DE19731987A1 - Halterung eines Trägerkörpers in einem Mantelrohr - Google Patents
Halterung eines Trägerkörpers in einem MantelrohrInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper, welcher im Inneren eines Mantel
rohres angeordnet ist und von einem Fluid durchströmbar ist. Der Waben
körper dient insbesondere als Trägerkörper für ein katalytisch wirksames
Material, mittels welchem eine Umsetzung von in Abgasen eines Verbren
nungsmotors enthaltenen schädlichen Komponenten in unschädliche Stoffe
erfolgt.
Mechanische Schwingungen des in einem Mantelrohr angeordneten Wabenkör
pers können durch unterschiedliche Anregungsmechanismen entstehen.
Beispielsweise können bei einem in einem Mantelrohr angeordneten Waben
körper, welcher als Katalysator-Trägerkörper dient und im Abgassystem eines
Verbrennungsmotors angeordnet ist, transversale Schwingungen des Mantel
rohres durch Vibrationen des Verbrennungsmotors entstehen, welche über
weitere Teile des Abgassystems vom Verbrennungsmotor übertragen werden.
Insbesondere kann beim Auftreten von Resonanzschwingungen die zwischen
dem Mantelrohr und dem Wabenkörper vorhandene Verbindung beschädigt
oder zerstört werden. Daher ist versucht worden, die Verbindung zwischen
dem Mantelrohr und dem Wabenkörper so zu gestalten, daß im Einsatz des
Katalysator-Trägerkörpers, bei welchem dieser den oben erwähnten Schwin
gungen ausgesetzt ist, die Verbindungen zwischen dem Mantelrohr und dem
Wabenkörper durch ein versteiftes Mantelrohr möglichst dauerhaft sind.
Aus der DE 41 12 354 A1 ist ein aus mehreren Lagen gewellter Bleche
oder glatter und gewellter Bleche bestehender Wabenkörper bekannt, bei
welchem das den Wabenkörper umgebende Mantelrohr mit dem Wabenkörper
verschweißt ist. Zur Erleichterung des Schweißvorganges und zur Erzielung
einer möglichst dauerhaften Verbindung des Mantelrohres mit dem Waben
körper ist die äußere Schicht des Wabenkörpers aus mehreren einander
überlappenden glatten Endabschnitten der gewellten Bleche oder der gewell
ten und glatten Bleche ausgebildet, wobei die Endabschnitte etwa gleich lang
und etwa gleichmäßig über den Außenumfang des Wabenkörpers verteilt
sind. Das Mantelrohr und der Wabenkörper sind mittels einer zick-zack
förmig über den Umfang des Mantelrohres verlaufenden Schweißnaht ver
bunden. Diese zick-zack-förmige Schweißnaht ist in einem mittleren Ab
schnitt des Katalysator-Trägerkörpers angeordnet.
Aus der DE 43 03 950 C1 ist ein als Katalysator-Trägerkörper dienender
metallischer Wabenkörper bekannt, welcher in einem inneren und einem
äußeren Mantelrohr gehaltert ist. Das innere Mantelrohr weist eine gekröpf
te Form auf, wobei ein erstes Teilstück des inneren Mantelrohres an einem
Teilstück der Lange des Wabenkörpers nur anliegt und wobei durch die
Kröpfung ein weiterer Teilbereich mit dem äußeren Mantelrohr verbunden
ist. Dadurch sind Wabenkörper und äußeres Mantelrohr thermisch und
mechanisch entkoppelt.
Eine weitere mögliche Ursache für die Beschädigung oder Zerstörung der
Verbindung zwischen Wabenkörper und Mantelrohr sind nämlich thermisch
bedingte Änderungen der Abmessungen des Wabenkörpers und des Mantel
rohres. Aus diesem Grunde ist in der DE 195 07 299 A1 vorgeschlagen
worden, eine Verbindung des Wabenkörpers mit dem Mantelrohr nur in
einem Teilbereich der axialen Länge des Mantelrohres herzustellen. Vor
zugsweise liegt der Verbindungsbereich zwischen Wabenkörper und Mantel
rohr etwa in der Mitte der axialen Länge des Mantelrohres.
Ein wesentlicher Nachteil der im Stand der Technik bekannten Verbindungen
zwischen Wabenkörper und Mantelrohr besteht darin, daß relativ großflächige
Verbindungen aufgrund lokal unterschiedlicher Temperaturwerte und damit
verbundener, durch Temperaturunterschiede bedingter Wärmespannungen
sowie lokal auftretender Schwingungsbäuche nur eine relativ bedingte Halt
barkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und thermischen Belastungen
aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen im Inneren eines
Mantelrohres angeordneten und von Fluid durchströmbaren Wabenkörper zu
schaffen, dessen Verbindung zwischen Mantelrohr und Wabenkörper langzeit
resistent gegenüber Schwingungen und weitgehend flexibel gegenüber thermi
schen Wechselbelastungen ist und zur Reduzierung der Schwingungsamplitu
den des Wabenkörpers beiträgt.
Diese Aufgabe wird mittels eines Wabenkörpers mit den Merkmalen gemäß
Anspruch 1, mittels eines Wabenkörpers mit den Merkmalen gemäß An
spruch 3 bzw. mit einem Wabenkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch
10 gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen
definiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch speziell ausgebildete Verbindun
gen zwischen Wabenkörper und Mantelrohr dadurch gelöst, daß die Ver
bindungen/die Verbindung lediglich in einem definierten Teilbereich des
Wabenkörpers bzw. der inneren Oberfläche des den Wabenkörper umgeben
den Mantelrohres angeordnet sind bzw. ist. Das Mantelrohr, welches den
Wabenkörper umgibt und im wesentlichen parallel zu einer zentralen Längs
achse von einem Fluid durchströmbar ist, ist dabei an seiner Innenoberfläche
an zumindest einem Teilbereich mit dem Wabenkörper verbunden. Be
züglich der Längsachse ist dieser Teilbereich asymmetrisch angeordnet. Es
können auch mehrere Teilbereiche der Innenoberfläche des Mantelrohres mit
dem Wabenkörper verbunden sein, wobei die Verbindungen ebenfalls asym
metrisch angeordnet sind. Unter asymmetrischer Anordnung soll verstanden
werden, daß an keiner Stelle einer beliebigen Ebene senkrecht zur Längs
achse Verbindungsbereiche angeordnet sind, welche bezüglich der Längsachse
im wesentlichen 180° einander gegenüberliegen. Bezogen auf den Innen
umfang der Innenoberfläche des Mantelrohres bedeutet dies, daß der Ver
bindungsbereich, welcher in der Ebene senkrecht zur Längsachse liegt,
kleiner ist als 180°, wobei der Verbindungsbereich sich als ein einzelner
Teilbereich über dem Umfangswinkelbereich < 180° oder in mehreren
separaten Teilbereichen darüber erstreckt. Solange der Winkel, über wel
chen sich der Teilbereich am Innenumfang des Mantelrohres erstreckt,
kleiner als 180° ist, existiert in einer definierten beliebigen Ebene senkrecht
zur Längsachse kein Verbindungsbereich, welcher 180° gegenüberliegend zu
sich ebenfalls einen Verbindungsbereich aufweist. Durch diese asymmetri
sche Anordnung des Teilbereiches, in welchem die Verbindung zwischen
Mantelrohr und Wabenkörper hergestellt ist, ist einerseits eine ausreichende
Verbindungsfestigkeit zwischen Mantelrohr und Wabenkörper hergestellt,
solange diese Verbindung sich im wesentlichen an den Stellen befindet, an
welchen ansonsten die größten Schwingungsamplituden auftreten, und weist
der Katalysator-Trägerkörper außerdem eine ausreichend hohe Flexibilität auf,
um thermische Belastungen, insbesondere infolge von Temperaturunterschie
den, aufnehmen zu können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Wabenkörper, welcher
im wesentlichen parallel zu seiner Längsachse von einem Fluid durchström
bar ist, mit einem Mantelrohr umgeben, welches an seiner Innenoberfläche
an zumindest einem Teilbereich eine Verbindung mit dem Wabenkörper
aufweist. Das Mantelrohr ist dabei in dem Teilbereich mit dem Wabenkör
per so verbunden, daß bezüglich der Längsachse einander gegenüberliegende
Verbindungsbereiche existieren, welche in unterschiedlichen, senkrecht zur
Längsachse liegenden Ebenen angeordnet sind. Es ist somit möglich, daß
sich diese Verbindungsbereiche im wesentlichen 180°, bezogen auf den
Umfang der Innenoberfläche des Mantelrohres, gegenüberliegen, ohne in den
gedachten, senkrecht zur Längsachse angeordneten Ebenen zu liegen.
Vorzugsweise erstrecken sich gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Verbindungsbereiche jeweils nur über höchstens ein Drittel, vorzugsweise
über ein Sechstel bis ein Viertel des Innenumfangs des Mantelrohres. Die
Verbindungsbereiche können dabei als durchgängige Verbindungsbereiche
ausgebildet sein oder können einen Verbindungsbereich bilden, welcher aus
mehreren einzelnen Abschnitten besteht. Vorzugsweise ist der Teilbereich
von den axialen Enden des Mantelrohres beabstandet. Das bedeutet, daß
der in dem Teilbereich vorgesehene Verbindungsbereich in einem mittleren
Abschnitt der axialen Längserstreckung des Katalysator-Trägerkörpers vor
gesehen ist, d. h. einem Bereich, in welchem in der Regel die maximalen
Schwingungsamplituden auftreten.
Es ist jedoch auch möglich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, daß
sich der Teilbereich über die gesamte axiale Länge des Mantelrohrs er
streckt. Dabei umfaßt der Teilbereich selbstverständlich nur einen bestimm
ten Teil der Innenoberfläche des Mantelrohres. Vorzugsweise ist das
Mantelrohr nur in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Verbindungs
bereiche innerhalb des Teilbereichs mit dem Wabenkörper verbunden. Das
heißt die Teilbereiche bzw. der Teilbereich, in welchem die Verbindungs
bereiche zur Verbindung von Wabenkörper und Mantelrohr angeordnet sind,
setzen bzw. setzt sich aus mehreren Verbindungsabschnitten zusammen,
wobei die einzelnen Verbindungsabschnitte untereinander beabstandet sind.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das den Waben
körper umgebende Mantelrohr in einem Teilbereich mit mindestens einer, die
Schwingungsfestigkeit lokal erhöhenden Verstärkungsstruktur versehen.
Dadurch ist es möglich, die Vorteile der Schwingungsunterdrückung mittels
definierter, ausgewählter Verbindungsbereiche innerhalb der Innenoberfläche
des Mantelrohres zur Verbindung von Mantelrohr und Wabenkörper mit den
Vorteilen der Schwingungsunterdrückung durch zusätzliche Mittel zur Beein
flussung der Eigenfrequenz und damit der Reduzierung der maximalen
Schwingungsamplituden zu kombinieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Mantelrohr, welches in
seinem Inneren den von einem Fluid durchströmbaren Wabenkörper aufweist,
an seiner Innenoberfläche nur in einem Teilbereich, welcher im wesentlichen
koaxial zur Längsachse des Wabenkörpers auf der Innenoberfläche des
Mantelrohres mit einer Steigung im wesentlichen umläuft, mit dem Waben
körper verbunden. Der Teilbereich läuft also wendelartig um die Innen
oberfläche des Mantelrohres. Je nach Steigung dieses wendelartig umlaufen
den Teilbereiches läuft ein solcher Teilbereich entweder einmal oder mehr
mals oder nur zum Teil um die Innenoberfläche des Mantelrohres um.
Dieser Teilbereich kann dabei sowohl an den axialen Enden des Katalysator-
Trägerkörpers beginnen als auch lediglich in seinem mittleren Bereich
umlaufen.
Vorzugsweise ist das Mantelrohr aus schräg aufgewickelten Streifen aufge
baut. Beim Aufwickeln der Streifen zu einem Mantelrohr bilden die Stoß
stellen eine wendelartig umlaufende Linie. Vorzugsweise sind die Teilberei
che, in welchen sich die Verbindungsbereiche zur Verbindung von Mantel
rohr und Wabenkörper befinden, in der Umgebung der Stoßstellen angeord
net. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Mantelrohr und
Wabenkörper im Teilbereich, d. h. im Stoßstellen-Umgebungsbereich mitein
ander verschweißt. Die Schweißnaht ist vorzugsweise so ausgebildet, daß
nach erfolgtem Aufwickeln des Streifens zu einem Mantelrohr nicht nur die
Stoßstelle des Streifens, welche wendelartig umläuft, verschweißt wird,
sondern die Schweißnaht so tief ist, daß darüber hinaus Mantelrohr und
Wabenkörper miteinander verschweißt werden. Es ist jedoch auch möglich,
daß der Verbindungsbereich von Mantelrohr und Wabenkörper beidseitig der
Stoßstelle flächig oder mehrfach wendelartig verschweißt ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wabenkörper eine
Mehrzahl mindestens teilweise strukturierter Blechlagen auf. Die Wände der
strukturierten Blechlagen bilden eine Vielzahl von Kanälen, welche von
einem Fluid durchströmbar sind, wobei die strukturierten Blechlagen lediglich
in Teilzonen untereinander verlötet sind. Dadurch, daß die Verlötung nur
in Teilzonen ausgeführt ist, besitzt der Wabenkörper eine relativ hohe
Flexibilität gegenüber thermischen Belastungen, so daß wärmeausdehungs
bedingte Verschiebungen einzelner Bauteilabschnitte untereinander leichter
kompensiert werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Wabenkörper gemäß der Erfindung mit Verbindungsbereichen
und einem Verstärkungselement im mittleren Bereich des Waben
körpers; und
Fig. 2 einen Wabenkörper mit wendelartig umlaufendem Verbindungsbe
reich.
In Fig. 1 ist ein Wabenkörper 1 dargestellt, welcher in einem Mantelrohr
2 angeordnet ist. Der Wabenkörper weist eine Längsachse 5 auf. Der
Wabenkörper 1 selbst besteht aus einer Mehrzahl, mindestens teilweise
strukturierter Blechlagen 4, 8. Zwischen im wesentlichen flachen, keine
Wellungen aufweisenden Blechlagen 4 sind gewellte Blechlagen 8 angeordnet,
welche zumindest in Teilzonen untereinander verlötet sind. Durch die
Verbindung von gewellten 8 und im wesentlichen flachen Blechlagen 4
entstehen Strömungskanäle 9, durch welche Fluid geleitet werden kann. Auf
der Oberfläche der strukturierten Blechlagen 4, 8 befindet sich das eigentli
che Katalysatormaterial, welches zur Reinigung von schädlichen Komponenten
aus dem Abgas eines z. B. Verbrennungsmotors dient. Der Wabenkörper 1
ist aus den einzelnen Blechlagen zu einem kompakten Körper gewickelt,
geschlungen oder ist aus mehreren Lagen von gewellten und im wesentlichen
flachen Blechlagen geschichtet aufgebaut.
Im mittleren Bereich des eine Längserstreckung der Länge L aufweisenden
Wabenkörpers ist das Mantelrohr 2 an der inneren Oberfläche in Teilberei
chen mit dem Wabenkörper verbunden, wobei die Teilbereiche zumindest
abschnittsweise ausgebildete Verbindungsbereiche umfassen. Diese abschnitts
weise ausgebildeten Verbindungsbereiche 6 laufen über einen im mittleren
Bereich des Wabenkörpers 1 angeordneten Teilbereich und verlaufen auf
einer wendelartigen Bahn. Diese Verbindungsbereiche des wendelartigen
Teilbereiches 6 sind so angeordnet, daß kein Bereich existiert, bei welchem
in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 5 ebenfalls Verbindungsbereiche 180°
gegenüber von den vorgesehenen Verbindungsbereichen 6 existieren.
Das bedeutet, daß die Teilbereiche bezüglich der Längsachse asymmetrisch
angeordnet sind. Durch diese asymmetrische Anordnung wird einerseits eine
hohe Flexibilität des im Mantelrohr 2 angeordneten Wabenkörpers erreicht,
zum anderen gewährleistet ein derartig ausgebildeter Verbindungsbereich zur
festen Verbindung von Mantelrohr 2 und Wabenkörper 1 eine ausreichende
und dauerhafte Festigkeit gegenüber thermischer Belastung und gegenüber
Schwingungsbelastung. Das Vorsehen einer am Außenumfang des Mantel
rohres 2 umlaufenden sickenartigen Rippe 12 dient darüber hinaus der weite
ren Erhöhung der Festigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In
einem Mantelrohr 2 ist ebenfalls ein Wabenkörper 1 angeordnet. Dieser
Wabenkörper weist ebenfalls eine Mehrzahl von zumindestens teilweise
strukturierten Blechlagen auf, durch welche die Wände einer Vielzahl von
von Fluid durchströmbaren Kanälen gebildet sind. Mantelrohr 2 und Wa
benkörper 1 sind an der Innenoberfläche 11 des Mantelrohres 2 in einem
wendelartig auf der Innenoberfläche 11 des Mantelrohrs 2 umlaufenden
Teilbereich 6 kontinuierlich verbunden. Die wendelartige Verbindung
zwischen Mantelrohr 2 und Wabenkörper 1 gewährleistet eine hohe Flexibili
tät des Wabenkörpers gegenüber mechanischen Schwingungen und gegenüber
thermischen Belastungen und besitzt darüber hinaus eine hohe Festigkeit.
Eine solche wendelartig umlaufende Verbindung, vorzugsweise in Form einer
Schweißverbindung verhindert darüber hinaus, daß sich die Verbindung
zwischen Mantelrohr 2 und Wabenkörper I unter den harten Einsatzbedin
gungen, welchen ein Katalysator-Trägerkörper ausgesetzt ist, reißt, sich löst
oder anderweitig beschädigt wird.
Der erfindungsgemäßen Wabenkörper, welcher Verbindungen zwischen dem
Mantelrohr 2 und dem Wabenkörper 1 an Teilbereichen 6 aufweist, welche
so angeordnet sind, daß, bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse
5, die Verbindungsbereiche bzw. Verbindungsabschnitte 6 stets asymmetrisch
angeordnet sind, erfüllt somit die Forderungen nach höherer Standzeit und
Betriebszuverlässigkeit der Katalysator-Trägerkörper.
1
Wabenkörper
2
Mantelrohr
4
flache Blechlage
5
Längsachse
6
Verbindungsbereiche/Teilbereiche
8
gewellte Blechlage
9
Strömungskanal
11
Innenoberfläche Mantelrohr
12
Rippe/Verstärkungsstruktur
Claims (13)
1. Wabenkörper (1), welcher im wesentlichen parallel zu einer zentralen
Längsachse (5) von einem Fluid durchströmbar ist, mit einem den
Wabenkörper (1) umgebenden Mantelrohr (2), welches an seiner Innen
oberfläche an zumindest einem Teilbereich (6) mit dem Wabenkörper
(1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (6)
bezüglich der Längsachse (5) asymmetrisch angeordnet ist.
2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Teilbereich (6) bezüglich des Innenumfangs des Mantelrohres (2) über
diesen nur zum Teil umläuft, insbesondere kleiner als 180° ist.
3. Wabenkörper (1), welcher im wesentlichen parallel zu einer Längsachse
(5) von einem Fluid durchströmbar ist, mit einem den Wabenkörper (1)
umgebenden Mantelrohr (2), welches an seiner Innenoberfläche an zu
mindest einem Teilbereich (6) mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (2) in dem Teilbereich (6)
mit dem Wabenkörper (1) so verbunden ist, daß bezüglich der Längs
achse (5) einander gegenüberliegende Verbindungsbereiche in unter
schiedlichen, senkrecht zur Längsachse (5) liegenden Ebenen angeordnet
sind.
4. Wabenkörper (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungsbereiche im wesentlichen 180° einander gegenüberliegend
angeordnet sind.
5. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungsbereiche sich jeweils nur über höchstens
ein Drittel, vorzugsweise über ein Sechstel bis ein Viertel des Innen
umfangs des Mantelrohres (2) erstrecken.
6. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Teilbereich (6) von den axialen Enden des Mantelroh
res (2) beabstandet ist.
7. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Teilbereich (6) sich über die gesamte axiale Länge
(L) des Mantelrohres (2) erstreckt.
8. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mantelrohr (2) nur in einer Mehrzahl voneinander
beabstandeter Verbindungsbereiche innerhalb des Teilbereiches (6) mit
dem Wabenkörper (1) verbunden ist.
9. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Mantelrohr (2) in dem Teilbereich (6) mindestens
eine die Schwingungsfestigkeit lokal erhöhende Verstärkungsstruktur (12)
aufweist.
10. Wabenkörper (1), welcher von einem Fluid durchströmbar und von
einem Mantelrohr (2) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mantelrohr (2) an seiner Innenoberfläche nur in einem Teilbereich (6),
welcher im wesentlichen koaxial zur Längsachse (5) des Wabenkörpers
(1) wendelartig auf der Innenoberfläche mit einer Steigung in' wesentli
chen umläuft, mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist.
11. Wabenkörper (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mantelrohr (2) aus schräg aufgewickelten Streifen besteht, deren Stoß
stellenumgebung den Teilbereich (6) bildet.
12. Wabenkörper (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mantelrohr (2) und der Wabenkörper (1) im Teilbereich (6) verschweißt
sind.
13. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wabenkörper (1) eine Mehrzahl mindestens teilweise
strukturierter Blechlagen (4, 8) aufweist, welche die Wände einer
Vielzahl von von Fluid durchströmbaren Kanälen (9) bilden und nur in
Teilzonen untereinander verlötet sind.
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