WO2001092691A1

WO2001092691A1 - Mantelrohr mit thermisch isolierenden sicken

Info

Publication number: WO2001092691A1
Application number: PCT/EP2001/005688
Authority: WO
Inventors: Rolf BRÜCK; Peter Hirth
Original assignee: Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2001-12-06
Also published as: DE10027404A1; JP4618975B2; US20030086836A1; AU2001270530A1; ES2267790T3; JP2004501309A; DE50110457D1; US7670570B2; RU2259490C2; EP1287237B1; EP1287237A1

Abstract

Mantelrohr, insbesondere für einen Wabenkörper (12) zur Abgasbehandlung, mit einer ersten Zone (2) nahe einer ersten Stirnfläche (10) und einer dritten Zone (4) nahe einer zweiten Stirnfläche (11), wobei das Mantelrohr (1) in der ersten (2) und dritten Zone (4) einen ersten Innendurchmesser (8) hat und weiterhin eine zweite Zone (3) aufweist, die zwischen der ersten (2) und dritten Zone (4) angeordnet ist, wobei die zweite Zone (3) einen zweiten Innendurchmesser (9) hat, der größer als der erste Innendurchmesser (8) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (2) eine axiale (19) Länge (5) kleiner 5 mm, vorzugsweise kleiner 3 mm, aufweist. Die relativ schmale erste Zone (2) gewährleistet eine dauerhafte Fixierung des Wabenkörpers (12) und eine sehr geringe Wärmeabfuhr vom Wabenkörper (12) zum Mantelrohr (1), wodurch das Kaltstartverhalten eines katalytischen Konverters deutlich verbessert wird.

Description

Mantelrohr mit thermisch isolierenden Sicken

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mantelrohr, insbesondere für einen Wabenkörper zur Abgasbehandlung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen katalytischen Konverter mit einem Mantelrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Derartige katalytische Konverter werden bevorzugt in einem Abgassystem einer Nerbren- nungskraftmaschine eingesetzt.

Zur Erfüllung der weltweit schärfer werdenden Abgasgrenzwerte werden derzeit unterschiedliche Konzepte zur Emissionsbegrenzung verfolgt. Dabei steht insbesondere das Emissionsverhalten des Abgassystems nach dem Kaltstart der Ner- brennungskraftmaschine im Nordergrund. Zur Reinigung des Abgases werden katalytische Konverter eingesetzt. Die katalytischen Konverter weisen eine kata- lyrisch aktive Oberfläche auf, die ab einer bestimmten Temperatur (ca. 250 °C) eine chemische Umsetzung der Schadstoffe im Abgas (z. B. Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff, Stickoxid) bewirkt. Es gilt dabei, den Zeitraum bis zum Erreichen dieser Anspringtemperatur des katalytischen Konverters zu minimieren.

Aus der US 4,282,186 ist ein katalytischer Konverter zur Reinigung von Abgasen einer Nerbrermungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einer Trägermatrix aus gebundenen Metallfolien und einem Mantelrohr bekannt. Das Mantelrohr weist nahe seinen Stirnflächen einen geringeren Innendurchmesser auf, als in einem mittleren Bereich. Die Trägermatrix wird durch die stirnseitigen Bereiche des Mantelrohres mit geringerem Innendurchmesser fixiert, wobei zur Sicherung dieser Preßverbindung eine zusätzliche Schweiß- oder Lötverbindung vorgeschlagen wird. Aufgrund des größeren Innendurchmessers im mittleren Bereich des Mantelrohres weist der katalytische Konverter einen umlaufenden Freiraum im mittleren Bereich auf. Dieser Freiraum dient als Isolationsdämpfer, der einen Wärmetransport von der Trägermatrix zum Mantelrohr in diesem Bereich verhindert. Der bekannte katalytische Konverter wird von dem heißen Abgas der Nerbrennungskraftmaschine durchströmt, wobei sich insbesondere in der Kaltstartphase ein Temperaturgefalle von der Gaseintrittsseite zur Gasaustrittsseite hin bildet. Demzufolge erreicht die Trägermatrix zuerst nahe der Gaseintrittsseite die erforderliche Anspringtemperatur von ca. 250°C. Die katalytische Reaktion läuft exotherm ab, also unter Abgabe von thermischer Energie, wodurch stromabwärts liegende Bereiche der Trägermatrix zusätzlich erwärmt werden. Dieses Aufheizverhalten wurde bei der symmetrischen Gestaltung des bekannten katalytischen Konverters nicht berücksichtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mantelrohr für einen katalytischen Konverter anzugeben, welches das Kaltstartverhalten des katalytischen Konverters verbessert und eine dauerhafte Verbindung von Mantelrohr und Katalysator-Trägerkörper ermöglicht.

Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß durch ein Mantelrohr, insbesondere für einen Wabenkörper zur Abgasbehandlung, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Mantelrohr weist eine erste Zone nahe einer ersten Stirnfläche und eine dritte Zone nahe einer zweiten Stirnfläche auf, wobei das Mantelrohr in der ersten und dritten Zone einen ersten Innendurchmesser hat. Weiterhin weist das Mantelrohr eine zweite Zone auf, die zwischen der ersten und der dritten Zone angeordnet ist, wobei die zweite Zone einen zweiten Innendurchmesser hat, der größer als der erste Innendurchmesser ist. Das erfindungsgemäße Mantelrohr zeichnet sich dadurch aus, daß die erste Zone eine axiale Länge kleiner 5 mm aufweist. Bevorzugt ist die erste Zone mit einer axialen Länge kleiner 3 mm ausgeführt. Die erste und die dritte Zone mit dem kleineren ersten Innendurchmesser ermöglichen beispielsweise eine fügetechnische Verbindung des Mantelrohres mit einem Trägerkörper, wenn dieser so gestaltet ist, daß er in diesen Zonen mit dem Mantelrohr Kontakt hat. Die fügetechnische Verbindung kann beispielsweise durch ein bekanntes Lötverfahren erzeugt werden.

Aufgrund des Temperaturverlaufes beim Erhitzen eines katalytischen Konverters in einem Abgassystem ist die erste Zone relativ schmal ausgeführt. Das hat zur Folge, daß der Kontakt von Mantelrohr und Trägermatrix nahe der ersten Stirnfläche auf wenige Millimeter begrenzt ist, wobei eine Wärmeabfuhr von dem Trägerkörper zum Mantelrohr hin reduziert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Zone des Mantelrohres eine Länge von mindestens 1,5 mm auf. Derartige Mantelrohre werden insbesondere bei katalytischen Konvertern in einem Abgassystem einer Verbrer ungskraftmaschine eingesetzt. Dabei unterliegt das Mantelrohr sowie der Katalysator-Trägerkörper einer hohen dynamischen und thermischen Beanspruchung. Damit die erste Zone eine dauerhafte Fixierung des Trägerkörpers im Mantelrohr sicherstellt, ist mindestens eine Länge von 1,5 mm zur Ausgestaltung einer fügetechnischen Verbindung erforderlich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat die zweite Zone eine Erstreckung von 10 bis 40 mm. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die zweite Zone eine Erstreckung von 10 bis 20 mm hat. Bei einem katalytischen Konverter wird durch die Erstreckung der zweiten Zone des Mantelrohrs der Bereich definiert, in dem der Kontakt des Katalysator-Trägerkörpers mit dem Mantelrohr unterbunden und somit auch ein Wärmeabfluß verhindert ist. Da sich der Trägerkörper aufgrund der exothermen Reaktionen bei einer katalytischen Umsetzung schnell erwärmt, ist es ausreichend, den Kontakt von Trägerkörper und Mantelrohr nur an der Stelle zu unterbrechen, nahe der die Anspringtemperatur bereits nach einem kurzen Zeitraum erreicht ist. Gemäß noch einer weiteren Ausfuhrungsform ist der zweite Innendurchmesser mindestens 0,4 mm, vorzugsweise 2 mm, größer als der erste Innendurchmesser. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen dem Mantelrohr und einem Katalysator-Trägerkörper in der zweiten Zone definiert. Der Katalysator- Trägerkörper dehnt sich in der zweiten Zone während der Kaltstartphase aufgrund der zunehmenden Temperatur aus. Damit ein Kontakt von Trägerkörper mit dem Mantelrohr verhindert wird, ist mindestens ein radialer Abstand von 0,2 mm erforderlich.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist die axiale Erstreckung der zweiten Zone mindestens fünffach, vorzugsweise mindestens zehnfach, so groß wie der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Innendurchmesser. Das bedeutet beispielsweise, daß bei einem zweiten Innendurchmesser, der 2 mm größer ist als der erste Innendurchmesser, die axiale Erstreckung der zweiten Zone mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 mm, beträgt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Mantelrohres weist die dritte Zone eine axiale Ausdehnung auf, wobei die axiale Ausdehnung größer ist als die Länge der erste Zone und/oder die Erstreckung der zweiten Zone. Die dritte Zone ist demzufolge relativ breit ausgeführt, wodurch eine dauerhafte fügetechnische Verbindung in der dritten Zone mit einem Katalysator-Trägerkörper gewährleistet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Zone eine axiale Ausdehnung von 10 bis 50 mm aufweist.

Gemäß noch einer weiteren Ausfuhrungsform weist das Mantelrohr eine Dicke von 0,1 bis 1,5 mm auf. Diese geringe Dicke hat den Vorteil, daß das Mantelrohr eine geringere thermische Masse darstellt.

Weiterhin wird ein katalytischer Konverter mit dem erfϊndungsgemäßen Mantelrohr vorgeschlagen, der insbesondere für den Einsatz in einem Abgassystem einer Verbrer ungskraftmaschine geeignet ist. Der katalytische Konverter weist einen Wabenkörper aus Blechlagen auf, wobei der Wabenkörper zumindest teilweise so strukturiert ist, daß dieser für ein Abgas in einer Strömungsrichtung durchströmbar ist. Die erste Zone des Mantelrohres ist dabei nahe einer Eintrittsstirnseite und die dritte Zone nahe einer Austrittsstirnseite des katalytischen Konverters angeordnet. Der Wabenkörper ist in der ersten und der dritten Zone mit dem Mantelrohr fügetechnisch verbunden.

Aufgrund der Strömungsrichtung des Abgases weist der katalytische Konverter in der Kaltstartphase eine heißere Eintrittsseite auf. Das Mantelrohr ist demzufolge so ausgerichtet, daß die erste Zone nahe der Eintrittsseite des katalytischen Konverters angeordnet ist. Der Wabenkörper nimmt durch das ihn durchströmende Abgas Wärme auf und heizt sich auf. Aufgrund des Strömungsverhaltens des Abgases werden radial außenliegende Bereiche des Wabenkörpers nur von einer relativ geringen Menge des Abgases durchströmt, wodurch die Aufheizung dieser Bereiche verlangsamt abläuft. Um eine Abfuhr von thermischer Energie nahe der Eintrittsstirnseite zu reduzieren, ist die erste Zone des Mantelrohres relativ schmal ausgeführt, wodurch der Kontakt des Mantelrohres mit dem Wabenkörper reduziert wird. Dieser schmale Kontaktbereich ist auch bei einem Mantelrohr sichergestellt, welches über die Eintrittsstirnseite des Wabenkörpers hinausragt. Er erstreckt sich bei dieser Ausgestaltung von der Eintrittsstirnseite des Wabenkörpers bis zur zweiten Zone des Mantelrohres. Eine schnellere Aufheizung des Wabenkörpers nahe der Eintrittsstirnseite ist damit gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der zweiten Zone zwischen dem Mantelrohr und dem Wabenkörper ein Hohlraum mit Luft angeordnet. Der Hohlraum mit Luft dient dabei als Isolator, der einen Wärmeübergang vom sich aufheizenden Wabenkörper zum noch kühlen Mantelrohr verhindert. Nachfolgend werden Weiterbildungen und besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mantelrohres anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen

Mantelrohres und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mantelrohres mit Wabenkörper.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Mantelrohres 1 mit einer ersten Zone 2 nahe einer ersten Stirnfläche 10 und einer dritten Zone 4 nahe einer zweiten Stirnfläche 11. Das Mantelrohr 1 hat in der ersten Zone 2 und der dritten Zone 4 einen ersten Innendurchmesser 8. Weiterhin weist das

Mantelrohr 1 eine zweite Zone 3 auf, die zwischen der ersten Zone 2 und der dritten Zone 4 angeordnet ist. Der zweite Innendurchmesser 9 der zweiten Zone 3 ist größer als der erste Innendurchmesser 8. Die erste Zone 2 hat eine axiale 19

Länge 5 kleiner 5 mm, vorzugsweise kleiner 3 mm. Der ersten Zone 2 schließt sich die zweite Zone 3 mit einer axialen 19 Erstreckung 6 an, wobei die

Erstreckung 6 zwischen 10 und 40 mm beträgt. Die dritte Zone 4 hat eine axiale

19 Ausdehnung 7, die größer als die Länge 5 der ersten Zone 2 und/oder die Erstreckung 6 der zweiten Zone 3 ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines katalytischen Konverters mit einem Mantelrohr 1 und einem Wabenkörper 12. Der Wäbenkörper 12 ist in einer Strömungsrichtung 13 von einem Abgas durchströmbar. Dementsprechend weist der katalytische Konverter eine Eintrittsstirnseite 16 und eine Austrittsstirnseite 17 auf. Das Mantelrohr 1 ist so angeordnet, daß die erste Zone 2 nahe der Eintrittsstirnseite 16 angeordnet ist. Im Bereich der ersten Zone 2 ist eine fügetechnische Verbindung 14 mit dem Wabenkörper 12 ausgebildet. Der dargestellte Wabenkörper 12 weist Blechlagen 18 auf, die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper 12 für ein Abgas durchströmbar ist. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, die fügetechnische Verbindung 14 mit einem Belotungsverfahren durchzuführen.

Stromabwärts 13 der ersten Zone 2 schließt sich die zweite Zone 3 mit einem Hohlraum 15 zwischen Wabenkörper 12 und Mantelrohr 1 an. Dieser Hohlraum ist bevorzugt mit Luft gefüllt, wodurch im Bereich der zweiten Zone 3 ein Wärmeübergang von dem Wabenkörper 12 hin zum Mantelrohr 1 verhindert wird. Der Abstand 21 zwischen Wabenkörper 12 und Mantelrohr 3 ist dabei so gewählt, daß auch bei einer thermischen Ausdehnung des Wabenkörpers 12 ein Kontakt mit dem Mantelrohr 1 in der zweiten Zone 3 verhindert wird.

Die dritte Zone 4 erstreckt sich von der zweiten Zone 3 bis zur Austrittsstirnseite 17. Eine fügetechnische Verbindung 14 des Mantelrohres 1 mit dem Wabenkörper 12 erstreckt sich dabei nicht über die gesamte axiale 19 Ausdehnung 7 der dritten Zone 4.

Das Mantelrohr ist mit einer Dicke 20 von 0,01 bis 1,5 mm ausgeführt, wodurch die Wärmekapazität des Mantelrohres 1 reduziert wird. Das Mantelrohr 1 hat folglich eine geringere thermische Masse und gewährleistet ein schnelles Aufheizen in der Kaltstartphase eines katalytischen Konverters.

Bezugszeichenliste

Mantelrohr erste Zone zweite Zone dritte Zone

Länge

Erstreckung

Ausdehnung erster Innendurchmesser zweiter Innendurchmesser erste Stirnfläche zweite Stirnfläche

Wabenkörper

Strömungsrichtung

Verbindung

Hohlraum

Eintrittsstirnseite

Austrittsstirnseite

Blechlage

Achse

Dicke

Abstand

Claims

Patentansprüche

1. Mantelrohr, insbesondere für einen Wäbenkörper (12) zur Abgasbehandlung, mit einer ersten Zone (2) nahe einer ersten Stirnfläche (10) und einer dritten Zone (4) nahe einer zweiten

Stirnfläche (11), wobei das Mantelrohr (1) in der ersten (2) und dritten Zone (4) einen ersten Innendurchmesser (8) hat und weiterhin eine zweite Zone (3) aufweist, die zwischen der ersten (2) und dritten Zone (4) angeordnet ist, wobei die zweite Zone (3) einen zweiten Innendurchmesser (9) hat, der größer als der erste Innendurchmesser (8) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (2) eine axiale (19) Länge (5) kleiner 5 mm, vorzugsweise kleiner 3 mm, aufweist.

2. Mantelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (2) des Mantelrohres (1) eine axiale (19) Länge (5) von mindestens

1,5 mm aufweist.

3. Mantelrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (3) eine axiale (19) Erstreckung (6) von 10 bis 40 mm, vorzugsweise von 10 bis 20 mm, hat.

4. Mantelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Innendurchmesser (9) mindestens 0,4 mm , vorzugsweise 2 mm, größer ist als der erste Innendurchmesser (8).

5. Mantelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale (19) Erstreckung (5) der zweiten Zone (3) mindestens fünffach, vorzugsweise mindestens zehnfach, so groß ist wie der Unterschied zwischen dem ersten (8) und dem zweiten Innendurchmesser (9).

6. Mantelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dritte Zone (4) eine axiale (19) Ausdehnung (7) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung (7) größer ist als die Länge (5) der ersten Zone (2) und/oder die Erstreckung (6) der zweiten Zone (3).

7. Mantelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (4) eine axiale (19) Ausdehnung (7) von 10 bis 50 mm aufweist.

8. Mantelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) eine Dicke (20) von 0,1 bis 1,5 mm hat.

9. Katalytischer Konverter mit einem Mantelrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der katalytische

Konverter einen Wabenkörper (12) aus Blechlagen (18) aufweist, wobei der Wabenkörper (12) zumindest teilweise so strukturiert ist, daß dieser für ein Abgas in einer Strömungsrichtung (13) durchströmbar ist, wobei die erste Zone (2) des Mantelrohres (1) nahe einer Eintrittsstirnseite (16) und die dritte Zone (4) nahe einer Austrittsstirnseite (17) angeordnet ist und der

Wabenkörper (12) in der ersten (2) und dritten Zone (4) mit dem Mantelrohr (1) fügetechnisch verbunden (14) ist.

10. Katalytischer Konverter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Zone (3) zwischen Mantelrohr (1) und Wabenkörper (12) ein

Hohlraum (15) mit Luft angeordnet ist.