DE3312944A1

DE3312944A1 - Spannungsentlastetes metalltraegergehaeuse fuer abgaskatalysatoren mit hoher thermischer betriebsbelastung

Info

Publication number: DE3312944A1
Application number: DE19833312944
Authority: DE
Inventors: Theo Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Cyron
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-04-11
Filing date: 1983-04-11
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3312944C2

Description

Spannungsentlastetes Metallträgergehäuse für Abgaskata-
lysatoren mit hoher thermischer Betriebsbelastung Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/ oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrischen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.
In der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592.9 sind zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet und in Fig. 7 der entsprechenden Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildet.
Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die dünnwandigen Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische Umsetzung des Ab-0 gases von ca. 500 C Betriebstemperatur örtlich. über mehr oder minder große Bereiche auf Temperaturen über 9000 C erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebstemperatur von ca. 3000 C noch längere. Zeit beibehält und somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert. Die hierdurch bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrixzellen bewirken in der Abkühlungsphase durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechselverformungen schon nach kurzer Betriebszeit reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers führen können.
In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in Bezug auf die Stabilität und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen von weitaus größerer Bedeutung sind.
Aus der DE-OS 29 24 592 sind Verfahren zum Herstellen einer Trägermatrix bekannt, bei welchen nicht alle Verbindungsstellen zwischen gewellten und glatten Blechbändern fügetechnisch verbunden werden. So kann beispielsweise aus den Figuren 2 und 4 entnommen werden, daß die fügetechnische Verbindung nur in streifenförmigen Bereichen und nicht auf der gesamten axialen Länge vorgenommen werden soll. Aus den Figuren 1 und 3 ergibt sich aber eindeutig, wie es in diesem Zusammenhang zunächst auch sinnvoll ist, daß die streifenförmigen Verbindungen auf beiden Seiten jeder gewellten Blechlage erfolgen sollen. Die in dieser Schrift beschriebenen Maßnahmen werden nicht zur Bewältigung von plastischen Wechselverformungen getroffen, sondern lediglich zur Einsparung von Lot. Dehnungsprobleme werden dabei nicht berücksichtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren von dem oben beschriebenen prinzipiellen Aufbau, welches auch bei hoher thermischer Betriebsbelastung keinen plastischen Wechselverformungen unterworfen ist und die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Danach hat das gewellte Blechband der Trägermatrix wechselseitige, örtliche, mit Abständen angeordnete Verbindungsstellen mit beiden angrenzenden glatten Blechlagen, wobei die Verbindung im näheren Bereich einer Verbindungsstelle jedoch jeweils nur einseitig mit einer der beiden glatten Blechlagen besteht. Auf diese Weise ermöglichen die Abstände zwischen den fügetechnischen Verbindungsstellen thermische Dehnungen der Trägermatrix ohne plastische Wechselverformungen. Es hat sich gezeigt, daß bei der fügetechnischen Verbindung aller Berührungsstellen des glatten und gewellten Blechbandes ein sehr steifes Gebilde entsteht, welches bei thermischen und mechanischen Wechselbelastungen wegen der Dehnungsbehinderung durch das Mantelrohr plastischen Wechselverformungen unterworfen ist, die zu Schäden durch Rißbildung an den Matrixzellenwänden führen. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag jedoch werden die Berührungsstellen nur teilweise fügetechnisch verbunden, so daß bis zur nächsten Verbindungsstelle ein größerer Abstand entsteht, welcher zudem noch aus einem gewellten oder gebogenen Blechbandstrei- fen besteht. Auf diese Weise ist es, wie anhand der Zeichnung noch ausführlicher erklärt wird, möglich, bei thermischen und mechanischen Wechselbeanspruchungen statt plastischer Verformungen nur noch elastische zu erzielen.
Beim Abkühlen, d.h. beim Schrumpfen der Trägermatrix heben sich die fügetechnisch nicht verbundenen Berührungspunkte der Zellenstruktur voneinander etwas ab und vermeiden so starke Zugkräfte in den Zellenwänden und ihren Verbindungsstellen.
In Ausgestaltung der Erfindung sieht der Anspruch 2 vor, daß zwischen'den wechselseitigen Verbindungsstellen des gewellten Blechbandes Abschnitte mit nicht verbundenen Berührungspunkten zu beiden angrenzenden glatten Blechlagen vorhanden sind. Abgesehen von einigen Randzellen, bei denen sich diese Bedingungen vielleicht nicht erfüllen lassen, bewirkt diese Maßnahme, daß keine Wand einer Matrixzelle sowohl an dem sie außen umgebenden wie auch an dem innenliegenden Blechstreifen befestigt ist. Der Bewegungsspielraum bei thermischen oder mechanischen Belastungen und z.B. lokalen Temperaturgradienten wird dadurch erheblich vergrößert. Die nicht fügetechnisch verbundenen Abschnitte des gewellten Blechbandes verhalten sich etwa wie Faltenbalgkompensatoren, d.h. sie verformen sich nicht plastisch sondern elastisch.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß die Verbindungsstellen zwischen gewelltem und glattem Blechband sich über die gesamte axiale Länge jeweils einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken. Dies ist eine von mehreren Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung, die zu einem stabilen aber beim Schrumpfen doch elastischen Matrixkörper führt.
Alternativ dazu wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Verbindtingsstellen zwischen gewelltem und glattem Blechband sich nur über Teilstücke der axialen Länge jeweils einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken. Eine so hergestellte Matrix weist immer noch genügend Festigkeit auf für die vorgesehenen Beanspruchungen, und es wird auf diese Weise möglich, auch in axialer Richtung alternierende Befestigungen vorzunehmen.
Im Anspruch 5 wird in zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen und hinteren stirnseitigen Bereich der Trägermatrix angeordnet sind. Bei dieser Anordnung weisen die am stärksten belasteten Bereiche stabile Verbindungen auf, während der Zwischenbereich zusätzlich zur elastischen Aufnahme von Wechselverformungen dienen kann.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 6 vorgeschlagen, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke zwischen vorderem und hinterem stirnseitigen Bereich der Trägermatrix seitenvertauscht zum gewellten Blechband angeordnet sind. Diese anhand der Zeichnung noch näher erläuterte Ausführungsform bedeutet, daß beispielsweise Wellen, welche im vorderen Bereich mit dem außenliegenden glatten Blechband fügetechnisch verbunden sind, im hinteren Bereich nicht mit dem äußeren Blechband verbunden sind, sondern die benachbarten jeweils umgekehrt gewölbten Wellen auf der Innenseite mit dem glatten Blechband verbunden sind. Diese Anordnung führt dazu, daß das Metallträgergehäuse eine besondere Elastizität sowohl in radialer wie auch in axialer Richtung aufweist.
Im Anspruch 7 wird in besonderer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen stirnseitigen Bereich der Trägermatrix an allen äußeren und im hinteren Bereich an allen inneren Berührungsstellen der Wellen des gewellten Blechbandes mit den jeweils angrenzenden glatten Blechlagen der Wicklung angeordnet sind. Diese anhand der Fig. 5 schematisch erläuterte Ausführungsform ist verhältnismäßig einfach herzustellen und weist ebenfalls sehr günstige Elastizitätseigenschaften auf.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind anhand von einigen schematischen Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen die Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil von zwei Lagen einer erfindungsgemäßen Trägermatrix in maximalem Ausdehnungszustand, Fig. 2 den gleichen Ausschnitt bei maximaler Abkühlung, Fig. 3 schematisch die Anordnungen von fügetechnischen Verbindungsstellen an einem noch nicht aufgerolltem Blechbandstück, Fig.4 schematisch die alternierende Anordnung von fügetechnischen Verbindungsstellen, projiziert auf einen Abschnitt eines noch nicht aufgerollten glatten Blechbandes und Fig. 5 eine Art schematisierten Längsschnitt durch zwei Lagen einer erfindungsgemäß aufgebauten Trägermatrix in abgekühltem Zustand.
In Fig. 1 sind schematisch zwei Lagen eines vom Prinzip her bekannten Katalysator-Trägerkörpers, welche abwechselnd aus gewellten und glatten Blechbändern gewickelt sind, dargestellt. Der Ausschnitt zeigt drei Abschnitte des glatten Blechbandes 1 und zwei dazwischen liegende Abschnitte des gewellten Blechbandes 2. Die so aufgewikkelten Blechbänder bilden eine Vielzahl von in Längsrichtung offenen Matrixzellen 10, durch welche die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine hindurchgeleitet werden können. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung eines solchen Metallträgergehäuses für Abgaskatalysatoren sind nicht alle Berührungsstellen zwischen gewellten und glatten Blechbänder fügetechnisch verbunden, sondern nur eine geringe Anzahl in einem ungefähr gleichbleibenden Abstand zueinander. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind einige der Wellen jedes gewellten Blechbandes mit dem außenliegenden glatten Blech, z.B. durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden 3 und andere mit dem innenliegenden Blechband an den Verbindungsstellen 4.
Zwischen diesen Verbindungsstellen liegen jeweils einige fügetechnisch nicht miteinander verbundene Berührungsstellen. Die Wirkung dieser Art der fügetechnischen Verbindung für den kalten Zustand des Katalysatorkörpers ist in Fig. 2 dargestellt. Dort ist zu erkennen, daß beim thermischen Schrumpfen der Trägermatrix durch Abkühlung nun nicht mehr wie bei einer vollständig untereinander verbundenen Zellenstruktur die relativ kurzen und dadurch steifen Stegwände der einzelnen Zellen unter plastische Zugverformung geraten können, weil die Schrumpfungen durch elastische Verformung des Wellenbandes, ähnlich der eines Faltenbalges1 aufgenommen werden. Dabei entstehen natürlich kleine Spalte 5 an einigen Stellen zwischen glatten und gewellten Blechbändern, die eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche bewirken und durch die gleichzeitig durch die Spalte entstehende, verwirbelnde Querströmung die Oberflächenkontaktierung des Abgases und somit den Wirkungsgrad sowie das Anspringverhalten des Katalysators im kalten Zustand verbessern. Rißbildungen in den Wänden der Matrixzellen durch übermäßige Wechselbeanspruchung werden auf diese Weise vermieden. Je nach Bedürfnissen an die Stabilität können natürlich ohne Beeinträchtigung des erfindungsgemäßen Prinzips mehrere Wellen hintereinander an der Außenseite und mehrere Wellen hintereinander an der Innenseite des gewickelten Wellbandes fügetechnisch befestigt sein, wenn zwischen den Verbindungsstellen genügend nicht verbundene Wellen des Wellenbandes zur elastischen Dehnungsaufnahme vorhanden sind. Es sollte lediglich vermieden werden, daß eine Matrixzelle sowohl an dem außen- wie auch an dem innenliegenden glatten Nachbarblechband gleichzeitig befestigt ist, da dann die Zellenwand bei wechselnder Belastung plastisch verformt wird. Auch ist es nicht erforderlich, daß der ganze Wellenkamm einer Welle über die gesamte Länge der Trägermatrix mit dem angrenzenden glatten Blechstreifen fügetechnisch verbunden ist. Hier können Unterbrechungen in der Verbindung vorgesehen sein oder es kann ,nach einem bestimmten Längenteilstück die fügetechnische Verbindung musterartig auf einem der benachbarten Wellenkämme fortgesetzt werden.
In Fig. 3 wird schematisch anhand eines noch nicht aufgerollten, gewellten Blechbandes gezeigt, welche Möglichkeiten der Auswahl der fügetechnischen Befestigungspunkte noch bestehen. Es ist dies nur eines von vielen möglichen Beispielen und soll nur zur Veranschaulichung der Möglichkeiten dienen. Bei einer fügetechnischen Verbindung nach dem in Fig. 3 veranschaulichten Prinzip können spätere Wechseldehnungen sowohl durch radiale wie auch durch axiale elastische Verformungen in der Trägermatrix aufgenommen werden. In Fig. 3 sind sowohl in radialer Richtung des später aufgewickelt zu denkenden Körpers die Verbindungspunkte 6 und 7 bzw. 8 und 9 alternierend angeordnet, als auch die Verbindungen in Längsrichtung. Natürlich könnten die Verbindungsstellen sich jeweils über einige benachbarte Wellenkämme erstrecken und auch die Abmessung in Längsrichtung kann größer sein als dargestellt.
In Fig. 4 ist ein noch nicht aufgerollter, glatter Blechbandstreifen 1 dargestellt, auf den die später beim Aufwickeln vorgesehenen fügetechnischen Verbindungsstellen mit den benachbarten, gewellten Blechbändern 2 projiziert sind. Auch diese Figur stellt lediglich eins von vielen Ausführungsbeispielen für eine in Quer- und/oder Längsrichtung der Bänder alternierende Anordnung der Verbindungsstellen dar. Die vorgesehenen Verbindungsstellen können jeweils einen oder mehrere nebeneinander liegende Wellenkämme der später benachbarten wellenförmigen Bleche erfassen. An der Oberseite dieses Blechstreifens 1 sind die Verbindungsstellen 11 und 13 vorgesehen., während an der Unterseite - gestrichelt angedeutet - die Verbindungsstellen 12 und 14 angeordnet sind.
Ein dem Anspruch 7 entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei-lediglich eine Art Längsschnitt durch zwei Lagen einer Trägermatrix schematisch das Funktionsprinzip darstellen soll. Der Schnitt geht dreimal durch das glatte Band 1 und zweimal durch das gewellte Band 2. An der einen Stirnseite ist das gewellte Band jeweils mit dem innenliegenden glatten Band fügetechnisch verbunden 15 und an der anderen Stirnseite ist die fügetechnische Verbindung 16 zu dem jeweils außenliegenden glatten Blechband 1 hergestellt. Fig. S zeigt dabei in übertriebener Darstellung den Zustand bei kalter Trägermatrix, in welchem durch Schrumpfen kleine Spalte in den nicht fügetechnisch verbundenen Bereichen entstehen. Die Verformung wird auf dem großen Abstand zwischen den fügetechnischen Verbindungsstellen durch elastische Biegung der glatten und der gewellten Blechbänder abgefangen. Bei dieser Anordnung weist der Trägerkörper zwar eine große Elastizität auf, jedoch können keine unerwünschten Entweichpfade für das Abgas entstehen, da jede Trägermatrixzelle zumindest an einem Ende fügetechnisch verbunden ist. Darüberhinaus sind bei Betriebstemperatur normalerweise alle Dehnungsabstände geschlossen.

Claims

Spannungsentiastetes Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren mit hoher thermischer Betriebsbelastung Patentansprüche Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren, bestehend aus spiralförmig aufgewickelten, abwechselnd geschichteten glatten (1) und gewellten (2) Blechbändern, die in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigt sind, wobei eine große Anzahl von in Längsrichtung offenen Trägermatrixzellen (10) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Blechband (2) der Trägermatrix wechselseitige, örtliche, mit Abständen angeordnete Verbindungsstellen (3, 4) mit beiden angrenzenden glatten Blechlagen (1) hat, wobei die Verbindung im näheren Bereich einer Verbindungsstelle (entweder 3 oder 4) jedoch jeweils nur einseitig mit einer der beiden glatten Blechlagen besteht.
2. Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den wechselseitigen Verbindungsstellen (3, 4) des gewellten Blechbandes (2) Abschnitte mit nicht verbundenen Berührungspunkten zu beiden angrenzenden Blechlagen (1) vorhanden sind.
3. Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (3, 4) zwischen gewelltem (2) und glattem (1) Blechband sich jeweils über die gesamte axiale Länge einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken.
4. Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen (6, 7, 8, 9 bzw. 11, 12, 13,14) zwischen gewelltem (2) und glatten (1) Blechband sich nur über jeweils Teilstücke der axialen Länge einer oder mehrerer benachbarter Wellen erstrecken.
5.Metallträgergehc;use für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (6, 7, 8, 9 bzw.

11, 12, 13, 14) in dem, in Axialrichtung gesehen, vorderen und hinteren stirnseitigen Bereich der Trägermatrix angeordnet sind.
6. Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (11, 12 bzw. 13, 14) zwischen vorderem und hinterem stirnseitigen Bereich der Trägermatrix seitenvertauscht zum gewellten Blechband (2) angeordnet sind.
7. Metallträgergehäuse für Abgaskatalysatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen-Teilstücke (15, 16) in dem in Axialrichtung gesehen vorderen stirnseitigen Bereich der Trägermatrix an allen äußeren (16) und im hinteren Bereich an allen inneren (15) Berührungsstellen der Wellen des gewellten Blechbandes (2) mit den jeweils angrenzenden glatten Blechlagen (1) der Wicklung angeordnet sind.