DE3930680A1 - Katalysator zur abgasreinigung mit dehnungen ausgleichender lagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Abgasrei­ nigung, vorzugsweise für Kraftfahrzeugmotoren, beste­ hend aus einem metallischen Wabenkörper und einem me­ tallischen Gehäuse.

Katalysatoren mit diesen Merkmalen sind bekannt, z. B. aus dem DE-GM 88 11 086. Im Betrieb eines solchen Kata­ lysators können beträchtliche spannungserzeugende ther­ mische Ausdehnungen auftreten. Bekanntlich können Wa­ benkörper für katalytische Reaktoren im Betrieb durch die katalytische Umsetzung des Abgases von ca. 500°C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder weniger große Bereiche auf Temperaturen über 900°C erhitzt werden. Das sie umgebende dickwandige Gehäuse behält aber seine relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 300°C über längere Zeitdauer bei. Die dadurch zu erwartenden Wär­ mespannungen infolge von Relativbewegungen zwischen Mantel und Wabenkörper, sowohl in axialer, wie auch in radialer Richtung, können zu einem Lösen des gewickel­ ten Körpers vom Gehäuse oder zu einer Zerstörung der Zellstruktur selbst führen.

In dem o.g. Gebrauchsmuster wird vorgeschlagen, daß die Relativbewegung zwischen Mantel und Wabenkörper durch ein eingelötetes Wellband mit großer Teilung und großer Amplitude aufgefangen wird. Der Nachteil dieser Kon­ struktion ist in der geringen Elastizität in axialer und auch radialer Richtung zu sehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung des Wabenkörpers im Gehäuse zu finden, die, bei guter thermischer Isolation, eine Relativdehnung des Waben­ körpers gegenüber dem Gehäuse in radialer und in axia­ ler Richtung zuläßt und die Möglichkeit des Losbrechens der Lötverbindung zwischen Wabenkörper und Mantel ver­ hindert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wabenkörper nicht über den gesamten Umfang mit dem Gehäuse verlötet wird, sondern nach Anspruch 1 mit Hilfe von zwei oder mehr Lagern elastisch im Gehäuse aufgehängt wird. Die Lager sind so ausgebildet, daß sie die Relativbewegun­ gen zwischen Gehäuse und Wabenkörper, die durch das Erwärmen und das Wachstum des Wabenkörpers entstehen, in radialer Richtung bzw., bei der dadurch entstehenden Vergrößerung des Umfangs des Wabenkörpers, in tangen­ tialer Richtung aufnehmen können.

Nach Anspruch 2 wird die Relativbewegung zwischen Wa­ benkörper und Gehäuse in axialer Richtung dadurch er­ möglicht, daß die Lager als ein Fest- und mindestens ein Loslager ausgebildet sind. So führt eine Verlänge­ rung bzw. Verkürzung des Wabenkörpers zum Verschieben des Loslagers, dessen Gleitring mit ausreichend großem Spiel im Gehäuse geführt wird. Die Verschweißung der Federn am Mantelring und am Gleitring bzw. Gehäuse be­ wirkt, daß der Wabenkörper stets zentrisch geführt wird, da alle Federn gleichmäßig auf den Wabenkörper einwirken. Als Vorteil ergibt sich also, daß sich der Wabenkörper, innerhalb gewisser Grenzen, in beliebiger Richtung ausdehnen kann, ohne daß dadurch die Verbin­ dung zum Gehäuse beschädigt oder gar die Zellstruktur des Wabenkörpers zerstört wird.

Die Ansprüche 3 bis 6 betreffen die Umhüllung des Wa­ benkörpers. Durch die Erfindung wird es möglich, daß nicht die gesamte Mantelfläche des Wabenkörpers durch ein Mantelrohr abgedeckt werden muß. Es reicht völlig aus, wenn an den stirnseitigen Enden Mantelringe oder, wie in Anspruch 5 dargestellt, kreisringausschnittsför­ mige Segmente mit der Mantelfläche verlötet werden, die mit den Federn verschweißt werden können. Diese Kon­ struktion führt zu einer deutlichen Gewichtsreduzie­ rung. Wenn aber, durch die Konstruktion des Wabenkör­ pers bedingt, ein einteiliger, die gesamte Mantelfläche des Wabenkörpers abdeckender Mantel erforderlich ist, so ist auch diese Ausführungsform, ohne die wesentli­ chen Vorteile der Erfindung zu schmälern, möglich. Das Material des Mantels bzw. der Mantelringe kann, unab­ hängig von den Anforderungen an das Material des Gehäu­ ses, frei gewählt werden, so daß der Ausdehnungskoeffi­ zient des Materials des Mantels bzw. der Mantelringe dem des Materials des Wabenkörpers angepaßt werden kann.

Gemäß Anspruch 7 wird der Wabenkörper durch die Lage­ rung in einem Abstand von 2 mm bis 10 mm vom Gehäuse gehalten, so daß ein isolierender Ringspalt gleichmäßi­ ger Spaltweite entsteht. Um eine Durchströmung dieses Ringspalts durch Abgase zu unterbinden, werden vor den stirnseitigen Enden konische Innengehäuse angebracht, deren zylinderförmige Enden von innen in ein überste­ hendes Rohrstück der Mantelringe bzw. des Mantels, un­ ter Bildung eines Dichtspalts, eingreifen, so daß sich die zylinderförmigen Abschnitte der konischen Innenge­ häuse und der Mantelringe bzw. des Mantels bei einer Relativbewegung des Wabenkörpers gegenüber dem Gehäuse teleskopartig ineinanderschieben können. Um dabei den Wabenkörper vor Schaden zu bewahren, werden zwischen den Stirnseiten des Wabenkörpers und den konischen In­ nengehäusen Dehnspalte belassen, deren Breiten nach den Berechnungsvorschriften, die in den Ansprüchen 9 und 10 angegeben sind, und in Abhängigkeit von den jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien festgelegt werden.

Nach Anspruch 11 werden die konischen Innengehäuse ge­ meinsam mit den Gehäuseanschlußstutzen mit Flanschen verbunden. Dies gewährleistet eine einwandfreie Justie­ rung und eine kostengünstige Fertigung.

Die Erfindung verbessert die Ausdehnungsmöglichkeiten des Wabenkörpers gegenüber dem Gehäuse erheblich, die Zahl der Freiheitsgrade ist auf vier erhöht worden, gleichzeitig wird eine gute thermische Isolierung über die gesamte Gehäuselänge erreicht, da sowohl zwischen den konischen Innengehäusen und den Gehäuseanschluß­ stutzen, als auch zwischen dem Wabenkörper und dem Ge­ häuse ein luftgefüllter Ringspalt verbleibt, der nicht von heißen Abgasen durchströmt wird.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt, es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Katalysator;

Fig. 2a einen Querschnitt des Katalysators mit einteiligem Mantelring;

Fig. 2b einen Querschnitt des Katalysators mit segmentiertem Mantelring.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Katalysator gezeigt. In dem Gehäuse 1 ist der Wabenkörper 2 durch die Lager 100, 101 aufgehängt. Das Lager 100 ist als Festlager, das Lager 101 ist als Loslager ausgeführt. Das Festlager 100 besteht aus dem Mantelring 23, den Blattfedern 24 und einem Bereich des Gehäuses 1. Die Blattfedern 24 sind mit dem Mantelring 23 und dem Ge­ häuse 1 fügetechnisch verbunden, vorzugsweise ver­ schweißt. Das Loslager 101 besteht aus dem Mantelring 3, den Blattfedern 4 und dem Gleitring 5, der gleitend im Gehäuse gelagert ist. Die Blattfedern 4 sind mit dem Mantelring 3 und dem Gleitring 5 fügetechnisch verbun­ den, vorzugsweise verschweißt. In jedem Lager 100, 101 sind mindestens drei, vorzugsweise vier Blattfedern 4, 24 gleichmäßig auf dem Umfang verteilt. Die Mantelringe 3, 23 sind so auf den Wabenkörper 2 aufgesetzt, daß sie an den Stirnseiten des Wabenkörpers 2 überstehen. Die Mantelringe 3, 23 sind mit dem Wabenkörper 2 fügetech­ nisch verbunden, vorzugsweise verlötet.

Die konischen Innengehäuse 9, 29 greifen mit ihren zy­ lindrischen Enden in den überstehenden Teil der Mantel­ ringe 3, 23 ein und bilden mit diesen die Dichtspalte 13. Zwischen den Stirnseiten des Wabenkörpers 2 und den konischen Innengehäusen 9, 29 verbleiben Dehnspalte 10, 11, die eine thermische Ausdehnung sowohl der konischen Innengehäuse 9, 29 als auch des Wabenkörpers 2 ermögli­ chen. Eine Wärmedehnung oder auch ein bleibendes Wachs­ tum des Wabenkörpers 2 in axialer Richtung bewirken eine Verschiebung des Loslagers 101 in Richtung des konischen Innengehäuses 9. Daher ist der Dehnspalt 10 so groß gewählt, daß er sowohl die Verlängerung des Wabenkörpers 2 als auch die Ausdehnung des konischen Innengehäuses 9 kompensieren kann. Der Dehnspalt 11 kann kleiner gewählt werden, da er nur die Ausdehnung des konischen Innengehäuses 29 kompensieren muß.

Die konischen Innengehäuse 9, 29 sind gemeinsam mit den Gehäuseanschlußstutzen 8, 28 mit den Flanschen 7, 27 fügetechnisch verbunden, vorzugsweise verschweißt. Die Gehäuseanschlußstutzen 8, 28 sind mit dem Gehäuse 1 fügetechnisch verbunden, vorzugsweise verschweißt. Zwi­ schen den konischen Innengehäusen 9, 29 und den Gehäu­ seanschlußstutzen 8, 28 und zwischen dem Gehäuse 1 und dem Wabenkörper 2 befinden sich luftgefüllte Ringspalte 12, 22, 32. Der Abgasstrom durchströmt den Katalysator in axialer Richtung A. Die Ringspalte 12, 22, 32 sind dadurch gegenüber dem Abgasstrom abgeschlossen, daß die konischen Innengehäuse 9, 29 und ihre freien zylindri­ schen Enden mit den Mantelringen 3, 23 eine labyrinth­ ähnliche Dichtung bilden, es verbleibt also nur ein en­ ger Dichtspalt 13. Der Abgasstrom wird durch die koni­ schen Innengehäuse 9, 29 direkt durch den Wabenkörper 2 geleitet.

Die Flansche 7, 27 dienen der Befestigung des Katalysa­ tors in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges.

Fig. 2a zeigt einen Querschnitt durch das Festlager 100 des in Fig. 1 dargestellten Katalysators. Der Wabenkör­ per 2 ist in diesem Bereich von dem Mantelring 23 um­ schlossen. Zwischen dem Mantelring 23 und dem Gehäuse 1 sind vier Blattfedern 24, gleichmäßig auf dem Umfang verteilt, angeordnet, die an ihren Enden jeweils mit einer fügetechnischen Verbindung 6, hier dargestellt durch Schweißpunkte, sowohl an dem Mantelring 23 als auch an dem Gehäuse 1 befestigt sind. Die fügetechni­ sche Verbindung zwischen dem Mantelring 23 und dem Wa­ benkörper 2 ist nicht dargestellt.

Fig. 2b zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch das Festlager 100 des in Fig. 1 dargestellten Katalysators. Der Wabenkörper 2 wird hier von vier kreisausschnitts­ förmigen Segmenten 33 umschlossen, dadurch wird die Dehnbarkeit des Wabenkörpers 2 in Umfangsrichtung ver­ bessert. Zwischen diesen Segmenten 33 und dem Gehäuse 1 sind die Blattfedern 24 mit je einer fügetechnischen Verbindung 6, hier dargestellt durch Schweißnähte, an ihren freien Enden eingesetzt. Die fügetechnische Ver­ bindung zwischen den Mantelring-Segmenten 33 und dem Wabenkörper 2 ist nicht dargestellt.

Claims (11)

1. Katalysator zur Abgasreinigung, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem metallischen Wa­ benkörper (2) und einem metallischen Gehäuse (1), dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Wabenkörper (2) durch mindestens zwei Lager (100, 101), die jeweils durch mindestens drei gleichmäßig auf dem Umfang verteilte elastische Elemente (4, 24) zwischen Wabenkörper (2) und Gehäu­ se (1) gebildet werden und eine Relativbewegung in radialer Richtung (R) zwischen Gehäuse (1) und Wa­ benkörper (2) ermöglichen, federnd im Gehäuse (1) aufgehängt ist.

2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lager (100, 101) als ein Festlager (100) und mindestens ein Loslager (101) ausgebildet sind und somit eine Relativbewe­ gung in axialer Richtung (A) zwischen Gehäuse (1) und Wabenkörper (2) ermöglichen, daß das Festlager aus einem Mantelring (23) und den elastischen Ele­ menten (24) besteht, wobei die elastischen Elemente des Festlagers (100) jeweils aus einer Blattfeder (24) bestehen und wobei die Blattfedern (24) in dem Mantelring (23) und dem Gehäuse (1) durch fügetech­ nische Verbindungen (6), vorzugsweise Schweißnähte, gesichert sind, daß das Loslager aus einem Mantel­ ring (3), aus den elastischen Elementen (4) und ei­ nem Gleitring (5) besteht, wobei die elastischen Elemente des Loslagers (101) jeweils aus einer Blattfeder (4) bestehen und die Blattfedern (4) in dem Mantelring (3) und dem Gleitring (5) durch füge­ technische Verbindungen (6), vorzugsweise Schweiß­ nähte gesichert sind und der Gleitring (5) axial beweglich im Gehäuse (1) abgestützt ist.

3. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelringe (3, 23) nur einen Teil der Mantel­ fläche des Wabenkörpers (2) bedecken und an den Stirnseiten des Wabenkörpers (2) überstehen.

4. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt zweier getrennter Mantelringe (3, 23) auch ein einteiliger, die gesamte Mantelfläche des Wabenkör­ pers (2) abdeckender Mantel verwendet werden kann, der an den Stirnseiten des Wabenkörpers (2) über­ steht.

5. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelringe (3, 23) aus mehreren kreisringaus­ schnittsförmigen Segmenten (33) bestehen.

6. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelringe (3, 23, 33) mit dem Wabenkörper (2) fügetechnisch verbunden, vorzugsweise verlötet sind.

7. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (100, 101) den Wabenkörper (2) zentrisch in einem radialen Abstand von 2 mm bis 10 mm, vor­ zugsweise 6 mm vom Gehäuse (1) halten, so daß zwi­ schen Wabenkörper (2) und Gehäuse (1) ein thermisch isolierender Ringspalt (12) besteht.

8. Katalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Ringspalts (12) konische, mit zylindrischen Enden versehene Innengehäuse (9, 29) eingesetzt werden, die unter Belassung eines Dicht­ spalts (13) in die Mantelringe (3, 23, 33) von innen eingreifen, daß eine Relativbewegung in axialer Richtung (A) möglich ist.

9. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung (A) zwischen dem konischen In­ nengehäuse (29) und der Stirnseite des Wabenkörpers (2) ein Dehnspalt (11) besteht, dessen Breite zwi­ schen 1% bis 3%, vorzugsweise 1,6% der Länge des konischen Innengehäuses (29) beträgt.

10. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung (A) zwischen dem konischen In­ nengehäuse (9) und der Stirnseite des Wabenkörpers (2) ein Dehnspalt (10) besteht, dessen Breite sich aus der Summe von 1% bis 3%, vorzugsweise 1,6% der Länge des konischen Innengehäuses (9) plus 2% bis 5%, vorzugsweise 3,3% der Länge des Wabenkörpers (2) bestimmt.

11. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Innengehäuse (9, 29) gemeinsam mit den Gehäuseanschlußstutzen (8, 28) mit einem Flansch (7, 27) verbunden, vorzugsweise verschweißt werden.