DE3811224A1 - Abgaskatalysator mit metallmonolith - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskatalysator
mit einem wabenförmig strukturierten Metallmonolithen,
der von einer themischen Isolierung umgeben in einem
metallischen Außengehäuse gelagert ist.
Bei den bisher bekanntgewordenen Ausführungsformen
derartiger Abgaskatalysatoren ist - im Gegensatz zur
Federmattenlagerung keramischer Monolithen in tragen
den Außengehäusen - vorgesehen, daß der Metallmonolith
mit einem zylindrischen, an den Stirnenden überstehen
den und vorzugsweise aus Stahl bestehenden Monolithman
tel versehen ist, der mit Abgaszu- und
-abführ-Trichtern verbunden ist und auf diese Weise
ein tragendes warmes Innenbauteil bildet, welches
durch eine umgebende thermische Isolierung in einem
lediglich den Halt der Isolierung bewirkenden, aber
selbst nicht mehr tragenden, Außengehäuse angeordnet
ist. Diese Lösung hat unter anderem den Nachteil, daß
die thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen dem
tragenden Innenteil, bestehend aus den Trichtern und
dem Monolithmantel, und dem Außengehäuse ebenso Proble
me bereiten wie die Fertigung.
Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorge
sehen, daß der Metallmonolith durch eine umgebende
Mineralfasermatte im tragend ausgebildeten Außengehäu
se gelagert ist und daß der Übergang zwischen Monolith
mantel und Trichter oder zwischen den in einer radia
len Querebene geteilten Abschnitten des Außengehäuses
als Schiebesitz ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung mit einem Schiebesitz
und dem tragend ausgebildeten Außengehäuse hat nicht
nur den Vorteil, daß die thermischen Ausdehnungsunter
schiede zwischen den heißen Innenteilen und dem ange
strebt möglichst kühlen Außengehäuse sehr einfach zu
vermeiden sind, sondern es ergibt sich der zusätzliche
große Vorteil, daß die Mineralfasermattenlagerung
derart als federnde Preßlagerung ausgebildet sein
kann, daß allein diese feste Verpressung zwischen
Innen- und Außengehäuse zu einer axialen Fixierung des
Metallmonolithen führt, so daß dieser auch ohne Ver
schweißung seines Außenmantels mit dem Trichter ausrei
chend in axialer Richtung fixiert ist, so daß er auch
unter den rauhen Betriebsbedingungen, unter denen
derartige meist in Kraftfahrzeugen eingesetzte Kataly
satoren betrieben werden müssen, sicher und verrutsch
ungsfrei im Außengehäuse gelagert ist. Darüber hinaus
ergibt sich durch diese Federmattenlagerung im tragen
den Außengehäuse - im Gegensatz zur lediglich thermi
schen Isolierung des Innengehäuses gegenüber einem
Außengehäuse, wie beim Stand der Technik - der Vor
teil, daß die Mineralfasermatte den Metallmonolithen
derart am Umfang abstützt, daß der Monolithmantel sehr
viel schwächer ausgebildet sein kann oder aber - was
weiter unten noch im einzelnen erläutert werden soll -
sogar völlig entfallen könnte.
Die Mineralfasermatte kann über den gesamten Katalysa
tor durchgehend ausgebildet sein, oder aber auch ab
schnittsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen beste
hen, wobei im einfachsten Fall eine Aluminiumsilikatfa
sermatte verwendet werden kann.
Darüber hinaus hat es sich aber in der Praxis als
besonders zweckmäßig erwiesen, über die gesamte Kataly
satorlänge oder zumindest im Lagerbereich des Monoli
then die Mineralfasermatte als eine Quellmatte auszu
bilden, die sich durch die hohen Temperaturen im Be
trieb sehr stark ausdehnt und somit im warmen Betriebs
zustand, in dem ja auch die hohen Axialbeschleunigungen
überhaupt erst gegeben sind, sich eine besonders ver
schiebesichere Lagerung des Metallmonolithen im Außen
gehäuse ergibt und damit die angestrebte axiale Ver
schiebesicherung.
Bei der Ausführungsfom , bei der der Schiebesitz zwi
schen dem Monolithmantel und den in sie eingreifenden
Innentrichtern vorgesehen ist, sollen in Ausgestaltung
der Erfindung die Trichter eine Profilversteifung
aufweisen, wobei diese Profilversteifung sowohl durch
eine entsprechende Formgebung der Trichter, als auch
bevorzugt durch aufgeschweißte, nach außen oder innen
gewölbte Ringe gebildet sind.
In der ersten Ausführungsform einer derartigen Profil
versteifung ist daher vorgesehen, daß sie einen sich
am Außengehäuse mit Schiebesitz abstützenden, am inne
ren Ende auf den Trichter aufgeschweißten Außenring
umfaßt, während alternativ die Profilversteifung auch
durch einen nach einwärts gewölbten, am Trichter ver
schweißten Innenring gebildet sein kann.
Da zum Ausgleich der thermischen Ausdehnungsunterschie
de zwischen dem tragenden Außengehäuse und dem aus den
Trichtern und dem Monolithmantel gebildeten Innengehäu
se ein Schiebesitz am Einlaß- oder Auslaßtrichter
ausreichend ist, kann der die Profilversteifung bilden
de Innenring ggf. auf der Ein- oder Auslaßseite auch
mit dem Monlithmantel verschweißt sein.
Bei der Ausführungsfom eines erfindungsgemäßen Abgas
katalysators, bei dem der Monolithmantel durch eine
Außenkehlnaht mit den Trichtern verschweißt und über
eine durchgehende Metallsilikatfasermatte im geteilten
Außengehäuse gelagert ist, kann auch vorgesehen sein,
daß das Außengehäuse nicht aus zwei mit Schiebesitz
gegeneinander beweglichen Längsabschnitten besteht,
sondern daß das ein Stirnende des Außengehäuses mit
Schiebesitz auf dem zylindrischen Endabschnitt eines
Trichters gelagert ist. Dabei kann die Metallsilikatfa
sermatte auch durchaus als Quellmatte mit oder ohne
und/oder mit oder ohne Drahteinlage ausgebildet sein.
Ein besonders einfacher und betriebssicherer Abgaskata
lysator ergibt sich in Ausgestaltung der Erfindung
dadurch, daß man die besondere axiale Verschiebesi
cherung durch die Lagerung des Metallmonolithen im
tragenden Außengehäuse dahingehend ausnützt, daß man
den Metallmonolithen ohne den bisher immer üblichen
Stahlmantel ausbildet und den meist als Wickelkörper
ausgebildeten spiralig gewickelten Metallmonolithen
mit einer reibungserhöhenden Außenprofilierung ver
sieht und durch eine Quellmatte im tragenden Außenge
häuse lagert, wobei die Innentrichter frei vor dem
Metallmonolithen enden und die Spalte zwischen dem
Monolithen und den Trichtern bevorzugt durch außenlie
gende Bänder überdeckt sind.
In einer ersten Ausführungsform ist für diese mantello
se Lagerung des Metallmonolithen ein Aufbau vorgese
hen, bei dem der aus trapez- oder wellenförmig gewin
kelten Stützblechen und glatten Trennblechen gewickel
te Metallmonolith derart ausgebildet ist, daß das
seine Außenfläche bildende Blech durch die Quellmatten
pressung elastisch zwischen den Abstützstellen nach
innen deformiert wird. Durch diese Deformierung erge
ben sich quasi außenliegende Rinnen und dazwischenlie
gende Abstützrippen, die jegliches Verdrehen des Me
tallmonolithen im Außengehäuse verhindern, obgleich
der Monolith nur über die Quellmatte gelagert und in
keiner Weise mechanisch mit dem Außengehäuse oder den
Innentrichtern verbunden ist. Dies hat erhebliche
Vorzüge, da ja auf diese Weise auch kein Brechen einer
mechanischen metallischen Aufhängung des Metallmonoli
then zu befürchten ist.
Anstelle der genannten elastischen Deformierbarkeit
der Außenfläche des mantellos ausgebildeten Metallmono
lithen, ggf. auch zusätzlich dazu, kann in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der
Metallmonolith mit einer aufgeschweißten oder aufgelö
teten Drahtspirale bzw. Stahlringen versehen ist, die
sich in die Quellmatte einbetten und somit in entspre
chender Weise zu der gewünschten Axialverschiebesi
cherung beitragen.
Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfin
dung, das Außengehäuse zur Versteifung versickt auszu
bilden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin
dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeich
nung. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch einen Abgas
katalysator mit einem Metallmonolithen mit
Monolithmantel, der über einen Schiebesitz
im ungeteilten tragenden Außengehäuse ge
lagert ist,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der
der Schiebesitz im Bereich des Außengehäuses
angeordnet ist,
Fig. 3 einen Detailschnitt mit einem an das Ende
des Außengehäuses verlagerten Schiebesitz,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Abgaskataly
sator mit abgewandelter Ausbildung der
Schiebesitzlagerung zwischen Trichter und
Monolithmantel,
Fig. 5 einen Detailschnitt durch eine abgewandelte
Schiebesitzausbildung mit Profilversteifung,
Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen Abgaskataly
sator mit einem mantellos im tragenden Außen
gehäuse gelagerten Metallmonolithen,
Fig. 7 einen Querschnitt durch die Anordnung nach
Fig. 6 entsprechend der Linie VII-VII in
Fig. 6, und
Fig. 8 eine vergrößerte Detailansicht gemäß dem
Kreisausschnitt VIII in Fig. 7.
Der in Fig. 1 gezeigte Abgaskatalysator besteht aus
einem durchgehenden tragenden Außengehäuse 1 mit die
Abgaszu- und -abführstutzen 2 in Abstand übergreifen
den Innentrichtern 3 und 4, die durch eine Aluminiumsi
likatfasermatte 5 thermisch isoliert sind. Der Metall
monolith 6 mit einem vorzugsweise aus Stahlblech beste
henden Monolithmantel 7, der an den Enden übersteht,
ist mit Hilfe einer vorzugsweise als Quellmatte ausge
bildeten Mineralfasermatte 5′ im tragenden Außengehäu
se 1 gelagert, wobei bevorzugt eine Aufrauhung des
Monolithmantels, sowie auch ggf. der Innenfläche des
Außengehäuses 1 vorgesehen ist, so daß in Verbindung
mit der starken Verpressung der Mineralfasermatte 5′
eine axiale Verschiebesicherung des Metallmonoilthen 6
im Außengehäuse 1 gegeben ist. Diese axiale Verschieb
esicherung durch die Verpressung der Quellmatte 5′ in
Verbindung mit der genannten Aufrauhung der Außenflä
che des Monlithmantels 7 und der Innenfläche des Außen
gehäuses 1 ermöglicht die Ausbildung eines Schiebesit
zes zwischen den überstehenden Enden 8 des Monolithman
tels 7 und den inneren Enden 3 a bzw. 4 a der Trichter
3, 4. Die Innentrichter 3 und 4 sind im dargestellten
Ausführungsbeispiel mit einer durch einen außen aufge
schweißten Außenring 9 gebildeten Profilversteifung
versehen, wobei sich dieser Außenring mit Schiebesitz
im tragenden Außengehäuse 1 abstützt. Dieser Außenring
wirkt der Gefahr eines Einfallens der Trichter bei
hohen Temperaturen entgegen, die insbesondere bei den
meist ovalen Querschnittsformen besteht, die moderne
Abgaskatalysatoren meist aufweisen (vergl. hierzu Fig.
7).
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3
ist der Monolithmantel 7 durch eine Außenkehlnaht 10
mit den Trichtern 3 und 4 verschweißt und zum Aus
gleich der thermischen Ausdehnungsunterschiede zwi
schen dem Innengehäuse aus Trichtern 3, 4 und Monolith
mantel 7 zum tragenden Außengehäuse 1 mit einem Schie
besitz versehen. Dies ist im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 dadurch erzielt, daß das Außengehäuse aus zwei
Abschnitten 1 a und 1 b besteht, die etwa in der Mitte
mit Schiebesitz übereinandergreifen. Beim Ausführungs
beispiel nach Fig. 3 ist das tragende Außengehäuse 1
zwar ungeteilt, jedoch ist das eine Ende, im darge
stellten Ausführungsbeispiel das auslaßseitige Ende,
mit Schiebesitz auf dem zylindrischen Endabschnitt 4′
des auslaßseitigen Trichters 4 gelagert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen wieder abgewandelte Ausfüh
rungsformen einer Metallmonolithlagerung mit Schiebe
sitz zwischen dem Monolithmantel 7 und dem auslaßseiti
gen Trichter 4. Dabei ist anstelle eines der Verstei
fung des Trichters gegen ein Einfallen bei hohen Tempe
raturen dienenden Außenrings 9, wie beim Ausführungs
beisPiel nach Fig. 1, jeweils ein einwärts gewölbter,
am Trichter 3 bzw. 4 verschweißter Innenring 11 bzw.
12 vorgesehen. Der versteifende Innenring 11 ist dabei
sowohl mit dem einlaßseitigen Trichter 3 als auch dem
Ende 8 des Monolithmantels 7 in einer gemeinsamen
Schweißnaht 13 verschweißt. Der auslaßseitige Innen
ring 12 ist dagegen nur mit dem auslaßseitigen Trich
ter 4 verschweißt, so daß zwischen diesem Trichter 4
und dem überstehenden Ende 8 des Monolithmantels ein
Schiebesitz besteht. Die Lagerung des Metallmonolithen
6 und der Trichter 3 und 4 erfolgt durch eine durchge
hende, vorzugsweise als Quellmatte ausgebildete Matte
5′′.
Bei der nur im Detailausschnitt dargestellten Ausfüh
rungsform nach Fig. 5 ist die Profilversteifung des
hier gezeigten auslaßseitigen Trichters 4 durch eine
entsprechende Profilierung anstelle durch aufgeschweiß
te Innen- bzw. Außenringe realisiert.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungs
fom der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein man
telloser Metallmonolith 6 verwendet wird. Der Metallmo
nolith 6 besteht dabei, wie an sich bekannt, aus einem
spiralförmig gewickelten Bauteil, bestehend aus trapez
förmig gewinkelten Stützblechen 14 und glatten Trenn
blechen 15 und 16. Der Metallmonolith ohne einen Außen
mantel, wie bei den Ausführungsformen nach den Fig.
1 bis 5, ist durch eine durchgehende einstückige Quell
matte 5′′, die sich auch in die Innentrichter 3 und 4
erstreckt, im tragenden Außengehäuse 1, das zur Erhö
hung der Steifigkeit versickt ist, gelagert, wobei
eine reibungserhöhende Außenprofilierung in Verbindung
mit dem hohen Preßdruck der Quellmatte 5′′ eine Axial
verschiebung des Metallmonolithen 6 verhindert, ob
gleich die Innentrichter 3 und 4 frei vor dem Metallmo
nolithen enden und dieser somit lediglich mit Hilfe
der Quellmatte 5′′ im Außengehäuse 1 gelagert ist.
Die erste Art der reibungserhöhenden Außenprofilierung
ist dadurch gebildet, daß die Bleche 15, die die Außen
fläche des Monolithen bilden, so dünn ausgebildet
sind, daß sie durch den hohen Preßdruck der Quellmatte
5′′ nach innen gedellt werden, wie es in Fig. 8 ge
zeigt ist. Darüber hinaus ist der Metallmonolith 6 mit
einer aufgelöteten Drahtspirale 17 versehen, die sich
in die Quellmatte einbettet und somit für eine derart
feste Lagerung sorgt, daß auch bei starken Stößen und
Schlägen ein axiales Verrutschen des Metallmonolithen
6 im Außengehäuse 1 nicht stattfinden kann.
Claims (16)
1. Abgaskatalysator mit einem wabenförmig strukturier
ten Metallmonolithen mit einem zylindrischen, an
den Stirnenden überstehenden, vorzugsweise aus
Stahl bestehenden Monolithmantel, der mit Abgaszu
und -abführ-Trichtern verbunden und von einer
thermischen Isolierung umgeben in einem metalli
schen Außengehäuse gelagert ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Metallmonolith (6) durch eine
umgebende Mineralfasermatte (5; 5′; 5′′) im tra
gend ausgebildeten Außengehäuse (1) gelagert ist
und daß der Übergang zwischen Monolithmantel (7)
und Trichter (3, 4) oder zwischen den in einer
radialen Querebene geteilten Abschnitten, (1 a, 1 b)
des Außengehäuses (1) als Schiebesitz ausgebildet
ist.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mineralfasermatte eine Aluminium
silikatfasermatte ist.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß über die gesamte Katalysator
länge oder zumindest im Lagerbereich des Monoli
then die Mineralfasermatte eine Quellmatte ist.
4. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trichter (3, 4)
eine Profilversteifung aufweisen.
5. Abgaskatalysator nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Profilversteifung einen sich am
Außengehäuse (1) mit Schiebesitz abstützenden
Außenring (9) umfaßt.
6. Abgaskatalysator nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Profilversteifung durch einen
nach einwärts gewölbten, am Trichter (3, 4) ver
schweißten Innenring (11, 12) gebildet ist.
7. Abgaskatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Innenring (11) mit dem Ein- oder
Auslaß-Trichter (3) sowie dem Monolithmantel (7)
verschweißt ist.
8. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Monolithmantel (7) durch
eine Außenkehlnaht (10) mit den Trichtern (3, 4)
verschweißt und über eine durchgehende Metallsili
katfasermatte (5) im geteilten Außengehäuse (1)
gelagert ist.
9. Abgaskatalysator nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Metallsilikatfasermatte eine
Quellmatte mit oder ohne Quellglimmer und/oder mit
oder ohne Drahteinlage ist.
10. Abgaskatalysator nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das eine Stirnende des nicht geteil
ten Außengehäuses (1) mit Schiebesitz auf dem
zylindrischen Endabschnitt (4′) eines Trichters
(4) gelagert ist.
11. Abgaskatalysator mit einem wabenförmig strukturier
ten Metallmonolithen, der in einem isolierte Ab
gaszu- und -abführ-Innentrichter aufweisenden
Außengehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeich
net, daß der mit einer reibungserhöhenden Außenpro
filierung versehene mantellose Metallmonolith (6)
durch eine Quellmatte (5′′) im tragenden Außenge
häuse (1) gelagert ist.
12. Abgaskatalysator nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der aus trapez- oder wellenförmig
gewinkelten Stützblechen (14) und glatten Trennble
chen (15, 16) gewickelte Monolith (6) derart ausge
bildet ist, daß das seine Außenfläche bildende
Blech (15) durch die Quellmattenpressung elastisch
zwischen den Abstützstellen nach innen deformiert
wird.
13. Abgaskatalysator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Metallmonolith (6) mit
einer aufgeschweißten oder gelöteten Drahtspirale
(17) versehen ist.
14. Abgaskatalysator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Metallmonolith (6) mit
aufgeschweißten oder gelöteten Stahlringen verse
hen ist.
15. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse
(1) versickt ist.
16. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 11 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte zwi
schen dem Metallmonolith (6) und den frei vor dem
Metallmonolithen (6) endenden Trichtern (3, 4)
durch außenliegende Bänder überdeckt sind.
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