DE4014214A1 - Abgasreinigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft insbeson­ dere eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Metallge­ häuse und einem metallischen Wabenkernkörper zur Belegung mit Abgasreinigungskatalysator. Die Abgasreinigungsvorrich­ tung wird im allgemeinen im Auspuffrohr zur Reinigung der Abgase des Kraftfahrzeugs eingebaut.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Abgasreinigungs­ vorrichtung, die unter erschwerten Bedingungen eingesetzt werden kann. Ein Merkmale der Abgasreinigungsvorrichtung liegt in der Verwendung eines zylindrischen Metallgehäuses. Dieses besitzt im Inneren ein von der Umgebung isoliertes Hohlraum-Kompartment, so daß die Abgasreinigungswirkung des Wabenkernkörpers verbessert ist.

Derartige Abgasreinigungsvorrichtungen werden üblicherweise wie folgt hergestellt. Das heißt, zuerst werden ein flaches Band aus hitzebeständigem Stahlblech und ein gewelltes Band, das durch Formen eines ähnlichen Stahlblechs zu einer Wellen- oder Sinusform erhalten wurde, so übereinander gelegt, daß sie sich berühren. Dann werden sie zu einer mehrlagigen Spiralstruktur zusammengerollt oder in Schichten übereinan­ dergelegt. Dadurch wird ein wabenförmiger mehrschichtiger Verbundkörper (nachstehend als Wabenkernkörper bezeichnet) erhalten, der in Axialrichtung viele netzwerkartige Abgas­ durchlässe besitzt.

Der so hergestellte Wabenkernkörper wird dann in ein zylin­ drisches, an den beiden Enden offenes Metallgehäuse einge­ führt. Für das Metallgehäuse wird im allgemeinen ein 1 bis 2 mm dickes hitzebeständiges rostfreies Stahlblech verwen­ det.

Der Wabenkernkörper und das Metallgehäuse werden danach miteinander durch Verlöten oder Verschweißen verbunden, so daß sie den thermischen Deformationskräften aufgrund der hohen Abgastemperaturen, den durch den Katalysator indu­ zierten exothermen Abgasreaktionen und ferner den Vibratio­ nen bei Betrieb des zugehörigen Kraftfahrzeugs, widerste­ hen. Die feste Verbindung der flachen angewellten Bänder des Wabenkernkörpers an den Kontaktstellen können selbst­ verständlich auf irgendeine geeignete Weise hergestellt werden, z. B. durch Löten oder Schweißen.

Bei der Abgasreinigungsvorrichtung der obengenannten Art aus einem metallischen Wabenkernkörper und einem zylindri­ schen Metallgehäuse steht die äußere Umfangswand des Me­ tallgehäuses in Kontakt mit der umgebenden Luft, so daß die innere Wärme, d. h. die Wärme des Wabenkernkörpers, über das Metallgehäuse abgestrahlt wird. Es kann daher zwischen der äußeren Außenwand des Metallgehäuses und dem darin gelege­ nen Wabenkernkörper ein beträchtlicher Temperaturunter­ schied auftreten. Dies hat auch zur Folge, daß die thermi­ schen Deformationskräfte vom Wabenkernkörper sich am Kon­ taktbereich zwischen der inneren Umfangswand des Metallge­ häuses und der äußeren Umfangswand des Wabenkernkörpers konzentrieren. Die Deformationskräfte entstehen aufgrund der Temperaturexpansion und der thermischen Belastung in der hohen Umgebungstemperatur, aufgrund der hohen Tempera­ tur der Abgase und der Wärmebildung bei der Katalysereak­ tion mit den unverbrannten Gasen. Die Deformationskräfte treten hierbei vor allem senkrecht zur Längsachse des Wa­ benkernkörpers (nachstehend als "Radialrichtungen des Wa­ benkernkörpers" bezeichnet) auf, abgesehen von der Axial­ richtung des Wabenkernkörpers (d. h. die Richtung, in der die Abgase fließen).

Die Deformationskräfte konzentrieren sich im Bereich des äußeren Umfangsabschnitts des Wabenkernkörpers, wo ein großer Temperaturgradient vorliegt, oder um die Kontaktflä­ chen zwischen der äußeren Umfangswand des dazugehörigen Me­ tallgehäuses durch die Elemente des Wabenkernkörpers (d. h. den flachen ungewellten Bändern).

Die durch die Temperaturexpansion und den thermischen Streß hervorgerufenen Deformationskräfte bewirken, daß die flachen und/oder gewellten Bänder des Wabenkernkörpers Risse bekommen und brechen. Dies, wie gesagt, im Bereich des äußeren Umfangsabschnitts des Wabenkernkörpers oder um die die Kontaktfläche zwischen der äußeren Wabenkernkörperum­ fangswand und der inneren Metallgehäuseumfangswand. Die De­ formationskräfte führen auch dazu, daß an den Kontaktflä­ chen zwischen den jeweiligen Bändern und auch zwischen dem Wabenkernkörper und dem Metallgehäuse Aufspaltungen und Auflösungen auftreten.

Ferner kann die im allgemeinen 1-2 mm dicke äußere Me­ tallgehäuseaußenwand - wie oben beschrieben - Risse bekom­ men und brechen. Dies ist nicht nur sehr gefährlich, son­ dern führt auch dazu, daß die Standzeit der Abgasreini­ gungsvorrichtung kürzer wird.

Dies bedeutet, daß mit den bisherigen Vorstellungen gebro­ chen werden muß. Es kann für die Zukunft nicht ausreichend sein, die flachen und gewellten Wabenkernkörperbänder bzw. die äußere Wabenkernkörperumfangswand und die damit verbun­ dene innere Metallgehäuseumfangswand einfach fest miteinan­ der zu verbinden oder zu vereinigen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Abgasreinigungs­ vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die obenge­ nannten Nachteile nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsvorrichtung mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Wei­ terbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Dabei wurde gefunden, daß ein von der Umgebung isolierter Hohlraum in dem Metallgehäuse zu einer gleichmäßigereren Temperaturverteilung beim damit verbundenen Wabenkörper im Inneren führt. Und auch, daß die mit der axialen und radia­ len thermischen Expansion und der thermischen Beanspruchung im Bereich des äußeren Umfangsabschnitts des Wabenkernkör­ pers verbundenen Probleme erfindungsgemäß beseitigt werden.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Ab­ gasreinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die ein Metallgehäuse und einen in diesem befestigten Wabenkernkör­ per aufweist, wobei der Wabenkernkörper erhältlich ist durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes aus Metall­ blech und eines gewellten Bandes aus einem weiteren Metall­ blech, so daß dieser viele netzwerkartige axiale Gasdurch­ lässe besitzt und mit einem Abgasreinigungskatalysator be­ legt werden kann. Das Metallgehäuse besitzt einen Hohlraum, der von der Umgebung isoliert ist.

Die Abgasreinigungsvorrichtung besitzt aufgrund dieses Hohlraums in dem Metallgehäuse folgende vorteilhafte Eigen­ schaften:

Aufgrund der verbesserten Wärmeisolationseigenschaften des Metallgehäuses, erhält der darin befestigte Wabenkernkörper eine gleichmäßigerere Temperaturverteilung. Dies bedeutet, daß sich der Temperaturgradient im Bereich des äußeren Wa­ benkernkörperabschnittes vermindert. Dadurch werden ther­ misch bedingte Deformationskräfte im Bereich des äußeren Wabenkernkörperabschnittes oder am Kontaktbereich zwischen der äußeren Wabenkernkörperumfangswand und der inneren Me­ tallgehäuseumfangswand vermieden. Die erfindungsgemäße Ab­ gasreinigungsvorrichtung ist daher, verglichen mit konven­ tionellen Abgasreinigungsvorrichtungen, haltbarer.

Es werden nun weitere technische Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nachstehend unter Bezug auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich dabei selbstverständlich nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht eines Teilschnitts einer Abgasreini­ gungsvorrichtung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Aus­ führungsform;

Fig. 2 einen Querschnitt der Abgasreinigungsvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 die Ansicht eines Teilschnittes einer Abgasreini­ gungsvorrichtung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Aus­ führungsform;

Fig. 4 die Ansicht eines Teilschnittes einer Abgasreini­ gungsvorrichtung gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Aus­ führungsform;

Fig. 5 den Querschnitt einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 6 die Frontansicht einer Abgasreinigungsvorrichtung nach Fig. 3 mit einem gerollten Wabenkernkörper; und

Fig. 7 die Frontansicht einer modifizierten Abgasreini­ gungsvorrichtung der Fig. 3 mit einem gestapelten Waben­ kernkörper.

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Abgasrei­ nigungsvorrichtung mit einem metallischen Wabenkernkörper zur Beladung mit einem Abgasreinigungskatalysator, wie Pla­ tin, Palladium oder Rhodium und einem zylindrischen Metall­ gehäuse. Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung eines Metallgehäuses, dessen innerer Hohlraum von der Umgebung isoliert ist.

Der erfindungsgemäße metallische Wabenkernkörper selbst ist in den Fig. 6 oder 7 gezeigt; er wird wie üblich herge­ stellt.

Der in Fig. 6 gezeigte Wabenkernkörper 1 - das Hauptele­ ment einer Abgasreinigungsvorrichtung A - ist erhältlich durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes 11 und eines gewellten Bandes 12 und anschließendes Zusammenrollen die­ ser zu einer mehrlagigen Spiralstruktur, vorzugsweise so, daß das flache Band 11 die äußerste Umfangswand bildet.

Das flache Band 11 besteht aus 0,03 bis 0,1 mm dicken hit­ zebeständigem Stahlblech. Das gewellte Band 12 hingegen ist erhältlich durch Formen eines flachen Stahlblechs zu einer Wellen- oder Sinusform. Das gewellte Band 12 kann selbst­ verständlich auch die äußerste Umfangswand sein. Durch das Zusammenrollen zu einer Spiralform entstehen automatisch viele netzwerkartige axiale Gasdurchlässe 13, durch die dann Abgase fließen können. Der Wabenkern­ körper 1 kann alternativ auch so hergestellt werden, daß flache und gewellte Bänder 11, 12 in Schichten, wie in Fig. 7 gezeigt, gestapelt werden.

Als flaches Band 11 wird beispielsweise ein Blech mit einer Dicke von 0,04 mm und einer Breite von 100 mm verwendet. Dieses beträgt aus hitzebeständigem Stahl, wie Fe-Cr 20%- Al 5%-Stahl oder einem hitzebeständigem rostfreien Stahl mit einem Zusatz seltener Erden wie Ce oder Y, um dessen Oxida­ tionsbeständigkeit zu verbessern. Für das gewellte Band 12 wird ein ähnliches Stahlblech nach Überführung desselben in eine Wellenform verwendet. Rostfreie aluminiumhaltige Stahlbleche sind jedoch für die jeweiligen Bänder bevor­ zugt, da sich dann bei der Hitzebehandlung Al₂O₃ in Form von Whiskern auf der Oberfläche des Bandes bildet. Diese dienen dann dazu, die sogenannte Waschbeschichtung, auf der dann der Abgasreinigungskatalysator aufgebracht wird, festzuhalten.

Der Wabenkernkörper 1 ist, wie in den Fig. 6 und 7 ge­ zeigt, in ein Metallgehäuse 2 eingeschlossen und mit diesem fest verbunden.

Als nächstes wird nun die Struktur des erfindungsgemäßen Metallgehäuses 2 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Metallgehäuse 2 besitzt wärmeisolie­ rende Eigenschaften, so daß sich die Temperaturen in dem im Metallgehäuse 2 angeordneten Wabenkernkörper 1 gleichmäßi­ ger verteilen. Dies vermindert wirksam die obengenannten Deformationskräfte, die sich auf den Bereich des äußeren Abschnitts des Wabenkernkörpers 1 oder um die Kontaktberei­ che zwischen der äußeren Wabenkernkörperumfangswand und dem Metallgehäuse 2 konzentrieren. Die Deformationskräfte beru­ hen auf der thermischen Expansion oder der thermischen Be­ lastung und werden nachstehend auch als "Wärmedeformations­ kräfte" bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Metallgehäuse 2 ist aus den obenge­ nannten Gründen mit einem Hohlraum 23 konstruiert, der von der Umgebung isoliert ist, so daß das Metallgehäuse 2 wär­ meisolierende Eigenschaften besitzt. In dem inneren Hohl­ raum können zur Verbesserung der Steifigkeit des Metallge­ häuses 2 und um einer Rißbildung, Deformation oder sonsti­ gen Beschädigungen vorzubeugen, eine oder mehrere Rippen oder Trennungswände unterschiedlicher Formen angeordnet sein. Die Luft im Hohlraum des Metallgehäuses kann durch entsprechende Luftzufuhr- und Luftauslaßmittel ausgetauscht werden. Diese Ausführungsform dient dazu, die Abgasreini­ gungsvorrichtung beim Starten oder bei Betrieb der damit verbundenen entsprechenden Brennkraftmaschine vor einer Überhitzung zu schützen.

Der in dem Metallgehäuse befindliche Hohlraum kann auch un­ ter Unterdruck stehen oder evakuiert sein, so daß die Wär­ meisolierung des Metallgehäuses weiter verbessert ist und/oder Geräusche verhindert werden.

Es werden nun besondere Merkmale des Metallgehäuses 2 mit dem von der Umgebung isolierten Hohlraum näher unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen beschrieben.

• (i) In den Fig. 1 und 2 besitzt das Metallgehäuse 2 der Abgasreinigungsvorrichtung A der ersten Ausführungsform zwischen einem inneren Zylinder 21, der in Kontakt mit dem Wabenkernkörper 1 steht, und einem äußeren Zylinder 22, der in Kontakt mit der Umgebungsluft steht, einen Hohlraum 23. Zur Verbesserung der Steifigkeit des Metallgehäuses ist ferner im Hohlraum 23 eine spiralförmige Rippe 24 angeord­ net.
• (ii) In Fig. 3 der zweiten Ausführungsform besitzt das Metallgehäuse 2 der Abgasreinigungsvorrichtung A einen Hohlraum 23, in dem mehrere ringförmige Rippen 25 angeord­ net sind.
• (iii) In der dritten Ausführungsform der Abgasreinigungs­ vorrichtung A, die in Fig. 4 gezeigt ist, besitzt das Me­ tallgehäuse 2 einen Hohlraum 23 mit einer Vielzahl linearer Trennwände 26, die parallel zur Achse des Wabenkernkörpers 1 stehen.
• (iv) In der vierten Ausführungsform der Abgasreinigungs­ vorrichtung A, die in Fig. 5 gezeigt ist, besitzt das Me­ tallgehäuse 2 einen Hohlraum 23, in dem eine gewellte Platte mit vielen alternierenden Erhebungen und Vertiefun­ gen angeordnet ist. Die Erhebungen und Vertiefungen er­ strecken sich parallel zur Achse des Wabenkernkörpers 1 und bilden Trennwände 27.
• (v) Das erfindungsgemäße Metallgehäuse 2 ist jedoch nich auf die obengenannten Strukturen beschränkt. Das Metallge­ häuse 2 kann auch eine der folgenden Strukturen, die nicht in eigenen Zeichnungen aufgeführt sind, haben.
  • (a) Es können zwei oder mehr Rippen und Trennwände - wie in den Fig. 1-5 gezeigt - beliebig miteinander kombi­ niert werden.
  • (b) In einer Modifikation der dritten Ausführungsform (iii) können die linearen Trennwände 26 durch wellenförmige Trennwände, d. h. durch curvilineare Trennwände, die sich parallel zur Achse des Wabenkernkörpers erstrecken, ersetzt sein. Das Metallgehäuse 2 ist bei dieser Modifikation wei­ ter verbessert.
  • (c) Die obengenannten verschieden geformten Rippen und Trennwände können jeweils ein oder mehrere beliebig ge­ formte Löcher oder Schlitze aufweisen, so daß die Zwischen­ räume zwischen den Rippen oder Trennwände miteinander ver­ bunden sind. In diesem Fall kann die Luft im Hohlraum zir­ kulieren, so daß die Temperatur gleichmäßiger wird.
  • (d) Zur Verbesserung der Effizienz einer derartigen Abgas­ reinigungsvorrichtung wird bevorzugt, den Wabenkernkörper mit dem Abgasreinigungskatalysator vorzuerhitzen. Es können hierzu beispielsweise nach dem Start des damit verbundenen Kraftfahrzeugs kurzzeitig Abgase hoher Temperatur in den Hohlraum 23 des Metallgehäuses 2 eingeleitet werden, so daß der Wabenkernkörper 1 vorerhitzt wird. Das Metallgehäuse 2 kann zu diesem Zweck mit Mitteln zum Ein- und Auslaß von Luft aus dem Hohlraum des Metallgehäuses, z. B. durch einen Gaseinlaß und -auslaß, versehen sein. Es können auch Erhit­ zungsmittel vorhanden sein, z. B. ein oder mehrere Wider­ standsdrähte im Hohlraum, so daß der Wabenkernkörper durch Strom durch die Widerstandsdrähte erhitzt werden kann. Zur Verbesserung der Wärmeisolierung kann der Hohlraum 23 in dem Metallgehäuse auch evakuiert sein oder unter verminder­ tem Druck stehen.

Für die Anordnung der Rippe (Rippen) oder Trennwand (Trenn­ wände) 24, 25, 26 oder 27 im Metallgehäuse 2 bestehen praktisch keine Beschränkungen. So können z. B. auf der Außenwand des Innenzylinders 21 oder auf der Innenwand des Außenzylinders 22 eine oder mehrere beliebige Rippen oder Trennwände angeordnet und befestigt sein. Die Innen- und Außenzylinder bilden das Metallgehäuse 2, an dem der Außen­ zylinder 22 oder der Innenzylinder 21 auf den Rippen oder an den Trennwänden befestigt sind. Dabei wird ein Metallge­ häuse 2 mit einem von der Umgebung isolierten Hohlraum 23 erhalten, der im Inneren des Hohlraums 23 angeordnete Rip­ pen oder Trennwände besitzt. Die äußere Umfangswand des Wa­ benkernkörpers 1 kann dabei als Innenzylinder 21 zur Bil­ dung des Metallgehäuses 2 verwendet werden. Bei dieser Aus­ führungsform ist wünschenswert, daß das flache Band 11 meh­ rere Male um die äußere Wabenkernkörperumfangswand gewic­ kelt ist.

Der Form des Metallgehäuses 2 mit dem Hohlraum 23 sind er­ findungsgemäß keine Beschränkungen auferlegt, solange das Metallgehäuse 2 an beiden Enden offen ist. Die Metallge­ häuse können daher, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, einen kreisförmigen oder einen ovalen Querschnitt besitzen. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Verwendung solcher Metallgehäuse. Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung kann auch, damit sie beispiels­ weise auf die Unterseite eines Kraftfahrzeugs montiert wer­ den kann, einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt be­ sitzen.

Als Material für das Metallgehäuse kann der gleiche hitze­ beständige Stahl wie für den Wabenkernkörper, oder ein Me­ tall mit hoher Hitzebeständigkeit und Korrosionsfestigkeit verwendet werden.

Claims (10)

1. Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Metallgehäuse (2) und einem darin befestigten Wabenkernkörper (1), der er­ hältlich ist durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes (11) aus einem Metallblech und eines gewellten Bandes (12) aus einem weiteren Metallblech, und der viele netzwerkar­ tige Gasdurchlässe (13) besitzt, und der zur Belegung mit Abgasreinigungskatalysator ausgelegt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metallgehäuse (2) einen von der Umgebung isolierten Hohlraum (23) begrenzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Rippe (24, 25) oder Trennwand (26, 27) im Hohlraum (23) des Metallgehäuses (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe oder die Trennwand eine der folgenden Formen besitzt: Spiralform (24), Ringform (25), Linearform (26), die parallel zur Achse des Wabenkernkörpers (1) verläuft, Curvilinearform, die parallel zur Achse des Wabenkernkör­ pers (1) ist oder Wellenform (27), die sich in einem Winkel zur Achse des Wabenkernkörpers (1) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe oder die Trennwand im Hohlraum des Metallge­ häuses (2) eine solche Struktur hat, daß die von der Rippe oder der Trennwand definierten Räume miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgehäuse (2) Mittel zur Luftzufuhr- und -ableitung aus dem Hohlraum (23) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (23) unter vermindertem Druck steht oder evakuiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkernkörper (1) erhältlich ist durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes (11) und eines gewellten Bandes (12) und Zusammenrollen des flachen Bandes (11) und des gewellten Bandes (12) zu einer mehrlagigen Spiralform.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkernkörper (1) erhältlich ist durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes (11) und eines gewellten Bandes (12) in Schichten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgehäuse einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgehäuse einen ovalen Quer­ schnitt besitzt.