DE112006000111B4

DE112006000111B4 - Faservlies zum Lagern eines Wabenkörpers in einer Abgasleitung

Info

Publication number: DE112006000111B4
Application number: DE112006000111.6T
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Maus; Rolf Brück
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2026-01-21
Also published as: US7713492B2; JP4768753B2; JP2008528851A; US20080044318A1; CN101107430B; DE112006000111A5; MY143863A; CN101107430A; WO2006077132A1; DE102005002929A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Behandlung von Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine (2) umfassend zumindest
- eine Abgasleitung (3) mit einer Erstreckungsrichtung (4),
- einen Wabenkörper (5) umfassend wenigstens keramisches oder extrudiertes Material, und
- mindestens ein metallisches Faservlies (6), welches wenigstens teilweise zwischen der Abgasleitung (3) und dem Wabenkörper (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen Faservlies (6) in Erstreckungsrichtung (4) zumindest zwei Zonen (7,8,9) unterschiedlicher Funktionen gebildet sind, wobei wenigstens eine erste Zone (7) Mittel zum Lagern des Wabenkörpers (5) und die mindestens eine weitere Zone (8,9) ein Mittel aus der Gruppe von Mitteln zum thermischen Isolieren und Mitteln zum Abdichten gegenüber eines Gases ausweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine aufweisend zumindest eine Abgasleitung mit einer Erstreckungsrichtung, einen Wabenkörper umfassend wenigstens keramisches oder extrudiertes Material, und mindestens ein metallisches Faservlies, welches wenigstens teilweise zwischen der Abgasleitung und dem Wabenkörper angeordnet ist. Das bevorzugte Einsatzgebiet der Erfindung sind Fahrzeuge, insbesondere Automobile.
Die Abgassysteme mobiler Verbrennungskraftmaschinen sind beachtlichen thermischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Diese resultieren zum einen aus den Verbrennungsvorgängen selbst und andererseits auch durch die Fahrzeugbewegung. Die wechselnden Lastbedingungen der Verbrennungskraftmaschine hat verschiedene Abgastemperaturen, Abgaszusammensetzungen, Druckimpulse, etc. zur Folge. Dies führt dazu, dass auch die Komponenten des Abgassystems einer thermischen Wechselbeanspruchung unterzogen sind. Gerade für den Fall, wenn die Komponenten des Abgassystems unterschiedliche Materialien umfassen, stellt das jeweilige thermische Ausdehnungsverhalten stets neue Anforderungen an die Verbindung dieser Komponenten miteinander bzw. die Sicherstellung, dass die Komponenten dauerhaft an der vorgesehenen Position im Abgassystem verweilen. Hier soll nun besonderes Augenmerk auf die Befestigung eines Wabenkörpers, der mit keramischen oder extrudiertem Material gefertigt ist, gegenüber einer üblicherweise metallischen Abgasleitung gerichtet sein.
Bei solchen Anordnungen ist es bekannt, dass unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten von Wabenkörper und Abgasleitung durch Kompensationsschichten, die zwischen dem Wabenkörper und der Abgasleitung angeordnet sind, auszugleichen. Üblicherweise wurden hierzu so genannte Quellmatten eingesetzt, die eine Aufnahmefähigkeit für Wasser aufweisen. Durch die Aufnahme von im Abgas enthaltenen Wasser quellen die Matten auf und verhindern derart, dass sich der Verbund aus Wabenkörper, Quellmatte und Abgasleitung lockert. Problematisch bezüglich dieser Quellmatten ist jedoch, dass diese regelmäßig nicht dauerhaft den dynamischen Anforderungen gewachsen sind, so dass es zum teilweisen Auflösen der Quellmatte kommen kann. Dabei besteht auch die Gefahr, dass sich die aus der Quellmatte heraus gelösten Bestandteile verflüchtigen, wobei deren Wirkung auf die Umwelt noch nicht eindeutig geklärt ist.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Kompensation des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens sind Federelemente, beispielsweise in Form von Manschetten, Abstandshaltern, etc., die ebenfalls zwischen Wabenkörper und Abgasleitung positioniert sind. Diese können gegebenenfalls noch Räume bilden, die mit Dämpfungsmaterialien versehen sind, wie beispielweise hochtemperaturfeste, rieselfähige Granulate oder Pulver. Derartige Konstruktionen sind jedoch recht aufwändig herzustellen und können teilweise ebenfalls nicht eine lange Lebenszeit garantieren.
Außerdem ist auch bekannt, zwischen einem keramischen Wabenkörper und einer metallischen Abgasleitung Gestricke aus metallischen Drähten einzulegen. Beispiele für solche Anordnungen sind die US 4,158,037 A und die DE 38 04 559 A1 .
Darüber hinaus offenbart die DE 22 43 251 A eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen mit einem oder mehreren in einem Gehäuse gelagerten und vom Abgasstrom durchströmten Monolithen. Der Monolith oder die Monolithe sind in ihrem Stirnkantenbereich jeweils durch einen Ring aus Stahldrahtpresslingen abgestützt, welcher radiale Kräfte aufnehmen kann. Darüber hinaus sind der Monolith oder die Monolithe über einen weiteren Ring, welcher axiale Kräfte aufnimmt, gestützt.
Die DE 40 09 945 A1 offenbart einen Abgaskonverter für Brennkraftmaschinen mit einem Blechgehäuse, wobei in dem Blechgehäuse ein Monolith mittels einer sogenannten Quellmatte fixiert ist. Das Gehäuse weist wenigstens einen am Gehäuse eingangsseitig oder ausgangsseitig vorgesehen Gehäusekonus auf, der innen mit Isolationsmaterial wärmegedämmt ist. Weiterhin ist mindestens ein Innenkonus vorgesehen, dessen freies Ende im Bereich der Stirnfläche des im Gehäuse angeordneten Monolithen liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung anzugeben, die die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten technischen Probleme zumindest teilweise zu lindern. Insbesondere soll eine Vorrichtung angegeben werden, die eine dauerhafte Fixierung eines entsprechenden Wabenkörpers in einer Abgasleitung gewährleistet, wobei bevorzugt gleichzeitig auch eine hohe Effektivität hinsichtlich der Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen sichergestellt sein soll. Weiter soll die Vorrichtung ein verbessertes Kaltstartverhalten aufweisen, also bereits nach sehr kurzer Zeit die erforderliche Anspringtemperatur der katalytisch aktiven Beschichtung erreicht haben. Die Vorrichtung soll zudem kostengünstig und z. B. auch im Rahmen einer Serienfertigung einfach herzustellen sein.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie das besonders bevorzugte Einsatzgebiet der Vorrichtung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen aufgeführt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale, in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können, und ebenfalls Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufzeigen. Zur weiteren Charakterisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können weitere Merkmale der Beschreibung herangezogen werden.
Die Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine umfasst zumindest

- eine Abgasleitung mit einer Erstreckungsrichtung,
- einen Wabenkörper umfassend wenigstens keramisches oder extrudiertes Material und
- mindestens ein metallisches Faservlies, welches wenigstens teilweise zwischen der Abgasleitung und dem Wabenkörper angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen Faservlies in Erstreckungsrichtung zumindest zwei Zonen unterschiedlicher Funktionen gebildet sind, wobei wenigstens eine erste Zone Mittel zum Lagern des Wabenkörpers und die mindestens eine weitere Zone ein Mittel aus der Gruppe von Mitteln zum thermischen Isolieren und Mitteln zum Abdichten gegenüber eines Gases aufweist.
Mit einer „mobilen Verbrennungskraftmaschine“ sind insbesondere Motoren für Fahrzeuge (wie beispielsweise Automobile, Schiffe, Flugzeuge, etc.), für Arbeitsgeräte (wie beispielsweise Rasenmäher, Sägen, etc.) und ähnliche, bewegbare Verbrennungskraftmaschinen gemeint. Dabei ist der verwendete Kraftstoff unerheblich.
Die „Erstreckungsrichtung“ der Abgasleitung charakterisiert im wesentlichen die Strömungsrichtung des Abgases. Die Komponenten eines Abgassystems sind üblicherweise in der Abgasleitung so positioniert, dass diese in Erstreckungsrichtung der Abgasleitung für das Abgas durchströmbar sind.
Mit einem „Wabenkörper“ sind beispielsweise Trägerkörper für eine katalytisch aktive Beschichtung gemeint, die eine Vielzahl von Kanälen aufweisen. Die Kanäle verlaufen üblicherweise im wesentlichen parallel zueinander und in Erstreckungsrichtung. Die Kanäle werden mit Kanalwänden begrenzt, die vielfach aus einer extrudierten Keramik bestehen.
Unter einem „Faservlies“ wird ein Verbund von metallischen Fasern verstanden, beispielsweise in Form eines Gewebes, eines Gestrickes, einer Wirrlage oder ähnliches. Die dabei verwendeten metallischen Fasern umfassen ein hochtemperaturfestes und korrosionsbeständiges Material. Sie umfassen insbesondere einen Eisen-Grundwerkstoff, dem Legierungselemente zugesetzt sind, wobei vorteilhafterweise wenigstens ein Legierungselement aus Nickel (18-60 Gew.-%) oder Chrom (15-25 Gew.-%) vorliegt. Ein Beispiel geeigneter Fasern: 70 Gew.-% Eisen, 25 Gew.-% Chrom und 5 Gew.-% Aluminium, wobei hier selbstverständlich noch übliche Verunreinigungen vorliegen können.
Das Faservlies kann mit gleichen oder unterschiedlichen Fasern (beispielsweise hinsichtlich der Faserlänge und des Faserdurchmessers) hergestellt sein. Für die meisten Anwendungsfälle wird nur ein metallisches Faservlies zwischen dem Wabenkörper (bzw. mehreren Wabenkörpern) und der Abgasleitung positioniert, in besonderen Fällen ist es jedoch auch möglich, mehrere, insbesondere in Erstreckungsrichtung benachbart angeordnete, Faservliese vorzusehen.
Hier wird nun von der Vorstellung abgerückt, dass das Faservlies eine reine Lagerfunktion hat. Deshalb wird vorgeschlagen, dass mit der mindestens einen Faservlies zwei Zonen unterschiedlicher Funktion gebildet werden. Eine erste Zone weist dabei Mittel zum Lagern des Wabenkörpers auf, dient also der bekannten Funktion des Lagerns des Wabenkörpers. Die Mittel hierfür sind insbesondere eine entsprechende Dicke des Faservlieses bzw. eine auf das Ausdehnungsverhalten der Abgasleitung bzw. des Wabenkörpers abgestimmte Faserart und/oder Faseranordnung.
Darüber hinaus wird jedoch mindestens eine weitere Zone realisiert, die (wenigstens teilweise, bevorzugt vordergründig) eine andere Funktion hat. Erläuternd sei hier darauf hingewiesen, dass mit „Zone“ ein bestimmter Abschnitt zwischen dem Wabenkörper und der Abgasleitung gemeint ist, wobei die Zone mit einem Faservlies, mit mehreren Faservliesen oder zwischen Faservliesen gebildet sein kann.
Eine weitere Funktion kann beispielsweise darin bestehen, eine thermische Isolierung zumindest in einem Teilbereich zwischen Wabenkörper und Abgasleitung bzw. zwischen diesen beiden Komponenten hin zum Faservlies bereit zu stellen. Durch die Bereitstellung einer Zone des Faservlieses mit Mitteln zur thermischen Isolierung wird erreicht, dass der Aufheizvorgang des Wabenkörpers nach einem Kaltstart beschleunigt werden kann, so dass der Wabenkörper durch den Kontakt mit dem warmen bzw. heißen Abgas schnell eine Temperatur erreicht, die den Start der katalytischen Reaktionen ermöglicht. Die Vorsehung einer Isolierung reduziert den Abfluss der vom Wabenkörper aufgenommenen Wärmeenergie hin zu kälteren Randbereichen, wie beispielsweise dem Faservlies oder der Abgasleitung. Damit wird z.B. ein verbessertes Umsetzungsverhalten eines als katalytischer Konverter ausgelegten Wabenkörpers ermöglicht.
Zudem ist auch möglich, dass diese weitere Zone das mindestens eine Faservlies abdichtet, also z.B. zumindest in einer Richtung gasundurchlässig gestaltet. Das mindestens eine Faservlies füllt in der Regel eine Art Ringraum zwischen dem Wabenkörper und der Abgasleitung. Das Faservlies selbst weist aber naturgemäß eine gewisse Porosität auf, so dass in dem Faservlies viele Hohlräume bzw. Durchlässe für ein Gas gegeben sind. Dies ermöglicht nun dem Abgas, an dem Wabenkörper vorbeizuströmen, so dass zu befürchten wäre, dass ein Teil des Abgasstromes nicht konvertiert wird. Um dies zu vermeiden, sind Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases mit dem mindestens einen metallischen Faservlies verwirklicht. Dies hat eine effizientere Umsetzung von Schadstoffen im Abgas zur Folge. Das metallische Faservlies ist hierfür bevorzugt mit Fasern gebildet, die einen Faserdurchmesser im Bereich von 0,02 bis 0,1 mm aufweisen (insbesondere 0,02 bis 0,06 mm). Das Faservlies wird in diesem Fall über die Faservliesdicke von dem Abgas angeströmt, so dass dieses über die Faservlieslänge dicht auszuführen ist. Das heißt gegebenenfalls, dass das Faservlies selbst eine gewisse Porosität aufweisen darf, so lange keine beachtliche Abgasströmung das Faservlies über die Faserflieslänge (z.B. zwischen 5 mm und 15 mm) durchdringt. Dabei kann die Porosität variieren, z.B. in einem Bereich bis 80 %, wobei ein bevorzugter Bereich 60% bis 80% ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die erste Zone nur metallische Fasern, die miteinander verbunden sind. Hier wird also vorgeschlagen, die Faserart bzw. die Art des Vlieses unter Berücksichtigung des vorliegenden unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens von Wabenkörper und Abgasleitung auszuwählen. Diese erste Zone des Faservlieses ist vorteilhafterweise dauerhaft auf Druck beansprucht, so dass diese erste Zone dauerhaft ein Kontakt des Faservlieses hin zur Abgasleitung und hin zum Wabenkörper gewährleistet. Die metallischen Fasern sind fügetechnisch miteinander verbunden, insbesondere miteinander hochtemperatur-verlötet, gesintert, verschweißt, etc. Besonders bevorzugt weisen die metallischen Fasern einen Faserdurchmesser im Bereich von . 0,1 mm bis 0,4 mm auf. Diese sind bevorzugt als „endlos“-Fasern ausgebildet und zu einer Art Drahtgestrick miteinander verflochten. Für den Fall, dass das Faservlies als eine Art Faserwirrlage ausgestaltet ist, weist diese bevorzugt Fasern mit einer mittleren Faserlänge im Bereich von 5 mm bis 25 mm auf. Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Faservlies im wesentlichen glatt oder zumindest teilweise strukturiert ausgebildet sein kann, wobei insbesondere bei einer Ausgestaltung als Drahtgestrick eine wellenartige Struktur bevorzugt ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass bezüglich eines Wabenkörpers mehrere erste Zonen vorgesehen sind, zwischen denen die mindestens eine weitere (zweite, dritte,...) Zone vorgesehen ist. Die Vorsehung mehrerer erster Zonen, insbesondere zwei erster Zonen, soll eine im wesentlichen lokal begrenzte und gleichmäßige Lagerung des Wabenkörpers gewährleisten. Die ersten Zonen sind dabei vorteilhafterweise jeweils nahe den Stirnseiten des Wabenkörpers angeordnet. Damit liegt ein zentraler Abschnitt vor, der für andere Funktionen, die mit den weiteren Zonen realisiert werden, geeignet ist. Dabei ist dieser zentrale Abschnitt vorteilhafterweise größer als die ersten Zonen, insbesondere wenn die mittig angeordnete weitere Zone Mittel zum thermischen Isolieren aufweist.
In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass die mehreren ersten Zonen mit einem separaten Faservlies ausgeführt sind, wobei diese mit Mitteln der mindestens einen weiteren Zone verbunden sind. Das heißt beispielsweise, dass die separaten Faservliese der ersten Zonen über ein separates Bauteil miteinander verbunden sind, ohne selbst direkt miteinander in Kontakt zu sein. Derartige Bauteile können Stifte, Bleche, Haken oder ähnliche, insbesondere metallische, Bauteile sein. Diese sind mit dem jeweiligen Faservlies unverlierbar verbunden, insbesondere hochtemperatur-verlötet, verschweißt oder verhakt. Auf diese Weise ist es möglich, die jeweiligen Faservliese mit Rücksicht auf die Position im Abgassystem bzw. die Beanspruchung entsprechend auszuwählen, so dass die Faservliese beispielsweise unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Eine Verbindung dieser beiden Faservliese wird nun durch separate Bauteile ermöglicht, die neben ihrer Haltefunktion insbesondere noch eine weitere Funktion aufweisen, z.B. eine isolierende und/oder eine abdichtende Funktion. Damit ist ein sehr flexibler Aufbau möglich, wobei gleichzeitig eine kostengünstige Herstellung auch im Rahmen einer Serienfertigung gewährleistet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung unterscheiden sich die zumindest zwei Zonen wenigstens hinsichtlich ihrer Zonenlänge in Erstreckungsrichtung oder Zonendicke senkrecht zur Erstreckungsrichtung. Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, wobei die erste Zone insgesamt eine vorgegebene Zonenlänge aufweist, die kleiner ist, als die Summe der Zonenlängen der weiteren Zonen. Grundsätzlich kann jede einzelne Zone eine separate Zonenlänge und/oder Zonendicke aufweisen, es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Zonen (insbesondere gleicher Funktion) eine gleiche Zonenlänge und/oder Zonendicke aufweisen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Mittel zum thermischen Isolieren so angeordnet sind, dass sie den Wabenkörper umschließen. Damit stellen die Mittel zum thermischen Isolieren eine Schutzhülle im Hinblick auf radiale Wärmestrahlung bzw. Wärmeleitung dar. Auf diese Weise wird ein Wärmeübergang von dem sich aufheizenden Wabenkörper hin zur Umgebung signifikant reduziert. Die Mittel zum thermischen Isolieren können dabei auch mehrere, konzentrisch zueinander angeordnete Mittel umfassen.
Gerade in diesem Zusammenhang ist vorteilhaft, dass die Mittel zum thermischen Isolieren eine folienartige Lage umfassen, die eine gegenüber dem mindestens einen Faservlies geringere Wärmeleitungseigenschaft aufweist. Die folienartige Lage kann auf einer der Oberflächen der Faservlieslage angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich, dass die folienartige Lage in das Faservlies integriert bzw. eingearbeitet ist. Die folienartige Lage umfasst vorteilhafterweise zumindest eines der folgenden Materialien: Eisengrundwerkstoff mit wenigstens einem Legierungselement aus der Gruppe Nickel, Chrom, Aluminium. Die Lagendicke liegt in einem Bereich von 0,03 mm bis 0,2 mm.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung erstrecken sich die Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases über die gesamte Zonendicke. Dabei liegen die Mittel zum Abdichten bevorzugt einerseits direkt am Wabenkörper und andererseits direkt an der Abgasleitung an. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass diese Mittel zumindest hin zu einer Komponente aus Wabenkörper und Abgasleitung fügetechnisch verbunden sind. Vorteilhafterweise sind die Mittel zum Abdichten so ausgeführt, dass sie die im Einsatz auftretenden unterschiedlichen Abstände zwischen Wabenkörper und Abgasleitung mittels (elastischer) Verformung kompensieren können ohne den Kontakt zu den Komponenten zu verlieren.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases mit mindestens einem der folgenden Mittel bereitgestellt wird:

- gegenüber der ersten Zone verschiedener Art der Fasern,
- gegenüber der ersten Zone verschiedene Anordnung der Fasern,
- zusätzliches Füllmaterial,
- zusätzliches gasundurchlässiges Barriereelement.

Die Art der Fasern wird beispielsweise durch das Material, die Faserlänge, den Faserdurchmesser, Faseroberfläche, etc. charakterisiert. Die Anordnung der Fasein betrifft beispielsweise das Mischungsverhältnis unterschiedlicher Fasern, die Ausrichtung zueinander, die Art der Verbindung der Fasern miteinander, etc.. So ist es nun beispielsweise möglich, dass durch dickere Fasern, die in einer besonderen, beispielsweise gewebeartigen Weise, angeordnet sind, eine gegenüber Gas nahezu dichte Zone gebildet ist. Zur Unterstützung kann beispielsweise zusätzliches Füllmaterial beigemengt werden, welches sich in noch verbleibenden Hohlräumen oder auf der Oberfläche des Faservlieses so anordnet, dass das Faservlies schließlich gasundurchlässig ist. Gleichzeitig ist auch möglich, dass ein gasundurchlässiges Barriereelement zwischen den Faservliesen, in einem Faservlies integriert und/oder auf einem Faservlies positioniert ist. Als Barriereelement können beispielsweise Blechstreifen, Dichtungsringen, Dichtungslippen, etc. dienen.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass in der mindestens einen weiteren Zone Mittel zum thermischen Isolieren und Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases vorgesehen sind, wobei diese einstückig ausgebildet sind. Damit ist insbesondere gemeint, dass durch ein Bauteil beide Funktionen erfüllt werden, beispielsweise in dem dieses Bauteil ein geeignetes Material zur thermischen Isolierung umfasst, wobei es gleichzeitig so angeordnet ist, dass eine Abdichtung gegenüber Gas geschaffen ist.
Besonders bevorzugt ist folgende (dreiteilige) Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung:

Die vom Abgas angeströmte Stirnseite des Faservlies (erste Zone) umfasst ein Drahtgestrick höherer Porosität, z.B. im Bereich von 60 bis 80%. Es dient sowohl zur radialen als auch zur axialen Fixierung bzw. Lagerung des Wabenkörpers.

In einem mittleren Teilabschnitt ist eine zweite Zone zum Abdichten vorgesehen. Diese umfasst mindestens ein ringförmiges Faservlies mit einer Breite in Richtung der Achse des Wabenkörpers von 8 mm bis 15 mm. Der Faserdurchmesser liegt hier bevorzugt im Bereich von 0,01 mm bis 0,1 mm, insbesondere im Bereich von 0,02 - 0,04 mm. Es werden bevorzugt längere Fasern eingesetzt, als in der ersten Zone, insbesondere so genannte „Endlos-Fasern“, ggf. auch keramische Fasern. Die Porosität wird in dieser zweiten Zone geringer ausgeführt, so z.B. im Bereich von 40 bis 70 %, insbesondere zwischen ca. 40 und 60 %. Damit das ringförmige Faservlies unter allen Betriebsbedingungen dicht an dem Gehäuse und dem Wabenkörper anliegt, wird eine elastische Verformbarkeit vorgeschlagen. Insbesondere soll im Umfeld des ringförmigen Faservlies ein Freiraum (beidseitig in Richtung der benachbarten Zonen) geschaffen sein, der zumindest 20 % des Volumens des ringförmigen Faservlies aufweist, so dass ein Raum zum Deformieren gegeben ist. Außerdem ist es auch vorteilhaft, zumindest einen Abschnitt der zweiten Zone bzw. des ringförmigen Faservlies mit einer katalytisch aktiven Beschichtung zu versehen, um ggf. eindringende Abgase vor Ort zu konvertieren.
Auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Zone ist wiederum ein Drahtgestrick vorgesehen (erste Zone), welches im Wesentlichen die Eigenschaften des Drahtgestrick im Bereich der vom Abgas angeströmten Stirnseite entspricht. Dabei erstreckt sich nun die weitere erste Zone bevorzugt über zumindest 30 mm in Richtung der Achse des Wabenkörpers. Vorteilhafter Weise umgibt dieses Dahtgestrick die restliche Umfangsfläche, ggf. z.B. bis zu einer Länge von 90 mm des Wabenkörpers.
Bevorzugt ist das mindestens eine Faservlies in allen Zonen mit einer im Wesentlichen gleichen Dicke ausgeführt, z.B. im Bereich von 3 mm bis 8 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm bis 5 mm.
Als besonders bevorzugtes Einsatzgebiet wird außerdem vorgeschlagen, dass ein Fahrzeug umfassend eine mobile Verbrennungskraftmaschine und ein Abgassystem mit einer Vorrichtung, wie sie vorstehend erfindungsgemäß beschrieben ist, ausgeführt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf begrenzt ist. Außerdem ist anzumerken, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind, insbesondere sind sie regelmäßig nicht geeignet, Größenverhältnisse zu veranschaulichen.
Es zeigen:

1: ein Fahrzeug mit einem Abgassystem,
2: eine perspektivische Darstellung von Abgasleitung, Wabenkörper und Faservlies,
3: eine Detailansicht einer Ausführungsvariante des metallischen Faservlieses mit mehreren Zonen,
4: eine weitere Ausführungsvariante eines Faservlieses mit mehreren Zonen, und
5: eine Detailansicht einer anderen Ausführungsvariante eines Faservlieses mit einem Wabenkörper.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 16, das eine mobile Verbrennungskraftmaschine 2 (z. B. einen Otto- oder Dieselmotor) umfasst. Das in der Verbrennungskraftmaschine 2 erzeugte Abgas wird durch ein Abgassystem 17 hindurchgeführt, wobei die im Abgas enthaltenen Schadstoffe umgewandelt werden und das Abgas schließlich an die Umgebung abgegeben wird. Das Abgassystem 17 umfasst eine Mehrzahl von Komponenten, die in einer Abgasleitung 3 angeordnet sind. So durchströmt das Abgas in Erstreckungsrichtung 4 der Abgasleitung 2 mehrere Wabenkörper 5, die unterschiedliche Funktionen haben. So können die Wabenkörper 5 als katalytische Konverter, Filter, Partikelabscheider, Adsorber, Heizelemente, Mischer oder ähnliches ausgestaltet sein.
In 2 ist schematisch ein Wabenkörper 5 aus keramischen Material dargestellt. Der Wabenkörper 5 umfasst eine Vielzahl von Kanälen 18, die von Kanalwänden 19 gebildet sind. Der Wabenkörper 5 ist hier in einer Zylinderform dargestellt, grundsätzlich sind aber auch andere Gestaltungsformen der Wabenkörper 5 einsetzbar. Um den Wabenkörper 5 herum ist ein metallisches Faservlies 6 angeordnet, über welches der Wabenkörper 5 in der Abgasleitung 3 gehalten wird. In der gezeigten Ausführungsvariante ist das metallische Faservlies 6 in Erstreckungsrichtung 4 über die gesamte Länge des Wabenkörpers 5 ausgeführt, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Das metallische Faservlies 6 ist, wie in der rechts unten dargestellten Detailzeichnung erkennbar, mit Fasern 10 ausgeführt, die eine vorgebbare Faserlänge 20 und einen vorgebbaren Faserdurchmesser 21 aufweisen.
Das metallische Fasevlies 6 weist dabei in Erstreckungsrichtung 4 gesehen mehrere Zonen unterschiedlicher Funktion auf. Zunächst ist eine zweite Zone 8 vorgesehen, die Mittel zum Abdichten gegenüber einem Gas aufweist. Daran schließt sich eine erste Zone 7 mit Mitteln zum Lagern des Wabenkörpers 5 an. Nun folgt eine dritte Zone 9 mit Mitteln zum thermischen Isolieren. Den Abschluss bildet wiederum eine erste Zone 7 mit Mitteln zum Lagern des Wabenkörpers 5. Eine solche Anordnung der Zonen 7, 8, 9 hat den Vorteil, dass (für den Fall, dass die Strömungsrichtung des Abgases der Erstreckungsrichtung 4 entspricht) das heiße Abgas zunächst auf die zweite Zone 8 trifft, die ein weiteres Eindringen des Abgases in das metallische Faservlies 6 verhindert. Die Lagerung des Wabenkörpers 5 erfolgt im Prinzip durch zwei ringförmig gebildete erste Zonen 7, die nahe den Stirnseiten des Wabenkörpers 5 angeordnet sind. Zwischen diesen beiden ersten Zonen 7 ist eine relativ große dritte Zone 9 vorgesehen, wobei hier die thermische Isolierung einen besonders hohen Effekt erzielt.
3 zeigt ein Detail der Vorrichtung 1 zur Behandlung von Abgasen. Der Wabenkörper 5 ist dabei mit einer Vielzahl von Kanälen 18 dargestellt, wobei die Kanalwände 19 im Schnitt gezeigt sind. Zwischen dem Wabenkörper 5 und der Abgasleitung 3 sind nun mehrere Komponenten angeordnet, die aufgrund ihrer Funktion unterschiedlichen Zonen zuzuordnen sind. In der dargestellten Ausführungsvariante wird die Verbindung zwischen Wabenkörper 5 und Abgasleitung 3 mittels zwei separaten Faservliesen 6 verwirklicht, die in Erstreckungsrichtung 4 voneinander beabstandet und über eine mit beiden Faservliesen 6 in Kontakt stehende folienartige Lage 13 verbunden sind. Als zusätzliche Schutzmaßnahme ist im Bereich einer Stirnfläche des links dargestellten Faservlieses 6 ein Schutzelement 22 vorgesehen, das verhindern soll, dass die Fasern direkt den dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.
In Erstreckungsrichtung 4, also in 3 von links nach rechts, sind mit den Faservliesen folgende Zonen verwirklicht: Eine erste Zone 7, die zur Lagerung des Wabenkörpers 5 bezüglich der Abgasleitung 3 dient. Daran schließt sich eine dritte Zone 9 mit Mitteln zum thermischen Isolieren an. Als Mittel zum thermischen Isolieren ist eine folienartige Lage 13 zwischen dem Faservlies 6 und dem Wabenkörper 5 angeordnet. Diese behindert einen Wärmeübergang vom Wabenkörper 5 hin zum Faservlies 6 bzw. hin zur Abgasleitung 3. Nachfolgend ist eine zweite Zone 8 gebildet, die Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases aufweist. Die Mittel sind wiederum mit einer folienartigen Lage 13 realisiert, da nun in der zweiten Zone 8 eine solche Anordnung gewählt wurde, dass die Lage 13 einen Spalt zwischen dem Wabenkörper 5 und der Abgasleitung 3 überbrückt. Damit kann in Erstreckungsrichtung 4 bzw. Strömungsrichtung kein Abgas die zweite Zone 8 durchströmen. In dem Abschnitt, in dem nun die Lage 13 an der Abgasleitung 3 anliegt, nämlich zwischen dem zweiten Faservlies 6 und der Abgasleitung 3 ist wiederum eine dritte Zone 9 mit Mitteln zur thermischen Isolierung bereitgestellt. Daran schließt sich erneut eine erste Zone 7 mit Mitteln zur Lagerung des Wabenkörpers 5 an.
4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines zwischen dem Wabenkörper 5 und der Abgasleitung 3 angeordneten Faservlieses 6. Zur Positionierung des Faservlieses 6 ist die Abgasleitung 3 mit einem Vorsprung 23 ausgeführt, gegen den das metallische Faservlies 6 anliegt. Im links dargestellten Bereich des metallischen Faservlieses 6 ist dieses mit einem Füllmaterial 14 ausgeführt. Das Füllmaterial 14 dient beispielsweise zur Stabilisierung des Faserverbundes, zum Abdichten, oder auch als Katalysator für die Schadstoffumwandlung. Daran schließt sich ein Barriereelement 15 an, welches zur Abdichtung des Faservlieses 6 dient. Dann folgt ein Abschnitt, in dem das Faservlies 6 sowohl mit dem Wabenkörper 4 als auch mit der Abgasleitung 3 direkt in Kontakt steht, so dass eine erste Zone 7 mit Mitteln zum Lagern des Wabenkörpers 5 generiert ist. Daran anschließend ändert sich die Zonendicke 12 des metallischen Faservlieses 6, wobei durch die Integration der folienartigen Lage 13 eine dritte Zone 9 gebildet ist. Die Lage 13 ist zusätzlich mit einem Federelement 24 versehen, so dass über einen sehr kleinen Kontaktbereich hin zur Abgasleitung 3 dennoch gewährleistet ist, dass das metallische Faservlies 6 im Bereich der dritten Zone 9 dauerhaft am Wabenkörper 5 anliegt. Dieser dritten Zone 9 schließt sich rechts wiederum eine erste Zone 7 an, wobei diese wieder eine vergrößerte Zonendicke 12 aufweist. Rechts davon ist eine dritte Zone 9 zu erkennen, deren Zonenlänge 11 im wesentlichen durch die Ausgestaltung der Lage 13 bestimmt wird. Auch hier weist die Lage 13 ein Federelement 24 auf, das nun insbesondere sicherstellen soll, dass im Bereich dieser dritten Zone 9 ein Kontakt von Faservlies 6 und Wabenkörper 5 unterbunden wird, so dass sich ein zusätzlicher Luftspalt bildet, der ebenfalls zur thermischen Isolierung dient.
5 zeigt eine Detailansicht einer anderen Ausführungsvariante eines Faservlieses 6 mit einem Wabenkörper 5. Der keramische Wabenkörper 5 weist hierbei dünne Kanalwände 25 und eine dickere Außenwand 26 auf, die eine höhere Druckbelastung des Wabenkörpers 5 erlaubt. Zwischen der Abgasleitung 3 und dem Wabenkörper 5 ist wiederum ein Faservlies 6 angeordnet. Dieses ist hier nicht glatt ausgeführt, sondern es weist eine Struktur 28 aus, die regelmäßig Extrema 30, z.B. Wellenberge und Wellentäler, hat. Bevorzugt verlaufen diese Extrema 30 nicht parallel sondern quer zur Erstreckungsrichtung der Kanäle 18. Das dargestellte Faservlies 6 ist als eine Art Drahtgestrick ausgebildet und weist „endlos“-Fasern mit einem Faserdurchmesser von 0,2 mm auf. Damit hat das Faservlies 6 eine Eigenstabilität, die die Struktur 28 aufrecht erhält. Damit das Faservlies 6 eine abdichtende Funktion erhält, können (beidseitig) Verschlüsse 29 in die Struktur 28 eingearbeitet sein. Zur Vermeidung von Druckspitzen im Bereich der Anlage des strukturierten Faservlieses 6 über die Extrema 30 hin zum Wabenkörper 5 ist ein Druckverteiler 27 vorgesehen. Der Druckverteiler 27 kann beispielsweise auch mit einer glatten Faserwirrlage gebildet sein.
Grundsätzlich sei noch darauf hingewiesen, dass mit den hier beschriebenen Ausgestaltungen von Faservliesen und Zusatzelementen (gleichzeitig oder getrennt voneinander) mehrere Wabenkörper in der Abgasleitung fixiert werden können. Die Anordnungen der einzelnen Zonen zueinander kann dabei auch im wesentlichen frei variiert werden. Bevorzugt sind in einem Bereich des Wabenkörpers, auf den das zu reinigende Abgas auftrifft, mit Mitteln zum thermischen Isolieren ausgeführt, um in diesem Bereich ein möglichst frühzeitiges Aufheizen und Erreichen der Anspringtemperatur zu gewährleisten. Ist die katalytische Aktion einmal gestartet, setzt sich die Temperaturerhöhung nahezu eigenständig durch den Wabenkörper fort.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgasleitung
4: Erstreckungsrichtung
5: Wabenkörper
6: Faservlies
7: erste Zone
8: zweite Zone
9: dritte Zone
10: Faser
11: Zonenlänge
12: Zonendicke
13: Lage
14: Füllmaterial
15: Barriereelement
16: Fahrzeug
17: Abgassystem
18: Kanal
19: Kanalwand
20: Faserlänge
21: Faserdurchmesser
22: Schutzelement
23: Vorsprung
24: Federelement
25: Kanalwand
26: Außenwand
27: Druckverteiler
28: Struktur
29: Verschluss
30: Extremum

Claims

Vorrichtung (1) zur Behandlung von Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine (2) umfassend zumindest - eine Abgasleitung (3) mit einer Erstreckungsrichtung (4), - einen Wabenkörper (5) umfassend wenigstens keramisches oder extrudiertes Material, und - mindestens ein metallisches Faservlies (6), welches wenigstens teilweise zwischen der Abgasleitung (3) und dem Wabenkörper (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen Faservlies (6) in Erstreckungsrichtung (4) zumindest zwei Zonen (7,8,9) unterschiedlicher Funktionen gebildet sind, wobei wenigstens eine erste Zone (7) Mittel zum Lagern des Wabenkörpers (5) und die mindestens eine weitere Zone (8,9) ein Mittel aus der Gruppe von Mitteln zum thermischen Isolieren und Mitteln zum Abdichten gegenüber eines Gases ausweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zone (7) nur metallische Fasern (10) umfasst, die miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich eines Wabenkörpers (5) mehrere erste Zonen (7) vorgesehen sind, zwischen denen die mindestens eine weitere Zone (8,9) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Zonen (7) mit einem separaten Faservlies (6) ausgeführt sind, wobei diese mit Mitteln der mindestens einen weiteren Zone (8,9) verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zumindest zwei Zonen (7,8,9) wenigstens hinsichtlich ihrer Zonenlänge (11) in Erstreckungsrichtung (4) oder Zonendicke (12) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (4) unterscheiden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum thermischen Isolieren so angeordnet sind, dass sie den Wabenkörper (5) umschließen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum thermischen Isolieren eine folienartige Lage (13) umfassen, die eine gegenüber dem mindestens einen Faservlies (6) geringere Wärmeleitungseigenschaft aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mitteln zum Abdichten gegenüber eines Gases über die gesamte Zonendicke (12) erstrecken.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases mit mindestens einem der folgenden Mittel bereitgestellt wird: - gegenüber der ersten Zone (7) verschiedene Art der Fasern (10), - gegenüber der ersten Zone (7) verschiedene Anordnung der Fasern (10), - zusätzliches Füllmaterial (14), - zusätzliches gasundurchlässiges Barriereelement (15).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen weiteren Zone (8,9) Mittel zum thermischen Isolieren und Mittel zum Abdichten gegenüber eines Gases vorgesehen sind, wobei diese einstückig ausgebildet sind.
Fahrzeug (16) umfassend eine mobile Verbrennungskraftmaschine (2) und ein Abgassystem (17), wobei eine Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 10 vorgesehen ist.