DE60110965T2

DE60110965T2 - Katalysatorträger

Info

Publication number: DE60110965T2
Application number: DE60110965T
Authority: DE
Inventors: Sven Melker Nilsson
Original assignee: Ecocat Oy
Current assignee: Dinex Ecocat Oy
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: EP1136669A3; DE60110965D1; SE522537C2; SE0000972L; EP1136669A2; US20010024627A1; SE0000972D0; EP1136669B1

Description

Hintergrund
In Abgassystemen von Brennkraftmaschinen werden häufig Katalysatoren eingesetzt, um die Emission von Gasen zu vermeiden, die für die Umwelt gefährlich sind. Die Katalysatormaterialien sind in dünnen Schichten auf einem Katalysatorträger aufgebracht, der mit einer Vielzahl von parallelen Schlitzen versehen ist. Ein Beispiel eines gegenwärtigen Katalysatorträgers besteht aus einer Wicklung von abwechselnd flachen und gewellten Metallfolien. Während des Betriebs wird der Katalysatorträger auf einen Temperaturbereich von 200 bis 1000° stark aufgeheizt, zum Teil durch die Temperatur der zugeführten Abgase und zum Teil durch zusätzliche Energieentwicklung, die durch die Verbrennung von Kohlenmonoxid und anderen schädlichen Gasen bewirkt wird, die in dem Abgas enthalten sind. Es ist notwendig, den Katalysatorträger entfernt von dem äußeren, in dem Abgassystem eingebauten Gehäuse, Umhüllung genannt, zu halten, und zwar aus zwei Gründen: Einer besteht darin zu verhindern, dass das Abgassystem auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die Feuer verursachen könnte, der andere besteht darin zu verhindern, dass Teile der Katalysatorschicht sich auf eine Temperatur abkühlen, bei der sie inaktiv werden. Um die Form und den Zusammenhalt des Katalysatorträgers zu erhalten, ist es auch notwendig, dass die Expansion des Katalysatorträgers, die durch die Erhitzung bewirkt wird nicht verhindert wird, oder keine übermäßigen Spannungen erzeugt.
Es gibt mehrere bekannte Verfahren zur Herstellung und Installation von Katalysatorträgern für diesen Zweck. Die europäische Patentschrift 705 962 offenbart einen Katalysatorträger, der in einem röhrenförmigen Mantel mit dicken Wänden und variierendem Durchmesser fixiert ist, wobei der Durchmesser in dem Mantelbereich kleiner ist, der den Katalysatorträger berührt, und in dem Mantelbereich größer ist, der über einen Flansch an einem äußeren Gehäuse befestigt ist. Eine ähnliche Lösung, bei der das äußere Gehäuse kegelförmige Teile hat und sich lokal verjüngt, um so in direkten Kontakt mit dem röhrenförmigen Mantel zu kommen, ist in WO 96/34188 offenbart. Die europäischen Patentschriften 705 963 und 724 070 und auch DE 196 36 662 zeigen, dass der Katalysatorträger von dem äußeren Gehäuse durch eine Schicht von wärmeisolierendem Material, wie etwa Mineralwolle, entfernt gehalten werden kann. Gemäß DE 195 01 360 kann die Faserschicht Metallbleche mit ausgestanzten Laschen enthalten, um zu verhindern, dass Fasern deformiert oder weggeblasen werden. In einer anderen Ausführungsform ist der Katalysatorträger mit einem festen, rohrförmigen Mantel mit dicken Wänden versehen, dessen Enden sich über den Katalysatorträger hinaus erstrecken und hier mit Flanschen versehen sind, die an dem äußeren Gehäuse befestigt sind.
JP 55 1097716 A beschreibt einen Katalysatorträgermonolithen mit Umhüllung zur Verwendung in Abgassystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung wenigstens zwei Abschnitte mit nach außen gebogenen Kanten aufweist, die einander berühren, wenn die Abschnitte aneinander gedrückt werden, um in Kontakt mit dem Monolithen zu kommen und ihn einzuschließen, wobei die Kanten zu Längsflanschen vereint sind. JP 59 138 715 A beschreibt einen Katalysatorträger, dessen Kanten oder Kapselbereiche durch Schweißen vereint sind.
Die bekannten Ausführungsformen haben den ernsten Nachteil, dass die Wanddicke der Mäntel relativ groß sein muss, um eine feste Verbindung mit dem äußeren Gehäuse zu erlauben, und dies ist eine Eigenschaft, die die Anbringung des Mantels an dem Katalysatorträger schwieriger und kostenaufwendiger macht und die Erwärmung, den Start und die Funktion des Katalysatorträgers im Betrieb verzögert. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatorträgerhülle, die eine einfache Befestigung des Mantels an dem äußeren Gehäuse erlaubt, unnötige Wärmeübertragung zwischen dem Mantel und dem äußeren Gehäuse verhindert und die thermische Expansion des Mantels und des Katalysatorträgers ermöglicht und die in einigen Ausführungsformen die einfache Ersetzung des Katalysatorträgers erlaubt, wenn dieser seine Aktivität verloren hat, weil er übermäßig hohen Temperaturen ausgesetzt war, weil er durch Vibrationen beschädigt wurde, weil er von chemischer Einwirkung oder anderen Beschädigungen betroffen worden ist. Normalerweise besteht der den tatsächlichen Katalysatorkörper umgebende Mantel aus einem Mantel mit einer Dicke von 1 bis 1,5 mm. Der Mantel bildet einen wesentlichen Teil der thermischen Masse des Katalysators und verzögert daher den Start und die Aktivität des Katalysators. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein sehr dünner Mantel einfach und zuverlässig an der Umhüllung in dem Abgassystem befestigt werden. Dies ermöglicht es, dass ein Mantel mit einer Dicke von nur 0,1 mm befestigt wird. Die thermische Masse ist daher erheblich reduziert und der Katalysator wird schneller gestartet und aktiviert.
Beschreibung
Ein Katalysatorträgermantel gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen 1 einen Katalysatorträger mit einem Mantel zeigt, 2 den Letzteren im Querschnitt zeigt, wenn er in einer Umhüllung montiert ist, die in einem Abgassystem enthalten ist. 3, 4 und 5 zeigen Detailansichten verschiedener Optionen des Aufbaus der Umhüllungsteile.
Bei Katalysatorträgern, die durch Aufwickeln von flachen und gewellten Metallfolien hergestellt worden sind, werden die Folienschichten normalerweise durch Löten, durch Stifte, die durch die Folien eingesetzt sind, oder durch tangentiale Faltungen in den Folien zusammengehalten. Die tangentialen Faltungen können auch dem Zweck dienen, in dem Abgasfluss der Schlitze Turbulenz zu verursachen, wie in WO 97/21489 beschrieben.
Gemäß der Erfindung ist der Katalysatorträger 11 über seine gesamte Länge mit einem Mantel versehen, der aus wenigstens zwei Teilen 12, 13 besteht, und wird in dem Mantel auf Grund von tangentialen Einfaltungen 14, 15 in dem Mantel gehalten, die in dazu passende Einfaltungen in dem Katalysatorträger eingreifen, wenigstens in dessen äußerer Lage. Der Mantel wird auf dem Katalysatorträger 11 montiert, indem die Mantelteile 12, 13 mit in ihren nach außen gebogenen Kanten 16, 17 aneinander in gegenseitigen Kontakt gedrückt werden, und die Kanten durch Schweißen oder kontinuierliches Schweißen verbunden werden, wodurch Längsflansche 18 gebildet werden, die mit vorstehenden Fortsätzen 19 versehen werden können. In der Hauptoption werden die Flansche der Umhüllung, die aus den zwei Röhrenabschnitten 12, 13 gebildet ist, durch Schweißen miteinander verbunden, und dann werden die Flansche des dünnen Mantels, die zwischen denen der Umhüllung eingeschlossen sind, durch Schweißen gleichzeitig befestigt. Um Differenzen der Materialexpansion zu reduzieren, die durch Temperaturvariationen in den Flanschen der Umhüllung und denen des Katalysatorkörpers verursacht werden, kann Laserschweißen so eingesetzt werden, um die Katalysatorflansche nur über kurze Abschnitte zu verbinden. Optional sind die Flansche des dünnen Mantels mit vorstehenden Laschen, beispielsweise in der Mitte, ausgebildet. Mit diesen Verfahren werden die Flansche durch Schweißen nur über einen kurzen Abschnitt verbunden, wo die Temperaturdifferenzen keine erheblichen Differenzen von Materialexpansion bedingt durch Temperaturvariationen erzeugen. In den übrigen Bereichen sind die Flansche nur zwischen den Flanschen eingeschlossen und Bewegungen, die durch Temperaturdifferenzen erzeugt werden, führen nicht zu merklichen Spannungen an der geschweißten Verbindung.
Zur Montage in einer Umhüllung, die in einem Abgassystem enthalten ist, muss die Umhüllung aus wenigstens zwei Abschnitten 20, 21 bestehen, die durch Schweißen miteinander verbunden werden können oder mittels Bolzen oder dergleichen lösbar verbunden werden können.
Die Umhüllungsabschnitte sind so ausgebildet, dass ihr Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Mantels über den Hauptbereich der Länge des Katalysatorträgers ist, aber im Wesentlichen den gleichen Durchmesser in wenigstens einem Abschnitt der Länge hat. Dieser Aufbau verhindert, dass Abgase durch den Zwischenraum zwischen dem Mantel und der Umhüllung fließen. Der Eingangsfluss heißer Gase zwischen der Katalysatorkapsel und der Innenseite des Abgassystems ist nicht signifikant, wenn der Kontaktbereich zwischen dem Mantel und der Umhüllung am Eingangsende liegt, weil der Kontakt enger wird, wenn der Katalysatorträger heiß wird. Jedoch kann, wenn erwünscht, an dieser Stelle eine kleine Menge Dichtungsmaterial angewendet werden. Der Kontakt innerhalb dieses Gebietes wird mit der Temperatur des Katalysatorträgers erheblich variieren und ist maximal, wenn der Katalysatorträger heiß ist. Wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, wäre der kalte Mantel in Gefahr, sich zu lösen und zu verschieben oder sich relativ zu der Umhüllung zu drehen. Aus diesem Grund wird zugelassen, dass gemäß der Erfindung die Längsflansche 18 oder ihre Fortsätze 19 zwischen die Abschnitte 20, 21 der äußeren Kapsel vorstehen.
Um eine feste Schweißung der Abschnitte 20, 21 der äußeren Kapsel an die Flansche 18 oder Fortsätze 19 des Mantels zu erlauben, sind die Abschnitte vorzugsweise mit nach außen gebogenen Kanten 22 versehen und die Schweißung kann dann einfach ausgeführt werden ohne besonders strenge Präsisionsanforderungen. Wenn die äußere Kapsel nur an die Fortsätze geschweißt wird, werden Wärmespannungen in Längsrichtung reduziert. Op tional kann die äußere Kapsel durch Schweißen verbunden werden, so dass die Mantelflansche 18 nur durch Schweißen über eine kurze Distanz an der äußeren Kapsel befestigt werden, um Wärmespannungen in Längsrichtung zu reduzieren.
3 zeigt ein Detail eines Querschnitts im Bereich der geschweißten Verbindung in einem Fall, in dem vorstehende Streifen in der fertiggestellten Umhüllung vermieden werden sollte, z.B. für Motorräder. Die Umhüllung kann dann aus einer Röhre mit dickeren Wänden gebildet werden, die mit zwei diametral gegenüberliegenden schmalen Schlitzen 23 von dem Röhrenende versehen ist und die Flansche 18 des Katalysatorträgers können in den Einschnitt eingesetzt werden, der anschließend durch Schweißen geschlossen wird, und anschließend kann die geschweißte Verbindung geglättet werden, wenn gewünscht.
4 zeigt, wie die korrekte Position des Katalysatorträgers zwischen den Umhüllungsabschnitten sichergestellt werden kann, indem die Abschnitte mit nach innen gebogenen Bereichen 24 wenigstens über einen Teil ihrer Länge versehen werden, z.B. angrenzend an die nach außen gebogene Kante 22. Um die korrekte Position des Katalysatorträgers auch in Längsrichtung sicherzustellen, bevor die Kanten der Umhüllung geschweißt werden, können die nach innen gebogenen Bereiche 24 auf die Bereiche des Mantels eingeschränkt werden, wo dieser mit tangentialen Faltungen 14, 15 nach innen versehen ist, und sie können tief genug sein, um in diesen Einfaltungen einzugreifen. Die nach innen gebogenen oder eingedrückten Bereiche haben auch die Funktion, die Biegmomente auf die Flansche 18 des Katalysatorträgermantels zu reduzieren, weil diese Unterstützungspunkte für die Flansche sich dem Mantel des Katalysatorkörpers annähern. Dies ist besonders wichtig, wenn der Mantel aus dünnem Material besteht, wie oben beschrieben.
5 zeigt eine Ausführungsform, in der die Umhüllungsabschnitte durch Bolzen 25 verbunden sind, die durch Löcher in den nach außen gebogenen Kanten 22 eingesetzt sind, wobei die Bolzen auch die Verschiebung des Katalysatorträgers verhindern. Diese Ausführungsformen oder Ausführungsformen, die ähnliche Befestigungsmittel aufweisen, sind vorzugsweise für die Verwendung in Fällen gedacht, in denen der Katalysator im Fall einer verminderten Aktivität schnell ausgetauscht werden muss, oder in denen Schweißen für die verwendeten Materialien nicht geeignet ist. Um die Emission von Abgasen in solchen Fällen zu verhindern, kann ein Dichtungsmaterial zwischen die Umhüllungsabschnitte 20, 21 außerhalb der Längsflansche 18, 19 eingebracht werden.

Claims

Katalysatorträgermonolith mit einer Umhüllung, zur Verwendung in Abgassystemen, wobei die Umhüllung wenigstens zwei Abschnitte (12, 13) mit nach außen gebogenen Kanten (16, 17) aufweist, die einander berühren, wenn die Abschnitte aneinander gedrückt werden, um in Kontakt mit dem Monolithen (11) zu kommen und ihn einzuschließen, wobei die Kanten zu Längsflanschen (18) vereint sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (18) mit weiter ausgedehnten Fortsätzen (19) versehen sind.
Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten durch Schweißen verbunden sind.
Katalysatorträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (12, 13) der Umhüllung mit nach innen gerichteten tangentialen Faltungen (14, 15) hergestellt ist, die in die äußersten Schichten des Monolithen eindringen.
Katalysatorträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Monolith, bevor die Umhüllung montiert wird, mit tangentialen Faltungen in seinen äußeren Lagen versehen ist, die den Faltungen (14, 15) der Umhüllungsabschnitte entsprechen.
Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er an einer äußeren Kapsel befestigt ist, die Teil des Abgassystems ist und wenigstens zwei Abschnitte (20, 21) aufweist, wobei die Flansche (18) oder ihre Fortsätze (19) sich zwischen die Kapselabschnitte erstrecken.
Katalysatorträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselabschnitte miteinander und mit der Umhüllung durch Schweißen verbunden sind.
Katalysatorträger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel mit nach innen vorstehenden Ausbuchtungen (24) versehen ist, die einen Abstand zwischen der Kapsel und der Umhüllung gewährleisten.
Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Umhüllung von 1 mm bis 0,1 mm ist.