HELICALLY WOUND CONICAL SHAPE METAL STRIP CATALYST SUPPORTING MATRIX FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES

Abstract: 1. A catalyst support body for internal combustion engines consisting of a supporting matrix with flat (8) and/or corrugated (7) sheet-metal strips which are spirally and, at least in sub-regions, helically wound and are connected to one another and to the inner side of a casing (20) by welding, soldering or sticking, characterized in that the ratio of the width (b) of the sheet-metal strips (7, 8) to the slope(s) of the helix or the diameter of the supporting matrix is so selected that no cross-section through the winding cuts all the sheet-metal strip layers, i.e. the axial spread (h) of the supporting matrix, which is in the form of a hollow cone, is greater than twice the width (b) of the sheet-metal strips (7, 8).

Description: Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysa- tor-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. Index 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 Ratalysator-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 Ab 0 gases von ca. .500 C Betriebstemperatur örtlich. über mehr oder minder grosse Bereiche auf Temperaturen über 9000 C erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äussere Luftkühlung relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 3000 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 W6chseLverfonangen 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 Ratalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen un 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 Richtung, dem 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 Nach barzellen 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 Ver hältnis 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 Ratalysatorkörper 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 Ranälen 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 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 An strömrichtung 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 gleichäässiger als bisher über den Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen rotations symmetrischen 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 Kataly satorkörpers von kegelstumpfartiger Form. Fig. 4 zeigt ebenfalls die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers mit einem W-förmigen Längs schnitt. 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 Ka- talysatorkörper 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 an der 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: Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen Patentansprüche 1. KatalysatorLTrägerkörper 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 DuDdmesser 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.

Inventors: CYRON, THEODOR, DIPL.-ING.
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1984
Main classification: F01N3
IPC codes: F01N7, F01N3