Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen mit Dehnungsschlitzen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus einer Trägermatrix aus glatten und/oder gewellten Blechbändern, welche spiralförmig aufgewickelt und in einem Mantelrohr(2) fügetechnisch befestigt sind. Dabei sollen Schäden durch wechselnde mechanische und thermische Belastung vermieden werden. Eerfindungsgemäß wird dazu die Matrix in Längsrichtung durch etwa radial oder in Richtung von Sehnen verlaufende Schlitze (5) in mehrere Querschnitts-Sektoren (6, 7, 8) geteilt. Die so entstehenden Querschnitts-Sektoren sind fügetechnisch fest mit dem Mantelrohr (2) verbunden und können sich in die durch die Schlitze gebildeten Freiräume ohne plastische Verformung ausdehnen. Die Schlitze (5) können entweder durch den ganzen Körper (1) hindurchgehen, oder es können von der anderen Seite versetzte Schlitze bis etwas über die Mitte hinaus vorgesehen werden. Bei Betriebstemperatur sind die Schlitze (5) durch thermische Ausdehnung der Sektoren praktisch geschlossen, so daß keine Nachteile für den Weg der Abgase zu erwarten sind.

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] In der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592.9 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet 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 Kraftfahrzeug-, motoren, 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. 500 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 Betriebstemperatur von ca. 300° C noch längere Zeit beibehält und somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert. 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 Wechselverformungen schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers führen können.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 Matriskörpers als quasi Vollflächenkörper gegen das kältere 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, Funkene-rosion,. 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 Schlitze 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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 öffnet sich auch bei kaltem Katalysator-Trägerkörper kein durchgehender Spalt, durch den Gase entweichen könnten.

[0009] 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 turbulenten 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.

[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit ihren wesentlichen Merkmalen in der Zeichnung dargestellt.

[0011] 

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen kreiszylindrischen, gewickelten Katalysatorkörper mit drei gleichmäßig über den Querschnitt verteilten radialen Schlitzen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Katalysatorkörper mit sehnenförmigen Schlitzen.

Fig. 4 .zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsge- . mäßen Katalysatorkörper,bei dem die Schlitze tangential an dem dichteren Kern des Katalysatorkörpers vorbeilaufen und in seiner Nähe enden.

[0012] 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.

[0013] In Fig. 3 ist ebenfalls schematisch ein Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 3 wird der Katalysator-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 zurMitte 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, 13versetzt sind. Dies ist in Fig. 3 durch Strichelung angedeutet.

[0014] 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.

Ansprüche

1. Katalysator-Trägerkörper (1) für Verbrennungskraftmaschinen aus glatten (4) und/oder gewellten (3) und spiralig aufgewickelten Blechbändern, die in einem Mantelrohr (2) fügetechnisch befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Matrix des Katalysator-Trägerkörpers .in Längsrichtung durch etwa radial oder in Richtung von Sehnen verlaufende Längsschlitze (5)in mehrere Querschnitts-Sektoren (6, 7, 8) geteilt ist.

2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schlitze (5) die Gesamtlänge des Katalysator-Trägerkörpers überdecken.

3. Katalysator-Trägerkörpber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schlitze..(5) in Längsrichtung achsparallel angeordnet sind.

4. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schlitze an der Vorder- und Rückseite des Katalysator-Trägerkörpers gegeneinander versetzt und über ein Teilstück seiner Gesamtlänge angeordnet sind.

5. Katalysator-Trägerkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Katalysator-Trägerkörper aus zwei oder mehr mit Abstand voneinander im Mantelrohr angeordneten Scheiben besteht.

Zeichnung