DE2300982A1

DE2300982A1 - DEVICE FOR SUPPORTING A CERAMIC BODY

Info

Publication number: DE2300982A1
Application number: DE19732300982
Authority: DE
Inventors: Johann Siebels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-01-10
Filing date: 1973-01-10
Publication date: 1974-07-11
Also published as: JPS49101728A

Description

Vorrichtung zur Halterung eines keramischen Körpers Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung eines aus einem keramischen Material bestehenden Körpers, insbesondere eines monolithischen Katalysatorkörpers einer katalytischen Abgasreinigungsanlage von Brennkraftmaschinen, mit einem den keramischen Körper umgebenden Gehäuse. Device for holding a ceramic body The invention relates to a device for holding one made of a ceramic material existing body, in particular a monolithic catalyst body a catalytic exhaust gas cleaning system of internal combustion engines, with a ceramic Body surrounding housing.

Bei der Halterung eines derartigen keramischen Körpers in einem metallischen Gehäuse entstehen insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn die aus dem Gehäuse und dem keramischen Körper bestehende Einheit höheren Betrieb temperaturen ausgesetzt wird. Da nämlich das-Gehäusematerial und das keramische Material des Körpers ungleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen, die eine Lockerung des gewünschten Festsitzes des keramischen Körpers in dem Gehäuse zur Folge haben.When holding such a ceramic body in a metallic one Housing difficulties arise in particular when the out of the housing and the ceramic body existing unit exposed to higher operating temperatures will. This is because the housing material and the ceramic material of the body are unequal Have thermal expansion coefficients, there are different thermal expansions, a loosening of the desired tight fit of the ceramic body in the housing have as a consequence.

Derartige Probleme treten besonders bei katalytischen Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, auf, bei denen die in dem Abgas enthaltenen schädlichen Gasbestandteile durch eine in Anwesenheit von Katalysatoren erfoleende Nachverbrennung weitgehend beseitigt werden. Die Katalysatoren bestehen aus katalytisch wirksamentichten, z. B. Edelmetallen der Platin-Gruppe, die auf einem keramischen Trägermaterial aufgebracht sind. Dabei kann das Trägermaterial entweder ein Schüttgut oder ein Feststoffkörper (Monolith) mit durchgehenden Kanälen sein, von denen sich die monolithischen Trägerkörper für die auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik einzusetzenden Konverter als zweckmäßig erwiesen haben. Diese Trägerkörper werden üblicherweise in einem gasdichten, metallischen Gehäuse gelagert, das den Anschluß an das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine ermöglicht. Bei der Befestigung des monolithischen Trägerkörpers in dem metallischen Gehäuse sind nun aber eine Reihe von Schwierigkeiten entstanden, die bei den bisher.bekannten Ausführungen nur unvollkommen oder mit erheblichem Aufwand gelöst wurden.Such problems occur particularly in catalytic exhaust gas cleaning systems of internal combustion engines, in particular of motor vehicles, in which the in harmful gas components contained in the exhaust gas by a in the presence of Afterburning occurring in catalytic converters can be largely eliminated. The catalysts consist of catalytically effective, z. B. precious metals of the platinum group, which are applied to a ceramic carrier material. The carrier material either a bulk material or a solid body (monolith) with continuous channels be of which the monolithic support body for those in the field of Automotive technology to be used converter have proven to be useful. These Carrier bodies are usually stored in a gas-tight, metallic housing, which enables connection to the exhaust system of the internal combustion engine. In the Fixing of the monolithic support body in the metallic housing are now but a number of difficulties arose with the previously known designs were only solved incompletely or with considerable effort.

Die zur Zeit üblichen Trägerkörper bestehen nämlich aus einem porösen, keramischen Material, das nur eine begrenzte mechanische Festigkeit aufweist. Es ist daher nicht möglich, zur Erzielung einer sicheren und festen Lagerung des Trägerkörpers auf diesen größere Einspannkräfte auszuüben. Andererseits soll die Halterung des Trägerkörpers so geartet sein, daß weder die bei der Fertigung auftretenden, verhältnismäßig großen Querschnittstoleranzen des Trägerkörpers nowh die infolge unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizieten von Trägerkörpermaterial und Metallgehäuse entstehenden Wärmedehnungsdifferenzen eine Beeinträchtigung des Festsitzes verursachen.The currently common carrier bodies consist of a porous, ceramic material that has only limited mechanical strength. It is therefore not possible to achieve a safe and secure storage of the carrier body to exert greater clamping forces on this. On the other hand, the holder of the The carrier body should be of such a nature that neither those occurring during manufacture are proportionate large cross-sectional tolerances of the carrier body nowh as a result of different Thermal expansion coefficients of the carrier body material and metal housing arise Differences in thermal expansion cause impairment of the tight fit.

Es ist schon ein Katalysator zur Abgasreinigung bekannt (DAS 1 476 507), bei dem in einem zylindrischen Gehäuse ein Trägerkörper gehalten wird und bei dem in einem Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Katalysatorkörper ein vorzugsweise aus einem Drahtgeflecht bestehendes, federnd gewelltes Teil angeordnet ist, das den Katalysatorkörper umgibt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine derartige Zwischenlage aus einem federnden Drehtgeflecht den gestellten Anforderungen nur dann genügt, wenn sie aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff besteht, der jedoch erhebliche Kosten verursacht. Außerdem müssen bei dieser Ausführungsform an beiden Stirnseiten des Ringspaltes radial gerichtete Ringflansdie vorgesehen sein, die den Ringspalt gegen die Gasströmung abdichten. Dadurch wird zur sicheren Halterung des keramischen Trägerkörpers in dem Gehäuse eine verhältnismäßig große Zahl von Einzelteilen, die zudem hochtemperaturteständig sein müssen und einen hohen Produktions- und Montageaufwand verursachen, notwendig.A catalytic converter for exhaust gas purification is already known (DAS 1 476 507), in which a support body is held in a cylindrical housing and in which a preferably in an annular gap between the housing and the catalyst body consisting of a wire mesh, resiliently corrugated part is arranged, which surrounds the catalyst body. However, it has been found that such Intermediate layer made of a springy twisted mesh only meets the requirements then it is sufficient if it consists of a high-temperature-resistant material, which however causes considerable costs. In addition, in this embodiment, both End faces of the annular gap radially directed annular flanges which are provided seal the annular gap against the gas flow. This becomes a secure holder of the ceramic carrier body in the housing a relatively large number of Individual parts, which also have to be resistant to high temperatures and have a high production and cause installation effort.

Auch bei einer anderen bekannten Ausführung (DAS 1 476 505) ist zur sicheren Halterung des keramischen Trägerkörpers eine Vielzahl von Einzelteilen vorgesehen. Diese zusätzlichen Bauteile bestehen aus Metallplatten, Druckschrauben und federnd nachgiebigen Elementen, die zur Verspannung der am Umfang des Trägerkörpers angeordneten keramischen Wärmedämmteile dienen.Another known version (DAS 1 476 505) is also used for secure mounting of the ceramic carrier body a variety of items intended. These additional components consist of metal plates, pressure screws and resiliently flexible elements that are used to brace the circumference of the support body arranged ceramic thermal insulation parts are used.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Halterung eines aus einem keramischen Material bestehenden Körpers in einem Gehäuse zu schaffen, bei der der durch die Vielzahl der Bauteile und Bearbeitungsgänge bisher erforderliche Fertigungsaufwand verringert werden kann, ohne daß die sichere und feste Halterung des keramischen Körpers in dem Gehäuse auch bei veränderlichen Betriebstemperaturen beeinträchtigt wird-.The object on which the present invention is based now exists therein, a device for holding a made of a ceramic material To create body in a housing in which the by the large number of components and machining operations previously required manufacturing effort can be reduced, without the secure and firm mounting of the ceramic body in to the Housing is impaired even at variable operating temperatures.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erfindung vorgeschlagen, daß das Gehäuse als um den keramischen Körper herumgegossenes Gußgehäuse ausgebildet ist. Die Erfindung geht dabei von der Tatsache aus, daß ein gegossener Metallkörper bei der Erstarrung der Schmelze einem Schrumpfungsprozeß unterliegt. Wird nun ein Körper mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizicten und ausreichender Festigkeit mit einem Metallmantel umgossen, so ergibt sich nach der Erstarrung des Mantels eine feste und sichere Halterung des Körpers in dem Mantel. Die infolge des Schrumpfungsvorganges auftretende Vorspannung muß dabei so groß sein, daß sie auch bei der sich im Betrieb einstellenden Temperatur noch eine ausreichend große Haltekraft ergibt.To solve this problem, the invention proposes that the housing is designed as a cast housing cast around the ceramic body is. The invention is based on the fact that a cast metal body is subject to a shrinkage process when the melt solidifies. Will now be a Body with a lower coefficient of thermal expansion and sufficient Strength encased in a metal jacket, so after the solidification of the Mantle a firm and secure holding of the body in the jacket. The result of the shrinkage occurring bias must be so great that it even at the temperature that is set during operation, it is still sufficiently high Holding force results.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll zwischen dem keramischen Körper und dem Gußgehäuse eine hochtemperaturfeste Isolierschicht angeordnet sein. Diese an sich bekannte Isolierschicht zwischen dem keramischen Körper und dem Gehäuse ergibt nun eine gute thermische Isolierung des Katalysators, so daß die bei dem Betrieb von katalytischen Abgasreinigungsanlagen zur Aufrechterhaltung eines guten Wirkungsgrades erforderlichen hohen Betriebstemperaturen schnell erreicht und gut gehalten werden können. Zum anderen verhindert die Isolierschicht, daß das Gußgehäuse allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist, so daß auch Werkstoffe mit niedrigerer thermischer Belastbarkeit, beispielsweise das wegen seines geringen Gewichtes besonders bevorzugte Aluminium, eingesetzt werden können. Schließlich dient die den keramischen Körper umgebende Isolierschicht bei dem Gießvorgang gleichzeitig als Gießkern und verhindert so, daß beim Vergießen Metallschmelze in die Durchgangskanäle des monolithischen Katalysatorkörpers eindringen und diese verstopfen kann.According to a development of the invention, between the ceramic Body and the cast housing a high-temperature-resistant insulating layer can be arranged. This per se known insulating layer between the ceramic body and the housing now results in a good thermal insulation of the catalyst, so that the Operation of catalytic exhaust gas purification systems to maintain good Efficiency required high operating temperatures quickly reached and good can be held. On the other hand, the insulating layer prevents the cast housing too high temperatures is exposed, so that even materials with lower thermal resilience, for example because of its low weight especially preferred aluminum, can be used. After all, it serves the ceramic Body surrounding insulating layer in the casting process at the same time as casting core and thus prevents molten metal from being poured into the Through channels penetrate the monolithic catalyst body and clog it.

Zweckmäßigerweise besteht die Isolierschicht aus einem keramischen l'asermaterial, beispielsweise Tonerde-Silikat-Fasern, und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner oder höchsten gleich demjenigen des Materials des keramischen Körpers ist. Dadurch wird verhindert, daß sich bei höheren Temperaturen der mechanische Verbund zwischen der Isolierschicht und dem keramischen Körper lockert.The insulating layer expediently consists of a ceramic one l'asermaterial, for example alumina-silicate fibers, and has a coefficient of thermal expansion which is less than or equal to that of the material of the ceramic body is. This prevents the mechanical The bond between the insulating layer and the ceramic body loosens.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung soll die Isolierschicht durch ein ein- oder mehrteiliges, den keramischen Körper umgebendes Formteil gebildet werden.According to a further proposal of the invention, the insulating layer formed by a one-part or multi-part molded part surrounding the ceramic body will.

Derartige Formteile werden in bekannter Weise durch Vakuumgießverfahren aus dem genannten Material hergestellt. Nach einem anderen Vorschlag soll die Isolierschicht aus einem keramischen Laminat aus feuerfestem Papier und feuerfestem Zement bestehen.Such molded parts are made in a known manner by vacuum casting made of said material. According to another suggestion, the insulating layer should consist of a ceramic laminate of refractory paper and refractory cement.

Weiterhin sollen Mittel zur Herstellung eines formschlüssigen Verbundes zwischen der Isolierschicht und dem Gußgehäuse vorgesehen sein, da mitunter das Material der Isolierschicht von der metallischen Schmelze nicht benetzt wird und dann ein mechanischer Verbund nicht sichergestellt ist. Dazu können die dem Gußgehäuse zugewandten Flächen der Isolierschicht eine extreme Rauhigkeit oder besondere, in das Gehäusematerial hineinragende Nocken aufweisen. Nach einem anderen Vorschlag sollen an den dem Gußgehäuse zugewandten Flächen der Isolierschicht taschenförmige Ansätze angeordnet sein, die bei dem Gießvorgang von der Metallschmelze eingeschlossen werden.Furthermore, means for the production of a form-fitting composite should be be provided between the insulating layer and the cast housing, as sometimes the The material of the insulating layer is not wetted by the metallic melt and then a mechanical connection is not ensured. For this purpose, the cast housing facing surfaces of the insulating layer an extreme roughness or special, in have cams protruding into the housing material. According to another suggestion should be pocket-shaped on the surfaces of the insulating layer facing the cast housing Approaches may be arranged, which are enclosed by the metal melt during the casting process will.

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Figut 1 einen Konverter einer katalytischen Abgasreinigungsanlage im Längsschnitt, Figur 2 einen Querschnitt durch den Konverter nach Figur 1 gemäß den Schnittlinien II-II, Figur 3 einen der Ausführung nach Figur i ähnlichen Konverter, bei dem jedoch die Isolierschicht aus zwei einzelnen Formteilen zusammengesetzt ist und Figur 4 den- von der Isolierschicht umgebenen keramischen Körper aus der Figur 3 vor dem Gießvorgang.Further advantages and the essential features of the invention are included in the description below that includes those shown in the drawing Embodiments of the invention explained in more detail. They show: FIG. 1 a converter a catalytic exhaust gas cleaning system in longitudinal section, Figure 2 is a cross section through the converter of Figure 1 according to the section lines II-II, Figure 3 one of the Execution according to Figure i similar converter, but in which the insulating layer is made is composed of two individual molded parts and FIG. 4 shows the insulating layer surrounded ceramic body from Figure 3 before the casting process.

Die Figur 1 stellt einen Konverter 1 einer katalytischen Abgasreinigungsanlage eines Kraftfahrzeuges dar, bei der ein monolithischer Katalysatorkörper 2 in einem metallischen Gußgehäuse 3 unter Zwischenschaltung einer keramischen Isolierschicht 8 gehalten ist. Das Gehäuse 3 weist Flansche 4 und 5 zur Einschaltung des Konverters 1 in eine hier nicht- dargestellte Abgasrohrleitung auf. Die Flansche 4 und 5 sind durch im Querschnitt kontinuierlich ansteigende Übergangsstücke 6 und 7 mit dem den keramischen Trägerkörper 2 haltenden Mittelteil 9 des Metallgehäuses 3 verbunden. nie Isolierschicht 8 bedeckt die gesamte Iniwand des Katalysatorgehäuses 3, wobei an der Isolierschicht vorgesehene taschenartige Ansätze 15 vorgesehen sind, die in das Gußgehäuse hineinreichen und beim Gießvorgang von der Metallschmelze vollständig eingeschlossen werden. Diese taschenförmigen Ansätze sind, wie aus der Figur 2 näher ersichtlich ist, über dem-Umfang verteilt an der Außenwand der Isolierschicht angeordnet. In der Zeichnung ist der von Abgas in Richtung des Pfeiles 14 durchströmte Konverter 1 mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, diesen Konverter auch mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise oval oder vieleckig auszuführen.FIG. 1 shows a converter 1 of a catalytic exhaust gas cleaning system a motor vehicle, in which a monolithic catalyst body 2 in a metallic cast housing 3 with the interposition of a ceramic insulating layer 8 is held. The housing 3 has flanges 4 and 5 for switching on the converter 1 in an exhaust pipe, not shown here. The flanges 4 and 5 are by continuously increasing cross-section transition pieces 6 and 7 with the the middle part 9 of the metal housing 3 holding the ceramic carrier body 2 is connected. Never insulating layer 8 covers the entire Iniwand of the catalyst housing 3, wherein provided on the insulating layer pocket-like lugs 15 are provided which Reach into the cast housing and from the molten metal during the casting process Completely be included. These pocket-shaped approaches are, as shown in FIG. 2, in more detail can be seen, arranged distributed over the circumference on the outer wall of the insulating layer. In the drawing, the exhaust gas flows through the converter in the direction of arrow 14 1 shown with a circular cross-section. However, it is easily possible to do this Converters also with other cross-sectional shapes, for example oval or polygonal to execute.

Während die Isolierschicht bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführung aus einem keramischen Laminat aus mehreren Lagen feuerfesten Papiers und feuerfesten Zements bestehen mag, ist in den Figuren 3 und 4 eine Ausbildung des Konvertes gezeigt, bei der die Isolierschicht aus zwei aus keramischem Tonerde-Silikat-Faser-Material gegossenen Formteilen 10 a und 10 b besteht, die, wie die Figur 4 zeigt, vor dem Vergießen der Metallschmelze über den keramischen Katalysatorträger 2 geschoben werden und dort mit einem feuerfesten Zement 11 verkleBt werden. An der Außenfläche der beiden Formteile 10 a und 10 b sind zur Erzielung eines guten mechanischen Verbundes mit dem Gußwerkstoff nockenförmige Erhebungen vorgesehen. Außerdem weisen die Formteile 10 a und 10 b an ihren dem Katalysatorkörper 2 abgewandten Enden angeformte Gießmarken 13 auf, mit denen der mit der Isolierschicht umhüllte Katalysatorkörper 2 für den Gießvorgang in einer entsprechenden Gießform gelagert wird. Beim Erstarren der Metallschmelze ergibt sich dann durch den Schrumpfungsvorgang eine radial gerichtete Spannung, die über die Isolierschicht auf den keramischen Trägerkörper 2 übertragen wird, so daß der keramische Trägerkörper fest in dem Katalysatorgehäuse 3 eingespannt ist.While the insulating layer in the one shown in FIGS Made from a ceramic laminate made of several layers of fireproof paper and refractory cement may consist, is an embodiment in Figures 3 and 4 of the conversion shown in which the insulating layer consists of two ceramic alumina-silicate-fiber material cast molded parts 10 a and 10 b, which, as Figure 4 shows, before Pouring the molten metal pushed over the ceramic catalyst carrier 2 and are glued there with a refractory cement 11. On the outside surface the two molded parts 10 a and 10 b are to achieve a good mechanical bond provided with the cast material cam-shaped elevations. In addition, the molded parts 10 a and 10 b molded casting marks at their ends facing away from the catalyst body 2 13, with which the coated with the insulating layer catalyst body 2 for the Casting process is stored in a corresponding mold. When the molten metal solidifies The shrinkage process then results in a radial tension, which is transferred to the ceramic carrier body 2 via the insulating layer, so that the ceramic support body is firmly clamped in the catalytic converter housing 3 is.

Die Erfindung sichert also eine feste Halterung des empfindlichen, keramischen Körpers in dem Metallgehäuse ohne die Verwendung einer Vielzahl von aufwendigen und bei ihrer Montage zeitraubenden Bauteilen. Am Innenumfang des Gußgehäuses ist eine aus keramischem Material best-ehende Isolierschicht vorgesehen, deren Wandstärke so groß gewählt ist, daß eine gute Isolierung des Katalysators und eine nur geringe Temperaturbelastung des Katalysatorgehäuses auftritt. Infolgedessen kann als Material für das Gehäuse ein Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, verwendet werden. Neben einer guten Isolierung bewirkt die Isolierschicht aber auch eine vorteilhafte Dämpfung des empfindlichen Katalysatorkörpers, so daß die beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges auftretenden Schläge und Stöße aufgefangen werden können und nicht zur Zerstörung des keramischen Trägerkörpers führen.The invention ensures that the sensitive, ceramic body in the metal housing without the Using a Large number of complex and time-consuming components to assemble. On the inner circumference the cast housing is provided with an insulating layer made of ceramic material, the wall thickness of which is chosen to be so large that the catalyst is well insulated and there is only a low temperature load on the catalytic converter housing. Consequently A light metal, preferably aluminum, can be used as the material for the housing will. In addition to good insulation, the insulating layer also has an advantageous effect Damping of the sensitive catalyst body, so that the operation of a motor vehicle Any blows and shocks that occur can be absorbed and not lead to destruction lead of the ceramic carrier body.

Claims

Expectations

Device for holding a device made of a ceramic material Body, in particular a monolithic catalyst body of a catalytic Exhaust gas cleaning system of internal combustion engines, with a ceramic body surrounding metallic housing, characterized in that the housing (3) as a cast housing cast around the ceramic body (2) is formed.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the ceramic body (2) and the cast housing (3) a high-temperature-resistant insulating layer (8, 10) is arranged.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the insulating layer (8, 10) consists of a ceramic fiber material.

4. Device according to claims 2 and 3, characterized in that that the insulating layer (8, 10) consists of a material whose coefficient of thermal expansion less than or at most equal to that of the material of the ceramic body (2) is.

5. Device according to claims 2 to 4, characterized in that that the insulating layer by a single or multiple, the ceramic body (2) surrounding molded part (10 a, 10 b) is formed.

6. Device according to claims 2 to 4, characterized in that that the insulating layer consists of a ceramic laminate of refractory paper and refractory cement.

7. Device according to claims 1 to 6, characterized in that that means (9, 12) for producing a form-fitting connection between the Insulating layer (8, 10) and the GuB housing (3) are provided.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the dem Cast housing (3) facing surface of the insulating layer (8, 10) has an extreme roughness having.

9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the dem Cast housing (3) facing surface of the insulating layer (10 a, 1Ob) in the housing material has protruding cams (12).

10. Apparatus according to claim 7, characterized in that the the cast housing (3) facing surfaces of the insulating layer (8) pocket-shaped approaches (15) are arranged, which are enclosed by the molten metal during the casting process will.

11. Device according to claims 1 to 10, characterized in that that the cast housing (3) consists of aluminum.

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