DE69629196T2

DE69629196T2 - Katalysatoranordnung

Info

Publication number: DE69629196T2
Application number: DE69629196T
Authority: DE
Inventors: Sven Melker Nilsson
Original assignee: Kemira Metalkat Oy
Current assignee: Dinex Ecocat Oy
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: WO1996034188A1; DE69629196D1; EP0840840B1; SE9501556L; AU5412096A; EP0840840A1; KR19990008026A; CN1182468A; JPH11504094A; SE506670C2; SE9501556D0; CN1084429C; ES2203689T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für katalytische Konverter.
Als Substrate, die zum Tragen des katalytischen Materials in Abgassystemen von Verbrennungskraftmaschinen zu verwenden sind, werden vorherrschend keramische Materialien eingesetzt. In den letzten Jahren kamen jedoch Metallsubstrate in zunehmend großem Umfang zum Einsatz. Der Vorteil von Metallsubstraten ist deren Fähigkeit, Arbeitstemperaturen schneller zu erreichen als keramische Substrate das tun, und demgemäß beginnen sie ihre Abgasreinigungsfunktion in einer früheren Stufe nach dem Start, was ein sehr wesentliches Merkmal ist. Ferner sind Metallsubstrate effektivere Wärmeleiter und können daher schneller erwärmt werden, und das Risiko lokaler Überwärmung ist reduziert. Außerdem ermöglichen Metallsubstrate höhere Temperaturen als keramische.
Als Trägerelemente, die das katalytische Material tragen, werden sogenannte Metallmonolithen verwendet. Diese bestehen aus Metallfolien, vorzugsweise aus Edelstahl, die zu Rollen gewickelt sind, wobei Metallfolien mit flacher Gestalt sich mit Metallfolien mit gewellter Gestalt abwechseln, wodurch Durchflußkanäle, die durch den Katalysatorkörper verlaufen, gebildet werden. Die Foliendicke ist gering, normalerweise nur etwa 0,05 mm. Der Katalysatorkörper umfaßt auch eine Metallabdeckung, die eine Ummantelung bildet, die den Monolithen in Kontakt mit dem letzteren umgibt. Die Abdeckungsdicke kann etwa 1 bis 1,6 mm betragen.
Wenn während des Betriebs des Verbrennungsmotors heiße Abgase durch den Monoliten fließen, werden die dünnen Trägerelementfolien sehr schnell erhitzt. Gewöhnlich erreicht die Temperatur schnell Werte zwischen 500 und 800°C. Bei einigen Motortypen kann die Temperatur bis in Bereiche zwischen 1100 und 1200°C ansteigen. Sobald der Motor stoppt, sinkt die Temperatur des Katalysatorkörpers schnell auf das Niveau der Umgebungstemperatur.
Die wiederholten Temperaturveränderungen stellen ein Problem dar, das die langfristige Haltbarkeit des Katalysators beeinträchtigt. Die schnell erhitzten dünnen Folien des Monolithen dehnen sich auch schnell. aus. Das umgebende, Gehäuse, das in Anlage an dem Monolithen ist, aber nicht in engem Kontakt mit den Abgasen ist und außerdem eine größere Materialdicke hat, erwärmt sich und expandiert mit niedrigerer Geschwindigkeit. Während des Erhitzens unterbindet das Gehäuse daher die Expansion des Monolithen, was zu erheblichen radialen Kompressionskräften führt, die Deformationen der Form in dem Monolithen verursachen. Wenn die oben erwähnten hohen Temperaturniveaus erreicht werden, wird auch die Festigkeit des Metalls erheblich reduziert, oft auf etwa 10% seiner Festigkeit bei Zimmertemperatur, was die Deformationen verschlimmert und die Lebensdauer des Monoliten weiter vermindert.
Wenn der Motor abgestellt wird und der Auspuff sich abkühlt, tritt das umgekehrte Phänomen auf, d. h. die Monolithfolien kühlen sich mit höherer Geschwindigkeit als das umgebende, dickere Gehäuse ab. Infolgedessen. werden erhebliche Zugkräfte zwischen dem äußeren Teil des Monolithen und dem Gehäuse erzeugt.
Aus den oben angedeuteten Gründen bringt die Befestigung von Metallmonolithen in ihren Gehäusen erhebliche Probleme mit sich. Einige verschiedene Lösungen wurden vorgeschlagen und getestet, aber oft mit schlechten Ergebnissen. Einige funktionstüchtige Konstruktionen wurden entwickelt, z. B. von dem deutschen Unternehmen EMITEC GmbH, aber sie sind vergleichsweise komplex und teuer. Ein Merkmal, das all diesen bekannten Lösungen gemeinsam ist, besteht darin, daß sie Monolithen betreffen, bei denen die verschiedenen Metallfolienschichten durch Löten miteinander verbunden sind, wobei die äußere Lage an das umgebende Gehäuse gelötet ist.
US 4 909 994 offenbart eine Trägeranordnung für katalytische Konverter mit einem Katalysatorkörper, der aus einem Monolithen aus Trägerelementen besteht, die dazu konstruiert sind, ein katalytisches Material zu tragen, wobei die Trägerelemente durch übereinander gelegte, abwechselnd flache und gewellte Metallfolien gebildet werden, die spiralförmig gewickelt sind, um Durchflußkanäle zu bilden, die durch den Katalysatorkörper verlaufen, und mit einem Metallgehäuse, dessen Materialdicke diejenige der Metallfolien übersteigt und das den Monolithen umschließt, wobei die innere Breite des Gehäuses diejenige des Monolithen übersteigt, wodurch sich eine Lücke zwischen dem Gehäuse und dem Monolithen bildet, und wobei die Lücke in dem Gebiet eines Abschnitts durch eine radiale, bandartige Vertiefung des Gehäuses überbrückt wird, die in Umfangsrichtung um den Monolithen verläuft.
Die vorliegende Erfindung schafft eine einfache, verläßliche und ökonomische Lösung für das Befestigungsproblem. Die Lösung funktioniert sowohl, wenn sie auf Metallmonolithen angewendet wird, die in der oben angedeuteten Weise zusammengelötet sind, als auch bei Anwendung auf Metallmonolithen, die in irgendeiner anderen Weise, ohne Löten, verbunden sind. Die charakteristischen Merkmale der Befestigungsanordnung werden aus den angefügten Patentansprüchen deutlich.
Die Erfindung wird im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung beschrieben, wobei
1 eine aufgebrochene, schematische Längsschnittansicht durch einen Katalysatorkörper ist.
1 illustriert eine grundlegende Konstruktion des erfindungsgemäßen Gegenstands. Ein Katalysatorkörper 1 umfaßt ein Metallgehäuse 2, das einen sogenannten Monolithen 3 einschließt. Der letztere besteht wiederum aus Trägerelementen, die zum Tragen eines katalytischen Materials ausgelegt sind und aus spiralförmig gewickelten Metallfolien bestehen und die so ausgestaltet sind, daß flache Metallfolien 4 mit gewellten Metallfolien ab wechseln, um so Durchflußkanäle 5 zu bilden, die durch den Katalysatorkörper 1 verlaufen. Der Monolith 3 hat eine Breite oder einen Durchmesser, der etwas kleiner als die Innenbreite des Gehäuses 2 ist. Demgemäß bildet sich eine Lücke 6 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Monolithen 3, wobei die Größe der Lücke innerhalb verschiedener Temperaturintervalle variiert.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist das Gehäuse 2 mit wenigstens einer bandartigen Vertiefung 7 versehen, gemäß der illustrierten Ausführungsform mit zwei solchen Vertiefungen, wobei die Lücke 6 um den Monolithen 3 in dem Gebiet gegenüber der Vertiefungen eliminiert ist. Entlang dieser Vertiefungen 7 sind das Gehäuse 2 und der Monolith 3 miteinander verbunden, vorzugsweise nur an beabstandeten Punkten 8, z. B. durch Löten oder Schweißen.
Wenn der Monolith 3 durch hindurchfließende Abgase erhitzt wird, dehnt sich der Monolith 3 schneller als das Gehäuse 2 aus, was zum Teil durch den engeren Kontakt des Monolithen 3 mit den heißen Abgasen bedingt ist, zum Teil durch die größere Materialdicke des Gehäuses 2 bedingt ist. Die Ausdehnung kann nun im wesentlichen ungehindert stattfinden, mit Ausnahme des Gebiets der Vertiefungen 7, wo eine gewisse Deformation der äußeren Folie 4 des äußeren Monolithen 3 auftreten wird. Folglich werden entlang des größeren Teils der Oberfläche des Monolithen 3 keine Kompressionskräfte erzeugt. Wenn das Gehäuse und der Monolith 3 wieder abkühlen, kann der Monolith 3 sich wieder zusammenziehen, und so wieder eine Lücke 6 öffnen.
Weil der. Monolith 3 nur geringfügigen lokalen Deformationen in dem Gebiet der Vertiefungen 7 ausgesetzt ist und sich woanders frei ausdehnen und zusammenziehen kann, kann der Katalysatorkörper 1 über eine längere Zeitperiode in intaktem Zustand arbeiten als es bislang möglich war, mit einer folglichen Vergrößerung seiner Betriebslebensdauer.
Weitere Verbesserungen können erzielt werden, indem vermieden wird, eine oder mehrere der äußeren Folien 4 entlang der gesamten Folienlänge mit den unmittelbar darunter liegenden Folien zu verbinden, sondern sie nur in seitlichem Abstand von den Punkten 8 der Befestigung miteinander zu verbinden. Wenn sich der Monolith 3 abkühlt mit dem folglichen Zusammenziehen, werden die Zugkräfte an den Punkten 8 der Befestigung nicht sehr groß, wegen der Elastizität, die den äußeren Folien 4 zwischen ihren Verbindungspunkten miteinander verliehen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern könnte innerhalb von einer Vielzahl von Wegen innerhalb des Umfangs der angefügten Patentansprüche modifiziert werden.

Claims

Trägeranordnung für katalytische Konverter, mit. einem Katalysatorkörper (1), der aus einem Monolithen (3) von Trägerteilen, die dazu ausgebildet sind, das katalytische Material zu tragen, wobei die Trägerteile durch übereinanderliegende, abwechselnd flache und gewellte Metallfolien (4) gebildet sind, die spiralförmig gewickelt sind, um Durchflußkanäle (5) zu bilden, die durch den Katalysatorkörper (1) verlaufen, und aus einem Metallgehäuse (2) besteht, dessen Materialdicke die der Metallfolien (4) übersteigt und das den Monolithen (3) umschließt, wobei die innere Breite des Gehäuses (2) die des Monolithen (3) übersteigt, wodurch sich eine Lücke (6) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Monolithen (3) bildet, und wobei die Lücke (6) wenigstens im Bereich eines Abschnitts (7) durch eine radiale, bandartige Vertiefung des Gehäuses (2) überbrückt wird, die um den Umfang des Monolithen (3) herum verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Monolith (3) entlang des Abschnitts (7) an das Gehäuse (2) gelötet oder geschweißt ist.
Anordnung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gebiet des Abschnitts (7) der Monolith (3) mit dem Gehäuse (2) nur an einigen Punkten (8) um den Umfang des Monolithen herum verbunden ist.