DE10003904A1

DE10003904A1 - Method and arrangement for locking a catalyst carrier in an exhaust gas duct of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE10003904A1
Application number: DE10003904A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Held
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-01-29
Filing date: 2000-01-29
Publication date: 2001-08-02
Also published as: EP1120551A3; EP1120551A2; ATE357584T1; DE50112211D1; EP1120551B1

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.The invention relates to a method and a device for locking a catalyst carrier in an exhaust gas duct of an internal combustion engine, a swelling mat being thermally expanded between the catalyst carrier and a catalyst housing. DOLLAR A It is provided that a thermal energy to be applied for the thermal expansion of the source mat (16) is generated by direct or indirect, in particular inductive, electrical current supply.

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.The invention relates to a method and an arrangement for locking a Catalyst carrier in an exhaust duct of an internal combustion engine, one Thermal swell mat between the catalyst carrier and a catalyst housing is expanded.

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.For cleaning an exhaust gas of an internal combustion engine, it is known Arrange catalysts in an exhaust duct. These enable the Implementation of gaseous pollutants in the exhaust gas such as carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons in less environmentally relevant products.

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.A catalyst usually comprises a ceramic monolith as Catalyst carrier, which forms a plurality of flow channels and its Surface is coated with a catalytically active substance. It is further known a position of the catalyst carrier in a catalyst housing to lock so-called swelling mats, the catalyst carrier in its Longitudinal extension is enveloped by the swelling mat. The swelling mat is there usually made of aluminum silicate fibers with a mica additive. Furthermore, a contain synthetic polymer as a binder of the two components. Under the Influence of temperatures of at least 300 ° C, in particular greater than 350 ° C, there is a volume expansion of the swelling mat, a necessary Contact pressure arises, which places the catalytic converter in its position in the catalytic converter housing holds. The volume of the swelling mat set after an initial heating process is permanent and remains even when it cools down.

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.For most motor vehicles, the volume expansion occurs at the first Commissioning of the vehicle. In vehicles, however, whose exhaust gas on the The location of the catalytic converter is not the temperature required for the expansion of the mat has, it can happen that the swelling mat is not or insufficient expands and the catalytic converter does not find sufficient support in the catalytic converter housing, loosens and shifts and is thereby destroyed. Such low Exhaust gas temperatures are particularly high for diesel and direct-injection gasoline engines observe.

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.To avoid this danger, it is known to catalytic converters before they are installed in the Vehicle in conventional industrial furnaces, especially continuous furnaces, so far heat the mat to expand. This procedure for the first annealing has changed turned out to be extremely costly and time consuming.

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.The object of the present invention is to provide a reliable locking method to provide a generic catalyst that is inexpensive and fast is feasible and leads to results with minimal process changes.

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.According to the invention, this object is achieved by the method and the arrangement with the solved in independent claims 1 and 8 features. The application of the invention for the thermal expansion of the mat Thermal energy through electrical current, which is both direct and indirect, for example by induction, has proven to be particularly advantageous proven. The thermal energy to be applied can be applied by electrical current supply targeted in an electrically conductive material, which is characterized by the metallic Catalyst housing is given, generate. It can be used for the expansion of the Selective heat to be applied to the source mat in the immediate vicinity of the destination to be generated. The considerable loss of time that occurs in conventional ovens up to the entire, consisting of catalyst carrier, swelling mat and catalyst jacket The catalyst is thermally equilibrated with its surroundings by the heating according to the invention is reduced to a minimum by energization. Thus a reliable locking of the catalyst carrier with a considerable time and Cost savings and the least possible process change realized.

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. According to a preferred embodiment of the method, the current is supplied indirectly, especially inductive. This can be particularly advantageous in an induction furnace achieve which has an eddy current flow and thus an air gap Heat generation induced in the catalyst jacket. In addition to the ones already explained Advantages of using an induction furnace are that they are not permanent, like conventional ovens, but operated in a demand-oriented and therefore cost-saving manner can be. Furthermore, this configuration comes without any modification of the Catalyst or the catalyst housing.

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.According to an alternative embodiment of the method, the required Thermal energy through direct electrical energization of at least one partial area of the catalyst housing generated. An additional advantage of this variant is that the machine effort is reduced even further. According to this configuration, the Arrangement according to the invention that the catalyst housing with a Voltage source for loading at least a partial area of the Catalyst housing can be connected to a heating current. For this purpose you can for example on the catalyst housing connection points for conventional Electrode clamps may be provided.

Ferner ist vorgesehen, daß die induktive Erwärmung des Katalysatorgehäuses vor der Montage des aus Katalysator, Quellmatte und Katalysatorgehäuse bestehenden Komplexes in den Abgaskanal erfolgt.It is also provided that the inductive heating of the catalyst housing before Assembly of the existing catalyst, swelling mat and catalyst housing Complex occurs in the exhaust duct.

Vorteilhafterweise wird eine Stärke eines Heizstromes derart gewählt, daß eine Temperatur der Quellmatte von mindestens 300°C, insbesondere 350°C oder mehr, erzeugt wird.A strength of a heating current is advantageously chosen such that a Temperature of the swelling mat of at least 300 ° C., in particular 350 ° C. or more, is produced.

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.Although the method can in principle be applied to all types of catalytic converters or vehicles is, it comes in a preferred embodiment, in particular for catalysts from Vehicles with relatively low exhaust gas temperatures, particularly advantageous for carrying. These are, in particular, direct-injection gasoline engines and diesel engines.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in exemplary embodiments on the basis of an associated Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 das Prinzip einer direkten Bestromung eines Katalysators und Fig. 1 shows the principle of direct current supply to a catalyst and

Fig. 2 das Prinzip einer induktiven Bestromung des Katalysators durch einen Induktionsofen. Fig. 2 shows the principle of inductive energization of the catalyst through an induction furnace.

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. 1 shows schematically a catalytic converter arrangement and an equivalent circuit diagram of a connected for direct current supply circuit. The catalyst 10 consists of a ceramic monolith, not shown here, as the catalyst carrier 12 and a catalytically active substance fixed on its surface. The catalyst carrier 12 is located in an extension of a catalyst housing 14 and is surrounded in its longitudinal extent by a swelling mat 16 . Before being installed in an exhaust tract of an internal combustion engine, the catalyst carrier 12 is packed with the swelling mat 16 and inserted into the catalyst housing 14 . In order to trigger expansion of the swelling mat 16 , the catalytic converter housing 14 is heated by direct current application. For this purpose, a circuit 20 is connected to two connection points 18 of the catalyst housing 14 . In addition to an AC voltage source 22, the circuit 20 further comprises a switch 24 , the closure of which initiates a current flow of a heating current I. In accordance with the electrophysical laws, depending on the square of the current intensity I, the catalyst housing 14 is heated. Since the heat is generated in the immediate vicinity of the swelling mat 16 , it is brought very quickly to a temperature of preferably at least 350 ° C. necessary for the expansion. The illustration further clarifies that the method according to the invention can be implemented with extremely little technical effort. In this way, the circuit 20 can be constructed inexpensively from standard electrical components. Optionally, the connection points 18 can even be dispensed with and the circuit 20 can be connected to other suitable points on the catalyst jacket 14 . For example, flange connections 26 of the catalyst jacket 14 that are usually present can be used for this purpose.

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. Fig. 2 shows the principle of indirect inductive heating shows a schematic representation of a catalyst 10 through an induction furnace. The same elements are identical to the reference symbols used in FIG. 1. The catalyst 10 is surrounded by the coils 28 of an induction furnace (not shown here). A circuit 20 is closed by connection to an AC voltage source 22 , so that a current 1 flows through the windings 28 . Via an air gap between the windings 28 and the catalyst housing 14 , eddy currents are generated in the catalyst housing 14 , which cause the catalyst housing 14 to heat up. A temperature of the catalyst housing to be achieved can be varied via the size of the applied voltage. As already mentioned above, the operation of an induction furnace can be carried out extremely cost-effectively and as required, since no preheating phases are used, due to which conventional heating stoves are operated in continuous operation. In addition, the eddy current flow in the catalytic converter housing 14 begins with the application of voltage to the windings 28 with practically no loss of time. Overall, indirect inductive heating also achieves much faster heating of the source mats than conventional methods.

Claims

1. A method for locking a catalyst carrier in an exhaust duct of an internal combustion engine, wherein a source mat is thermally expanded between the catalyst carrier and a catalyst housing, characterized in that a thermal energy to be applied for the thermal expansion of the source mat ( 16 ) is generated by electrical current supply.

2. The method according to claim 1, characterized in that the energization indirectly, in particular inductively.

3. The method according to claim 2, characterized in that the inductive Electricity is supplied by an induction furnace.

4. The method according to claim 1, characterized in that the thermal energy is applied by direct electrical current supply to at least a portion of the catalyst housing ( 14 ).

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical current supply to the catalyst housing ( 14 ) takes place before assembly in the exhaust duct.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a temperature of the swelling mat ( 16 ) of at least 300 ° C, in particular 350 ° C, is generated.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalyst ( 10 ) is located in an exhaust duct of a direct-injection gasoline engine or a diesel engine.

8. Arrangement for locking a arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine catalyst carrier, which comprises a thermally expandable source mat arranged between the catalyst carrier and a catalyst housing, characterized in that the catalyst housing ( 14 ) with a voltage source ( 22 ) for acting on at least a portion of the Catalyst housing ( 14 ) can be connected to a heating current.