EP2469052A1 - Abgasreinigungsvorrichtung - Google Patents

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EP2469052A1
EP2469052A1 EP11007795A EP11007795A EP2469052A1 EP 2469052 A1 EP2469052 A1 EP 2469052A1 EP 11007795 A EP11007795 A EP 11007795A EP 11007795 A EP11007795 A EP 11007795A EP 2469052 A1 EP2469052 A1 EP 2469052A1
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EP
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exhaust gas
gas purification
housing
purification device
foam material
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EP11007795A
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Dieter Krumrey
Holger GRÄF
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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    • F01N2530/00—Selection of materials for tubes, chambers or housings
    • F01N2530/24—Sintered porous material, e.g. bronze, aluminium or the like

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification device, preferably for the exhaust gas treatment of an internal combustion engine, with a body through which exhaust gas flows, which is inserted into a housing.
  • the invention further relates to a method for producing such an exhaust gas purification device.
  • the exhaust gas purification device may e.g. a catalyst device having a catalyst body (monolith) inserted in a catalyst housing, a particulate filter, e.g. Diesel particulate filter or the like
  • Such Abgasthesesvornchtungen eg catalyst devices are well known in the art.
  • a catalyst device having a catalyst body held within a catalyst housing.
  • an input side Axialgewebering and an output side Axialgewebering are provided which fix the catalyst body both in the axial direction and in the radial direction of the catalyst housing.
  • a bearing or Blähmatte is provided in the space between the outer circumferential surface of the catalyst body having an outer diameter and the inner circumferential surface of the catalyst body housing having an inner diameter. Due to the two Axialgeweberinge and an insulating layer, the penetration of exhaust gases is prevented in the bearing or Blähmatte so that the exhaust gases pass through the catalyst body through its entire extent in the flow direction of the exhaust gases.
  • funnel-shaped pipe connections are welded to the catalyst housing, so that the production of a corresponding catalyst device is complex and associated with a relatively high production time.
  • the housing receiving the exhaust gas purification body (for example a monolith of a catalytic converter or a particle filter) is formed from a foam material.
  • the method according to the invention for the production of the exhaust-gas purification device envisages first of all that of a retaining element, e.g. a blown mat for a catalyst, radially enclosed exhaust gas purification bodies, e.g.
  • a monolith of a catalyst, as well as axially adjacent thereto corresponding pipe connections are positioned and in a further process step, the exhaust gas cleaning body is encapsulated with a gas-tight foaming foam such that the two pipe connections are enclosed with their exhaust gas cleaning body facing ends of the foam material.
  • the essence of the invention is therefore to completely dispense with a separate metal housing for supporting the exhaust gas cleaning body and to replace this by the overmolding of the exhaust gas cleaning body with a foaming. It is particularly advantageous, the two axial pipe connection elements of the exhaust gas purification device with the same be sprayed so that a subsequent connection, eg welding of the preferably funnel-shaped connection elements is eliminated. In this way, the production can be considerably simplified and the production time can be greatly reduced.
  • the foam material used has a closed-pore design to ensure that the exhaust gas flow flows only through the structure of the exhaust gas purification body and not past it through the housing jacket.
  • a thermal insulation effect is achieved by the gas inclusions enclosed in the foam. As a result, additional costs for additional heat protection measures can be reduced or saved.
  • a base material of a metal material preferably a ferrous material, and alternatively or additionally, stainless steel is possible.
  • the exhaust gas cleaning body eg monolith, particulate filter, or the like
  • the foam housing can be provided analogously to the known catalyst devices alternatively additionally a Blähmatte as a holding element between the housing and catalyst body (monolith).
  • the foaming foam according to the invention is preferably foamed by a propellant containing titanium hydride.
  • admixing of oxide, nitride, ceramic and / or composite materials can be added.
  • the mechanically foamed flexible foam after curing has a continuous temperature strength of preferably at least 500 ° C.
  • FIG. 1 a longitudinal section through the exhaust gas purification device according to the invention and the FIGS. 2 and 3 each cross-sectional views according to the section lines A and B of FIG. 1 ,
  • an exhaust gas purification device comprises a cylindrical exhaust gas purification body 1.
  • This exhaust gas purification body 1 may alternatively be formed as a monolith of a ceramic material of a catalyst, but it is alternatively also a particulate filter, for. As diesel particulate filter in an exhaust pipe of an internal combustion engine or other emission control systems possible.
  • this exhaust gas purification body is designed so that the exhaust gas flowing through is cleaned due to the structure of the exhaust gas purification body.
  • the exhaust gas cleaning body 1 is surrounded in the exemplary embodiment at its radial peripheral surface of a holding element 3, which is formed for example as a so-called Blähmatte a catalyst.
  • the exhaust gas purification body 1 is surrounded by the interposition of the holding element 3 radially from a housing 2, which is formed from a foam material.
  • a housing 2 which is formed from a foam material.
  • other retaining elements 3 are possible as an alternative, such as support rings, a wire mesh or Axialgeweberinge.
  • the foam material of the housing 2 includes at its axial ends the tubular end portions 5 of two pipe connection elements 4, which form the respective connecting pieces for an exhaust gas supply line and an exhaust gas discharge line of an exhaust system, for example an internal combustion engine.
  • the pipe connection elements 4 are preferably funnel-shaped and enclose with their larger pipe diameters the exhaust gas purification body, or open into this area. It is particularly advantageous that the end regions 5 of the pipe connection elements dive directly into the foaming foam of the housing 2.
  • FIGS. 2 and 3 a section along the lines AA and BB, which lead on the one hand through the exhaust gas purification body 1, on the other hand through the connection region of the pipe connection elements 4.
  • the foam material of the housing 2 preferably a metal foam, is designed so that it forms a mechanically stable, gas-tight and high-temperature resistant and thermally insulating housing shell after curing. Due to a certain flexibility and elasticity of the Foam material due to suitable admixtures shocks and shocks can be further absorbed, whereby the foamed housing 2 additionally serves as protection against damage to the exhaust gas purification body 1.

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Abstract

Es wird eine Abgasreinigungsvorrichtung, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine, mit einem von dem Abgas durchströmten Abgasreinigungskörper (1) offenbart, der in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, das an seinen axialen Enden mit Rohranschlusselementen (4) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse (2) aus einem Schaummaterial, vorzugsweise einem Metallschaum gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung, vorzugsweise zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, mit einem vom Abgas durchströmten Körper, der in ein Gehäuse eingesetzt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Abgasreinigungsvorrichtung. Dabei kann die Abgasreinigungsvorrichtung z.B. eine Katalysatorvorrichtung mit einem in ein Katalysatorgehäuse eingesetzten Katalysatorkörper (Monolith), ein Partikelfilter, z.B. Dieselpartikelfilter oder ähnliches sein
  • Derartige Abgasreinigungsvornchtungen, z.B. Katalysatorvorrichtungen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2006 035 957 A1 eine Katalysatorvorrichtung mit einem Katalysatorkörper, der innerhalb eines Katalysatorgehäuses gehalten ist. Zur Halterung des Katalysatorkörpers (Monolith) innerhalb des Katalysatorgehäuses sind ein eingangsseitiger Axialgewebering und ein ausgangsseitiger Axialgewebering vorgesehen, die den Katalysatorkörper sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung des Katalysatorgehäuses fixieren. Zwischen dem eingangsseitigen Axialgewebering und dem ausgangsseitigen Axialgewebering ist im Zwischenraum zwischen der Außenmantelfläche des einen Außendurchmesser aufweisenden Katalysatorkörpers und der Innenmantelfläche des einen Innendurchmesser aufweisenden Katalysatorkörpergehäuses eine Lager- bzw. Blähmatte vorgesehen. Aufgrund der beiden Axialgeweberinge und einer Isolationsschicht wird das Eindringen von Abgasen in die Lager- bzw. Blähmatte verhindert, so dass die Abgase den Katalysatorkörper durch dessen gesamte Erstreckung in Strömungsrichtung der Abgase durchtreten.
  • Bei dem Einsatz von Blähmatten in den Katalysatorvorrichtungen ist allerdings bei der Herstellung eine hohe Genauigkeit und Präzision erforderlich, da diese jeweils ein ganz bestimmtes Blähverhalten aufweisen. Ein Spaltmaß für einen Zwischenraum zwischen dem Katalysatorkörper und dem Katalysatorgehäuse muss exakt eingehalten werden, damit die Blähmatte nach einem Blähvorgang den Katalysatorkörper wie gewünscht hält und lagert. Ist das Spaltmaß zu eng, d.h. der Blähmatte steht für den Blähvorgang zu wenig Volumen zur Ausbreitung bzw. Aufblähung zur Verfügung, kann es aufgrund zu großer wirkender Kräfte zu einer Beschädigung des Katalysatorkörpers kommen. Ist hingegen das Spaltmaß zu weit, wirken zu geringe Kräfte, so dass ein stabiles Haltern bzw. Lagern des Katalysatorkörpers nicht gewährleistet ist.
  • Zudem sind die trichterförmigen Rohranschlüsse am Katalysatorgehäuse verschweißt, so dass die Fertigung einer entsprechenden Katalysatorvorrichtung aufwändig und mit einer relativ hohen Fertigungszeit verbunden ist.
  • Ähnliche Probleme treten bei der Lagerung von Partikelfiltern im entsprechenden Gehäuse und deren Befestigung an den Rohranschlüssen auf.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bekannte Abgasreinigungsvorrichtungen und deren Herstellverfahren dahingehend weiter zu entwickeln, dass in der Folge eine stabile Halterung des Abgasreinigungskörpers in einfacher Weise und mit geringem Fertigungsaufwand und kurzer Fertigungszeit ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Abgasreinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
  • Bei einer Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das den Abgasreinigungskörper (z.B. ein Monolith eines Katalysators oder ein Partikelfilter) aufnehmende Gehäuse aus einem Schaummaterial gebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Abgasreinigungsvorrichtung sieht vor, dass zunächst der ggf. von einem Halteelement, z.B. einer Blähmatte für einen Katalysator radial umschlossene Abgasreinigungskörper, z.B. ein Monolith eines Katalysators, sowie axial daran angrenzend entsprechende Rohranschlüsse positioniert werden und in einem weiteren Verfahrensschritt der Abgasreinigungskörper mit einem gasdichten Fügeschaum derart umspritzt wird, dass die beiden Rohranschlüsse mit ihren dem Abgasreinigungskörper zugewandten Enden vom Schaummaterial eingeschlossen werden.
  • Der Kern der Erfindung besteht somit darin, auf ein separates Metallgehäuse zur Lagerung des Abgasreinigungskörpers vollständig zu verzichten und dieses durch das Umspritzen des Abgasreinigungskörpers mit einem Fügeschaum zu ersetzen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die beiden axialen Rohranschlusselemente der Abgasreinigungsvorrichtung gleich mit anzuspritzen, so dass ein späteres Verbinden, z.B. Verschweißen der vorzugsweise trichterförmigen Anschlusselemente entfällt. Auf diese Weise kann die Fertigung erheblich vereinfacht und die Fertigungszeit stark verkürzt werden.
  • Das verwendete Schaummaterial ist geschlossenporig ausgebildet, um sicherzustellen, dass der Abgasstrom nur durch die Struktur des Abgasreinigungskörpers und nicht an diesem vorbei durch den Gehäusemantel strömt. Zum anderen wird durch die in dem Schaum eingeschlossen Gaseinschlüsse eine thermische Isolationswirkung erreicht. Dadurch können weitere Kosten verursachende zusätzliche Wärmeschutzmaßnahmen reduziert bzw. eingespart werden.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft ein Grundmaterial aus einem Metallwerkstoff, vorzugsweise einem Eisenwerkstoff zu verwenden, wobei alternativ oder ergänzend auch Edelstahl möglich ist.
  • Für eine besonders gute Lagerung des Abgasreinigungskörpers (z. B. Monolith, Partikelfilter, oder ähnliches) im Schaumgehäuse kann analog zu den bekannten Katalysatorvorrichtungen alternativ zusätzlich eine Blähmatte als Halteelement zwischen Gehäuse und Katalysatorkörper (Monolith) vorgesehen sein.
  • Um geeignete und große Gaseinschlüsse in dem erfindungsgemäßen Fügeschaum zu erzeugen, wird dieser bevorzugt durch ein Titanhydrid aufweisendes Treibmittel aufgeschäumt.
  • Zur Bereitstellung einer bestimmten Flexibilität und Elastizität des Fügeschaumes für eine stoßabsorbierende Halterung des Abgasreinigungskörpers und zur Überbrückung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen eingesetzten Materialien können bei der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung dem Fügeschaum Beimischungen aus Oxid-, Nitrid-, Keramik- und/oder Verbundwerkstoffen zugefügt werden.
  • Zur Sicherstellung des ordnungsgemäßen Betriebes und seiner Beständigkeit weist der nach seinem Aushärten mechanisch feste Fügeschaum eine Dauertemperaturfestigkeit bevorzugt von mindestens 500°C auf. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigt die Figur 1. einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung und die Figuren 2 und 3 jeweils Querschnittsdarstellungen gemäß der Schnittlinien A und B der Figur 1.
  • Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung weist einen zylinderförmigen Abgasreinigungskörper 1 auf. Dieser Abgasreinigungskörper 1 kann dabei alternativ als Monolith aus einem keramischen Material eines Katalysators gebildet sein, es ist jedoch alternativ auch ein Partikelfilter, z. B. Dieselpartikelfilter in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine oder andere Abgasreinigungssysteme möglich. Dabei ist dieser Abgasreinigungskörper so ausgebildet, dass das durchströmende Abgas aufgrund der Struktur des Abgasreinigungskörpers gereinigt wird. Der Abgasreinigungskörper 1 ist im Ausführungsbeispiel an seiner radialen Umfangsfläche von einem Halteelement 3 umgeben, das z.B. als sogenannte Blähmatte eines Katalysators ausgebildet ist. Des Weiteren ist der Abgasreinigungskörper 1 unter Zwischenschaltung des Halteelementes 3 radial von einem Gehäuse 2 umgeben, das aus einem Schaummaterial gebildet ist. Dabei sind alternativ weitere Halteelemente 3 möglich wie z.B. Stützringe, ein Drahtgestrick oder Axialgeweberinge. Alternativ ist es auch möglich auf das Halteelement 3 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Abgasreinigungskörper 1 gänzlich zu verzichten und den Abgasreinigungskörper 1 direkt mit dem Schaummaterial zu umspritzen. Das Schaummaterial des Gehäuses 2 schließt an seinen axialen Enden die rohrförmigen Endbereiche 5 zweier Rohranschlusselemente 4 ein, die die jeweiligen Anschlussstücke für eine Abgaszuleitung und eine Abgasabführungsleitung einer Abgasanlage z.B. einer Brennkraftmaschine bilden. Die Rohranschlusselemente 4 sind dabei bevorzugt trichterförmig ausgebildet und umschließen mit ihren größeren Rohrdurchmessern den Abgasreinigungskörper, bzw. münden in diesen Bereich. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Endbereiche 5 der Rohranschlusselemente direkt in den Fügeschaum des Gehäuses 2 eintauchen.
  • Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Aufbaus der Abgasreinigungsvorrichtung zeigen die Figuren 2 und 3 einen Schnitt entlang der Linien A-A und B-B, die zum einen durch den Abgasreinigungskörper 1, zum anderen durch den Anschlussbereich der Rohranschlusselemente 4 führen. Dabei ist die Einbettung der Rohranschlusselemente 4 direkt in das Schaummaterial des Gehäuses 2 der Figur 3 entnehmbar. Das Schaummaterial des Gehäuses 2, vorzugsweise ein Metallschaum, ist dabei so ausgebildet, dass es nach dem Aushärten einen mechanisch stabilen, gasdichten und hochtemperaturfesten sowie thermisch isolierenden Gehäusemantel bildet. Durch eine gewisse Flexibilität und Elastizität des Schaummaterials aufgrund geeigneter Beimischungen können weiterhin Stöße und Erschütterungen absorbiert werden, wodurch das geschäumte Gehäuse 2 zusätzlich als Schutz vor Beschädigungen des Abgasreinigungskörpers 1 dient.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasreinigungskörper (Katalysator-Monolith oder Partikelfilter)
    2
    Gehäuse
    3
    Halteelement (z.B. Blähmatte)
    4
    Rohranschlusselement
    5
    ringförmige Endbereiche

Claims (14)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine, mit einem vom Abgas durchströmten Abgasreinigungskörper (1), der in ein Gehäuse (2) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem Schaummaterial gebildet ist.
  2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasreinigungskörper (1) ein Katalysatorkörper ist, der in ein Katalysatorgehäuse eingesetzt ist.
  3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasreinigungskörper (1) ein Partikelfilter ist, der in ein Partikelfiltergehäuse eingesetzt ist.
  4. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) geschlossenporig ausgebildet ist.
  5. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) nach seinem Aushärten eine gasdichte, mechanisch feste Gehäusewand bildet und eine Dauertemperaturfestigkeit von wenigstens 500 Grad Celsius aufweist.
  6. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) als Grundmaterial einen Metallwerkstoff; vorzugsweise einen Eisenwerkstoff enthält.
  7. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) als Grundmaterial Edelstahl enthält.
  8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) durch ein Titanhydrid aufweisendes Treibmittel aufgeschäumt ist.
  9. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial des Gehäuses (2) Beimischungen aus Oxid-, Nitrid-, Keramik und/oder Verbundwerkstoffen aufweist.
  10. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Katalysatorgehäuse (2) und dem Katalysatorkörper (1) ein Halteelement (3) angeordnet ist.
  11. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (3) als Blähmatte, Stützring oder Drahtgestrick ausgebildet ist, die durch das Schaummaterial im Katalysatorgehäuse (2) fixiert und positioniert sind.
  12. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) Anschlusselemente (4) zur Befestigung einer Zuführungsleitung und einer Abführungsleitung vorgesehen sind, die direkt am Schaummaterial angeordnet sind.
  13. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (4) trichterförmige Bauteile sind und mit einer den Trichter axial begrenzenden Ringfläche (5) in das Schaummaterial eintauchen.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Abgasreinigungsvorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    - Positionieren eines Abgasreinigungskörpers (1) zwischen zwei Rohranschlusselementen (4)
    - Umschäumen der radialen Umfangswand des Abgasreinigungskörpers (1) mit einem Schaummaterial, wobei die dem Abgasreinigungskörper (1) zugewandten Enden (5) der benachbarten Rohranschlusselemente (4) mit eingeschäumt werden.
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