DE10104749A1

DE10104749A1 - Vorrichtung zum Reinigen von Autoabgasen

Info

Publication number: DE10104749A1
Application number: DE10104749A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-08

Abstract

Eine Vorrichtung zum Reinigen von Autoabgasen weist eine Trägerstruktur und eine für die Abgasreinigung wirksame Beschichtung (50) auf. Die Trägerstruktur besteht aus einer Vielzahl aufeinandergestapelter Metallfolien (10, 20), wobei wenigstens zwei unterschiedliche Typen von Metallfolien vorhanden sind. Ein Folientyp sind erste gewellte Folien (10) mit einer ersten Wellenlänge (lambda¶1¶) und einer ersten Amplitude (A¶2¶), der zweite Folientyp sind zweite gewellte Folien (20) mit einer zweiten Wellenlänge (lambda¶2¶) und einer zweiten Amplitude (A¶2¶), wobei die zweite Wellenlänge (lambda¶2¶) einen ganzzahligen Bruchteil der ersten Wellenlänge (lambda¶1¶) beträgt und die zweite Amplitude (A¶2¶) kleiner als die erste Amplitude (A¶1¶) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Autoabgasen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Vorrichtungen, im allgemeinen als Katalysatoren oder Abgaskatalysatoren bezeichnet, bestehen grundsätzlich aus einer Trägerstruktur, die eine große Fläche aufweist, sowie einer auf diese Trägerstruktur aufgebrachten wirksamen Beschichtung. Die wirksame Beschichtung besteht zumeist aus einer Washcoat-Schicht und einer sich hierauf befindenden Edelmetallschicht. Hierbei wird der Washcoat durch einen Tauchvorgang auf die Trägerstruktur aufgebracht und anschließend mit den Edelmetallen bedampft.

Als Trägerstrukturen eignen sich insbesondere keramische Wabenkörper oder aufeinandergestapelte und anschließend konzentrisch gewickelte Metallfolien. Im letzteren Fall spricht man im allgemeinen von Metallkatalysatoren. Ein konventioneller Metallkatalysator aus dem Stand der Technik ist in den Abb. 4a bis 4c dargestellt. Hierin finden zwei Folientypen Verwendung, nämlich gewellte Folien mit bestimmter Amplitude und Wellenlänge sowie glatte Folien. Glatte und gewellte Folien werden abwechselnd aufeinandergestapelt, so dass sich eine Struktur mit zahlreichen Hohlräumen und einer insgesamt großen Oberfläche ergibt. Nach dem Aufeinanderstapeln werden die so gewonnenen Folienpakete noch konzentrisch gewickelt, so dass der sich daraus ergebende Katalysator eine zylindrische Form aufweist. Durch das Aufeinanderstapeln der glatten und der gewellten Folien ergeben sich längliche Kanäle, die sich über die gesamte Länge des Katalysators erstrecken und die von den Abgasen durchströmt werden.

Die verwendeten Folien selbst bestehen zumeist aus Stahlblech und haben daher selbst keine oder nur geringe katalytische Wirkung. Deshalb wird auf die fertige Trägerstruktur eine wirksame Beschichtung, welche im wesentlichen aus einer Washcoat-Schicht und darin enthaltenen bestimmten Edelmetallen besteht, aufgetragen. Durch die Verwendung von glatten und gewellten Folien laufen die Kanäle an ihren seitlichen Enden jeweils relativ spitz zu, wie dies beispielsweise in Fig. 4c gut erkennbar ist.

Hierdurch ergibt sich eine ungleichmäßige Washcoat-Beschichtung, nämlich dergestalt, dass die Schichtdicke in den Knotenbereichen, also dort, wo gewellte und glatte Folien zusammentreffen, relativ groß ist. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn ein solcher Katalysator als NOx-Speicherkatalysator eingesetzt werden soll. In den dicken Schichten, welche sich in den Knotenbereichen befinden, werden Stickoxyde und auch Schwefel zwar gut eingelagert, die Reduktion der Stickoxyde und des Schwefels im Fettbetrieb läuft auf Grund des hohen Diffusionswiderstandes jedoch nur schlecht ab, so dass mit Reduktionsmitteldurchbrüchen während der NO_x-Regeneration sowie mit einer Verlängerung der Entschwefelungsdauer gegenüber etwa rechteckigen Kanalformen gerechnet werden muss.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemäßen Abgaskatalysator dahingehend weiterzubilden, dass eine relativ gleichmäßige Schichtdicke der wirksame Beschichtung erzielt werden kann, insbesondere keine zu starke Erhöhung der Schichtdicke in den Knotenbereichen erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Auch hier werden wieder wenigstens zwei unterschiedliche Folientypen eingesetzt; hier jedoch zwei gewellte Folien mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen und Amplituden. Die Wellenlänge des einen Folientyps muss hierbei ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des anderen Folientyps betragen. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Knotenbereiche eine geringere räumliche Ausdehnung haben, wodurch eine gleichmäßigere Washcoat-Beschichtung erzielt werden kann, was zu einer Verbesserung der Reinigungsleistung des Katalysators führt. Insbesondere wird hierdurch vermieden, dass sich in den Knotenbereichen große Schichtdicken ausbilden.

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere kann eine Ausführung nach Anspruch 6 die Herstellung des Katalysators erleichtern.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a nach einem ersten Schema gestapelte Folien,

Fig. 1b eine erste gewellte Folie und eine zweite gewellte Folie,

Fig. 1c einen Querschnitt durch einen Kanal,

Fig. 2a nach einem zweiten Schema gestapelte Folien,

Fig. 2b eine erste und eine zweite gewellte Folie,

Fig. 2c einen Querschnitt durch einen Kanal,

Fig. 3 mehrere Folienpakete,

Fig. 4a-4c Stand der Technik.

In den Figuren. 1a-1c ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Metallkatalysators dargestellt. Der Katalysator wird hier aus unterschiedlichen gewellten Folien, nämlich ersten gewellten Folien 10 und zweiten gewellten Folien 20 aufgebaut. Die ersten gewellte Folien 10 haben eine Wellenlänge λ₁ sowie eine erste Amplitude A₁. Wellenlänge und Amplitude der zweiten gewellten Folien 20 müssen hiervon verschieden sein, wobei es zwingend erforderlich ist, dass die zweite Wellenlänge λ₂ der zweiten gewellten Folien einen ganzzahligen Bruchteil der ersten Wellenlänge λ₁ beträgt, also:

λ₂ = λ₁/n,

wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 2 ist.

In diesem Ausführungsbeispiel gilt: λ₂ = λ₁/2. Weiterhin muss die zweite Amplitude A₂ der zweiten gewellten Folien 20 kleiner sein als die erste Amplitude A₁ der ersten gewellten Folien 10. Ein ganzzahliges Verhältnis ist hierbei jedoch nicht nötig. Im konkreten Ausführungsbeispiel wurde die zweite Amplitude A₂ halb so groß wie die erste Amplitude A₁ gewählt.

In Fig. 1a ist dargestellt, wie nun die beiden unterschiedlichen Folien aufeinandergestapelt werden. Erste und zweite Folien folgen jeweils abwechselnd aufeinander, wobei Minima der ersten Folien 10 in Minima der zweiten Folien 20 und Maxima der zweiten Folie 20 in Maxima der ersten Folien 10 zu liegen kommen. Hierdurch entstehen untereinander identische Kanäle 40; ein Querschnitt durch einen solchen Kanal ist in Fig. 1c vergrößert dargestellt. Die Form der so gebildeten Kanäle 40 ist dadurch so ausgebildet, dass die Folien im Knotenbereich K relativ stumpf aufeinander zulaufen, so dass sich relativ kleine Knotenbereiche K ausbilden. Dies führt bei der Beschichtung der Trägerstruktur mit einer aktiven Schicht 50 dazu, dass sich die Schichtdicke relativ gleichmäßig ausbildet. Zwar ist die maximale Schichtdicke D_max immer noch in den Knotenbereichen zu finden, der Unterschied zwischen der maximalen Schichtdicke D_max und der minimalen Schichtdicke D_min ist jedoch wesentlich kleiner als im Stand der Technik, wie dies durch Vergleich der Fig. 1c mit der Fig. 4c deutlich wird.

In Fig. 2a ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, wie erste und zweite gewellte Folien aufeinandergestapelt werden können. Wie aus Fig. 2b ersichtlich, werden gewellte Folien vom gleichen Typ wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Das Aufeinanderstapeln der Folien erfolgt hier jedoch nach einem anderen Schema. Auch hier werden erste und zweite gewellte Folien jeweils abwechselnd aufeinandergestapelt, wobei jedoch die Minima der ersten gewellten Folien 10 in Minima der zweiten gewellten Folien 20 und Maxima der ersten gewellten Folien 10 auf Minima der zweiten gewellten Folien 20 zu liegen kommen. Der Begriff der Maxima und Minima ist hier natürlich willkürlich gewählt, da es hierbei auf die Richtung der Betrachtung ankommt. Wenn jeweils die Begriffe Maxima und Minima gegeneinander ausgetauscht werden, bleiben die Aussagen jedoch richtig.

Durch diese Art der Stapelung entstehen zwei unterschiedliche Kanaltypen, nämlich ein erster Kanaltyp der dem des ersten Ausführungsbeispiels entspricht und ein weiterer Kanaltyp, dessen Kanäle hier mit 40a bezeichnet werden. Diese Kanäle 40a sind in diesem Ausführungsbeispiel wesentlich größer als die Kanäle 40 des ersten Kanaltyps. Mit zunehmend kürzeren Wellenlängen der zweiten Folien 20, also n << 2, werden die Unterschiede im hydraulischen Durchmesser zwischen den beiden Kanaltypen jedoch immer geringer. Insbesondere in Verbindung mit hohen Amplituden kann eine höhere Elastizität der Trägerstruktur erreicht werden, so dass eine derart gebildete Matrix die bei hohen thermischen Belastungen auftretenden Spannungen besser kompensieren kann.

Bezüglich der Eigenschaften der aktiven Beschichtung 50 ergeben sich im wesentlichen dieselben Vorteile wie im ersten Ausführungsbeispiel, wie dies auch an Hand der Fig. 2c erkennbar ist.

Nach dem Aufeinanderstapeln der Folien werden diese wie im Stand der Technik konzentrisch gewickelt, so dass sich die endgültige Katalysatorform ergibt. Hierbei kann ein ein- oder mehrfacher S-Schlag vorgesehen werden. Da jedoch anders als im Stand der Technik die Folien nicht aufeinander gleiten können, kann es sinnvoll sein, zwischen die gewellten Folien in bestimmten Abständen glatte Folien 30 einzulegen. Dadurch werden die zusammengefügten gewellten Folien in Blöcke unterteilt, wobei jeder dieser Blöcke 2-50, vorzugsweise 5-15 Folienpaare enthalten sollte. Ein solches Stapelschema ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Einlegen von glatten Folien 30 zwischen Blöcke von gewellten Folien ist selbstverständlich auch dann möglich, wenn die gewellten Folien gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gestapelt sind.

Es kann auch sinnvoll sein, die einzelnen Folienpakete vor dem Wickeln einem Fügevorgang, beispielsweise Löten, zu unterwerfen, um eine Veränderung der Kanalstruktur beim Wickeln zumindest weitgehend zu verhindern.

Weiterhin kann es sinnvoll sein, die einzelnen Folien zunächst grob in die endgültige Form vorzuprägen, sie dann zu Paketen zusammenzufügen und anschließend den endgültigen Wickelvorgang durchzuführen.

Ferner können die ersten und zweiten Folientypen unterschiedliche Folienstärken aufweisen. Außerdem kann die Stärke der glatten Folien 30 von denen der ersten und zweiten Folien abweichen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

erste gewellte Folie
λ₁

erste Wellenlänge
A₁

erste Amplitude

11

Wellenfolie

20

zweite gewellte Folie
λ₂

zweite Wellenlänge
A₂

zweite Amplitude

30

glatte Folie

40

,

40

a Kanäle

50

Beschichtung
K Knotenbereich

Claims

1. Vorrichtung zum Reinigen von Autoabgasen mit einer Trägerstruktur, die eine für die Abgasreinigung wirksame Beschichtung (50) trägt, wobei
die Trägerstruktur eine Vielzahl aufeinandergestapelter Metallfolien aufweist,
wenigstens zwei unterschiedliche Typen von Metallfolien vorhanden sind,
ein erster Folientyp erste gewellte Folien (10) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) und einer ersten Amplitude (A₁) sind,
aufeinanderliegende Metallfolien unterschiedliche Oberflächenformen haben, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Folientyp zweite gewellte Folien (20) mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂) und einer zweiten Amplitude (A₂) sind, wobei die zweite Wellenlänge (λ₂) einen ganzzahligen Bruchteil der ersten Wellenlänge (λ₁) beträgt und die zweite Amplitude (A₂) kleiner als die erste Amplitude (A₁) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Amplitude (A₂) 10-50% der ersten Amplitude (A₁) beträgt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Folientypen zumindest blockweise abwechselnd angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Minima der ersten Folien (10) in Minima der zweiten Folien (20) und Maxima der ersten Folien (10) in Maxima der zweiten Folien (20) zu liegen kommen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Minima der ersten Folien (10) in Minima der zweiten Folien (20) und Maxima der ersten Folien (10) auf Minima der zweiten Folien (20) zu liegen kommen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Blöcken mit gewellten Folien eine glatte Folie (30) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Blöcke 2- 50, vorzugsweise 5-15 Folienpaare der beiden Folientypen umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinandergestapelten Folien konzentrisch gewickelt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil benachbarter Folien miteinander verbunden, insbesondere verlötet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien während des Prägevorgangs bereits annähernd in die endgültige Form gebracht werden, die sie in der fertiggestellten Vorrichtung annehmen.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Folientyp, der zweite Folientyp und die glatten Folien (30) voneinander abweichende Folienstärken aufweisen.