DE4437718A1

DE4437718A1 - Katalysator-Trägerkörper mit einer Innenisolierung

Info

Publication number: DE4437718A1
Application number: DE4437718A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Maus; Rolf Brueck
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1996-04-25
Also published as: JP3801633B2; EP0789807A1; RU2136910C1; US6274099B1; EP0789807B1; CN1069947C; DE59502127D1; JPH10508529A; CN1161727A; WO1996012876A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur katalytischen Umset zung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Ab gassystem von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Katalysator-Träger körper, der eine Vielzahl von einem Abgas durchströmbarer Kanäle aufweist und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrich tung.

Um eine möglichst vollständige Umsetzung der in einer Verbrennungs kraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxydes zu erreichen, muß der Katalysator eine Mindesttemperatur haben, bei der die katalytische Umsetzung der Komponenten des Abgases stattfinden kann. Im allgemeinen spricht man von einer sogenannten Anspringtempe ratur. Der Katalysator wird in der Kaltstartphase durch das heiße Abgas aufgeheizt. Es ist auch bekannt, den Katalysator-Trägerkörper wenigstens teilweise elektrisch zu beheizen. Damit der Schadstoffausstoß während der Kaltstartphase möglichst gering ist und aus mechanischen Gründen, ist daher vorgeschlagen worden, den Katalysator-Trägerkörper mit einer Innenisolierung auszubilden, um den Wärmeverlust an das Gehäuse und die Umgebung zu verringern.

Durch die DE 36 02 134 A1 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen, bekannt, die einen in einem Gehäuse angeordneten metallischen Katalysator-Trägerkörper aufweist. Der Trägerkörper weist eine Vielzahl von einem Abgas durch strömbarer Kanäle auf. Die Innenisolierung des Katalysator-Trägerkörpers ist gemäß dem Vorschlag der DE 36 02 134 A1 dadurch zu verwirkli chen, daß vor dem Katalysator-Trägerkörper ein radial nach innen wei sender Bund angeordnet ist, dessen Bundhöhe 3-15% des Katalysator- Durchmessers, mindestens aber 1 mm beträgt. Durch diesen Bund wird im Abgasstrom eine Wirbelzone geschaffen, durch die eine direkte Beauf schlagung eines äußeren ringförmigen Bereichs mit dem heißen Abgas vermieden wird.

Durch das DE G 87 12 267.7 U1 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen Katalysator-Trägerkörper, der eine Vielzahl von Strömungs kanälen für ein Abgas aufweist und der in einem hülsenförmigen Gehäu se eingesetzt ist. Das Gehäuse ist gegenüber dem Katalysator-Trägerkör per thermisch isoliert. Die Isolierung wird dadurch erreicht, daß der Katalysator-Trägerkörper zwischen Stirnringen angeordnet ist, die minde stens die äußere Lage des metallische Matrixkörpers und damit die äußeren Strömungskanäle in dieser Matrix verschließen. Hierdurch ent steht im Außenbereich des Katalysator-Trägerkörpers ein abgeschlossener; nicht von Abgas durchströmter; Luftspalt, der zur Wärmeisolierung dient.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Vorrichtungen zur katalytischen Umsetzung von Abgasen so weiterzubil den, daß die Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit einer Innenisolierung vereinfacht wird. Ferner soll ein Verfahren zur Herstel lung einer solchen Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen zur katalytischen Umse tzung von Abgasen wird ein im Außenbereich des Katalysator-Trägerkör pers abgeschlossener Luftspalt nicht durch zusätzliche Ringe oder des gleichen bewirkt, sondern dadurch, daß der freie Strömungsquerschnitt der Kanäle teilweise, d. h. in mindestens einem axialen Teilbereich, in Strömungsrichtung des Abgases durch plastische Verformung der Kanal wände verschlossen wird. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Vorrichtung, da nunmehr kein Bund oder Stirnring in das Gehäuse eingebracht werden muß. Besteht der Katalysator-Trägerkörper aus meh reren gewickelten Blechlagen, so kann die plastische Verformung bereits beim Wickeln erfolgen. Dies vereinfacht das Herstellungsverfahren gewic kelter Katalysatoren, da der Wickelvorgang und die plastische Verfor mung gleichzeitig erfolgen können.

Vorzugsweise werden die Kanäle im Bereich des Abgaseintritts verschlos sen. Die plastische Verformung der Kanäle erfolgt vorteilhafterweise vor der Aufbringung einer katalytischen wirksamen Schicht auf den Katalysa tor-Trägerkörper. Die Beschichtung (Washcoat) wird meist mittels einer den Katalysator-Trägerkörper durchfließenden Suspension aufgebracht. Der Katalysator-Trägerkörper kann so angeordnet werden, daß die Suspension in die einseitig verschlossenen Kanäle reinfließt. Der Washcoat füllt dann die Kanäle aus. Er bildet eine thermische Isolierung. Ordnet man den Katalysator-Trägerkörper so an, daß die verschlossenen Kanäle im Ein trittsbereich der Suspension in den Katalysator-Trägerkörper liegen, so können die Kanäle nicht mit der Suspension gefüllt werden. Dies verbes sert die Isolation, da die Wärmeleitfähigkeit der Katalysator-Trägerschicht, die den Kanal vollständig ausfüllen würde besser ist als die der in den Kanälen enthaltenen Atmosphäre. Vorteilhafterweise sind die Kanäle im Abgaseintritts- und Abgasaustrittsbereich verschlossen. Sollte die plastische Verformung einzelne Kanäle nicht vollständig verschließen, so wird dies durch die nachträgliche Beschichtung, die kleine Spalte verschließt, ausgeglichen.

Bei einer Vorrichtung, bei der die Kanäle im Katalysator-Trägerkörper lagenweise übereinander ausgebildet sind, ist es von Vorteil, in bis fünf Lagen der Kanäle durch plastische Verformung zu schließen, vorzugsweise zwei. Hierdurch wird ein vorteilhafter Kompromiß zwischen der notwendi gen katalytisch aktiven Oberfläche und der Wärmeisolierung erzielt, ohne daß der Katalysator-Trägerkörper in seinen äußeren Abmessungen wesent lich vergrößert werden muß.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem wird durch die Merkmale des Anspruchs 5 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 6 bis 17.

Gemäß dem Verfahren wird vorgeschlagen durch plastische Verformung der Kanäle in einem äußeren Ring im Bereich des Katalysator-Trägerkör pers den freien Strömungsquerschnitt der Kanäle teilweise in Strömungs richtung des Abgases zu verschließen. Die plastische Verformung kann dadurch erfolgen, daß der Katalysator-Trägerkörper in eine Matrize eingestoßen wird. Beim Einstoßen des Katalysator-Trägerkörpers wird der äußere Bereich des Trägerkörpers deformiert, wodurch die Kanäle ver schlossen werden. Die Einstoßmatrize kann mit einer konischen oder einer ringförmigen Wandung versehen sein.

Statt den Katalysator-Trägerkörper in eine Matrize einzustoßen, kann die plastische Verformung der Kanalwände auch dadurch erfolgen, daß mittels eines Stempels auf einen äußeren Ringbereich eine Kraft ausge übt wird, die zu der plastischen Verformung der Kanalwände führt. Der Stempel kann dabei ringförmig oder mit einer schräg von innen nach außen verlaufenden Wand ausgebildet sein. Ist der Stempel mit einer schräg von innen nach außen verlaufenden Wand versehen, so werden die freien Strömungsquerschnitte der Kanäle durch Biegen der Kanalwän de geschlossen. Bei einem ringförmigen Stempel werden die Kanalwände gequetscht.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird vorgeschlagen, während der plastischen Verformung den Katalysator-Trägerkörper an seinem der Krafteinleitung entgegengesetztem Ende gegenzuhalten. Dies hat den Vorteil, daß die einzelnen Lagen des Katalysator-Trägerkörpers gegeneinander nicht verschoben werden.

Es sind Katalysator-Trägerkörper bekannt, die aus einer Vielzahl von sich abwechselnden strukturierten und vorzugsweise glatten Blechlagen beste hen. Solche metallischen Katalysator-Trägerkörper werden von einem Mantelrohr umgeben. Es wird daher vorgeschlagen, die plastische Ver formung des Mantelrohres und der Kanäle in einem äußeren Ringbereich des Katalysator-Trägerkörpers durchzuführen, derart daß der freie Strö mungsquerschnitt der Kanäle teilweise in Strömungsrichtung des Abgases verschlossen wird. Die plastische Verformung des Mantelrohres und der Kanäle kann dadurch erfolgen, daß in dem Mantelrohr wenigstens eine nach innen gerichtete umlaufende Sicke ausgebildet wird. Die Sicke kann auch zur Verbindung des Katalysator-Trägerkörpers mit einem Gehäuse genutzt werden.

Die plastische Verformung erfolgt vorteilhafterweise durch Freiformen. Vorzugsweise wird die plastische Verformung durch Walzen oder Kneten durchgeführt.

Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, ohne daß eine Beschränkung auf diese Ausführungsbeispiele vorgenommen wird. Hierbei zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Katalysator-Trägerkörper und eine Matri ze,

Fig. 2 zeigt eine zweite Form einer Matrize,

Fig. 3 zeigt schematisch einen Trägerkörper, welcher in eine Ma trize nach Fig. 2 eingestoßen wurde,

Fig. 4 zeigt einen Katalysator-Trägerkörper und einen Stempel im Schnitt,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stempels,

Fig. 6 zeigt einen plastisch deformierten Trägerkörper, entspre chend Fig. 4,

Fig. 7 einen plastisch deformierten Trägerkörper durch Deforma tion mit einem Stempel nach Fig. 5 und

Fig. 8 einen Trägerkörper im Teilschnitt.

Der Katalysator-Trägerkörper 1 weist eine Vielzahl von einem Abgas durchströmbarer Kanäle 2 auf. Die Kanäle 2 werden durch abwechselnde Anordnung von strukturierten Blechlagen 12 und glatten Blechlagen 13 gebildet. Jeder Kanal weist einen freien Strömungsquerschnitt 4 auf, der durch die Kanalwände 11 begrenzt wird. Die Kanalwände werden durch die Blechlagen 12, 13 gebildet. Zur plastischen Verformung in einem äußeren ringförmigen Bereich 3 des Katalysator-Trägerkörpers 1 wird dieser, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, in eine Matrize 7 eingestoßen. Hierzu kann der Katalysator-Trägerkörper 1 z. B. mittels nicht dargestell ter Spannbacken gehalten und entsprechend in die Matrize 7 eingestoßen werden. In der Darstellung nach Fig. 1 wird der Wabenkörper 1 mittels eines Werkzeuges 14 in die Matrize eingestoßen. In der Matrize 7 ist eine ringförmige Wandung 8 ausgebildet. Die Breite des Rings entspricht der Breite der zu verschließenden Kanäle im Wabenkörper 1. An die Wandung 8 schließt sich ein Mantel 15 an, dessen innere Kontur mit der Außenkontur des Katalysator-Trägerkörpers 1 entspricht.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Matrize 7 dargestellt. Die Matrize 7 hat eine Wandung 8, die konisch ausgebildet ist.

In der Fig. 3 ist ein Wabenkörper 1 dargestellt, die in eine entspre chende Matrize 7 nach Fig. 2 eingestoßen wurde. In dem ringförmigen Bereich 3 sind die Kanäle 2 verschlossen. Der Randbereich des Träger körpers 1 ist entsprechend schräg ausgebildet.

Statt den Trägerkörper 1 in die Matrize 7 einzustoßen, wird vorgeschla gen, die plastische Verformung der Kanäle 2 mittels eines Stempels 9 bzw. 9′ zu verschließen. Der Stempel 9 bzw. 9′ ist hin und her bewegbar und weist einen ringförmigen Absatz 16 auf.

Der Stempel 9′ unterscheidet sich vom Stempel 9 dadurch, daß dieser eine schräg von innen nach außen verlaufende Wand 21 aufweist.

In den Fig. 6 und 7 sind Trägerkörper 1 dargestellt, wobei in der Fig. 6 ein Trägerkörper im Schnitt dargestellt ist, bei dem im äußeren Ringbereich die Kanäle 2 mittels des Stempels 9 verschlossen worden sind. In der Fig. 7 ist ein Trägerkörper dargestellt, bei dem ein Stem pel 9′ nach Fig. 5 verwendet wurde.

Die Herstellung der Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem von einem Mantelrohr 10 umge benden Katalysator-Trägerkörper 1, der eine Vielzahl von Kanälen 2 aufweist, kann dadurch hergestellt werden, daß die plastische Verformung des Mantelrohres 10 und der Kanäle 2 in einem äußeren Ringbereich 3 erfolgt, so daß der freie Strömungsquerschnitt 4 der Kanäle 2 teilweise in Strömungsrichtung des Abgases verschlossen wird. Die plastische Verformung kann mittels eines Werkzeuges 17 erfolgen. Das Werkzeug 17 weist eine um eine Achse 19 verdrehbare Scheibe 18 auf, die an ihrem äußeren Randbereich im wesentlichen einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist. Die Scheibe 18 wird mit einer Kraft gegen den Katalysator-Trägerkörper 1 und den Mantel 10 gedrückt, so daß eine plastische Verformung des Mantelrohres 10 und der Kanalwandungen erfolgt. Es wird eine umlaufende zum Trägerkörper 1 gerichtete Sicke 20 erzeugt.

Das Werkzeug 17 kann um den Katalysator-Trägerkörper 1 rotieren. Es ist auch möglich, daß Werkzeug 17 stationär anzuordnen und den Kataly sator-Trägerkörper 1 um seine Achse rotieren zu lassen.

Die Ausbildung der Sicke 20 kann stufenweise erfolgen, wozu das Werk zeug 17 entsprechend zugestellt wird.

Bezugszeichenliste

1 Katalysator-Trägerkörper
2 Kanäle
3 Ringbereich
4 Strömungsquerschnitt
5 Eintritt
6 Austritt
7 Matrize
8 Wandung
9, 9′ Stempel
10 Mantelrohr
11 Kanalwand
12, 13 Blechlage
14 Werkzeug
15 Mantel
16 Ring
17 Werkzeug
18 Scheibe
19 Achse
20 Sicke
21 Wand

Claims

1. Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem von Verbren nungskraftmaschinen, mit einem Katalysator-Trägerkörper (1), der eine Vielzahl von einem Abgas durchströmbarer Kanäle (2) auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem äußeren ringförmigen Bereich (3) dM Katalysator-Trägerkörpers (1) der freie Strömungs querschnitt (4) Kanäle (2) zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des Abgases durch plastische Verformung der Kanalwände (11) verschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (2) im Bereich des Abgaseintritts (5) verschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (2) zusätzlich im Bereich des Abgasaustritts (6) verschlos sen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Kanäle (2) lagenweise übereinander ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in bis zu fünf Lagen, vorzugsweise zwei Lagen der Kanäle (2) plastisch verformt sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Katalysator-Trägerkörper (1), der eine Vielzahl von einem Abgas durchströmbarer Kanäle (2) aufweist, gekennzeichnet durch plasti sche Verformung der Kanäle (2) in einem äußeren ringförmigen Bereich (3) des Katalysator-Trägerkörpers (1), so daß der freie Strömungsquerschnitt (4) der Kanäle (2) zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des Abgases verschlossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Katalysator-Trägerkörper (1) zur Verformung der Kanäle (2) in eine Matrize (7) eingesto ßen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Trägerkörper (1) in eine Matrize (7) mit einer konisch ausgebildeten Wandung (8) eingestoßen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Trägerkörper (1) in eine Matrize (7) mit einer ringför migen Wandung (8) eingestoßen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung der Kanäle (2) durch einen Stempel (9, 9′) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung durch einen ringförmigen Stempel (9) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Stempel (9′) eine schräg von innen nach außen ver laufende- Wand (21) aufweist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 5 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß während der plastischen Verformung der Katalysator-Trägerkörper (1) gegengehalten wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere in einem Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem von einem Mantelrohr (10) umgebenen Katalysator-Trägerkörper (1), der eine Vielzahl von einem Abgas durchströmbarer Kanäle (2) aufweist, kennzeichnet durch plastische Verformung des Mantelrohres (10) und der Kanäle (2) in einem äußeren ringförmi gen Bereich (3) des Katalysator-Trägerkörpers (1), derart daß der freie Strömungsquerschnitt (4) der Kanäle (2) zumindest in einem Teilbereich in Strömungsrichtung des Abgases verschlossen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mantelrohr (10) wenigstens eine zum Trägerkörper (1) gerichtete, umlaufende Sicke (20) ausgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung durch Freiformen erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die plastisch Verformung durch Walzen erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung durch Kneten erfolgt.