DE2248442B2 - Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Abgasen und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, bei der ein mit einer Katalysatormasse versehener, zylindrischer Monolith-Trägerkörper in einem zylindrischen Gehäuse unter Zwischenschaltung einer elastischen Ummantelung gelagert ist und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

Es ist eine katalytische Abgasreinigungsvorrichtung bekannt (DE-AS 14 76 507), bei der in einem zylindrischen Gehäuse ein Katalysator-Trägerkörper gehalten wird und bei der in einem Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Trägerkörper ein vorzugsweise aus einem Drahtgeflecht bestehendes federndes, gewelltes Teil angeordnet ist, das den Trägerkörper eng umgibt. Nun hat sich jedoch gezeigt, daß eine derartige Zwischenlage aus einem federnden Drahtgeflecht den gestellten Anforderungen nicht genügt, da infolge der hohen Temperaturen im Trägerkörper das Drahtgeflecht leicht ausglüht. Würde dagegen dieses Drahtgeflecht aus einem hoch temperaturfestem Werkstoff hergestellt, so würde eine derartige Vorrichtung, die für die Serienanwendung vorgesehen ist, allzu teuer. Auch ist hier eine eigene axiale Halterung nötig, welche durch relativ starre Blechflansche gebildet wird, durch die oft die daran anliegenden Stellen des Trägerkörpers zerstört werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

daher in der Schaffung einer vollständig elastischen Halterung für den Trägerkörper, die zum einen den hohen mechanischen und Wärme-Belastungen standhält und die zum anderen einfach und preisgünstig in ihrer Ausführung ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der

ίο Erfindung dadurch, daß_zur Halterung in radialer und axialer Richtung allein die Ummantelung vorgesehen ist, die aus einem mit einer radialen Vorspannung eingebauten, hoch temperaturbeständigen keramischen Faserfhateriälbesteht und die an ihrem Außenumfang Gleitzonen aufweist, wobei zum Erzeugen der radialen Vorspannung ein Axialpreßsitz des Gehäuses auf der Ummantelung vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise kann das keramische Fasermaterial dabei aus einer oder mehreren Mattenlagen bestehen. Die besonderen Vorteile dieser aus einem hoch temperaturbeständigen keramischen Fasermaterial bestehenden Ummantelung liegen in der besonders guten Temperaturbeständigkeit und in einer zusätzlich wärmeisolierenden Wirkung. Darüber hinaus schafft diese Ummantelung eine gute Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Trägerkörper und dem Gehäuse für das in dem Gehäuse strömende Gas. Schließlich ist dieses Material auch preisgünstig und eignet sich deshalb besonders gut für eine serienmäßige Verarbeitung.

JO Zwar ist bereits für einen im Querschnitt viereckigen Katalysator eine Halterung bekannt (DE-OS 14 76 505), bei der zwischen den vier Außenseiten des Trägerkörpers und den entsprechenden vier Innenseiten des umgebenden Gehäusemantels wärmeisolierende kera-

r> mische Blöcke vorgesehen sind. An mindestens zwei aneinander anschließenden Seiten sollen die keramischen Blöcke durch Metallplatten abgedeckt sein, die gegenüber dem Gehäusemantel mittels Schrauben nachstellbar sind, wobei zwischen den keramischen Blöcken und den Wänden des Katalysatorträgerkörpers federnd elastische Mittel in Form von Federn oder aber von aus keramischen Fasern bestehenden Kissen angeordnet sind. Eine auf die Außenwände des Trägerkcrpers einwirkende Druckspannung zur Gewährleistung einer sicheren axialen Halterung des Trägerkörpers in dem Gehäuse bzw. in der Abgasleitung kann hier erst durch Anziehen der Druckschrauben nach dem Einbau des Trägerkörpers in den Gehäusemantel erreicht werden. Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung vor, die Druckspannung direkt durch die elastische Keramikfasermatte aufzubringen, die unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung sonstiger Bauteile, zwischen der Innenwand des Gehäusemantels und der Außenwand des Trägerkörpers in vorgespanntem Zustand stehend eingebaut ist. Dadurch kann vor allem auf die Spannschrauben und die Metallplatten verzichtet werden, die bei einer von der Viereckform abweichenden Querschnittsform des Trägerkörpers ohnehin kaum verwendbar sind.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sollen die Gleitzonen als sich axial erstreckende, segmentförmige Schalen ausgebildet sein, die zweckmäßigerweise an mindestens einem Ende einen nach innen gerichteten, die Ummantelung umfassenden Kragen aufweisen können. Dieser Kragen ermöglicht die Aufbringung eines axialen Druckes auf die Gieitsegmente, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Druckplatte, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß der Trägerkörper selbst

einen Druck in axialer Richtung erfährt und dabei Schaden nimmt.

Anstelle der Anordnung von Gleitsegmenten kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zum Bilden der Gleitzonen die Außenhaut der Ummantelung auch zumindest segmentweise verhärtet sein. Hierbei übernehmen die verhärteten Schichten der Außenhaut der Ummantelung die Aufgabe, beim Einbau des mit der Ummantelung versehenen Trägerkörpers ein etwa durch Reibung an der Gehäusewand verursachtes Verrutschen der Ummantelung zu vermeiden und eine über den Umfang möglichst gleichmäßige radiale Vorspannung auf die Ummantelung aufzubringen.

Zur Herstellung einer solchen katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung wird schließlich erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der mit der Ummantelung versehene Trägerkörper in eine konische, den Außendurchmesser der Ummantelung auf den Gehäuseinnendurchmesser verringernde Führungsbuchse eingesetzt wird und dann in axiaLr Richtung in das Gehäuse eingepreßt wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache und preiswerte Herstellung der katylytischen Abgasreinigungsvorrichtung unter weitgehender Schonung des empfindlichen Trägerkörpers.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Katalysator mit einem in einem Gehäuse elastisch aufgehängten monolithischen Trägerkörper,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Katalysator gemäß den Schnittlinien 11-11 nach F i g. 1 und

Fig.3 ein Schnittbild, aus dem das Einbringen des Trägerkörpers in das Gehäuse näher hervorgeht.

In der Fig. 1 ist der fertige Katalysator im Längsschnitt gezeigt, der mit Hilfe von Flanschen 9 und 11 in eine Abgasleitung eingeschaltet werden kann. Mit 1 ist dabei der monolithische Trägerkörper mit in axialer Richtung verlaufenden, durchgehenden Kanälen bezeichnet, der in einem Gehäuse 2 mit Hilfe der elastischen, hoch temperaturfesten Ummantelung 3 federnd elastisch aufgehängt ist. Da der Durchtritt des Abgases durch den Katalysatorkörper 1 mit einem Druckverlust verbunden ist, der zu einer Verminderung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt, ist die Querschnittsfläche des Katalysators in dem Bestreben, diesen Druckverlust möglichst gering zu halten, wesentlich größer gewählt als die Querschnittsfläche der das Abgas zu- und abführenden, hier nicht gezeigten Rohrleitungen. Der Übergang von den Rohrleitungen zu dem den Katalysatorkörper aufnehmenden Gehäuse 2 wird daher an der Zu- und Abströmseite des Abgases durch konische Übergangsstücke 8 und 10 gebildet. Während normalerweise der Querschnitt des Katalysatorkörpers 1 und des Gehäuses 2 kreisförmig ist, sine] jedoch auch andere, beispielsweise ovale Querschnittsformen des Katalysators, möglich. Mit dem Pfeil 12 ist die Strömungsrichtung des den Katalysator durchströmenden Abgases angedeutet.

Am Außenumfang der Ummantelung 3, die gemäß der Erfindung aus einem hoch temperaturfesten, unter einer radialen Vorspannung stehenden elastischen, keramischen Fasermaterial besteht, sind Gleitsegmente in Form von Schalen vorgesehen, die sich in axialer Richtung erstrecken und, wie aus der Fig.2 näher hervorgeht, die Ummantelung 3 bis auf kleine, zwischen den Gleitsegmenten verbleibende axiale Spalte fast vollständig umfassen. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier über den Umfang gleichmäßig verteilte Gleitsegmente vorgesehen, die an einem Ende radial nach innen gerichtete Kragen 5 aufweisen. Diese Kragen bedecken einen Teil

κι der Frontfläche der Ummantelung 3 und dienen als Anlagefläche zur Aufbringung eines axialen Druckes beim Einpressen des Trägerkörpers 1 in das Gehäuse 2.

Dieser Vorgang des Einpressens des Trägerkörpers

in das Gehäuse ist in der F i g. 3 dargestellt. Dabei ist das

ι =, Gehäuse 2 mit dem an dem konischen Übergangsstück 8 befestigten Flansch 9 auf einer festen Unterlage 13 aufgestellt, und über der Einfüllöffnung des Gehäuses 2 ist eine konische Führungsbuchse 6 angebracht. Das Einbringen des Trägerkörpers 1 in das Gehäuse 2 erfolgt nun in der Weise, daß der mit der Ummantelung 3 versehene Trägerkörper 1 zusammen mit den Gleitsegmenten in die Fiihrungsbuchse 6 eingesetzt wird und daß durch Aufbringung eines axialen Druckes entsprechend dem Pfeil 14 mit Hilfe einer auf die Kragen 5 der Gleitsegmente aufgesetzten Druckplatte 7 der Trägerkörper in das Gehäuse 2 eingepreßt wird. Dabei gleiten die Gleitsegmente zunächst an der konischen Innenwandung der Führungsbuchse 6, die eine Verringerung des Außendurchmessers der Ummantelung 3 auf den Innendurchmesser des Gehäuses 2 bewirkt, und später an der Innenwand des Gehäuses 2, wobei auf die Ummantelung 3 lediglich eine gleichmäßig über den Umfang verteilte, radiale Vorspannung zur Verdichtung des elastischen Ummantelungsmaterials

jj ausgeübt wird. Auch der besonders gegen axiale Belastung sehr empfindliche Trägerkörper 1 erfährt bei diesem Einpreßvorgang lediglich eine radiale Belastung, so daß eine Beschädigung des Trägerkörpers, die zu einer Wirkungsgradverschlechterung des Katalysators führen würde, nicht zu befürchten ist.

Wie Versuche ergeben haben, ist die von der Erfindung vorgeschlagene Halterung des Katalysator-Trägerkörpers in der Lage, den besonders in einer Abgasreinigungsanlage für Kraftfahrzeuge auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen mit hoher Lebensdauer standzuhalten. Als Material für die elastische Ummantelung wurde dabei eine Matte aus keramischen Tonerde-Silikat-Fasern verwendet, die in einer oder mehreren Lagen um den Trägerkörper 1

so gewickelt war. Dieses Material zeigte neben einer hohen Temperaturbeständigkeit und einer guten Elastizität auch eine für die Funktion des Katalysators vorteilhafte Wärmeisolierung sowie eine gute Abdichtung des zwischen dem Trägerkörper 1 und dem Gehäuse 2 verbleibenden Raumes. Diese Abdichtung ist erforderlich, damit nicht ein Teil der Abgase den Katalysator-Trägerkörper umgehen kann, wie das bei Anbringung der bekannten elastischen Drahtgeflechtmatten ohne besondere Vorkehrungen möglich ist.

Schließlich ist noch die einfache und schonende Herstellung der erfindungsgemäßen Trägerkörper-Halterung unter Verwendung der Gleitsegmente und der konischen Führungsbuchse hervorzuheben, so daß zusammen mit dem verhältnismäßig preisgünstigen Material für die Ummantelung ein auch für Serienfertigung geeigneter Katalysator geschaffen wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, bei der ein mit einer Katalysatormasse versehener zylindrischer Monolith-Trägerkörper in einem zylindrischen Gehäuse unter Zwischenschaltung einer elastischen Ummantelung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung in radialer und axialer Richtung allein die Ummantelung (3) vorgesehen ist, die aus einem mit einer radialen Vorspannung eingebauten, hoch temperaturbeständigen keramischen Fasermaterial besteht, und die an ihrem Außenumfang Gleitzonen aufweist, wobei zum Erzeugen der radialen Vorspannung ein Axiaipreßsitz des Gehäuses (2) auf der Ummantelung (3) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Fasermatei ial aus einer oder mehreren Mattenlagen besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitzonen als sich axial erstreckende segmentförmige Schalen (4) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (4) an mindestens einem Ende einen nach innen gerichteten, die Ummantelung (3) umfassenden Kragen (5) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden der Gleitzopen die Außenhaut der Ummantelung (3) zumindest segmentweise verhärtet ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Ummantelung (3) versehene Trägerkörper (1) in eine konische, den Außendurchmesser der Ummantelung auf den Gehäuseinnendurchmesser verringernde Führungsbuchse (6) eingesetzt wird und dann in axialer Richtung in das Gehäuse (2) eingepreßt wird.