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Vorrichtung zur Halterung eines keramischen Körpers Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung eines aus einem keramischen Material
bestehenden Körpers, insbesondere eines monolithischen Katalysatorkörpers einer
katalytischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen, mit einem den keramischen
Körper umgebenden Gehäuse.
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Bei der Halterung eines derartigen keramischen Körpers in einem metallischen
Gehäuse entstehen insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn die aus dem Gehäuse und
dem keramischen Körper bestehende Einheit höheren Betrieb temperaturen ausgesetzt
wird. Da nämlich das-Gehäusematerial und das keramische Material des Körpers ungleiche
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen,
die eine Lockerung des gewünschten Festsitzes des keramischen Körpers in dem Gehäuse
zur Folge haben.
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Derartige Probleme treten besonders bei katalytischen Abgasreinigungsanlagen
von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, auf, bei denen die in
dem Abgas enthaltenen schädlichen Gasbestandteile durch eine in Anwesenheit von
Katalysatoren erfoleende Nachverbrennung weitgehend beseitigt werden. Die Katalysatoren
bestehen aus katalytisch wirksamentichten, z. B. Edelmetallen der Platin-Gruppe,
die auf einem keramischen Trägermaterial aufgebracht sind. Dabei kann das Trägermaterial
entweder ein Schüttgut oder ein Feststoffkörper (Monolith) mit durchgehenden Kanälen
sein, von denen sich die monolithischen Trägerkörper für die auf dem Gebiet der
Kraftfahrzeugtechnik einzusetzenden Konverter als zweckmäßig erwiesen haben. Diese
Trägerkörper werden üblicherweise in einem gasdichten, metallischen Gehäuse gelagert,
das den Anschluß an das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine ermöglicht. Bei der
Befestigung des monolithischen Trägerkörpers in dem metallischen Gehäuse sind nun
aber eine Reihe von Schwierigkeiten entstanden, die bei den bisher.bekannten Ausführungen
nur unvollkommen oder mit erheblichem Aufwand gelöst wurden.
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Die zur Zeit üblichen Trägerkörper bestehen nämlich aus einem porösen,
keramischen Material, das nur eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweist. Es
ist daher nicht möglich, zur Erzielung einer sicheren und festen Lagerung des Trägerkörpers
auf diesen größere Einspannkräfte auszuüben. Andererseits soll die Halterung des
Trägerkörpers so geartet sein, daß weder die bei der Fertigung auftretenden, verhältnismäßig
großen Querschnittstoleranzen des Trägerkörpers nowh die infolge unterschiedlicher
Wärmedehnungskoeffizieten von Trägerkörpermaterial und Metallgehäuse entstehenden
Wärmedehnungsdifferenzen eine Beeinträchtigung des Festsitzes verursachen.
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Es ist schon ein Katalysator zur Abgasreinigung bekannt (DAS 1 476
507), bei dem in einem zylindrischen Gehäuse ein Trägerkörper gehalten wird und
bei dem in einem Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorkörper ein vorzugsweise
aus einem Drahtgeflecht bestehendes, federnd gewelltes Teil angeordnet ist, das
den Katalysatorkörper umgibt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine derartige
Zwischenlage aus einem federnden Drehtgeflecht den gestellten Anforderungen nur
dann genügt, wenn sie aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff besteht, der jedoch
erhebliche Kosten verursacht. Außerdem müssen bei dieser Ausführungsform an beiden
Stirnseiten des Ringspaltes radial gerichtete Ringflansdie vorgesehen sein, die
den Ringspalt gegen die Gasströmung abdichten. Dadurch wird zur sicheren Halterung
des keramischen Trägerkörpers in dem Gehäuse eine verhältnismäßig große Zahl von
Einzelteilen, die zudem hochtemperaturteständig sein müssen und einen hohen Produktions-
und Montageaufwand verursachen, notwendig.
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Auch bei einer anderen bekannten Ausführung (DAS 1 476 505) ist zur
sicheren Halterung des keramischen Trägerkörpers eine Vielzahl von Einzelteilen
vorgesehen. Diese zusätzlichen Bauteile bestehen aus Metallplatten, Druckschrauben
und federnd nachgiebigen Elementen, die zur Verspannung der am Umfang des Trägerkörpers
angeordneten keramischen Wärmedämmteile dienen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun
darin, eine Vorrichtung zur Halterung eines aus einem keramischen Material bestehenden
Körpers in einem Gehäuse zu schaffen, bei der der durch die Vielzahl der Bauteile
und Bearbeitungsgänge bisher erforderliche Fertigungsaufwand verringert werden kann,
ohne daß die sichere und feste Halterung des keramischen Körpers in
dem
Gehäuse auch bei veränderlichen Betriebstemperaturen beeinträchtigt wird-.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erfindung vorgeschlagen, daß
das Gehäuse als um den keramischen Körper herumgegossenes Gußgehäuse ausgebildet
ist. Die Erfindung geht dabei von der Tatsache aus, daß ein gegossener Metallkörper
bei der Erstarrung der Schmelze einem Schrumpfungsprozeß unterliegt. Wird nun ein
Körper mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizicten und ausreichender
Festigkeit mit einem Metallmantel umgossen, so ergibt sich nach der Erstarrung des
Mantels eine feste und sichere Halterung des Körpers in dem Mantel. Die infolge
des Schrumpfungsvorganges auftretende Vorspannung muß dabei so groß sein, daß sie
auch bei der sich im Betrieb einstellenden Temperatur noch eine ausreichend große
Haltekraft ergibt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll zwischen dem keramischen
Körper und dem Gußgehäuse eine hochtemperaturfeste Isolierschicht angeordnet sein.
Diese an sich bekannte Isolierschicht zwischen dem keramischen Körper und dem Gehäuse
ergibt nun eine gute thermische Isolierung des Katalysators, so daß die bei dem
Betrieb von katalytischen Abgasreinigungsanlagen zur Aufrechterhaltung eines guten
Wirkungsgrades erforderlichen hohen Betriebstemperaturen schnell erreicht und gut
gehalten werden können. Zum anderen verhindert die Isolierschicht, daß das Gußgehäuse
allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist, so daß auch Werkstoffe mit niedrigerer
thermischer Belastbarkeit, beispielsweise das wegen seines geringen Gewichtes besonders
bevorzugte Aluminium, eingesetzt werden können. Schließlich dient die den keramischen
Körper umgebende Isolierschicht bei dem Gießvorgang gleichzeitig als Gießkern und
verhindert so, daß beim Vergießen Metallschmelze in die
Durchgangskanäle
des monolithischen Katalysatorkörpers eindringen und diese verstopfen kann.
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Zweckmäßigerweise besteht die Isolierschicht aus einem keramischen
l'asermaterial, beispielsweise Tonerde-Silikat-Fasern, und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der kleiner oder höchsten gleich demjenigen des Materials des keramischen Körpers
ist. Dadurch wird verhindert, daß sich bei höheren Temperaturen der mechanische
Verbund zwischen der Isolierschicht und dem keramischen Körper lockert.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung soll die Isolierschicht
durch ein ein- oder mehrteiliges, den keramischen Körper umgebendes Formteil gebildet
werden.
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Derartige Formteile werden in bekannter Weise durch Vakuumgießverfahren
aus dem genannten Material hergestellt. Nach einem anderen Vorschlag soll die Isolierschicht
aus einem keramischen Laminat aus feuerfestem Papier und feuerfestem Zement bestehen.
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Weiterhin sollen Mittel zur Herstellung eines formschlüssigen Verbundes
zwischen der Isolierschicht und dem Gußgehäuse vorgesehen sein, da mitunter das
Material der Isolierschicht von der metallischen Schmelze nicht benetzt wird und
dann ein mechanischer Verbund nicht sichergestellt ist. Dazu können die dem Gußgehäuse
zugewandten Flächen der Isolierschicht eine extreme Rauhigkeit oder besondere, in
das Gehäusematerial hineinragende Nocken aufweisen. Nach einem anderen Vorschlag
sollen an den dem Gußgehäuse zugewandten Flächen der Isolierschicht taschenförmige
Ansätze angeordnet sein, die bei dem Gießvorgang von der Metallschmelze eingeschlossen
werden.
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Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind
in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Figut 1 einen Konverter
einer katalytischen Abgasreinigungsanlage im Längsschnitt, Figur 2 einen Querschnitt
durch den Konverter nach Figur 1 gemäß den Schnittlinien II-II, Figur 3 einen der
Ausführung nach Figur i ähnlichen Konverter, bei dem jedoch die Isolierschicht aus
zwei einzelnen Formteilen zusammengesetzt ist und Figur 4 den- von der Isolierschicht
umgebenen keramischen Körper aus der Figur 3 vor dem Gießvorgang.
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Die Figur 1 stellt einen Konverter 1 einer katalytischen Abgasreinigungsanlage
eines Kraftfahrzeuges dar, bei der ein monolithischer Katalysatorkörper 2 in einem
metallischen Gußgehäuse 3 unter Zwischenschaltung einer keramischen Isolierschicht
8 gehalten ist. Das Gehäuse 3 weist Flansche 4 und 5 zur Einschaltung des Konverters
1 in eine hier nicht- dargestellte Abgasrohrleitung auf. Die Flansche 4 und 5 sind
durch im Querschnitt kontinuierlich ansteigende Übergangsstücke 6 und 7 mit dem
den keramischen Trägerkörper 2 haltenden Mittelteil 9 des Metallgehäuses 3 verbunden.
nie Isolierschicht 8 bedeckt die gesamte Iniwand des Katalysatorgehäuses 3, wobei
an der Isolierschicht vorgesehene taschenartige Ansätze 15 vorgesehen sind, die
in das Gußgehäuse hineinreichen und beim Gießvorgang von der Metallschmelze
vollständig
eingeschlossen werden. Diese taschenförmigen Ansätze sind, wie aus der Figur 2 näher
ersichtlich ist, über dem-Umfang verteilt an der Außenwand der Isolierschicht angeordnet.
In der Zeichnung ist der von Abgas in Richtung des Pfeiles 14 durchströmte Konverter
1 mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, diesen
Konverter auch mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise oval oder vieleckig
auszuführen.
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Während die Isolierschicht bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten
Ausführung aus einem keramischen Laminat aus mehreren Lagen feuerfesten Papiers
und feuerfesten Zements bestehen mag, ist in den Figuren 3 und 4 eine Ausbildung
des Konvertes gezeigt, bei der die Isolierschicht aus zwei aus keramischem Tonerde-Silikat-Faser-Material
gegossenen Formteilen 10 a und 10 b besteht, die, wie die Figur 4 zeigt, vor dem
Vergießen der Metallschmelze über den keramischen Katalysatorträger 2 geschoben
werden und dort mit einem feuerfesten Zement 11 verkleBt werden. An der Außenfläche
der beiden Formteile 10 a und 10 b sind zur Erzielung eines guten mechanischen Verbundes
mit dem Gußwerkstoff nockenförmige Erhebungen vorgesehen. Außerdem weisen die Formteile
10 a und 10 b an ihren dem Katalysatorkörper 2 abgewandten Enden angeformte Gießmarken
13 auf, mit denen der mit der Isolierschicht umhüllte Katalysatorkörper 2 für den
Gießvorgang in einer entsprechenden Gießform gelagert wird. Beim Erstarren der Metallschmelze
ergibt sich dann durch den Schrumpfungsvorgang eine radial gerichtete Spannung,
die über die Isolierschicht auf den keramischen Trägerkörper 2 übertragen wird,
so daß der keramische Trägerkörper fest in dem Katalysatorgehäuse 3 eingespannt
ist.
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Die Erfindung sichert also eine feste Halterung des empfindlichen,
keramischen Körpers in dem Metallgehäuse ohne die
Verwendung einer
Vielzahl von aufwendigen und bei ihrer Montage zeitraubenden Bauteilen. Am Innenumfang
des Gußgehäuses ist eine aus keramischem Material best-ehende Isolierschicht vorgesehen,
deren Wandstärke so groß gewählt ist, daß eine gute Isolierung des Katalysators
und eine nur geringe Temperaturbelastung des Katalysatorgehäuses auftritt. Infolgedessen
kann als Material für das Gehäuse ein Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, verwendet
werden. Neben einer guten Isolierung bewirkt die Isolierschicht aber auch eine vorteilhafte
Dämpfung des empfindlichen Katalysatorkörpers, so daß die beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges
auftretenden Schläge und Stöße aufgefangen werden können und nicht zur Zerstörung
des keramischen Trägerkörpers führen.