Katalysatorbauteil mit wenigstens einem Katalysatorrohr und wenigstens einer Zwischenwand

Die Erfindung betrifft ein Katalysatorbauteil mit wenigstens einem Katalysatorrohr und wenigstens einer Zwischenwand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Katalysatorbauteil ist aus der der DE 89 05 415 Ul bekannt. Bei dem Katalysatorbauteil für

Verbrennungsmotoren, wird das Abgas einer Reaktionskammer in einem Katalysatorrohr zugeführt, in der es durch einen temperaturbeständigen, katalytisch wirkenden Einsatz gereinigt wird. Das Katalysatorrohr weist zur mechanischen Stabilisierung eine am Umfang umlaufende, in Form einer Wulst nach außen gerichtete Ausbördelung auf, die von einer Zwischenwand umgeben und mit dieser umlaufend verschweißt ist.

Bekannt sind auch Zwischenwände, deren innerer Rand nach innen in der Art eines U-Profils umgeschlagen ist und sich parallel zur Längsachse des Katalysatorrohrs erstreckt, etwa aus der DE 197 12 608 C2. Dies erfordert neben aufwändigen Ziehwerkzeugen für die Zwischenwände einen erhöhten Aufwand beim Verschweißen der Zwischenwände mit dem Katalysatorrohr.

Problematisch bei solchen Bauteilen ist, dass gerade bei einer Roboterfertigung die Katalysatorrohre umlaufend nicht vollständig automatisiert eingeschweißt werden können, wenn Störkonturen im Zusammenbau vorhanden sind. Dies erfordert teilweise aufwändige Nacharbeit, da bedingt durch eine schlechte Zugänglichkeit und fertigungstechnisch bedingte großen Schweißspalten die Roboterschweißung nicht ausreichend prozesssicher ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Katalysatorbauteils, das eine verbesserte automatisierte Roboterschweißung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen

Ein erfindungsgemäßes Katalysatorbauteil weist wenigstens ein Katalysatorrohr zur Aufnahme von Katalysatormaterial und wenigstens eine mit ihrem Boden quer zu einer Mittelachse des Katalysatorrohrs angeordnete Zwischenwand auf. Die Zwischenwand weist wenigstens eine öffnung dort auf, wo das Katalysatorrohr eingesetzt ist. Das Katalysatorrohr weist an wenigstens einem der Zwischenwand zugewandten freien Ende einen quer zur Mittelachse umgelegten Rand auf, der quer zur Mittelachse wenigstens bereichsweise mit dem Boden überlappt und an dem Boden befestigt ist, vorzugsweise an dem Boden mit einer Schweißnaht angeschweißt ist. Dadurch kann die Zwischenwand spaltfrei gegen den umgelegten Rand (Bördel) des Katalysatorrohrs gedrückt werden und zunächst geheftet oder unmittelbar ausgeschweißt werden. Dies erhöht die Prozesssicherheit sehr stark. Ein möglichst geringer Schweißspalt bedeutet eine erhöhte

Dauerhaltbarkeit des Bauteils, da die Schweißnähte im Betrieb durch die pulsierenden Abgase hoch belastet werden.

Der Rand kann nach außen umgelegt sein und weist einen größeren Durchmesser als das Katalysatorrohr selbst auf. Es kann am freien Ende des Katalysatorrohrs eine umlaufende Sicke vorgesehen sein, die nach innen gewölbt ist. Der Rand ist hier auch nach außen umgelegt, jedoch überragt er den Durchmesser des Katalysatorrohrs vorzugsweise nicht. Dadurch kann erreicht werden, dass benachbarte Katalysatorrohre eng benachbart mit minimalem Abstand angeordnet werden können. Dadurch ergeben sich eine sehr kompakte Bauweise und eine verbesserte Strömungsführung. Die Zwischenwand kann stumpf aufgeschweißt werden. Der Rand des Katalysatorrohrs kann auch nach innen gelegt sein. Auch hier ist ein stumpfes Schweißen von Zwischenwand und Katalysatorrohr möglich. Die beiden letzten Varianten ermöglichen einen minimalen Abstand zwischen nebeneinander liegenden Katalysatorrohren, wenn der Rand nicht über den Umfang des Katalysatorrohrs nach außen absteht. Weiterhin wird die Gleichverteilung des Abgases im Betrieb des Katalysatorbauteils mit mehreren Katalysatorrohren durch den minimalen Abstand der Katalysatorrohre verbessert. Weiterhin ergibt sich ein strömungsgünstiger Ein- und Austritt des Abgases im Katalysatorbauteil. Grundsätzlich können zwei oder alle der genannten Varianten auch in einem Bauteil kombiniert sein.

Die Zwischenwände können einfacher und damit kostengünstiger hergestellt werden. Der Einsatz einfacherer Ziehwerkzeuge für die Zwischenwände mit geringeren Investitionskosten und weniger

Verschließteilen ist möglich. Insgesamt ergibt sich auch eine strömungsgünstigere Bauform des Katalysatorbauteils mit geringerem Gegendruck und entsprechend geringerem Kraftstoffverbrauch bzw. mehr Leistung.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei gleichen Außenkonturen des Katalysatorbauelements die Zwischenwände für verschiedene Auspufftöpfe kostengünstig aus einem Ziehwerkzeug stammen können.

Vorteilhaft kann die Schweißnaht von der Mittelachse des Katalysatorrohrs her geschweißt sein. Dadurch können die Nähte zwischen dem umgelegten Rand und dem Boden der Zwischenwand vollständig mit einem Roboterwerkzeug geschweißt werden, auch wenn direkt daneben eine Störkontur wie etwa ein Durchgangsrohr angeordnet ist. Trotzdem kann problemlos eine gasdichte Schweißnaht erzeugt werden. Bei bekannten Konstruktionen können diese Schweißnähte meist nur bis zur Hälfte mit dem Roboter geschweißt werden.

Die Schweißnaht kann durch den Boden und den Rand durchgeschweißt sein. Ebenso kann die Schweißnaht eine Kehlnaht sein. Dadurch, dass die Schweißnaht vom Inneren des Katalysatorrohrs zugänglich ist, kann ein Schweißstrahl ungehindert entlang der Verbindungsstelle entlangfahren und eine gasdichte Schweißnaht gebildet werden. Der Schweißroboter muss nicht von außen um das Katalysatorrohr herum geführt werden, eventuell noch unter einem Winkel zur Längsachse des Rohrs.

Vorteilhaft können Rand und Boden senkrecht zur Mittelachse ausgebildet sein. Dadurch wird die Verbindung besonders einfach. Der umgebördelte Rand kann plan, mit

minimalem Schweißspalt, an den Boden gedrückt und mit diesem verbunden werden. Eine bessere Ebenheit der Zwischenwände wird erreicht, was ein vorteilhaftes Kriterium für den Gehäusebau darstellt.

Vorteilhaft kann, bezogen auf eine

Abgasströmungsrichtung, ausgangsseitig und eingangsseitig des Katalysatorrohrs je eine Zwischenwand vorgesehen sein. Das Katalysatorrohr kann vorteilhaft an seinen beiden der eingangsseitigen und ausgangsseitigen, der Zwischenwand zugewandten freien Enden einen nach außen umgelegten Rand aufweisen, der mit dem Boden bereichsweise radial überlappt und an je eine Bodenunterseite mit einer Schweißnaht angeschweißt ist. Die Enden des Katalysatorrohrs sind in der oben beschriebenen Art für den Schweißroboter frei zugänglich. Bevorzugt ist das Katalysatorbauelement ein Bauelement mit zwei Zwischenwänden. Es ist jedoch auch denkbar, zur Stabilitätserhöhung dazwischen weitere Zwischenwände anzuordnen, die in konventioneller Art ausgeführt sind. Diese brauchen jedoch nicht unbedingt mit einer vollständig umlaufenden Schweißnaht versehen zu sein, wenn das Katalysatorrohr in diesem Bereich durchgehend ausgebildet ist. Das Katalysatorrohr dient jeweils als Distanzhalter zwischen den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Zwischenwänden, wodurch sich geringere Toleranzsummierungen und formgenauere Baugruppen ergeben, was die Prozesssicherheit weiter erhöht. Gleichzeitig können die Katalysatorrohre in geringerem Abstand zueinander verbaut werden.

Die ausgangsseitige Zwischenwand kann mittels Lochschweißung am freien Ende des Katalysatorrohrs

befestigt sein. Ausgangsseitig ist eine gasdichte Schweißverbindung nicht erforderlich.

Die bezogen auf eine Abgasströmungsrichtung ausgangsseitig angeordnete Zwischenwand kann günstigerweise einen perforierten, einen Querschnitt des Katalysatorrohrs ü- berdeckenden Einsatz aufweisen. Werden die Zwischenwände bombiert (durchgezogen) , erhöht sich die Festigkeit der Zwischenwand. Als Bombieren bezeichnet man allgemein eine wölbende Verformung.

Weiterhin sind Materialeinsparungen möglich. Die Fertigung ist preisgünstig, weil die Durchzüge der Zwischenwände mit Bombierung in einem separaten Arbeitsganghergestellt werden können. Zusätzliche perforierte Töpfe am Katalysatorbauteilende entfallen, die zur besseren Verwirbelung, insbesondere bei einer Harnstoffhydrolyse im Abgas, und zur besseren Strömungsverteilung des Abgases eingesetzt werden. In bekannten Vorrichtungen muss ein solcher Topf ausgangsseitig an das Katalysatorrohr zusätzlich zur Zwischenwand angeschweißt werden. Durch die bevorzugte Bombierung mit einem perforierten Einsatz wird eine Schweißnaht eingespart und die Zwischenwand zusätzlich stabiler und belastbarer ausgeführt.

In einem bevorzugten Katalysatorbauteil können mehrere Katalysatorrohre parallel angeordnet und mit der wenigstens einen Zwischenwand verschweißt sein. Weiterhin können parallel auch Durchgangsrohre vorgesehen sein, ohne dass die Verschweißung der Katalysatorrohre durch einen Roboter gestört wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen

bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.

Dabei zeigen:

Fig. 1 a-d; im Schnitt Details an einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eines bevorzugten Katalysatorrohrs eines bevorzugten Katalysatorbauelements nach der Erfindung (Fig. Ia) und ein Vergleich mit einer üblichen Ausgestaltung (Fig. Ib) , ausschnittsweise eine alternative Ausgestaltung mit Sicke (Fig. Ic) und ausschnittsweise eine weitere alternative Ausgestaltung mit nach innen umgelegtem Rand (Fig. Id),

Fig. 2 einen überblick im Schnitt über ein bevorzugtes Katalysatorbauelement, das beispielhaft gleichzeitig sowohl eine bekannte als auch eine bevorzugte Ausgestaltung nach Fig. Ia und Fig. Ib zeigt, und

Fig. 3 eine Schrägansicht eines bevorzugten

Katalysatorbauelements mit mehreren parallelen Katalysatorrohren und Durchgangsrohren und Zwischenwänden.

In den Figuren sind funktionell gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Katalysatorbauteil 10 mit wenigstens einem Katalysatorrohr 12 zur Aufnahme von Katalysatormaterial 50 und wenigstens einer mit ihrem Boden 22 und 36 quer zu einer Mittelachse 28 des Katalysatorrohrs 12 angeordneten Zwischenwand 20, 34. Die Zwischenwand 20 ist eingangsseitig und die Zwischenwand 34 ist ausgangsseitig

am Katalysatorrohr 12 angeordnet. Fig. Ia zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung im Detail, während Fig. Ib als Vergleich eine bekannte Ausgestaltung zeigt. Fig. Ic zeigt eine alternative Ausgestaltung mit Sicke und Fig. Id eine weitere alternative Ausgestaltung mit nach innen umgelegtem Rand. Fig. 2 gibt eine übersicht auf ein Katalysatorbauteil 10 mit parallel zu ihrer Mittelachse 28 angeordnete zwei Katalysatorrohren 12 mit einer bezogen auf eine Abgas-Strömungsrichtung 48 im Betrieb eingangsseitigen Zwischenwand 20, einer ausgangsseitigen Zwischenwand 34 und einer dazwischen angeordneten Zwischenwand 58 und zeigt gleichzeitig - lediglich zur Veranschaulichung - sowohl die bevorzugte (mit Ia bezeichnet) als auch die bekannte Ausgestaltung (mit Ib bezeichnet) in einem einzigen Bauteil vereint.

In der bekannten Ausgestaltung in Fig. Ib ist das Katalysatorrohr 12' an seinem oberen freien Ende 16' mit einem inneren Schenkel der Zwischenwand 20' verschweißt, deren runder Durchzug in der Schnittdarstellung der Fig. Ib als U-Profil erscheint. Der innere Schenkel erstreckt sich parallel zur Mittelachse 28 (Fig. 2) des Katalysatorrohrs 12' . Im Katalysatorrohr 12' ist ein Katalysatormaterial 50 gelagert, das mit einer Lagermatte 52 an einer Innenseite des Katalysatorrohrs 12' anliegt. Das Katalysatorrohr 12' ist an seinem ausgangsseitigen freien Ende 30' mit seinem Außenmantel mit einem inneren Schenkel des Durchzugs der Zwischenwand 34' verschweißt, welcher sich ebenso parallel zur Mittelachse 28 erstreckt. Zusätzlich ist ein perforierter Topf 56 in das Katalysatorrohr 12' eingesetzt, der mit seiner Außenseite mit der Innenseite des Katalysatorrohrs 12' verschweißt ist. Durch die Ausgestaltung der Zwischenwände 20' und 34' und die geraden Enden 16', 30' des

Katalysatorrohrs 12' muss die jeweilige Schweißnaht 26' bzw. 54' von außerhalb des Katalysatorrohrs 12' ausgeführt werden. Ein Schweißroboter muss daher umlaufend und um einen Winkel geneigt um das Katalysatorrohr 12' geführt werden.

In der bevorzugten Ausgestaltung nach Fig. Ia weist das mit Lagermatte 52 und Katalysatormaterial 50 gefüllte Katalysatorrohr 12 an seinen der eingangsseitigen Zwischenwand 20 bzw. der ausgangsseitigen Zwischenwand 34 zugewandten freien Enden 16 bzw. 30 jeweils einen nach außen umgelegten Rand 18 bzw. 32 auf, der jeweils mit dem Boden 22 bzw. 38 der Zwischenwand 20, 34 wenigstens bereichsweise radial überlappt und an dessen Bodenunterseite 24 bzw. 38 mit einer Schweißnaht 26 bzw. 54 stumpf angeschweißt ist. Die umgebördelten Ränder 18 und 32 und die Böden 24 und 36 der Zwischenwände 20, 34 sind senkrecht zur Mittelachse 28 ausgebildet. Die Ränder 18, 32 können daher praktisch spaltfrei an die Bodenunterseiten 24, 38 gelegt und befestigt werden, z.B. stumpf geschweißt werden.

Fig. Ic zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine umlaufende Sicke 60, die nach innen gewölbt ist, vorgesehen und der Rand 18 ebenfalls nach außen umgelegt ist. Das Katalysatorrohr 12 kann an seinen beiden Enden 16, 30 in dieser Weise ausgestaltet sein. Die Ausgestaltung in Fig. Id zeigt ein Beispiel, in dem der Rand 18 des Katalysatorrohrs 12 nicht nach außen, sondern nach innen gelegt ist. Auch hier kann das Katalysatorrohr 12 an seinen beiden Enden 16, 30 in dieser Weise ausgestaltet sein. Weiterhin ist auch hier ein stumpfes Schweißen von Zwischenwand 20 und Katalysatorrohr 12 möglich. Diese beiden Varianten ermöglichen einen minimalen Abstand

zwischen nebeneinander liegenden Katalysatorrohren 12, weil der Rand 18 nicht über den Umfang des Katalysatorrohrs 12 nach außen absteht. Benachbarte Katalysatorrohre 12 können ohne Abstand zueinander eingebaut werden, was sowohl eine günstigere Strömungsverteilung als auch Strömungsführung ermöglicht. Ein fertigungsbedingter großer Abstand 62 kann durch eine Zweiteilung des Katalysatorrohrs und anschließendem Verschweißen stark verringert werden.

Das Katalysatorrohr 12 dient jeweils als Distanzhalter zwischen den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Zwischenwänden 20, 34, wodurch sich geringere Toleranzsummierungen und formgenauere Baugruppen ergeben. Gleichzeitig können die Katalysatorrohre 12 in geringerem Abstand zueinander verbaut werden.

Die eingangsseitige Schweißnaht 26 und die ausgangsseitige Schweißnaht 54 können daher von der Mittelachse 28 des Katalysatorrohrs 12 her geschweißt werden, wobei sie durch den Boden 22, 36 und den Rand 18, 32 durchgeschweißt sein kann oder auch als Kehlnaht ausgeführt sein kann.

Die eingangsseitige Schweißnaht 26 wird zweckmäßigerweise gasdicht ausgeführt, währen die ausgangsseitige Schweißnaht 54 nicht gasdicht sein muss. Hier kann z.B. eine Lochschweißung durch eine Reihe von öffnungen 40 im Boden 36 der ausgangsseitigen Zwischenwand 34 erfolgen oder durch den Boden 36 und den Rand 32 durchgeschweißt werden

Die ausgangsseitig angeordnete Zwischenwand 34 weist vorteilhaft einen perforierten, einen Querschnitt des

Katalysatorrohrs 12 überdeckenden Einsatz 42 auf. Der Einsatz 42 wird durch Bombieren der Zwischenwand 34 erzeugt, indem eine Wölbung des Materials der Zwischenwand 34 erzeugt wird, die in eingebautem Zustand in Strömungsrichtung 48 weist. Dadurch wird die Zwischenwand 34 sehr stabil. Der Einsatz 42 ist perforiert und mit einer Mehrzahl von öffnungen 44 versehen und verbessert die Strömungsverteilung des Abgases und sorgt gegebenenfalls für eine bessere Verwirbelung des Abgases bei einer Harnstoffhydrolyse .

Die Zwischenwand 34 ist hier so ausgestaltet, dass sie als Ausblasschutz für die Lagermatte 52 dienen kann, so dass kein separater Ausblasschutz vorgesehen werden muss. Daher kann für die Lagermatte 52 ein preiswerteres Material vorgesehen sein.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Katalysatorbauteils 100 mit mehreren Katalysatorrohren 12, die parallel angeordnet sind sowie zwei parallel dazu angeordnete Durchgangsrohre 14. Die Katalysatorrohre 12 bzw. die Durchgangsrohre 14 können teilweise auch Strukturen und Perforierungen etwa zur Strömungsverteilung oder auch zur Schalldämmung aufweisen.

Eingangsseitig bezogen auf die Strömungsrichtung 48 des Abgases im Betrieb ist eine Zwischenwand 20 vorgesehen, die in der vorstehend beschriebenen Weise mit den umgebördelten Katalysatorrohren 12 verschweißt ist. Ebenso ist eine ausgangsseitige Zwischenwand 34 vorgesehen, die mit den umgebördelten Katalysatorrohren 12 verschweißt ist (siehe Fig. Ia) . Es ist auch eine mittlere Zwischenwand 58 dargestellt, die zur weiteren

Stabilisierung vorgesehen ist und z.B. lediglich punktweise befestigt sein kann. Es ist ersichtlich, dass die Schweißnähte 26 (der übersichtlichkeit sind nur wenige beziffert) der umgebördelten Katalysatorrohre 12 unproblematisch für einen nicht dargestellten Schweißroboter zugänglich sind.