und 22 eine zylindrische Öffnung 24 zu einem sich erweiternden Kanal 25 bilden, der sich bis zur vollen vorderen Stirnfläche 26 des Katalysatorelements 10 erstreckt₀ Die Halbstutzen 21 und 23 bilden eine zylindrische Öffnung/am anderen Ende des Gehäuses, von der sich ein erweiternder Kanal 28 zur hinteren Stirnfläche des Katalysatorelements 12 erstreckte Die Schalen 16 und 18 passen an ihren Längs-

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kanten mit abgewinkelten Flanschen 32,33 und 34,35 zusammen, die durch Schweißnähte 36 und 37 abgedichtet miteinander verbunden sind c

Zur Erleichterung des Einbaus des Konverters unterhalb der Bodenplatte eines Kraftfahrzeugs sind die Öffnungen 24 und 27 gemäss Figo 1 etwas nach unten geneigt, sowie die Öffnung 27 gemäss Figo 2 auch etwas seitlich geneigt« Ferner liegen die die Schalen 16 und 18 verbindenden Flansche unterhalb der Mittelebene Gl des Konverters (Fig_o1, 3 und 4)» Die untere Schale 18 ist somit flacher als die obere Schale 16«, Dadurch liegen die tiefsten Punkte der Öffnungen etwas oberhalb des tiefsten Punktes des Konverters, während die obersten Punkte der Öffnungen beträchtlich unter den höchsten Punkten des Konverters liegen» Die Öffnungen 24 und 27 nehmen Abgas— rohre 38 bzw_o39 auf, die abgedichtet durch Schweißnähte 40 bzw« 41 verbunden sind und die Eingliederung des Konverters in die Abgasanlage ermöglichen, so dass die Abgase den Konverter vom Einlass 24 über das Katalysatorelement 10 und das Katalysatorelement 12 zum Auslass 27 durchströmen_o

Die die Abgase behandelnden Katalysatorelemente 10 und 12 bestehen aus einem zerbrechlichem Werkstoff, beispielsweise Keramik und weisen einen honigwabenartigen Querschnitt 42 auf, der eine elliptische ümfangsfläche 43 hat (Fig_o3), so dass sich eine flache Bauart des Konverters ergibt, die seinen Einbau unterhalb der Bodenplatte des Fahrzeugs erleichtert, wo bekanntlich wenig Raumhöhe zur Verfügung steht_o Die

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Kataiysatorelemente 10 und 12 sind mit einem dreifach wirkenden Oxidationskatalysator bekleidet, durch den die das Gehäuse durchströmenden Abgase durch Reduktion und Oxidation in bekannter Weise gereinigt werden_o

Die Schalen 16 und 18 des Gehäuses 13 bestehen zweckmässig aus rostfreiem Stahl oder einem anderen hocHwärmefesten, kprrosionsfreien Werkstoff, die also einen erheblich grösseren Wärmedehnungsbeiwert haben als die Katalysatorele-* mente aus Keramik,, Das ü-ehäuse 13 dehnt sich bei der Erwärmung wäb>rend des Betriebes also aus und entfernt sich von den Katalysatorelementen. Es ist daher für eine stets dichte Abstützung zu sorgen, um einen Vorbeitritt der Abgase zu verhindern,,

Im Ausführungsbeispiel sind die Katalysatorelemente 10 und 12 am Umfang durch eine zylindrische Hülse 44 aus Maschendraht und eine daneben liegende zylindrische Büchse 46 aus einem intumeszenten Werkstoff abgestützt (z_oB_o unter dem Warenzeichen IKTEMM der technical Ceramics Products Division, 3MCompany bekannt), Die Hülse 44 und die Büchse 46 umgeben die gesamte Umfangsfläche 43 des zugeordneten Katalysatorelements, wobei die axiale Länge der Büchse 46 wesent*- lieh geringer als die der Hülse 44 aus Maschendraht ist_e Am Katalysatorelement 10 beträgt die axiale Länge der Büchse 46 ein Sechstel der Länge der Hülse 44 aus rostfreiem Maschendraht, während beim Katalysatorelcment 12 die axiale Länge der Büchse 46 auf ein Fünftel der Länge der Hülse 44

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gewählt ist, aber die gleiche Länge wie die andere Büchse 46 hat, weil das Katslysatorelement 12 eine geringere axiale Länge aufweist, um den Einbau eines Luftrohrs zu ermöglichen. Zur Erleichterung der herstellung werden die Büchsen 46 aus Bandmaterial hergestellt, wie auch die Hülsen 44 „us Bahnen von Maschendraht gebildet werden,, Die Büchsen 46 weisen dabei in Achsrichtung liegende Schlitze auf, während die Schlitze 47 der Hülsen 44 nach einer Diagonalen verlaufen.

Zur Abstützung sind die Schalen 16 und 18 des Gehäu-+ ses mit halbellipten Teilen 48 und 50 versehen, deren innere Fläche 52 mit radialem Abstand die Oberfläche 43 des Katalysatorelements umgibt (Fig«,3), so dass in diesen Raum die Hülse 44 aus Maschendraht unter Zusammendrücken und daneben die Büchse 46 eingelegt werden können,, Die hierdurch erhöhte Steifigkeit des Gehäuses verhindert sein Ausbeulen beim Erwärmen während des Betriebes; wozu die axialen Abstand voneinander aufweisenden Querrippen 54 und 56 beitragen_o Zur Erhöhung der Steifigkeit sind ferner radiale Einschnürungen 58 und 60 an den Kanten der einander zugewandten Stirnflächen 14 und 15 der Katalysatorelemente gebildet.

Jede Hülse 44 aus Maschendraht hat vor dem Einbau eine radiale Dicke, die wesentlich grosser als die .Dicke des radialen Raums ist, so dass sie nach dem Einlegen um das Katalysatorelement beim Zusammenspannen der Schalen 16 und 18 zusammengedrückt wird (Figo5)» Die dadurch erzielte

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Federwirkung bedingt eine Abstützung in radialer Richtung unter Termeiden axialer Verlagerung des Katalysatorelements bei Aussentcmperatur_o Wenn während des Betriebes durch Erwärmen das Gehäuse sich vom Katalysatorelement entfernt, bleibt eine die sichere Abstützung gewährleistende ^ederwir— kung erhalten^ wenn sich die Hülse 44 ebenfalls ausdEhnt. Bei einem ausgeführten Konverter wurdetvfolgende Werte ermittelt. Das mittlere Wachsen des Gehäuses in radialer Richtung beim Erwärmen betrug etwa O₉508 mm. Bei einem radialen Spalt zwischen dem Katalysatorelement und dem Gehäuse von etwa 2,286 ■

«j j/ ·
mm war die Hülse Von ursprünglich radialer Dicke von 6,35 nun.

zusammengedrückte :

Andererseits dehnen sich die Büchsen 46 rechteckigen Querschnitts (FIg₀I) beim Erwärmen des Konverters, um eine zuverlässige Dichtung zu bewirken, wobei die Abstützung aber nicht so nachgiebig ist, wie die durch die Hülsen 44 aus Ma—j schendrahto Die Halterung der Büchsen 46 im Gehäuse 13 ist ί daher grundsätzlich verschieden gegenüber der Halterung der

Hülsen 44 ausgebildete Es sind hierzu halbelliptische Teile _:

I 62 und 64 der Schalen 16 und 18 radial nach aussen gebildet ' i (Fig.4)» die mit radialen Einschnürungen 66 zusammenarbeiten^ l die die Flächen 43 des zugeordneten Katalysatorelements an I den Kanten der Eintrittsseite umgreifen» Radiale Rippen 68 ' I und 70, die axialen Abstand voneinander haben, verstärken I die Einschnürungen 66 und begrenzen eine innere halbelliptische Fläche 72 an jeder Schale, die in radialem Abstand von

L _

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der Fläche 43 des Katalysatorelements liegt und die sich an die Fläche 52 anschliessto

Vor dem ersten .Erwärmen des Konverters im Betrieb ist der radiale Spalt zwischen dem Gehäuse und den Katalysatorelementen wesentlich kleiner als die ursprüngliche Dicke der spannungsfreien Hülsen 44, aber nur wenig grosser als die Dicke der Büchsen. Im erwähnten gebauten Konverter war der zur Aufnahme der Hülsen 44 aus Maschendraht bestimm*- te radiale Spalt mit einer Dicke von 2,286 mm angegeben; deje Raum zur Aufnahme der Büchsen 46 hatte eine Dicke von 3,302 mm_o Die erforderliche radiale Dicke der Büchsen 46 ergibt sich aus der folgenden Überlegungo Der Wärmedehnungsbeiwert der Büchsen 46 ist wesentlich grosser als der des Werkstoffe der Schalen. Hierdurch ergibt sich eine anfängliche Dicke der Büchsen 46, die wesentlich geringer als die ursprüngliche Dicke der Hülsen 44 ist, aber nur etwas grosser ist als die Dicke des sie aufnehmenden Raums, damit beim Einbau ein -^ruch des Katalysatorelements vermieden wird_s jedoch nach dem Erwärmen eine ausreichende Dichte dieses Materials zur Erzielung einer abdichtenden Abstützung eintritt«, Im Beispiel hatten die Büchsen 46 vor dem Einbau eine Dicke von 4,699 mm und könnten bei Erwärmen ohne Behinderung sich.

"'¹V bis auf eine Dicke von 12,7 mm ausdehnen, also erheblich

mehr als der zur Aufnahme vorgesehene Raum von 3,302 Dicke und dem Wachsen des Gehäuses beim Erwärmen von 0,508 mm₀ ' Die Büchsen 46 werden wie die Hülsen 44 mit

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„ ίο -

dem zugeordneten Katalysatorelement gemäss Figo 5 zusammen- ; gebaut und dann das Einsetzen in die Schalen 16 und 18 bewirkt. Durch die gegebenen Dicken von Hülsen 44 und Büchsen 46 werden letztere beim Zusammenbau nur leicht aufgenommen und beim Zusammenspannen der Schalen nicht zusammengedrückt. Während also die Hülsen 44 unter Zusammendrücken gespannt werden_? können die Büchsen von den Schalen keine die Kata— : lysatorelemente zerstörenden Kräfte übertragen» Beim ersten j , Erwärmen des Konverters dehnen sich dann die Büchsen 46 und I stützen sich an den versteiften Teilen 66 des Gehäuses ab_p j wodurch eine beachtliche Kraft zwischen dem ausbeulsicheren

Gehäuse und dem Katalysatorelement auftritt, die letzteres j

allerdings nicht zerstören kann_o Danach bleiben die Büchsen

46 in dichtender Anlage am Eintritt der Katalysatorelemente und sind ausreichend nachgiebig, um die Hülsen 44 aus Maschendraht in ihrer radialen und axialen Abstützung zu unter ι stützen«.

Die Zufuhr der für die Oxidation erforderlichen Luft

erfolgt durch ein Luftrohr 80 kreisförmigen Querschnitts, j

ι I

' das zwischen den Planschen der Schalen 16 und 18 in den Be- :

reich zwischen den beiden Katalysatorelementem· 10 und 12 '

j reicht (Figo 1, 2 und 5-8)„ In den Flanschen 33 und 35 sind !

halbkreisförmige Aussparungen 82 und 84 gebildet, die eine j

kreisförmige Öffnung (FIg₀ 5 und 6) zu dem Raum 86 inner- j halb des Gehäuses zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 begrenzen» Gegenüber der Öffnung 85 ist im oberen

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.Flansch 32 eine Aussparung 88 zur Aufnahme des Luftrohrs

80 gebildet (Figo b und 7)» die drei Wände und einen ebenen

Boden im Bereich der Berührungsfläche zwischen den Flanschen

32 und 34 aufweist,, ■·

Das Luftrohr 80 besteht wie die Schalen aus rostfreiem Stahl oder einem anderen hochwärmefesten und korrosionsfesten Werkstoff. Es ist mit seiner offenen Mündung 90 in der Öffnung 85 befestigt und erstreckt sich durch den Raum 86, um mit seinem geschlossenen Ende 92 in der Aussparung 88 abgestützt zu werden₀ Das Luftrohr enthält über seine Länge rerteilt Löcher 94 zur Zufuhr von Luft in die Abgase. Um ein ne gleichmässige Zuteilung der Luft zu den Abgasen zu erhal-t ten, ist trotz der versetzten Trennebene der Schalen 16 und 18 die Lage des Luftrohrs 80 in der Mittelebene GL des Konverters erreicht» Die Öffnung 85 ist hierfür etwas nach oben geneigt und nimmt einen entsprechend abgewinkelten Teil 97 auf, der über einen Bogen 96 in einen in der Mittelebene CL liegenden horizontalen Teil 98 übergeht_o Das Luftrohr 80 erstreckt sich senkrecht zur Längsrichtung des Konverters„

Die Mündung 100 des Rohrs 80 ist etwas erweitert und nimmt ein nicht dargestelltes Speiserohr für Luft auf. Der Rand 101 der Mündung liegt an den Rändern der Flansche

33 und 35 im Bereich der Öffnung 85, wo eine feste Verbindung durch eine Schweißnaht 104 hergestellt ist,,

Das andere Ende 92 des Luftrohrs 80 ist zusammengequetsßht und ist mit rechteckigem Querschnitt in der Aus- j

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sparung 88 auf dem Boden abgestützt, wobei in Querrichtung eine Spiel auiVeisende Tasche 105 vorgesehen ist« Da die abgeflachte Form nach unten versetzt am Luftrohr gebildet ist, ist der Versatz der Trennebene zwischen den Schalen ausgeglichene

Damit ist das Rohr 80 fest mit dem Gehäuse 13 verbunden, ohne letzteres zu schwächen^ andererseits gestattet das geschlossene Ende 92 des Rohrs Wärmedehnungen auszuglei·-- chenbhne die Dichtigkeit zu gefährden_o Anderseits kann sich aber auch das Gehäuse im -bereich der Abstützung des Rohrs 80 ausdehnen.;, um Wärme spannungen zu vermeiden» Ein weiterer· Vorteil besteht darin, dass der Zusammenbau des Konverters erleichtert ist, wie dies Figo 8 veranschaulichte Eine besondere Halterung des Luftrohrs 80 ist beim Zusammenbau ent*- behrlich, wenn der Konverter mit seiner Unterseite nach oben zusammengebaut \-/ird_e ;

V/enn im Ausführungsbeispiel auch ein katalytischer ι Konverter mit zwei Katatlysatorelementen beschrieben ist, | so ist die -^-,,findung sinngemäss auch für Konverter mit nur

einem Katalysatorelement anwendbar^ wobei dann das Luft— '

rohr 80 stromaufwärts oder stromabwärts von diesem angeord—: net sein kann₀ Ebenso wäre eine Ausbildung mit einem Kata- ^! lysator möglich, der in bekannter Weise als Katalysatorbett^

in einem eigenen ^ehälter angeordnet ist, der in ein zwei- | schaliges Gehäuse eingesetzt ist, wobei dann das Luftrphr neben dem Katalysatorbett in sinngemässer Weise anzubringen!

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wäre_o Die Tasche zur abgedichteten verschieblichen Aufnahme des geschlossenen Endes 92 des Luftrohrs 80 kann auch durch sich gegenüberliegende Aussparungen beider FlaBHche gebildet werden, wenn dies beispielsweise die Grosse des Querschnitts des geschlossenen Endes des Luftrohrs erforderte Ebenso könnte anstelle der gewählten abgewinkelten Form des Luftrohrs 80 ein durchgehend gerades Luftrohr verwendet werden, falls die Abweichung aus der Mittelebene keinen Einfluss wesentlichen Umfangs auf die Zuteilung der Luft zu den Abgasen hat, oder wenn aus Einbaugründen ein Versatz der Trennebene der Schalen des Gehäuses entbehrlich ist_o Die Schweißverbindung der Plansche miteinander und die des Luftrohrs mit den Planschen können in einem Arbeitsvorgang durchgeführt werden,. Es ist aber auch ein herausführen des Luftrohrs aus dem Gehäuse möglich, wenn die Verbindung mit dem Speiserohr dort zweckmässiger ist_o

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Leerseite

Claims

DloUng. K. Walther

General Motor» Corporation, Detroit, Michigan, V₀St₀A₀

Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgaee

Patentansprüche :

1 \ Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase mit einem Katalysatorelement, das in einem zweischa.-. ligem Metallgehäuse untergebracht ist, und die S_chalen des Gehäuse» über in Längsrichtung liegende Flanscht miteinander verbunden sind, und Luft zur Nachverbrennung der Abgase in das Gehäuse eingeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Auf der einen Seite des Gehäuses (13) ist zwischen den Planschen (33,35) eine Öffnung (85) gebildet, durch die sich ein Luftrohr (80) quer zur Längsrichtung des Gehäu« ι

ses in dieses erstreckt; i

b) das Luftrohr hat im Gehäuse ein geschlossenes Ende (92) ; und ist mit mehreren Löchern (94) zum Austritt von Luft in die Abgase versehen;

c) im Bereich der Öffnung (85) ist das Luftrohr (80) mit den Planschen (33»35) durch eine äussere Schweißnaht (104) verbunden;

d) auf der anderen ^eite des Gehäuses ist zwischen den Flanschen (32,34) eine Tasche (105) gebildet, von der

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das geschlossene Ende (92) des Luftrohrs abgedichtet verschieblich aufgenommen ist₀
2. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (105) durch eine Aussparung nur eines der Plansche (32) der Schalen gebildet ist»
3 ο Katalytischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Ende (92) des Luftrohrs (80) flache Gestalt hat, und die Tasche (105) zu dessen Abstützung einen ebenen Boden hat, der durch eine Aussparung (88) des einen Flansches (32) begrenzt wird_o

4β Katalytischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plansche (32,33, 34»35) zur Mittellängsebene (CL) des Gehäuses (13) versetzt sind, das Luftrohr (80) ein sich von der Öffnung (85) geneigt erstreckendes gerades Teil (97) und ein im Bogen (96) sich anschliessendes zweites gerades, in der Mittel« längsebene des Gehäuses liegendes £eil (98) aufweist, und letzteres ein zu seiner Mittelachse versetztes geschlosse— j nes Ende (92) zur Aufnahme der im Bereich der PlaHHche gebildeten Tasche (105) hat_o

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