EP0121175A1 - Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen - Google Patents

Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen Download PDF

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EP0121175A1 EP84103016A EP84103016A EP0121175A1 EP 0121175 A1 EP0121175 A1 EP 0121175A1 EP 84103016 A EP84103016 A EP 84103016A EP 84103016 A EP84103016 A EP 84103016A EP 0121175 A1 EP0121175 A1 EP 0121175A1
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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 adhesive bonding.
  • German laid-open specification 29 05 241 describes a catalyst carrier body made of a conical winding, which is intended to improve the known cylindrical windings with regard to the flow, the heat load, the light-off behavior and the ability to be installed.
  • This document relates to winding bodies in the normal and widely used dimensions and at no point attaches the necessary evaluation to the solution of the pending, however not considered thermal expansion problems in the radial direction to the diameter-length ratio. Accordingly, with the solution proposed there, as in the following set out in detail, the aforementioned alternating load breakage risk has not been eliminated.
  • the object of the present invention is a catalyst carrier body made of smooth and / or corrugated, spirally wound and joined in a casing tube sheet metal strips, which avoids the disadvantages mentioned above.
  • a catalyst body according to the first claim is proposed.
  • the ratio of the width of the sheet metal strips to the pitch or the outer radius of the helical winding should be chosen such that no cross section through the winding cuts all layers of sheet metal strips, i.e. the axial_ dimension of the hollow-cone-like carrier matrix is greater than twice the width of the sheet metal strips.
  • a catalyst carrier body designed in this way has the advantage that each cross section perpendicular to the longitudinal axis has only relatively narrow ring zones made of carrier matrix cells, which in the radial direction are not hampered by neighboring cells in the radial direction both outwards and inwards, and are therefore not subject to any plastic alternating deformations as in the case of the previous carrier bodies.
  • the carrier matrix should have a truncated cone shape. If the height of the hollow truncated cone is still greater than twice the width of the winding tape, the advantages described so far are retained, so that the inner part can expand without being obstructed by the casing tube.
  • the catalyst carrier body is W-shaped in longitudinal section. This shape results when the slope changes its sign at one point during the winding of the helical winding. If, in this case as well, the total axial extent of the helical winding exceeds twice the width of the winding tapes, the advantages described are retained. With this arrangement, which is particularly suitable for catalyst bodies of larger diameter, the installation dimensions are considerably reduced compared to the normal-conical shape, without restricting the flexibility of the matrix with regard to the freedom from expansion.
  • the Shapes of the carrier matrix described so far can be produced by initially winding them and then pressing them into the desired shape.
  • the carrier body should consist of a plurality of matrix sections arranged axially one behind the other with a clearance. Because of the narrower width of the winding tapes in accordance with the present invention, it may be that several matrix sections are necessary for adequate catalysis. The division of the total length of the catalytic converter into several narrow sections with free spaces in between leads to a further advantage in another respect. Calculations and tests have shown that with the usual dimensions and gas velocities in the parallel channels of the previous catalytic converters, the flow changes to the laminar state after about 20-30 mm, which is due to the lack of surface contacting for the chemical processes taking place in a catalytic converter of the exhaust gas is less favorable than a turbulent flow.
  • each partial catalyst portion Due to the division into a plurality of partial catalyst bodies arranged one behind the other in the flow direction, each partial catalyst portion is only flowed through in the turbulent state / which considerably improves the catalytic efficiency.
  • the exhaust gas exits the previous catalyst section into the intermediate space to the next section, the exhaust gas is mixed very well, which also contributes to improving the catalytic efficiency in terms of heat distribution, light-off behavior and conversion rate.
  • the cone-like shape of the catalyst body proposed in the first claim flow direction of the hot exhaust gas is opposite.
  • the hot exhaust gases are diverted from the center a little more than before to the peripheral areas of the catalyst body, so that the hot gases are distributed more uniformly than previously over the cross section of the catalyst body will.
  • the conical catalyst carrier body 1 are attached in triplicate in the cylindrical jacket tube 2, which is connected via conical transition pieces 3 and 5 to the cylindrical pipe socket 4 and 6.
  • the arrow on the pipe socket 4 shows the direction of flow of the incoming exhaust gas. It can be seen that the flow is distributed over the entire cross section of the catalyst body due to the conical shape and due to the resistance in the catalyst body.
  • the catalyst bodies are wound in a manner known per se from a smooth 8 and a corrugated 7 sheet metal strip, the outer layer of a corrugated sheet metal strip, for example, abutting the inner surface of the casing tube 2.
  • the sheet metal strips are wound comparatively narrow and helically.
  • the width b of the metal strips and the pitch s of the helical winding, and the overall axial extent h of the helical windings are shown in FIG. 1. It can be seen that a cut perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst carrier body can only cut all winding layers if the axial dimension h is more than twice as large as the width of the winding tapes b.
  • FIG. 3 and 4 show further embodiments for the exhaust gas catalyst carrier body.
  • 3 shows a frustoconical support matrix 9 and
  • FIG. 4 shows a W-shaped shape 10. Viewed axially, these designs look as shown in FIG. 2.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus einer Trägermatrix mit glatten (8) und/oder gewellten (7) Blechbändern, welche wendel- und/oder spiralförmig aufgeweikelt und in einem Mantelrohr (2) fügetechnisch befestigt sind. Dabei sollen Schäden durch wechselnde mechanische und thermische Belastung vermieden werden. Dazu besteht die Trägermatrix aus wendelförmig gewickelten Blechbändern bei denen das Verhältnis von Breite (b) der Blechbänder zu der Steigung (s) bzw. dem Durchmesser so gewählt ist, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, d. h. die axiale Abmessung (h) der hohlkegelartigen Trägermatrix ist größer als die zweifache breite (b) der Blechbänder. Auf diese Weise werden radiale Dehnungen nicht durch das Mantelrohr(2) behindert. Um eine genügende katalytisch wirkende Weglänge zu erreichen, können mehrere Matrix-Teilstücke hintereinander angeordnet werden, wodurch zusätzliche vorteilhafte Verwirbelungen und Durchmischungen bewirkt werden.

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 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 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:.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 Betriebs- .temperatur 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.
  • 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.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift 29 05 241 wird ein Katalysator-Trägerkörper aus einer konischen Wicklung beschrieben, der die bekannten zylindrischen Wicklungen bezüglich der Durchströmung, der Wärmebelastung, des Anspringverhaltens und der Einbaufähigkeit verbessern soll. Diese Schrift bezieht sich auf Wickelkörper in den normal üblichen und vielfach verwandten Abmessungen und mißt an keiner Stelle der Lösung der anstehenden, dort jedoch nicht angedachten thermischen Dehnungsprobleme in radialer Richtungdem Durchmesser-Längenverhältnis die erforderliche Wertung bei. Dementsprechend wird mit der dort vorgeschlagenen Lösung, wie im weiteren noch ausführlich dargelegt, die zuvor genannte Wechselbelastungs-Bruchgefahr nicht beseitigt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator-Trägerkörper aus glatten und/oder.gewellten, spiralig aufgewickelten und in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigten Blechbändern, der die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorkörper nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Danach soll das Verhältnis von Breite der Blechbänder zu der Steigung bzw. dem äußeren Radius der wendelförmigen Wicklung so gewählt sein, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, d.h. die axiale_Abmessung der hohlkegelartigen Trägermatrix ist größer als die zweifache Breite der Blechbänder . Ein so gestalteter Katalysator-Trägerkörper hat den Vorteil, daß jeder Querschnitt senkrecht zur Längsachse nur relativ schmale Ringzonenaus Trägermatrixzellen aufweist, die in radialer Richtung sowohl nach außen wie nach innen nicht von Nachbarzellen in ihrer Dehnungsfreiheit behindert werden und somit keinen plastischen Wechselverformungen unterworfen sind wie bei den bisherigen Trägerkörpern. Da die Dehnungsspannungen der Matrixzellen in Bezug auf die über die Anströmfläche unterschiedlich verteilten Temperaturgradienten mit zunehmender Ringzonenbreite überproportional steigen,sind Trägerkörperstücke.mit geringer Blechbandbreite besonders vorteilhaft. Andererseits entfällt der erfindungsgemäße Vorteil einer ungehinderten radialen Dehnungsfreiheit der Matrixzellen bei Katalysator-Trägerkörpern deren Wickelbandbreite größer als die halbe axiale Ausdehnung der wendelförmigen Wicklung ist. Entsprechendes gilt auch für die Wickelbandbreite im Verhältnis zum äußeren Radius der Wicklung, weil das hohe Widerstandsmoment des gewellten Bandes quer zur Wellungsrichtung wegen der erforderlichen schraubenlinienförmigen Krümmung der Wellenlängsachse nur in geringem Maße eine konische Formung des Wickelkörpers in seiner Längsachse zuläßt. Bei zu großer.Wickelbandbreite verbleibt ein großer Teil der Länge des Trägerkörpers über die Gesamtfläche des Querschnitts senkrecht zur Längsachse vollkommen mit Zellstrukturen gefüllt, so daß in diesem Teil der Matrix die vorgenannten Probleme unverändert auftreten. Dies trifft auch für den oben genannten Katalysatorkörper entsprechend der DE-OS 29 05 241 zu.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstumpfform haben soll. Sofern die Höhe des Hohlkegelstumpfes dabei immer noch größer als die zweifache Breite des Wickelbandes ist, bleiben die bisher beschriebenen Vorteile erhalten,so daß sich der innere Teil ohne Behinderung durch das Mantelrohr ausdehnen kann.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der Katalysator-Trägerkörper im Längsschnitt W-förmig gestaltet ist. Diese Form ergibt sich, wenn die Steigung beim Wickeln der wendelförmigen Wicklung an-einer Stelle ihr Vorzeichen wechselt. Sofern auch in diesem Falle die gesamte axiale Ausdehnung der wendelförmigen Wicklung die zweifache Breite der Wickelbänder überschreitet, bleiben die beschriebenen Vorteile erhalten. Bei dieser Anordnung, die insbesondere für Katalysatorkörper von größerem Durchmesser geeignet ist, werden die Einbaumaße gegenüber der normalkegeligen Form erheblich reduziert, ohne die Flexibilität der Matrix hinsichtlich der Dehnungsfreiheit einzuschränken. Die bisher beschriebenen Formen der Trägermatrix lassen sich durch eine zunächst spiralige Wicklung und anschließendes Drücken in die gewünschte Form herstellen.
  • Im Anspruch 4 wird vorgeschlagen, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten Matrix-Teilstücken bestehen soll. Wegen der entsprechend dem vorliegenden Erfindungsgedanken geringeren Breite der Wickelbänder kann es sein, daß für eine ausreichende Katalyse mehrere Matrix-Teilstücke nötig sind. Die Aufteilung der Katalysator-Gesamtlänge in mehrere schmale Teilstücke mit dazwischenliegenden Freiräumen führt noch zu einem weiteren Vorteil in anderer Hinsicht. 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.
  • Es erscheint zweckmäßig, daß die im ersten Anspruch vorgeschlagene kegelartige Form des Katalysatorkörpers der Anströmrichtung des heißen Abgases entgegengerichtet ist. Bei dieser Anordnung, die auch noch durch eine entsprechende konische Form des Gehäuses verbessert werden kann, werden die heißen Abgase von der Mitte etwas mehr als bisher zu den Randbezirken des Katalysatorkörpers umgeleitet, so daß die heißen Gase gleichmäßiger als bisher über den Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt werden.
  • Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
    • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen rotationssymmetrischen Abgaskatalysator, bestehend aus drei Katalysator-Teilkörpern von hohlkegeliger Form in einem zylindrischen Mantelrohr.
    • Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-A durch Fig. 1.
    • Fig. 3 zeigt die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers von kegelstumpfartiger Form.
    • Fig. 4 zeigt ebenfalls die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers mit einem W-förmigen Längsschnitt.
  • In Fig. 1 sind die kegelförmigen Katalysator-Trägerkörper 1 in dreifacher Stückzahl in dem zylindrischen Mantelrohr 2 befestigt, das über konische Übergangsstücke 3 und 5 mit den zylindrischen Rohrstutzen 4 und 6 verbunden ist. Der Pfeil am Rohrstutzen 4 zeigt die Strömungsrichtung des eintretenden Abgases an. Es ist erkannbar, daß die Strömung aufgrund der konischen Form und aufgrund des Widerstandes im Katalysatorkörper auf den gesamten Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt wird. Die Katalysatorkörper sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in an sich bekannter Weise aus jeweils einem glatten 8 und einem gewellten 7 Blechband aufgewickelt, wobei.z.B. die äußere Lage aus einem gewellten Blechband annder Innenfläche des Mantelrohres 2 anliegt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Blechbänder vergleichsweise schmal und wendelförmig aufgewickelt. Die Breite b der Blechbänder und die Steigung s der wendelförmigen Wicklung, sowie die axiale Gesamtausdehnung h der wendelförmigen Wicklungen sind in Fig. 1 eingezeichnet. Es ist zu erkennen, daß ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Katalysator-Trägerkörpers nur dann niemals alle Wicklungslagen schneiden kann, wenn die axiale Ausdehnung h mehr als doppelt so groß ist wie die Breite der Wickelbänder b.
  • In Figl 3 und 4 werden weitere Ausgestaltungsformen für die Abgaskatalysator-Trägerkörper dargestellt. Dabei -zeigt Fig. 3 eine hohlkegelstumpfförmige Trägermatrix 9 und Fig. 4 eine W-förmige Form 10. Axial betrachtet sehen diese Ausführungen aus, wie in Fig. 2 dargestellt.

Claims (4)

1. Katalysator Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus einer Trägermatrix mit glatten (8) und/oder gewellten (7) Blechbändern, welche wendel- und/oder spiralförmig aufgewickelt und in einem Mantelrohr (2) fügetechnisch befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von Breite (b) der Blechbänder (7,8) zu der Steigung (s) der Wendel bzw. dem Durchmesser der Trägermatrix so gewählt ist, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, d.h. die axiale Ausdehnung (h) der hohlkegelartigen Trägermatrix größer als die zweifache Breite (b) der Blechbänder (7, 8) ist.
2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstumpfform (9) hat.
3. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix im Längsschnitt W-förmig(10) gestaltet ist.
4. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten Matrix-Teilstücken besteht.
EP84103016A 1983-03-30 1984-03-19 Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen Expired EP0121175B1 (de)

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