DE3626729A1 - Abgasreinigungsvorrichtung fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvor­ richtung für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem in einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitigen, konischen Abgaszu- und -abführstutzen angeordneten, wabenförmig strukturierten Keramkkörper, wobei dem Außengehäuse und dem Keramikkörper eine thermisch isolierende Federmatte zwischengeordnet ist, die im Bereich der Abgaszu- und -abführstutzen sowie jeweils zwischen hintereinanderlie­ genden Keramikkörpern von hochtemperaturfesten Abschirm­ trichtern bzw. Stützringen überdeckt ist.

Derartige Abgasreinigungsvorrichtungen benötigt man - unterschieden jeweils nur durch die Art der kataly­ tisch wirksamen Oberflächenbeschichtung der monolithi­ schen Keramikkörper - sowohl für dieselgetriebene Kraft­ fahrzeuge, bei denen es vornehmlich um die Rußnachver­ brennung geht, als auch zur Entgiftung der Abgase von Ben­ zinmotoren. Ein besonders wesentliches Problem in allen Fällen ist dabei die dauerhafte sichere stoßgedämpfte Lagerung des sehr bruchempfindlichen Keramikkörpers im metallischen Außengehäuse, wobei dieses Problem noch da­ durch erschwert wird, daß das Metallgehäuse sich im Gegen­ satz zum Keramikkörper selbst sehr viel stärker ausdehnt. Dies wiederum stellt in Verbindung mit enormen Temperatur­ unterschieden von Hunderten von Grad Celsius erhebliche Anforderungen an die zur Lagerung des Keramikkörpers die­ nende Federmatte.

Besonders günstige Eigenschaften ergeben sich bei Verwen­ dung sogenannter Quellmatten, das sind Matten auf Mineral­ faserbasis, die sich bei Temperaturerhöhung sehr stark aufblähen, da auf diese Weise die vorstehend beschriebenen starken thermischen Ausdehnungsunterschiede besonders günstig abgefangen werden können. Ein Nachteil derartiger Quellmatten, wie überhaupt der für solche Fälle bevorzugt eingesetzten Matten auf Aluminium-Silikatfaserbasis, be­ steht aber darin, daß sie durch die pulsierenden Abgas­ ströme sehr leicht ausgeblasen werden.

Um dies zu verhindern, ist bei bekannten Abgasreinigungs­ vorrichtungen (man vgl. beispielsweise die älteren Patent­ anmeldungen P 35 09 790.6 und P 35 31 807.4) bereits vor­ geschlagen worden, die metallischen Abschirmtrichter und die Stützringe jeweils in Abstand von den Keramikkörpern enden zu lassen, damit diese durch thermische Längenände­ rungen der Abschirmkörper nicht beschädigt werden können und ggf. den Spalt zwischen den Abschirmtrichtern und den Keramikkörpern durch eine Metallfolie überdecken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Abschirmvorrichtungen dahingehend weiter­ zubilden, daß sie bei noch einfacherem Aufbau eine noch sicherere Abschirmung der Federmatte gegen die pulsierten Abgasströme erzielen und darüber hinaus eine höhere Stand­ festigkeit gegenüber den korrodierenden Bestandteilen des Abgases besitzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest die Abschirmtrichter aus keramischem Werkstoff bestehen und mit ihren Stirnseiten unmittelbar am Keramik­ körper anliegen.

Durch die Ausbildung der Abschirmtrichter aus keramischem Werkstoff anstelle der bisher generell üblichen Verwendung von Metalltrichtern ergeben sich bei allen Teilen, die innerhalb des Außengehäuses liegen, keine unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, da die Abschirmungen die gleichen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die mono­ lithischen Keramikkörper mit ihrer katalytischen Oberflä­ chenbeschichtung. Dies gestattet es besonders einfach, die Abschirmtrichter unmittelbar an den Keramikkörpern anstoßen zu lassen, da keine radialen Dehnungsunterschiede und damit Verspannungen und daraus resultierend Beschädigungen auftre­ ten können.

Mit ganz besonderem Vorteil sollen dabei die Abschirmtrich­ ter an den äußeren Enden frei im Außengehäuse im Strömungs­ schatten des Außengehäuses bzw. der Anschlußrohre liegen, wobei durch Ausbildung der Federmatte als Quellmatte auch bei dieser außen freien schwimmenden Lagerung der Abschirm­ trichter eine zuverlässige Halterung für sie erreicht werden kann.

Bei der bevorzugten Ausbildung auch der Stützringe aus ke­ ramischem Werkstoff sollen auch diese unmittelbar an den benachbarten Keramikkörpern anliegen. Dieser Aufbau mit an­ einanderstoßenden Bauteilen vereinfacht ersichtlich den Auf­ bau der Abgasreinigungsvorrichtung ganz erheblich, da auf diese Weise beim Einlegen der Teile in die Schalen des Außen­ gehäuses keine besondere Vorsicht und keine besonderen Si­ cherungsvorkehrungen getroffen werden müssen, um die bislang geforderten Abstände zwischen den Abschirmkörpern und den keramischen Monolithen sicherzustellen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der Abschirmtrichter und ggf. der Stützringe aus keramischem Werkstoff besteht darin, daß auch diese Keramikabschirmkörper, insbesondere aber wenigstens der Eingangs-Abschirmtrichter, mit einer katalytischen Beschichtung versehen sein können, wodurch die Umsetzung der unerwünschten Schadstoffe im Abgas noch weiter verbessert werden kann.

Neben einem einfachen stumpfen Anstoßen der Abschirmtrich­ ter an die Keramikkörper kann auch vorgesehen sein, daß die Abschirmtrichter an ihren Stoßkanten abgesetzt sind und den jeweiligen Keramikkörper teilweise umgreifen.

Die Wandstärke der keramischen Abschirmkörper liegt vorzugs­ weise zwischen etwa 2 und 6 mm, je nach Art des verwendeten keramischen Werkstoffs.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zum Zwecke einer gleichmäßigen stirnseitigen Beaufschlagung des Kera­ mikkörpers mit Abgas der Eingangsabschirmtrichter entweder als Exponentialtrichter ausgebildet und/oder mit inneren Strömungsleitkörpern versehen sein. Eine derartige spezi­ elle Formgebung bzw. das Vorsehen von Strömungsleitkörpern soll der mißlichen Tatsache entgegenwirken, daß die An­ strömung der gegenüber den dünnen Abgasrohren im Quer­ schnitt sehr viel größeren Keramikkörper - noch dazu, wenn die Keramikkörper keinen runden, sondern ovalen Querschnitt aufweisen - außerordentlich ungleichmäßig ist, so daß ein Großteil der außenliegenden Kanäle der Monolithen überhaupt nicht sinnvoll ausgenutzt werden können.

Dem läßt sich erfindungsgemäß dadurch sehr einfach abhelfen, daß die Strömungsleitkörper eine Mehrzahl von Leitwänden aufweisen, die in der Ein- und Austrittsstirnfläche des jeweiligen Abschirmtrichters dessen Querschnittsänderung entsprechend sich ändernde Ausschnitte umgrenzen. Durch diese Zwangsführung des Abgases erhält man eine wesentlich gleich­ mäßigere Beaufschlagung der Stirnfläche des Keramikkörpers und damit eine wesentlich gleichmäßigere Ausnutzung der in ihm vorhandenen Kanäle mit katalytisch beschichteten Innen­ wänden, wobei durch Vorsehen einer entsprechenden Vielzahl von Leitwänden und damit eine entsprechend feinere Unter­ teilung der Eintrittsstirnfläche des Abschirmtrichters die Gleichmäßigkeit der Beaufschlagung der einzelnen Abschnitte des Keramikkörpers entsprechend erhöht werden kann.

Obgleich die Ausbildung des Eingangsabschirmtrichters als Exponentialtrichter, bzw. das Vorsehen von Strömungsleit­ körpern auch bei metallischen Abschirmtrichtern möglich sind, eignen sich doch keramische Abschirmtrichter ganz be­ sonders für derartige Formgebungen und Einsätze, da diese sehr einfach als einstückige Bauteile im Wege des Form­ pressens oder -gießens hergestellt werden können und dabei auch sehr günstige Formen für die Leitwände gestatten, die ja in den bereits angesprochenen Fällen, bei denen Keramik­ körper und damit auch der Mittelabschnitt des Außengehäuses ovalen Querschnitt aufweisen, einen Übergang von einem kreisförmigen Eingangsquerschnitt des Abschirmtrichters zur vergrößerten ovalen Innenöffnung bewirken müssen.

Weitere Vorteile, Merkmale undEinzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnitte Seitenansicht einer erfin­ dungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung mit zwei hintereinander angeordneten monolithischen Keramik­ körpern,

Fig. 2 eine um 90° versetzte, wiederum teilweise geschnittene Seitenansicht der mit ovalen Keramikkörpern versehenen Abgasreinigungsvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Eingangsabschnitt einer ab­ gewandelten Abgasreinigungsvorrichtung mit Strömungs­ leitkörpern im Eingangs-Abschirmtrichter,

Fig. 5 eine Stirnansicht des keramischen Abschirmtrichters in Fig. 4 in Richtung des Pfeils V und

Fig. 6 eine Stirnansicht eines abgewandelten Abschirm­ trichters mit geänderter Struktur der Leitwände.

Im querschnittlich ovalen zylindrischen Mittelteil des me­ tallischen Außengehäuses 1 sind mit Hilfe einer wabenförmig strukturierten und ggf. mit einer katalytisch wirksamen Oberflächenbeschichtung versehene Keramikkörper 3 u. 3′ gelagert. Die konischen Abgaszuführstutzen 4 und -auslaß­ stutzen 5 sind durch innere Abschirmtrichter 6 u. 7 über­ deckt, deren jeweils innere Stirnkanten 8 bzw. 9 unmittelbar an den Keramikkörpern 3 bzw. 3′ anstoßen. In entsprechender Weise stößt auch der zwischen den Keramikkörpern 3, 3′ lie­ gende Stützring 10 mit seinen Stirnflächen an beiden Keramik­ körpern an.

Zum Ausgleich der Dehnungsunterschiede zwischen dem Außen­ gehäuse 1 und den keramischen Innenteilen ist wenigstens auf einer Seite, bevorzugt an der Eingangsseite, der Ab­ schirmtrichter 6 so ausgebildet und angeordnet, daß er frei im Außengehäuse endet. Dabei soll die frei endende Stirn­ fläche 10 möglichst im Strömungsschatten des Außengehäuses bzw. des Eingangsrohrs 11 liegen, so daß das Abgas nicht hinter den Abschirmtrichter 6 gelangt und damit die der Lagerung der Abschirmtrichter 6 u. 7 dienende Quellmatte 2 nicht ausblasen kann.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 u. 2 ist der Abgaszuführstutzen 4 und dementsprechend auch der im wesentlichen gleich geformte Abschirmtrichter 6 nicht einfach kegelig ausgebildet, sondern als Exponentialtrichter ausgebildet, um eine gleichmäßigere Beaufschlagung der Stirnfläche 12 und damit eine gleichmäßigere Ausnutzung der Keramikkörper 3 u. 3′ sicherzustellen. Dies gilt insbesonde­ re, nachdem ja nicht nur ein Übergang von dem kleineren Querschnitt des Abgaszuführrohrs 11 auf den größeren Quer­ schnitt des Keramikkörpers 3 notwendig ist, sondern dabei ja auch noch eine Querschnittsformänderung von einem kreis­ runden Querschnitt zu einem ovalen Querschnitt stattfindet. Um die Gleichmäßigkeit der Beaufschlagung des eingangssei­ tigen Keramikkörpers 3 zu erhöhen, - beim zweiten Keramikkörper 3′ er­ folgt ja die Beaufschlagung im wesentlichen so wie die des ersten, da sich die Gasströmungen ja beim Durchsetzen des ersten Keramikkörpers 3 nicht ändern - können, was in den Fig. 4-6 dargestellt ist, zusätzliche Strömungsleitkör­ per vorgesehen sein, die in den dargestellten Ausführungs­ beispielen einstückige Teile der Eingangs-Abschirmtrichter 6 sind. In Fig. 5 erkennt man, wie die kreisförmige Eingangs­ stirnfläche 13 des Abschirmtrichters 6 durch zwei Leitwän­ de 14 u. 15 in drei Abschnitte 16, 17 u. 18 unterteilt ist, wobei diese drei Abschnitte in entsprechende Abschnitte 16′, 17′ u. 18′ am ovalen Austrittsende 8 des Abschirmtrichters 6 projiziert sind. Der in den einzelnen Abschnitten 16-18 ankommende Gasstrom wird - was er ohne die Leitwände 14 u. 15 nie tun würde - ebenso im Drittelverhältnis an die Bereiche 16′-18′ am inneren Ende des Abschirmtrichters 6 abgegeben. Die Fig. 6 zeigt einen abgewandelten Abschirmtrichter mit einer anderen Anordnung, wobei eine feinere Unterteilung der Eintrittsstirnfläche in fünf Abschnitte durch die Leitflächen vorgesehen ist, demzufolge auch eine noch gleichmäßigere Be­ aufschlagung des Keramikkörpers 3 erzielt werden kann. Während der Abschirmtrichter 6 mit seiner inneren Stirnkante 8 un­ mittelbar am Keramikkörper 3 anliegt, sollen die Leitwände (wie man dies in Fig. 4 anhand der Leitwand 15 erkennen kann) mit ihren inneren Stirnkanten etwas zurückgesetzt ausgebildet sein. Neben dem stumpfen Anstoßen der Innenkanten der Ab­ schirmtrichter 6 (Fig. 1 u. 2) kann auch eine in Fig. 4 ge­ zeigte Anlage des Abschirmtrichters 6 am Keramikkörper 3 ge­ wählt werden, bei welchem das vordere Ende des in seinem Durchmesser etwas vergrößerten Abschirmtrichters 6 abgesetzt ist, so daß es den Keramikkörper 3 auch noch etwas umgreift.

Claims (9)

1. Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem in einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitigen, konischen Abgaszu- und -abführ­ stutzen angeordneten, wabenförmig strukturierten Ke­ ramikkörper, wobei dem Außengehäuse und dem Keramik­ körper eine thermisch isolierende Federmatte zwischen­ geordnet ist, die im Bereich der Abgaszu- und -abführ­ stutzen, sowie jeweils zwischen hintereinanderliegen­ den Keramikkörpern von hochtemperaturfesten Abschirm­ trichtern bzw. Stützringen überdeckt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest die Abschirmtrichter (6, 7) aus keramischem Werkstoff bestehen und mit ihren Stirnseiten unmittelbar am Keramikkörper (3, 3′) anlie­ gen.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschirmtrichter (6, 7) an den äußeren Enden frei im Außengehäuse (1) im Strömungs­ schatten des Außengehäuses bzw. der Anschlußrohre (11) liegen und daß die Federmatte (2) eine Quellmatte ist.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stützringe (10) ebenfalls aus keramischem Werkstoff bestehend an ihren benachbar­ ten Keramikkörpern 3, 3′ anliegen.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Keramikabschirmkörper, insbes. der Eingangs-Ab­ schirmtrichter (6) mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmtrich­ ter (6, 7) an ihren Stoßkanten abgesetzt sind und den jeweiligen Keramikkörper (3, 3′) teilweise umgreifen.

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikab­ schirmkörper (6, 7, 10) eine Wandstärke zwischen zwei und sechs mm aufweisen.

7. Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs-Abschirmtrichter (6) zum Zwecke einer gleichmäßigen stirnseitigen Beaufschlagung des Kera­ mikkörpers (3) mit Abgas als Exponentialtrichter aus­ gebildet und/oder mit inneren Strömungsleitkörpern versehen ist.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitkörper eine Mehr­ zahl von Leitwänden (14, 15) aufweist, die in den Ein- und Austrittsstirnflächen des Abschirmtrichters (6) dessen Querschnittsänderung entsprechend sich ändernde Ausschnitte (16, 17, 18) umgrenzen.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelab­ schnitt des Außengehäuses (1) und die Keramikkörper (3, 3′) ovalen Querschnitt aufweisen und daß die Abgas­ zu- und -abführstutzen (11) und die Abschirmtrichter (6, 7) einen sich von einer kreisförmigen Eingangs­ öffnung zur vergrößerten ovalen Innenöffnung ändernden Querschnitt aufweisen.