DE10360669A1 - Abgasvorrichtung für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung (1) einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Katalysatoreinheit oder einen Partikelfilter in Modulbauweise, mit zumindest einem Abgastrichter (2) und einem angeschlossenen Mantelrohr (3), indem zumindest ein Katalysatorkörper (4) oder Partikelfilter unter Zwischenordnung einer den Katalysatorkörper (4) oder Partikelfilter umgebenden Lagermatte (5) isoliert und in dem Mantelrohr (3) koaxial gelagert ist. Erfindungsgemäß ist die Stirnseite der Lager- (5) oder Canningmatte gegenüber der Stirnseite des Katalysatorkörpers (4) oder Partikelfilters zurückversetzt, wobei der so durch Mantelrohr (3), Stirnseite der Lager- (5) oder Canningmatte und Stirnseite des Katalysatorkörpers (4) oder Partikelfilters gebildete Leerraum mit einer hitzebeständigen, keramischen Masse (6) gefüllt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an- und/oder abströmseitig angebracht sein.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der DE 42 36 883 A1 ist ein Katalysator in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine bekannt, der einen von einem Gehäusemantel umgebenen Katalysatorkörper aufweist, wobei der Katalysatorkörper aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Abgaskanäle besteht. Ferner weist der Katalysator eine Vorrichtung zur Verringerung der Wärmeabstrahlung nach außen auf. Zur Ausbildung eines Katalysators, dessen Wärmeabstrahlung nach außen im heißen Zustand im wesentlichen vermieden wird, ist vorgeschlagen, die Vorrichtung zumindest aus einer Schicht anströmseitig verschlossener Abgaskanäle zu bilden, die den Katalysatorkörper in einem Umfangsbereich begrenzt.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 2 213 540 A1 ist ein Katalysatorkörper zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen aus einem gasdurchströmbaren Katalysatorträger großer Oberfläche bekannt, auf welcher das die katalytischen Reaktionen bewirkende Katalysatormaterial aufgebracht ist. Der Katalysatorkörper weist eine Schutzhülle mindestens auf seiner zur Strömungsrichtung parallelen Umfangsfläche auf. Die Schutzhülle ist aus unbrennbaren, wärmeisolierenden Mineralfasern, einer Armierung aus hoch wärmefesten Stahlteilen, sowie einem hitzebeständigen Bindemittel, in welchem beide erstgenannten Bestandteile eingebettet sind, zusammengesetzt.
• Die stoßsichere Abstützung oder Lagerung kochempfindlicher keramischer Katalysatorkörper oder Dieselpartikelfilter zur Reduzierung der Schadstoffe im motorischen Abgas erfolgt heute durch sogenannte Lager- oder Canningmatten aus Fasermaterial, wobei die Haltekraft dieser Matten über alle Betriebszustände des Kraftfahrzeugs möglichst gleich bleiben und einen Bruch des Katalysatorkörpers verhindern soll. Diese Fasermatten sind aus künstlichen Mineralfasern hergestellt, wobei zwischen glasig-amorphen und kristallinen Fasern unterschieden wird. Aluminium-Silikatfasern gehören zu den keramischen Fasern, während Calcium-Silikat- und Calcium-Magnesium-Silikat-Fasern zu den sogenannten Hochtemperaturglasfasern zählen. Als kristalline Fasern finden beispielsweise Aluminiumoxid-Fasern Einsatz.
• Im motornahen Abgasstrom können kurzzeitige Impulsspitzen mit Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der lokalen Schallgeschwindigkeit (bis zu 750 m/s) auftreten. Zudem führen Ablösungen der Strömungen bei starken Umlenkungen oder Querschnittssprüngen zu ungleichmäßigen Rohrfüllungen. Aufgrund dieser inhomogenen, pulsierenden Abgasströmung sowie der wechselnden motorischen Betriebspunkte ist insbesondere die motornah angeordnete Abgasvorrichtung hohen thermischen und strömungsmechanischen Wechselbelastungen ausgesetzt.
• Dies führt zu einer Erosion der Lagermatten, insbesondere durch die wandnahe Strömung im Katalysatortrichter. Durch die alternierende Krafteinwirkung aus der Anströmung werden die gepressten Fasern der Matte aufgerieben und mit dem Abgas durch den Katalysatorkörper hindurch ausgeblasen. Verstärkend wirkt sich hierbei der Wärmeeintrag in den Trichter aus. Da sich der Blechmantel des Katalysatorkörpers stärker thermisch ausweitet als das keramische Material des Katalysatorkörpers wird der Mattenanpressdruck dadurch reduziert. Hierdurch kommt es zu einer Lockerung des Verbundes Mantelgehäuse, Lagermatte und Katalysatorkörper. Da der poröse, keramische Katalysatorkörper nur eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweist, kommt es somit zu einer Beschädigung desselben.
• Der Erfindung liegt daher als technisches Problem die Bereitstellung einer Abgasvorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und die mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar ist.
• Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Abgasvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Katalysatoreinheit oder einen Partikelfilter in Modulbauweise, mit zumindest einem Abgastrichter und einem angeschlossenen Mantelrohr, indem zumindest ein Katalysatorkörper oder Partikelfilter unter Zwischenordnung einer den Katalysatorkörper oder Partikelfilter umgebenden Lagermatte isoliert und in dem Mantelrohr koaxial gelagert ist. Erfindungsgemäß ist die Stirnseite der Lager- oder Canningmatte gegenüber der Stirnseite des Katalysatorkörpers oder Partikelfilters zurückversetzt, wobei der so durch Mantelrohr, Stirnseite der Lager- oder Canningmatte und Stirnseite des Katalysatorkörpers oder Partikelfilters gebildete Leerraum mit einer hitzebeständigen, keramischen Masse gefüllt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an- und/oder abströmseitig angebracht sein.
• Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Abgasvorrichtung enthält die keramische Masse Mineralfasern und/oder mineralische Füllstoffe.
• In einer alternativen Weiterbildung gemäß Anspruch 3 ist zwischen keramischer Masse und Katalysatorkörper oder Partikelfilter ein radialer Spalt vorhanden.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung nach Anspruch 4 ist die Höhe des Spaltes kleiner als 0,5 mm.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.
• Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. Dabei zeigen in schematischer Weise:
• 1 in stark vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch eine Abgasvorrichtung,
• 2 einen Querschnitt durch eine Abgasvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
• 3 verschiedene geometrische Formen des Katalysatorkörpers oder Partikelfilters im Querschnitt.
• 1 zeigt eine Abgasvorrichtung 1, bei welcher in einem koaxialen, stirnseitig über einen Anströmtrichter 2a und einen Abströmtrichter 2b an eine Abgasleitung angeschlossenen Mantelrohr 3 oder Mantelgehäuse ein keramischer, monolithischer, gasdurchströmbarer Katalysatorkörper 4 durch die radiale Pressung einer nahezu unverbrennbaren, elastischen, zwischen Katalysatorkörper 4 und Mantelrohr 3 oder Mantelgehäuse verspannter Lager- oder Canningmatte 5, axial unverrückbar gehalten ist. Dies bedeutet, dass der Katalysatorkörper 4 durch den Druck der Matte 5 über Haftreibung im Blechgehäuse der Abgasvorrichtung 1 fixiert wird. Dabei hat die Matte 5 die Aufgabe, den Toleranzausgleich zwischen Blechgehäuse und Katalysatorkörperoberfläche zu realisieren. Die Strömungsführung des Abgases wird durch die beiden Pfeile dargestellt. Aufgrund der bereits zu Anfang geschilderten hohen thermomechanischen Belastungen bei Temperaturspitzen bis zu 1100°C und der inhomogenen, pulsierenden Abgasströmung mit kurzzeitigen Impulsspitzen bei Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 750 m/s und der Saugwirkung (Unterdruck auf der Austrittsseite) des strömenden Gases neigen die Matten 5 bei direkter An- oder Durchströmung mit Abgas verstärkt zu Erosion, was zu Faserbruch mit anschließendem Faserverlust führen kann. Dies beeinträchtigt die Elastizität der Matte 5 und damit ihre Haltefunktion in bezug auf den Katalysatorkörper 4.
• Daher muß, wie in den 2 gezeigt, der Anström-, Durchström- und/oder Abströmbereich der Abgasvorrichtung 1 im Bereich der Lager- oder Canningmatte 5 entsprechend geschützt werden.
• Die Abgasvorrichtung 1 einer Abgasnachbehandlungseinrichtung weist zumindest einen Abgastrichter 2 und ein angeschlossenes Mantelrohr 3 auf, welche bevorzugt aus Blech sind, wobei der zumindest eine Katalysatorkörper 4 unter Zwischenordnung einer den Katalysatorkörper 4 umgebenden Lager- 5 oder Canningmatte isoliert und koaxial gelagert ist. Erfindungsgemäß ist die Stirnseite der Lager- 5 oder Canningmatte gegenüber der Stirnseite des Katalysatorkörpers 4 zurückversetzt, wobei der so durch Mantelrohr 3, Stirnseite der Lager- 5 oder Canningmatte und Stirnseite des Katalysatorkörpers 4 gebildete Leerraum mit einer hitzebeständigen, keramischen Masse 6 gefüllt ist. Als keramische Massen können beispielsweise mit silikatischem oder phosphatischem Bindemittel versetztes Al₂O₃, MgO, Mullit, Cordierit oder geeignete Tonmineralien Einsatz finden.
• Das Ausfüllen des Leerraums kann beispielsweise durch Einspritzen einer hitzebeständigen, keramischen Paste 6 erfolgen. Die anschließende Aushärtung dieser Masse 6 findet entweder nach einem definierten Aufheizprogramm im Ofen bei Temperaturen bis 600°C statt oder nach vorheriger definierter Trocknung in einem Temperaturbereich zwischen etwa 100°C bis 250°C durch Selbstaushärtung im Motorbetrieb. Die Aufheizcharakteristik sowie die Haltezeiten richten sich nach den jeweils verwendeten keramischen Massen. Es bildet sich eine Art keramischer Ring 6 aus, der die Lager- oder Canningmatte 5 vor der thermomechanischen Wirkung des Abgases schützt. Durch die Aushärtung schrumpft der keramische Ring 6 auf den Katalysatorkörper 4 auf, wodurch zwischen Gehäusemantel oder Mantelrohr 3 und keramischem Ring 6 ein radialer Spalt 7 mit einer Höhe kleiner als 0,4 mm, bevorzugt mit einer Höhe kleiner als 0,2 mm, entsteht. Dieser Spalt 7 ist notwendig, um die elastische Verformung der Canningmatte 5 nicht zu beeinträchtigen. Der Spalt 7 ist jedoch klein genug, um die Canningmatte 5 wirksam vor der Erosion durch das Abgas zu schützen.
• Durch die Auswahl geeigneter Mineralfasern, wie z.B. SiO₂, Al₂O₃, Mullit, Cordierit oder silikathaltige Fasern, und der Menge und Art des verwendeten Bindemittels besteht die Möglichkeit, die Schrumpfung beim Aushärten definiert einzustellen. Hierdurch wird zum einen der Ausdehnungskoeffizient des keramischen Ringes 6 im Hinblick auf den Katalysatorkörper 4 oder Monolithen angepaßt, damit dieser nicht durch die anfängliche Ausdehnung beim Aushärten den Monolithen beschädigt wird. Zum anderen wird gleichzeitig die Festigkeit des keramischen Ringes 6 erhöht.
• 3 zeigt beispielhaft einige geometrische Formen des Katalysatorkörpers oder Partikelfilters im Querschnitt: rund, b) elliptisch, c) oval und d) asymmetrisch.

Claims (4)

1. Abgasvorrichtung (1) für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Katalysatoreinheit oder ein Partikelfilter in Modulbauweise, mit zumindest einem Abgastrichter (2) und einem angeschlossenen Mantelrohr (3), indem zumindest ein Katalysatorkörper (4) oder Partikelfilter unter Zwischenordnung einer den Katalysatorkörper (4) oder Partikelfilter umgebenden Lagermatte (5) oder Canningmatte isoliert und in dem Mantelrohr koaxial gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite der Lager- (5) oder Canningmatte gegenüber der Stirnseite des Katalysatorkörpers (4) oder Partikelfilters zurückversetzt und der so durch Mantelrohr (3), Stirnseite der Lager- (5) oder Canningmatte und Stirnseite des Katalysatorkörpers (4) oder Partikelfilters gebildete Leerraum mit einer hitzebeständigen, keramischen Masse (6) gefüllt ist.
2. Abgasvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Masse (6) Mineralfasern und/oder mineralische Füllstoffe enthält.
3. Abgasvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen keramischer Masse (6) und Katalysatorkörper (4) oder Partikelfilter ein radialer Spalt (7) vorhanden ist.
4. Abgasvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Spaltes (7) kleiner 0,5 mm ist.