DE69504422T2

DE69504422T2 - Metallträger für einen Katalysator

Info

Publication number: DE69504422T2
Application number: DE69504422T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro C/O Showa Aircraft Ind. Co. Ltd. Akishima-Shi Tokyo Toyoda
Original assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd
Current assignee: Showa Aircraft Industry Co Ltd
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-06-03
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2015-06-04
Also published as: ATE170595T1; ES2122395T3; EP0687806A1; EP0687806B1; DE69504422D1; JPH07328452A; US5591413A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallträger für einen Katalysator zur Anwendung in einer Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen in einer Verbrennungskraftmaschine, der in Wabenbauweise ausgeführt ist, und insbesondere einen Metallträger für einen Katalysator, der in einer gerollten Wabenbauweise ausgebildet ist, um Brüche oder Risse als Folge von thermischen Spannungen zu verhindern.

2. Beschreibung der verwandten Technik:

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind Metallträger für Katalysatoren, die in Abgas Reinigungssystemen des Standes der Technik verwendet werden, derart konstruiert, daß Hartlot Schweißzusatzmetall zwischen dünne Metall-Rohbögen 31 und zwischen dünne Metall-Welltafeln 32 gelegt wird, die flachen Rohbögen 31 und die Welltafeln 32 aufeinandergestapelt werden, die Bögen durch Rollen von einer Kante aus in eine gerollte Form gebracht werden, wobei eine Wabenstruktur 34 gebildet wird, und wobei unter Verwendung eines Hochvakuumofens das Hartlot Schweißzusatzmetall geschmolzen wird, um die Kontaktstellen des Bogenmaterials miteinander zu verbinden. Als Hartlot Schweißzusatzmetall wird ein hartlötbares Schweißzusatzmetall auf der Grundlage von Nickel verwendet, und für die Rohbögen und die Welltafeln wird ferritischer rostfreier Stahl verwendet. Eine auf diese Weise gebildete und in einem Metallgehäuse 33 untergebrachte Wabenstruktur 34 ist im Stand der Technik als Metallträger für einen Katalysator 30 bekannt (beispielsweise aus der JP-Offenlegungsschrift 4373/81).
Eine den Katalysator tragende Schicht, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, wird auf der Oberfläche der Durchgänge durch die Waben der Wabenstruktur gebildet und auf diese den Katalysator tragende Schicht wird ein Katalysator aus wertvollem Metall geträgert, der die Funktion der Katalyse bei der Reinigung des Abgases durchführt. Wenn eine derartige Konstruktion in den Weg eines Abgases aus einer Verbrennungskraftmaschine installiert wird, so reinigt diese HC, CO und NOx, die im Abgas enthalten sind. Infolge der Notwendigkeit, ein Maximum an Oberfläche der Durchgänge durch die Waben in einem begrenzten Raumanteil bereitzustellen, weisen die flachen und die gewellten Bögen die minimalste Dicke auf, die zum Erhalt der Stärke notwendig ist.
In dem Metallträger für einen Katalysator, der auf der oben beschriebenen Wabenbauweise des Standes der Technik beruht, ist die Fließgeschwindigkeit des Abgases durch die Wabenstruktur entlang der inneren Schichten größer als entlang der äußeren Schichten, und demzufolge hat die Wärmeerzeugung infolge von katalytischer Reaktion und des Kontaktes mit dem heißen Abgas, sowie der Wärmestrahlung des Gehäuses eine solche Temperaturverteilung zur Folge, daß die Wärme in Richtung der inneren Schichten zunimmt und in Richtung der äußeren Schichten abnimmt. Infolge dieser Verteilung der Wärme sind Expansion und Kontraktion der heißeren inneren Schichten der Wabenstruktur größer als die Expansion und Kontraktion der kälteren äußeren Schichten der Wabenstruktur und diese Streuung hat eine thermische Spannung zwischen den inneren Schichten und den äußeren Schichten zur Folge.
Diese thermische Spannung wiederholt sich jedes Mal, wenn sich die Wabenstruktur ausdehnt oder sich zusammenzieht, und da alle flachen Bögen 31 und gewellten Bögen 32 vollständig, wie in Fig. 1 dargestellt, durch das Hartlot Schweißzusatzmetall in einer einzigen hartgelöteten Struktur integriert sind, kann diese Spannung nicht freigesetzt werden, was zu dem Problem führt, daß sich nach einer langen Gebrauchsdauer Brüche an den Verbindungspunkten zwischen den flachen Bögen 31 und den gewellten Bögen 32 ausbilden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Metallträger für einen Katalysator bereitzustellen, in dem keine Brüche infolge von thermischen Spannungen auftreten und der aus einer aufgerollten Wabenstruktur gebildet wird, die ein hohes Ausmaß an Luftdurchgängen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Vorzugsweise weist der Metallträger für einen Katalysator der voranstehenden Beschreibung feste Abstände in der Axialrichtung zwischen der ersten Wabenstruktur und den zweiten Wabenstrukturen auf und weist in der ersten Wabenstruktur eine größere Anzahl von Luftdurchgängen als in den zweiten Wabenstrukturen auf.
Im Falle der zweiten Wabenstrukturen, die eine geringere Anzahl von Luftdurchgängen als die erste Wabenstruktur aufweisen, kann eine den Katalysator tragende Schicht auf die Oberfläche der Luftdurchgänge der Struktur aufgebracht werden.
Vorzugsweise enthalten die auf der Oberfläche der Luftdurchgänge in den ersten und zweiten Wabenstrukturen aufgetragenen Katalysatoren wenigstens zwei, ausgewählt aus einem Reduktionskatalysator für Stickoxide, einem Oxidationskatalysator und einem Reduktionskatalysator.
Weil die erste Wabenstruktur nicht durch ein hartlötbares Schweißzusatzmetall gebunden ist, kann für die Metallbögen ein Metall verwendet werden, das im Voraus mit einer den Katalysator tragenden Schicht versehen worden ist und es kann eine größere Anzahl von Luftdurchgängen bereitgestellt werden, wodurch nicht nur eine Vergrößerung der Effizienz des Katalysators erzielt wird, sondern auch eine zunehmende Haltbarkeit infolge der zwischen den flachen und den gewellten Bögen nicht auftretenden thermischen Spannungen.
Die zweiten Wabenstrukturen, die durch Verwendung eines hartlötbaren Schweißzusatzmetalls miteinander verbunden werden, sind vor und nach der ersten Wabenstruktur angeordnet und dienen als Verschlußstücke für die erste Wabenstruktur. Da die zweiten Wabenstrukturen keinen Katalysator tragen, tritt dort keine Wärmeerzeugung infolge von katalytischer Reaktion auf und demzufolge wird die thermische Spannung in der gebundenen Struktur verringert. Zusätzlich wird der Luftwiderstand infolge der Reduktion der Anzahl der Luftdurchgänge herabgesetzt und der Effekt des Flusses der Stromlinien des Gases gegen die erste Wabenstruktur kann hinzugefügt werden.
Durch die Bereitstellung von festen Abständen zwischen der ersten Wabenstruktur und den zweiten Wabenstrukturen wird zusätzlich Turbulenz erzeugt und es wird die katalytische Effizienz in der ersten Wabenstruktur verbessert.
Im Falle einer geringeren Anzahl von Luftdurchgängen in der zweiten mit Katalysator versehenen Wabenstruktur wird im Vergleich zu einer höheren Anzahl von Luftdurchgängen durch katalytische Reaktion weniger Hitze erzeugt. Folglich wird der durch Wärmespannungen hervorgerufene Effekt herabgesetzt.
Die oben dargestellten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung veranschaulicht werden, die auf den beigefügten Zeichnungen beruht, welche ein Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Metallträgers für einen Katalysator nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt Ansichten eines erfindungsgemäßen Metallträgers für einen Katalysator, wobei
Fig. 2A ein schematisches Profil und Fig. 2B eine schematische Explosionsdarstellung eines Teils des Trägers von Fig. 2A darstellen, von dem das Gehäuse entfernt worden ist; und
Fig. 3 zeigt ein schematisches Profil einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Metallträgers für einen Katalysator.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. Fig. 2 zeigt Ansichten des erfindungsgemäßen Metallträgers für einen Katalysator. Fig. 2A ist ein schematisches Profil und Fig. 2B ist eine schematische Explosionsdarstellung eines Teils von Fig. 2A ohne das Gehäuse.
In Fig. 2A wird durch Einbringen einer ersten Wabenstruktur 11 und zweier Wabenstrukturen 12 in ein Gehäuse 3 ein Metallträger 10 gebildet, wobei diese koaxial mit der ersten Wabenstruktur 10 arrangiert werden und in Kontakt mit jeweils beiden Endstücken 11a, 11b der ersten Wabenstruktur 11 stehen. Wie in Fig. 2B dargestellt, wird die erste Wabenstruktur 11 ausgebildet, indem das flache Bogenmaterial 1, das aus dünnen, Metallböen in Form von Streifen gebildet wird, mit dem gewellten Bogenmaterial 2, das aus dünnen, kontinuierlich unter Ausbildung einer gewellten und unebenen Oberfläche gefalteten Metallbögen in Form von Streifen gebildet wird, aufeinandergestapelt und ohne Verwendung eines Hartlot Schweißzusatzmetalls in Rollenform zusammengerollt wird. Sollten flache und gewellte Bogenmaterialien verwendet werden, die aus Metallbögen gebildet worden sind, auf die im Voraus Katalysator tragende Schichten aufgebracht worden sind, und sollte die Wabenstruktur ohne die Verwendung von Hartlot Schweißzusatzmaterial gebildet worden sein, so kann eine erste Wabenstruktur 11 mit feineren Luftdurchgängen ausgebildet werden. Anstelle dazu kann die Wabenstruktur durch Aufrollen des flachen Bogenmaterials und des gewellten Bogenmaterials gebildet werden, die aus Metallbögen gebildet worden sind, die vorher nicht mit einer Katalysator tragenden Schicht versehen wurden und bei der die Katalysator tragende Schicht später aufgetragen werden kann.
Die zweiten Wabenstrukturen 12 werden durch Aufeinanderstapeln von flachem Bogenmaterial 1&sub1; und gewelltem Bogenmaterial 2&sub1; gebildet, wobei Hartlot Schweißzusatzmetall dazwischengelegt wird und dieses ohne Auftrag einer Katalysator tragenden Schicht zu einer Rollenform aufgerollt wird.
Die Wellen des gewellten Bogenmaterials 2&sub1; sind größer und stärker geneigt als die Wellen des gewellten Bogenmaterials 2. Folglich ist die Anzahl der Luftdurchgänge in der ersten Wabenstruktur 11 größer als die Anzahl der Luftdurchgänge in den zweiten Wabenstrukturen 12.
Üblicherweise beträgt die Anzahl der Luftdurchgänge in der ersten Wabenstruktur 11 400 - 600 Zellen pro Quadratinch (620.000-930.000 Zellen pro Quadratmeter) und in der zweiten Wabenstruktur 12 100-300 Zellen pro Quadratinch (160.000-470.000 Zellen pro Quadratmeter).
Das Gehäuse 3 ist ein Zylinder, der die erste Wabenstruktur 11 und zwei zweite Wabenstrukturen 12 aufweist, wobei eine in Kontakt mit jeder Endfläche 11a, 1 1b in einer koaxialen Richtung mit der ersten Wabenstruktur angeordnet ist, und obgleich beim Installieren der ersten Wabenstruktur 11 in das Gehäuse 3 kein Hartlot Schweißzusatzmetall in den Spalt zwischen der ersten Wabenstruktur und dem Gehäuse eingebracht worden ist, wird beim Installieren der zweiten Wabenstrukturen 12 Hartlot Schweißzusatzmetall in den Spalt zwischen den zweiten Wabenstrukturen 12 und dem Gehäuse 3 eingebracht. Auf diese Weise können die Zusammensetzung des Gehäuses und die Anordnung der Wabenstrukturen durch Verwendung gewöhnlicher Hartlötmethoden unter Erhalt eines Metallträgers 10 miteinander verbunden werden.
Folglich ist die erste Wabenstruktur 11 nicht mit dem Gehäuse 3 verbunden, aber da die zweiten Wabenstrukturen 12 mit dem Gehäuse 3 verbunden sind, können die zweiten Wabenstrukturen 12 als Endstücke gegen eine Bewegung der ersten Wabenstruktur 11 in axialer Richtung dienen.
Zwischen den beiden Enden 11a, 11b der ersten Wabenstruktur 11 und den beiden Enden 12a, 12b der zweiten Wabenstruktur 12 müssen feste Abstände vorgesehen werden und durch diese Abstände wird ein Freiheitsgrad für die Expansion der ersten Wabenstruktur 11 in axialer Richtung erreicht, und die Beanspruchung infolge thermischer Spannung wird verringert.
Wie vorstehend beschrieben kann eine größere Anzahl von Luftdurchgängen als bei Verwendung eines Hartlot Schweißzusatzmetalls erhalten werden, da bei der ersten Wabenstruktur 11 ein bogenförmiges Material verwendet wird, das mit einer Katalysator tragenden Schicht vorbehandelt worden ist und bei dem kein Hartlot Schweißzusatzmetall verwendet wird, wobei eine Verbesserung der katalytischen Effizienz erhalten wird und, da die thermischen Spannungen infolge der durch die katalytische Reaktion und des Abgases erzeugten Hitze verringert werden können, wird eine Verbesserung in der Haltbarkeit erzielt.
Die zweiten Wabenstrukturen 12 werden durch ein Hartlot Schweißzusatzmetall verbunden, aber da diese Wabenstrukturen mit einer geringeren Anzahl von Luftdurchgängen bereitsgestellt worden sind, wird der Widerstand gegen den Durchfluß des Abgases herabgesetzt und ferner wird zusätzlich ein Fließeffekt der Stromlinien erhalten, wodurch die katalytische Effizienz in der ersten Wabenstruktur verbessert wird. Zusätzlich wird keine Hitze infolge von katalytischer Reaktion erzeugt, da keine Katalysator tragende Schicht aufgebracht wurde, und daher kann die Haltbarkeit infolge der Reduktion thermischer Spannungen verbessert werden.
Fig. 3 ist ein schematisches Profil einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Metallträger 20 von Fig. 3 sind eine erste Wabenstruktur 11 und zwei zweite Wabenstrukturen 12 über Zwischenräume 4 getrennt in einem Gehäuse 3&sub1; angeordnet. Das Gehäuse 3&sub1; ist nicht mit der ersten Wabenstruktur 11 verbunden, sondern ist mit den zweiten Wabenstrukturen 12 verbunden. Zwischen den Endteilen 11a, 11b der ersten Wabenstruktur 11 und den Endteilen 12a, 12b der zweiten Wabenstrukturen 12 sind Abstandshalter 5 vorgesehen, so daß die zweiten Wabenstrukturen 12 als Verschlußstücke, gegenüber der ersten Wabenstruktur 11 dienen können. Diese Abstandshalter sind idealerweise in der Form eines Gitters, einer Spirale oder von ähnlicher Gestalt ausgebildet wodurch geringer Strömungswiderstand erzeugt wird und eine Verschiebung der ersten Wabenstruktur 11 in der axialen Richtung verhindert werden kann. Zwischen den Abstandhaltern 5 und den Endstücken 11a, 11b der ersten Wabenstruktur 11 müssen teste Spalte bereitgestellt werden, um einen Freiheitsgrad für die Hitzeausdehnung der ersten Wabenstruktur 11 in axialer Richtung zuzulassen.
In der obigen detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird die den Katalysator tragende Schicht nicht auf die Oberfläche der Luftdurchgänge in den zweiten Wabenstrukturen 12 aufgebracht, aber diese kann auch auf die zweiten Wabenstrukturen 12 aufgetragen werden. In diesem Fall wird der durch die Hitzebelastung hervorgerufene Effekt reduziert und folglich wird die Haltbarkeit nicht herabgesetzt, da die zweiten Wabenstrukturen 12 eine geringere Anzahl von Luftdurchgängen aufweisen und durch katalytische Reaktion weniger Hitze als in der ersten Wabenstruktur 11 erzeugt wird, die eine höhere Anzahl von Luftdurchgängen aufweist.
In der Schicht auf der Oberfläche der Luftdurchgänge in jeder der ersten und der zweiten Wabenstrukturen 11, 12 sind wenigstens zwei Katalysatoren ausgewählt aus einem Reduktionskatalysator für Stickoxide, einem Oxidationskatalysator und einem Reduktionskatalysator enthalten.
Im vorstehend beschriebenen Metallträger für den Katalysator der vorliegenden Erfindung wird in der ersten Wabenstruktur ein Bogenmaterial eingesetzt, auf das ein Katalysatorträger aufgebracht worden ist und bei dem kein Hartlot Schweißzusatzmetall verwendet wurde, wenn die gerollte Wabenstruktur ausgebildet wurde, wobei als Effekte eine verbesserte katalytische Effizienz infolge einer erhöhten Anzahl von Luftdurchgängen und eine verbesserte Haltbarkeit ohne das Verbinden der Bogenmaterialien erhalten wurden, welches eine Verringerung der thermischen Spannungen zwischen den Bogenmaterialien gestattet.
Weil die zweiten mittels Hartlot Schweißzusatzmetall als integrierte Einheiten verbundenen Wabenstrukturen mit dem Gehäuse verbunden sind und an beiden Enden der ersten Wabenstruktur als Verschlußstücke ausgebildet sind, ergibt sich als weiterer Effekt, daß die erste Wabenstruktur, ohne thermischen Spannungen ausgesetzt zu sein, im Gehäuse gehalten wird und zusätzlich wird die katalytische Effizienz in der ersten Wabenstruktur verbessert, infolge des Vorliegens eines Fließeffektes der Stromlinien und eines verminderten Widerstands wegen einer Reduktion der Anzahl der Luftdurchgänge in den zweiten Wabenstrukturen. Weil die zweiten Wabenstrukturen nicht mit einer Katalysator tragenden Schicht versehen sind, wird durch katalytische Reaktion keine Hitze erzeugt und die thermischen Spannungen können herabgesetzt werden, wodurch als zusätzlicher Effekt eine verbesserte Haltbarkeit erzielt wird.
Für den Fall, daß die eine geringere Anzahl an Luftdurchgängen als die erste Wabenstruktur aufweisenden zweiten Wabenstrukturen mit Katalysator belegt sind, ergibt sich als weiterer Effekt, daß man eine geringere Reduktion der Haltbarkeit erhält, da durch katalytische Reaktion weniger Hitze erzeugt wird und da die thermischen Spannungen einfach verringert werden können.
Obgleich die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der voranstehenden Beschreibung geschildert worden ist, ist dieses so zu verstehen, daß die Beschreibung lediglich zu Erläuterung dient und das Änderungen in der Anordnung der Teile im Umfang der nachstehenden Ansprüche durchgeführt werden können.

Claims

1. Ein Metallträger für einen Katalysator enthaltend:

eine erste Wabenstruktur (11), worin flaches Bogenmaterial (1&sub1;), bestehend aus dünnem, flachem Metallbogen in Form von Streifen, und gewelltem Bogenmaterial (2&sub1;), bestehend aus dünnem, kontinuierlich in eine gewellte Oberfläche gefaltetem Metallbogen in Form von Streifen, in gegenseitigen Kontakt aufeinandergestapelt worden sind und in Spiralform aufgerollt worden sind, um zahlreiche Luftdurchgänge in Form eines netzwerkartigen Musters auszubilden, wobei die Oberfläche dieser Luftdurchgänge eine Katalysator tragende Schicht aufweist;

ein zylindrisches Gehäuse (3), das koaxial zur ersten Wabenstruktur (11) angeordnet ist und das die erste Wabenstrukur einschließt;

dadurch gekennzeichnet, daß

besagte erste Wabenstruktur (11) ohne Bondierung in eine Spiralform aufgerollt worden ist, und daß

zweite Wabenstrukturen (12) bereitgestellt sind, worin besagtes flaches Bogenmaterial (1&sub1;) und gewelltes Bogenmaterial (2&sub1;) in gegenseitigem Kontakt aufeinandergestapelt und in Spiralformen aufgerollt worden sind, um zahlreiche Luftdurchlässe in Form eines netzwerkartigen Musters zu bilden, wobei besagte Kontaktstellen durch ein Hartlöt Schweißzusatzmetall miteinander verbunden sind, wobei besagte erste Wabenstruktur (11) an jedem Ende mit einer der zweiten Wabenstrukturen (12) in der Axialrichtung von besagter erster Wabenstruktur oder mit einem Abstandshalter (5) in Kontakt steht, der wiederum mit einer der zweiten Wabenstrukturen (12) in Kontakt steht, und wobei besagte zweite Wabenstrukturen (12) innerhalb des Gehäuses mit dem Gehäuse (3) verbunden sind.

2. Metallträger für Katalysator nach Anspruch 1, der zusätzlich in axialer Richtung zwischen der ersten Wabenstruktur (11) und den zweiten Wabenstrukturen (12) feste Stege (4) aufweist.

3. Metallträger für einen Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Häufigkeit der Luftdurchlässe in der ersten Wabenstruktur (11) größer ist als die Häufigkeit der Luftdurchlässe in den zweiten Wabenstrukturen (12).

4. Metallträger für einen Katalysator nach Anspruch 3, welcher zusätzlich eine katalysatortragende Schicht auf der Oberfläche der Luftdurchlässe in den zweiten Wabenstrukturen (12) aufweist.

5. Metallträger für einen Katalysator nach Anspruch 4, welcher für die Schicht auf der Oberfläche der Luftdurchlässe jeweils in der ersten und den zweiten Wabenstrukturen (11, 12) mindestens zwei Vertreter aus der Gruppe Stickoxid-Reduktionskatalysator, Oxidationskatalysator und Reduktionskatalysator aufweist.