DE2310207B1 - Auspuffanlage,insbesondere fuer Kraftfahrzeuge,mit einem als Katalysatortraeger dienendem,in einem metallischen Gehaeuse gelagerten keramischen Monolithen - Google Patents

Description

• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Auspuffanlage mit einem als Katalysatorträger dienendem, in einem metallischen Gehäuse gelagerten keramischen Monolithen. der in einem doppelwandigen Mantel, und zwar nur radial gelagert ist, dessen folienartige Innenwandung den Monolithen eng umschließt und mit der das alleinige Stützteil darstellenden Außenwand an den Enden gasdicht verbunden ist und dessen Innenraum mit Druckgas beaufschlagt ist.
• Mit dieser Lagerung wird erreicht, daß die innere, dünne. folienartige Wand den eingebrachten Monolithen im Bereich seiner gesamten Mantelfläche fest umschließt. Damit ist der Monolith einwandfrei im Sinn der aufgezeigten Probleme und unter Überwindung derselben gelagert, wobei es einer Abstützung in axialer Richtung nicht bedarf. Der auf die Mantelfläche des Monolithen wirkende, ringsum gleichmäßige Druck kann mit den bisher für die vorliegenden Zwecke verwendeten und bekannten Federelementen niemals erreicht werden. Bei Erwärmung des Monolithen und seines Gehäuses dehnt sich auch das in dem den Monolithen umgebenden Druckbehälter befindliche Gas aus.
• Der Anpreßdruck auf den Monolithen wird also vergrößert, so daß die durch die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegebenen Unterschiede von Monolith und Gehäuse ausgeglichen werden. Die Lagerung des Monolithen weist also eine parallel zur Temperaturerhöhung verlaufende Progressivität auf und verhält sich damit genau umgekehrt wie alle anderen bisher angewendeten mechanischen Lagerungen.
• Zwischen Außenwand und folienartiger Innenwand kann noch eine mit Perforationen versehene Zwischenwand angeordnet sein, die mit jenen Wänden an den Enden ebenfalls gasdicht verbunden ist.
• Gegebenenfalls kann zusätzlich auf der Manteloberfläche des Monolithen eine Schicht aus Mineralfaservlies bzw. -gewebe, gegebenenfalls in Verbindung mit einem hochwarmfesten Zement angebracht sein.
• Bei Anordnung mehrerer axial ausgerichteter Monolithen kann die folienartige Innenwand zwischen diesen nach innen gerichtete umlaufende Sicken aufweisen.
• Die Enden des Gehäusemantels sind vorzugsweise und in an sich bekannter Weise durch kegelstumpfförmige Anschlußstücke mit der Zu- und/oder Ableitung lösbar verbunden. Hierzu kann z. B. eine Flanschverbindung oder auch eine Schnappverschlußverbindung vorgesehen sein.
• Die der Manteloberfläche des Monolithen zugerichteten Oberfläche der folienartigen Innenwand kann geriffelt sein.
• Die gebildete Druckkammer kann an einen Vorratsbehälter angeschlossen sein, wobei in der Verbindungsleitung ein Druckminderventil, ein Rückschlagventil und ein Manometer vorgesehen sind.
• Des weiteren kann der Vorratsbehälter seinerseits an einen Kompressor oder eine Luftpumpe angeschlossen sein. Der Vorratsbehälter kann auch durch das Reserverad des Fahrzeugs gebildet werden oder eine austauschbare Druckluftflasche sein.
• Schließlich ist es möglich, die Druckkammer über eine entsprechend gestaltete Hydraulik-Pneumatik-Einrichtung an eine Hydraulikpumpe anzuschließen.
• Weitere Merkmale der Erfindung und die durch sie erzielbaren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstands. Dabei zeigt F i g. 1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen, jeweils im Längsschnitt, und F i g. 5 bis 10 verschiedene Möglichkeiten von Versorgungsanlagen.
• Bei der Ausführungsform nach F i g. ist ein Gehäusemantei 1 mit einem Stützmantel 2 und einem Mantel aus dünnem folienartigem Blech bei 4 und 5, z. B. durch Schweißung, gasdicht verbunden. Im Folienmantel 3 ist der keramische Monolith 6 allein gelagert. Der Gehäusemantel 1 setzt sich in an sich bekannter Weise in zwei kegelstumpfförmige Bereiche 7 und 8 fort, die den Übergang zu den Leitungen 9 und 10 der Auspuffanlage bilden.
• Der Mantel 2 ist mit Perforationen 11 versehen, über die er mit der durch den Außenmantel 1 gebildeten Kammer 12 in Verbindung steht. Die Kammer 12 hat einen Anschlußstutzen 13 zur Zuführung eines Druckgases. vorzugsweise Druckluft.
• Der innere Mantel 3 überträgt, wenn die Kammer 12 und damit auch die innere Kammer 14 unter Druck stehen, diese Druckkräfte auf die Mantelfläche des Monolithen 6, was unter allen denkbaren Betriebsbedingungen dessen einwandfreie Lagerung mit sich bringt. Bei der hier gezeigten Ausführungsform übernimmt der äußere Gehäusemantel 1 zwei Funktionen. Er dient zum einen als Reservebehälter für die Druckluft und zum anderen gleichzeitig als Kühlmantel. Es hat sich gezeigt, daß bei dieser speziellen Ausführung bei einer Temperatur von 1000°C im Monolithen die Oberflächentemperatur des durch die Kammer 12 gebildeten äußeren Luftmantels nur noch 280°C betrug, also um ein wesentliches weniger (also etwa 180°C weniger) als bei den üblichen bekannten Lagerungen oder auch der erfindungsgemäß vorgeschlagenen grundsätzlichen Lagerung mit nur zwei Mänteln und demgemäß einer Luftkammer.
• Die Lagerung des Monolithen mittels des inneren Mantels 3 ist so einwandfrei, daß eine axiale Abstützung nicht mehr erforderlich ist. Dies eröffnet Möglichkeiten, den Monolithen austauschbar in das Gehäuse einzubringen, was späterhin noch im einzelnen erläutert werden wird.
• Eine einfache Ausbildungsform zeigt F i g. 2. Hier ist nur ein äußerer Gehäusemantel 15 und ein mit diesem an den Enden gasdicht verschweißter innerer Blechfolienmantel 16 vorgesehen. Die Zuführung in die so gebildete Druckkammer 17 erfolgt durch einen Anschluß 18. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 15 mit zwei Monolithen 19 und 20 bestückt. Um eine einfache Einbringung dieser Monolithen ohne weitere lustiermaßnahmen zu ermöglichen, ist der innere Mantel 16 mit einer Sicke 21 versehen. Es hat sich im übrigen gezeigt, daß auch ohne eine solche Sicke die Monolithen über mehrere hundert Stunden Prüfstandsbelastung keinerlei Lageänderung erfuhren. Diese Sikke dient also ausschließlich der Montageerleichterung.
• Gegebenenfalls kann, wie F i g. 3 zeigt, der Monolith mit einer Mantelschicht umgeben sein, welche zum einen die Wärmeisolierung der Anordnung und zum anderen die Anpassung zwischen Blechfolienmantel und Mantelfläche des Monolithen verbessert. Demgemäß ist hier wiederum durch einen äußeren Gehäusemantel 22 und einen Blechfolienmantel 23 eine Druckkammer 24 mit einem Anschlußstutzen 25 gebildet.
• Zwischen dem Blechfolienmantel 23 und einem eingebrachten Monolithen 26 ist eine Schicht 27, z. B. aus Glasfasergewebe oder auch einer Mischung eines hochwarmfesten Zements, mit einem Mineralfaservlies eingebracht.
• Wie schon erwähnt, ermöglicht die Ersparnis einer Abstützung des Monolithen in Axialrichtung eine einfache Austauschbarkeit, da in Axialrichtung keinerlei Stütz- oder Lagermittel mehr vorgesehen sein müssen.
• Es genügt für die Austauschbarkeit, z. B. wie in F i g. 4 links dargestellt, eine Flanschverbindung 28 zwischen dem Außenmantel 29 des Gehäuses und dem anschlie-Benden kegelstumpfförmigen Übergangsbereich 30 vorzusehen. Eine andere Möglichkeit ist in der F i g. 4 rechts gezeigt. Hier wird die Verbindung zwischen dem Gehäusemantel 29 und dem kegelstumpfförmigen Anschlußstück 31 mittels Schnappverschlüssen 35 hergestellt, wobei seibstverständlich für eine entsprechende Abdichtung Sorge getragen werden muß. Der Gehäusemantel 29 bildet selbstverständlich wiederum mit einem inneren Blechfolienmantel 32 eine über einen Anschluß 33 beaufschlagbare Druckkammer 34.
• Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, Monolithen nach einer bestimmten Nutzungsdauer in einfacher Weise auszutauschen. Da damit zu rechnen ist, daß die Monolithen weitaus schneller als das Gehäuse, das in die Auspuffanlage einbezogen ist, ausgetauscht werden müssen, kommt der Auswechselbarkeit der Monolithen unter Umständen große Bedeutung zu. Es genügt hier einfach, den Druck aus der Kammer 34 abzulassen, das Gehäuse an der Flansch- oder der Schnappverschlußverbindung zu öffnen, den Monolithen aus dem Gehäuse zu entfernen und einen neuen Monolithen einzuschieben. Der dergestalt einfache Austausch der Monolithen ist in jedem Fall wesentlich billiger als der gar nicht notwendige Austausch des gesamten Anlagenteils einschließlich des Gehäuses.
• Der jeweils durch einen äußeren Stützmantel, der zugleich auch der Gehäusemantel sein kann, und dem inneren Mantel aus hochwarmfesten dünnen folienartigen Blech gebildete. als Druckkammer dienende Raum, muß in irgendeiner Weise mit einem Druckgas, vorzugsweise Druckluft, beaufschlagt werden, wobei für die zu wählende Druckluftquelle entscheidend ist, daß ein bestimmter Druck aufgebaut werden muß, daß aber dann keine Luft verbraucht wird, von gegebenenfalls auftretenden geringen Leckverlusten in der Druckluftzuführung oder der Erzeugeranlage selbst abgesehen.
• Im einfachsten Fall ist ein Reservedruckbehälter 40 wie in F i g. 5 dargestellt, vorgesehen, der wie ein Reifen an jeder Tankstelle aufgepumpt werden kann. In der Verbindungsleitung 41 von diesem Reservedruckbehälter zum Gehäuse 42 des Monolithen und der in diesem vorgesehenen Druckkammer ist ein Druckminderventil 43 und ein Rückschlagventil 44 angeordnet. Mit diesen Ventilen wird dafür gesorgt, daß die Druckluftversorgung immer geschlossen und der Monolith durch den in der Druckkammer aufgebauten Luftdruck fest gelagert ist. Ein in der Druckluftversorgung angeordnetes Manometer 45 zeigt den jeweiligen Enddruck an. Bei Erwärmung des Monolithen und da- mit des Gehäuses im Betrieb dehnt sich die in der Druckkammer um den Monolithen befindliche Luft aus.
• so daß hierdurch der Anpreßdruck noch vergrößert wird, was ganz im Sinn der gewünschten und durch die Erfindung erzielten Wirkungsweise liegt.
• Eine besonders wirtschaftliche Lösung der Druckluftversorgung ist in F i g. 6 dargestellt. Hier wird eine im Kraftfahrzeug sowieso eingebaute Luftpumpe 46, die für die Erzeugung der Einblasluft zur Oxydation benötigt wurde, nebenbei zur Erzeugung des für die Lagerung des Monolithen notwendigen Drucks herangezogen. Die verwendeten üblichen Luftpumpen müssen allerdings etwas abgeändert werden, um auch den zur Lagerung des Monolithen notwendigen Druck erzeugen zu können. Dies ist jedoch leicht durch eine zweite Stufe 47 der Pumpe möglich. die ja nur der Druckerzeugung dienen braucht, da in der Druckkammer keine Luft verbraucht wird.
• F i g. 7 zeigt eine Möglichkeit, den Reservedruckbehälter 40 mittels eines kleinen elektrisch angetriebenen Kompressors 48 mit Druckluft zu versorgen. Hier besteht z. B. die Möglichkeit, den Kompressor 48 im Rahmen der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs so zu schalten, daß er bereits in der Stellung des Zündschlüssels »Zündung ein« anläuft und somit der für die Lagerung des Monolithen notwendige Halterungsdruck im Gehäuse 42 bereits erreicht ist, wenn der Motor anschließend angelassen wird und anspringt.
• Eine weiter abgeänderte Versorgung mit Luftdruck ist in F i g. 8 dargestellt. Dies kann z. B. auch mit Hilfe einer käuflichen und auswechselbaren Druckluftflasche 49 erfolgen. Derartige Druckluftflaschen sind überall und jederzeit nach Verbrauch des Inhalts austauschbar.
• Auch die für Kraftfahrzeuge an sich vorhandene hydraulische Pumpe 50 zur Erzeugung eines hydraulischen Drucks kann im vorliegenden Zusammenhang, wie F i g. 9 zeigt, herangezogen werden. Über eine entsprechende Hydraulik-Pneumatik-Einrichtung 51 sorgt der Druck in der hydraulischen Anlage für die Erzeugung eines ausreichenden Drucks in der pneumatischen Anlage zur Lagerung des Monolithen. Es handelt sich hier um die Heranziehung an sich üblicher und bekannter Bauteile, die einer näheren Beschreibung nicht bedürfen.
• Schließlich besteht die Möglichkeit, wie aus F i g. 10 zu entnehmen, einfach als Reserveluftbehälter das von jedem Kraftfahrzeug mitgeführte Reserverad 52 heranzuziehen. Es wäre z. B. möglich, den Reifen als Reserverad auf einen Druck von 2,5 bis 3 Atü aufzupumpen, wobei das Druckminderventil 43 so einzustellen wäre.
• daß bei einem zulässigen Höchstdruck des Reservereifens von 1,6 Atü aus diesem keine Luft mehr entnommen wird, sondern durch eine Anzeige 53 festgestellt wird, daß ein neues Aufpumpen der Anlage notwendig ist.

Claims (13)

1. Patentansprüche: 1. Auspuffanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge. mit einem als Katalysatorträger dienendem, in einem metallischen Gehäuse gelagerten keramischen Monolithen, dadurch gekennzeichn e t, daß der Monolith (6, 11 und 20, 26) in einem doppelwandigen Mantel. und zwar nur radial gelagert ist, dessen folienartige Innenwand (3. 16, 23, 32) den Monolithen eng umschließt und mit der das alleinige Stützteil darstellenden Außenwand (1,15,22, 29) an den Enden gasdicht verbunden ist, und dessen Innenraum (12 und 14, 17. 24, 34) mit Druckgas beaufschlagt ist (F i g. 1, 2, 3,4).
2. 2. Auspuffanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Außenwand (1) und folienartiger Innenwand (3) mit Perforationen versehene Zwischenwand (2) angeordnet ist, die mit jenen Wänden an den Enden ebenfalls gasdicht verbunden ist (Fig. 1).
3. 3. Auspuffanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Manteloberfläche des Monolithen (26) eine Schicht (27) aus Mineralfaservlies bzw. -gewebe, gegebenenfalls in Verbindung mit einem hochwarmfesten Zement, angebracht ist (F i g. 3).
4. 4. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer axial ausgerichteter Monolithen (19, 20) die folienartige Innenwand (16) zwischen diesen nach innen gerichtete umlaufende Sicken aufweist (Fig. 2).
5. 5. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Gehäusemantels (15) in an sich bekannter Weise durch kegelstumpfförmige Anschlußstücke (7, 8) mit der Zu- und/oder Ableitung (9, 10) lösbar verbunden sind.
6. 6. Auspuffanlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Flanschverbindung.
7. 7. Auspuffanlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Schnappverschlußverbindung.
8. 8. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der Manteloberfläche des Monolithen (6, 11. 20, 26) zugerichtete Oberfläche der folienartigen Innenwand (3, 16, 23, 32) geriffelt ist.
9. 9. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (12, 14, 17, 24, 34) an einen Vorratsbehälter (40) angeschlossen ist und daß in deren Verbindungsleitung (41) ein Druckminderventil (431 ein Rückschlagventil (44) und ein Manometer (45) angeordnet sind.
10. 10. Auspuffanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (40) an einen Kompressor (48) oder eine Luftpumpe (46) angeschlossen ist.
11. 11. Auspuffanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter das Reserverad (52) des Fahrzeugs ist.
12. 12. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter eine austauschbare Druckluftflasche (49) ist.
13. 13. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (12, 14, 17, 24, 34) über eine Hydraulik-Pneuma- tik-Einrichtung (51) an eine Hydraulikpumpe (50) angeschlossen ist.

    Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage. insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem als Katalysatorträger dienendem, in einem metallischen Gehäuse gelagerten keramischen Monolithen. Der Katalysator soll zur Nachverbrennung etwa noch in den Motorabgasen mitgeführter brennbarer Bestandteile dienen. Als sehr brauchbare Katalysatorträger haben sich sogenannte Monolithen aus Keramik erwiesen, die mit einer Vielzahl von parallellaufenden Kanälen ausgestattet sind, die lediglich durch dünne Zwischenwände voneinander getrennt sind.

    Diese keramischen Monolithen müssen im Verlauf der Abgasleitung der Auspuffanlage in einem sie gasdicht umgebenden metallischen Gehäuse gelagert werden. Diese Lagerung macht beträchtliche Schwierigkeiten, da der keramische Monolith einen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, der etwa zehn mal kleiner als derjenige von Stahl ist. Es kommt dazu, daß der Temperaturanstieg der Anlage und der Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und der Auspuffanlage im Betrieb sehr groß sind. Des weiteren sind auch Schwingungsbeanspruchungen möglich, die ausgeschaltet werden müssen; insbesondere dürfen keine Resonanzen zwischen dem keramischen Monolithen und dem diesen umgebenden Gehäuse, in welchem er gelagert ist, auftreten.

    Bekannte Ausführungsformen sehen eine Lagerung des Monolithen in radialer Richtung durch zwischen Monolithenoberfläche und Gehäuseinnenfläche eingebrachte Lagerelemente vor, die eine gewellte Form aufweisen und gegebenenfalls auch aus einer gewellten Matte aus Drahtgestrick bestehen. Außerdem wurde schon die Zwischenlagerung eines wärmeisolierenden und stoßdämpfenden Formteils, vorzugsweise aus Asbest, vorgeschlagen. Die Lagerung in Axialrichtung geschieht einfach ohne Berücksichtigung von Ausdehnungsunterschieden in dieser Richtung und ohne Zwischenfügung elastischer Lagerungselemente durch vom Gehäuse nach innen ragende und den Monolithen festlegende Flansche.

    Diese bekannten Lagerungen vermögen zwar wenigstens zum Teil die bestehenden Probleme zu überwinden, sie versagen aber zumindest bei hohen Schwingungsbelastungen und hohen Temperaturunterschieden, was insbesondere dann der Fall sein kann, wenn der Einbau des keramischen Monolithen in Motornähe unmittelbar am Sammelrohr erfolgt. Die Lagerungsmittel verlieren dann schnell ihre Federungskraft und werden schließlich zerstört, was auf Ausglühen und auf Werkstoffveränderungen durch den Warm-Kalt-Effekt zurückzuführen ist. Insbesondere Asbest hat sich dabei als völlig ungeeigneter Lagerungswerkstoff erwiesen.

    Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung für den keramischen Monolithen in dem ihn umgebenden metallischen Gehäuse im Verband der Auspuffanlage zu finden, die eine einwandfreie Lagerung des Monolithen sowohl unter Berücksichtigung der großen Temperaturunterschiede als auch der Vermeidung von Schwingungsübertragungen auf den Monolithen gewährleistet, insbesondere auch bei den zu erwartenden hohen Betriebstemperaturen.