EP0450348B1 - Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0450348B1
EP0450348B1 EP91103668A EP91103668A EP0450348B1 EP 0450348 B1 EP0450348 B1 EP 0450348B1 EP 91103668 A EP91103668 A EP 91103668A EP 91103668 A EP91103668 A EP 91103668A EP 0450348 B1 EP0450348 B1 EP 0450348B1
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exhaust gas
housing
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sealing ring
gas converter
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Georg Dipl.-Ing. Reuther
Harald Dipl.-Ing. Bressler
Wolfgang Dipl.-Ing. Zahn
Gottfried Dipl.-Ing. Wollenhaupt
Hans-Dieter Dipl.-Ing. Schuster
Reiner Kreeb
Wolfgang Dipl.-Ing. Spieker
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Heinrich Gillet GmbH
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    • F01N13/14—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having thermal insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
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    • 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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    • F01N3/2867—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 placed at the front or end face of catalyst body
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N2350/00—Arrangements for fitting catalyst support or particle filter element in the housing
    • F01N2350/02—Fitting ceramic monoliths in a metallic housing

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas converter for internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and as known for example from DE-A-34 32 283.
  • the catalytic monoliths reach temperatures of up to 870 degrees C during operation. At this temperature, the housings glow bright red. They must therefore be made from high quality stainless steel. Cheaper steels can be used if the housing is equipped with internal heat insulation.
  • the known exhaust gas converters in the area of the input and output cones are internally covered with insulating material, eg B. an aluminum silicate fiber mat. This is protected by metallic inner cones against the destructive effects of the pulsating exhaust gas flow.
  • the monoliths themselves are also stored in the housing with the help of insulating material and are fixed radially and axially.
  • a so-called swelling mat is predominantly used for this, which increases its volume when heated and thus compensates for the changes in diameter of the housing.
  • the inner cones are directly exposed to the exhaust gas flow. You will reach a high operating temperature. This requires a large thermal expansion. They must therefore be designed and dimensioned in a suitable manner to prevent damage to the catalytically active monolith without reducing the protection of the insulating and fixing materials against the pulsating exhaust gas flow.
  • the present invention has for its object to provide an exhaust gas converter of the type mentioned, which achieves optimal protection of the insulating materials from the exhaust gas pulsations with the least design, manufacturing and cost, without the thermal and acoustic insulation of the housing is deteriorated.
  • the fiber sealing ring closing the gap between the inner cone and monolith consists of one of the known materials such as metal, ceramic and / or mineral fibers in the form of mats, nonwovens, knitted fabrics or knitted fabrics. It is preferably also equipped with a stable metal or ceramic core.
  • the ring is profiled and mounted so that it holds the free ends of the inner cone. Due to the good internal damping of the ring, little acoustic energy is transmitted to the housing.
  • the sealing ring itself, d. H.
  • the material used, the type of processing into a knitted fabric or knitted fabric and the final shape is designed exclusively for an optimal sealing effect against the exhaust gas pulsations. By suitable selection and shaping, the exhaust gas pulsations can be reduced to such an extent that they cannot damage the insulating material in the housing cones or the swelling mat that fixes the monoliths axially and radially.
  • a kind of sliding seat with a labyrinth seal forms between the housing, the sealing ring and the inner cone, which easily compensates for the thermal changes in length of the components during operation.
  • 1 to 4 show sections and in a schematic representation of exhaust gas converters with different variants of polyfunctional fiber sealing rings, different tasks being performed depending on the design.
  • Fig. 1 shows a first embodiment.
  • a catalytically active monolith for example a ceramic honeycomb body, is supported in a sheet metal housing 3 with the aid of a swelling mat 2.
  • the housing 3 has on the input or output side a housing cone 4, the inside with insulating material 5, z.
  • B. an aluminum silicate fiber mat is thermally insulated.
  • a metallic inner cone 6 is provided, the free end 7.1 of which is bent radially outward for reinforcement.
  • a profiled fiber sealing ring 8.1 consisting of a knitted wire mesh is placed over the free end 7.1 of the inner cone 6. This prevents the free end 7.1 of the inner cone 6 from touching the housing 3 or the housing cone 4. As a result, the transmission of the acoustic energy of the exhaust gas flow to housing 3 and housing cone 4 is greatly reduced.
  • the ring also covers 8.1 the gap that must be maintained between the end 7.1 of the inner cone 6 and the end face of the monolith 1. Since the sealing ring 8.1 is dimensioned for optimal damping of the exhaust gas pulsations, both the source mat 2 and the insulating mat 5 are protected.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which the free end 7.3 of the inner cone 6 is bent parallel to the housing 3. Thanks to a suitable profiling of the fiber sealing ring 8.3, the free end 7.3 of the inner cone 6 can slide in the ring 8.3 without losing contact with the ring 8.3. As a result, the free end 7.3 of the inner cone 6 is held and acoustically isolated from the housing 3, 4; the ring 8.3 itself no longer has to spring elastically in order to compensate for the thermal differences in axial expansion. As a result, it only has to be dimensioned for the task of reducing the pulsations and acoustically isolating the housing.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the free end 7.4 of the inner cone 6 is additionally bent like a barb. This makes it possible to mechanically hook a fiber sealing ring 8.4 to the inner cone 6 or the end 7.4 thereof, in order to reliably prevent it from migrating under the influence of the exhaust gas pulsations. If there are differences in expansion between housing 3, housing cone 4 and inner cone 6, the sealing ring 8.4 shifts accordingly.
  • the housing 3 is provided with a bead 10.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und wie beispielsweise bekannt aus der DE-A-34 32 283.
  • Ein wesentliches Problem bei Abgaskatalysatoren sind die unterschiedlichen Wärmedehnungen der verwendeten Bauteile. Die Wärmedehnung der meist keramischen Monolithen ist zu vernachlässigen. Die Wärmedehnung der Metallteile des Gehäuses ist dagegen erheblich; sie ist abhängig vom Material sowie von der sich im Betrieb einstellenden Temperatur.
  • Die katalytischen Monolithen werden im Betrieb bis zu 870 Grad C heiß. Bei dieser Temperatur werden die Gehäuse hellrot glühend. Sie müssen daher aus hochwertigem Edelstahl hergestellt werden. Billigere Stähle können verwendet werden, wenn das Gehäuse mit einer innenliegenden Wärmeisolierung ausgerüstet wird. Zu diesem Zweck sind die bekannten Abgaskonverter im Bereich der Eingangs- und Ausgangskonen innen mit Isoliermaterial belegt, z. B. einer Aluminium-Silikat-Fasermatte. Diese wird durch metallische Innenkonen gegen die zerstörende Wirkung der pulsierenden Abgasströmung geschützt.
  • Die Monolithen selbst werden ebenfalls mit Hilfe von Isoliermaterial im Gehäuse gelagert und dabei radial und axial fixiert. Im Falle von keramischen Monolithen wird hierzu überwiegend eine sogenannte Quellmatte verwendet, die beim Erwärmen ihr Volumen vergrößert und so die Durchmesseränderungen des Gehäuses ausgleicht.
  • Die Innenkonen sind unmittelbar dem Abgasstrom ausgesetzt. Sie erreichen somit eine hohe Betriebstemperatur. Dies bedingt eine große Wärmedehnung. Sie müssen daher in geeigneter Weise konstruiert und dimensioniert werden, um eine Beschädigung des katalytisch aktiven Monolithen zu verhindern, ohne den Schutz der Isolier- und Fixiermaterialien gegen die pulsierende Abgasströmung zu schmälern.
  • Der Stand der Technik schlägt hierzu unterschiedliche Lösungen vor. Im Fall der DE-A-34 32 283 enden die Innenkonen mit Abstand vor den Monolithen. Der resultierende Spalt wird mit Hilfe eines oder mehrerer in geeigneter Weise profilierter Blechringe abgedeckt.
  • Aus der DE-A-37 29 994 oder der DE-B-22 20 921 ist es bekannt, die katalytisch aktiven Monolithen mit Hilfe von Ringen aus gestrickten oder gewirkten Drähten axial und radial im Gehäuse zu fixieren. Diese Drahtgestrickringe sind im Hinblick auf eine optimale Fixierung der Monolithen in den sich thermisch verändernden Metallgehäusen dimensioniert und lassen deswegen einen relativ hohen Bypaßstrom zwischen Monolith und Gehäuse zu. Um die Abdichtung zu verbessern, wird in der DE-A-37 29 994 beispielsweise vorgeschlagen, die Drahtgestrickringe teilweise mit Edelstahlfolie zu umhüllen, wodurch jedoch sowohl das Produkt als auch die Produktion verteuert werden. Da Drahtgestrickringe außerdem relativ schnell ihre anfänglich guten Federeigenschaften verlieren, wurden sie schon seit längerem praktisch vollständig von den oben erwähnten Quellmatten verdrängt.
  • Ein weiteres Problem, das bei allen Abgasanlagen für Brennkraftmaschinen und damit auch bei katalytischen Abgaskonvertern zu beachten ist, ist die Schallabstrahlung der Gehäuse. Diese läßt sich grundsätzlich dadurch verringern, daß das Gehäuse vom pulsierenden Abgasstrom isoliert wird. Diese Aufgabe könnte die Wärmeisolierung mit übernehmen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskonverter der eingangs genannten Art anzugeben, der bei geringstem Konstruktions-, Fertigungs- und Kostenaufwand einen optimalen Schutz der Isoliermaterialien vor den Abgaspulsationen erreicht, ohne daß die thermische und akustische Isolierung des Gehäuses dadurch verschlechtert wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Abgaskonverter der gattungsgemäßen Art mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.
  • Der den Spalt zwischen Innenkonus und Monolith verschließende Faserdichtring besteht aus einem der an sich bekannten Materialien wie Metall-, Keramik- und/oder Mineralfasern in Form von Matten, Vlies, Gestrick bzw. Gewirk. Vorzugsweise ist er auch mit einem stabilen Kern aus Metall oder Keramik ausgerüstet. Dabei ist der Ring so profiliert und montiert, daß er die freien Enden des Innenkonus hält. Aufgrund der guten inneren Dämpfung des Rings wird nur wenig akustische Energie auf das Gehäuse übertragen. Der Dichtring selbst, d. h. das verwendete Material, die Art der Verarbeitung zu einem Gewirk oder Gestrick und die abschließende Formgebung, ist ausschließlich auf eine optimale Dichtwirkung gegenüber den Abgaspulsationen ausgelegt. Durch geeignete Auswahl und Formgebung können die Abgaspulsationen so weit reduziert werden, daß sie weder das Isoliermaterial in den Gehäusekonen noch die die Monolithen axial und radial fixierende Quellmatte beschädigen können.
  • Durch geeignete Formgebung und Positionierung des Dichtrings können Toleranzen bei der Montage aufgefangen werden.
  • Zwischen Gehäuse, Dichtring und Innenkonus bildet sich eine Art Schiebesitz mit Labyrinthdichtung aus, der die thermischen Längenänderungen der Bauteile im Betrieb ohne weiteres ausgleicht.
  • Durch geschickte Ausgestaltung des freien Endes der Innenkonen, entweder radial nach außen oder parallel zum Gehäuse gebogen und sogar widerhakenartig geformt, lassen sich die unterschiedlichsten Halte-, Isolier- und Ausgleichseigenschaften erreichen, was in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert wird.
  • Die Fig. 1 bis 4 zeigen ausschnittsweise und in schematischer Darstellung Abgaskonverter mit verschiedenen Varianten von polyfunktionalen Faserdichtringen, wobei je nach Ausgestaltung unterschiedliche Aufgaben erfüllt werden.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform. Ein katalytisch aktiver Monolith 1, beispielsweise ein keramischer Wabenkörper, ist mit Hilfe einer Quellmatte 2 in einem Blechgehäuse 3 gelagert. Das Gehäuse 3 besitzt eingangs- bzw. ausgangsseitig einen Gehäusekonus 4, der innen mit Isoliermaterial 5, z. B. einer Aluminium-Silikat-Fasermatte, wärmegedämmt ist. Zum Schutz der Isoliermatte 5 ist ein metallischer Innenkonus 6 vorgesehen, dessen freies Ende 7.1 zur Versteifung radial nach außen gebogen ist.
  • Über das freie Ende 7.1 des Innenkonus 6 ist ein in diesem Beispiel aus einem Drahtgestrick bestehender, profilierter Faserdichtring 8.1 gelegt. Dieser verhindert, daß das freie Ende 7.1 des Innenkonus 6 das Gehäuse 3 bzw. den Gehäusekonus 4 berührt. Dadurch wird die Übertragung der akustischen Energie der Abgasströmung auf Gehäuse 3 und Gehäusekonus 4 stark reduziert. Außerdem überdeckt der Ring 8.1 den Spalt, der zwischen dem Ende 7.1 des Innenkonus 6 und der Stirnseite des Monolithen 1 eingehalten werden muß. Da der Dichtring 8.1 auf eine optimale Dämpfung der Abgaspulsationen hin dimensioniert ist, werden sowohl die Quellmatte 2 als auch die Isoliermatte 5 geschützt.
  • Durch geeignete Wahl des Draht- oder Fasermaterials für den Ring 8.1 und durch geeignete Verarbeitung können sowohl Toleranzen bei der Fertigung als auch Wärmedehnungsdifferenzen im Betrieb elastisch aufgefangen und ausgeglichen werden. Möglich wird dies dadurch, daß die Aufgaben des Faserdichtrings ausschließlich auf den Schutz vor Abgaspulsationen und den Ausgleich von Längenänderungen nach Art eines Schiebesitzes beschränkt wurden. Herkömmliche Drahtgestrickringe hatten immer die Aufgabe, den Monolithen axial und/oder radial zu fixieren, was die Ausbildung von Schiebesitzen von vornherein ausschließt.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Faserdichtring 8.2 sich bis in den Spalt zwischen Monolith 1 und Gehäuse 3 erstreckt. Diese Variante bietet sowohl einen verlängerten Federweg, um thermische Längenänderungen des Innenkonus 6 aufzufangen, als auch einen durch erhöhte Labyrinthwirkung verbesserten Schutz der Quellmatte 2 gegen die Abgaspulsationen.
  • Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das freie Ende 7.3 des Innenkonus 6 parallel zum Gehäuse 3 gebogen ist. Dank einer geeigneten Profilierung des Faserdichtrings 8.3 kann das freie Ende 7.3 des Innenkonus 6 im Ring 8.3 gleiten, ohne den Kontakt zum Ring 8.3 zu verlieren. Dadurch bleibt das freie Ende 7.3 des Innenkonus 6 gehalten und akustisch gegen das Gehäuse 3, 4 isoliert; der Ring 8.3 selbst muß nicht mehr elastisch federn, um die thermisch bedingten axialen Ausdehnungsdifferenzen auszugleichen. Dadurch muß er nur noch für die Aufgabe dimensioniert werden, die Pulsationen abzubauen und das Gehäuse akustisch zu isolieren.
  • Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das freie Ende 7.4 des Innenkonus 6 zusätzlich widerhakenartig umgebogen ist. Dadurch wird es möglich, einen Faserdichtring 8.4 mit dem Innenkonus 6 bzw. dessen Ende 7.4 mechanisch zu verhaken, um so einem Wandern desselben unter der Einwirkung der Abgaspulsationen mit Sicherheit vorzubeugen. Bei Ausdehnungsdifferenzen zwischen Gehäuse 3, Gehäusekonus 4 und Innenkonus 6 verschiebt sich der Dichtring 8.4 entsprechend.
  • Um den Faserdichtring 8.4 zusätzlich zu halten, ist das Gehäuse 3 mit einer Sicke 10 versehen.

Claims (10)

  2. Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Blechgehäuse (3) durch eine sogenannte Quellmatte (2) fixierten, katalytisch beschichteten Monolithen (1), mit wenigstens einem am Gehäuse (3) eingangs- und/oder ausgangsseitig vorgesehenen Gehäusekonus (4), der innen mit Isoliermaterial (5) wärmegedämmt ist, mit wenigstens einem Innenkonus (6), dessen freies Ende (7.1, 7.3, 7.4) im Bereich der Stirnfläche des Monolithen (1) liegt, wobei ein die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Bauteile (1...6) ausgleichender Spalt verbleibt, und mit einer Schutzvorrichtung (8) zum Verschließen dieses Spaltes gegen die Wirkungen der pulsierenden Abgasströme, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung als profilierter Faserdichtring (8.1 ... 8.4) ausgebildet ist, der das freie Ende (7.1, 7.3, 7.4) des Innenkonus (6) umgreift, dieses gegen das Gehäuse (3) bzw. den Gehäusekonus (4) abstützt, thermisch bedingte Längenänderungen nach Art eines Schiebesitzes ausgleicht und auf optimale Dämpfung der Abgaspulsationen dimensioniert ist.
  3. Abgaskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (7.1) des Innenkonus (6) radial nach außen gebogen ist.
  4. Abgaskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (7.3, 7.4) des Innenkonus (6) parallel zum Gehäuse (3) gebogen ist.
  5. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (7.4) des Innenkonus (6) widerhakenartig gebogen ist.
  6. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) im Bereich des Faserdichtrings (8) eine Haltesicke (10) aufweist.
  7. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdichtring (8) aus Metallfasern oder -drähten in Form von Matten, Vlies, Gestrick oder Gewirk besteht.
  8. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdichtring (8) aus Keramikfasern in Form von Matten oder Vlies besteht.
  9. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdichtring (8) aus Mineralfasern in Form von Matten oder Vlies besteht.
  10. Abgaskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdichtring (8) einen stabilen Kern aus Metall oder Keramik besitzt.
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EP0450348A1 EP0450348A1 (de) 1991-10-09
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