DE9315010U1 - Carrier body for exhaust gas catalysts - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Trägerkörper mit inneren Kanälen, die zur kataLytisehen Reinigung der Abgase vonThe invention relates to carrier bodies with internal channels which are used for the catalytic purification of exhaust gases from Verbrennungsmotoren mit Edelmetall, beschichtet werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Internal combustion engines are coated with precious metal, according to the preamble of claim 1.
Trägerkörper für Abgaskatalysatoren mit einer Vielzahl von axial gerichteten langgestreckten, wabenförmig angeordneten Kanälen sind bekannt. Eine Art Trägerkörper besteht aus einer st rangextrudierten, gebrannten Keramik, eine andere Art aus einem Wellblech und einem Glattblech, die aufeinandergelegt und spiralförmig aufgewickelt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft die letztgenannte Art.Support bodies for exhaust gas catalysts with a large number of axially directed, elongated, honeycomb-shaped channels are known. One type of support body consists of a rigidly extruded, fired ceramic, another type of corrugated sheet and a smooth sheet, which are placed on top of one another and wound up in a spiral shape. The present invention relates to the latter type.
Der Querschnitt der Trägerkörper ist abhängig von der Motorleistung bzw. vom zu erwartenden maximalen Abgasdurchsatz. Die Länge der Trägerkörper dagegen ist im wesentlichen abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die katalytische Reaktion abläuft. Das Abgas muß so lange im Bereich der katalytisch wirksamen Ede Imeta L Ibeschichtung verbleiben, bis praktisch alle Schadstoffe umgesetzt sind. Da in den wabenförmigen Kanälen praktisch ausschließlich laminare Strömungsverhältnisse herrschen, verläuft die katalytische Reaktion relativ langsam, so daß sich die bekannten relativ langen Trägerkörper ergeben. Aus diesem Grunde haben die herkömmlichen Trägerkörper ein relativ hohes Volumen, was wiederum große Gehäuse nach sich zieht und entsprechend hohe Herstellkosten.The cross-section of the carrier body depends on the engine power or the expected maximum exhaust gas throughput. The length of the carrier body, on the other hand, depends essentially on the speed at which the catalytic reaction takes place. The exhaust gas must remain in the area of the catalytically effective Ede Imeta L I coating until practically all of the pollutants have been converted. Since the flow conditions in the honeycomb-shaped channels are almost exclusively laminar, the catalytic reaction is relatively slow, resulting in the well-known relatively long carrier bodies. For this reason, the conventional carrier bodies have a relatively high volume, which in turn results in large housings and correspondingly high manufacturing costs.
Bei den keramischen Trägerkörpern gibt es bereits erste Lösungsvorschläge, die es erlauben, die Länge der Trägerkörper um wenigstens 25 % zu reduzieren bei identischer Reinigungswirkung. Bei den aus Metallblech hergestellten Trägerkörpern dagegen gibt es bisher keine derartige Lösung.There are already initial solutions proposed for ceramic carrier bodies that allow the length of the carrier bodies to be reduced by at least 25% while maintaining the same cleaning effect. However, there is currently no such solution for carrier bodies made of sheet metal.
Der vorliegenden Erfindung Liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Trägerkörper, hergestellt unter Verwendung von gewelltem Metallblech,, derart weiterzuentwickeln, daß mit kürzeren Trägerkörpern eine wenigstens gleich gute Reinigungswirkung erreicht wird.The present invention is therefore based on the object of further developing the carrier bodies mentioned at the beginning, manufactured using corrugated metal sheet, in such a way that at least an equally good cleaning effect is achieved with shorter carrier bodies.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Trägerkörper mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.This object is achieved by a generic carrier body with the features according to the characterizing part of claim 1.
Aufgrund der Tatsache, daß bei der erfindungsgemaßen Lösung zwei wellblechartig geprägte Bleche aufeinandergelegt werden, wobei die Prägungen einen Winkel zueinander einschließen, wird die Ausbildung von parallelen, langgestreckten Kanälen verhindert. Stattdessen stehen die verschiedenen Teilkanäle im oberen Blech und im unteren Blech miteinander in Verbindung, wobei die Gasströmung immer wieder auf Kanten und Kreuzungsstellen stößt, so daß ständig Wirbel erzeugt und Teilgasströme miteinander vermischt werden. Anstelle der laminaren Strömung entsteht eine weitestgehend turbulente Strömung, in der die katalytische Reaktion sehr viel schneller abläuft, sodaß die vollständige katalytische Reinigung mit erheblich kürzeren Baulängen erreicht wird.Due to the fact that in the solution according to the invention two corrugated metal sheets are placed on top of each other, with the embossings forming an angle to each other, the formation of parallel, elongated channels is prevented. Instead, the various sub-channels in the upper sheet and the lower sheet are connected to each other, with the gas flow repeatedly hitting edges and intersections, so that vortices are constantly generated and partial gas flows are mixed with each other. Instead of the laminar flow, a largely turbulent flow is created in which the catalytic reaction takes place much more quickly, so that complete catalytic purification is achieved with considerably shorter installation lengths.
In vielen Fällen kann es genügen, wenn die wellblechartig geprägten Bleche in einem geeigneten Gehäuse einfach übereinander gestapelt werden. Dabei können identische Bleche verwendet werden, jeweils mit abwechselnder Orientierung zueinander.In many cases it may be sufficient to simply stack the corrugated sheets on top of each other in a suitable housing. Identical sheets can be used, each with an alternating orientation to each other.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung können die Bleche an den Berührungspunkten miteinander verbunden werden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Dies erhöht die mechanische Festigkeit.According to another development of the invention, the sheets can be connected to one another at the contact points, for example by means of a welded joint. This increases the mechanical strength.
Des weiteren besteht die Möglichkeit, rechteckige Bleche zu verwenden und diese an zwei parallelen Rändern miteinander gasdicht zu verbinden. Dadurch werden die Gasströme, die eingangssei tig in einen der Teilkahäle einströmen, gezwungen, in andere Teilkanäle überzutreten.It is also possible to use rectangular sheets and connect them gas-tight at two parallel edges. This forces the gas flows that flow into one of the partial channels on the inlet side to pass into other partial channels.
Schließlich besteht die Möglichkeit, ähnlich wie bei den herkömmlichen Met a LIt ragerkörpern zwei übereinandergelegte Bleche spiralig aufzuwickeln, wodurch ein Trägerkörper mit kreisrundem oder elliptischem Querschnitt entsteht.Finally, it is possible to wind two superimposed metal sheets in a spiral, similar to conventional metal carrier bodies, creating a carrier body with a circular or elliptical cross-section.
Die erfindungsgemäße Technik erlaubt jedoch auch eine neue Variante von Trägerkörpern. Hierzu werden Bleche verwendet, die eine zentrale öffnung besitzen. Stapelt man beispielsweise kreisringförmige Blechscheiben übereinander und läßt in die zentrale öffnung ein Abgasrohr münden, erhält man einen Trägerkörper, durch den die Abgase radial strömen, und zwar entweder von außen nach innen oder von innen nach außen. Die letztgenannte Variante hat den Vorteil, daß die im Abgas steckende Wärme im Zentrum des Trägerkörpers konzentriert wird, wodurch dieser schneller aufgeheizt wird, so daß die für die katalytische Reaktion erforderliche Temperatur nach einem Kaltstart des Motors schnell erreicht wird.However, the technology according to the invention also allows a new variant of carrier bodies. For this purpose, metal sheets are used that have a central opening. If, for example, circular metal discs are stacked on top of one another and an exhaust pipe is allowed to open into the central opening, a carrier body is obtained through which the exhaust gases flow radially, either from the outside to the inside or from the inside to the outside. The latter variant has the advantage that the heat in the exhaust gases is concentrated in the center of the carrier body, which heats it up more quickly, so that the temperature required for the catalytic reaction is quickly reached after a cold start of the engine.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von AusfuhrungsbeispieLen erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in the form of exemplary embodiments using the drawings. They show
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung das Grundprinzip, nach dem die Trägerkörper aufgebaut werden,Fig. 1 shows in perspective the basic principle according to which the carrier bodies are constructed,
Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen ersten Trägerkörper mit rechteckiger Grundfläche,Fig. 2 shows a perspective view of a first support body with a rectangular base,
mit kreisförmiger Grundfläche, hergestellt aus zwei spiralförmig gewickelten Blechen,with a circular base, made from two spirally wound sheets,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen aus gestapelten, kreisringscheibenförmigen Blechen hergestellten Kata lysator-Trägerkörper mit zentralem Abgasrohr und radialer Gasströmung,Fig. 5 a longitudinal section through a catalyst carrier body made of stacked, circular disk-shaped sheets with a central exhaust pipe and radial gas flow,
kreisringscheibenförmiges Blech mit we I Iblechartigencircular disk-shaped sheet with white sheet-like
Prägungen, Fig. 7 eine Draufsicht auf ein zweitesembossings, Fig. 7 a plan view of a second
kreisringscheibenförmiges Blech mit we I Lb lechartigencircular disk-shaped sheet with white laminations Prägungen,embossings,
kreisringscheibenförmiges Blech mit wellblechartigen Prägungen,circular disc-shaped sheet metal with corrugated iron-like embossings,
kreisringscheibenförmiges Blech mit we LIblechartigen Prägungen,circular disc-shaped sheet with white LI-sheet-like embossings,
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein rechteckiges Blech mit wellblechartig geprägten Abschnitten,Fig. 10 a plan view of a rectangular sheet with corrugated sections,
Fig. 12 eine Frontsicht eines Trägerkörpers aus dem Blech der Fig. 10 und 11.Fig. 12 is a front view of a carrier body made from the sheet metal of Fig. 10 and 11.
Fig. 1 zeigt zwei wellblechartig geprägte Bleche 1, 1T, die so aufeinandergelegt sind, daß die Prägungen einen Winkel zueinander einschließen. Die beiden Bleche 1, 1' haben daherFig. 1 shows two corrugated sheets 1, 1 ' which are placed on top of each other in such a way that the embossings form an angle to each other. The two sheets 1, 1' therefore have
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gegenseitig jeweils nur Punkt be ruh rung. Die TeiLkanäle in den beiden Blechen 1, 1' stehen daher vielfach miteinander in Verbindung, so daß eine in einen Teilkanal eintretende Abgasströmung 3 auf der Ausgangsseite in mehrere Teilströmungen 3' aufgeteilt wird. Es findet daher eine ständige Durchmischung aller Teilströmungen statt, wobei an den Kreuzungsstellen und den Kanten der Bleche 1, 1' zusätzlich Wirbel entstehen, so daß eine insgesamt turbulente Strömung herrscht, die eine hohe katalytische Reaktionsgeschwindigkeit bewi rkt.only point contact with each other. The partial channels in the two plates 1, 1' are therefore connected to each other in many ways, so that an exhaust gas flow 3 entering a partial channel is divided into several partial flows 3' on the outlet side. There is therefore a constant mixing of all partial flows, with additional vortices being created at the intersection points and the edges of the plates 1, 1', so that an overall turbulent flow prevails, which causes a high catalytic reaction rate.
Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des in Fig. 1 dargestellten Grundprinzips zu einem Trägerkörper. Man erkennt hier insgesamt vier abwechselnd gestapelte Bleche 1 , 1 ' , die an zwei parallelen Seitenkanten 2 jeweils gasdicht miteinander verbunden sind. Die in den Seitenkanten 2 endenden Teilkanäle sind somit verschlossen, so daß die entsprechenden Gasteilströme 3, 31 gezwungen sind, in NachbarkanäLe überzutreten.Fig. 2 shows a further development of the basic principle shown in Fig. 1 to form a carrier body. A total of four alternately stacked sheets 1, 1' can be seen here, which are each connected to one another in a gas-tight manner at two parallel side edges 2. The partial channels ending in the side edges 2 are thus closed, so that the corresponding partial gas flows 3, 3 ' are forced to pass into neighboring channels.
Fig. 3 zeigt einen kompletten Trägerkörper 4 mit kreisförmiger Grundfläche, hergestellt aus zwei geprägten Blechen 10, 10', aufgewickelt zu einer Spirale, wobei die kurzen Seitenkanten 2 wieder gasdicht miteinander verbunden sein können.Fig. 3 shows a complete carrier body 4 with a circular base, made from two embossed sheets 10, 10', wound into a spiral, whereby the short side edges 2 can again be connected to one another in a gas-tight manner.
Fig. 4 zeigt in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt IV aus Fig. 3. Man erkennt bogenförmig geprägte Bleche 10, 10' mit ihren einen Winkel zueinander einnehmenden Prägungen. Die bogenförmige Prägung ermöglicht erst das Wickeln der Bleche 10, 10' und erzwingt eine ständige Richtungsänderung der Abgasströmungen mit verbesserter Verwirbelung.Fig. 4 shows an enlarged view of section IV from Fig. 3. You can see arched embossed sheets 10, 10' with their embossings at an angle to each other. The arched embossing enables the winding of the sheets 10, 10' and forces a constant change in direction of the exhaust gas flows with improved turbulence.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Trägerkörpers 5 für die katalytische Reinigung von Abgasen im Längsschnitt. Dieser Trägerkörper 5 besteht aus einemFig. 5 shows a second embodiment of a support body 5 for the catalytic purification of exhaust gases in longitudinal section. This support body 5 consists of a
Stapel von kreisringscheibenförmigen Blechen 7, 7', wie sie in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Die beiden Bleche 7, 7' können identisch sein, wenn beim Stapeln darauf geachtet wird, daß die Orientierung ihrer Prägung jeweils abgewechselt wird. In jedem Fall ergibt sich dadurch eine radiale Strömungsrichtung der Abgase, wobei die Teilkanäle in den Blechen 7, 7' zu der radialen Haupt strömungsrichtung der Abgase einen Winkel einschließen.Stack of circular disk-shaped sheets 7, 7', as shown in Fig. 6 and 7. The two sheets 7, 7' can be identical if care is taken when stacking to ensure that the orientation of their embossing is alternated. In any case, this results in a radial flow direction of the exhaust gases, with the partial channels in the sheets 7, 7' forming an angle to the main radial flow direction of the exhaust gases.
Wie Fig. 5 erkennen läßt, ist in die zentrale öffnung der geprägten Blechscheiben 7, 7' ein Abgasrohr 8 eingeführt, das endseitig verschlossen ist, jedoch radiale öffnungen besitzt, so daß das Abgas entsprechend der Strömungspfeile in die Teilkanäle zwischen den Blechen 7, 7' strömen kann.As can be seen in Fig. 5, an exhaust pipe 8 is inserted into the central opening of the embossed sheet metal disks 7, 7', which is closed at the end but has radial openings so that the exhaust gas can flow into the partial channels between the sheets 7, 7' in accordance with the flow arrows.
Ist wie in der Zeichnung dargestellt die Abgasströmung 3 von innen nach außen gerichtet, wird die in den vom Motor kommenden Abgasen steckende Wärme im Zentrum des Trägerkörpers 5 konzentriert, so daß dieser dort relativ schnell die für die katalytische Reinigung erforderliche Betriebstemperatur erreicht. Ein solcher Trägerkörper besitzt also nicht nur ein verringertes Volumen sondern auch eine große Ansprechgeschwindigkeit. Außerdem ist seine Herstellung relativ einfach, so daß die Herstellung von platz- und kostensparenden Abgaskatalysatoren möglich wird.If, as shown in the drawing, the exhaust gas flow 3 is directed from the inside to the outside, the heat contained in the exhaust gases coming from the engine is concentrated in the center of the carrier body 5, so that it reaches the operating temperature required for catalytic cleaning relatively quickly. Such a carrier body therefore not only has a reduced volume but also a high response speed. In addition, its manufacture is relatively simple, so that the manufacture of space- and cost-saving exhaust gas catalysts is possible.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf ein drittes kreisringscheibenförmiges Blech 9 mit bogenförmig wellblechartigen Prägungen. Diese Art der Prägungen hat gegenüber denen der Fig. 6 und 7 den Vorteil, daß der Strömungsquerschnitt der Kanäle über die volle Länge in etwa konstant ist.Fig. 8 shows a top view of a third circular disk-shaped sheet 9 with arched corrugated sheet-like embossings. This type of embossing has the advantage over those in Figs. 6 and 7 that the flow cross-section of the channels is approximately constant over the entire length.
kreisringscheibenförmiges Blech 11 mit konzentrischencircular disk-shaped sheet 11 with concentric kreisringförmigen Prägungen. Dieses Blech 11 wird verwendetcircular embossings. This sheet 11 is used
in Verbindung mit einem der BLeche 7, 9 gemäß Fig. 6 bzw.in connection with one of the sheets 7, 9 according to Fig. 6 or
Fig. 10 als Draufsicht und Fig. 11 als Seitenansicht zeigen ein Langgestrecktes, rechteckiges Blech 1'' mit weLlbLechartig geprägten Abschnitten, die mit ungeprägten BLechabschnitten 2' abwechseln.Fig. 10 as a top view and Fig. 11 as a side view show an elongated, rectangular sheet 1'' with corrugated sheet-like embossed sections that alternate with unembossed sheet-metal sections 2'.
Fig. 12 zeigt eine Frontsicht eines Träger körpers, hergestellt aus dem zickzack-förmig gefalteten Blech 1'' der Fig. 10 und 11. Dieser Trägerkörper entspricht dem der Fig. 2, wobei dank der besonderen Herstellung sich der gasdichte SeitenverschLuß in den Randbereichen 2' von selbst einstellt.Fig. 12 shows a front view of a carrier body made from the zigzag-folded sheet metal 1'' of Fig. 10 and 11. This carrier body corresponds to that of Fig. 2, whereby thanks to the special manufacturing process the gas-tight side seal in the edge areas 2' is self-adjusting.
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