EP0336115B1 - Abgaskatalysator mit Metallmonolith - Google Patents

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EP0336115B1
EP0336115B1 EP89103696A EP89103696A EP0336115B1 EP 0336115 B1 EP0336115 B1 EP 0336115B1 EP 89103696 A EP89103696 A EP 89103696A EP 89103696 A EP89103696 A EP 89103696A EP 0336115 B1 EP0336115 B1 EP 0336115B1
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EP
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exhaust gas
monolith
catalyst
funnels
matting
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Axel Dipl.-Ing. Böhmer
Rainer Dipl.-Ing. Scholz
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Leistritz AG
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Leistritz AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2839—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration
    • F01N3/2853—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing
    • F01N3/2857—Arrangements for mounting catalyst support in housing, e.g. with means for compensating thermal expansion or vibration using mats or gaskets between catalyst body and housing the mats or gaskets being at least partially made of intumescent material, e.g. unexpanded vermiculite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/02—Metallic plates or honeycombs, e.g. superposed or rolled-up corrugated or otherwise deformed sheet metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2350/00—Arrangements for fitting catalyst support or particle filter element in the housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2470/00—Structure or shape of exhaust gas passages, pipes or tubes
    • F01N2470/10—Tubes having non-circular cross section

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas catalytic converter with a honeycomb structured metal monolith with a monolith jacket or jacketless with a friction-increasing outer profile, which is surrounded by a thematic insulation in the form of a mineral fiber mat and is mounted in a metallic outer housing, the conical exhaust gas inlet and outlet ports of spaced inner shielding funnels are covered and the transition between the monolith shell and the inner funnel is designed as a sliding seat.
  • the metal monolith with a cylindrical. protruding at the ends and preferably made of steel, is provided with a monolith casing, which is connected to the exhaust gas inlet and outlet funnels (see, for example, German Offenlegungsschrift 23 02 746) and in this way forms a load-bearing, warm internal component which is surrounded by thermal insulation is arranged in an outer housing which merely causes the insulation to hold but is no longer self-supporting.
  • This solution has u. a.
  • the inner funnels have a profile stiffening at the inner end, this stiffening of the profile both by appropriate shaping of the funnels and preferably by welded rings which are curved outwards or inwards can be formed.
  • a profile stiffener in the first embodiment of such a profile stiffener it is therefore provided that it comprises an outer ring which is supported on the outer housing with a sliding seat and is welded onto the funnel at the inner end, while alternatively the profile stiffener can also be formed by an inwardly curved inner ring welded to the funnel.
  • the inner ring forming the profile stiffening can optionally also be welded to the monolith jacket on the inlet or outlet side .
  • an exhaust gas catalytic converter in which the monolith jacket is welded to the funnels by means of an external fillet weld and is divided over a continuous metal silicate fiber mat Outer housing is mounted, it can also be provided that the outer housing does not consist of two longitudinal sections movable with a sliding seat, but that an end face of the outer housing with a sliding seat is mounted on the cylindrical end portion of a funnel.
  • the metal silicate fiber mat can also be designed as a swelling mat with or without and / or with or without a wire insert.
  • a particularly simple and reliable exhaust gas catalytic converter results in an embodiment of the invention in that the special axial displacement lock is used by mounting the metal monolith in the load-bearing outer housing in such a way that the metal monolith is formed without the previously usual steel jacket and the spirally wound coil body, which is usually designed as a winding body Provides metal monoliths with a friction-increasing outer profile and is supported by a swelling mat in the load-bearing outer housing, the inner funnels ending freely in front of the metal monolith and the gaps between the monolith and the funnels preferably being covered by external bands.
  • a structure is provided for this sleeveless mounting of the metal monolith, in which the metal monolith, which is wound from trapezoidal or wave-shaped angled support plates and smooth separating plates, is designed in such a way that the plate forming its outer surface is elastically deformed inwardly between the support points by the swelling pressure becomes.
  • This deformation results in quasi external channels and intermediate support ribs that prevent any twisting of the metal monolith in the outer housing, although the monolith is only supported over the swelling mat and is in no way mechanically connected to the outer housing or the inner funnels. This has considerable advantages, since in this way there is no fear of mechanical metal suspension of the metal monolith breaking.
  • the metal monolith is provided with a welded or soldered wire spiral or steel rings which are embedded in the swelling mat and thus contribute in a corresponding manner to the desired axial displacement lock.
  • the exhaust gas catalytic converter shown in FIG. 1 consists of a continuous load-bearing outer housing 1 with the internal and external funnels 3 and 4 at a distance, which are thermally insulated by an aluminum silicate fiber mat 5.
  • the metal monolith 6 with a preferably made of sheet steel monolith jacket 7, which protrudes at the ends, is mounted with the aid of a mineral fiber mat 5 ', preferably designed as a swelling mat, in the load-bearing outer casing 1, preferably roughening the monolith casing, and possibly also the inner surface of the outer casing 1 is provided so that in connection with the strong compression of the mineral fiber mat 5 'an axial displacement lock of the metal monolith 6 in the outer housing 1 is given.
  • the inner funnels 3 and 4 are provided with a profile stiffening formed by an outer ring 9 welded on the outside, this outer ring being supported with a sliding fit in the load-bearing outer housing 1.
  • This outer ring counteracts the risk of the funnels collapsing at high temperatures, which exists in particular in the case of the mostly oval cross-sectional shapes which modern catalytic converters usually have (cf. FIG. 5).
  • the outer ring 9 serves as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 an inwardly curved inner ring 11 or 12, welded to the funnel 3 or 4, is provided.
  • the stiffening inner ring 11 is welded to both the inlet-side funnel 3 and the end 8 of the monolith jacket 7 in a common weld 13.
  • the outlet-side inner ring 12, on the other hand, is only welded to the outlet-side funnel 4, so that there is a sliding fit between this funnel 4 and the protruding end 8 of the monolith jacket.
  • the storage of the metal monolith 6 and the funnels 3 and 4 takes place through a continuous mat 5 ⁇ , preferably designed as a swelling mat.
  • the profile stiffening of the outlet-side funnel 4 shown here is realized by a corresponding profiling instead of by welded inner or outer rings.
  • the metal monolith 6 consists, as is known per se, of a spirally wound component consisting of trapezoidally angled support plates 14 and smooth separating plates 15 and 16.
  • the metal monolith without an outer jacket, as in the embodiments according to FIGS.
  • the first type of friction-increasing outer profile is formed in that the sheets 15, which form the outer surface of the monolith, are so thin that they are dented inward by the high pressure of the swelling mat 5 ', as shown in Fig. 6 .
  • the metal monolith 6 is provided with a soldered wire spiral 17, which is embedded in the swelling mat and thus ensures such firm storage that, even in the event of strong impacts and impacts, the metal monolith 6 cannot slide axially in the outer housing 1.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskatalysator mit einem wabenförmig strukturierter Metallmonolithen mit einem Monolithmantel oder mantellos mit einer reibungserhöhenden Außenprofilierung, der von einer themischen Isolierung in Form einer Mineralfasermatte umgeben in einem metallischen Außengehäuse gelagert ist, dessen konische Abgaszu- und -abführstutzen von beabstandeten inneren Abschirmtrichtern überdeckt sind und der Übergang zwischen Monolithmantel und Innentrichter als Schiebesitz ausgebildet ist.
  • Bei den meisten bisher bekanntgewordenen Ausführungsformen von Abgaskatalysatoren mit Metallmonolithen ist - im Gegensatz zur Federmattenlagerung keramiseher Monolithen in tragenden Außengehäusen - vorgesehen, daß der Metallmonolith mit einem zylindrischen. an den Stirnenden überstehenden und vorzugsweise aus Stahl bestehenden Monolithmantel versehen ist, der mit Abgaszu- und -abführtrichtern verbunden ist (man vergleiche hierzu beispielsweise die Deutsche Offenlegungsschrift 23 02 746) 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 u. a. den Nachteil, daß die thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen dem tragenden Innenteil, bestehend aus den Trichtern und dem Monolithmantel, und dem Außengehäuse ebenso Probleme bereiten wie die Fertigung. Zum Ausgleich der thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen den Innentrichtern und dem Außengehäuse ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 35 06 219 A1 bereits ein Schiebesitz am Übergang zwischen Monolithmantel und Innentrichter vorgesehen. Damit lassen sich zwar auf relativ einfache Weise die genannten Ausdehnungsunterschiede abfangen, doch hat sich gezeigt, daß durch die fehlende starre Verbindung des inneren Trichterendes mit anderen tragenden Bauteilen bei den sehr hohen auftretenden Temperaturen der Trichter sich sehr stark verformen und richtiggehend nach innen einfallen kann.
  • Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist erfindungsgemäß bei einem Abgaskatalysator der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Innentrichter am inneren Ende 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 sein kann.
  • In der ersten Ausführungsform einer derartigen Profilversteifung ist daher vorgesehen, daß sie einen sich am Außengehäuse mit Schiebesitz abstützenden, am inneren Ende auf den Trichter aufgeschweißten Außenring umfaßt, während alternativ die Profilversteifung auch durch einen nach einwärts gewölbten, am Trichter verschweißten Innenring gebildet sein kann.
  • Da zum Ausgleich der thermischen Ausdehnungsunterschiede zwischen dem tragenden Außengehäuse und dem aus den Trichtern und dem Monolithmantel gebildeten Innengehäuse ein Schiebesitz am Einlaß- oder Auslaßtrichter ausreichend ist, kann der die Profilversteifung bildende Innenring ggf. auf der Ein- oder Auslaßseite auch mit dem Monolithmantel verschweißt sein.
  • Bei der Ausführungsfom eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators, 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 Längsabsehnitten besteht, sondern daß ein Stirnende des Außengehäuses mit Schiebesitz auf dem zylindrischen Endabschnitt eines Trichters gelagert ist. Dabei kann die Metallsilikatfasermatte auch durchaus als Quellmatte mit oder ohne und/oder mit oder ohne Drahteinlage ausgebildet sein.
  • Ein besonders einfacher und betriebssicherer Abgaskatalysator ergibt sich in Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß man die besondere axiale Verschiebesicherung 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 versieht und durch eine Quellmatte im tragenden Außengehäuse lagert, wobei die Innentrichter frei vor dem Metallmonolithen enden und die Spalte zwischen dem Monolithen und den Trichtern bevorzugt durch außenliegende Bänder überdeckt sind.
  • In einer ersten Ausführungsform ist für diese mantellose Lagerung des Metallmonolithen ein Aufbau vorgesehen, bei dem der aus trapez- oder wellenförmig gewinkelten Stützblechen und glatten Trennblechen gewickelte Metallmonolith derart ausgebildet ist, daß das seine Außenfläche bildende Blech durch die Quellmaltenpressung elastisch zwischen den Abstülzstellen nach innen deformiert wird. Durch diese Deformierung ergeben sich quasi außenliegende Rinnen und dazwischenliegende Abstützrippen, die jegliches Verdrehen des Metallmonolithen 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 Metallmonolithen zu befürchten ist.
  • Anstelle der genannten elastischen Deformierbarkeit der Außenfläche des mantellos ausgebildeten Metallmonolithen, ggf. auch zusätzlich dazu, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Metallmonolith mit einer aufgeschweißten oder aufgelöteten Drahtspirale bzw. Stahlringen versehen ist, die sich in die Quellmatte einbetten und somit in entsprechender Weise zu der gewünschten Axialverschiebesicherung beitragen.
  • Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, das Außengehäuse zur Versteifung versiekt auszubilden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sieh aus der naehfolgenden Besehreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
    • Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch einen Abgaskatalysator mit einem Metallmonolithen mit Monolithmantel, der über einen Sehiebesitz im ungeteilten tragenden Außengehäuse gelagert ist,
    • Fig. 2 einen Detailschnitt durch eine abgewandelte Schiebesitzausbildung mit Profilversteifung,
    • Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen Abgaskatalysator mit abgewandelter Ausbildung der Schiebesitzlagerung zwischen Trichter und Monolithmantel,
    • Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Abgaskatalysator mit einem mantellos im tragenden Außengehäuse gelagerten Metallmonolithen,
    • Fig. 5 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 6 entsprechend der Linie VII-VII in Fig. 6, und
    • Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht gemäß dem Kreisausschnitt VI in Fig.5.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Abgaskatalysator besteht aus einem durchgehenden tragenden Außengehäuse 1 mit die Abgaszu- und -abführstutzen 2 in Abstand übergreifenden Innentrichtern 3 und 4, die durch eine Aluminiumsilikatfasermatte 5 thermisch isoliert sind. Der Metallmonolith 6 mit einem vorzugsweise aus Stahlblech bestehenden Monolithmantel 7, der an den Enden übersteht, ist mit Hilfe einer vorzugsweise als Quellmatte ausgebildeten Mineralfasermatte 5′ im tragenden Außengehäuse 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 Metallmonolithen 6 im Außengehäuse 1 gegeben ist. Diese axiale Verschiebesicherung durch die Verpressung der Quellmatte 5′ in Verbindung mit der genannten Aufrauhung der Außenfläche des Monlithmantels 7 und der Innenfläche des Außengehäuses 1 ermöglicht die Ausbildung eines Schiebesitzes zwischen den überstehenden Enden 8 des Monolithmantels 7 und den inneren Enden 3a bzw. 4a der Trichter 3, 4. Die Innentrichter 3 und 4 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer durch einen außen aufgeschweißten 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. 5).
  • Die Fig. 2 und 3 zeigen abgewandelte Ausführungsformen einer Metallmonolithlagerung mit Schiebesitz zwischen dem Monolithmantel 7 und dem auslaßseitigen Trichter 4. Dabei ist anstelle eines der Versteifung des Trichters gegen ein Einfallen bei hohen Temperaturen dienenden Außenrings 9, wie beim Ausführungsbeispiel 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 Innenring 12 ist dagegen nur mit dem auslaßseitigen Trichter 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 durchgehende, vorzugsweise als Quellmatte ausgebildete Matte 5˝.
  • Bei der nur im Detailausschnitt dargestellten Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Profilversteifung des hier gezeigten auslaßseitigen Trichters 4 durch eine entsprechende Profilierung anstelle durch aufgeschweißte Innen- bzw. Außenringe realisiert.
  • Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsfom der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein mantelloser Metallmonolith 6 verwendet wird. Der Metallmonolith 6 besteht dabei, wie an sich bekannt, aus einem spiralförmig gewickelten Bauteil, bestehend aus trapezförmig gewinkelten Stützblechen 14 und glatten Trennblechen 15 und 16. Der Metallmonolith ohne einen Außenmantel, wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 5, ist durch eine durchgehende einstückige Quellmatte 5˝, die sich auch in die Innentrichter 3 und 4 erstreckt, im tragenden Außengehäuse 1, das zur Erhöhung der Steifigkeit versiekt ist, gelagert, wobei eine reibungserhöhende Außenprofilierung in Verbindung mit dem hohen Preßdruck der Quellmatte 5˝ eine Axialverschiebung des Metallmonolithen 6 verhindert, obgleich die Innentrichter 3 und 4 frei vor dem Metallmonolithen 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 Außenfläche des Monolithen bilden, so dünn ausgebildet sind, daß sie durch den hohen Preßdruck der Quellmatte 5˝ nach innen gedellt werden, wie es in Fig, 6 gezeigt 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 (6)

1. Abgaskatalysator mit einem wabenförmig strukturierten Metallmonolithen (6), mit einem Monolithmantel (7) oder mantellos mit einer reibungserhöhenden Außenprofilierung, der von einer thermischen Isolierung in Form einer Mineralfasermatte (5, 5′ 5˝) umgeben in einem metallischen Außengehäuse (1) gelagert ist, dessen konische Abgaszu- und -abführstutzen (2) von beabstandeten inneren Abschirmtrichtern (3, 4) überdeckt sind und der Übergang zwischen Monolithmantel (7) und Innentrichter (3, 4) als Schiebesitz ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innentrichter (3, 4) am inneren Ende eine Profilversteifung (9, 11, 12) aufweisen.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilversteifung einen sich am Außengehäuse (1) mit Schiebesitz abstützenden Außenring (9) umfaßt.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilversteifung durch einen nach einwärts gewölbten, am Trichter (3, 4) verschweißten Innenring (11, 12) gebildet ist.
4. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mineralfasermatte eine Aluminiumsilikatfasermatte ist.
5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die gesamte Ratalysatorlänge oder zumindest im Lagerbereich des Monolithen die Mineralfasermatte eine Quellmatte ist.
6. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellmatte Quellglimmer und/oder eine Drahteinlage enthält.
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