EP0719912B1

EP0719912B1 - Abgasbehandlungsvorrichtung für Verbrennungsmotorenabgase

Info

Publication number: EP0719912B1
Application number: EP95118909A
Authority: EP
Inventors: Georg Wirth; Siegfried Wörner; Peter Dr. Zacke; Klaus Hoffmann
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: EP0719912A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für Verbrennungsmotorenabgase mit einem Gehäuse, in dessen Lagerungsbereich in Längsrichtung hintereinander mindestens zwei Abgasbehandlungskörper mit gegenseitigem Abstand mittels mindestens einer Quellmatte gehaltert sind, einem Zuströmtrichter an der Eintrittsseite des Gehäuses, einem Abströmtrichter an der Austrittsseite des Gehäuses, und gegebenenfalls einer Drahtmatte in einer Umfangs-Umgrenzung des Abstandsraums zwischen den beiden Abgasbehandlungskörpern, mit gegebenenfalls einer die Drahtmatte mindestens im Bereich des Abgasbehandlungskörper-Abstands umgebenden Glasfaser-Isoliermatte.

Die Drahtmatte (z. B. bei einer eingangs genannten, aus DE-A-42 01 426 bekannten Abgasbehandlungsvorrichtung in Form eines Drahtgewebestreifens, dessen Drahtfäden schräg zur Längsrichtung des Gehäuses verlaufen, wobei der Drahtgewebestreifen an seinen Umfangsenden entsprechend dem Verlauf der Drahtfäden schräg abgeschnitten ist) schützt den - normalerweise von der Quellmatte oder einer Isoliermatte eingenommenen - Ringraum zwischen sich und dem Gehäuse gegen unmittelbare Einwirkung des heißen und pulsierenden Abgases. Die Drahtmatte kann diese Schutzfunktion erfüllen, obwohl sie für sich genommen gasdurchlässig ist.

Der eingangs genannte Begriff "Abgasbehandlungskörper" soll Behandlungskörper zur katalytischen Entgiftung von Abgasen (weitgehende Beseitigung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden) und Behandlungskörper zum Ausfiltern von Partikeln aus Dieselmotorenabgas, wobei möglicherweise auch noch eine katalytisch begünstigte Umsetzung der herausgefilterten Partikel stattfindet, umfassen. Die häufigsten Bauarten der erstgenannten Abgasbehandlungskörper sind keramische Monolithe und aus Blechbahnen gewickelte Behandlungskörper, wobei beide Bauarten eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Durchströmungskanälen aufweisen und die Kanalwände mit katalysatorhaltiger Substanz beschichtet sind. Bei den Behandlungskörpern zum Herausfiltern von Partikeln kommen insbesondere Keramikfilter, Sintermetallfilter und Wickelfilter aus temperaturbeständigen Fäden in Betracht.

Für die angesprochene Quellmatte sind sogenannte Quellmatten bevorzugt, bei denen Glimmerteilchen in einem Grundgerüst aus Fasern eingebettet sind; wenn eine Quellmatte im Betrieb der Abgasbehandlungsvorrichtung auf höhere Temperatur gebracht wird, vergrößern sich die Glimmerteilchen stark in ihrem Volumen, die Quellmatte erzeugt eine Vorspannung zwischen dem Lagerungsbereich des Gehäuses und dem bzw. den Abgasbehandlungskörper(n) in gewünschter Größe.

Die Begriffe "Zuströmtrichter" und "Abströmtrichter" bezeichnen Bestandteile des Gehäuses, die einen Übergang von dem kleineren Querschnitt einer Abgasleitung, in die die Abgasbehandlungsvorrichtung eingebaut ist oder eingebaut werden soll, und dem größeren Querschnitt des Lagerungsbereichs des Gehäuses herstellen. Beim Zuströmtrichter erweitert sich der Querschnitt in Strömungsrichtung, während sich beim Abströmtrichter der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung verengt. Der Zuströmtrichter und der Abströmtrichter müssen keineswegs eine exakte oder angenäherte Kegelgestalt haben. Man kennt eine Vielzahl unterschiedlicher geometrischer Formen, insbesondere auch unsymmetrische Formen im Querschnitt oder im Längsschnitt. Es kommt lediglich auf die angesprochene Funktion des Übergangs des Strömungsquerschnitts an.

Aufgabe der Erfindung ist die gezielte Strukturverbesserung einer eingangs genannten Abgasbehandlungsvorrichtung mit Hilfe einfacher Mittel zwecks Erhöhung der Betriebsfestigkeit und Lebensdauer.

Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung der im Anspruch 1 angegebenen Art.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6.

Wesen der Erfindung ist, daß hochtemperaturbeanspruchte Bereiche der Quellmatte durch Imprägnieren verklebte Faserkreuzungsstellen und/oder hochtemperaturbeanspruchte Bereiche der Glasfaser-Isoliermatte zusammengesinterte Faserkreuzungsstellen aufweisen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen ein Verkleben der feinen Fasern und Glimmerpartikeln sicher, ohne die offene Struktur zu schließen, wobei die Hohlraumstruktur des Fasermaterials aufrechterhalten bleibt.

Durch die Aufrechterhaltung der Hohlraumstruktur, speziell an den vom Abgas thermisch hoch beaufschlagenden Bereichen, wird sowohl die Isolationswirkung als auch die Dauerelastizität der Fasern aufrechterhalten. Durch das stabile Zusammenhalten der Fasern wird ein Ausblasen vermieden und somit eine langfristige Lagerung der Abgasbehandlungsköprper sichergestellt.

Zwar ist es aus EP-A-0 223 022 bekannt, Fasermatten mit reproduzierbarer Porosität herzustellen, wobei die Fasern nicht getrennt als Einzelfasern, sondern innerhalb der Fasermatte beschichtet werden, so daß das Beschichtungsmaterial nicht nur die einzelnen Fasern umgibt, sondern auch Kreuzungspunkte von Fasern überbrückt, die näher aneinanderliegen, und dadurch die Fasern an ihren Krezungspunkten miteinander durch das Beschichtungsmittel verbunden werden, während die Hohlräume zwischen den Fasern auch nach der Beschichtung als Hohlräume verbleiben.

Ein derartiges bekanntes Verkleben von Faserkreuzungsstellen zur Aufrechterhaltung der Raumstruktur betrifft aber ein anderes erfindungsfernes technisches Gebiet, nämlich Rußfilter im Abgas von Dieselmotoren.

Gemäß der Erfindung ist also die Quellmatte mindestens in einem derjenigen Bereiche, wo eine Hochtemperaturbeanspruchung auftreten kann, mit einem Bindemittel unter Schaffung von Verklebung an Faserkreuzungsstellen und unter Vermeidung einer weitgehenden Hohlraumausfüllung imprägniert. Aufgrund dieser Imprägnierung erhalten die Fasern des Keramikfaser-Grundgerüsts einen derartigen Zusammenhalt, daß sie durch das pulsierende Abgas nicht ausgetragen werden. Ferner werden die Glimmerteilchen gebunden und an einer Bewegung zwischen den Fasern gehindert. Der Stabilisierungseffekt durch die Imprägnierung ist sogar dann noch vorhanden, wenn die Quellmatte lokal auf über 850°C erhitzt worden ist und im überhitzten Bereich die Glimmerteilchen ihre Expansionseigenschaften mindestens teilweise verloren haben. Die erfindungsgemäße Imprägnierung vermeidet bewußt eine weitgehende Hohlraumausfüllung zwischen den Fasern der Quellmatte, sondern zielt auf Verklebung der Fasern möglichst nur an den Faserkreuzungsstellen ab; es soll nicht eine die Oberfläche der Quellmatte verschließende Schicht gebildet werden. Auf diese Weise bleibt im imprägnierten Bereich der Quellmatte eine erhebliche Restelastizität erhalten, um die Halterung des Abgasbehandlungskörpers auch unter wechselnden Temperaturen sicherzustellen, auch wenn die Glimmerteilchen im imprägnierten Bereich schon überhitzt sind. Ferner bleibt die Isolationswirkung durch die gasgefüllten Hohlräume zwischen den Fasern weitgehend erhalten.

Bereiche der Quellmatte, die wegen der Temperatur- und Pulsationsbeanspruchung für die Imprägnierung besonders prädestiniert sind, sind die axialen Endbereiche, ganz besonders an dem zuströmseitigen Ende, und der den Abstandsraum zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern überbrückende Bereich. In der Praxis bringt man so viel Bindemittel auf, daß es an der Quellmattenstirnseite einige mm weit eindringt und am den Abstandsraum überbrückenden Bereich von der Innenseite her für einen Teil der Dicke der Quellmatte eindringt.

Besonders bevorzugt sind Bindemittel auf der Basis einer metallorganischen Verbindung, insbesondere Silan, von Kalium-Methylsiliconat, von Natrium-Methylsiliconat, oder von Aluminiumphosphat, insbesondere Monoaluminiumphosphat oder Aluminiumchromphosphat.

Das Bindemittel kann vorzugsweise als wässrige Lösung oder organisch gelöst eingebracht werden. Im erstgenannten Fall trocknet die Imprägnierung recht bald nach dem Einbringen an der Luft. Im zweitgenannten Fall kann man so arbeiten, daß die Imprägnierung erst im Betrieb der Abgasbehandlungsvorrichtung durch Aufheizen ihre organischen Anteile verliert und erhärtet. Infolgedessen ist es möglich, die Quellmatten mit Vorimprägnierung durch den Lieferanten in den gewünschten Bereichen zu beziehen. Das Imprägnierungsmittel kann man in der Konsistenz und Menge bequem so einstellen, daß es so in die Quellmatte eindringt, wie vorstehend beschrieben; man kann auch ein Netzmittel als Zusatz verwenden.

Die erfindungsgemäße Imprägnierung hat auch den Effekt, das Aufgehen der Glimmerteilchen bei entsprechend erhöhter Temperatur, d. h. die thermische Aktivität der Quellmatte, örtlich zu behindern bzw. zu verringern.

Insbesondere wird hierdurch die Belastung durch die Quellmatte auf die den Abstandsraum zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern umgrenzende Drahtmatte verringert und somit einem Eindrücken der Drahtmatte nach innen entgegengewirkt. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Drahtmatte mindestens im Bereich des Abgasbehandlungskörper-Abstands von einer Glasfaser-Isoliermatte umgeben, die aus durch Düsen gezogenen Glasfasern, im wesentlichen ohne Feinstaubgehalt und im wesentlichen ohne Grobteilchengehalt, aufgebaut ist. An sich ist es die einfachste Konstruktion, die als Quellmatte ausgebildete Lagerungsmatte durchgehend für die zwei Abgasbehandlungskörper vorzusehen, so daß sie auch den Abstandsraum überbrückt. Bei dieser Konstruktion kann es jedoch unter ungünstigen Umständen dazu kommen, daß die bei Erhitzung nach innen expandierende Quellmatte die Drahtmatte im Bereich des Abstandsraums stärker nach innen drückt, als man dies haben möchte. Eine mögliche Abhilfe besteht darin, in diesem Bereich, der für das Nachinnendrücken der Drahtmatte anfällig ist, keine Quellmatte vorzusehen, sondern einen bei Erwärmung nicht expandierenden Isolierstreifen, vorzugsweise aus Glasfasermaterial. Die Besonderheit, für den Isolierstreifen ein Glasfasermaterial aus durch Düsen gezogenen Glasfasern, im wesentlichen ohne Feinstaubgehalt und im wesentlichen ohne Grobteilchengehalt, vorzusehen, ergibt ein besonders widerstandsfähiges, auch unter der Temperatur- und Pulsationsbelastung des Abgases nicht gefährdetes Material. Außerdem wird beim Umgang mit diesem Glasfasermaterial, insbesondere beim Zusammenbau der Abgasbehandlungsvorrichtungen, kein Feinstaub an die Umgebung abgegeben.

Vorzugsweise sind die Glasfasern der Isoliermatte durch Auslaugen auf höheren prozentualen SiO₂-Gehalt und damit höhere Temperaturbeständigkeit gebracht. Diese Behandlung der Glasfasern wird Leachen genannt; aus normalem Glas wird mehr Quarzglas. Zum Beispiel wird ein Glasfasermaterial, das 30 bis 40 % SiO₂ enthielt, durch das Leachen zu einer Art Quarzglas mit etwa 60 % SiO₂, Rest hauptsächlich CaO umgewandelt.

Je höher der SiO₂-Gehalt des Glasfasermaterials ist, desto höher liegt dessen Erweichungstemperatur. Man kann nun, wie in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, die Glasfasern der Isoliermatte gezielt auf eine der Betriebstemperatur am Einbauort in der Abgasbehandlungsvorrichtung angepaßte Temperaturbeständigkeit bringen derart, daß sich bei Temperaturen im oberen Betriebstemperaturbereich auf der heißen Seite der Isoliermatte ein Zusammensintern der Glasfasern an den Kreuzungsstellen ergibt. Hierdurch wird ein zähelastischer Film gebildet, der auch später beim Erkalten in diesem Zustand bleibt und die Fasern in den kälteren Schichten der Isoliermatte vor dem Zugang des Abgases und damit vor dem Austragen schützt. In der Praxis kann man die Erweichungstemperatur der Glasfasern durch entsprechendes Auslaugen unterschiedlicher Rohgläser auf gewünschte Temperaturen im Bereich von etwa 500 bis 950°C einstellen.

Vorzugsweise ist die Isoliermatte als Glasfaservlies, vorzugsweise vernadelt zu einem Glasfaserfilz, ausgebildet. Durch das Vernadeln werden die Filamentstränge senkrecht zu ihrer Verlaufsrichtung mechanisch gebunden, so daß auch ohne Bindemittel ein fester, elastischer Filz erhalten wird. Die beschriebene Filmbildung durch Zusammensintern von Glasfasern an den Kreuzungsstellen kann man auch durch Vorheizen der Abgasbehandlungsvorrichtung vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug mit Hilfe von Heißgas erzeugen.

Alternativ kann die Isoliermatte aus Fasergestrick oder Fasergewbe, auch mehrlagig, bestehen, wobei Keramikfasern und Glasfasern besonders bevorzugt sind. Generell ist Aufbau der Isoliermatte aus texturierten (aufgeflauschten) Einzelfäden günstig, um die Isolationseigenschaften durch Einbau kleinster Hohlräume zu verbessern. Zwischen der Isoliermatte und der Drahtmatte kann eine Zwischenlage aus besonders widerstandsfähigem, dichtgewebten oder gestrickten Fasermaterial vorgesehen sein.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das auf den letzten Seiten beschriebene, spezielle Glasfaser-Isoliermaterial (vgl. Ansprüche 15 bis 18) nicht nur als die Drahtmatte im Bereich des Abstandsraums umgebender Isolierstreifen vorgesehen sein kann, sondern auch an anderen Stellen in der Abgasbehandlungsvorrichtung. So kann man diese Glasfaser-Isoliermatte insbesondere auch als Halterungsmatte für Abgasbehandlungskörper einsetzen oder für die Isolationsschicht in doppelwandigen Zuströmtrichtern oder Abströmtrichtern.

Für einen Zusammenbau einer Abgasbehandlungsvorrichtung können die Quellmatte und die Drahtmatte zu einer vormontierten Einheit vereinigt werden und als vormontierte Einheit mit den zwei Abgasbehandlungskörpern und dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut werden. In den meisten Fällen wird die vormontierte Einheit in einem ersten Schritt um die zwei Abgasbehandlungskörper herumgelegt; dann wird die Anordnung aus Abgasbehandlungskörpern/Drahtmatte/Quellmatte mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut.

Es können aber auch die zwei Abgasbehandlungskörper und die Drahtmatte zu einer vormontierten Einheit vereinigt werden und als vormontierte Einheit mit der mindestens einen Quellmatte und dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut werden. In den meisten Fällen erfolgt das Herumlegen der Quellmatte in einem ersten Schritt und der Zusammenbau mit dem Gehäuse in einem zweiten Schritt.

Für einen Zusammenbau können drittens die zwei Abgasbehandlungskörper, die Drahtmatte und die mindestens eine Quellmatte zu einer vormontierten Einheit vereinigt werden und als vormontierte Einheit mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut werden.

Für die Vereinigung der Drahtmatte mit der Quellmatte sind ein Verkleben und/oder ein Verhaken mittels abgebogener Drahtenden der Lagerungsmatte, insbesondere an deren beiden axialen Enden, bevorzugt. Insbesondere wenn die Drahtmatte und/oder die Quellmatte mit den zwei Abgasbehandlungskörpern zu einer vormontierten Einheit vereinigt wird, ist es bevorzugt, daß die Drahtmatte und/oder die Quellmatte mit den zwei Abgasbehandlungskörpern bzw. dem betreffen den Abgasbehandlungskörper verklebt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die an einem Umfangsende über die Quellmatte überstehende Drahtmatte für das Vereinigen bzw. den Zusammenbau mit den Abgasbehandlungskörpern mit dem Überstand unter das andere Umfangsende der Drahtmatte untergeschoben wird. Dies ergibt eine ringsum lückenlose Abschirmung der Quellmatte oder auch der dort vorgesehenen Isoliermatte.

Bei der Schaffung einer Anordnung aus den zwei Abgasbehandlungskörpern, der Drahtmatte und der Quellmatte kann man so vorgehen, daß - beispielsweise durch Anschläge für die voneinander abgewandten Stirnseiten der beiden Abgasbehandlungskörper in einer Montagevorrichtung - die Herstellungstoleranz der Abgasbehandlungskörper in Längsrichtung durch einen sich in Längsrichtung länger oder kürzer einstellenden Abstandsraum zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern aufgenommen wird, so daß diese Anordnung mit Sollänge mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut werden kann. Alternativ ist es aber möglich, eine Anordnung aus den zwei Abgasbehandlungskörpern, der Drahtmatte und der Quellmatte in einem derartigen Zustand mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammenzubringen, daß sich die voneinander abgewandten Stirnseiten der zwei Abgasbehandlungskörper auf eine Soll-Relativlage zu Zuströmtrichter- und Abströmtrichter-Bestandteilen einstellen, wobei Herstellungstoleranzen in Längsrichtung der zwei Abgasbehandlungskörper und des Lagerungsbereichs des Gehäuses in dem Abstandsraum zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern aufgenommen werden. Dies führt im Ergebnis zu einer besonders perfekten Positionierung der voneinander abgewandten Stirnseiten der Abgasbehandlungskörper relativ zu Bestandteilen der beiden Trichter, weil auch die Längentoleranz des Lagerungsbereichs des Gehäuses berücksichtigt ist. Einerseits sind die Stirnseiten der Abgasbehandlungskörper an ihrem äußeren Rand relativ stoßempfindlich, andererseits ist gerade dort ein sehr enger Spalt insbesondere zu der Innenwand eines doppelwandigen Zuströmtrichters oder Abströmtrichters von großem Vorteil, um eine Beaufschlagung der Quellmatte mit dem heißen und pulsierenden Abgas durch den Spalt hindurch möglichst gering zu halten. Eine bevorzugte Möglichkeit, wie man noch beim Zusammenbau der zwei Abgasbehandlungskörper, insbesondere als vormontierte Anordnung mit der Drahtmatte und der Quellmatte, mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses eine Verschiebung der Abgasbehandlungskörper relativ zu dem Lagerungsbereich des Gehäuses zum Zweck der Erreichung der beschriebenen Soll-Relativlage ermöglichen kann, ist die bereits angesprochene Verklebung mit der Drahtmatte und/oder der Quellmatte, und zwar vorzugsweise mit einem zähelastischen Kleber, der die erforderlichen kleineren Verschiebungen noch zuläßt.

Die zwei Abgasbehandlungskörper können als Abgasbehandlungskörper-Anordnung mit mindestens einem Abstandshalteelement zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut werden, wobei das mindestens eine Abstandshalteelement so ausgebildet ist, daß es in flüchtiger Form aus der zusammengebauten Abgasbehandlungsvorrichtung entfernbar ist. Das Arbeiten mit Abstandshalteelementen erleichtert den Zusammenbau der Abgasbehandlungsvorrichtung sehr, weil die Abgasbehandlungskörper eine nur noch gezielt veränderbare, quasi-definierte Relativlage zueinander haben. Ganz besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn mindestens ein nachgiebiges Abstandshalteelement eingesetzt wird, das ein Zusammenschieben der zwei Abgasbehandlungskörper mit Zusammenschiebkraft auf geringerem Abstand zuläßt. Diese Maßnahme ermöglicht ein Kombinieren der geschilderten Vorgehensweisen der Toleranzaufnahme mit den Vorteilen der Abstandshalteelemente.

Die Abstandshalteelement sind vorzugsweise entweder möglichst rückstandsfrei verbrennbar oder verdampfbar. Besonders bevorzugte Materialien sind Polyethylen oder Pappe oder CO₂ im festen Aggregatzustand. Polyethylen oder Pappe können problemlos in einer solchen Konsistenz oder Ausbildung vorgesehen werden, daß sie in Längsrichtung unter Krafteinsatz nachgiebig sind, z.B. als Polyethylen-Schaumstoff oder als bewußt in Längsrichtung nachgiebig gestaltete Pappblöcke.

Um eine Anordnung aus den zwei Abgasbehandlungskörpern und der Quellmatte, vorzugsweise auch noch aufweisend die Drahtmatte und/oder das mindestens eine Abstandselement, mit dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammenzubauen, gibt es grundsätzlich die folgenden bevorzugten Möglichkeiten (wobei man sich zur Vereinfachung der Vorstellung den Lagerungsbereich des Gehäuses zylindrisch vorstellen kann):

längsgeteilter Lagerungsbereich des Gehäuses oder insgesamt längsgeteiltes Gehäuse. Die beschriebene Anordnung wird in eine Gehäusehälfte eingelegt, dann wird die zweite Gehäusehälfte aufgesetzt, und anschließend werden die beiden Gehäusehälften durch Falzung oder Schweißung miteinander verbunden;
Herumlegen eines oder zweier Blechzuschnitte um die beschriebene Anordnung, Zusammenziehen des Blechzuschnitts- bzw. der Blechzuschnitte in Umfangsrichtung und Verbinden durch Falzung oder Schweißung an den in Umfangsrichtung weisenden Rändern;
Einschieben der beschriebenen Anordnung in den röhrenförmigen Lagerungsbereich des Gehäuses. Der Begriff "röhrenförmig" erstreckt sich nicht nur auf kreisförmige Querschnitte, sondern auch auf ovale, elliptische, abgerundet-dreieckförmige Querschnitte und anderes mehr. In diesem Fall muß mindestens an einem Axialende des Lagerungsbereichs des Gehäuses der Trichter nachträglich angebracht werden.

Wesen der Erfindung in einer Zusammenfassung also ist, daß die Lagerungsmatte in demjenigen Bereich, mit dem sie den Abstandsraum zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern überbrückt, mit einem Bindemittel unter Schaffung von Verklebung an Faserkreuzungsstellen und unter Vermeidung einer weitgehenden Hohlraumausfüllung imprägniert, ehe sie mit der Drahtmatte, den zwei Abgasbehandlungskörpern und dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut wird. Das Imprägnieren wird vorzugsweise von derjenigen Seite der Lagerungsmatte bzw. Quellmatte her vorgenommen, die nach dem Zusammenbau nach innen weist, und vorzugsweise geht die Imprägnierung nicht bis nach außen durch.

Vorzugsweise wird die Quellmatte in einem oder beiden axialen Endbereichen mit einem Bindemittel unter Schaffung von Verklebung an Faserkreuzungsstellen und unter Vermeidung einer weitgehenden Hohlraumausfüllung imprägniert, nachdem sie mit den zwei Abgasbehandlungskörpern und dem Lagerungsbereich des Gehäuses zusammengebaut worden ist. Als besonders günstige Einbringungsmethode hat sich das Einträufeln von Bindemittel von der Stirnseite des betreffenden Abgasbehandlungskörpers herausgestellt. Außerdem ist es aus einer Reihe von Gründen günstig, wenn die axialen Enden der Quellsmatte im Vergleich zu den dortigen Stirnseiten der Abgasbehandlungskörper ein Stück zurückgesetzt sind.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäße Impragnierungen durchaus auch sinnvoll und vorteilhaft durchführbar sind, wenn man es mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung ohne Drahtmatte, ja hinsichtlich der Endbereichs-Imprägnierung sogar mit nur einem Abgasbehandlungskörper in dem Gehäuse zu tun hat.

Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine Abgasbehandlungsvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 2: eine bei der Abgasbehandlungsvorrichtung von Fig. 1 vorgesehene Lagerungsmatte mit einer Drahtmatte, flach ausgebreitet auf der Zeichnungsebene in dem noch nicht um die Abgasbehandlungskörper herumgewundenen Zustand;
Fig. 3: eine Teildarstellung einer Abgasbehandlungsvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 4: einen Querschnitt längs IV-IV der Abgasbehandlungsvorrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5: eine Teildarstellung einer Abgasbehandlungsvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 6 und 7: zwei Ausführungsbeispiele von Drahtmatten mit Einprägungen, ausgebreitet in der Zeichnungsebene im noch nicht montierten Zustand.

Die in Fig. 1 dargestellte Abgasbehandlungsvorrichtung 2 besitzt ein Gehäuse 4, welches - in Durchströmungsrichtung von links nach rechts in Fig. 1 fortschreitend - aus einem Zuströmtrichter 6, einem Lagerungsbreich 8 und einem Abströmtrichter 10 besteht. Um die Abgasbehandlungsvorrichtung 2 in die Abgasleitung eines Verbrennungsmotors einzubauen, werden der Zuströmtrichter 6 an seinem linken Ende und der Abströmtrichter 10 an seinem rechten Ende mit der nicht gezeichneten Abgasleitung verschweißt.

Der Zuströmtrichter 6 und der Abströmtrichter 10 sind doppelwandig ausgeführt, wobei zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 14 eine Isoliermatte 16 aus Glasfaserfilz, geleached, vorhanden ist. Die Trichter 6, 10 und den Lagerungsbereich 8 des Gehäuses 4 kann man sich am einfachsten mit kreisrundem Querschnitt vorstellen, wiewohl auch andere Querschnittsformen möglich sind, wobei in diesem Fall die Trichter 6, 10 einen Querschnittsübergang zu der Abgasleitung herstellen müssen.

Mittels einer Lagerungsmatte 18, die als Quellmatte ausgebildet ist, sind zwei Abgasbehandlungskörper 20 in Längsrichtung der Abgasbehandlungsvorrichtung 2 bzw. in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander in dem Lagerungsbereich 8 gehaltert. Zwischen den zwei Abgasbehandlungskörpern 20 besteht ein Abstandsraum 22, der in der Praxis etwa 7 bis 15 mm in Längsrichtung mißt. Die Lagerungsmatte 18 geht nahezu über die gesamte Länge des Lagerungsbereichs 8 durch und überbrückt also den Abstandsraum 22. Sie endet allerdings jeweils ein kurzes Stück von wenigen Millimetern vor den voneinander abgewandten Stirnseiten 24 der zwei Abgasbehandlungskörper 20.

Fig. 2 zeigt die Lagerungsmatte 18 im auf der Zeichnungsebene ausgebreiteten Zustand, wobei die spätere Innenseite der Lagerungsmatte 18 dem Leser zugewandt ist. An dem einen Umfangsende 26 hat die Lagerungsmatte 18 einen in der Betrachtungsrichtung der Fig. 2 rechteckigen Vorsprung 28, mit dem ein entsprechender Rücksprung 30 am anderen Umfangsende 32 der Lagerungsmatte 18 korrespondiert. Wenn die Lagerungsmatte um die zwei Abgasbehandlungskörper 20 herumgelegt ist, wie in Fig. 1 gezeigt, greift der Vorsprung 28 in den Rücksprung 30, so daß kein in Axialrichtung geradlinig durchgehender Umfangsstoß der Lagerungsmatte 18 vorhanden ist.

In Fig. 1 und 2 ist durch Punktieren eine Imprägnierungszone 34 eingezeichnet. Die Imprägnierungszone 34 ist streifenförmig und verläuft in der (späteren) Umfangsrichtung der Lagerungsmatte 18. Die Imprägnierungszone 34 ist in Längsrichtung der Vorrichtung 2 gemessen erheblich breiter als der Abstandsraum 22, z.B. gut doppelt so breit. Die Imprägnierungszone 34 ist durch Aufträufeln oder Aufsprühen eines Bindemittels, z.B. eines Silans, auf die in Fig. 2 dem Leser zugewandte Flachseite der Lagerungsmatte 18 gebildet, wobei das Bindemittel in einer solchen Menge aufgebracht worden ist, daß es nicht die ganze Dicke der Lagerungsmatte 18 durchdringt.

Auf die streifenförmige Imprägnierungszone 34 ist eine streifenförmige Drahtmatte 36, beim gezeichneten Ausführungsbeispiel ausgebildet als Drahtgewebe, aufgelegt. Der Drahtgewebestreifen ist, gemessen in Längsrichtung der Vorrichtung 2, weniger breit als die Imprägnierungszone 34, aber immer noch deutlich breiter als der Abstandsraum 22. Der Drahtgewebestreifen besteht aus zueinander parallelen, ersten Drahtfäden 38 und zueinander parallelen, zweiten Drahtfäden 40, wobei die zweiten Drahtfäden 40 mit den ersten Drahtfäden 38 verwebt und zu diesen rechtwinklig sind. Die Drahtfäden bestehen aus austenitischem Stahl, vorzugsweise Stahl 1.4401 (AISI 316), 1.4541 (AISI 321), 1.4828 (AISI 309) oder 1.4841 (AISI 314 SS) in einer Drahtstärke von 0,2 mm. An den Umfangsenden 42 ist der Drahtgewebestreifen parallel zur Verlaufsrichtung der ersten Drahtfäden 38, also unter 45° zu dem Verlauf der Axialenden 44 des Drahtgewebestreifens 36, abgeschnitten. An den Axialenden 44 sind die Drähte 38, 40 zu der Lagerungsmatte 18 hin abgebogen. Durch Eindrücken dieser abgebogenen Drahtenden hat sich der Drahtgewebestreifen 36 mit der Lagerungsmatte 18 verhakt.

Unten in Fig. 2 überragt der Drahtgewebestreifen 36 das Umfangsende 32 der Lagerungsmatte 18, und zwar so weit, daß dieser Überstand 46 -nach dem Herumlegen der vormontierten Einheit aus Lagerungsmatte 18 und Drahtgewebestreifen 36 um die Abgasbehandlungskörper 20 - unter das andere Ende 48 des Drahtgewebestreifens 36 untergeschoben werden kann.

Fig. 1 zeigt den fertig zusammengebauten Zustand. Die vormontierte Einheit aus Lagerungsmatte und damit vereinigtem Drahtgewebestreifen 36 ist derart um die beiden Abgasbehandlungskörper 20 herumgelegt worden, daß die Drahtmatte 36 den Abstandsraum 22 an seinem Umfang umgrenzt und beidseitig ein axiales Stück weit auf den Umfängen der Abgasbehandlungskörper 20 aufliegt.

Um die Anordnung aus den zwei Abgasbehandlungskörpern 20, der Drahtmatte 36 und der Lägerungsmatte 18 besonders gut mit dem Lagerungsbereich 8 des Gehäuses 4 zusammenbauen zu können, ist vorzugsweise die Lagerungsmatte 18 mittels eines zähelastischen Klebers mit den Umfängen der Abgasbehandlungskörper 20 verklebt worden. Diese Anordnung ist dann vorzugsweise in Axialrichtung in den röhrenförmigen Lagerungsbereich 8 eingeschoben worden, und zwar derart, daß die voneinander abgewandten Stirnseiten 24 der Abgasbehandlungskörper 20 einen etwas größeren Abstand voneinander hatten, als es dem auslegungsmäßigen Sollabstand in der fertig zusammengebauten Vorrichtung 2 entspricht. In dem so zusammengebauten Zustand wird Bindemittel, z.B. ein Silan, auf den zuströmseitigen axialen Endbereich oder auf die beiden axialen Endbereiche der Lagerungsmatte 18 aufgebracht, z.B. bei mit aufrechter Längsachse gehaltener Vorrichtung aufgeträufelt, und zwar so, daß es einige mm weit in Axialrichtung eindringt. Anschließend werden in einer Montagevorrichtung die beiden Trichter 6 und 10 in Axialrichtung bis zum Anstoßen an die axial weisenden Blechkanten des Lagerungsbereichs 8 herangefahren. Entweder man hat vorher mittels bewegbarer Stempel die zwei Abgasbehandlungskörper 20 zu der (von der Istlänge des Lagerungsbereichs 8 abhängige) Sollage zusammengeschoben, oder man tut dies mit dem Heranschieben der Trichter 6, 10. Dann werden die Trichter 6, 10 mit dem Lagerungsbereich 8 mit der gezeichneten Dreifachnaht, welche das Blech des Lagerungsbereichs 8, die Außenwand 12 des betreffenden Trichters 6 bzw. 10 und die radial nach außen weisende Kante der Innenwand 14 des betreffenden Trichters 6 bzw. 10 erfaßt, verschweißt. Die auf die beschriebene Art eingestellte Soll-Relativlage der Stirnseiten 24 der Abgasbehandlungskörper 20 relativ zu den Innenwänden 14 der beiden Trichter 6, 10 ist jedenfalls so, daß dort praktisch kein oder nur ein sehr schmaler Spalt zwischen dem äußeren Rand der betreffenden Stirnseite 24 und einem Bereich der Innenwand 14 des betreffenden Trichters 6 bzw. 10, wo diese Innenwand im wesentlichen in Radialrichtung verläuft, besteht.

Zum Einschieben der Anordnung aus den Abgasbehandlungskörpern 20, der Drahtmatte 36 und der Lagerungsmatte 18 ist die Lägerungsmatte 18 auf etwa 2/3 ihrer Ausgangsstärke zusammengepreßt worden, so daß die Abgasbehandlungskörper 20 auch vor dem ersten Erhitzen der Lägerungsmatte 18 bereits mit einer gewissen Vorspannung in dem Gehäuse 4 gehaltert sind. Der Klebstoff zwischen der Lagerungsmatte 18 und den Umfängen der Abgasbehandlungskörper 20 ist so beschaffen, daß er die beschriebenen Verschiebebewegungen der Abgasbehandlungskörper 20 relativ zu der Lagerungsmatte 18 beim Zusammenbau erlaubt. Hierbei verschieben sich die Abgasbehandlungskörper 20 auch um kleine Wege relativ zu der Drahtmatte 36.

Die beschriebene Art der Aufbringung von Bindemittel in der mittleren, streifenförmigen Imprägnierungszone 34 und in den beiden axialen Endbereichen 50 der Lagerungsmatte 18 hat den Vorteil, daß das Werkzeug, mit dem die Anordnung aus den zwei Abgasbehandlungskörpern 20, der Drahtmatte 36 und der Lagerungsmatte 18 in den Lagerungsbereich 8 des Gehäuses 4 eingeschoben wird, nicht mit dem Bindemittel verunreinigt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 ist eine streifenförmige Drahtmatte 36 veranschaulicht, die mit zwei (im angebrachten Zustand) umlaufenden Absätzen 52 verformt ist, wodurch Anlageflächen geringer radialer Höhe für die dem Abstandsraum 22 zugewandten Stirnseiten der zwei Abgasbehandlungskörper 20 gebildet sind.

Ferner ist im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 anders, daß die als Quellmatte ausgebildete Lagerungsmatte 18 nicht über die zwei Abgasbehandlungskörper 20 längs durchgeht, sondern in zwei Lagerungsmatten 18 aufgeteilt ist. Im Bereich der Drahtmatte 36, aber in Längsrichtung der Vorrichtung 2 gemessen etwas weniger breit als diese, ist eine ringstreifenförmige Isoliermatte 54 eingebaut. Diese besteht aus einem Glasfaserfilz, geleached auf eine derartige Erweichungstemperatur des Glasfasermaterials, daß in Betrieb ein zähelastischer Schutzfilm unter Zusammensintern der Glasfilamente an den Kreuzungsstellen an der Innenseite der Isoliermatte 54 gebildet wird.

Im Querschnitt der Fig. 4 sieht man, daß die Ausdrucksweise "ringstreifenförmige Isoliermatte" nur für die Gesamtkonfiguration gilt. Man kann den Gesamtumfang der Matte auf mehrere Teile, hier drei Teile, aufteilen, die in Umfangsrichtung aneinanderstoßen. Wenn das Glasfaserfilz-Material unter Temperaturbeanspruchung etwas schrumpft, bleiben die Spalte an den Stoßstellen immer noch klein genug. Außerdem erkennt man, daß jede der drei Mattenteile zusammengefaltet -zweilagig ist, wobei der Umfangsstoß an der kalten Mattenseite liegt. Die Isoliermatte 54 ist, in Längsrichtung der Vorrichtung 2 gemessen, weniger breit als die Drahtmatte 36, so daß die Drahtmatte 36 in ihren beiden axialen Endbereichen jeweils von einer Lagerungsmatte 18 gegen den Umfang eines Abgasbehandlungskörpers 20 gepreßt wird.

Fig. 5 veranschaulicht das Vorsehen von Abstandshalteelementen zwischen den einander zugewandten Stirnseiten 56 der Abgasbehandlungskörper 20 im Abstandsraum 22. Die Abstandshalteelemente 58 sind in Längsrichtung der Vorrichtung 2 bei Axialkraftaufbringung nachgiebig und sind z.B. als Polyethylen-Schaumstoffkissen oder als nachgiebige Pappblöcke vorgesehen.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen Einprägungen 60 in der Drahtmatte 36. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 6 sind mehr punktuelle Einprägungen 60, angeordnet in Reihen gemäß der Drahtverlaufsrichtung, vorgesehen, während man beim Ausführungsbeispiel von Fig. 7 mehr linienförmig-axial ausgerichtete Einprägungen 60 sieht. In beiden Fällen werden Biegelinien bzw. Ausbeulungsverläufe für die Drahtmatte 36 vorgegeben; das Arbeiten der Drahtmatte 36 bei Temperaturbeanspruchung erfolgt mehr in einem ziehharmonikaartig vorgeprägten Gebilde. Die Einprägungen 60 sind nur dort vorgesehen, wo die Drahtmatte 36 den Abstandsraum 22 umgrenzt und nicht auf den Umfängen der Abgasbehandlungskörper 20 aufliegt.

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung für Verbrennungsmotorenabgase, aufweisend:

(a) ein Gehäuse (4), in dessen Lagerungsbereich (8) in Längsrichtung hintereinander mindestens zwei Abgasbehandlungskörper (20) mit gegenseitigem Abstand mittels mindestens einer Quellmatte (18) gehaltert sind;

(b) einen Zuströmtrichter (6) an der Eintrittsseite des Gehäuses (4);

(c) einen Abströmtrichter (10) an der Austrittsseite des Gehäuses (4); und

(d) gegebenenfalls eine Drahtmatte (36) in einer Umfangs-Umgrenzung des Abstandsraums (22) zwischen den beiden Abgasbehandlungskörpern (20), mit

(e) gegebenenfalls einer die Drahtmatte (36) mindestens im Bereich des Abgasbehandlungskörper-Abstands umgebenden Glasfaser-Isoliermatte (54) ;

dadurch gekennzeichnet,
daß hochtemperaturbeanspruchte Bereiche der Quellmatte (18) durch Imprägnieren verklebte Faserkreuzungsstellen und gegebenenfalls hochtemperaturbeanspruchte Bereiche der Glasfaser-Isoliermatte (54) zusammengesinterte Faserkreuzungsstellen aufweisen.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Quellmatte (18) in einem den Abstandsraum (22) zwischen den beiden Abgasbehandlungskörpern (20) überbrückenden Bereich und/oder in mindestens einem axialen Endbereich mit einem Bindemittel unter Schaffung von Verklebung an Faserkreuzungsstellen und unter Vermeidung einer weitgehenden Hohlraumausfüllung imprägniert ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Bindemittel auf Basis einer metallorganischen Verbindung, insbesondere Silan, von Kalium-Methylsiliconat, von Natrium-Methylsiliconat, oder von Aluminiumphosphat vorgesehen ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bindemittel als wässrige Lösung oder organisch gelöst eingebracht worden ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasfasern der Isoliermatte (54) auf eine der Betriebstemperatur am Einbauort in der Abgasbehandlungsvorrichtung (2) angepaßte Temperaturbeständigkeit gebracht sind, derart, daß sich bei Temperaturen im oberen Betriebstemperaturbereich auf der heißen Seite der Isoliermatte (54) ein Zusammensintern der Glasfasern an den Kreuzungsstellen ergibt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasfaser-Isoliermatte (54) aus durch Düsen gezogenen Glasfasern, im wesentlichen ohne Feinstaubgehalt und im wesentlichen ohne Grobteilchengehalt, aufgebaut ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasfasern der Isoliermatte durch Auslaugen auf einen hohen prozentualen SiO₂-Gehalt und damit eine hohe Temperaturbeständigkeit gebracht sind.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isoliermatte (54) als Glasfaservlies, vorzugsweise vernadelt zu einem Glasfaservlies, ausgebildet ist.