EP1120551B1 - 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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EP1120551B1
EP1120551B1 EP01101528A EP01101528A EP1120551B1 EP 1120551 B1 EP1120551 B1 EP 1120551B1 EP 01101528 A EP01101528 A EP 01101528A EP 01101528 A EP01101528 A EP 01101528A EP 1120551 B1 EP1120551 B1 EP 1120551B1
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EP
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catalyst
exhaust gas
gas duct
internal combustion
combustion engine
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Wolfgang Held
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • 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
    • F01N3/2839—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration
    • 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 passage of an internal combustion engine, wherein a swelling mat is thermally expanded between the catalyst carrier and a catalyst housing.
  • a catalyst usually comprises a ceramic monolith as a catalyst support, which forms a plurality of flow channels and whose surface is coated with a catalytically active substance. It is also known to lock a position of the catalyst support in a catalyst housing by so-called swelling mats, wherein the catalyst support is enveloped in its longitudinal extent by the swelling mat.
  • the swelling mat is usually made of aluminum silicate fibers with a Blähglimmerzusatz.
  • a synthetic polymer is contained as a binder of the two components. Under the influence of temperatures of at least 300 ° C, in particular greater than 350 ° C, there is a volume expansion of the swelling mat, wherein a necessary contact pressure is formed, which holds the catalyst in its position in the catalyst housing.
  • the volume of the swelling mat set after an initial heating process is permanent and remains even after cooling.
  • WO 93/07366 already discloses a device for reducing exhaust gas pollutants in a housing arranged catalyst body and arranged in a gap between a Gesphaseusewandung and the catalyst storage mat with highly resistant phasers and incorporated therein expansion particles. Upon reaching an expansion temperature caused by the hot exhaust gases, the expansion particles irreversibly change to an expanded state. In the gap between the housing and the catalyst body, an additional heater is arranged, with which the storage mat can be heated to the expansion temperature.
  • Object of the present invention is to provide a reliable method for locking a generic catalyst, which is inexpensive and fast to carry out and results in minimal process changes to the result.
  • the energization is carried out inductively. This can be achieved particularly advantageously in an induction furnace, which induces an eddy current flow and thus heat generation in the catalyst jacket via an air gap.
  • an induction furnace has the advantage that it can not be operated permanently, like conventional ovens, but needs-oriented and thus cost-saving.
  • this embodiment is without any modification of the catalyst or the catalyst housing.
  • the inductive heating of the catalyst housing takes place prior to assembly of the existing catalyst, swelling mat and catalyst housing complex in the exhaust duct.
  • a thickness of a heating current is chosen such that a temperature of the swelling mat of at least 300 ° C, in particular 350 ° C or more, is generated.
  • the method is in principle applicable to all catalyst or vehicle types, it comes in a preferred embodiment, in particular for catalysts of vehicles with relatively low exhaust gas temperatures, particularly advantageous for carrying. These are in particular directly injecting gasoline engines and diesel engines.
  • FIG. 1 schematically shows a catalyst arrangement and an 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 fixed on its surface, catalytically active substance.
  • the catalyst support 12 is located in an extension of a catalyst housing 14 and is surrounded in its longitudinal extent by a swelling mat 16. Before being installed in an exhaust tract of an internal combustion engine, the catalyst support 12 is packed with the swelling mat 16 and into the catalyst housing 14 introduced. In order to trigger an expansion of the swelling mat 16, the catalyst housing 14 is heated by direct current application.
  • a circuit 20 is connected to two connection points 18 of the catalyst housing 14.
  • the circuit 20 further includes a switch 24, the closure of which initializes a current flow of a heating current I.
  • the catalyst housing 14 heats up. Since the heat generation takes place in the immediate vicinity of the swelling mat 16, it is rapidly brought to a temperature of preferably at least 350 ° C., which is necessary for the expansion.
  • the illustration further clarifies that the implementation of the method according to the invention can be realized with an extremely low technical complexity.
  • the circuit 20 can be constructed inexpensively from standard electrical components.
  • the connection points 18 can be dispensed with and the circuit 20 can be connected to other suitable locations of the catalyst jacket 14.
  • usually existing flange 26 of the catalyst jacket 14 come into question.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the principle of inductive heating of a catalyst 10 through an induction furnace. Like elements are identical to the reference numerals used in FIG.
  • the catalyst 10 is surrounded by the coil-like arranged turns 28 of an induction furnace, not shown here.
  • a circuit 20 By connecting to an AC voltage source 22, a circuit 20 is closed, so that the windings 28 are traversed by a current I. Via an air gap between the windings 28 and the catalyst housing 14 eddy currents are generated in the catalyst housing 14, which cause heating of the catalyst housing 14.
  • a temperature of the catalyst housing to be achieved can be varied by the magnitude of the applied voltage.
  • the operation of an induction furnace can be extremely cost-effective and demand-oriented, since no preheating phases are claimed, as a result of which conventional furnaces are operated in continuous operation.
  • the eddy current flow in the catalyst housing 14 begins with the application of voltage to the windings 28 with virtually no loss of time. Overall, therefore, the indirect induction heating achieved much faster heating of the swelling mats than conventional methods.

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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 Tempern hat sich als äußerst kosten- und zeitintensiv herausgestellt.
  • Aus der WO 93/07366 ist bereits eine Vorrichtung zur Reduzierung von Abgasschadstoffen in einem Gehäuse angeordneten Katalysatorkörper und einer in einem Spaltraum zwischen einer Geshäusewandung und dem Katalysator angeordneten Lagerungsmatte mit hochbeständigen Phasern und darin eingelagerten Expansionsteilchen bekannt. Bei Erreichen einer durch die heißen Abgase hervorgerufenen Expansionstemperatur gehen die Expansionsteilchen irreversibel in einen expandierten Zustand über. In dem Spaltraum zwischen Gehäuse und Katalysatorkörper ist eine Zusatzheizung angeordnet, mit der die Lagerungsmatte auf die Expansionstemperatur aufheizbar ist.
  • 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 genannten Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße Aufbringen der für die thermische Expansion der Matte erforderlichen Wärmeenergie durch induktive elektrische Bestromunghat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch die induktive 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 Kostenerspamis und geringstmöglicher Prozeßänderung realisiert.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Bestromung 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.
  • 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 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 (6)

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