DE19731987A1 - Halterung eines Trägerkörpers in einem Mantelrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper, welcher im Inneren eines Mantel­ rohres angeordnet ist und von einem Fluid durchströmbar ist. Der Waben­ körper dient insbesondere als Trägerkörper für ein katalytisch wirksames Material, mittels welchem eine Umsetzung von in Abgasen eines Verbren­ nungsmotors enthaltenen schädlichen Komponenten in unschädliche Stoffe erfolgt.

Mechanische Schwingungen des in einem Mantelrohr angeordneten Wabenkör­ pers können durch unterschiedliche Anregungsmechanismen entstehen. Beispielsweise können bei einem in einem Mantelrohr angeordneten Waben­ körper, welcher als Katalysator-Trägerkörper dient und im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, transversale Schwingungen des Mantel­ rohres durch Vibrationen des Verbrennungsmotors entstehen, welche über weitere Teile des Abgassystems vom Verbrennungsmotor übertragen werden. Insbesondere kann beim Auftreten von Resonanzschwingungen die zwischen dem Mantelrohr und dem Wabenkörper vorhandene Verbindung beschädigt oder zerstört werden. Daher ist versucht worden, die Verbindung zwischen dem Mantelrohr und dem Wabenkörper so zu gestalten, daß im Einsatz des Katalysator-Trägerkörpers, bei welchem dieser den oben erwähnten Schwin­ gungen ausgesetzt ist, die Verbindungen zwischen dem Mantelrohr und dem Wabenkörper durch ein versteiftes Mantelrohr möglichst dauerhaft sind.

Aus der DE 41 12 354 A1 ist ein aus mehreren Lagen gewellter Bleche oder glatter und gewellter Bleche bestehender Wabenkörper bekannt, bei welchem das den Wabenkörper umgebende Mantelrohr mit dem Wabenkörper verschweißt ist. Zur Erleichterung des Schweißvorganges und zur Erzielung einer möglichst dauerhaften Verbindung des Mantelrohres mit dem Waben­ körper ist die äußere Schicht des Wabenkörpers aus mehreren einander überlappenden glatten Endabschnitten der gewellten Bleche oder der gewell­ ten und glatten Bleche ausgebildet, wobei die Endabschnitte etwa gleich lang und etwa gleichmäßig über den Außenumfang des Wabenkörpers verteilt sind. Das Mantelrohr und der Wabenkörper sind mittels einer zick-zack­ förmig über den Umfang des Mantelrohres verlaufenden Schweißnaht ver­ bunden. Diese zick-zack-förmige Schweißnaht ist in einem mittleren Ab­ schnitt des Katalysator-Trägerkörpers angeordnet.

Aus der DE 43 03 950 C1 ist ein als Katalysator-Trägerkörper dienender metallischer Wabenkörper bekannt, welcher in einem inneren und einem äußeren Mantelrohr gehaltert ist. Das innere Mantelrohr weist eine gekröpf­ te Form auf, wobei ein erstes Teilstück des inneren Mantelrohres an einem Teilstück der Lange des Wabenkörpers nur anliegt und wobei durch die Kröpfung ein weiterer Teilbereich mit dem äußeren Mantelrohr verbunden ist. Dadurch sind Wabenkörper und äußeres Mantelrohr thermisch und mechanisch entkoppelt.

Eine weitere mögliche Ursache für die Beschädigung oder Zerstörung der Verbindung zwischen Wabenkörper und Mantelrohr sind nämlich thermisch bedingte Änderungen der Abmessungen des Wabenkörpers und des Mantel­ rohres. Aus diesem Grunde ist in der DE 195 07 299 A1 vorgeschlagen worden, eine Verbindung des Wabenkörpers mit dem Mantelrohr nur in einem Teilbereich der axialen Länge des Mantelrohres herzustellen. Vor­ zugsweise liegt der Verbindungsbereich zwischen Wabenkörper und Mantel­ rohr etwa in der Mitte der axialen Länge des Mantelrohres.

Ein wesentlicher Nachteil der im Stand der Technik bekannten Verbindungen zwischen Wabenkörper und Mantelrohr besteht darin, daß relativ großflächige Verbindungen aufgrund lokal unterschiedlicher Temperaturwerte und damit verbundener, durch Temperaturunterschiede bedingter Wärmespannungen sowie lokal auftretender Schwingungsbäuche nur eine relativ bedingte Halt­ barkeit gegenüber mechanischen Schwingungen und thermischen Belastungen aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen im Inneren eines Mantelrohres angeordneten und von Fluid durchströmbaren Wabenkörper zu schaffen, dessen Verbindung zwischen Mantelrohr und Wabenkörper langzeit­ resistent gegenüber Schwingungen und weitgehend flexibel gegenüber thermi­ schen Wechselbelastungen ist und zur Reduzierung der Schwingungsamplitu­ den des Wabenkörpers beiträgt.

Diese Aufgabe wird mittels eines Wabenkörpers mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, mittels eines Wabenkörpers mit den Merkmalen gemäß An­ spruch 3 bzw. mit einem Wabenkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch speziell ausgebildete Verbindun­ gen zwischen Wabenkörper und Mantelrohr dadurch gelöst, daß die Ver­ bindungen/die Verbindung lediglich in einem definierten Teilbereich des Wabenkörpers bzw. der inneren Oberfläche des den Wabenkörper umgeben­ den Mantelrohres angeordnet sind bzw. ist. Das Mantelrohr, welches den Wabenkörper umgibt und im wesentlichen parallel zu einer zentralen Längs­ achse von einem Fluid durchströmbar ist, ist dabei an seiner Innenoberfläche an zumindest einem Teilbereich mit dem Wabenkörper verbunden. Be­ züglich der Längsachse ist dieser Teilbereich asymmetrisch angeordnet. Es können auch mehrere Teilbereiche der Innenoberfläche des Mantelrohres mit dem Wabenkörper verbunden sein, wobei die Verbindungen ebenfalls asym­ metrisch angeordnet sind. Unter asymmetrischer Anordnung soll verstanden werden, daß an keiner Stelle einer beliebigen Ebene senkrecht zur Längs­ achse Verbindungsbereiche angeordnet sind, welche bezüglich der Längsachse im wesentlichen 180° einander gegenüberliegen. Bezogen auf den Innen­ umfang der Innenoberfläche des Mantelrohres bedeutet dies, daß der Ver­ bindungsbereich, welcher in der Ebene senkrecht zur Längsachse liegt, kleiner ist als 180°, wobei der Verbindungsbereich sich als ein einzelner Teilbereich über dem Umfangswinkelbereich < 180° oder in mehreren separaten Teilbereichen darüber erstreckt. Solange der Winkel, über wel­ chen sich der Teilbereich am Innenumfang des Mantelrohres erstreckt, kleiner als 180° ist, existiert in einer definierten beliebigen Ebene senkrecht zur Längsachse kein Verbindungsbereich, welcher 180° gegenüberliegend zu sich ebenfalls einen Verbindungsbereich aufweist. Durch diese asymmetri­ sche Anordnung des Teilbereiches, in welchem die Verbindung zwischen Mantelrohr und Wabenkörper hergestellt ist, ist einerseits eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zwischen Mantelrohr und Wabenkörper hergestellt, solange diese Verbindung sich im wesentlichen an den Stellen befindet, an welchen ansonsten die größten Schwingungsamplituden auftreten, und weist der Katalysator-Trägerkörper außerdem eine ausreichend hohe Flexibilität auf, um thermische Belastungen, insbesondere infolge von Temperaturunterschie­ den, aufnehmen zu können.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Wabenkörper, welcher im wesentlichen parallel zu seiner Längsachse von einem Fluid durchström­ bar ist, mit einem Mantelrohr umgeben, welches an seiner Innenoberfläche an zumindest einem Teilbereich eine Verbindung mit dem Wabenkörper aufweist. Das Mantelrohr ist dabei in dem Teilbereich mit dem Wabenkör­ per so verbunden, daß bezüglich der Längsachse einander gegenüberliegende Verbindungsbereiche existieren, welche in unterschiedlichen, senkrecht zur Längsachse liegenden Ebenen angeordnet sind. Es ist somit möglich, daß sich diese Verbindungsbereiche im wesentlichen 180°, bezogen auf den Umfang der Innenoberfläche des Mantelrohres, gegenüberliegen, ohne in den gedachten, senkrecht zur Längsachse angeordneten Ebenen zu liegen.

Vorzugsweise erstrecken sich gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Verbindungsbereiche jeweils nur über höchstens ein Drittel, vorzugsweise über ein Sechstel bis ein Viertel des Innenumfangs des Mantelrohres. Die Verbindungsbereiche können dabei als durchgängige Verbindungsbereiche ausgebildet sein oder können einen Verbindungsbereich bilden, welcher aus mehreren einzelnen Abschnitten besteht. Vorzugsweise ist der Teilbereich von den axialen Enden des Mantelrohres beabstandet. Das bedeutet, daß der in dem Teilbereich vorgesehene Verbindungsbereich in einem mittleren Abschnitt der axialen Längserstreckung des Katalysator-Trägerkörpers vor­ gesehen ist, d. h. einem Bereich, in welchem in der Regel die maximalen Schwingungsamplituden auftreten.

Es ist jedoch auch möglich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, daß sich der Teilbereich über die gesamte axiale Länge des Mantelrohrs er­ streckt. Dabei umfaßt der Teilbereich selbstverständlich nur einen bestimm­ ten Teil der Innenoberfläche des Mantelrohres. Vorzugsweise ist das Mantelrohr nur in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Verbindungs­ bereiche innerhalb des Teilbereichs mit dem Wabenkörper verbunden. Das heißt die Teilbereiche bzw. der Teilbereich, in welchem die Verbindungs­ bereiche zur Verbindung von Wabenkörper und Mantelrohr angeordnet sind, setzen bzw. setzt sich aus mehreren Verbindungsabschnitten zusammen, wobei die einzelnen Verbindungsabschnitte untereinander beabstandet sind.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das den Waben­ körper umgebende Mantelrohr in einem Teilbereich mit mindestens einer, die Schwingungsfestigkeit lokal erhöhenden Verstärkungsstruktur versehen. Dadurch ist es möglich, die Vorteile der Schwingungsunterdrückung mittels definierter, ausgewählter Verbindungsbereiche innerhalb der Innenoberfläche des Mantelrohres zur Verbindung von Mantelrohr und Wabenkörper mit den Vorteilen der Schwingungsunterdrückung durch zusätzliche Mittel zur Beein­ flussung der Eigenfrequenz und damit der Reduzierung der maximalen Schwingungsamplituden zu kombinieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Mantelrohr, welches in seinem Inneren den von einem Fluid durchströmbaren Wabenkörper aufweist, an seiner Innenoberfläche nur in einem Teilbereich, welcher im wesentlichen koaxial zur Längsachse des Wabenkörpers auf der Innenoberfläche des Mantelrohres mit einer Steigung im wesentlichen umläuft, mit dem Waben­ körper verbunden. Der Teilbereich läuft also wendelartig um die Innen­ oberfläche des Mantelrohres. Je nach Steigung dieses wendelartig umlaufen­ den Teilbereiches läuft ein solcher Teilbereich entweder einmal oder mehr­ mals oder nur zum Teil um die Innenoberfläche des Mantelrohres um. Dieser Teilbereich kann dabei sowohl an den axialen Enden des Katalysator- Trägerkörpers beginnen als auch lediglich in seinem mittleren Bereich umlaufen.

Vorzugsweise ist das Mantelrohr aus schräg aufgewickelten Streifen aufge­ baut. Beim Aufwickeln der Streifen zu einem Mantelrohr bilden die Stoß­ stellen eine wendelartig umlaufende Linie. Vorzugsweise sind die Teilberei­ che, in welchen sich die Verbindungsbereiche zur Verbindung von Mantel­ rohr und Wabenkörper befinden, in der Umgebung der Stoßstellen angeord­ net. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Mantelrohr und Wabenkörper im Teilbereich, d. h. im Stoßstellen-Umgebungsbereich mitein­ ander verschweißt. Die Schweißnaht ist vorzugsweise so ausgebildet, daß nach erfolgtem Aufwickeln des Streifens zu einem Mantelrohr nicht nur die Stoßstelle des Streifens, welche wendelartig umläuft, verschweißt wird, sondern die Schweißnaht so tief ist, daß darüber hinaus Mantelrohr und Wabenkörper miteinander verschweißt werden. Es ist jedoch auch möglich, daß der Verbindungsbereich von Mantelrohr und Wabenkörper beidseitig der Stoßstelle flächig oder mehrfach wendelartig verschweißt ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wabenkörper eine Mehrzahl mindestens teilweise strukturierter Blechlagen auf. Die Wände der strukturierten Blechlagen bilden eine Vielzahl von Kanälen, welche von einem Fluid durchströmbar sind, wobei die strukturierten Blechlagen lediglich in Teilzonen untereinander verlötet sind. Dadurch, daß die Verlötung nur in Teilzonen ausgeführt ist, besitzt der Wabenkörper eine relativ hohe Flexibilität gegenüber thermischen Belastungen, so daß wärmeausdehungs­ bedingte Verschiebungen einzelner Bauteilabschnitte untereinander leichter kompensiert werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Wabenkörper gemäß der Erfindung mit Verbindungsbereichen und einem Verstärkungselement im mittleren Bereich des Waben­ körpers; und

Fig. 2 einen Wabenkörper mit wendelartig umlaufendem Verbindungsbe­ reich.

In Fig. 1 ist ein Wabenkörper 1 dargestellt, welcher in einem Mantelrohr 2 angeordnet ist. Der Wabenkörper weist eine Längsachse 5 auf. Der Wabenkörper 1 selbst besteht aus einer Mehrzahl, mindestens teilweise strukturierter Blechlagen 4, 8. Zwischen im wesentlichen flachen, keine Wellungen aufweisenden Blechlagen 4 sind gewellte Blechlagen 8 angeordnet, welche zumindest in Teilzonen untereinander verlötet sind. Durch die Verbindung von gewellten 8 und im wesentlichen flachen Blechlagen 4 entstehen Strömungskanäle 9, durch welche Fluid geleitet werden kann. Auf der Oberfläche der strukturierten Blechlagen 4, 8 befindet sich das eigentli­ che Katalysatormaterial, welches zur Reinigung von schädlichen Komponenten aus dem Abgas eines z. B. Verbrennungsmotors dient. Der Wabenkörper 1 ist aus den einzelnen Blechlagen zu einem kompakten Körper gewickelt, geschlungen oder ist aus mehreren Lagen von gewellten und im wesentlichen flachen Blechlagen geschichtet aufgebaut.

Im mittleren Bereich des eine Längserstreckung der Länge L aufweisenden Wabenkörpers ist das Mantelrohr 2 an der inneren Oberfläche in Teilberei­ chen mit dem Wabenkörper verbunden, wobei die Teilbereiche zumindest abschnittsweise ausgebildete Verbindungsbereiche umfassen. Diese abschnitts­ weise ausgebildeten Verbindungsbereiche 6 laufen über einen im mittleren Bereich des Wabenkörpers 1 angeordneten Teilbereich und verlaufen auf einer wendelartigen Bahn. Diese Verbindungsbereiche des wendelartigen Teilbereiches 6 sind so angeordnet, daß kein Bereich existiert, bei welchem in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 5 ebenfalls Verbindungsbereiche 180° gegenüber von den vorgesehenen Verbindungsbereichen 6 existieren. Das bedeutet, daß die Teilbereiche bezüglich der Längsachse asymmetrisch angeordnet sind. Durch diese asymmetrische Anordnung wird einerseits eine hohe Flexibilität des im Mantelrohr 2 angeordneten Wabenkörpers erreicht, zum anderen gewährleistet ein derartig ausgebildeter Verbindungsbereich zur festen Verbindung von Mantelrohr 2 und Wabenkörper 1 eine ausreichende und dauerhafte Festigkeit gegenüber thermischer Belastung und gegenüber Schwingungsbelastung. Das Vorsehen einer am Außenumfang des Mantel­ rohres 2 umlaufenden sickenartigen Rippe 12 dient darüber hinaus der weite­ ren Erhöhung der Festigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In einem Mantelrohr 2 ist ebenfalls ein Wabenkörper 1 angeordnet. Dieser Wabenkörper weist ebenfalls eine Mehrzahl von zumindestens teilweise strukturierten Blechlagen auf, durch welche die Wände einer Vielzahl von von Fluid durchströmbaren Kanälen gebildet sind. Mantelrohr 2 und Wa­ benkörper 1 sind an der Innenoberfläche 11 des Mantelrohres 2 in einem wendelartig auf der Innenoberfläche 11 des Mantelrohrs 2 umlaufenden Teilbereich 6 kontinuierlich verbunden. Die wendelartige Verbindung zwischen Mantelrohr 2 und Wabenkörper 1 gewährleistet eine hohe Flexibili­ tät des Wabenkörpers gegenüber mechanischen Schwingungen und gegenüber thermischen Belastungen und besitzt darüber hinaus eine hohe Festigkeit. Eine solche wendelartig umlaufende Verbindung, vorzugsweise in Form einer Schweißverbindung verhindert darüber hinaus, daß sich die Verbindung zwischen Mantelrohr 2 und Wabenkörper I unter den harten Einsatzbedin­ gungen, welchen ein Katalysator-Trägerkörper ausgesetzt ist, reißt, sich löst oder anderweitig beschädigt wird.

Der erfindungsgemäßen Wabenkörper, welcher Verbindungen zwischen dem Mantelrohr 2 und dem Wabenkörper 1 an Teilbereichen 6 aufweist, welche so angeordnet sind, daß, bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Längsachse 5, die Verbindungsbereiche bzw. Verbindungsabschnitte 6 stets asymmetrisch angeordnet sind, erfüllt somit die Forderungen nach höherer Standzeit und Betriebszuverlässigkeit der Katalysator-Trägerkörper.

Bezugszeichenliste

1

Wabenkörper

2

Mantelrohr

4

flache Blechlage

5

Längsachse

6

Verbindungsbereiche/Teilbereiche

8

gewellte Blechlage

9

Strömungskanal

11

Innenoberfläche Mantelrohr

12

Rippe/Verstärkungsstruktur

Claims (13)

1. Wabenkörper (1), welcher im wesentlichen parallel zu einer zentralen Längsachse (5) von einem Fluid durchströmbar ist, mit einem den Wabenkörper (1) umgebenden Mantelrohr (2), welches an seiner Innen­ oberfläche an zumindest einem Teilbereich (6) mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (6) bezüglich der Längsachse (5) asymmetrisch angeordnet ist.

2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (6) bezüglich des Innenumfangs des Mantelrohres (2) über diesen nur zum Teil umläuft, insbesondere kleiner als 180° ist.

3. Wabenkörper (1), welcher im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (5) von einem Fluid durchströmbar ist, mit einem den Wabenkörper (1) umgebenden Mantelrohr (2), welches an seiner Innenoberfläche an zu­ mindest einem Teilbereich (6) mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (2) in dem Teilbereich (6) mit dem Wabenkörper (1) so verbunden ist, daß bezüglich der Längs­ achse (5) einander gegenüberliegende Verbindungsbereiche in unter­ schiedlichen, senkrecht zur Längsachse (5) liegenden Ebenen angeordnet sind.

4. Wabenkörper (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche im wesentlichen 180° einander gegenüberliegend angeordnet sind.

5. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsbereiche sich jeweils nur über höchstens ein Drittel, vorzugsweise über ein Sechstel bis ein Viertel des Innen­ umfangs des Mantelrohres (2) erstrecken.

6. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teilbereich (6) von den axialen Enden des Mantelroh­ res (2) beabstandet ist.

7. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teilbereich (6) sich über die gesamte axiale Länge (L) des Mantelrohres (2) erstreckt.

8. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mantelrohr (2) nur in einer Mehrzahl voneinander beabstandeter Verbindungsbereiche innerhalb des Teilbereiches (6) mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist.

9. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mantelrohr (2) in dem Teilbereich (6) mindestens eine die Schwingungsfestigkeit lokal erhöhende Verstärkungsstruktur (12) aufweist.

10. Wabenkörper (1), welcher von einem Fluid durchströmbar und von einem Mantelrohr (2) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (2) an seiner Innenoberfläche nur in einem Teilbereich (6), welcher im wesentlichen koaxial zur Längsachse (5) des Wabenkörpers (1) wendelartig auf der Innenoberfläche mit einer Steigung in' wesentli­ chen umläuft, mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist.

11. Wabenkörper (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (2) aus schräg aufgewickelten Streifen besteht, deren Stoß­ stellenumgebung den Teilbereich (6) bildet.

12. Wabenkörper (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (2) und der Wabenkörper (1) im Teilbereich (6) verschweißt sind.

13. Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wabenkörper (1) eine Mehrzahl mindestens teilweise strukturierter Blechlagen (4, 8) aufweist, welche die Wände einer Vielzahl von von Fluid durchströmbaren Kanälen (9) bilden und nur in Teilzonen untereinander verlötet sind.