DE4230174C2

DE4230174C2 - Katalysator

Info

Publication number: DE4230174C2
Application number: DE4230174A
Authority: DE
Inventors: Edelbert Dr Haefele
Original assignee: Roth Technik GmbH
Current assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: DE4230174A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Katalysatoren für das Abgas von Verbrennungsmotoren sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Sie weisen ein Gehäuse mit einem darin angeordneten keramischen Monolithen auf, dessen Oberfläche mit einer eigentlichen, für das Abgas wirksamen Schicht versehen ist, die nicht nur auf dem Mantel, sondern insbesondere in den parallel zueinander verlaufenden wabenartigen Kanälen angebracht sind.

Diese bekannten Katalysatoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie beim Kaltstart noch keinerlei Reduktion der Startschadstoffe durch die katalytisch wirksame Schicht bewirken. Das Abgas hat nämlich beim Start eine Temperatur von ca. 100°C. Hiervon wird der Katalysator aufgeheizt und ist erst ab ca. 300°C funktionsbereit, was dazu führt, daß in der Startphase beim Kaltstart eines Kraftfahrzeuges noch schädliches Abgas emittiert wird.

Zur Behebung dieses Nachteils sind sogenannte Startkatalysatoren bekanntgeworden (DE-GM 88 10 816), bei dem nicht ein keramischer Monolith, sondern ein metallischer Träger für die Katalysatorschicht (sogenanntes Metallith) verwendet wird. Dieser Katalysator besteht aus strukturierten Blechen, welche einen Wabenkörper bilden, der eine Vielzahl von zueinander parallelen für das Abgas durchlässigen Strömungskanälen aufweist. Üblicherweise wird hier der metallische Katalysator durch separat eingelegte, elektrische Heizfolien beheizt und somit die Umgebung des Katalysators, maßgeblich durch Wärmeleitung in der Gasphase erwärmt. Die Aufheizung des metallischen Katalysatorträgers selbst scheitert üblicherweise an dem zu niedrigen Widerstand des Trägermaterials.

Die direkte elektrische Beheizung von Katalysatorträgerkörpern ist jedoch bisher auf große Schwierigkeiten gestoßen, da die üblichen metallischen Strukturen einen zu geringen elektrischen Widerstand aufweisen, als daß sie mit den bei Kraftfahrzeugen üblichen und vorhandenen elektrischen Spannungen direkt als Heizkörper benutzt werden könnten (DE-PS 5 63 757). Zum Teil wird in der Technik auch versucht, Katalysatorkörper mittels elektrischer Heizelemente separat zu beheizen (DE-AS 22 30 663). Das gesonderte Heizelement dient jedoch nicht gleichzeitig als Katalysatorträgerkörper.

Aufwendig gestaltete Wabenkörper mit einer systemkonformen elektrischen Versorgung mittels einer 12 V-Spannung zu realisieren, führt nicht zuletzt zu erhöhten Kosten bei der Fertigung (DE-GM 89 05 073).

Folglich ist nicht nur die eigentlich katalytisch wirksame Schicht, sondern auch der Metallith gleichmäßig aufzuheizen. Hinzu kommt, daß das beheizte metallische Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und bedingt somit wiederum einen hohen Leistungsbedarf, daß sich die auch segmenthaft aufgebrachte Energie sehr schnell über die Wärmeleitung ausbreitet und dadurch ausgeprägte Temperaturmaxima verhindert werden. Diesem Vorteil steht grundsätzlich aber der Nachteil gegenüber, daß diese Art von Katalysatoren sehr gut Wärme auch im üblichen Betrieb ableiten und dadurch sehr schnell auskühlen und damit die notwendige Betriebstemperatur bei Betriebsbedingungen mit relativ kaltem Abgas, beispielsweise im Leerlauf unterschritten wird.

Die eingangs genannten Katalysatoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches sind an sich bekannt (DE-OS 41 10 395) und haben den Erwartungen entsprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Katalysator gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs in Standzeit und Wirkung zu verbessern, ohne die Strömungsverhältnisse für das strömende Abgas hierbei zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß durch dessen kenn zeichnende Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird also auf die Metallfolie eine katalytisch wirksame Schicht (wash coat mit eingelagerten Partikelchen aus Platin und/oder Platinmetallen) die elektrische Widerstandsheizschicht mittels Siebdruck in Dickschichttechnik auf die elektrisch isolierende Zwischenschicht bei zumindest einem Teil der Metallfolien aufgebracht. Mit Vorzug ist hierbei die elektrisch isolierende Zwischenschicht auch zugleich die katalytisch wirksame Schicht, was den Vorteil hat, daß die unmittelbar katalytisch wirksame Schicht erwärmt wird. Die katalytisch wirksame Schicht bzw. die elektrisch isolierende Zwischenschicht ist zugleich ein schlechter Wärmeleiter, der verhindert, daß zuviel Wärme übergeht auf die Metallfolie selbst, wodurch der Energiebedarf beträchtlich erhöht wäre. Wird die elektrische Widerstandsheizschicht in Strömungsrichtung vorne an dem Katalysator angebracht, so wird durch konvektiven Wärmetransport in Strömungsrichtung des Abgases beim Überstreichen der katalytisch wirksamen Schicht auch diese zusätzlich zu der Wärmeleitung erwärmt. Beim Startvorgang wird durch das vermehrt auftretende Kohlenmonoxid eine exotherme Reaktion an der Widerstandsheizschicht bzw. der katalytisch wirksamen Schicht erzeugt, welches den Aufheizvorgang insgesamt noch erhöht. Durch die lokale hohe Strahlungswärme werden jeweils benachbarte Metallfolien ebenfalls erwärmt, so daß insgesamt nach äußerst kurzer Zeit der Katalysator beim Start des Motors bereits betriebsbereit ist.

Nachdem die katalytisch wirksame Schicht bzw. die elektrische Widerstandsheizschicht, die zwar mittels Siebdrucktechnik in Dickschicht technik bereits aufgebracht worden ist und infolgedessen eine hohe Standzeit erlaubt, kann es im rauhen Betrieb bei den pulsierenden Strömen heißen Abgases vorkommen, daß die elektrische Widerstandsheizschicht dort, wo sie an dem gewellten Zwischenblech anliegt und gegebenenfalls scheuert, zerstört wird. Infolgedessen ist es ausgesprochen zweckmäßig, wenn die elektrische Widerstandsheizschicht wiederum mit dem Wash- coat, d. h. dem Al₂O₃ mit eingelagerten Partikelchen aus Platin und/oder Platinmetallen überzogen wird, wodurch ein gewisser Schutz erzielbar ist.

Es ist zwar bei einem Katalysator bekannt, daß Trägermaterial für die katalytische Schicht elektrisch leitend, also beispielsweise aus Metall auszubilden (DE-A1 40 17 360), allerdings wird dieses Trägermaterial selbst mit allen eingangs geschilderten Nachteilen geheizt, wohingegen erfindungsgemäß nicht das elektrisch leitende Trägermaterial, sondern die auf die katalytisch wirksame Schicht oder die elektrisch isolierende Schicht aufgebrachte Widerstandsheizschicht beheizt wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 den Katalysator, im schematischen Querschnitt;

Fig. 2 eine Metallfolie mit Fig. 1, in Draufsicht;

Fig. 3 eine Widerlagerleiste gemäß Fig. 1;

Fig. 4 die Widerlagerleiste gemäß Fig. 3, im schematischen Querschnitt;

Fig. 5 einen Schnitt V-V gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Anschlußleiste gemäß Fig. 1, in Draufsicht;

Fig. 7 die Anschlußleiste gemäß Fig. 6, im Längsschnitt; und

Fig. 8 die Einzelheit VIII gemäß Fig. 7.

Der Katalysator ist in Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnet und dient für das Abgas von Verbrennungsmotoren. Er weist ein - inneres Gehäuse 11 und ein äußeres Gehäuse 12 zur vollständigen Kapselung des Katalysators auf. Im Inneren des inneren Gehäuses 11 ist ein insgesamt mit 13 bezeichnetes Paket mit dem eigentlichen Katalysator vorgesehen, welches vom Abgas durchströmt wird und mittels beispielsweise einer Quellmatte 14 insgesamt erschütterungsfrei in dem inneren Gehäuse 11 gelagert ist.

Das Paket 13 des eigentlichen Katalysators weist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Vielzahl von zueinander parallel angeordneten Metallfolien 15 auf, von welchen je zwei benachbarte jeweils mittels eines gewellten Blechs voneinander beabstandet unter Bildung einer Vielzahl von zueinander parallel zu sich und zur Abgasrichtung verlaufenden Kanälen 16 (vgl. Fig. 1) angeordnet sind. Sowohl die gewellten Bleche und deren Sicken, die senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 1 verlaufen, sowie die Metallfolien 15 sind im Inneren der Kanäle mit einer katalytisch gegenüber dem Abgas wirksamen Schicht versehen, z. B. Aluminiumoxid mit eingelagerten Teilchen aus Platin und/oder Platinmetallen.

Ferner ist beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel jede x-te Metall folie 15 mit einer elektrisch leitenden Widerstandsheizschicht 17 (Fig. 2), die ebenfalls vorzugsweise zugleich katalytisch wirksam ausgebildet ist, und im Siebdruckverfahren in Dickschichttechnik auf eine elektrisch isolierende Zwischenschicht, die beim Ausführungsbeispiel zugleich die katalytisch wirksame Schicht ist, aufgebracht. Auf dieser Widerstands heizschicht 17 ist eine weitere katalytisch wirksame Schutzschicht, vorzugsweise als Wash-coat in die katalytisch wirksame Schicht direkt auf der Metallfolie 15 aufgebracht.

Die Widerstandsheizschicht 17 - in Draufsicht rosettenartig -, ist über elektrisch gut leitende Anschlußschichten 18 in Hintereinanderschaltung der einzelnen Rosetten der elektrischen Widerstandsheizschicht 17 verbunden und an den seitlichen Bereich der Metallfolie 15 geführt.

Jeweils eine solche, mit einer elektrischen Widerstandsheizschicht 17 versehene Metallfolie 15 liegt mit ihren beiden Anschlußnasen 19 auf je einem elektrisch isolierenden Widerlager 20 einer insgesamt mit 21 bezeichneten Widerlagerleiste auf. Deren Widerlager 20 sind stufenförmig übereinander angeordnet. Ferner weist sie, wie Fig. 5 zeigt, zwei die Anschlußnasen 19 umfassende Vorsprünge 22 auf, wodurch die Metallfolien 15 in dem inneren Gehäuse 13 des Katalysators unverrückbar gehalten sind.

Ferner ist ein Anschlußelement 23 vorgesehen, welches als Anschlußleiste mit an die Stufen der Widerlager 20 der Widerlagerleiste 21 angepaßten Ausnehmungen 24 versehen ist. Über jede Ausnehmung ragt nach einer Seite ein Kontaktstreifen 25 vor, der vorzugsweise als aus der Ebene der Anschlußleiste 23 herausgedrückte, federnde Lasche ausgebildet ist. Der restliche Teil der Ausnehmungen 24 kann als Ausstanzung ausgebildet sein.

Somit kann die Anschlußnase 19 der Metallfolie 15 einerseits auf dem stufenförmigen Widerlager 20 aufliegen mit ihrer Unterseite und auf der Oberseite im Bereich der Anschlußnase 19 von dem als herausgedrückte, federnde Lasche ausgebildeten Kontaktstreifen 25 Kontaktstreifenleiste 24 zum einen gehalten, zum anderen elektrisch angeschlossen sein, wobei die Kontaktstreifenleiste mit ihren Ausnehmungen 24 über die Widerlager 20 der Widerlagerleiste 21 geschoben sein (Fig. 1).

Jede Kontaktstreifen leiste kann mit einem Anschlußstück, vorzugsweise einem gebogenen einstückig mit ihm verbundenen Anschlußbereich 30 versehen sein, der zu einem elektrischen Anschluß hinausgeführt und elektrisch angeschlossen ist. Es ist aber auch möglich, nur einen der beiden Kontaktstreifenleisten elektrisch isoliert aus dem inneren Gehäuse 11 in an sich bekannter Weise herauszuführen und den anderen Kontaktstreifen fest mit Masse zu verschließen, wodurch sich der Anschluß- und Herstellungsaufwand noch einmal beträchtlich vermindert.

Claims

1. Katalysator (10) für das Abgas von Verbrennungsmotoren mit einem Gehäuse (11, 12) und einem darin angeordneten Träger, vorzugsweise mit einer Vielzahl von zueinander parallel verlaufenden, wabenartig ausgebildeten Kanälen (16), die eine katalytisch gegenüber dem Abgas wirksame Schicht aufweisen, wobei zumindest ein Teilbereich der Oberfläche des Trägers zumindest eine elektrisch leitende Widerstandsheizschicht (17) aufweist und die elektrisch leitende Widerstandsheizschicht unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht, vorzugsweise Aluminiumoxid mit eingelagerten Teilchen aus Platin und/oder Platinmetallen, auf dem Träger aus einem metallischen Werkstoff in Form einer Anzahl von Metallfolien (15) aufgebracht ist und wobei vorzugsweise die Widerstandsheizschicht zugleich katalytisch wirksam ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Widerstandsheizschicht (17) mittels Siebdruck in Dickschichttechnik auf die elektrisch isolierende Zwischenschicht bei zumindest einem Teil der Metallfolien (15) direkt aufgebracht ist.

2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Zwischenschicht zugleich die katalytisch wirksame Schicht ist.

3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die elektrisch leitende Widerstandsheizschicht (17) eine weitere katalytisch wirksame Schutzschicht aufgebracht ist.

4. Katalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht als Wash-coat, z. B. Aluminiumoxid mit eingelagerten Teilchen aus Platin und/oder Platinmetallen ausgebildet ist.

5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei zueinander benachbarte Metallfolien (15) von einem gewellten Blech mit ebenfalls katalytisch wirksamer Oberfläche auf Abstand unter Bildung der Vielzahl der Kanäle (16) gehalten sind.

6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Metallfolien (15) planeben und parallel zueinander verlaufend in einem Paket angeordnet sind, wobei die Kanäle (16) sich von der abgaseintrittsseitigen Stirnseite zu der abgasaustrittsseitigen Stirnseite in Strömungsrichtung des Abgases erstrecken.

7. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrische Widerstandsheizschicht (17) quer zur Strömungsrichtung des Abgases erstreckt.

8. Katalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Widerstandsheizschicht mit einer, vorzugsweise im Sieb druckverfahren in Dickschichttechnik elektrisch gut leitenden elektrischen Anschlußschicht (18) versehen ist.

9. Katalysator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur jede x-te Metallfolie (15) mit einer Widerstandsheizschicht (17) und/oder einer elektrischen Anschlußschicht (18) versehen und an beiden Seiten mittels je eines Anschlußelements elektrisch angeschlossen ist.

10. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede mit einer elektrischen Widerstandsheiz schicht (17) und/oder elektrischen Anschlußschicht (18) versehene Metallfolie zwei Anschlußnasen (19) aufweist, an denen die Schichten enden, daß diese Anschlußnasen auf einem elektrisch isolierenden Widerlager (20) aufliegen und von einem Anschlußelement sowie dem Widerlager (20) fest umfaßt sind.

11. Katalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Widerlager (20) als übereinander angeordnete Stufen einer Widerlagerleiste (21) ausgebildet sind.

12. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement als Anschlußleiste (23) mit an die Stufen der Widerlagerleiste (21) angepaßten Ausnehmungen (24) sowie einer dieser Anzahl entsprechenden Anzahl Kontaktstreifen (25) zum Angriff an der elektrischen Widerstandsheizschicht (17) oder elektrisch gut leitenden Anschlußschicht (18) versehen ist.

13. Katalysator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstreifen als aus dieser herausgedrückte, federnde Laschen (25) ausgebildet sind.

14. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Anschlußleisten (23) elektrisch isoliert an eine elektrische Spannungsquelle anschließbar ausgebildet ist.

15. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auch als dünne bedruckte keramische Folie ausgebildet ist.