DE102007022068A1

DE102007022068A1 - Mantelrohr zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, sowie Wabenkörper und Abgassystem umfassend mindestens ein Mantelrohr sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Mantelrohres

Info

Publication number: DE102007022068A1
Application number: DE102007022068A
Authority: DE
Inventors: Carsten Kruse
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008135354A1; TW200912124A

Abstract

Das erfindungsgemäße Mantelrohr (1) zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Mantelrohr (1) ein inneres (2) und mindestens ein äußeres Mantelrohr (3) umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass das innere Mantelrohr (2) aus einem austenitischen Stahl und das äußere Madet ist. Das erfindungsgemäße Mantelrohr (1) erlaubt in vorteilhafter Weise den Aufbau von erfindungsgemäßen Wabenkörpern (6) und erfindungsgemäßen Abgassystemen (13), bei denen die Korrosion des Mantelrohres (1) beispielsweise durch Harnstoffwasserlösung (17) wirksam verhindert wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mantelrohr zum Einsatz im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Wabenkörper umfassend ein solches Mantelrohr und ein Abgassystem umfassend ein solches Mantelrohr oder einen solchen Wabenkörper. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mantelrohres beschrieben. Die erfindungsgemäßen Gegenstände sowie die erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände lassen sich besonders bevorzugt in vorteilhafter Weise im Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen von Automobilen einsetzen.
Die inzwischen in vielen Staaten weltweit vorliegenden Grenzwerte, die das Abgas von Verbrennungskraftmaschinen einhalten muss, bedingen oftmals eine Abgasnachbehandlung. Hierbei wird das Abgas durch eine durchströmbare Struktur geleitet, die katalytisch aktiv ist oder entsprechend katalytisch beschichtet ist. Zur Verringerung der Stickoxidwerte im Abgas kann das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) zum Einsatz kommen. Hierbei wird ein selektiv auf Stickoxide wirkendes Reduktionsmittel dem Abgas zugegeben. Statt eines Reduktionsmittels kann auch ein Reduktionsmittelvorläufer zugegeben werden. Ein mögliches Reduktionsmittel ist Ammoniak, ein möglicher Reduktionsmittelvorläufer Harnstoff. Diese und andere Stoffe, die dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen zugesetzt werden oder die im Abgas enthalten sind, sind korrosiv für eine Vielzahl von möglichen Materialien auf, aus denen Teile des Abgassystems hergestellt sein können. Um hier eine Korrosionsfestigkeit zu ermöglichen, kann beispielsweise ein recht hochwertiges Material zum Einsatz kommen wie beispielsweise nickelhaltige austenitische Stähle. Diese sind jedoch üblicherweise deutlich teurer als einfache ferritische Stähle, deren Korrosionsbeständigkeit geringer ist als die von austenitischen Stählen.
Von daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mantelrohr zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine vorzuschlagen, welches einerseits eine hohe Korrosionsbeständigkeit und andererseits geringe Materialkosten aufweist. Weiterhin soll ein entsprechender Wabenkörper, ein entsprechendes Abgassystem sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Mantelrohres vorgeschlagen werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Mantelrohr dient zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Das Mantelrohr umfasst ein inneres und mindestens ein äußeres Mantelrohr. Erfindungsgemäß ist das innere Mantelrohr aus einem austenitischen Stahl und das äußere Mantelrohr aus einem ferritischen Stahl ausgebildet.
Die Befähigung des Mantelrohres zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine bedeutet insbesondere, dass das Mantelrohr temperaturstabil bei den im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Temperaturen von 400°C und mehr, bevorzugt 800°C und mehr, besonders bevorzugt 1.000°C und mehr ist.
Das erfindungsgemäße Mantelrohr weist einerseits den Vorteil auf, dass das innere austenitische Mantelrohr eine Korrosionsresistenz insbesondere gegen Harnstoff und/oder Ammoniak gewährleistet, während der aus preiswerterem Material hergestellte ferritische äußere Mantelrohr die mechanische Stabilität gewährleistet.
Unter einem austenitischen Material wird insbesondere ein Stahl verstanden, bei dem maximal 2,06 Gew.-% (Gewichtsprozent) Kohlenstoff beinhaltet sind und welches eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur aufweist. Unter einem ferritischen Stahl wird insbesondere ein Stahl verstanden, der bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthält und eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur aufweist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Mantelrohres, bei dem der austenitische Stahl mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: a) einen Stahl mit Werkstoffnummer 1.4828 und b) einen Stahl mit Werkstoffnummer 1.4301.
Hierbei wird unter einem Stahl mit Werkstoffnummer 1.4828 ein Stahl verstanden, der max. 0,2 Gew.-% (Gewichts-%) Kohlenstoff, 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium, maximal 2 Gew.-% Mangan, maximal 0,045 Gew.-% Phosphor, maximal 0,03 Gew.-% Schwefel, 19 bis 21 Gew.-% Chrom und 11 bis 13 Gew.-% Nickel umfasst. Unter einem Stahl mit Werkstoffnummer 1.4301 wird ein Stahl verstanden, der maximal 0,07 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 1 Gew.-% Silizium, maximal 2 Gew.-% Mangan, maximal 0,045 Gew.-% Phosphor, 17 bis 19,5 Gew.-% Chrom, 8 bis 10,5 Gew.-% Nickel und maximal 0,11 Gew.-% Stickstoff umfasst. Die Werkstoffnummern werden insbesondere nach DIN EN 10027-2 angegeben. Diese Zusammensetzung des austenitischen Stahles hat sich als besonders vorteilhaft bei der Gewährleistung der Korrosionsfestigkeit erwiesen.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Mantelrohres, bei dem der ferritische Stahl einen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4509 umfasst.
Unter einem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4509 wird insbesondere ein Stahl verstanden, der maximal 0,03 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 1 Gew.-% Silizium, maximal 1 Gew.-% Mangan, maximal 0,04 Gew.-% Phosphor, maximal 0,015 Gew.-% Schwefel, 17,5 bis 18,5 Gew.-% Chrom, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Titan und 0,35 bis 1 Gew.-% Niob umfasst. Diese Zusammensetzung eines ferritischen Stahls hat sich als vorteilhaft bei der Herstellung eines mechanisch stabilen äußeren Mantelrohres erwiesen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Mantelrohres weist das innere Mantelrohr eine Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm auf.
Insbesondere eine Dicke von 0,5 mm hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Ein somit relativ dünnes inneres Mantelrohr aus einem austenitischen Material ist somit ausreichend, um eine genügende Korrosionsfestigkeit zu erreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Mantelrohres weist das äußere Mantelrohr eine Dicke von 1 mm bis 3 mm auf.
Insbesondere hat sich hierbei eine Dicke von etwa 1,5 mm als vorteilhaft erwiesen. Durch diesen dickeren Außenmantel kann in vorteilhafter Weise die mechanische Stabilität des Mantelrohres gewährleistet werden. Das nicht korrosionsbeständige ferritische Material des äußeren Mantelrohres kommt aufgrund des inneren Mantelrohres nicht mit korrosiven Stoffen im Abgas in Kontakt, so dass die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Mantelrohres gegeben ist.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mantelrohres weist zumindest in Teilbereichen ein Verhältnis

– des radialen Abstandes vom inneren zum äußeren Mantelrohr
– zur Summe der Dicken des inneren und äußeren Mantelrohrs in diesem Bereich

Die Ausbildung eines Spaltes zwischen innerem und äußerem Mantelrohr kann in vorteilhafter Weise eine thermische Isolierung ermöglichen, die ein Abkühlen eines innerhalb des Mantelrohres ausgebildeten Wabenkörpers nach Erreichen der Starttemperatur verlangsamt. Somit kann auch bei Kurzstreckenfahrten beim Einsatz als Katalysatorträgerkörper in mobilen Anwendungen eine genügend gute Umsetzung der unerwünschten Komponenten im Abgas der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Mantelrohres sind das äußere und das innere Mantelrohr zumindest in Teilbereichen auf mindestens eine der folgenden Arten miteinander verbunden:

a) kraftschlüssig;
b) formschlüssig und
c) stoffschlüssig.

Besonders bevorzugt ist hierbei eine stoffschlüssige Verbindung durch Löten (das sogenannte „brazing") oder durch Schweißverfahren. Auch die Kombination mit einer kraftschlüssigen Verbindung, insbesondere einer reibschlüssigen Verbindung, mit stoffschlüssigen Verbindungen ist vorteilhaft möglich.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Mantelrohres weist das äußere Mantelrohr zumindest in Teilbereichen Aussparungen auf.
Insbesondere umfassen solche Aussparungen Löcher im äußeren Mantelrohr, die die mechanische Stabilität des gesamten Mantelrohres nicht beeinträchtigen, jedoch zu einer Gewichts- und Materialreduzierung bei Erstellung des Mantelrohres führen. So können die Kosten bei der Erstellung des Mantelrohres weiter gesenkt werden, insbesondere in mobilen Anwendungen wie im Abgassystem von Automobilen ist die Gewichtsreduktion vorteilhaft.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wabenkörper vorgeschlagen, der mindestens ein erfindungsgemäßes Mantelrohr umfasst und mindestens eine für ein Abgas durchströmbare zumindest teilweise innerhalb des Mantelrohrs angeordnete Wabenstruktur umfasst.
Unter einer Wabenstruktur werden hier insbesondere keramische monolithische Wabenstrukturen und/oder Wabenstrukturen verstanden, die durch Verwinden oder Aufwickeln von metallischen Lagen hergestellt werden. Die Wabenstruktur kann zumindest teilweise poröse Wandungen zwischen in der Wabenstruktur ausgebildeten Kanälen aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers umfasst die Wabenstruktur zumindest in Teilbereichen eine katalytisch aktive Beschichtung, die mindestens eine der folgenden Reaktionen katalysiert:

a) eine Hydrolyse mindestens eines Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel und
b) eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden.

Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtung um eine Beschichtung, die die Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak katalysiert.
Unter einem Reduktionsmittelvorläufer im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Stoff oder Stoffgemisch verstanden, welches mindestens einen der folgenden Stoffe umfasst:

a) Harnstoff ((NH₂)₂CO),
b) Ammoniumformiat (HCOONH₄),
c) Ammoniumcarbamat (H₂NCOONH₄),
d) Ammoniumcarbonat ((NH₄)₂CO₃);
e) Ammoniumbicarbonat (NH₄HCO₃);
f) Ammoniumoxalat ((NH₄)₂(C₂O₄));
g) Ammoniumhydroxyd (NH₄OH);
h) Cyansäure (HOCN);
i) Cyanursäure (C₃H₃N₃O₃); und
j) Isocyansäure (HNCO).

Weiterhin kann es sich bei einem Reduktionsmittelvorläufer auch um ein Derivat mindestens eines der oben angegebenen Stoffe a) bis j) handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abgassystem vorgeschlagen, welches mindestens ein erfindungsgemäßen Wabenkörper und/oder ein erfindungsgemäßes Mantelrohr umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mantelrohres vorgeschlagen, bei dem ein austenitisches inneres Mantelrohr mit mindestens einem ferritischen äußeren Mantelrohr zumindest in Teilbereichen durch mindestens eine der folgenden Techniken verbunden wird:

a) eine kraftschlüssige Verbindung;
b) eine formschlüssige Verbindung; und
c) eine stoffschlüssige Verbindung.

Insbesondere wird unter der stoffschlüssigen Verbindung ein Lötvorgang (das sogenannte „brazing") und/oder ein Schweißvorgang verstanden.
Die für das erfindungsgemäße Mantelrohr offenbarten Details und Vorteile lassen sich in gleicher Weise auf den erfindungsgemäßen Wabenkörper, das erfindungsgemäße Abgassystem und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Mantelrohres übertragen und jeweils umgekehrt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass sie auf die dort gezeigten Details beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelrohres;
2: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers und
3: ein erfindungsgemäßes Abgassystem.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelrohres 1 zum Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Das Mantelrohr 1 umfasst ein inneres Mantelrohr 2 und ein äußeres Mantelrohr 3. Das innere Mantelrohr 2 ist aus einem austenitischen Stahl und das äußere Mantelrohr 3 aus einem ferritischen Stahl ausgebildet. Das äußere Mantelrohr 3 weist eine Dicke 4 auf, während das innere Mantelrohr 2 eine Dicke 5 aufweist. Die Dicke 4 des äußeren Mantelrohres ist größer als die Dicke 5 des inneren Mantelrohres. Bevorzugt liegt das Verhältnis der Dicke 4 zur Dicke 5 im Bereich von 3 bis 10.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 6. Der Wabenkörper 6 umfasst eine für ein Abgas durchströmbare Wabenstruktur 7, die in einem erfindungsgemäßen Mantelrohr 1 angeordnet und mit diesem zumindest in Teilbereichen verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ragt die Wabenstruktur 7 teilweise über das Mantelrohr 1 hinaus, jedoch ist es auch möglich, die Wabenstruktur 7 komplett im Inneren des Mantelrohrs 1 auszubilden. Die Wabenstruktur 7 weist übliche, hier nicht gezeigte, Kanäle oder Hohlräume auf, durch die ein Abgas von einer ersten Stirnseite 8 zu einer zweiten Stirnseite 9 des Wabenkörpers strömen kann. Das äußere Mantelrohr 3 weist bevorzugt Aussparungen 10 auf, die zu einer Gewichtsreduktion des Mantelrohres 1 führen. Weiterhin weist das Mantelrohr 1 einen Teilbereich 11 auf, in dem inneres 2 und äußeres Mantelrohr 3 nicht aneinander anliegen. In diesem Teilbereich 11 weisen inneres 2 und äußeres Mantelrohr 3 also einen radialen Abstand 12 auf.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Abgassystem 13. Dieses umfasst einen erfindungsgemäßen Wabenkörper 6 mit einer ersten Wabenstruktur 14 und einer zweiten Wabenstruktur 15. In Strömungsrichtung vor der ersten Wabenstruktur 14 ist eine Reduktionsmittelvorläuferzuführung 16 ausgebildet, über die bevorzugt Harnstoffwasserlösung dem Abgassystem 13 zugeführt wird. Die erste Wabenstruktur 14 weist eine Hydrolysekatalysatorbeschichtung auf, die die Hydrolyse des Harnstoffs zu Ammoniak katalysiert. Die zweite Wabenstruktur 15 weist bevorzugt eine SCR-Beschichtung auf. In der zweiten Wabenstruktur 15 erfolgt also die Umsetzung von im Abgas vorhandenen Stickoxiden mit dem in der ersten Wabenstruktur 14 erzeugten Ammoniak. Das Mantelrohr 1 ist zu der Reduktionsmittelvorläuferzugabe 16 so ausgebildet, das austretende Harnstoffwasserlösung 17 in jedem Fall das innere Mantelrohr 2 aus austentischen Stahl trifft, so dass hier die Korrosion des Mantelrohres 1 wirksam vermieden wird.
Das erfindungsgemäße Mantelrohr 1 erlaubt in vorteilhafter Weise den Aufbau von erfindungsgemäßen Wabenkörpern 6 und erfindungsgemäßen Abgassystemen 13, bei denen die Korrosion des Mantelrohres 1 beispielsweise durch Harnstoffwasserlösung 17 wirksam verhindert wird.

1: Mantelrohr
2: inneres Mantelrohr
3: äußeres Mantelrohr
4: Dicke des äußeren Mantelrohres
5: Dicke des inneren Mantelrohres
6: Wabenkörper
7: Wabenstruktur
8: erste Stirnseite
9: zweite Stirnseite
10: Aussparung
11: Teilbereich
12: radialer Abstand
13: Abgassystem
14: erste Wabenstruktur
15: zweite Wabenstruktur
16: Reduktionsmittelvorläuferzuführung
17: Harnstoff-Wasser-Lösung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN 10027-2 [0010]

Claims

Mantelrohr (1) zum Einsatz in einem Abgassystem (13) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Mantelrohr (1) ein inneres (2) und mindestens ein äußeres Mantelrohr (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Mantelrohr (2) aus einem austenitischen Stahl und das äußere Mantelrohr (3) aus einem ferritischen Stahl ausgebildet ist.
Mantelrohr (1) nach Anspruch 1, bei dem der austenitische Stahl mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: a) einen Stahl mit Werkstoffnummer 1.4828 und b) einen Stahl mit Werkstoffnummer 1.4301
Mantelrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der ferritische Stahl einen Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4509 umfasst.
Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das innere Mantelrohr (2) eine Dicke (5) von 0,1 mm bis 0,8 mm aufweist.
Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das äußere Mantelrohr (3) eine Dicke (4) von 1 mm bis 3 mm aufweist.
Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest in Teilbereichen (11) das Verhältnis – des radialen Abstandes (12) vom inneren (2) zum äußeren Mantelrohr (3) – zur Summe der Dicken (4, 5) des inneren (2) und äußeren Mantelrohrs (3) in diesem Bereich (11) zwischen 0,5 und 2 liegt.
Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das äußere Mantelrohr (3) und das innere Mantelrohr (2) zumindest in Teilbereichen auf mindestens eine der folgenden Arten miteinander verbunden sind: a) kraftschlüssig; b) formschlüssig; und c) stoffschlüssig.
Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das äußere Mantelrohr (3) zumindest in Teilbereichen Aussparungen (10) aufweist.
Wabenkörper (6) umfassend mindestens ein Mantelrohr (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens eine für ein Abgas durchströmbare, zumindest teilweise innerhalb des Mantelrohrs (1) angeordnete Wabenstruktur (14, 15).
Wabenkörper (6) nach Anspruch 9, wobei die Wabenstruktur (14, 15) zumindest in Teilbereichen eine katalytisch aktive Beschichtung umfasst, die mindestens eine der folgenden Reaktionen katalysiert: a) eine Hydrolyse mindestens eines Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel und b) eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden.
Abgassystem (13), umfassend mindestens ein Mantelrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder einen Wabenkörper (6) nach einem der Ansprüche 9 oder 10.
Verfahren zur Herstellung eines Mantelrohrs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein austenitisches inneres Mantelrohr (2) mit mindestens einem ferritischen äußeren Mantelrohr (3) zumindest in Teilbereichen durch mindestens eine der folgenden Techniken verbunden wird: a) eine kraftschlüssige Verbindung; b) eine formschlüssige Verbindung; und c) eine stoffschlüssige Verbindung.