DE19804213A1

DE19804213A1 - Katalytische Abgasreinigungseinrichtung und zugehörige Ausgleichsschicht, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19804213A1
Application number: DE19804213A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Maus
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 1999-08-05
Also published as: EP1053391A1; RU2187002C2; JP4278865B2; PL342029A1; CN1289390A; KR100538393B1; WO1999040300A1; CN1185406C; KR20010040610A; JP2002502930A; US7179429B1; AU2616499A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine katalytische Abgasreinigungseinrich tung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zugehörige Ausgleichsschicht nach dem Oberbegriff des An spruchs 9.

Abgasreinigungseinrichtungen benötigt man - unterschieden jeweils durch Aufbau und/oder durch die Art der katalytisch wirksamen Oberflächenbe schichtung - sowohl für dieselgetriebene Kraftfahrzeuge, bei denen es unter anderem um die Rußnachverbrennung geht, als auch zur Entgiftung der Abgase von Benzinmotoren. Ein wesentliches Problem in allen Fällen ist dabei die dauerhafte, sichere und insbesondere stoßgedämpfte Lagerung von bruchempfindlichen keramischen Wabenkörpern, wie sie bei Abgasreinigungs einrichtungen vielfach Verwendung finden, in einem metallischen Gehäuse, wobei dieses Problem noch dadurch vergrößert wird, daß das Gehäuse sich im Vergleich zum Wabenkörper bei Temperaturerhöhungen sehr viel stärker ausdehnt.

Besonders günstige Eigenschaften der Abgasreinigungseinrichtungen ergeben sich bei Verwendung sogenannter Quellmatten in einer Ausgleichsschicht zwischen Gehäuse und Wabenkörper, da auf diese Weise die vorstehend beschriebenen starken thermischen Ausdehnungsunterschiede besonders günstig abgefangen werden können. Die Quellmatte ist in der Lage, die durch unterschiedliches Verhalten von Gehäuse und Wabenkörper und durch Her stellungstoleranzen entstehenden Hohlräume durch Quellen auszufüllen und gewährleistet so über einen langen Betriebszeitraum eine sichere Lagerung. Quellmatten enthalten meist Glimmerstückchen, die, sofern Platz in ihrer Umgebung vorhanden ist, Wasser aufnehmen und sich dabei ausdehnen.

Ein Nachteil derartiger Quellmatten, wie überhaupt der für solche Fälle bevorzugt eingesetzten Matten auf Aluminium-Silikatläserbasis, besteht aber darin, daß sie durch pulsierende Abgasströme sehr leicht abgetragen werden.

Um dies zu verhindern wurden schon eine Reihe von Lösungsvorschlägen gemacht, um mit den durch pulsierende Abgase auftretenden Problemen fertig zu werden. So wird beispielsweise zur Stabilisierung solcher Quell matten bereits in der DE 80 19 813 U1 vorgeschlagen, eine gewellte Drahtgestrickmatte in die Quellmatte zu integrieren. Um die Quellmatte gegen Abtragungen an den Stirnseiten des Wabenkörpers zu schützen, sollen Gasdichtringe an den Stirnseiten des Wabenkörpers zur Abdeckung des von der Quellmatte ausgefüllten Spaltes vorgesehen werden.

Eine andere Lösung zum Schutz gegen Abtragungen sieht sogenannte Ab schirmtrichter aus Metall vor, welche in einem durch thermische Längen änderungen bedingten Mindestabstand vor den Stirnseiten eines keramischen Wabenkörper angeordnet sind. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Lösung sieht Abschirmtrichter aus keramischem Werkstoff vor, die nunmehr aufgrund gleicher Ausdehnungskoeffizienten mit ihren Stirnseiten unmittelbar am keramischen Wabenkörper anliegen.

Nach der DE 297 09 180 U1 ist eine Lagerungsmatte mit einer Lage aus "intumeszierendem", das heißt wohl Quellmittel aufweisendem Material be kannt, die zum Schutz gegen Abtragungen mit mindestens einem Einsatz aus elastischem, flexiblen, weniger stark oder nicht intumeszierenden Material versehen ist.

Da sich ferner Wabenkörper in Abgasanlagen beim Betrieb auf 900°C und mehr aufheizen und in der Nähe der Abgasreinigungseinrichtung angeordnete Bauteile gegen diese hohe Temperatur geschützt werden sollen, ist es auch bekannt, zwischen Gehäuse und Wabenkörper eine thermisch isolierende Schicht vorzusehen.

Diese thermisch isolierende Schicht kann eine Luftschicht sein, die das Gehäuse - aufgrund geringer Wärmeleitungs- und Wärmekonvektionseigen schaften der Luft gegen die in dem Wabenkörper bei Gebrauch der katalyti schen Abgasreinigungseinrichtung auftretenden hohen Temperaturen isoliert.

Alternativ oder kumulativ zu der Luftschichtisolation ist es bekannt, eine aus einem keramischen Werkstoff bestehende Isolierschicht vorzusehen. Auch hier liegt eine thermische Isolation des Außengehäuses von dem Wabenkörper aufgrund geringer Wärmeleitungs- und Wärmekonvektionseigenschaften der vorgesehenen keramischen Werkstoffe vor. Da die oben erwähnten Quell matten zur Halterung von Wabenkörpern bei sehr hoher Umgebungstempera tur von beispielsweise über 800°C Wasser abgeben und dabei schrumpfen, wodurch sich der Wabenkörper im Gehäuse lockern kann, müssen Quell matten bei bestimmten hochbelasteten Abgasreinigungseinrichtungen gegen den Wabenkörper thermisch isoliert sein, wozu es bereits bekannt ist, den Wabenkörper zunächst mit einer sogenannten Isoliermatte zu versehen, also mit einer thermisch isolierenden Schicht, vorzugsweise aus keramischen Material, und dann erst mit einer Quellmatte zu umgeben.

Problematisch bleibt allerdings der Schutz der Quellmatte vor Abtragungen aufgrund pulsierender Abgasströme, welcher nach dem schon oben beschrie benen Stand der Technik nur mittels aufwendiger Abdeckungen und/oder integraler Verstärkungen bzw. Einsätze hinreichend gewährleistbar erscheint.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem noch einfacheren Aufbau eine sichere Abschirmung der Quellmatte gegen stark pulsierende Abgasströme auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungseinrichtung gemäß Anspruch 1 beziehungsweise einer Ausgleichsschicht gemäß Anspruch 9 gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Indem die Isoliermatte im Bereich mindestens einer Stirnseite des Wabenkör pers eine dickere Berandung als im verbleibenden Innenbereich aufweist, wobei benachbart zu der dem Wabenkörper abgewandten Seite des Innenbe reiches der Isoliermatte eine Quellmatte so angeordnet ist, daß der dickere Bereich der Berandung der Isoliermatte die abrasionsgefährdeten Randflächen der Quellmatte abdeckt, wird in vorteilhafter Weise die Quellmatte gegen stark pulsierende Abgase abgeschirmt und thermisch hinsichtlich Wärmelei tung und Wärmekonvektion isoliert.

Zudem werden etwaige, zwischen dem Gehäuse und dem Wabenkörper bei der Herstellung verbleibende oder sich beim Betrieb bildende Hohlräume durch die Quellmatte in vorteilhafter Weise geschlossen, indem sie bei Auf nahme von Wasser ihr benachbarte Hohlräume durch Quellen schließt. Dies bewirkt eine dauerhafte sichere, insbesondere stoßgedämpfte Lagerung des bruchempfindlichen keramischen Wabenkörpers.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der dickere Bereich der Berandung durch Umfaltung der Isoliermatte herstellbar ist.

Eine herstellungstechnisch gesehen weitere vorteilhafte Ausgestaltung der eine Quellmatte und eine Isoliermatte umfassenden Ausgleichsschicht liegt eben falls vor, wenn die eine dickere Berandung aufweisende Isoliermatte und die Quellmatte als ein Verbundwerkstoff ausgebildet sind. Dieser ist vorzugs weise mindestens einmal oder bei höheren Anforderungen an die Isolierung auch mehrfach in Umfangsrichtung, beispielsweise um einen Wabenkörper, wickelbar. Alternativ ist die als Verbundwerkstoff ausgebildete Ausgleichs schicht aus vorgefertigten zylindrischen, ovalen oder der sonstigen Kontur eines Gehäuses angepaßten Segmenten, insbesondere halbschalenförmigen Segmenten, zusammensetzbar.

Weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung beschrieben. Es stellt dar:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Abgasreinigungseinrichtung, teilweise geschnitten und

Fig. 2 eine als Verbundwerkstoff aus einer Quellmatte und einer Isoliermatte ausgebildeten Ausgleichsschicht.

Fig. 1 zeigt einen teilweise geschnittenen Ausschnitt einer erfindungsgemaßen Abgasreinigungseinrichtung 1. Darin ist ein Wabenkörper 2, von einer Ausgleichsschicht 4 umwickelt, in einem Gehäuse 3 angeordnet.

Bei dem Wabenkörper 2 handelt es sich vorzugsweise um einen monoli thischen keramischen Wabenkörper, insbesondere aus sogenannter Dünn wandkeramik. Aber auch aus dünnen Metallblechen aufgebaute Wabenkörper 2 können ähnlich gehaltert werden, wobei gleichfalls eine thermische Isolie rung gegenüber dem vorzugsweise metallischen Gehäuse 3 angestrebt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Halterung und Isolierung durch eine Ausgleichsschicht 4, umfassend eine Lage aus keramischem Material, vorzugsweise eine Quellmatte 5, und eine weitere, thermisch isolierende Schicht, eine sogenannte Isoliermatte 6, erreicht. Diese zwei Lagen bilden zusammen die Ausgleichsschicht 4, welche einerseits den Wabenkörper 2 sicher im Gehäuse 3 hält und andererseits eine sehr gute thermische Isolierung bewirkt. Die Isoliermatte 6 besteht aus einem kerami schen Material und weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf und verhindert so die Wärmeleitung und Konvektion vom Wabenkörper 2 auf das Gehäuse 3. Die Quellmatte 5 enthält Glimmerstückchen, die sofern Platz in ihrer Umgebung vorhanden ist, Wasser aufnehmen und sich dabei ausdehnen. Mit anderen Worten füllt die Quellmatte 5 die durch unterschiedliches Verhalten von Gehäuse 3 und Wabenkörper 2 und durch Herstellungs toleranzen entstehende Hohlräume aus und gewährleistet so über einen langen Betriebszeitraum eine sichere Lagerung des Wabenkörpers 2 im Gehäuse 3. Quellmatten 5 und Isoliermatten 6 aus keramischem Material sind typischer weise Fasermatten, wie sie aus dem Stand der Technik zur Halterung von keramischen Wabenkörpern 2 bekannt sind, mit einer Dicke, wie sie zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Außengehäuses 3 und des Wabenkör pers 2 und zur Halterung über einen langen Betriebszeitraum erforderlich sind. Es sei auch darauf hingewiesen, daß zur Verbesserung der thermischen Isolierung, insbesondere wenn sehr hohe Betriebstemperaturen, wie sie beispielsweise bei einer Anordnung dicht am Auslaß eines Verbrennungs motors auftreten, die Abgasreinigungseinrichtung 1 beaufschlagen, mehrere Ausgleichsschichten 4 und/oder auch nur zusätzliche Lagen der thermisch isolierenden Schicht 6, die radial aufeinander folgen, vorgesehen werden können.

Da bekanntermaßen pulsierende heiße Abgase die Glimmerstückchen enthalte nen Quellmatten 5 abtragen, ist im Bereich mindestens einer Stirnseite des Wabenkörpers 2, vorzugsweise im Bereich beider Stirnseiten des Wabenkör pers 2 ein Schutz hiergegen vorgesehen. Dazu wird die an sich sehr abra sionsfeste keramische Isolierschicht 6 zum Gehäuse 3 hin umgefaltet, also eine dicke Berandung hergestellt, welche die abrasionsgefährdeten Rand flächen der Quellmatte abdeckt. Besonders günstig für die Herstellung erfindungsgemäßer Abgasreinigungseinrichtungen 1 ist es, wenn die so aufgebaute Ausgleichsschicht 4 als ein Verbundwerkstoff ausgebildet ist.

Fig. 2 zeigt eine als Verbundwerkstoff aus einer Isoliermatte 6 und einer Quellmatte 5 ausgebildete Ausgleichsschicht 4, welche vorzugsweise minde stens einmal in Umfangsrichtung um den Wabenkörper 2 gewickelt werden kann. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführung ist die als Ver bundwerkstoff ausgebildete Ausgleichsschicht 4 aus vorgefertigten zylindri schen, ovalen oder der sonstigen Kontur des Gehäuses 3 anpaßbaren Seg menten, insbesondere halbschalenförmigen Segmenten, zusammengesetzt. Sofern die Isoliermatte 6, also die thermisch isolierende Schicht mindestens im dickeren Bereich ihrer Berandung 7 aus langen Keramikfasern besteht, ist sie gegen Abtragung durch pulsierende Abgase nicht sehr anfällig, so daß der Schutz der abrasionsgefährdeten Randflächen 9 der Quellmatte 5 durch den dickeren Bereich der Berandung 7 der Isoliermatte 6 ausreicht.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfache und zugleich wirkungsvolle Bauweise aus und eignet sich, auch für motornahe Anwendungen in katalytischen Abgasreinigungseinrichtungen 1 von Kraftfahr zeugen. Dabei ermöglicht sie eine sichere Lagerung von Wabenkörpern 2, bewirkt gleichzeitig eine gute thermische Isolierung des Wabenkörpers 2 im Gehäuse 3 und schützt die Quellmaterial enthaltende Lage 5 der Ausgleichs schicht 4 hinreichend gegen Abtragungen durch pulsierende Abgasströme.

Bezugszeichenliste

1

Abgasreinigungseinrichtung

2

Wabenkörper

3

Gehäuse

4

Ausgleichsschicht

5

Quellmatte

6

Isoliermatte

7

Berandung der Isoliermatte

6

8

Innenbereich der Isoliermatte

6

9

Randfläche der Quellmatte

5

Claims

1. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1), insbesondere für Kraftfahr zeuge, mit mindestens einem monolithischen keramischen Wabenkörper (2), welcher in einem metallischen Gehäuse (3) angeordnet ist, wobei zwischen dem Gehäuse (3) und dem Wabenkörper (2) eine Ausgleichs schicht (4) angeordnet ist, welche

- eine Quellmatte (5) mit abrasionsgefährdeten Randflächen (9) und
- eine Isoliermatte (6) mit einer Berandung (7) und einem Innenbe reich (8) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Berandung (7) der Isoliermatte (6) im Bereich mindestens einer Stirnseite des Wabenkörpers (2) dicker ist als der verbleiben de Innenbereich (8) und
- daß benachbart zu der dem Wabenkörper (2) abgewandten Seite des Innenbereiches (8) der Isoliermatte (6) die Quellmatte (5) so angeordnet ist, daß der dickere Bereich der Berandung (7) der Isoliermatte (6) die abrasionsgefährdeten Randflächen (9) der Quell matte (5) abdeckt.

2. Katalytische Abgaseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der dickere Bereich der Berandung (7) durch Umfaltung der Isoliermatte (6) zum Gehäuse (3) hin hergestellt ist.

3. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermatte (6) einen keramischen Werkstoff enthält, welcher sehr geringe Wärmeleit- und Wärmekon vektionseigenschaften aufweist.

4. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermatte (6) mindestens im dickeren Bereich ihrer Berandung (7) lange Keramikfasern enthält.

5. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellmatte (5) einen keramischen Werkstoff enthält, welcher bei Aufnahme von Wasser benachbarte Hohlräume durch Quellen schließen kann.

6. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (4) als Ver bundwerkstoff ausgebildet ist.

7. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbundwerkstoff ausgebildete Ausgleichs schicht (4) vorzugsweise mindestens einmal in Umfangsrichtung um den Wabenkörper (2) gewickelt ist.

8. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbundwerkstoff ausgebildete Ausgleichs schicht (4) aus vorgefertigten zylindrischen, ovalen oder der sonstigen Kontur des Gehäuses (3) anpaßbaren Segmenten, insbesondere halbscha lenförmigen Segmenten, zusammengesetzt ist.

9. Ausgleichsschicht (4) umfassend

- eine Quellmatte (5) mit abrasionsgefährdeten Randflächen (9) und
- eine Isoliermatte (6) mit einer Berandung (7) und einem Innenbe reich (8),

insbesondere zur Halterung eines monolithischen Wabenkörpers (2) in einem metallischen Gehäuse (3) einer katalytischen Abgasreinigungs einrichtung,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Isoliermatte (6) mindestens an Teilen ihrer Berandung (7) dicker ist als im verbleibenden Innenbereich (8) und
- daß benachbart zu einer Seite des Innenbereiches (8) die Quellmatte (5) so angeordnet ist, daß der dickere Bereich der Berandung (7) die abrasionsgefährdeten Randflächen (9) der Quellmatte (5) ab deckt.

10. Ausgleichsschicht (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dickere Bereich der Berandung (7) der Isoliermatte (6) durch Umfaltung der Isoliermatte (6) herstellbar ist.

11. Ausgleichsschicht (4) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermatte (6) einen keramischen Werkstoff enthält, welcher sehr geringe Wärmeleit- und Wärmekonvektionseigenschaften aufweist.

12. Ausgleichsschicht (4) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermatte (6) mindestens im dickeren Bereich ihrer Berandung (7) lange Keramikfasern enthält.

13. Ausgleichsschicht (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellmatte (5) einen keramischen Werkstoff enthält, welcher bei Auf nahme von Wasser benachbarte Hohlräume durch Quellen schließen kann.

14. Ausgleichsschicht (4) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschicht (4) als Verbundwerkstoff ausgebildet ist.

15. Ausgleichsschicht (4) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbundwerkstoff ausgebildete Ausgleichsschicht (4) wickelbar ist.

16. Ausgleichsschicht (4) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbundwerkstoff ausgebildete Ausgleichsschicht (4) aus vor gefertigten zylindrischen, ovalen oder einer sonstigen Kontur anpaßbaren Segmenten, insbesondere halbschalenförmigen Segmenten, zusammensetz bar ist.