EP1120551A2 - Verfahren und Anordnung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP1120551A2 EP01101528A EP01101528A EP1120551A2 EP 1120551 A2 EP1120551 A2 EP 1120551A2 EP 01101528 A EP01101528 A EP 01101528A EP 01101528 A EP01101528 A EP 01101528A EP 1120551 A2 EP1120551 A2 EP 1120551A2
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
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    • F01N3/2853—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing
    • F01N3/2857—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing the mats or gaskets being at least partially made of intumescent material, e.g. unexpanded vermiculite

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for locking a Catalyst carrier in an exhaust duct of an internal combustion engine, one Thermal swell mat between the catalyst carrier and a catalyst housing is expanded.
  • Arrange catalysts in an exhaust duct For cleaning an exhaust gas of an internal combustion engine, it is known Arrange catalysts in an exhaust duct. These enable the Implementation of gaseous pollutants in the exhaust gas such as carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons in less environmentally relevant products.
  • a catalyst usually comprises a ceramic monolith as Catalyst carrier, which forms a plurality of flow channels and its Surface is coated with a catalytically active substance. It is further known a position of the catalyst carrier in a catalyst housing to lock so-called swelling mats, the catalyst carrier in its Longitudinal extension is enveloped by the swelling mat.
  • the swelling mat is there usually made of aluminum silicate fibers with a mica additive.
  • the volume of the swelling mat set after an initial heating process is permanent and remains even when it cools down.
  • the volume expansion occurs at the first Commissioning of the vehicle.
  • vehicles whose exhaust gas on the The location of the catalytic converter is not the temperature required for the expansion of the mat has, it can happen that the swelling mat is not or insufficient expands and the catalytic converter does not find sufficient support in the catalytic converter housing, loosens and shifts and is thereby destroyed.
  • Such low Exhaust gas temperatures are particularly high for diesel and direct-injection gasoline engines observe.
  • the object of the present invention is to provide a reliable locking method to provide a generic catalyst that is inexpensive and fast is feasible and leads to results with minimal process changes.
  • the application of the invention for the thermal expansion of the mat Thermal energy through electrical current which is both direct and indirect, for example by induction, has proven to be particularly advantageous proven.
  • the thermal energy to be applied can be applied by electrical current supply targeted in an electrically conductive material, which is characterized by the metallic Catalyst housing is given, generate. It can be used for the expansion of the Selective heat to be applied to the source mat in the immediate vicinity of the destination to be generated.
  • the current is supplied indirectly, especially inductive.
  • This can be particularly advantageous in an induction furnace achieve which has an eddy current flow and thus an air gap Heat generation induced in the catalyst jacket.
  • Advantages of using an induction furnace are that they are not permanent, like conventional ovens, but operated in a demand-oriented and therefore cost-saving manner can be. Furthermore, this configuration comes without any modification of the Catalyst or the catalyst housing.
  • the required Thermal energy through direct electrical energization of at least one partial area of the catalyst housing generated.
  • An additional advantage of this variant is that the machine effort is reduced even further.
  • the Arrangement according to the invention that the catalyst housing with a Voltage source for loading at least a partial area of the Catalyst housing can be connected to a heating current.
  • you can for example on the catalyst housing connection points for conventional Electrode clamps may be provided.
  • a strength of a heating current is advantageously chosen such that a Temperature of the swelling mat of at least 300 ° C., in particular 350 ° C. or more, is produced.
  • FIG. 1 schematically shows a catalyst arrangement and a Equivalent circuit diagram of a circuit connected for direct current supply.
  • the Catalyst 10 consists of a ceramic monolith, not shown here as a catalyst support 12 and a catalytically active one fixed on its surface Substance.
  • the catalyst carrier 12 is in an extension of a Catalyst housing 14 and is of a swelling mat 16 in its longitudinal extent surround. Before it is installed in an exhaust tract of an internal combustion engine, the The catalyst carrier 12 is packed with the swelling mat 16 and into the catalyst housing 14 introduced. In order to trigger an expansion of the source mat 16, the Catalytic converter housing 14 heated by direct current application. To this end becomes a circuit 20 at two connection points 18 of the catalyst housing 14 connected.
  • the circuit 20 includes a switch 24, the closure of which a current flow of a heating current I initialized. According to the electrophysical laws, it depends from the square of the current I to a heating of the catalyst housing 14. Da the heat is generated in the immediate vicinity of the source mat 16, this becomes very quickly to a temperature necessary for the expansion of preferably brought at least 350 ° C.
  • the illustration also clarifies that the implementation of the method according to the invention with an extremely low technical outlay is feasible. So the circuit 20 can be inexpensively Build standard electrical components. If necessary, even on the connection points 18 are omitted and the circuit 20 to other suitable locations of the Catalyst jacket 14 are connected. For example, come here Usually existing flange connections 26 of the catalyst jacket 14 in question.
  • FIG 2 shows a schematic representation of the principle of indirect inductive Heating a catalyst 10 by an induction furnace.
  • the same elements are identical to the reference numerals used in Figure 1.
  • the catalyst 10 is of the coils 28 arranged in coils of a not shown here Induction furnace surrounded.
  • a circuit 20 By connecting to an AC voltage source 22 a circuit 20 closed so that the turns 28 of a current I be flowed through.
  • eddy currents are generated in the catalyst housing 14, which cause heating of the catalyst housing 14.
  • the temperature of the catalytic converter housing can be about the size of the applied voltage can be varied.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird. Es ist vorgesehen, daß eine für die thermische Expansion der Quellmatte (16) aufzubringende Wärmeenergie durch direkte oder indirekte, insbesondere induktive, elektrische Bestromung erzeugt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird.
Zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine ist es bekannt, Katalysatoren in einem Abgaskanal anzuordnen. Diese ermöglichen unter anderem die Umsetzung gasförmiger Schadstoffe des Abgases wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in weniger umweltrelevante Produkte.
Ein Katalysator umfaßt üblicherweise einen keramischen Monolithen als Katalysatorträger, der eine Vielzahl von Strömungskanälen ausbildet und dessen Oberfläche mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet ist. Es ist ferner bekannt, eine Position des Katalysatorträgers in einem Katalysatorgehäuse durch sogenannte Quellmatten zu arretieren, wobei der Katalysatorträger in seiner Längserstreckung von der Quellmatte umhüllt wird. Die Quellmatte besteht üblicherweise aus Aluminium-Silicat-Fasern mit einem Blähglimmerzusatz. Ferner ist ein synthetisches Polymer als Bindemittel der beiden Komponenten enthalten. Unter dem Einfluß von Temperaturen von wenigstens 300 °C, insbesondere größer als 350 °C, kommt es zu einer Volumenausdehnung der Quellmatte, wobei ein notwendiger Anpreßdruck entsteht, der den Katalysator an seiner Position im Katalysatorgehäuse hält. Das nach einem initialen Erhitzungsvorgang eingestellte Volumen der Quellmatte ist dauerhaft und bleibt auch bei Abkühlung bestehen.
Für die meisten Kraftfahrzeuge erfolgt die Volumenexpansion bei der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeuges. Bei Fahrzeugen jedoch, deren Abgas an dem Einbauort des Katalysators nicht die für die Expansion der Matte notwendige Temperatur aufweist, kann es dazu kommen, daß sich die Quellmatte nicht oder ungenügend ausdehnt und der Katalysator keinen ausreichenden Halt im Katalysatorgehäuse findet, sich lockert und verschiebt und dadurch zerstört wird. Derartig niedrige Abgastemperaturen sind vor allem bei Diesel- und direkteinspritzenden Ottomotoren zu beobachten.
Um diese Gefahr zu umgehen, ist es bekannt, Katalysatoren vor ihrem Einbau in das Fahrzeug in konventionellen Industrieöfen, insbesondere Durchlauföfen, so weit zu erhitzen, daß die Matte expandiert. Dieses Verfahren zum erstmaligen Tempem hat sich als äußerst kosten- und zeitintensiv herausgestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges Verfahren zur Arretierung eines gattungsgemäßen Katalysators bereitzustellen, das preiswert und schnell durchführbar ist und mit minimalen Prozeßänderungen zum Ergebnis führt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren und die Anordnung mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 genannten Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße Aufbringen der für die thermische Expansion der Matte erforderlichen Wärmeenergie durch elektrische Bestromung, welche sowohl direkt als auch indirekt, beispielsweise durch Induktion, erfolgen kann, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch elektrische Bestromung läßt sich die aufzubringende Wärmeenergie ortsgezielt in einem elektrisch leitenden Material, welches durch das metallische Katalysatorgehäuse gegeben ist, erzeugen. Damit kann die für die Expansion der Quellmatte aufzuwendende Wärme selektiv in unmittelbarer Nähe des Zielortes generiert werden. Der erhebliche Zeitverlust, der im konventionellen Ofen entsteht, bis der gesamte, aus Katalysatorträger, Quellmatte und Katalysatormantel bestehende Katalysator thermisch mit seiner Umgebung equilibriert ist, wird durch die erfindungsgemäße Erwärmung durch Bestromung auf ein Minimum reduziert. Somit wird eine zuverlässige Arretierung des Katalysatorträgers bei einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis und geringstmöglicher Prozeßänderung realisiert.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestromung indirekt, insbesondere induktiv. Das läßt sich besonders vorteilhaft in einem Induktionsofen erreichen, welcher über einen Luftspalt einen Wirbelstromfluß und damit eine Wärmeentstehung im Katalysatormantel induziert. Neben den bereits erläuterten Vorteilen hat die Verwendung eines Induktionsofens den Vorteil, daß er nicht dauerhaft, wie herkömmliche Öfen, sondern bedarfsorientiert und damit kostensparend betrieben werden kann. Ferner kommt diese Ausgestaltung ohne jegliche Modifizierung des Katalysators beziehungsweise des Katalysatorgehäuses aus.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die erforderliche Wärmeenergie durch direkte elektrische Bestromung wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses erzeugt. Zusätzlicher Vorteil dieser Variante ist, daß der maschinelle Aufwand noch weiter reduziert wird. Gemäß dieser Ausgestaltung sieht die erfindungsgemäße Anordnung vor, daß das Katalysatorgehäuse mit einer Spannungsquelle zum Beaufschlagen wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses mit einem Heizstrom verbindbar ist. Zu diesem Zweck können beispielsweise an dem Katalysatorgehäuse Anschlußstellen für übliche Elektrodenklemmen vorgesehen sein.
Ferner ist vorgesehen, daß die induktive Erwärmung des Katalysatorgehäuses vor der Montage des aus Katalysator, Quellmatte und Katalysatorgehäuse bestehenden Komplexes in den Abgaskanal erfolgt.
Vorteilhafterweise wird eine Stärke eines Heizstromes derart gewählt, daß eine Temperatur der Quellmatte von mindestens 300 °C, insbesondere 350 °C oder mehr, erzeugt wird.
Obwohl das Verfahren prinzipiell auf alle Katalysator- oder Fahrzeugtypen anwendbar ist, kommt es in einer bevorzugten Ausgestaltung, insbesondere für Katalysatoren von Fahrzeugen mit relativ niedrigen Abgastemperaturen, besonders vorteilhaft zum Tragen. Dies sind insbesondere direkt einspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
das Prinzip einer direkten Bestromung eines Katalysators und
Figur 2
das Prinzip einer induktiven Bestromung des Katalysators durch einen Induktionsofen.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Katalysatoranordnung sowie ein Ersatzschaltbild eines für die direkte Bestromung angeschlossenen Stromkreises. Der Katalysator 10 besteht aus einem hier nicht näher dargestellten keramischen Monolithen als Katalysatorträger 12 und einer auf seiner Oberfläche fixierten, katalytisch wirksamen Substanz. Der Katalysatorträger 12 befindet sich in einer Erweiterung eines Katalysatorgehäuses 14 und ist in seiner Längserstreckung von einer Quellmatte 16 umgeben. Vor seiner Montage in einen Abgastrakt eines Verbrennungsmotors wird der Katalysatorträger 12 mit der Quellmatte 16 verpackt und in das Katalysatorgehäuse 14 eingeführt. Um eine Expansion der Quellmatte 16 auszulösen, wird das Katalysatorgehäuse 14 durch direkte Strombeaufschlagung erwärmt. Zu diesem Zweck wird an zwei Anschlußstellen 18 des Katalysatorgehäuses 14 ein Stromkreis 20 angeschlossen. Außer einer Wechselspannungsquelle 22 umfaßt der Stromkreis 20 ferner einen Schalter 24, dessen Schließung einen Stromfluß eines Heizstromes I initialisiert. Entsprechend den elektrophysikalischen Gesetzen kommt es in Abhängigkeit vom Quadrat der Stromstärke I zu einer Erwärmung des Katalysatorgehäuses 14. Da die Wärmeentstehung in unmittelbarer Nähe der Quellmatte 16 erfolgt, wird diese sehr schnell auf eine für die Expansion notwendige Temperatur von vorzugsweise mindestens 350 °C gebracht. Die Darstellung verdeutlicht ferner, daß die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem äußerst geringen technischen Aufwand realisierbar ist. So läßt sich der Stromkreis 20 kostengünstig aus Standardelektrobauteilen aufbauen. Gegebenenfalls kann sogar auf die Anschlußstellen 18 verzichtet werden und der Stromkreis 20 an andere geeignete Stellen des Katalysatormantels 14 angeschlossen werden. Hierfür kommen beispielsweise üblicherweise vorhandene Flanschanschlüsse 26 des Katalysatormantels 14 in Frage.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der indirekten induktiven Erwärmung eines Katalysators 10 durch einen Induktionsofen. Gleiche Elemente sind mit den in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen identisch. Der Katalysator 10 ist von den spulenhaft angeordneten Windungen 28 eines hier nicht näher dargestellten Induktionsofens umgeben. Durch Anschluß an eine Wechselspannungsquelle 22 wird ein Stromkreis 20 geschlossen, so daß die Windungen 28 von einem Strom I durchflossen werden. Über einen Luftspalt zwischen den Windungen 28 und dem Katalysatorgehäuse 14 werden Wirbelströme in dem Katalysatorgehäuse 14 erzeugt, welche eine Erwärmung des Katalysatorgehäuses 14 bewirken. Eine zu erzielende Temperatur des Katalysatorgehäuses kann über die Größe der angelegten Spannung variiert werden. Wie bereits oben erwähnt, kann der Betrieb eines Induktionsofens äußerst kostengünstig und bedarfsorientiert erfolgen, da keine Vorwärmphasen beansprucht werden, aufgrund derer konventionelle Heizöfen im Dauerbetrieb gefahren werden. Zudem setzt der Wirbelstromfluß in dem Katalysatorgehäuse 14 praktisch ohne Zeitverlust mit der Spannungsbeaufschlagung der Windungen 28 ein. Insgesamt erreicht somit auch die indirekte induktive Erwärmung eine wesentlich schnellere Erwärmung der Quellmatten als herkömmliche Verfahren.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die thermische Expansion der Quellmatte (16) aufzubringende Wärmeenergie durch elektrische Bestromung erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung indirekt, insbesondere induktiv, erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Bestromung durch einen Induktionsofen erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch direkte elektrische Bestromung wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses (14) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Bestromung des Katalysatorgehäuses (14) vor einer Montage in den Abgaskanal erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur der Quellmatte (16) von mindestens 300 °C, insbesondere 350 °C, erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (10) sich in einem Abgaskanal eines direkteinspritzenden Ottomotors oder eines Dieselmotors befindet.
  8. Anordnung zur Arretierung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysatorträgers, der eine zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse angeordnete, thermisch ausdehnbare Quellmatte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorgehäuse (14) mit einer Spannungsquelle (22) zum Beaufschlagen wenigstens eines Teilbereichs des Katalysatorgehäuses (14) mit einem Heizstrom verbindbar ist.
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