DE20104741U1 - exhaust gas purification device - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für ein verbrennungsmotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse und mindestens einem darin über Lagerungselemente gelagerten Abgasreinigungskörper, wobei mindestens ein Lagerungselement als endseitig am Abgasreinigungskörper angeordneter Metallfaserring ausgeführt ist, der sich in radialer und axialer Richtung am Gehäuse abstützt und mit einer ersten Kontaktfläche an einer radialen Außenfläche und mit einer zweiten Kontaktfläche an einer Stirnfläche des betreffenden Abgasreinigungskörpers anliegt .The present invention relates to an exhaust gas purification device for a motor vehicle driven by an internal combustion engine, having a housing and at least one exhaust gas purification body mounted therein via bearing elements, wherein at least one bearing element is designed as a metal fiber ring arranged at the end of the exhaust gas purification body, which is supported on the housing in the radial and axial direction and rests with a first contact surface on a radial outer surface and with a second contact surface on an end face of the exhaust gas purification body in question.
Abgasreinigungsvorrichtungen für verbrennungsmotorisch angetriebene Kraftfahrzeuge zählen in verschiedenen Ausführungen zum Stand der Technik. Bekannt sind insbesondere katalytische Abgasreinigungsvorrichtungen, bei denen der mindestens eine Abgasreinigungskörper als keramischer, monolitischer, wabenförmig strukturierter, katalytisch beschichteter Katalysatorkörper ausgeführt ist, und Rußfilter mit einem ebenfalls wabenförmig strukturierten monolitischen Partikelfilterkörper. Die keramischen Abgasreinigungskörper sind dabei vergleichsweise spröde und bruchempfindlich. Aus diesem Grunde wird besonderes Augenmerk darauf gerichtet, die Abgasreinigungskörper in dem jeweiligen Gehäuse so zu lagern, daß trotz der starken Erschütterungen, denen Abgasreinigungsvorrichtungen ausgesetzt sind, Spannungsspitzen, die zum Bruch des jeweiligen Abgasreinigungskörpers führen können, möglichst vermieden werden.Exhaust gas purification devices for internal combustion engine-powered vehicles are state of the art in various designs. Catalytic exhaust gas purification devices are known in particular, in which at least one exhaust gas purification body is designed as a ceramic, monolithic, honeycomb-structured, catalytically coated catalyst body, and soot filters with a monolithic particle filter body that is also honeycomb-structured. The ceramic exhaust gas purification bodies are comparatively brittle and fragile. For this reason, particular attention is paid to mounting the exhaust gas purification bodies in the respective housing in such a way that, despite the strong vibrations to which exhaust gas purification devices are exposed, stress peaks that could lead to the respective exhaust gas purification body breaking are avoided as far as possible.
Was die Lagerung der Abgasreinigungskörper in dem jeweiligen Gehäuse angeht, so wird unterschieden, zwischen der großflächigen Lagerung über sogenannte Quellmatten einerseits und der örtlich begrenzten Lagerung über Metallfaserringe, wie sie beispielsweise aus der zur Gattungsbildung herangezogenen US-A 4,203,949 bekannt ist, andererseits. Die aus diesem Dokument bekannte Gestaltung der Lagerungselemente resultiert in einer zuverlässigen Fixierung des Abgasreinigungskörpers gegen axiale Verlagerung auch im Falle von starken Erschütterungen. Allerdings ist diese Form der Lagerung, anders als die mittels Quellmatte (vgl. z.B. US-A 5,118,476), relativ empfindlich gegen axiale Längentoleranzen von Gehäuse und Abgasreinigungskörper, da diese unter ungünstigen Umständen leicht zu unzulässig hohen Druckspannungen auf die Stirnflächen der Abgasreinigungskörper führen können.As far as the storage of the exhaust gas purification bodies in the respective housing is concerned, a distinction is made between large-scale storage using so-called expansion mats on the one hand and localized storage using metal fiber rings, as is known for example from US-A 4,203,949, which was used to form the generic type, on the other. The design of the storage elements known from this document results in the exhaust gas purification body being reliably fixed against axial displacement, even in the event of strong vibrations. However, this form of storage, unlike storage using expansion mats (see e.g. US-A 5,118,476), is relatively sensitive to axial length tolerances of the housing and exhaust gas purification body, since under unfavorable circumstances these can easily lead to impermissibly high compressive stresses on the end faces of the exhaust gas purification bodies.
Hieraus leitet sich die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung ab, die darin besteht, eine Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die sich bei zuverlässiger axialer Fixierung des mindestens einen Abgasreinigungskörpers in dem Gehäuse als vergleichsweise unempfindlich gegenüber axialen Längentoleranzen des Abgasreinigungsköpers und/oder des Gehäuses erweist.This gives rise to the problem underlying the present invention, which consists in creating an exhaust gas purification device of the type specified at the outset which, with reliable axial fixation of the at least one exhaust gas purification body in the housing, proves to be comparatively insensitive to axial length tolerances of the exhaust gas purification body and/or the housing.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche des Metallfaserringes eine sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckende Einkerbung vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorichtung zeichnet sich mit anderen Worten durch eine spezifische Gestaltung des mindestens einen Me-According to the present invention, this object is achieved in that a notch extending essentially in the axial direction is provided between the first and the second contact surface of the metal fiber ring. In other words, the exhaust gas purification device according to the invention is characterized by a specific design of the at least one metal
tallfaserringes aus, und zwar dergestalt, daß die zweite, an einer Stirnfläche des betreffenden Abgasreinigungskörpers anliegende Kontaktfläche des Metallfaserringes von der ersten Kontaktfläche, welche an einer radialen Außenfläche des Abgasreinigungskörpers anliegt, über eine sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckende ringförmige Einkerbung abgesetzt ist. Diese sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckende Einkerbung zwischen den beiden Kontaktflächen des Metallfaserringes wirkt sich dahingehend aus, daß sich derjenige Bereich des Metallfaserringes, der über die zweite Kontaktfläche an der Stirnfläche des Abgasreinigungskörpers anliegt, zum Ausgleich von Längentoleranzen des Abgasreinigungskörpers und des Gehäuses der Abgasreinigungsvorrichtung definiert verformen kann. Indem sich bei einer entsprechenden Verformung des Metallfaserringes das verdrängte Material radial nach außen in die erfindungsgemäß vorgesehene Einkerbung verlagern kann, werden auch bei ungünstigen Toleranzverhältnissen (besonders langer Abgasreinigungskörper bei besonders kurzem Gehäuse) unzulässig hohe Druckspannungen auf die Stirnfläche des betreffenden Abgasreinigungskörpers zuverlässig vermieden. Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung der Abgasreinigungsvorrichtung stellt sich, nachdem Abmessungstoleranzen ohne nachteilige Auswirkungen bleiben, ein besonders geringer Montageaufwand bei einer niedrigen Ausschlußrate und einer hohen Lebensdauer der Abgasreinigungsvorrichtungen ein.metal fiber ring, namely in such a way that the second contact surface of the metal fiber ring, which rests on an end face of the exhaust gas purification body in question, is offset from the first contact surface, which rests on a radial outer surface of the exhaust gas purification body, by an annular notch extending essentially in the axial direction. This notch extending essentially in the axial direction between the two contact surfaces of the metal fiber ring has the effect that the area of the metal fiber ring which rests on the end face of the exhaust gas purification body via the second contact surface can deform in a defined manner to compensate for length tolerances of the exhaust gas purification body and the housing of the exhaust gas purification device. Since the displaced material can shift radially outwards into the notch provided according to the invention when the metal fiber ring is deformed accordingly, unacceptably high compressive stresses on the end face of the exhaust gas purification body in question are reliably avoided even in the case of unfavorable tolerance conditions (particularly long exhaust gas purification body with a particularly short housing). A particular advantage of the design of the exhaust gas purification device according to the invention is that, since dimensional tolerances remain without adverse effects, particularly low assembly costs are achieved with a low exclusion rate and a long service life of the exhaust gas purification devices.
Die vorliegende Erfindung gestattet nicht nur die zuverlässige Lagerung konventioneller Abgasreinigungskörper. Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Lagerung des/der Abgasreinigungskörper(s) mit besonders großemThe present invention not only allows the reliable storage of conventional exhaust gas purification bodies. Rather, the storage of the exhaust gas purification body(s) according to the invention can be carried out with particularly large
großem Nutzen in Verbindung mit solchen Abgasreinigungskörpern realisieren, die in Dünnwandtechnik (mehr als ca. 60 Waben pro cm2) bzw. in Ultradünnwandtechnik (mehr als ca. 90 Waben pro cm2) ausgeführt sind. Die Lagerung dieser besonders fragilen Abgasreinigungskörper unter Verwendung bekannter Lagerungselemente führt nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen.great benefit in connection with exhaust gas purification bodies that are designed using thin-wall technology (more than approx. 60 honeycombs per cm 2 ) or ultra-thin-wall technology (more than approx. 90 honeycombs per cm 2 ). The storage of these particularly fragile exhaust gas purification bodies using known storage elements does not lead to satisfactory results.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite Kontaktfläche auf einem wulstförmigen Ringabschnitt des Metallfaserringes angeordnet ist. Der wulstförmige Ringabschnitt des Metallfaserringes kann dabei insbesondere benachbart der zweiten Kontaktfläche konvex gewölbt sein, wobei die Einkerbung einseitig durch eine gewölbte Fläche des wulstförmigen Ringabschnitts begrenzt ist. Diese Gestaltung des Metallfaserringes begünstigt in besonderer Weise die den Toleranzausgleich bewirkende Verformung des Metallfaserringes und führt zu einer besonders vorteilhaften Kennlinie der elastischen Nachgiebigkeit des Metallfaserrings .A preferred development of the exhaust gas purification device according to the invention is characterized in that the second contact surface is arranged on a bead-shaped ring section of the metal fiber ring. The bead-shaped ring section of the metal fiber ring can be convexly curved, in particular adjacent to the second contact surface, with the notch being limited on one side by a curved surface of the bead-shaped ring section. This design of the metal fiber ring particularly promotes the deformation of the metal fiber ring which causes tolerance compensation and leads to a particularly advantageous characteristic curve of the elastic compliance of the metal fiber ring.
Für die Ausführung des Metallfaserringes bietet sich insbesondere ein Drahtgestrick oder Drahtgewirk an. In diesem Falle lassen sich die elastisch nachgiebigen Eigenschaften des Metallfaserringes besonders gut auf die jeweiligen Anforderungen abstimmen. Insbesondere begünstigt diese Weiterbildung der Erfindung, daß der Metallfaserring mit einer unterschiedlichen Nachgiebigkeit (Federkennlinie) in axialer Richtung einerseits und in radialer Richtung andererseits ausgeführt werden kann. In diesem Sinne zeichnet sich eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daßA wire mesh or wire mesh is particularly suitable for the design of the metal fiber ring. In this case, the elastically flexible properties of the metal fiber ring can be particularly well adapted to the respective requirements. In particular, this development of the invention facilitates the fact that the metal fiber ring can be designed with a different flexibility (spring characteristic) in the axial direction on the one hand and in the radial direction on the other. In this sense, a particularly preferred development of the invention is characterized in that
die Nachgiebigkeit in axialer Richtung geringer ist als in radialer Richtung. Mit anderen Worten: der solchermaßen weitergebildete Metallfaserring ist in radialer Richtung härter als in axialer Richtung. Erreichen läßt sich dies beispielsweise durch eine geeignete Orientierung der Metallfasern in dem Metallfaserring und/oder eine unterschiedliche Dichte oder Dicke der Metallfasern in den verschiedenen Funktionsbereichen des Metallfaserringes .the flexibility in the axial direction is less than in the radial direction. In other words: the metal fiber ring developed in this way is harder in the radial direction than in the axial direction. This can be achieved, for example, by a suitable orientation of the metal fibers in the metal fiber ring and/or a different density or thickness of the metal fibers in the various functional areas of the metal fiber ring.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die axiale Abstützung des Metallfaserringes an dem Gehäuse an einer schrägen Stützfläche des Gehäuses erfolgt. Insbesondere kann in diesem Falle die Stützfläche konisch ausgeführt sein, wobei sich als besonders günstig erweist, wenn der doppelte Kegelwinkel der Stützfläche zwischen 3 0° und 60° beträgt. Eine derartige Abstützung des Metallfaserrings am Gehäuse in axialer Richtung über eine schräge Stützfläche unterstützt den weiter oben erläuterten Toleranzausgleich. Dies gilt namentlich dann, wenn die radial innere Begrenzung der schrägen Stützfläche des Gehäuses radial außerhalb der zweiten Kontaktfläche, über welche der Metallfaserring an der Stirnfläche des Abgasreinigungskörpers anliegt, angeordnet ist. Denn in diesem Falle ergibt sich eine besonders günstige axiale Nachgiebigkeit des Metallfaserringes.According to another preferred development of the invention, the axial support of the metal fiber ring on the housing takes place on an inclined support surface of the housing. In particular, in this case the support surface can be conical, it being particularly advantageous if the double cone angle of the support surface is between 30° and 60°. Such support of the metal fiber ring on the housing in the axial direction via an inclined support surface supports the tolerance compensation explained above. This applies in particular if the radially inner boundary of the inclined support surface of the housing is arranged radially outside the second contact surface, via which the metal fiber ring rests on the end face of the exhaust gas purification body. In this case, the axial flexibility of the metal fiber ring is particularly advantageous.
Eine wiederum andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Gehäuse aus einem - im wesentlichen zylindrischen - Mantel und mindestens einem mit diesem verbundenen Trichter zusammengefügt ist. Die vorstehend erläuterte schräge Stützfläche kann dabei insbesondere auf einem sich verjüngendemYet another preferred development of the invention is characterized in that the housing is composed of a - substantially cylindrical - casing and at least one funnel connected to it. The above-described inclined support surface can in particular be on a tapering
jungendem Randabschnitt des Mantels angeordnet sein, welcher seinerseits besonders bevorzugt als Wickelteil ausgeführt ist. In Betracht kommt allerdings in entsprechender Weise die Anordnung der schrägen Stützfläche auf einem sich erweiternden Randabschnitt des Trichters.young edge section of the casing, which in turn is particularly preferably designed as a winding part. However, the arrangement of the inclined support surface on a widening edge section of the funnel is also possible.
Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung weder die erste noch die zweite Kontaktfläche des Metallfaserringes zwingend unterbrechungsfrei ausgeführt sein muß. Vielmehr kann jede der beiden Kontaktflächen bei Bedarf durch geeignete Unterbrechungen im einzelne Abschnitte bzw. Segmente untergliedert sein. Namentlich gilt dies für die an der Stirnseite des Abgasreinigungskörpers anliegende zweite Kontaktfläche des Metallfaserringes. Eine solche unterbrochene Ausführung der zweiten Kontaktfläche erweist sich insbesondere bei Abgasreinigungsvorrichtungen als günstig, deren mindestens einer Abgasreinigungskörper einen unrunden, z.B. einen dreieckigen Querschnitt aufweist .For the sake of clarity, it should be noted that within the scope of the present invention neither the first nor the second contact surface of the metal fiber ring necessarily has to be designed without interruption. Rather, each of the two contact surfaces can be subdivided into individual sections or segments by suitable interruptions if required. This applies in particular to the second contact surface of the metal fiber ring that is adjacent to the front side of the exhaust gas purification body. Such an interrupted design of the second contact surface proves to be particularly advantageous in exhaust gas purification devices in which at least one exhaust gas purification body has a non-circular, e.g. triangular, cross-section.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigtIn the following, the present invention is explained in more detail with reference to two preferred embodiments illustrated in the drawing.
Fig.l einen Längsschnitt durch den Mittelteil einer katalytisehen Abgasreinigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, undFig.l is a longitudinal section through the central part of a catalytic exhaust gas purification device according to the present invention, and
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung des Querschnitt der beiden bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Figur 1 zur Lagerung des Abgasreinigungskörpers eingesetzten Metallfaserringe. Demgegenüber veranschaulichtFig. 2 shows an enlarged view of the cross section of the two metal fiber rings used in the exhaust gas purification device according to Figure 1 for mounting the exhaust gas purification body. In contrast,
Fig. 3 in Draufsicht undFig. 3 in top view and
Fig. 4 in einem Axialschnitt eine modifizierte Ausführungsform des im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Metallfaserringes.Fig. 4 shows an axial section of a modified embodiment of the metal fiber ring that can be used in the context of the present invention.
Der in Figur 1 veranschaulichte Mittelteil einer katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt einen Mantel 1, welcher Teil des Gehäuses der betreffenden Abgasreinigungsvorrichtung ist, und einen zylindrischen Katalysatorkörper 2. Letzter ist in dem Mantel 1 mittels zweier Lagerungselemente 3, welche jeweils als endseitig an dem Abgasreinigungskörper angeordneter Metallfaserring 4 ausgeführt sind, gelagert.The central part of a catalytic exhaust gas purification device illustrated in Figure 1 comprises a casing 1, which is part of the housing of the exhaust gas purification device in question, and a cylindrical catalyst body 2. The latter is mounted in the casing 1 by means of two bearing elements 3, each of which is designed as a metal fiber ring 4 arranged at the end of the exhaust gas purification body.
Der Mantel 1 ist in seinen beiden Randbereichen 5 konisch eingezogen. Hierdurch ergeben sich konische Stützflächen 6, an denen sich der jeweils zugeordnete Metallfaserring 4 in axialer Richtung abstützt. Zur Vervollständigung des Gehäuses werden an den Mantel 1 endseitig zwei Trichter angeschweißt, nachdem, wie in Figur 1 veranschaulicht, der Abgasreinigungskörper 2 mitsamt den beiden Metallfaserringen 4 in den rohrförmigen Mantel 1 eingesetzt worden ist und am Mantel die beiden endseitigen konischen Bereiche ausgeformt worden sind.The casing 1 is tapered in its two edge regions 5. This results in conical support surfaces 6 on which the associated metal fiber ring 4 is supported in the axial direction. To complete the housing, two funnels are welded to the end of the casing 1 after, as shown in Figure 1, the exhaust gas purification body 2 together with the two metal fiber rings 4 has been inserted into the tubular casing 1 and the two end conical regions have been formed on the casing.
Die beiden Metallfaserringe weisen jeweils einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf, wie dies in Figur 2 veranschaulicht ist. Jeder Metallfaserring 4 liegt zu seiner radialen Abstützung mit seiner zylindrischen äußeren Umfangsflache 7 an der zylindrischen Innenfläche 8 des Mantels 1 und mit seiner Konusfläche 9 an der konischen Stützfläche 6 des Mantels 1 an. Der Abgasreinigungskörper 2 liegt mit seiner radialen Au-The two metal fiber rings each have a substantially L-shaped cross-section, as is illustrated in Figure 2. Each metal fiber ring 4 rests with its cylindrical outer peripheral surface 7 on the cylindrical inner surface 8 of the casing 1 and with its conical surface 9 on the conical support surface 6 of the casing 1 for its radial support. The exhaust gas purification body 2 rests with its radial outer peripheral surface 7 on the cylindrical inner surface 8 of the casing 1 and with its conical surface 9 on the conical support surface 6 of the casing 1.
I · ft* ···I · ft* ···
ßenfläche 10 an einer ersten, zylindrischen Kontaktfläche 11 und mit seiner Stirnfläche 12 an einer zweiten, ringförmigen Kontaktfläche 13 des Metallfaserringes 4 an. Die zweite Kontaktfläche 13 ist dabei auf einem wulstformigen Ringabschnitt 14 des Metallfaserringes 4 angeordnet, wobei der wulstformigen Ringabschnitt 14 benachbart der zweiten Kontaktfläche 13 konvex gewölbt ist. Zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche 13 des Metallfaserringes 4 ist eine sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckende ringförmige Einkerbung 15 vorgesehen. Diese ist außen durch eine Fortsetzung der ersten Kontaktfläche 11 und innen durch die zugeordnete konvex gewölbte Oberfläche des wulstformigen Ringabschnitts begrenzt.outer surface 10 on a first, cylindrical contact surface 11 and with its end face 12 on a second, annular contact surface 13 of the metal fiber ring 4. The second contact surface 13 is arranged on a bead-shaped ring section 14 of the metal fiber ring 4, the bead-shaped ring section 14 being convexly curved adjacent to the second contact surface 13. Between the first contact surface and the second contact surface 13 of the metal fiber ring 4 there is an annular notch 15 extending essentially in the axial direction. This is delimited on the outside by a continuation of the first contact surface 11 and on the inside by the associated convexly curved surface of the bead-shaped ring section.
Die radial innere Begrenzung 16 der konischen Stützfläche 6 des Mantels 1 liegt radial außerhalb der zugeordneten zweiten Kontaktfläche 13 des Metallfaserringes 4.The radially inner boundary 16 of the conical support surface 6 of the casing 1 lies radially outside the associated second contact surface 13 of the metal fiber ring 4.
Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Metallfaserring 4', dessen zweite Kontaktfläche 13' unterbrochen ist. Durch die entsprechenden vier Unterbrechungen sind vier Segmente 16 gebildet, auf denen die vier Abschnitte der zweiten Kontaktfläche 13' angeordnet sind.Fig. 3 and 4 show a metal fiber ring 4' whose second contact surface 13' is interrupted. The corresponding four interruptions form four segments 16 on which the four sections of the second contact surface 13' are arranged.
Im übrigen gelten für den Metallfaserring gemäß den Fig. 3 und 4 die obigen Erläuterungen zu den Fig. 1 und 2.Furthermore, the above explanations for Fig. 1 and 2 apply to the metal fiber ring according to Fig. 3 and 4.
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