DE3311654A1 - CATALYST SUPPORT BODY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH EXPANSION SLOTS - Google Patents
CATALYST SUPPORT BODY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH EXPANSION SLOTSInfo
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Abstract
Description
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INTERATOM 24.672.9INTERATOM 24.672.9
Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1
-3--3-
Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen mit DehnungsschlitzenCatalyst carrier body for internal combustion engines with expansion slots
Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/ oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrisehen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.The present invention relates to a metallic support body for coatings of catalytically active materials Substances for cleaning exhaust gases, in particular for internal combustion engines. This metallic catalyst carrier consist of a carrier matrix with spirally wound, very thin-walled, smooth and / or corrugated sheet metal strips, which are technically joined in a circular-cylindrical or oval-cylindrical jacket tube are connected to one another by welding, soldering or gluing.
In der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592.9 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet und in Fig. 7 der entsprechenden Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildet.In the German Offenlegungsschrift 29 24 592.9 are numerous soldering processes for producing such catalyst carrier bodies are indicated and in FIG. 7 the corresponding Description also shows a catalyst carrier body, which has a particularly strong soldered connection forms between its outer layer and the jacket tube.
Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die dünnwandigen Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca. 500° C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder minder große Bereiche auf Temperaturen über 900° C erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 300° C noch längere Zeit beibehält undThese catalyst carrier bodies are used in the operation of internal combustion engines, in particular motor vehicle engines, exposed to considerable and changing thermal and mechanical loads. The thin-walled At high engine power, sheets of the carrier matrix are quickly converted by the catalytic conversion of the exhaust gas from approx. 500 ° C operating temperature locally over more or less large areas to temperatures above 900 ° C heated, while the surrounding thick-walled jacket pipe its relatively low operating temperature due to external air cooling of approx. 300 ° C for a longer period of time and
24.03.833/24/83
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somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert. Die hierdurch bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrixzellen bewirken in der Abkühlungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechselverformungen schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers führen können.thus preventing the carrier matrix from stress-free thermal expansion of its volume. The resulting plastic compression deformations of the carrier matrix cells at high temperatures cause high tensile loads on the cell walls and their connection points in the cooling phase due to inertia-related temperature gradients between the matrix and the jacket tube, which tear as a result of the plastic alternating deformations after a short period of operation and in the zones of high alternating stress to detach whole Can lead portions of the carrier matrix body.
In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in Bezug auf die Stabilität und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen von weitaus größerer Bedeutung sind.In trials with high-performance catalysts it was clearly established that in terms of stability and a functional service life of metallic catalyst carrier bodies not only through Gas pressure, pulsation and vibrations generated axial and radial forces must be taken into account, but the radial alternating loads caused by an expansion restriction during the heating and cooling of the carrier matrix are of far greater importance.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator-Trägerkörper für die Abgase von Verbrennungskrafmaschinen aus glatten und/oder gewellten Blechbändern spiralig aufgewickelt und in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigt, der die oben erwähnten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is a catalyst support body for the exhaust gases from internal combustion engines made of smooth and / or corrugated sheet metal strips spiral wound up and fastened by joining technology in a jacket tube, which avoids the disadvantages mentioned above.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorkörper nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Durch die vorgeschlagene Längsaufteilung des Matrixkörpers mittels radialer oder sehnenförmiger Schlitze in mehrere Sektoren oder Zonen über den Querschnitt wird die spiralig aufgewickelte, steife Matrixstruktur in ihrem RingverbandTo solve this problem, a catalyst body according to the first claim is proposed. By the proposed Longitudinal division of the matrix body into several sectors by means of radial or chord-shaped slots or zones across the cross-section become the spirally wound, rigid matrix structure in its ring association
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der gegeneinander gestützen Matrixzellen unterbrochen. Theoretisch wird die thermische Dehnung des Matriskörpers als quasi Vollflächenkörper gegen das kältere Mantelrohr verhindert. Die einzelnen Sektoren der Trägermatrix sind mittels fügetechnischer Verbindung im stabilen Verband mit dem Mantelrohr befestigt und haben bei thermischer Belastung ungehinderte Dehnungsmöglichkeiten in Richtung der durch die Schlitze geschaffenen Freiräume, wodurch plastische Wechselverformungen der Matrixzellen mit den Folgen von Zerstörung und Ablösung der Trägermatrix vermieden werden. Die Schlitze können beispielsweise nach dem Fügen des Katalysator-Trägerkörpers durch Schweissen, Löten, Kleben oder sonstige Fügeverfahren mittels thermischer, chemischer, mechanischer oder sonstiger Trenn- und Abtragungsverfahren, wie z.B. Laserstrahl-Brennen, chemisches Senken, Funkene-rosion, Vibrationssägen, Räumen usw., in die Trägermatrix eingebracht werden. Das Mantelrohr bleibt dabei unbeschädigt. Da das Zentrum der Trägermatrix unter Umständen aus dichter gewickelten Blechschichten besteht, kann es vorteilhaft sein, die Schlitze nicht durch diesen Kern hindurchzuführen, sondern nur bis in seine Nähe oder dicht an ihm vorbei. Dies beeinträchtigt die vorteilhaften Wirkungen der Schlitze nicht. Auch brauchen die Schlitze bei der Herstellung nicht die für die Dehnung nötige Breite zu haben, da die Trägermatrix sich bei der ersten Aufheizung ausdehnt und plastisch verformt, so daß die Schlitze dann bei der Abkühlung die exakt nötige Breite erhalten. In diesem Falle wirkt sich vorteilhaft aus, daß bei Betriebstemperatur die Schlitze praktisch geschlossen sind und dem Gas keinen unerwünschten Weg freilassen.interrupted by the mutually supported matrix cells. Theoretically, the thermal expansion of the matrix body as a quasi full-surface body against the colder jacket pipe prevented. The individual sectors of the carrier matrix are stable by means of technical joining Bandage attached to the jacket pipe and have unhindered expansion possibilities in the event of thermal stress in the direction of the free spaces created by the slots, causing alternating plastic deformations of the matrix cells with the consequences of destruction and detachment of the carrier matrix can be avoided. The slots can for example after joining the catalyst carrier body by welding, soldering, gluing or other joining methods by means of thermal, chemical, mechanical or other cutting and ablation processes, such as laser beam burning, chemical sinking, spark erosion, vibration saws, broaching, etc., can be introduced into the carrier matrix. The jacket pipe remains undamaged. Since the center of the carrier matrix may be wound more densely Sheet metal layers, it can be advantageous not to run the slots through this core, but only up to or close to him. This detracts from the beneficial effects of the Not slits. In addition, the slots do not need to have the width necessary for expansion during manufacture, since the carrier matrix expands and plastically deforms during the first heating, so that the slots then Get exactly the required width while cooling. In this case it is advantageous that at operating temperature the slots are practically closed and leave no undesired path for the gas.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Schlitze die Gesamtlänge des Katalysator-Träger-In a further embodiment of the invention it is proposed that the slots cover the total length of the catalyst carrier
'··'"··' ·" ^V" 83 P 67 06DE'··'"··'·" ^ V " 83 P 67 06DE
-*4- 24.672.9- * 4- 24.672.9
körpers überdecken. Der Katalysator-Trägerkörper besteht dann aus verschiedenen am Mantelrohr befestigten Segmenten, welche sich ungehindert in den durch die Schlitze gebildeten Freiraum ausdehnen können. Da bei Betriebstemperatur, wie oben gesagt, die Schlitze praktisch geschlossen, zumindest aber nicht größer als die übrigen öffnungen sind, bringen die Schlitze im Betrieb keine Nachteile mit sich. Sie verhindern jedoch beim Abkühlen Spannungen und plastische Verformungen der einzelnen Segmente, da diese sich nunmehr einzeln in Richtung auf das Mantelrohr zusammenziehen können.cover the body. The catalyst support body then consists of various segments attached to the jacket tube, which can expand unhindered in the free space formed by the slots. Since at operating temperature, As said above, the slots are practically closed, but at least no larger than the rest are openings, the slots do not have any disadvantages in operation. However, they prevent it from cooling down Stresses and plastic deformations of the individual segments, since these are now individually in the direction of the Can pull the jacket pipe together.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß dem Anspruch 3 vorgeschlagen, daß die Schlitze in Längsrichtung achsparallel angeordnet sind. Solche achsparallelen Schlitze lassen sich nachträglich am leichtesten bei einem fertig gewickelten Katalysator-Trägerkörper anbringen.In a further embodiment of the invention it is proposed according to claim 3 that the slots in the longitudinal direction are arranged axially parallel. Such axially parallel slots can be retrofitted easiest with a Attach the fully wound catalyst support body.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß die Schlitze an der Vorder- und Rückseite des Katalysator-Trägerkörpers gegeneinander versetzt und über ein Teilstück seiner Gesamtlänge angeordnet sind. Sofern sich die Schlitze in der Mitte des Körpers überschneiden, bleiben bei dieser Anordnung die oben genannten Vorteile erhalten. Darüberhinaus öffnet sich auch bei kaltem Katalysator-Trägerkörper kein durchgehender Spalt, durch den Gase entweichen könnten.In a special embodiment of the invention it is proposed in claim 4 that the slots on the front and back of the catalyst support body are offset from one another and arranged over a portion of its total length. If the slots intersect in the middle of the body, the above-mentioned ones remain with this arrangement Get benefits. In addition, no continuous gap opens even when the catalyst carrier body is cold, through which gases could escape.
Im Anspruch 5 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den Katalysator-Trägerkörper aus zwei oder mehr mit Abstand voneinander im Mantelrohr angeordneten mit Schlitzen versehenen Scheiben herzustellen. Die Aufteilung der Katalysator-Gesamtlänge in mehrere schmale Teilstücke mit dazwischenliegenden FreiräumenIn claim 5, in a further embodiment of the invention, it is proposed that the catalyst carrier body be made from produce two or more spaced apart in the jacket tube provided with slotted disks. The division of the total length of the catalytic converter into several narrow sections with spaces in between
"■'"- " -"--" 83 P 67 06DE"■ '" - "-" - "83 P 67 06DE
-7 --7 -
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führt zu einem weiteren Vorteil. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß bei den üblichen Abmessungen und den Gasgeschwindigkeiten in den parallelen Kanälen der bisherigen Abgaskatalysatoren die Strömung nach etwa 20 - 30 mm in den laminaren Zustand übergeht, der für die in einem Katalysator ablaufenden chemischen Vorgänge wegen der mangelnden Oberflächenkontaktierung des Abgases weniger günstig ist als eine turbulente Strömung.leads to another benefit. Calculations and tests have shown that with the usual dimensions and the gas velocities in the parallel channels of the previous catalytic converters the flow after about 20 - 30 mm changes into the laminar state, which is necessary for the chemical processes taking place in a catalytic converter is less favorable than a turbulent flow because of the lack of surface contact with the exhaust gas.
Durch die Aufteilung in mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysator-Teilkörper wird jedes Katalysator-Teilstück nur im turbulenten Zustand angeströmt, wodurch die katalytische Wirksamkeit erheblich, verbessert wird. Beim Austritt des Abgases aus dem vorhergehenden Katalysator-Teilstück in den Zwischenfreiraum zum nächsten Teilstück entsteht eine sehr gute Durchmischung des Abgases, die in Bezug auf die Wärmeverteilung, das Anspringverhalten und die Umsatzrate ebenfalls zur Verbesserung des katalytischen Wirkungsgrades beiträgt. As a result of the division into several partial catalyst bodies arranged one behind the other in the direction of flow, each catalytic converter section is only exposed to the flow in a turbulent state, which significantly increases the catalytic effectiveness, is improved. When the exhaust gas emerges from the preceding catalytic converter section into the intermediate space to the next section there is a very good mixing of the exhaust gas, which in terms of heat distribution, the starting behavior and the conversion rate also contribute to improving the catalytic efficiency.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit ihren wesentlichen Merkmalen in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen kreiszylindrischen, gewickelten Katalysatorkörper mit drei gleichmäßig über den Querschnitt verteilten radialen Schlitzen.Embodiments of the invention are shown with their essential features in the drawing. Fig. 1 shows a perspective view of a circular cylindrical, wound catalyst body with three radial slots evenly distributed over the cross-section.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper mit sehnenförmigen Schlitzen.Fig. 2 shows a cross section through Fig. 1. Fig. 3 shows a further cross section through an inventive Catalyst body with tendon-shaped slots.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper,bei dem die Schlitze tangential an dem dichteren Kern des Katalysatorkörpers vorbeilaufen und in seiner Nähe enden.Fig. 4 shows a cross section through an inventive Catalyst body in which the slots are tangential to the denser core of the catalyst body walk past and end up near him.
::.::-:.; d S I I b O *t _<g ; 83 P 6 7 06DE::. :: -:.; d S II b O * t _ <g; 83 P 6 7 06DE
-J2- 24-672.9-J2- 24-672.9
In Fig. 1 ist der Katalysator-Trägerkörper 1 mit teilweise aufgerissenem Mantelrohr 2 dargestellt. Die spiralig übereinander gewickelten gewellten 3 und glatten 4 Blechbänder sind von drei radial verlaufenden Schlitzen 5 unterbrochen. Dadurch entstehen drei Querschnitts-Sektoren 6, 7 und 8, welche fügetechnisch fest mit dem Mantelrohr 2 verbunden sind und sich in Richtung des durch die Schlitze 5 gebildeten Freiraumes ausdehnen können. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1.In Fig. 1, the catalyst carrier body 1 is shown with a partially torn jacket tube 2. The spiral Corrugated 3 and smooth 4 sheet metal strips wound on top of one another have three radially extending slots 5 interrupted. This creates three cross-sectional sectors 6, 7 and 8, which are technically fixed to the jacket tube 2 are connected and can expand in the direction of the free space formed by the slots 5. FIG. 2 shows a cross section through FIG. 1.
In Fig. 3 ist ebenfalls schematisch ein Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 3 wird der Katalysator-Trägerkörper durch drei sehnenförmige Schlitze 11, 12, 13 in sechs Querschnitts-Segmente unterteilt, welche jeweils am Mantelrohr 2 fügetechnisch befestigt sind. Diese Schlitze gehen nicht durch den ganzen Katalysator-Trägerkörper hindurch sondern nur bis zurMitte oder ein kleines Stück darüberhinaus.In Fig. 3 is also shown schematically a cross section through another embodiment of the invention. In FIG. 3, the catalyst carrier body is divided into six cross-sectional segments through three tendon-shaped slots 11, 12, 13 divided, which are each attached to the jacket tube 2 by joining. These slots don't work through the entire catalyst support body but only up to the middle or a little bit beyond.
Von der anderen Seite sind ebenfalls Schlitze 14, 15, 16 in dem Katalysator-Trägerkörper, welche gegenüber den Schlitzen 11, 12, 13 versetzt sind. Dies ist in Fig. 3 durch Strichelung angedeutet.On the other side are also slots 14, 15, 16 in the catalyst carrier body, which are offset from the slots 11, 12, 13. This is in FIG. 3 indicated by dashed lines.
In Fig. 4 ist eine Möglichkeit der Anordnung der Schlitze dargestellt, welche ein Durchschneiden des dichter gewickelten Zentrums 20 des Katalysator-Trägerkörpers vermeidet. Die Schlitze 21 führen dabei tangential an das dichter gewickelte Zentrum 20 heran und enden in seiner Nähe. Auch wenn die entstehenden Segmente bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vollständig voneinander getrennt sind, verformt sich die Matrix beim ersten Betrieb doch so, daß die oben genannten Vorteile im wesentlichen auch bei dieser Anordnung der Schlitze vorhanden sind.In Fig. 4 one way of arranging the slots is shown, which a cutting through the more densely wound Center 20 of the catalyst support body avoids. The slots 21 lead tangentially to the more densely wound center 20 and end in its vicinity. Even if the resulting segments in this embodiment are not completely separated from each other, the matrix will deform when it is first used so that the above-mentioned advantages are essentially also present with this arrangement of the slots.
Claims (5)
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Also Published As
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|---|---|
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