DE3622115C1 - Metallischer Traeger fuer Abgaskatalysatoren von Otto-Motoren - Google Patents

Description

Als Träger für den Abgaskatalysator von Otto-Motoren sind Katalysatorträger aus Keramik sowie aus (Stahl-)Blech bekannt. Die metallischen Träger werden vorzugsweise in Motornähe eingesetzt, um ein schnelles Anspringen des Katalysators, d. h. ein schnelles Erreichen der Reaktionstemperatur zu gewährleisten. Sie bestehen im allgemeinen aus gewickelten oder geschichteten, wellpappe-ähnlich aufgebauten Schichten. Die Verbindung der Schichten geschieht im allgemeinen durch Löten, ist jedoch nicht sehr stabil, da das Lot den hohen Temperaturen in Motornähe widerstehen muß. Für diesen Zweck sind nur wenige Lote geeignet. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, sowohl die mit Lot benetzten als auch die unbenetzten Teile des Katalysatorträgers gleichmäßig mit dem Katalysator zu beschichten. Es ist auch bekannt, Metallträger herzustellen, bei denen die Schichten nicht miteinander verlötet sind. Dabei werden wellenförmige Bleche leicht verschränkt gegeneinander geschichtet und außen gefaßt. Diese Lösung ist jedoch labil, erzeugt bei gleichem Verhältnis zwischen Durchströmquerschnitt und Katalysatoroberfläche mehr Gegendruck als die gelöteten Träger und nutzt sich infolge der im Motorbetrieb entstehenden Schwingungen schnell ab. Ein weiterer Nachteil der bekannten Metallträger besteht darin, daß eine dauerhafte Verbindung des Trägers mit dem Katalysatorgehäuse nur mit sehr großem Aufwand möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen metallischen Katalysatorträger zu finden, der einfach herstellbar ist, eine einheitliche Beschichtungsoberfläche für den Katalysator bietet und darüber hinaus im Katalysatorgehäuse gut und sicher zu befestigen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung des in den Patentansprüchen beschriebenen Katalysatorträgers gelöst.

Die als Katalysatorträger verwendeten metallischen, durch Aufblähen hergestellten Teilverbundschichtkörper sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind an sich bekannt, s. z. B. FR-PS 11 50 696, insbes. Fig. 31-33, zum Anspruch 2 auch Fig. 26.

Zur Herstellung der geblähten Teilverbundschichtkörper wird eine Vielzahl von Blechlagen, im allgemeinen 10 bis 150, übereinander geschichtet. Zumindest eine Seite einer jeden Lage wird mit einer Paste in einem Muster bedruckt, das den später aufgeblähten Bereichen entspricht. Die Bereiche, an denen die Schichten miteinander verbunden werden sollen, bleiben pastenfrei. Die Paste wirkt also als Trennmittel, die das Verschweißen der Schichten verhindert. Die übereinander geschichteten, mit dem Pastenaufdruck versehenen Blechlagen werden nun aufeinander gewalzt. Durch die sehr starke plastische Verformung beim Walzen (50 bis 60% Querschnittsverringerung) findet zwischen den nicht mit der Paste versehenen Bereichen der Bleche eine Kaltverschweißung statt. Anschließend an das Verschweißen wird der Verbundkörper erhitzt, die zwischen den Metallschichten befindliche Paste verdampft, und der entstehende Gasdruck bläht die nicht verschweißten Wände auseinander. Durch die Verschweißung besitzen die entstandenen Kanäle eine einheitliche Oberfläche, die nicht mit Lot verunreinigt ist. Probleme mit Haftung des Katalysators bzw. der Verbindungsschicht zwischen Grundmetall und Katalysator auf unterschiedlichen Materialflächen bestehen damit nicht mehr, darüber hinaus ist eine Schweißverbindung auch noch mechanisch widerstandsfähiger als eine Lötung. Die Verbundnähte der einzelnen Schichten sind jeweils gegenüber der nächsten Schicht versetzt. Je nach dem Grad der Versetzung können die Kanäle im Querschnitt die Form von flachen Rauten über Quadrate bis hin zu hochkantigen Rauten besitzen. Als Material für die einzelnen Lagen muß ein bei den geplanten Verwendungsbedingungen korrosionsfestes Material benutzt werden, im allgemeinen wird man auf Stahlblech zurückgreifen. Die Wandstärke der Kanäle des geblähten Teilverbundschichtkörpers kann aufgrund des Herstellungsverfahrens außerordentlich niedrig gehalten werden, z. B. im Bereich von 0,01 mm. Die Handhabung solch dünner Bleche zum Zwecke des Verlötens wäre praktisch nicht möglich. Die Herstellung der geblähten Teilverbundschichtkörper geschieht so, daß der Körper zwei einander gegenüberliegende, axial verlaufende ungeblähte Randpartien besitzt. Diese ungeblähten Randpartien können mit Vorteil als Befestigungsflansche für den Körper im Katalysatorgehäuse dienen, da über sie eine sehr sichere Befestigung und gleichzeitig sehr gleichmäßige Krafteinleitung möglich ist.

In der Abbildung wird ein Katalysatorträger schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen noch nicht aufgeblähten Rohling für einen Katalysatorträger, im Schnitt quer zur späteren Strömungsrichtung
und

Fig. 2 einen fertig aufgeblähten, in einem Katalysatorgehäuse montierten Träger, ebenfalls quer zur Laufrichtung der Abgase geschnitten
und

Fig. 3 zeigt schematisch ein Katalysatorgehäuse mit drei untereinander und mit dem Gehäuse verbundenen geblähten Teilverbundschichtkörpern.

Der in Fig. 1 gezeigte Rohling besteht aus 14 Schichten 2, 2′ usw. eines temperaturstabilen Metalls, insbesondere aus Stahlblech. Zwischen den einzelnen Metallschichten 2 befindet sich die dem späteren Aufblähen des Körpers dienende Paste 1, 1′, 1′′ usw., die in einem entsprechend den später entstehenden Kanälen aufgetragenen Muster angeordnet ist. Die einzelnen Pastenschichten 1 usw. sind gegeneinander versetzt angeordnet. Desweiteren ist der Beginn des Pastenauftrags auf den einzelnen Schichten vom Rand 4 her gestuft vorgenommen, so daß der Pastenauftrag 5 in der zentralen Schicht 3 dem Rand 4 am nächsten liegt und die Stufung so vorgenommen ist, daß der Pastenauftrag in den äußersten Schichten am weitesten entfernt von dem Rand 4 stattfindet. Da der in Fig. 1 gezeigte Schichtverbundkörper symmetrisch aufgebaut ist, ist hier nur die linke Hälfte gezeichnet. Der nicht dargestellte rechte Rand des Schichtverbundkörpers ist analog dem linken Rand aufgebaut.

Wird nun der in Fig. 1 gezeigte Schichtverbundkörper so hoch erwärmt, daß die Pastensubstanz 1 usw. verdampft, so wird der Körper aufgebläht, und es bildet sich ein geblähter Schichtverbundkörper, wie er in Abb. 2 dargestellt ist. An den Stellen, an denen sich vorher die Paste 1, 1′ usw. befand, haben sich nun durch den Gasdruck Kanäle 21, 21′ usw. gebildet. Da sich beim Aufblähen die Ränder des Körpers 24 und 24′ aufeinander zu bewegen, kann man durch das Maß, um das man das Zusammenrücken der Ränder 24 und 24′ zuläßt, die äußere Form des Körpers sowie die der Zellen 21, 21′ usw. von flachen Rauten über Quadrate bis hin zu hochkantigen Rauten bestimmen. Bei im Gegensatz zu Fig. 1 unsymmetrischem Pastenauftrag kann auch eine mehreckige poligonartige Außenkontur erzeugt werden. Wenn die Pasteneinschlüsse nicht genau um eine halbe Länge versetzt werden, dann entstehen rechteckige Zellen und eine rechteckige Außenkontur oder bei unsymmetrischer Anordnung der Pasteneinschlüsse eine ovale Außenkontur. Der fertig geblähte Teilverbundschichtkörper gemäß Fig. 2 ist an seinen Rändern 24 und 24′ in dem aus zwei Schalen 26 und 26′ gebildeten Katalysatorgehäuse befestigt. Durch die Befestigung des Katalysatorträgers an den ungeblähten Rändern 24 und 24′ in Verbindung mit dem versetzten Beginn des Pastenauftrags ergibt sich eine sehr gleichmäßige Krafteinleitung in den Katalysatorträger und damit eine außerordentlich stabile und dauerhafte Halterung. Sie ist auch dauerhaft, weil Wärmedehnungen der zwischen den Einspannstellen 24 und 24′ diagonal verlaufenden Wände 27 sich ungehindert entfalten können. Sie verursachen keine Stauchung der Wände, sondern nur kleinste Biegungen an den Kreuzungspunkten 28. Außer der in Fig. 2 gezeigten Befestigung kann das Katalysatorgehäuse mit dem Träger selbstverständlich auch durch Schweißen oder Löten an den Rändern 24 und 24′ verbunden sein. Die sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 an dem Rand 4 bzw. 24 dargestellten einzelnen Schichten sind in der Praxis natürlich nicht mehr erkennbar, da die einzelnen Schichten zu einem einheitlichen Metallblock verschweißt sind und nur noch mit metallographischen Methoden sichtbar gemacht werden können.

In Fig. 3 wird in grob schematischer Weise gezeigt, wie z. B. drei verschiedene Katalysatorträger 37, 37′, 37′′ miteinander verbunden in einem Katalysatorgehäuse 38 untergebracht werden können. Die nicht aufgeblähten Enden 34 der Träger sind dabei durch Einbördeln mit dem Katalysatorgehäuse 38 verbunden, wobei die innenliegenden Katalysatorträger noch einmal zusätzlich mit ihren Nachbarn an den nicht aufgeblähten Enden verbunden sind. Es ergibt sich so ein außerordentlich fester Verbund.

Gegenüber den bisher bekannten metallischen Katalysatorträgern, die in das Katalysatorgehäuse eingelötet werden mußten, ergibt sich mit dem vorliegenden Träger der Vorteil einer einfacheren und dennoch weitaus stabileren Halterung im Katalysatorgehäuse. Durch die Variation der Zahl der Metallschichten (bis zu 150) und des Abstandes des Pastenauftrages läßt sich Anzahl und Größe der in dem Träger entstehenden Kanäle in weiten Grenzen sehr einfach variieren und allen spezifischen Erfordernissen anpassen. So ist es auch ohne Schwierigkeiten möglich, Träger herzustellen, in denen der Durchmesser der Kanäle innerhalb des Trägers variiert und so bestimmten Strömungs- und Temperaturprofilen optimal anpaßbar ist. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß durch die sehr dünnen Zellwände des Katalysatorträgers bei gleicher für die Aufbringung des Katalysators zur Verfügung stehender Oberfläche ein wesentlich geringerer Abgasgegendruck im Auspuffsystem hervorgerufen wird als bei den bekannten Metallkatalysatoren. Die dünneren Zellwände bewirken auch eine geringere Masse des Trägers, so daß der Träger und damit auch der Katalysator schneller ihre Betriebstemperatur erreichen.

Claims (3)

1. Verwendung eines metallischen, mit einer Vielzahl von axial verlaufenden Kanälen versehenen, durch Aufblähen einer Vielzahl von Lagen hergestellten Teilverbundschichtkörpers als Träger für Abgaskatalysatoren von Otto-Motoren.

2. Geblähter Teilverbundschichtkörper zur Verwendung als Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundnähte der einzelnen Schichten jeweils gegenüber der nächsten Schicht versetzt sind.

3. Geblähter Teilverbundschichtkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden, axial verlaufenden ungeblähten Randpartien als Befestigungsflansche dienen.