WO2000068550A1 - Wabenkörperanordnung mit verschiedenen abschnitten in einem mantelrohr - Google Patents

Wabenkörperanordnung mit verschiedenen abschnitten in einem mantelrohr Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a honeycomb body arrangement with different sections in a jacket tube, which can be used for the catalytic purification of exhaust gas, in particular for vehicles with internal combustion engines with a high emission rate of hydrocarbons.
  • catalytic converter designs have been developed in recent years.
  • One type of catalytic converter has at least partially metal foils coated with catalytically active material, which are arranged in a jacket tube.
  • Numerous designs with different structures of the metal foils are known for such catalysts.
  • a catalyst known from DE 195 35 289 A1 for cleaning the exhaust gas of internal combustion engines with large proportions of hydrocarbons This catalyst consists of a jacket tube and at most two layers of structured metal foil with a catalytically active coating, which are attached to the inner surface of the jacket tube.
  • This arrangement is suitable for complying with certain minimum requirements for exhaust gas purification, in particular of older 2-stroke engines with hydrocarbon concentrations in the exhaust gas of up to 4 percent by volume.
  • the disadvantage of such catalysts is that only partial exhaust gas purification can be achieved.
  • the object of the present invention is to provide a honeycomb structure as a basis for a catalyst for cleaning exhaust gases with high hydrocarbon concentrations with an improved cleaning effect while avoiding overheating, in particular for two-wheeled motor vehicles.
  • a catalyst according to claim 1 serves to achieve this object.
  • Advantageous refinements are specified in the dependent claims.
  • honeycomb body arrangement Another advantage of the honeycomb body arrangement according to the invention is that a back pressure which arises in the exhaust duct through a honeycomb body arrangement can be reduced compared to a honeycomb body arrangement in which the first section of the casing tube is completely filled by a honeycomb body.
  • the metal tube consists of only two axial sections, of which the rear one is filled in the flow direction by a honeycomb body which has many flow channels to enlarge the catalytically active surface.
  • These flow channels are preferably formed from many layers of structured metal foils.
  • the jacket tube is taken up approximately halfway by the front or rear section in the flow direction of the exhaust gases. In this way it is achieved that a higher conversion rate of hydrocarbons can be achieved than with another arrangement.
  • the front and the rear section in the flow direction can lie directly against one another, which simplifies production. However, a distance of up to approximately 10 mm can also be maintained. This has the advantage that there is an increased turbulence and thus a better mixing of the exhaust gases in the resulting space.
  • the metal foil used can be structured at least in partial areas, in particular in wave form. These structures can also be more complex, e.g. B. shafts with cross ribs, slots, micro structures or other geometries.
  • the metal foils which are attached in the front section in the flow direction in the casing tube, can be attached to one another and / or to the casing pipe by soldering. It is sufficient to solder the metal foil in its axial end areas. Fastening by welding is also possible, e.g. B. in the form of dot welds.
  • the metal foil In order to improve the conversion of the exhaust gas by transverse flows and swirls in the front section in the direction of flow through the casing tube, it is advantageous to provide the metal foil with perforation holes, which can have a diameter of 2-6 mm, for example.
  • honeycomb bodies For the manufacturing process, in particular the soldering of honeycomb bodies, it is advantageous if the honeycomb body is fixed in the jacket tube by elastic forces and the individual sheet metal layers can no longer shift among one another. It is therefore an advantage if the honeycomb body is formed from several layers of intertwined sheets.
  • the sheets can be structured differently.
  • the honeycomb body can be made up of alternately smooth and corrugated sheets that are intertwined. Other geometries are also possible.
  • the honeycomb body is fastened in the jacket tube in particular by soldering the ends of the sheets to the inner surface of the jacket tube.
  • honeycomb body intended for the rear section in the direction of flow turns out to be effective in its action if it has flow channels of such a cross-sectional area that 100 cpsi to 400 cpsi, in particular approximately 200 cpsi (cells per square inch) result.
  • the structured metal foil attached in the first section of the casing tube has flow channels of such a cross-sectional area, so that 20 cpsi to 50 cpsi, preferably approximately 25 cpsi, result.
  • the usual high-temperature corrosion-resistant materials come into consideration as the material for the structured metal foil attached in the section of the casing tube in the flow direction of the exhaust gas.
  • a modified corrosion-resistant material is preferably used for the honeycomb body in the rear section of the casing tube, in particular with a composition similar to that of material 1.4757.
  • austenitic stainless steels are very often used in the casing tube for metallic honeycomb bodies, it is advantageous for the present invention to use ferritic corrosion-resistant stainless steel, in particular with the material numbers 1.4509 or 1.4512.
  • FIG. 1 shows an axial longitudinal section through a honeycomb body arrangement according to the invention
  • FIG. 2 front view of a honeycomb body assembly according to the invention
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a honeycomb body arrangement which consists of two sections 4, 5, which are surrounded by a casing tube 1.
  • a metal foil 2 coated with catalytically active material is attached to the inner surface 9 of the casing tube 1.
  • perforation holes 8 can be in the metal foil 2.
  • the metal foil 2 is preferably soldered to the inner surface 9 of the casing tube 1.
  • the rear section 5 of the casing tube 1 in the flow direction S is essentially completely filled by a honeycomb body 6, which can be constructed from different structured metal foils 3.
  • the front section 4 of the catalytic converter shown preferably contains only one corrugated layer of the catalytically active metal foil 2, which on the one hand makes it possible to catalyze a large part of the hydrocarbons contained in the exhaust gas and on the other hand ensures good heat dissipation.
  • FIG. 2 shows the top view of the end region of the casing tube 1 of the catalyst according to the invention shown in FIG. 1.
  • the corrugated catalytically active metal foil 2 attached to the inside is visible in the front section 4.
  • the honeycomb body 6 consisting of different layers of structured metal foils 3, which is composed of S-shaped layers, is shown. In this way, a plurality of flow channels 7 is formed and the axial displacement of the layers relative to each other is made more difficult.
  • the present invention is particularly suitable for exhaust gas purification in motorcycles, in particular with a cubic capacity of less than 250 cubic centimeters.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenkörperanordnung, die als Basis für einen Katalysator für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor dient, insbesondere zum katalytischen Reinigen von Abgas mit großen Anteilen von Kohlenwasserstoffen, aus mindestens zwei Abschnitten (4, 5), die von einem Mantelrohr (1) umgeben sind. Der in Strömungsrichtung (S) vordere Abschnitt (4) des Mantelrohres (1) beinhaltet mindestens eine Lage einer an der Innenoberfläche des Mantelrohres (9) angebrachten strukturierten Metallfolie (2), wobei der zentrale Bereich dieses vorderen Abschnitts (4) frei von Metallfolien ist. Der in Strömungsrichtung (S) hintere Abschnitt (5) ist von einem Wabenkörper (6) ausgefüllt. Der vordere Abschnitt (4), der eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht, bietet eine Grundlage für die Katalyse eines großen Teils der Kohlenwasserstoffe, so daß eine Überhitzung des im hinteren Abschnitt (5) angebrachten Wabenkörpers (6) vermieden werden kann.

Description

Wabenkörperanordnung mit verschiedenen Abschnitten in einem Mantelrohr
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenkörperanordnung mit verschiedenen Abschnitten in einem Mantelrohr verwendbar zum katalytischen Reinigen von Abgas, insbesondere für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mit einer hohen Emissionsrate von Kohlenwasserstoffen.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Ausfuhrungs formen für Katalysatoren entwickelt worden. Eine Art von Katalysatoren weist zumindest teilweise mit katalytisch aktivem Material beschichtete Metallfolien auf, welche in einem Mantelrohr angeordnet sind. Für solche Katalysatoren sind zahlreiche Bauformen mit unterschiedlichen Strukturen der Metallfolien bekannt.
Durch die exotherme Reaktion im Katalysator kann leicht eine Überhitzung auftreten. Abhilfe bei diesem Problem liefert ein aus der DE 195 35 289 A 1 bekannter Katalysator zur Reinigung des Abgases von Verbrennungsmotoren mit großen Anteilen an Kohlenwasserstoffen. Dieser Katalysator besteht aus einem Mantelrohr sowie höchstens zwei Lagen strukturierter Metallfolie mit einer katalytisch aktiven Beschichtung, die an der Innenoberfläche des Mantelrohres angebracht sind. Diese Anordnung ist zur Einhaltung gewisser Mindestanforderungen bei der Abgasreinigung, insbesondere von 2-Takt-Motoren älterer Bauart mit Kohlenwasserstoffkonzentrationen im Abgas von bis zu 4 Volumenprozent geeignet. Der Nachteil solcher Katalysatoren ist jedoch, daß nur eine teilweise Abgasreinigung erzielt werden kann.
Zur Verbesserung der reinigenden Wirkung liegen Katalysatoren vor, z. B. aus der
US 5,618,501 bekannt, die aus einem Mantelrohr bestehen, das abschnittsweise ganz mit zwei katalytisch aktiven Wabenkörpern gefüllt ist. Zur Reinigung des
Abgases mit hohen Anteilen von Kohlenwasserstoffen kann diese Anordnung jedoch zu einer lokalen Überhitzung im anströmseitigen Bereich fuhren, die auch nicht vermieden werden kann, wenn im Wabenkörper ein kleiner zentraler Bereich der vom Abgas durchströmten Querschnittsfläche freigelassen wird. Eine solche Anordnung ist z.B. aus der EP 0270 856 A 1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Wabenkörperanordnung als Grundlage für einen Katalysator zur Reinigung von Abgasen mit hohen Kohlenwasserstoffkonzentrationen mit einer verbesserten Reinigungswirkung unter Vermeidung einer Überhitzung, insbesondere für zweirädrige Kraftfahrzeuge.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Katalysator gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Untersuchungen haben gezeigt, daß es für eine katalytische Umsetzung eines großen Teils von Kohlenwasserstoffen in dem Abgas ausreicht, dieses durch ein Mantelrohr zu leiten, welches in der Nähe seiner Innenoberflache zumindest teilweise mit katalytisch aktivem Material beschichtete Metallfolien aufweist, wobei der überwiegende Teil der Querschnittsfläche des Mantelrohres frei von solchen Metallfolien ist, so daß eine gute Wärmeabfuhr nach außen gewährleistet ist. Dies hat den Vorteil, daß ein auf diese Weise vorgereinigtes Abgas im folgenden durch weitere Abschnitte des Mantelrohres geleitet werden kann, die zumindest teilweise mit einem katalytisch aktiven Wabenkörper ausgefüllt sind, ohne daß eine Überhitzung auftritt, da auf Grund der Vorreinigung der Anteil an Kohlenwasserstoffen schon deutlich reduziert worden ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wabenkörperanordnung besteht darin, daß ein im Abgaskanal durch eine Wabenkörperanordnung entstehender Gegendruck im Vergleich zu einer Wabenkörperanordnung, bei der auch der erste Abschnitt des Mantelrohres vollständig durch einen Wabenkörper ausgefüllt wird, verringert werden kann. Zu einer befriedigenden Reinigung je nach verfolgtem Ziel kann es schon ausreichend sein, wenn das Metallrohr aus lediglich zwei axialen Abschnitten besteht, wovon der hintere in Durchströmungsrichtung von einem Wabenkörper ausgefüllt ist, der zur Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche viele Strömungskanälen aufweist. Diese Strömungskanäle sind bevorzugt aus vielen Lagen strukturierter Metallfolien gebildet. Ebenfalls ist es in vielen Fällen ausreichend in dem in Strömungsrichtung des Abgases ersten Abschnitt des Mantelrohres eine einzige, vorzugsweise zwei Lagen der Metallfolie mit katalytisch aktivem Material anzubringen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Mantelrohr etwa jeweils zur Hälfte von dem in Strömungsrichtung der Abgase vorderen bzw. hinteren Abschnitt eingenommen wird. Auf diese Weise erreicht man, daß eine höhere Umsatzrate von Kohlenwasserstoffen erzielt werden kann als bei einer anderen Anordnung.
Der in Strömungsrichtung vordere und der hintere Abschnitt können direkt aneinander liegen, was die Fertigung vereinfacht. Es kann aber auch ein Abstand eingehalten werden, der bis etwa 10 mm betragen kann. Dies hat den Vorteil, daß eine erhöhte Verwirbelung und damit eine bessere Durchmischung der Abgase in dem entstehenden Zwischenraum erfolgt.
Die verwendete Metallfolie kann dabei zumindest in Teilbereichen strukturiert sein, insbesondere in Wellenform. Diese Strukturen können auch komplexer sein, z. B. Wellen mit Querrippen, Schlitzen, MikroStrukturen oder andere Geometrien.
Befestigt werden können die Metallfolien, die im vorderen Abschnitt in Strömungsrichtung im Mantelrohr angebracht sind, untereinander und/oder am Mantelrohr durch Löten. Es genügt, die Metallfolie in ihren axialen Endbereichen einzulöten. Das Befestigen durch Schweißen ist ebenfalls möglich, z. B. in Form von Punktsch weißungen. Zur Verbesserung der Umsetzung des Abgases durch Querströmungen und Verwirbelungen im vorderen Abschnitt in Durchströmungsrichtung des Mantelrohres ist es vorteilhaft, die Metallfolie mit Perforationslöchern zu versehen, die beispielsweise einen Durchmesser von 2-6 mm aufweisen können.
Für den Herstellungsprozeß, insbesondere die Lötung von Wabenkörpern ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper durch elastische Kräfte in dem Mantelrohr fixiert ist und auch die einzelnen Blechlagen untereinander sich nicht mehr verschieben können. Daher ist es ein Vorteil, wenn der Wabenkörper aus mehreren Lagen untereinander verschlungener Bleche gebildet ist. Dabei können die Bleche verschieden strukturiert sein. Der Wabenkörper kann aus abwechselnd glatten und gewellten Blechen, die ineinander verschlungen sind, aufgebaut sein. Auch andere Geometrien sind möglich. Die Befestigung des Wabenkörpers im Mantelrohr erfolgt insbesondere durch die Verlötung der Enden der Bleche mit der Innenoberflache des Mantelrohres.
Untersuchungen haben gezeigt, daß sich der für den in Durchströmungsrichtung hinteren Abschnitt bestimmte Wabenkörper als effektiv in seiner Wirkung erweist, wenn er Strömungskanäle einer solchen Querschnittsfläche aufweist, daß sich 100 cpsi bis 400 cpsi, insbesondere etwa 200 cpsi (cells per Square inch) ergeben.
Für eine gute Vorreinigung des Abgases durch den in Strömungsrichtung des Abgases vorderen Abschnitt des Mantelrohres, auch im Hinblick auf die Vermeidung einer Überhitzung des in Durchströmungsrichtung mit einem Wabenkörper ausgefüllten hinteren Abschnittes des Mantelrohres sowie zur Vermeidung einer Überhitzung an anderen Stellen des Mantelrohres, hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die im ersten Abschnitt des Mantelrohres angefügte strukturierte Metallfolie Strömungskanäle einer solchen Querschnittsfläche aufweist, so daß sich 20 cpsi bis 50 cpsi, vorzugsweise etwa 25 cpsi ergeben. Als Material für die im in Strömungsrichtung des Abgases vorderen Abschnitt des Mantelrohres angebrachte strukturierte Metallfolie kommen die üblichen hochtemperatur-korrosionsbeständigen Materialien in Betracht, insbesondere Materialien wie der Werkstoff 1.4767 oder Materialien mit ähnlichen Eigenschaften. Für den Wabenkörper im hinteren Abschnitt des Mantelrohres verwendet man vorzugsweise ein modifiziertes korrosionsbeständiges Material, insbesondere mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie der Werkstoff 1.4757. Obwohl für metallische Wabenkörper sehr häufig austenitische Edelstahle beim Mantelrohr verwendet werden, ist es für die vorliegende Erfindung vorteilhaft, ferritischen korrosionsbeständigen Edelstahl, insbesondere mit den Werkstoffnummern 1.4509 oder 1.4512 zu verwenden.
Anführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Wabenkörperanordnung,
Fig. 2 Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Wabenkörperanordnung
In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine Wabenkörperanordnung, die aus zwei Abschnitten 4, 5 besteht, welche von einem Mantelrohr 1 umgeben sind, dargestellt. Im in Strömrichtung S eines Abgases vorderen Abschnitt 4 ist eine mit katalytisch aktivem Material beschichtete Metallfolie 2 an der Innenoberfläche 9 des Mantelrohres 1 angebracht. Zur Steigerung der katalytischen Wirkung durch Verwirbelungen des Abgases können sich Perforationslöcher 8 in der Metallfolie 2 befinden. Die Metallfolie 2 ist an der Innenoberfläche 9 des Mantelrohres 1 vorzugsweise angelötet. Der in Strömungsrichtung S hintere Abschnitt 5 des Mantelrohres 1 ist von einem Wabenkörper 6, der aus verschiedenen strukturierten Metallfolien 3 aufgebaut sein kann, im wesentlichen vollständig ausgefüllt. Der vordere Abschnitt 4 des dargestellten katalytischen Konverters enthält vorzugsweise nur eine gewellte Lage der katalytisch aktiven Metallfolie 2, die es einerseits ermöglicht, einen großen Teil der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu katalysieren und andererseits eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet. Durch die Katalyse eines Teils der Kohlenwasserstoffe im vorderen Abschnitt des Mantelrohres 4 kann eine Überhitzung des Wabenkörpers 6 im hinteren Abschnitt 5 bei der weiteren Reinigung der Abgase vermieden werden.
Figur 2 zeigt die Aufsicht auf den Stirnbereich des Mantelrohres 1 des in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Katalysators. Im vorderen Abschnitt 4 ist die an der Innenseite angebrachte gewellte katalytisch aktive Metallfolie 2 sichtbar. Im hinteren Abschnitt 5 ist der aus verschiedenen Lagen strukturierter Metallfolien 3 bestehende Wabenkörper 6, der aus S-förmigen Lagen zusammengesetzt ist, dargestellt. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Strömungskanälen 7 gebildet sowie das axiale Verschieben der Lagen gegeneinander erschwert.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Abgasreinigung bei Krafträdern, insbesondere mit einem Hubraum von weniger als 250 Kubikzentimetern.
Bezugszeichenliste
Mantelrohr Metallfolie im vorderen Abschnitt strukturierte Metallfolien im hinteren Abschnitt vorderer Abschnitt hinterer Abschnitt Wabenkörper Strömungskanäle Perforationslöcher Innenoberflache des Mantelrohres Strömungsrichtung des Abgases

Claims

Patentansprüche
1. Wabenkörperanordnung, die von einem Abgas in einer Strömungsrichtung (S) durchströmbar ist, insbesondere für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor zum katalytischen Reinigen von Abgas mit vorzugsweise hohen Anteilen von Kohlenwasserstoffen, umfassend ein Mantelrohr (1) mit mindestens einem in Strömungsrichtung vorderen (4) und mindestens einem hinteren (5) Abschnitt, wobei im in Strömungsrichtung (S) vorderen Abschnitt (4) mindestens eine Metallfolie (2) an der Innenoberfläche des Mantelrohres (9) angebracht sind, so daß dieser vordere Abschnitt (4) eine Querschnittsfläche aufweist, die im Inneren zum größten Teil frei von Metallfolien ist und wobei der in Strömungsrichtung (S) hintere Abschnitt (5) mit einem Strömungskanäle (7) aufweisenden Wabenkörper (6) im wesentlichen ausgefüllt ist.
2. Wabenkörperanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strömungsrichtung (S) vordere Abschnitt (4) etwa 30% bis 70%, vorzugsweise aber 50% der Länge des Mantelrohres (1) einnimmt, wobei der überwiegende Teil des verbleibenden Mantelrohres (1) von dem Wabenkörper (6) des in Strömungsrichtung (S) hinteren Abschnitts (5) ausgefüllt ist.
3. Wabenkörperanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strömungsrichtung (S) vordere (4) und der hintere (5) Abschnitt so angeordnet sind, daß zwischen ihnen kein Abstand vorhanden ist oder ein Abstand kleiner als 10 mm auftritt.
4. Wabenkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum vorderen Abschnitt (4) gehörige Metallfolie (2) zumindest in Teilbereichen strukturiert, insbesondere wellenförmig, ist.
5. Wabenkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum vorderen Abschnitt (4) gehörige Metallfolie (2) mit dem Mantelrohr (1) verlötet ist.
6. Wabenkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum vorderen Abschnitt (4) gehörige Metallfolie (2) Perforationslöcher (8) aufweist.
7. Wabenkörperanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den zum hinteren Abschnitt (5) gehörende
Wabenkörper (6) ein metallischer Wabenkörper ist, insbesondere mit mehreren untereinander verschlungenen Blechlagen, welche jeweils am
Mantelrohr (1) befestigt sind.
8. Wabenkörperanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zum hinteren Abschnitt (5) gehörige Wabenkörper (6) aus S-förmig verschlungenen Blechlagen (3) besteht, welche eine Vielzahl von Strömungskanälen (7) bilden.
9. Wabenkörperanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im hinteren Abschnitt (5) angeordnete Wabenkörper (6) Strömungskanäle (7) einer Querschnittsfläche aufweist, so daß sich etwa 100 bis 400 cpsi (cells per Square inch), vorzugsweise etwa 200 cpsi ergeben.
10. Wabenkörperanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zum vorderen Abschnitt (4) gehörige strukturierte Metallfolie (2) Strömungskanäle (7) einer Querschnittsfläche aufweist, so daß sich etwa 20 bis 50 cpsi (cells per Square inch), vorzugsweise etwa 25 cpsi ergeben.
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