DE3844153A1 - Traegerkoerper fuer abgaskatalysatoren - Google Patents

Traegerkoerper fuer abgaskatalysatoren

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DE3844153A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Trägerkörper für Abgasreini­ gungskatalysatoren aus einem Verbundkörper, der durch Übereinanderanordnen mindestens eines flachen Metallbandes aus dünnem Metallblech und mindestens eines gewellten Metallbandes aus einem anderen dünnen Metallblech gebildet ist und der viele netzwerkartige Gasdurchlässe in Richtung seiner Mittelachse aufweist.
Derartige Trägerkörper sind im allgemeinen im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs als abgasreinigendes Mittel angeord­ net. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf metalli­ sche Trägerkörper für Abgasreinigungskatalysatoren, bei denen die Abgase in turbulente Strömung versetzt werden, um dadurch die Abgasreinigungseffizienz zu erhöhen.
Obige metallische Trägerkörper für Abgasreinigungskataly­ satoren wurden, um sowohl einerseits das Gewicht zu verin­ gern und andererseits die Katalysatorträgerfläche pro Volumeneinheit zu vergrößern, entweder dadurch herge­ stellt, daß mindestens ein flaches und ein gewelltes Me­ tallband übereinandergelegt und gemeinsam zu einer Spirale gerollt wurden, die Metallbänder waren dabei jeweils aus einem besonders dünnen hitzebeständigen Stahlblech herge­ stellt, das nicht dicker als 0,1 mm war. Alternativ könn­ ten die Bänder auch schichtweise angeordnet sein. Dadurch wird ein mehrlagiger Verbundkörper, der viele netzwerkar­ tige Gasdurchflüsse in einer gemeinsamen Richtung umfaß­ te, gebildet. Der mehrlagige Verbundkörper wurde danach in ein an beiden Enden offenes Metallgehäuse eingeschlossen.
In der letzten Zeit wurde viel Arbeit aufgewendet, um bei den oben genannten metallischen Trägerkörpern den wirksa­ men Kontakt zwischen Abgasen und Katalysator und gleich­ zeitig damit auch die Abgasreinigung zu erhöhen. So offen­ bart z.B. das japanische Gebrauchsmuster Nr. 90 742/1987 einen Trägerkörper aus einem flachen und einem gewellten Metallband, bei dem jedes der Bänder Öffnungen in einer Dichte von 1 bis 10 pro Quadratzentimeter und Durchmessern von etwa 0,5 bis 10 mm aufweist.
Bei dem oben beschriebenen metallischen Trägerkörper mit einem mehrschichtigen Körper aus flachem und gewelltem Metallband, der zur Aufnahme eines Abgasreinigungskataly­ sators eingerichtet ist, ist jedoch kein einfacher Zusam­ menhang zwischen Vergrößerung der Katalysatorträgerfläche und Abgasreinigungsfähigkeit derart gegeben, daß automa­ tisch eine größere Katalysatorträgerfläche auch eine grö­ ßere Abgasreinigungsfähigkeit bedingt.
Insbesondere, wenn alle Abgasteilströme in laminarer Strö­ mung entlang der Mittelachse des Metallträgerkörpers obi­ ger Art fließen, d.h., in der allgemeinen Abgasströmungs­ richtung, werden nur die Abgase der Schicht, die die kata­ lysatortragende Oberfläche berührt, gereinigt, nicht je­ doch Abgase aus anderen Strömungsschichten, die keinen Kontakt mit der katalysatortragenden Fläche haben, die den Trägerkörper ungereinigt passieren.
Sogar wenn der metallische Trägerkörper axial verlängert wird oder viele Öffnungen in den den Trägerkörper bilden­ den flachen und gewellten Metallbändern ausgebildet wer­ den, kann ihm keine zufriedenstellende Abgasreinigungsfä­ higkeit verliehen werden.
Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, einen metalli­ schen Trägerkörper mit hervorragenden abgasreinigenden Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Trägerkörper für Abgasrei­ nigungskatalysatoren aus einem Verbundkörper, der durch Übereinanderanordnen mindestens eines flachen Metallbandes aus dünnem Metallblech und mindestens einem gewellten Metallband aus einem anderen dünnen Metallblech gebildet ist und der viele netzwerkartige Gasflußdurchlässe in Richtung seiner Mittelachse aufweist, wobei mindestens eines der Bänder viele Öffnungen und Vorsprünge um und/oder benachbart den Öffnungen aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Der Trägerkörper weist bei einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung einen mehrlagigen Verbundkörper, der durch Übereinanderlegen von mindestens einem flachen und einem gewellten Metallband aus dünnen Metallblechen herge­ stellt ist und der viele siebartige Gasdurchlässe in der Richtung der Mittelachse besitzt, um einen axialen Fluß der Abgase durch diese Gasdurchlässe zu ermöglichen, auf. Dabei besitzt zumindest eines der Bänder viele Öffnungen und Vorsprünge um und/oder in der Umgebung der Öffnungen. Alternativ kann dabei zumindest eines der Bänder aus einem Metalldrahtnetz hergestellt sein.
Da die Abgasströme durch die Gasdurchlässe durch die Strö­ mung störende Mittel in Tubulenzen versetzt werden, ermög­ licht der erfindungsgemäße Metallträgerkörper für Abgas­ reinigungskatalysatoren daher einen wirkungsvolleren Kon­ takt der Abgase mit dem auf ihm befindlichen Katalysator, so daß die Abgasreinigungseffizienz verbessert wird.
Zusätzlich wird erreicht, daß der erfindungsgemäße metal­ lische Trägerkörper nun weniger des teueren und raren Katalysatormetalles benötigt, als ein konventioneller metallischer Trägerkörper. Zusätzlich dienen die Tubulen­ zen erzeugenden Mittel dazu, die Katalysatorfläche zu vergrößern, so daß entsprechend das Gewicht des erfin­ dungsgemäßen metallischen Trägerkörpers verringert werden kann.
Die oben genannten und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der Beschrei­ bung und den Patentansprüchen, in Verbindung mit den be­ gleitenden Zeichnungen, zu entnehmen. Die Zeichnungen dienen dabei lediglich der Erläuterung bevorzugter Aus­ führungsformen der Erfindung und sollen den Schutzbereich oder die Lehre der Erfindung keinesfalls eingrenzen. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform des metallischen Trä­ gerkörpers;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform des metallischen Trä­ gerkörpers;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines flachen Metallbandes, das viele Öffnungen mit benachbarten Vorsprüngen besitzt und erfin­ dungsgemäß einsetzbar ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines flachen Metallbandes, das aus einem metallischen Drahtnetz besteht und erfindungsgemäß einsetzbar ist; und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren ebenen Metallbandes, das im Band viele Durchgangslöcher aufweist und ebenfalls nutzbringend erfindungsgemäß einsetzbar ist.
Jeder erfindungsgemäße metallische Trägerkörper für Abgas­ reinungskatalysatoren besteht aus einem vielschichtigen Verbundkörper, der durch Übereinanderlegen von mindestens einem flachen dünnen Metallband und mindestens einem ge­ wellten Metallband aus einem anderen dünnen Metallblech unter Bildung von vielen siebartigen Gasdurchlässen in Richtung der Mittelachse erhältlich ist. Die Bänder sind bspw. dadurch erhältlich, daß ein Stahlblech zu einer Dicke von etwa 0,03-0,01 mm oder dgl. ausgewalzt wird; als Stahl ist bspw. ein hitzebeständiger Stahl mit 15-20% Chrom, etwa 2-7% Aluminium und ggf. einem oder mehreren Elementen der seltenen Erden, geeignet.
Fig. 1 zeigt einen metallischen Trägerkörper 1, der durch Übereinanderlegen eines flachen Metallbandes 2 und eines gewellten Metallbandes 3, so daß diese in Kontakt mitei­ nander stehen und gemeinsames Aufwickeln der Bänder zu einer Spiralform, wobei der metallische Trägerkörper 1 die Form eines mehrlagigen Verbundkörpers erhält, der viele siebartige Gasdurchlässe in Richtung der Mittelachse be­ sitzt, erhältlich ist.
Fig. 2 zeigt einen metallischen Trägerkörper 1′, der durch abwechselndes Übereinanderlegen in Lagen von flachen Me­ tallbändern 2′ und gewellten Metallbändern 3′, so daß der metallische Trägerkörper 1′ die Form eines vielschichtigen Verbundkörpers annimmt, der viele netzwerkartige Gasdurch­ lässe in Richtung dessen Mittelachse besitzt, erhältlich ist.
Diese mehrlagigen Verbundkörper werden jeweils in ein Metallgehäuse eingeschlossen. Die Kontaktstellen zwischen den Bändern und zwischen dem viellagigen Verbundkörper und dem umgebenen Gehäuse werden durch Schweißen, Löten oder dgl. miteinander verbunden. Die katalysatortragenden Schichten aus Aluminiumoxid oder dgl. werden durch eine Waschbeschichtungsformulierung aufgetragen und dann der Abgasreinungskatalysator, wie Platin, Rhodium oder Palla­ dium. Die so entstandene Einheit ist als katalytischer Konverter für Abgase verwendbar.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der Ver­ wendung eines Metallbandes, das mit Mitteln ausgestattet ist, mit denen Turbulenzen in den Abgasen erzeugt werden können, als mindestens das ebene Metallband 2 (2′) oder als das gewellte Metallband 3 (3′), die den Verbundkörper bil­ den, so daß die Abgasströme, die durch den mehrschichtigen Verbundkörper hindurchgehen, wirksam in Turbulenzen ver­ setzt werden, so daß die Wirksamkeit des Kontaktes zwi­ schen Abgas und dem auf dem mehrlagigen Verbundkörper angeordneten Katalysator vergrößert wird.
Die nachstehenden Ausführungsformen können u.a. als Turbu­ lenzen erzeugende Mittel, die mindestens am flachen Me­ tallband 2 (2′) oder dem gewellten Metallband 3 (3′) vorge­ sehen sind, genannt werden:
  • (i) Mindestens das flache oder das gewellte Metallband besitzt viele Öffnungen und Erhebungen, die um die Öff­ nung angeordnet oder ihr benachbart sind.
  • (ii) Mindestens das flache oder das gewellte Metallband ist aus einem Metalldrahtnetz hergestellt.
  • (iii) Eines der Metallbänder besitzt Öffnungen und Erhe­ bungen neben derjeweiligen Öffnung oder besteht aus einem Metalldrahtnetz, während das andere Band aus einem perfo­ rierten Blech besteht.
Die flachen Metallbänder, wie sie in den Fig. 3 bis 5 gezeigt sind, sind mit Turbulenz erzeugenden Erhebungen versehen und sind daher erfindungsgemäß einsetzbar.
Da gewellte Metallbänder in gleicher Weise mit Turbulenz erzeugenden Erhebungen und Mitteln versehen sein können, wird in dieser Anmeldung auf Abbildungen solcher gewell­ ten Metallbänder verzichtet.
Das flache Metallband mit dem Bezugszeichen 21 in Fig. 3 besitzt Löcher 5 und Erhebungen 6 neben den jeweiligen Öffnungen 5 benachbart sind. Die Erhebungen 6 sind so angeordnet, daß sie mit ihrer Längsseite rechtwinklig zum Abgasstrom verlaufen.
Die vorspringenden Teile können jegliche Form besitzen, wie z.B als Rippe oder Finne, Türmchen, Vorsprung, Buckel, Rille, vorausgesetzt sie sind in der Lage, Turbu­ lenz im Abgasstrom zu erzeugen.
Das flache Metallband mit dem Bezugszeichen 22 in Fig. 4 ist ein Metalldrahtnetz und gleichfalls für vorliegende Erfindung geeignet. Das Metalldrahtnetz 22 kann auch in Kombination mit dem ebenen Metallband aus Fig. 3 verwendet werden. Das Metalldrahnetz 22 kann durch Verweben von rostfreien Stahldrähten mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 0,05 bis etwa 0,25 mm, hergestellt werden.
Das flache Metallband mit dem Bezugszeichen 23 in Fig. 5 kann auch in Kombination mit dem flachen Metallband aus Fig. 3 verwendet werden. Das Metallband 23 ist ein Metall­ blech, das auf mechanischem Wege, z.B. durch eine Presse, perforiert wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der Beispiele näher erläutert, wobei diese lediglich der Illu­ stration einer nach diesseitiger Auffassung vorteilhaften Art der Verwirklichung der Erfindung dienen und Abwandlun­ gen in dem dem Fachmann geläufigen Ausmaß unterworfen sein können. Die Erfindung soll keineswegs auf diese Abänderun­ gen die innerhalb des Schutzbereichs und der Lehre der Erfindung liegen, beschränkt sein.
Beispiel 1 (i) Flaches Metallband
In ein Band aus hitzebeständigem Stahl mit 20% Chrom und 5% Aluminium; einer Dicke von 0,05 mm und einer Breite von 74,5 mm werden in mehreren Reihen und in einem ver­ setzten Muster Schlitze von 2 mm Breite und 5 mm Länge geschnitten und weiterhin Türmchen von 0,5 mm Höhe darauf ausgebildet.
(ii) Gewelltes Metallband
Ein hitzebeständiges Band derselben Art wie das flache Metallband wird in eine gewellte Form umgearbeitet, bei der die Rillenweite 2,5 mm und die Rillenhöhe 1,2 mm be­ trägt.
(iii) Trägerkörper
Die obengenannten flachen und gewellten Metallbänder wer­ den übereinandergelegt, so daß ein viellagiger Verbundkör­ per mit einem ovalen Querschnitt von 123 mm × 70 mm und einer Länge von 90 mm erhalten wird. Danach wird der viel­ lagige Verbundkörper an geeigneten Punkten zusammenge­ schweißt und in ein Metallgehäuse mit eiem Innenquer­ schnitt - im wesentlichen derselben Form und Abmessungen wie der viellagige Verbundkörper -, eingeschlossen. Die beiden Körper werden dann durch Verschweißen miteinander verbunden. Im Ergebnis wird ein Trägerkörper erhalten, der hervorragende Eigenschaften bei der Erzeugung von Turbu­ lenzen in Gasströmen hat.
Beispiel 2 (i) Flaches Metallband
Es wird ein flaches Metallband derselben Art wie im Bei­ spiel 1 verwendet.
(ii) Gewelltes Metallband
Es wird ein perforiertes Blech verwendet, das dadurch erhalten wurde, daß Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm in Abständen von 3 mm in einem versetzten Muster durch das hitzebeständige Metallband, derselben Art wie das planare Metallband, gebohrt wurden. Das perforierte Blech wurde in eine gewellte Form mit einer Rillenweite von 3,5 mm und einer Rillenhöhe von 1,8 mm umgearbeitet.
(iii) Trägerkörper
Das flache und das gewellte Metallband werden übereinan­ dergelegt und gemeinsam zu einer Spirale gewickelt, so daß ein viellagiger Verbundkörper erhalten wird. Der viel­ lagige Verbundkörper wird unter Spannung in ein zylindri­ sches Metallgehäuse mit einem Innendurchmesser von etwa 70 mm angepaßt. Danach wird die so erhaltene Anordnung mit einem Lötmaterial beschichtet und einer Hitzebehandlung unterworfen, so daß die Kontaktstellen zwischen den Bän­ dern und zwischen dem mehrlagigen Verbundkörper und dem Metallgehäuse miteinander verbunden werden. Der so erhält­ liche Trägerkörper besitzt im Bezug auf die Erzeugung von turbulenten Gasströmen hervorragende Eigenschaften.
Beispiel 3 (i) Flaches Metallband
Es wird ein Drahtnetz verwendet, das dadurch erhalten wurde, daß rostfreie Stahldrähte (SUS 304) mit einem Durchmesser von 0,12 mm zu einem flachen Gewebe mit einer Breite von 74,5 mm gewebt werden.
(ii) Gewelltes Metallband
Es wird ein gewelltes Metallband wie in Beispiel 1 verwen­ det.
(iii) Trägerkörper
Das obige flache und gewellte Metallband wird übereinan­ dergelegt und dann zu einer Spirale aufgewickelt, so daß ein mehrlagiger Verbundkörper erhalten wird. Dieser wird in gleicher Weise wie in Beispiel 2 in ein Gehäuse einge­ schlossen und verlötet, wodurch ein Trägerkörper mit her­ vorragenden Eigenschaften in bezug auf die Erzeugung eines turbulenten Gasflusses erhalten wird.

Claims (13)

1. Trägerkörper für Abgasreinigungskatalysatoren aus einem Verbundkörper, der durch Übereinanderanordnen mindestens eines flachen Metallbandes aus dünnem Metallblech und mindestens eines gewellten Metallbandes aus einem anderen dünnen Metallblech gebildet ist und der viele netzwerkar­ tige Gasflußdurchlässe in Richtung seiner Mittelachse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bänder (1, 1′; 2, 2′; 22, 23) viele Öffnungen (5) und Vor­ sprünge (6) um und/oder benachbart den Öffnungen (5) auf­ weist.
2. Trägerkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge Rippen (6) sind.
3. Trägerkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) derart angeordnet sind, daß ihre Längs­ erstreckung rechtwinklig zu den entsprechenden Abgasströ­ men verläuft.
4. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band viele Öffnungen (5) und Vorsprünge (6) um und/oder benachbart den Öffnungen aufweist und das andere aus einem Metalldrahtnetz besteht.
5. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band viele Öffnungen (5) und Vorsprünge um und/oder benachbart zu den Öffnungen (5) aufweist und das andere aus einem perforierten Metallblech besteht.
6. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Band (2, 2′; 3, 3′) viele Öffnungen (5) und Vor­ sprünge (6) um und/oder benachbart zu den Öffnungen (5) aufweist.
7. Trägerkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung durch schichtweises Übereinanderlegen der Bänder (1, 1′; 2, 2′) sodaß sich diese berühren, und anschließendes Zusammenrollen der übereinandergelegten Bänder in Spiralform, um viele netzartige Gasdurchläs­ se in Richtung der Achse auszubilden, herstellbar ist.
8. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtige Anordnung durch schichtweises Über­ einanderlegen der Bänder (1, 1′; 2, 2′), wodurch viele netz­ werkartige Gasflußdurchlässe in Richtung der Mittelachse ausgebildet werden, herstellbar ist.
9. Trägerkörper für Abgasreinigungskatalysatoren mit einem mehrlagigen Verbundkörper, der durch Übereinanderlegen mindestens eines flachen Metallbandes aus einem dünnen Metallblech und mindestens eines gewellten Metallbandes aus einem anderen dünnen Metallblech unter Ausbildung vieler netzwerkartiger Gasflußdurchlässe in Richtung der Mittelachse, um einen axialen Fluß des Gases als Ströme durch die Gasdurchlässe zu ermöglichen, herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bänder aus einem Metallnetz hergestellt ist.
10. Trägerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Band aus einem Metallnetz und das andere aus einem perforierten Metallblech besteht.
11. Trägerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Band aus einem Metallnetz besteht.
12. Trägerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung durch Übereinanderlegen der Bänder, unter Ausbildung von Berührungspunkten zwischen diesen und anschließendes Aufrollen der derart übereinandergelegten Bänder in Spiralform unter Ausbildung vieler netzwerkarti­ ger Gasdurchflüsse in Richtung der Mittelachse hergestellt ist.
13. Trägerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtige Anordnung durch schichtweises Über­ einanderlegen der Bänder erhältlich ist, wodurch die mehr­ schichtige Anordnung viele netzwerkartige Gasdurchflüsse in Richtung der Mittelachse besitzt.
DE3844153A 1987-12-28 1988-12-28 Traegerkoerper fuer abgaskatalysatoren Withdrawn DE3844153A1 (de)

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