Die Erfindung bezieht sich auf eine Halterung eines Wabenkörpers in einem Gehäuse, insbesondere in einem Gehäuse einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Wabenkörper werden insbesondere im Automobilbau zur Reinigung eines von einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgases eingesetzt.
Eine solche Halterung ist beispielsweise aus der US 4,948,353 und aus der US 5,079,210 bekannt. Auch aus der JP 8-294 632 ist eine ähnliche Halterung bekannt. Der dort beschriebene zylindrische Wabenkörper ist aus glatten und gewellten Blechen aufgebaut und ist von einem zylinderförmigen Mantel umgeben. Der Mantel weist über seinen Umfang verteilte Schlitze auf, welche von einer Stirnfläche des Mantels ausgehen. Der Wabenkörper mit dem Mantel ist dabei so ausgerichtet, daß die Schlitze während des Reinigungsprozesses des Abgases der Abgaseintrittsseite abgewandt sind. Der Wabenkörper ist mit dem Mantel lediglich im Bereich der Schlitze verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite, also der Abgaseintrittsseite, ist der Mantel mit einem zylindrischen, koaxial außen liegenden Gehäuse verbunden.
Untersuchungen bezogen auf das Verhalten eines derartigen Wabenkörpers unter thermischen Wechselbelastungen haben gezeigt, daß der Wabenkörper insbesondere nahe seinen Stirnseiten radial schrumpft. Dabei können im Verbindungsbereich zwischen dem Wabenkörper und dem Mantel Spannungen auftreten, die eine dauerhafte Anbindung des Wabenkörpers an den Mantel erschweren. Besonders Wabenkörper aus sehr dünnen Blechen, beispielsweise dünner als 0,03 mm oder sogar als 0,025 mm, nehmen eine tonnenähnliche Form an, wobei der mittlere Bereich seinen ursprünglichen Durchmesser behält, die Stirnseiten aber einen geringeren Durchmesser aufweisen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halterung eines Wabenkörpers in einem Gehäuse anzugeben, die insbesondere an das beschriebene Verhalten des Wabenkörpers bei sich ändernden Temperaturen angepaßt ist und somit eine dauerhafte Fixierung des Wabenkörpers im Gehäuse sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch einen Wabenkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Weitere vorteilhafte Einzelheiten von erfindungsgemäßen gehalterten Wabenkörpern sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist ein Wabenkörper mittels eines Innenmantelrohres in einem Gehäuse gehaltert, insbesondere einem Gehäuse einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Innenmantelrohr eine von zwei Rändern axial begrenzte Gesamtlänge hat, die wesentlich kleiner ist als die axiale Länge des Wabenkörpers, wobei weiter das Innenmantelrohr etwa axial mittig um den Wabenkörper angeordnet und mit diesem in mindestens einem axialen Abschnitt fügetechnisch verbunden, insbesondere verlötet, ist. Das Innenmantelrohr ist in einem Teilbereich innerhalb des axialen Abschnitts, in dem es innen mit dem Wabenkörper (1) verbunden ist, oder direkt angrenzend an diesen auch außen an oder in dem Gehäuse (2) befestigt, wobei die nicht mit dem Gehäuse (2), aber nach innen mit dem Wabenkörper (1) verbundenen Bereiche des Innenmantelrohres (7) als radial elastische Federelemente (18) ausgestaltet sind. Die erfindungsgemäße Halterung zeichnet sich dadurch aus, daß die Federelemente der Verformung des Wabenkörpers folgen können, ohne loszureißen, und gleichzeitig die Verbindung des Innenmantelrohres zum Gehäuse in dem Bereich erfolgt, in dem der Durchmesser des Wabenkörpers sich nur wenig ändert.
Eine kürzere Länge des Innenmantelrohres gegenüber dem Wabenkörper hat den Vorteil, daß besonders stark schrumpfende Bereiche des Wabenkörpers (wie zum Beispiel nahe den Stirnseiten) nicht in ihrer Bewegung behindert werden. Zusätzlich ist um diese Bereiche ein wärmeisolierender Spalt gebildet, die insbesondere das Aufheizverhalten des Wabenkörpers positiv beeinflußt, da die stimseitig eingebrachte Wärmeenergie an diesen Bereichen nicht an ein den Wabenkörper umgebendes Innenmantelrohr abgeleitet werden kann.
Die Federelemente können bevorzugt durch Schlitze gebildet und in Umfangsrichtung begrenzt sein, wodurch sich je nach deren Dimensionierung eine fast beliebige Elastizität einstellen läßt.
Insbesondere bei Wabenkörpern aus sehr dünnen Blechen in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen hat sich überraschenderweise bei Versuchen gezeigt, daß diese nicht nur auf der Gaseintrittsseite, sondern auch auf der Gasaustrittsseite erheblichen Belastunge durch Verformung unterliegen. Während die Erwärmung eines suchen Wabenkörpers durch ein Abgas primär über die Abgaseintrillseite erfolgt, kühlt der Wabenkörper gleichzeitig von beiden Stirnseiten her ab. Dies führt zu einer erhöhten radialen Schrumpfung des Wabenkörpers nahe den Stirnseiten gegenüber anderen Bereichen. Das Innenmantelrohr bildet dabei in Verbindung mit den Schlitzen Segmente aus, die sich ähnlich wie Biegefedern verhalten. Das bedeutet, daß diese Biegefedern, wenn sie mit dem Wabenkörper in Kontakt sind, der thermisch bedingten Expansion beziehungsweise Schrumpfung des Wabenkörpers zumindest radial folgen können. Derart können thermische Spannungen zwischen Wabenkörper und Innenmantelrohr deutlich reduziert werden. Daher ist eine Ausbildung von Federelementen zu beiden Seiten hin sehr vorteilhaft.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist der ganze Wabenkörper mit Halterung etwa symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet. Somit ist das Innenmantelrohr im wesentlichen symmetrisch aufgebaut, wodurch insbesondere die Montage einer solchen Halterung vereinfacht wird. Zusätzlich entspricht eine solche symmetrische Anordnung der im wesentlichen symmetrischen Verformung des Wabenkörpers während der Abkühlung.
Die Schlitze weisen mindestens einen Endbereich, eine Schlitzbreite und eine Schlitzlänge auf und begrenzen zumindest teilweise ein Federelement des Innenmantelrohres derart, daß das Federelement zumindest radial auslenkbar ist. Dies gewährleistet eine Reduzierung der thermisch induzierten Spannungen, welche aufgrund eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens von Innenmantelrohr und Wabenkörper entstehen können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Schlitzbreite mindestens 1 mm vorzugsweise mindestens 2 mm beträgt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Federelemente sich auch bei stärkerer Verformung nach innen nicht gegenseitig beeinträchtigen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Halterung variiert die Schlitzbreite über die Schlitzlänge. So kann die Schlitzbreite beispielsweise von einem Endbereich ausgehend in Richtung des Schlitzes zunehmen. Auf diese Weise kann die Biegefestigkeit des Federelementes in Abhängigkeit der thermischen Belastungen der Halterung exakt eingestellt werden. Die Schlitze können sich auch zumindest teilweise in Umfangsrichtung des Innenmantelrohres erstrecken. Damit ist gemeint, daß die Schlitze nicht ausschließlich gerade ausgeführt sind, sondern beispielsweise eine gewellte oder sinusförmige Ausprägung aufweisen können.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, daß die Schlitze in dem mindestens einen Endbereich eine Aussparung aufweisen. Die Aussparungen sind dabei so ausgeführt, daß die Ausbildung von Kerben im Endbereich der Schlitze verhindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halterung weisen zumindest einige Federelemente jeweils mindestens einen Querschlitz auf. Der Querschlitz verläuft dabei im wesentlichen parallel zu dem Rand des Innenmantelrohres. Die Querschlitze dienen der Einstellung einer bestimmten Biegesteifigkeit des Federelementes. Dabei bewirken eine größere Anzahl und/oder eine größere Länge von Querschlitzen in einem Federelement eine niedrigere Biegesteifigkeit, wodurch eine radiale Auslenkung bereits aufgrund niedrigerer Kräfte erfolgt. Hierbei ist es ebenfalls besonders vorteilhaft, die Querschlitze in wenigstens einem Endabschnitt mit einer Rundung zu versehen, wodurch eine Kerbenbildung aufgrund hoher dynamischer Beanspruchung vermieden wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Halterung weist der Wabenkörper Blechlagen auf, die so strukturiert sind, daß diese für ein Abgas durchströmbare Kanäle aufweisen. Der Wabenkörper weist dabei insbesondere wenigstens eine Kanaldichte von 800 cpsi ("cells per square inch"). Die Blechlagen sind mit Blechen ausgeführt, die eine Blechdicke vorzugsweise kleiner 0,03 mm, insbesondere kleiner als 0,025 mm, haben. Ein derartiger Wabenkörper eignet sich aufgrund seiner im Verhältnis zum Volumen sehr großen Oberfläche sehr gut als Trägerkörper für eine katalytisch aktive Beschichtung. Dadurch ist sichergestellt, daß einem vorbeiströmenden Abgas ausreichend katalytisch aktive Oberfläche zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Umsetzung von Schadstoffen im Abgas besonders effektiv ist. Die geringen Blechdicken, vorzugsweise kleiner 0,025 mm, verfügen über eine sehr geringe oberflächenspezifische Wärmekapazität. Dies hat zur Folge, daß der Wabenkörper nach einem Kaltstart sehr schnell eine Temperatur erreicht, welche für eine katalytische Umsetzung der Schadstoffe im Abgas benötigt wird.
Die Verbindung des Innenmantelrohres mit dem Gehäuse kann auf verschiedene Weise erfolgen, was anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird. Wichtig ist dabei, daß das Innenmantelrohr sich nicht lösen kann, die Verbindung zwischen Gehäuse und Innenmantelrohr jedoch nicht die Elastizität des Innenmantelrohres außerhalb des Teilbereiches, in dem die Verbindung zum Gehäuse erfolgt, beeinträchtigt.
Weitere Einzelheiten und besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wabenkörper und ihrer Halterung in einem Gehäuse werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1 in einem Gehäuse 2 einer Abgasanlage 3 (nicht dargestellt) einer Verbrennungskraftmaschine 4 (nicht dargestellt). Koaxial in dem Gehäuse sind der Wabenkörper 1 und ein Innenmantelrohr 7 angeordnet Das Innenmantelrohr 7 weist im wesentlichen axiale 5 Schlitze 6 auf und hat eine Gesamtlänge 9, welche von zwei Rändern 8 axial begrenzt ist. Die Mittelachse 5 deutet an, das Wabenkörper im allgemeinen rotationssymmetrisch oder mit ovalem bzw. elliptischen Querschnitt gestaltet sind. Das Innenmantelrohr 7 ist an seiner Außenseite in wenigstens einem gegenüber seiner Gesamtlänge 9 axial kleineren Teilbereich 10 (schraffiert) direkt oder indirekt mit dem Gehäuse 2 verbunden. Der Wabenkörper 1 hat eine axiale Wabenkörperlänge 11, die von den Stirnseiten 29 begrenzt wird. Der Wabenkörper 1 ist in dem Anbindungsbereich 19 (punktiert) mit der Innenseite des Innenmantelrohrs 7 verbunden. Die nicht mit dem Gehäuse 2, aber mit dem Wabenkörper 1 verbundenen Bereiche des Innenmantelrohres 7 sind als radial elastische Federelemente 18 ausgestaltet. Dies erlaubt eine fast ungehinderte Expansion oder Schrumpfung des Wabenkörpers 1 während thermischer Wechselbelastungen. Die Federelemente 18 sind durch Schlitze 6 begrenzt, die vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittelebene 14 des Innenmantelrohres 7 angeordnet sind. Dies unterstützt die im wesentlichen symmetrisch ablaufende Schrumpfung des Wabenkörpers 1 unter Betriebsbedingungen, die letzlich zu einer tonnenartigen Form führt, bei der der mittlere Bereich sich nur wenig verändert.
Die Schlitze 6 sind hier außerhalb der Mittelebene 14 angeordnet und erstrecken sich bei diesem Ausführungsbeispiel bis zu den Rändern 8 des Innenmantelrohres 7.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine 4 mit einer Abgasanlage 3. Das in der Verbrennungskraftmaschine 4 erzeugte Abgas wird durch die Abgasanlage in die Umgebung weitergeleitet. In dem Gehäuse 2 der Abgasanlage 3 sind Komponenten zur Reinigung des Abgases angeordnet. Figur 2 zeigt hier beispielhaft einen Wabenkörper, der durch ein Innenmantelrohr 7 mit Schlitzen 6 in dem Gehäuse 2 gehaltert ist.
Figuren 3 bis 8 zeigen verschiedene Befestigungsmöglichkeiten zwischen Innenmantelrohr 7 und Gehäuse 2. Dabei sind sehr verschiedene Befestigungsmöglichkeiten anwendbar, die gemeinsam haben, daß sie die Elastizität des Innenmantelrohres 7 im außermittigen Bereich nicht wesentlich beeinträchtigen.
Fig. 3 zeigt eine Formschlußverbindung, bei der über ein Zwischenstück 13 das Innenmantelrohr 7 in einer Sicke 12 des Gehäuses 2 gehaltert ist. Zur Vermeidung von Schwingungen kann bevorzugt eine Quellmatte 20 oder ein Material wie Glimmer als Zwischenschicht eingebracht sein.
Fig. 4 zeigt eine andere Art der Formschlußverbindung, die gleichzeitig einen radialen Schiebesitz 12, 13 bildet, der radiale, aber keine axialen Verschiebungen zuläßt. Wiederum kann eine Quellmatte 20 oder Glimmer als Zwischenschicht verwendet werden.
Fig. 5 zeigt eine besonders einfach aufgebaute und bevorzugte Ausführungsform, bei der das Innenmantelrohr 7 direkt in einer entsprechend geformten Außensicke 12 des Gehäuses 2 gehaltert ist, wiederum mit der Möglichkeit, eine Zwischenschicht 12 aus Glimmer oder dergleichen vorzusehen. eine Halterung ohne Zwischenschicht 20 ist jedoch möglich.
Fig. 6 zeigt eine Halterung, bei der das Innenmantelrohr 7 über ein rohrähntiches Zwischenstück 13 am Gehäuse 2 aufgehängt ist Dieses Zwischenstück 13 kann angelötet oder angeschweißt sein. Es kann auch aus verschiedenen durch axiale Schlitze getrennten Segmenten (nicht dargestellt) bestehen, was eine zusätzliche Elastizität der Befestigung bewirkt.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Ausführung wie Fig. 6, wobei jedoch das Innenmantelrohr 7 im Querschnitt S-förmig verformt ist, so daß es gleichzeitig ein Zwischenstück 13 bildet, welches am Gehäuse 2 befestigt ist.
Fig. 8 zeigt in schematischer Seitenansicht bei längsgeschnittenem Gehäuse 2 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist das Innenmantelrohr 7 mit axiallen Schlitzen 6 versehen, die etwa symmetrisch zu einem mittig angeordneten ringförmigen Zwischenstück 13 liegen. Diese Schlitze gehen jedoch nicht ganz bis zu den Rändern 8 des Innenmantelrohres 7. Dieses läßt sich beim Produktionsprozeß wegen der glatten Ränder 8 leichter handhaben als ein bis zu den Rändern geschlitztes Innenmantelrohr. Der Anbindungsbereich 19 (punktiert) zwischen Innenmantelrohr 7 und Wabenkörper 1 endet etwa bei halber Länge der Schlitze 6, so daß elastische Federelemente 18 auch bei nicht durchgehenden Schlitzen 6 entstehen. Das ringförmige Zwischenstück 13 kann außerdem so steif gemacht werden, daß bei thermischen Spannungen zwischen Wabenkörper 1 und Gehäuse 2 im wesentlichen das Gehäuse 2 geringfügig ausweicht.
Figur 9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Wabenkörper 1 und ein Innenmantelrohr 7, wobei der Querschnitt durch einen Bereich des Innenmantelrohres 7 angeordnet ist der keine Schlitze 6 aufweist. Der Wabenkörper 1 weist Blechlagen 25 auf, die so strukturiert sind, daß diese für ein Abgas durchströmbare Kanäle 26 bilden. Die Kanäle sind hier durch Stapeln von gewellten und glatten Blechen gebildet. Der Wabenkörper 1 wird anschließend durch Verschlingen oder Winden der Blechlagen 25 hergestellt. Vorzugsweise weist der Wabenkörper eine Knalldichte von mindesten 800 cpsi auf. Die Bleche 25 haben dabei eine Blechdicke 28, die vorzugsweise kleiner 0,025 mm beträgt.
Die erfindungsgemäße Halterung eines Wabenkörpers in einem Gehäuse gewährleistet eine dauerhafte Fixierung des Wabenkörpers insbesondere in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Die dabei auftretenden Temperaturdifferenzen und Druckschwankungen können durch die erfindungsgemäße Halterung kompensiert werden, indem die radiale Ausdehnung beziehungsweise Schrumpfung des Wabenkörpers nicht derart behindert werden, daß lebensdauerbegrenzende Spannungen zwischen dem Gehäuse und dem Wabenkörper entstehen.