DE4017832A1 - Keramik-distanzring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Keramikring zum Einstellen eines definierten Abstandes zwischen den katalytischen Wabenkörpern eines Abgas-Katalysators.

Aus der US-PS 37 54 870 und den DE-OS 36 26 728 und 36 26 729 sind Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeuge bekannt, die in einem Metallgehäuse wenigstens zwei katalytisch beschichtete, keramische Wabenkörper besitzen. Zwischen benachbarten Wabenkörpern ist ein Keramikring eingesetzt. Dieser Keramikring hat im wesentlichen zwei Aufgaben: Während der Montage sorgt er für den exakten gegenseitigen Abstand der Wabenkörper, der wiederum Voraussetzung ist für eine exakte Positionierung der Wabenkörper im Gehäuse; außerdem stützt er das Isoliermaterial auf der Innenseite des Gehäuses. Während des Betriebes schützt er das Isoliermaterial vor den heißen und pulsierenden Abgasen.

Der Hauptvorteil bei der Verwendung eines Keramik-Distanzrings anstelle der zuvor verwendeten Metall-Distanzringe besteht in der praktisch zu vernachlässigenden Wärmedehnung von Keramik. Es muß weder ein Dehnungsspalt eingehalten noch ein Schiebesitz vorgesehen werden.

Nachteilig ist jedoch, daß die Stirnflächen des Keramikrings einen nicht unerheblichen Flächenbereich der Wabenkörper verdecken, so daß dieser für die Abgasströmung nicht mehr zur Verfügung steht. Bei einem Durchmesser der Wabenkörper von beispielsweise 100 mm und einer Ringstärke von beispielsweise 6 mm gehen auf diese Weise 23% der Wabenkörperfläche verloren. Selbst wenn die Stärke des Keramikrings an der Stirnfläche auf beispielsweise 3 mm reduziert wird, wie es in den DE-OS 36 26 728 und 36 26 729 dargestellt ist, beträgt der inaktive Flächenbereich der Wabenkörper immer noch 12%. Dadurch konzentriert sich der Abgasstrom auf das Zentrum der Wabenkörper. Diese sind somit thermisch hoch und vor allem ungleichmäßig belastet und infolgedessen eher bruchanfällig. Auch muß die Länge der Wabenkörper erhöht werden, um die katalytische Reinigung zu garantieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Keramik-Distanzring der eingangs genannten Art anzugeben, bei dessen Verwendung relativ wenig, vorzugsweise fast keine, aktive Wabenkörperfläche verdeckt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Keramikring mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung befindet sich der wesentliche Teil des Rings außerhalb der Wabenkörper-Stirnflächen. Diese werden nur von den gesonderten Stützflächen (41 . . . 45), vorzugsweise drei, überdeckt. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu­ nutze, daß gerade infolge der Verwendung von Keramik bei Betriebstemperatur keine Druckspannungen entstehen.

Die Herstellung eines solchen Ringes ist genauso einfach wie bei den herkömmlichen Keramik-Distanzringen.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung sind die Stirnflächen nach innen abgeschrägt, vorzugsweise um 45 Grad, wobei die Stütznasen im Bereich der Stirnflächen-Abschrägung ausgebildet sind.

Dank der Abschrägung der Stirnflächen zentrieren sich die Keramikkörper und der Keramikring während der Montage von selbst. Man kann also sicher sein, daß Wabenkörper, Keramikring und die herumgewickelte Isolierung im Katalysatorgehäuse korrekt liegen, ohne daß dies kontrolliert werden müßte, was in der Praxis sowieso nur schwer möglich ist.

Dank der Abschrägung der Stirnflächen berühren sich Keramikring und Wabenkörper nur an deren Umfang. Der Winkel von ca. 45 Grad stellt einen guten Kompromiß dar zwischen der Fähigkeit zu zentrieren einerseits, die mit zunehmendem Winkel verbessert wird, und der Stabilität gegenüber Beschädigungen des Randes der Wabenkörper, die mit abnehmendem Winkel zunimmt.

Zwar verschließen die Stütznasen am Keramikring einige der Wabenöffnungen; gleichwohl bleiben ca. 99% der Wabenkörperstirnfläche offen. Der Flächenverlust ist also kaum merkbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Grundidee läßt sich dadurch erreichen, daß der Innendurchmesser des Keramikrings dem Außendurchmesser des Wabenkörpers entspricht. Bei dieser Variante bleibt die Wabenkörperstirnfläche auch dann frei, wenn die Stirnflächen des Keramikrings nicht abgeschrägt sind. Dadurch ergibt sich der entscheidende Vorteil, daß diese Ringe durch Abschneiden von einem stranggepreßten Keramikstrang in großen Stückzahlen preiswert hergestellt werden können, während alle bisher bekannten Keramik-Distanzringe mit reduzierter Flächenabdeckung wegen ihrer komplizierten Formgebung nur im Formengußverfahren hergestellt werden konnten.

Dabei lassen sich die Stützflächen auf unterschiedliche Arten erzeugen.

Gemäß einer ersten Variante sind die Stützflächen durch zylindrische Anformungen an der Ring-Innenwand gebildet.

Gemäß einer zweiten Variante sind die Stützflächen durch radial einwärts gewölbte Bereiche der Ringwand gebildet.

Gemäß einer dritten Variante sind die Stützflächen durch wenigstens einen etwa konzentrischen Innenring und diese(n) mit dem Außenring verbindende Speichen gebildet. Dabei ist es möglich, den Innenring in das thermisch hochbelastete Zentrum der Wabenkörper zu verlegen, wodurch der Abgasstrom gezwungen wird, verstärkt durch die äußeren Wabenbereiche zu fließen.

Gemäß einer vierten Variante sind die Stützflächen durch weitmaschige Wabenwände gebildet. Hier besteht der Distanzring ebenfalls aus einem Stück Wabenkörper; während die katalytisch aktiven Wabenkörper mit ca. 400 Zellen pro Quadrat-Inch hergestellt werden, eignen sich als Distanzring Wabenkörper mit weniger als 10 Wabenzellen pro Quadrat-Inch.

Vorzugsweise sind die dem Abgasstrom ausgesetzten Oberflächen des Keramik-Distanzrings ebenfalls katalytisch beschichtet. Besonders in Betracht kommen in diesem Fall die Ausführungen des Distanzrings als Wabenkörper oder als konzentrische Ringe, da diese relativ große Oberflächen besitzen. Durch diese Weiterbildung der Erfindung wird deren Ziel, dieselbe katalytische Reinigung mit kürzeren Baueinheiten zu erzielen, wirksam unterstützt.

Der minimale Flächenverlust durch die Stützflächen läßt sich völlig vermeiden, wenn diese aus einem bei Betriebstemperatur verbrennenden Material, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, bestehen. Während der Montage halten die Kunststoff-Stützflächen die benachbarten Wabenkörper auf exaktem Abstand, ohne daß es zu einer Beschädigung der Wabenkörper kommen kann. Nach dem Verschließen des Katalysatorgehäuses garantiert dieses die exakte Positionierung der Wabenkörper und des Keramikrings, so daß die Kunststoff-Stützflächen dann entbehrlich sind.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 auszugsweise einen Längsschnitt durch eine Kombination aus zwei katalytisch aktiven Wabenkörpern und einem ersten Keramik-Distanzring,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Keramik-Distanzrings,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines dritten Keramik-Distanzrings,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines vierten Keramik-Distanzrings,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines fünften Keramik-Distanzrings und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Kombination aus zwei katalytisch aktiven Wabenkörpern und dem zweiten Keramik-Distanzring.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Keramikring 31 mit Außendurchmesser D und Innendurchmesser d, der während der Montage die beiden katalytisch aktiven keramischen Wabenkörper 10, 20 mit Außendurchmesser H im gewünschten Abstand hält. Die Stirnflächen 41 des Keramikrings 31 sind unter einem Winkel von ca. 45 Grad nach innen abgeschrägt, so daß sich die Wabenkörper 10, 20 und der Keramikring 31 nur entlang der Umfangskante der Wabenkörper 10, 20 berühren. Damit steht der volle Querschnitt der Wabenkörper 10, 20 für die Abgasreinigung zur Verfügung.

Um während der Montage die Druckkräfte auf die umlaufende Kante der Wabenkörper 10, 20 zu reduzieren, sind an den Stirnflächen 41 des Keramikrings 31 Stütznasen 51 angeformt. Stellt man die Stütznasen 51 aus einem bei Betriebstemperatur verbrennenden Kunststoffmaterial her, erfüllen sie während der Montage ihren Stützzweck in vollem Umfang, geben jedoch im Betrieb die volle Stirnfläche 11, 21 der Wabenkörper 10, 20 für die Abgasführung frei.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen zweiten Keramik-Distanzring 32. Dessen Innendurchmesser entspricht dem Außendurchmesser der Wabenkörper (siehe Fig. 6). An der Innenfläche des Keramikrings 32 sind halbzylindrische Anformungen 52 vorgesehen, deren Stirnflächen sich gegen die Stirnflächen der Wabenkörper abstützen. Die eigentliche Stirnfläche 40 des Distanzrings 32 liegt somit außerhalb der aktiven Wabenkörper-Stirnfläche.

Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen dritten Keramik-Distanzring 33. Hier sind die Stützflächen dadurch gebildet, daß Bereiche 53 der Ringwand radial einwärts gewölbt sind. Der Hauptbereich der Stirnfläche 40 des Rings 33 liegt wieder außerhalb der Stirnflächen der Wabenkörper.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen vierten Keramik-Distanzring 34. Konzentrisch zum Außenbereich des Rings 34 mit der Stirnfläche 40 ist ein Innenring 54 vorgesehen, der mit dem Außenring über radiale Speichen 54′ verbunden ist. Der Innenring 54 und die Speichen 54′ bilden dabei die Stützflächen. Durch Verlängern der Speichen 54′ kann der Innenring 54 in die thermisch hoch belastete Mittelzone der Wabenkörper gebracht werden. Dadurch wird der Abgasstrom gezwungen, mehr durch die thermisch wenig belasteten äußeren Flächenbereiche der Wabenkörper zu strömen.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen fünften Keramik-Distanzring 35. Dieser ist als Wabenkörper mit Wabenwänden 55 ausgebildet. Die Waben selbst sind jedoch erheblich weitmaschiger als die der katalytisch aktiven Monolithen. Während die katalytisch aktiven Wabenkörper mit einer Wabenzahl von ca. 400 pro Quadrat-Inch hergestellt werden, eignen sich als Keramik-Distanzring 35 Wabenkörper mit weniger als 10 Wabenzellen pro Quadrat-Inch.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Zusammenbau aus zwei katalytisch aktiven Wabenkörpern 10, 20 unter Verwendung des dritten Keramik-Distanzrings 33. Man erkennt, wie wenig der katalytisch aktiven Wabenkörper-Stirnfläche durch die radial einwärts gewölbten Bereiche 53 der Ringwand überdeckt werden.

Den in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Keramik-Distanzringen ist gemeinsam der Vorteil, daß sie durch Abschneiden von einem stranggepreßten Keramikstrang ohne jede Nachbearbeitung der Stirnflächen hergestellt werden können.

Den in den Fig. 1, 2 und 4, in gewisser Weise auch in der Fig. 5 dargestellten Keramik-Distanzringen ist gemeinsam, daß die Stützflächen und Stütznasen in einem gesonderten Arbeitsgang aus einem bei Betriebstemperatur verbrennenden Kunststoff wie Polyethylen oder Polypropylen angebracht werden können. Diese Kunststoff-Distanzelemente sorgen für die exakte Einhaltung des gegenseitigen Abstandes der katalytisch aktiven Wabenkörper während der Montage. Nach dem Verschließen des Katalysatorgehäuses werden Wabenkörper und Distanzring von diesem gehalten; dank der Verwendung von Keramik treten im Betrieb keine Druckspannungen mehr auf, so daß die Distanzelemente entbehrlich sind. Diese verbrennen bei der ersten Inbetriebnahme, so daß dann der volle Wabenquerschnitt für die katalytische Reinigung der Abgase zur Verfügung steht.

Claims (11)

1. Keramikring (31, 32, 33, 34, 36) zum Einstellen eines definierten Abstandes zwischen den katalytischen Wabenkörpern (10, 20) eines Abgas-Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens sein Außendurchmesser (D) größer ist als der Durchmesser (H) der Wabenkörper (10, 20) und daß Stützflächen (41, 42, 43, 44, 45) angeformt sind, die Kontakt mit den Stirnflächen (11, 21) der Wabenkörper (10, 20) haben.

2. Keramikring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (41) nach innen abgeschrägt sind, vorzugsweise um 45 Grad.

3. Keramikring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Stirnflächen-Abschrägung Stütznasen (51) ausgebildet sind.

4. Keramikring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Innendurchmesser (d) dem Durchmesser (H) des Wabenkörpers (10, 20) entspricht.

5. Keramikring nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen durch zylindrische Anformungen (52) an der Ring-Innenwand gebildet sind.

6. Keramikring nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen durch radiale, einwärts gewölbte Bereiche (53) der Ringwand gebildet sind.

7. Keramikring nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen durch wenigstens einen etwa konzentrischen Innenring (54) und diese(n) mit dem Außenring (34) verbindende Speichen (54′) gebildet sind.

8. Keramikring nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen durch weitmaschige Wabenwände (55) gebildet sind.

9. Keramikring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er als Wabenkörper mit weniger als 10 Wabenzellen pro Quadrat-Inch ausgebildet ist.

10. Keramikring nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine dem Abgasstrom ausgesetzten Flächen katalytisch beschichtet sind.

11. Keramikring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützflächen (41 . . . 45) aus einem bei Betriebstemperatur verbrennenden Material, vorzugsweise Polyethylen oder Polypropylen, bestehen.