DE3834403A1 - Vorrichtung zur katalytischen reinigung von abgasen aus verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kata­ lytischen Reinigung von Abgasen aus Brennkraftma­ schinen mit einer metallischen Trägerschale mit stirnseitig angeordneten Abgaszuführ- und Abgasabführ­ stutzen, wobei in der Trägerschale mindestens ein katalytisch aktiver monolithischer Keramikkörper mittels einer ihn umgebenden Blähmatte gelagert ist und die Trägerschale in den nicht der Lagerung der (des) Keramikkörper(s) dienenden Bereichen gegen Wärmeverluste isoliert ist.

Bei der Herstellung von Abgaskatalysatoren finden zur Lagerung der monolithischen Keramikkörper zunehmend Blähmatten Verwendung. Diese Blähmatten besitzen insbesondere den Vorteil, daß sie sich bei ihrer erstmaligen Erwärmung um ein größeres Maß ausdehnen als ihrer Schrumpfung beim anschließenden Abkühlen entspricht, d.h. die Blähmatten besitzen nach ihrer erstmaligen Erwärmung und Wiederabkühlung eine größere Ausdehnung als vorher. Somit kann die Her­ stellung von Abgaskatalysatoren bequem dadurch erfolgen, daß der mit einer Blähmatte umgewickelte Keramikkörper in das geöffnete Gehäuse eingelegt wird, woraufhin es geschlossen und erwärmt wird; durch die Erwärmung dehnt sich die Blähmatte aus und verspannt den Keramikkörper fest in dem ihn umgebenden Gehäuse.

Blähmatten erfordern für ihr sicheres Funktionieren jedoch bei allen Betriebsbedingungen ein stetiges Temperaturgefälle von innen (Keramikkörper) nach außen (Gehäuse) bzw. einen entsprechenden Wärmefluß von innen nach außen. Aus diesem Grund ist eine Kühlung des Gehäuses erforderlich. Auf der anderen Seite muß das Gehäuse jedoch insbesondere in dem Bereich der Abgaszuführung gegen Wärmeverluste geschützt sein, damit der Katalysator möglichst rasch nach Inbetriebsetzen der Brennkraftmaschine seine Anspringtemperatur erreicht. Aus diesem Grund muß zumindest der zwischen dem Abgaszufuhrstutzen und dem (ersten) Keramikkörper liegende Bereich des Gehäuses isoliert ausgeführt werden.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, welche die oben genannten Anforderungen erfüllt, ist aus der DE-OS 34 32 283 bekannt. Bei ihr sind auf den Innenflächen des Gehäuses in den zu isolieren­ den Bereichen thermisch isolierende Matten aufgebracht, die von hochtemperaturfesten Abschirmblechen überdeckt sind. Um bei dieser bekannten Vorrichtung die Gefahr des Ausblasens der isolierenden Matten durch den pulsierenden Abgasstrom zu minimieren, ist eine aufwendige Verbindung des hochtemperaturfesten Abschirmbleches zum Gehäuse nötig, welche einerseits möglichst gasdicht sein soll, welche andererseits jedoch eine Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der aus verschiedenen Materialien hergestellten Bauteile zulassen muß. Die erforderliche hohe Fertigungsgenauigkeit bei den zahlreichen zu verwendenden Bauteilen führt insgesamt zu einer aufwendigen und somit kostenintensiven Herstellung des bekannten gattungsgemäßen Katalysators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Katalysator zu schaffen, der sich durch seinen einfachen Aufbau und somit geringe Herstellungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trägerschale über ihre gesamte Länge von einer Isolationsschale umgeben ist, welche nur benachbart dem Abgaszuführstutzen und dem Abgasabführ­ stutzen feste Verbindungen mit der Trägerschale besitzt, welche zwischen sich und der Trägerschale im übrigen einen ringförmigen Hohlraum bildet und welche im Bereich der Lagerung der (des) Keramik­ körper(s) mit Ventilationsöffnungen versehen ist.

Über die Ventilationsöffnungen im Bereich der Lagerung der Keramikkörper wird die Trägerschale in einem von der Gestaltung der Ventilationsöffnungen abhängigen Maß gekühlt, d.h. durch entsprechende Gestaltung der Ventilationsöffnungen läßt sich die für die optimale Funktion der verwendeten Blähmatte erforder­ liche Temperatur der Trägerschale einstellen. Gleich­ zeitig dient der ringförmige Hohlraum in den Bereichen außerhalb der Lagerung der Keramikkörper zur Isolation gegen Wärmeverluste, wodurch die Anspringtemperatur des Katalysators rasch erreicht wird. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators ist äußerst einfach und kann rasch und kostengünstig erfolgen, weil die Zahl der Bauteile äußerst niedrig ist und zudem hohe Fertigungstoleranzen zugelassen werden können. Im Falle von einer jeweils aus zwei Halbschalen aufgebauten Trägerschale bzw. Isolations­ schale besteht das gesamte Gehäuse somit aus lediglich vier Bauteilen, welche miteinander zu verbinden sind. Dies führt zu einer beträchtlichen Herabsetzung des Fertigungsaufwandes gegenüber bekannten Aus­ führungsformen von gattungsgemäßen Abgaskatalysatoren. Zusätzlich kann die Isolationsschale zumindest teilweise die Funktion der Hitzeschutzschilde, welche bei bekannten Katalysatoren i.a. zwischen dem Katalysator und dem Fahrzeugboden sowie unterhalb des Katalysators angeordnet werden müssen, übernehmen. Auch dadurch ergeben sich weitere bauliche Verein­ fachungen der Gesamtanordnung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Abgaskatalysators besitzt die Isolationsschale beidseits der mit den Ventilationsöffnungen versehenen Bereiche nach innen gerichtete Sicken einer Höhe, die im wesentlichen der Dicke des ringförmigen Hohlraums entspricht. Die Sicken unterteilen so den ringförmigen Hohlraum in mehrere Kammern, von denen die einen der Wärmeisolierung dienen und die anderen von durch die Ventilationsöffnungen ein- und austretender Kühlluft durchstömt sind. Die Sicken unterteilen somit den ringförmigen Hohlraum in unterschiedliche Funktionsbereiche. Überdies können die Sicken eine unterschiedliche Wärmeaus­ dehnung der Trägerschale und der Isolationsschale kompensieren, weil sie eine gewisse axiale Bewegung der beidseits der Sicken liegenden Bereiche der Isolationsschale relativ zueinander zulassen. Diese Funktion ist besonders dort hervorzuheben, wo für die Herstellung der Trägerschale und der Isolations­ schale unterschiedliches Material verwendet wird. Als bevorzugte Materialpaarung kann Edelstahl für die Trägerschale und aluminiertes Blech für die Isolationsschale verwendet werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysators sind Dichtschnüre zwischen den Sicken und der Trägerschale eingeklemmt, wodurch die unterschiedlichen Funktionsbereiche des ringförmigen Hohlraums optimal gegeneinander abgegrenzt werden. Zu diesem Zweck besitzen die Sicken einen geeignet geformten Querschnitt, der die Dichtschnur aufnimmt. Dadurch wird insbesondere auch die Reibung der beiden metallischen Schalen aneinander, beispielsweise bei Erschütterungen oder unterschiedlicher Wärmedehnung, verhindert.

Zur Erhöhung ihrer wärmeisolierenden Funktion können die entsprechenden durch Sicken bzw. Sicken und die Verbindung zwischen der Trägerschale und der Isolationsschale abgetrennten Kammern des ringförmigen Hohlraumes mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt sein. Je nach den Anforderungen an die Temperaturführung in dem Abgas vor, zwischen und nach den Keramikkörpern können einzelne oder sämtliche Kammern mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt sein, welche außerhalb der die Keramikkörper tragenden Bereiche liegen. Auch kann in den unterschiedlichen Kammern, je nach Anforderung und Randbedingungen (Temperatur, zulässiger Wärmefluß), unterschiedliches wärmeisolierendes Material zum Einsatz kommen.

Ein bedeutender Vorteil der Anordnung des wärmeiso­ lierenden Materials außerhalb der Trägerschale besteht darin, daß es gegenüber Ausblasen durch den pulsierenden Abgasstrom vollkommen geschützt ist. Dieser Erfolg läßt sich bei innerhalb der Trägerschale angeordneten wärmeisolierenden Schichten nie erreichen, und eine Annäherung an diesen vorteil­ haften Zustand ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Abgaskatalysators sind die Ventilations­ öffnungen kiemenförmig ausgebildet, d.h. sie sind so geformt, daß sie bei den dem Kühllufteintritt dienenden Ventilationsöffnungen den vorbeistreichenden Fahrtwindstrom "einfangen" und/oder die - durch den vorbeistreichenden Fahrtwindstrom hervorgerufene - Absaugung der in dem ringförmigen Hohlraum enthaltenen Kühlluft durch die dem Kühlluftaustritt dienenden Ventilationsöffnungen bewirken. Auf diese Weise läßt sich die Zuführung der Kühlluft an die Träger­ schale im Bereich der Lagerung des Keramikkörpers begünstigen. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der kiemenförmigen Ventilationsöffnungen läßt sich auch die Kühlung über den gesamten Umfang der Träger­ schale vergleichmäßigen, wodurch durch Temperatur­ gradienten hervorgerufene Spannungen vermindert werden. Die kiemenförmigen Ventilationsöffnungen können zusätzlich so gestaltet sein, daß sie der in den ringförmigen Hohlraum eintretenden Kühlluft einen Drall versetzen; die dadurch bewerkstelligte tangentiale Bewegung der Kühlluft in dem ringförmigen Hohlraum vergleichmäßig ebenfalls die Temperatur der Trägerschale längs ihres Umfanges. Zusätzlich läßt sich durch entsprechende Verwirbelung der gesamten Kühlluft der Wärmeübergang von der Träger­ schale zur Kühlluft verbessern.

Um die Blähmatte vor einem möglichen Ausblasen durch den pulsierenden Abgasstrom zu schützen, besitzt eine vorteilhafte Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Abgaskatalysators Abweisringe, welche in dem Trägergehäuse - in Strömungsrichtung gesehen - vor den Keramikkörpern angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich die Lebensdauer der Blähmatte und somit des Abgaskatalysators erhöhen.

Im folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Abgaskatalysators anhand der Zeichnung näher erläutert, welche einen Axialschnitt durch einen Abgaskatalysator mit zwei Keramikkörpern zeigt.

Die axialdurchströmten Keramikkörper (1) sind über Blähmatten (2) in der Trägerschale (3) gelagert. Die Trägerschale ist längsgeteilt ausgebildet und besitzt eine obere Halbschale (3 a) und eine untere Halbschale (3 b). Der Abgaskatalysator wird in Richtung des Pfeiles (4) vom Abgaszuführstutzen (5) zum Abgasabführstutzen (6) durchströmt.

Benachbart dem Abgaszuführstutzen (5) und dem Abgas­ abführstutzen (6) besitzt die Trägerschale (3) Übergangskonen (7). Abweisringe (8) sind - in Strömungsrichtung (4) - vor den Keramikkörpern (1) in der Trägerschale (3) angeordnet.

Die Trägerschale (3) ist von einer Isolationsschale (9) umgeben, welche mit jener nur im Bereich des Abgaszuführstutzen (5) und des Abgasabführstutzen (6) eine feste Verbindung (10) besitzt. Im übrigen sind die Isolationsschale (9) und die Trägerschale (3) mit einem - im wesentlichen gleichmäßigen - Abstand zueinander angeordnet, so daß ein ringförmiger Hohlraum (11) zwischen ihnen entsteht. In den Be­ reichen, in denen die Keramikkörper (1) in der Trägerschale (3) gelagert sind, ist die Isolations­ schale mit Ventilationsöffnungen (12) versehen. Die Ventilationsöffnungen im Bereich des - in Durch­ flußrichtung (4) - ersten Keramikkörpers (1 a) sind kiemenartig ausgebildet, so daß der Fahrtwindstrom (13) zwangsweise auf die Trägerschale (3) gerichtet wird und diese kühlt.

In der Ebene der Vorderkanten (14) und der Hinter­ kanten (15) der Blähmatten (2) besitzt die Isolations­ schale (9) nach innen gerichtete, angenähert halb­ kreisförmige Sicken (16) mit einer Höhe, die im wesentlichen dem Abstand der Isolationsschale zur Trägerschale entspricht. Auf diese Weise wird der ringförmige Hohlraum (11) in insgesamt fünf Kammern unterteilt. Die der Wärmeisolierung dienenden Kammern im Bereich der Übergangskonen (7) und des Mittel­ teils (17) der Trägerschale (3) sind mit einem wärmeisolierenden Material (18) gefüllt. Auf diese Weise werden die Wärmeverluste vor und zwischen den Keramikkörpern (1) verringert, so daß die Anspring­ temperatur des Katalysators rasch erreicht wird.

Die - in Richtung der Durchströmung des Katalysators - erste Sicke besitzt in ihrer Mitte eine ringförmige, radial nach außen gerichtete Ausnehmung (19), in welche eine Dichtschnur (20) eingelegt ist. Die Dichtschnur wird zwischen der Sicke (16) und der Trägerschale (3) eingeklemmt und trennt so die unterschiedlichen Funktionsbereiche des ringförmigen Hohlraums (11) wirksam gegeneinander ab.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen mit einer metal­ lischen Trägerschale (3) mit stirnseitig angeord­ neten Abgaszuführstutzen (5) und Abgasabführ­ stutzen (6), wobei in der Trägerschale mindestens ein katalytisch aktiver monolithischer Keramik­ körper (1) mittels einer ihn umgebenen Blähmatte (2) gelagert ist und wobei die Trägerschale in den nicht der Lagerung der (des) Keramikkörper(s) dienenden Bereichen gegen Wärmeverluste isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschale (3) über ihre gesamte Länge von einer Isolationsschale (9) umgeben ist, welche nur benachbart dem Abgaszuführstutzen (5) und dem Abgasabführstutzen (6) feste Verbindungen (10) mit der Trägerschale (3) besitzt, welcher zwischen sich und der Trägerschale im übrigen einen ringförmigen Hohlraum (11) bildet und welche in den der Lagerung der (des) Keramik­ körper(s) dienenden Bereichen mit Ventilations­ öffnungen (12) versehen ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschale (9) beidseits der mit den Ventilationsöffnungen (12) versehenen Bereiche nach innen gerichtete Sicken (16) mit einer Höhe besitzt, die im wesentlichen der Dicke des ringförmigen Hohlraums (11) entspricht.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hohlraum (11) zumindest in der von der dem Abgaszuführstutzen (5) benach­ barten Verbindung (10) und der dieser zunächst­ liegenden Sicke (16) begrenzten ersten Kammer mit einem wärmeisolierenden Material (18) gefüllt ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche durch Sicken (16) bzw. durch Sicken und Verbindungen (10) begrenzte Kammern des ringförmigen Hohlraumes (11), welcher außerhalb der die Keramikkörper (1) tragenden Bereiche der Trägerschale (3) liegen, mit einem wärme­ isolierenden Material (18) gefüllt sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilationsöffnungen (12) kiemenförmig ausgebildet sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kiemenfömige Ventilationsöffnungen (12) so geformt sind, daß sie dem in den ringförmigen Hohlraum (11) eintretenden Kühlluftstrom einen Drall bezügl. der Katalysatorachse versetzen.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden An­ spruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschale (3) und die Isolationsschale (9) aus Halbschalenpaaren aufgebaut sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägergehäuse (3) - in Strömungs­ richtung (4) gesehen - vor den Keramikkörpern (1) Abweisringe (8) angeordnet sind.

9. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen eine Sicke (16) und die Trägerschale (3) eine Dichtschnur (20) eingeklemmt ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (16) ringförmige, radial nach außen gerichtete Ausnehmungen (19) besitzen, in welche die Dichtschnüre (20) eingelegt sind.