DE3638049A1 - Exhaust gas purification apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrich tung für Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem wabenförmig strukturierten monolithischen Keramikkörper in einem metalli schen Gehäuse mit stirnseitigen Abgaszu- und -abführstutzen und einer zwischen den Keramikkörpern und dem Gehäuse ange ordneten thermisch isolierenden Federmatte, die im Bereich der Abgaszu- und -abführstutzen und der Abstände zwischen den Keramikkörpern durch eine hochtemperaturfeste Abdeckung ge schützt ist.The invention relates to an exhaust gas purification device device for motor vehicles with at least one honeycomb structured monolithic ceramic body in a metalli the housing with exhaust gas inlet and outlet connections on the front and one between the ceramic bodies and the housing arranged thermally insulating spring mat in the area the exhaust gas inlet and outlet connection and the distances between the Ceramic bodies by a high temperature resistant cover protects.
Sie dient der Verminderung der beim Betrieb von Verbrennungs kraftmaschinen abgegebenen gasförmigen Schadstoffanteile und Rußpartikel.It serves to reduce the combustion of the combustion engine released gaseous pollutant and Soot particles.
Vorgeschlagen wurde schon eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei der eine stoßdämpfend sichere Halterung der Keramikmonolithe im metallischen Außengehäuse der Abgasreinigungsvorrichtung mit einer zwischengeordneten Mineralfaserschicht erreicht wird, die aus einem über beide Keramikmonolithe hinweg in die konischen Abgaszu- und -abführungsstutzen hinreichenden und zwei gesonder ten, den Hauptteil der konischen Stutzen auskleidenden Faser mattenabschnitten besteht, die in einem ringförmigen Stirnab schnitt aneinandergrenzen.An exhaust gas purification device has already been proposed which is a shock-absorbing, secure holder for the ceramic monoliths in the metallic outer housing of the exhaust gas purification device an intermediate mineral fiber layer is reached, the from one across both ceramic monoliths into the conical Exhaust gas inlet and outlet connection sufficient and two separately ten, the main part of the conical socket lining fiber mat sections consists of an annular forehead cut together.
Es wurde nun gefunden, daß eine das Betriebsverhalten einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung wesentlich verbessernde Anordnung erfindungsgemäß dadurch erreicht werden kann, daß sich die vorzugsweise aus einer mit Vermiculit durchsetzten Aluminiumsilikatwolle bestehende Federmatte zur stoß- und schalldämpfenden Lagerung der Keramikmonolithe und der wärmeabschirmenden Auskleidungstrichter in den konischen Abgasführungsstutzen durchgehend über die gesamte Länge des metallischen Gehäuses erstreckt.It has now been found that the operating behavior of a such an exhaust gas purification device significantly improving Arrangement according to the invention can be achieved in that which preferably consist of vermiculite Aluminum silicate wool existing spring mat for impact and sound-absorbing mounting of the ceramic monoliths and the heat-shielding lining funnels in the conical Exhaust pipe connection throughout the entire length of the metal housing extends.
Damit wird eine die bruchempfindlichen Keramikmonolithe ein wandfrei sicher halternde und stoßdämpfend im metallischen Außengehäuse lagernde Anordnung erreicht und das tragende Gehäuse optimal vor thermischer Überlastung durch die heißen Abgase geschützt und dabei gleichzeitig die Körper schallabstrahlung der Abgasreinigungseinrichtung wesentlich reduziert.This turns the break-sensitive ceramic monoliths into one Wall-mounted, securely holding and shock-absorbing in metallic Outer housing bearing arrangement reached and the load-bearing Housing optimal against thermal overload due to the protected hot exhaust gases and at the same time the body sound emission of the exhaust gas cleaning device essential reduced.
Zur optimalen Abschirmung der Federmatte vor direkter Ein wirkung der heißen strömenden Abgase sieht die Erfindung weiter vor, die in den Abgaszu- und -abführstutzen angeord neten, aus hoch hitzebeständigem Stahl bestehenden Ausklei dungstrichter im Bereich ihrer äußeren Enden mit dem Gehäuse der Abgasreinigungsvorrichtung zu verschweißen und den Ein bauabstand zwischen den monolithischen Keramikkörpern und den Auskleidungstrichtern so zu bemessen, daß die Auskleidungs trichter im Betriebszustand der Anordnung an den Stirnseiten der Monolithe anliegen und den im Kaltzustand vorhandenen Zwischenraum verschließen, der also gerade dazu ausreicht, daß sich die Metalltrichter entsprechend dem Wärmedehnungs koeffizienten des Werkstoffes, aus dem sie bestehen, im Betriebszustand der Anlage soweit in Achsrichtung zum jeweils angrenzenden Monolithen hin ausdehnen können, daß sie an diesem unter vollständiger Abdichtung des im kalten Zustand der Anlage vorhandenen Einbauspaltes anliegen.For optimal shielding of the spring mat from direct on The invention sees the effect of the hot flowing exhaust gases further ahead, which arranged in the exhaust gas inlet and outlet Neten, made of highly heat-resistant steel manure hopper in the area of their outer ends with the housing to weld the emission control device and the on construction distance between the monolithic ceramic bodies and to measure the lining funnels so that the lining funnel in the operating state of the arrangement on the end faces of the monoliths and the cold ones Close the gap, which is just enough that the metal funnel according to the thermal expansion coefficients of the material from which they are made Operating state of the system so far in the axial direction for each adjacent monoliths can expand to that of this with complete sealing of the cold the existing installation gap.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sollen die monolithischen Keramikkörper mit einem Abstand vorzugs weise 10 bis 40 mm in metallischen Gehäuse angeordnet und die thermisch isolierende Federmatte durch eine aus hoch temperaturbeständigem Werkstoff bestehende Manschette ab geschirmt sein, die mindestens so lang ausgebildet ist, daß sie den freien Raum zwischen den Keramikmonolithen um schließt und deren angrenzende Endbereiche übergreift.In a further advantageous embodiment of the invention the monolithic ceramic body with a distance preferred as 10 to 40 mm arranged in a metallic housing and the thermally insulating spring mat by a from high temperature-resistant material existing cuff be shielded, which is at least as long, that they move around the free space between the ceramic monoliths closes and overlaps their adjacent end areas.
Die Abschirmung der isolierenden Federmatte gegenüber den hindurchströmenden Abgasen kann erfindungsgemäß noch da durch verbessert werden, daß die den Zu- und -abführstutzen benachbarten Endbereiche der Keramikmonolithe von je einer Manschette abgedeckt sind, welche auch die angrenzenden Randbereiche der Auskleidungstrichter umschließt, wobei die Abdeckmanschetten die Keramikmonolithe und die Aus kleidungstrichter vorzugsweise auf einer Länge zwischen 5 und 20 mm übergreifen sollen.The shielding of the insulating spring mat against the Exhaust gases flowing through can still be there according to the invention be improved by that the supply and discharge pipe neighboring end regions of the ceramic monoliths of one each Cuff are covered, which also adjoins Encloses edge areas of the lining funnel, wherein the cover sleeves the ceramic monoliths and the Aus clothes funnel preferably on a length between 5 and 20 mm should overlap.
Es liegt auch im Sinne der Erfindung, statt des oben genann ten Einbaus mehrerer Abdeckmanschetten eine sowohl den freien Raum zwischen den Keramikmonolithen als auch die Einbauspalte zwischen deren äußeren Enden und den Ausklei dungstrichtern der Abgaszu- und -abführstutzen umschließende durchgehende Abdeckmanschette vorzusehen.It is also in the spirit of the invention instead of the above Installation of several cover sleeves, both the free space between the ceramic monoliths as well Installation gaps between their outer ends and the lining dung funnels enclosing the exhaust gas inlet and outlet to provide a continuous cover sleeve.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung soll die durchgehende Abdeckmanschette fensterartige Ausneh mungen aufweisen, in deren Bereich eine direkte Kraftüber tragung der radialen, zur Halterung der Monolithe dienenden Spannkräfte möglich ist. Als optimale Bemessung hat sich dabei erwiesen, wenn sich die fensterartigen Ausnehmungen über mindestens 2/3 der Oberfläche der Keramikmonolithe er strecken. In a particularly advantageous embodiment of the invention is the continuous cover sleeve window-like Ausneh have in their area a direct force transfer support of the radial, used to hold the monoliths Clamping forces is possible. The optimal dimension has been proven here when the window-like recesses over at least 2/3 of the surface of the ceramic monoliths stretch.
Besonders geeignete Werkstoffe für die genannten Abdeckman schetten sind sowohl hitzebeständige Stahlbleche mit einer Stärke von 0,04 bis 0,3 mm, als auch Keramikpapier, Keramik vlies oder Keramikgewebe von vorzugsweise 0,5 bis 2 mm Wand dicke.Particularly suitable materials for the ceilings mentioned Schetten are both heat-resistant steel sheets with a Thickness from 0.04 to 0.3 mm, as well as ceramic paper, ceramic fleece or ceramic fabric, preferably 0.5 to 2 mm wall thickness.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels. Hierbei zeigen:Further advantages, features and details of the invention he give an explanation from the description below example. Here show:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfin dungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung mit in deren oberer und unterer Figurenhälfte unterschiedlichen Längenausdehnungen der Abdeckmanschetten und Fig. 1 is a schematic longitudinal section through an inventive exhaust gas purification device with different lengths of the cover sleeves and in the upper and lower half of the figure
Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1. Fig. 2 shows a section according to line II-II in FIG. 1.
Die einzelnen Teile der Abgasreinigungseinrichtung 1 sind in einem metallischen Gehäuse 2 angeordnet, das aus einem im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt 3 und zwei daran anschließenden sich konisch nach außen verjüngenden Abgaszug- und -abführstutzen 4, 5 besteht. Im Mittelabschnitt 3 des Metallgehäuses 2 sind die das Ausfiltern unerwünschter Schad stoffe bewirkenden, wabenartig strukturierten, ggf. katalyt beschichteten Keramikmonolithe 6, 7 so angeordnet, daß ihre Endabschnitte 8, 9 unweit des Überganges des zylindrischen Gehäuseabschnittes 3 in die konischen Stutzen 4, 5 liegen und zwischen ihnen ein Abstand 10 besteht, dessen Breite vor zugsweise zwischen 10 und 40 mm betragen soll.The individual parts of the exhaust gas purification device 1 are arranged in a metallic housing 2 , which consists of an essentially cylindrical central section 3 and two adjoining flue gas outlet and outlet connections 4, 5 which taper conically outwards. In the middle section 3 of the metal housing 2 , the filtering of undesirable pollutants, honeycomb-like, optionally catalytically coated ceramic monoliths 6 , 7 are arranged so that their end sections 8 , 9 are located not far from the transition of the cylindrical housing section 3 into the conical connecting pieces 4 , 5 and between them there is a distance 10 , the width of which should preferably be between 10 and 40 mm.
Die außerordentlich bruchempfindlichen Keramikmonolithe 6, 7 sind im Gehäuseabschnitt 3 mittels einer Federmatte 11 dämpfend gehaltert, die vorzugsweise aus einer Aluminiumsilikatwolle besteht, welche mit Vermiculit durchsetzt ist, das sich beim Erwärmen um ein Vielfaches seines ursprünglichen Volumens ausdehnt und damit den sicheren Halt der Keramikmonolithe 6, 7 auch während der Ausdehnung des Metallgehäuses 2 beim Betrieb der Abgasreinigungseinrichtung 1 gewährleistet.The extremely fracture-sensitive ceramic monoliths 6 , 7 are held in the housing section 3 in a damping manner by means of a spring mat 11 , which preferably consists of an aluminum silicate wool which is interspersed with vermiculite, which expands by a multiple of its original volume when heated, and thus the secure hold of the ceramic monoliths 6 , 7 is also ensured during the expansion of the metal housing 2 during operation of the exhaust gas purification device 1 .
Die Federmatte 11 erstreckt sich sowohl über den Mittelab schnitt 3 des metallischen Gehäuses 2, als auch über die Gaszu- und -abführstutzten 4, 5, in denen sie durch Ausklei dungstrichter 12, 13 gegenüber den durchströmenden Gasen abgeschirmt ist.The spring mat 11 extends over the Mittelab section 3 of the metallic housing 2 , as well as over the gas supply and discharge nozzles 4, 5 , in which it is funneled by lining funnel 12 , 13 against the flowing gases.
Die aus Metallblech, vorzugsweise aus hochhitzebeständigen Stahl bestehenden Auskleidungstrichter 12, 13 sind im Bereich ihrer äußeren Enden 14, 15 mit dem Metallgehäuse 2 der Abgas reinigungseinrichtung verschweißt und schließen damit die zwischen dem Gehäuse 2 und den Auskleidungstrichtern 12, 13 liegende Federmatte 11 dicht nach außen ab. Zum Schutz dieser Matte 11 vor dem auftreffenden Gasstrom sind die Auskleidungs trichter 12, 13 in ihren den Keramikmonolithen 6, 7 benachbar ten Randbereichen 16, 17 wie Fig. 1 zeigt, leicht in Richtung der Mittellängsachse der Abgasreinigungseinrichtung 1 geneigt, und zwar so wenig, daß zwar der pulsierende Gasstrom etwas abgelenkt und sein direktes Auftreffen auf die vor dem Auf blasen zu schützende Federmatte 11 ausgeschlossen, anderer seits aber der wirksame Eintrittsquerschnitt der Keramikmono lithe 6, 7 nur geringfügig vermindert wird.The preferably made of sheet metal, made of high heat-resistant steel lining funnels 12, 13 are in the region of their outer ends 14, 15 welded to the metal casing 2 of the exhaust gas cleaning device and close so that between the housing 2 and the lining funnels 12, 13 lying spring mat 11 tight to the outside from. To protect this mat 11 from the impinging gas flow, the lining funnels 12 , 13 in their ceramic monoliths 6 , 7 adjacent edge regions 16 , 17 as shown in FIG. 1 are slightly inclined in the direction of the central longitudinal axis of the exhaust gas cleaning device 1 , and so little, that although the pulsating gas flow is deflected somewhat and its direct impact on the spring mat 11 to be protected from blowing is ruled out, on the other hand the effective inlet cross section of the ceramic mono lithe 6 , 7 is only slightly reduced.
Die Auskleidungstrichter 12, 13 liegen, wie ebenfalls Fig. 1 zu entnehmen ist, bei der Montage, d.h. im kalten Zustand der Anordnung nicht den äußeren Stirnseiten der Keramikmono lithe an. Vielmehr ist zwischen diesen Teilen ein Einbauab stand 18, 19 belassen, dessen Größe gerade so bemessen ist, daß er im Betriebszustand der Abgasreinigungseinrichtung infolge der um einige hundert Grad höheren Temperaturen durch die wärmebedingte größere räumliche Ausdehnung der Auskleidungstrichter 12, 13 gerade ausgefüllt wird, so daß deren Randbereiche 16, 17 den Stirnseiten der Keramikmono lithe 6, 7 dicht anliegen.The lining funnels 12 , 13 , as can also be seen in FIG. 1, do not lie against the outer end faces of the ceramic monolith during assembly, ie when the arrangement is cold. Rather, between these parts, a mounting position 18 , 19 is left, the size of which is so dimensioned that it is just being filled in the operating state of the exhaust gas cleaning device as a result of the temperature-related greater spatial expansion of the lining funnels 12 , 13 due to the temperature-related increase in temperature, so that their edge regions 16 , 17 lie tightly against the end faces of the ceramic monolith 6 , 7 .
Zur weiteren Abschirmung der Federmatte 11 vor der Berührung mit durch die Anlage strömenden heißen Gasen sieht die Er findung zusätzliche Abdeckmanschetten vor, die in die kriti schen Bereiche der Abgasreinigungseinrichtung eingegliedert werden, und zwar einmal im Abstandsbereich 10 zwischen den beiden Keramikmonolithen 6 und 7, bei dem in der oberen Hälfte von Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel durch eine Manschette 20, deren Länge so bemessen ist, daß sie den freien Raum 10 zwischen den Keramikmonolithen 6, 7 umschließt und auch noch deren angrenzende Endbereiche 21, 22 übergreift. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind noch zwei weitere Manschet ten 23, 24 vorgesehen, welche die den Abgaszu- und -abführ stutzen 4, 5 benachbarten Endbereiche 8, 9 der Keramikmono lithe 6, 7 abdecken und gleichzeitig die angrenzenden Randbe reiche 16, 17 der Auskleidungstrichter 12, 13 umschließen.To further shield the spring mat 11 from contact with hot gases flowing through the system, the invention provides additional cover sleeves, which are incorporated into the critical areas of the exhaust gas cleaning device, namely once in the distance area 10 between the two ceramic monoliths 6 and 7 the embodiment illustrated in the upper half of FIG. 1 by a sleeve 20 , the length of which is dimensioned such that it encloses the free space 10 between the ceramic monoliths 6 , 7 and also overlaps their adjacent end regions 21 , 22 . In this embodiment, two further sleeves th 23 , 24 are provided which cover the exhaust gas supply and discharge 4, 5 adjacent end regions 8 , 9 of the ceramic mono lithe 6 , 7 and at the same time the adjacent Randbe rich 16 , 17 of the lining funnel 12th , 13 enclose.
Es liegt jedoch auch im Sinne der Erfindung, statt dieser einzelnen Manschetten 20, 23, 24 eine durchgehende Manschette 25 vorzusehen, die sich über die gesamte Länge des zylindri schen Mittelabschnittes 3 des Metallgehäuses 2 erstreckt und dadurch alle kritischen Öffnungsspalte überdeckt, an denen ein besonderer Schutz der Federmatte 11 vor auftretenden heißen Gasen erforderlich ist. Diese Ausführungsform der Erfindung ist in der unteren Hälfte von Fig. 1 dargestellt, die auch eine vorteilhafte Weiterbildung dieser einstückigen Manschette 25 mit fensterartigen Ausnehmungen 26, 27 zeigt, die den Zweck haben, in diesen Ausschnitten eine direkte Übertragung der radialen, der sicheren Halterung der Kera mikmonolithe 6, 7 dienenden Spannkräfte auf deren Mantel flächen zu übertragen. Bei der praktischen Erprobung mit fensterartigen Ausnehmungen 26, 27 ausgestatteter Abdeck manschetten 25 wurde gefunden, daß sich eine optimale Aus führungsform dann ergibt, wenn sich die Ausnehmungen 26, 27 über mindestens 2/3 der Mantelfläche der Keramikmonolithe 6, 7 erstrecken.However, it is also within the meaning of the invention to provide a continuous sleeve 25 instead of these individual sleeves 20 , 23 , 24 , which extends over the entire length of the central cylindrical portion 3 of the metal housing 2 and thereby covers all critical opening gaps, of which a particular one Protection of the spring mat 11 from occurring hot gases is required. This embodiment of the invention is shown in the lower half of Fig. 1, which also shows an advantageous development of this one-piece sleeve 25 with window-like recesses 26 , 27 , which have the purpose in these cutouts a direct transmission of the radial, the secure mounting of the Kera mikmonolithe 6 , 7 serve to transmit clamping forces on the surface of the jacket. In the practical testing with window-like recesses 26 , 27 equipped cover cuffs 25 , it was found that there is an optimal execution form when the recesses 26 , 27 extend over at least 2/3 of the outer surface of the ceramic monoliths 6 , 7 .
Als geeignete Werkstoffe für diese Abdeckmanschetten haben sich einerseits Stahlblech von 0,04 bis 0,3 mm Stärke, anderer seits auch Keramikpapier, Keramikvlies oder Keramikgewebe von vorzugsweise 0,5 bis 2 mm Wanddicke erwiesen.Have suitable materials for these cover sleeves steel sheet 0.04 to 0.3 mm thick on the one hand, others on the one hand also ceramic paper, ceramic fleece or ceramic fabric from proven to be preferably 0.5 to 2 mm wall thickness.
Von ganz ausschlaggebender Bedeutung für die dargestellte Abgasreinigungseinrichtung ist aber vor allem die sich unter brechungslos über die gesamte Länge des Metallgehäuses er streckende, d.h. durchgehende Federmatte 11, die sicherstellt, daß sämtliche im Gehäuseinnenraum angeordneten Teile der Ab gasreinigungseinrichtung 1, also die Keramikmonolithe 6, 7, die Auskleidungstrichter 12, 13 sowie alle Abdeckmanschetten 23, 24 bzw. 25 stoß- und schallgedämpft im Gehäusemantel 2 gelagert sind, der dadurch vor Überhitzung geschützt ist, wobei gleich zeitig eine ganz erhebliche Verringerung des von der Abgasreini gungsanlage abgegebenen Körperschalles erreicht wird.Of crucial importance for the exhaust gas purification device shown, however, is the fact that it extends uninterruptedly over the entire length of the metal housing, that is to say a continuous spring mat 11 , which ensures that all parts of the gas purification device 1 arranged in the housing interior, that is to say the ceramic monoliths 6 , 7 , The lining funnel 12 , 13 and all cover sleeves 23 , 24 and 25 are shock and noise-damped in the housing shell 2 , which is thereby protected against overheating, while at the same time a very considerable reduction in the structure-borne noise emitted by the exhaust gas cleaning system is achieved.
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