EP1088588A2 - Katalysator-Trägerkörper mit gestapelten und/oder gewickelten Blechlagen - Google Patents

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EP1088588A2
EP1088588A2 EP00115811A EP00115811A EP1088588A2 EP 1088588 A2 EP1088588 A2 EP 1088588A2 EP 00115811 A EP00115811 A EP 00115811A EP 00115811 A EP00115811 A EP 00115811A EP 1088588 A2 EP1088588 A2 EP 1088588A2
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sheet metal
carrier body
metal layers
outer jacket
stacked
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Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • 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
    • 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
    • F01N2450/00—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements
    • F01N2450/22—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by welding or brazing

Definitions

  • the invention relates to a catalyst carrier body with stacked and / or wound sheet metal layers, with their edge sections with a enveloping outer jacket are integrally connected.
  • the environment is referred to DE 197 04 129 A1.
  • Metallic support bodies for catalysts especially for exhaust gas purification on motor vehicle internal combustion engines, usually consist of Sheet metal strips or so-called sheet metal layers, which are preferably cylindrical packages be wrapped.
  • a package provides the carrier matrix for the catalyst material and is inserted into a metal can or the like forms the so-called outer jacket of the exhaust gas catalytic converter.
  • the sheet layers which in turn, can be particularly structured to deal with neighboring ones Sheet metal layers in the assembled state individual gas channels to form for the gas or exhaust gas to be cleaned in the catalytic converter are usually fixed to the outer jacket, and with it on the inside this is preferably soldered, generally integrally connected.
  • a catalyst carrier body should have a good cold start behavior of the catalyst have the lowest possible heat capacity; further is the lowest possible flow resistance with respect to the carrier body flowing gases desired.
  • the solution to this problem is characterized in that the sheet metal layers in its central area, which is spaced from the outer jacket, a smaller one Have wall thickness or thickness than in its outer area, the most or is close to the outer jacket.
  • a particularly advantageous training describes claim 2, while in claim 3 an advantageous manufacturing method for such sheet metal layers of a catalyst carrier body according to the invention is specified.
  • the individual ones forming the carrier body Sheet layers above their surface have a different thickness or thickness, i.e. Wall thickness.
  • a different thickness or thickness i.e. Wall thickness.
  • cohesively or the sheet layers are thicker than in their surface center areas.
  • the individual sheet layers come with these central areas now in the central area of the catalytic converter housing, i.e. spaced from the outer jacket. In these central areas are the mechanical strength requirements less than in the outside areas, because in the middle areas there is no integral connection since the sheet metal layers there not soldered, but only slightly movably suspended on the outside are. This can make the surface center areas of the sheet layers weaker, i.e. be formed thinner than their edge areas.
  • the sheet metal layers can different within the outer casing forming the catalyst housing arranged, for example stacked and / or wound.
  • a common one Construction in which the present invention can be implemented particularly inexpensively is that the sheet metal layers are essentially superimposed Are wound in an S-shape and thereby a carrier body with in form an essentially circular cross section. Then preferably thicker edge areas of the individual sheet layers based on their surface be designed so wide that these edge areas with respect to the wound carrier body lie in a ring area, which is directly attached connects the outer jacket forming the catalyst housing and the in Radial direction measured up to 0.1 times the diameter of the carrier body is wide. Coming concentrically within this ring area then the sheet layers with their thinner central areas to lie on.
  • Sheet metal layers designed according to the invention are particularly simple for one catalyst carrier body according to the invention by different strength Rollers can be produced.
  • the sheet metal layers of a metallic catalyst carrier body are generally by rolling or generally by mechanical Forming, manufactured. Now only the so-called middle areas of the sheet layers are rolled thinner than their so-called edge areas around which to obtain sheet metal layers required for a carrier body according to the invention.
  • FIG. 1 showing the cross section of a catalyst carrier body according to the invention, of which in FIG. 2 the section X from FIG. 1 and in FIG. 3 a single sheet metal layer not yet wound to the carrier body is.
  • Reference number 1 denotes the metallic carrier body of an exhaust gas catalytic converter of a motor vehicle internal combustion engine, which is arranged within a sleeve-shaped outer casing 2.
  • the internal combustion engine exhaust gas to be cleaned in the catalytic converter flows perpendicularly to the plane of the drawing through the carrier body 1, which consists of a plurality of sheet-metal layers 3 which are stacked on top of one another and between which channels for the gas flowing through are formed.
  • the surfaces of the sheet metal layers 3 forming the channel walls are coated with the catalyst material, ie with the catalytically active material.
  • the sheet-metal layers 3 stacked on top of one another are wound essentially in an S-shape in order to form the carrier body 1 which is circular in cross section.
  • the carrier body 1 is pushed into the sleeve-shaped outer jacket 2 and fixed to it by soldering, generally by means of a material connection.
  • soldering generally by means of a material connection.
  • the edge sections of the individual sheet metal layers 3 are connected to the outer jacket 2 via solder joints 4.
  • FIG. 3 shows a single sheet-metal layer 3 in the flat state, ie before it is wound together with further sheet-metal layers 3 to form the carrier body 1, in a sectional plane which corresponds to that of FIGS. 1, 2.
  • the sheet metal layers 3 have a greater thickness or wall thickness in their two so-called edge regions 5a than in their central region (s) 5b. (In the illustration according to FIG. 3, this thickness is measured in the vertical direction).
  • each sheet metal layer 3 comes to lie with its edge regions 5a near the outer jacket 2, or the edge sections of the sheet metal layers 3, which are part of the edge areas 5a, lie directly on the inside of the outer jacket 2 on.
  • the edge regions 5a lie in a so-called ring region 6 of the carrier body 1, which adjoins the outer jacket 2 towards the inside and whose width, measured in the radial direction, corresponds approximately to 0.1 times the total carrier body diameter .
  • the central regions 5b of the individual sheet metal layers 3 thus come to lie concentrically within this ring region 6.
  • a forming tool is schematically shown in FIG. 3 under reference number 8, with the aid of which the so-called central region 5b of each sheet metal layer 3 can be made thinner than the edge regions 5a thereof.
  • this forming tool 8 can be a rolling tool.
  • the wall thicknesses or thickness dimensions of the individual sheet metal layers 3 can be in the order of 60 ⁇ m to 100 ⁇ m in their edge areas 5a and in the order of 20 ⁇ m to 50 ⁇ m in the central areas, but this and a large number of further details, in particular of a constructive type, can be quite different be designed from the embodiment shown, without leaving the content of the claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katalysator-Trägerkörper mit gestapelten und/oder gewickelten Blechlagen, die mit ihren Randabschnitten mit einem einhüllenden Außenmantel stoffschlüssig verbunden sind, und wobei die Blechlagen in ihrem Mittenbereich, der vom Außenmantel beabstandet ist, eine geringere Wandstärke / Dicke aufweisen als in ihrem Außenbereich, der am oder nahe des Außenmantels liegt. Bevorzugt besitzt der Katalysator-Trägerkörper einen im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt, wobei die Blechlagen S-förmig gewickelt sind und deren Randbereiche in einem Ringbereich liegen, der an den Außenmantel anschließend bis zum 0,1-fachen des Trägerkörper-Durchmessers breit ist. Ein derartiger Trägerkörper weist eine ausreichende mechanische Festigkeit und gleichzeitig einen geringen Strömungswiderstand sowie eine niedrige Wärmekapazität auf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator-Tragerkörper mit gestapelten und/oder gewickelten Blechlagen, die mit ihren Randabschnitten mit einem einhüllenden Außenmantel stoffschlüssig verbunden sind. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 197 04 129 A1 verwiesen.
Metallische Trägerkörper für Katalysatoren, insbesondere für die Abgasreinigung an Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, bestehen üblicherweise aus Blechstreifen oder sog. Blechlagen, die zu bevorzugt zylindrischen Paketen gewickelt werden. Ein solches Paket stellt die Trägermatrix für das Katalysatormaterial dar und wird in eine Metallbüchse oder dgl. eingeschoben, die den sog. Außenmantel des Abgas-Katalysators bildet. Die Blechlagen, welche ihrerseits besonders strukturiert sein können, um mit den jeweils benachbarten Blechlagen im zusammengebauten Zustand einzelne Gaskanäle für das im Katalysator zu reinigende Gas bzw. Abgas zu bilden, werden üblicherweise am Außenmantel fixiert, und hierbei innenseitig desselben mit diesem bevorzugt verlötet, allgemein stoffschlüssig verbunden.
Ein Katalysator-Trägerkörper sollte im Hinblick auf ein gutes Kaltstartverhalten des Katalysators eine möglichst geringe Wärmekapazität besitzen; ferner ist ein geringstmöglicher Strömungswiderstand bezüglich der den Trägerkörper durchströmenden Gase erwünscht. Diese Sachverhalte sind auch in der eingangs genannten DE 197 04 129 A1 beschrieben. Zur Verwirklichung dieser Ziele wird die Wandstärke bzw. Dicke der den Trägerkörper bildenden (gestapelten und/oder gewickelten) Blechlagen so gering als möglich gehalten. Begrenzt wird diese gewünschte Wandstärken-Reduzierung durch mechanische Festigkeitsanforderungen. Im Hinblick hierauf ist in der bereits genannten Schrift vorgeschlagen, daß der Trägerkörper in seinem Inneren eine fachwerkartige Struktur enthält, die aus mindestens zwei Blechlagen gebildet ist, deren Dicke größer ist als die Dicke der anderen Blechlagen.
Ausgehend von der Erkenntnis, daß mit zunehmender Wandstärken-Reduzierung der einzelnen Blechlagen diese insbesondere im Randbereich, in welchem sie mit dem Außenmantel stoffschlüssig verbunden, bspw. verlötet sind, reißen, d.h. den mechanischen Festigkeitsanforderungen nicht mehr genügen können, soll hiermit eine einfach umsetzbare Maßnahme aufgezeigt werden, mit Hilfe derer eine signifikante Wandstärkenreduzierung möglich wird, ohne unzulässig hohe Einbußen hinsichtlich der Festigkeit in Kauf nehmen zu müssen (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen in ihrem Mittenbereich, der vom Außenmantel beabstandet ist, eine geringere Wandstärke bzw. Dicke aufweisen als in ihrem Außenbereich, der am oder nahe des Außenmantels liegt. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung beschreibt Anspruch 2, während in Anspruch 3 ein vorteilhaftes Herstellverfahren für derartige Blechlagen eines erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers angegeben ist.
Erfindungsgemäß weisen die einzelnen den Trägerkörper bildenden Blechlagen über ihrer Oberfläche eine unterschiedliche Dicke bzw. Stärke, d.h. Wandstärke auf. In denjenigen Außenbereichen der Blechlagen-Oberfläche, mit deren Randabschnitten die einzelnen Blechlagen insbesondere mit dem Außenmantel des Katalysators, d.h. mit dem Katalysator-Gehäuse, ggf. aber auch untereinander, stoffschlüssig verbunden sind bzw. werden, sind die Blechlagen dicker als in deren Oberflächen-Mittenbereichen. Mit diesen Mittenbereichen kommen die einzelnen Blechlagen nun im Zentralbereich des Katalysator-Gehäuses zu liegen, d.h. beabstandet vom Außenmantel. In diesen Mittenbereichen sind die mechanischen Festigkeitsanforderungen geringer als in den Außenbereichen, da in den Mittenbereichen keine stoffschlüssige Verbindung erfolgt, da dort die Blechlagen nicht verlötet, sondern nur außen geringfügig beweglich quasi aufgehängt sind. Damit können die Oberflächen-Mittenbereiche der Blechlagen schwächer, d.h. dünner ausgebildet werden, als deren Randbereiche.
Gleichzeitig ist aufgrund üblicher strömungsdynamischer Verhältnisse der Gasdurchfluß durch den Katalysator bzw. durch den Trägerkörper in dessen Zentralbereich größer als in dessen Randbereich. Im Zentralbereich des Trägerkörpers wirkt sich somit eine verringerte Wandstärke der den Trägerkörper bildenden Blechlagen besonders vorteilhaft aus. Zum einen erfolgt hier aufgrund der dünnen Wandstärken und der damit einhergehenden geringen Wärmekapazität erwünschtermaßen eine besonders schnelle, kurzfristige Erwärmung, so daß - bspw. im Anwendungsfall eines Brennkraftmaschinen-Abgaskatalysators dieser Katalysator anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine seine Anspringtemperatur schnellstmöglich erreicht. Zum anderen wird aufgrund der geringen Wandstärke der Strömungswiderstand, den der Trägerkörper dem Gasstrom entgegensetzt, teilweise erheblich reduziert.
Die Blechlagen können, wie dies an sich bekannter Stand der Technik ist, innerhalb des das Katalysator-Gehäuse bildenden Außenmantels unterschiedlich angeordnet, so bspw. gestapelt und/oder gewickelt sein. Eine übliche Bauweise, bei der die vorliegende Erfindung besonders günstig umsetzbar ist, besteht darin, daß die Blechlagen übereinanderliegend im wesentlichen S-förmig gewickelt sind und hierdurch einen Trägerkörper mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt bilden. Bevorzugt können dann die dickeren Randbereiche der einzelnen Blechlagen bezogen auf deren Oberfläche derart breit gestaltet werden, daß diese Randbereiche bezüglich des gewickelten Trägerkörpers in einem Ringbereich liegen, der sich direkt an den das Katalysator-Gehäuse bildenden Außenmantel anschließt und der in Radialrichtung gemessen bis zum 0,1-fachen des Trägerkörper-Durchmessers breit ist. Konzentrisch innerhalb dieses Ringbereiches kommen dann die Blechlagen mit ihren dünneren Mittenbereichen zum Liegen.
Besonders einfach sind erfindungsgemäß gestaltete Blechlagen für einen erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörper durch unterschiedlich starkes Walzen herstellbar. Die Blechlagen eines metallischen Katalysator-Trägerkörpers werden allgemein durch Walzen bzw. allg. durch mechanisches Umformen, hergestellt. Nun müssen lediglich die sog. Mittenbereiche der Blechlagen dünner gewalzt werden als deren sog. Randbereiche, um die für einen erfindungsgemäßen Trägerkörper benötigten Blechlagen zu erhalten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert, wobei die beigefügten Figur 1 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers zeigt, von dem in Figur 2 der Ausschnitt X aus Figur 1 und in Figur 3 eine einzelne noch nicht zum Trägerkörper gewickelte Blechlage dargestellt ist.
Mit der Bezugsziffer 1 ist der metallische Trägerkörper eines Abgas-Katalysators einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine bezeichnet, der innerhalb eines büchsenförmigen Außenmantels 2 angeordnet ist. In den Darstellungen nach den Figuren 1, 2 strömt das im Katalysator zu reinigende Brennkraftmaschinen-Abgas senkrecht zur Zeichenebene durch den Trägerkörper 1, der aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelt gewickelten Blechlagen 3 besteht, zwischen denen Kanäle für das hindurchströmende Gas gebildet sind. Die die Kanalwände bildenden Oberflächen der Blechlagen 3 sind dabei mit dem Katalysator-Material, d.h. mit dem katalytisch wirksamen Material beschichtet.
Wie Figur 1 zeigt sind die aufeinander gestapelten Blechlagen 3 im wesentlichen S-förmig gewickelt, um den im Querschnitt kreisförmigen Trägerkörper 1 zu bilden. Nach dem Wickeln wird der Trägerkörper 1 in den büchsenförmigen Außenmantel 2 eingeschoben und durch Löten, allg. durch eine stoffschlüssige Verbindung, mit diesem fixiert. Wie Figur 2 zeigt sind als Folge dieses Lötvorganges die Randabschnitte der einzelnen Blechlagen 3 mit dem Außenmantel 2 über Lötstellen 4 verbunden.
Figur 3 zeigt eine einzelne Blechlage 3 im ebenen Zustand, d.h. bevor sie zusammen mit weiteren Blechlagen 3 zum Trägerkörper 1 gewickelt wird, und zwar in einer Schnittebene, die derjenigen der Figuren 1, 2 entspricht. Wie weiter oben bereits ausführlich erläutert wurde, weist bzw. weisen die Blechlagen 3 in ihren beiden sog. Randbereichen 5a eine größere Dicke bzw. Wandstärke auf als in ihrem/ihren Mittenbereich(en) 5b. (In der Darstellung nach Figur 3 wird diese Dicke in der vertikalen Richtung gemessen).
Im gewickelten und in den Außenmantel 2 eingeschobenen Zustand kommt - wie ersichtlich - jede Blechlage 3 mit ihren Randbereichen 5a nahe des Außenmantels 2 zum Liegen bzw. die Randabschnitte der Blechlagen 3, die Bestandteil der Randbereiche 5a sind, liegen direkt an der Innenseite des Außenmantels 2 an. Insgesamt liegen - wie Figur 1 zeigt - die Randbereiche 5a in einem sog. Ringbereich 6 des Trägerkörpers 1, der sich nach innen hin an den Außenmantel 2 anschließt und dessen in Radialrichtung gemessene Breite annähernd dem 0,1-fachen des gesamten Trägerkörper-Durchmessers entspricht. Konzentrisch innerhalb dieses Ringbereiches 6 kommen somit die Mittenbereiche 5b der einzelnen Blechlagen 3 zum Liegen.
Weiter oben wurde bereits ausführlich erläutert, daß ein solchermaßen gestalteter Trägerkörper 1 einerseits ausreichend hohe mechanische Festigkeit besitzt, und zwar insbesondere im höchst beanspruchten Bereich nahe der Lötstellen 4, d.h. im Ringbereich 6. Anderseits sind im Raum innerhalb dieses Ringbereiches 6, d.h. im sog. Zentralbereich 7 des Trägerkörpers 1 die einzelnen Blechlagen 3 so dünn ausgebildet, daß der Trägerkörper 1 erwünschtermaßen sowohl einen geringen Strömungswiderstand als auch eine geringe Wärmekapazität besitzt.
In Figur 3 ist unter der Bezugsziffer 8 schematisch noch ein Umformwerkzeug dargestellt, mit Hilfe dessen der sog. Mittenbereich 5b jeder Blechlage 3 dünner gestaltet werden kann, als dessen Randbereiche 5a sind. Konkret kann es sich bei diesem Umformwerkzeug 8 um ein Walzwerkzeug handeln. Die Wandstärken bzw. Dicken-Maße der einzelnen Blechlagen 3 können dabei in deren Randbereichen 5a in der Größenordnung von 60µm bis 100µm und in den Mittenbereichen in der Größenordnung von 20µm bis 50µm liegen, jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (3)

  1. Katalysator-Trägerkörper (1) mit gestapelten und/oder gewickelten Blechlagen (3), die mit ihren Randabschnitten mit einem einhüllenden Außenmantel (2) stoffschlüssig verbunden sind, und wobei die Blechlagen (3) in ihrem Mittenbereich (5b), der vom Außenmantel (2) beabstandet ist, eine geringere Wandstärke / Dicke aufweisen als in ihrem Außenbereich (5a), der am oder nahe des Außenmantels (2) liegt.
  2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und im wesentlichen S-förmig gewickelten Blechlagen (3), deren Randbereiche (5a) in einem Ringbereich (6) liegen, der an den Außenmantel anschließend bis zum 0,1-fachen des Trägerkörper-Durchmessers breit ist.
  3. Verfahren zum Herstellen der Blechlagen (3) für einen Katalysator-Trägerkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittenbereiche (5b) der Blechlagen dünner gewalzt sind als die Randbereiche (5a).
EP00115811A 1999-09-28 2000-07-22 Katalysator-Trägerkörper mit gestapelten und/oder gewickelten Blechlagen Withdrawn EP1088588A3 (de)

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