DE3536309A1

DE3536309A1 - Abgaskatalysator

Info

Publication number: DE3536309A1
Application number: DE19853536309
Authority: DE
Inventors: geb. Sittig Carla 8655 Neuenmarkt Holhut
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-01
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1986-06-12
Also published as: DE3536309C2

Description

"Abgaskatalysator"
Beanspruchung der Prioritäten der deutschen Gebrauchsmuster 84 35 297.3 vom 1. Dezember 1984, eingetragen am 31. Januar 1985, und 85 11 092.2 vom 16. April 1985, eingetragen am 3. Oktober 1985.
Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbesondere für Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten, von den Abgasen durchströmten Katalysatorkern, wobei der Katalysatorkern aus einem Träger mit sehr großer Oberfläche und einer auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachten Beschichtung aus einem Katalysatormaterial, insbesondere aus einem lackartigen Katalysatormaterial, besteht.
Abgaskatalysatoren sind seit längerem aus der Praxis bekannt, Abgaskatalysatoren für Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren dienen dazu, Schadstoffe in den Verbrennungsabgasen in Gegenwart von Katalysatormaterial zu ungefährlichen Stoffen, insbesondere zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen. Die am häufigsten verwendeten Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren weisen einen Katalysatorkern mit einem Träger aus Aluminiumoxid in Form von Schüttgut oder in Form eines Wabenrohrs auf, auf dessen Oberfläche eine Beschichtung aus Platin oder Palladium aufgebracht ist. Für diese verbreitetsten Abgaskatalysatoren wird durch eine sogenannte Lambda-Sonde das optimale Luftverhältnis eingeregelt, so daß die katalytische Nachverbrennung optimal ablaufen kann. Anstelle der außerordentlich teuren Beschichtung aus Platin oder Palladium sind in jüngerer Zeit lackartige Beschichtungen bekanntgeworden.
Bei den bislang bekannten Trägern aus porösem keramischem Material, insbesondere aus Aluminiumoxid, besteht insbesondere bei den neuartigen lackartigen Beschichtungen das Problem, daß sich die Beschichtung im Abgasstrom vom Träger löst und aus dem Abgaskatalysator herausgeblasen wird.
Dies ist ein besonderes Problem wegen der bei der katalytischen Nachverbrennung erforderlichen hohen Temperaturen der Abgase von mehreren hundert Grad Celsius. Im übrigen sind die Katalysatorkerne der bekannten Abgaskatalysatoren wegen der Konstruktion der Träger fertigungstechnisch auch recht aufwendig.
Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bekannten Abgaskatalysator so auszugestalten und weiterzubilden, daß bei einem möglichst einfachen Aufbau und einer möglichst einfachen Herstellung ein Ablösen der Beschichtung vom Träger erschwert oder verhindert wird.
Der erfindungsgemäße Abgaskatalysator, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Katalysatorkerns von dünnen plattenförmigen Teilen mit großporigen, rauhen Oberflächen, aus anodisch oxidiertem Aliminium mit großporigen, rauhen Oberflächen oder aus offenporigem Sinterglas gebildet ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die großporigen, rauhen Oberflächen entsprechend ausgestalteter plattenförmiger Teile, die großporigen, rauhen Oberflächen von anodisch oxidiertem Aluminium bzw. offenporiges Sinterglas einen idealen Haftgrund für eine Beschichtung mit Katalysatormaterial, insbesondere mit lackartigem Katalysatormaterial bieten. Im übrigen, und das ist für die Lehre der Erfindung von besonderer Bedeutung, läßt sich der Katalysatorkern des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators besonders einfach aufbauen, so daß eine extrem einfache Herstellung gewährleistet ist.
Aufbau, Herstellung und Eigenschaften von offenporigem Sinterglas, das für den erfindungsgemäßen Abgaskatalysator geeignet ist, ergibt sich aus der Firmen-Druckschrift der Firma Schott Glaswerke, Vorläufige Produktinformation Nr. 9024 d "Offenporige Sintergläser". Der Offenbarungsgehalt dieser vorveröffentlichten Druckschrift wird hiermit auch zum Offenbarungsgehalt der Erfindung gemacht.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung abgehandelt. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 sehr schematisch in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators, Fig. 2 in Fig. 1 entsprechender Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators, Fig. 3 ausschnittweise in stark vergrößerter Darstellung den Katalysatorkern eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators, Fig. 4 eine REM-Aufnahme eines offenporigen Sinterglases als Bestandteil eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators und Fig. 5 sehr schematisch in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines als Querstrom-Wärmetauscher ausgeführten erfindungsgemäßen Abgaskatalysators.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Abgaskatalysator handelt es sich um einen Abgaskatalysator für Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, der zunächst ein Gehäuse 1 und einen in dem Gehäuse 1 angeordneten und von den Abgasen durchströmten Katalysatorkern 2 aufweist. Der Katalysatorkern 2 besteht im einzelnen aus einem in Fig. 1 nur angedeuteten Träger mit sehr großer Oberfläche und einer auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachten Beschichtung aus einem Katalysatormaterial. Als Beschichtungen sind bislang in erster Linie Platin und Palladium bekannt, in jüngerer Zeit werden auch vielfach lackartige Beschichtungen propagiert. In Fig. 1 ist schließlich durch die gitterartige Struktur noch angedeutet, daß der Katalysatorkern 2 selbstverständlich von den Abgasen durchströmt werden kann.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Abgaskatalysator zeichnet sich nun zunächst dadurch aus, daß der Träger des Katalysatorkerns 2 von dünnen plattenförmigen Teilen 3 mit großporigen, rauhen Oberflächen gebildet ist.
Die plattenartigen Teile 3, die den Träger des Katalysatorkerns 2 bilden, sind als Metallbleche, hier nämlich als anodisch oxidierte Aluminiumbleche ausgeführt. Diese anodisch oxidierten Aluminiumbleche haben eine rohe Oberfläche, sind nämlich gemäß bevorzugter Lehre der Erfindung einer Heißwasser-Nachbehandlung nicht unterzogen worden. Dadurch wird die gewünschte großporige, rauhe Oberfläche des Trägers erreicht. Diese Oberflächenstruktur bietet einen idealen Haftgrund für die Beschichtung aus einem Katalysatormaterial, insbesondere dann, wenn eine lackartige Beschichtung verwendet wird. Diese Beschichtung haftet so fest auf dem Träger, daß ein Herausblasen des Katalysatormaterials aus dem Abgaskatalysator unmöglich ist. Außerdem widerstehen die anodisch oxidierten Aluminiumbleche den bei der katalytischen Nachverbrennung auftretenden hohen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius.
Fig. 1 läßt ohne weiteres deutlich werden, daß bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines Abgaskatalysators die plattenförmigen Teile 3 zu einem Stapel aufeinandergeschichtet sind. Durch gleiche Breiten bilden diese plattenförmigen Teile 3 einen quaderförmigen Katalysatorkern 2. Im Unterschied dazu bilden die aufeinandergeschichteten plattenförmigen Teile 3 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 insgesamt einen kreiszylindrischen Katalysatorkern 2. Das wird dadurch erreicht, daß die Breiten der plattenförmigen Teile 3 von innen nach außen hin schrittweise abnehmen.
Eine kreiszylindrische Form des Katalysatorkerns ließe sich auch dadurch erreichen, daß die plattenförmigen Teile bzw. ein entsprechend dünnes plattenförmiges Teil, beispielsweise auch ein Aluminiumblech, zu einer Rolle gewickelt sind bzw. ist.
Fig. 3 läßt die konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysatorkerns 2 mit plattenförmigen Teilen 3 in Form von anodisch oxidierten Aluminiumblechen deutlicher erkennen. Gut erkennbar ist, daß zwischen den plattenförmigen Teilen 3 Distanzstücke 4 zur Bildung von Strömungskanälen 5 für die Abgase angeordnet sind. Natürlich könnten die plattenförmigen Teile 3 auch auf andere Weise so mit Abstand voneinander im Gehäuse 1 angeordnet sein, daß sich die funktionsnotwendigen Strömungskanäle für die Abgase ergeben. Diese Strömungskanäle müssen natürlich nicht ohne weiteres durchgehend gestaltet sein, sie können vielmehr auch mäanderförmig verlaufen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in herstellungstechnisch besonders zweckmäßiger Weise die Distanzstücke 4 als geprägte Sicken in den plattenförmigen Teilen 3, d. h. in den Aluminiumblechen, ausgebildet. Dies entspricht einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators. Anstelle von Sicken können natürlich auch Nuten oder eher punktförmige Noppen in den plattenförmigen Teilen ausgebildet sein.
Fig. 4 zeigt eine REM-Aufnahme eines offenporigen Sinterglases 6, das ebenfalls, und zwar besonders gut, als Träger des Katalysatorkerns 2 eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators dienen kann.
Ein besonderes Problem bei Abgaskatalysatoren besteht darin, daß ein Abgaskatalysator zur optimalen Funktion eine bestimmte, relativ hohe Arbeitstemperatur haben muß, daß aber die Arbeitstemperatur auch nicht allzu weitgehend überschritten werden darf. Mit anderen Worten sollte ein optimal arbeitender Abgaskatalysator sehr schnell seine Arbeitstemperatur erreichen, diese dann aber relativ genau beibehalten. Dies wird bislang noch nicht erreicht, da normalerweise Abgaskatalysatoren in relativ großer Entfernung vom Motor im Abgaszug angeordnet werden, um eine für den Abgaskatalysator insgesamt besonders gefährliche Überhitzung jedenfalls zu vermeiden. Das Ergebnis ist, daß bislang bekannte Abgaskatalysatoren relativ spät die für eine optimale Funktion notwendige Arbeitstemperatur erreichen, im Stadtverkehr eines Kraftfahrzeugs beispielsweise praktisch immer mit einer unter der Arbeitstemperatur liegenden Temperatur betrieben werden. Abgesehen von dem schlechten Wirkungsgrad des Abgaskatalysators besteht dabei eine Gefahr der Kondensation von Feuchtigkeit auf den plattenförmigen Teilen des Katalysatorkerns verbunden mit der Ablagerung von Schwebstoffen aus dem Abgas.
Fig. 5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines Abgaskatalysators, bei dem die zuvor erläuterte Problematik gelöst ist, der nämlich sehr nahe am Verbrennungsmotor im Abgaszug angeordnet werden kann. Dieser Abgaskatalysator ist nach einer besonders bevorzugten und insoweit eigenständigen Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkern 2 als Wärmetauscher, vorzugsweise als Querstrom-Wärmetauscher, ausgeführt und nötigenfalls von einem den Katalysatorkern 2 kühlenden Kühlmittel strom, vorzugsweise einem Kühl luftstrom, durchströmbar ist. Erfindungsgemäß wird also erreicht, daß der Abgaskatalysator durch die Möglichkeit, ihn nahe am Verbrennungsmotor anzuordnen, sehr schnell auf die für seine optimale Funktion erforderliche Arbeitstemperatur gebracht wird und daß durch wahlweises Leiten eines Kühlmittelstroms, im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Kühlluftstroms, durch den Katalysatorkern 2 eine überhitzung des Katalysatorkerns 2 verhindert wird. Diese Ausführung eines Abgaskatalysators ist in Verbindung mit der eingangs erläuterten Lehre der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung, da dort eine besonders genaue Einhaltung der Arbeitstemperatur des Katalysatorkerns 2 vorteilhaft ist.
Fig. 5 zeigt im einzelnen nun insoweit eine bevorzugte und besonders zweckmäßige Ausgestaltung des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Abgaskatalysators, als das Gehäuse 1 Einström- und Ausströmhutzen 7, 8 für den Abgasstrom - in Fig. 5 von links vorn nach rechts hinten durch Pfeile angedeutet und Einström- und Ausströmhutzen 9, 10 für den Kühlmittelstrom - hier den Kühl luftstrom in Fig. 5 von rechts vorn nach links hinten durch Pfeile angedeutet - aufweist. Im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel sind dabei die Einström- und Ausströmhutzen 7, 8, 9, 10 alle etwa in einer Ebene angeordnet, - entsprechend der hier im Ausführungsbeispiel vorgegebenen Quaderform des Katalysatorkerns 2.
Fig. 5 zeigt insoweit noch eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Abgaskatalysators, als auch hier zwischen den plattenförmigen Teilen 3 Strömungskanäle 5 vorgesehen sind - dazu sind auch hier Distanzstücke vorgesehen - und daß jeder zweite Strömungskanal 5 für den Abgasstrom geöffnet und für den Kühlmittelstrom geschlossen ist, während die zwischen diesen Strömungskanälen 5 liegenden Strömungskanäle 5 für den Kühlmittelstrom geöffnet und für den Abgasstrom geschlossen sind. Diese abwechselnde Führung von Abgasstrom und Kühlmittel strom in einander benachbarten Strömungskanälen 5 hat zur Folge, daß der Katalysatorkern 2 nötigenfalls optimal gleichmäßig auf der gewünschten Arbeitstemperatur gehalten wird.
Selbstverständlich schadet es nichts, wenn die plattenförmigen Teile 3 auf den vom Kühlmittel strom bestrichenen Seiten mit einer Beschichtung aus Katalysatormaterial versehen sind. Gleichwohl ist es unter Umständen zweckmäßig und hier auch ohne weiteres möglich, die plattenförmigen Teile 3 nur auf den vom Abgasstrom bestrichenen Seiten mit der Beschichtung aus Katalysatormaterial zu versehen.
Es liegt im Rahmen des Könnens eines Durchschnittsfachmanns, verschiedene Möglichkeiten aufzufinden, wie der Kühlmittel strom durch den Katalysatorkern 2 erzeugt werden kann. Beispielsweise wäre eine Zwangsführung eines Kühlmittelstroms in Form eines Kühlluftstroms bei einem Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit denkbar. Hohe Autobahngeschwindigkeiten würden dann gleichzeitig zu einem starken Kühl luftstrom führen.
Besonders zweckmäßig ist es aber, den Kühlmittelstrom durch den Katalysatorkern 2 mittels eines Kühlgebläses zu erzeugen. Der Kühlmittel strom durch den Katalysatorkern 2 sollte im übrigen nach Maßgabe der Temperatur des Katalysatorkerns 2 steuerbar oder regelbar sein. Eine Steuerung oder Regelung des Kühlmittelstroms durch den Katalysatorkern 2 erfordert eine Messung der Temperatur des Katalysatorkerns 2, wozu beispielsweise ein Haybleiter-Temperatursensor in Frage kommt. Nach Maßgabe der Temperatur des Katalysatorkerns 2 kann dann das Kühlgebläse in seiner Leistung eingestellt, im Extremfall ein- oder ausgeschaltet werden. Bei einem durchlaufenden Kühlgebläse oder bei einer Zwangsführung von Kühl luft oder einem anderen Kühlmittel kommt auch eine Steuerung bzw. Regelung über eine Bypassleitung und entsprechende Ventile am Katalysatorkern 2 vorbei in Frage.

Claims

Patentansprüche: 1. Abgaskatalysator, insbesondere für Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten, von den Abgasen durchströmten Katalysatorkern, wobei der Katalysatorkern aus einem Träger mit sehr großer Oberfläche und einer auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachten Beschichtung aus einem Katalysatormaterial, insbesondere aus einem lackartigen Katalysatormaterial, besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Träger des Katalysatorkerns (2) von dünnen plattenförmigen Teilen (3) mit großporigen, rauhen Oberflächen, aus anodisch oxidiertem Aluminium mit großporigen, rauhen Oberflächen oder aus offenporigem Sinterglas (6) gebildet ist.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Teile (3) als Metallbleche, insbesondere als anodisch oxidierte Aluminiumbleche, ausgeführt sind.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Teile (3) zu einem Stapel aufeinandergeschichtet sind.
4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Stapel aufeinandergeschichteten plattenförmigen Teile (3) durch gleiche Breiten insgesamt einen quaderförmigen Katalysatorkern (2) bilden.
5. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Stapel aufeinandergeschichteten plattenförmigen Teile (3) durch von den inneren zu den äußeren plattenförmigen Teilen (3) abnehmenden Breiten insgesamt einen kreiszylindrischen Katalysatorkern (2) bilden.
6. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiges Teil oder mehrere plattenförmige Teile zu einer Rolle gewickelt ist bzw. sind.
7. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Distanzstücke (4) zur Bildung von Strömungskanälen (5) für die Abgase vorgesehen sind.
8. Abgaskatalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstücke (4) als geprägte Sicken, Nuten oder Noppen in den plattenförmigen Teilen (3) ausgebildet sind.
9. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger des Katalysatorkerns aus anodisch oxidiertem Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägers des Katalysatorkerns (2) roh belassen, also einer Heißwasser-Nachbehandlung nicht unterzogen ist.
10. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkern (2) als Wärmetauscher, vorzugsweise als Querstrom-Wärmetauscher, ausgeführt und nötigenfalls von einem den Katalysatorkern (2) kühlenden Kühlmittel strom, vorzugsweise einem Kühlluftstrom, durchströmbar ist.
11. Abgaskatalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) Einström- und Ausströmhutzen (7, 8) für den Abgasstrom und Einström- und Ausströmhutzen (9, 10) für den Kühlmittelstrom aufweist und daß vorzugsweise die Einström- und Ausströmhutzen (7, 8, 9, 10) alle etwa in einer Ebene angeordnet sind.
12. Abgaskatalysator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den plattenförmigen Teilen (3) Strömungskanäle (5) vorgesehen sind, daß jeder zweite Strömungskanal (5) für den Abgasstrom geöffnet und für den Kühlmittelstrom geschlossen ist und daß die dazwischenliegenden Strömungskanäle (5) für den Kühlmittelstrom geöffnet und für den Abgasstrom geschlossen sind.
13. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Teile (3) nur auf den vom Abgasstrom bestrichenen Seiten mit einer Beschichtung aus Katalysatormaterial versehen sind.
14. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom durch den Katalysatorkern (2) mittels eines Kühigebläses erzeugt wird.
15. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittel strom durch den Katalysatorkern (2) nach Maßgabe der Temperatur des Katalysatorkerns (2) steuerbar oder regelbar ist.