DE69613250T2

DE69613250T2 - Wabenförmige Katalysatoreinrichtung

Info

Publication number: DE69613250T2
Application number: DE69613250T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Hijikata; Minoru Machida; Masashi Yano
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: US5782089A; JPH08200050A; JP3294036B2; DE69613250D1; EP0724070A1; EP0724070B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkatalysator, der sich insbesondere zur Reinigung von Automobilabgasen u. dgl. eignet.

Beschreibung verwandter Gebiete

Bislang wurden Wabenkatalysatoren allgemein für Abgasreinigungssysteme von Automobilen verwendet; siehe die offengelegten japanischen Gebrauchsmuster JP 56- 67314, JP 55-130012, JP 62-171614 usw. Wabenkatalysatoren umfassen eine Metallhülle, einen in der Metallhülle montierten Wabenkatalysator und ein Befestigungselement, das den Wabenkatalysator in der Metallhülle hält und zwischen der Außenfläche des Wabenkatalysators und der Innenfläche der Metallhülle angeordnet ist. In letzter Zeit wurden die Autoabgasnormen strenger, weshalb alle Autohersteller versuchen, den Katalysator näher am Motor zu positionieren, in dem die Abgastemperatur hoch ist, oder Hochtemperaturabgas zur Verbesserung der katalytischen Aktivitäten bereitzustellen. Um CO&sub2;-Vorschriften, Kraftstoffverbrauchsnormen u. dgl. zu entsprechen, erfolgt eine Verbrennung im Hochgeschwindigkeitsbereich bei einem fast theoretischen stöchiometrischen Verhältnis, sodass die Temperatur des Abgases in einem Hochgeschwindigkeitsbereich zunimmt. Unter diesen Umständen üben die Einsatzbedingungen des Katalysators im Lauf der Jahre einen immer größeren Einfluss auf die thermischen Eigenschaften aus. Unter solchen Einsatzbedingungen erreicht die Außenfläche des Katalysators eine hohe Temperatur, sodass die Wärme des Katalysators die umgebenden Elemente beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, wird manchmal eine Metallabdeckung in einem Außenabschnitt der Metallhülle angeordnet, um Wärmeabstrahlung zu verhindern.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer derartigen Metallabdeckung. In der Ausführungsform von Fig. 9 wird der Katalysator 20 aufgebaut, indem ein Wabenkatalysator 21 in einer Metallhülle 22 montiert wird. Der Wabenkatalysator 21 ist ein. Wabenstrukturkörper mit einer Vielzahl an Strömungsdurchgängen, durch die Abgas aus einem Verbrennungsmotor geleitet wird; ein Katalysatorstoff ist auf den Waberlstrukturkörper aufgetragen. Um den Wabenkatalysator 21 in der Metallhülle zu montieren, ist ein Befestigungselement 23 aus Keramikfasermatte in einem Druckzustand zwischen der Außenfläche des Wabenkatalysators 21 und der Innenfläche der Metallhülle 22 angeordnet. Außerdem ist ein Dichtungselement 24 aus rostfreiem Maschendraht an zumindest einem Ende (in dieser Ausführungsform an beiden Enden) des Befestigungselements 23 angebracht, um Streuwirkung des Befestigungselements 23 infolge des Abgasflusses zu verhindern.
Außerdem ist eine Metallhüllenabdeckung 25 in einem Außenabschnitt der Metallhülle 22 angeordnet, sodass eine Luftisolierschicht 26 zwischen der Metallhülle 22 und der Metallhüllenabdeckung 25 geschaffen wird. Im Bedarfsfall kann ein Isolierelement zwischen der Metallhülle 22 und der Metallhüllenabdeckung 25 positioniert sein. Außerdem ist ein Flanschelement 27 zur Verbindung mit dem Abgasrohr in beiden Endabschnitten der Metallhülle 22 und der Metallhüllenabdeckung 25 angeordnet. Das Flanschelement 27 ist mit der Metallhülle 22 und der Metallhüllenabdeckung 25 mittels Verschweißen usw. verbunden.
Da im bekannten Katalysator 20 mit der oben beschriebenen Konstruktion die Metallhüllenabdeckung 25 die Metallhülle 22 umgibt und die Metallhülle 22 nicht mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt, wird die Metallhülle 22 nicht leicht abgekühlt. Deshalb erreicht die Metallhülle 22 eine hohe Temperatur und dehnt sich aus, sodass ein Zwischenraum zwischen der Metallhülle 22 und dem Wabenkatalysator 21 entsteht und die Montagekraft des Befestigungselements 23 abnimmt. Außerdem besitzt ein sich dehnendes Befestigungselement, das hervorragend als Befestigungselement 23 geeignet ist und deshalb auch oft zu diesem Zweck verwendet wird, geringe Wärmebeständigkeit. Wenn daher das sich dehnende Befestigungselement als Befestigungselement 23 des Katalysators 20 bei hoher Temperatur verwendet wird, büßt das Befestigungselement 23 seine Dehnungseigenschaft ein, wodurch auch seine Montagekraft abnimmt. Im bekannten Katalysator 20 tritt somit das Problem auf, dass der Katalysator 21 in der Metallhülle 22 infolge von Motorschwingungen bewegt wird, die während des Fahrzeugbetriebs o. dgl. auftreten, wodurch es zu Phänomenen wie Abrieb und Versagen des Wabenkatalysators 21 kommt.
DE-U-92 10 836, FR-A-2703105 und EP-A-0472009 offenbaren alle Katalysatoren, in denen sich verjüngende innere Elemente, die doppelte Konusstrukturen als Einlässe oder Auslässe zu Katalysatorkörpern bilden, an ihren distalen Enden mit den Hüllen für die Katalysatorkörper verschweißt sind. FR-A-2703105 offenbart auch einen Katalysator, in dem zwei Katalysatorkörper in einer einzelnen Hülle in Reihe angeordnet sind. Zwischen den zwei Katalysatorkörpern definiert eine von der Hülle beabstandete Innenwand den Gasdurchgang und bietet doppelte Konusstrukturen, die beiden Katalysatoren benachbart sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der Erfindung ist die Minderung oder Lösung der oben beschriebenen Probleme und die Bereitstellung eines Wabenkatalysators, in dem ein Wabenkatalysator in einer Metallhülle über einen langen Zeitraum und sogar bei hoher Temperatur stabil montiert sein kann.
Gemäß der Erfindung ist ein Wabenkatalysator nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Das innere sich verjüngende Element in der Metallhülle kann ein zylindrisch symmetrisches Element, z. B. ein konisches Element sein.
Da in der Konstruktion der Erfindung zumindest der Einlassabschnitt und/oder der Auslassabschnitt des Wabenkatalysators eine doppelte Konusstruktur aufweist, in der ein inneres Element in der Metallhülle angeordnet ist, wird Abgas mit hoher Temperatur nicht direkt mit der äußeren Metallhülle im doppelten Konusstrukturabschnitt in Kontakt gebracht. Da die Metallhülle, mit der das Befestigungselement in Kontakt gebracht wird, keine Doppelstruktur besitzt, kann andererseits die gesamte Metallhülle direkt durch die Umgebungsluft aus diesem Abschnitt der Metallhülle gekühlt werden, sodass die Temperatur der Außenfläche der Metallhülle auf einem niedrigen Wert gehalten werden kann. Es ist daher möglich, die Beeinflussung der umgebenden Elemente durch Wärme zu verhindern. Da ferner die Ausdehnung der Metallhülle verringert werden kann, ist es möglich, die Beeinträchtigung des Befestigungselements durch hohe Temperatur zu verhindern. In der Folge wird der Wabenkatalysator in der Metallhülle aufgrund der abnehmenden Montagekraft des Befestigungselements nicht bewegt, wodurch es möglich ist, Abrieb und Versagen des Wabenkatalysators zu vermeiden.
Da gemäß der Erfindung die Temperatur der Außenfläche der Metallhülle auf einem niedrigen Wert gehalten werden kann, ist es nicht erforderlich, eine wärmeabschirmende Abdeckung um die Metallhülle vorzusehen, sodass der Außendurchmesser des Wabenkatalysators vergrößert werden kann. Aus diesem Grund ist es möglich, den Druckabfall zu reduzieren, wenn Abgas durch den Wabenkatalysator strömt. Wenn der Außendurchmesser des Wabenkatalysators ansteigt, nimmt dessen Volumen entsprechend zu, sodass auch die Reinigungsleistung gesteigert werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators;
Fig. 5 ist ein Graph, der den Einfluss der Temperatur auf die Außenfläche des Katalysators in einem Experiment veranschaulicht;
Fig. 6 ist ein Graph, der den Einfluss der Temperatur auf das Befestigungselement im Experiment veranschaulicht;
Fig. 7 ist ein Graph, der das Ergebnis eines Heißschwingungsversuchs im Experiment darstellt;
Fig. 8 ist ein Graph, der das Messergebnis eines Druckabfalls im Experiment veranschaulicht; und
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht einer bekannten Konstruktion eines Wabenkatalysators.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators. In der Ausführungsform von Fig. 1 ist ein Katalysator 10 durch Montieren eines Wabenkatalysators 1 in einer Metallhülle 2 konstruiert. Der Wabenkatalysator 1 besteht aus einem Wabenstrukturkörper mit einer Vielzahl an Strömungsdurchgängen, durch die Abgas aus dem Verbrennungsmotor gelangt; ein Katalysatorstoff ist auf den Wabenstrukturkörper aufgetragen. Um den Wabenkatalysator 1 in der Metallhülle 2 zu montieren, ist ein Befestigungselement 3 aus einer sich ausdehnenden Keramikfaser wie z.B. einer Keramikfasermatte im Druckzustand zwischen der Außenfläche des Wabenkatalysators 1 und der Innenfläche der Metallhülle 2 angeordnet. Außerdem ist ein Dichtungselement 4 an zumindest einem Ende (in Fig. 1 an beiden Enden) des Befestigungselements 3 angebracht, um dessen Streuen infolge des Abgasstroms zu verhindern. Das Dichtungselement 4 besteht aus rostfreiem Maschendraht oder einem Element, in dem rostfreier Maschendraht mit Keramikfaser abgedeckt ist.
Es entspricht einer Ausführungsform der Erfindung, dass zumindest der Einlassabschnitt und/oder der Auslassabschnitt (beide Abschnitte in Fig. 1) des Wabenkatalysators eine doppelte Konusstruktur aufweist/aufweisen, in der ein inneres, kegelstumpfförmiges, sich verjüngendes Element, das aus Metall bestehen kann, in der Metallhülle 2 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform befindet sich eine Luft-Wärmeisolierschicht 6 zwischen der Metallhülle 2 und dem zylindrischen Element 5. Erforderlichenfalls kann ein Wärmeisolierelement zwischen der Metallhülle 2 und dem Element 5 angeordnet sein.
Ein Flanschelement 7 zur Verbindung mit einem Abgasrohr ist an beiden Endabschnitten 2a und 5a der Metallhülle 2 und des Elements 5 angeordnet. Das Flanschelement 7 ist mit der Metallhülle 2 und dem Element 5 mittels Verschweißen o. dgl. verbunden. Wenn ein Keramikelement 5 zur Verbesserung der wärmeabschirmenden Eigenschaft vorgesehen ist, befindet sich ein Befestigungselement in der Luft- Wärmeisolierschicht 6 zwischen dem Element 5 und der Metallhülle 2, um das Element 5 zu fixieren.
Ferner steht das andere Ende 5b des Elements 5, das mit dem Flanschelement 7 verbunden ist, nicht direkt im Kontakt mit der Metallhülle 2. Wenn daher die Temperatur des Elements 5 aufgrund des Kontakts mit heißem Abgas ansteigt, ist es möglich, die Wärmeleitung aus dem Element 5 zur Metallhülle 2 zu verringern. In der Folge kann die Außenfläche des Wabenkatalysators auf einem niedrigen Temperaturwert gehalten werden, sodass die Beeinträchtigung der umgebenden Elemente durch Wärme verhindert werden kann. Der als Katalysatorträger des Wabenkatalysators 1 verwendete Wabenstrukturkörper kann aus Keramik wie z. B. Cordierit usw. oder aus Metall wie z. B. rostfreiem Stahl usw. bestehen. Wenn zwischen dem Endabschnitt 5b und dem Dichtungselement 4 ein kleiner Zwischenraum vorliegt, stellt dies kein Problem dar. Es ist allerdings vorzuziehen, dass der Endabschnitt 5b mit dem Dichtungselement 4 in Kontakt steht, sodass heißes Abgas nicht in den Zwischenraum strömt.
Fig. 2 bis 4 sind schematische Ansichten anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators. Alle in Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen besitzen die gleiche Grundkonstruktion wie in Fig. 1. In den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 sind daher die gleichen Abschnitte wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen; eine Erklärung entfällt daher. Außerdem sind in den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 die Wirkungen die gleichen, wie sie durch die Ausführungsform von Fig. 1 erzielt werden.
In der Ausführungsform von Fig. 2 ist der Endabschnitt 5b des Elements 5 mittels Punktschweißen mit der Metallhülle 2 verbunden und unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 1. In der Ausführungsform von Fig. 2 ist es daher möglich, Versagen des Elements 5 infolge von Schwingungen des Motors o. dgl. zu verhindern. Da andererseits der Endabschnitt 5b des Elements 5 mit der Metallhülle 2 in Kontakt steht, findet geringe Wärmeleitung vom Element 5 zur Metallhülle 2 statt. Da jedoch die Verbindung zwischen dem Endabschnitt 5b und der Metallhülle mittels Punktschweißen hergestellt wird, stellt ein Temperaturanstieg auf der Außenfläche der Metallhülle 2 während der Verwendung kein Problem dar.
In den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 ist der Wabenkatalysator 10 der Erfindung direkt mit einem Rohraufnahmeabschnitt eines Abgaskrümmers des Motors verbunden. In den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 ist deshalb die Öffnung des Flanschelements 7 an der Einlassseite größer als jene des Flanschelements 7 an der Auslassseite. Um die Reinigungsleistung beim Motorstart bei niedriger Temperatur zu verbessern, indem der heiße Abgasfluss in den Wabenkatalysator 10 beibehalten wird, ist die Länge vom Einlass des Wabenkatalysators 10 zum Wabenkatalysator 1 so kurz wie möglich oder im Wesentlichen null. Da in der Ausführungsform von Fig. 4 das Element 5 nicht in der Metallhülle 2 an der Einlassseite angeordnet ist, besitzt der Rohraufnahmeabschnitt 8 des Abgasverteilers eine doppelte Konusstruktur.
Es folgt eine Erklärung einer Ausführungsform.

AUSFÜHRUNGSFORM

Es wurden der wie in Fig. 1 dargelegte Wabenkatalysator der Erfindung und der wie in Fig. 9 dargelegte Wabenkatalysator gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt. In Bezug auf diese Wabenkatalysatoren wurden der Temperatureinfluss der Katalysator- Außenfläche, der Temperatureinfluss des Befestigungselements an der Metallhüllenseite, das Ergebnis des Heißschwingungsversuchs und das Messergebnis des Druckabfalls miteinander verglichen.
Der Temperatureinfluss der Katalysator-Außenfläche wurde wie folgt verglichen. Die Einlasstemperatur des Wabenkatalysators wurde durch Einsatz von Verbrennungsluft eines Propangasbrenners variiert, der Motorabgas bei einer Strömungsrate der Verbrennungsluft von kontinuierlich 2 Nm³/min simulierte. Die Temperaturwerte der Außenflächen des Wabenkatalysators wurden gemessen und verglichen. Die Ergebnisse sind aus Fig. 5 ersichtlich. Aus diesen Ergebnissen folgerte man, dass die Temperatur des erfindungsgemäßen Wabenkatalysators gegenüber jener des Wabenkatalysators gemäß dem Vergleichsbeispiel immer um einige zig ºC niedriger war und dass der Wabenkatalysator der Erfindung die Beeinträchtigung durch Wärme ohne Verwendung der Metallhüllenabdeckung verhindern konnte. Außerdem wurde der Temperatureinfluss des Befestigungselements an der Metllhüllenseite solcherart verglichen, dass Temperaturwerte zwischen dem Befestigungselement 3 (23) und der Metallhülle 2 (22) unter der gleichen Bedingungen der strömenden Verbrennungsluft wie oben gemessen wurden. Das Ergebnis ist aus Fig. 6 ersichtlich. Man schloss aus diesem Ergebnis, dass die Temperatur des Wabenkatalysators der Erfindung gegenüber dem Wabenkatalysator des Vergleichsbeispiels um fast 200ºC niedriger war und dass die Ausdehnung der Metallhülle und die Beeinträchtigung des Befestigungselements infolge der Temperatur gering waren.
Der Heißschwingungsversuch erfolgte solcherart, dass der Wabenkatalysator unter der gleichen Bedingung strömender Verbrennungsluft wie oben vibriert wurde. Die Vibrationsbedingungen sahen eine Beschleunigung von 60 G und eine Frequenz von 185 Hz vor. Dann wurde die Gastemperatur des Einlassabschnitts in Schritten von 100 ºC von 800ºC weg erhöht, z. B. auf 800ºC, 900ºC oder 1000ºC, und ermittelt, ob der Wabenkatalyator bei den jeweiligen Temperaturen normal betrieben werden konnte. Das Ergebnis ist aus Fig. 7 ersichtlich. Aus diesem Ergebnis folgerte man, dass im Wabenkatalysator der Erfindung und in jenem des Vergleichsbeispiels keine Anomalie bis 800ºC festgestellt wurde. Im Wabenkatalysator des Vergleichsbeispiels jedoch erkannte man, dass bei 900ºC der Wabenkatalysator in der Katalysatorachsenrichtung verschoben war. Im Wabenkatalysator der Erfindung stellte man sogar bei 900ºC und 1000ºC keine Anomalien fest.
Der Druckabfall wurde bei einer Luftströmungsrate von 8 Nm³/min und Raumtemperatur gemessen, wobei die Luft durch den Wabenkatalysator der Erfindung und jenen des Vergleichsbeispiels geleitet wurde. Der Wabenstrukturkörper im Wabenkatalysator des Vergleichsbeispiels wies einen Durchmesser von 90 mm und eine Länge von 90 mm auf; die Zellstruktur besaß eine Wanddicke von 0,15 mm (6 Milli-Inch) und 62 Zellen pro cm² (400 Zellen pro Quadratzoll). Der Wabenstrukturkörper der Erfindung wies hingegen einen Durchmesser von 105 mm und eine Länge von 90 mm auf; die Zellstruktur war die gleiche wie im Vergleichsbeispiel. Der größte Außendurchmesser des Wabenkatalysators der Erfindung und des Vergleichsbeispiels betrug 120 mm. Das Ergebnis ist aus Fig. 8 ersichtlich. Man schloss aus diesem Ergebnis, dass der erfindungsgemäße Wabenkatalysator gegenüber dem Wabenkatalysator des Vergleichsbeispiels einen hervorragenden Druckabfall aufwies.

Claims

1. Katalysator (10) mit einer Metallhülle (2), einem in der Metallhülle montierten Wabenkatalysator (1) und einem Befestigungselement (3), das den Katalysator (1) in der Metallhülle festhält und das zwischen einer Außenfläche des Katalysators (1) und einer Innenfläche der Metallhülle angeordnet ist, wobei zumindest ein Einlassabschnitt und/oder ein Auslassabschnitt der Metallhülle, die zum bzw. vom Katalyator weg führen, eine doppelte Konusstruktur aufweist/aufweisen, in der ein sich verjüngendes Innenelement (5) in der Metallhülle angeordnet ist, wobei das Ende (5a) des Innenelements (5), das vom Katalysator entfernt ist, nicht mit der Metallhülle in Kontakt steht, wobei das Ende (5a) des Innenelements und die Metallhülle mit einem Flanschelement (7) verbunden sind.

2. Katalysator nach Anspruch 1, worin die doppelte Konusstruktur am Einlassabschnitt des Katalysators (1) vorliegt und in einem Rohraufnahmeabschnitt (8) eines Abgaskrümmers ausgebildet ist.

3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, worin ein Wabenstrukturkörper des Katalysators (1) aus Keramik besteht.

4. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, worin ein Wabenstrukturkörper des Katalysators (1) aus Metall besteht.

5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin ein offener Raum (6) zwischen der Metallhülle und dem Innenelement (5) an der doppelten Konusstruktur ausgebildet ist.

6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin ein Wärmeisolierelement in einem Zwischenraum (6) zwischen der Metallhülle und dem Innenelement (5) an der doppelten Konusstruktur angeordnet ist.

7. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Innenelement (5) aus Keramik besteht.

8. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Befestigungselement (3) aus einer sich dehnenden Keramikfaser besteht.