DE3509790A1

DE3509790A1 - Abgasreinigungsvorrichtung fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3509790A1
Application number: DE19853509790
Authority: DE
Inventors: Jürgen Brich; Walter Dr. Stoepler
Original assignee: Leistritz AG
Current assignee: Leistritz AG
Priority date: 1985-03-19
Filing date: 1985-03-19
Publication date: 1986-10-09
Also published as: DE3509790C2

Description

Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem in einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitigen, insbesondere konischen Abgaszu- und -abführstutzen angeordneten, wabenartig strukturierten monolitischen Keramikkörper, der ggf. mit einer katalytisch wirksamen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei dem Außengehäuse und dem Keramikkörper ein thermisch isolierendes, vorzugsweise aus einer sog. Quellmatte oder Aluminiumsilikatfasermatte, eingebettet in einen Drahtgestrickstrumpf, bestehendes Federkissen zugeordnet ist und die Innenflächen der Abgaszu- und -abführstutzen sowie ggf. der Zwischenraum des Außengehäuses zwischen zwei hintereinander!iegenden Keramikkörpern von einem hochtemperaturfesten, in Abstand angeodneten Abschirmblech überdeckt ist.

Derartige Abgasreinigungsvorrichtungen können dabei - allenfalls unterschieden durch die Art des Katalysators - sowohl für dieselgetriebene Kraftfahrzeuge verwendet werden, bei denen es vornehmlich um die Rußnachverbrennugn geht, als auch zur Entgiftung der Abgase von Benzinmotoren. Ein ganz besonders wesentliches Problem in allen Fällen ist dabei die dauer-

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hafte sichere stoßgedämpfte Lagerung des sehr bruchempfindlichen Keramikkörper im Metallgehäuse, wobei dieses Problem noch dadurch erschwert wird, daß das Metallgehäuse sich im Gegensatz zum Keramikkörper selbst sehr viel stärker ausdehnt, was wiederum in Verbindung mit den enormen Temperaturunterschieden von Hunderten von Grad Celsius erhebliche Anforderungen an das Federkissen stellt.

Besonders günstige Eigenschaften ergeben sich bei Verwendung sog. Quellmatten, das sind Matten auf Mineralfaserbasis, die bei Temperaturerhöhung sich sehr stark aufblähen, da auf diese Weise die vorstehend beschriebenen starken thermischen Ausdehnungsunterschiede besonders günstig abgefangen werden können. Ein Nachteil derartiger Quellmatten, wie überhaupt der für solche Fälle bevorzugt eingesetzten Matten auf Aluminiumsilikatfaserbasis, besteht aber darin, daß sie durch die pulsierenden Abgasströme sehr leicht ausgeblasen werden, wenn nicht sichergestellt ist, daß die Abgasströme den Spalt zwischen dem Keramikkörper und dem Metallgehäuse, in welehern diese als Federkissen wirkende Matte angeordnet ist, überhaupt nicht erreichen können.

Zu diesem Zweck sind zwar bereits eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, die in den meisten Fällen darauf beruhen, daß zusätzliche Abdichtringe die Stirnfläche des Keramikkörpers teilweise übergreifen, um eine Abschirmung des Lagerspalts vor den pulsierenden Abgasströmen sicherzustellen. Abgesehen von den Schwierigkeiten,hierbei wirklich eine exakte Abdichtung erreichen zu können, und dem relativ hohen Aufwand, verbunden mit der weiteren Gefahr, daß durch das Angreifen dieser Dichtringe am Keramikkörper wiederum die Gefahr einer Beschädigung aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnungsunterschiede gegeben ist, ergibt sich bei einer

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solchen Art der Spaltabdichtung der Nachteil, daß ein Teil der Eintrittsoberfläche des Keramikkörpers durch einen von außen eingreifenden Dichtringrand überdeckt wird und somit ein nicht unerheblicher Teil der für die Entgiftungswirkung oder die Rußnachverbrennung wirksamen inneren Oberfläche des Keramikkörpers blockiert ist.

Dieser Nachteil besteht entsprechend auch bei einer bereits vorgeschlagenen Lagerung, bei der das Federkissen über die Stirnkanten des Keramikkörpers übersteht und durch eine eingezogene Formgebung des Gehäuses als umgebogener Wulst die Stirnkante übergreift. Daneben ist im übrigen auch nach wie vor die Schwierigkeit des Ausblasens durch diese überstehende Wulstlagerung in keiner Weise beseitigt oder auch nur verbessert.

Eine Vereinfachung des Gehäuseaufbaus, insbesondere in dem Sinne, daß für das eigentliche Gehäuse relativ billige Stahlbleche verwendet werden können, die dafür nicht so temperaturfest sind, ist bereits in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen worden, daß zur Abschirmung in den nicht vom Keramikkörper überdeckten Flächenbereichen des Außengehäuses in Abstand zu diesen verlaufende Abschirmbleche vorgesehen sind. Die Abschirmbleche brauchen keine Tragfunktion aufzuweisen, so daß sie aus relativ dünnen Blechen bestehen können, die dann auch ohne allzu große Kostennachteile und mit dem Vorteil einfacher Verarbeitbarkeit aus hochtemperaturfesten teuren Werkstoffen bestehen können. Auch in diesem Fall ergeben sich jedoch nach wie vor Schwierigkeiten entweder mit der Ausblassicherheit der Federkissenlagerung oder aber mit der vollkommenen Raumausnützung des inneren Volumens des Keramikkörpers zur Abgasreinigung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß bei einfachem Aufbau und ohne Beeinträchtigung und Einengung der Eintrittsstirnfläche der Keramikkörper eine auch unter Berücksichtigung der starken unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beteiligten Bauteile eine sichere feste und jede Bruchgefährdung ausschließende Lagerung des Keramikkörpers sichergestellt ist, bei der also insbesondere auch ein Ausblasen des Federkissens durch die pulsierenden Abgase sicher verhindert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das konische bzw. zylindrische Abschirmblech zumindest im Bereich der Gaseintrittsstirnfläche eines Keramikkörpers diesen mit Abstand umfaßt, und der Spalt zum Keramikkörper durch eine dünne, flexible temperaturfeste Folie, insbes. eine Metallfolie, überdeckt ist, die von der elastischen Lagerung an das Abschirmblech und den Keramikkörper angepreßt wird.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ist zum einen die optimale Abdichtung des Lagerspalts gegen die Abgasströme dadurch erzielt, daß quasi eine Metallabschirmwandung direkt an die Mantelfläche des Keramikkörpers gezogen ist, wobei jedoch durch die Ausbildung des Übergangsabschnittes als flexible Metallfolie gleichwohl sichergestellt ist, daß thermische Ausdehnungsunterschiede sich nicht in Form von entsprechenden starken Verspannungen niederschlagen können, die zum Zerspringen des Keramikkörpers führen könnten.

Die Metallfolie kann dabei mit der elastischen Lagerung oder dem Abschirmblech verklebt sein, wobei die Verklebung an der Unterseite des Federkissens besonders vorteilhaft ist. Durch eine solche Verklebung mit der Unterseite des Federkissens, wodurch die Folie an den Randabschnitt des Abschirmblechs einfach

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angedrückt wird, ergibt sich der große Vorteil, daß gerade beim erstmaligen Anlaufen einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung, d.h. beim ersten Aufheizen, das Abschirmblech sich ungehindert nach außen ausdehnen kann und dabei an der Folie abgleitet, die ja durch das Anpressen an die Oberfläche des Keramikkörpers sich am anderen Ende praktisch nicht verschiebt. Wird die Vorrichtung außer Betrieb gesetzt und kühlt sich das Außengehäuse wieder ab, so wird allenfalls die Folie um Bruchteile eines Millimeters zusammengeschoben, so daß sich eine Art Falte bildet, die bei den späteren Aufheiz- und Abkühlzyklen problemlos die thermischen Ausdehnungsunterschiede auch unabhänqig von dem Abgleiten des Abschirmblechs an der Folie selbst auffangen kann.

Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, das den Keramikkörper umgebende Ende des Abschirmrings als nach außen konkav gewölbten Ringabschnitt auszubilden, so daß also der der freien Kante benachbarte Abschnitt schräg zur Keramikkörperoberfläche hin geneigt ist.

In Verbindung mit einer Anordnung und Abmessung der Folie derart, daß sie sich maximal bis zum Scheitel des Ringabschnitts erstrecktest das vorstehend beschriebene Aneinanderabgleiten von Abschirmblech und Folie bzw. das genannte Zusammenschieben unter Bildung einer Ausdehnungstoleranzfalte sicher möglich.

Bei einer Ausfüllung des Zwischenraums zwischen den Abschirmblechen und dem Außengehäuse durch eine Mineralfasermatte od. dgl., wobei in diesem Fall bevorzugt keine Quellmatte verwendet wird, da zwischen den beiden metallischen Gehäuseteilen keine derartig starken Ausdehnungsunterschiede bestehen, ist es dabei zweckmäßig, die Ausbildung so zu treffen, daß diese isolierende Matte etwa im Bereich des genannten gewölbten

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Ringabschnitts mit der das Federkissen bildenden Ouellmatte zur Lagerung des Keramikkörper zusammenstößt.

Bevorzugt erfolgt die Ausbildung und Einbringung des Federkissens in der Weise, daß in die Halbschalen des Gehäuses jeweils Streifen eingelegt werden, die den Keramikkörper auf seinem Umfang zur Hälfte umfassen, in diesem Fall sollte bevorzugt die Folie im Bereich der Trennfugen überlappend ausgebildet sein.

Mit besonderem Vorteil kann, die Folie aus Edelstahl bestehen, wobei es sich gezeigt hat, daß in diesem Fall Foliendicken von 0,01 bis 0,1 mm, vorzugsweise etwa zwischen 0,02mm und 0,05 mm besonders günstig sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch den sog. Konverterabschnitt einer Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge,

Fig. 2 eine Vergrößerung des stirnseitigen Lagerbereichs des Keramikkörpers entsprechend dem Ausschnitt II in Fig. 1, und

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1.

In dem im wesentlichen zylinderförmigen Außengehäuse 1, an welches konisch sich verjüngende Abgaszu- und -abführstutzen 2 sich anschließen, sind monolitische, wabenartig strukturierte Keramikkörper 3 gehaltert, deren Oberfläche ggf. mit

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einer katalytisch wirksamen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Zur Halterung dieser Keramikkörper sind sog. Quellmatten 4 vorgesehen, d.h. mit steigender Temperatur expandierende feuerfeste Fasermatten, die für eine zentrierte Halterung im Außengehäuse auch unter Berücksichtigung der stark unterschiedlichen Ausdehnung im Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung sorgen.

Um für das Außengehäuse 1 und die anschließenden Abgaszu- und -abführstutzen 2 billigere, einfache Stahlbleche verwenden zu können, ist zunächst vorgesehen, daß die Innenflächen der Abgaszu- und -abführstutzen 2 mit thermisch isolierenden Matten 5 überdeckt sind, die ihrerseits von einem hochtemperaturfesten Abschirmblech 6 überdeckt werden. Ein entsprechendes Abschirmblech 6a ist im Übergangsbereich zwischen den beiden hintereinanderliegenden Keramikkörpern 3 vorgesehen, um auch in diesem Bereich das Außengehäuse gegenüber dem heißen Abgasstrom zu isolieren. Die Abschirmbleche 6 sind in ihrer äußeren Randzone 14 mit dem Außengehäuse 1 und einem Befestigungsflansch 15 verschweißt, der zum Einbau des Konverters in die Abgasrohrleitung dient. Am inneren Ende, d.h. dem der Stirnfläche eines Keramikkörpers 3 zugewandten Ende, sind die ein im wesentlichen kegelstumpfförmiges Gebilde bildenden Abschirmbleche 6 mit einem nach außen konkav gewölbten Ringabschnitt 16 versehen, welcher den Anfang des Keramikkörpers 3 mit Abstand umfaßt. Entsprechend das Gleiche gilt für die beiden Enden 16a des Abschirmblechs 6a zwischen den Keramikkörpern 3.

um ein Ausblasen der gegenüber pulsierenden Abgasströmen besonders empfindlichen Quellmatte 4 zu verhindern, sind zumindest im Bereich der Gaseintrittsstirnflächen 17 der Keramikkörper 3 Metallfolien 13 aus Edelstahl mit einer Dicke

zwischen etwa 0,02 und 0,05 mm vorgesehen, die durch die Quellmatte 4 sowohl an den Ringabschnitt 16 bzw. 16a als auch die Außenfläche des Keramikkörper 3 angepreßt werden. Diese dünnen Metallfolien bilden einen absolut gasdichten Abschluß des Spaltraums, in welchem die Quellmatte 4 angeordnet ist, behindern aber - insbesondere wenn sie allenfalls mit der Quellmatte 4, nicht aber mit dem Ringabschnitt 16 verklebt sind - die thermischen Ausdehnungen dieses Ringabschnitts gegenüber dem praktisch seinen Durchmesser beibehaltenden Keramikkörper 3 nicht. Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben worden ist, ergibt sich bei der ersten Ausdehnung, d.h. bei der ersten Aufheizung einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung, ein Abgleiten der Folie 18 gegenüber dem zur Oberfläche 19 des Keramikkörpers 3 geneigten Abschnitt 16' des Ringabschnitts 16, die beim Wiederabkühlen sich in Form einer in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Falte niederschlagen kann, die bei allen nachfolgenden Temperaturwechseln unabhängig von einem Aneinanderabgleiten der Folie 18 am Ringabschnitt 16 die Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Ringabschnitt 16 und dem Keramikkörper 3 abfängt. Um diese Ausbildung der Falte oder das jeweilige Nachrutschen durch Abgleiten von Metallfolie 18 und Ringabschnitt 16 zu gewährleisten, soll sich die Folie bis max. zum Scheitel 21 des Ringabschnitts 16 erstrecken.

In Fig. 3 erkennt man vergrößert einen Teilquerschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1, aus der der Aufbau des Gehäuses aus zwei lialbschalen erkennbar ist. Entsprechend sind die einzelnen Streifen der Quellmatte 4 an dieser Nahtstelle 22 gestoßen. Um gleichwohl auch längs dieser Kante c'ie gewünschte Abdichtung zu erzielen, ist die Metallfolie in diesem Bereich überlappend ausgebildet.

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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Neben einer Ausbildung, bei der das Abschirmblech 6, 6a noch weiter außen liegt, so daß es völlig außerhalb des Mantels 19 des Keramikkörpers liegt - obgleich auch bei der dargestellten Ausführungsform der Abgasstrom auch die äußersten Randzonen, d.h. die randäußersten Waben des Keramikkörpers 3 durchsetzen kann - wäre es auch noch möglich, im Bereich der Gasaustrittsstirnflächen 23 der Keramikkörper 3 die Spalte zwischen den sie dort umfassenden Abschirmblech-Ringabschnitten 16a bzw. 16 ebenfalls mit Hilfe einer Folie 16 abzudecken, obgleich dort ersichtlich das Problem einer Ausblasgefahr erheblich kleiner ist als jeweils an der Gaseintrittsstirnfläche 17. Darüber hinaus brauchte selbstverständlich die Folie 18 nicht unbedingt aus Metall zu bestehen, wobei jedoch beim derzeitigen Stand der Technik hochtemperaturfeste gasdichte Folien für die angesprochenen Zwecke in erster Linie aus Metall realisierbar sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist außerordentlich einfach im Aufbau und leicht montierbar, da sie auf spezielle Stützringe verzichten kann. Darüber hinaus vermeidet sie durch die fehlende Berührung des Keramikkörpers mit Metallringen jegliche Bruchgefahr, die bisher an diesen Abdichtstellen aufgetreten sind. Es erfolgt keine Temperaturübertragung des abgasführenden Innenteils zum tragenden Außengehäuse 1, so daß ein zusätzliches Temperaturabschirmgehäuse, wie es bisher häufig um das Außengehäuse 1 gelegt werden mußte, entfallen kann. Schließlich geht die schwimmende Lagerung der Keramikkörper, die eine Bruchgefahr ausschließt, einher mit einer völligen Abdichtung des Bereichs zwischen dem abgasführenlen Innenteil und dem tragenden Gehäuse, wodurch auch jede Gefahr eines Ausblasens einer Quellmatte vermieden wird.

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Claims

Patentansprüche

Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem in einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitigen, insbesondere konischen Abgaszu- und -abführstutzen angeordneten, wabenartig strukturierten monolitischen Keramikkörper, der ggf. mit einer katalytisch wirksamen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wobei dem Außengehäuse und dem Keramikkörper ein thermisch isolierendes, vorzugsweise aus einer sogenannten Quellmatte oder Aluminiumsilikatfasermatte,eingebettet in einen Drahtgestrickstrumpf, bestehendes Federkissen zwischengeordnet ist und die Innenflächen der Abgaszu- und -abführstutzen sowie ggf. der Zwischenraum des Außengehäuses zwischen zwei hintereinanderliegenden Keramikkörpern von einem hochtemperaturfesten, in Abstand angeordneten Abschirmblech überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das konische bzw. zylindrische Abschirmblech (6, 6a) zumindest im Bereich der Gaseintrittsstirnfläche (17) eines Keramikkörpers (3) diesen mit Abstand umfaßt, und der Spalt zum Keramikkörper (3) durch eine dünne, flexible temperaturfeste Folie (18), insbes. eine Metallfolie, überdeckt ist. die von der elastischen Lagerung (4) an das Abschirmblech (6, 6¹) und den Keramikkörper (3) angepreßt wird.
2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (18) mit der elastischen Lagerung (4) oder dem Abschirmblech (6a) verklebt ist.
3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Keramikkörper (3) umgebende Ende des Abschirmblechs (6) als nach außen konkav gewölbter Ringabschnitt (16, 16') ausgebildet ist.
4. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (18) sich maximal bis zum Scheitel (21) des Ringabschnitts (16, 16') erstreckt.
5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (18) im Bereich der Trennfugen der um den Keramikkörper (3) gelegten elastischen Lagerung (4) überlappend ausgebildet ist.
6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (18) aus Edelstahl besteht.
7. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelstahlfolie eine Dicke von 0,01 mm bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,02 mm bis 0,05 mm, aufweist.