DE19514986A1 - Katalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Konvertierung schädlicher Ab­ gasbestandteile von Brennkraftmaschinen, insbesonder in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Katalysatoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ist es aus baulichen Gründen zumeist nicht möglich, Einström- und Abström-Abschnitte des Kata­ lysatorgehäuses so zu gestalten, daß eine gleichmäßige Durchströmung der katalytisch wirksamen Zellen des Katalysatoreinsatzes erreicht ist. Es gibt deshalb zahlreiche Vorschläge, durch strömungsverteilende Mittel wie Leit­ bleche, verstellbare Klappen etc., die Durchströmung zu verbessern, jedoch sind solche Mittel aufgrund der rauhen Betriebsbedingungen problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei den gattungsgemäßen Katalysatoren mit einfachen Mitteln eine weitgehend gleichmäßige Durchströmung sicherzu­ stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angeführt.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den aufgrund der Strömungsverhält­ nisse im Katalysator am stärksten durchströmten Querschnittsbereich des Katalysatoreinsatzes zumindest teilweise zu verschließen. Überraschend hat sich gezeigt, daß durch diese einfache Maßnahme in den übrigen Quer­ schnittsbereichen eine gleichmäßigere Durchströmung der katalytisch wirk­ samen Zellen erreicht wird, die insgesamt gesehen und wider Erwarten den Konvertierungsgrad des Katalysators über dessen Lebensdauer betrachtet erhöht.

Es wurde durch Strömungsanalysen erkannt, daß abhängig von den Ein­ ström- und Abströmverhältnissen am Katalysatoreinsatz, die durch bauliche und konstruktive Zwänge von Kraftfahrzeug zu Kraftfahrzeug verschieden sein können, die Durchströmung im Querschnitt gesehen sich in sehr stark durchströmte Bereiche, stark und weniger stark durchströmte Bereiche und kaum durchströmte Bereiche aufteilt. Die sehr stark durchströmten Bereiche sind Bereiche, die zwangsläufig relativ schnell altern und damit an Konver­ tierungsfähigkeit verlieren.

Verschließt man nun - entgegen der logisch scheinenden Annahme, diese sehr stark durchströmten Bereiche möglichst groß im Querschnitt auszubil­ den - diese Bereiche um einen gewissen Betrag, so steigt die Durchströ­ mung der anderen Bereich an, wobei bei richtiger Dimensionierung eine gleichmäßigere Durchströmung erzielt wird.

Daraus resultiert, daß der Gesamtkonvertierungsgrad über der Laufzeit des Katalysators zunimmt und daß seine Betriebsbereitschaft aufgrund der gleichmäßigeren Durchströmung verlängert wird.

Das zumindest teilweise Verschließen des sehr stark durchströmten Quer­ schnittsbereiches ist problemlos, durch entsprechende Strömungsanalysen unterstützt, an die baulichen bzw. strömungstechnischen Gegebenheiten innerhalb des Katalysators anpaßbar, wobei z. B. die Querschnittsform des Katalysatoreinsatzes und die daran angepaßten Einström- und Abströmab­ schnitte rotationssymmetrisch, oval, polygonförmig, etc. sein können.

Als bei in Kraftfahrzeugen verwendeten üblichen Katalysatoren vorteilhaft hat sich eine Dimensionierung des verschlossenen Querschnittsbereiches herausgestellt, die ca. 2/3 des sehr stark durchströmten Bereiches und ca. 10-20% des Gesamtquerschnittes des Katalysatoreinsatzes ausmacht. Dieser Querschnittsbereich kann bei der Herstellung des Katalysatoreinsat­ zes einseitig oder beiderseits bereits verschlossen werden, so daß die ent­ sprechenden Zellen des Katalysatoreinsatzes von der katalytisch wirksamen Beschichtung ausgenommen sind. Daraus resultiert eine nicht unbeträchtli­ che Kosteneinsparung bzw. Einsparung an Beschichtungsmaterial (Washcoat, Palladium, Platin, Rhodium, etc.).

Das Verschließen der angesprochenen Querschnittsbereiche kann bei Kata­ lysatoren mit metallischen Einsätzen durch Aufschweißen oder Auflöten ei­ nes Bleches oder einer Folie oder durch Aufbringen eines aushärtbaren Kittes oder Keramikmaterials an den stirnseitigen Enden der Einsätze erfol­ gen. Das Verschließen der Querschnittsbereiche kann wie bereits angeführt durch Einbeziehung in den Fertigungsprozeß des Katalysatoreinsatzes oder nach dessen Herstellung, bevorzugt jedoch vor dessen Beschichtung, durchgeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel­ heit näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 in raumbildlicher Darstellung einen zylindrischen Katalysatoreinsatz mit an dessen Stirnseiten verschlossenen Querschnittsbereichen,

Fig. 2 einen Längsmittelschnitt durch einen Katalysator für Kraftfahrzeuge mit dem in Fig. 1 dargestellten Einsatz; und

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Linie III-III der Fig. 2 durch den Katalysator.

Der in der Fig. 1 dargestellte zylindrische Katalysator-Einsatz 10 besteht aus einem Keramik-Wabenkörper üblicher Bauart mit einer Vielzahl von die bei­ den Stirnseiten 12, 14 verbindenden, katalytisch wirksam u. a. mit Palladium, Platin und Rhodium beschichteten Zellen 16.

Der Einsatz 10 ist gemäß Fig. 2 in einem metallischen Gehäuse 18 gehal­ ten, wobei das Gehäuse 18 im wesentlichen einen den Einsatz 10 umschlie­ ßenden Mantel 20, einen sich in Abgasströmungsrichtung (Pfeil) konisch erweiternden Einströmabschnitt 22 und einen sich konisch verjüngenden Abströmabschnitt 24 aufweist. An die Abschnitte 22, 24 schließt jeweils ein Abgasrohr 26, 28 der nicht weiter dargestellten Abgasanlage der Brenn­ kraftmaschine in dem Kraftfahrzeug an.

Es hat sich durch Strömungsanalysen herausgestellt, daß aufgrund der gegebenen baulichen Verhältnisse der Einsatz 10 (vgl. Fig. 3) einen sehr stark durchströmten, im wesentlichen zentrischen Bereich 30 (umgrenzt durch die ausgezogene Linie) aufweist, um den herum jeweils radial weiter außen liegend ein stark durchströmter, weniger stark durchströmter und schließlich kaum durchströmter Querschnittsbereich liegt (nicht dargestellt).

Durch Verschließen ca. 2/3 des stark durchströmten Querschnittsbereiches 30 bzw. ca. 10% des Gesamtquerschnittes mit einem aushärtbaren Kera­ mikkitt 32 (schwarz gezeichnet) an beiden Stirnseiten 12, 14 des Einsatzes 10 wurde eine gleichmäßigere, verbesserte Gesamtdurchströmung des Einsatzes 10 erreicht und insbesondere also die radial äußere Durchströ­ mung wesentlich verbessert.

Das Verschließen der entsprechenden Querschnittsbereiche erfolgt vor dem Beschichten des Einsatzes 10 mit dem katalytisch wirksamen Material, so daß die durch den Keramikkitt verschlossenen Zellen 16a - die ja nicht durchströmt werden - unbeschichtet sind. Dementsprechend können ca. 10% des teuren Beschichtungsmateriales und der Edelmetalle eingespart werden.

Claims (7)

1. Katalysator zur Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile von Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem Gehäuse mit einem sich in Strömungsrichtung erweiterndem Einströmabschnitt und einem sich verengenden Ausströmabschnitt und einem katalytisch wirksamen Einsatz mit einer Vielzahl durchströmter Zellen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der aufgrund der Strömungsverhältnisse am stärksten durchströmte Querschnittsbereich (30) des Einsatzes (10) zumindest teilweise verschlossen ist.

2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im wesentlichen zentrischen Einströmung der Abgase der zentrische Quer­ schnittsbereich (30) verschlossen ist.

3. Katalysator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verschlossene Querschnittsbereich ca. 2/3 des am stärksten durch­ strömten Querschnittsbereiches (30) und/oder ca. 10-20% des gesam­ ten Querschnittes des Einsatzes (10) ausmacht.

4. Katalysator nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschlossenen Zellen (16a) nicht katalytisch wirksam beschichtet oder unbeschichtet sind.

5. Katalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (10) an beiden Stirnseiten (12, 14) entsprechend verschlossen ist.

6. Katalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsbereiche durch einen aushärtenden Kitt (32) verschlossen sind.

7. Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem metallischen Einsatz die Querschnittsberei­ che (30) durch stoffschlüssig befestigte Bleche oder Folien verschlossen sind.