Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes mit Toleranzausgleich

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur welche mit der Heizmatrix über mehrere Stützstifte verbunden ist, wobei die Vorrichtung in ein Gehäuse einer Abgasstrecke einsetzbar ist, wobei die Heizmatrix einer Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer die Einströmseite bildende Stirnfläche zu einer die Ausströmseite bildende Stirnfläche durchströmbar sind, wobei die Stützstruktur gitterartig ausgebildet ist und der Heizmatrix vor und/oder nachgelagert ist, wobei die Stützstifte, welche in die Heizmatrix eingesteckt sind und über die Einströmseite und/oder die Ausströmseite hervorstehen stoffschlüssig mit der Stützstruktur verbunden sind.

Stand der Technik

Zur Aufheizung von Abgasen in einer einem Verbrennungsmotor nachgelagerten Abgasstrecke beziehungsweise des in einer Abgasstrecke strömenden Abgases werden heute regelmäßig elektrische Heizelemente eingesetzt. Hierbei wird das Ziel verfolgt schneller eine Temperaturschwelle zu erreichen, ab welcher eine wirkungsvolle Umwandlung der im Abgas mitgeführten Schadstoffe erfolgen kann. Dies ist notwendig, da die zur Abgasnachbehandlung eingesetzten katalytisch aktiven Oberflächen der in der Abgasstrecke verbauten Katalysatoren erst ab einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-Off Temperatur, eine ausreichende Umsetzung der jeweiligen Schadstoffe ermöglichen.

Zu den bekannten Lösungen im Stand der Technik gehören sogenannten Heizkatalysatoren, welche eine mit einer Spannungsquelle verbundene metallische Struktur aufweisen oder eine metallisch beschichtete keramische Struktur aufwei- sen, welche unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden kann.

Die aufheizbaren metallischen Strukturen können beispielweise aus einem aus Metallfolien erzeugten Wabenkörper bestehen. Hierzu wird eine Mehrzahl von glatten und/oder zumindest teilweise strukturierten Metallfolien aufeinandergestapelt und um zumindest einen Drehpunkt zu einem Wabenkörper aufgewickelt. Die aus den Metallfolien gebildete Matrix kann elektrisch kontaktiert werden und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden.

Die Matrix muss hierzu in einer Abgasstrecke angeordnet sein und einem zur Abgasnachbehandlung ausgelegten Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorgelagert oder nachgelagert sein.

Um die Matrix in der Abgasstrecke zu positionieren und sie insbesondere gegen mechanische und thermische Belastungen abzustützen, muss eine Halterung, eine sogenannte Stützstruktur, vorgesehen werden. Die Stützstruktur muss dafür ausgebildet sein die thermischen Wechselbelastungen und die starken und unregelmäßigen mechanischen Belastungen in der Abgasstrecke aufzunehmen und diesen zu widerstehen. Die Stützstruktur selbst ist am Gehäuse der Abgasstrecke befestigt.

Um eine stoffschlüssige Verbindung der Heizmatrix mit der Stützstruktur herzustellen, werden sogenannte Stützstifte eingesetzt, die in Zellen der Heizmatrix eingesteckt werden und mit der Stützstruktur verbunden werden. Alle Bauteile für sich weisen gewissen Fertigungstoleranzen auf, darüber hinaus können im Montageprozess weitere Toleranzen erzeugt werden, so dass sich Einzeltoleranzen zu negativen Toleranzketten aufaddieren können und es zu einer nicht akzeptablen Gesamttoleranz kommt, welche die strukturelle Integrität des Bauteils gefährdet.

Nachteilig an den bekannten Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass es bislang keine geeigneten Mittel gibt, die es erlauben die Verbindung von den Stützstiften mit der Stützstruktur prozesssicher darzustellen, auch wenn es mitunter zu höheren Toleranzen kommt und die endgültige Position der Stützstifte relativ zur Stützstruktur nicht der eigentlich geplanten Position entspricht.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welches derart verbessert ist, dass die Verbindungen zwischen der Stützstruktur und den Stützstiften auch unter dem Einfluss großer Toleranzen sicher erzeugt werden können.

Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur welche mit der Heizmatrix über mehrere Stützstifte verbunden ist, wobei die Vorrichtung in ein Gehäuse einer Abgasstrecke einsetzbar ist, wobei die Heizmatrix einer Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung von einer die Einströmseite bildende Stirnfläche zu einer die Ausströmseite bildende Stirnfläche durchströmbar sind, wobei die Stützstruktur gitterartig ausgebildet ist und der Heizmatrix vor und/oder nachgelagert ist, wobei die Stützstifte, welche in die Heizmatrix eingesteckt sind und über die Einströmseite und/oder die Ausströmseite hervorstehen stoffschlüssig mit der Stützstruktur verbunden sind, wobei die Stützstruktur auf der der Heizmatrix zugewandten Oberfläche Lotreservoirs aufweist, in welche die jeweils freien Enden der Stützstifte eingesteckt sind.

Bei der Fertigung der Einzelteile der Vorrichtung treten produktionsbezogene Toleranzen auf, die nicht gänzlich zu vermeiden sind. Bei der Montage können die einzelnen Bauteiltoleranzen sich in negativer Weise aufaddieren, so dass mitunter große Toleranzen entstehen. Im Falle der Stützstifte kann dies dazu führen, dass die Stützstifte unterschiedlich weit aus der Heizmatrix hinausragen. Da die Stützstruktur eine im Wesentlichen ebene Struktur ist, kann es durch die Lagetoleranzen und Bauteiltoleranzen dazu kommen, dass nicht alles Stützstifte in Anlage mit der Stützstruktur kommen. Die Ausbildung einer dauerhaltbaren stoffschlüssigen Verbindung der Stützstifte mit der Stützstruktur kann dadurch beeinträchtigt werden. Im Extremfall kommt es zu einer mangelhaften oder einer ausbleibenden Verbindung, wodurch es zu losen Stützstiften kommen kann. Dies beeinträchtigt die Dauerhaltbarkeit und die Stabilität der Vorrichtung und kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Vorrichtung führen.

Erfindungsgemäß ist die Stützstruktur mit einer Mehrzahl von Lotreservoirs ausgebildet, wobei jedem Stützstift jeweils ein Lotreservoir zugeordnet ist. Die Lotreservoirs dienen als Anbindungsbereiche für die Stützstifte an die Stützstruktur.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lotreservoirs durch Vertiefungen in der Stützstruktur gebildet sind. Durch die als Vertiefungen ausgebildeten Lotreservoirs in der Stützstruktur können Lagetoleranzen der Stützstifte gegenüber der Stützstruktur ausgeglichen werden. In einer idealen Ausgestaltung der Vorrichtung ragen die Stützstifte alle gleich weit aus der Heizmatrix hinaus, so dass die freien Enden der Stützstifte in einer gemeinsamen Ebene liegen. In der Realität liegen die freien Enden der meisten Stützstifte in einer gewissen zufälligen Verteilung leicht vor oder leicht hinter dieser gemeinsamen Ebene.

Um eine ausreichende Verbindung der Stützstruktur mit den Stützstiften zu erhalten, wird die Stützstruktur so relativ zu den freien Enden der Stützstiften positioniert, dass alle Stützstifte über eine vordefinierte Länge in das ihm zugeordnete Lotreservoir hineinragen. Die Tiefe der Lotreservoirs ist daher so zu wählen, dass für jeden der Stützstifte eine ausreichende Eindringtiefe in das Lotreservoir gewährleistet ist, um eine Lötverbindung mit einer ausreichenden Festigkeit erzeugen zu können.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Stützstifte in die Lotreservoirs hineinreichen. Erst durch das Hineinragen der freien Enden der Stützstifte in die Lotreservoirs hinein kann bei dem Lötprozess eine ausreichende Verbindung zwischen dem Stützstift und der Stützstruktur erzeugt werden. Aufgrund der Lagetoleranzen der Stützstifte ist die Lage des jeweiligen freien Endes eines Stützstiftes relativ zum Boden des zugehörigen Lotreservoirs der Stützstruktur für jeden Stützstift unterschiedlich. Für eine ausreichende Verbindung muss gewährleistet sein, dass auch für den am weitest vom Boden seines Lotreservoirs entfernten Stützstift eine ausreichende Eindringtiefe gewährleistet ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotreservoirs eine lichte Öffnungsweite haben, welche größer ist als der Durchmesser der Stützstifte. Durch eine lichte Öffnungsweite der Lotreservoirs, die größer ist als der Durchmesser der freien Enden der Stützstiften kann neben dem Ausgleich der Lagetoleranz in der Richtung, die eine Flächennormale zur Ebene der Stützstruktur bildet, auch eine Toleranz in den beiden Raumrichtungen der Ebene der Stützstruktur erreicht werden. Das freie Ende des Stützstiftes muss im endmontierten Zustand nicht exakt mittig im Lotreservoir angeordnet sein, sondern kann auch versetzt zu diesem angeordnet sein.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Lotreservoirs durch spanende Bearbeitung in die Stützstruktur eingebracht sind. Insbesondere vorteilhaft ist das Ausbilden der Lotreservoirs durch Sacklöcher. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Lotreservoirs durch Umformen der Stützstruktur erzeugt sind. Beispielsweise können die Lotreservoirs durch Einprägen in die Stützstruktur erzeugt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Lotreservoirs mit Lotpaste und/oder Lotpulver befüllt sind. Die vorbefüllten Lotreservoirs können in einem nachfolgenden Lötvorgang einfach aufgeschmolzen werden, um eine stoffschlüssige Verbindung mit den in die Lotreservoirs eingreifenden Stützstiften zu erzeugen.

Auch ist es zweckmäßig, wenn zumindest eine erste Anzahl von Stützstiften im endmontierten Zustand auf dem Boden ihres jeweiligen Lotreservoirs aufliegen. Je nach der verfügbaren Einstecktiefe der Lotreservoirs im Verhältnis zu den jeweiligen Lagetoleranzen der Stützstifte wird eine gewissen Anzahl der Stützstifte im endmontierten Zustand mit ihren freien Enden in direkter Anlage mit dem Bodenbereich der Lotreservoirs sein. 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 eine Heizmatrix mit einem eingesteckten Stützstift, wobei die Stützstifte in Lotreservoirs der vorgelagerten und nachgelagerten Stützstruktur eingreift, und

Fig. 2 zwei Schnittansichten durch jeweils eine Stützstruktur mit unterschiedlich ausgebildeten Lotreservoirs.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Heizmatrix 1 , aus welcher ein Stützstift 2 beidseitig hervorsteht. Der Heizmatrix 1 vorgelagert und nachgelagert ist eine Stützstruktur 3 angeordnet. Die jeweils freien Enden 4, 5 des Stützstiftes 2 ragen in Lotreservoirs 6, 7 hinein, die in der Stützstruktur 3 ausgebildet sind. Durch einen Lötvorgang wird das in den Lotreservoirs 6, 7 eingefüllte Lotmaterial aufgeschmolzen und mit den in die Lotreservoirs 6,7 hineinragenden Stützstifte 2 und der Stützstruktur 3 dauerhaft eine Verbindung hergestellt wird.

Die Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Stützstruktur 8, wobei im linken Teil der Figur eine Lotreservoir 9 gezeigt, welches durch eine spanende Bearbeitung erzeugt wurde. Im rechten Teil der Figur 2 ist ein Lotreservoir 10 gezeigt, welches durch einen Umformvorgang, beispielsweise Prägen, erzeugt ist. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Bezugszeichenliste

1 . Heizmatrix

2. Stützstift 3. Stützstruktur

4. freies Ende des Stützstiftes

5. freies Ende des Stützstiftes

6. Lotreservoir

7. Lotreservoir 8. Stützstruktur

9. Lotreservoir

10. Lotreservoir