DE3536309C2

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Info

Publication number: DE3536309C2
Application number: DE3536309A
Authority: DE
Inventors: Geb. Sittig Carla 8655 Neuenmarkt De Holhut
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-01
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1991-07-11
Also published as: DE3536309A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbesondere für Verbrennungs abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff von An spruch 1.

Abgaskatalysatoren für Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungs motoren dienen dazu, Schadstoffe in den Verbrennungsabgasen in Gegenwart von katalytisch aktivem Material zu ungefährlichen Stoffen, insbesondere zu Kohlendioxid und Wasser zu verbrennen. Die am häufigsten verwendeten Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren weisen einen Kata lysatorkern 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 (Brockhaus "Naturwissenschaften und Technik", Wiesbaden, 1983, Band 3, Seiten 43 und 45). Für diese verbreitetsten Abgaskatalysatoren wird durch eine sogenannte Lambda-Sonde das optimale Luft verhältnis eingeregelt, so daß die katalytische Nachverbrennung optimal ab laufen kann. Anstelle der außerordentlich teuren Beschichtung aus Platin oder Palladium sind in jüngerer Zeit lackartig aufgetragene Beschichtungen bekanntgeworden.

Bei den bislang bekannten Trägern aus porösem keramischem Material, insbe sondere aus Aluminiumoxid, besteht insbesondere bei den neuartigen lack artig aufgetragenen 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 Nach verbrennung erforderlichen hohen Temperaturen der Abgase von mehreren hundert Grad Celsius. Im übrigen sind die Katalysatorkerne der bekannten Abgaskata lysatoren 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.

Die zuvor aufgezeichnete Aufgabe ist bei einem Abgaskatalysator mit den Merk malen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die großporigen, rauhen Oberflächen entsprechend ausge stalteter plattenförmiger Teile, die großporigen, rauhen Oberflächen von anodisch oxidiertem Aluminium bzw. offenporiges Sinterglas einen idealen Haftgrund für eine Beschichtung mit katalytisch aktivem Material, insbeson dere mit lackartig aufgetragenem Material bieten. Im übrigen läßt sich der Katalysatorkern dieses Abgaskatalysators besonders einfach aufbauen, so daß eine extrem einfache Herstellung gewährleistet ist.

Aufbau, Herstellung und Eigenschaften von offenporigem Sinterglas, das als eine Alternative für den erfindungsgemäßen Abgaskatalysator angegeben ist, ergibt sich aus der Firmendruckschrift der Firma Schott Glaswerke, Vorläufige Produktinformation Nr. 9024 d "Offenporige Sintergläser".

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit der Erläuterung bevor zugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung abgehandelt. In der Zeich nung zeigt

Fig. 1 sehr schematisch in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausfüh rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators,

Fig. 2 in Fig. 1 entsprechender Darstellung ein zweites Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators,

Fig. 3 ausschnittweise in stark vergrößerter Darstellung den Katalysator kern eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators,

Fig. 4 eine REM-Aufnahme eines offenporigen Sinterglases als Bestandteil eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgas katalysators 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 katalytisch aktiven Material. Als Beschichtungen sind bislang in erster Linie Platin und Palladium bekannt, in jüngerer Zeit werden auch vielfach lackartig aufgetragene Beschichtungen propagiert. In Fig. 1 ist schließlich durch die gitterartige Struktur noch angedeutet, daß der Katalysatorkern 2 selbstverständlich von den Abgasen in Strömungskanälen 5 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 plattenförmigen 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 Ober fläche. Sie sind einer Heißwasser- Nachbehandlung nicht unterzogen worden. Dadurch wird die gewünschte groß porige, rauhe Oberfläche des Trägers erreicht. Diese Oberflächenstruktur bietet einen idealen Haftgrund für die Beschichtung aus einem katalytisch aktiven Material, insbesondere dann, wenn eine lackartig aufgetragene Be schichtung verwendet wird. Diese Beschichtung haftet so fest auf dem Träger, daß ein Herausblasen des katalytisch aktiven Materials aus dem Abgaskataly sator unmöglich ist. Außerdem widerstehen die anodisch oxidierten Aluminium bleche den bei der katalytischen Nachverbrennung auftretenden hohen Tempe raturen 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 Tei le 3 beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 insgesamt einen kreiszylindrischen Katalysatorkern 2. Das wird dadurch erreicht, daß die Breiten der platten förmigen 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 Katalysatorkerns 2 mit plattenförmigen Teilen 3 in Form von anodisch oxi dierten Aluminiumblechen deutlicher erkennen. Gut erkennbar ist, daß zwi schen den plattenförmigen Teilen 3 Distanzstücke 4 zur Bildung der Strömungs kanäle 5 für die Abgabe angeordnet sind. Natürlich könnten die platten förmigen Teile 3 auch auf andere Weise so mit Abstand voneinander im Ge häuse 1 angeordnet sein, daß sich die funktionsnotwendigen Strömungska näle 5 für die Abgase ergeben. Die Strömungskanäle 5 müssen nicht ohne weiteres durchgehend gestaltet sein, sie können auch mäanderförmig verlaufen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in herstellungs technisch besonders zweckmäßiger Weise die Distanzstücke 4 als geprägte Sicken in den plattenförmigen Teilen 3, d. h. in den Aluminiumblechen, ausgebildet. Anstelle von Sicken können auch Nuten oder eher punktförmige Noppen in den plattenförmigen Teilen 3 ausgebildet sein.

Fig. 4 zeigt eine REM-Aufnahme von offenporigem Sinterglas 6, das ebenfalls als Träger in einem erfindungsgemäßen Abgas katalysator dienen kann.

Ein besonderes Problem 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 opitmal 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 Abgaskataly satoren relativ spät die für eine optimale Funktion notwendige Arbeitstem peratur erreichen, im Stadtverkehr eines Kraftfahrzeugs beispielsweise prak tisch immer mit einer unter der Arbeitstemperatur liegenden Temperatur be trieben werden. Abgesehen von dem schlechten Wirkungsgrad des Abgaskata lysators besteht dabei eine Gefahr der Kondensation von Feuchtigkeit auf den plattenförmigen Teilen des Katalysatorkerns verbunden mit der Ablage rung 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 Ver brennungsmotor im Abgaszug angeordnet werden kann. Dieser Abgaskatalysator ist dadurch charakterisiert, daß der Katalysatorkern 2 als Wärmetauscher, und zwar hier als Querstrom-Wärmetauscher, ausgeführt und von einem den Kata lysatorkern 2 kühlenden Kühlmittelstrom, vorzugsweise einem Kühlluftstrom, durchströmbar ist. Erfindungsgemäß wird erreicht, daß der Abgaskatalysator durch die Möglichkeit, ihn nahe am Verbrennungsmotor anzuordnen, sehr schnell auf die für seine optimale Funktion erforderliche Arbeitstempera tur 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 ver hindert werden kann. Fig. 5 zeigt nun weiter, daß hier das Gehäuse 1 Ein ström- und Ausströmstutzen 7, 8 für den Abgasstrom - in Fig. 5 von links vorn nach rechts hinten durch Pfeile angedeutet - und Einström- und Aus strömstutzen 9, 10 für den Kühlmittelstrom - hier den Kühlluftstrom in Fig. 5 von rechts vorn nach links hinten durch Pfeile angedeutet - auf weist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die Einström- und Ausströmstutzen 7, 8, 9, 10 alle etwa in einer Ebene angeordnet, - ent sprechend der hier im Ausführungsbeispiel vorgegebenen Quaderform des Ka talysatorkerns 2. Fig. 5 zeigt schließlich, daß 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 dazwischenliegenden Strömungskanäle 5 für den Kühlmittel strom geöffnet und für den Abgasstrom geschlossen sind. Diese abwechselnde Führung von Abgasstrom und Kühlmittelstrom in einander benachbarten Strö mungskanälen 5 hat zur Folge, daß der Katalysatorkern 2 nötigenfalls opti mal gleichmäßig auf der gewünschten Arbeitstemperatur gehalten wird.

Selbstverständlich schadet es nichts, wenn die plattenförmigen Teile 3 auf den vom Kühlmittelstrom bestrichenen Seiten mit einer Beschichtung aus kata lytisch aktivem Material 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 katalytisch aktivem Material zu versehen.

Es liegt im Rahmen fachmännischen Könnens, verschiedene Möglichkeiten aufzufinden, wie der Kühlmittelstrom durch den Katalysator kern 2 erzeugt werden kann. Beispielsweise wäre eine Zwangsführung eines Kühlmittelstroms in Form eines Kühlluftstroms bei einem Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit denkbar. Hohe Autobahngeschwindig keiten würden dann gleichzeitig zu einem starken Kühlluftstrom führen. Be sonders zweckmäßig ist es aber, den Kühlmittelstrom durch den Katalysator kern 2 mittels eines Kühlgebläses zu erzeugen. Der Kühlmittelstrom durch den Katalysatorkern 2 sollte im übrigen nach Maßgabe der Temperatur des Katalysatorkerns 2 steuerbar oder regelbar sein. Eine Steuerung oder Rege lung des Kühlmittelstroms durch den Katalysatorkern 2 erfordert eine Messung der Temperatur des Katalysatorkerns 2, wozu beispielsweise ein Halbleiter- Temperatursensor in Frage kommt. Nach Maßgabe der Temperatur des Katalysator kerns 2 kann dann das Kühlgebläse in seiner Leistung eingestellt, im Extrem fall ein- oder ausgeschaltet werden. Bei einem durchlaufenden Kühlgebläse oder bei einer Zwangsführung von Kühlluft oder einem anderen Kühlmittel kommt auch eine Steuerung bzw. Regelung über eine Umgehungsleitung und ent sprechende Ventile am Katalysatorkern 2 vorbei in Frage.

Claims

1. Abgaskatalysator, insbesondere für Verbrennungsabgabe von Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse (1) und einem in dem Gehäuse (1) an geordneten, von den Abgasen in Strömungskanälen (5) durchströmten Katalysa torkern (2), wobei der Katalysatorkern (2) aus einem Träger mit sehr großer Oberfläche und einer auf die Oberfläche des Trägers aufgebrachten Beschich tung aus einem katalytisch aktiven Material, insbesondere aus einem lackar tig aufgetragenen katalytisch aktivem Material besteht, dadurch gekennzeich net, daß der Träger des Katalysatorkerns (2) aus zu einem Stapel aufeinan dergeschichteten oder zu einer Rolle gewickelten, dünnen plattenförmigen Teilen (3), insbesondere anodisch oxidierten Aluminiumblechen, mit großpo rigen, rauhen Oberflächen, aus anodisch oxidiertem Aluminium mit großpori gen, rauhen Oberflächen oder aus offenporigem Sinterglas (6) besteht.

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bil dung der Strömungskanäle (5) für die Abgase Distanzstücke (4), insbesonde re geprägte Sicken, Nuten oder Noppen, in den plattenförmigen Teilen (3) vorgesehen sind.

3. Abgaskatalysator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkern (2) als Wärmetauscher, vorzugsweise als Querstrom- Wärmetauscher, ausgeführt und von einem den Katalysatorkern (2) kühlenden regelbaren Kühlmittelstrom, vorzugsweise einem Kühlluftstrom, durchströmbar ist, wobei das Gehäuse (1) vorzugsweise in einer Ebene angeordnete Einström- und Ausströmstutzen (7, 8) für den Abgasstrom sowie Einström- und Ausström stutzen (9, 10) für den Kühlmittelstrom aufweist und wobei von den zwischen den plattenförmigen Teilen (3) vorgesehenen Strömungskanälen (5) jeder zwei te für den Abgasstrom geöffnet und für den Kühlmittelstrom geschlossen ist und die dazwischenliegenden Strömungskanäle (5) für den Kühlmittelstrom ge öffnet und für den Abgasstrom geschlossen sind.