DE112010001221T5

DE112010001221T5 - Monolithische abgasbehandlungseinheit zur behandlung

Info

Publication number: DE112010001221T5
Application number: DE112010001221T
Authority: DE
Inventors: Keith G. Olivier; Ruth Latham; Benedikt Merker; Steven Freis
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2012-07-12
Also published as: CN102361677A; CN102361677B; WO2010107871A1; US20100239469A1; KR101414693B1; JP2012520974A; KR20110129851A; BRPI1012548A2

Abstract

Es wird eine monolithische Abgasbehandlungseinrichtung oder -einheit (10) zur Behandlung eines Abgases (12) von einem Verbrennungsprozess (14) bereitgestellt, die Teil eines Abgasbehandlungssystems (16) ist, welches andere Abgasbehandlungskomponenten (18) enthalten kann. Die monolithische Abgasbehandlungseinheit (10) weist eine monolithische Struktur (20), mindestens zwei Schichten (22) einer Stützmatte (24) und mindestens eine Schicht (26) einer Metallfolie (28), die zwischen den mindestens zwei Schichten (22) der Stützmatte (24) angeordnet ist, auf.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Nicht zutreffend.
BUNDESGEFÖRDERTE FORSCHUNGS- UND ENTWICKLUNGSARBEIT
Nicht zutreffend.
VERWEIS AUF MICROFICHES/COPYRIGHT
Nicht zutreffend.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft monolithische Abgasbehandlungseinrichtungen oder -einheiten in der Form von Partikelfiltern wie etwa Benzinpartikelfiltern und Dieselpartikelfiltern (DPF) sowie katalytische Einheiten zur Behandlung eines Abgases von einem Verbrennungsprozess, wie zum Beispiel katalytische Konverter, Dieseloxidationskatalysatoren (Diesel Oxidation Catalysts, DOC) und Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduktion, SCR) für die Kompressionsmotoren von On- und Off-Road-Fahrzeugen, Lokomotiven und stationären Energieanwendungen, und insbesondere solche monolithischen Abgasbehandlungseinheiten, bei denen eine Stütz- oder Montagematte um eine äußere Umfangsfläche eines monolithischen Filters oder einer monolithischen katalytischen Trägerstruktur herum zur Abstützung der Struktur innerhalb eines Gehäuses angebracht ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist in der Kraftfahrzeugindustrie bekannt, ein Abgasbehandlungssystem einzubauen, welches Benzinpartikelfilter oder Dieselpartikelfilter und/oder eine oder mehrere katalytische Einheiten, wie etwa einen katalytischen Konverter, eine Dieseloxidationskatalysatoreinheit oder eine Katalysatoreinheit für selektive katalytische Reduktion, benutzt, um die Emissionen im Abgas zu verbessern. In solchen katalytischen Einheiten ist es üblich, dass ein Katalysator als eine Beschichtung auf einer stützenden Substratstruktur, wie etwa einem Keramiksubstrat mit einer monolithischen Struktur, getragen wird, und in Partikelfiltern ist es üblich, eine monolithische Filterstruktur zu verwenden, welche nichtkatalytisch sein kann. Typischerweise haben solche monolithischen Strukturen einen ovalen oder kreisförmigen Querschnitt und sind oft mit einer Schicht einer Stütz- oder Montagematte umwickelt, welche zwischen der monolithischen Struktur und dem äußeren Gehäuse der Einheit positioniert ist, um die monolithische Struktur vor Stoß- und Schwingungskräften schützen zu helfen, welche von dem Gehäuse auf die monolithische Struktur übertragen werden können. Typischerweise ist die Stütz- oder Montagematte aus einem Material eines wärmebeständigen und stoßabsorbierenden Typs hergestellt, wie etwa eine Matte aus Glasfasern, Keramikfasern oder Mineralwolle. Obwohl solche Konstruktionen ihren beabsichtigten Zweck erfüllen, gibt es stets Möglichkeiten zur Verbesserung.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine monolithische Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung eines Abgases von einem Verbrennungsprozess bereitgestellt. Gemäß einem weiteren Merkmal wird ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsprozess bereitgestellt und enthält die monolithische Abgasbehandlungseinheit. Die monolithische Abgasbehandlungseinheit weist eine monolithische Struktur mit einer Außenfläche, die sich parallel zu einer Längsachse erstreckt, mindestens zwei Schichten einer Stützmatte, die um die Außenfläche gewickelt ist, und mindestens eine Schicht einer Metallfolie, die zwischen den mindestens zwei Schichten der Stützmatte angeordnet ist, auf.
Als ein Merkmal weist die monolithische Abgasbehandlungseinheit ferner eine äußerste Schicht einer Metallfolie auf, die um eine äußerste Schicht der Stützmatte gewickelt ist.
Gemäß einem Merkmal weist die monolithische Abgasbehandlungseinheit ferner ein Gehäuse auf, das eine äußerste Schicht umgibt, die um den Katalysatorträger gewickelt ist.
Gemäß einem Merkmal weist die monolithische Struktur einen kreisförmigen Querschnitt auf, der bezüglich der Längsachse zentriert ist.
Als ein Merkmal weist die monolithische Struktur einen Katalysator auf.
Gemäß einem Merkmal weist die monolithische Struktur ein Keramiksubstrat auf.
Gemäß einem Merkmal weist die monolithische Struktur eine poröse Struktur auf.
Als ein Merkmal ist mindestens ein Abschnitt der Metallfolie perforiert.
Gemäß einem Merkmal definiert die Metallfolie Randdichtungen, welche sich an einem oder an beiden Enden der monolithischen Abgasbehandlungseinheit über benachbarte Ränder der Stützmatte erstrecken.
Gemäß einem Merkmal sind alle Schichten der Stützmatte durch mindestens eine Schicht Metallfolie getrennt.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der gesamten Patentbeschreibung, einschließlich der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen, ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine etwas diagrammartige Darstellung eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsprozess und enthält eine monolithische Abgasbehandlungseinheit, welche die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 ist eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 2-2 in 1;
3 ist eine zu 2 ähnliche Ansicht, die jedoch eine andere Ausführungsform der monolithischen Abgasbehandlungseinheit zeigt;
4A und 4B sind etwas diagrammartige Darstellungen, die ein Verfahren zum Zusammenbau der monolithischen Abgasbehandlungseinheit von 1–3 zeigen;
5 ist eine Ansicht entlang der Linie 5-5, die einen Abschnitt einer Komponente der monolithischen Abgasbehandlungseinheit von 1-4 zeigt;
6–12C sind vergrößerte Teilansichten entlang der Linie 6-6 in 1, die verschiedene mögliche Konstruktionen für die monolithische Abgasbehandlungseinheit von 1 zeigen, welche eine oder mehrere Randdichtungen enthalten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine monolithische Abgasbehandlungseinrichtung oder -einheit 10 zur Behandlung eines Abgases 12 von einem Verbrennungsprozess, wie etwa von einem Kompressions-Verbrennungsmotor 14. Die monolithische Abgasbehandlungseinheit 10 ist Teil eines Abgasbehandlungssystems 16, welches entweder stromaufwärts oder stromabwärts oder sowohl stromauf- als auch stromabwärts von der monolithischen Abgasbehandlungseinheit 10 andere Abgasbehandlungskomponenten 18 enthalten kann. Die Komponenten 18 können von einem beliebigen geeigneten Typ und geeigneter Konstruktion sein und können Schalldämpfer, Dieselpartikelfilter, Einspritzventile und Ventile, wie etwa Abgasrückführungsventile, enthalten, um nur einige Beispiele zu nennen.
Wie 2 zeigt, enthält die monolithische Abgasbehandlungseinheit 10 eine monolithische Struktur 20, mindestens zwei Schichten 22 einer Stützmatte 24 und mindestens eine Schicht 26 einer Metallfolie 28, die zwischen den zwei Schichten 22 der Stützmatte 24 angeordnet ist, sowie ein äußeres Gehäuse 30. Wie 2 zeigt, sind vorzugsweise eine oder mehrere Schichten 32 der Metallfolie 28 auch zwischen der äußersten Schicht 22 und dem Gehäuse 30 enthalten. Wie jedoch die Konstruktion in 3 zeigt, kann es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein, dass die äußerste Schicht 22 dem Gehäuse 30 unmittelbar benachbart ist.
Vorzugsweise verringert die Metallfolie 28 die effektive Wärmeleitfähigkeit zwischen den Schichten 22 und von der monolithischen Struktur 20 und dem Abgas 12, ebenso wie sie die Wärmestrahlungsübertragung von der monolithischen Struktur 20 und dem Abgas 12 verringert. Dies kann sehr vorteilhaft für das Halten der Temperatur des Abgases 12 und der monolithischen Struktur 20 innerhalb von Temperaturbereichen sein, welche für eine gewünschte katalytische Reaktion geeignet und vorzugsweise optimal sind, falls die monolithische Struktur 20 einen Katalysator enthält. Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass die Metallfolie die effektive Wärmeleitfähigkeit zwischen den Schichten und/oder von der monolithischen Struktur 20 und dem Abgas 12 nicht wesentlich verringert.
Obwohl die monolithische Struktur 20 von einem beliebigen geeigneten Typ und geeigneter Konstruktion sein kann, von denen viele bekannt sind, ist bei den bevorzugten Ausführungsformen, die in 2 und 3 dargestellt sind, die monolithische Struktur 20 eine monolithische Struktur aus poröser Keramik, die eine Katalysatorbeschichtung trägt, welche für die beabsichtigte Funktion der Einheit 10 geeignet ist, wie zum Beispiel ein geeigneter Oxidationskatalysator oder ein geeigneter Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion.
Vorzugsweise weist die monolithische Struktur 20 eine Außenfläche 32 auf, die sich parallel zu einer Längsachse 34 erstreckt, welche in 1 am besten zu erkennen ist und welche typischerweise mit der Strömungsrichtung des Abgases 12 durch die Einheit 10 zusammenfällt. Obwohl ein beliebiger geeigneter Querschnitt verwendet werden kann, darunter zum Beispiel ein ovaler, elliptischer, dreieckiger, rechteckiger und sechseckiger Querschnitt, weisen die in 2 und 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen kreisförmige Querschnitte auf, welche bezüglich der Achse 34 zentriert sind, um für die monolithische Struktur 20 und die Außenfläche 32 eine zylindrische Form zu definieren.
Jede Schicht 22 der Stützmatte 24 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, von denen viele bekannt sind, darunter zum Beispiel Glasfasermatten, Mineralwollematten oder Matten aus Keramikfasern, wie zum Beispiel feuerfesten Keramikfasern, Mullit-Keramikfasern oder anderen Keramikfasern mit hohem Aluminiumoxidgehalt. Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass jede Schicht 22 aus demselben Mattenmaterial hergestellt ist, während es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein kann, dass eine oder mehrere der Schichten 22 aus einem Mattenmaterial hergestellt sind, welches sich von dem Mattenmaterial irgendeiner anderen Schicht 22 unterscheidet. Vorzugsweise weist die Stützmatte 24 jeder Schicht 22 eine Umfangslänge auf, welche sich zwischen zwei stumpf aneinander stoßenden Umfangsenden 36 erstreckt, die entweder vierkantförmig sein können, wie in 2 dargestellt, oder angeschrägt, wie in 3 dargestellt. Bei manchen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, dass jede Schicht 22 als eine Hülse ausgebildet ist, welche in der Umfangsrichtung kontinuierlich ist. Ferner kann es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein, dass die Stützmatte eine durchgehende Bahn ist, welche spiralförmig um die monolithische Struktur 20 gewickelt ist, wobei die Metallfolie ebenfalls eine durchgehende Bahn ist, welche zwischen jeweils zwei Schichten 22, die von der spiralförmigen Wicklung der Stützmatte 24 gebildet werden, ebenfalls spiralförmig um die monolithische Struktur 20 gewickelt ist.
Jede Schicht 26 und 32 der Metallfolie 28 kann aus einem beliebigen geeigneten metallischen Material hergestellt sein, wie zum Beispiel eine Folie aus nichtrostendem Stahl oder eine Aluminiumfolie. Falls die Einheit 10 mehr als eine Schicht 26, 32 aufweist, kann es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein, dass jede Schicht 26, 32 aus demselben Metallfolienmaterial hergestellt ist, während es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein kann, dass mindestens eine der Schichten 26, 32 aus einem Metallfolienmaterial hergestellt ist, welche sich von dem Metallfolienmaterial irgendeiner anderen Schicht 26, 32 unterscheidet. Vorzugsweise weist die Metallfolie 28 jeder Schicht 26, 32 eine Umfangslänge auf, welche sich zwischen stumpf aneinander stoßenden Enden 38 erstreckt, die entweder vierkantförmig sein können, wie in 2 dargestellt, oder angeschrägt, wie in 3 dargestellt. Ferner können die Enden 38 in Umfangsrichtung mit den Enden 36 der benachbarten Schichten 22, 26, 32 ausgerichtet sein, wie in 3 dargestellt und wie für die zwei innersten Schichten 22 und 26 von 2 dargestellt, oder sie können bezüglich der Enden 36 der benachbarten Schichten 22, 26, 32 versetzt sein, wie für die äußersten Schichten 22, 32 von 2 dargestellt, in Abhängigkeit von den Anforderungen und Parametern jeder speziellen Anwendung. Wie bei den Schichten 22 kann es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein, dass jede Schicht 26 als eine Hülse ausgebildet ist, welche in der Umfangsrichtung kontinuierlich ist. Außerdem kann es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein, dass die Metallfolie 28 vor dem Wickeln der Matte 24 und der Folie 28 um die monolithische Struktur 20 auf die Stützmatte 24 auflaminiert wird.
Es wird auf 4A und 4B Bezug genommen; ein Verfahren zum Zusammenbau der monolithischen Abgasbehandlungseinheit 10 besteht darin, eine erste Schicht 22 der Stützmatte 24 um die monolithische Struktur 20 zu wickeln, indem die monolithische Struktur 20 um die Achse 34 gedreht wird, wie durch den Pfeil A angegeben, während die Matte 24 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zugeführt wird, wie durch den Pfeil B angegeben, und danach eine Schicht 26 der Metallfolie 28 zusammen mit einer zweiten Schicht 22 der Stützmatte 24 aufzuwickeln, während die monolithische Struktur 20 und die erste Schicht 22 zusammen um die Achse 34 gedreht werden und die Folie 28 und die Matte 24 mit einer geeigneten Geschwindigkeit zugeführt werden, wie ebenfalls durch die Pfeile A und B angegeben. Alternativ dazu können die Schichten 22 und 24 nacheinander als einzelne Schichten um die monolithische Struktur 20 gewickelt werden, oder sie können als eine einzige Sandwichstruktur bereitgestellt werden, welche gleichzeitig um die monolithische Struktur 20 gewickelt wird.
Es wird auf 5 Bezug genommen; sie zeigt einen Abschnitt 40 der Metallfolie 28 für eine der Schichten 26 oder 32, um eine optionale Konstruktion zu veranschaulichen, wobei eine Anordnung von Perforationen 42 in dem Abschnitt 40 vorgesehen ist, um die Reibung zwischen der Metallfolie 28 und jeder benachbarten Schicht 22, 26 oder 32 zu erhöhen. In diesem Zusammenhang werden die Perforationen 42 vorzugsweise durch Durchstechen der Folie 28 hergestellt, um hochstehende Ränder 44 an den Umfängen der Perforationen 42 zu bilden. Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass sich die hochstehenden Ränder alle auf einer Seite der Folie 28 befinden, während es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein kann, dass sich die hochstehenden Ränder 44 bei einigen der Perforationen 42 auf einer Seite der Folie 28 befinden und bei anderen Perforationen 42 auf der gegenüberliegenden Seite der Folie 28. Es ist außerdem möglich, die Reibung durch Zusammenbündeln (Bunching) der Folie 28, Versehen der Folie 28 mit Graten, Stanzen der Folie, Einbeulen (Dimpling) der Folie 28 oder Anwenden anderer Arten von Behandlungen zum Aufrauen der Oberfläche auf der Folie 28 zu erhöhen. Der Abschnitt 40 kann sich über eine begrenzte Umfangslänge der Folie 28 oder über die gesamte Umfangslänge der Folie 28 erstrecken, in Abhängigkeit von den Parametern der jeweiligen Anwendung. Es versteht sich, dass solche Erhöhungen der Reibung bei manchen Anwendungen für alle oder einige der Schichten 26 oder 32 möglicherweise nicht wünschenswert sind.
Es wird auf 6A und 6B Bezug genommen; hier ist eine andere Option dargestellt, wobei sich die Metallfolie 28 jeder Schicht 26 in Längsrichtung über jeden Längsrand 46 der benachbarten Stützmatte 24 hinaus erstreckt, um Randdichtungen 48 über den Rändern 46 der benachbarten Stützmatte 24 zu definieren, um das Eindringen des Abgases 12 in die Stützmatte 24 zu begrenzen. In 6A sind die äußeren Ränder jeder Schicht 26 radial nach innen umgebogen, um die Randdichtungen 48 zu definieren, während in 6B die Ränder jeder Schicht 26 radial nach oben gebogen sind, um die Randdichtungen 48 zu definieren. 7A und 7B sind 6A und 6B ähnlich, jedoch wurden zusätzliche Folienstreifen 50 hinzugefügt, um eine zusätzliche Struktur für die Randdichtungen 48 durch Anstoßen an die umgebogenen Ränder jeder der Schichten 26 vorzusehen. 8A und 8B zeigen eine andere Option, wobei die Metallfolie 28 entweder der innersten Schicht 26 oder der äußersten Schicht 26 genügend weit verlängert ist, um entweder radial nach innen oder radial nach außen umgebogen zu werden, um die Randdichtungen 48 zu bilden, welche sich über beide Schichten 22 der Stützmatte 24 erstrecken. 9 veranschaulicht die Idee von 8A und 8B in Verbindung mit den Streifen 50 von 7A und 7B. 10 zeigt eine Ausführungsform, wobei die Randdichtung 48 mit einer einzigen Schicht 22 der Stützmatte 24 und einer einzigen Schicht 26 der Metallfolie 28 versehen ist, und 11 zeigt eine Ausführungsform, welche nicht die Schichten 26 verwendet, jedoch zwei der Streifen 50 in Kombination mit einer Randfolie 52 verwendet, um die Randdichtungen 48 zu definieren. Es ist klar, dass es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein kann, dass die Randdichtungen oder die Randdichtung 48 für irgendeine der obigen Ausführungsformen nur an einem Ende der Stützmatten 24 vorgesehen sind bzw. ist, wobei einige Beispiele solcher Konstruktionen in 12A, 12B und 12C dargestellt sind.
Es ist klar, dass durch das Vorsehen einer oder mehrerer der Schichten 26, 32 die Leistungsfähigkeit der monolithischen Abgasbehandlungseinheit 10 im Vergleich zu herkömmlichen monolithischen Abgasbehandlungseinheiten verbessert werden kann, indem eine bessere Wärmeisolation innerhalb und von der Einheit 10 gewährleistet wird.

Claims

Monolithische Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung eines Abgases von einem Verbrennungsprozess, wobei die monolithische Abgasbehandlungseinheit umfasst: eine monolithische Struktur mit einer Außenfläche, die sich parallel zu einer Längsachse erstreckt; mindestens zwei Schichten einer Stützmatte, die um die Außenfläche gewickelt ist; und mindestens eine Schicht einer Metallfolie, die zwischen den mindestens zwei Schichten der Stützmatte angeordnet ist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, welche ferner eine äußerste Schicht einer Metallfolie umfasst, die um eine äußerste Schicht der Stützmatte gewickelt ist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, welche ferner ein Gehäuse umfasst, das eine äußerste Schicht umgibt, die um die monolithische Struktur gewickelt ist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei die monolithische Struktur einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der bezüglich der Längsachse zentriert ist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei die monolithische Struktur einen Katalysator umfasst.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei die monolithische Struktur ein Keramiksubstrat umfasst.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei die monolithische Struktur eine poröse Filterstruktur aufweist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt der Metallfolie perforiert ist.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Metallfolie Randdichtungen definiert, welche sich an gegenüberliegenden Enden der monolithischen Abgasbehandlungseinheit über benachbarte Ränder der Stützmatte erstrecken.
Monolithische Abgasbehandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei alle Schichten der Stützmatte durch mindestens eine Schicht Metallfolie getrennt sind.
Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsprozess, wobei das System eine monolithische Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung eines Abgases umfasst, wobei die monolithische Abgasbehandlungseinheit umfasst: eine monolithische Struktur mit einer Außenfläche, die sich parallel zu einer Längsachse erstreckt; mindestens zwei Schichten einer Stützmatte, die um die Außenfläche gewickelt ist; und mindestens eine Schicht einer Metallfolie, die zwischen den mindestens zwei Schichten der Stützmatte gewickelt ist.
System nach Anspruch 11, wobei die monolithische Abgasbehandlungseinheit ferner eine äußerste Schicht einer Metallfolie umfasst, die um eine äußerste Schicht der Stützmatte gewickelt ist.
System nach Anspruch 11, wobei die monolithische Abgasbehandlungseinheit ferner ein Gehäuse umfasst, das eine äußerste Schicht umgibt, die um die monolithische Struktur gewickelt ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Schichten durch spiralförmige Wicklungen der Stützmatte und der Metallfolie definiert sind.
System nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Abschnitt der Metallfolie perforiert ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Metallfolie Randdichtungen definiert, welche sich an gegenüberliegenden Enden der monolithischen Abgasbehandlungseinheit über benachbarte Ränder der Stützmatte erstrecken.
System nach Anspruch 11, wobei alle Schichten der Stützmatte durch mindestens eine Schicht Metallfolie getrennt sind.