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DE3939490A1 - Abgasreinigungsvorrichtung - Google Patents

Abgasreinigungsvorrichtung

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Publication number
DE3939490A1
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DE
Germany
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metal housing
exhaust gas
gas purification
honeycomb body
honeycomb
Prior art date
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Withdrawn
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DE3939490A
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English (en)
Inventor
Masayoshi Usui
Haruo Serizawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Original Assignee
Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
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Publication date
Application filed by Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd filed Critical Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung, die üblicherweise in das Abgassystem eines Kraftfahrzeugs ein­ gebaut ist. Die Abgasreinigungsvorrichtung besteht aus einem metallischen wabenförmigen Kernkörper, der zur Auf­ nahme von einem Abgasreinigungskatalysator ausgelegt und in ein rohrförmiges Metallgehäuse eingepaßt ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Abgasreinigungsvorrichtung, deren Vorrichtungsbestandteile so fest miteinander ver­ bunden sind, daß sie einer Trennung, Rißbildung oder an­ deren Bruchbildungen aufgrund der thermischen Belastungen widerstehen.
In einer gattungsgemäßen konventionellen Abgasreinigungs­ vorrichtung werden ein flaches Band aus dünnem hitzebe­ ständigen Metallblech und ein gewelltes Band aus einem wei­ teren dünnen Blech der gleichen Art übereinandergelegt, so daß diese sich stellenweise berühren. Sie werden anschlie­ ßend spiralförmig zu einer wabenförmigen Struktur (nachste­ hend Wabenkörper genannt) zusammengerollt, die entlang der Mittelachse viele netzwerkartige Gasdurchlässe besitzt, durch die die Abgase passieren können. Der Wabenkörper ist in ein rohrförmiges einschichtiges Metallgehäuse einge­ schlossen, das an beiden Enden offen ist. Der Wabenkörper und das rohrförmige Metallgehäuse sind beispielsweise durch Verlöten miteinander fest verbunden, so daß sie den Span­ nungen aufgrund der thermischen Belastungen widerstehen. Die thermischen Belastungen entstehen durch die hohen Abgastemperaturen, als auch durch die exotherme Reaktion zwischen Abgas und Abgasreinigungskatalysator. Hierzu kommen dann noch die starken Vibrationen beim Betrieb des Kraftfahrzeugs. Die Bestandteile des Wabenkörpers, d.h. das flache und das gewellte Band, werden an den Berührungs­ stellen nach einem der bekannten Verfahren miteinander verbunden.
Eine solche konventionelle Anordnung hat jedoch keine große Standzeit. Sie neigt beispielsweise dazu, daß sich die äußere Wabenkörperoberfläche und Innenoberfläche des Me­ tallgehäuses in Richtung der Achse des Wabenkörpers (d.h. in Abgasflußrichtung) aufgrund der Spannungen durch thermi­ sche Belastungen unter den obengenannten schwierigen Tempe­ raturbedingungen voneinander lösen. Ferner besteht die Tendenz, daß sich im Randbereich des Wabenkörpers, d.h. die äußere Körperoberfläche und der unmittelbar darunterlie­ gende Teil, die Bestandteile des Wabenkörpers, das flache und das gewellte Band, im erheblichen Maße voneinander lö­ sen, Risse oder sonstige Brüche bilden.
Es wurde versucht das vorgenannte Problem zu lösen. Dabei stellte sich heraus, daß es nicht reicht, einfach den Wabenkörper und das Metallgehäuse fest miteinander zu ver­ binden.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Abgasreinigungs­ vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der sich äußere Wabenkörperoberfläche und innere Oberfläche des Metallge­ häuses nicht voneinander trennen und bei der auch eine Riß­ oder sonstige Bruchbildung über einen langen Zeitraum ver­ hindert werden kann, ohne daß die verschiedenen Teile in vollständigen Kontakt miteinander gebracht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abgas­ reinigungsvorrichtung mit mindestens zwei Wabenkörpern, die mit einem Abgasreinigungskatalysator beladen werden können und aus einem flachen Band aus dünnem Metallblech und einem gewellten Band aus einem wei-teren dünnen Metallblech bestehen, wobei das flache Band und das gewellte Band so übereinandergelegt sind, daß sie sich berühren und entlang der Mittelachse viele netzwerkartige Gasdurchlässe definieren; einem Metallgehäuse mit gegenüberliegenden offenen Enden, wobei die Wabenkörper in das Metallgehäuse mit mindestens einem axialen Zwischenraum zwischen den Wabenkörpern eingepaßt und am Metallgehäuse befestigt sind; die äußere Oberfläche der Wabenkörper und die Innenoberfläche des Metallgehäuses sind zumindest in einem Kontaktbereich zwischen diesen aneinander befestigt, nur die beiden gegenüberliegenden Endbereiche der Außenoberflächen der Wabenkörper sind mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses verbunden.
Eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung weist auf:
- mindestens zwei Wabenkörper, die mit einem Abgasreini­ gungskatalysator beladen werden können und die ein flaches dünnes Metallblechband und ein weiteres gewelltes dünnes Metallblechband aufweisen; das flache und das gewellte Band sind übereinandergelegt, so daß sie sich berühren und viele netzwerkartige Gasdurchlässe entlang der Mittelachse des Körpers bilden; das Metallgehäuse ist an den gegenüber­ liegenden Enden offen, die Wabenkörper sind darin eingepaßt und am Metallgehäuse befestigt, wobei mindestens ein axialer Zwischenraum zwischen den Wabenkörpern besteht; wo­ bei die äußere Oberfläche jedes Wabenkörpers und die innere Oberfläche des Metallgehäuses zumindest an einem Teil ihrer Kontaktflächen aneinander befestigt sind, außer daß die beiden Endbereiche der äußeren Wabenkörperoberflächen mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses verbunden sind. Da zwei oder mehrere Wabenkörper im Metallgehäuse mit axialem Zwischenraum angeordnet sind, können Spannungen aufgrund der thermischen Belastungen wirksam verteilt und vermindert werden, so daß auch die Abgasreinigungsfähigkeit verbessert wird.
Die vorgenannten und weiteren Ziele Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem Fachmann aus der nun folgenden de­ taillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich. Dabei werden bevorzugte Ausführungsformen, die den Erfindungsgedanken beinhalten, anhand von Beispielen erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ab­ gasreinigungsvorrichtung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1; und
Fig. 3, ähnlich wie Fig. 1, eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung.
Bei der Herstellung einer konventionellen Abgasreinigungs­ vorrichtung wird, wie bereits oben beschrieben, ein einzelner Wabenkörper in ein rohrförmiges Gehäuse, das an den gegenüberliegenden Enden offen ist, eingeschlossen und dann die äußere Wabenkörperoberfläche und die Innenober­ fläche des Metallgehäuses fest miteinander verbunden. Eine solche konventionelle Katalysatorvorrichtung ist nicht lange einsatzfähig.
Da Abgasreinigungsvorrichtungen extremen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind, sind auch die Vorrichtungs­ bestandteile großen Spannungen durch thermische Belastungen ausgesetzt, was auch der Hauptgrund für die mangelnde Haltbarkeit ist.
Insbesondere sind die Bestandteile der Abgasreinigungs­ vorrichtung großer Spannung aufgrund der wechselnden Wärmebelastungen ausgesetzt, d.h. Aufheizungs- und Ab­ kühlungszyklen (Temperaturspanne in einem Abgassystem bei einem Zyklus liegt zwischen -20 bis 900°C), die davon ab­ hängen, ob der Motor des Kraftfahrzeugs läuft oder nicht bzw. ob die Balastung groß oder klein ist, u.s.w.
Auch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs ist die Abgas­ reinigungsvorrichtung großen Spannungen aufgrund der ther­ mischen Belastung ausgesetzt. Ursachen hierfür sind: Die Unterschiede in der Verteilung des Abgasflusses (im zentra­ len Bereich ist der Abgasfluß größer als in den Randteilen) und teilweise auch aufgrund der exothermen Kontaktreaktion zwischen Abgas und Abgasreinigungskatalysator, beispiels­ weise Platin, Palladium, Rhodium, der sich auf der Qber­ fläche des Wabenkörpers befindet. Der Zentralbereich des Wabenkörpers ist nämlich einer höheren Temperatur als der Randbereiche ausgesetzt, was auch Ursache für thermische Spannungen sein kann.
Ferner besteht zwischen der äußeren Wabenkörperoberfläche und den benachbarten inneren Teilen ein bemerkenswert großer Temperaturgradient, verglichen mit dem Temperatur­ gradienten im Zentralbereich. Diese Tendenz zur Auflösung wird auch noch dadurch beschleunigt, daß der Wabenkörper mit einem Metallgehäuse verbunden ist, das der Umgebungs­ luft ausgesetzt ist.
Dies hat zur Folge, daß sich Wabenkörper und Metallgehäuse im Laufe der Zeit voneinander trennen, selbst wenn die Wabenkörperoberfläche mit der Innenfläche des Metall­ gehäuses verlötet ist.
Aufgrund der thermischen Belastungen treten auch ähnliche Spannungen in den Kontaktbereichen zwischen den flachen und den gewellten Bändern, die den Wabenkörper bilden, auf. Die Abgasreinigungsvorrichtung neigt daher zu Auflösungs­ erscheinungen in den Randbereichen zwischen der äußeren Wabenkörperoberfläche, die mit der inneren Qberfläche des Metallgehäuses verlötet ist und den benachbarten äußeren Bereichen. Zu Beginn der Trennung werden daher die Teile des Wabenkörpers, d.h. die flachen und gewellten Bänder, reißen oder auch brechen, was noch von den Vibrationen des Kraftfahrzeugmotors unterstützt wird.
Um diese Auflösungserscheinungen zu verhindern oder zu ver­ langsamen, ist es notwendig, die Spannungen aufgrund der thermischen Belastungen im äußeren Bereich des Wabenkörpers zu vermindern.
Bei einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung be­ finden sich zu diesem Zweck mindestens zwei Wabenkörper, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, in einem einzigen Metallgehäuse. Die Erfindung besitzt auch das technische Konzept, daß jeder Wabenkörper mit seiner äuße­ ren Qberfläche mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses, zumindest teilweise an den Kontaktstellen - ausgenommen die beiden Endbereiche einer jeden Wabenkörperoberfläche -, verbunden ist.
Es ist erfindungswesentlich, daß die äußere Oberfläche ei­ nes jeden Wabenkörpers mindestens teilweise, mit der oben genannten Ausnahme, befestigt ist. In diesem Zusammenhang bedeutet "zumindest ein Teil" einen Teil eines gesamten axialen Bereichs, wie der Mittelteil eines Wabenkörpers und/oder die Randbereiche neben dem Zwischenraum zwischen den Körpern - in axialer Richtung der Wabenkörperoberfläche gesehen. Dies bedeutet genauer gesagt, daß ein Teil der äußeren Oberfläche der einzelnen Wabenkörper, d.h. die Wabenkörper, mit der inneren Oberfläche des Metallgehäuses ringförmig über einen gesamten Kreisumfang verbunden ist. Der verbleibende Bereich des Kreisumfangs ist dabei nur ge­ gen die innere Oberfläche des Metallgehäuses angeordnet, beispielsweise unter einfacher Berührung ohne Befestigung durch Verlöten. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kön­ nen sich die nicht befestigten Teile der einzelnen Waben­ körper axial ausdehnen und zusammenziehen.
Wenn nämlich hypothetisch die gegenüberliegenden Endberei­ che der äußeren Wabenkörperoberfläche mit der Innenoberflä­ che des Metallgehäuses verbunden wären, könnten sich die großen Spannungen aufgrund der thermischen Belastungen dar­ auf und in den äußeren Randbereichen des Wabenkörpers nicht wirksam verteilen und verringern. Die Erfindung beinhaltet daher nicht diese hypothetische Ausführungsform.
Es kann daher jede der verschiedenen bekannten Formen - ausgenommen der Vorgenannten - verwendet werden, um die einzelnen Wabenkörper mit dem Metallgehäuse zu verbinden. Als Beispiel sei genannt: eine abschnittsweise oder kontinuierliche Verbindung der äußeren Oberfläche der ein­ zelnen Wabenkörper.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abgasvorrichtung sind teilweise darauf zurückzuführen, daß mindestens zwei Wabenkörper mit einem vorbestimmten axialen Zwischenraum in einem Metallgehäuse angeordnet sind und die einzelnen Wabenkörper zumindest in einem Bereich der gesamten Waben­ körperoberfläche axial gesehen mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses - ausgenommen die beiden gegenüberliegenden Endbereiche - verbunden sind. Die erfindungsgemäße Abgas­ reinigungsvorrichtung weist daher folgende Vorteile auf:
(i) Die axialen thermischen Spannungen werden wirksam ab­ sorbiert. Von der äußeren Oberfläche eines jeden Waben­ körpers ist ein Teil mit dem Metallgehäuse verbunden. Der verbleibende Teil (Bereich) derselben äußeren Waben­ körperoberfläche ist einfach gegen die innere Oberfläche des Metallgehäuses angeordnet. Ferner befindet sich zwischen den Wabenkörpern ein axialer Zwischenraum. Eine Trennung von Wabenkörper und Gehäuse wird dadurch ver­ hindert. Gleiches gilt auch für das flache und das gewellte Band der einzelnen Wabenkörper und insbesondere in deren Randbereichen, wo besonders hohe thermische Spannungen auf­ treten können.
(ii) Die Abgase, die den axialen Zwischenraum zwischen den benachbarten Wabenkörpern passieren, werden gleichmäßig gereinigt, da die Abgase turbulent vermischt werden.
(iii) Wie bereits unter (ii) diskutiert, bewirkt dieses auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Vor­ richtung. Dadurch werden die thermischen Spannungen ver­ teilt und die Haltbarkeit der Reinigungsvorrichtung verbes­ sert.
(iv) Da mehrere Wabenkörper verwendet werden, können diesen verschiedene Aufgaben zugeteilt werden. So z.B. die Aufgabe Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Wasser und CO2 zu oxidieren und so gefahrlos zu machen oder NO x zu N2 zu re­ duzieren und so gefahrlos zu machen.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand der nachfol­ genden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich je­ doch nicht auf diese einzelnen Beispiele.
Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Abgasreini­ gungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Reinigungsvorrichtung. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Reinigungsvorrichtung.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gasreinigungsvor­ richtung 1 werden zwei Wabenkörper 2, 2′ unter einem axialen Zwischenraum A vorherbestimmter Weite in einem rohrförmigen Metallgehäuse 3, das an den gegenüberliegenden Enden offen ist, angeordnet, und dann die einzelnen Wabenkörper 2, 2′ mit dem Metallgehäuse 3 verbunden. Wenn ein Wabenkörper 2 mit dem Metallgehäuse 3 verbunden wird, wird der einzelne Wabenkörper 2 mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses 3 verlötet: dies erfolgt im axialen Bereich a der äußeren Oberfläche des einzelnen Wabenkörpers 2 im Bereich eines der offenen Enden des Metallgehäuses 3, vorzugsweise ring­ förmig um den gesamten Kreisumfang des Wabenkörpers 2. Der andere Teil der äußeren Oberfläche im Bereich des axialen Zwischenraums A wird hingegen nur gegen die Innenoberfläche des Metallgehäuses angeordnet, so daß sich die einzelnen Körper 2 axial ausdehnen und zusammenziehen können.
Der einzelne Wabenkörper 2 wird hergestellt, indem ein fla­ ches Band 21 aus hitzebeständigem dünnen Stahlblech und ein gewelltes Band 22 aus einem weiteren dünnen Stahlblech der gleichen Art übereinandergelegt werden, so daß sie sich be­ rühren, und dann die Teile gemeinsam spiralförmig aufge­ rollt werden. Der so hergestellte Wabenkörper 2 begrenzt viele netzwerkartige Gasdurchlässe 23.
Für das flache Band 21 wird ein hitzebeständiges Stahlblech mit einer Dicke von 0,04 mm und einer Breite von 30 mm ver­ wendet, das 20 Gew.-% Chrom und 5 Gew.-% Aluminium enthält. Ein anderes Stahlblech der gleichen Art wie das blechartige Band 11 wird in Wellenform gebracht und dann das gewellte Band als Wellband 12 verwendet. Für diese Ausführungsform werden zwei Wabenkörper 2, 2′ mit einer verkürzten axialen Länge verwendet.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsge­ mäße Abgasreinigungsvorrichtung. Bei dieser veränderten Vorrichtung werden das flache Band 21 und das gewellte Band 22 des Wabenkörpers 2 - anderes als bei der ersten Aus­ führungsform - in Schichten übereinandergelegt. Das Metall­ gehäuse 3 besitzt einen ovalen Querschnitt.

Claims (8)

1. Abgasreinigungsvorrichtung (1) mit mindestens zwei Wabenkörpern (2, 2′), die mit einem Abgasreinigungska­ talysator beladen werden können und aus einem flachen Band (21) aus dünnem Metallblech und einem gewellten Band (22) aus einem weiteren dünnen Metallblech bestehen, wobei das flache Band (21) und das gewellte Band (22) so über­ einandergelegt sind, daß sie sich berühren und entlang der Mittelachse viele netzwerkartige Gasdurchlässe (23) defi­ nieren; einem Metallgehäuse (3) mit gegenüberliegenden of­ fenen Enden, wobei die Wabenkörper (2, 2′) in das Metall­ gehäuse (3) mit mindestens einem axialen Zwischenraum (A) zwischen den Wabenkörpern (2, 2′) eingepaßt und am Metall­ gehäuse befestigt sind; die äußere Oberfläche der Waben­ körper (2, 2′) und die Innenoberfläche des Metallgehäuses (3) sind zumindest in einem Kontaktbereich zwischen diesen aneinander befestigt, nur die beiden gegenüberliegenden Endbereiche der Außenoberflächen der Wabenkörper (2) sind mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses (3) verbunden.
2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der einzelnen Wa­ benkörper (2) an der Innenoberfläche des Metallgehäuses (3) im gesamten Bereich der äußeren Oberfläche befestigt ist.
3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der einzelnen Wa­ benkörper (2) mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses (3) durchgehend um den gesamten Bereich der äußeren Ober­ fläche, verbunden ist.
4. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wabenkörper (2, 2′) mit einem gewünschten axialen Zwischenabstand im Metallgehäuse (3) angeordnet sind, wobei die Wabenkörper (2, 2′) mit der Innenoberfläche des Metallgehäuses (3) nur in einem Randbereich (a) der äußeren Körperoberfläche, der zu den jeweiligen gegenüberliegenden offenen Enden des Metallgehäuses (3) benachbart ist, verbunden sind.
5. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das flache Band (21) und das gewellte Band (22) der jeweiligen Wabenkörper (2, 2′) gemeinsam zu einer spiralförmigen Struktur aufge­ rollt sind.
6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das flache Band (21) und das gewellte Band (22) der jeweiligen Wabenkörper (2, 2′) in Schichten übereinandergelegt sind.
7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallge­ häuse (3) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
8. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallge­ häuse (3) einen ovalen Querschnitt besitzt.
DE3939490A 1988-12-16 1989-11-29 Abgasreinigungsvorrichtung Withdrawn DE3939490A1 (de)

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