DE10003904A1 - Verfahren und Anordnung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß eine für die thermische Expansion der Quellmatte (16) aufzubringende Wärmeenergie durch direkte oder indirekte, insbesondere induktive, elektrische Bestromung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird.

Zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine ist es bekannt, Katalysatoren in einem Abgaskanal anzuordnen. Diese ermöglichen unter anderem die Umsetzung gasförmiger Schadstoffe des Abgases wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in weniger umweltrelevante Produkte.

Ein Katalysator umfaßt üblicherweise einen keramischen Monolithen als Katalysatorträger, der eine Vielzahl von Strömungskanälen ausbildet und dessen Oberfläche mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtet ist. Es ist ferner bekannt, eine Position des Katalysatorträgers in einem Katalysatorgehäuse durch sogenannte Quellmatten zu arretieren, wobei der Katalysatorträger in seiner Längserstreckung von der Quellmatte umhüllt wird. Die Quellmatte besteht üblicherweise aus Aluminium-Silicat-Fasern mit einem Blähglimmerzusatz. Ferner ist ein synthetisches Polymer als Bindemittel der beiden Komponenten enthalten. Unter dem Einfluß von Temperaturen von wenigstens 300°C, insbesondere größer als 350°C, kommt es zu einer Volumenausdehnung der Quellmatte, wobei ein notwendiger Anpreßdruck entsteht, der den Katalysator an seiner Position im Katalysatorgehäuse hält. Das nach einem initialen Erhitzungsvorgang eingestellte Volumen der Quellmatte ist dauerhaft und bleibt auch bei Abkühlung bestehen.

Für die meisten Kraftfahrzeuge erfolgt die Volumenexpansion bei der ersten Inbetriebnahme des Fahrzeuges. Bei Fahrzeugen jedoch, deren Abgas an dem Einbauort des Katalysators nicht die für die Expansion der Matte notwendige Temperatur aufweist, kann es dazu kommen, daß sich die Quellmatte nicht oder ungenügend ausdehnt und der Katalysator keinen ausreichenden Halt im Katalysatorgehäuse findet, sich lockert und verschiebt und dadurch zerstört wird. Derartig niedrige Abgastemperaturen sind vor allem bei Diesel- und direkteinspritzenden Ottomotoren zu beobachten.

Um diese Gefahr zu umgehen, ist es bekannt, Katalysatoren vor ihrem Einbau in das Fahrzeug in konventionellen Industrieöfen, insbesondere Durchlauföfen, so weit zu erhitzen, daß die Matte expandiert. Dieses Verfahren zum erstmaligen Tempern hat sich als äußerst kosten- und zeitintensiv herausgestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges Verfahren zur Arretierung eines gattungsgemäßen Katalysators bereitzustellen, das preiswert und schnell durchführbar ist und mit minimalen Prozeßänderungen zum Ergebnis führt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren und die Anordnung mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 genannten Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße Aufbringen der für die thermische Expansion der Matte erforderlichen Wärmeenergie durch elektrische Bestromung, welche sowohl direkt als auch indirekt, beispielsweise durch Induktion, erfolgen kann, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch elektrische Bestromung läßt sich die aufzubringende Wärmeenergie ortsgezielt in einem elektrisch leitenden Material, welches durch das metallische Katalysatorgehäuse gegeben ist, erzeugen. Damit kann die für die Expansion der Quellmatte aufzuwendende Wärme selektiv in unmittelbarer Nähe des Zielortes generiert werden. Der erhebliche Zeitverlust, der im konventionellen Ofen entsteht, bis der gesamte, aus Katalysatorträger, Quellmatte und Katalysatormantel bestehende Katalysator thermisch mit seiner Umgebung equilibriert ist, wird durch die erfindungsgemäße Erwärmung durch Bestromung auf ein Minimum reduziert. Somit wird eine zuverlässige Arretierung des Katalysatorträgers bei einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis und geringstmöglicher Prozeßänderung realisiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestromung indirekt, insbesondere induktiv. Das läßt sich besonders vorteilhaft in einem Induktionsofen erreichen, welcher über einen Luftspalt einen Wirbelstromfluß und damit eine Wärmeentstehung im Katalysatormantel induziert. Neben den bereits erläuterten Vorteilen hat die Verwendung eines Induktionsofens den Vorteil, daß er nicht dauerhaft, wie herkömmliche Öfen, sondern bedarfsorientiert und damit kostensparend betrieben werden kann. Ferner kommt diese Ausgestaltung ohne jegliche Modifizierung des Katalysators beziehungsweise des Katalysatorgehäuses aus.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die erforderliche Wärmeenergie durch direkte elektrische Bestromung wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses erzeugt. Zusätzlicher Vorteil dieser Variante ist, daß der maschinelle Aufwand noch weiter reduziert wird. Gemäß dieser Ausgestaltung sieht die erfindungsgemäße Anordnung vor, daß das Katalysatorgehäuse mit einer Spannungsquelle zum Beaufschlagen wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses mit einem Heizstrom verbindbar ist. Zu diesem Zweck können beispielsweise an dem Katalysatorgehäuse Anschlußstellen für übliche Elektrodenklemmen vorgesehen sein.

Ferner ist vorgesehen, daß die induktive Erwärmung des Katalysatorgehäuses vor der Montage des aus Katalysator, Quellmatte und Katalysatorgehäuse bestehenden Komplexes in den Abgaskanal erfolgt.

Vorteilhafterweise wird eine Stärke eines Heizstromes derart gewählt, daß eine Temperatur der Quellmatte von mindestens 300°C, insbesondere 350°C oder mehr, erzeugt wird.

Obwohl das Verfahren prinzipiell auf alle Katalysator- oder Fahrzeugtypen anwendbar ist, kommt es in einer bevorzugten Ausgestaltung, insbesondere für Katalysatoren von Fahrzeugen mit relativ niedrigen Abgastemperaturen, besonders vorteilhaft zum Tragen. Dies sind insbesondere direkt einspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip einer direkten Bestromung eines Katalysators und

Fig. 2 das Prinzip einer induktiven Bestromung des Katalysators durch einen Induktionsofen.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine Katalysatoranordnung sowie ein Ersatzschaltbild eines für die direkte Bestromung angeschlossenen Stromkreises. Der Katalysator 10 besteht aus einem hier nicht näher dargestellten keramischen Monolithen als Katalysatorträger 12 und einer auf seiner Oberfläche fixierten, katalytisch wirksamen Substanz. Der Katalysatorträger 12 befindet sich in einer Erweiterung eines Katalysatorgehäuses 14 und ist in seiner Längserstreckung von einer Quellmatte 16 umgeben. Vor seiner Montage in einen Abgastrakt eines Verbrennungsmotors wird der Katalysatorträger 12 mit der Quellmatte 16 verpackt und in das Katalysatorgehäuse 14 eingeführt. Um eine Expansion der Quellmatte 16 auszulösen, wird das Katalysatorgehäuse 14 durch direkte Strombeaufschlagung erwärmt. Zu diesem Zweck wird an zwei Anschlußstellen 18 des Katalysatorgehäuses 14 ein Stromkreis 20 angeschlossen. Außer einer Wechselspannungsquelle 22 umfaßt der Stromkreis 20 ferner einen Schalter 24, dessen Schließung einen Stromfluß eines Heizstromes I initialisiert. Entsprechend den elektrophysikalischen Gesetzen kommt es in Abhängigkeit vom Quadrat der Stromstärke I zu einer Erwärmung des Katalysatorgehäuses 14. Da die Wärmeentstehung in unmittelbarer Nähe der Quellmatte 16 erfolgt, wird diese sehr schnell auf eine für die Expansion notwendige Temperatur von vorzugsweise mindestens 350°C gebracht. Die Darstellung verdeutlicht ferner, daß die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem äußerst geringen technischen Aufwand realisierbar ist. So läßt sich der Stromkreis 20 kostengünstig aus Standardelektrobauteilen aufbauen. Gegebenenfalls kann sogar auf die Anschlußstellen 18 verzichtet werden und der Stromkreis 20 an andere geeignete Stellen des Katalysatormantels 14 angeschlossen werden. Hierfür kommen beispielsweise üblicherweise vorhandene Flanschanschlüsse 26 des Katalysatormantels 14 in Frage.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der indirekten induktiven Erwärmung eines Katalysators 10 durch einen Induktionsofen. Gleiche Elemente sind mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen identisch. Der Katalysator 10 ist von den spulenhaft angeordneten Windungen 28 eines hier nicht näher dargestellten Induktionsofens umgeben. Durch Anschluß an eine Wechselspannungsquelle 22 wird ein Stromkreis 20 geschlossen, so daß die Windungen 28 von einem Strom 1 durchflossen werden. Über einen Luftspalt zwischen den Windungen 28 und dem Katalysatorgehäuse 14 werden Wirbelströme in dem Katalysatorgehäuse 14 erzeugt, welche eine Erwärmung des Katalysatorgehäuses 14 bewirken. Eine zu erzielende Temperatur des Katalysatorgehäuses kann über die Größe der angelegten Spannung variiert werden. Wie bereits oben erwähnt, kann der Betrieb eines Induktionsofens äußerst kostengünstig und bedarfsorientiert erfolgen, da keine Vorwärmphasen beansprucht werden, aufgrund derer konventionelle Heizöfen im Dauerbetrieb gefahren werden. Zudem setzt der Wirbelstromfluß in dem Katalysatorgehäuse 14 praktisch ohne Zeitverlust mit der Spannungsbeaufschlagung der Windungen 28 ein. Insgesamt erreicht somit auch die indirekte induktive Erwärmung eine wesentlich schnellere Erwärmung der Quellmatten als herkömmliche Verfahren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Arretierung eines Katalysatorträgers in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Quellmatte thermisch zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die thermische Expansion der Quellmatte (16) aufzubringende Wärmeenergie durch elektrische Bestromung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung indirekt, insbesondere induktiv, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Bestromung durch einen Induktionsofen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie durch direkte elektrische Bestromung wenigstens eines Teilbereiches des Katalysatorgehäuses (14) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Bestromung des Katalysatorgehäuses (14) vor einer Montage in den Abgaskanal erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur der Quellmatte (16) von mindestens 300 °C, insbesondere 350°C, erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (10) sich in einem Abgaskanal eines direkteinspritzenden Ottomotors oder eines Dieselmotors befindet.

8. Anordnung zur Arretierung eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysatorträgers, der eine zwischen dem Katalysatorträger und einem Katalysatorgehäuse angeordnete, thermisch ausdehnbare Quellmatte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorgehäuse (14) mit einer Spannungsquelle (22) zum Beaufschlagen wenigstens eines Teilbereichs des Katalysatorgehäuses (14) mit einem Heizstrom verbindbar ist.