DE4322037A1 - Katalysator für Verbrennungsmotore - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator für Verbrennungsmo­ tore, insbesondere in Kraftfahrzeugen.

Bei den bekannten Katalysatoren für Kraftfahrzeuge ist ein im wesentlichen zylindrisches, langgestrecktes Gehäuse vorhan­ den, in dem ein ebenfalls zylindrischer, langgestreckter Ka­ talysatorträger angeordnet ist, der in Längsrichtung durch­ strömt wird. Es kann sich dabei sowohl um einen Keramikmono­ lith als auch um einen Metallträger handeln. Aufgrund des unterschiedlichen Querschnitts von Zuleitung und Katalysator­ träger wird der Katalysatorträger nur ungleichmäßig ange­ strömt. Das in ihm enthaltene Katalysatormaterial wird dabei nur unvollkommen ausgenutzt.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, um dieses An­ strömverhalten zu verbessern. So ist es bekannt (DE-A 41 04 637), in einem Stutzen zwischen der Eingangsleitung und dem Katalysatorträger Leitbleche anzuordnen, die zu einer Auffächerung der Strömung führen. Diese Leitbleche können auch mit Katalysatormaterial beschichtet sein.

Ebenfalls bekannt ist es, bei Metallträgerkatalysatoren eine der beiden Folien mit Öffnungen zu versehen, damit eine Quer­ strömung aus einem Längskanal in einen benachbarten Längska­ nal erfolgen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator zu schaffen, der bei einfachem Aufbau gute Ergebnisse lie­ fert. Insbesondere soll das Katalysatormaterial besser aus­ genutzt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Kataly­ sator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die radial verlaufende Anordnung der gasdurchströmten Kanäle wird die Außenfläche des Katalysatorträgers bzw. Kata­ lysatorelements verkleinert, so daß eine geringere Wärmeab­ strahlung erfolgt. Dies bedeutet, daß der Katalysator schnel­ ler auf Betriebstemperatur gelangt und auch in kurzen Be­ triebspausen langsamer abkühlt.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß der Gaseinlaß in Richtung der Zylinderachse des Katalysatorträgers erfolgt.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Einlaßöffnungen und/oder die Auslaßöffnungen der Kanäle auf einer Zylinder­ mantelfläche liegen. Der Wärme abstrahlende Teil der Zylin­ dermantelfläche wird daher nur von den Stirnkanten der Ele­ mente gebildet und nicht mehr wie im Stand der Technik von einer vollen Mantelfläche.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß der Katalysatorträ­ ger einen zentralen, axial verlaufenden Hohlraum aufweist. In diesen Hohlraum kann das zu reinigende Abgas sehr leicht ein­ geführt werden, wobei aufgrund des Staudrucks eine gleichmä­ ßige Verteilung auf die einzelnen, radial verlaufenden Kanäle gewährleistet ist, ohne daß zusätzliche Einrichtungen zur Verteilung auf die einzelnen Kanäle erforderlich wären.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß sich die Kanäle in Durchströmungsrichtung erweitern. Daher besitzt der von der Erfindung vorgeschlagene Katalysator einen nur geringen Druckverlust. Durch die Diffusorwirkung der Kanäle wird Druck zurückgewonnen.

Erfindungsgemäß kann in Weiterbildung vorgesehen sein, daß die Kanäle zwischen je zwei Metallfolienscheiben gebildet sind, von denen mindestens eine profiliert ausgebildet ist. Diese Profilierung kann beispielsweise von in Radialrichtung verlaufenden Sicken gebildet sein, so daß zwischen den Sicken Kanäle gebildet werden. Diese Kanäle erweitern sich dann in Durchströmungsrichtung. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß eine der beiden Scheiben im wesentlichen glatt ist. Der Katalysatorträger setzt sich dann aus einem Paket einer Viel­ zahl von abwechselnd profilierten und glatten Metallfolien­ scheiben zusammen. Diese Metallfolienscheiben, die paarweise identisch sein können, brauchen nicht durch ein aufwendiges Lötverfahren miteinander verbunden zu werden, sondern lassen sich einfach in einer Halterung, beispielsweise in einem Tragkorb, anbringen. Dadurch wird ein Beschichten der Metall­ folienscheiben mit dem Katalysatormaterial im Sprühverfahren möglich, was zu einer Verringerung des Edelmetalleinsatzes führt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Scheiben beispielsweise durch Löten, Diffusionsschweißen oder auf andere Weise miteinander zu verbinden, falls dies nötig erscheint. Auch eine konventionelle Beschichtung ist möglich.

Erfindungsgemäß kann in Weiterbildung vorgesehen sein, daß die Scheibe, auch die an sich glatte Scheibe, eine zusätz­ liche Profilierung mit geringerer Profiltiefe aufweist, wobei die beiden Profilierungen so aufeinander abgestimmt sind, daß dadurch eine Festlegung der beiden Scheiben aneinander er­ folgt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Scheiben des Ka­ talysators die Form des Querschnitts des Katalysatorträgers aufweisen. Bei einem kreiszylinderförmigen Katalysatorträger sind die Scheiben also kreisrund mit einer zentralen Öffnung, die dem erwähnten Hohlraum entspricht. Die Scheiben werden zur Bildung eines Pakets aufeinander geschichtet und dann durch einen äußeren Käfig festgelegt. Die Gaseinleitung er­ folgt in den zentralen Hohlraum, aus dem das Gas dann radial nach außen strömt. Die so gebildeten Kanäle können leicht gebogen verlaufen, zu welchem Zweck die erwähnten Sicken ebenfalls eine leichte Bogenform aufweisen können.

Die Metallfolienscheiben sind im Normalfall eben ausgebildet. Sie können jedoch auch beispielsweise eine leichte Trichter­ form aufweisen. In beiden Fällen sind sie quer zur Achse des Katalysatorträgers verlaufend angeordnet.

Es ist aber ebenfalls möglich und wird von der Erfindung vorgeschlagen, die Scheiben so auszubilden und anzuordnen, daß die Berührungsfläche zwischen je zwei Scheiben parallel zu der Zylinderachse des Katalysatorträgers verlaufen. In diesem Fall könnten die Scheiben in dem erwähnten Beispiel eines kreiszylindrischen Katalysatorträgers Rechteckform aufweisen, wobei die Profilierung der profilierten Scheiben so gewählt ist, daß die Dicke der Scheiben an der einen Stirnkante größer als an der anderen Stirnkante ist.

Zur Verbesserung des Anspringsverhaltens kann vorgesehen sein, daß in dem zentralen Hohlraum ein Schieber angeordnet ist, der seitlich mehr oder weniger weit in den Hohlraum eingeschoben werden kann. Dadurch kann erreicht werden, daß bei noch kaltem Katalysator das Abgas zunächst nur einen Teil der inneren Fläche des Katalysators beaufschlagt, so daß dieser sich schneller erwärmt. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß in dem von dem Schieber freigegebenen Bereich Heiz­ scheiben in dem Katalysator eingebaut werden, die zum aktiven Erwärmen des Katalysators dienen.

Ebenfalls möglich ist es, auf dem Schieber selbst Heizele­ mente in Form von beheizten stachelartigen Vorsprüngen anzu­ ordnen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge ergeben sich aus den Patentansprüchen, deren Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen von der Erfin­ dung vorgeschlagenen Katalysator durch die Zylinderachse;

Fig. 2 einen Querschnitt etwa längs Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Ansicht dreier benachbarter Metallfolienscheiben in Radial­ richtung;

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt längs Linie IV-IV durch eine Metallfolienscheibe;

Fig. 5 stark vereinfacht ein Beispiel für ein Paar von Metallfolienscheiben bei einer geänderten Ausführungsform; und

Fig. 6 stark vereinfacht einen der Fig. 1 entspre­ chenden Schnitt durch eine weitere Ausfüh­ rungsform.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Katalysator enthält ein Katalysatorgehäuse 1, das einen Außenmantel 2, einen Eintrittsboden 3 und einen gegenüberliegenden Boden 4 auf­ weist. In das Katalysatorgehäuse 1 führt durch den Eintritts­ boden 4 eine Einlaßleitung 5 für das zu reinigende Gas.

In dem Gehäuse 1 ist konzentrisch ein Katalysatorträger 6 angeordnet. Er weist die Form eines Hohlzylinders mit einem zentral angeordneten axialen Hohlraum 7 auf. Der Hohlraum 7 ist in Verlängerung zu der Einlaßleitung 5 angeordnet und weist im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Ein­ laßleitung 5 auf.

Außerhalb der radialen Außenseite des Katalysatorträgers 6 ist ein Ringspalt 8 gebildet, der sich um den gesamten Umfang des Katalysatorträgers 6 herum erstreckt. Aus diesem Ring­ spalt führt durch den Zylindermantel 2 eine Auslaßöffnung 9 zu einer Auslaßleitung 10.

Der Katalysatorträger 6 ist aus einem Paket von flachen runden Scheiben 11, 12 zusammengesetzt, wobei jede Scheibe 11, 12 aus einer dünnen Metallfolie besteht, die mit Kataly­ satormaterial beschichtet ist. Die zwei Arten von Metallfo­ lienscheiben wechseln sich immer ab. Dies wird im folgenden noch erklärt werden.

Die Scheiben 11, 12 sind so angeordnet, daß ihre Berührungs­ fläche senkrecht zur Längsachse des Katalysators verläuft. Das in den Hohlraum 7 durch die Einlaßleitung 5 eintretende Gas strömt daher durch Zwischenräume zwischen den beiden Ka­ talysatorscheiben 11, 12 radial nach außen. Dabei gelangt es in den Ringspalt 8 und von dort aus in die Auslaßleitung 10.

In dem Hohlraum 7 ist ein Schieber 13 angeordnet, der mit Hilfe einer Schieberstange 14 in Axialrichtung verschiebbar ist. Die Schieberstange 14 greift durch eine Öffnung 15 in dem Boden 4 des Katalysatorgehäuses 1 hindurch, wobei die Einrichtungen zur Bewegung des Schiebers 13 nicht dargestellt sind. Der Schieber 13 weist auf seiner, der Einlaßleitung 5 zugewandten Seite mehrere stiftartige Vorsprünge 16 auf, die sich beispielsweise elektrisch beheizen lassen. Zusätzlich können zwischen den Katalysatorscheiben 11, 12 im Bereich des Einlaßbodens 3 noch einige beheizbare Scheibenelemente ange­ ordnet sein.

Bei noch kaltem Katalysator wird der Schieber 13 so weit in den Innenraum 7 eingeschoben, siehe Fig. 1, daß nur ein Teil der Mantelfläche des Hohlraums 7 von dem Gasstrom erreicht werden kann. Es wird also die Eintrittsfläche in den Kataly­ satorträger verkleinert. Dadurch erwärmt sich der Katalysator in diesem Bereich schneller. Dieses schnellere Anspringen kann durch Heizen der Stifte 16 oder der Heizelemente im Be­ reich des Einlaßbodens 3 unterstützt werden. Bei erwärmtem Katalysator wird der Schieber 13 zurückgezogen, so daß schließlich die gesamte Mantelfläche des Hohlraums 7 für das Eintreten des Gases in den Katalysatorträger 6 zur Verfügung steht.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Katalysatorgehäuse der Fig. 1, wobei die erste Metallfolienscheibe 11 in Ansicht zu sehen ist. Es ist angedeutet, daß diese Metallfolienschei­ be 11 eine Vielzahl von radial verlaufenden Rippen 17 auf­ weist, die dadurch sektorartige schmale, sich erweiternde Ka­ näle 18 zwischeneinander bilden. Durch diese Kanäle strömt das Gas. Anstelle der geradlinig verlaufenden Rippen 17 könn­ ten diese auch etwas gebogen sein, so daß die Kanäle 18 leicht gebogen verlaufen. Auf diese Weise kann man die Auf­ enthaltsdauer des Abgases in den Kanälen vergrößern.

Die mit Hilfe der Rippen 17 profilierte Folienscheibe 11 weist zusätzlich in Umfangsrichtung verlaufende Sicken 19 auf, die in Fig. 2 ebenfalls angedeutet sind. Diese Sicken dienen zur Verriegelung der einzelnen Metallfolienscheiben untereinander.

Zur Konservierung der Wärme bei kürzeren Stillstandszeiten kann in den Ringspalt 8 ein keramischer Körper eingebracht werden, der im Betrieb die Wärme speichert. Dieser Körper kann durch ein Drahtgestrick oder eine Quellmatte im Gehäuse gehalten werden.

Wie die Fig. 2 ebenfalls zeigt, besitzen die Metallfolien­ scheiben 11 die Form des Querschnitts des Katalysatorträgers, sind also als im wesentlichen ebene runde Scheiben mit einem mittleren Loch ausgebildet. Die Form des Katalysators und der Scheiben ist nicht auf diese Form beschränkt. Die Folien­ scheiben lassen sich selbstverständlich auch in ovaler Form herstellen. Auch mehreckige Formen sind möglich.

Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht dreier nebeneinander angeord­ neter Scheiben 11, 12 etwa in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2, wobei die Scheiben in der Fig. 3 in gegenseitiger Relation gezeichnet sind, sich jedoch noch nicht berühren, wie dies im Betrieb der Fall ist.

Die in der vereinfachten Fig. 2 noch als Rippen bezeichneten Vorsprünge weisen eine endliche Breite auf, die sich natür­ lich in Richtung zur Außenkante vergrößert. Die Profilierung bildet eine Art Trapezprofil. Quer zu diesen Vorsprüngen bzw. Vertiefungen verlaufen dann die Sicken 19 mit geringerer Tie­ fe, die in Fig. 3 ebenfalls zu sehen sind.

Die jeweils anderen Metallfolienscheiben 12, die kleine in Radialrichtung verlaufende Profilierung aufweisen, weisen auf ihren beiden Seiten ebenfalls in Umfangsrichtung verlaufende schmale Sicken 20, 21 auf. Die Positionen dieser Sicken 20, 21 sind so gewählt, daß sie mit den Positionen der Sicken 19 der profilierten Scheibe 11 zusammenfallen. Legt man also die Scheiben 11, 12 so aufeinander, daß ihre Innen- und Außenkan­ ten fluchten, so liegen die Sicken 20, 21 in den Sicken 19 der profilierten Scheibe 11. Dadurch ergibt sich eine Ver­ riegelung.

Die Form dieser Sicken 20, 21 der nicht profilierten Scheibe 12 ergibt sich aus dem Querschnitt der Fig. 4, der gegenüber der Fig. 3 stark vergrößert ist. Die Sicken 20, 21, die in Umfangsrichtung verlaufen, wechseln sich auf beiden Seiten der Metallfolienscheibe 12 ab. Zwischen je zwei Sicken 20, 21 sind noch kleinere Sicken 22 vorhanden, die ebenfalls ring­ förmig umlaufen. Diese dienen zur Vergrößerung der kataly­ tisch beschichteten Oberfläche und zur Ermöglichung einer Querströmung.

Das aus den Metallfolienscheiben 11, 12 zusammengesetzte Folienpaket wird in dem Gehäuse 11 mit Hilfe eines gestri­ chelt angedeuteten Lochblechkorbs 23 gehalten. Die Halterung kann auch auf andere Weise geschehen.

Die Herstellung des Katalysatorgehäuses nach Fig. 1 kann durch einfaches Falzen von Blechteilen geschehen, da die Falzungen in einem Bereich stromab des Katalysators liegen.

Fig. 5 zeigt stark vereinfacht schematisch eine Möglichkeit, wie der Katalysatorträger ebenfalls aus Paaren von Blechen aufgebaut sein kann. Während bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 die Scheiben quer zur Achsenrichtung des Kataly­ sators angeordnet sind, werden bei der Ausführungsform nach Fig. 5 Paare von Folienscheiben 24, 25 verwendet, die recht­ eckig sind und die aneinander in Flächen anliegen, die paral­ lel zur Längsachse des Katalysators verlaufen. Die profilier­ te Folienscheibe 1 ist so profiliert, daß sie im Bereich ihrer einen, der äußeren Stirnkante 26 eine größere Dicke aufweist als im Bereich der gegenüberliegenden radial inneren Stirnkante 27. Aufgrund dieser nach außen hin zunehmenden Dicke erhält man bei Verwendung einer größeren Zahl von Paa­ ren solcher Folienscheiben 24, 25 ebenfalls einen hohlzylin­ drischen Katalysatorträger, der in gleicher Weise wie das Scheibenpaket nach Fig. 1 und 2 eine Vielzahl von radial ver­ laufenden, sich erweiternden Kanälen bildet. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kann durch eine zusätzliche Pro­ filierung eine gegenseitige Verriegelung der einzelnen Bleche aneinander erfolgen, so daß das Gesamtpaket sich einfach durch einen äußeren Lochblechkorb zusammenhalten läßt. Bei beiden Ausführungsformen ist eine Befestigung der Metallfo­ lienscheiben aneinander nicht erforderlich, so daß sich die Herstellung vereinfachen und verbilligen läßt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die Metallfolien­ scheiben 11, 12 leicht trichterförmig ausgebildet. Sie haben also die Form eines flachen Kegels. Dadurch bilden sich bei einem gleichen Aufbau wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 einzelne Kanäle, die zwar im wesentlichen radial verlaufen, aber dennoch eine gewisse kleine axiale Komponente enthalten. Die Strömung wird also aus dem Innenraum nicht rechtwinklig nach außen umgelenkt, sondern um einen etwas kleineren Win­ kel. Dabei kann die Abweichung von einem rechtwinkligen Ver­ lauf gegenüber der Längsache je nach Umständen des Einzel­ falls ausgewählt werden. Ein entsprechendes Katalysatorge­ häuse für die Ausführungsform nach Fig. 6 kann dann ebenfalls der Form der Scheiben angepaßt oder auch mit rechtwinklig verlaufenden Böden hergestellt sein.

Die Erfindung schlägt ebenfalls vor, daß eine bestimmte Zahl von aneinander befestigten Metallfolienscheiben 11, 12 als Paket zu einem Modul zusammengefaßt werden. In dem Katalysa­ torgehäuse können dann mehrere ggf. getrennt gehalterte oder auch aneinander anliegende Module angeordnet sein. Auf diese Weise können baukastenartig Katalysatoren unterschiedlicher Größe zusammengesetzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einer Verschlechterung der Katalysatorwirkung eventuell nur einzelne Module ausgetauscht werden müssen, wenn sich die Verschlechterung des Katalysatorverhaltens auf einen bestimmten Bereich beschränkt.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist es möglich und wird von der Erfindung vorgeschlagen, die zwischen den Me­ tallfolienscheiben gebildeten einzelnen Kanäle so schräg her­ zustellen, daß eine Strömung etwa wie bei der Ausführungs­ form der Fig. 6 auftritt. Dies kann durch entsprechenden Schrägverlauf der Knicklinien erreicht werden.

Claims (15)

1. Katalysator, insbesondere für Verbrennungsmotore, mit

• 1.1 einem Gehäuse (1),
• 1.2 einer in das Gehäuse (1) führenden Gaseinlaßöff­ nung,
• 1.3 einer aus dem Gehäuse (1) herausführenden Gasaus­ laßöffnung (9),
• 1.4 einem in dem Gehäuse (1) angeordneten Katalysator­ träger (6), der
• 1.4.1 im wesentlichen zylindrische Form aufweist,
• 1.4.2 mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist und
• 1.4.3 eine Vielzahl von getrennten gasdurchströmbaren Kanälen (18) aufweist, die
• 1.4.4 im wesentlichen radial verlaufend angeordnet sind.

2. Katalysator nach Anspruch 1, bei dem der Gaseinlaß in Richtung der Zylinderachse des Katalysatorträgers er­ folgt.

3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ein­ laßöffnungen der Kanäle (18) auf einer Zylinderman­ telfläche liegen.

4. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auslaßöffnungen der Kanäle (18) auf einer Zylin­ dermantelfläche liegen.

5. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Katalysatorträger (6) einen zentralen axial ver­ laufenden Hohlraum (7) aufweist.

6. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Kanäle (18) in Durchströmungsrichtung er­ weitern.

7. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kanäle (18) zwischen je zwei Metallfolienschei­ ben (11, 12; 24, 25) gebildet sind, von denen mindestens eine profiliert ausgebildet ist.

8. Katalysator nach Anspruch 7, bei dem eine Scheibe (12, 25) im wesentlichen glatt ist.

9. Katalysator nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die Scheiben (11, 12; 24, 25) eine zusätzliche Profilie­ rung geringerer Profiltiefe zur gegenseitigen Festlegung aufweisen.

10. Katalysator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Scheiben (11, 12) die Form des Querschnitts des Ka­ talysatorträgers (6) aufweisen.

11. Katalysator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Scheiben (11, 12) quer zur Achse des Katalysatorträ­ gers (6) verlaufend angeordnet sind.

12. Katalysator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Scheiben (24, 25) einander längs Flächen berühren, die parallel zur Zylinderachse des Katalysatorträgers (6) verlaufen.

13. Katalysator nach einem der Ansprüche 5 bis 12, mit einem in den zentralen Hohlraum (7) des Katalysatorträgers (6) hineinbewegbaren Schieber (13).

14. Katalysator nach Anspruch 13, bei dem der Schieber (13) mit Heizelementen versehen ist.

15. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kanäle (18) gebogen verlaufen.