DE3926072C2 - Katalysator zur Abgasreinigung mit elastischen Elementen zum Ausgleich von Längsdehnungen - Google Patents

Katalysator zur Abgasreinigung mit elastischen Elementen zum Ausgleich von Längsdehnungen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Abgasreinigung, vor­ zugsweise für Kraftfahrzeugmotoren, bestehend aus einer metallischen Trägermatrix und einem ebenfalls metallischen Mantel, die in mindestens zwei axial beabstandeten Bereichen fügetechnisch verbunden sind.
Katalysatoren zur Abgasreinigung mit mindestens zwei Bereichen fügetechnischer Verbindungen zwischen Trägermatrix und Mantel sind bekannt aus der DE-OS 28 56 030. Im Betrieb eines solchen Kataly­ sators können beträchtliche spannungserzeugende thermische Ausdehnungen auftreten. Bekanntlich können Trägerkörper für katalytische Reaktoren im Betrieb durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca. 500°C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder we­ niger große Bereiche auf Temperaturen über 900°C erhitzt werden. Das sie umgebende dickwandige Mantelrohr behält aber seine relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 300°C über längere Zeitdauer bei. Die dadurch zu erwartenden Wärmespannungen infolge von Relativ­ bewegungen zwischen Mantel und Trägermatrix können zu einem Lösen des gewickelten Körpers gegenüber dem Mantelrohr führen.
In den meisten Konstruktionen für Abgaskatalysatoren wird diese Pro­ blematik vernachlässigt. So wird in der DE-OS 23 00 704 der Kata­ lysator zur Abgasreinigung radial federnd im Gehäuse abgestützt, aber in axialer Richtung wird die Trägermatrix im Mantel durch das Vorsetzen der Konen zur Abgasleitung vollständig festgelegt, die dort beschriebenen federnden Elemente können daher eine Längsdehnung der Trägermatrix nicht aufnehmen. Außerdem werden die Mantelgehäuse möglichst steif ausgelegt, z. B. durch das Einprägen von Sicken in bestimmte Teilbereiche des Gehäuses (z. B. DE-OS 28 02 117).
In der DE-OS 39 41 642 wird eine Abgasreinigungsvorrichtung dar­ gestellt, die mit einer expansions- und kontraktionsfähigen Außenwand versehen ist. Hierbei ist die Gehäuseaußenwand wellenförmig ausge­ formt. Diese Ausführungsform läßt Längsdehnungen nur bedingt zu, da der Wabenkörper an mehreren Abschnitten seines Mittelbereichs kreis­ förmig mit dem Metallgehäuse durch Löten verbunden ist. Außerdem ist die Federsteifigkeit des Metallgehäuses von der Wandstärke und von dem verwendeten Material abhängig.
In der EP-PS 01 21 174 werden Einschnitte in die fertiggestellte Trägermatrix eingebracht, allerdings sind dort die Einschitte achs­ parallel angeordnet, sie können somit keine Dehnungen in Längs­ richtung aufnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Relativdehnungen zwischen Mantel und Trägermatrix eines Katalysators zur Abgasreinigung auszugleichen, um dadurch die Schubspannungen im Mantelbereich des Katalysators abzubauen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden elastische Elemente eingebaut, die eine Längenänderung in gewissem Umfang zulassen. So wird nach den Ansprüchen 1 und 2 das elastische Element in Form von mindestens einer umlaufenden, in der Materialstärke verringerten Sicke in den Mantel des Katalysators eingebracht. Es erlaubt dem Gehäuse, einer Verlängerung der Trägermatrix zu folgen und somit die auftretenden Schubspannungen zu verringern oder vollständig abzubauen. Solche Sicken können durch ge­ eignete Umformungsmaßnahmen, wie z. B. Einrollen oder Stauchen des Mantels oder durch fügetechnische Maßnah­ men, wie z. B. das Verschweißen von zwei oder mehr mit Verengungen oder Erweiterungen versehener Mantelteile hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Ansprüche 3 bis 6 wird vorgeschlagen, die elastischen Bereiche da­ durch zu schaffen, daß die Trägermatrix quer zur Abgas­ richtung durch geeignete Trenn- oder Abtragungsmetho­ den, z. B. Laserstrahlbrennen oder Funkenerosion, mit Einschnitten versehen wird, wobei die Schnittflächen der Bleche räumlich beabstandet sind. Im Gegensatz zu der oben erwähnten EP-PS 01 21 174 werden dadurch Be­ reiche geschaffen, die eine Längsdehnung des Katalysa­ tors elastisch aufnehmen können. Die Bereiche, die den Einschnitten gegenüberliegen, werden fügetechnisch ver­ bunden, um somit dem Katalysator eine ausreichende Fe­ stigkeit zu geben.
Eine weitere Ausführungsform nach den Ansprüchen 7 bis 10 sieht vor, daß das elastische Element als Kompensa­ tionselement ausgebildet ist. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß eine Nachgiebigkeit in Richtung der Längsachse vorgesehen werden kann, ohne eine beson­ dere Form des Mantelgehäuses vorsehen zu müssen oder ein aufwendiges Verfahren zum Einschneiden und füge­ technischen Verbinden der Trägermatrix zu benötigen.
Das Kompensationselement beinhaltet federnde Elemente, die dadurch hergestellt sind, daß parallele Einschnitte in axialer Richtung der Trägermatrix in die Metallfolie des Kompensationselementes eingebracht sind und der Bereich zwischen den Einschnitten nach oben oder unten bzw. abwechselnd nach oben und unten bogenförmig her­ ausgewölbt ist. Die Länge der Einschnitte und die Höhe der bogenförmigen Ausprägungen bestimmen dabei die Nachgiebigkeit in Längsrichtung. Um den Federweg des Kompensationselementes zu erhöhen, sind zwischen den parallelen Einschnitten zusätzlich zu den bogenförmigen Ausprägungen S-förmige Dehnstrecken eingefügt.
Das Kompensationselement kann nach Anspruch 10 auch gemeinsam mit der Trägermatrix in einem Stück herge­ stellt werden. So kann bei einer spiralig aufgewickel­ ten Trägermatrix die letzte umhüllende Lage der Matrix als Kompensationselement ausgebildet werden, indem dort die bogenförmigen Ausprägungen, eventuell mit den zuvor beschriebenen S-förmigen Dehnstrecken, herausgearbeitet werden. Diese Ausführungsform läßt eine stark verein­ fachte Montage zu, da das Kompensationselement nicht gesondert hergestellt und aufgewickelt werden muß.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt, es zeigt:
Fig. 1a ein Katalysatorgehäuse mit Hohlraum zur Wärmeisolierung und mit umlaufender Sicke nach innen,
Fig. 1b ein Katalysatorgehäuse mit umlaufender Sicke nach außen,
Fig. 2a u. b einen Katalysator mit aufgeschnittenem Mantel und Einschnitten in der Träger­ matrix,
Fig. 3 einen Katalysator mit Einschnitten in der Trägermatrix, Schnitt X-X der Fig. 2,
Fig. 4a einen Katalysator mit Kompensations­ element mit bogenförmigen Ausprägungen,
Fig. 4b einen Katalysator mit Kompensations­ element mit bogenförmigen Ausprägungen und S-förmigen Dehnstrecken,
Fig. 5 ein Kompensationselement mit bogenför­ migen Ausprägungen und
Fig. 6 ein Kompensationselement mit bogenför­ migen Ausprägungen und S-förmigen Dehn­ strecken.
In Fig. 1a ist ein Katalysator zur Abgasreinigung gezeigt, dessen Mantel (2) einen Hohlraum (11) zwischen Mantel (2) und Träger­ matrix (1) umschließt. In diesen Hohlraum (11) ist eine umlaufende Sicke (4) nach innen eingearbeitet. Die Bie­ gebereiche der Sicke (4) sind durch bogenförmige Nuten (5) in der Wandstärke vermindert. Der Scheitel der Sic­ ke (4) berührt die Oberfläche der Trägermatrix (1), die aus einem oder mehreren, vorzugsweise verlöteten Me­ tallbändern hergestellt ist, nicht. Die Enden der Trä­ germatrix (1) sind mit dem Mantel (2) durch fügetech­ nische Bereiche (3) verbunden, z.B. verlötet oder ver­ schweißt.
Die Fig. 1b zeigt einen Katalysator mit einem rohrför­ migen Mantel (2) ohne Hohlraum (11), bei dem die Sicke (4′) nach außen herausgearbeitet ist. In den Biegebe­ reichen der Sicke (4′) sind bogenförmige Ausnehmungen (5′) gezeigt, die die Wandstärke in diesem Bereich ver­ mindern. Die Enden der Trägermatrix (1) sind mit dem Mantel (2) durch fügetechnische Bereiche (3) verbunden.
Die Fig. 1a und 1b haben gemeinsam, daß die Trägerma­ trix (1) an den Enden im Mantel (2) eingespannt ist. Bei einer Längenänderung der Trägermatrix (1) in Abgas­ richtung (A) kann der Mantel (2) in den Bereichen der Sicken (4, 4′) die Längenänderung infolge betriebsbe­ dingter Wärmedehnung dadurch ausgleichen, daß die Sicken (4, 4′) scharnierähnlich auf- bzw. zugeklappt werden. Die Materialstärke des Mantels (2) ist in den Bereichen (5, 5′) so gewählt, daß durch die Elastizität des Materials genügend Kraft auf die Trägermatrix (1) ausgeübt wird, um die Trägermatrix (1) schwingungsfrei in dem Mantelgehäuse (2) zu lagern.
Die Fig. 2a und 2b zeigen einen Katalysator zur Abgasreinigung, bei dem der Mantel (2) in der Zeichnung aufgeschnitten und die Trägermatrix (1) als Vollkörper dargestellt sind. Die Trägermatrix (1) ist in den äußeren Lagen quer zur Ab­ gasrichtung (A) mit Einschnitten (6, 6′) versehen. Die äußeren Lagen, die den Einschnitten (6, 6′) radial ge­ genüberliegen, sind im gezeigten Beispiel durch eine Schweißnaht (7) mit dem Mantel (2) fügetechnisch ver­ bunden. Die Enden der Trägermatrix (1) sind mit dem Mantel (2) durch fügetechnische Bereiche (3) verbunden. Bei einer Wärmedehnung der Trägermatrix wird die Längenänderung in den Einschnitten (6, 6′) elastisch aufgefangen.
In Fig. 3 wird ein Schnitt X-X durch den in Fig. 2a und 2b dargestellten Katalysator zur Abgasreinigung gezeigt. Die Figur zeigt im oberen Teil einen Einschnitt (6) in Form eines Kreisabschnittes und im unteren Teil einen Einschnitt (6′) in Form eines Kreisausschnittes. Diese und weitere mögliche Formen von Einschnitten (6, 6′) in die Träger­ matrix (1) können durch Laserstrahlbrennen oder durch Funkenerosion oder ähnliche Verfahren hergestellt wer­ den. Die Tiefe der Einschnitte (6, 6′) muß nicht bis zum Kreismittelpunkt der Trägermatrix (1) reichen, da die schädlichen Schubspannungen durch Wärmedehnungen sich lediglich im radial äußeren Bereich der Trägerma­ trix (1) aufbauen.
Die Fig. 4a und 4b zeigen einen Schnitt durch einen Katalysator zur Abgasreinigung, bei dem zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2) ein Kompensationselement (10, 10′) angeordnet ist. Das Kompensationselement (10, 10′) wird aus einer dün­ nen Metallfolie hergestellt, wie sie auch zur Herstel­ lung der Trägermatrix (1) Verwendung findet, die Fo­ lienstärke liegt hierbei zwischen 0,03 mm und 0,1 mm. Die Ausprägungen (8) sind dadurch hergestellt, daß pa­ rallele Einschnitte in Abgasrichtung (A) in die Metall­ folie des Kompensationselementes (10, 10′) eingebracht sind und der Bereich zwischen den Einschnitten aus der Ebene nach oben bzw. unten herausgewölbt ist.
Die Fig. 4a zeigt ein Kompensationselement (10) mit in Abgasrichtung (A) verlaufenden bogenförmigen Ausprägun­ gen (8). Die bogenförmigen Ausprägungen (8) berühren entweder die Trägermatrix (1) oder den Mantel (2) und sind mit diesen in den Berührungsbereichen (3) füge­ technisch verbunden.
Die Fig. 4b zeigt einen Katalysator mit einem Kompensa­ tionselement (10′) zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2). In diesem Kompensationselement (10′) sind zwischen den Ausprägungen (8) S-förmige Dehnstrecken (9) einge­ bracht. Während die Ausprägungen (8) mit der Trägerma­ trix (1) bzw. dem Mantel (2) durch fügetechnische Be­ reiche (3) verbunden sind, berühren die S-förmigen Dehnstrecken (9) weder die Trägermatrix (1) noch den Mantel (2).
Bei den in den Fig. 4a und 4b gezeigten Katalysatoren zur Abgas­ reinigung mit Kompensationselementen (10, 10′) ist die Anzahl der Ausprägungen (8) und S-förmigen Dehnstrecken (9) stark verringert, um das zugrundeliegende Prinzip deutlicher zu zeigen. Die Anzahl der Verbindungsstellen (3) wird so gewählt, daß die Trägermatrix (1) sicher im Mantel (2) gehalten wird. Die Höhe der Ausprägungen (8) ist größer als die Höhe der S-förmigen Dehnstrecken (9). Sie bestimmt, zusammen mit etwa vorhandenen S-förmigen Dehnstrecken (9), die größtmögliche Längendifferenz, die vom Kompensationselement ausgeglichen werden kann. Die Steifigkeit des Kompensationselementes (10, 10′) wird so gewählt, daß die Trägermatrix (1) auch radial sicher gegen den Mantel (2) abgestützt wird.
Das Kompensationselement (10, 10′) wird gemeinsam mit der Trägermatrix (1) im Mantelgehäuse (2) montiert. Dazu wird die Trägermatrix (1) von dem Kompensations­ element (10, 10′) eingehüllt und als eine Einheit in das Mantelgehäuse (2) eingesetzt. Anschließend werden die Berührungsbereiche (3) zwischen Trägermatrix (1) und Ausprägungen und zwischen Mantel und Ausprägungen (8) durch geeignete fügetechnische Maßnahmen verbunden, also z.B. durch Verschweißen oder Verlöten. Die S-för­ migen Dehnstrecken (9) haben mit dem Mantel (2) bzw. mit der Trägermatrix (1) keine gemeinsamen Berührungs­ punkte, sie können somit in axialer Richtung gedehnt werden.
In den Fig. 5 und 6 ist das Kompensationselement (10, 10′) nach der Bearbeitung und vor dem Aufwickeln auf die Trägermatrix (1) perspektivisch und in die Ebene abgewickelt dargestellt. Die Wickelrichtung (W) vom Coil (nicht dargestellt) bzw. auf die Trägermatrix (1) und die Abgasrichtung (A) im montierten Zustand sind in diesen Zeichnungen angegeben.
Die Fig. 5 zeigt ein Kompensationselement (10) mit bo­ genförmigen Ausprägungen (8) in perspektivischer Dar­ stellung. Die Ausprägungen (8) sind hierbei abwechselnd nach oben und unten ausgeführt.
Die Fig. 6 zeigt ein Kompensationselement (10′) in per­ spektivischer Darstellung. Hierbei sind zusätzlich zu den bogenförmigen Ausprägungen (8) S-förmige Dehn­ strecken (9) gezeichnet. Auch hier sind die Ausprägun­ gen abwechselnd nach oben bzw. nach unten ausgeführt.
Die zuvor beschriebenen elastischen Elemente zeigen wirksame Möglichkeiten auf, wie die schädlichen Wärme­ dehnungen ausgeglichen werden können, ohne daß der Ka­ talysator in seiner Haltbarkeit beeinträchtigt wird.

Claims (10)

1. Katalysator zur Abgasreinigung, vorzugsweise für Kraft­ fahrzeugmotoren, mit einer aus einem oder mehreren Metallbändern hergestellten Trägermatrix (1), die über mindestens zwei axial beabstandete fügetechnische Bereiche (3) mit einem Mantel (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den füge­ technischen Bereichen (3) in axialer Richtung mindestens ein elastisch verformbares Element (4, 6, 10, 4′, 6′, 10′) einge­ setzt ist, das einen Ausgleich von Relativdehnungen zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2) in Abgasrichtung (A) er­ möglicht, und daß das elastische Element als mindestens eine um­ laufende Sicke (4, 4′) mit umlaufenden Bereichen verminderter Wandstärke (5) im Mantel (2) ausgebildet ist.
2. Katalysator zur Abgasreinigung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sicken (4, 4′) durch Umformen des einstückigen Mantels (2) oder durch stirnseitiges Verschweißen mehrerer an den Enden aufgeweiteter bzw. verengter Mantelabschitte gebildet werden.
3. Katalysator zur Abgasreinigung, vorzugsweise für Kraft­ fahrzeugmotoren, mit einer aus einem oder mehreren Metallbändern hergestellten Trägermatrix (1), die über mindestens zwei axial beabstandete fügetechnische Bereiche (3) mit einem Mantel (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den füge­ technischen Bereichen (3) in axialer Richtung mindestens ein elastisch verformbares Element (4, 6, 10, 4′, 6′, 10′) ein­ setzt ist, das einen Ausgleich von Relativdehnungen zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2) in Abgasrichtung (A) ermög­ licht, und daß die elastischen Elemente durch quer zur Ab­ gasrichtung (A) bzw. zur Längsachse verlaufende Einschnitte (6, 6′) in die Trägermatrix (1) gebildet werden.
4. Katalysator zur Abgasreinigung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einschnitte (6, 6′) auf Teilabschnitten des Umfangs der Trägermatrix (1) angeordnet sind und ihre Tiefe bis zu 20% des Durchmessers der Trägermatrix (1) beträgt.
5. Katalysator zur Abgasreinigung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß fügetechnische Verbindungen (7) zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2) den Einschnitten (6, 6′) radial gegenüberliegen.
6. Katalysator zur Abgasreinigung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (6, 6′) so auf dem Umfang der Trägermatrix (1) verteilt sind, daß eine ge­ dachte Schnittlinie, die in Abgasrichtung (A) auf der Umfangs­ fläche der Trägermatrix (1) verläuft, mindestens einen Einschnitt (6, 6′) trifft.
7. Katalysator zur Abgasreinigung, vorzugsweise für Kraft­ fahrzeugmotoren, mit einer aus einem oder mehreren Metallbändern hergestellten Trägermatrix (1), die über mindestens zwei axial beabstandete fügetechnische Bereiche (3) mit einem Mantel (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den füge­ technischen Bereichen (3) in axialer Richtung mindestens ein elastisch verformbares Element (4, 6, 10, 4′, 6′, 10′) ein­ gesetzt ist, das einen Ausgleich von Relativdehnungen zwischen Trägermatrix (1) und Mantel (2) in Abgasrichtung (A) ermög­ licht, und daß das elastische Element als Kompensationselement (10, 10′) ausgebildet ist, das mit Ausprägungen (8) nach der Außen- oder Innenseite oder nach beiden Seiten versehen ist und an den Berührungsbereichen zwischen Trägermatrix (1) und Aus­ prägung (8) bzw. zwischen Mantel (2) und Ausprägung (8) die füge­ technischen Verbindungen (3) aufweist.
8. Katalysator zur Abgasreinigung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausprägungen (8) des Kompensationselementes (10, 10′) bogenförmig ausgebildet sind.
9. Katalysator zur Abgasreinigung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung zwischen den Ausprägungen (8) des Kompensationselementes (10, 10′) jeweils mindestens eine S-förmige Dehnstrecke (9) in axialer Richtung nachgiebig ausgebildet ist.
10. Katalysator zur Abgasreinigung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (10, 10′) einstückig mit der Trägermatrix (1) hergestellt ist.
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