DE3415075C2 - Device for cleaning exhaust gases, in particular for diesel engines - Google Patents

Device for cleaning exhaust gases, in particular for diesel engines

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Abstract

Abgaskatalysator, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem in einem vorzugsweise metallischen Gehäuse angeordneten keramischen Wabenkörper als Träger für einen katalytisch wirksamen Metallüberzug, der Lanthan und Kobalt als aktive Metallkomponenten enthält, wobei der Überzug durch Imprägnieren des Trägerkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Lanthan- und Kobalt-Salzen und anschließendes Brennen gebildet ist, und der Metallüberzug 1 Teil Kobalt und 1 bis 3 Teile, vorzugsweise 2 Teile, Lanthan, sowie - bezogen auf die Summe dieser Stoffe - 2 bis 20 Masse-% Cer enthält, wobei die Innenwand des Gehäuses zumindest teilweise mit einer Schale aus katalytisch beschichteter Keramik ausgekleidet ist.Exhaust gas catalytic converter, in particular for diesel engines, with a ceramic honeycomb body arranged in a preferably metallic housing as a carrier for a catalytically active metal coating which contains lanthanum and cobalt as active metal components, the coating being made by impregnating the carrier body with a solution of thermally easily decomposable lanthanum and Cobalt salts and subsequent firing is formed, and the metal coating contains 1 part cobalt and 1 to 3 parts, preferably 2 parts, lanthanum, and - based on the sum of these substances - 2 to 20% by mass of cerium, the inner wall of the housing is at least partially lined with a shell made of catalytically coated ceramic.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen, insbesondere aus Dieselmotoren, mit einem in einem metallischen Gehäuse angeordneten keramischen Wabenkörper mit einem katalytisch wirksamen Überzug, der durch Imprägnieren des Wabenkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Lanthan- und Kobalt-Salzen und anschließendes Brennen gebildet worden ist, und aus 1 Teil Kobalt und 1 bis 3 Teilen Lanthan, sowie — bezogen auf die Summe dieser Stoffe — 2 bis 20 Masse % Cer besteht. The invention relates to a device for cleaning exhaust gases, in particular from diesel engines, with a ceramic honeycomb body arranged in a metallic housing with a catalytic effective coating made by impregnating the honeycomb body with a solution of thermally easily decomposable Lanthanum and cobalt salts and subsequent firing has been formed, and from 1 part cobalt and 1 to 3 parts of lanthanum, and - based on the sum of these substances - 2 to 20% by weight of cerium.

Der in der DE-OS 33 40 682.0 beschriebene Katalysator hat gegenüber den bisher für derartige Zwecke vorgeschlagenen Katalysatoren — die entweder platinhaltig sind oder aber aus einem Gemisch aus Kobalt, Lanthan, Nickel und Uran bestehen — den Vorteil, daß sie durch Verunreinigungen der zu verbrennenden Kohlen-Wasserstoffe, insbesondere durch Ruß oder Schwefeldioxyd, nicht so rasch »vergiftet« und damit unwirksam gemacht werden, und daß auch keine Selbstvergiftung eintritt wie es gerade bei den letztgenannten Metallgemischen sehr leicht der Fall ist Dabei hat es sich gezeigt daß der Katalysator nach dem Hauptpatent auch besonders für die Nachverbrennung von Ruß für Dieselmotoren geeignet ist so daß erstmals damit ein wirksamer Katalysator für die Abgasreinigung von Dieselmotoren geschaffen werden konnte.
Um die Wirksamkeit eines derartigen Abgaskatalysators — insbesondere während der Kaltstartphase — noch weiter zu verbessern, ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß die Innenwand des Gehäuses zumindest teilweise mit einer Schale aus katalytisch beschichteter Keramik ausgekleidet istThe catalyst described in DE-OS 33 40 682.0 has the advantage over the catalysts previously proposed for such purposes - which either contain platinum or consist of a mixture of cobalt, lanthanum, nickel and uranium - that they are contaminated by the to be burned Hydrocarbons, especially by soot or sulfur dioxide, are not so quickly "poisoned" and thus rendered ineffective, and that self-poisoning does not occur, as is very easily the case with the latter metal mixtures The main patent is also particularly suitable for the afterburning of soot for diesel engines, so that for the first time an effective catalyst for the exhaust gas cleaning of diesel engines could be created.
In order to further improve the effectiveness of such a catalytic converter - especially during the cold start phase - it is provided according to the present invention that the inner wall of the housing is at least partially lined with a shell made of catalytically coated ceramic

Die zusätzliche Verwendung einer Auskleidungsschale aus katalytisch beschichteter Keramik — vorzugsweise der gleichen Keramik wie der im Gehäuse gehalterte, vom Abgas durchsetzte Wabenkörper und vorzugsweise auch mit dem gleichen katalytisch wirksamen Metall überzogen — führt insbesondere in Verbindung mit einer Aufrauhung der Oberfläche der Keramikschale, derart daß in Strömungsrichtung der Abgase hinterschnittene Taschen gebildet sind, zu einer Rußspeicherung, die besonders während der kritischen Kaltstartphase von besonderer Bedeutung ist Es hat sich nämlich gezeigt daß gerade während der Kaltstartphase Rußteilchen wegen der geringen Größen in Beziehung zu den Durchmessern der Kanäle des Wabenkörpers großenteils durch diese Kanäle ohne Wandberührung hindurchsausen, so daß die gewünschte katalytische Umsetzung dann nicht stattfindet. Diese Schwierigkeit wird in zweifacher Weise durch die erfindungsgemäße katalytisch beschichtete Keramikschale verbessert. Zum einen wird während der Kaltstartphase, in der die Um-Wandlungsbedingungen für die katalytische Umsetzung des Rußes noch ungünstiger sind, der Ruß in den zerklüfteten Taschen der Keramikschale gespeichert. Darüber hinaus findet zusätzlich ja auch an der katalytischen Oberflächenbeschichtung — Oberflächenbe-Schichtung bedeutet dabei eine Auskleidung aller feinen Poren des keramischen Trägermaterials, so daß auch bei mechanischem Abrieb seiner Oberfläche immer wieder katalytisch beschichtetes Material zur Verfügung steht — eine katalytische Umsetzung des Rußes statt.The additional use of a lining shell made of catalytically coated ceramic - preferably the same ceramic as the honeycomb body, which is held in the housing and penetrated by the exhaust gas, and preferably also coated with the same catalytically active metal - leads especially in connection with a roughening of the surface of the ceramic shell, such that undercut in the flow direction of the exhaust gases Pockets are formed to store soot, especially during the critical cold start phase It has been shown that it is precisely during the cold start phase that soot particles are present largely because of the small sizes in relation to the diameters of the channels of the honeycomb body rush through these channels without touching the wall, so that the desired catalytic conversion then does not take place. This difficulty is made catalytically in two ways by the invention coated ceramic bowl improved. On the one hand, during the cold start phase, in which the conversion conditions for the catalytic conversion of the soot are even more unfavorable, the soot in the fissured Stored pockets of ceramic bowl. In addition, yes also takes place at the catalytic Surface coating - Surface coating means a lining of all fine Pores of the ceramic carrier material, so that even with mechanical abrasion of its surface again and again catalytically coated material is available - a catalytic conversion of the soot takes place.

Diese ist wegen der praktischen Unvermeidlichkeit von Wandkollisionen der Rußteilchen mit der katalytisch beschichteten Keramikschale dann besonders groß, wenn, wie in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein kann, der keramische Wabenkörper (oder eine Vielzahl hintereinandergeschalteter Lochplatten) eine mittige Trennwand des Gehäuses durchsetzt, dessen Abgasein- und -auslaßslutzen unter Bildung zyklonförmiger Ringkammern seitlich am Gehäuse sitzt. Durch diese Gasumlenkung in der zyklonförmigen Einlaßkammer und der ebenfalls zyklonförmigen Auslaßkammer des Gehäuses mit einer 90°-Umlenkung zwischen der Ein- und Ausströmrichtung gegenüber der Durchströmungsrichtung im Katalysator ergeben sich über die Zentrifugalkräfte notwendigerweise erhöhte Zwangskollisionen mit der Auskleidungs-Schale des Gehäuses, wodurch sowohl die genannte Rußspeicherung während der Kaltstartphase verbessert wird, als auch die Möglichkeit einer katalytischen Umsetzung an der Beschichtung der Auskleidungsschale.This is catalytic because of the practical inevitability of wall collisions of the soot particles with the coated ceramic shell is particularly large if, as in a further embodiment of the invention can be provided, the ceramic honeycomb body (or a plurality of series-connected Perforated plates) penetrates a central partition wall of the housing, the exhaust gas inlet and outlet port below Formation of cyclone-shaped annular chambers sits on the side of the housing. Through this gas diversion in the cyclone-shaped Inlet chamber and the likewise cyclone-shaped outlet chamber of the housing with a 90 ° deflection between the inflow and outflow direction compared to the flow direction in the catalytic converter forced collisions with the lining shell that are necessarily increased due to the centrifugal forces of the housing, which improves both the aforementioned soot storage during the cold start phase as well as the possibility of a catalytic conversion on the coating of the lining shell.

Dabei liegt es weiter im Rahmen der Erfindung, der Keramikschale und dem Gehäuse eine Schicht aus Mineralwolle, insbesondere Aluminiumoxidwolle, zwischenzuordnen und darüber hinaus auch — in an sichIt is also within the scope of the invention, the ceramic shell and the housing a layer of mineral wool, in particular aluminum oxide wool, and also - in and of itself

bekannter Weise — den katalytisch wirksamen Metallüberzug nicht unmittelbar auf das keramische Trägermaterial, sondern auf eine sog. »washcoat«-Trägerschicht aufzubringen. Derartige washcoat-Trägerschjchten können beispielsweise aus einer thermisch zersetzten porösen Aluminiumoxidschicht oddgL bestehen, die für eine bessere Haftung des aktiven Metallüberzugs sorgen, als die reine Trägerkeramik.known way - the catalytically active metal coating not directly on the ceramic carrier material, but on a so-called "washcoat" carrier layer to raise. Such washcoat support layers can, for example, consist of a thermal decomposed porous aluminum oxide layer oddgL, which ensure better adhesion of the active metal coating than the pure carrier ceramic.

Zur Herstellung der hinterschnittenen Taschen zur verbesserten Rußspeicherung ist schließlich in weiterer Ausgestaiwng der Erfindung vorgesehen, daß die Oberfläche der Keramikschale im lederharten Zustand mittels eines Kerbwerkzeugs mit Stegen versehen wird, die vorzugsweise durch teilweises Zurückziehen und Drehen des Kerbwerkzeugs entgegen der Strömungsrichtung umgebogen werden.For the production of the undercut pockets for improved soot storage is finally in further Ausgestaiwng the invention provided that the surface the ceramic shell is provided with bars in the leather-hard state by means of a notching tool, which preferably by partially withdrawing and rotating the notching tool against the direction of flow be bent.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigtFurther advantages, features and details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment and based on the drawing. It shows

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaskatalysator für Dieselmotoren,F i g. 1 shows a longitudinal section through an exhaust gas catalytic converter according to the invention for diesel engines,

F i g. 2 eine teilweise aufgebrochene Stirnansicht des Katalysators nach F i g. 1 undF i g. FIG. 2 is a partially broken away end view of the catalytic converter according to FIG. 1 and

F i g. 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Oberfläche der mit Rußfangtaschen versehenen Keramikschale. F i g. 3 shows an enlarged partial section through the surface of the ceramic bowl provided with soot catching pockets.

Der Abgaskatalysator umfaßt ein äußeres, im wesentlichen als zylindrischer Topf ausgebildetes Metallgehäuse 1 und einen in dessen Längsachse angeordneten, eine mittige Trennwand 2 durchsetzenden Katalysator 3 in Form eines keramischen Wabenkörpers mit einer kaialytisch wirksamen Metallbeschichtung.The catalytic converter comprises an outer, essentially formed as a cylindrical pot metal housing 1 and arranged in its longitudinal axis, a central partition 2 penetrating catalyst 3 in the form of a ceramic honeycomb body with a kaialytisch effective metal coating.

Der Gaseinlaßstutzen 4, der mit dem Auslaß des Motors verbunden wird und der zum Schalldämpfer und zum Auspuffrohr führende Gasauslaßstutzen 5 sitzen jeweils seitlich am Gehäuse, so daß zykionförmige Einlaß- und Auslaßkammern 6,7 gebildet werden, in denen die Ein- und Auslaßrichtung des Gases jeweils um 90° in die Längsrichtung des Wabenkörpers 3 umgelenkt wird. Die Innenwand des Gehäuses ist unter Zwischenordnung einer Aluminiumoxidwolle-Zwischenschicht 8 mit einer Keramikschale 9 ausgekleidet, die aus dem gleichen keramischen Material wie der Wabenkörper 3 besteht und die mit der gleichen katalytisch wirksamen Beschichtung, bzw. Durchtränkung, versehen ist. Die Oberfläche der Keramikschale ist dabei, wie der vergrößerte Ausschnitt der F i g. 3 zeigt, mit Taschen 10 bildenden, entgegen der Strömungsrichtung des Abgases in den Zyklonkammern 6, 7 umgebogenen Stegen 11 versehen. In diesen Taschen 10 fängt sich, besonders während der Kaltstartphase, der Ruß, der dann nach dem Erhitzen des Keramikkörpers auf die Betriebstemperatur katalytisch umgesetzt wird. Zum leichteren Einbringen des keramischen Wabenkörpers, d. h. des eigentlichen Katalysators, und zur Ermöglichung einer einfachen Auskleidung des Gehäuses mit der Keramikschale, ist das Gehäuse 1 längsgeteilt, besteht also aus zwei miteinander verschraubten, oder gegebenenfalls auch verschweißten, Haibschaien.The gas inlet nozzle 4, which is connected to the outlet of the engine and to the muffler and Gas outlet nozzles 5 leading to the exhaust pipe are each seated on the side of the housing, so that zykion-shaped inlet and outlet chambers 6,7 are formed in which the inlet and outlet directions of the gas are each 90 ° in the longitudinal direction of the honeycomb body 3 is deflected. The inner wall of the housing is under intermediate order an aluminum oxide wool intermediate layer 8 lined with a ceramic shell 9 made of the same ceramic material such as the honeycomb body 3 and which are catalytically effective with the same Coating or impregnation is provided. The surface of the ceramic bowl is like the enlarged one Section of FIG. 3 shows, with pockets 10 forming, counter to the flow direction of the exhaust gas in FIG the cyclone chambers 6, 7 provided bent webs 11. In these pockets 10, especially during the cold start phase, the soot, which then after the Heating the ceramic body to the operating temperature is converted catalytically. For easier introduction the ceramic honeycomb body, d. H. the actual catalyst, and to enable a simple If the housing is lined with the ceramic shell, the housing 1 is longitudinally divided, so it consists of two Shark sharks screwed together or, if necessary, also welded together.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Entscheidend für die erfindungsgemäße Verbesserung der Wirksamkeit von Abgaskatalysatoren, insbesondere für Dieselmotoren, ist lediglich die Tatsache, daß in der Ein- und Auslaßkammer eine Umlenkung des Gasstroms von der Ein- bzw. Ausströmrichtung in die Durchströmrichtung des Kata-Ivsators stattfindet und daß die Innenwand mit einer rußspeichernden und katalytisch wirksamen Keramikschale, zumindest teilweise, ausgekleidet isLThe invention is not limited to the illustrated embodiment. Crucial for the invention Improving the effectiveness of catalytic converters, especially for diesel engines, is just the fact that in the inlet and outlet chambers a diversion of the gas flow from the inflow or outflow direction into the flow direction of the catalytic converter takes place and that the inner wall is covered with a soot-storing and catalytically active ceramic shell, at least partially, lined isL

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen, insbesondere aus Dieselmotoren, mit einem in einem metallischen Gehäuse angeordneten keramischen Wabenkörper mit einem katalytisch wirksamen Oberzug, der durch Imprägnieren des Wabenkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Lanthan- und Kobalt-Salzen und anschließendes Brennen gebildet worden ist und aus 1 Teil Kobalt und 1 bis 3 Teilen Lanthan, sowie — bezogen auf die Summe dieser Metalle — 2 bis 20 Masse % Cer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses (1) zumindest teilweise mit einer Schale (9) aus katalytisch beschichteter Keramik ausgekleidet ist1. Device for cleaning exhaust gases, in particular from diesel engines, with one in a metallic Ceramic honeycomb body arranged in the housing with a catalytically active cover, by impregnating the honeycomb body with a solution of thermally easily decomposable Lanthanum and cobalt salts and subsequent firing has been formed and from 1 part cobalt and 1 to 3 parts of lanthanum, and - based on the sum of these metals - 2 to 20% by weight of cerium consists, characterized in that the inner wall of the housing (1) at least partially with a shell (9) made of catalytically coated ceramic is lined 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Keramikschale (9) eine aufgerauhte, vorzugsweise in Strömungsrichtung der Abgase hinterschnittene Taschen (10) bildende, Oberfläche aufweist2. Apparatus according to claim 1, characterized that the ceramic shell (9) is roughened, preferably in the flow direction of the exhaust gases having undercut pockets (10) forming surface 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Keramikschale (9) und dem Gehäuse (1) eine Schicht (8) aus Mineralwolle, insbesondere Aluminiumoxidwolle, zwischengeordnet ist3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the ceramic shell (9) and the Housing (1) a layer (8) of mineral wool, in particular aluminum oxide wool, is interposed 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß dem katalytisch wirksamen Metallüberzug und der Keramikschale eine sog. »wash-coat«-Trägerschicht zwischengeordnet ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the catalytically active Metal coating and a so-called "wash-coat" carrier layer interposed between the ceramic shell is. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der keramische Wabenkörper (3) eine mittige Trennwand (2) des Gehäuses durchsetzt, dessen Abgasein- und -auslaßstutzen (4, 5) unter Bildung zyklonförmiger Ringkammern (6,7) seitlich am Gehäuse (1) sitzen.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ceramic honeycomb body (3) a central partition (2) of the housing penetrates, the exhaust gas inlet and outlet stubs (4, 5) sit on the side of the housing (1) forming cyclone-shaped annular chambers (6,7). 6. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Keramikschale (9) im lederharten Zustand mittels eines Kerbwerkzeugs mit Stegen versehen wird, die, vorzugsweise durch teilweise Zurückziehen und Drehen des Kerbwerkzeugs, entgegen der Strömungsrichtung umgebogen werden.6. A method for producing a device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that the surface of the ceramic shell (9) in the leather-hard state by means of a notching tool is provided with webs, which, preferably by partially retracting and rotating the notching tool, be bent against the direction of flow.
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