CATALYST SUPPORTING MATRIX WITH EXPANSION SLOTS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES

Abstract: 1. A catalyst carrier body (1) for internal combustion engines consisting of spirally-wound, smooth (4) and/or corrugated (3) sheet-metal strips which are secured in a tubular casing (2) using a jointing technique, characterized in that the matrix of the catalyst carrier body is divided in the longitudinal direction into plurality of cross-sectional sectors (6, 7, 8) by longitudinal slits (5) which extend approximately radially, or in the direction of chords.

Description: Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen mit Dehnungsschlitzen 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 Verbrennungskraftmaschrnen, 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 A5kEh- lungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plaitiscen Wcse1verfo=iungen schon nach kurzer Betriebszeit reissen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers fuhren 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 tängsaufteilung 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 Dehnunqsm9glichkeiten 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 FUgeverfahren 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. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schlitze die .Gesamtlänge des Katalysator-Träger körpers 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 öffnet 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 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. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit ihren wesentlichen Merkmalen in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen kreis zylindrischen, gewickelten Katalysatorkörper mit drei gleichmässig über denQuerschnitt verteilten radi alen Schlitzen. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Fig. 1. Fig. 3 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen er findungsgemässen Katalysatorkörper mit sehnenför migen Schlitzen. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsge- mässen Katalysatorkörper,bei dem die Schlitze tan gential an dem dichteren Kern des Katalysatorkör pers 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 Man teil rohr 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 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. 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.

Claims: Katalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen mit Dehnungsschlitzen Patentansprüche 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n - e t, 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 Ratalysator Trägerkörpers überdecken. 3. Katalysator-Trägerkörpber nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g. e k e n n z e i c h n e t 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.

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