有催化剂载体的催化器 及其制造设备和方法 本发明涉及一种有至少两个催化剂载体的汽车排气装置的催化器，以及涉及制造尤其用于此催化器内的催化剂载体的设备和方法。
为了催化转换内燃机排气成分，已知在催化剂载体上涂上至少一种起催化作用的物质。催化剂载体例如由具有某种结构的薄板层制成，其中薄板彼此叠层和/或缠绕，并因而构成了一个有可流过排气的轴向气体通道的金属蜂窝体。催化剂载体装在一外壳内，它是排气系统的一部分。
尤其对于所谓的起动催化器，这是一些装在发动机附近的并因而在发动机起动后很快达到工作温度的催化器，已知采用由螺旋形卷绕交替的光滑和波纹状薄板层构成的催化剂载体。为了降低这种催化剂载体的压力损失，其中部分规定保持中心区尽可能没有卷绕物，以便可在那里无阻碍地流过部分排气。这是可接受的，因为起动催化器通常结合其他降低有害物质的措施，例如在下游连接其他催化剂载体。
在起动催化器方面，由于它装在发动机附近以及由此出现的空间位置问题，因而难以在节省空间和流动上有利地安排催化器。此外还应考虑到，在这种催化器中的催化剂载体由于排气在其前侧直接入流，尤其是在由于靠近发动机安装因而经较长时间工作后出现地排气流高温的情况下可能受到损坏，这会导致降低转换率。
由未先公开的德国专利申请19755703.1已知一种近发动机安装的催化剂载体装置，其中通过在围绕催化剂载体的外壳上设凸缘允许安装在气缸头与内燃机肘管之间。在持续工作中为了排气净化而设置另一个直接在其后面的催化剂载体的布局，在这种情况下鉴于所选择的安装位置所以没有并且也不可能采用。
由印刷品DE-GM 8631017.8已知一种尤其应用于在催化器中作为起动催化器的催化剂载体，它有一个无卷绕物的中心区，以及为了制造此催化剂载体螺旋状地卷绕光滑的和波纹状的交替的薄板层，其中，围绕着无卷绕物的中心区的最内层，由于加工技术的原因由波纹薄板构成。尽管这种催化剂载体原则上作为起动催化剂适用于与另一个催化剂载体共同配置，但是因为此中心孔，在近发动机安装的情况下，由于穿过无卷绕物的中心区使下游的催化剂载体直接和中央入流，因而存在可能损伤下游催化剂载体的问题。由于无卷绕物的区域设在中央，正好有部分排气直接引向可能设在下游的催化剂载体的前侧，基于此装置中的流动剖面，这部分排气有最大的速度和还有最高的温度。如上面已论及的那样，其结果是在持续工作中，亦即在排气流高温作用下可能导致极为迅速地损坏可能连接在下游的催化剂载体。
已知一些设备和方法适用于由缠绕的薄板层制造催化剂载体。印刷品WO 97-00725例如介绍了这种用于由至少一个由多个至少部分结构化的薄板层组成的堆叠制造催化剂载体的设备，薄板层构成多个可流过流体的通道，其中，设备有一个可绕中心轴线旋转插在堆叠上的叉形缠绕装置并包括一模具，模具围绕着缠绕装置，它的内轮廓与要制造的催化剂载体外轮廓相对应。缠绕装置有至少两根卷绕芯棒，它们可被置于与一个或多个堆叠插接。通过缠绕装置相对于模具旋转将堆叠缠绕成蜂窝体，蜂窝体充满模具。由于上面早已说明的流动技术方面的既定条件，在将一个如此制成的催化剂载体安装在催化器中作为起动催化器时所需要的至少有一个无卷绕物区域的设计，采用在WO 97/00725中说明的设备和采用那里所介绍的方法并没有提供。
本发明的目的是创造一种用于汽车排气装置的催化器，它需要小的空间位置，以及当安装在发动机附近时，在所采用的催化剂载体有尽可能长的使用寿命的同时允许在流动技术方面有利地工作，以及另一个目的是创造一种设备和一种方法，借此尤其可简便和经济地制造应用于催化器中的催化剂载体。
按本发明借助按权利要求1所述的用于排气装置的催化器以及按权利要求11和权利要求18所述的用于制造催化剂载体的设备和方法达到。
在各自的从属权利要求中说明了有利的进一步发展。
按本发明的汽车排气装置用的催化器有一外壳和至少两个催化剂载体，后者基本上彼此相继地排列以及各有沿轴向延伸的通道。催化剂截体装在外壳内。按本发明第一个催化剂载体有具有第一种平均横截面积的轴向通道和至少有两个或有更多个平行于轴向通道延伸的通孔，与第一种横载面积相比通孔有大得多的第二种横戴面积。催化剂载体本身优选地由金属制成并加有催化活性物质涂层。但它们也可以直接用催化活性材料制造。外壳的形状和装在其中的催化剂载体能在最大程度上适应于在安装部位的空间状况。
按本发明的具有至少两个基本上相继排列的催化剂载体的催化器设计，首先有使这种催化器所需要的空间位置较小的优点，与此同时形成了良好的流动状况。此外，按本发明采用的催化器第一催化剂载体的两个或多个通孔，可以使部分排气在那里无阻碍地流过。这尤其在作为起动催化器的第一个催化剂载体的设计中是有利的。在设计为起动催化器的第一催化剂载体中因此也不必保留没有卷绕物的比较大的中心区。其结果是按本发明导致第二催化剂载体在直接入流的前侧的区域内有均匀的流动状况，并因而减少直接的排气流在第二催化剂载体上有害的作用。采取这一措施首先可以将第二催化剂载体节省空间地基本上与尤其设计为起动催化器的第一个催化剂载体彼此相继地排列，因为借助于在第一催化剂载体内至少有两个通孔使流动状况发生上述改变，因此与通过一个大的中心通孔直接入流的情况相比，在持续工作下第二催化剂载体热排气的入流对于第二催化剂载体直接入流的前侧的负面影响较小。
在流动技术方面特别有利的是，第一催化剂载体内通孔的第二种横载面积分别比沿轴向通过一个或多个催化剂载体延伸的通道的第一种横截面积大5至20倍，优选地10至15倍。以此方式保证尤其在持续工作中特别良好地流过通孔。
按本发明的催化器的一种实施形式是特别优选的，其中第一催化剂载体的通孔分别有通过其横截面几何中心沿轴向延伸的纵轴线，它们与通过第一个催化剂载体几何中心延伸的纵轴线不重合。
通孔的这种特别优选的偏心结构，导致排气通过此通孔的速度比在先有技术中单个中央通孔的情况下的低。其原因在于抛物线状速度剖面，这是在管内层流时随半径的变化得出的。这种基本模型一次近似地也适用于在基本上管状的催化器内的流动。按本发明通过通孔的布局减小在连续工作中直接通过通孔流动的热排气的流动速度，降低了设在第一催化剂载体下游的第二催化剂载体受损害的危险。
因此按本发明允许至少将第一个催化剂载体安装在发动机附近，特别优选的是将第一个催化剂载体安置在内燃机肘管的端部区内。因此，尤其在汽车的冷起动阶段，此第一个催化剂载体可以特别好地完成其作为起动催化器的任务。
为了尽可能减小按本发明的催化器的空间尺寸，催化剂载体直接相继地排列，它们的间距取决于空间条件，并优选地在0.5cm至10cm的范围内。特别优选地间距从2cm至5cm。
作为用于按本发明的催化器至少两个催化剂载体的外壳，优选地采用一个分成多个外壳段的外壳，外壳段通过管状的中间段互相连接以及每个催化剂载体装在一个各自的外壳段内。外壳段互相的连接或它们与管状中间段的连接在这里可以通过各种方式进行，例如用螺钉和通过焊接，也可以借助在各分段和中间段上的法兰状部分可拆式地连接，法兰状部分可以用螺钉连接、可以夹紧等。外壳作为整体安置在汽车排气管路中也可以按已说明的方式进行。各外壳段以及连接的管状中间段的横截面可适应于各自的空间条件，但优选地所有的外壳段和/或中间段有统一的横截面。当然第二个催化剂载体也可以有比第一个大的横截面。
在按本发明的催化器的一种特别优选的实施形式中，外壳只设计一个外壳段，它容纳这些催化剂载体。以此方式外壳可以设计得特别紧凑。
为了改善稳定性以及保证即使在万一作用有例如在安装催化剂载体时可能出现的机械负荷的情况下仍有良好的流动状况，第一个催化剂载体的通孔优选地有一个边，这是增厚的并尤其由多个彼此贴靠的薄板层组成。
特别优选的是，至少第一个催化剂载体是一个基本上由S形或由渐开线状缠绕的薄板层构成的具有沿轴向延伸的通道的蜂窝体。
用于制造按本发明的催化剂载体，尤其制造按权利要求1的催化器的第一个催化剂载体的设备，由至少一个由多个至少局部结构化的薄板层组成的堆叠加工成这种催化剂载体，薄板层构成多个可流过流体的通道。此设备有一个可绕一中心轴线旋转的插在每个堆叠上的叉形缠绕装置，它基本上被一模具包围，模具的内轮廓与要制造的催化剂载体的外轮廓对应，以及按本发明主动的卷绕芯棒装在缠绕装置的支架上，它们可被置于与一个或多个堆叠插接并为了扩张缠绕的堆叠尤其为了构成通孔可在催化剂载体内运动。
借助缠绕装置可运动的卷绕芯棒，可以特别简单并因而经济地制成按权利要求1的催化器的催化剂载体，尤其第一个催化剂载体，它们优选地基本上由S形或由渐开线状缠绕的薄板层构成，并设有上面早已说明过的通孔。
按本发明的一种优选的实施形式，主动的卷绕芯棒沿轴向彼此相继地分别有一个具有尽可能小的横截面的第一区和一个具有较大横截面的第二区以及一个锥形的过渡区，其中第一区和第二区沿轴向的长度分别至少与要制造的催化剂载体的轴向长度相对应，以及，第二区的横截面基本上相应于各自的通孔所期望的横截面。
此外，在这种用于制造催化剂载体的设备的优选的实施形式中，主动的卷绕芯棒可沿轴向相对于堆叠运动，由此堆叠通过缠绕构成催化剂载体。在这里这种运动对于所有的主动卷绕芯棒可以是统一的或对于每个主动的卷绕芯棒可以单个地进行。相对于模具的缠绕运动涉及所有主动的卷绕芯棒。
因为主动的卷绕芯棒设计为可通过一简单的运运过程沿轴向被置于与堆叠插接以及可沿轴向扩张缠绕的堆叠，所以主动的卷绕芯棒可以是一种比较简单的机械结构，因此可以特别经济地生产按本发明的设备并因而最终也可以特别便宜地制造催化剂载体。此外，这种扩张在各主动的卷绕芯棒的第一区和第二区之间的锥形过渡区内进行，由此以非常均匀的方式在催化剂载体内制成各自的通孔，尤其是各通孔所要求的横截面基本上由各自的主动卷绕芯棒第二区的横截面预先给定的。
特别优选的是，用于制造催化剂载体的上述第一种优选的设备实施形式有一底板，它支承着要缠绕的堆叠承受由主动的卷绕芯棒所施加的轴向力，以及它在各主动的芯棒所在区内设有孔，主动的卷绕芯棒在扩张缠绕的堆叠时穿过这些孔。
在用于制造催化剂载体的设备的另一个优选的实施形式中，主动的卷绕芯棒可在保持其沿轴向定向的情况下垂直于其各自的纵轴线相对于堆叠运动。在这种情况下特别优选的是，主动的卷绕芯棒可按一个幅度运动，此幅度与各自的通孔所期望的横截面直径相应。在此第二种实施形式中，主动的卷绕芯棒同样既用于与要缠绕的一个或多个堆叠插接，又用于扩张，以便在通过缠绕构成的催化剂载体内制成相关的通孔。
按用于制造催化剂载体的设备的第二种优选的实施形式，主动的卷绕芯棒的运动可基本上通过每一个主动的卷绕芯棒的圆周运动进行，其中圆周运动的半径一直增加到这样的幅度，即，使此幅度与各自的通孔所要求的横截面直径一致。
优选地，设备第二种优选的实施形式的主动卷绕芯棒设计为可逐个运动，但也可以将这些主动的卷绕芯棒设计为可共同运动，为此例如可将整个缠绕装置设计为可相应地运动。
用于制造催化剂载体的设备的第二种优选的实施形式带来结构高度小的优点。
特别优选的是，用于制造催化剂载体的设备的这两种优选的实施形式设计为，模具和缠绕装置彼此可相对转动。此外，模具可设计为多部分组成的并可通过适当的机构合拢。
为了由多个至少部分结构化的薄板层制造催化剂载体，尤其制造按权利要求1的催化器的第一个催化剂载体，建议了一种方法，其中至少一个由多个至少部分结构化的薄板层组成的堆叠被叠复。将每个堆叠置入基本上与要制造的催化剂载体的外形相应的模具内。在这种情况下每个堆叠被一个设在模具中心区内的缠绕装置固定。所有的堆叠通过缠绕装置相对于模具旋转缠绕成催化剂载体，它充满整个模具。按本发明缠绕装置的主动的卷绕芯棒以这样的方式动动，即，使缠绕的堆叠通过此运动被扩张，由此尤其在催化剂载体内形成通孔。主动的卷绕芯棒的运动早已在上面说明。
采用所说明的工艺过程控制免去了复杂的运动过程。此方法可以简单和无其他困难地实施。
有利的是每个堆叠绕各自的弯折线折叠，以及优选地在每条弯折线的所在区内存在一主动的卷绕芯棒。
在另一种优选的实施形式中，一个或多个堆叠被置入一个具有至少两个模具扇形块的开口模具内，以及，当达到规定的缠绕度时模具通过逆缠绕装置的旋转方向转动模具扇形块封闭。堆叠完全绕自身缠绕并不是绝对需要的。模具的闭合过程在堆叠尚未缠绕部分的长度小于或等于模具扇形块沿周向的长度时便已经可以开始。若闭合过程已开始，则每个扇形块均有助于缠绕过程，因为正在闭合中的扇形块将尚未缠绕的部分朝轴线方向压。
下面借助附图说明按本发明的催化器和设备以及按本发明的方法的其他优点和特征。
其中：
图1按本发明的催化器优选的实施形式剖切侧视图；
图2按本发明的催化器优选的实施形式第一个催化剂载体俯视图；
图3按本发明的用于制造催化剂截体的设备第一种优选的实施形式剖切侧视图；以及
图4按本发明的用于制造催化剂载体的设备第二种优选的实施形式。
图1表示按本发明的催化器优选的实施形式剖切侧视图。在一公共的外壳1内排列两个催化剂载体2、3。第一催化剂载体2和第二催化剂载体3都有沿轴向延伸的通道4并构成一个蜂窝体，以及催化剂载体2、3均有图中未表示的催化有效物质涂层。第一个催化剂载体2设计为安装在发动机附近的起动催化器。它有两个平行于轴向通道4延伸的通孔5。通孔5各有一个比轴向通道的横截面积约大16倍的横截面积。第一个催化剂载体2的通孔5各有一个边9，它是增厚的并由多个互相贴靠的结构相同的薄板层组成。通孔5各有通过其横截面几何中心沿轴向延伸的纵轴线6，它们与通过第一催化剂载体几何中心延伸的纵轴线7不重合。纵轴线7同时也是通过第二个催化剂载体3几何中心延伸的纵轴线。为了与其余排气装置的管径相匹配，外壳1端部有比外壳1本身小的直径。
催化剂载体2、3按这样的方式布置，即，它们各自的直径基本上与管状的外壳1内径一致，因此它们被固定在此外壳中。在第一催化剂载体2与第二催化剂载体3之间的距离是几个厘米。通过将通孔与偏心地布置在第一个催化剂载体内，与排气通过一中心孔流动相比，减小了通过各自的通孔5流动的排气速度。由此也降低了在第二个催化剂载体直接入流的前侧的区域内受损的危险。所说明的蜂窝体优选地由至少部分结构化的薄板层制成，薄板层通过钎焊相互之间以及与外壳连接。
图2表示通过图1所示催化器优选的实施形式中第一个催化剂载体2的横剖面。
第一个催化剂载体2装在外壳1内。外壳1基本上设计为管状。催化器载体2有多个基本上S形缠绕的薄板层，它们构成一个有沿轴向延伸的通道4的蜂窝体。第一催化剂载体2的通孔5各有一个边9，它是增厚的并尤其由多个互相贴靠的薄板层8组成。通过通孔各自横截面几何中心沿轴向延伸的纵轴线6，与通过第一催化剂载体2几何中心延伸的纵轴线7不重合。催化剂载体2可以有不同的设计，尤其是催化剂载体2也可以由渐开线状缠绕的薄板层构成并可以设更多个通孔5。
图3表示用于制造按本发明的催化剂载体的设备第一种优选的实施形式。
设备包括一个带环形的外法兰的模具11，它可借助图中未表示的连接件，例如螺钉，与底板16可拆式连接。在底板16中设计了一些孔17，缠绕装置10的卷绕芯棒12穿过这些孔。孔17各自的横截面大体上与主动的卷绕芯棒12各自的第二区14的横截面一致。模具11的高度基本上与第一个催化剂载体2的轴向尺寸对应，第一催化剂载体在此设备中通过缠绕装置10相对于模具11绕设备的对称轴线(图中未表示)旋转由置入模具11中的一些堆叠或由一个这样的堆叠缠绕而成。在这种情况下不管是模具11还是缠绕装置10主动运动结果是一样的。
主动的卷绕芯棒12可以逐个地或共同地平行于设备的旋转轴线运动。运动方向与第一催化剂载体2的轴向一致。尤其是在催化剂载体缠绕后此轴向运运向下进行以及借助各自的主动卷绕芯棒的锥形过渡区15扩张第一催化剂载体，其中，各主动的卷绕芯棒12的第一区13与要缠绕的那些堆叠或要缠绕的那个堆叠插接。必要时可在模具11上部设止挡，它防止催化剂载体在扩张后由于主动的卷绕芯棒12歪斜当将主动的卷绕芯棒12(向上)回抽时被带走。
图4表示用于制造按本发明的催化剂载体的按本发明的设备第二种优选的实施形式。
第二种优选的实施形式的设备与图3所示的设备基本一致。但在这种情况下底板16上不需要孔，因为主动的卷绕芯棒12基本上没有轴向力作用在催化剂载体上。在图4所示设备的情况下，缠绕的催化剂载体的扩张通过主动的卷绕芯棒12垂直于其各自的纵轴线运动来完成。在这里，两个运动平面用箭头表示在图4中。显然，这种运运当然可沿所有的方位角方向进行。尤其是此运动可通过一个具有增大了的半径的圆周运动进行，它由各自的主动卷绕芯棒12绕其纵轴线来实施。在这种情况下最大的幅度与在催化剂载体内要制成的通孔5横截面所要求的直径相当。在图4中分别针对图中表示的两个主动的卷绕芯棒12用虚线表示了这种幅度。
无论对按图3的设备还是对按图4的设备均适用的是，主动的卷绕芯棒12的横截面基本上是圆形的，但原则上也可以是其他横截面，尤其是滴状横截面。