EP0121174B1 - Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen mit Dehnungsschlitzen - Google Patents
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- EP0121174B1 EP0121174B1 EP84103015A EP84103015A EP0121174B1 EP 0121174 B1 EP0121174 B1 EP 0121174B1 EP 84103015 A EP84103015 A EP 84103015A EP 84103015 A EP84103015 A EP 84103015A EP 0121174 B1 EP0121174 B1 EP 0121174B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
- F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
- F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
- F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
- F01N3/28—Construction of catalytic reactors
- F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
- F01N3/2807—Metal other than sintered metal
- F01N3/281—Metallic honeycomb monoliths made of stacked or rolled sheets, foils or plates
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- F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
- F01N2330/02—Metallic plates or honeycombs, e.g. superposed or rolled-up corrugated or otherwise deformed sheet metal
Definitions
- the present invention relates to a metallic carrier body for coatings of catalytically active substances for cleaning exhaust gases, in particular for internal combustion engines.
- These metallic catalyst carrier bodies consist of a carrier matrix with spirally wound, very thin-walled, smooth and / or corrugated metal strips, which are joined together in a circular-cylindrical or oval-cylindrical jacket tube by welding, soldering or gluing.
- the carrier matrix prevents a stress-free thermal expansion of its volume.
- the resulting plastic compression deformations of the carrier matrix cells at high temperature cause high tensile loads on the cell walls and their connection points in the cooling phase due to inertia-related temperature gradients between the matrix and the jacket tube, which tear as a result of the plastic alternating deformation after a short operating time and in the zones of high alternating stress to detach all Can lead sections of the carrier matrix body.
- the object of the present invention is a catalyst carrier body for the exhaust gases of internal combustion engines from smooth and / or corrugated metal strips spirally wound and fastened by joining technology in a jacket tube. which avoids the disadvantages mentioned above.
- a catalyst body according to the first claim Due to the proposed longitudinal division of the matrix body by means of radial or tendon-shaped slots into several sectors or zones across the cross section, the spirally wound, rigid matrix structure is interrupted in its ring structure of the matrix cells supported against one another. Theoretically, the thermal expansion of the matrix body is prevented as a quasi full-surface body against the iJiler tube.
- the individual sectors of the carrier matrix are fastened in a stable bond with the jacket pipe by means of a joining connection and, under thermal stress, have unrestricted expansion options in the direction of the free spaces created by the slots, which prevents plastic alternating deformations of the matrix cells with the consequences of destruction and detachment of the carrier matrix.
- the slots can, for example, after joining the catalyst carrier body by welding, soldering, gluing or other joining methods by means of thermal, chemical, mechanical or other separation and removal methods, such as. B. laser beam burning, chemical sinking, spark erosion, vibration saws, rooms, etc., are introduced into the carrier matrix.
- the jacket tube remains undamaged. Since the center of the carrier matrix may consist of more densely wound sheet metal layers, it may be advantageous not to pass the slots through this core, but only up to or close to it. This does not affect the beneficial effects of the slots.
- the slices do not have to have the width required for the stretching during production, since the carrier matrix expands and plastically deforms during the first heating, so that the slits then have the exactly necessary width when they cool down. In this case, it is advantageous that the slots are practically closed at operating temperature and leave no undesired path for the gas.
- the slots cover the entire length of the catalyst carrier body.
- the catalyst carrier body then consists of various segments fastened to the casing tube, which can expand unhindered in the free space formed by the slots. Since, as stated above, the slots are practically closed at operating temperature, but at least not larger than the other openings, the slots do not have any disadvantages during operation. However, they prevent tensions and plastic deformations of the individual segments during cooling, as these can now contract individually towards the jacket tube.
- the slots are arranged axially parallel in the longitudinal direction.
- Such axially parallel slots can be made most easily retrospectively with a completely wound catalyst carrier body.
- the slots on the front and rear of the catalyst carrier body are offset from one another and arranged over a portion of its total length. If the slits overlap in the middle of the body, the advantages mentioned above are retained with this arrangement. In addition, even when the catalyst carrier body is cold, there is no continuous gap through which gases could escape.
- the catalyst carrier body from two or more slotted disks arranged at a distance from one another in the casing tube.
- the division of the total length of the catalyst into several narrow sections with free spaces in between leads to a further advantage.
- FIG. 1 shows a cross section through FIG. 1.
- a cross section through another embodiment of the invention is also shown schematically.
- the catalyst carrier body is divided into six cross-sectional segments by three tendon-shaped slots 11, 12, 13, which are each attached to the casing tube 2 by joining technology. These slots do not go through the entire catalyst carrier body but only up to the middle or a little bit beyond. From the other side there are also slots 14, 15, 16 in the catalyst carrier body, which are offset with respect to the slots 11, 12, 13. This is indicated in Fig. 3 by dashed lines.
- the slots 21 show a possibility of arranging the slots, which avoids cutting through the more tightly wound center 20 of the catalyst carrier body.
- the slots 21 lead tangentially to the denser wound center 20 and end in its vicinity. Even if the resulting segments are not completely separated from one another in this exemplary embodiment, the matrix deforms during the first operation in such a way that the advantages mentioned above are essentially also present in this arrangement of the slots.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrischen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.
- In der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592 9 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper augedeutet und in Fig. 7 der entsprechenden Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildet. Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen. insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die dünnwandigen Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca. 50 °C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder minder große Bereiche auf Temperaturen über 900 °C erhitzt. während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebs-temperatur von ca. 300 °C noch längere Zeit beibehält und somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hidert. Die hierdurch bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrixzellen bewirken in der Abkühlungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechselverformungon schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers führen können.
- In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in Bezug auf die Stabilität und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen von weitaus größerer Bedeutung sind.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator-Trägerkörper für die Abgase von Verbrennungskrafmaschinen aus glatten und/oder gewellten Blechbändern spiralig aufgewickelt und in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigt. der die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorkörper nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Durch die vorgeschlagene Längsaufteilung des Matrixkörpers mittels radialer oder sehnenförmiger Schlitze in mehrere Sektoren oder Zonen über den Querschnitt wird die spiralig aufgewickelte, steife Matrixstruktur in ihrem Ringverband der gegeneinander gestützen Matrixzellen unterbrochen. Theoretisch wird die thermische Dehnung des Matrixkörpers als quasi Vollflächenkörper gegen das iJiltere Mantelrohr verhindert. Die einzelnen Sektoren der Trägermatrix sind mittels fügetechnischer Verbindung im stabilen Verband mit dem Mantelrohr befestigt und haben bei thermischer Belastung ungehinderte Dehnungsmöglichkeiten in Richtung der durch die Schlitze geschaffenen Freiräume, wodurch plastische Wechselverformungen der Matrixzellen mit den Folgen von Zerstörung und Ablösung der Trägermatrix vermieden werden. Die Schlitze können beispielsweise nach dem Fügen des Katalysator-Trägerkörpers durch Schweissen, Löten, Kleben oder sonstige Fügeverfahren mittels thermischer, chemischer, mechanischer oder sonstiger Trenn- und Abtragungsverfahren, wie z. B. Laserstrahl-Brennen, chemisches Senken, Funkenerosion, Vibrationssägen, Räumen usw., in die Trägermatrix eingebracht werden. Das Mantelrohr bleibt dabei unbeschädigt. Da das Zentrum der Trägermatrix unter Umständen aus dichter gewickelten Blechschichten besteht, kann es vorteilhaft sein, die Schlitze nicht durch diesen Kern hindurchzuführen, sondern nur bis in seine Nähe oder dicht an ihm vorbei. Dies beeinträchtigt die vorteilhaften Wirkungen der Schlitze nicht. Auch brauchen die Schlize bei der Herstellung nicht die für die Dehnung nötige Breite zu haben, da die Trägermatrix sich bei der ersten Aufheizung ausdehnt und plastisch verformt, so daß die Schlitze dann bei der Abkühlung die exakt nötige Breite erhalten. In diesem Falle wirkt sich vorteilhaft aus, daß bei Betriebstemperatur die Schlitze praktisch geschlossen sind und dem Gas keinen unerwünschten Weg freilassen.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Schlitze die Gesamtlänge des Katalysator-Trägerkörpers überdecken. Der Katalysator-Trägerkörper besteht dann aus verschiedenen am Mantelrohr befestigten Segmenten, welche sich ungehindert in den durch die Schlitze gebildeten Freiraum ausdehnen können. Da bei Betriebstemperatur, wie oben gesagt, die Schlitze praktisch geschlossen, zumindest aber nicht größer als die übrigen Öffnungen sind, bringen die Schlitze im Betrieb keine Nachteile mit sich. Sie verhindern jedoch beim Abkühlen Spannungen und plastische Verformungen der einzelnen Segmente, da diese sich nunmehr einzeln in Richtung auf das Mantelrohr zusammenziehen-können.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß dem Anspruch 3 vorgeschlagen, daß die Schlitze in Längsrichtung achsparallel angeordnet sind. Solche achsparallelen Schlitze lassen sich nachträglich am leichtesten bei einem fertig gewickelten Katalysator-Trägerkörper anbringen.
- In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß die Schlitze an der Vorder- und Rückseite des Katalysator-Trägerkörpers gegeneinander versetzt und über ein Teilstück seiner Gesamtlänge angeordnet sind. Sofern sich die Schlitze in der Mitte des Körpers überschneiden, bleiben bei dieser Anordnung die oben genannten Vorteile erhalten. Darüberhinaus öfiiiet sich auch bei kaltem Katalysator-Trägerkörper kein durchgehender Spalt, durch den Gase entweichen könnten.
- Im Anspruch 5 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den Katalysator-Trägerkörper aus zwei oder mehr mit Abstand voneinander im Mantelrohr angeordneten mit Schlitzen versehenen Scheiben herzustellen. Die Aufteilung der Katalysator-Gesamtlänge in mehrere schmale Teilstücke mit dazwischenliegenden Freiräumen führt zu einem weiteren Vorteil. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß bei den üblichen Abmessungen und den Gasgeschwindigkeiten in den parallelen Kanälen der bisherigen Abgaskatalysatoren die Strömung nach etwa 20-30 mm in den laminaren Zustand übergeht, der für die in einem Katalysator ablaufenden chemischen Vorgänge wegen der mangelnden Oberflächenkontaktierung des Abgases weniger günstig ist als eine turbulente Strömung. Durch die Aufteilung in mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysator-Teilkörper wird jedes Katalysator-Teilstück nur im tubulenten Zustand angeströmt, wodurch die katalytische Wirksamkeit erheblich verbessert wird. Beim Austritt des Abgases aus dem vorhergehenden Katalysator-Teilstück in den Zwischenfreiraum zum nächsten Teilstück entsteht eine sehr gute Durchmischung des Abgases, die in Bezug auf die Wärmeverteilung, das Anspringverhalten und die Umsatzrate ebenfalls zur Verbesserung des katalytischen Wirkungsgrades beiträgt.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit ihren wesentlichen Merkmalen in der Zeichnung dargestellt.
-
- Figur. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen kreiszylindrischen, gewickelten Katalysatorkörper mit drei gleichmäßig über den Querschnitt verteilten radialen Schlitzen.
- Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1.
- Figur 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper mit sehnenförmigen Schlitzen.
- Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper, bei dem die Schlitze tangential an dem dichteren Kern des Katalysatorkörpers vorbeilaufen und in seiner Nähe enden.
- In Fig. 1 ist der Katalysator-Trägerkörper 1 mit teilweise aufgerissenem Mantelrohr 2 dargestellt. Die spiralig übereinander gewickelten gewellten 3 und glatten 4 Blechbänder sind von drei radial verlaufenden Schlitzen 5 unterbrochen. Dadurch entstehen drei Querschnitts-Sektoren 6, 7 und 8, welche fügetechnisch fest mit dem Mantelrohr 2 verbunden sind und sich in Richtung des durch die Schlitze 5 gebildeten Freiraumes ausdehnen können. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1.
- In Fig. 3 ist ebenfalls schematisch ein Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 3 wird der Kataiysator-Trägerkörper durch drei sehnenförmige Schlitze 11, 12, 13 in sechs Querschnitts-Segmente unterteilt, welche jeweils am Mantelrohr 2 fügetechnisch befestigt sind. Diese Schlitze gehen nicht durch den ganzen Katalysator-Trägerkörper hindurch sondern nur bis zur Mitte oder ein kleines Stück darüberhinaus. Von der anderen Seite sind ebenfalls Schlitze 14, 15, 16 in dem Katalysator-Trägerkörper, welche gegenüber den Schlitzen 11, 12, 13 versetzt sind. Dies ist in Fig. 3 durch Strichelung angedeutet.
- In Fig. 4 ist eine Möglichkeit der Anordnung der Schlitze dargestellt, welche ein Durchschneiden des dichter gewickelten Zentrums 20 des Katalysator-Trägerkörpers vermeidet. Die Schlitze 21 führen dabei tangential an das dichter gewickelte Zentrum 20 heran und enden in seiner Nähe. Auch wenn die entstehenden Segmente bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vollständig voneinander getrennt sind, verformt sich die - Matrix beim ersten Betrieb doch so, daß die oben genannten Vorteile im wesentlichen auch bei dieser Anordnung der Schlitze vorhanden sind.
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