DE102004002537B4

DE102004002537B4 - Katalysator mit integriertem geräuschdämmendem Hitzeschutzblech

Info

Publication number: DE102004002537B4
Application number: DE102004002537A
Authority: DE
Inventors: Hang Farmington Hills Li; William R. Milford Koivula; Joseph Michael Monroe Lanzesira; Xiaoming Farmington Hills Bian
Original assignee: Automotive Components Holdings LLC
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2024-01-17
Also published as: US20040141889A1; DE102004002537A1

Abstract

Katalysator (10) mit den folgenden Merkmalen:
a. ein Katalysatorträger (12) mit einem Trägerende (16, 18);
b. ein Metallgehäuse (22) mit einem mittleren Abschnitt (24) im Bereich des Katalysatorträgers (12) und einem an den mittleren Abschnitt (24) angrenzenden Endabschnitt (28, 50), der eine vom Trägerende (16, 18) beabstandete Gehäuseöffnung aufweist; und
c. ein im Endabschnitt (28, 50) angeordnetes Hitzeschutzblech (34, 52), das einen vom Endabschnitt (28, 50) beabstandeten aufgeweiteten Bereich (36, 60) aufweist, wobei der aufgeweitete Bereich (36, 60) ein an das Trägerende (16, 18) angrenzendes erweitertes offenes Ende (40, 62) aufweist, das so mit der Gehäuseöffnung verbunden ist, dass ein Gaskanal zwischen der Gehäuseöffnung und dem Trägerende (16, 18) gebildet wird, und wobei der aufgeweitete Bereich (36, 60) aus einem Metallblech geformt ist und mindestens eine verstärkende Rippe (44, 64) aufweist, so dass Schwingungen des aufgeweiteten Bereichs (36, 60) verringert werden, wobei die mindestens eine verstärkende Rippe...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator, der ein Metallgehäuse mit einem als Einlass oder Auslass dienenden Endabschnitt aufweist, in dem ein Hitzeschutzblech angeordnet ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Katalysator, bei dem das Hitzeschutzblech zu Zwecken der Geräuschdämmung einen aufgeweiteten Bereich aufweist, der durch eine oder mehrere Rippen verstärkt wird.
Katalysatoren werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Abgase vor der Emission in die Atmosphäre von Schadstoffen zu befreien. Ein typischer Katalysator weist einen keramischen Katalysatorträger auf, der von zahlreichen mit einer katalytisch aktiven Außenschicht versehenen Gaskanälen durchzogen ist. Der Katalysatorträger wird von einem Metallgehäuse umschlossen, welches mit Abgasrohren verbundene Endabschnitte aufweist, die einen Einlass und einen Auslass für den Katalysator bilden. Im Betrieb strömen die Abgase durch den Einlass in den Katalysator, werden beim Durchströmen der Gaskanäle des Katalysatorträgers von Schadstoffen befreit und treten durch den Auslass wieder aus.

In der US-Patentanmeldung US 2004 0 081 594 A1 wird ein Katalysator beschrieben, der mit einem im Endabschnitt positionierten, vom Gehäuse beabstandeten Hitzeschutzblech ausgestattet ist, so dass das Gehäuse gegen die Abgaswärme isoliert wird. Das Hitzeschutzblech ist an der Einlass- oder Auslassöffnung des Gehäuses angebracht und weist einen kegelstumpfförmigen Abschnitt mit einem erweiterten offenen Ende auf, das über dem Katalysatorträger angeordnet ist. Zwischen dem integrierten Hitzeschutzblech und dem Katalysatorträger besteht vorzugsweise ein Zwischenraum, der verhindert, dass der empfindliche Katalysatorträger durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Keramik- und Metallkomponenten beschädigt wird. Dieser Zwischenraum ermöglicht ein freies Schwingen des offenen Endes des Hitzeschutzblechs, so dass eine für die Fahrzeuginsassen hörbare Geräuschentwicklung auftritt. Der Zwischenraum zwischen dem Hitzeschutzblech und dem Gehäuse kann zwar durch eine Einlage aus Keramikfaser oder anderem Material gefüllt werden, um eine stärkere Wärme- und Geräuschdämmung zu erzielen, wie es beispielsweise aus der DE 92 10 836 U1 bekannt ist, aber diese Maßnahme ist nicht erwünscht, da sie mit zusätzlichen Material- und Fertigungskosten verbunden ist.

Aus der JP 09-310 613 A ist bekannt, dass alternativ zur Einführung einer Einlage zwischen Hitzeschutzblech und Gehäuse Sicken auf den Hitzeschutzblechen vorgesehen werden können. Bei dem aus der JP 09-310 613 A bekannten Katalysator sind diese Sicken konzentrisch zum Gasstrom angeordnet. Durch Einführung der Sicken können die Hitzeschutzbleche gegen Schwingungen, die durch lokale Druckschwankungen im Abgasstrom verursacht werden, versteift werden, so dass Geräuschemissionen durch Schwingungen der Hitzeschutzbleche vermindert werden.

Es besteht daher Bedarf an einem Katalysator, der ein im Endabschnitt eines Metallgehäuses positioniertes Hitzeschutzblech aufweist und bei dem die mit dem Schwingen des Hitzeschutzblechs verbundene Geräuschentwicklung noch weiter verringert wird, ohne dass zusätzlicher Materialeinsatz oder zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich sind.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Katalysator für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs oder für ähnliche Einsatzgebiete bereitgestellt. Der Katalysator umfasst einen in einem mittleren Abschnitt eines Metallgehäuses angeordneten Katalysatorträger. Das Gehäuse umfasst einen Endabschnitt, der sich von dem an ein Ende des Katalysatorträgers angrenzenden mittleren Abschnitt erstreckt und eine vom Trägerende beabstandete Öffnung aufweist, bei der es sich um einen Einlass oder einen Auslass des Katalysatorträgers handeln kann. Ein im Endabschnitt positioniertes Hitzeschutzblech weist einen aufgeweiteten Bereich auf, der vom Endabschnitt des Gehäuses beabstandet ist, um eine Wärmedämmung zu erzielen. Der aufgeweitete Bereich weist ein erweitertes offenes Ende auf, das über dem Katalysatorträger angeordnet und so mit der Gehäuseöffnung verbunden ist, dass ein Gaskanal gebildet wird. Der aufgeweitete Bereich ist aus einem Metallblech geformt und weist eine oder mehrere Rippen auf, die im Wesentlichen in der Richtung des Gasstroms verlaufen. Die Rippen verstärken den aufgeweiteten Bereich, so dass im Betrieb die Resonanzfrequenz der Schwingung erhöht wird, was zu einer Verringerung der Schwingungen im Niederfrequenzbereich und somit zu einer geringeren Geräuschentwicklung führt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Katalysators, in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt einen in Pfeilrichtung entlang der Linie 2-2 dargestellten Querschnitt des Katalysators aus 1; und
3 zeigt eine Draufsicht des Hitzeschutzblechs des Katalysators aus 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bezugnehmend auf die Figuren ein für die Verwendung in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs ausgelegter Katalysator 10 eingesetzt, um die Abgase des Kraftfahrzeugs vor der Emission in die Atmosphäre von Schadstoffen zu befreien. Der Katalysator 10 umfasst einen Katalysatorträ ger 12, der eine zu einer Längsachse 14 symmetrische Außenfläche aufweist. Der Katalysatorträger 12 umfasst ein Einlassende 16, ein Auslassende 18 und zahlreiche sich in Axialrichtung zwischen diesen Enden erstreckende Gaskanäle (nicht abgebildet). In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Katalysatorträger 12 um einen rechtwinkligen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt. Alternativ kann der Katalysatorträger einen ovalen oder sonstigen geeigneten Querschnitt aufweisen. Der Katalysatorträger 12 besteht vorzugsweise aus einem Keramik- oder Metallwerkstoff, und die Oberflächen der Gaskanäle sind zur Abgasbehandlung mit einer katalytisch aktiven Außenschicht versehen, durch welche die durch die Gaskanäle strömenden Abgase behandelt werden.
Der Katalysatorträger 12 wird von einem Metallgehäuse 22 umschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Metallgehäuse 22 zusammengeschweißte Stanzteile, zum Beispiel durch eine umlaufende Schweißnaht verbundene Halbglieder (nicht abgebildet). Das Metallgehäuse 22 umfasst einen mittleren Abschnitt 24, der entlang dem Umfang des Katalysatorträgers 12 und symmetrisch zur Achse 14 verläuft.
Zwischen dem mittleren Abschnitt 24 und dem Katalysatorträger 12 sind eine wärmedämmende Matte 26 und Dichtungen 27 angeordnet.
Das Metallgehäuse 22 umfasst darüber hinaus einen Endabschnitt 28, der in der beschriebenen Ausführungsform ein Einlassende darstellt. Der Einlass-Endabschnitt 28 erstreckt sich in Axialrichtung von dem an das Einlass-Trägerende 16 des Katalysatorträgers angrenzenden mittleren Abschnitt 24 und umfasst einen vom Trägerende 16 beabstandeten Einlass 32. Der Einlass 32 wird von einem Rand 30 umlaufen, der mit dem Abgasrohr der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs verbunden werden kann. Der erfindungsgemäße Katalysator 10 weist weiterhin ein im Endabschnitt 28 positioniertes Hitzeschutzblech 34 auf. Das Hitzeschutzblech 34 ist aus ei nem Metallblock geformt und weist einen aufgeweiteten Bereich 36 auf. Der aufgeweitete Bereich 36 ist kegelstumpfförmig, verläuft symmetrisch zur Achse 14 und ist radial mit einem Zwischenraum 38 vom Endabschnitt 28 beabstandet. Der Zwischenraum 38 isoliert das Metallgehäuse 22 gegen die Hitze der im Betrieb durch den Katalysator 10 strömenden Abgase. Die beschriebene Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das im Zwischenraum 38 befindliche Gas zur Wärmedämmung dient, aber der Zwischenraum 38 kann auch durch eine Einlage aus Keramikfaser oder anderem Material gefüllt werden, um eine stärkere Wärme- und Geräuschdämmung zu erzielen.
Das Hitzeschutzblech 34 weist ein erweitertes offenes Ende 40 auf, das entlang dem Umfang des Katalysatorträgers 12 verläuft, so dass das Einlassende 16 von dem aufgeweiteten Bereich 36 aufgenommen wird. Das Hitzeschutzblech 34 weist einen am Rand 30 des Endabschnitts 28 befestigten Bund 42 auf, der mit dem Rand 30 den Einlass 32 des Katalysators 10 bildet. Am Ende 40 besteht ein Zwischenraum zwischen dem Hitzeschutzblech 34 und dem Katalysatorträger 12, so dass Belastungen vermieden werden, die andernfalls aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Keramik- und Metallkomponenten im Betrieb auftreten könnten. Die Tatsache, dass dieser Zwischenraum ein freies Schwingen des aufgeweiteten Bereichs 36 ermöglicht, könnte zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, weist der aufgeweitete Bereich 36 erfindungsgemäß Rippen 44 auf, die vorzugsweise in der Richtung des Gasstroms verlaufen, also im Wesentlichen entlang der Achse 14. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hitzeschutzblech 34 aus einem Metallblech gefertigt, wobei die Rippen 44 und der aufgeweitete Bereich 36 in einem gemeinsamen Arbeitsgang geformt werden. In der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Rippen 44 äquidistant entlang des Umfangs angeordnet. Je nach Konstruktion und Material des Katalysators können jedoch auch andere Anordnungen der Rippen eine optimale Geräuschdämmung gewährleisten. Die Rippen 44 stehen vor zugsweise radial nach außen ab, sie können jedoch auch nach innen abstehen. Ferner kann es sich bei den Rippen 44 um an der inneren oder äußeren Oberfläche des aufgeweiteten Bereichs 36 angebrachte Metallstreifen handeln. Die geräuschdämmende Wirkung der Rippen 44 beruht auf der durch die Verstärkung des aufgeweiteten Bereichs 36 erzielten Verringerung der Schwingung.
Darüber hinaus weist der Endabschnitt 28 Ausbuchtungen 46 auf, durch welche die Schwingungen des äußeren Metallgehäuses und die damit verbundene Geräuschentwicklung weiter reduziert werden. Alternativ kann die Schwingung des Metallgehäuses verringert werden, indem der Endabschnitt 28 mit Rippen vergleichbar mit den Rippen 44 verstärkt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Katalysator 10 einen Auslass-Endabschnitt 50 des Metallgehäuses 22, der mit einem Hitzeschutzblech 52 einen Auslass 54 des Katalysators 10 bildet, wobei die Bauweise des Auslass-Endabschnitts 50 und des Hitzeschutzblechs 52 im Wesentlichen jener des Einlass-Endabschnitts 28 und des Hitzeschutzblechs 34 entspricht. Der Auslass-Endabschnitt 50 erstreckt sich entsprechend von dem an das Auslassende 18 des Katalysatorträgers 12 angrenzenden mittleren Abschnitt 24 des Metallgehäuses 22, weist einen Rand 56 auf, der den Auslass 54 umläuft. Das Hitzeschutzblech 52 weist einen am Rand 56 des Auslasses 54 befestigten Bund 58 sowie einen vom Endabschnitt 50 beabstandeten aufgeweiteten Bereich 60 auf, so dass das Metallgehäuse 22 durch das Hitzeschutzblech 52 gegen die Abgaswärme isoliert wird. Der aufgeweitete Bereich 60 weist ein erweitertes offenes Ende 62 auf, das mit einem Zwischenraum um den Katalysatorträger 12 verläuft, so dass Belastungen vermieden werden, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Keramik- und Metallkomponenten bei Erwärmungs-Abkühlungs-Zyklen auftreten können. Erfindungsgemäß weist der aufgeweitete Bereich 60 Rippen 64 auf, die vorzugsweise aus dem Blech geformt wer den und in der Richtung des Gasstroms durch das Hitzeschutzblech verlaufen. Die Rippen 64 verstärken das Hitzeschutzblech, so dass seine Schwingungen und die damit verbundene Geräuschentwicklung verringert wird. Darüber hinaus weist der Endabschnitt 50 Ausbuchtungen 66 auf, durch welche die Geräuschentwicklung weiter reduziert wird.
Im Betrieb ist der Katalysator 10 in eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs integriert, wobei der Einlass 32 mit einem an den Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotors angeschlossenen Abgasrohr verbunden ist und der Auslass 54 mit einem Abgasrohr, durch welches die Abgase in die Atmosphäre strömen. Im Betrieb strömen die Abgase durch den Einlass 32 in den Katalysator 10 und werden vom Hitzeschutzblech 34 zum Einlassende 16 des Katalysatorträgers 12 geleitet. Die Abgase strömen durch die Gaskanäle des Katalysatorträgers 12 und werden durch die katalytisch aktive Außenschicht der Gaskanälen behandelt, bevor sie durch das Auslassende 18 ausströmen. Am Auslassende 18 werden die behandelten Abgase vom Hitzeschutzblech 60 zum Auslass 54 geleitet. Die Hitzeschutzbleche 34 und 52 isolieren das Metallgehäuse 22 gegen die Wärme der durch den Katalysator 10 strömenden Abgase. Aufgrund des Zwischenraums zwischen dem offenen Ende 40 des Hitzeschutzblechs 34 und dem offenen Ende 62 des Hitzeschutzblechs 52 kann der Abgasstrom Schwingungen der aufgeweiteten Bereiche 36 und 60 verursachen. Diese Schwingungen und die damit verbundene Geräuschentwicklung wird durch die Rippen 44 und 64 der aufgeweiteten Bereiche 36 und 60 verringert. Eine weitere Reduktion der Geräuschentwicklung wird durch die Ausbuchtungen 46 und 66 in den Endabschnitten 28 und 50 des Metallgehäuses 22 erzielt.
In der beschriebenen Ausführungsform weisen der Einlass 32 und der Auslass 54 des Katalysators 10 sowie der Katalysatorträger 12 und der mittlere Abschnitt 24 des Gehäuses eine gemeinsame Achse 14 auf. Der Einlass und/oder der Auslass kann jedoch auch eine Mittelachse aufweisen, die schräg oder versetzt zur Achse des Katalysatorträgers liegt. Die erfindungsgemäßen mit Rippen verstärkten Hitzeschutzbleche können darüber hinaus auch in einem Katalysator verwendet werden, der ein nahtloses Metallgehäuse aufweist. Ein solches Metallgehäuse kann in einem Spinforming-Verfahren aus einem Metallrohr gefertigt werden, wie in der in die vorliegende Anmeldung einbezogenen US-Patentanmeldung US 2004 0 081 594 A1 beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Katalysator zur Verfügung, der in den Auslass- und/oder Einlass-Endabschnitt integrierte Hitzeschutzbleche aufweist, durch welche die Erwärmung des äußeren Metallgehäuses reduziert wird. Die Endabschnitte weisen versteifende Rippen auf, welche durch den Abgasstrom verursachte Schwingungen des aufgeweiteten Bereichs sowie die damit verbundene Geräuschentwicklung verringern. Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass die Rippen die Geräuschentwicklung reduzieren, ohne dass zusätzliches Material erforderlich ist, was die Kosten verringert. In einer alternativen Ausführungsform der im Rahmen der Erfindung kann die Geräuschdämmung allerdings noch verstärkt werden, indem zusätzliches Dämmungsmaterial im Bereich des Hitzeschutzblechs angebracht wird. Darüber hinaus werden die Rippen in der bevorzugten Ausführungsform bei der Fertigung des Hitzeschutzblechs auf einfache Weise aus dem Metallblech geformt, so dass keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte erforderlich sind.
Obwohl die Erfindung anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern lediglich gemäß den im Folgenden aufgeführten Ansprüchen.

Claims

Katalysator (10) mit den folgenden Merkmalen: a. ein Katalysatorträger (12) mit einem Trägerende (16, 18); b. ein Metallgehäuse (22) mit einem mittleren Abschnitt (24) im Bereich des Katalysatorträgers (12) und einem an den mittleren Abschnitt (24) angrenzenden Endabschnitt (28, 50), der eine vom Trägerende (16, 18) beabstandete Gehäuseöffnung aufweist; und c. ein im Endabschnitt (28, 50) angeordnetes Hitzeschutzblech (34, 52), das einen vom Endabschnitt (28, 50) beabstandeten aufgeweiteten Bereich (36, 60) aufweist, wobei der aufgeweitete Bereich (36, 60) ein an das Trägerende (16, 18) angrenzendes erweitertes offenes Ende (40, 62) aufweist, das so mit der Gehäuseöffnung verbunden ist, dass ein Gaskanal zwischen der Gehäuseöffnung und dem Trägerende (16, 18) gebildet wird, und wobei der aufgeweitete Bereich (36, 60) aus einem Metallblech geformt ist und mindestens eine verstärkende Rippe (44, 64) aufweist, so dass Schwingungen des aufgeweiteten Bereichs (36, 60) verringert werden, wobei die mindestens eine verstärkende Rippe (44, 64) in Richtung des Gasstroms verläuft.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei die Rippe (44, 64) als ausgedehnte Rippe aus dem Metallblech ausgeformt ist.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Bereich (36, 60) mehrere Rippen (44, 64) aufweist, die in gleichmäßigen Abständen um den aufgeweiteten Bereich (36, 60) angeordnet sind.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei der Endabschnitt (28, 50) des Metallgehäuses (22) Rippen aufweist.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei der Endabschnitt (28, 50) des Metallgehäuses (22) Ausbuchtungen (46, 66) aufweist.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei das erweiterte offene Ende (40, 62) des aufgeweiteten Bereichs (36, 60) vom Trägerende (16, 18) beabstandet ist.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei die Gehäuseöffnung einen Einlass (32) ausbildet, durch den Abgase in den Katalysator (10) strömen.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei die Gehäuseöffnung einen Auslass (54) ausbildet, durch den Abgase aus dem Katalysator (10) strömen.
Katalysator (10) nach Anspruch 1, wobei das Hitzeschutzblech (34, 52) einen an der Gehäuseöffnung befestigten Bund (42, 58) aufweist.