CN1539053A - 用于蜂窝体的收缩限制器 - Google Patents
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Abstract
蜂窝体，特别是用在一内燃机的排气系统中的蜂窝体，它包括一壳体和一有一平均初始直径的基体，尤其是金属基体。该蜂窝体的特征为，基体与壳体连接，此时，设置至少一个收缩限制器，该限制器在基体的至少一部分中产生一向外的拉伸应力，以使基体的平均初始直径在受到热应力时和/或之后最多减少约5％，甚至最好最多只减少2％左右。
Description
发明领域
本发明涉及一种特别是用在一内燃机的排气系统中的蜂窝体，它包括一壳体和一基体(Matrix)，尤其是一金属基体，该基体有一平均的初始直径。这类蜂窝体特别用作用于净化一柴油机或一汽油机的废气的催化剂载体。
背景技术
已经知道，内燃机的排气系统中的金属蜂窝体受到高的交变热应力。由于这种热应力和壳体与基体在其表面比热容方面大多不均匀的结构，造成壳体与基体的不同的膨胀性能。由此导致的基体相对于壳体的沿径向和轴向的相对移动导致出现许多已知的不同的和基体在壳体上的持久固连有关的设计方案。
一种已知的将基体固定在壳体上的可能性已经例如在专利文献US5079210中描述。所引用的专利文献涉及一用波纹的和光滑的薄板层做出的金属蜂窝体，该蜂窝体通过一中间套筒与壳体连接。此时要这样实现薄板层与壳体的连接，以使中间套筒在一个端部区与薄板层连接，而在相对的端部区则与壳体连接。中间套筒有多个柔性的部分区域，以使中间套筒能跟随金属基体的收缩和膨胀行为。部分区域的通过沿轴向延伸的缝的分离还允许补偿基体沿周向的膨胀和收缩。此外，基体有可能沿轴向自由膨胀和收缩。因此，壳体与基体的不同的热膨胀性能可通过中间套筒的挠性变形补偿，从而在壳体中不会通过基体产生热应力。
不过，试验表明，由于在基体的边缘区和芯部区的不同冷却性能，在重复受到的热交变应力之后，已知的金属蜂窝体不再具有其原有的特别是圆柱形的形状，而是其体积减小，并有一桶(鼓)形的轮廓。这样就例如有这样的后果，即在基体与壳体之间形成一较大的环形间隙，由此，特别是当蜂窝体在内燃机的排气装置中工作时，未净化的废气通过该间隙流过，由此，不能保证有效的符合法律规定的净化。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一蜂窝体，特别是一用在一内燃机的排气系统中的蜂窝体，它即使在蜂窝体受到很多次的交变热应力之后，也能保证废气中的有害物质的有效转换。再有，蜂窝体应当有明显提高的寿命，特别是在基体在壳体上的连接方面。
该目的将通过如权利要求1的特征的蜂窝体来解决。蜂窝体的可以单独或彼此组合地形成的有利的实施形式在从属权利要求中描述。
按照本发明的蜂窝体的特征在于，蜂窝体有至少一个收缩限制器，它在基体的至少一部分产生一朝外的拉伸应力，以使在受到热应力时和/或以后，基体的平均初始直径最多减少约5％，最好甚至最多只有约2％。在本发明的含义中，平均初始直径可以理解为至少一个沿基体的周向的平均值。
在此含义中，收缩限制器为蜂窝体的一个构件，它在基体由于交变热应力而收缩时，保持基体的至少一部分受应力作用。但是，收缩限制器在一定的范围内也允许基体膨胀和/或收缩，因而它对此不像壳体那样强地起阻止作用，壳体基上为刚性的或其在热膨胀性能方面比基体迟钝得多。例如，这样设计收缩限制器，在收缩限制器跟随壳体的膨胀行为或收缩行为之前，使其与壳体相比只能承担可预先给定的一部分的沿径向产生的应力。此径向应力的部分最好在20％和80％之间，特别是在35％和70％之间。但是，收缩限制器也可能有一可预先确定的热膨胀性能，这种性能与基体相比，在时间上或在与温度相关的表现上有所不同。这意味着，举例来说，与基体相比，收缩限制器在较高的温度范围内才开始变形，而与壳体相比，在较低的温度范围内就已经开始变形。在这种情况下，表面比热容也重要，因此在某些情况下有利的是，要使收缩限制器的表面比热容处于一个位于基体的表面比热容与壳体的表面比热容之间的范围内，这种与基体和壳体的不同的热膨胀或热收缩性能一方面保证，基体的热力学行为按上述方式受到正面的影响，特别是使其变慢，而且与此同时，避免使基体有一刚性太大的外壳。
在外径的轴向基准方面应当指出，特别要在拉伸应力引入基体的区域的附近确定平均外径。所述至少一个收缩限制器可例如设计成在该区域或围绕该区域的单独的构件，拉伸应力在该区域中被引入基体中。这在有热应力作用时使得基体的尺寸只有很有限的变化，其中特别是用于将基体固定在壳体上的连接装置上的载荷减轻。如果连接装置例如布置成比较靠近所述至少一个收缩限制器，特别是在1mm至10mm的距离之内，则即使有热应力，基体仍然相对于壳体保持在几乎不变的位置。在该实施形式中连接装置可设计成刚性较大的。
但是，在某些情况下，所述至少一个收缩限制器本身为基体与壳体的连接装置的一部分也是有利的。与允许基体相对于壳体作无阻碍的相对移动的基体和壳体之间的已知的柔性连接元件相反，按照本发明建议要如此有目的地控制基体的收缩行为，以使蜂窝体尤其是基体的外形，在经历许多次的热交变应力之后基本保持恒定。此时，一方面最大为5％左右的平均初始直径的最大允许收缩保证顾及了基体与壳体的不同的热膨胀性能，另一方面，基体借助所述至少一个收缩限制器尽可能宽地“张开成扇形”，由此，基体几乎填满壳体的整个横截面。因而基体的空腔变宽地张开，此时可以确定，通过蜂窝体流过的气流只有非常小的压力降。
按照蜂窝体的另一种设计方案，所述至少一个收缩限制器以其一个端面区与基体连接，由此，形成一连接区，而其另一端部区则与壳体连接，由此，形成一固定区。这种连接结构特别保证基体有一自由的轴向膨胀和收缩性能。此时，连接区最好做成沿基体的周向围绕延伸，以保证拉伸应力尽可能均匀地开始(作用)在基体中。由此，可以避免能损害基体的结构完整性的应力尖峰。
如果所述至少一个收缩限制器和基体有一共同的连接区，而基体则有在通过接缝(焊接)技术(fügetechnisch)彼此连接的壁，则按照蜂窝体的又一种设计方案，通过连接区作用的拉伸应力最多相当于壁彼此通过接缝技术连接的的连接部的平均强度，和/或壁本身的平均强度。此时，平均强度指的是基体的相邻的壁的单个的连接点的平均(强度)值或壁本身的材料的拉伸强度。
借助收缩限制器引入的拉伸应力的限制作用保证，通过接缝技术连接的的连接部的本身和壁都不会被破坏。由于拉伸应力是特别朝外或沿径向朝外的，因此，此时，连接部或壁沿这些方向的相应的强度也是重要的。
在所述至少一个收缩限制器的设计上还必须注意，通过接缝技术连接的的连接部或壁的平均强度都是与温度有关的，此时，即使在通过接缝技术连接的的连接部或壁的平均强度随着温度(变化)而降低时，各自(连接部或壁)的较低强度必须大于所作用的拉伸应力。
按照蜂窝体的又一种设计方案，由所述至少一个收缩限制器产生的拉伸应力在-40℃至1050℃的温度范围内起作用。此温度范围包含在这种蜂窝体的使用中出现的温度。这样，就始终保证存在拉伸应力，因而始终保证有限的收缩行为。除去蜂窝体在非常冷的温度下尤其是在0℃以下和特别在-20℃以下的收缩，在这方面，600℃和1050℃之间的温度范围也起着重要的作用。在金属基体在受到基体由于热的废气产生的热应力之后或当时而出现的收缩和膨胀性能方面，此温度范围有重要的意义。在此温度范围中，尤其是在高的温度变化速度下，例如在冷启动阶段或直接在内燃机关闭后，在基体与壳体的热膨胀性能方面出现特别大的差别，从而就是在这个温度蜂窝体的收缩应受到阻碍。在这方面，基体、所述至少一个收缩限制器和壳体至少在局部区域可以彼此如此布置，以使基体直接通过所述至少一个收缩限制器靠在壳体上，由此，在低于600℃时，通过壳体在基体中局部产生一显然较小的拉伸应力或甚至一压缩应力。
按照又一设计方案，连接区布置在一个端面侧附近，最好沿轴线方向在一个离端面侧小于20mm的距离之内，尤其甚至小于10mm。如果例如考虑将这种蜂窝体在一内燃机的排气系统中的使用，则正好在气体入口侧和气体出口侧，即在端面侧的区域，存在非常大的热交变应力。由于在这种废气流中还另外产生非常强烈的压力波动，特别在基体的靠近气体入口侧的区域在动力学方面也受到非常大的载荷。由此，气体入口侧附近的连接区的设计也有助于保持此区域中的结构完整性。再有，气体入口侧和/或气体出口侧某些情况下也可以看作是排气系统中蜂窝体的固定的基准点，这是因为，蜂窝体沿轴向的膨胀和收缩在这种连接时基本上只产生气体出口侧和/或气体入口侧的相对移动。
按照蜂窝体的又一种设计方案，这样设计所述至少一个收缩限制器，以使其密封围基体的环形间隙。由此可以保证，例如待净化的废气不能越过基体流过，而是全部废气流都经由基体流过并被催化转换。
按照又一设计方案，沿轴向依次布置多个收缩限制器，其中优选沿基体的周向彼此错开地布置。尤其是，所述多个收缩限制器设计成沿轴向是柔性的，以使基体能自由地沿轴向收缩和膨胀。当基体的初始直径与轴向长度之比大于二时，蜂窝体的这种设计特别合适。在蜂窝体的这种雪茄形的实施形式中，为了基体在壳体上有一持久的固连，所述多个收缩限制器前后依次连接，此时，不管是径向还是轴向，这些收缩限制器都不会妨碍基体的膨胀和收缩性能。
按照蜂窝体的又一种设计方案，所述至少一个收缩限制器和基体用不同材料做成。此时，优先采用所述至少一个收缩限制器和基体具有不同的热膨胀系数的设计方案。这特别重要，因为所作用的最大拉伸应力是在很大程度上取决于温度。借助恰当地选择所述至少一个收缩限制器和基体的材料或热膨胀系数，就可以在不同的温度范围内分别引入一个可预先确定的特别是随温度变化的拉伸应力。
按照蜂窝体的又一种设计方案，基体相对于壳体热绝缘。这有这样的优点，即中断基体与壳体之间的热交换，这样在基体与壳体的热膨胀性能方面，收缩限制器不起热源或冷却源的作用。
按照蜂窝体的又一种设计方案，基体的壁至少局部地包含带有(表面波纹)结构的板箔，它们如此堆叠和/或卷绕，以致它们形成气体能流过的通道。特别优选螺旋线形、S字形或渐开线形地布置板箔。此时，板箔最好有一小于0.06mm的厚度，尤其是，甚至小于0.03mm。此时，特别有利的是，基体有一大于600cpsi(“孔道/平方英寸”)的通道密度，尤其是大于1000cpsi。在这种蜂窝体在一内燃机的排气系统中的应用方面，为了在比较低的温度时就能保证有效地转换废气中的有害物质，蜂窝体有一催化活性的涂层是有利的。
按照又一种设计方案，基体至少部分地用一外部的具有(表面)结构的箔(Strukturfolie，以下称为结构箔)包围，该结构箔尤其至少部分地形成所述至少一个收缩限制器。此时，结构箔有这样的优点，即它在必要时为一环绕的一体的收缩限制器，此时，由于它被制出一定的结构，可同时保证沿周向有一定的柔性。
按照又一种设计方案，建议所述至少一个收缩限制器有用于阻止裂缝扩大的装置。这类装置例如为材料堆积、横腹板、横缝等，它们阻止由热或机械引起的裂缝不受阻碍地经过收缩限制器蔓延。
附图的简要说明
现在根据特别优选的实施形式参考附图较详细地说明本发明。在图中：
图1示意地连同一内燃机和一蜂窝体示出一排气系统的构造，
图2示出蜂窝体的一种实施形式的示意性透视图，
图3示出蜂窝体的另一实施形式的示意性透视图和一细部视图，
图4示意地示出蜂窝体的另一实施形式的剖视图，
图5示出蜂窝体的另一实施形式的一示意性透视细部视图。
具体实施形式
图1示意地示出用于净化在内燃机3中产生的废气的排气系统2的构造的透视图。为了转换包含在废气中的有害物质，排气系统2有多个部件如颗粒捕集器、电热元件或还有一个蜂窝体1。
图2示意地和透视地示出一个蜂窝体的一种实施形式，它特别适于用在一内燃机3的排气系统中。蜂窝体1包括一壳体4和一具有平均初始直径6的金属基体5。基体5通过至少一个收缩限制器7(未示出)与壳体4连接，此时，所述至少一个收缩限制器在基体5中产生一朝外的拉伸应力，以致基体5的平均初始直径6在受到热应力时和/或之后，收缩最大约5％，最好甚至只有最高2％左右。
此时，所述至少一个收缩限制器7以其一个端面区8(未示出)与基体5连接，由此形成一连接区9。所述至少一个收缩限制器7以其一个端部区10(未示出)与壳体4连接并由此形成一固定区11。连接区9布置在气体入口侧附近，且沿轴线15的方向在一个离气体入口侧的端面侧13小于20mm的距离14之内。按照本发明，同样还可能在靠近气体出口侧的端面侧28形成连接区9。
蜂窝体1的基体5有壁12，它至少局部包括带有(表面波纹)结构的板箔18和19，所述板箔如此堆叠和/或卷绕，以形成用于气体能流过的通道20。所示的蜂窝体1的实施形式示出板箔18和19的S字形布置，其中它们分别在蜂窝体1的圆周17上终止。
图3示意地并且用细部视图示出基体5与壳体4的部分区域，其中基体5通过多个收缩限制器7与壳体4连接。收缩限制器7在基体5中产生一朝外的也就是指向壳体4的拉伸应力，以致基体5的平均初始直径6(未示出)在受到热应力时和/或之后，收缩最多约5％，最好甚至只有最多2％左右。
收缩限制器7以其一个端面区8与基体5连接，由此形成一连接区9，而一个端部区10则与壳体4连接，由此形成一固定区11。此时，通过连接区9作用的拉伸应力最多是相当于壁12彼此通过接缝技术连接的的连接部的平均强度和/或壁12本身的平均强度。
壁12在此处用结构箔18和平滑箔19形成，以便形成一用于气体能流过的通道20。板箔18和19有一小于0.06mm的厚度21。对于这类蜂窝体1在一内燃机3(未示出)的排气系统2中的应用，基体5的通道密度至少为600cpsi(“孔道/平方英寸”)，此时，板箔18、19设有催化活性涂层22，以用于转换包含在废气中的有害物质。
所示收缩限制器7有用于阻止裂缝扩大的装置(例如横腹板23和横缝24)。由此，可以阻止裂缝从连接区9扩展至固定区11。由于在壳体4与基体5之间布置收缩限制器7，因此形成一有利地由收缩限制器7密封的环形间隙16。此环形间隙16较小，这是因为，基体5在制造后通常直接用吸力靠在壳体4上，而且，按照本发明在受到热应力时和/或之后，基体5的平均初始直径6的收缩最大约5％。
图4示意地示出按照本发明的蜂窝体1的另一实施形式。基体5此时通过多个收缩限制器7a和7b与壳体4连接，由此，分别在收缩限制器7a、7b之一和基体5之间形成一连接区9，并分别在收缩限制器7a、7b之一和壳体4之间形成一固定区11。收缩限制器7a、7b在基体中产生一朝外的拉伸应力，从而基体5的平均初始直径6在受到热应力时和/或之后，最多收缩约5％。收缩限制器7a和7b是沿轴向15前后依次布置的，此时，优选沿基体5的周向17(未示出)彼此错开的布置。收缩限制器7a和7b做成沿轴线15的方向为柔性，以使基体5沿轴向自由收缩或膨胀。
在此示出基体5的通常在多次的热交变应力之后表现出的外部构形。平均初始直径6延伸到的虚线指示原始形状(圆柱形)，而基体5现在则有一桶形。不过，收缩限制器7a和7b保证，环形间隙16保持非常小，这是因为，尤其是在气体入口侧的端面侧13或气体出口侧的端面侧28的附近只允许平均初始直径6最大5％的收缩。
图5示意地和透视地示出蜂窝体的另一实施形式的细部视图。此时，基体再次用平滑的箔19和结构箔18如此形成，以便形成流体可流过的通道20。在所示的实施形式中，基体5被一收缩限制器7包围，此时，收缩限制器用两个连接区9与基体5连接。收缩限制器7在基体5的至少一部分中产生一向外的拉伸应力，以使基体5的平均初始直径6(未示出)在受到热应力时和/或之后最多减少约5％。在此情况下用至少一个固定装置25来实现基体5与壳体4(未示出)的固定，该固定装置通过一第一固定装置26与壳体4(未示出)连接，通过一第二固定装置27与基体5连接。由于用收缩限制器7可避免外径6的大大减小，故特别是在第二紧固装置27布置在收缩限制器7附近时，可以用比较稳定的固定装置25实现基体5的固定。
参考标号表
1、蜂窝体；2、排气系统；3、内燃机；4、壳体；5、基体；6、初始直径；7、收缩限制器；8、端面区；9、连接区；10、端部区；11、固定区；12、壁；13、气体入口侧的端面侧；14、距离；15、轴线；16、环形间隙；17、圆周；18、结构箔；19、平滑箔；20、通道；21、厚度；22、涂层；23、横腹板；24、横缝；25、固定装置；26、第一固连装置；27、第二固连装置、28、气体出口侧的端面侧；
Claims (17)
1.特别是用在一内燃机(3)的排气系统(2)中的蜂窝体(1)，包括一壳体(4)和一有一平均初始直径(6)的尤其是金属的基体(5)，基体，其特征为，基体(5)与壳体(4)连接，其中设置至少一个收缩限制器(7)，所述限制器在基体(5)的至少一部分中产生一向外的拉伸应力，以使基体(5)的平均初始直径(6)在受到热应力时和/或之后最多减少约5％，甚至最好只减少最高2％左右。
2.如权利要求1的蜂窝体(1)，其特征为，基体(5)通过至少一个收缩限制器(7)与壳体(4)连接。
3.如权利要求1或2的蜂窝体(1)，其特征为，所述至少一个收缩限制器(7)以一个端面区(8)与基体(5)连接，由此形成一连接区(9)；并以一个端部区(10)与壳体(4)连接，由此形成一固定区(11)。
4.如权利要求1、2或3的蜂窝体(1)，其中所述至少一个收缩限制器(7)与基体(5)有一共同的连接区(9)，而基体(5)则有通过接缝技术彼此连接的壁(12)，其特征为，通过连接区(9)作用的拉伸应力最多相当于壁(12)彼此通过接缝技术连接的连接部的平均强度和/或壁(12)本身的平均强度。
5.如权利要求1至4的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，由所述至少一个收缩限制器(7)产生的拉伸应力在-40℃至1050℃的温度范围内起作用。
6.如权利要求1至5的任一项的蜂窝体(1)，其中所述至少一个收缩限制器(7)与基体(5)有一共同的连接区(9)，其特征为，连接区(9)布置在一个端面侧(13、28)附近，最好沿轴线(15)方向在一个离端面侧(13、28)小于20mm的距离(14)之内，尤其甚至小于10mm。
7.如权利要求1至6的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，这样设计所述至少一个收缩限制器(7)，以使其密封环绕基体(5)的环形间隙(16)。
8.如权利要求1至7的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，多个收缩限制器(7a，7b)沿轴向前后依次布置，其中优选沿基体(5)的圆周(17)方向彼此错开地布置，尤其是，多个收缩限制器(7a，7b)做成沿轴线(15)方向是柔性的，以使基体(5)能沿轴向自由地收缩和膨胀。
9.如权利要求1至8的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，所述至少一个收缩限制器(7)和基体(5)用不同材料做成。
10.如权利要求1至9的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，基体(5)相对于壳体(4)是热绝缘的。
11.如权利要求1至10的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，所述至少一个收缩限制器(7)有与基体(5)不同的热膨胀系数。
12.如权利要求1至11的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，基体(5)具有壁(12)，该壁包含至少局部地做成结构的板箔(18，19)，所述板箔如此堆叠和/或卷绕，以形成用于气体能流过的通道(20)。
13.如权利要求12的蜂窝体(1)，其特征为，基体(5)至少部分地由一外结构箔(18)包围，该结构箔尤其至少部分地形成所述至少一个收缩限制器(7)。
14.如权利要求12或13的蜂窝体(1)，其特征为，板箔(18，19)有一小于0.06mm尤其是甚至小于0.03mm的厚度(21)。
15.如权利要求12至14的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，基体(5)的通道密度大于600cpsi，尤其是大于1000cpsi。
16.如权利要求1至15的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，它有一催化活性涂层(22)。
17.如权利要求1至16的任一项的蜂窝体(1)，其特征为，所述至少一个收缩限制器(7)具有用于阻止裂缝扩大的装置(23，24)。
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