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Die
Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere
eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäusemantel, in dem
ein von Abgas durchströmbarer Abgaskatalysator angeordnet
ist, mit einem in Abgasströmungsrichtung vorderen Bereich,
in den das zu reinigende Abgas eintreten kann und einem in Abgasströmungsrichtung
dahinter liegenden hinteren Bereich.
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Derartige
Abgasnachbehandlungseinrichtungen sind bekannt. Zurzeit werden alle
bekannten Abgassysteme für Dieselmotoren, die mit SCR-Systemen
die Abgasnormen erfüllen, vollständig aus Edelstahl
gefertigt. Mit SCR (Selected Catalytic Reduction) bezeichnet man
die Technik der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden
in Abgasen. Die Verwendung von Edelstahl ist aufgrund der korrosiven
Wirkung des Abgases sowie des verwendeten Additivs (Ammoniak bzw.
Harnstofflösung) erforderlich und hat sehr hohe Materialkosten
zur Folge.
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Nach
dem Stand der Technik wird der Katalysator, d. h. der von dem Abgas
durchströmbare keramische Körper von einem Rohr
aus einheitlichem Material in Edelstahl aufgenommen, was aufgrund der
Verwendung von Edelstahl erhebliche Materialkosten zur Folge hat.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
derart weiterzubilden, dass einerseits eine hohe Beständigkeit
insbesondere gegen korrosive Medien gewährleistet ist, und
andererseits die Materialkosten gesenkt werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Besonders
vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäusemantel,
in dem ein von Abgas durchströmbarer Abgaskatalysator angeordnet
ist, mit einem vorderen Bereich in dem das zu reinigende Abgas eintreten kann,
und einem in Strömungsrichtung dahinter liegendem Bereich,
ist es, dass der Gehäusemantel aus zumindest zwei in Abgasströmungsrichtung
hintereinander angeordneten Abschnitten unterschiedlichen Materials
gebildet ist, wobei zumindest der erste Abschnitt im Bereich des
vorderen Bereiches aus einem ersten Material mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit
besteht.
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Der
Gehäusemantel, bei dem es sich um eine Hohlform mit einer
Längserstreckung handelt, in dem der Abgaskatalysator in
Form eines Substrates, d. h. einer Keramik, angeordnet ist, kann
es sich somit um einen aus zwei Rohrabschnitten unterschiedlichen
Materials zusammengesetztes Bauteil handeln, wobei der vordere Bereich,
d. h. in dem Bereich in dem das zu reinigende Abgas eintritt, aus
einem ersten Material mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit
besteht, da das Abgas in diesem Bereich noch sehr aggressiv und
korrosiv ist, und wobei der hintere zweite Rohrabschnitt aus einem
anderen Material besteht. Die Begriffe vorderer Bereich und hinterer Bereich
beziehen sich auf die Strömungsrichtung des zu reinigenden
Abgases durch den Abgaskatalysator, d. h. dass das zu reinigende
Abgas im vorderen Bereich in den Katalysator eintritt und sodann
in Strömungsrichtung zu dem dahinter liegenden Bereich strömt
und aus dem Katalysator austritt. Am Austritt der verwendeten keramischen
Substrate ist das verwendete Reduktionsmittel durch die chemische
Reaktion in den keramischen Substraten in nicht korrosive Elemente
zerlegt. Dadurch lassen sich ab der Austrittseite der Substrate
auch Materialien mit einer geringeren Korrosionsbeständigkeit
verwenden.
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Gemäß der
erfindungsgemäßen Weiterbildung wird bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung
somit der Katalysator in einem rohrförmigen Bauteil aus
verschiedenen Materialien aufgenommen. Vorzugsweise besteht zumindest
ein zweiter in Abgasströmungsrichtung hinter dem ersten
Abschnitt liegender zweiter Abschnitt aus einem zweiten Material
mit einer gegenüber dem ersten Material geringeren Korrosionsbeständigkeit.
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Bei
dem ersten Material kann es sich um hochlegierten Stahl, insbesondere
um korrosionsbeständigen Edelstahl, handeln. Bei dem zweiten
Material handelt es sich vorzugsweise um niedrig legiertes und damit
im Vergleich zum ersten Material kostengünstigeres Material
insbesondere Blech.
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Aufgrund
der Konstruktion der Abgasnachbehandlungseinrichtung kommt der Gehäusemantel im
hinteren Bereich lediglich mit bereits durch den Abgaskatalysator
gereinigtem und damit wenig korrosivem Abgas in Berührung.
Die mit ungereinigtem Abgas in Berührung kommenden Teile
im vorderen Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. des
Gehäuses sind hingegen entsprechend ihrer höheren
Korrosionsbeanspruchung widerstandsfähiger ausgeführt,
da die Abgase in diesem Bereich, d. h. im vorderen Eintrittsbereich
vor der Reinigung durch den Katalysator, aggressiver sind. Insbesondere
ist ein mit Reduktionsmitteln wie Ammoniak oder einer Ammoniaklösung
angereichertes Abgas erneut aggressiver, d. h. dass es eine nochmals
erhöhte Korrosivität aufweist. Dies ist insbesondere
der Fall, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen, als Reduktionsmittel Harnstoff
oder ein anderes Ammoniak freisetzendes Reduktionsmittel eingesetzt
wird, dadurch dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Reduktionsmittelzuführung
zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel aufweisen kann,
mittels derer Reduktionsmittel vor oder in dem vorderen ersten Bereich
der Abgasnachbehandlungseinrichtung dem Abgas zuführbar
ist.
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Um
eine Verbindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen des Gehäusemantels
herstellen zu können, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Gehäuses
können stoffschlüssig und/oder formschlüssig
und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein.
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Insbesondere
können der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des
Gehäuses mittels Laserschweißen miteinander verbunden
sein, insbesondere gasdicht miteinander verschweißt sein.
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Das
Gehäuse, welches einen Hohlkörper mit einer Längserstreckung
bildet, in dem der Abgaskatalysator aufgenommen ist, kann somit
gebildet sein durch zwei rohrförmige Abschnitte unterschiedlicher Werkstoffe,
die den jeweiligen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit
angepasst sind. Mittels Laserschweißen ist es möglich,
zwei Bauteile unterschiedlicher Werkstoffe, d. h. Werkstoffe unterschiedlicher
Güten, zu verschweißen, d. h. dass die beiden rohrförmigen
Bauteile mittels Schweißen verbunden werden. Der vordere
erste Bereich aus korrosionsbeständigem hochlegiertem Stahl
und der zweite Bereich aus weniger widerstandsfähigem niedriger
legiertem Stahl, sind somit mittels einer über den Umfang
laufenden Laserschweißnaht stoffschlüssig miteinander
verbunden.
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Der
erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Gehäuses können
auch durch Bördeln miteinander verbunden sein, wobei ein
solches Bördeln insbesondere gasdicht ausgeführt
sein kann. Hierbei wird eine rein mechanische Verbindung zwischen
den einzelnen Werkstoffen hergestellt. Vorteil dieser Verbindungsart
ist, dass kein Wärmeeintrag erfolgt. Es können
alle denkbaren Metalle einschließlich beschichteter Metalle
miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann mit geringem Aufwand
hergestellt werden und ist insbesondere gasdicht ausführbar. Wie
bei der Laserschweißnaht können zwei oder mehrere
Werkstoffe nacheinander verbunden werden, wobei die mechanische
Belastbarkeit in Längsrichtung weitestgehend der des schwächsten
Ausgangsmaterials entspricht.
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Die
Bördelnaht verläuft dabei ebenso wie eine Laserschweißnaht über
dem Umfang der beiden miteinander zu verbindenden rohrförmigen
Bauteile, die nach ihrer Verbindung das Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung
bilden.
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Eine
andere Möglichkeit einer rein mechanischen Verbindung zwischen
den einzelnen Werkstoffen besteht durch eine geclinchte Überlappung.
Dabei überlappen die zu verbindenden Bauteile einander,
wobei ein abschnittweises Verpressen erfolgt, so dass eine feste
mechanische Verbindung der einander überlappenden Rohrsegmente
erzeugbar ist.
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Unter
Clinchen versteht man mechanisches Fugen durch Kaltformung, insbesondere
gemäß DIN 8593 Teil 5.
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Vorteil
ist ebenso wie beim Bördeln, dass kein Wärmeeintrag
erfolgt. Ebenfalls können alle bekannten metallischen Werkstoffe
miteinander verbunden werden. Bei einem reinen Clinchen ist die Verbindung
der beiden Rohrsegmente jedoch im Gegensatz zum Laserschweißen
bzw. zum Bördeln nicht gasdicht, was jedoch nicht zwingend
erforderlich ist, da vorzugsweise ohnehin zwischen Abgaskatalysator
und Gehäusemantel eine Matte angeordnet ist. Diese Matte
dient einerseits der Dämpfung, d. h. dass Beschädigungen
des Keramikkatalysators innerhalb des metallischen Gehäusemantels
vorgebeugt wird und andererseits erzeugt diese Matte eine Abdichtung
zwischen Abgaskatalysator und Gehäusemantel, so dass der
Gehäusemantel nicht zwingend gasdicht ausgeführt
sein muss.
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Bevorzugt
ist der Gehäusemantel zylinderförmig ausgebildet,
d. h. dass der Querschnitt insbesondere kreisrund sein kann. Es
sind jedoch auch andere Formen wie beispielsweise eine ovale Ausführungsform
denkbar. Hierdurch ist einerseits eine leichte Herstellbarkeit gewährleistet
und andererseits kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung hinsichtlich
Strömungsquerschnitt, Abgasdurchsatz und geometrischer
Gestaltung den Einbauanforderungen und Vorgaben angepasst werden,
insbesondere im Kraftfahrzeugbau.
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Vorzugsweise
weist der Gehäusemantel im vorderen Bereich ein erstes
Bodenteil und im hinteren Bereich ein zweites Bodenteil auf, so
dass eine Montage der Vorrichtung möglich ist.
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An
dem Gehäusemantel angeordnet sind dabei somit ein erstes
Bodenteil im Bereich der Einströmseite und ein dem ersten
Bodenteil mit Abstand gegenüberliegendes zweites Bodenteil
an der Abströmseite, die dazu dienen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung
in der umgebenden Struktur montieren zu können, d. h. insbesondere
beispielsweise bei einem Nutzfahrzeug anschrauben zu können.
Die beiden Bodenteile sind dazu kragenförmig ausgebildet
und sind flanschförmig an dem Gehäusemantel angeordnet
und an diesem befestigt, so dass ein Anschrauben, Klemmen oder dergleichen
der gesamten Vorrichtung möglich ist.
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Drei
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung sind in den Figuren dargestellt
und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
mit einem laserverschweißten Gehäusemantel;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungseinrichtung,
bei dem die beiden Teile des Gehäusemantels durch Bördeln
miteinander verbunden sind;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungseinrichtung,
bei dem die beiden Teile des Gehäusemantels durch Clinchen
miteinander verbunden sind.
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In
den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind identische Teile mit
identischen Bezugszeichen versehen. In 1 ist ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung
im Schnitt dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist
ein Aufnahmerohr 11 auf, in der der Katalysator 10 angeordnet
ist. Bei dem Katalysator 10 handelt es sich um eine gebrannte
Keramik aufweisend eine Vielzahl von durchströmbaren Kanälen. Der
Katalysator 10 ist in Richtung des Pfeils 5 von links
nach rechts durchströmbar, d. h. dass sich auf der linken
Seite der vordere Bereich befindet, in dem das zu reinigende Abgas
einströmen kann, und im rechten Bereich befindet sich ein
in Strömungsrichtung dahinter liegender hinterer Bereich,
aus dem das gereinigte Abgas aus dem Katalysator 10 austritt.
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Der
Katalysator 10 ist aufgenommen in dem Aufnahmerohr 11,
wobei zwischen Katalysator 10 und Rohr 11 eine
Matte 12 angeordnet ist, die der Dämpfung von
Schwingungen und Vibrationen dient, um somit einer Beschädigung
des Keramikköpers 10 entgegenzuwirken, da von
der Motorseite stets Vibrationen in den Abgastrakt eingetragen werden.
Des Weiteren dient die Matte 12 auch der Abdichtung zwischen
Katalysator 10 und Aufnahmerohr 11. In dem Katalysator 10 erfolgt
die Umsetzung der im Abgas enthaltenden Schadstoffe.
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Dem
Abgas kann Reduktionsmittel wie Ammoniak oder eine Ammoniaklösung
zugegeben sein, so dass das Abgas im Bereich des Eintritts in den
Katalysator 10 hochaggressiv und korrosiv ist, da bereits
eine Umsetzung der aggressiven Bestandteile im Abgas stattgefunden
hat.
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Das
Aufnahmerohr 11 ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel gebildet durch den vorderen Edelstahlabschnitt 15 und
dem in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Abschnitt 16, der
aus Stahl gebildet ist. Das Aufnahmerohr 11 ist somit durch
ein erstes Edelstahlrohr 15 und ein zweites Stahlrohr 16 gebildet,
die an der umlaufenden Schweißnaht 17 miteinander
gasdicht verschweißt sind. Als Schweißverfahren
kommt Laserschweißen zum Einsatz, mittels dessen sich verschiedene
Werkstoffe, wie in diesem Falle der Edelstahlabschnitt 15 und
der Schwarzstahlabschnitt 16 miteinander verschweißen
lassen.
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Die
Baulänge des Edelstahlrohrabschnittes 15 ist so
gewählt, dass in dem Bereich, in dem hochkorrosives Medium
in Form des zu reinigenden Abgases mit zugesetztem Additiv wie Ammoniak
mit dem Rohr in Berührung kommt, dieses korrosionsbeständig
ausgeführt ist. In dem Bereich hinter der Schweißnaht 17 in
Strömungsrichtung in Richtung auf die Ausströmseite
kann jedoch niedriger legiertes Material zum Einsatz kommen, da
das Abgas in diesem Bereich nicht mehr derartig aggressiv und korrosiv
ist.
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Der Übergangsbereich
zwischen dem Endelstahlbauteil 15 und dem Schwarzstahlbauteil 16,
der durch die umlaufende Schweißnaht 17 gebildet
ist, kann je nach Bedarf und Ausgestaltung der Abgasreinigungsanlage
und insbesondere in Abhängigkeit des zu reinigenden Abgases
und dessen Eigenschaften in einem Bereich liegen, wie er durch die
Bezugszeichen 18 und 19 eingegrenzt ist, d. h.
dass die jeweilige Bauform den gegebenen Anforderungen in beliebiger
Art und Weise angepasst werden kann.
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Zur
Montage der Abgasnachbehandlungseinrichtung sind angeordnet die
Böden 13 und 14 in Form umlaufender Flansche,
die an dem Aufnahmerohr 11 angebracht sind, um die Gesamtvorrichtung in
der umgebenden Struktur montieren zu können. Dabei ist
der vordere Boden 13 ebenfalls in Edelstahl ausgebildet,
da dieser mit aggressivem Abgas, d. h. mit korrosivem Medium in
Berührung kommen kann. Der hintere Boden 14 ist
in Normalstahl ausgeführt, da er an dieser Stelle nicht
mit aggressivem Abgas beaufschlagt wird.
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In 2 dargestellt
ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei das Aufnahmerohr 21 in
diesem Beispiel gebildet ist durch einen ersten vorderen Edelstahlsabschnitt 25 und
einen zweiten hinteren Schwarzstahlabschnitt 26, die durch
Bördeln miteinander verbunden sind, wie dies in der herausgezogenen
Vergrößerung in 2 dargestellt ist.
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Die
Bördelung, mittels derer die beiden Rohrabschnitte 25 und 26 miteinander
verbunden sind, ist umlaufend ausgebildet und gasdicht. Im Übrigen
ist der Aufbau dieses Ausführungsbeispieles identisch zu
dem in 1 dargestellten ersten Beispiel mit dem in einer
Matte 12 aufgenommenen Keramiksubstrat 10, welches
entlang des Pfeils 5 von links nach rechts durchströmt
wird.
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In 3 dargestellt
ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
bei dem das Aufnahmerohr 31 gebildet ist durch die beiden
Abschnitte 35 und 36. Bei dem auf der Eintrittsseite
des Katalysators 10 angeordneten ersten Rohrabschnittes 35 handelt
es sich wiederum um ein Edelstahlrohr. Bei dem in Strömungsrichtung 5 dahinter
liegendem zweiten Rohrabschnitt 36 auf der Austrittsseite
des Katalysators 10, handelt es sich wiederum um ein Schwarzstahlrohr.
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Die
Abschnitte 35 und 36 sind durch Clinchen gemäß DIN
8593 Teil 5 miteinander verbunden, indem an mehreren Stellen über
dem Umfang des rotationssymetrischen Bauteils ein punktförmiges
Pressen erfolgt. Hierdurch wird eine feste mechanische Verbindung
erzeugt, die jedoch im Gegensatz zu den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 (verschweißt)
und 2 (gebördelt) nicht gasdicht ist. Eine
Gasdichtheit ist jedoch auch nicht zwingend erforderlich, da durch
die Anordnung der Matte 12 zwischen Katalysator 10 und
Aufnahmerohr 31 ohnehin eine Abdichtung gegeben ist.
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Die
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele sind
im Querschnitt kreisrund. Es sind jedoch auch andere Bauformen,
z. B. mit ovalem Querschnitt möglich. Hierdurch ist insbesondere
eine Anpassung an den vorhandenen Einbauraum möglich. Durch
die Anordnung der Matte 12 werden Schwingungen und Vibrationen
gedämpft und es wird eine Beschädigung des Keramikbauteils 10 durch derartige
Vibrationen vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 8593 Teil
5 [0017]
- - DIN 8593 Teil 5 [0036]