DE3312944C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrischen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.

In der DE-OS 29 24 592 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet, und in Fig. 7 der entsprechenden Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildet. Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die dünnwandigen Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca. 500°C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder minder große Bereiche auf Temperaturen über 900°C erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 300°C noch längere Zeit beibehält und somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert. Die hierdurch bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrix bewirken in der Abkühlungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Trägermatrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechselverformungen schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken der Trägermatrix führen können.

In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in bezug auf die Stabilität und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen von weitaus größerer Bedeutung sind.

Aus der DE-OS 29 24 592 sind Verfahren zum Herstellen einer Trägermatrix bekannt, bei welchen nicht alle Verbindungsstellen zwischen gewellten und glatten Blechbändern fügetechnisch verbunden werden. So kann beispielsweise aus den Fig. 2 und 4 entnommen werden, daß die fügetechnische Verbindung nur in streifenförmigen Bereichen und nicht auf der gesamten axialen Länge vorgenommen werden soll. Aus den Fig. 1 und 3 ergibt sich aber eindeutig, wie es in diesem Zusammenhang zunächst auch sinnvoll ist, daß die streifenförmigen Verbindungen auf beiden Seiten jeder gewellten Blechlage erfolgen sollen. Die in dieser Schrift beschriebenen Maßnahmen werden nicht zur Bewältigung von plastischen Wechselverformungen getroffen, sondern lediglich zur Einsparung von Lot. Dehnungsprobleme werden dabei nicht berücksichtigt.

Auch die DE-OS 23 02 746 betrifft Metallträgerkörper für Katalysatoren und deren Herstellung. Dabei können die einzelnen Lagen der Stahlbleche, aus denen der Metallträgerkörper gewickelt oder geschichtet wird, punktuell miteinander verschweißt oder verlötet werden. In welcher Weise solches punktuelles Verschweißen oder Verlöten geschehen soll, wird nicht ausgeführt, und es wird eine vollständige Verschweißung oder Verlötung der Bleche empfohlen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Metallträgerkörper für einen Abgaskatalysator mit dem oben beschriebenen prinzipiellen Aufbau, welches auch bei hoher thermischer Betriebsbelastung keinen plastischen Wechselverformungen unterworfen ist und die obenerwähnten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Metallträgerkörper für Abgaskatalysatoren nach dem Hauptanspruch angegeben. Danach hat das gewellte Blechband der Trägermatrix wechselseitige, örtliche, mit Abständen angeordnete Verbindungsstellen mit beiden angrenzenden Lagen des glatten Blechbandes, wobei die Verbindung im näheren Bereich einer Verbindungsstelle jedoch jeweils nur einseitig mit einer der beiden Lagen besteht. Auf diese Weise ermöglichen die Abstände zwischen den fügetechnischen Verbindungsstellen thermische Dehnungen der Trägermatrix ohne plastische Wechselverformungen. Es hat sich gezeigt, daß bei der fügetechnischen Verbindung aller Berührungsstellen des glatten und gewellten Blechbandes ein sehr steifes Gebilde entsteht, welches bei thermischen und mechanischen Wechselbelastungen wegen der Dehnungsbehinderung durch das Mantelrohr plastischen Wechselverformungen unterworfen ist, die zu Schäden durch Rißbildung an den Wänden der Zellen der Trägermatrix führen. Erfindungsgemäß werden die Berührungsstellen nur teilweise fügetechnisch verbunden, so daß bis zur nächsten Verbindungsstelle ein größerer Abstand entsteht, welcher zudem noch aus einem gewellten oder gebogenen Blechbandstreifen besteht. Auf diese Weise ist es, wie anhand der Zeichnung noch ausführlicher erklärt wird, möglich, bei thermischen und mechanischen Wechselbeanspruchungen statt plastischer Verformungen nur noch elastische zu erzielen. Beim Abkühlen, d. h. beim Schrumpfen der Trägermatrix heben sich die fügetechnisch nicht verbundenen Berührungspunkte der Zellenstruktur voneinander etwas ab und vermeiden so starke Zugkräfte in den Zellenwänden und ihren Verbindungsstellen.

In Ausgestaltung sind zwischen den wechselseitigen Verbindungsstellen des gewellten Blechbandes Abschnitte mit nicht verbundenen Berührungspunkten zu beiden angrenzenden Lagen des glatten Blechbandes vorhanden. Abgesehen von einigen Randzellen, bei denen sich diese Bedingungen vielleicht nicht erfüllen lassen, bewirkt diese Maßnahme, daß keine Wand einer Matrixzelle sowohl an dem sie außen umgebenden wie auch an dem innenliegenden Blechstreifen befestigt ist. Der Bewegungsspielraum bei thermischen oder mechanischen Belastungen und z. B. lokalen Temperaturgradienten wird dadurch erheblich vergrößert. Die nicht fügetechnisch verbundenen Abschnitte des gewellten Blechbandes verhalten sich etwa wie Faltenbalgkompensatoren, d. h. sie verformen sich nicht plastisch, sondern elastisch.

In weiterer Ausgestaltung erstrecken die Verbindungsstellen zwischen gewelltem und glattem Blechband sich über die gesamte axiale Länge jeweils einer oder mehrerer benachbarter Wellen. Dies ist eine von mehreren Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung, wie zu einem stabilen, aber beim Schrumpfen doch elastischen Matrixkörper führt.

Alternativ dazu erstrecken die Verbindungsstellen zwischen gewelltem und glattem Blechband sich nur über Teilstücke der axialen Länge jeweils einer oder mehrerer benachbarter Wellen. Eine so hergestellte Trägermatrix weist immer noch genügend Festigkeit auf für die vorgesehenen Beanspruchungen, und es wird auf diese Weise möglich, auch in axialer Richtung alternierende Befestigungen vorzunehmen.

In zusätzlicher Ausgestaltung sind die Verbindungsstellen-Teilstücke in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen und hinteren stirnseitigen Bereich der Trägermatrix angeordnet. Bei dieser Anordnung weisen die am stärksten belasteten Bereiche stabile Verbindungen auf, während der Zwischenbereich zusätzlich zur elastischen Aufnahme von Wechselverformungen dienen kann.

In spezieller Ausgestaltung sind die Verbindungsstellen-Teilstücke zwischen vorderem und hinterem stirnseitigen Bereich der Trägermatrix seitenvertauscht zum gewellten Blechband angeordnet. Diese anhand der Zeichnung noch näher erläuterte Ausführungsform bedeutet, daß beispielsweise Wellen, welche im vorderen Bereich mit dem außenliegenden glatten Blechband fügetechnisch verbunden sind, im hinteren Bereich nicht mit dem äußeren Blechband verbunden sind, sondern die benachbarten jeweils umgekehrt gewölbten Wellen auf der Innenseite mit dem glatten Blechband verbunden sind. Diese Anordnung führt dazu, daß der Metallträgerkörper eine besondere Elastizität sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung aufweist.

In besonderer Ausgestaltung sind die Verbindungsstellen-Teilstücke in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen stirnseitigen Bereich der Trägermatrix in allen äußeren und im hinteren Bereich an allen inneren Berührungsstellen der Wellen des gewellten Blechbandes mit den jeweils angrenzenden Lagen des glatten Blechbandes angeordnet. Diese anhand der Fig. 5 schematisch erläuterte Ausführungsform ist verhältnismäßig einfach herzustellen und weist ebenfalls sehr günstige Elastizitätseigenschaften auf.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind anhand von einigen schematischen Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil von zwei Lagen einer erfindungsgemäßen Trägermatrix in maximalem Ausdehnungszustand,

Fig. 2 den gleichen Ausschnitt bei maximaler Abkühlung,

Fig. 3 schematisch die Anordnungen von fügetechnischen Verbindungsstellen an einem noch nicht aufgerolltem Blechbandstück,

Fig. 4 schematisch die alternierende Anordnung von fügetechnischen Verbindungsstellen, projiziert auf einen Abschnitt eines noch nicht aufgerollten glatten Blechbandes und

Fig. 5 eine Art schematisierten Längsschnitt durch zwei Lagen einer erfindungsgemäß aufgebauten Trägermatrix in abgekühltem Zustand.

In Fig. 1 sind schematisch zwei Lagen eines vom Prinzip her bekannten Katalysator-Trägerkörpers, welche abwechselnd aus gewellten und glatten Blechbändern gewickelt sind, dargestellt. Der Ausschnitt zeigt drei Abschnitte des glatten Blechbandes 1 und zwei dazwischen liegende Abschnitte des gewellten Blechbandes 2. Die so aufgewickelten Blechbänder bilden eine Trägermatrix mit einer Vielzahl von in Längsrichtung offenen Zellen 10, durch welche die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine hindurchgeleitet werden können. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung eines solchen Metallträgerkörpers für einen Abgaskatalysator sind nicht alle Berührungsstellen zwischen gewelltem 2 und glattem 1 Blechband fügetechnisch verbunden, sondern nur eine geringe Anzahl in einem ungefähr gleichbleibenden Abstand zueinander. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind einige der Wellen jedes gewellten Blechbandes 2 mit der außenliegenden Lage des glatten Bandes 1, z. B. durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden 3 und andere mit der innenliegenden Lage des glatten Blechbandes 1 an den Verbindungsstellen 4. Zwischen diesen Verbindungsstellen liegen jeweils einige fügetechnisch nicht miteinander verbundene Berührungsstellen. Die Wirkung dieser Art der fügetechnischen Verbindung für den kalten Zustand des Metallträgerkörpers ist in Fig. 2 dargestellt. Dort ist zu erkennen, daß beim thermischen Schrumpfen der Trägermatrix durch Abkühlung nun nicht mehr wie bei einer vollständig untereinander verbundenen Zellenstruktur die relativ kurzen und dadurch steifen Stegwände der einzelnen Zellen 10 unter plastische Zugverformung geraten können, weil die Schrumpfungen durch elastische Verformung des gewellten Blechbandes 2, ähnlich der eines Faltenbalges, aufgenommen werden. Dabei entstehen natürlich kleine Spalte 5 an einigen Stellen zwischen glatten 1 und gewellten 2 Blechband, die eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche bewirken und durch die gleichzeitig durch die Spalte entstehende, verwirbelnde Querströmung die Oberflächenkontaktierung des Abgases und somit den Wirkungsgrad sowie das Anspringverhalten eines Abgaskatalysators im kalten Zustand verbessern. Rißbildungen in den Wänden der Zellen 10 durch übermäßige Wechselbeanspruchung werden auf diese Weise vermieden. Je nach Bedürfnissen an die Stabilität können natürlich ohne Beeinträchtigung des erfindungsgemäßen Prinzips mehrere Wellen hintereinander an der Außenseite und mehrere Wellen hintereinander an der Innenseite des gewickelten gewellten Blechbandes 2 fügetechnisch befestigt sein, wenn zwischen den Verbindungsstellen genügend nicht verbundene Wellen zur elastischen Dehnungsaufnahme vorhanden sind. Es sollte lediglich vermieden werden, daß eine Zelle 10 sowohl an dem außen- wie auch an dem innenliegenden glatten Blechband 1 gleichzeitig befestigt ist, da dann die Zellenwand bei wechselnder Belastung plastisch verformt wird. Auch ist es nicht erforderlich, daß der ganze Wellenkamm einer Welle über die gesamte Länge der Trägermatrix mit dem angrenzenden glatten Blechband 1 fügetechnisch verbunden ist. Hier können Unterbrechungen in der Verbindung vorgesehen sein, oder es kann nach einem bestimmten Längenteilstück die fügetechnische Verbindung musterartig auf einem der benachbarten Wellenkämme fortgesetzt werden.

In Fig. 3 wird schematisch anhand eines noch nicht aufgerollten, gewellten Blechbandes 2 gezeigt, welche Möglichkeiten der Auswahl der fügetechnischen Befestigungspunkte noch bestehen. Es ist dies nur eines von vielen möglichen Beispielen und soll nur zur Veranschaulichung der Möglichkeiten dienen. Bei einer fügetechnischen Verbindung nach dem in Fig. 3 veranschaulichten Prinzip können spätere Wechseldehnungen sowohl durch radiale wie auch durch axiale elastische Verformungen in der Trägermatrix aufgenommen werden. In Fig. 3 sind sowohl in radialer Richtung des später aufgewickelt zu denkenden Metallträgerkörpers die Verbindungspunkte 6 und 7 bzw. 8 und 9 alternierend angeordnet, als auch die Verbindungen in Längsrichtung. Natürlich könnten die Verbindungsstellen sich jeweils über einige benachbarte Wellenkämme erstrecken, und auch die Abmessung in Längsrichtung kann größer sein als dargestellt.

In Fig. 4 ist ein noch nicht aufgerolltes, glattes Blechband 1 dargestellt, auf den die später beim Aufwickeln vorgesehenen fügetechnischen Verbindungsstellen mit den benachbarten, gewellten Blechbändern 2 projiziert sind. Auch diese Figur stellt lediglich eins von vielen Ausführungsbeispielen für eine in Quer- und/oder Längsrichtung alternierende Anordnung der Verbindungsstellen dar. Die vorgesehenen Verbindungsstellen können jeweils einen oder mehrere nebeneinanderliegende Wellenkämme der später benachbarten gewellten Blechbänder 2 erfassen. An der Oberseite des glatten Blechbandes 1 sind die Verbindungsstellen 11 und 13 vorgesehen, während an der Unterseite - gestrichelt angedeutet - die Verbindungsstellen 12 und 14 angeordnet sind.

Ein dem Anspruch 7 entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei lediglich eine Art Längsschnitt durch zwei Lagen einer Trägermatrix schematisch das Funktionsprinzip darstellen soll. Der Schnitt geht dreimal durch das glatte Blechband 1 und zweimal durch das gewellte Blechband 2. An der einen Stirnseite ist das gewellte Blechband 2 jeweils mit dem innenliegenden glatten Blechband 1 fügetechnisch verbunden 15, und an der anderen Stirnseite ist die fügetechnische Verbindung 16 zu dem jeweils außenliegenden glatten Blechband 1 hergestellt. Fig. 5 zeigt dabei in übertriebener Darstellung den Zustand bei kalter Trägermatrix, in welchem durch Schrumpfen kleine Spalte in den nicht fügetechnisch verbundenen Bereichen entstehen. Die Verformung wird auf dem großen Abstand zwischen den fügetechnischen Verbindungsstellen durch elastische Biegung der glatten 1 und der gewellten 2 Blechbänder abgefangen. Bei dieser Anordnung weist der Trägerkörper zwar eine große Elastizität auf, jedoch können keine unerwünschten Entweichpfade für das Abgas entstehen, da jede Trägermatrixzelle zumindest an einem Ende fügetechnisch verbunden ist. Darüber hinaus sind bei Betriebstemperatur normalerweise alle Dehnungsabstände geschlossen.

Claims (7)

1. Metallträgerkörper für einen Abgaskatalysator, bestehend aus spiralförmig aufgewickelten, abwechselnd geschichteten glatten (1) und gewellten (2) Blechbändern, die in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigt sind, wobei eine Trägermatrix mit einer großen Anzahl von in Längsrichtung offenen Zellen (10) gebildet ist und wobei das gewellte Blechband (2) wechselseitige, örtliche, mit gegenseitigen Abständen angeordnete Verbindungsstellen (3, 4) mit beiden angrenzenden Lagen des glatten Blechbandes (1) hat, dadurch gekennzeichnet, daß im näheren Bereich jeder Verbindungsstelle (3, 4) jeweils nur einseitig eine Verbindung mit einer der beiden Lagen des glatten Bleches (1) besteht.

2. Metallträgerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den wechselseitigen Verbindungsstellen (3, 4) des gewellten Blechbandes (2) Abschnitte mit nicht verbundenen Berührungspunkten zu beiden angrenzenden Blechlagen (1) vorhanden sind.

3. Metallträgerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (3, 4) zwischen gewelltem (2) und glattem (1) Blechband sich jeweils über die gesamte axiale Länge einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken.

4. Metallträgerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (6, 7, 8, 9 bzw. 11, 12, 13, 14) zwischen gewelltem (2) und glattem (1) Blechband sich nur über jeweils Teilstücke der axialen Länge einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken.

5. Metallträgerkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (6, 7, 8, 9 bzw. 11, 12, 13, 14) in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen und hinteren stirnseitigen Bereich der Trägermatrix angeordnet sind.

6. Metallträgerkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (11, 12 bzw. 13, 14) zwischen vorderem und hinterem stirnseitigen Bereich der Trägermatrix seitenvertauscht zum gewellten Blechband (2) angeordnet sind.

7. Metallträgerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (15, 16) in dem in Axialrichtung gesehen vorderen stirnseitigen Bereich der Trägermatrix an allen äußeren (16) und im hinteren Bereich an allen inneren (15) Berührungsstellen der Wellen des gewellten Blechbandes (2) mit den jeweils angrenzenden Lagen des glatten Blechbandes (1) der Wicklung angeordnet sind.