CATALYTIC OFF GAS PURIFICATION DEVICE AND PROCESS FOR ITS PRODUCTION

Abstract: 1. Catalytic exhaust gas purification device, comprising a metallic support matrix for the catalyst mounted in a housing and one fitting each for the supply pipe for the exhaust gas to be purified and for the discharge pipe for the purified exhaust gas, the metallic support metrix over its entire length being surrounded by a metal casing tube whose end facing the supply pipe is welded to the housing in a gas-tight manner along its entire circumference, characterised in that the casing tube (10) at its head end to be welded to the housing (1, 2, 3) protrudes axially over the head face (9) of the support matrix (4), that the casing tube (10), the intake portion (1) for the exhaust gas to be purified and the mantle of the housing (2, 3) are connected with each other by a common weld (12) directed circumferentially, and that the end of the casing tube (10) facing away from the supply pipe is float-mounted in the housing (2, 3).

Description: Katalytische Abgasreinigungseinrichtung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf eine katalytische Abgasreinigungseinrichtung mit einer in einem Gehäuse angeordneten metallischen Trägermatrix für den Katalysator und je einem Anschluss für die Zuleitung des zu reinigenden Abgases und die Ableitung des gereinigten Abgases, wobei die metallische Trägermatrix über ihre gesamte Länge von einem metallischen Hüllrohr umgeben ist, dessen der Zuleitung zugewandtes Ende über seinen gesamten Umfang gasdicht mit dem Gehäuse verschweisst ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Abgasreinigungseinrichtung. Insbesondere zur Verwendung in Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen ist es bereits bekannt, katalytische Abgasreinigungseinrichtungen in Auspufftöpfen anzuordnen. Als Trägermatrix für den Katalysator wird hiebei ein entsprechend poröser Körper eingesetzt, welcher aus gewellten und gerollten Blechen besteht. Bei entsprechender Wahl der Wanddicke der Metallzellen in Grössenordnungen von einigen hundertstel mm ergeben sich bei kleinen Abmessungen hohe Zellenzahlen je Querschnittseinheit bei geringem Gewicht. Derartige metallische Trägermatrizen eignen sich bevorzugt für den raumsparenden Einbau in Auspuffsystemen, wobei bei geringem Bauvolumen ein relativ geringer Abgasgegendruck für den Motor bei gleichzeitig hoher katalytischer Aktivität erzielt wird. Trägermatrizen können hiebei mit kreisrundem Querschnitt oder mit jedem beliebigen ovalen Querschnitt hergestellt sein und werden nach dem Beschichten mit katalytisch aktivem Material in eine Verpackung bzw. ein Gehäuse eingebaut. Beim Einbau in ein derartiges Gehäuse muss vor allen Dingen dafür Sorge getragen werden, dass das zugeleitete Abgas tatsächlich lediglich die mit katalytischem Material beschichteten Zellen der Trägermatrix durchströmt und nicht aussen an einer derartigen Trägermatrix vorbeiströmen kann. Bereits geringe Undichtheiten führen dazu, dass der grösste Teil des Abgases den Weg des geringeren Widerstandes durch die undichte Stelle nimmt, wodurch die Abgasreinigung nicht mehr erfolgt. Bisher wurde die Anordnung in einem Gehäuse so vorgenommen, dass unter Zwischenschaltung elastischer Zwischenlagen ein Festspannen in axialer Richtung im Inneren des Gehäuses erfolgte. Die Trägermatrix muss im Betrieb Temperaturdifferenzen von über 10000C ohne Beschädigung überstehen und es muss daher vor allen Dingen in axialer Richtung der Kanäle der Trägermatrix mit einer beträchtlichen Längenausdehnung bzw. Zusammenziehung aufgrund von Temperaturdifferenzen gerechnet werden. Das Festspannen mittels elastischer Zwischenlagen ist aus diesem Grunde immer mit dem Problem behaftet, dass die Dichtheit nicht vollständig garantiert ist. Nach mehrmaliger Verformung der elastischen Dichtungszwischenlagen kann im Bereich dieser Dichtungszwischenlagen eine Leckstelle auftreten und es genügen bereits geringe freie Durchströmquerschnitte, um zu verhindern, dass das Gas den Weg durch die Zellen der Trägermatrix nimmt und aussen an der Trägermatrix zwischen dem Gehäuse und der Trägermatrix vorbeiströmt (Bypass-Effekt). Aus der DE-A-28 15 317 ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei welcher ein quaderförmiger Trägerblock längs seiner Stirnkanten oder in einem mittigen Bereich mit einem Gehäuse verschweisst ist. Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung und des Zusammenbaues der Abgasreinigungseinrichtung zu schaffen, bei welcher mit wenigen Verfahrensschritten bei der Herstellung ein dichtender Anschluss des Hüllrohres an das Gehäuse erfolgt und diese dichtende Verbindung auch bei unterschiedlichen Ausdehnungen des Hüllrohres relativ zum Gehäuse in keiner Weise mechanisch überbeansprucht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass das Hüllrohr an seinem mit dem Gehäuse zu verschweissenden Stirnende über die Stirnfläche der Trägermatrix in axialer Richtung, vorzugsweise über eine axiale Länge von wenigstens 15 mm, vorragt, dass das Hüllrohr, der Einlaufteil für das zu reinigende Abgas und der Mantel des Gehäuses über eine gemeinsame in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht miteinander verbunden sind, und dass das der Zuleitung abgewendete Ende des Hüllrohres schwimmend im Gehäuse gelagert ist. Dadurch, dass das Hüllrohr der Trägermatrix an ihrer der Zuleitung des zu reinigenden Abgases zugewandten Stirnseite über ihren ganzen Umfang starr und gasdicht am Gehäuse festgelegt ist, können elastische Dichtungseinlagen mit den mit derartigen Einlagen verbundenen Dichtungsproblemen an dieser Stelle entfallen. Die thermische Ausdehnung kann an der dieser Stirnseite gegenüberliegenden Stirnseite der Trägermatrix berücksichtigt werden, wobei an dieser Stirnseite nur mehr das gereinigte Abgas austritt. Es genügt hiefür, die der Zuleitung abgewandte Stirnseite schwimmend im Gehäuse zu lagern, um der thermischen Ausdehnung Rechnung zu tragen, wobei es an dieser Stelle unerheblich ist, ob hier ein dichtender Abschluss vorliegt oder nicht. Dadurch, dass das Hüllrohr über den gesamten Umfang der der Zuleitung zugewandten Stirnseite mit dem Gehäuse verschweisst ist, wird die Trägermatrix selbst nicht beeinträchtigt und der Schweissvorgang kann ohne nachteilige Veränderungen der Trägermatrix vorgenommen werden. Die gemeinsame Schweissnaht ermöglicht einen raschen und von Schweiss automaten mit hoher Präzision durchführbaren gasdichten Zusammenbau an der Einlaufseite, wobei gleichzeitig im gleichen Arbeitsgang Einlaufteil und Gehäuse miteinander verbunden werden. Die Ausbildung zeichnet sich darüberhinaus strömungstechnisch dadurch aus, dass die gesamte freie Querschnittsfläche des Katalysatorträgers gleichmässig von zu reinigenden Abgasen durchströmt werden kann, sodass mit geringen Querschnittsabmessungen für den Katalysatorträger das Auslangen gefunden werden kann. Um sicherzustellen, dass beim Schweissvorgang keine Beschädigung der Trägermatrix erfolgt, ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass das Hüllrohr an seinem mit dem Gehäuse zu verschweissenden Stirnende über die Stirnfläche der Trägermatrix in axialer Richtung, vorzugsweise über eine axiale Länge von wenigstens 15 mm, vorragt. Um eine relative Ausdehnung des Hüllrohres mit der Trägermatrix in radialer Richtung zuzulassen, ohne dass dies zu einer Überbeanspruchung des Gehäuses bzw. der Verpackung führt, und um das Gehäuse oder die Verpackung nur in geringerem Masse der hohen Temperaturbelastung zu unterwerfen, ist es vorteilhaft, das Hüllrohr der Trägermatrix in an sich bekannter Weise unter Zwischenschaltung einer isolierenden Zwischenschicht, insbesondere einem Faservlies, Keramikfaservlies oder Steinwolle, im Gehäuse zu lagern. Die erfindungsgemässe Ausbildung ermöglicht den besonders einfachen Aufbau der Abgasreinigungsvorrichtung aus nur wenigen miteinander zu verbindenden Teilen, wobei gegenüber den bekannten Ausbildungen eine beträchtliche Verringerung des Montageaufwandes erzielt wird. In besonders vorteilhafter Weise gilt dies für eine Ausbildung, bei welcher das Gehäuse aus zwei in einer die Längsachse des Gehäuses enthaltenden Ebene oder einer zu dieser Längsachse parallelen Ebene geteilten Halbschalen sowie einem im wesentlichen kegelförmigen Einlaufteil mit dem Anschluss für die Zuleitung zusammengesetzt ist. Die in einer zur Längsachse parallelen Ebene geteilten Halbschalen können hiebei in radialer Richtung vorspringende Flansche aufweisen, welche in einfacher und konventioneller Weise durch Verschweissung miteinander verbunden werden können. In vorteilhafter Weise ist diese Ausbildung so weitergebildet, dass der kegelförmige Einlaufteil innerhalb der Halbschalen des Gehäuses endet und die in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht zur Verbindung des Hüllrohres mit den Halbschalen einwärts übergreift. Zur Verbesserung der Verteilung des zu reinigenden Abgases über den gesamten zur Verfügung stehenden Querschnitt der Trägermatrix ist in vorteilhafter Weise im Inneren des Einlaufteiles ein perforierter Leitkegel mit zum Einlaufteil entgegengesetzt verlaufender Konizität angeordnet. Ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung einer derartigen Abgasreinigungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Trägermatrix mit dem Hüllrohr mit einer isolierenden Umhüllung in eine Gehäusehalbschale eingelegt, hierauf eine zweite Halbschale aufgesetzt und längs der Trennungslinie der Halbschalen mit der ersten Halbschale verschweisst wird, und dass anschliessend vor dem oder gleichzeitig mit dem Ansetzen eines Einlaufteiles mit dem Anschluss für die Zuleitung des Abgases eine Umfangsschweissung zur Verbindung der Stirnseite des Hüllrohres der metallischen Trägermatrix mit den verschweissten Halbschalen und gegebenenfalls mit dem Einlaufteil vorgenommen wird. Diese besonders vorteilhafte und kostengünstige Herstellungsweise ergibt sich nicht zuletzt aus dem einfachen, nur wenige Teile aufweisenden Aufbau des Gehäuses, wobei als Schweissverfahren eine WIG-Schweissung, d.h. somit eine Inertgasschweissung mit einer Wolframelektrode besonders bevorzugt ist. Ebenso kann auch die Verschweissung des Einlaufteiles mit den Halbschalen bzw. der Innenseite eines nach aussen über die Trägermatrix vorspringenden Ringbordes des Hüllrohres mit einer derartigen WIG-Schweissung vorgenommen werden. Bei stumpfer Verschweissung der Stirnseite der Halbschalen, des Hüllrohres und des ringförmigen Randes des Einlaufteiles wird besonders bevorzugt eine Magnetarc-Schwei Bung vorgenommen, wobei die gebildete in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht ein hohes Mass an Dichtheit sicherstellt. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine katalytische Abgasreinigungseinrichtung zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, die Fig. 2 und 3 vergrösserte Darstellungen der Anschlussstellen der Trägermatrix an das Gehäuse, wobei Fig. 2 den einlaufseitigen Anschluss und Fig. 3 den auslassseitigen Anschluss darstellt, Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IV der Fig. 1 und Fig. 5 eine abgewandelte Ausbildung der Schweissverbindung zwischen dem Einlaufteil und dem Hüllrohr der Trägermatrix bzw. dem Gehäuse entsprechend der Ansicht nach Fig. 2. In Fig. 1 sind ein tiefgezogener Einlaufteil 1 sowie zwei Halbschalen 2 und 3 dargestellt, welche gemeinsam das Gehäuse für eine mit Edelmetall beschichtete Metallträgermatrix 4 darstellen. Die Metallträgermatrix ist innerhalb des zweischaligen Gehäuses unter Zwischenschaltung einer Isoliermatte 5 aus Keramikfaservlies angeordnet. Im Inneren des Einlaufteiles ist ein perforierter Leitkegel 6 angeordnet, welcher für die Verteilung des über den Anschluss 7 zugeführten zu reinigenden Abgases Sorge trägt. Der Anschluss für die Ableitung des gereinigten Gases ist mit 8 bezeichnet. Der Einlaufteil 1 weist bei dieser Ausführung einen einwärts ragenden Bord auf, welcher in das Innere eines die Stirnfläche 9 der Trägermatrix 4 um wenigstens 15 mm überragenden Hüllrohres 10 hineingesteckt ist. Die Stirnfläche 9 bzw. der nach aussen vorspringende Ringbord des Hüllrohres 10 ist mit den Halbschalen 2 und 3 in Umfangsrichtung verschweisst. Ebenso ist der Einlaufteil 1 an dieser Stelle mit dem Hüllrohr 10 der Trägermatrix verschweisst. An der dem Auslauf zugewendeten Stirnseite 11 ist das Hüllrohr der Trägermatrix schwimmend in den Halbschalen 2 und 3 gelagert. In Fig. 2 ist die an der Einlaufseite in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht vergrössert dargestellt und mit 12 bezeichnet. Analog ergibt sich aus Fig. 3 in deutlicher Vergrösserung die schwimmende Lagerung des dem Einlaufteil gegenüberliegenden Endes des Hüllrohres 10 der Trägermatrix 4. Zur Verbesserung des Haltes und zur Erhöhung der Stabilität sind in den Halbschalen in Umfangsrichtung verlaufende Rippen bzw. Soffiten 13 vorgesehen. Aus Fig. 4 ist die Verbindung der beiden Halbschalen 2 und 3 in einer die Längsachse 14 enthaltenden Teilungsebene 15 ersichtlich. Die Halbschalen 2 und 3 weisen hiefür auswärts gerichtete Flansche 16 und 17 auf. Die Ausbildung nach Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausbildung nach Fig. 2 lediglich durch die stumpfe Verschweissung des Einlaufteiles mit den Stirnflächen der Halbschalen 2, 3 und der Stirnfläche des Hüllrohres 10 der Trägermatrix 4. Für die stumpfe Verschweissung wird hier ein Magnetarc-Schweissverfahren bevorzugt. Sämtliche Blechteile, insbesondere der Einlaufteil 1, die Halbschalen 2, 3 und der Leitkegel 6 bestehen aus rostfreiem Blech mit der Werkstoff-Nr. 14512. Es handelt sich hiebei um den für derartige Zwecke üblicherweise verwendeten x 5 Cr Ti 12-Stahl, wie er für Schalldämpfer von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Dieser Stahl weist eine durchschnittliche Zusammensetzung von C = 0,8 Si = 1,0 Mn = 1,0 P = .045 S = .030 Cr 11,0/12,5 Mo = .5 Ni = .5 Ti = 6 x % C Rest Eisen und übliche Verunreinigungen auf. Das Hüllrohr 10 kann aus dem gleichen Material bestehen, wobei insbesondere auf gute Schweissbarkeit geachtet werden kann. Die erfindungsgemässe Anordnung der Trägermatrix im Gehäuse erlaubt sowohl die Ausdehnung in axialer als auch in radialer Richtung. Die in radialer Richtung vorgesehene Wärmeisolierung bringt ein besseres Anspringverhalten des Katalysators mit sich und verhindert eine übermässige Erwärmung des Aussengehäuses bzw. der Halbschalen 2 und 3. Die Ausführung kann ohne weiteres von der kreisrunden Querschnittsform abweichen und es sind ohne weiteres übliche ovale Querschnittsformen ohne Änderung des baulichen Aufwandes und der Konstruktion verwendbar.

Claims: Patentansprüche: 1. Katalytische Abgasreinigungseinrichtung mit einer in einem Gehäuse angeordneten metallischen Trägermatrix für den Katalysator und je einem Anschluss für die Zuleitung des zu reinigenden Abgases und die Ableitung des gereinigten Abgases, wobei die metallische Trägermatrix über ihre gesamte Länge von einem metallischen Hüllrohr umgeben ist, dessen der Zuleitung zugewandtes Ende über seinen gesamten Umfang gasdicht mit dem Gehäuse verschweisst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (10) an seinem mit dem Gehäuse (1, 2, 3) zu verschweissenden Stirnende über die Stirnfläche (9) der Trägermatrix (4) in axialer Richtung, vorzugsweise über eine axiale Länge von wenigstens 15 mm, vorragt, dass das Hüllrohr (10), der Einlaufteil (1) für das zu reinigende Abgas und der Mantel des Gehäuses (2, 3) über eine gemeinsame in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht (12) miteinander verbunden sind, und dass das der Zuleitung abgewendete Ende des Hüllrohres (10) schwimmend im Gehäuse (2, 3) gelagert ist. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gehäuse aus zwei in einer die Längsachse des Gehäuses enthaltenden Ebene oder einer zu dieser Längsachse parallelen Ebene geteilten Halbschalen (2, 3) sowie einem im wesentlichen kegelförmigen Einlaufteil (1) mit dem Anschluss (7) für die Zuleitung zusammengesetzt ist,dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmige Einlaufteil (1) innerhalb der Halbschalen (2, 3) des Gehäuses endet und die in Umfangsrichtung verlaufende Schweissnaht (12) zur Verbindung des Hüllrohres (10) mit den Halbschalen (2, 3) einwärts übergreift. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Einlaufteiles (1) ein perforierter Leitkegel (6) mit zum Einlaufteil (1) entgegengesetzt verlaufender Konizität angeordnet ist. 4. Verfahren zur Herstellung einer Abgasreinigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Trägermatrix (4) mit dem Hüllrohr (10) mit einer isolierenden Umhüllung < 5) in eine Gehäusehalbschale (2, 3) eingelegt, hierauf eine zweite Halbschale (3, 2) aufgesetzt und längs der Trennungslinie der Halbschalen (2, 3) mit der ersten Halbschale verschweisst wird, und dass anschliessend vor dem oder gleichzeitig mit dem Ansetzen eines Einlaufteiles (1) mit dem Anschluss für die Zuleitung des Abgases eine Umfangs schweissung zur Verbindung der Stirnseite des Hüllrohres (10) der metallischen Trägermatrix (4) mit den verschweissten Halbschalen (2, 3) und gegebenenfalls mit dem Einlaufteil (1) vorgenommen wird.

Inventors: DORNER, JOHANN, LAMPEL, WERNER
Applicants: VOEST-ALPINE ST. AEGYD AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: F01N3
IPC codes: F01N3, B01D53