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CN1098410C - 带有外露热辐射面的催化剂载体 - Google Patents

带有外露热辐射面的催化剂载体 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种催化剂载体和用于制造这种载体的方法。催化剂载体用于内燃机的排气系统，尤其是汽车的排气系统，催化剂载体具有矩阵体(1)，它最好由至少部分制有凹凸纹路的薄材料层卷绕、编绕或叠堆而成。矩阵体(1)具有大量用于废气环流的催化剂面(5)以及入流面(3)和排流面(4)。按照本发明的矩阵体至少在其中心区域上具有外露的、通过向外朝着催化剂载体周边(2)的其它催化剂表面(9)不被遮盖的催化剂表面(9)的前缘区(8)。由此构成向外外露的热辐射面，通过这种辐射面来保证改善催化剂载体向外界或排气系统中的散热。

Description

带有外露热辐射面的催化剂载体
本发明涉及具有权利要求1前序内容所述特征的催化剂载体及其制造方法。
公知的催化剂载体通常卷绕、编绕成圆柱体或者铺覆或叠堆成其他形状的物体。其自身蜂窝状的矩阵体结构这样实现，基本上平滑的板层与波浪状板层或线材或线材格网交替地相互卷绕、相互编绕或相互叠堆。通过相互卷绕或相互卷绕的板层产生的基本上圆柱形的物体具有大量的通流通道，在通道的内表面涂覆实现催化反应的物质。催化反应释放出热量，使得在各自通道中析出的能量传递到对应的各相邻通道。因此位于矩阵体中间的通道比直接位于周边或排流侧的通道更剧烈地被加热，通过通道将热量辐射到外界或嵌有催化剂载体的排气系统。
在EP 0 121 175 B1中描述了一种催化剂载体，该载体由圆锥形螺旋状卷绕的带钢制成。带材宽度与螺旋螺距或催化剂载体矩阵体直径的比例这样来选择，使得没有一个卷筒横截面与所有的钢带板层相交。这意味着，这样产生的空心圆锥载体的轴向长度大于钢带两倍的宽度。如此构成的矩阵体这样安装进催化剂里面，使通过圆锥状矩阵体的外露锥尖实现入流。如此构成的矩阵体在延伸自由度方面具有很大的弹性。缺点是，由于在背向流动方向一侧的板层的各个截段将能量基本上完全发散在各相邻的板层里，因此在矩阵体中发生的散热反应所析出的能量长时间滞留在催化剂载体各自的板层里。因此矩阵体在局部范围遭受到很高的温度，这最终有可能导致至少是载体的局部过热。
因此本发明的目的在于，创造一种催化剂载体及其制造方法，这种载体在各矩阵体板层具有改善的热辐射特性。
这个目的通过具有权利要求1特征的催化剂载体以及通过具有权利要求11或12特征的这种催化剂载体的制造方法而实现。
适当的改进在那些从属的权利要求中阐明。
按照本发明的用于汽车内燃机排气系统的催化剂载体由矩阵体所组成，矩阵体由至少部分制有凹凸结构的薄材料板层所组成。在此这些板层被卷绕、编绕或叠堆成捆束，使得在矩阵体的内部存在大量用于废气环流的催化剂面。优选设置在一个外壳里面的矩阵体在通流方向上具有入流面和排流面。按照本发明矩阵体至少在其排流面的中心区域上具有一个向前凸起的外形，这个外形由各催化剂面的端部部位相互间错开地设置而构成。由此使矩阵体至少在其中心区域上具有外露的排流侧的催化剂面的前缘区，该前缘区在朝着催化剂载体周边的外侧不被其它催化剂面遮盖。按照本发明这个外露的催化剂面的前缘区指向催化剂载体的周边方向，即它们是向外指向的。对于“向外指向”在这种情况下可以理解为从一个假想的、在通流方向上延伸的催化剂载体轴线方向指向向着外部周边的或者外壳(如果存在的话)的方向。为了改善热辐射至少在排流面中心区域上具有尽可能大的前缘区是有优点的。
这种结构的矩阵体的一个主要优点在于，通过向外指向的外露的催化剂面的前缘区使由于散热反应在催化剂载体内部析出的能量直接发散到外界，即排气系统的范围里，这个范围不是催化剂载体的组成部分。因此将避免由于散热反应由催化剂面接受的能量完全发散到相邻的催化剂面。相邻板层的催化剂面的前缘区错开得越多，即外露的催化剂面的前缘区越大，没有发散到相邻催化剂面的能量部分，即直接辐射到外界的能量部分就越多。
矩阵体最好由至少部分制成凹凸花纹的薄板板层卷绕、编绕或叠堆成蜂窝状，以便形成大量的气体通流通道，其通道壁为催化剂面。
按照实施例排流面的前缘区具有一个基本上从矩阵体周边方向向着轴线，即向着中心延伸的、至少部分凹入的曲率，使得在催化剂载体轴线区域上构成在中央部位上的指状凸起。这种形式构成的向前凸起的外形的优点在于，通道壁前缘区越靠近催化剂载体轴线设置，前缘区相对错开的就越多。最终由于承受在催化剂载体中进行催化反应而产生的最强烈的能量并因此来保证在较大前缘区的情况下改善的热辐射。
按照本发明的另一个实施例，向前凸起的外形通过一个基本上从矩阵体周边向着中心催化剂载体轴线方向延伸的、至少部分凸起的曲率而构成。当这个凸起的曲率基本上连续时，通过这个凸起的曲率产生一个催化剂载体排流面穹顶式的外翻。特别是向前凸起的外形做成抛物体、半球体或椭圆体的一部分。
但是按照本发明的另一个实施例，还可以实现排流面的向前凸起的外形通过凸起与凹入的曲率段构成。从催化剂载体周边向着中心轴线方向变化的排流面曲率最好这样构成，在由于散热反应产生局部温度尖峰的催化剂载体位置上，通过在这个局部温度尖峰位置上的通道壁的前缘区比其它部位更加强烈地相互错开的方法，可以增加散热量。
按照本发明的另一实施例，排流面向前凸起的外形至少部分地做成锥形或截锥形。但是排流面也可以由多个不同的锥形和/或截锥形段组合而成。
按照本发明的另一实施例，催化剂载体的蜂窝状矩阵体是可伸缩的，使得入流面基本上与排流面的向前凸起的外形形状全等。这意味着，在入流侧具有外露的通道壁的前缘区，该前缘区朝着催化剂载体周边不被其它通道壁遮盖，这些通道壁的前缘区指向催化剂载体的内部方向，即指向轴线方向。
优选外露的通道壁的前缘区至少在排流面的局部区域上，并根据伸缩性的强弱，具有通道长度55％至90％的大小或长度。这意味着，一方面通道长度的多一半存在外露的侧壁，并因此存在足够大的、向外朝着催化剂载体周边方向的矩阵体热量发散面。尤其是矩阵体中心区域上的伸缩性应选择尽可能大。相邻通道壁相互搭接尺寸的大小这样来选择，使矩阵体本身具有足够的强度并相对于热负荷具有相应的膨胀性。
排流面的中心区域最好占排流面的5％至35％。对于“中心区域”在此理解为设置在矩阵体通流轴线区域里面的矩阵体区域。尤其是设置在催化剂载体通流轴线区域上的各通道的伸缩部位遭受最大的热负荷，因此按照这个优选的实施例需要最大的热辐射面，即最大的外露通道壁前缘区。
构成催化剂载体蜂窝状矩阵体的各板层最好相互间是不连接的。由此可以使这种按照本发明的催化剂载体的安装关系存在相应的伸缩性。这种催化剂载体也被称为廉价催化剂载体或B催化剂载体。
按照本发明的另一个方面提出对制造上述催化剂载体方法的权利要求，在这种催化剂载体中，带有大量废气通流通道的蜂窝状矩阵体由至少部分制有凹凸花纹的构成通道壁的薄材料板层这样来卷绕、编绕或叠堆成带具有凸起形状的排流面的板垛，使得至少在其中心区域上、通过向外朝着催化剂载体周边的其它通道壁、构成外露的没有被遮盖的通道壁的前缘区，由此提高向外朝着催化剂载体周边方向上的热辐射。这种按照本发明的催化剂载体例如可以这样来制造，各个板层具有变化的宽度，使得例如在卷绕时产生蜂窝状矩阵体，该矩阵体具有基本上为平面的入流面，但是在排流面上各通道壁的前缘区相互间这样来错开，使设置在中心、即蜂窝状矩阵体中心区域上的通道的前缘区由假定的排出平面最大可能地突出出来。
按照本发明的另一个方面创造一种制造这种催化剂载体的方法，在这种催化剂载体中，带有大量废气通流通道的蜂窝状矩阵体由至少部分制有凹凸花纹的构成通道壁的薄材料板层这样来卷绕、编绕或叠堆成具有基本上平行的入流面和排流面的板垛，在此矩阵体接着被伸缩，使得产生带有向前凸起的外形的排流面，在这种外形中至少在其中心区形成通过向外朝着催化剂载体周边的其它通道壁、外露的没有被遮盖的通道壁的前缘区，由此提高向外朝着催化剂载体周边方向上的热辐射。对于“伸缩”在这种情况下可以理解为，由蜂窝状矩阵体构成的各板层在通流方向上这样相对移动，使设置在矩阵体中间部位的通道壁由假定的矩阵体排出平面比相应的、靠近矩阵体体周边设置的通道壁最好更为强烈地突出出来。
按照一个实施例，板层在其接触点或接触面上既可以在卷绕后也可以在伸缩后被钎焊。但是尤其是对于廉价催化剂载体钎焊工序也可以省去。
现在根据实施例参照附图来详细阐述本发明其它的优点、特征和应用可能性，在此：
图1  根据现有技术构成圆柱形催化剂载体的侧视图，
图2  垂直于图1所示催化剂载体通流方向的横截面图，
图3  按照本发明的催化剂载体的矩阵体排流面上的向前凸起的外形结构的实施例a，b，c，d，e图。
在图1中画出了通常公知的、基本上为圆柱体形状的催化剂载体的侧视图。催化剂载体具有带有入流面3的蜂窝状矩阵体1，要被催化净化的、用箭头表示的废气流进入此入流面，催化剂载体还具有排流面4和周边2。在周边2上存在包围自身蜂窝状矩阵体1的外壳。
在图2中画出了通过用A-A表示的截切平面的催化剂载体的横截面图。外壳2包围蜂窝状矩阵体，矩阵体通过基本上平滑的板层6与波浪状板层7的交替地卷绕实现自身的蜂窝结构，在此波浪状板层7内的中间空隙是可流通的通道5。由此在蜂窝状矩阵体1里构成大量这种形式的可通流通道。
在图3中画出了催化剂载体矩阵体1的排流面4向前凸起的外形结构的不同实施例。在图3中实施例a左侧画出的箭头表示通流方向。按照实施例a，向前凸起的外形具有一个从矩阵体1周边向中心在催化剂载体纵轴方向上延伸的连续的凹入曲率。连续的凹入曲率在催化剂载体纵轴区域上构成指状凸起。在围绕催化剂载体纵轴的中心区域上各通道壁9在排流侧比在边缘部位、即矩阵体1的周边2区域上更加强烈地相对错开。因此排流面4的曲率表示一种程度，它体现了矩阵体1的相互间相邻设置的通道壁9的错位。这种错位越强烈，向外指向催化剂载体周边方向上的外露的通道壁9的前缘区8就越大。
在图3中的实施例b中催化剂载体矩阵体1的排流面4向前凸起的外形的外轮廓由连续的凸起曲率构成。由此产生穹顶状结构的排流面4，对于这种排流面各通道5越靠近矩阵体1周边设置，向外指向的通道壁9的前缘区8就越大。
图3中的实施例c，d，e画出了矩阵体1的排流面4向前凸起的外形，这些形状由锥形(实施例c)、截锥形(实施例d)以及由截锥形截段与锥形块组合(实施例e)而构成。对于各实施例c，d，e排流面的主要部分构成向前凸起的外形，该外形构成向外指向的外露的通道壁9的前缘区8。
在图3中还明确画出了实施例c的排流面锥形尖部的局部放大图，各板层这样卷绕或这样相对移动，使得各由基本上平滑的板层6与波浪状板层7构成的完整的板层具有向外指向的、即指向矩阵体1周边方向的、外露的前缘区8，通过板层构成带有各自通道壁9的通道5。这种外露的前缘区能够改善由矩阵体1里排出的热辐射，而不会使各通道壁9的热量发散到紧邻的通道壁9。
图3中的实施例a，b，c，d，e画出的仅仅是示例。向前凸起的外形还可以由多个锥形和/或截锥形截段组合而成。向前凸起的外形也可以由锥形、截锥形和弯曲形组合而成。最好构成蜂窝状矩阵体1的各板层相互间不钎焊。由此可以使基本上圆柱形卷绕的催化剂载体伸缩成所需的排流面4的外形。
但是卷绕成矩阵体的板层6，7也可以具有不同的宽度，使得对应于板层6，7宽度的变化产生所需的排流面4向前凸起的外形。根据使用情况各板层的接触点或接触面相互钎焊。

Claims (9)

1.用于汽车内燃机排气系统的催化剂载体，带有一矩阵体(1)，该矩阵体具有用于废气环流的催化剂面(5)，催化剂面构成通流通道，并具有入流面(3)及排流面(4)，其特征为，排流面具有凸起的外形，使得排流面至少在其中心区域里具有催化剂表面(9)的外露的前缘区(8)，该前缘区在朝着催化剂载体周边(2)的外侧不被其它催化剂表面(9)遮盖，至少在排流面(4)局部范围里，外露的前缘区(8)的长度占据通道(5)长度的55％至90％，并由此提高向外的热辐射。
2.如权利要求1的催化剂载体，其特征为，矩阵体(1)由至少部分制有凹凸纹路的薄材料板层(6，7)缠绕、编绕或叠堆成蜂窝状，其催化剂表面构成用于废气的带有通道壁(9)的可流通通道(5)。
3.如权利要求1的催化剂载体，其特征为，凸起的外形通过一个基本上从矩阵体(1)周边向中心延伸的、在矩阵体(1)中央区域带有指状凸起的至少部分凹入的曲率而构成。
4.如权利要求1的催化剂载体，其特征为，凸起的外形通过一个基本上从矩阵体(1)周边向中心延伸的、至少部分凸起的曲率而构成。
5.如权利要求4的催化剂载体，其特征为，凸起的外形由抛物体、半球体或椭圆体的一部分而构成。
6.如权利要求3或4的催化剂载体，其特征为，凸起的外形由凸起的与凹入的曲率段构成。
7.如权利要求1或2的催化剂载体，其特征为，凸起的外形至少局部的构成锥形或截锥形。
8.如权利要求2至5之一的催化剂载体，其特征为，入流面(3)以与排流面(4)向前凸起的外形基本全等的形状这样来构成，使得存在通道(5)的外露的入流侧的前缘区，该前缘区朝着催化剂载体周边(2)不被其它通道壁遮盖，在方向上指向催化剂载体的中心。
9.如权利要求1至5之一的催化剂载体，其特征为，排流面(4)的中心区域占排流面(4)的5％至35％。
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