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Die
Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für
eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 1 510 674 A1 ist
eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine
bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse mit einem als Zylindermantel
ausgebildeten Gehäuseteil aufweist. An den Stirnseiten
des Zylindermantels sind das Gehäuse stirnseitig begrenzende
Bodenteile vorgesehen. In der Abgasnachbehandlungseinrichtung sind
der Abgasreinigung dienende Abgaskatalysatoren angeordnet. Üblicherweise
werden Abgaskatalysatoren bei Temperaturen betrieben, welche 300°C
teilweise deutlich überschreiten. Durch Einwirkung hoher
Temperaturen sind einerseits die Korrosionsbeanspruchung und damit
die Gefahr von korrosionsbedingten Schädigungen generell
erhöht. Andererseits resultieren insbesondere aus lokalen Temperaturunterschieden
thermomechanische Belastungen für die Gehäuseteile,
welche zu einer Rissbildung und damit zu einer Beschädigung
des Gehäuses führen können. Besonders
gefährdet sind diesbezüglich Verbindungsstellen
von Gehäusebauteilen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der genannten
Art anzugeben, welche ein verbessertes Korrosionsverhalten gegenüber
thermomechanischen Belastungen aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Für
die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung
ist an der ersten Stirnseite des Gehäuses eine Loslagerverbindung
zwischen dem ersten Bodenteil und dem Zylindermantel derart vorgesehen,
dass an der Verbindungsstelle eine Relativbewegung des Zylindermantels
gegenüber dem ersten Bodenteil in Richtung der Gehäuselängsachse ermöglicht
ist. Das zweite Bodenteil ist über ein Festlager an der
zweiten Stirnseite fest mit dem Zylindermantel verbunden. Die Verbindungen
der Bodenteile mit dem Zylindermantel weisen somit eine unterschiedliche
Zahl von Freiheitsgraden in Bezug auf ihre möglichen Relativbewegungen
auf. Infolge der Loslagerverbindung von erstem Bodenteil und Zylindermantel
ist eine Verschieblichkeit dieser Gehäuseteile gegeneinander
an der Verbindungsstelle gegeben. Die Verbindung von erstem Bodenteil
und dem Zylindermantel ist bevorzugt zumindest abschnittsweise als
reibschlüssige Klemmverbindung ausgebildet. Infolge der
festen Verbindung zwischen zweitem Bodenteil und Zylindermantel
sind Relativbewegungen dieser Bauteile zueinander verhindert. Die
feste Verbindung zwischen zweitem Bodenteil und Zylindermantel wird
bevorzugt durch Anwendung einer formschlüssigen und/oder
einer stoffschlüssigen Verbindungstechnik bewirkt. Durch
die erfindungsgemäße Kombination von Verbindungsarten
der beiden Bodenteile mit dem Zylindermantel wird einerseits eine
hohe mechanische Stabilität erzielt, andererseits werden
Wärmedehnungen von Gehäuseteilen im Wesentlichen
spannungsfrei ermöglicht. Es ist vorzugsweise vorgesehen,
die Verbindungen des Zylindermantels mit dem ersten und/oder mit
dem zweiten Bodenteil spritzwasserdicht auszuführen.
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Die
Abgasnachbehandlungseinrichtung fungiert vorzugsweise als kombinierte
Abgasnachbehandlungs- und Schalldämpfereinheit. Im Gehäuseinneren
sind typischerweise ein oder mehrere der Abgasreinigung dienende
Katalysatorelemente und/oder Partikelfilterelemente angeordnet.
Das zylindrische Gehäuse ist vorzugsweise tonnenförmig ausgebildet.
Die Querschnittsform ist bevorzugt annähernd quadratisch
mit abgerundeten Ecken. In Ausgestaltung der Erfindung ist der Zylindermantel doppelwandig
mit einem Außenmantel und mit einem Innenmantel ausgeführt.
Dadurch wird eine verminderte Wärmeabfuhr über
die Zylindermantelfläche erzielt. Eine weiter verbesserte
Isolationswirkung wird erzielt, wenn in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung im Zwischenraum zwischen Außenmantel und Innenmantel
ein Wärmeisolationsmaterial vorgesehen ist.
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Für
die mit einem doppelwandig ausgebildeten Zylindermantel ausgeführte
Abgasnachbehandlungseinrichtung ist in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung die Loslagerverbindung zwischen erstem Bodenteil und Außenmantel
gebildet und zwischen erstem Bodenteil und Innenmantel ist eine
feste Verbindung vorgesehen. Durch diese Ausführung werden insbesondere
Wärmespannungen infolge von Temperaturunterschieden zwischen
Außenmantel und Innenmantel weitestgehend vermieden. Zugleich
wird eine gute mechanische Stabilität des gesamten Gehäuses
erzielt. Es ist vorzugsweise vorgesehen, die Verbindungen des Außenmantels
mit dem ersten und/oder mit dem zweiten Bodenteil spritzwasserdicht
auszuführen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Bodenteil und
das zweite Bodenteil doppelwandig mit jeweils einem Außenboden
und einem Innenboden ausgeführt. Dadurch wird eine Wärmeabfuhr über
die Bodenteile vermindert. Die Isolationswirkung der doppelwandig
ausgeführten Bodenteile wird weiter verbessert, wenn in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Zwischenraum zwischen Außenboden
und Innenboden des ersten und des zweiten Bodenteils ein Wärmeisolationsmaterial
vorgesehen ist.
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Für
die mit einem doppelwandig ausgebildeten Zylindermantel und mit
doppelwandig ausgebildeten Bodenteilen ausgeführte Abgasnachbehandlungseinrichtung
ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Loslagerverbindung
zwischen dem Innenboden des ersten Bodenteils und dem Außenmantel
gebildet. Durch diese Ausführung werden insbesondere Wärmespannungen
infolge von Temperaturunterschieden zwischen den innenliegenden
und den außenliegenden Gehäuseteilen umfassend
und weitestgehend vermieden. Zugleich wird eine gute mechanische
Stabilität des gesamten Gehäuses erzielt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Innenboden des ersten
Bodenteils und der Innenboden des zweiten Bodenteils gasdicht mit
dem Innenmantel verbunden. Dadurch wird ein unkontrollierter Abgasaustritt
aus dem Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung verhindert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Außenmantel
und/oder der Innenmantel zweiteilig ausgeführt, wobei die
beiden Mantelteile entlang in Gehäuselängsrichtung
verlaufenden Verbindungslinien miteinander verbunden sind. Diese
Ausführung verbessert und erleichtert den Fertigungsprozess, wobei
gleichzeitig Abmessungstoleranzen ausgeglichen werden können.
Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn die Mantelteile
des fertiggestellten Gehäuses durch eine Falzverbindung
miteinander verbunden sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an einer Verbindungsstelle
von erstem Bodenteil und Zylindermantel ein elastisches Dichtmaterial
vorgesehen. Auf diese Weise wird einerseits an der Verbindungsstelle
eine Abdichtung, beispielsweise gegenüber Spritzwasser
erzielt, andererseits ist weiterhin eine Verschieblichkeit von Bodenteil
und Zylindermantel gegeneinander gewährleistet.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen
veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die
vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es
zeigen:
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1a einen
Ausschnitt einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung im Längsschnitt und
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1b einen
Ausschnitt der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß 1a im
Querschnitt.
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Die
ausschnittsweise in einer Längsschnittdarstellung in 1a gezeigte
Abgasnachbehandlungseinrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse
mit einem Zylindermantel 1 auf. Die Stirnflächen
des Gehäuses sind durch ein erstes Bodenteil 2 und
ein zweites Bodenteil 3 gebildet. Zylindermantel 1 und Bodenteile 2, 3 sind
vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Das Gehäuse
bzw. der das Gehäuse umfangsseitig begrenzende Zylindermantel 1 ist
dabei im Querschnitt vorzugsweise rechteckig oder annähernd
quadratisch mit jeweils abgerunde ten Ecken ausgeführt,
was in der Querschnittsdarstellung von 1b mit
Blick vom Gehäuseinneren auf das zweite Bodenteil 3 verdeutlicht
ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung wird typischerweise bei
Nutzfahrzeugen eingesetzt und nimmt ein oder mehrere Abgasreinigungselemente
auf. Dabei kann es sich um Oxidationskatalysatoren, SCR-Katalysatoren,
Partikelfilter und/oder andere der Abgasreinigung dienenden Bauelemente
handeln. Für diese können im Gehäuse
verschiedene Kammern vorgesehen sein, was in 1a im
einzelnen nicht dargestellt ist. Gleichfalls nicht in die 1a und 1b aufgenommen
sind Abgasleitungsanschlüsse zur Abgaszuleitung und -ableitung.
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In
der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind sowohl
der Zylindermantel 1 als auch die Bodenteile 2, 3 doppelwandig
ausgeführt. Dabei bilden ein Außenmantel 1a und
ein Innenmantel 1b die beiden Wandteile des doppelwandigen
Zylindermantels 1. Entsprechend bilden Außenböden 2a, 3a und
Innenböden 2b, 3b die Wandteile der doppelwandigen
Bodenteile 2, 3. Außenmantel 1a und
Innenmantel 1b sind konzentrisch angeordnet, wobei der
Außenmantel 1a geringfügig länger
als der Innenmantel 1b ausgeführt ist. Bevorzugt
sind Außenmantel 1a und/oder Innenmantel 1b zweiteilig
mit zwei Halbschalen ausgebildet, welche entlang in Gehäuselängsrichtung
verlaufenden Verbindungsnähten, beispielsweise in Form
einer Falzverbindung verbunden sind.
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Die
Zwischenräume des doppelwandig ausgeführten Zylindermantels 1 sowie
der doppelwandig ausgeführten Bodenteile 2, 3 können
hohl ausgeführt sein und wirken dann als Luftspaltisolierungen.
Bevorzugt ist jedoch eine teilweise oder vollständige Ausfüllung
mit einem in 1a mit 8 bezeichneten Wärmeisolationsmaterial.
Auf diese Weise können Wärmeverluste gering gehalten
und sicherheitsbedenkliche hohe Oberflächentemperaturen
vermieden werden.
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Für
eine stabile und eine gleichzeitig auch bei Temperaturbeanspruchung
spannungsarme Verbindung der Gehäuseteile haben sich folgende
Ausgestaltungen und Verbindungsarten als vorteilhaft erwiesen.
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Es
ist vorgesehen, die Bodenteile 2, 3 bzw. die Außenböden 2a, 3a und
die Innenböden 2b und 3b tellerartig
mit Punktsymmetrie bezüglich des Durchstoßpunkts
der Gehäuselängsachse auszuführen. Vorzugsweise
sind die Außenböden 2a, 3a und die
Innenböden 2b, 3b, abgesehen von gegebenenfalls
vorgesehenen Durchführungen für Abgaseinlass oder
Abgasauslass, jeweils identisch ausgeführt. Bevorzugt ist
eine Ausformung der Außenböden 2a, 3a und
der Innenböden 2b und 3b derart vorgesehen, dass
die Außenböden 2a, 3a randseitig
umlaufend an den Innenböden 2b und 3b anliegen.
An den entsprechenden Anlageflächen 11 ist eine
stoffschlüssige oder eine formschlüssige Verbindung
vorgesehen. Die Verbindung kann umlaufend geschlossen in Form einer
Schweißnaht oder auch durch einzelne Verbindungspunkte
etwa in Form einer Vielzahl von Punktschweißungen oder
Clinchverbindungen ausgeführt sein. Eine Klebeverbindung
ist ebenfalls möglich.
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Ferner
ist eine Ausformung der Innenböden 2b, 3b derart
vorgesehen, dass diese jeweils an einem stirnseitigen Ende des Innenmantels 1b umlaufend
an diesem anliegen. Dabei ist an den mit 6, 7 bezeichneten
Anlageflächen eine gasdichte Verbindung zwischen dem Innenmantel 1b und
den Innenböden 2b, 3b vorgesehen. Aufgrund
der im Gehäuse beim Betrieb vorhandenen erhöhten
Temperaturen ist eine geschlossene umlaufende Schweißverbindung
bevorzugt.
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Des
Weiteren ist eine umlaufende Verbindung der Bodenteile 2, 3 mit
dem Außenmantel 1a an dessen stirnseitigen Enden
vorgesehen. Diese in 1a mit 4 bzw. 5 bezeichneten
Verbindungen sind bevorzugt spritzwasserdicht ausgeführt.
Erfindungsgemäß ist die Verbindung 4 des
ersten Bodenteils 2 mit dem Außenmantel 1a als
Loslagerverbindung ausgeführt, welche eine Relativbewegung
des Außenmantels 1a in Bezug auf das erste Bodenteil 2 in Richtung
der Gehäuselängsachse entsprechend dem Doppelpfeil 10 ermöglicht.
Hingegen ist die Verbindung 5 des zweiten Bodenteils 3 mit
dem Außenmantel 1a als Festlagerverbindung ausgeführt,
welche eine derartige relative Translationsbewegung von Außenmantel 1a in
Bezug auf das zweite Bodenteil 3 verhindert.
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Wie
in 1a dargestellt, erfolgen die Verbindungen 4, 5 bei
einer Ausführung des Gehäuses der Abgasnachbehandlungseinrichtung
mit doppelwandigem Zylindermantel 1 und doppelwandigen
Bodenteilen 2, 3 zwischen den Innenböden 2b, 3b der Bodenteile 2, 3 und
dem Außenmantel 1a. Hierfür sind die
Innenböden 2b, 3b so ausgeformt, dass
sie an den jeweiligen Endbereichen des Außenmantels 1a an
dessen Innenseite umlaufend anliegen. Ferner werden die Innenböden 2b, 3b mit
einem Durchmesser-Übermaß im Vergleich zu der
durch den Außenmantel 1a gebildeten Zylinderquerschnittsfläche
ausgeführt, so dass die Außenkontur der Innenböden 2b, 3b einen
ringsum gleichmäßigen Überstand gegenüber
der Umfangslinie des Außenmantels 1a aufweist. Durch
Umschlagen der umfangsseitig überstehenden ringförmigen
Randbereiche der Innenböden 2b, 3b, wie
in 1a durch die Pfeile 12 dargestellt, entstehen
umlaufende Falzverbindungen 4, 5 zwischen den
Innenböden 2b, 3b und dem Außenmantel 1a.
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Der
Ausgangszustand vor der Umfalzung des Innenbodens 3b des
zweiten Bodenteils ist in 2b durch
die gestrichelt gezeichnete Umfangskontur 3c des Innenbodens 3b des
zweiten Bodenteils 3 dargestellt.
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Die
Falzverbindung 4 zwischen Innenboden 2b des ersten
Bodenteils 2 und dem Außenmantel 1a wird
dabei so ausgeführt, dass eine axial gerichtete Translationsbewegung
des Außenmantels 1a in Bezug auf den Innenboden 2b ermöglicht
ist. Es kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Falzes eine elastische
Dichtmasse angebracht wird, was vorzugsweise vor dem Umfalzen erfolgt.
Dadurch kann eine verbesserte Abdichtung zwischen Innenboden 2b und
Außenmantel 1a erzielt werden. Ein Eindringen
von Spritzwasser in den vom Außenmantel 1a und
Innenmantel 1b gebildeten Zwischenraum kann auf diese Weise
wirksam verhindert werden.
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Im
Unterschied zur der als Loslagerverbindung ausgeführten
Falzverbindung 4 des Innenbodens 2b und des Außenmantels 1a wird
die Falzverbindung 5 zwischen Innenboden 3b des
zweiten Bodenteils 3 und dem Außenmantel 1a nach
dem Umfalzen so modifiziert, dass eine Translationsbewegung des
Außenmantels 1a in Bezug auf den Innenboden 3b verhindert
ist und eine Festlagerverbindung entsteht. Dies kann durch Anbringen
einer Vielzahl von zusätzlichen Verbindungspunkten entlang der
umlaufenden Falzverbindung 5 erfolgen. Bevorzugt sind Punktschweißverbindungen
oder Clinchverbindungen. Eine feste Verbindung von Außenmantel 1a und
Innenboden 3b kann auch durch Kleben oder durch eine umlaufende
geschlossene Schweißnaht erzielt werden.
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Es
kann vorgesehen sein, außenseitig an den Innenböden 2b, 3b radiale
Einschnitte und eine Abbiegung der entsprechenden Randbereiche derart vorzusehen,
dass nach dem Umfalzen infolge der Durchmesserverringerung an der
Einschnittstelle benachbarte Randbereiche 9 überlappen,
was in 1b veran schaulicht ist. Bevorzugt
sind die Einschnitte im Bereich der abgerundeten Gehäuseecken
vorgesehen. Durch diese Maßnahme können Materialspannungen
vermieden werden, welche infolge einer Durchmesserverringerung beim
Umfalzen auftreten können. An den nach der Umfalzung gebildeten Überlappungen
ist vorzugsweise eine Abdichtung, beispielsweise über Falze
oder Abdeckbleche vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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