DE19504138A1 - Abgasreinigungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungsmodul aus einem zylindrisch geformten inerten monolithischen Trägerkörper aus Keramik, welcher eine Zellstruktur aufweist, die einen Durchfluß des Abgases in axialer Richtung von der eintrittsseitigen Stirnfläche zur austrittsseitigen Stirnfläche ermöglicht. Das Abgasreinigungsmodul kann mit einer funktionellen Beschichtung versehen sein.

Zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren werden Abgasreinigungsmodule eingesetzt, die heute überwiegend aus einem inerten monolithischen Tragkörper bestehen, auf dem gegebenenfalls eine funktionelle Beschichtung abgeschieden ist. Die Module haben gewöhnlich eine zylindrische Geometrie. Ihr Querschnitt kann je nach Einbauerfordernis am Kraftfahrzeug beliebig geformt sein kann. Es sind runde elliptische aber auch dreieckige Querschnittsformen bekannt.

Die monolithischen Tragkörper können unterschiedliche Zellstrukturen aufweisen, die jedoch einen Durchfluß des Abgases in axialer Richtung von der eintrittsseitigen Stirnfläche zur austrittsseitigen Stirnfläche des Tragkörpers ermöglichen müssen. Für die katalytische Abgasreinigung werden bevorzugt inerte Tragkörper mit achsenparallelen Strömungskanälen eingesetzt, deren Zelldichte über den Querschnitt des Tragkörpers zwischen 10 und ca. 150/cm^-2 liegt. Für die Reinigung von Dieselabgasen sind Schaumkeramiken mit einer offenporigen Porenstruktur bekannt. Alternativ werden für diesen Anwendungsfall häufig sogenannte Wandflußfilter eingesetzt, die ebenfalls achsenparallele Strömungskanäle aufweisen, die jedoch wechselweise axial verstopft sind, so daß das durch diesen Filterkörper fließende Abgas gezwungen wird, durch die porösen Wände zwischen benachbarten Abgaskanälen hindurchzuströmen.

Als funktionelle Beschichtungen kommen Adsorber­ beschichtungen oder katalytisch aktive Beschichtungen oder Kombinationen aus diesen beiden Typen zum Einsatz. Als Adsorberbeschichtungen für die in den Abgasen von Verbrennungsmaschinen enthaltenen Kohlenwasserstoffe sind zum Beispiel dealuminierte Y-Zeolithe geeignet. Katalytisch aktive Beschichtungen bestehen aus einem hochoberflächigen Trägermaterial, gewöhnlich γ-Aluminiumoxid, welches durch Zusätze von zum Beispiel Seltenerdmetallen gitter­ stabilisiert sein kann, in Abmischungen mit anderen oxidischen Materialien wie zum Beispiel Ceroxid zur Steigerung der Sauerstoffspeicherfähigkeit. Auf diesen hochoberflächigen Trägermaterialien sind die eigentlichen katalytisch aktiven Komponenten wie zum Beispiel die Platinmetalle, Platin, Palladium und/oder Rhodium, sowie Unedelmetallzusätze abgeschieden.

Zur Halterung dieser Abgasreinigungsmodule werden sie in Metallgehäuse, sogenannte Konverter, eingebaut. Durch die Art des Einbaus muß gewährleistet sein, daß die keramischen Tragkörper durch Vibrationen und Schockeinwirkungen während des Betriebs am Kraftfahrzeug nicht zerstört oder beschädigt werden. Zu diesem Zweck werden die monolithischen Tragkörper in dem Konvertergehäuse durch um die Tragkörper herumgelegte Quellmatten fixiert.

Zur Erfüllung der gestellten Reinigungsanforderungen ist es häufig notwendig, mehrere solcher Module in einem Konvertergehäuse hintereinander anzuordnen. Dabei wird durch einen zwischen den Modulen angeordneten hoch­ temperaturfesten Keramikring dafür Sorge getragen, daß die einzelnen Module im Betrieb nicht aneinander reiben können.

Abgasreinigungssysteme der beschriebenen Art sind aus verschiedenen Patentschriften bekannt. So beschreibt die DE 34 07 172 C2 eine Einrichtung zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren, die in einem Gehäuse unmittelbar oder im Abstand hintereinander angeordnete Filterelemente enthält, wobei zwei unterschiedliche Filterelemente A und B einander mehrfach abwechseln.

Die EP 0 581 190 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum katalytischen Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren, welche wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei Trag­ körper hintereinander enthält, wobei die aufeinander­ folgenden Tragkörper so zueinander orientiert sind, daß die die Zellen bzw. Waben des Tragkörpers verlassenden Gasteil­ ströme auf eine Wand zwischen den Zellen bzw. Waben des nachfolgenden Trägerkörpers treffen. Die einzelnen Träger­ körper sind in diesem Falle direkt hintereinander gesetzt. Maßnahmen zur Einhaltung eines konstanten Abstandes zwischen den einzelnen Trägerkörpern sind in dieser Schrift nicht vorgesehen.

Nachteilig bei diesen bekannten modular aufgebauten Abgas­ reinigungssystemen ist die Tatsache, daß durch die rauhen Betriebsbedingungen am Kraftfahrzeug, insbesondere durch die Vibrationen und thermischen Belastungen, Relativ­ bewegungen zwischen den einzelnen Tragkörpern und dem gegebenenfalls vorhandenen Zwischenring auftreten, die zu einer Beschädigung der Tragkörperstirnflächen und in besonderen Fällen auch zur völligen Zerstörung der Trag­ körper führen können.

Zur Behebung dieses Mißstandes wird in der DE 43 23 791 A1 vorgeschlagen, eine Quellmatte zu verwenden, die aus mindestens zwei Lagen gleichen Materials besteht und den hochtemperaturfesten Zwischenring zwischen diesen beiden Lagen anzuordnen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls, eine Lösung für die betriebssichere Hintereinanderschaltung von mehreren Abgasreinigungsmodulen anzugeben. Die erfindungs­ gemäße Lösung soll verhindern, daß sich die einzelnen Module des Abgasreinigungssystems während des Betriebs infolge von Vibrationen und thermischen Beanspruchungen in unkontrollierter Weise gegeneinander bewegen, um eine gegenseitige Beschädigung auszuschließen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Quellmatte, die zur Fixierung der Tragkörper im Abgaskonvertergehäuse dient, in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Modulen vor den heißen Abgasen zu schützen.

Diese Aufgabe wird durch ein Abgasreinigungsmodul aus einem zylindrisch geformten inerten monolithischen Trägerkörper aus Keramik gelöst, welcher eine Zellstruktur aufweist, die einen Durchfluß des Abgases in axialer Richtung von der eintrittsseitigen Stirnfläche zur austrittsseitigen Stirn­ fläche ermöglicht und der gegebenenfalls mit einer funktionellen Beschichtung versehen ist. Das Abgas­ reinigungsmodul ist dadurch gekennzeichnet, daß die ein- und austrittsseitigen Stirnflächen des Abgasreinigungs­ moduls mit zueinander korrespondierenden Erhöhungen und Vertiefungen ausgestattet sind, die ein formschlüssiges Verbinden des Moduls mit weiteren Modulen ermöglicht.

Bevorzugt weist der monolithische Träger einen zylindrischen Kernbereich und einen diesen umgebenden Rand­ bereich in Form eines mit dem Kernbereich in vollflächigem Kontakt stehenden Hohlzylinders auf, welcher gegenüber dem Kernbereich zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung mit weiteren Modulen axial zersetzt ist. Durch diese Form­ gebung wird es möglich, mehrere Module mit gleicher Querschnittsform aufeinander zu stecken, um so ein ganzes Abgasreinigungssystem aufzubauen. Vorteilhafterweise wird dabei der als Hohlzylinder ausgebildete Randbereich mit einer größeren axialen Länge versehen als der Kernbereich.

Dadurch wird gewährleistet, daß beim Aufeinanderstecken der verschiedenen Module die Kernbereiche der benachbarten Module sich nicht berühren. Dadurch wird vermieden, daß die Stirnflächen von benachbarten Modulen sich nicht gegen­ seitig beschädigen. Außerdem wird dadurch zwischen den benachbarten Modulen eine Verwirbelungsstrecke für das Abgas geschaffen.

Die zur Bildung eines Abgasreinigungssystems eingesetzten Abgasreinigungsmodule müssen also gleiche Querschnitts­ formen aufweisen, um erfindungsgemäß aufeinander gesteckt werden zu können. Weitere Beschränkungen bestehen jedoch nicht. So können die monolithischen Träger wabenförmige Zellstrukturen mit achsenparallel angeordneten Strömungs­ kanälen aufweisen oder auch eine offenporige Zellstruktur mit Gasfilterfunktion besitzen. Zur Erzielung einer bestimmten Reinigungswirkung können Reinigungsmodule mit unterschiedlichen Zellstrukturen miteinander kombiniert werden. Je nach Anwendungserfordernis können die Abgas­ reinigungsmodule mit einer katalytisch aktiven Beschichtung oder einer Adsorberbeschichtung belegt werden. Hierfür können alle bekannten katalytisch aktiven Beschichtungen oder Adsorberbeschichtungen eingesetzt werden.

Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Abgasreinigungs­ module mit einem Verhältnis ihres Äquivalentdurchmessers zur axialen Länge von größer als 1 ausgebildet. Unter Äquivalentdurchmesser wird hier der Durchmesser eines Kreises verstanden, dessen Fläche gleich der Querschnitts­ fläche des Abgasreinigungsmoduls ist.

Durch die Verwendung der Module wird es möglich, eine gewünschte Reinigungscharakteristik des Gesamtkonverters durch Kombination von vorgefertigten Modulen mit unter­ schiedlichen funktionellen Beschichtungen zusammen­ zustellen. Dies bedeutet einen erheblichen Rationalisierungseffekt bei der Fertigung kompletter Abgasreinigungssysteme für verschiedene Motortypen.

Die zur Bildung eines gesamten Abgasreinigungssystems aufeinandergesteckten Module werden in bekannter Weise mit Quellmatten in die Konvertergehäuse eingebaut. Durch die erfindungsgemäße Verbindung zweier benachbarter Module ist gewährleistet, daß die Quellmatten nicht mit den heißen Abgasen des Verbrennungsmotores in Berührung kommen. Eine besonders stabile Anordnung erhält man, wenn die formschlüssige Verbindung der Module untereinander mit Hilfe eines keramischen Klebers permanent fixiert wird. Alternativ kann die formschlüssige Verbindung jedoch auch in axialer Richtung federnd ausgebildet werden.

Die erfindungsgemäßen Abgasreinigungsmodule können aus nach konventionellen Extrusionsverfahren hergestellten monolithischen Trägern gefertigt werden. Die Hohl­ zylinderform des Randbereiches wird in diesem Fall durch eine spanabhebende Bearbeitung derartig herausgearbeitet, daß der Hohlzylinder axial gegenüber dem Kernbereich versetzt ist, um die formschlüssige Steckverbindung benachbarter Module zu ermöglichen. In diesem Fall ist der Randbereich ein integraler Bestandteil des monolithischen Trägers und weist somit auch dieselbe Zellstruktur wie der Kernbereich auf.

Alternativ hierzu kann der Randbereich in einem separaten Fertigungsschritt hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, einen konventionell durch Extrusions­ verfahren hergestellten monolithischen Träger anschließend in einen separat gefertigten Hohlzylinder mit axialem Versatz einzusetzen. Weiterhin kann ein erfindungsgemäßes Abgasreinigungsmodul dadurch hergestellt werden, daß der Kernbereich des monolithischen Trägers nach konventionellen Extrusionsverfahren gefertigt und der den Randbereich bildende Hohlzylinder im Spritzgußverfahren nachträglich angeformt wird, wobei die Anformung wieder mit axialem Versatz zwischen Hohlzylinder und Kernbereich vorgenommen wird, so daß benachbarte Träger formschlüssig ineinander gesteckt werden können.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungs­ gemäßes Abgasreinigungsmodul.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung zweier Abgasreinigungsmodule hintereinander.

Das erfindungsgemäße Abgasreinigungsmodul von Fig. 1 besteht aus einem Kernbereich 1 mit achsenparallelen Strömungskanälen. Der Kernbereich ist in einen den Mantelbereich bildenden Hohlzylinder 2 eingesetzt und in diesem zum Beispiel mit einem keramischen Zement fixiert. Der Mantelbereich 2 weist eine größere axiale Länge als der Kernbereich 1 auf und ist gegenüber dem Kernbereich axial versetzt. Die Bezugsziffern 3 und 4 bezeichnen die ein- bzw. austrittsseitigen Stirnflächen des Kernbereichs. Die Einbaurichtung des Moduls in den Abgaskonverter ist dabei beliebig. Das Abgas kann sowohl von Fläche 3 nach Fläche 4 strömen als auch umgekehrt.

Solche Abgasreinigungsmodule können zu einem gesamten Abgasreinigungssystem zusammengesteckt werden wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch, daß der Mantelbereich eine größere axiale Länge aufweist als der Kernbereich wird gewährleistet, daß sich die Kernbereiche benachbarter Module nicht berühren und ein Zwischenraum 5 zwischen den benachbarten Modulen gebildet wird, in dem das Abgas vor dem Eintritt in das folgende Modul verwirbelt wird.

Claims (13)

1. Abgasreinigungsmodul aus einem zylindrisch geformten inerten, monolithischen Trägerkörper aus Keramik, welcher eine Zellstruktur aufweist, die einen Durchfluß des Abgas es in axialer Richtung von der eintritts­ seitigen Stirnfläche zur austrittsseitigen Stirnfläche ermöglicht, und der gegebenenfalls mit einer funktionellen Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ein- und austrittsseitigen Stirnflächen des Abgasreinigungsmoduls mit zueinander korrespondierenden Erhöhungen und Vertiefungen ausgestattet sind, die ein formschlüssiges Verbinden des Moduls mit weiteren Modulen ermöglicht.

2. Abgasreinigungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Träger einen zylindrischen Kernbereich und einen diesen umgebenden Randbereich in Form eines mit dem Kernbereich in vollflächigem Kontakt stehenden Hohlzylinders aufweist, welcher gegenüber dem Kernbereich zur Herstellung der formschlüssigen Verbindung mit weiteren Modulen axial versetzt ist.

3. Abgasreinigungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Hohlzylinder ausgebildete Randbereich eine größere axiale Länge aufweist als der Kernbereich.

4. Abgasreinigungsmodul nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Träger eine wabenförmige Zellstruktur mit achsenparallel angeordneten Strömungskanälen aufweist und mit einer katalytisch aktiven Beschichtung oder einer Adsorberbeschichtung belegt ist.

5. Abgasreinigungsmodul nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Träger eine offenporige Zellstruktur mit Gasfilterfunktion aufweist und mit einer katalytisch aktiven Beschichtung oder einer Adsorberbeschichtung belegt ist.

6. Abgasreinigungssystem aus mehreren hintereinander­ geschalteten Abgasreinigungsmodulen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Verbindung der Module untereinander mit Hilfe eines Klebers permanent fixiert ist.

7. Abgasreinigungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Verbindung der Module untereinander in axialer Richtung federnd ausgebildet ist.

8. Abgasreinigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Module des Abgasreinigungssystems unterschiedliche Zellstrukturen aufweisen.

9. Abgasreinigungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Module des Abgasreinigungssystems mit unterschiedlichen funktionellen Beschichtungen versehen sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithische Träger nach konventionellen Extrusionsverfahren hergestellt ist und daß die Hohlzylinderform des Randbereiches anschließend mittels spanabhebender Bearbeitung herausgearbeitet wird und der Hohlzylinder axial gegenüber dem Kernbereich versetzt ist, um eine formschlüssige Steckverbindung benachbarter Module zu ermöglichen.

11. Verfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich des monolithischen Trägers nach konventionellen Extrusionsverfahren hergestellt und anschließend in einen Hohlzylinder, mit axialem Versatz eingesetzt wird, so daß benachbarte Module formschlüssig ineinander gesteckt werden können.

12. Verfahren zur Herstellung eines Abgasreinigungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich des monolithischen Trägers nach konventionellen Extrusionsverfahren hergestellt wird und der den Randbereich bildende Hohlzylinder im Spritzgußverfahren angeformt wird, wobei die Anformung mit axialem Versatz zwischen Hohlzylinder und Kernbereich vorgenommen wird, so daß benachbarte Träger formschlüssig ineinander gesteckt werden können.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich eine größere axiale Länge aufweist als der Kernbereich.