DE3007868A1

DE3007868A1 - Katalytischer konverter fuer brennkraftmaschinenabgase

Info

Publication number: DE3007868A1
Application number: DE19803007868
Authority: DE
Inventors: Michael Ralph Foster; 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: US4239733A; FR2454514A1; GB2048104B; GB2048104A; DE3007868C2; FR2454514B1; JPS55139919A; CA1126660A; JPS6122124B2

Description

Ein katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinen*- abgase gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise durch die US-PS 3 963 445 bekannte

Um einen Bruch des Katalysatorelements zu verhindern, wenn beim -betrieb des Konverters unterschiedliche Wärmedehnungen def Katalysatorelements und des Gehäuses auftreten, ist eine Abstützung zwischen beiden bekannt, die aus einem federnden Werkstoff, einem wärmedehnbarem Werkstoff intumeszenter Eigenschaft oder einer Kombination beider besteht. Wird nur ein federnder Werkstoff verwendet, wie z_eB. Maschendraht, so ist zwar die Abstützung ge- , währleistet, jedoch ergeben sich Leckwege für die Abgase,, Es sind somit zusätzlich Dichtungen vorzusehen, deren Aufnahme Änderungen am Gehäuse und/oder dem Katalysatorelement erfordern. Wird nur intumeszenter Werkstoff verwendet, so hat dieser zugleich auch eine ausreichende Dichtwirkung, ' jedoch sind diese Werkstoffe unverhältnismässig teuerer als Maschendraht, so dass ihr alleiniger Einsatz zu aufwendig ■ ist. Dies hat zu einer K_ombination geführt, bei der nur ein geringer Teil der Abstützfläche mit intumeszentern Werk-, stoff zusammenarbeitet, während der grössere Teil mit dem billigerem Maschendraht zusammenarbeitet. Diese Kombination bereitet aber gewisse Schwierigkeiten, da die -^edereigenschaften beider Werkstoffe äusserst verschieden sind. Bei j Gehäusen, die aus zwei Schalen bestehen, ist ein erheblicheis Zusammendrücken des Maschendrahts beim 2-u_Sammenspannen der

03004 5/060?

Schalen erforderlich^ tun die nachgiebige Abstützung beim Erwärmen des Konverters aufrecht zu halten,, Der intumeszente Werkstoff ist andererseits so dicht„ dass er bei einem Zusammendrücken in gleichem Ausmasse den zerbrechlichen Werkstoff des Katalysatorelements zerstören x\äirde_o Weiter« hin muss dieser Werkstoff beim ersten Erwärmen des Konverters ausreichend schx^ellen₉ um eine zuverlässige Dichtung und nachgitebige Abstützung beizubehalten;, ohne dass ein Ausbeulen des Gehäuses oder -^ruch des Katalysatorelements eintreten,, Eine naheliegende Anpassung der radialen Breitem beider Werkstoffe xvürde zu einem Verlust an den erforderli«) ehen Eigenschaften führen_o

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen katalytischen Konverter gemäss dem Gattungsbegriff des An-

spruohs 1 so weiter auszugestalten dass bei ^verwendung : beider Werkstoffe zur Abdichtung und nachgiebigen Abstüt« [ zung die vorteilhaften Eigenschaften der Werkstoff© optimal! erhalten bleiben₀ j

Diese Aufgabe xvird durch die Im Kennzeichnungsteil :

j des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merlanale gelöst« i

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der -Erfindung ist Gegenstand des Uhteranspruchs_o

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte In den Zeichnungen zeigen

Fig«, 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Konverter nach der Erfindung,

030045/0602

-5-

j j

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in .E¹Ig₀I, _: Figo 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Pig_e1, : Fig«, 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig_o1, Figo 5 eine perspektivische Darstellung des Konverters mit auseinander gezeichneten Teilen_o

Der Konverter weist zwei Katalysatorelemente 10 , und 12 auf, die hintereinander in einem Metallgehäuse 13

' angeordnet sich mit Stirnflächen 14 und 15 gegenüber liegen^

^: I

'■ Das Gehäuse besteht aus zwei Schalen 16 und 18, die die Ka-. talysatorelemente 10 und 12 umgeben und an ihren Enden ' Halbstutzen 20_P21 bzw_o22,23 aufweisen«, Die Halbstutzen 20

und 22 bilden bei zusammengesetzten Schalen eine zylindrische Öffnung 24, die sich zu einem Kanal 25 erweitert, und sich über die ganze Stirnfläche 26 des Katalysatorelements 10 erstreckt. Die Halbstutzen 21 und 23 bilden eine zylind-, rische Öffnung 27 am anderen Ende des Gehäuses, von der sich ein erweiternder Kanal 28 zur hinteren Stirnfläche 29 des Katalysatorelements 12 anschliesst«» Die Schalen 16 und haben an ihren Längskanten abgebogene Flansche 32,^3 bzw_e ι 34_s35ji die beim Zusammensetzen aufeinander liegen und durch^:

36 und 37/
Schweißnähte/abgedicht miteinander verbunden sind,,

Die Öffnungen 24 und 27 sind etwas nach unten ge-

neigt, und die Öffnung zusätzlich etwas zur Seite gebogen,

ι wie dies die Pig. 1 und 2 zeigen» Ferner ist die Brennebene¹

der Schalen 16 und 18 unterhalb der Mittellinie GL des Kon-!

verters vorgesehen, so dass die untere Schale 18 flacher ; ~ 0 30 04 5/0602 _₆~

als die obere Schale 16 ist₀ Durch diese Ausbildung ist eine raumsparende Eingliederung des Konverters unterhalb des Fahrzeugs erleichterte Mit den Öffnungen 24 und 27 sind Verbindungsrohre 38 bzw_o39 verbunden, die durch Schweißnähte 40 und 41 abgedichtet sind₀ Über diese Rohre kann der Konverter in eine Abgasanlage eingegliedert werden, so

dass die Abgase die Katalysatorelemente 10 und 12 nachein- I ander durchströmen_o i

Die Katalysatorelemente 10 und 12 bestehen aus einepi zerbrechlichem Werkstoff^ beispielsweise Keramik und weisen| einen honigwabenartigen Querschnitt 42 auf, der einen ellipjtischen Umfang 43 (Pig«,3) hat„ Es ergibt sich hierdurch ■' eine für den Einbau vorteilhafte flache Form des Konvertersl,

i da unterhalb des Fahrzeugs die Bodenfreiheit nur gering ist

Die Katalysatorelemente 10 und 12 sind mit einem Dreifach— j

reduktionsmittel beschichtet, durch den die durchtretenden Abgase in bekannter Weise durch Oxidation und Reduktion ge-

I reinigt werden,, j

Die Schalen 16 und 18 des Gehäuses 13 bestehen i zweckmässig aus rostfreiem Stahl oder einem anderen korrosionsfestem hochwärmefestern Werkstoff, so dass sie einen erheblich höheren Wärmedehnungskoeffizienten haben als der Werkstoff der Katalysatorelemente 10 und 12. Beim Erwärmen des Konverters wird sich daher das Gehäuse von den Katalysator« elementen fort bewegen, so dass dafür Sorge zu tragen ist, dass einmal eine zuverlässige Abdichtung gegen den Vorbei-

030045/0602

—7—

tritt von Abgasen erhalten bleibt, und andereseits auch eine nachgiebige Abstützung des Katalysatorelemente, um deren -^ruch zu verhindern.

Die Katalysatorelemente sind daher jedes für sich durch eine Hülse 44 aus Maschendraht aus nichtrostendem Stahl und einer Büchse 46 aus einem nachgiebigen, wärmedehnbarem intumeszenten Werkstoff (beispielsweise unter dem Warenzeichen INTRAM der Technical Ceramics Products Division, 3M Company bekannt) abgestützt, die die gesamte Mantelfläche 43 der Katalysatorelemente 10 und 12 umgeben«. Die Büchsen 46 haben hierbei eine wesentlich geringere axia-? Ie Länge als die zugeordneten Hülsen 44. Bei einer Ausführung wurde die Länge der Büchse 46 auf ein fünftel der Länge der Hülse 44 bemessen,, Zur billigeren herstellung erfolgte dies aus handelsüblichem Bandmaterial, so dass Hülsen und Büohsen geschlitzt sind, wobei der S_chlitz der Büchsen in axialer Richtung und der der Hülsen 44 längs einer Diagonalen 47 verläuft,,

Um die Eigenschaften der beiden unterschiedlichen Abstützungen voll auszunutzen ist ein mittlerer -Bereich 48 und 50 der Schalen 16 und 18 mit halbelliptischem Querschnitt vorgesehen, der eine radialen Abstand von der Mantelfläche 43 aufweisende Fläche 52 hat, so dass ein Spalt gebildet ist, der die Hülse 44 aus Maschendraht aufnehmen kann» Zur Versteifung ^^es Gehäuses gegen Wärmedehnungen ist der mittlere Bereich 48,50 an seinen axialen Enden durch radia-'

Ö30 0A5/0602

« 8

le Rippen 54 und 56 verstärkte Eine weitere Verstärkung des Gehäuses erfolgt durch radiale Rippen 58 und 60, die radial einwärts zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 nahe deren Stirnflächen 14 und 15 gebildet sind.

Die Hülsen 44 haben vor dem Einbau eine radiale Breite, die wesentlich grosser ist als der sie aufnehmende Spalt zwischen dem ^ehäuse und dem Katalysatorelement, so dass sie nach dem Aufsetzen auf das letztere beim Zusammen—¹ spannen der Schalen 16 und 18 um einen bestimmten Betrag ι zusammengedrückt \-/erden_o Dies bedingt _g dass das Katalysator-^- element gegen radiale und axiale Bewegungffiigen nachgiebig abgestützt ist_ff wenn Aussentemperatiar herrschte Erwärmt sieh der Konverter im -Betrieb,, so dehnt sich die Hülse 44 ana und es bleibt trotz des sich ausfiehnenden Gehäuses 13 eine ausreichende nachgiebige Abstützung des Katalysator« _: elements erhaltene Bei einem ausgeführtem Konverter betrug ! das mittlere radiale Wachsen des Gehäuses beim Erwärmen ! des Konverters etwa 0₉508mm₅ bei einer ursprünglichen ra*»· dialen Breite des Spalts zur Aufnahme der Hülse 44 von et« j wa 2,286 mm₉ wobei die radiale Dicke der Hülse 44 im span« nungsfreiem 2_ustand 6_O35 mm betrage '

Jede Büchse 46 rechteckigen Querschnitts (Fig_o1) '·

soll beim ersten Erwärmen des Konverters schwellen, um eine j

030045/0802

Maschendraht„ Die Eingliederung der Büchsen 46 erfolgt daher¹ in durchaus anderer Weise, so dass einmal eine einwandfreie ^: Abdichtung zum Gehäuse und dem Katalysatorelement gewährlei-t stet ist und zum anderen eine ausreichend nachginge Abstützung zusätzlich zu der durch die Hülsen aus Maschen« draht besteht« Hierzu sind in den Schalen des Gehäuses radial nach aussen versetzte Bereiche 62 und 64 gebildet (Pigo4) die mit radialen Rippen 66 verstärkt sind? sich an die Bereiche 48,50 anschliessen und um die vorderen Kanten der Katalysatorelementc greifen. Weitere radiale Rippen 68 und 70 begrenzen eine innere fläche 72 der Bereiche 62 und 64, die mit der Mantelfläche 43 des Katalysatorelements einen Spalt zur Aufnahme der Büchse 46 bildet«,

Dieser Spalt hat vor dem Erwärmen des Konverters eine radiale Weite, die wesentlich grosser ist als die des Spalts zur Aufnahme der Hülse 44 aus Maschendraht, aber ' nur etwas kleiner als die ursprüngliche radiale Dicke der Büchse 460 Im erwähnten Baumuster war die radiale Weite des Spalts zur Aufnahme der Büchse 46 etwa 3,302 mm gegen-

über der radialen Weite des Spalts für die Aufnahme der Hülse -44 von 2,286 mm₀ Für die W_ahl der radialen Dicke der

Büchse 68 gelten folgende Überlegungen_e Die Büchse, die ^! einen wesentlich grösserai Wärmedehnungskoeffizienten hat als' das Gehäuse, hat ursprünglich eine wesentlich kleinere radiale Dicke als die spannungsfreie Hülse 44 aus Maschendrah-j;, aber ist in radialer Richtung nur etwas grosser als der sie

030045/0602 -10-

- 10

aufnehmende Spalt, so dass ein Bruch der Katalysatorelementie trotz ausreichender Abdichtung verhindert ist und dass beim späteren Erwärmen des Konverters die einwandfreie Abdichtung und nachgiebige Abstützung in dem wachsenden ^uehäuse erhalten bleibt«, Im Beispiel hatte die Büchse 46 eine ra— j diale Dicke von 4_S699 mm und könnte sich ungehindert beim \ Erwärmen bis auf 12,7 mm ausdehen, woran sie durch den sie J aufnehmenden Spalt von 3?302 mm gehindert ist, wozu zusätzlich das Wachsen des Gehäuses um O₀508 mm beim Erwärmen I

kommt0 i

ι Jede Büchse 46 wird gemäss Pig_o 5 beim Zusammenbau .

auf das Katalysatorelement aufgesetzt, wie dies auch mit den Hülsen 44 geschieht« Dann werden die Stfhalen 16 und 18 · des Gehäuses zusammengebracht und verschweißt, so dass nunH

mehr die Hülsen 44 aus Maschendraht erheblich zusammenge- ;

drückt sind, während die Büchsen ohne wesentliches Zusammen)--drücken nur in guter Anlage gegen das Gehäuse und das I^fca- . lysatorelement gehalten sind₀ Eine das letztere zerstörende!

Kraft tritt dabei nicht auf_o Beim anschliessenden ersten j

Erwärmen des Konverters schwellen dann die Büchsen 46, wobei das Gehäuse durch seine Steifigkeit Widerstand entgegen setzt, so dass eine erhebliche Dichtungskraft zum Gehäuse auftritt und dieses weder ausgebeult noch das Katalysatorelement zerstört werden. Danach bewirkt jede Büchse 46 im Betrieb eine zuverlässige Abdichtung am Einlassende der Katalysatorelemente bei ausreichend nachgiebiger Abstützung

030045/0602 -11-

des Katalysatorelements. Gleichzeitig wird die Abstützung durch die Hülsen 44 unterstützt und axiale Verlagerungen verhindert,

Zweckmässig sind die Büchsen 46 aus intumeszentem Werkstoff an den Eintrittsseiten der Katalysatorelemente ausserhalb des Stroms der eintretenden Abgase angeordnet, so dass die Büchsen 46 und die Hülsen 44 nicht unmittelbar der rollen Temperatur der einströmenden Abgase ausgesetzt sind. Durch die Venturiwirkung aus Austritt der Katalysatorelemente tritt sogar eine absaugende Wirkung in deren Bereich auf» Wenn jedoch eine derartige Wärmebeanspruchung der Abstützungen zulässig ist, können die Büchsen 46 auch am Austrittsende der Katalysatorelemente vorgesehen werden,, Die Büchsen 68 aus Bandmaterial hergestellt werden und einen diagonalen Schlitz aufweisen, oder auch als geschlossene Büchsen bereitgestellt werden, je nachdem welche Art günstiger im Einzelfall ist«, Die elliptische Gestalt der Katalysatorelemente verhindert ein -drehen im ^ehäuse, jedoch ist hierzu ein solcher Querschnitt nicht zwingend, da auch andere Querschnitte verwendet werden können. Der itumeszente Werkstoff der Büchsen 46 hat nämlich Reibeigenschaften, die ein Drehen zwischen KatalysatortXement und Gehäuse verhindern»

030045/0602

Claims

Pah-

f..-ins K- Walther

iG 52FiUi-J 19 ^rL 11380

W-w-3411

General Motors Corporation, Detroit, Michigan, V₀St₀A. Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase

Patentansprüche: j

' 1^) Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinen+

abgase mit einem Katalysatorelement aus zerbrechlichem

ι Werkstoff zylindrischen oder elliptischen Querschnitts, das in einem entsprechend geformten zweischaligen Metallgehäuse durch eine Hülse aus Maschendraht radial und axial abgestützt ist, die beim Einbau um einen vorgegebenen Betrag radial zusammengedrückt in einem Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorelement angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Bereich (62,64) des Gehäuses (16,18), der axial neben der Hülse (44) aus Maschendraht lijgt und das eine^; axiale Ende des Katalysatorelements (10) umgibt , ist ; zur Versteifung mit radialen Rippen (68,70) versehen j und weist eine Innenfläche (72) auf, die einen Spalt zur Oberfläche (43) des Katalysatorelements bildet; ;

b) der Spalt dient der Aufnahme einer nachgiebigen und \ abdichtenden Büchse (46) aus einem wärmedehnbaren intuj-

Q30045/0602 „₂_

meszenten Werkstoff, dessen Wärmedehnungskoeffizient we-

i senxlich grosser als der des metallischen Gehäuses ist;

. c) der Spalt hat vor dem Erwärmen des Konverters eine radiale Weite, die beträchtlich grosser ist als der Spalt zur Aufnahme der Hülse (44) aus Maschendraht;

: d) die Büchse (46) aus intumeszentem Werkstoff hat vor dem Einbau eine radiale Dicke, die wesentlich kleiner als

! die radiale Dicke der spannungsfreien Hülse (44) aus Maschendraht, aber um einen vorgegebenen betrag grosser als die radiale Weite des sie aufnehmenden Spalts ist,

so dass beim Etabau eine feste Anlage gegen das Gehäuse i
! und das Katalysatorelement besteht, und beim ersten Er-

¹ wärmen des Konverters durch Schwellen der Büchse eine ¹ dauernde Dichtung bei ausreichender nachgiebiger Abstützung des Katalysatorelements beim Wachsen des Ge-*

; häuses aufrecht erhalten bleibte !

I i

j 2«, Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch |

! j

: gekennzeichnet, dass der mit radialen Rippen versteifte Be- |

I ;

- reich (62,64) des Gehäuses neben der Eintrittsseite des Ka- ! talysatorelements liegt, und der die Büchse (46) aus intu-I meszentem Werkstoff aufnehmende Spalt rechteckigen Quer-' schnitt hatο

030045/0602

—3—