DE8705723U1

DE8705723U1 - Wabenkörper zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE8705723U1
Application number: DE8705723U
Authority: DE
Original assignee: Thyssen Industrie AG
Current assignee: ThyssenKrupp Technologies AG
Priority date: 1987-04-18
Filing date: 1987-04-18
Publication date: 1987-06-19

Description

Essen, den 13-4.1987 PZ 3425 Fö/bk

THYSSEN INDUSTRIE AG

Am Thyssenhaus 1

4300 Essen 1

Wabenkörper zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen

Die Erfindung betrifft Wabenkörper zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen. Die Wabenkörper dienen als Träger für Beschichtungen, insbesondere als Träger für einen edelmetallimprägnierten Wash-Coat.

Nach dem deutschen Gebrauchsmuster 73 02 106 werden zur Herstellung von Wabenkörpern aus Heizleitermaterial Folien wellig geprägt und abwechselnd mit einer glatten, ungeprägten Folie zum Körper gewickelt bzw. gestapelt. Die ungeprägte, glatte Folie dient zur Abstandshaltung. Der Nachteil dieser Anordnung ist es nun, daß ca. 20 % der effektiven Folienoberfläche als Anlagefläche dient und damit der chemischen Schadstoffumsetzung nicht zur Verfugung steht. Hierbei werden trapezförmige Kanäle eirer mittleren Breite von ca. 1,1 mm und einer freien Höhe von ca. 1,1 mm gebildet. Nach Beschichtung mit einem keramischen Material (Wash-Coat) sind die freien Kanalquerschnitte etwa kreisförmig ausgebildet, weil sich in der. Ecken dickere Wash-Coat-Schichten ablagern als auf den freien Folien-Flächen. Die für Anwendungen als Katalysatorträger für Kraftfahrzeuge üblichen Durchmesser der Kanalquerschnitte betragen dann etwa 1 itim, nachdem der Wash-Coat aufgebracht ist.

Die heute überwiegend üblichen Wabenkörper aus Keramik mit 400 Zellen/

2
inch weisen quadratische Kanalquerschnitte mit 1,1 &khgr; 1,1 mm auf.

Die Wash-Coat-Ansammlung in den Ecken führt auch hier zu einem mehr kreiäförmigen Querschnitt der Kanäle von ca. 1 mm Durchmesser,

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In der DE-OS 27 59 559 Wird Vorgeschlagenj die Folie für Katalysator* träger-Wabenkörper pfeilförmig Verzahnt zu prägen* Bei jeweils Um 180° gedrehten FoÜenlagen mit dadurch entgegengesetzten Pfeilrichtungefi kann auf eine glatte Zwischenlage verzichtet werden. Die sich überscheidenden Wellenberge sorgen für die Abstandshaltung. Eigene Messungen zeigen nun, daß hierbei eine Folge großer und kleiner hydraulischer Durchmesser je eines Kanales entsteht, obwohl die Querschnittflache pro Kanal konstant bleibt. Dies führt zu wesentlich erhöhten Druckverlusten in der Summe über die Kanallänge, oder bei einer Vergrößerung der Wellenquerschnitte zu gleichem Druckverlust wie bei dem Katalysator= träger mit Zwischenlage, dann aber zu verringerten chemischen Schadstoffumsetzungen bei gleichem Katalysator-Trägervolumen.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, die Kanal-i3uerschnittsform so auszubilden, daß ein größeren Verhältnis von SchadstoffUmsatz zu Druckverlust erzielt wird.

Die Aufgabe wird bei einem Wabenkörper der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Querschnitte der Einzelkanäle ein Verhältnis von Breite zur Höhe von 1,5 bis 15 aufweisen. Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich bei den laminaren Strömungen, wie sie in den Trägern auftreten, die Ausbildung der Kanalquerschnitte als Spalt bzw. Rechteck oder mit ovaler Form ein bis zu 30 % besseres, d.h. größeres Verhältnis des SchadstoffUmsatzes zum Druckverlust ergibt. Die Form der Kanäle führt zu einer geringeren Wandfläche als bei den Wabenkörpern nach dem Stand der Technik gleicher Größe und bringt insbesondere bei Wabenkörpern aus Metall noch den Vorteil, daß eine verringerte Folienmenge erforderlich ist.

V/enn der Wabenkörper aus Keramik besteht, läßt sich die erfindungsgemäße Querschnittsform durch eine geeignete Ausbildung des Extrusionswerkzeuges leicht einstellen.
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Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein.

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Günstige Verhältnisse von Schadstoffumsatz zu Druckverlust bei guter Stabilität der Wabenkörper Werden dadurch erreicht$ daß die Breite der Einzelkanäle ca* 3 bis 8 mm beträgt und die Hohe der Einzelkanäle 0,65 bis 0,9 mm. Große Breiten der Querschnitte wirken sich nachtei-

lig auf die Festigkeit der Wabenkörper aus. |

Der Wabenkörper aus Metallfolien, bei dem eine gewellte Folie von einer glatten, ungeprägten Folie gehalten ist, kann so aufgebaut sein, daß bei der gewellten Folie die Wellen mit der Höhe der Einzelkanäle abwechselnd nach beiden Seiten aus der gewellten Folie, die im übrigen glatt ist, herausgeprägt sind. Die glatten Folien liegen dann jeweils den Scheitelpunkten der herausgeprägten Wellen an, und die Einzelkanäle haben außer der Querschnittsfläche mit dem Breiten- und Höhenverhältnis Von 1,5 bis 15 damit zusammenhängend die Flächen der herausgeprägten Wellen.

Um im Fall der Metall-Folien-Träger einen Teil der Folienmenge, die bisher als Anlagefläche verwendet wird, einsparen zu können, schlägt die Erfindung vor, die seitliche Begrenzung der langgezogenen Kanalquerschnitte und die Abstandshaltung der Folienlagen mit Hilfe von pfeilförmig verzahnten Wellen auszuführen. Dabei zeigen die Wellenberge aufeinanderfolgender Folienlagen in die gleiche Richtung, die Pfeilspitzen der Wellenberge aufeinanderfolgender Folienlagen aber jeu/eils in entgegengesetzte Richtung. Auf diese Weise wird ein nahezu rechteckiger Kanalquerschnitt erzeugt, dem sich ein kleinerer Flächenanteil der Wellung der darauffolgenden Folienlage hinzu addiert. Auf diese V/eise dienen nur etwa 5 bis 7 % der gesamten Folienoberfläche als Anlagefläche. Dabei erfolgte die v3egrenzung der Breite der Kanäle durch die pfeilförmig geprägten Wellen.

Statt mit einer pfeilförmigen Wellung kann der Wabenkörper auch mit schrägverzahnten Wellungen so ausgebildet sein, daß die Wellenberge je zweier aufeinanderliegenden Folien in gleicher Richtung, nämlich senkrecht zur Oberfläche der Folie, weisen, die Richtung der Schräg-

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Verzahnung gegen die FoÜenquerrichtung jeweils aufeinanderliegender Folien mit unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind* Durch die verschiedenen Winkel kreuzen sich die Wellen und dienen als Abstandshalter und seitliche Begrenzung der langgezogenen Kanalquerschnitte.

Bei beiden Ausführungsarten können die aufeinanderliegenden Folienlagen entweder durch Wickeln oder Aufeinanderschichten hergestellt «/erden.

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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Querschnitte der Einzelkanäle im zentralen Flächenbereich der Wabenkörper-Querschnittsfläche größer als die Querschnitte der Einzelkanäle im Außenbereicho Da die Rauchgasströmung bzw. Strömung der Verbrennungsgase ein Temperaturprofil mit höherer Temperatur in der Mitte des Abgasrohres aufweist und die Diffusionskonstanten der Schadstoffe mit der Temperatur steigen, die Dichte des Gases aber sinkt, wirkt sich die Vergrößerung der Kanalquerschnitte im inneren Bereich der Katalysatorträger günstig auf den Druckverlust aus, ohne den chemischen Umsatz zu senken. Außerdem wird

2G durch die Maßnahme der Folienbedaff wesentlich verringert. Ein derartiger Wabenkörper ist durch Aufwickeln der Folien leicht herstellbar. Zu Beginn des Aufwickeins der Folien ist ein sehr kleiner Krümmungsradius vorhanden, der beim weiteren Aufwickeln abnimmt. Wegen des kleineren Krümmungsradiys spannen sich die schräg- oder pfeilverzahnten Wellen zu Beginn stärker ab, als am Außenumfang des Körpers. Auf diese Weise werden im Innenbereich des Gesamtquerschnittes der Wickelkörper die größeren Kanalquerschnitte und damit größere hydraulische Durchmesser erzielt als außen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen im einzelnen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Stirnfläche

eines Wabenkörpers aus Keramik,
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j Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts zwei Folien-

lagen eines Uabenkörpers aus Metallfolien mit einer glatten

S Zwischenschicht,

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Figur 3 eitle andere Gestaltung zweier FoÜenlagen mit MetällfoÜen

ohne Zwischenschicht Und
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Figur 4 eine weitere Ausführungsart zweier FoÜenlagen mit Metallfolien ohne Zwischenschicht,

Ein Wabenkörper 1 zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmaschinen dient als Katalysatorträger. Die Querschnitte der Einzelkanäle weisen ein Verhältnis der Breite 3 zur Höhe 4 von 1,5 bis 15 auf* Dabei beträgt die Breite 3 der Einzelkanäle 2 ca. 3 bis 8 mm und die Höhe 4 der Einzelkanäle 0,65 bis 0,9 mm. Der keramische Wabenkörper der Figur 1 ist durch Extrudieren hergestellt. Auf den Wänden des Wabenkörpers 1 ist eine Beschichtung aus einem keramischen Material (Wash-Coat) 5 aufgebracht.

Bei den in Figur 2 dargestellten zwei Folienlagen eines Wabenkörpers aus Metallfolien, aus der der gesamte Wabenkörper 1 aufgebaut wird, ist eine gewellte Folie 6 von einer glatten ungeprägten Folie 7 gehalten. Bei der gewellten Folie 6 sind die Wellen 8, 9 mit der Höhe 4 der Kanäle abwechselnd nach beiden Seiten aus der Folie 6 herausgeprägt. Bei dieser Ausführungsart weisen die Einzelkanäle Zusatzvolumina von der Größe der Wellen 8,9 auf.

In der Ausführungsart der Folien, aus denen der Wabenkörper aufgebaut wird nach Figur 3, sind die Wellenberge 10, 11 je zweier aufeinanderliegender Folien in die gleiche Richtung, nämlich senkrecht zur Oberfläche der Folien, in der Zeichnung nach oben, herausgeprägt. Die Wellen sind pfeilförmig ausgebildet und die Pfeilspitzen 12, 13 der aufeinanderliegenden Folien 6 zeigen jeweils in entgegengesetzte Richtung. Auch bei dieser Ausführungsform kommt zu dem Volumen des rechteckigen Einzelkanals mit der Breite 3 und der Höhe 4 das Volumen der Wellen 10, 11 hinzu.

Nach Figur 4 sind bei Metallfolien mit schrägverzahnten Wellen die Wellen ebenfalls in einer Richtung, in der Zeichnung nach oben, aus den Folien herausgeprägt. Die Richtungen der Schrägverzahnung der beiden aufeinanderliegenden Folien 6 gegen die Folienquerrichtung 14, «C 15 und - oC

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sind verschieden. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 unterscheiden sie sich durch das Vorzeichen.
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Durch die Ausführung der Querschnitte der Einzelkanäle 2 in gestreckter Form wird trotz der Beschichtung mit Wash-Coat 5 ein großer, freier Querschnitt mit geringem Strömungswiderstand ohne Beeinträchtigung der umgesetzten Schadstoffmenge erreicht. Bei Versuchen mit einem Metallkörper mit pfeilförmiger Ausbildung der Wellungen nach Figur wurden gegenüber einem Metallkörper mit einer glatten Zwischenlage, bei dem die Wellung nach dem Stand der Technik mit kleinen, nahezu

2 kreisförmigen Kanalquerschnitten von rd. 1 mm ausgeführt war, folgende

Werte erhalten:
15

Prägehöhe der Wellen 0,85 mm, pfeilverzahnt mit

6° Anstellwinkel (O

freie Kanalhöhe 0,72 mm

freie Kanalbreite 5 mm

_7n Druckverlust verringert um 15 %

chemischer Umsatz verbessert

Folienmenge pro verringert um 30 %

Katalysatorvolumen

Der aus den Folien nach Figur 3 gewickelte Körper wies im Innenbereich des Gesamtquerschnittes des Wickelkörpers (nicht dargestellt) gröGere Kanalquerschnitte und damit hydraulische Durchmesser auf als außen.

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Essen, den 13.4.1987 PZ 3425 Fö/bk

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Wabenkörper

2 Einzelkanäle

3 Breite ' 4 Höhe

5 Wash-Coat

6 gewellte Folie

7 glatte, ungeprägte Folie

8 Welle

9 Welle

10 Wellenberg

11 Wellenberg

12 Pfeilspitze

13 P &igr; eilspitze

14 Folienquerrichtung

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Claims

Ansprüche:

1. Wabenkörper zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen als Katalysatorträger, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Einzelkanäle (2) ein Verhältnis der Breite (3) zur Höhe (4) von 1,5 bis 15 aufweisen.

2. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (3) der Einzelkanäle (2) ca. 3 bis 8 mm beträgt und die Höhe (4) der Einzelkanäle (2) 0,65 Dis 0,9 mm beträgt.

3. Wabenkörper nach Anspruch 1 oder 2, aus Metallfolien, bei dem eine gewellte Folie von einer glatten, ungeprägtän Folie gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gewellten Folie (6) die Wellen (8, 9) mit der Höhe (4) der Kanäle (2) abwechselnd nach beiden Seiten aus der Folie (6) herausgeprägt sind.

4. Wabenkörper nach Anspruch 1 oder 2 aus pfeilförmig gewellten Metallfolien, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenberge (10, 11) je zweier aufeinanderliegender Folien (6) in die gleiche Richtung, nämlich senkrecht zur Oberfläche der Folien (6) weisen, die pfeilförmigen Spitzen (12,13) der Wellenprägung aufeinanderliegender Folienlagen (6) jeweils in entgegengesetzte Richtung zeigen.

5. Wabenkörper nach Anspruch 1 oder 2 aus gewellten Metallfolien, die schrägverzahnt sind, dadurch gekennzeichnet _v daß die Wellenberge (10, 11) je zweier aufeinanderliegender Folien (6) in gleiche Richtung, nämlich senkrecht zur Oberfläche der Folien (6), weisen und die Richtungen (o£) der Schrägverzahnung gegen die Folienquerrichtung (14) jeweils aufeinanderliegender Folien (14) jeweils verschieden sind (15, 16).

6. Nabenkörper nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Einzelkanäle (2) im zentralen Flächenbereich der Wabenkorper^Querschnittsflache größer sind als die Querschnitte der Einzelkanäle (2) im Außenbßreich.