DE2823549B2 - Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung - Google Patents

Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung bestehend aus einem Metallgehäuse, in das ein einteiliges und Gasdurchlässe br> aufweisendes Katalysatorelement derart eingesetzt ist, daß zwischen der Gehäuseinnenfläche und der Außenfläche des Katalysatorelements ein Ringraum freibleibt, in welchem unter Vorbelastung ein zusammendrückbares federnd nachgiebiges Halteelement für das Katalysatorelement angeordnet ist
Diese Vorrichtung ist insbesondere zur katalytischen Gasbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine bestimmt, um die Umweltverschmutzung durch Schadstoffemission der Abgase zu verringern.
Auf Grund der ständig wachsenden Abgabe von Schadstoff enthaltenden Abgasen in die Luft ist die Umwelt schädlichen Belastungen ausgesetzt Die Behandlung derartiger Gase mit dem Ziel, Schadstoffemissionen zu verringern, gewinnt daher immer stärker an Bedeutung.
Besondere Probleme ergeben sich bei der katalytischen Gasbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, die beispielsweise in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist. Abgase von Kohlenwasserstoff-Treibstoff verbrennenden ßrennkraftmaschinen können zu einer beträchtlichen Umweltbelastung führen. Insbesondere die Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff enthaltende Verbindungen wie z. B. Stickoxide und Kohlenmonoxid in den Abgasen sind bekanntermaßen Schadstoffe, deren Umwandlung in weniger schädliche Stoffe heutzutage schon allein aus gesundheitlichen Gründen wichtig ist.
Eine Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung, insbesondere zur wirkungsvollen Reinigung von Abgasen eincir Brennkraftmaschine, die Kohlenwasserstoff oder andere Brennstoffe verbrennen, der eingangs genannten Art, ist aus der US-PS 34 41 381 bekannt, die der DE-OS 14 76 507 entspricht Bei dieser bekannten Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung sind die Stirnseiten des Ringraums mittels eines fest mit dem Metallgehäuse verbundenen Ringfiansches gasdicht abgeschlossen. Dieser Ringflansch ist verzugsweise an dem Metallgehäuse angeschweißt und besteht somit aus einem schweißbaren Material, d. h, aus Metall. Dieser Ringflansch bedeckt einen Teil der Stirnfläche des einteiligen Katalysatorelements und er hat im wesentlichen die Aufgabe, das Katalysatorelement axial unbeweglich festzulegen. Durch die Überdeckung des Ringflansches mit einem ringförmigen Teil der Stirnfläche des Katalysatorelements wird die zur Abgasreinigung wirksame Querschnittsfläche des Katalysatorelements verringert. Da zur Herstellung des Katalysatorelements teure Grundwerkstoffe benötigt werden, ist es wirtschaftlich unvertretbar, nicht den gesamten Querschnitt des Katalysatorelements zur Abgasreinigung zu nutzen. Ferner wirkt die Haltekraft des Ringflansches auf eine relativ schmale Umfangsfläche des Katalysatorelements durch die direkte Anlage unmittelbar ein, so daß das Katalysatorelement in diesem Bereich unter Wärmeeinwirkung beanspruchten Spitzen ausgesetzt ist, die leicht zum Brechen des Katalysatorelements führen können, da das Katalysatorelement bekanntlich leicht zerbrechlich und insbesondere gegen mechanische Beanspruchungen sehr empfindlich ist. Das Katalysatorelement wird mittels eines federnden, nachgiebigen Halteelements im allgemeinen unter Druck im Ringraum zwischen dem Metallgehäuse und dem Katalysatorelement gehalten. Das das Katalysatorelement umgebende nachgiebige Halteelement dient zum Ausgleichen von Dehnungsunterschieden zwischen dem Katalysatorelement und dem Metallgehäuse mit dem Ziel, ein Brechen des Katalysatorelements insbesondere unter Berücksichtigung der sich meist zyklisch ändernden Betriebstemperaturen der Vorrichtung zu vermeiden, die sich etwa auf 8000C oder mehr
belaufen können. Das federnde, nachgiebige Halteelement absorbiert Ferner auch durch Schwingungen verursachte Stöße am Metallgehäuse oder an dem Katalysatorelement und verringert hierdurch ebenfalls die Bruchgefahr des Katalysatorelements.
Der Erfindung liegt zur Überwindung der zuvor angegebenen Schwierigkeiten die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Effektivität zu verbessern und unter Beibehaltung einer sicheren Festlegung des Katalysatorelements im wesentlichen seine gesamte Querschnittsfläche zur katalylischen Abgasbehandlung zu nutzen, wobei das Katalysatorelement mit konstruktiv und montagetechnisch unkomplizierten sowie vielseitig verwendbaren Mitteln im Gehäuse festlegbar sein soll.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in die entgegengesetzten Endflächen des Ringraums Sperrstopfen um den Umfang des Katalysatorelements eingesetzt sind, die wenigstens teilweise in den Ringraum ragen und ein Halteelement in axialer Richtung derart vorbelasten, daß das Material des Halteelements pro Volumeneinheit des Ringraums um mindestens 20% dichter als in axial unbelastetem Zustand gepackt ist.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Auslegung der Vorrichtung zur katalytischen Gasbeh ndlung ist die Auslegung des Halteelements für das Katalysatorelement und die Anordnung von Sperrstopfen, die teilweise in den Ringraum zwischen der Gehäuse innenfläche und der Außenfläche des Katalysatorelements ragen. Da erfindungsgemäß das Halteelement nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in Längsrichtung, d. h. in axialer Richtung des Metallgehäuses der Vorrichtung zusammendrückbar ist, können die erfindungsgemäß vorgesehenen Sperrstopfen an den Stirnseiten des Ringraums zwei wesentliche Funktionen erfüllen. Zum einen bildet ein derartiger Sperrstopfen einen gasdichten Abschluß des Ringraums, so daß dieser von dem zu reinigenden Abgasstrom nicht durchströmt werden kann und zum anderen kann der Sperrstopfen nach der Erfindung derart in den Ringraum eingesetzt werden, daß die Querschnittsfläche des Katalysatorelements nicht bedeckt und daß er in Abhängigkeit von der Einschubtiefe in den Ringraum das axial zusammendrückbare Halteelement in axialer Richtung so unter Vorbelastung setzt, daß das Halteelement durch die axiale Vorbelastung eine stärkere radial wirkende Haltekraft auf das Katalysatorelement über die gesamte Umfangsfläche desselben verteilt ausübt. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung kann somit die gesamte Querschnittsfläche des Katalysatorelements als wirksame Querschnittsfläche zur Gasbehandlung genutzt werden und gleichzeitig wird die Haltekraft zum axialen Festlegen des Katalysatorelements über dessen gesamte Umfangsfläche verteilt, so daß an dem Katalysatorelement keine Beanspruchungsspitzer, auftreten, die bisher zu einem abrupten Brechen des Katalysatorelements führen konnten. Hierdurch wird erreicht, daß das Katalysatorelement bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich langlebiger ist.
Aus der US-PS 34 41382 sind Distanzelemente zwischen dem Metallgehäuse und dem Katalysatorelement vorgesehen, die stopfenförmig ausgebildet sind. Diese Distanzelemente bilden eine Halterung für das Katalysatorelement und sind in Form von keramischen Blöcken ausgebildet. Diese keramischen Blöcke zur Halterung des Katalysatorelements beaufschlagen das Katalysatorelement allseitig mit einer beträchtlichen Druckkraft, so daß das Katalysatorelement bei der Verwendung einer derartigen Halterung leicht zum Brechen neigt Ferner ist es hieraus bekannt, keramische Fasermaterialien als federnde, nachgiebige Halteelemente zu verwenden.
Die stopfenförmigen Teile, die Sperrstopfen nach der Erfindung hingegen erfüllen im wesentlichen die beiden
ίο zuvor beschriebenen Funktionen gleichzeitig, was mit den Halteelementen nach der US-PS 34 41 382 nicht erreicht wird.
Wenn der Sperrstopfen aus einem Drahtnetzgeflecht aus sehr stark zusammengedrücktem, engmaschigem Material besteht, werden mehrere Lagen aus einem cJerartigen engmaschigen Material übereinandergefaltet und in den Zwischenraum zwischen dem einteiligen Katalysatorelement und der Gehäuseinnenfläche eingepreßt. Im Vergleich zu den Gasdurchlaßkanälen des Katalysatorelements setzt ein derartig ausgebildeter Sperrstopfen dem Gasstrom einen so starken Widerstand entgegen, daß der Sperrstopfen für den Gasstrom praktisch undurchlässig ist. Somit erreicht die Vorrichtung nach der Erfindung trotz der Verwendung eines Materials für den Sperrstopfen, das nicht massiv, sondern maschenartig ist, einen sicheren, gasdichten Abschluß der entgegengesetzten Endflächen des Ringraums.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den
in Ansprüchen 2 bis !0 angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur
Ji katalytischen Gasbehandlung und
Fig. 2 bis 10 vergrößerte A.usschnittsansichten des Teilausschnitts A-A in F i g. 1 von verschiedenen Ausführungsformen der Sperrstopfen für die Vorrichtung zur katalytischen Gasbehandlung.
Die in Fi g. 1 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur katalytischen Gasbehandlung besteht aus einem Metallgehäuse 12 und kegelstumpfförmigen stirnseitigen Abschlußelementen 14 und 16. Eine Einlaßleitüng 18 ist einstückig mit dem kegelstumpfförmigen Abschlußelement 14 ausgebildet und desgleichen eine Auslaßleitung 20 einstückig mit dem kegelstumpfförmigen stirnseitigen Abschlußelement 16. Die Einlaß- und Auslaßleitungen 18 und 20 stellen eine Verbindung mit der Vorrichtung 10 zur katalytischen Gasbehand-
w lung und einer Abgasquelle her, die beispielsweise Gase liefert, die aus einer Brennkraftmaschine austreten. Die Abgase können vordem Eintritt in die Einlaßleitung 18 mit Sauerstoff vermischt werden, beispielsweise aus einer Luftquelle oder einem anderen Reaktionsmittel.
Die Vorrichtung 10 zur katalytischen Gasbehandlung besteht hauptsächlich aus einem Metallgehäuse 12, das typischerweise einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 5 bis 20 cm und dessen Länge
W) in der Größenordnung von etwa 5 bis 30 cm liegt. Die kegelstumpfförmigen stirnseitigen Abschlußelemente 14 und 16 liegen jeweils am Gaseinlaß- und Gasauslaßende des Metallgehäuses 12 an und sind damit beispielsweise durch Schv/eißen verbunden. Das Metallic gehäuse 12 und die stirnseitigen Abschlußelemente können einen vom Kreisquerschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen.
Das kegeistumpfförmige stirnseitige Abschlußele-
ment 14 ist derart bemessen, daß die Abgase über den gesamten oder im wesentlichen den gesamten Querschnittsbereich des stromaufwärts liegenden Abschnitts des Metallgehäuses 12 verteilt werden und eintreten, wodurch diese Abgase gezwungen werden, in alle oder im wesentlichen in alle Einlaßöffnungen der Gasdurchlässe 26 im einteiligen keramischen Katalysatorelement 28 einzutreten, das innerhalb des Metallgehäuses 12 liegt und einen ähnlichen Querschnitt wie das Metallgehäuse 12, jedoch mit geringfügig kleineren in Abmessungen aufweist. Die Einlaßöffnungen 24 sind über den gesamten oder im wesentlichen gesamten Bereich der Einlaßstirnseite 30 des einteiligen Katalysatorelements 28 angeordnet.
Das kegelstumpfförmige stirnseitige Abschlußelement 16 weist ähnliche Abmessungen wie das kegelstumpfförmige stirnseitige Abschlußelement 14 auf und hat somit derartige Abmessungen, daß ein freier Durchgang der Gase aus den Gasdurchlässen 26 über die Auslaßöffnungen 32 an der auslaßseitigen Stirnflä- 2n ehe 34 des Katalysatorelements 28 erreicht wird. Dieser freie Gasdurchgang führt dazu, daß die Gase aus den Gasdurchlässen 26 ohne einen merklichen Rückdruck austreten.
Eine Schicht 43, die beispielsweise aus Fiberfax-Zement, einem faserartigen Aluminiumsilikat besteht, kann an der Außenfläche des Katalysatorelements 28 vorgesehen sein, um die Poren an der Außenfläche des Katalysatorelements zu verschließen und ferner als Schutzüberzug zu dienen. Ein Ringraum 36 mit im Jo wesentlichen gleichförmiger Breite bleibt zwischen der Innenfläche des Metallgehäuses 12 und der Außenfläche des Katalysatorelements 28 frei. Der Ringraum 36 erstreckt sich vollständig um das Katalysatorelement 28 längs der gesamten Länge desselben. Der Ringraum 36 J"> weist typischerweise eine Breite in der Größenordnung von 3,2 mm auf.
Ein federndes nachgiebiges Halteelement 42 ist im Ringraum 36 zwischen dem Katalysatorelement 28 und der Innenfläche des Metallgehäuses 12 angeordnet. ·"> Obgleich das Halteelement 42 das Katalysatorelement 28 festhält, ist die radiale Haltekraft, die sich aus der bloßen Anordnung des Halteelements 42 zwischen dem Katalysatorelement 28 und dem Metallgehäuse 12 ergibt, nicht ausreichend, um eine Längsbewegung des Ί5 Katalysatorelements 28 gegenüber dem Metallgehäuse 12 während des Gebrauchs der Vorrichtung zu verhindern. Das federnde, nachgiebige Halteelement 42 erstreckt sich im wesentlichen vollständig um das Katalysatorelement 28 und in Lingsrichtung längs im so wesentlichen des Hauptteils der Länge des Katalysatorelements. Das Halteelement 42 ist derart beschaffen, daß es sowohl radial als auch in Längsrichtung gegenüber dem Katalysatorelement 28 zusammendrückbar ist.
Beispielsweise ist das federnde, nachgiebige Halteelement 42 ein gewelltes Metallteil, das mit Löchern versehen ist, beispielsweise ein gewelltes Metallgewebe. Obgleich andere geeignete, nachgiebige Werkstoffe verwendbar sind, die sowohl in radialer als auch in **> Längsrichtung der Vorrichtung zusammendrückbar sind, wird ein keramisches Fasermaterial in Mattenform oder ein keramischer Fasermantel bevorzugt Die Isoliereigenschaften eines aus einer keramischen Faser bestehenden Halteelements tragen dazu bei, die bei der b5 Reaktion der behandelten Gase entstehende Wärme zurückzuhalten und die Aktivierungstemperaturen des Katalysators beizubehalten.
Bei der Verwendung eines derartigen keramischen Fasermaterials wäre die innerhalb der Vorrichtung erzeugte Temperatur bei einem Betrieb, der beispielsweise Oxidation verursacht, erheblich größer an der Außenfläche des Katalysatorelements 28 als an der Oberfläche des Metallgehäuses, was auf den thermischen Isolationseigenschaften des keramischen Fasermaterials zurückzuführen ist. Der Unterschied zwischen diesen Temperaturen an den beiden Oberflächen in der Mitte der Vorrichtung wurde in der Größenordnung von näherungsweise 316°C ermittelt, wenn die Temperatur am Katalysatorelement näherungsweise 6480C bis 759CC betrug. Dieser Temperaturunterschied führt zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Metallgehäuse 12 und dem Katalysatorelement 28, wodurch sich die Breite des Ringraums 36 um typischerweise etwa 0,381 mm vergrößert Das Haltelement 42 wäre mühelos in der Lage, diesen Bereich bei geringer Änderung seines radialen Anpreßdruckes auf das Katalysatorelement auszufüllen.
Ein Sperrstopfen 44 ist mindestens teilweise innerhalb des Ringraums 36 zwischen der Innenfläche des Metallgehäuses 12 und dem Umfang der stromaufwärts liegenden Stirnseite 30 des Katalysatorelements 28 angeordnet. In den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erstreckt sich der Sperrstopfen 44 vollständig um das Katalysatorelement 28 und bildet eine kontinuierliche Sperre um den Umfang des Katalysatorelements, um den Durchgang ungereinigter Abgase zu dem Ringraum 36 zu sperren, ohne irgendwelche Einlaßöffnungen 24 zu blockieren.
Ein ähnlicher Sperrstopfen 45 ist mindestens teilweise innerhalb des Ringraums 36 an der Stirnseite 34 am Gasauslaßende des Katalysatorelements 28 dieses völlig umgebend angeordnet Der Sperrstopfen 45 stellt somit eine den Umfang des Katalysatorelements 28 umgebende kontinuierliche Sperre dar, um die Gasströmung durch den Ringraum 36 zu sperren, ohne irgendwelche Auslaßöffnungen 32 der Gasdurchlässe 26 im Katalysatorelement 28 zu blockieren.
Während des Betriebs kann der Temperaturunterschied an den Randbereichen des Katalysatorelements, wo die Sperrstopfen angeordnet sind, typischerweise etwa 149° C oder etwas weniger betragen. Dieser Umstand führt zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Metallgehäuse 12 und dem Katalysatorelement 28, wodurch sich die Breite des Ringraums 36 um typischerweise etwa 0,2 mm vergrößert. Somit sind die Sperrstopfen 44 und 45 bestrebt, die Berührung mit der Außenfläche des Katalysatorelements 28 zu verlieren, wobei unabhängig, ob dies eintritt oder nicht, der ursprüngliche radiale Anpreßdruck unmittelbar durch das federnde Halteelement 42 auf das Katalysatorelement 28 übertragen wird, um dies während des Betriebs gegen eine axiale Bewegung zu halten.
Während des Einbaus des Katalysatorelements 28 in das Metallgehäuse 12 erfährt das federnde, nachgiebige Halteelement 42 eine Druckbeanspruchung zwischen der Außenfläche des Katalysatorelements und der Innenfläche des umgebenden Metallgehäuses 12. Je näher die Sperrstopfen 44 und 45 in Längsrichtung dei Mitte der Vorrichtung liegen, verringert sich der vom federnden Haltelement 42 eingenommene Raum und bestimmt im allgemeinen die Größe der von der Sperrstopfen 44 und 45 auf das federnde Halteelement 42 ausgeübten Druckkraft Die Sperrstopfen 44 und 45 sind innerhalb des Ringraums 36 angeordnet um das
federnde Halteelement 42 in Längsrichtung genügend zusammenzudrücken, um die radiale Haltekraft zu erhöhen und während des Betriebs zu bewirken, daß das Katalysatorelement 28 axial unbeweglich festgehalten ist. Dieses Zusammendrücken reicht zumindest aus, das ί federnde Halteelement 42 zu veranlassen, das Katalysatorelement zufriedenstellend gegen eine unerwünschte Längs- oder Axialbewegung innerhalb des Metallgehäuses zu halten, ohne daß Flansche oder dergleichen erforderlich sind, die die Stirnseiten des Katalysatorenments übergreifen. Das Ausmaß eines derartigen Zusammendrückens des federnden Halteelements 42 durch die Sperrstopfen 44 und 45 bewirkt im allgemeinen eine Erhöhung der vom Halteelement 42 auf das Katalysatorelement ausgeübten Haltekraft um mindestens 5%, bezogen auf eine derartige Kraft vor dem Zusammendrücken des federnden Halteelements 42 durch die Sperrstopfen 44 und 45, wobei die Erhöhung vorzugsweise mindestens etwa 10% beträgt.
Viele, wenn nicht alle der verwendbaren federnden Halteelemente haben einen solchen Aufbau, daß zumindest vor dem Zusammendrücken in Längsrichtung, beispielsweise durch die Sperrstopfen 44 und 45, nur ein geringer Teil des Ringraums 36 durch das massive Material der nachgiebigen Halteelemente 42 eingenommen wird, obgleich die Außenabmessungen des Halteelementes 42 jenem des Ringraums 36 entsprechen können. Das nachgiebige Halteelement 42 kann Hohlräume aufweisen, wie z. B. bei Fasermatten, Drahtgeweben u. dgl. Auf jeden Fall ist das federnde m Material nach dem Zusammendrücken in Längsrichtung innerhalb eines noch kleineren Teils des Ringraums 36 angeordnet. Beispielsweise kann vor dem Zusammendrücken in Längsrichtung die Menge des massiven Materials je Volumeneinheit des Ringraums 36, die vom federnden Halteelement 42 eingenommen wird, kleiner als etwa 10% oder sogar kleiner als etwa 5% sein. Das Zusammendrücken des Halteelements 42 in Längsrichtung, das beispielsweise durch das Einsetzen der Sperrstopfen 44 und 45 in die in der Zeichnung ίο dargestellte Lage bewirkt wird, erhöht die Menge des massiven Materials je Volumeneinheit des Ringraums 36 um mindestens 20% und vorzugsweise mindestens 40%, bezogen auf diese Menge vor dem Einsetzen der Sperrstopfen. Falls erwünscht, weist zwecks Erzielung einer verbesserten Haltewirkung auf das Katalysatorelement 28 das federnde Halteelement 42 sogar eine Länge im nicht zusammengedrückten Zustand auf, die größer als die Länge des Katalysatorelements 28 ist, so daß, wenn die Vorrichtung montiert ist, das Halteelement 42 durch die Sperrstopfen 44 und 45 in Längsrichtung für ein gegebenes Endvolumen des Ringraums 36 in stärkerem Maße zusammgengedrückt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 bestehen die Sperrstopfen 44 und 45, von denen nur der letztere dargestellt ist, aus massivem Metall und sind mit einem Festsitz über den Rand des Katalysatorelements 28 aufgebracht Der Festsitz wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die Sperrstopfen 44 und 45 von jeder Stirnseite des Katalysatorelements 28 nach innen in den Ringraum 36 gedrückt werden. Dieses Einsetzen kann zu einem geringfügigen Abquetschrand 49 führen, der an der Seitenfläche des Katalysatorelements entsteht und beispielsweise etwa 0,254 bis 0,76 mm in Radiairichtung tief ist Dieser Abquetschrand 49 erhöht zusätzlich die Sperrwirkung der Sperrstopfen 44 und 45 auf das federnde Halteelement 42 und bildet eine geringe zusätzliche formschlüssige Verbindung, die eine axiale Bewegung des Katalysatorelements 28 verhindert.
Die Sperrstopfen 44 und 45 sind zumindest indirekt fest mit der Innenfläche des Metallgehäuses 12 verbunden. Die Sperrstopfen können einmal direkt mit der Fläche verschweißt sein, beispielsweise gemäß F i g. 2 mit der Schweißnaht 50. Gemäß einer in F i g. 3 gezeigten Alternative kann ein Haltering 48 vorgesehen werden, um die Sperrstopfen an einer Bewegung gegenüber dem Metallgehäuse zu hindern, wobei die Innenfläche 55 des Halterings 48 radial außerhalb des Katalysatorelements 28 angeordnet ist. Beispielsweise ist in Fig.3 ein abgewinkelter Ring 48 mit der Innenfläche des Metallgehäuses 12 mittels der Schweißnaht 53 verschweißt und hält einen massiven metallischen, sich verjüngenden Sperrstopfen 45 in seiner Lage im Ringraum 36. Das kleinere Ende des Sperrstopfens 45 ragt nach innen in den Ringraum 36. Die sich verjüngende Formgebung des Sperrstopfens 45 und eines ähnlichen (nicht dargestellten) Sperrstopfens 44 am entgegengesetzten Ende des Katalysatorelements 28 dient zum Zusammendrücken des federnden Halteelements 42 in Längsrichtung und zur Erhöhung der radialen Haltekraft des nachgiebigen Halteelements 42 am Katalysatorelement 28 in der vorausgehend beschriebenen Weise.
Die F i g. 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen, bei welchen die Sperrstopfen 44 und 45 aus einem zusammengepreßten Drahtgewirkmaterial bestehen. Diese Art eines Sperrstopfens hat Federeigenschaften, die bezüglich des Prozentsatzes an massivem Material im Gesamtvolumen des ursprünglichen Sperrstopfens veränderbar sind, sowie bezüglich des Ausmaßes des weiteren Zusammendrückens der Sperrstopfen während des Zusammenbaus der Vorrichtung, damit eine möglichst wirksame Zusammenarbeit mit dem ursprünglichen federnden Halteelement 42 beim Festlegen des Katalysatorelements gegenüber einer Axialbewegung unter Erzielung der Sperrwirkung erreicht wird. In F i g. 4 ist der Sperrstopfen 45 aus zusammengedrücktem Drahtgewirk unmittelbar mit dem Metallgehäuse 12 durch eine Heftschweißung 50 verbunden. Ein Unterlegstück 59 kann zwischen dem Sperrstopfen und dem Katalysatorelement angeordnet werden und umgibt das letztere. Sperrstopfen 44 und 45 (wovon der erstgenannte nicht dargestellt ist) aus zusammengedrücktem Drahtgewirk sind gemäß F i g. 5 von einem Blechmantel 52 umgeben. Der Blechmantel 52 trägt dazu bei, einen Gaseintritt in den Ringraum 36 zu verhindern.
Bei der in F i g. 6 dargestellten Ausführungsform ist der abgewinkelte Ring 48 mit dem Metallgehäuse durch eine Schweißung 50 verbunden, um einen sich verjüngenden Sperrstopfen 45 aus zusammengedrücktem Drahtgewirk gegen das federnde Halteelement 42 anzupressen. Eine ähnliche Anordnung kann am entgegengesetzten Ende des Katalysatorelements 28 in der Vorrichtung gemäß F i g. 6 wie in allen dargestellten Ausführungsformen vorhanden sein. Ferner können unterschiedliche Ausführungsformen an den jeweiligen Enden des Katalysatorelements 28 in einer bestimmten Vorrichtung vorgesehen werden.
Gemäß den F i g. 7 und 8 sind Sperrstopfen 44 und 45 (wovon der letztgenannte dargestellt ist) aus einem Metallring mit U-förmigen Querschnitt 53 gebildet und im Ringraum 36 angeordnet, um das Halteelement 42 in Längsrichtung zusammenzudrücken, wobei die offene Seite des U-Profils in Längsrichtung vom Katalysator-
element 28 abgewandt ist. Der Krümmungsradius des Querschnitts 53 kann derart gewählt werden, daß die Sperrstopfen 44 und 45 die gewünschte in Längsrichtung wirksame Druckkraft auf das federnde Halteelement 42 ausüben. Die U-förmige Gestalt der Sperrstopfen 44 und 45 erzeugt eine federnde Hahekraft in radialer Richtung und führt typischerweise zu einer öffnung bei der Anwendung hoher Temperatur. Diese Ausdehnung tendiert dazu, Eigenspannungen in den Sperrstopfen abzubauen und liefert eine zusätzliche radiale Haltekraft am Katalysatorelement 28 bei den Betriebstemperaturen, bei denen die Vorrichtung verwendet wird.
Die Fig.9 und 10 stellen Ausführungsformen der Vorrichtung dar, bei denen die Sperrstopfen dünnwandige, hohle, abgeschlossene, gasgefüllte Ringe umfassen. Diese Sperrstopfen 44 und 45 (wovon nur der letzte dargestellt ist) können einen beliebigen, aus mehreren Querschnittsformen gewählten Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen ovalen, kreisförmigen, rechteckförmigen oder hexagonalen. Der in den Sperrstopfen herrschende Gasdruck kann verändert werden, um die Ausübung einer wirksamen längsgerichteten Kraft auf das federnde Halteelement 42 zu unterstützen. Der Anstieg im Gasdruck innerhalb des Sperrstopfens infolge der hohen Betriebstemperaturen der Vorrichtung kann eine zusätzliche radiale Haltekraft für das Katalysatorelement 28 liefern, während die Sperrstopfen ihre stirnseitige Sperrwirkung beibehalten.
Die Metallteile der Vorrichtung können aus Eisenoder Nicht-Eisenmetallen bestehen, die den hohen Temperaturen widerstehen, denen die Vorrichtung ausgesetzt ist, beispielsweise bis zu etwa 800° C und höher. Das eingesetzte Katalysatorelement 28 kann eine einteilige, massive, feuerfeste, keramische Skelettanordnung aus beispielsweise Cordierit als monolithische Halterung umfassen. Ein katalytisch aktives, feuerfestes Metalloxid, beispielsweise y-Oxide oder aktiviertes Aluminiumoxid, kann an der Oberfläche der Gasdurchlässe 26 vorgesehen sein. Der katalytisch beschleunigende Metallbestandteil kann vom aktiven, feuerfesten Metalloxid getragen werden. Der katalytische Metallbestandteil kann beispielsweise ein Metall aus der Platingruppe, ein Grundmetall oder Kombinationen hiervon auf dem aktiven feuerfesten Metalloxid aufgebracht enthalten. Gemäß einer Alternative kann das katalytische Metall auch unmittelbar an den Flächen der Skelettanordnung aufgebracht sein. Das Katalysatorelement kann eine Vielzahl von Reaktionen beschleunigen, beispielsweise Oxidation, Reduktion oder beide.
Die einteilige Halterung für das Katalysatorelement kann im allgemeinen dahingehend charakterisiert werden, daß sie eine große Anzahl von Gasdurchlässen aufweist, die in der allgemeinen Richtung der Gasströmung verlaufen. Der aufgebrachte Katalysator kann in der Vorrichtung derart angeordnet sein, daß das einteilige Katalysatorelement den Hauptteil des Querschnittsbereichs der Reaktionszone einnimmt, wobei der Ringraum 36 zwischen derselben und der Gehäusewand liegt. Vorteilhafterweise ist das einteilige Katalysatorelement so ausgebildet, daß es der Form des Metallgehäuses entspricht, in der es angeordnet werden soll, und das einteilige Katalysatorelement ist in der Anordnung in Längsrichtung ihrer Gasdurchlässe gehalten, d. h. die Gasdurchlässe erstrecken sich in der allgemeinen Richtung des Gasstroms, so daß die Gase während ihres Durchtritts durch die Vorrichtung durch die Gasdurchlässe strömen. Die Gasdurchlässe brauchen nicht geradlinig durch die Katalysatoranordnung verlaufen und können Strömungsablenkeinrichtungen oder Spoiler enthalten.
<s Die Halteskelettanordnung besteht vorzugsweise aus einem im wesentlichen chemisch und katalytisch inertem, starrem, massivem Material, das seine Form und Festigkeit bei hohen Temperaturen, beispielsweise bis zu etwa 11000C oder mehr beibehält. Die
ίο Halteskelettanordnung kann einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine gute Beständigkeit gegen thermische Stoßbeanspruchung und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Obgleich die Halteskelettanordnung Glaskeramik sein kann, ist sie vorzugsweise unglasiert und kann im wesentlichen völlig kristalline Gestalt aufweisen und durch die Abwesenheit jedes merklichen Anteils an glas- oder porzellanartigen Stoffen gekennzeichnet sein. Ferner kann die Halteskelettanordnung Wände mit beträchtlieher zugänglicher Porosität aufweisen, im Gegensatz zu dem im wesentlichen nicht-porösen Porzellan für elektrische Anwendungen, beispielsweise bei der Herstellung von Zündkerzen, das durch eine verhältnismäßig kleine zugängliche Porosität gekennzeichnet ist.
Die Halteskelettanordnungen können beispielsweise einen der nachfolgenden Stoffe und mehrere hiervon umfassen: Cordierit, Cordierit-alpha-Aluminiumoxid, Zircon-Mullit, Spodumen, Aluminiumdioxid, Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Sillimannit, Magnesiumsilikate,
jo Zircon, Petalit- «-Aluminiumoxid und Aluminosilikate.
Die Gasdurchlässe des einteiligen keramischen Katalysatorelements können dünnwandige Kanäle sein, die einen verhältnismäßig großen Anteil an Oberflächenbereich liefern. Die Kanäle können eine Querschnittsform und Größe oder mehrere Querschnittsformen und -größen aus einer Vielzahl derselben aufweisen. Die Kanäle können beispielsweise eine trapezförmige, rechteckförmige, dreieckförmige, quadratische, hexagonale, sinusförmige oder kreisförmige Querschnittsform aufweisen, so daß die Querschnitte ein sich wiederholendes Muster bilden, das als Honigwabenmuster, Wellen- oder Gitteranordnung beschrieben werden kann. Die Wände der zellenförmigen Kanäle haben im allgemeinen eine Stärke, die zur Erzielung eines festen einteiligen Körpers erforderlich ist und die Stärke liegt häufig im Bereich von etwa 0.051 mm bis 0,635 mm oder größer. Die Anordnung kann von etwa 8 bis 388 oder mehr Gaseinlaßöffnungen für die Gasdurchlässe je cm2 des Querschnitts aufweisen und eine entsprechende Anzahl von Gasdurchlässen, vorzugsweise etwa 23 bis 78 Gaseinlässe und Gasdurchlässe je cm2. Der offene Bereich des Querschnitts kann mehr als 60% der Gesamtfläche betragen. Die Größe und Abmessungen der einteiligen Halteskelettanordnung können geändert werden. Die Halteskelettanordnung ist einteilig oder monolithisch in dem Sinne, daß ein beträchtlicher Anteil, vorzugsweise ein Hauptteil oder sogar im wesentlichen der gesamte Querschnitt, aus einer zwischen sich verbundenen Skelettanordnung oder -einheit besteht Im allgemeinen hat eine derartige Einheit einen Querschnittsbereich von mindestens etwa 12,9 cm2 und vorzugsweise mindestens etwa 25,8 cm2.
Bei einer Betriebsweise treten die Abgase einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer mit Zündfunken und Hubkolben arbeitenden Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder Gabelstaplers, die brennbare, luftverunreinigende Bestandteile, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, oxidierte Kohlenwasserstoffe und Koh-
lenmonoxid enthalten, mit hoher Geschwindigkeit aus der Auspuffanlage der Brennkraftmaschine aus, und zwar in Mischung mit einer Sauerstoffmenge, die für die Verbrennung der brennbaren Bestandteile erforderlich ist, und vorzugsweise über der stöchiometrischen, für diese Verbrennung erforderlichen Menge liegt. Der Sauerstoff kann in den Abgasen enthalten sein, weil die Maschine mit einem mageren Gemisch arbeitet oder Sauerstoff, beispielsweise als Luft, kann den Abgasen zugegeben werden. Die Sauerstoff enthaltenden Abgase gehen mit erhöhter Temperatur an der Einlaßleitung 18 der Vorrichtung 10 zur katalytischen Gasbehandlung vorbei und treten in und durch die Vielzahl der Gasdurchlässe 26, die sich durch ein von einem Träger gehaltenes Katalysatorelement 28 erstrecken. Das
Gemisch gelangt in Berührung mit dem aktiven Katalysatorbestandteil und innerhalb der Gasdurchlässe 26 bei einer Temperatur von typischerweise etwa 150° C bis 700°C, so daß die brennbaren, die Luft verunreinigenden Bestandteile in unschädlichere Gase, wie beispielsweise CO2 und H-O oxidiert werden. Die auf diese Weise gereinigten Gase gelangen von der Vorrichtung 10 durch die Auslaßleitung 20 entweder unmittelbar zur Umgebung oder in ein Auspuffrohr oder eine Auspuffleitung zur anschließenden Abgabe nach außen. Während dieses Vorgangs wird das Katalysatorelement verhältnismäßig stationär, aber federnd, innerhalb des Metallgehäuses 12 durch das federnde Halteelement 42 gehalten.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur katalytischer) Gasbehandlung bestehend aus einem Metallgehäuse, in das ein einteiliges und Gasdurchlässe aufweisendes Katalysatorelement derart eingesetzt ist, daß zwischen der Gehäuseinnenfläche und der Außenfläche des Katalysatorelementes ein Ringraum freibleibt, in welchem unter Vorbelastung ein zusammendrückbares, federnd nachgiebiges Halteelement für das Katalysatorelement angeordnet ist, und welcher an entgegengesetzten Endflächen gasdicht abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die entgegengesetzten Endflächen des Ringraumes (36) Sperrstopfen (44, 45) um den Umfang des Katalysatorelements (28) eingesetzt sind, die wenigstens teilweise in den Ringraum (36) ragen und ein Halteelement (42) in axialer Richtung derart vcrbelasten, daß das Material des Halteelements (42) pro Volumeneinheit des Ringraums (36) um mindestens 20% dichter als in axial unbelastetem Zustand gepackt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (42) ein keramisches Fasermaterial enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Einrichtung (55) zum Festlegen der Sperrstopfen (44, 45) bezüglich des Gehäuses (12) vorgesehen ist, dessen Innenfläche radial außerhalb der Gasdurchlässe des Katalysator- Ju elements (29) liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrstopfen (45) ein zusammengepreßtes Drahtsieb enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- r> zeichnet, daß der Sperrstopfen (45) mit einem Metallblechmantel (52) umgeben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrstopfen (45) aus massivem Metall besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrstopfen (45) verjüngt ausgebildet ist und sein schmaleres Ende in den Ringraum (36) einragt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 4r> zeichnet, daß der Sperrstopfen (45) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und das offene Ende der U-Form in Längsrichtung vom Katalysatorelement (28) abgewandt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- w zeichnet, daß der Sperrstopfen (45) ein dünnwandiges, hohles, abgeschlossenes, gasgefülltes Element enthält.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des r>r> Halteelements (42) pro Volumeneinheit des Ringraums (36) um mindestens 40% dichter als in axial unbelastetem Zustand gepackt ist.
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