DE3744020A1

DE3744020A1 - Vorrichtung fuer die katalytische behandlung der verbrennungsabgase eines kraftfahrzeugmotors und verfahren zur herstellung einer katalysatorpatrone fuer eine solche vorrichtung

Info

Publication number: DE3744020A1
Application number: DE19873744020
Authority: DE
Inventors: Pierre Pfeiffer; Paul Sigwalt; Benoit Cheval
Original assignee: Sotralentz SA
Current assignee: Sotralentz SA
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1989-07-06
Also published as: FR2625257B1; FR2625257A1

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Vorrichtung für die katalytische Behandlung der Verbrennungsabgase eines Kraftfahr zeugmotors, insbesondere eines Viertakt-Ottomotors, - mit einer in einem Strömungskanal für die Verbrennungsabgase angeordneten Kata lysatorpatrone, von der eine Stirnseite einen Abgaseintritt und die andere den Abgasaustritt bildet, wobei die Katalysatorpatrone ein Metallband aufweist, welches unter Zwischenschaltung von Abstands haltern sowie unter Bildung von Spiralräumen spiralförmig gewickelt ist. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf ein Verfahren zur Her stellung einer solchen Vorrichtung. - Spiralräume bezeichnet die Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen, die, geometrisch, einen zusammenhängenden spiraligen Raum bilden. Es versteht sich, daß bei einer solchen Vorrichtung die mit den zu behandelnden Ver brennungsabgasen in Berührung kommenden Oberflächen eine kata lytisch wirksame Auflage tragen, die z. B. keramisch aufgebaut und mit chemischen Katalysatoren aktiviert ist. Die Katalysatoren sind so ausgewählt, daß sie chemische Reaktionen fördern, die in den Ver brennungsabgasen mitgeführte Schadstoffe (Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und unter Umständen auch Schwefeloxide) umwandeln und dadurch beseitigen. Die Chemie der Umwandlungsreaktionen ist bekannt. Zumeist wird die katalytisch wirksame Auflage auf geeignete Weise aufgebracht und danach "eingebrannt". Die Aktivierung mit den chemisch wirksamen Katalysatoren erfolgt z. B. durch Tauchen.

Bei der bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung (FR 22 14 818) sind die Abstandshalter Wellungen in einem zweiten Metallband. Bei der Herstellung werden beide Metallbänder zusammengeführt und gemein sam spiralförmig gewickelt. Die Wellungen werden zumeist zum Zwecke der Einstellung des Strömungswiderstandes von innen nach außen größer. Die Wellungen dienen zugleich dazu, die makroskopische Ober fläche zu vergrößern, die die katalytisch wirksame Auflage aufnimmt, - und auf diese Weise wird die makroskopische katalytisch wirksame Oberfläche selbst vergrößert. Mikroskopisch besteht die katalytische wirksame Oberfläche auch aus den Porenoberflächen in der katalytisch wirksamen Auflage, die ebenfalls katalytisch aktiviert sind. Trotz der Wellungen ist bei der bekannten Vorrichtung die makroskopische katalytisch wirksame Oberfläche verhältnismäßig klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vor richtung so weiter auszubilden, daß sie mit geringerem Aufwand eine wesentlich vergrößerte, makroskopische katalytisch wirksame Oberfläche aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Abstands halter als verbindungskanalbildende Ausstanzungen des Metallbandes ausgeführt sind, die jeweils eine Durchtrittsöffnung und eine Leit wand aufweisen und die Spiralräume strömungsmäßig querverbinden, und daß in den Spiralräumen ein Faservlies aus Katalysator-Träger fasern angeordnet ist. Die Katalysator-Trägerfasern können aus dem gleichen Material bestehen, wie im Rahmen der bekannten Maßnahmen die katalytisch wirksame Auflage. Sie können aber auch aus einem anderen geeigneten Werkstoff aufgebaut sein und ihrerseits eine kata lytisch wirksame Auflage tragen. Ein geeigneter Werkstoff für die Katalysator-Trägerfasern bzw. deren Auflage ist z. B. eine sog. Alumina-Keramik, dotiert mit seltenen Erden sowie Lantan, Metallen der Gruppe IV sowie Zircon oder Mischungen davon. Bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung bilden hauptsächlich die Katalysator- Trägerfasern die makroskopische katalytisch wirksame Oberfläche, die folglich durch die Anzahl der Katalysator-Trägerfasern im Vlies sehr groß eingestellt werden kann. Darüber hinaus ist festzustellen, daß das Vlies eine bessere Haftung des nachfolgend aufgetragenen "WASH-COAT" ergibt.

Im Rahmen der Erfindung erfüllen die Ausstanzungen die Funktion von Abstandshaltern, aber zugleich auch eine gasdynamische Funk tion. Sie führen die zu behandelnden Verbrennungsabgase quer zur Längsrichtung der Katalysatorpatrone von Spiralraum zu Spiralraum und können durch die geometrische Gestaltung der Leitwände so einge richtet werden, daß eine sehr gleichmäßige Verteilung der zu behan delnden Verbrennungsabgase über den gesamten Querschnitt erfolgt. Dazu lehrt die Erfindung, daß die verbindungskanalbildenden Aus stanzungen in der Katalysatorpatrone die Verbrennungsabgase im Be reich des Abgaseintritts nach außen, im Bereich des Abgasaustritts nach innen lenken. Die strömungskanalbildenden Ausstanzungen können sich über die gesamte Länge der Katalysatorpatrone, anders ausge drückt über die gesamte Breite des Metallbandes erstrecken und in der einen Hälfte der Breite des Metallbandes so eingerichtet werden, daß in der Katalysatorpatrone die Verbrennungsabgase nach außen gelenkt werden, während sie in der anderen Hälfte nach innen gelenkt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, im Bereich der Mitte der Katalysatorpatrone einen Streifen in dem Metallband frei von solchen Ausstanzungen zu lassen. Führen die verbindungskanalbilden den Ausstanzungen in der Katalysatorpatrone Verbrennungsabgase im Bereich des Abgaseintritts nach außen, im Bereich des Abgasaustritts nach innen, so erreicht man gleichzeitig auch eine Temperaturgleich verteilung über den gesamten Querschnitt der Katalysatorpatrone und eine Verbesserung des katalytischen Wirkungsgrades. Die strömungs kanalbildenden Ausstanzungen können außerdem eine dritte Funktion erfüllen, nämlich die Katalysator-Trägerfasern festhalten. Insoweit kann auch mit einem sehr losen Faservlies gearbeitet werden, z. B. mit einem lose gestreuten Vlies.

Die Form der verbindungskanalbildenden Ausstanzungen ist im Rahmen der Erfindung weitgehend beliebig. Nach bevorzugter Ausführungs form der Erfindung sind dabei die Durchtrittsöffnungen als Schlitze ausgeführt und an die Schlitze sind kuppelartig geformte Leitwände angeschlossen. Wie bereits erwähnt, kann das Faservlies aus Keramik fasern, insbesondere aus oxidischen Keramikfasern, z. B. auf Basis von Aluminiumoxid, bestehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeich net sich durch eine sehr große makroskopische katalytisch wirksame Oberfläche aus. Sie zeichnet sich aber auch durch einfache Herstellung aus.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren im Zusammenhang mit der Herstellung der beschriebenen Vorrichtung, wobei ein Metall band von einem Coil abgezogen wird, die Abstandshalter geformt wer den und das Metallband unter Zwischenschaltung der Abstandshalter sowie unter Bildung von Spiralräumen aufgewickelt wird (vgl. FR 22 14 818). In verfahrensmäßiger Hinsicht ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter in das Metallband als verbin dungskanalbildende Ausstanzungen eingebracht werden, daß danach das Faservlies aus Katalysator-Trägerfasern auf zumindest eine Seite des Metallbandes aufgebracht und dieses von einem thermoplastischen Kunststoffolienband abgedeckt wird und daß danach das Aggregat aus dem Metallband mit seinen Ausstanzungen, dem Faservlies und dem Kunststoffolienband spiralförmig aufgewickelt und durch Schweißen fixiert wird. Ist die Katalysatorpatrone auf diese Weise hergestellt, so hält das Metallband, auch mit seinen Ausstanzungen, das Faser vlies fest. Das Kunststoffolienband kann ausgebrannt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Katalysator-Trägerfasern beim Auf bringen mit einem organischen Bindemittel zu versehen, so daß das Vlies bei der Herstellung, einschließlich des Wickelvorganges, zu sammengehalten und festgehalten wird. Vorteilhaft ist hierbei, daß erheblich weniger Metall als bisher benötigt wird, der die Abstands haIter durch die Ausstanzungen und nicht durch ein zweites welliges Metallband gebildet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schema für das Verfahren zur Herstellung der Katalysa torpatrone einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Katalysatorpatrone für eine erfin dungsgemäße Vorrichtung, teilweise aufgebrochen und

Fig. 3 eine Stirnansicht des Gegenstandes der Fig. 2.

Der Aufbau einer Katalysatorpatrone 1 für eine erfindungsgemäße Vor richtung wird besonders deutlich, wenn man das in der Fig. 1 dar gestellte Herstellverfahren betrachtet. Man erkennt, daß ein Metall band 2 von einem Coil 3 abgezogen, Abstandshalter 4 geformt und das Metallband 2 unter Zwischenschaltung von Abstandshaltern 4 sowie unter Bildung von Spiralräumen 5 zu der Katalysatorpatrone 1 rechts im Schema der Fig. 1 aufgewickelt wird. Die Abstandshalter 4 werden in das Metallband als verbindungskanalbildende Ausstanzungen einge bracht. Dazu wird kontinuierlich mit Stanzwalzen 6 oder mit einer taktweise arbeitenden Stanze 7 gearbeitet, wie es in der Fig. 1 bei A angedeutet worden ist. Danach wird ein Vlies 8 aus Katalysator- Trägerfasern 9 auf die Oberseite des Metallbandes 2 aufgebracht, und zwar aufgestreut. Das Vlies 8 wird danach von einem von einem Coil 11 kommenden thermoplastischen Kunststoffolienband 10 abgedeckt. Das Ganze wird zunächst durch ein Rollenpaar 12 zusammengehalten, wo raufhin - wie bereits erwähnt - das Aggregat aus dem Metallband 2 mit seinen Ausstanzungen 4, das Vlies 8 und das Kunststoffolienband 10 spiralförmig aufgewickelt wird. Dabei werden aufeinanderfolgende Metallagen mit Hilfe einer Laserschweißeinheit 20 mit Ablenkeinrichtung bei 19 punktverschweißt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird das Vlies 8 aus Katalysator-Trägerfasern 9 auch auf die Unterseite des Metallbandes 2 aufgebracht. Dazu erkennt man unten im Schema ein weiteres Coil 11, von dem ein weiteres Kunststoffolienband 10 abge zogen wird und eine Einrichtung 13, die dazu dient, auf dieses Kunststoffolienband 10 die Katalysator-Trägerfasern 9 zu einem losen Vlies 8 aufzustreuen. Mit diesem Kunststoffolienband 10 wird dieses untere Vlies 8 aus Katalysator-Trägerfasern 9 auf das Metallband 2 aufgebracht. Das Kunststoffolienband 10 besteht beispielsweise aus Polyäthylen. Eine Schneidvorrichtung 14 ist in den Fertigungsgang eingeschaltet.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 bis 3 entnimmt man, daß man eine in einen Strömungskanal für die zu behandelnden Ver brennungsabgase einbaubare Katalysatorpatrone 1 erhält, von der eine Stirnseite einen Abgaseintritt 15 und die andere den Abgasaus tritt 16 bildet. Diese Katalysatorpatrone 1 weist ein Metallband 2 auf, welches unter Zwischenschaltung von Abstandshaltern 4 unter Bildung der Spiralräume 5 spiralförmig gewickelt ist. Die Abstandshalter 4 sind verbindungskanalbildende Ausstanzungen des Metallbandes 2. Sie besitzen jeweils eine Durchtrittsöffnung 17 und eine Leiterwand 18 und schaffen eine Querverbindung zwischen den Spiralräumen 5. Diese Querverbindung ist so eingerichtet, daß die Verbrennungsabgase im Bereich des Abgaseintritts 15 nach außen, im Bereich des Abgasaus tritts 16 nach innen gelenkt werden, wie es in der Fig. 2 durch Pfeile verdeutlicht worden ist. Die Leitwände 18 der verbindungska nalbildenden Ausstanzungen 4 sind dazu so eingerichtet, daß sie im Metallband 2 einmal nach unten und einmal nach oben offen sind und folglich die aus der Fig. 2 erkennbare Leitfunktion erfüllen. Die Durchtrittsöffnungen 17 sind im Ausführungsbeispiel und nach bevor zugter Ausführungsform der Erfindung als Schlitze ausgeführt und an die Schlitze sind kuppelartig geformte Leitwände 18 angeschlos sen. Das Vlies 8 besteht aus Keramikfasern 9, insbesondere aus oxi dischen Keramikfasern, z. B. auf Basis von Aluminiumoxid.

Claims

1 Vorrichtung für die katalytische Behandlung der Verbrennungs abgase eines Kraftfahrzeugmotors, mit
einer in einem Strömungskanal für die Verbrennungsabgase an geordneten Katalysatorpatrone, von der eine Stirnseite einen Abgaseintritt und die andere den Abgasaustritt bildet,
wobei die Katalysatorpatrone ein Metallband aufweist, welches unter Zwischenschaltung von Abstandshaltern sowie unter Bildung von Spi ralräumen spiralförmig gewickelt ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abstandshalter (4) als verbindungskanal bildende Ausstanzungen des Metallbandes (2) ausgeführt sind,
die jeweils eine Durchtrittsöffnung (17) und eine Leitwand (18) aufweisen und die Spiralräume (5) strömungsmäßig querver binden,
und daß in den Spiralräumen (5) ein Vlies (8) aus Katalysator-Trä gerfasern (9) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbindungskanalbildenden Ausstanzungen (4) in der Katalysator patrone (1) die Verbrennungsabgase im Bereich des Abgaseintritts (15) nach außen, im Bereich des Abgasaustritts (16) nach innen lenken.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (17) als Schlitze ausgeführt und an die Schlitze kuppelartig geformte Leitwände (18) angeschlos sen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Vlies (8) aus Keramikfasern (9), insbesondere aus oxidischen Keramikfasern, besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 4, wobei ein Metallband von einem Coil abgezogen wird, die Abstandshalter geformt werden und das Metallband unter Zwischen schaltung der Abstandshalter sowie unter Bildung von Spiralräumen aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter in das Metallband als verbindungskanalbil dende Ausstanzungen eingebracht werden, daß danach das Faservlies aus Katalysator-Trägerfasern auf zumindest eine Seite des Metallban des aufgebracht und dieses von einem thermoplastischen Kunststoff folienband abgedeckt wird und daß danach das Aggregat aus dem Metallband mit seinen Ausstanzungen, dem Faservlies und dem Kunst stoffolienband spiralförmig aufgewickelt und durch Schweißen fixiert wird.