DE102009009058A1

DE102009009058A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009009058A1
Application number: DE102009009058A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Hahnl; Stephan Gross; Marco Ranalli
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2010091712A1

Abstract

Eine Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, hat ein Gehäuse (16) und wenigstens einen im Gehäuse (16) aufgenommenen, abgasdurchströmten Filterkörper (18) mit zwei in Störmungsrichtung (G) entgegengesetzten Enden (22, 20). Der Filterkörper (18) ist an einem ersten Ende (20) fest im Gehäuse (16) befestigt und am zweiten Ende (22) mit einem Schiebesitz im Gehäuse (16) gelagert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine.
Derartige Abgasbehandlungsvorrichtungen, bei denen es sich beispielsweise um Dieselpartikelfilter oder um Katalysatoren, zum Beispiel zur NO_x-Reduzierung, handeln kann, sind in die Abgasleitung eingesetzt, so dass das gesamte Abgas die Abgasbehandlungsvorrichtung durchströmen muss. Dabei wird das Abgas gezwungen, ein poröses Substrat zu passieren, das eine Filterwirkung hat und/oder mittels einer chemisch aktiven Beschichtung eine katalytisch aktivierte chemische Reaktion bewirkt. Derartige poröse Substrate gibt es mittlerweile in vielen Formen und aus unterschiedlichen Materialien. Neben Keramiken kommen zunehmend auch Körper aus Metallschäumen oder Metallschwämmen zum Einsatz. All diesen Substraten ist gemeinsam, dass sie relativ spröde und relativ wenig elastisch sind. Außerdem ist ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient normalerweise verschieden von dem eines Metallgehäuses, in das sie eingesetzt sind.
Um die auf die Substrate wirkenden Kräfte zu reduzieren, werden einfach umzusetzende und kostengünstige Lösungen gesucht.
Die Erfindung schafft eine Lösung für diese Aufgabe, indem bei einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit einem Gehäuse und wenigstens einem im Gehäuse aufgenommenen, abgasdurchströmten Filterkörper mit zwei in Strömungsrichtung entgegengesetzten Enden vorgesehen ist, dass der Filterkörper an einem ersten Ende fest im Gehäuse befestigt ist und am zweiten Ende mit einem Schiebesitz im Gehäuse gelagert ist. Da am Schiebesitz keine feste Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Filterkörper besteht, kann sich an dieser Stelle eine Relativbewegung zwischen Filterkörper und Gehäuse einstellen, etwa wenn sich die Temperatur von Filterkörper und/oder Gehäuse ändert. Auch beim Auftreten von sonstigen Kräften, z. B. durch den Abgasstrom, kann sich der Filterkörper insbesondere in Längsrichtung gegenüber dem Gehäuse bewegen und so einer übermäßigen Belastung ausweichen. Zudem erleichtert sich die Montage, da nur an einem Ende der Filterkörper fest im Gehäuse befestigt werden muss.
Der Filterkörper wird am ersten Ende insbesondere durch Löten oder Schweißen gehäuseseitig befestigt.
Vorzugsweise ist der Filterkörper gegenüber dem Gehäuse zumindest um ein vorgegebenes Maß in einer Längsrichtung des Gehäuses verschiebbar.
Bevorzugt weist der Filterkörper ein abgasdurchströmtes Substrat und ein Gleitelement auf. Das Gleitelement ist vorteilhaft im Bereich des Schiebesitzes angeordnet und ist in direktem Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses.
Das Gleitelement kann ein vom Filterkörper separates Bauteil sein, könnte aber auch durch eine spezielle Beschichtung oder Verdichtung der Oberfläche des Substrats selbst gebildet sein.
Beispielsweise kann das Gleitelement einen im Bereich des Schiebesitzes am Substrat angeordneten Außenring aufweisen, dessen Außenoberfläche parallel zur Innenwand des Gehäuses liegt. Bei dieser Ausführung lässt sich der Außenring so in das Gehäuse einpassen, dass er sich leicht gegenüber dem Gehäuse verschieben lässt und trotzdem eine dichte Verbindung zwischen dem Filterkörper und der Gehäuseinnenwand ausbilden kann.
Bei der Verwendung eines vom Substrat separaten Gleitelements ergibt sich eine hohe Freiheit für die Materialwahl für das Gleitelement. Dieses kann unabhängig vom Material des Substrats ausgesucht werden. Insbesondere könnte man das Gleitelement bzw. den Außenring aus einem geeigneten Metallblech fertigen.
Insbesondere wenn das Substrat aus einem Metallschaum besteht, ist es von Vorteil, ein Drahtgestrick, z. B. in Ringform, zwischen dem Substrat und dem Gleitelement anzuordnen, um die Belastung des Substrats durch eventuelle Verformungen zu verringern.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Außenring ein Abschnitt eines mit dem Substrat verbundenen Bodens. Der Boden kann auch als Halteelement dienen, um mehrere Elemente des Substrats aneinander zu befestigen.
Der Filterkörper kann beispielsweise zumindest einen Boden aufweisen, der eine Stirnseite des Substrats abdeckt. Über einen solchen Boden lässt sich auch der Gasfluss durch das Substrat steuern.
Vorzugsweise sind der Filterkörper und das Gehäuse so ausgebildet, dass bei allen auftretenden Betriebsbedingungen der Filterkörper an der Innenwand des Gehäuses anliegt und am Schiebesitz kein radialer Spalt vorhanden ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es keine Abgasleckströmung gibt.
Bevorzugt ist der Schiebesitz an der Einströmseite des Gehäuses angeordnet, da viele Substrate, insbesondere solche aus einem Metallschaum oder Metallschwamm, unempfindlicher gegenüber Druckkräften als gegenüber Zugkräften sind.
Es wäre jedoch auch möglich, einen Schiebesitz an der Ausströmseite des Gehäuses zu verwenden.
An der Ausströmseite ist der Filterkörper beispielsweise an einem Halteelement befestigt, das fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
Das Halteelement kann quer zur Strömungsrichtung verlaufende Stege aufweisen, die dann vorzugsweise an der Innenwand des Gehäuses befestigt sind.
Bei der Abgasbehandlungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Dieselpartikelfilter oder einen Katalysator handeln, wie er eingangs beschrieben wurde.
Das Substrat liegt vorzugsweise in Form eines oder mehrerer ineinander angeordneter Hohlkörper aus einem Metallschaum, Metallschwamm oder einer metallischen Hohlkugelstruktur vor. Bei den Hohlkörpern kann es sich dabei um Kegel, Kegelstümpfe, Pyramiden oder Pyramidenstümpfe handeln, wobei vorzugsweise jeweils zwei Elemente gegenläufig ineinandergesteckt sind. Natürlich können auch einfache Zylinder eingesetzt werden.
Beispielsweise weist der Filterkörper eine Außenwand auf, die in Strömungsrichtung radial nach innen verläuft und insbesondere konisch ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, dass der Filterkörper am ersten Ende offen ist und einen von dort aus ausgehenden Hohlraum aufweist, der sich zum zweiten Ende verjüngt.
Der Filterkörper kann eine konisch in Strömungsrichtung nach innen zulaufende Außenwand und eine konisch in Strömungsrichtung nach außen verlaufende Innenwand aufweisen.
Vorzugsweise kontaktieren die Außen- und die Innenwand einander an ihren innersten bzw. äußersten Abschnitten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung;
2 einen schematischen Schnitt durch die Abgasbehandlungsvorrichtung in 1 entlang der Linie II-II.
1 zeigt eine Abgasbehandlungsvorrichtung 10, die so in eine nicht gezeigte Abgasleitung eingesetzt werden kann, dass das Abgas aus der Abgasleitung in Strömungsrichtung G an einem Einströmende 12 in die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 einströmt und, nachdem es diese durchströmt hat, an einem Ausströmende 14 die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 wieder verlässt. Die Gasströmung folgt dabei im Wesentlichen der Längsachse A der Abgasbehandlungsvorrichtung 10.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 hat ein Gehäuse 12, das hier aus einem Metallblech gebildet ist. In das Gehäuse 16 ist ein Filterkörper 18 eingesetzt, der ein Substrat 19 aus einem porösen, gasdurchlässigen Material aufweist. Der Filterkörper 18 ist so in das Gehäuse 16 eingesetzt, dass der Abgasstrom wenigstens eine Wand des Substrats 19 durchdringen muss, um vom Einströmende 12 zum Ausströmende 14 des Gehäuses 16 zu gelangen.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 ist beispielsweise ein Rußpartikelfilter, wie er in Dieselfahrzeugen zum Einsatz kommt, oder ein Katalysator, etwa zum Abbau von Stickoxiden. Das Substrat 19 weist dabei vorteilhaft eine geeignete katalytisch wirkende Beschichtung auf.
Als Material für das Substrat 19 wird im hier gezeigten Beispiel eine Struktur aus einem Metallschwamm, Metallschaum oder einer metallischen Hohlkugelstruktur eingesetzt. Andere Materialien wie etwa poröse Keramiken oder Drahtgestricke wären aber ebenfalls einsetzbar.
Im hier gezeigten Beispiel hat das Substrat 19 die Gestalt eines Kegels, der in einen Kegelstumpf gesteckt ist, wobei sich die beiden Konen umgekehrt zueinander verjüngen. Dies hat zur Folge, dass das Substrat 19 und auch der Filterkörper 18 zum Einströmende 12 gerichtet einen ringförmigen offenen Hohlraum aufweist, der sich entlang der Axialrichtung zunehmend verjüngt. Die äußere Wand des Substrats 19 bzw. des Filterkörpers 18 verläuft entsprechend ebenfalls konisch, wobei die Außenwand des Filterkörpers 18 in Axialrichtung A radial nach innen verläuft.
Das zum Einströmende 12 gerichtete Ende 20 des Filterkörpers 18 erstreckt sich in Radialrichtung bis zur Innenwand des Gehäuses 16. An seinem ausströmseitigen Ende 22 und in dem Bereich dazwischen kommt der Filterkörper 18 im gezeigten Beispiel hingegen nicht in Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses 16. Im folgenden wird das ausströmseitige Ende 20 auch als erstes Ende 20 und das einströmseitige Ende 22 als zweites Ende 22 bezeichnet.
An seinem ausströmseitigen Ende 22 ist der Filterkörper 18 an einem Halteelement 24 fest und starr befestigt. Das Halteelement 24 weist einen ringförmigen Boden 26 auf, der die ausströmseitige Stirnseite des Endes 22 des Substrats 19 bedeckt. Außerdem weist das Halteelement 24 zwei senkrecht zueinander stehende Stege 28 auf, deren Enden wiederum mit der Innenseite des Gehäuses 16 fest verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Die Befestigung des Substrats 19 am ringförmigen Boden 26 kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen, beispielsweise durch Löten. An seinem einströmseitigen, zweiten Ende 20 ist der Filterkörper 18 hingegen über einen Schiebesitz im Gehäuse 16 aufgenommen. Im Bereich des Schiebesitzes liegt der Filterkörper 18 ohne feste Befestigung zwischen Filterkörper 18 und Gehäuse 16 an der Innenwand des Gehäuses 16 an. Dies hat zur Folge, dass sich der Filterkörper 18 in Axialrichtung A zu einem gewissen vorbestimmten Maß gegenüber der Innenwand des Gehäuses 16 bewegen kann. Diese Möglichkeit zur Bewegung erlaubt es beispielsweise, unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Materials von Gehäuse 16 und Filterkörper 18 oder aufgrund unterschiedlicher Temperaturen auszugleichen. Außerdem können damit die Kräfte, die die Gas strömung auf den Filterkörper 18 in Stauchrichtung ausübt, aufgenommen werden, wobei verhindert wird, dass das Substrat 19 auf Zug belastet wird.
Der Filterkörper 18 weist am einströmseitigen Ende 20 ein Gleitelement 34 auf, das in Kontakt mit der Innenseite des Gehäuses 16 ist. Das Gehäuse 16, der Filterkörper 18 und das Gleitelement 34 sind so ausgebildet und so aufeinander abgestimmt, dass das Gleitelement 34 in allen Betriebszuständen der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 stets dicht und ohne radialen Spalt an der Innenwand des Gehäuses 16 anliegt, aber dennoch stets gegenüber dieser verschieblich bleibt.
Im hier gezeigten Beispiel ist das Substrat 19 am Ende 20 des Filterkörpers 18 an einem Boden 30 befestigt, der Öffnungen 32 freilässt, durch die das Gas den Filterkörper 18 durchströmen kann. Der Boden 30 weist als Gleitelement 34 einen Außenring auf, der radial zwischen dem Substrat 19 des Filterkörpers 18 und der Innenwand des Gehäuses 16 am Ende 20 des Filterkörpers 18 angeordnet ist, flächig an der Innenwand des Gehäuses 16 anliegt und sich bei der Bewegung des Endes 20 entlang der Gehäuseinnenwand bewegt. Diese Konstruktion stellt sicher, dass kein radialer Spalt zwischen dem Filterkörper 18 und der Innenwand des Gehäuses 16 entsteht, wenn Abgas die Abgasbehandlungsvorrichtung durchströmt. Leckströme durch die Abgasbehandlungsvorrichtung, die den Filterkörper 18 umgehen, werden auf diese Weise verhindert. Es ist möglich, den Filterkörper 18 über einen oder mehrere elastische Körper, insbesondere Drahtgestrickringe am Gehäuse 16, insbesondere am Halteelement 24 oder am Gleitelement 34 zu lagern. Beispielsweise kann ein Drahtgestrickring 40 zwischen der Außenseite des Endes 30 und dem zylindrischen Gleitelement 34 geklemmt sein. Auch im Bereich eines radial inneren Wandabschnitts 44 kann ein Drahtgestrickring 46 vorhanden sein, insbesondere wenn auch dieser Abschnitt axial abgewinkelt ist.
Der Boden 30 ist so gestaltet, dass er die Stirnseite des Substrats 19 am Ende 20 abdeckt und so gegen Beschädigungen schützt. Die Befestigung des Substrats 19 am Boden 30 kann durch jede geeignete Maßnahme erfolgen, beispielsweise durch Verlöten.
Es wäre natürlich auch möglich, den Schiebesitz und das Gleitelement 34 am einströmseitigen Ende 20 des Filterkörpers 18 auf andere Weise zu gestalten. Beispielsweise könnte statt des Bodens 30 nur der Außenring vorgesehen sein, der das Ende 20 umfangsmäßig umgibt.
Der Außenring kann aus einem geeigneten Material bestehen, beispielsweise einem Metallblech, aber auch einem verpressten Drahtgestrick, das wiederum eine geeignete Beschichtung aufweisen kann.
Das Gleitelement 34 könnte jedoch auch durch einen beschichteten und/oder verdichteten Abschnitt des Substrats 19 selbst gebildet sein, wobei dann das Substrat 19 selbst direkt an der Innenwand des Gehäuses 16 anliegen würde.
Der Schiebesitz ist hier für das einströmseitige, zweite Ende 20 des Filterkörpers 18 gezeigt, er könnte aber auch am ausströmseitigen, ersten Ende 22 angeordnet sein.
Statt des hier gezeigten Substrats 19 in Form eines Doppelkonus ist natürlich auch jedes andere geeignet geformte Substrat einsetzbar.

10: Abgasbehandlungsvorrichtung
12: Gehäuse
12: Einströmende
14: Ausströmende
16: Gehäuse
18: Filterkörper
19: Substrat
20: zweites Ende
22: erstes Ende
24: Halteelement
26: Boden
28: Stege
30: Boden
32: Öffnungen
34: Gleitelement
G: Gasströmung
A: Axialrichtung

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Gehäuse (16) und wenigstens einem im Gehäuse (16) aufgenommenen, abgasdurchströmten Filterkörper (18) mit zwei in Strömungsrichtung (G) entgegengesetzten Enden (22, 20), wobei der Filterkörper (18) an einem ersten Ende (22) fest im Gehäuse (16) befestigt ist und am zweiten Ende (20) mit einem Schiebesitz im Gehäuse (16) gelagert ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) ein abgasdurchströmtes Substrat (19) und ein Gleitelement (34) aufweist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement (34) einen im Bereich des Schiebesitzes am Substrat (19) angeordneten Außenring aufweist, dessen Außenoberfläche parallel zur Innenwand des Gehäuses (16) liegt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring ein mit dem Substrat (19) verbundenes, separates Teil ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring ein Abschnitt eines mit dem Substrat (19) verbundenen Bodens (30) ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) zumindest einen Boden (26, 30) aufweist, der eine Stirnseite des Substrats (19) abdeckt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) und das Gehäuse (16) so ausgebildet sind, dass bei allen auftretenden Betriebsbedingungen der Filterkörper (18) an der Innenwand des Gehäuses (16) anliegt und am Schiebesitz kein radialer Spalt vorhanden ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiebesitz am einströmseitigen Ende (20) des Filterkörpers (18) angeordnet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) an seinem ausströmseitigen Ende (22) an einem Halteelement (24) befestigt ist, das fest mit dem Gehäuse (16) verbunden ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (24) quer zur Strömungsrichtung (G) verlaufende Stege (28) aufweist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Dieselpartikelfilter oder einen Katalysator handelt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (19) in Form eines oder mehrerer ineinander angeordneter Hohlkörper aus einem Metallschaum, Metallschwamm oder einer metallischen Hohlkugelstruktur ausgebildet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) eine Außenwand aufweist, die in Strömungsrichtung (G) radial nach innen verläuft und insbesondere konisch ausgebildet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) am ersten Ende (20) offen ist und einen von dort ausgehenden Hohlraum aufweist, der sich zum zweiten Ende (22) verjüngt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) eine konisch in Strömungsrichtung (G) nach innen zulaufende Außenwand und eine konisch in Strömungsrichtung (G) nach außen verlaufende Innenwand hat.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper (18) über wenigstens einem Drahtgestrickring (40/46) gelagert ist.