DE60003595T2

DE60003595T2 - Monolithische Tragstruktur für die Verwendung bei Katalysatoren

Info

Publication number: DE60003595T2
Application number: DE60003595T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Itou; Kimiyoshi Nishizawa; Ken Oouchi; Katsuhiro Shibata
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: US6685888B1; EP1036920A3; KR100345814B1; JP2000265831A; EP1036920B1; KR20000062947A; JP3613061B2; EP1036920A2; DE60003595D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Katalysatoren eines Typs mit einem sogenannten Monolith, d. h. mit einem mit Katalysatormaterial beschichteten bienenwabenartigem Gitter, in dem Gehäuse des Katalysators, und betrifft insbesondere Strukturen, um den Monolith in dem Gehäuse sicher zu halten. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung Halterungen, durch die der Monolith elastisch und sicher im Gehäuse gehaltert wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In neueren Automobilen wird ein Katalysator in einem Abgassystem des Motors installiert, um die Abgasemissionen zu reduzieren. Gewöhnlich hat der Katalysator ein hitzebeständiges Metallgehäuse, in welchen ein bienenwabenartiges Gitter, das mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist und als Monolith bezeichnet wird, durch elastische Halterungen o. ä. gehaltert wird.
Einer dieser herkömmlichen Katalysatoren ist in der ersten einstweiligen Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung 7-317537 dargestellt, welche Drahtgeflechtelemente als elastische Halterungen verwendet. Das heißt: im Katalysator wird eine zylindrische Struktur aus Drahtgeflecht zwischen dem Monolith und dem Gehäuse installiert, um den Monolith in einer radialen Richtung elastisch zu halten, und zwei ringförmige Scheiben aus Drahtgeflecht sind an dem vorderen und dem hinteren Ende des Monoliths vorgesehen, um den Monolith elastisch in einer axialen Richtung zu halten. Aufgrund der Brüchigkeit, die der Monolith unausweichlich besitzt, insbesondere an den kreisförmigen äußeren Rändern des Monoliths, hat es sich allerdings erwiesen, dass ein sicheres Haltern des Monoliths im Gehäuse sehr schwierig ist, selbst wenn die oben erwähnten elastischen Halterungen in der Praxis verwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Monolithhalterungsstruktur zum elastischen und sicheren Haltern eines Monoliths in einem Gehäuse des Katalysators bereitzustellen.
Es ist eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Monolithhalterungsstruktur bereitzustellen, die einen durch die Monolithhalterungsstruktur gehalterten Monolith vor Beschädigungen schützt.
Diese Aufgabe wird durch die Monolithhalterungsstruktur mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die im Oberbegriff von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale sind aus der JP 7-317537 A bekannt.
Vorteilhafte Verbesserungen werden in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen beansprucht.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Katalysators, für den eine Monolithhalterungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung praktisch verwendet wird;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils, der durch einen Pfeil "II" in Fig. 1 bezeichnet wird;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer elastischen Scheibe und einer Schale, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, dargestellt in einem Zustand, in dem die elastische Scheibe unbelastet ist;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer modifizierten Ausführung der elastischen Scheibe, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
Fig. 5A, 5B und 5C sind Darstellungen, die den komprimierten Zustand von verschiedenen elastischen Scheiben zeigen, welche diese einnehmen, wenn ein Monolith durch die elastischen Scheiben gehaltert wird;
Fig. 6 ist ein Graph, in dem eine Schadensauftrittsrate gegenüber einem Überlappungsausmaß aufgetragen ist;
Fig. 7A und 7B sind Darstellungen, die den Zustand einer elastischen Scheibe zeigen, wenn diese bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen bzw. hohen Temperaturen gehalten wird, wobei die elastische Scheibe keinen Teil aufweist, der einer zweiten abgeschrägten Oberfläche entsprechen würde;
Fig. 8A und 8B entsprechen den Fig. 7A und 7B, wobei die Scheibe einen Teil aufweist, der der zweiten abgeschrägten Oberfläche entspricht;
Fig. 9 ist ein Graph, der eine Korrelation zwischen einer Abweichung aus der. Mittelstellung der oberen Oberfläche einer elastischen Scheibe bezüglich der unteren Oberfläche und einer Schadensauftrittsrate eines Monoliths zeigt;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer elastischen Scheibe mit einer höchst bevorzugten Form; und
Fig. 11 ist ein Graph, der eine Schadensauftrittsrate bezüglich der Breite einer kontaktierenden Oberfläche einer elastischen Scheibe zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nachfolgend wird die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Zum Erleichtern des Verständnisses werden richtungsbehaftete Ausdrücke wie z. B. oberer, unterer, rechts, links, nach oben etc. in der Beschreibung verwendet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass solche Ausdrücke nur bezüglich der Figur (Figuren) zu verstehen sind, in welcher (welchen) die entsprechenden Teile oder Abschnitte dargestellt sind.
In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Katalysators 1 gezeigt, mit dem zusammen die vorliegende Erfindung praktisch verwendet wird. Der gezeigte Katalysator 1 ist mit einer Auslassöffnung eines Abgaskrümmers 2 einer in einem motorisierten Fahrzeug vorgesehenen Verbrennungsmaschine verbunden.
Innerhalb eines Gehäuses, das durch einen ringförmigen Flansch 5 gebildet wird, der um die Auslassöffnung des Abgaskrümmers 2 und einen zylindrischen Behälter 3 des Katalysators 1 vorgesehen ist, ist ein keramischer zylindrischer Monolith 4 installiert. Gewöhnlich beträgt die Dicke der Zellwand des Monoliths 4 etwa einige mil, so dass der Monolith 4 zerbrechlich ist. Tatsächlich hat selbst eine zylindrische Wand, d. h. die äußerste Schicht des Monoliths 4, eine Dicke, die nur wenige mal größer als die Zellwand ist. Der zylindrische Behälter 3 weist an seinem oberen Abschnitt einen ringförmigen Flansch 11 auf, der mittels (nicht gezeigten) Bolzen am ringförmigen Flansch 5 befestigt ist.
Wie dargestellt umfasst der zylindrische Behälter 3 einen zylindrischen Hauptabschnitt 8, der darin den Monolith 4 beinhaltet, und einen konusförmigen Auslassabschnitt 7, der an seinem vorderen Ende einen Flansch 6 aufweist. Obwohl dies nicht in der Figur dargestellt ist, ist ein vorderes Ende eines Abgasrohrs mit dem Flansch 6 mittels Bolzen verbunden, um das Innere des Behälters 3 mit dem Inneren des Abgasrohrs in Verbindung zu bringen.
Wie anhand von Fig. 1 gut erkennbar ist, ist die innere Wand des Behälters 3 an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem zylindrischen Hauptabschnitt 8 und dem konusförmigen Auslassabschnitt 7 gebildet, wobei eine ringförmige Stufe 9 vorgesehen ist, um einen unteren äußeren Rand des zylindrischen Monoliths 4 durch eine weiter unten beschriebene untere Halterung "LH" zu halten. Ähnlich dazu wird die innere Wand des Flansches 5 des Abgaskrümmers 2 an einem Abschnitt gebildet, der dem Inneren des zylindrischen Hauptabschnitts 8 gegenüberliegt, wobei eine ringförmige Stufe vorgesehen ist, um einen oberen äußeren Rand des zylindrischen Monoliths 4 mittels einer weiter unten beschriebenen unteren Halterung "UH" zu haltern.
Der innere Durchmesser des Behälters 3 ist geringfügig größer als der äußere Durchmesser des zylindrischen Monoliths 4, so dass zwischen diesen ein zylindrischer Raum definiert wird.
Innerhalb dieses zylindrischen Raums ist eine zylindrische dämpfende Halterung 15 eingebracht, durch die der zylindrische Monolith 4 in einer radialen Richtung elastisch gehaltert wird. Die dämpfende Halterung 15 besteht aus einer zylindrischen Matte, die aus einem gewellten Drahtgeflecht besteht.
Wie anhand von Fig. 1 ersichtlich ist, ist die axiale Länge der dämpfenden Halterung 15 kleiner als die des Monoliths 4, so dass zwei zylindrische Raumbereiche "US" und "LS" um den oberen und den unteren Abschnitt des Monoliths 4 definiert werden.
Innerhalb des unteren zylindrischen Raumabschnitts "LS" ist eine dämpfende Matte 16 vorgesehen, die aus nicht brennbaren Fasern besteht. Die Matte 16 wird in den Raumabschnitt "LS" gestopft, um ein Abdichten der äußeren Oberfläche des Monoliths 4 gegenüber der inneren Oberfläche des Hauptabschnitts 8 des Behälters 3 zu erreichen. Das heißt, dass durch das Vorsehen der Matte 16 das Strömen von Abgasen durch die dämpfende Halterung 15 angemessen unterdrückt wird.
Da die untere Halterung "LH" und die obere Halterung "UH" nahezu identisch konstruiert sind, werden sie detailliert nur anhand der unteren Halterung "LH" beschrieben.
Wie anhand der Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst die untere Halterung "LH" eine ringförmige elastische Scheibe 21 und eine ringförmige Metallschale 22, in der die Scheibe 21 eingesetzt wird. Die Schale 22 ist aus einem ferritischen nicht rostendem Stahl hergestellt, welcher eine sehr geringe thermische Ausdehnung aufweist, wie z. B. SUS430 (japanischer Industriestandard JIS) o. ä..
Wie anhand von Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst die Schale 22 eine ringförmige Bodenwand 23, eine innere zylindrische Wand 24, die sich von einer inneren Peripherie der Bodenwand 23 nach oben erstreckt, und eine äußere zylindrische Wand 25, die sich von einer äußeren Peripherie der Bodenwand 23 nach oben erstreckt. Somit hat die Schale 22 einen im Allgemeinen U-förmigen Querschnitt.
Wie gezeigt sind die innere zylindrische Wand 24 bzw. die äußere zylindrische Wand 25 der Schale 22 innerhalb bzw. außerhalb einer äußeren Peripherie 4a des unteren Endes des zylindrischen Monoliths 4 (vgl. eine untere periphere Kante 4a des Monoliths 4) vorgesehen, wenn sie zusammengesetzt sind. Die äußere zylindrische Wand 25 überlappt daher teilweise die äußere Oberfläche des Monoliths 4. Die Höhe der inneren zylindrischen Wand 24 ist kleiner als die der elastischen Scheibe 21, so dass ein unerwünschtes Anliegen des unteren Endes des Monoliths 4 gegen die Oberseite der inneren zylindrischen Wand 24 selbst dann vermieden wird, wenn eine ausgeprägte Belastung am Monolith 4 in einer Richtung angelegt wird, die einem Zusammenpressen der elastischen Scheibe 21 beim Fahren eines zugehörigen Kraftfahrzeugs auftritt.
Die elastische Scheibe 21 besitzt eine ringförmige Struktur, die aus einem umflochtenem Drahtgeflecht hergestellt ist. Insbesondere wird zur Herstellung der elastischen Scheibe 21 das umflochtene Drahtgeflecht in Pressformen gepresst, um es in eine gegebene Form zu bringen. Wie anhand der Figuren ersichtlich ist, ist die elastische Scheibe 21 konzentrisch in der Schale 22 vorgesehen. Nach korrektem Einbau in den Behälter 3 weist die elastische Scheibe 21 einen radial äußeren Abschnitt auf, der außerhalb des unteren peripheren Randes 4a des zylindrischen Monoliths 4 liegt, und einen radial inneren Bereich, der innerhalb des unteren peripheren Randes 4a des Monoliths 4 liegt.
Wie oben erwähnt wurde, weist die obere Halterung "UH" im Wesentlichen die gleiche Bauweise auf, wie die oben erwähnte untere Halterung "LH". Das heißt, wie anhand von Fig. 1 ersichtlich ist, die obere Halterung "UH" weist eine ringförmige elastische Scheibe 21 und eine ringförmige Metallschale 22 auf, in welche die Scheibe 21 koaxial eingebracht wird. Bei der oberen Halterung "UH" ist jedoch der ringförmige Bodenbereich der Schale 22 in Kontakt mit einer ringförmigen flachen Wand (ohne Bezugszeichen), die durch die ringförmige Stufe 10 definiert wird und die elastische Scheibe 21 haltert, und beaufschlagt elastisch einen oberen peripheren Rand des zylindrischen Monoliths 4, wie dargestellt.
Wie anhand von Fig. 1 verständlich wird, werden die oberen und unteren Halterungen "UH" und "LH" um ein gegebenes Ausmaß elastisch zusammengepresst, wenn der ringförmige Flansch 11 des zylindrischen Behälters 3 über Bolzen richtig am ringförmigen Flansch 5 befestigt ist.
Wie mit fortschreitender Beschreibung deutlich werden wird, steht jede elastische Scheibe 21 mit der äußeren zylindrischen Wand 25 der Schale 22 in Kontakt, wenn die oberen und unteren Halterungen "UH" und "LH" bei normaler Temperatur um ein vorgegebenes Maß zusammengedrückt werden, wobei ein bestimmter, aber kleiner Bereich zwischen einer inneren zylindrischen Oberfläche der Scheibe 21 und der inneren zylindrischen Wand 24 der Schale 22 verbleibt, wie anhand von Fig. 2 ersichtlich ist. Das heißt, dass der Raum vorgesehen ist, um einen ausgedehnten Teil der Schale 22 aufzunehmen, welcher dann auftritt, wenn die Schale 22 bei der Verwendung des Katalysators 1 erhitzt wird.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der unteren Halterung "LH" unter Umständen, bei denen keine Belastung vorliegt. Wie gezeigt hat bei diesen unbelasteten Umständen die elastische Scheibe 21 der unteren Halterung "LH" einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt und ist so geformt, dass es eine Grundoberfläche 21a, eine obere Oberfläche 21b, eine äußere Oberfläche 21c und eine innere Oberfläche 21d umfasst. Zwischen der oberen Oberfläche 21b und der äußeren Oberfläche 21c ist eine erste abgeschrägte Oberfläche 31 vorgesehen, und zwischen der oberen Oberfläche 21b und der inneren Oberfläche 21d ist eine zweite abgeschrägte Oberfläche 32 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass die erste abgeschrägte Oberfläche 31 außerhalb des unteren peripheren Randes 4a des zylindrischen Monoliths 4 vorgesehen ist. Speziell ist eine äußere Peripherie 21e der oberen Oberfläche 21b an den unteren peripheren Rand 4a des Monoliths 4 angepasst, wie gezeigt.
Das heißt, dass im unbelasteten Zustand der unteren Halterung "LH" die folgenden Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:
L1 > L2; L1 < L3; H1 > H2; H1 < H3; L1 ≥ H1; L2 ≥ H2; L0 < H0 (1)
wobei:
L1: die radiale Länge der äußeren abgeschrägten Oberfläche 31 ist,
L2: die radiale Länge der inneren abgeschrägten Oberfläche 32 ist,
L3: die radiale Länge der zweiten Oberfläche 21b ist,
H1: die axiale Länge der äußeren abgeschrägten Oberfläche 31 ist,
H2: die axiale Länge der inneren abgeschrägten Oberfläche 32 ist,
H3: die axiale Länge einer äußeren zylindrischen Oberfläche 21c der Scheibe 21, 21' ist,
L0: die Dicke der Scheibe 21 ist,
H0: die Höhe der Scheibe 21 ist.
Bei der abgebildeten Ausführungsform beträgt L0 etwa 6 mm, L1 etwa 2 mm, L2 etwa 1 mm, L3 etwa 3 mm, H0 etwa 7,1 mm, H1 etwa 3 mm, H2 etwa 1,5 mm und H3 etwa 4,1 mm, und der Durchmesser des Drahtes für das Drahtgeflecht der elastischen Scheibe 21 ist nicht größer als 0,15 mm. Die Plattendicke der Schale 22 beträgt etwa 0,6 mm.
Weiterhin ist im nicht belasteten Zustand der unteren Halterung "LH" ein Freiraum von etwa 0,1 mm zwischen der äußeren zylindrischen Wand 25 der Schale 22 und der äußeren Oberfläche 21c der Scheibe 21 definiert, und ist ein Freiraum von etwa 1,2 mm zwischen der inneren zylindrischen Wand 24 der Schafe 22 und der inneren Oberfläche 21d der Scheibe 21 definiert.
Es muss nun betont werden, dass die obere Halterung "UP" im Wesentlichen dasselbe dimensionale Verhältnis aufweist, wie die untere Halterung "LH".
Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt, der zylindrische Monolith 4 im zylindrischen Gehäuse 3 korrekt eingebaut ist, werden die untere und die obere Halterung "LH" und "UH" in axialer Richtung druckbeaufschlagt, wie oben beschrieben wurde. Somit wird die elastische Scheibe 21 jeder Halterung "LH" oder "UH" um ein bestimmtes Maß zusammengedrückt, wodurch der Monolith 4 im Gehäuse 3 elastisch gehaltert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform unterliegt die elastische Scheibe 21 einer Kompression von etwa 50% oder weniger. Das heißt, dass aufgrund der Kompression die Höhe der elastischen Scheibe 21 auf etwa 4,3 mm reduziert wird. Dabei wird ein oberer, sich verjüngender Bereich der elastischen Scheibe 21 (vgl. Fig. 3), die durch die obere Oberfläche 21b der ersten und zweiten abgeschrägten Oberflächen 31 und 32 definiert wird, hauptsächlich komprimiert.
Es muss betont werden, dass diese Art der Kompression ein glättendes Einwirken von axialer Kraft auf den unteren peripheren Rand 4a des zylindrischen Monoliths 4 bewirkt. Es wird ferner betont, dass wegen des Vorsehens der ersten abgeschrägten Oberfläche 31 vermieden wird, dass die unteren elastischen Scheiben 21 einen angeschwollenen Bereich bilden, der den unteren peripheren Rand 4a des Monoliths 4 umlappt, selbst wenn eine Kompression vorliegt. Selbst wenn die elastische Scheibe 21 komprimiert wird, wird zudem wegen des Vorsehens der zweiten abgeschrägten Oberfläche 32 keine vorspannende Kraft bewirkt, die den peripheren Rand 4a des Monoliths 4 radial nach außen vorspannen würde. Weiterhin bewirkt aufgrund des Vorsehens des Raums zwischen der inneren zylindrischen Wand 24 der Schale 22 und der inneren Oberfläche 21d der elastischen Scheibe 21 ein radiales nach außen Verschieben der Wand 24 aufgrund einer thermischen Expansion der Schale 22 keine radial nach außen gerichtete Vorspannung der Scheibe 21. Es wird betont, dass diese Phänomene auch für die obere Halterung "UH" zu erwarten sind.
Mit diesen vorteilhaften Phänomenen, die in der einzigartigen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung begründet sind, werden die unteren und oberen peripheren Ränder 4a des zylindrischen Monoliths 4 zuverlässig vor Beschädigungen beschützt.
Falls erwünscht, können die folgenden Beziehungen bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
L1 > L2; L1 < L3; H1 > H2; H1 < H3; L1 ≤ H1; L2 ≤ H2; L0 ≥ H0 (2)
Fig. 4 zeigt eine Modifikation 21' der elastischen Scheibe 21. Bei dieser Modifikation 21' sind die ersten und zweiten abgeschrägten Oberflächen 31' und 32' konvex geformt, wobei jede einen Krümmungsradius "R1" oder "R2" besitzt. Vorzugsweise ist der Radius "R1" größer als der Radius "R2".
Um die vorliegende Erfindung in die Praxis umzusetzen, wurden durch die Erfinder verschiedene Tests durchgeführt, die nachfolgend beschrieben werden sollen.
Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen die Ergebnisse eines Tests, der mit drei elastischen Scheiben, der ersten Scheibe 51A, der zweiten Scheibe 51B, und der dritten Scheibe 51 C, durchgeführt wurde. Die dritte Scheibe 51C hat eine abgeschrägte Oberfläche entsprechend der oben erwähnten ersten abgeschrägten Oberfläche 31 (vgl. Fig. 3), die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Beim Test wurde jede elastische Scheibe 51A, 51B oder 51C durch den unteren peripheren Rand 53 des Monoliths 52 um ein solches Maß zusammengedrückt, dass der Monolith 52 geeignet gehaltert wurde. Wie gezeigt wurde in der ersten Scheibe 51A von Fig. 5A ein nach oben geschwollener Teil 51Aa erzeugt, der den unteren peripheren Rand 53 des Monoliths 52 umgab, während bei der zweiten Scheibe 51B und der dritten Scheibe 51C der Fig. 5B und 5C kein solcher geschwollener Bereich erzeugt wurde. Zum leichteren Verständnis werden die nicht geschwollenen Teile der zweiten bzw. dritten Scheibe 51 B und 51 C durch die Bezugszeichen 51Ba und 51Ca bezeichnet.
Wenn daher ein Abstand zwischen der Oberseite des angeschwollenen (oder nicht angeschwollenen) Teils 51Aa, 51Ba oder 51Ca der Scheibe 51A, 51B oder 51C und dem unteren peripheren Rand 53 des Monoliths 52 als Überlappungsgrad "OD" bezeichnet wird, gelten für die Scheiben 51A, 51B oder 51C die folgenden Ungleichungen:
Für die erste elastische Scheibe 51A:
OD > 0 (3)
Für die zweite elastische Scheibe 51B:
OD = 0 (4)
Für die dritte elastische Scheibe 51C:
OD < 0 (5)
Um eine Korrelation zwischen dem Überlappungsgrad "OD" und der Schadensauftrittsrate am unteren peripheren Rand 53 des Monoliths 52 zu finden, wurden mit den ersten, zweiten und dritten elastischen Scheiben 51A, 51B und 51 verschiedene Tests durchgeführt.
Fig. 6 ist ein Graph, der die Ergebnisse dieser Tests wiedergibt. Wie anhand dieses Graphs ersichtlicht ist, wird die Schadensauftrittsrate sehr hoch, wenn der Überlappungsgrad "OD" 0 (Null) überschreitet.
Die Erfinder haben aufgezeigt, wie man anhand von Fig. 5A erkennt, dass eine solche hohe Schadensrate durch eine nach außen gerichtete vorspannende Kraft verursacht wird, die unterhalb des unteren peripheren Randes 53 des Monoliths 52 erzeugt wird, wenn die erste elastische Scheibe 51A in einem solchen Ausmaß zusammengedrückt wird, dass ein nach oben angeschwollener Teil 51Aa erzeugt wird. Das heißt: die nach außen gerichtete vorspannende Kraft zieht den unteren peripheren Rand 53 radial nach außen und beschädigt dadurch diesen. Im Falle der zweiten und dritten elastischen Scheiben 51B und 51C wird keine solche Kraft, die der nach außen gerichteten vorspannenden Kraft entspricht, erzeugt.
Die Fig. 7A, 7B, 8A und 8B sind Darstellungen, die die Ergebnisse eines weiteren Tests zeigen, d. h. das Verhalten von anderen zwei, also vierten und fünften, elastischen Scheiben 51D und 51E, die gemacht wurden, als sie bei relativ niedrigen Temperaturen bzw. hohen Temperaturen gehaltert wurden. Jede Scheibe 51D oder 51E wurde in eine Schale 55 eingesetzt. Fig. 7A und 8A zeigen den Zustand bei vergleichsweise niedriger Temperatur und Fig. 7B und 8B zeigen den Zustand bei hoher Temperatur. Die vierte elastische Scheibe 51D hat keinen Teil, der der oben erwähnten zweiten abgeschrägten Oberfläche 32 entspricht, während die fünfte elastische Scheibe 51E einen Teil 54 aufwies, der der zweiten abgeschrägten Oberfläche 32 entspricht. Die praktisch verwendete vierte elastische Scheibe 51D hatte einen nach innen gerichteten Bereich, der mit 51Db bezeichnet wird.
Wie anhand der Fig. 7A und 7B ersichtlich ist, dehnt sich die Schale 55 aus wenn sie erhitzt wird, und bewegt sich dadurch radial nach außen. Dadurch zieht die vergleichsweise große obere Fläche der vierten elastischen Scheibe 51D den unteren peripheren Rand 53 radial nach außen, was die Möglichkeit einer Beschädigung desselben beinhaltet. Während - wie anhand der Fig. 8A und 8B im Fall der fünften elastischen Scheibe 51E ersichtlich ist, selbst wenn die Schale 55 aufgrund ihrer thermischen Ausdehnung sich radial nach außen bewegt, zieht die vergleichsweise kleine obere Fläche der Scheibe 51E den peripheren unteren Rand 53 nicht stark radial nach außen. Dies liegt daran, dass zwischen der relativ kleinen oberen Fläche der Scheibe 51E und dem unteren peripheren Rand 53 ein geringerer Reibungswiderstand erzeugt wird. Dadurch wird im Fall der fünften Scheibe 51E die Möglichkeit einer Beschädigung des Randes vergleichsweise niedrig.
Um die Korrelation zwischen einer Abweichung von der Mittellage zwischen der unteren und der oberen Oberfläche der elastischen Scheibe 51 und der Schadensauftrittsrate des Monolithen 52 zu finden, wurden viele Tests durchgeführt.
Fig. 9 ist ein Graph, der die Ergebnisse der Tests zeigt. Wie anhand dieses Graphs verständlich wird, wird die Schadensauftrittsrate sehr hoch, wenn die Mittellage der oberen Oberfläche radial außerhalb der Mittellage der unteren Oberfläche liegt. Wenn jedoch die Mittellage der oberen Oberfläche innerhalb der Mittellage der unteren Oberfläche liegt, so wird die Schadensauftrittsrate sehr niedrig. Die Test haben aufgezeigt, dass nur 1 mm nach Innen Verschieben der Mittellage der oberen Oberfläche ein erwünschtes Ergebnis bewirkt.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten elastischen Scheibe 51. Die Scheibe 51 hat äußere und innere abgeschrägte Oberflächen 58 und 59, die den oben erwähnten ersten und zweiten Oberflächen 31 und 32 entsprechen. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn "L1 > L2" erfüllt ist, wie in der Figur darstellt ist, dann ist die Mittellage der oberen Oberfläche innerhalb der Mittellage der unteren Oberfläche vorgesehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die mit L3 bezeichnete Fläche die obere Oberfläche ist, die direkt und elastisch den unteren peripheren Rand des Monoliths stützt.
Um eine Korrelation zwischen der Breite L3 der unteren Oberfläche und der Schadensauftrittsrate herauszufinden, wurden mehrere Tests durchgeführt.
Fig. 11 ist ein Graph, der die Ergebnisse dieser Tests zeigt. Wie anhand dieses Graphen ersichtlich ist, wird die Schadensauftrittsrate sehr hoch, wenn die Breite L3 kleiner ist als ein vorgegebener Wert (z. B. 3 mm).
Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, wird die Erfindung durch die Ansprüche definiert und ist nicht durch die oben beschriebene Ausführungsform eingeschränkt.

Claims

1. Eine Monolithhalterungsstruktur zur elastischen Halterung eines Monoliths (4) in einem Gehäuse (3) in einem Katalysator (1), umfassend:

eine ringförmige elastische Scheibe (21, 21'), die auf einer ringförmigen Sitzstruktur eingesetzt ist, welche durch das Gehäuse (3) definiert wird, um darauf einen kreisförmigen äußeren Rand (4a) des Monoliths (4) zu haltern,

eine Einspannstruktur, um den Monolith (4) in Richtung der ringförmigen elastischen Scheibe (21) zu drücken, um dadurch letztere in einem gewissem Ausmaß zusammenzudrücken,

wobei die ringförmige elastische Scheibe (21, 21') aus einem Drahtgeflecht besteht, und einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, eine erste Oberfläche (21a), die auf der ringförmigen Sitzstruktur aufliegt, eine zweite Oberfläche (21b), um darauf direkt den ringförmigen äußeren Rand (4a) des Monoliths (4) zu haltern, einen äußeren Bereich, der radial außerhalb des kreisförmigen äußeren Randes (4a) des Monoliths (4) liegt, und einen inneren Bereich, der radial innerhalb des kreisförmigen äußeren Randes (4a) des Monoliths (4) liegt, aufweist;

dadurch gekennzeichnet, dass

die ringförmige elastische Scheibe (21, 21') eine äußere abgeschrägte Oberfläche (31, 31') um ihre kreisförmige äußere Oberfläche umfasst, die radial außerhalb des kreisförmigen äußeren Randes (4a) des Monoliths (4) vorgesehen ist.

2. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die ringförmige elastische Scheibe (21, 21') zusätzlich eine innere abgeschrägte Oberfläche (32, 32') um eine ringförmige innere Oberfläche der Scheibe umfasst, wobei die innere abgeschrägte Oberfläche (32, 32') radial innerhalb des Monoliths und dem ringförmigen äußeren Rand (4a) des Monoliths (4) gegenüberliegend vorgesehen ist, so dass eine Breite der zweiten Oberfläche (21b) der ringförmigen elastischen Scheibe (21, 21') kleiner als die Breite der ersten Oberfläche (21a) der Scheibe (21, 21') ist.

3. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß Anspruch 2, bei welcher die äußere abgeschrägte Oberfläche (31, 31') radial außerhalb des kreisförmigen äußeren Randes des Monoliths vorgesehen ist und bei welcher eine mittlere Position der zweiten Oberfläche (21b) radial innerhalb einer mittleren Position der ersten Oberfläche (21a) vorgesehen ist.

4. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die ringförmige elastische Scheibe (21, 21') so geformt ist, dass sie im unbelasteten Zustand die folgenden Beziehungen erfüllt:

L1 > L2; L1 < L3; H1 > H2; H1 < H3; L1 ≥ H1; L2 ≥ H2; L0 < H0,

wobei:

L1: die radiale Länge der äußeren abgeschrägten Oberfläche (31, 31') ist,

L2: die radiale Länge der inneren abgeschrägten Oberfläche (32, 32') ist,

L3: die radiale Länge der zweiten Oberfläche (21b) ist,

H1: die axiale Länge der äußeren abgeschrägten Oberfläche (31, 31') ist,

H2: die axiale Länge der inneren abgeschrägten Oberfläche (32, 32') ist

H3: die axiale Länge einer äußeren zylindrischen Oberfläche (21c) der Scheibe (21, 21') ist,

L0: die Dicke der Scheibe (21, 21') ist,

H0: die Höhe der Scheibe (21, 21') ist.

5. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die äußere abgeschrägte Oberfläche (31') und die innere abgeschrägte Oberfläche (32') der Scheibe (21') konvex ausgebildet sind.

6. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß Anspruch 5, wobei ein Krümmungsradius (R1) der äußeren abgeschrägten Oberfläche (31') größer ist als ein Krümmungsradius (R2) der inneren abgeschrägten Oberfläche (32').

7. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend: eine Schale (22) zur Aufnahme der Scheibe (21, 21'), wobei die Schale (22) eine ringförmige Bodenwand (23), eine innere zylindrische Wand (24), die sich von einer inneren Peripherie der Bodenwand (23) empor erhebt, und eine äußere zylindrische Wand (25), die sich von einer äußeren Peripherie der Bodenwand (23') empor erhebt, aufweist, wobei die äußere zylindrische Wand (25) radial außerhalb des ringförmigen äußeren Randes (4a) des Monoliths (4) vorgesehen ist und die innere zylindrische Wand (24) radial innerhalb des kreisförmigen äußeren Randes (4a) des Monoliths (4) vorgesehen ist.

8. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Durchmesser des Drahtes des Drahtgeflechts der elastischen Scheibe (21, 21') nicht größer als 0,15 mm ist.

9. Eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Dicke der Zellwand des Monoliths (4) etwa einige mil beträgt.

10. Ein Katalysator (1) mit einem Gehäuse (3), das eine Monolithhalterungsstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.