Katalysator zur Abgasnachbehandlung mit verbesserter Struktur

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem aus zumindest einer Metallfolie aufgewickelten Wabenkörper, wobei der Wabenkörper eine Mittelachse aufweist, die sich entlang seiner axialen Erstreckung von einer Gaseintrittsseite des Wabenkörpers hin zu einer Gasaustrittsseite des Wabenkörper erstreckt, und der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von einer Gaseintrittsseite des Wabenkörpers hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind.

Stand der Technik

Zur Konvertierung von Schadstoffen aus dem von Verbrennungsmotoren emittierten Abgas werden metallische Katalysatoren in der Abgasanlage verbaut. Zur Verlkürzung der Aufheizzeit von den verbauten Katalysatoren kann eine elektrisch beheizbare Heizscheibe dem Katalysator vorgeschaltet werden. Diese Heizscheibe wird bei Katalysatoren mit metallischen Wabenkörper durch sogenannte Stützstifte gehalten, welche auf der einen Seite stoffschlüssig mit dem Stützkat verbunden sind und auf der anderen Seite stoffschlüssig mit der Heizscheibe verbunden sind. Die Stützstifte dienen einerseits zur mechanischen Fixierung der Heizscheibe relativ zum Katalysator und andererseits zur elektrischen Isolation der Heizscheibe vom Katalysator.

Solche Katalysatoren, die als Stützkatalysatoren zur Abstützung von Heizscheiben eingesetzt werden, werden regelmäßig durch das Aufeinanderstapeln und Aufwickeln einer Mehrzahl von Metallfolien erzeugt, wobei die Metallfolien abwechselnd glatt und strukturiert ausgeführt sind. Der durch das Aufwickeln erzeugte Wabenkörper wird in einen Trägermantel eingesetzt, wodurch der Katalysator seine endgültige Form bekommt. Die zwischen den glatten Folien und den strukturierten Folien ausgebildeten Strömungskanäle sind gerade und verlaufen regelmäßig parallel zur Mittelachse des Katalysators.

Alternativ sind Katalysatoren bekannt, welche keine glatten Folien aufweisen. Um dennoch Strömungskanäle im Wabenkörper auszubilden, die von einer Gaseintrittsseite hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmt werden können, sind die Folien derart strukturiert, dass die sich ergebenden Strömungskanäle in einem Winkel angestellt zur Mittelachse verlaufen. Dadurch werden sogenannte Kreuzwellungen oder sogenannten Heringbone Strukturen erzeugt.

Durch das Aufeinanderstapeln von strukturierten Folien mit jeweils entgegengesetzter Ausrichtung der Wellung wird das Ineinanderrutschen der strukturierten Folien vermieden.

Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die vorgenannten Katalysatoren, welche ohne Glattlage aufgebaut sind sowohl an der Gaseintrittsseite des Katalysators als auch an der Gasaustrittsseite schräggestellte Strömungskanäle aufweisen, die nicht parallel zur Mittelachse des Katalysators verlaufen. In solchen schräg gestellten Kanälen können die vorbeschriebenen Stützstifte nicht verwendet werden. Zudem ist es nachteilig, dass die Matrix des den Katalysator bildenden Wabenkörpers die Metallfolien bedingt durch die regelmäßig genutzten kleinen Biegeradien leicht beschädigt werden können.

Die Verwendung eines Stützkatalysators mit einer glatten Metallfolie zwischen den strukturierten Metallfolien ist nachteilig, da die Wärmekapazität des Wabenkörpers dadurch erhöht wird. Dadurch wird wiederum die Aufheizzeit bis zum Erreichen der optimalen Betriebstemperatur erhöht. Außerdem ist ein Wabenkörper mit glatten Metallfolien kostenintensiver in der Herstellung, da er einen höheren Materialbedarf aufweist. Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Katalysator zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, der ein hinsichtlich der verwendeten Metallfolien optimiertes Design aufweist, und insbesondere ohne den Einsatz von glatten Metallfolien zwischen den strukturierten Metallfolien auskommt und eine höhere Flexibilität des Wabenkörpers in axialer und/oder tangentialer Richtung aufweist.

Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem aus zumindest einer Metallfolie aufgewickelten Wabenkörper, wobei der Wabenkörper eine Mittelachse aufweist, die sich entlang seiner axialen Erstreckung von einer Gaseintrittsseite des Wabenkörpers hin zu einer Gasaustrittsseite des Wabenkörper erstreckt, und der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von einer Gaseintrittsseite des Wabenkörpers hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind, wobei der Wabenkörper entlang seiner axialen Erstreckung, entlang welcher die Mittelachse verläuft, in einzelne axiale Abschnitte unterteilt ist, wobei die axialen Abschnitte Strömungskanalabschnitte aufweisen, die entlang unterschiedlicher Winkel zur Mittelachse verlaufen.

Die Axialen Abschnitte beschreiben Bereiche entlang der axialen Erstreckung des Wabenkörpers. Die Gesamtheit der axialen Abschnitte bildet den gesamten Wabenköper mit seiner axialen Erstreckung aus. Die einzelnen axialen Abschnitte sind durch speziell ausgeformte Bereiche in den verwendeten Metallfolien erzeugt. Bevorzugt ist der Wabenkörper aus einem einzigen aufgewickelten Lagenstapelt erzeugt, so dass alle im Wabenkörper ausgebildeten axialen Abschnitte durch dieselben Metallfolien gebildet sind.

Die Vielzahl an Strömungskanälen, welche zwischen den Metallfolien ausgebildet sind, verlaufen von der Gaseintrittsseite des Wabenkörper hin zur Gasaustrittsseite. Erfindungsgemäß sind die Strömungskanäle dadurch gekennzeichnet, dass diese innerhalb der einzelnen axialen Abschnitte unterschiedliche Ausrichtungen in Bezug auf die Mittelachse des Wabenkörpers aufweisen können. Die Strömungskanäle innerhalb eines axialen Abschnitts können beispielsweise parallel zur Mittelachse verlaufen, in einem positiven Winkel zur Mittelachse angestellt sein, oder in einem negativen Winkel zur Mittelachse angestellt sein.

An den Übergängen zwischen den einzelnen axialen Abschnitten finden somit Umlenkungen der jeweiligen Durchströmungsrichtung in den einzelnen Strömungskanälen statt.

Durch den Wechsel von geraden axialen Abschnitten mit parallel zur Mittelachse verlaufenden Strömungskanälen und axialen Abschnitten mit schräg angestellten Strömungskanälen wird der Radius an den Umlenkpunkten vergrößert und somit die Matenalbelastung durch den Wellprozess reduziert. Hierdurch wird das Auftreten von Beschädigungen der Metallfolien im Herstellungsprozess verringert.

Der erfindungsgemäße Katalysator weist einen Wabenköper auf, der ohne eine Glattlage aufgebaut ist, welche regelmäßig zur Trennung der strukturierten Metallfolien verwendet wird, um das Ineinanderrutschen der Metallfolien zu unterbinden. Dadurch wird der Aufbau des Wabenkörpers einfacher und es wird weniger Material benötigt.

Je nach Ausgestaltung kann die Ausrichtung der Strömungskanäle in den axialen Abschnitten jeweils unterschiedlich sein, wobei sich parallel zur Mittelachse ausgerichtete Strömungskanäle und mit einem Winkel zur Mittelachse angestellte Strömungskanäle abwechseln.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder Strömungskanal entsprechend der Anzahl der axialen Abschnitte Strömungskanalabschnitte aufweist, welche sich jeweils entlang eines der axialen Abschnitte erstrecken. Die Strömungskanäle verlaufen alle von der Gaseintrittsseite hin zur Gasaustrittsseite des Katalysators. Somit verläuft auch jeder Strömungskanal durch alle axialen Abschnitte des Katalysators. Da der Wabenkörper in axialer Richtung nur aus einem Lagenstapel erzeugt wird, und somit die Metallfolien nicht unterbrochen sind, erststreckt sich jeder Strömungskanal durch die axialen Abschnitte, ohne durch die Übergänge zwischen den axialen Abschnitten unterbrochen zu werden. Ziel ist es eine möglichst hohe Durchströmung des Wabenkörpers zu ermöglichen, weswegen so wenig Strömungskanäle wie möglich blockiert werden sollten. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorkommen, dass einzelne Strömungskanäle deformiert werden und somit blockiert werden. Diese Fälle sind aber unwesentliche Nebeneffekte, die die Funktion und den Aufbau des Wabenkörpers grundsätzlich nicht verändern.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Strömungskanalabschnitte des axialen Abschnitts, welcher an der Gaseintrittsseite des Wabenkörpers beginnt, parallel zur Mittelachse des Wabenkörpers verlaufen und/oder die Strömungskanalabschnitte des axialen Abschnitts, welcher an der Gasaustrittsseite des Wabenkörpers endet, parallel zur Mittelachse verlaufen.

Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein vorgelagertes oder nachgelagertes Element gegenüber dem Katalysator fixiert werden soll. Insbesondere eine Heizscheibe, welche mit geraden in die Strömungskanäle eingesteckten und mit diesen dauerhaltbar verbundenen Stützstiften fixiert wird, kann so besonders einfach gegenüber dem Katalysator positioniert werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmungsrichtung der jeweiligen Strömungskanalabschnitte relativ zur Mittelachse in direkt zueinander benachbarten axialen Abschnitten unterschiedlich ist.

Bevorzugt weisen die Strömungskanäle Winkel zur Mittelachse auf, die zwischen 1 und 15 Grad, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 Grad betragen. Ein erfindungsgemäßer Katalysator hat bevorzugt eines Zelldichte von 600 cpsi bis 1200 cpsi (cells per square inch).

Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Länge der axialen Abschnitte zwischen 5mm und 50mm entlang der Mittelachse betragen. Die Länge der axialen Abschnitte ist bevorzugt zwischen 5mm und 50mm. Axiale Abschnitte mit geraden, parallel zur Mittelachse verlaufenden Strömungskanalabschnitten an der Gaseintrittsseite und/oder der Gasaustrittsseite weisen bevorzugt eine Länge von 5mm bis 10mm auf. Durch die kurze Länge dieser axialen Abschnitte wird sichergestellt, dass beim Beleimungsprozess und Belotungsprozess das Lot auch in die nachfolgenden axialen Abschnitte gut eindringt und somit im nachfolgenden Lötvorgang eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Metallfolien entsteht.

Einzelne axiale Abschnitte können zusätzlich eine spezielle Wellung aufweisen, wobei das Wellmaximum oder das Wellminimum angeschnitten sind und eine Ausstülpung der Metallfolie in die entgegengerichtete Richtung der jeweiligen Wellung vorgesehen ist. Dies ermöglicht das Überströmen von Abgas zwischen zueinander benachbarten Strömungskanälen. Darüber hinaus kann hierdurch eine verbesserte Umsetzung am Katalysator erreicht werden, da die Ausstülpung die Gasströmung verbessert, insbesondere turbulenter macht. Insbesondere in Kombination mit einer am Katalysator angebrachten Heizscheibe sind die Ausstülpungen vorteilhaft, da diese eine Mehrpunkt-Lötanbindung zwischen den Stützstiften und dem Katalysator ermöglichen.

Die Ausstülpungen können wahlweise in axialen Abschnitten mit parallel zur Mittelachse verlaufenden Strömungskanälen angeordnet sein und/oder an axialen Abschnitten mit in einem Winkel zur Mittelachse angestellten Strömungskanälen. Besonders bevorzugt sind die Ausstülpungen im Bereich der Gaseintrittsseite angeordnet und besonders bevorzugt ist der axiale Beginn der Ausstülpung in einem Bereich von 1 mm bis 10mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1mm bis 5mm, nach der Gaseintrittsseite angeordnet.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Metallfolie in zumindest einem axialen Abschnitt in Umfangsrichtung des Wabenkörpers verlaufende Schlitzungen aufweist. Die Schlitze werden bevorzugt bereits vor dem Wellvorgang in die Metallfolien eingebracht. Die Schlitze reduzieren insbesondere die Matenalbelastungen während des Wellvorgangs deutlich und reduzieren somit das Risiko von Beschädigungen an den Metallfolien.

Ein weiterer positiver Nebeneffekt der Schlitze, welche im aufgewickelten Wabenkörper in Umfangsrichtung verlaufen ist, dass der Katalysator eine erhöhte Flexibilität sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung aufweist, wodurch Zelldeformationen, welche bei einem durchgehenden schlitzfreien Wabenkörper regelmäßig durch Thermoschocks auftreten, vermieden werden. Die Schlitze können in axialer Richtung in geraden axialen Abschnitten oder bevorzugt an Umlenkpunkten beziehungsweise Übergangspunkten zwischen axialen Abschnitten mit ungleicher Ausrichtung der Strömungskanalabschnitte angeordnet sein.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der an die Gaseintrittsseite angrenzende axiale Abschnitt Strömungskanalabschnitte aufweist, die parallel zur Mittelachse verlaufen, wobei in einzelne der Strömungskanäle Stützstifte eingesteckt und mit dem Wabenkörper dauerhaltbar verbunden sind. Dies erleichtert insbesondere die Anbindung einer Heizscheibe an den Katalysator.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Wabenkörper entlang seiner axialen Erstreckung abwechselnd axiale Abschnitte mit einer parallel zur Mittelachse verlaufenden Durchströmungsrichtung aufweist und axiale Abschnitte mit einer in einem Winkeln zur Mittelachse verlaufenden Durchströmungsrichtung aufweist. Hierdurch wird gezielt der Radius an den Umlenkpunkten, beziehungsweise den Übergängen zwischen den axialen Abschnitten, vergrößert, wodurch es zu einer Entlastung der Metallfolien und somit ebenfalls zu einer Entlastung des Wabenkörpers kommt.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Metallfolien gebildet ist, die um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt sind. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Übergang zwischen zwei direkt zueinander benachbarten axialen Abschnitten jeweils einen Umlenkpunkt für die Durchströmungsrichtung eines Strömungskanals darstellt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Strömungskanäle nicht durch die Übergänge zwischen den axialen Abschnitten unterbrochen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Katalysator mit einem erfindungsgemäßen Wabenkörper,

Fig. 2 eine Detailansicht einer speziellen Formgebung einer gewellten Folie, wobei die Wellung einen in die Gegenrichtung ausgestülpten Bereich im Wellmaximum aufweist,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Katalysator, wobei ein Stützkatalysator gezeigt ist, an welchen mittels Stützstiften eine Heizscheibe an der Gaseinlassseite angebunden ist,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen Stützkatalysator und eine Heizscheibe, mit einer alternativen Ausgestaltung der aufeinanderfolgenden axialen Bereiche,

Fig. 5 eine Schnittansicht durch einen Katalysator, wobei der Wabenkörper in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze innerhalb einzelner der axialen Abschnitte aufweist, und Fig. 6 eine Schnittansicht durch einen Katalysator, wobei der Wabenkörper in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze an den Übergängen zwischen zueinander benachbarten axialen Abschnitten aufweist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt einen Katalysator 1 , wobei der Wabenkörper 2 in einem Mantelrohr 3 aufgenommen ist. Der Wabenkörper weist mehrere axiale Abschnitte 4, 5 auf die von der Gaseintrittsseite 6 hin zur Gasaustrittsseite 7 mit Abgas durchströmt werden können.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind abwechselnd axiale Abschnitte 5 mit in einem Winkel zur Mittelachse angestellten Strömungskanalabschnitten und axiale Abschnitte 6 mit parallel zur Mittelachse verlaufenden Strömungskanalabschnitten gezeigt. Die axialen Abschnitte 5 haben abwechselnd einen positiven Anstellwinkel zur Mittelachse und einen negativen Anstellwinkel zur Mittelachse, wodurch im Schnittbild der Figur 1 entlang der axialen Erstreckung des Wabenkörpers 2 eine Auf- und Abbewegung der Strömungskanäle entsteht.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer gewellten Metallfolie 8, wobei die nach oben ragenden Wellenmaxima Ausstülpungen 9 aufweisen, welche in die entgegengesetzte Richtung aus der Wellung ausgestülpt sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 weisen die ausgestülpten Bereiche 9 ihrerseits eine im Vergleich zur Hauptwellung geringere Wellung auf.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Wabenkörpers 2. An der Gaseinlassseite ist dem Wabenkörper eine Heizschiebe 12 vorgelagert, welche über Stützstifte 11 mit dem Wabenkörper verbunden ist. Der Wabenkörper 5 weist an seiner Gaseinlassseite und der Gasauslassseite jeweils einen axialen Abschnitt 4 mit parallel zur Mittelachse verlaufenden Strömungskanalabschnitten auf. Der restliche Wabenkörper 2 ist durch axiale Abschnitte 5 gebildet, die jeweils in einem Winkel angestellte Strömungskanalabschnitte aufweisen.

Es ist zu erkennen, dass die axialen Abschnitte 4 an der Gaseinlassseite und der Gasauslassseite jeweils eine deutlich kürzere axiale Erstreckung aufweisen, als die mittleren axialen Abschnitte 5.

Figur 4 zeigt einen Wabenkörper 2 mit einer vorgelagerten Heizscheibe 12. Die axialen Abschnitte 4 und 5 sind hier abwechselnd angeordnet, so dass beginnend mit einem axialen Abschnitt 4 ein axialer Abschnitt 5 folgt und so weiter, bis an der Gasauslassseite wieder ein axialer Abschnitt 4 folgt. Die so erzeugten Strömungskanäle folgen somit einer Auf- und Abbewegung entlang der axialen Erstreckung des Wabenkörpers.

Figur 5 zeigt einen weiteren alternativen Wabenkörper 2, wobei wiederrum axiale Abschnitte 5 und axiale Abschnitte 4 abwechselnd angeordnet sind. Im Unterschied zu den vorausgegangenen Figuren weisen die axialen Abschnitte 4 nun zusätzliche Schlitze 13 auf, welche im Umfangsrichtung des Wabenkörpers 2 verlaufen. Die Schlitze 13 sind mittig in den axialen Abschnitten 4 angeordnet.

Figur 6 zeigt einen Wabenkörper 2 wie in Figur 5. Im Unterschied zu Figur 5 sind die Schlitze 13 nun direkt in den Übergängen zwischen den axialen Bereichen 4 und 5 angeordnet.

Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 6 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Bezugszeichenliste

1 . Katalysator

2. Wabenkörper 3. Mantelrohr

4. axialen Abschnitt

5. axialer Abschnitt

6. Gaseinlassseite

7. Gasauslassseite 8. Metallfolie

9. Ausstülpung

11 . Stützstifte

12. Heizscheibe

13. Schlitze