DE3811224A1 - Abgaskatalysator mit metallmonolith - Google Patents

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.