DE7034675U

DE7034675U - Konverterbehaelter fuer die katalytische behandlung von abgasen von verbrennungskraftmaschinen.

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Publication number: DE7034675U
Application number: DE7034675U
Authority: DE
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1970-09-18
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2062334A5; JPS5014283B1; DE2046125A1; US3685972A; GB1313739A; AU2005770A

Description

Universal Oil Products Comp., Des Piaines /Illinois, USA

Konverterbehälter für die katalytisch^ Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen

Die Neuerung betrifft einen Konvorterbehälter für die katalytische Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschine^ mit einem rohrförmigen Gehäuse, welches an seinen Enden durch eingesetzte Böden abgeschlossen ist und einen Einlaßstutzen im einen Boden und einen Auslaßstutzen im anderen Boden aufweist, wobei im Gehäuse ein kegelförmiger perforierter und an seinen Stirnseiten geschlossener Einsatz vorgesehen ist, der in seinem Innern ein mit dem Ein- oder Auslaßstutzen verbundenes, perforiertes Rohr aufweist, so daß zwischen dem zentral angeordneten Rohr und dem Einsatz eine Kammer für die Aufnahme der Katalysatorpartikei gebildet ist.

Ein derartiger Konverterbehälter ist aus der DT-OS 1 4γ6 bekannt. Dort ist eine Kammer für die Aufnahme der Katalysatcrpartikel gez^isrt, die als allseits verschweißte Einheit ausgebildet und möglichst starr konstruiert ist. Zu diesem Zweck sind besondere Verstär'cungsbleche vorgesehen, die den Einsatz unterteilen und festigen. Dar

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äußere Kegelmantel der Kammer für die Katalysatorpartikel und das innere Rohr bilden zusammen mit den stirnseitigen Böden eine üiiiiicil». DöüiLo wird versucht, durch eins uiög— liehst starre und feste Ausbildung der Kammer zur Aufnahme der Katalysatornartikel die durch die unterschiedlichen Temperaturen außen und innen auftretenden Spannungen im Material der Kammer aufzunehmen.

Aus der OE-PS 236 705 ist eine katalytische Nachverbrennungseinrichtung bekannt, die nicht nach dem Katalysatorprinzip arbeitet. Hier werden die zu verbrennenden Abgase durch nerl'orierte Rohre geführt, die an ihrem einen Ende fest mit ein m Bodenstück verbunden sind, während das andere Ende im Gehäuse verschieblich geführt wird, um auf diese VJeisc Längenänderungen zuzulassen* Eine bev;ußt starre Einheit wird bei dieser Einrichtung vermieden.

Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von katalytischen Konvertern in Abgasanlagen wird durch die großen Temperaturunterschiede im Konverterbehälter hervorgerufen. Höht Temperaturen entstehen bei der exothermen Oxydation der Abgase am Katalysator. Je nachdem, welcher Katalysator verwendet wird und ob der Motor im Leerlauf arbeitet oder beschleunigt oder abgebremst wird, erreichen die Temperaturen im Konverterbehälter etwa 649 bis 1093° C. Ein Konverterbehälter muß daher so aufgebaut sein, daß auf jeden Fall Einflüsse der wechselnden Temperatur, die Verformungen oder Risse zur Folge haben könnten, ausgeschaltet werden.

Außerdem muß der Konverterbehälter so aufgebaut sein, daß die gesamte Katalysatormasse vom Abgas gleichmäßig durchströmt wird, so daß eine maximale Lebensdauer der Katalysatorpartikel und eine bestmögliche Umwandlung der Abgase erreicht wird. Weiterhin ist notwendig, daß die Größe der gesamten Einrichtung so gehalten wird daß sie sich in ein Automobil einbauen läßt, d.h. sie muß möglichst klein sein.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor beschriebenen Nachteile und Probleme zu lösen und irsDesondere einen Konverterbehälter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Einzelteile sich infolge der Temperaturschwankungen entsprechend ausdehnen und zusammenschieben können. Dabei muß der gesamte Aufbau des Konverterbehälters möglichst einfach und symmetrisch sein, um eine gleichförmige Beanspruchung zu erreichen.

Neuerungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der perforierte Einsatz in dem rohrförmigen Gehäuse lose, aber in seiner Lage gesichert, angeordnet und durch Abstandshalter geführt ist und daß das Rohr in der Stirnwand des Einsatzes verschieblich geführt ist. Damit wird eine Konstruktion geschaffen, bei der Spannungen an sämtlichen Wänden des Einsatzes infolge Temperaturänderungen durch Längenänderungen der Teile ausgeglichen werden können. Trotzdem ist die Konstruktion so geschaffen, daß nachteilige Volumenänderungen der mit Katalysatorpartikeln gefüllten Kammer nicht auftreten.

In bevorzugter Ausführungsform weist die Stirnwand des Einsatzes eine oben geschlossene Führung und Halterung für das Rohr auf. Damn; ist die Möglichkeit geschaffen, die Katalysatormasse von außen nach innen zu durchströmen, ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse zu verwenden und dabei dem Duruckabbau in Durchfluörichtung durch die Querschnittsbemessung Rechnung zu tragen. Et; ist aber auch möglich, daü das Rohr an seinem in das Gehäuse hineinreichenden Ende geschlossen und die Führung und Halterung im Einsatz offen ausgebildet ist. Dabei werden die Katalysatorpartikel von innen nach außen durchströmt. Wesentlich ist in allen Fällen, daß die die Kammer zur Aufnahme der Katalysatorpartikel bildenden Teile, nämlich der Einsatz und das Röhr, eine gemeinsame Ausgangsbasis, beispielsweise einen Bodenteil aufweisen, auf der sie aufgebaut sind, so daß sie bei Temperaturschwankungen gleichförmige Längenänderungsbewegungen ausführen können, ohne das Kammervolumen nachteilig beeinflussen zu können.

Zwecks Bildung eines Nachfüllbehälters für Katalysatorpartikel ist auf den Einsatz im Bereich seiner Stirnwand ein die Stirnwand randseitig übergreifender Topf aufgesetzt, wobei die Stirnwand Durchtrittsöffnungen besitzt. Es versteht sich., daß bei dieser Konstruktion der Einbau des Konverterbehälters vorzugsweise in Schwerkraftrichtung erfolgt, um ein Aufwirbeln der Katalysatorpartikel und einen damit verbundenen erhöhten Verschleiß, zu vermelden.

Der Querschnitt des Katalysatorbehalters ist Vorzug· vieise kreisförmig bei koaxialer Anordnung der Einzelteile. DaDei werden iiiaufcrn uwtiniaie Eigonuchuftcn Jes Behälters erreicht, als eine gleichförmige Temperaturverteilung auf den Einzelteilen des Konverterbehälters erfolgt, symmetrisch zur Längsmittelachse. Es ergeben sich konzentrische Isothermen, die senkrecht zur Längsachse verlaufen. Die Temperaturen auf Punkten des Konverterbehälters mit gleichem Abstand vor. dor Längsachse sind infolgedessen überall gleich. Hierauf ist es zurückzuführen, daß die Einzelteile der> Konve-terbehälters auch einer gleichförmigen BeansDrucn -ig bzv/. Ausdehnung unterworfen werden.

Der Gedanke der Neuerung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Konverterbehälters, teilweise geschnitten,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch mit anderer Ausbildung der verschieblxchen Führung des Rohres und

Pig. 3 eine scr„mati5ierte Darstellung einer

weiteren Ausführungsform des Konverterbehälters .

Wie in Fig. 1 aargestellt, besteht der Konverterbehälter 1 im wesentlichen aus einem länglichen, rohrförmigen Gehäuse 2, welches mit den Böden 3 und 4 verbunden ist, so daß eine abgeschlossene Kammer mit

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kreisförmigeir, Querschnitt und aei Längsachse a-a entsteht.

In dieser Ausführungsform, bei der die Abgase von außen nach innen geführt werden, wie durch Pfeile angedeutet, ist der obere und der untere Boden 3*4 mit Flanschen 5 und 16 versehen, die die inneren Oberflächen 6 und 7 des Gehäuses 2 berühren. Verbindungen 8 und 9 dienen dem Zusammenhalt der Teile. Es ist zu beachten, daß die Art der Verbindung von der Gestaltung der Böden 3, 4 abhängt, wobei die Verbindung nach verschiedenen Fertigungsverfahren erreicht werden kann, beispielsweise durch Schweißen. In diesem Falle '.vird beispielsv;eise an den Endkanten 10 und 11 ehe Schweißnaht gezogen. Es ist auch möglich, V.'id erstands schweißungen 12 und 13 durchzuführen bzw» anzubringen. Auch eine Verbindung durch Umbördeln der beiden Kanten kann erreicht werden. Die beiden Böden 3 und 4 müssen jedoch eben sein, damit einfache Schweißverbindungen möglich sind. Weiterhin kann auch das Gehäuse 2 mit entsprechenden Flanschen versehen werden, wodurch wiederum andere Verbindungsarten ermöglicht v/erden.

Um einen symmetrischen Aufbau zu erhalten, ist der Einlaßstutzen 15 über der öffnung 17 am Boden 3 koaxial zu der Längsachse a-a angebracht. In entsnrechender Weise ist der Aiislaßäfcutzen 18 über der Öffnung 19 an dem unteren Boden 4 vorgesehen.

Ein kegelförmiger, rohrähnlich ausgebildeter und perforierter Einsatz 20 ist mit seinem offenen großen Ende 21 dem Boden 4 zugekehrt angeordnet.

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Schlitze 22 in den Wänden des Einsatzes 20 .4:Men die Verbindung mit der Katalysatorkammer 23 her, die aus dem Einsatz 20 und dem zentral angeordneten Rohr 24 gebildet wird. Der Einsatz 20 bildet gleichzeitig zusammen mit dem Gehäuse 2 eine sich verengende ringförmige Sinzugskammer 2J. Da das Rohr 24 zylindrisch und der Einsatz 20 kegelförmig ausgebildet ist, erweitert sich der ringförmige Querschnitt der Katalysatorkammer 23 nach unten hin.

Bei dei-artigen Ko: /erterbehältern sollen die Abgase in radialer Richtung in einem gleichmäßigen Strom durch die gesamte Katalysatormasse fließen. Jedoch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und besonders bei schweren Gasen durchströmen die Abgase die Kaoalysator-chicht hauptsächlich an dem, dem Einlaßstutzen entgegengesetzten Ende. Aus diesem Grund muß die Katalysatorschicht in diesem Gebiet stärker nein, damit eine gleichmäßige Durchströmung und damit eine gleichmäßige Abnutzung der Katalysatorpartikel zustandekommt.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase wird durch die ringförmige, sich verengende Einzugskammer 25 vermindert. Die sich nach unten verengende Einzugskammer 25 und die sich nach unten erweiternde Katalysatorkammer 25 wirken also zusammen und garantieren eine gleichmäßige Durchströmung der Katalysatorpartikel 41. Die Katalysatorkammer 23 ist durch den Boden 4 und die Stirnwand 30 abgeschlossen. Die Stirnwand 30 besteht aus einer Platte mit einer Einbuchtung in der Mitte. In dieser Ausführungsform bildet die Einbuchtung eine Halterung 31> deren Achse mit der Längsachse a-a zusammenfällt. Der innere Durchmesser entspricht etwa dem Außendurchmesser

άοί. ohres 24. jjas nohr 24 wird auf diese Weise immer in beiner zentralen Lage gehalten, wobei es sich jedoch in Längsrichtung entsprechend den auftretenden Temperaturdifferenzen ausdehnen kann.

Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Zusatzbehäiter 35.- bestehend aus einem kegeligen Topf 36 auf den Einsatz 20 aufgesetzt, wobei der Rand 37 des Topfes 36 über den Einsatz 20 hinübergreift. Der Zusatzbehälter 35 steht mit der Katalysatorkammer 23 vermittels Durchtrittsöffnungen 38 in der Stirnwand 30 in Verbindung.

Eine abgewandelte Halterung für das Rohr 24 ist in Pig. 2 dargestellt. Das Rohr 24 gleitet dabei in einer in der Mitte der Stirnwand 30' angeordneten Halterung 31'. Bei normalen Betriebsbedingungen wird das Rohr 24 heißer als der Einsatz 20, so daß es sich stärker ausdehnt und somit Katalysc^orpartikel aus dem Zusatzbehälter 35 durch die Durchtrittsöffnungen 33' in die Katalysatorkammer drückt.

Der Einsatz 20 baut mit seinem Rand 21 auf dem Boden 4 des Gehäuses 2 auf. Ebenso ist das Rohrende 39 mit dem Boden 4 bzw. dem Auslaßstutzen 18 des Gehäuses 2 verbunden. Das obere Ende des Einsatzes 20 ist an den Abstandshaltern ^O im Innern des Gehäuses 2 geführt. Die Abstandshalter 40 können durch Einbuchtungen oder eingeschweißte Träger gebildet werden. Die Anzahl dieser Abstandshalter ist von untergeordneter Bedeutung, jedoch sollte sie nicht zu groß sein, damit der Querschnitt für den Abgasjtrom nicht beeinträchtigt wird. Drei bis vier solcher Abstandshalter 40 auf dem Umfang reichen aus, um den Einsatz festzuhalten. Die Abstandshalter können auch in den Topf 36 eingeformt sein, so

daß sis dann auf der Oberflache des Gehäuses 2 gleiten kennen.

Der Konverterbehälter setzt nicht die Verwendung eines bestimmten Katalysatormaterials voraus; er kann vielmehr mit verschiedenen Materialien zusammen eingesetzt werden. Geeignete Katalysatoren zur Oxydation, sind die Metalle der Gruppen 1, 5, 6, 7 und 8 des Periodensystems der chemischen Elemente, insbesondere aber Chrom, Kupfer, Nickel und Platin. Sie können einzeln oder in Kombination verwendet werden, wobei sie meistens zusammen mit einem anorganischen hitzebeständiq;en Trägermaterial, wie Alumina ^v";o.x^d, oder wischungen, wie Aluminiumoxyd, Alumini:*■:?-Siliziumoxyd, Siliziumoxyd-Aluminiumoxyd-Zirkoniumoxyd, Siliciumoxyd- ^hor-Uunoxyd, SiIiciumoxyd-Boroxyd, od.dgl, benutzt werden.

Boim Betrieb des Konverters, der in Pig. I dargestellt ist, gelangen die Abgase des Motors durch den Einlaßstutzen 15 und die öffnung 17 in dem Boden J5 in die Einzugskammer 25. Die Gase verteilen sich hier um die Kataly.iatorkammer 23 bzw. den Zusatzbehälter 35 so, daß die K?.talysatorpai"tikel durch die Schlitze 22 gleichmäßig angeströmt werden, was durch die Form der beiden Kammern 25 und 23, wie ober beschrieben, erreicht wird. Die unverbrannten Bestandteile oxydieren in der Katalysatcrkammer 25 zu meirt harmlosen SDffen. Die auf diese Weise behandelten Abgase gelangen durch die Schl-'tT-e 22' in das Rohr 24 und von dort über den Auslaßstutzen 18 zum Auspuff des Autos.

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Fig. 3 zeigt eine vereinfachte schematisierte Darstellung einer anderen Ausführungsform, bei der die Katalysatorpartikel von innen nach außen durchströmt werden. Ein Zusatzbehälter für die Naohfüllung der Katalysator-Dartikel ist hier nicht dargestellt, um die Zeichnung übersichtlicher zu gestalten. Der hier dargestellte Konverterbehälter 1' besitzt wiederum ein längliches rohrförmiges Gehäuse 2' mit den an den jeweiligen Enden vorgesehenen Böden 3'und 4'. Ebenso wie bei der Aupführungsform gemäß Fig. 1 sind ein Einlaßstutzen 15' und ein Auslaßstutzen 18' vorgesehen, wobei der Einlaßstutzen 15' der Heranführung der zu behandelnden Abgase in den Konverterbehälter dient. Es ist auch ein kegelförmig ausgebildeter und perforierter Einsatz 20' vorgesehen, der mit seinem kleinen aber offenen Ende an dem Boden 3' befestigt ist. Der Einsatz 20' besitzt eine Stirnwand 30'', in der eine Halterung 31'' vorgesehen ist, die das Rohr 24' längsverschiebllch aufnimmt. Das offene Ende des Rohres 24' ist mit dem Einlaßstutzen 15' verbunden. Der Einsatz 20' und das Rohr 24' bilden eine ringförmige, sich in Richtung des Abgasstromes erweiternde Katalysatorkammer 23' . Auf diese Weise durchströmen die Abgase auch hier den Katalysator gleichmäßig. Außerdem ist kennzeichnend, daß das Gehäuse 2' in dem Abschnitt 50 in Durchflußrichtung eine größere Querschnittserweiterung aufweist als die Katalysatorkammer 23'. Es wird also eine sich in Richtung des Stromes erweiternde Kammer 25' gebildet, die zusätzlich die Gleichförmigkeit der Durchströmung sichert, Es können weiterhin Führungen vorgesehen sein, in denen das freie Ende des Einsatzes 20' gleitet.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß der Konverterbehälter so aurgebaut ist, daß eine Zerstörung dux-jh Wärmeeinwirlaing verhindert wird. Die vorgesehenen Führungen und verschieblichen Anordnungen und der koaxiale Aufbau verhindern AusdehnungsProbleme. Außerdem ist der Aufbau des Konverterbehälters relativ billig, besonders bei einer Massen_r .'oduktion, da einfache Metallverformungsprozesse, wie Stanzen oder Pressen angewendet werden können.

Es empfiehlt äch, die Einzelteile möglichst leicht aus relativ dünnem Material, wie Stahlblech od.dgl., herzustellen. Dieaes Material muß temperaturfest sein, da hohe Arbeitstemperatur-en er-r-eient werden, ohne daß Materialschäden, wie Brüche oder Risse, auftreten dürfen.

Außerdem kön. m die Außenwände des Konverterbehälters mit einem Isoliermaterial, wie Asbest, Glaswolle od.dgl., versehen sein, damit der Behälter vor unerwünscht großen Temperature rlusten geschützt ist.. Geringe Veränderungen in der Formgebung oder Anordnung der Einzelteile, wie z.B. von den Zeichnungen abweichende Größenverhältnisse oder eine andere Anordnung der Anschlußstücke, ändern den Gedanken der Neuerung nicht. Die Größe der Schlitze 22 und 22' hängt von der Größe der Katalysatorpartikel ab. Diese haben gewöhnlich eine runde, zylindrische oder eckige Form und etwa Durchmesser zwischen 1,5 .... 6,5 mm. Es können auch andere Größe η oder andere Mischungen verschiedener Katalysatorpartikel eingesetzt werden, besonders um die Oxydationstemperaturen möglichst gering zu halten.

Claims

ut za η sprüche

1. Konverterbehälter für die katalytische Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem rohrförmigen Gehäuse, welches an seinen Enden durch eingesetzte Boden abgeschlossen ist und einen Einlaßstutzen im einen Boden und einen Auslaßstutzen im anderen Boden aufweist, wobei im Gehäuse ein kegelförmiger perforierter und an seinen Stirnseiten geschlossener Einsatz vorgesehen ist, der in seinem Innern ein mit dem Ein- oder Auslaßstutzen verbundenes, perforiertes Rohr aufweist, so daß zwischen dem zentral angeordneten Rohr und dem Einsatz eine Kammer für die Aufnahme der Katalysatorpartikel gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Einsatz (20) in dem rohrförmigen Gehäuse (2) lose, aber in seiner Lage gesichsrt angeordnet und durch Abstandshalter (4θ) geführt ist und daß das Rohr (24) in der Stirnwand (30) des Einsatzes (20) vercchieblich geführt ist.

2. Konvvjrterbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (30) des Einsatzes (20) eine oben geschlossene Führung und Halterung (Jl) für das Rohr (24) aufweist.

3. Konverterbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rchr (24) an seinem in das Gehäuse (2) hineinreichenden Ende geschlossen und die Führung und Halterung (31) im Einsatz (20) offen ausgebildet ist.

4. Konverterbehälter nach Anspruch 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Bildung eines Nachfüllbehälters für Katalysatorpartikel auf den Einsatz (20) im Bereich seiner Stirnwand (30) ein die Stirnwand randseitig übergreifender Topf (36) aufgesetzt ist und die Stirnwand

(30) Durchtrittsöffnungen (38) besitzt.