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QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennummer 61/379,538, die am 2. September 2010 eingereicht wurde, und der US-Patentanmeldung Seriennummer 13/095194, die am 27. April 2011 eingereicht wurde, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgassysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Abgasbehandlungssystem und ein Zusammenbauverfahren.
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HINTERGRUND
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Ein typisches Abgassystem für einen Verbrennungsmotor kann die Anordnung eines Abgasbehandlungssystems oder einer Abgasbehandlungsbaugruppe (typischerweise einer Oxidationskatalysatorvorrichtung) in enger Nähe zu dem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors betreffen. Dieses Abgasbehandlungssystem, das bei diesem Beispiel als ein eng gekoppeltes Abgasbehandlungssystem bezeichnet ist, ist typischerweise eine katalytische Vorrichtung, in der regulierte Abgasbestandteile (z. B. CO, HC, NOx, Partikel, etc.) in nicht regulierte Verbindungen (z. B. CO2, H2O, etc.) umgewandelt werden können. Die enge Kopplung mit dem Motorabgaskrümmer minimiert den thermischen Verlust von dem Abgas, wenn es zwischen dem Motor und dem Abgasbehandlungssystem verläuft, was in höheren Temperaturen und einer schnelleren Katalysatoraktivierung resultiert. Eine Minimierung des thermischen Verlustes ist wichtig, da die Katalysatorverbindungen, die typischerweise zum Behandeln von Motorabgas verwendet werden, bei Temperaturen von oberhalb 350°C bei einem optimalen Wirkungsgrad arbeiten.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems, das diskutiert ist, kann die katalytische Vorrichtung in einem Gehäuse oder einem Kanister angeordnet sein, der ein einteiliges zylindrisches oder nahezu zylindrisches Element umfasst, das an jedem Ende durch einen Einlass- oder einen Auslasskegel geschlossen ist, der in Fluidkommunikation mit dem Abgassystem des Verbrennungsmotors steht. Die katalytische Vorrichtung ist typischerweise als ein katalysatorbeschichtetes Durchströmsubstrat aufgebaut, das aus Keramik oder Metall aufgebaut ist und in dem Kanister durch ein isolierendes und dämpfendes Mattenmaterial geträgert ist, das zwischen dem Umfang des Durchströmsubstrats und einer Innenwand des Kanisters positioniert ist.
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Der Zusammenbau des Abgasbehandlungssystems kann die Verwendung eines Stopfstößels betreffen, wobei das katalysatorbeschichtete Durchströmsubstrat in dem Mattenmaterial eingewickelt und dann axial durch den Stopfstößel durch einen Stopfschuh und in den Kanister eingesetzt (d. h. ”gestopft”) wird. Der Stopfschuh komprimiert das Mattenmaterial, wenn es in den Kanister eintritt, was ermöglicht, dass sich dieses wieder ausdehnen kann, sobald das Substrat richtig in dem Kanister positioniert ist. Während der Prozess für den Zusammenbau des Abgasbehandlungssystems effektiv sein kann, kann der Stopfschuh manchmal die Matte fehlausrichten oder beschädigen, was Haltbarkeitsprobleme während des Betriebs des Verbrennungsmotors bewirkt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor ein Substrat, das in einem Kanister angeordnet ist, und ein isolierendes und dämpfendes Mattenmaterial, das zwischen einem Außenflächenumfang des Substrats und einer Innenwand des Kanisters angeordnet ist, umfassend, dass das isolierende und dämpfende Mattenmaterial in eine Filmlaminathülse eingesetzt wird, das isolierende und dämpfende Mattenmaterial einem Kompressionsprozess ausgesetzt wird, der das Mattenmaterial auf eine Nenndicke komprimiert, die kleiner als eine nicht komprimierte Dicke ist, das isolierende und dämpfende Mattenmaterial in der Filmlaminathülse abgedichtet bzw. versiegelt wird und die Matte in den Kanister eingesetzt wird.
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Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor ein Abgasbehandlungssystem, das ein in einem Kanister angeordnetes Substrat, ein isolierendes und dämpfendes Mattenmaterial, das zwischen einem Außenflächenumfang des Substrats und einer Innenwand des Kanisters angeordnet ist, und eine Filmlaminathülse, die das isolierende und dämpfende Mattenmaterial auf eine Nenndicke komprimiert und versiegelt, die kleiner als eine nicht komprimierte Dicke ist.
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Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor ein isolierendes und dämpfendes Mattenmaterial, das in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist, sowie eine Filmlaminathülse, die das isolierende und dämpfende Mattenmaterial auf eine Nenndicke vakuumpackt und versiegelt, die kleiner als eine nicht komprimierte Dicke ist.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
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1 eine Vorderansicht eines Verbrennungsmotors und eines zugeordneten Abgasbehandlungssystems ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert;
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2 eine Schnittansicht des Abgasbehandlungssystems von 1 ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert;
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3 eine Darstellung des isolierenden und dämpfenden Mattenmaterials des Abgasbehandlungssystems von 2 in einem nicht komprimierten Zustand ist;
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4 eine Darstellung des isolierenden und dämpfenden Mattenmaterials des Abgasbehandlungssystems von 2 in einem komprimierten Zustand vor einer Installation darin ist; und
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5 eine Darstellung eines isolierenden und dämpfenden Mattenmaterials und einer Substratbaugruppe ist, die Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpern.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgassystem 10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors 12 gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Verbrennungsmotor 12 eine von verschiedenen Konfigurationen und Typen sein kann, wie Reihen- oder V-Konfiguration als Benziner oder Diesel. Zur Vereinfachung der Beschreibung und Diskussion wird die Offenbarung im Kontext des gezeigten Reihen-Vierzylinder-Benzinmotors beschrieben. Der Verbrennungsmotor 12 weist einen Zylinderblock 14 auf, der typischerweise aus Gusseisen oder einer leichteren Legierung, wie Aluminium, aufgebaut ist. Das untere Ende des Zylinderblocks 14 ist durch eine Ölwanne 16 geschlossen, während das obere Ende durch einen Zylinderkopf 18 und eine Ventilabdeckung 20 geschlossen ist.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Zylinderkopf 18 einem Abgaskrümmer 26 zugeordnet, der derart konfiguriert ist, Verbrennungsbestandteile oder Abgas 28 davon zu leiten. Bezug nehmend auf die 1 und 2 weist bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Abgasbehandlungssystem 40 einen Kanister 41 auf, der derart konfiguriert ist, ein Katalysatorsubstrat zu tragen. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in den Figuren gezeigt ist, ist das Abgasbehandlungssystem 40 als ein katalytischer Wandler mit gemeinsamem Behälter und geteiltem Volumen (”SVCC” von engl.: ”Split Volume Common Can”) konfiguriert, der ein erstes und ein zweites Katalysatorsubstrat 44 bzw. 45 aufweist. Die Katalysatorsubstrate 44, 45 können aus einem Keramikwaben-, einem Metallwaben- oder anderen geeignetem Aufbau aufgebaut sein.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind Abgasdurchgänge 46, die im Wesentlichen gerade Pfade von den stromaufwärtigen Fluideinlässen 48 zu den stromabwärtigen Fluidauslässen 50 jedes Substrats 44, 45 sind, durch im Wesentlichen sich längs erstreckende Wände 52 festgelegt, an die verschiedene katalytische Materialien (nicht gezeigt) beschichtet sind, so dass das Abgas 28, das durch die Katalysatorsubstrate 44 und 45 gelangt, mit dem katalytischen Material in Kontakt tritt, wodurch ein chemischer Umwandlungsprozess ausgelöst wird. Beispielsweise katalysiert bei einer beispielhaften Ausführungsform, wenn das Abgas 28 die Länge des ersten Katalysatorsubstrats 44 durchquert, eine Metallkatalysatorverbindung aus Edelmetall oder einem Platingruppenmetall, das Metalle der Platingruppe aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus, die Oxidation von Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO2”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”) und katalysiert auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe, einschließlich gasförmigem HC und flüssigen HC-Partikeln, die nicht verbrannten Kraftstoff oder Öl enthalten, wie auch HC-Reduktionsmittel, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H2O zu bilden. Wenn das Abgas 28 die Länge des zweiten Katalysatorsubstrats 45 durchquert, katalysiert eine Metallkatalysatorverbindung aus Edelmetall oder einem Platingruppenmetall, dass Metalle der Platingruppe aufweist, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus, die Oxidation von jeglichem verbliebenen (d. h. ”geschlupftem”) Kohlenmonoxid (”CO”) zu Kohlendioxid (”CO2”) in der Anwesenheit von Sauerstoff (”O2”) und katalysiert auch die Oxidation verschiedener verbleibender Kohlenwasserstoffe, einschließlich gasförmigem HC- und flüssigen HC-Partikeln, die nicht verbrannten Kraftstoff oder Öl enthalten, wie auch HC-Reduktionsmitteln, die in den Abgasstrom 28 eingeführt worden sein können, um H2O zu bilden. Andere Kombinationen von Katalysatorverbindungen, wie ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) sind selbstverständlich denkbar und werden auf Grundlage verschiedener Parameter gewählt, wie dem Typ des Motors (z. B. Diesel oder Benzin), wie auch der Anwendung des Verbrennungsmotors 12 und/oder des Fahrzeugtyps, in dem der Motor betrieben wird. Es ist selbstverständlich denkbar, dass ein einzelnes Katalysatorsubstrat in dem Kanister 41 des Abgasbehandlungssystems 40 anstelle des ersten und zweiten Katalysatorsubstrats 44 und 45, wie oben beschrieben ist, ohne Beeinflussung des Schutzumfangs oder der Anwendung der Erfindung installiert sein kann. Zusätzlich kann das Substrat oder können die Substrate nicht katalysierte Filtrationssubstrate aufweisen, wie sie üblicherweise in Abgaspartikelfängern verwendet werden, ebenfalls ohne den Schutzumfang oder die Anwendung der Erfindung zu beeinflussen.
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Ein erstes Einlassende 54 des Kanisters 41 wird durch einen Einlassendkegel 56 geschlossen, der in Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer 26 des Zylinderkopfs 18 steht. Der Einlasskegel 56 ist derart konfiguriert, Abgas 28 zum Durchgang durch das erste und zweite Katalysatorsubstrat 44 bzw. 45 aufzunehmen. Gleichermaßen ist das zweite Auslassende 58 des Kanisters 41 mit einem Auslassendkegel 60 geschlossen, der in einer kegel- oder halbkonischen Konfiguration konfiguriert sein kann, um einen glatten Übergang des Abgases 28 zu einer Abgasleitung 62 bereitzustellen, mit der der Auslassendkegel 60 in Fluidkommunikation steht.
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Besonders Bezug nehmend auf die 2, 3 und 4 ist ein isolierendes und dämpfendes Mattenmaterial 64 zwischen dem Umfang der Außenfläche 66 der Durchströmsubstrate 44, 45 und der Innenwand 68 des Kanisters 41 angeordnet. Das Mattenmaterial 64 kann vom Typ sein, der üblicherweise als eine intumeszente bzw. quellende Matte bezeichnet wird, oder kann eine nicht intumeszente bzw. nicht quellende Matte sein. Die Auswahl des Mattenmaterials 64 ist von dem Verbrennungsmotor 12, auf den das Abgasbehandlungssystem 40 angewendet ist, wie auch von anderen Betrachtungen abhängig. Ungeachtet des Typs von isolierendem und dämpfendem Mattenmaterial 64, der gewählt ist, dient das Mattenmaterial dazu, das erste und zweite Katalysatorsubstrat 44, 45 in dem Kanister 41 gegenüber Schaden vor externem Stoß und Bewegung der Substrate darin zu trägern. Zusätzlich definiert das Mattenmaterial 64 eine thermische Barriere zwischen den Katalysatorsubstraten 44, 45 und der Innenwand 68 des Kanisters 41, wodurch die Temperatur der Außenwand 70 des Kanisters 41 reduziert wird.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform und besonders Bezug nehmend auf die 3 und 4 wird vor einem Einsetzen des ersten und zweiten Katalysatorsubstrats 44, 45 in den Kanister 41 jedes Substrat in eine Schicht aus isolierendem und dämpfendem Mattenmaterial 64 gewickelt. Das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 wird in die Außenabmessungen der Substrate 44, 45 geschnitten oder anderweitig geformt. Nach der Bemessung wird das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 in eine Filmlaminathülse 72 eingesetzt und einer Kompression des Mattenmaterials auf eine Nenndicke ”t”, 4, unterzogen, die kleiner als ihre nicht komprimierte Dicke ”T”, 3, ist. Das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 ist in der Filmlaminathülse 72 versiegelt, um die Matte in ihrem komprimierten Zustand zu halten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfolgt die Kompression des Mattenmaterials durch Aufbringung eines Unterdrucks bzw. Vakuums auf die Filmlaminathülse 72 mit anschließender Abdichtung der Hülse, während der Vakuum aufgebracht ist. Eine Alternative zur Vakuumkompression des Mattenmaterials ist eine mechanische Kompression unter Verwendung einer geeigneten Presse. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Filmlaminathülse 72 ein niedriges organisches Filmlaminat (”LOFL” von engl.: ”Low Organic Film Laminate”), das einer Verdampfung, Verbrennung oder anderen Form von Dissipation unterzogen wird, wenn es auf die Temperaturen erhitzt wird, denen das Abgasbehandlungssystem 40 ausgesetzt ist. Während die gewählte Filmlaminathülse 72 nicht auf ein LOFL beschränkt ist, wird es aus einer Gruppe von Laminaten gewählt, die während eines Erhitzens/Betriebs des Abgassystems 10 im Wesentlichen vollständig verdampfen, verbrennen oder anderweitig dissipieren, wodurch zugelassen wird, dass sich das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 auf eine Dimension ausdehnen kann, die eine volle Abstützung und thermische Isolierung der Substrate 44, 45 in dem Kanister 41 bereitstellt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird nach dem Vakuumprozess, der das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 auf eine Nenndicke ”t” komprimiert, das komprimierte Mattenmaterial 64 um das Substrat oder die Substrate 44, 45 gewickelt, und die Matten- und Substratbaugruppe werden axial in den Kanister 41 eingesetzt. Das Einsetzen der Matten- und Substratbaugruppe kann durch die Verwendung eines Stopfstößels erfolgen, wie es üblicherweise bekannt ist. Jedoch erfordert in dem Fall der Matten- und Substratbaugruppe unter Verwendung der Erfindung, wie offenbart ist, das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 wenig bis keine Kompression durch einen Stopfschuh, was in einem geringen Risiko eines Schadens daran resultiert.
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Bei Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgt eine Verdampfung, Verbrennung oder anderweitige Auflösung der LOFL-Filmlaminathülse 72 in der heißen Abgasumgebung, und das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 dehnt sich aus, um den Spalt zwischen den Außenflächen 66 der Substrate 44, 45 und der Innenwand 68 des Kanisters 41 zu füllen. Das Ausdehnen des dämpfenden Mattenmaterials 64 stützt die Katalysatorsubstrate 44, 45 in dem Kanister 41 gegenüber Schaden vor externem Stoß und Bewegung der Substrate darin und definiert eine thermische Barriere zwischen den Katalysatorsubstraten 44, 45 und der Innenwand 68 des Kanisters 40, wodurch die Temperatur der Außenwand 70 des Kanisters 41 reduziert wird.
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Nun Bezug nehmend auf 5 ist es auch denkbar, dass das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 um die Katalysatorsubstrate 44, 45 in einem nicht komprimierten Zustand gewickelt sein kann, wie in 3 gezeigt ist. Nach der Aufbringung des isolierenden und dämpfenden Mattenmaterials 64 auf die Katalysatorsubstrate 44, 45 kann die Matten- und Substratbaugruppe 74 in einer Filmlaminathülse 72 angeordnet und Vakuumgepackt werden, um das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 um die Außenfläche 66 des Substrats zu komprimieren. Die Matten- und Substratbaugruppe 74 wird in der Filmlaminathülse 72 beispielsweise an Nähten 76 versiegelt bzw. abgedichtet, um das isolierende und dämpfende Mattenmaterial 64 in seinem komprimierten Zustand zu halten, bis die Matten- und Substratbaugruppe 74 in den Kanister 41 des Abgasbehandlungssystems 40 installiert ist.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die Anwendung eines isolierenden und dämpfenden Mattenmaterials, das zwischen dem Katalysatorsubstrat und dem Kanister eines Abgasbehandlungssystems angeordnet ist, beschrieben worden ist, ist es denkbar, dass die Erfindung somit gleichermaßen auf beliebige Bereiche eines Abgasbehandlungssystems anwendbar ist, die die Aufbringung einer derartigen Matte erfordern.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die zur Ausführung dieser Erfindung offenbart sind, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
