DE3312944C2 - - Google Patents
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19833312944 DE3312944A1 (de) | 1983-04-11 | 1983-04-11 | Spannungsentlastetes metalltraegergehaeuse fuer abgaskatalysatoren mit hoher thermischer betriebsbelastung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19833312944 DE3312944A1 (de) | 1983-04-11 | 1983-04-11 | Spannungsentlastetes metalltraegergehaeuse fuer abgaskatalysatoren mit hoher thermischer betriebsbelastung |
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DE3312944A1 DE3312944A1 (de) | 1984-10-11 |
DE3312944C2 true DE3312944C2 (de) | 1993-08-19 |
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ID=6195962
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
Country | Link |
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-
1983
- 1983-04-11 DE DE19833312944 patent/DE3312944A1/de active Granted
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Also Published As
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: INTERATOM GMBH, 5060 BERGISCH GLADBACH, DE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMENS AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |