DE2458994A1

DE2458994A1 - Anordnung zur katalytischen reinigung von abgasen

Info

Publication number: DE2458994A1
Application number: DE19742458994
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Oettle
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1974-12-13
Filing date: 1974-12-13
Publication date: 1976-06-16

Description

Anordnung zur katalytischen Reinigung von Abgasen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten monolithisch aufgebauten keramischen Wabenkörper als Katalysatorträger, einer zwischen dem Wabenkörper und dem Gehäuse angeordneten Schicht aus Keramikfasern oder dergl. und einer oder mehrere den Wabenkörper umgebenden Bolie(n), sowie vor den Stirnseiten des Wabenkörpers im Gehäuse angeordneten Anschlagringen.
Bei derartigen Anordnungen werden als Katalysatorkörper vorzugsweise monolithisch aufgebaute Trägerkörper, die aus einem zusammenhängenden Gerippe aus porösem keramischem Material bestehen, verwendet, Diese Trägerkörper werden als Wabenkörper bezeichnet und verfügen über Strömungskanäle mit einem Querschnitt in der Größenordnung von 1 - 3 mm2. Dadurch ergibt sich eine Anordnung mit einer Vielzahl von Strömungskanälen mit nahezu konstantem Querschnitt. Ein derartiger keramischer Wabenkörper ist in der DU-OS 1 476 507 beschrieben. Durch diesen im Querschnitt filigranartigen Aufbau weisen die Wabenkörper eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit auf und sind insbesondere gegen schnell wechselnde Temperaturbeanspruchungen empfindlich. Hierzu kommt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Werkstoffes merklich kleiner ist als der derjenigen Werkstoffe, die zur Halterung des Wabenkörpers in Frage kommen.
Dadurch ergibt sich bei den bekannten Anordnungen, die eine metallische Halterung aufweisen, daß es infolge der Wechselbeanspruchung zu einer vorzeitigen Loslösung und Zerstörung des Wabenkörpers kommt.
Diese Zerstörung wird außerdem noch durch die Pulsation der Motorabgase gefördert, die zu dynamischen Wechseldrücken führt, die wiederum umso schädlicher wirken, als sie bei hohen Gastemperaturen, in der Größenordnung von 8000 C und mehr, auftreten. Man hat daher bereits versucht, um die elastischen Eigenschaften der Einbettung auch im ungünstigsten Betriebßfall noch voll wirksam zu erhalten und um Relativbewegungen zwischen Mantel und Wabenkörper infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung und der unterschiedlichen Temperaturen aufzufangen, eine Lagerung durchzuführen, bei der der Wabenkörper mit Hilfe einer elastischen, auch bei hohen Temperaturen noch wirksamen Ummantelung im Gehäuse befestigt ist.
In der DOS 2 248 442 wird vorgeschlagen, diese Ummantelung aus einem keramischen Fasermaterial, vorzugsweise Tonerde - Silikat, herzustellen. Die besonderen Vorteile dieser elastischen Ummantelung bestehen in einer guten Temperaturbeständigkeit und in einer zusätzlich wärmeisolierenden Wirkung. Das wiederum führt zu einer geringeren Aufheizung des außenliegenden Katalysatorgehäuses und damit kleineren Relativdehnungen zwischen dem keramischen Wabenk6vper und dem Gehäuse.
Ein entscheidender Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch in der nicht möglichen einwandfreien Abdichtung der Keramikfaser gegenüber dem pulsierenden heißen Abgasstrom. Wie Versuche gezeigt haben, genügen schon kleine Undichtigkeiten an der axialen Begrenzung der Ummantelung aus Keramikfaser, um schon nach kurzen Laufzeiten im Fahrzeug ein Auswaschen der Keramikfaser und damit Zerstörung der gesamten Einbettung des Wabenkörpers zu bewerkstelligen. Die genannten Undichtigkeiten lassen sich infolge des instationären Fahrbetriebs und der damit zusammenhängenden zeitlich unterschiedlichen Wärmedehnungsbedingungen nicht vermeiden. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung aufzuzeigen, bei der sichergestellt ist, daß der Wabenkbrper unter allen vorkommenden Betriebszuständen sicher in seiner Lage gehalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wabenkörper von mindestens zwei Folien, deren Enden sich im Bereich des Wabenkörpers überlappen, umgeben ist, und daß diese Folien mit ihrem nicht überlappenden Ende fest mit dem Gehäuse verbunden sind. Hierdurch läßt sich eine Anordnung schaffen, bei welcher die Keramikfasern nicht von dem Abgas beaufschlagt werden und bei welcher somit keine Austragungen von Keramikfasern erfolgen können, Durch die Verwendung zweier je nur einseitig eingespannter Folien wird außerdem erreicht, daß die infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung des Katalysatorkörpers und des Gehäuses auftretenden Spannungen nicht auf die Folien übertragen werden, sondern sich diese frei bewegen können und damit nicht der Zerstörung unterworfen sind. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Folien und dem Wabenkörper eine weitere Folie, die den Wabenkörper über seine ganze Länge umgibt, angeordnet ist. Diese Folie, die lose um dem Körper gewickelt sein kann, wobei sich ebenfalls die Enden wie bei einem Wickelkörper üblich überlappen, dient als eine zusätzliche Abdichtung gegenüber der Keramikfaser und kann durch das Einprägen von Nuten in ihrer Längserstreckung gegenüber dem Wabenkörper gegen Verdehnung gesichert sein. Diese Folie dient gleichzeitig der Kfaftübertragung zwischen der Keramikfaser und dem Wabenkörper, insbesondere in dem Falle, daß die Keramikfasern in dem Raum zwischen Folie und Gehäuse eingestopft sind, so daß in bezug auf den Wabenkörper eine Klemmwirkung entsteht. Deshalb ist auch eine weitere zweckmäßige Auagestaltung dadurch gegeben, daß die zwischen dem Wabenkörper und dem Gehäuse angeordnete Schicht aus Keramikfasern derart verdichtet ist, daß über die Folien eine Klemmwirkung auf den Wabenkbrper ausgeübt wird und die Halterung bildet. Damit wird in zuverlässig wirkender Weise erreicht, daß die Halterung des Wabenkörpers über der ganzen Mantelfläche erfolgt und die Stirnseiten des empfindlichen Körpers von Belastungen freigehalten werden können. Um diese HaltewiVkung auf den Wabenkörper zu verbessern ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung zwischen dem Gehäuse und der Schicht aus Keramikfasern ein Wellrohr angeordnet. Damit wird eine noch bessere Übertragung der Haltekräfte erreicht und die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den beiden Körpern (Gehäuse und Wabenkörper) zur Halterung ausgenutzt. Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist das Wellrohr zweckmäßigerweise an einer Seite fest mit dem Gehäuse verbunden.
Einzelheiten der Erfindung sind anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben.
Es zeigt: Fig. 1 eine Anordnung mit den beiden jeweils einseitig eingespannten Folien, Fig. 2 die Ausgestaltung mit der 3. mit Nuten versehenen Folie, Fig. 3 die Ausführung mit angeordnetem Wellrohr.
Die Anordnung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen besteht aus dem monolithisch aufgebauten keramischen Wabenkörper 1, der in der vom Motor kommenden Abgasleitung 3 mit seinem metallischen Gehäuse 2 angeordnet ist.
Dieses Gehäuse 2 kann aus zwei Halbschalen 2a und 2b bestehen, die mittels der Schweißnaht 11 miteinander verbunden sind. Eine derartige geteilte Gehäuseausführung hat fertigungstechnische Vorteile. Der Wabenkörper 1 wird in seiner Lage durch die Anschlagringe 5 fixiert, wobei diese Anschlagringe 5 mit der Rohrleitung 3 verbunden sind und aus einem Metallgestrick bestehen können.
Das Gehäuse 2 ist ebenfalls mit der Rohrleitung 3 durch die Schweißnaht 4 verbunden. Das die Rohrleitung 3 durchströmende heiße Abgas wird durch den Wabenkörper 1 zur Reinigung durch Katalyse geführt. Infolge der hohen Abgastemperatur von ca.
800° C treten erhebliche Längenänderungen zwischen den Werkstoffen, die unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, auf. Diese temperaturbedingten Längenänderungen führen zu Spannungen, die eine Ursache für die geringe Lebensdauer derartiger Anordnungen sind. Um eine möglichst gute Reinigung der Abgase zu erzielen ist es wichtig, daß das Abgas möglichst vollständig den Katalysator durchströmt. Es muß daher verhindert werden, daß größere Abgasmengen den Wabenkörper umströmen. Dabei ist die Gefahr des Umströmens desto größer, je größer infolge der thermischen Belastung und der dadurch auftretenden Längenänderungen, der Abstand zwischen Gehäuse und Wabenkörper sich vergrößert. Das gilt besonders für Konstruktionen, bei denen der Wabenkörper unmittelbar im Gehäuse angeordnet ist, d. h. ohne Zwischenschaltung z.B. keramischer Massen.
Um dieses gefährliche Umströmen zu verhindern, was auch zu einem Austrag von Fasermaterial in den Fällen führt, in denen zwischen Gehäuse und Wabenkörper eine keramische Fasermasse angeordnet ist, sind die Folien 6 und 7 angebracht. Dabei handelt es sich um metallische Folien mit einer Stärke von z.B. 0,1 mm aus Inconel 601 oder einem vergleichbaren Werkstoff. Diese Folien 6, 7 mit der Schweißung 4 an der Verbindungsstelle zwischen Rohr-Sinct leitung 3 und Gehäuse 2 eing¢schweißt und zwar an jeweils einer Seite, d. h. die Folie 6 an der Seite vor dem Wabenkörper 1 und die Folie 7 an der Seite hinter dem Wabenkörper 1. Die Folien 6, 7 überdecken sich über nahezu der gesamten Länge und liegen so zwischen dem Wabenkörper 1 und den Keramikfasern 8o Diese Keramikfaser 8, z.B. eine Matte aus Kaowool mit einer Dichte von 128 kg/m3 wirkt zugleich als Wärmeisolierung zwischen Wabenkörper 1 und Gehäuse 2 und wird durch die Anordnung der Folien 6 und 7 von jeglicher Beaufschlagung mit Abgas geschützt. Daher ist auch bei den Folien 6 und 7 die Überlappung derart, daß die in Strömungsrichtung vordere Folie 6 von der dahinter liegenden Folie 7 überdeckt wird und nicht umgekehrt. Bei fest eingebrachter, d. h. beim Einbringen "verdichteter" Keramikfaser 8 übt diese auf den Wabenkörper 1 über die Folien 6 und 7 einen Haltedruck auf den gesamten Umfang des Wabenkörpers 1 aus, so daß dieser gegen Axialbewegungen gesichert ist. Es ist in der Fig. 2 eine Variante dargestellt, bei welcher eine Folie 9 angeordnet ist. Diese Folie 9 umgibt den Wabenkörper 1 als Wickelkörper mit einer Überlappung der Endabschnitte. Sie kann entweder alleine oder als dritte Folie zu den in Fig. 1 beschriebenen Folien 6 und 7 angeordnet sein. Im letzteren Fall führt die Überlappung in Längsrichtung des Wabenkörpers 1 derart, daß die in Strömungsrichtung des Abgases vordere Folie jeweils von der folgenden Folie überdeckt wird. Um bei gesondertem Einbau der Folie 9 ein radiales Verschieben auf dem Umfang des Wabenkörpers 1 zu verhindern, sind Längsnuten 10 in die Folie 9 eingeprägt.
In der Fig. 3 ist schließlich eine weitere Variante dargestellt, bei welcher in der Keramikfaserschicht 8 eine Wellfeder 12 (oder Wellrohr 12) angeordnet ist. Diese Wellfeder 12 ist einseitig, in Strömungsrichtung des Abgases an der vorderen Seite, mit dem Gehäuse 2 durch Schweißen fest verbunden. Auch bei dieser Anordnung wird eine Halterung des Wabenkörpers 1 über einen Anpreßdruck auf den ganzen Mantel des Wabenkörpers 1 bewirkt. Auch hier werden die Folien 6 und 7 und gegebenenfalls die Folie 9 zum Schutze der Keramikfasern 8 angeordnet und zur gleichzeitigen Übertragung der Anpreßkraft auf den Wabenkörper 1.

Claims

Patentansprüc he

1) Anordnung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten monolithisch aufgebauten keramischen Wabenkörper als Katalysatorträger, einer zwischen dem Wabenkörper und dem Gehäuse angeordneten Schicht aus Keramikfasern und einer den Wabenkörper umgebenden Folie, sowie vor den Stirnseiten des Wabenkörpers im Gehäuse angeordneten Anschlagringen.

dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (1) von mindestens zwei Folien (6,7),deren Enden sich im Bereich des Wabenkörpers (1) überlappen, umgeben ist und daß diese Folien (6,7) mit ihrem nichtüberlappenden Ende fest mit dem Gehäuse (2) verbunden sind.

-2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Folien (6,7) und dem Wabenkörper (1) eine weitere Folie (9) die den Wabenkörper über seine ganze Länge umgibt, angeordnet ist.

3) Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Wabenkörper (1) und dem Gehäuse (2) angeordnete Schicht (8) aus Keramikfasern derart verdichtet ist, daß sie über die Fplien (6,7) eine Klemmwirkung auf den Wabenkörper ausübt und die Halterung bildet.

4) Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (2) und der Schicht (8) aus Keramikfasern ein Wellrohr (12) angeordnet ist.

5) Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (12) an einem Ende fest mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.

6) Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Folie (9) axiale Nuten (10) eingeprägt sind. L e e r s e i t e