WO2003014543A1

WO2003014543A1 - Abgaskatalysator mit dehnungen ausgleichender lagerung

Info

Publication number: WO2003014543A1
Application number: PCT/EP2002/008283
Authority: WO
Inventors: Rolf BRÜCK; Jörg-Roman KONIECZNY; Lorenzo Pace; Jan Hodgson
Original assignee: Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US20040156761A1; DE10137878A1; EP1415075A1; JP2004537413A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen in einem Gehäuse (5) gehalterten Wabenkörper (1) mit einer Mantelfläche (2), insbesondere eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Wabenkörper (1) eine axiale Länge (L) hat und die Mantelfläche (2) von wenigstens einem Blech (4) umgeben ist, welches abschnittsweise durch Biegung in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche (2) und Gehäuse (5) gebracht ist, so dass durch die Biegungen in Umfangsrichtung überhängende Auswölbungen (3) der Blechlagen gebildet werden, wobei sich die Auswölbungen (3) in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken. Der erfindungsgemässe in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper kann sich nahezu ungehindert thermisch gegenüber dem Gehäuse ausdehnen, wobei eine lang andauernde Fixierung des Wabenkörpers in dem Gehäuse, insbesondere im Gehäuse einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, gewährleistet ist. Die Erfindung findet Anwendung insbesondere für Wabenkörper mit hohen Kanaldichten von 800 cpsi und Blechdicken kleiner als 0,025 mm.

Description

Abgaskatalysator mit Dehnungen ausgleichender Lagerung

Die Erfindung betrifft einen in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Wabenkörper werden insbesondere in Abgasanlagen von Nerbrennungskraftmaschinen eingesetzt.

Ein solcher Wabenkörper wird in der DE 39 30 680 beschrieben. Hierbei bildet der Wabenkörper zusammen mit einem metallischen Gehäuse das Kernstück eines Katalysators zur Abgasreinigung von Nerbrer ungskraft naschinen. Wegen der Temperaturgradienten sowie der mechanischen Belastungen, die in einer Abgasanlage auftreten, ist der Wabenkörper nicht über den gesamten Umfang mit dem Gehäuse verlötet, sondern über zwei oder mehrere Lager elastisch am Gehäuse aufgehängt. Diese Halterung mit mehreren Mantelringen bzw. Segmenten, einer Vielzahl von Blattfedern, mindestens einem Gleitring und Abdichtungen für den Ringspalt erfordern einen hohen Fertigungs- und Montageaufwand, damit diese Halterung den thermischen und dynamischen Belastungen in einem Abgassystem standhält.

Die Erfindung geht von der DE 38 17490 C2 aus, in der ein Wabenkörper mit einem ihn umgebenen Wellband beschrieben wird, das mit asymmetrischen und in einer Richtung geneigten Wellungen versehenen ist, so dass Relativbewegungen zwischen Wabenkörper und Gehäuse durch Nachgeben der Wellungen und Dre- hung des Wabenkorpers im Gehäuse aufgenommen werden können.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halterung für einen in einem Gehäuse befestigten Wabenkörper anzugeben, die einfach in ihrer Herstellung ist und eine hoch belastbare, standfeste Verbindung des Wabenkörpers zu dem Gehäuse auch bei extremen thermischen wie dynamischen Bedingungen im Abgassystem gewährleistet. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und t bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Halterung des Wabenkörpers wird insbesondere zur Fixierung eines Wabenkörpers in einem Gehäuse einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Der Wabenkörper weist eine axiale Länge auf. und zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass seine Mantelfläche von we- nigstens einem Blech umgeben ist, welches abschnittsweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche und Gehäuse gebracht ist, so dass durch die Biegungen in Umfangsrichtung überhängende Auswölbungen der Blechlagen so gebildet werden, dass sich die Auswölbungen in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken. Durch die Biegungen des Blechs zu abschnittsweise mehreren radial gegeneinander beweglichen Lagen zwischen Mantelfläche und Gehäuse erhält das Blech in vorteilhafter Weise die Funktion einer federnden und flexiblen Halterung, so dass Relativbewegungen zwischen Mantelfläche und Gehäuse in einem weiten Rahmen schadlos überstanden werden können. Es ist von Vorteil, wenn die sich die Auswölbungen in Um- fangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken, da somit eine Torsion des Wabenkörpers relativ zum Gehäuse aufgrund von Relativdehnungen vermieden wird, und damit tieffrequente Eigenfrequenzen des schwingenden Systems Wabenkörper/Gehäuse, die zu Resonanzüberhöhungen und damit zu einem erhöhten Verschleiß fuhren könnten, vermindert werden.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Auswölbung in Umfangsrichtung des Blechs aufgrund ihrer Ausdehnung den Wärmetransport von Wabenkörper zum Gehäuse vermindern, so dass insbesondere in der Kaltstartphase die Betriebstemperatur des Katalysators für die katalytische Umsetzung von Schadstoffen schnel- 1er erreicht wird. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich die Auswölbungen des Bleches, die jeweils einzeln sich in Umfangsrichtung in eine Richtung erstrecken, in Umfangsrichtung alternierend vorwärts und rückwärts. Durch dieses Biegungsprofil werden Torsionen des Wabenkörpers relativ zum Gehäuse unterbunden.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die einzelne Auswölbung in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts.

Entsprechend der Erfindung ist es von Vorteil, das Biegungsprofil entlang der axialen Richtung des Wabenkörpers zu verändern. Hiermit kann die Steifigkeit der Befestigung von Wabenkörper am Gehäuse entlang der axialen Richtung des Wabenkörpers gezielt beeinflußt werden, so dass Bereiche des Wabenkörpers mit höherer Steifigkeit sowie Bereiche mit geringerer Steifigkeit vorgegeben werden können.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wabenkörpers werden mindestens zwei Bleche, die jeweils abschnittweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche und Gehäuse gebracht sind, so dass durch die Biegungen in Umfangsrichtung überhängende Aus- Wölbungen der Blechlagen gebildet werden, so dass sich die Auswölbungen in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken, axial hintereinander beabstandet. Mit dieser Anordnung wird die Wärmeleitung zwischen Wabenkörper und Gehäuse aufgrund der für die Wärmeleitung reduzierten Querschnittsfläche vermindert, so dass im Gegenzug der Wabenkörper schneller auf die erforder- liehe Betriebstemperatur erwärmt werden kann.

Nach einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden mindestens zwei Bleche, die jeweils abschnittsweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche und Gehäuse gebracht sind, in Umfangsrichtung hintereinander beabstandet. Mit Hilfe dieser Ausgestal- tung wird der Wärmekontakt von Wabenkörper und Gehäuse durch Wärmeleitung weiter reduziert.

Vorteilhafterweise zeichnet sich der erfindungsgemäße, in einem Gehäuse gehal- terter Wabenkörper dadurch aus, dass Verbmdungsabschnitte der zur Mantelfläche hin gerichteten Seite des Blechs mit der Mantelfläche bzw. Verbindungsabschnitte der zum Gehäuse gerichteten Seite mit dem Gehäuse fügetechnisch verbunden sind. Mit dieser fügetechnischen Verbindung wird eine dauerhafte Fixierung vom Wabenkörper am Gehäuse erreicht.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung werden die Blechlagen mäander- förmig, insbesondere omegafδrmig, ausgebildet. Durch den breiten Überhang wird zum einen eine vorteilhafte Elastizität der Struktur bei guten Wärme isolierenden Eigenschaften erreicht.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen schematisch:

Fig. 1 einen in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper,

Fig. 2 bis

Fig. 5 verschiedene Realisierungen von Auswölbungen der Blechlagen,

Fig. 6 einen in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper mit entlang der axialen Richtung veränderndem Auswölbungsprofil,

Fig. 7 einen in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörper mit einer Mantelfläche, die von vier Blechen umgeben ist,

Fig. 8 a-c Detailansichten von drei Querschnitten entlang der axialen Richtung des in einem Gehäuse gehalterten Wabenkörpers, und Fig. 9 bis

Fig. 12 weitere Realisierungen von f Auswölbungen der Blechlagen.

Fig. 1 zeigt einen in einem Gehäuse 5 gehalterten Wabenkörper 1 mit einer Mantelfläche 2, wobei die Mantelfläche 2 von einem Blech 4 umgeben ist, welches abschnittsweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche 2 und Gehäuse 5 gebracht ist. Durch die Biegungen des Bleches 4 werden in Umfangsrichtung überhängende Auswölbungen 3 der Blechlagen gebildet, die sich in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken. Durch die Biegungen des Bleches 4 erhält das Blech 4 eine federnde Eigenschaft, so dass Relativbewegung zwischen Wabenkörper 1 und Gehäuse 5 aufgenommen bzw. abgefedert werden können. Das Blech 4 ist abschnittsweise an seiner zur Mantelfläche 2 hin gerichteten Seite mit der Mantelfläche 2 bzw. mit sei- ner zum Gehäuse gerichteten Seite mit dem Gehäuse fugetechnisch verbunden. Bei einer geeigneten Wahl der Blechdicke des Bleches 4 wird somit die fugetechnische Verbindung durch die Elastizität der Struktur vor Ausreißen bzw. Verschleiß bedingt durch Vibrationen und/oder Ausdehnungen des Wabenkörpers 1 gegenüber dem Gehäuse 5 geschützt. Die Struktur verbindet eine elastische Auf- hängung mit einer dauerhaften Befestigung. Darüber hinaus bewirkt die Struktur eine erhöhte Wärmeisolation, da einerseits die Wärmeleitung in dem Blech 4 aufgrund der längeren, zu überwindenden Blechstrecke reduziert wird, als auch die Wärmestrahlung, welche bei Schwarzkörperstrahlung proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist, durch die Blechlagen induzierten Temperaturstufen effektiv vermindert wird. Die Steifheit der Struktur kann u.a. durch die Höhe der Struktur in Verhältnis zu seiner Breite bzw. die Breite des Überhanges, durch die Anzahl der Auswölbungen 3, die Anzahl der Faltungen innerhalb einer Auswölbung 3 oder die Wahl der Blechstärke eingestellt werden.

Fig. 2 bis 5 bzw. Fig. 9 bis 12 zeigen unterschiedliche Realisierungen der Auswölbungen 3 des Bleches 4 als Detailansicht eines Querschnitts eines in einem Gehäuse 5 gehalterten Wabenkörpers 1. Sehr deutlich ist hierbei zu erkennen, was mit überhängenden Auswölbungen 3 gemeint ist. In Fig. 2 ist die Auswölbungen 3 an ihrer oberen Seite breiter als an ihrer Basis, wobei sich die obere Seite in radia- t ler Richtung vorwärts wie rückwärts über die Basis der Auswölbung 3 erstreckt. Das Blech 4 ist mäanderförmig um die Mantelfläche 2 gewickelt und bildet eine omegaformige Struktur aus. Sowohl an der rechten wie linken Seite der Auswölbung befindet sich ein Überhang. Die Auswölbungen 3 in Fig. 2, 3, 5, 10 bis 12 zeigen jeweils einzeln in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts. In Fig. 4 und 9 zeigt eine einzelne Auswölbung in Umfangsrichtung entweder vorwärts oder rückwärts, die Auswölbungen 3 in der Gesamtheit zeigen aber sowohl vorwärts als auch rückwärts, da manche Auswölbungen 3 in Umfangsrichtung vorwärts, andere in Umfangsrichtung rückwärts gerichtet sind. Durch das in Umfangsrichtung Vorwärts- und Rückwärtserstreckens, sei es bezogen auf eine einzelne Auswölbung 3 oder auf die Gesamtheit der Auswölbungen 3, wird eine Rotation des Wabenkörpers 1 relativ zum Gehäuse 5 bei thermischer Ausdehnung oder Vibration reduziert, bzw. bei exakt symmetrischem Aufbau vermieden. Alternativ ist die Zahl der nach in Umfangsrichtung vorwärts erstreckenden Auswölbungen 3 ungleich der Zahl in Umfangsrichtung rückwärts erstreckenden Auswölbungen. Hierbei ist eine Rotation des Wabenkörpers 1 relativ zum Gehäuse 5 zu erwarten.

Fig. 6 zeigt einen Wabenkörper 1 mit einer Mantelfläche 2, um die zwei, in axiale Richtung beabstandete Bleche 4a, 4b gewickelt sind, die ihrerseits abschnittsweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwischen Mantelfläche 2 und Gehäuse 5 gebracht sind, so dass durch die Biegungen in Um- fangsrichtung überhängende Auswölbungen 3 der Blechlagen gebildet werden, wobei sich die Auswölbungen 3 in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken. Dieses hat zum Vorteil, dass der Wärmetransport aufgrund der Wärmeleitung von Wabenkörper 1 zum Gehäuse 5 unterbrochen wird.

Fig. 7 zeigt einen Wabenkörper 1 mit einer Mantelfläche 2, die von vier Blechen 4a, 4b, 4c, 4d umgeben ist, welche in Umfangsrichtung hintereinander beab- beabstandet sind. Auch hier wird der Wärmetransport aufgrund Wärmeleitung vom Wabenkörper 1 zum Gehäuse 5 reduziert. An Verbindungsabschnitten 6a der zur Mantelfläche 2 hin gerichteten Seite des Bleches 4 wird mit der Mantelflä- ehe 2 bzw. Verbindungsabschnitte 6b der zum Gehäuse 5 gerichteten Seite des Bleches 4 mit dem Gehäuse 5 fugetechnisch verbunden. Bewährt haben sich als fügetechnische Verbindung Lötverfahren.

Abbildung Fig. 8a, Fig. 8b und Fig. 8c zeigen eine Realisierung der Auswölbungen 3 des Bleches 4, wobei sich das Auswölbungsprofil entlang der axialen Rich- tung des Wabenkörpers 1 verändert. Hierbei gezeigt werden drei Querschnitte des Wabenkörpers 1 an verschiedenen Stellen entlang der axialen Richtung des Wabenkörpers 1. Wie man erkennt, ist der Überhang der Auswölbung 4 in der Abbildung Fig. 8a besonders ausgeprägt, nimmt in Fig. 8b ab, und liegt in Fig. 8c nur noch schwach vor. Aus der Verminderung des Überhangs der Auswölbung 3 er- gibt sich ein verändertes elastisches Verhalten, welches zu einer zunehmenden Steifheit der Halterung des Wabenkörpers 1 am Gehäuse 5 durch das Blech 4 bei abnehmendem Überhang führt. Durch eine derartig veränderte Struktur der Auswölbungen 3 entlang der axialen Richtung, welche nicht monoton zu- oder abnehmen muß, sondern ganz allgemein durch eine beliebige Funktion gegeben sein mag, kann der elastische Charakter der Halterung des Wabenkörpers 1 im Gehäuse 5 maßgeschneidert werden.

Die in der Zeichnung dargestellten Auswölbungen 3 stellen nur einige wenige, ausgewählte Realisierungen von einer Vielzahl von Auswölbungen 3 dar und sind nicht die Erfindung einschränkend aufzufassen.

Der erfindungsgemäß in einem Gehäuse gehalterte Wabenkörper kann sich nahezu ungehindert gegenüber dem Gehäuse ausdehnen, wobei eine lang andauernde Fixierung des Wabenkörpers in dem Gehäuse, insbesondere im Gehäuse einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist. Darüber hinaus wird eine erhöhte thermische Abkopplung von Wabenlcörper und Gehäuse er^¬ reicht.

Bezugszeichen

1 Wabenkörper

2 Mantelfläche

3 Auswölbung

4, 4a, 4b, 4c, 4d Blech

5 Gehäuse

6a, 6b Verbindungsabschnitte

L Länge

Claims

Patentansprüche

1. In einem Gehäuse (5) gehalterter Wabenkörper (1) mit einer Mantelfläche (2), insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraf maschine, wobei der Wabenkörper (1) eine axiale Länge (L) hat und die Mantelfläche (2) von wenigstens einem Blech (4) umgeben ist, welches abschnittsweise durch Biegungen in mehrere radial gegeneinander bewegliche Lagen zwi- sehen Mantelfläche (2) und Gehäuse (5) gebracht ist, so dass durch die Biegungen in Umfangsrichtung überhängende Auswölbungen (3) der Blechlagen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auswölbungen in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstrecken.

2. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die

Auswölbungen (3) des Bleches (4), die sich jeweils einzeln in Umfangsrichtung in eine Richtung erstrecken, in Umfangsrichtung alternierend vorwärts und rückwärts erstrecken.

3. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einzelne Aus Wölbung (3) in Umfangsrichtung vorwärts und rückwärts erstreckt.

4. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Auswölbungsprofil entlang der axialen Richtung des Wabenkorpers (1) verändert.

5. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (2) von mindestens zwei Blechen (4a, 4b) umgeben ist, welche axial hintereinander beabstandet sind.

6. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (2) von mindestens zwei Blechen (4a, 4b, 4c, 4d) um- geben ist, welche in Umfangsrichtung hintereinander beabstandet sind.

7. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsabschnitte (6a) der zur Mantelfläche (2) hin gerichtete Seite des Bleches (4) mit der Mantelfläche (2) und Verbindungsabschnitte (6b) der zum Gehäuse (5) gerichteten Seite mit dem Gehäuse (5) fügetechnisch verbunden sind.

8. Wabenkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechlagen (4) mäanderförmig, insbesondere omegafδrmig, um die Mantelfläche (3) gewickelt werden.