Wabenkörper mit spezifischem Zelldesign

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper zur Abgasnachbehandlung mit einer von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite entlang einer Mehrzahl von Strömungskanälen durchström baren Matrix, wobei die Matrix aus einem aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist, welcher mindestens eine zumindest teilweise strukturierte metallische Lage aufweist, wobei die Struktur der zumindest einen teileweise strukturierten metallischen Lage durch eine Wellung gebildet ist und die Struktur die Strömungskanäle ausbildet.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper zur Abgasnachbehandlung, wie er insbesondere als Katalysator-Trägerkörper in Abgassystemen mobiler Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Ein solcher Wabenkörper stellt insbesondere eine große Oberfläche zur Verfügung, auf der katalytisch aktives Material positioniert wird und mit dem den Wabenkörper durchströmenden Abgas in Kontakt gebracht wird. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen.

Es sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen von Wabenkörpern zur Abgasnachbehandlung vorgeschlagen worden. Grundsätzlich wird zwischen Wabenkörpern aus Keramik und Metall unterschieden. Aufgrund der einfacheren Herstellung und der geringeren Wanddicken und damit der Möglichkeit der Bereitstellung einer größeren Oberfläche pro Volumeneinheit, haben sich insbesondere metallische Wabenkörper für den eingangs genannten Zweck angeboten. Ein solcher Wabenkörper kann mit glatten und/oder strukturierten metallischen Lagen beziehungsweise Blechfolien aufgebaut sein. Diese metallischen Lagen können geschichtet, gewickelt und/oder gewunden und schließlich in einem Gehäuse des Wabenkörpers platziert werden, so dass eine Vielzahl von für das Abgas durch- strömbare Kanäle gebildet ist. Dabei können sich die Kanäle beispielsweise geradlinig, gewunden und/oder schräg zwischen den Stirnseiten eines solchen Wabenkörpers erstrecken.

Gerade im Automobilbau werden weitere Anforderungen an einen solchen Wabenkörper bzw. dessen Herstellung gestellt. So steht insbesondere im Fokus, die Herstellung möglichst kostengünstig und einfach zu gestalten.

Darüber hinaus ist auch zu berücksichtigen, dass ein solcher Wabenkörper in einem mobilen Abgassystem erheblichen thermischen und/oder dynamischen Wechselbeanspruchungen unterliegt, so dass hier auch besonders hohe Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit eines solches Wabenkörpers unter diesen Bedingungen gestellt werden.

Nachteilig an den im Stand der Technik bislang bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, dass die Kanalgeometrie nicht optimal auf alle Bedürfnisse und Herausforderungen, die aus dem Betrieb eines Wabenkörpers in der Abgasnachbehandlung resultieren, abgestimmt ist. Hierzu zählt insbesondere der Querschnitt der Strömungskanäle, welche sich direkt aus der Wellung der strukturierten Metallfolie ergibt.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wabenkörper zu schaffen, welcher Strömungskanäle mit einer optimierten Kanalgeometrie aufweist.

Die Aufgabe hinsichtlich des Wabenkörpers wird durch einen Wabenkörper mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wabenkörper zur Abgasnachbehandlung mit einer von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite entlang einer Mehrzahl von Strömungskanälen durchström baren Matrix, wobei die Matrix aus einem aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist, welcher mindestens eine zumindest teilweise strukturierte metallische Lage aufweist, wobei die Struktur der zumindest einen teileweise strukturierten metallischen Lage durch eine Wellung gebildet ist und die Struktur die Strömungskanäle ausbildet, wobei die Wellung zueinander benachbarte Strukturmaxima und Strukturminima aufweist, wobei die Strukturmaxima jeweils einen Scheitelpunkt bilden und die Strukturminima jeweils einen Fußpunkt bilden und zwischen zwei zueinander direkt benachbarten Fußpunkten und dem dazwischen liegenden Scheitelpunkt eine Zelle ausgebildet ist, wobei die Zelle einem Querschnitt durch einen Strömungskanal entspricht.

Die Matrix des Wabenkörpers ist bevorzugt aus einer Mehrzahl von metallischen Lagen gebildet. Neben zumindest teilweise strukturierten Lagen werden auch glatte Lagen eingesetzt. Der durch das Aufeinanderstapeln erzeugt Lagenstapel wird schließlich aufgewickelt, wodurch die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Lagen ausgebildet werden. Je nach Gestaltung der einzelnen zumindest teilweise strukturierten Lagen und der glatten Lagen und der Stapelreihenfolge lassen sich so unterschiedliche Matrizen, insbesondere mit unterschiedlichen Strömungskanälen erzeugen.

Die zumindest teilweise strukturierten Lagen sind bevorzugt gewellt, wobei die einzelnen Wellentäler und Wellenberge, welche auch als Strukturmaximum und Strukturminimum bezeichnet werden, nebeneinander in einer Richtung quer zur Hauptdurchströmungsrichtung der durch die Wellung gebildeten Strömungskanäle angeordnet sind.

Ein Strömungskanal wird auch als Zelle bezeichnet. Über den Querschnitt einer Matrix können die Zellen unterschiedlich gestaltet sein und insbesondere hinsichtlich ihres Querschnitts und der Zelldichte pro Fläche variieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Scheitellinie durch den Scheitelpunkt einer Zelle die Verbindende zwischen den zur Zelle gehörenden Fußpunkten außerhalb der Mitte der Verbindenden schneidet.

Die Scheitellinie ist eine Normale zur Tangente im Scheitelpunkt einer Zelle. Jede Zelle ist zusätzlich zu dem Scheitelpunkt auch durch jeweils zwei Fußpunkte gebildet. Je nachdem ob die strukturierte Lage im ebenen Zustand betrachtet wird oder bereits aufgewickelt ist, ist eine Verbindende zwischen den beiden Fußpunkten entweder ein Gerade oder entsprechend des Radius, in welchem die strukturierte Lage aufgewickelt ist, eine gekrümmte Linie. Bei einer völlig symmetrischen Zelle fällt die Scheitellinie auf den Mittelpunkt dieser Verbindenden zwischen den beiden Fußpunkten.

Bei einem unsymmetrischen Zelldesign wandert der Schnittpunkt zwischen der Scheitellinie und der Verbindenden nach links oder rechts hin zum jeweiligen Fußpunkt.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Scheitellinie durch den Scheitelpunkt einer Zelle die Verbindende zwischen den zur Zelle gehörenden Fußpunkten innerhalb des durch die Zelle definierten Bereichs schneidet. Der Schnittpunkt der Scheitellinie wandert hin zu einem der Fußpunkte, ohne jedoch den von der Zelle definierten Bereich seitlich zu verlassen. Dies geschieht insbesondere dann, wenn die Asymmetrie nicht zu groß ist. Ist der Scheitelpunkt beispielsweise nach links oder nach rechts aus der symmetrischen Mittellage hinaus gekippt, wandert der Schnittpunkt der Scheitellinie. Ein innerhalb des von der Zelle definierten Bereichs liegender Schnittpunkt der Scheitellinie bedingt, dass der Scheitelpunkt nicht zu stark aus der symmetrischen Mittellage heraus verschoben ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitellinie durch den Scheitelpunkt einer Zelle eine gerade Verlängerung der Verbindenden zwischen den zur Zelle gehörenden Fußpunkten außerhalb des durch die Zelle definierten Bereichs schneidet. Dies wird erreicht, wenn der Scheitelpunkt besonders weit aus seiner symmetrischen Mittellage heraus gekippt wurde.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Scheitellinie einer Zelle in einem Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad zu einer die zugehörigen Fußpunkte verbindenden Horizontalen steht. Der Winkelbereich von 0 Grad bis 90 Grad definiert den maximalen Bereich, der vorzugsweise durch eine entsprechende Zellgestaltung erreicht wird. Bei einem Winkel von 90 Grad zwischen der Scheitellinie und der die Fußpunkte Verbindenden ist der Scheitelpunkt sehr weit aus seiner symmetrischen Mittellage heraus gekippt und liegt praktisch seitlich auf der direkt benachbarten Zelle auf.

Durch eine solche Variation der Zellen, wie oben beschrieben kann insbesondere erreicht werden, dass innerhalb der Matrix durch die einzelnen Zellen ein definiertes Federverhalten erreicht und eingestellt werden kann, um der Matrix eine erhöhte Flexibilität zu geben. Es können so sowohl die Flexibilität als auch die Steifigkeit der Matrix durch das Zelldesign beeinflusst werden.

Insbesondere im Vergleich zu einer vollständig symmetrischen Zelle, welche durch eine sinusförmige Wellung der strukturierten Lage erzeugt wurde, kann eine wesentlich höhere Flexibilität und Federwirkung erzielt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um Erschütterungen und andere mechanische Einwirkungen besser abfangen zu können und insbesondere eine Zerstörung mechanisch steifer Strukturen zu verhindern.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Scheitellinie eine Senkrechte auf der Tangente am Scheitelpunkt der Zelle ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der vom ersten Fußpunkt zum Scheitelpunkt verlaufende Randbereich der Zelle einen ersten Schenkel der Zelle bildet und der vom zweiten Fußpunkt zum Scheitelpunkt verlaufende Randbereich der Zelle einen zweiten Schenkel der Zelle bildet, wobei einer der Schenkel relativ zur Mitte der Zelle konkav gewölbt ist und der andere Schenkel relativ zur Mitte der Zelle konvex gewölbt ist.

Auf diese Weise wird eine Zelle mit einem konkaven und einem konvexen Schenkel gebildet. Dies weist im Vergleich zu einer sinusförmigen symmetrischen Zelle eine besonders hohe Flexibilität auf. Weiterhin kann beim Aufwickeln der strukturierten Lage eine vorteilhafte Anlage der zueinander benachbarten Zellen erreicht werden, da sich ein jeweils konkaver Schenkel auf einen konvexen Schenkel legt.

Auch ist es zweckmäßig, wenn die zueinander direkt benachbarten Zellen eine identische Form aufweisen. Dies ist vorteilhaft, um einen möglichst einheitlichen Zellquerschnitt über die gesamte Matrix hinweg zu erhalten, was eine homogene Durchströmung aller ausgebildeten Strömungskanäle begünstigt.

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 strukturierte Lage mit gerafften Zellen,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine strukturierte Lage, wobei die Scheitellinie keinen der Fußpunkte der Zelle schneidet,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine strukturierte Lage, wobei die Zelle einen symmetrischen Querschnitt aufweist und die Scheitellinie den Mittelpunkt der Verbindenden der Fußpunkte schneidet, Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine strukturierte Lage, wobei die Zellen jeweils einen konkaven und einen konvexen Schenkel aufweisen, und

Fig. 5 eine weitere Schnittansicht durch eine strukturierte Lage, wobei die Zellen jeweils einen konkaven und einen konvexen Schenkel aufweisen.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine strukturierte Lage 1 , welche eine Wellung aufweist. Die Wellung bildet eine Mehrzahl von Zellen 2 aus, welche in der fertigen Matrix, die entlang einer Flächennormalen zur Zeichnungsebene verlaufenden Strömungskanäle bilden.

Jede Zelle ist durch zwei Fußpunkte 3, 4 und einen Scheitelpunkt 5 gebildet. Die Zellen 2 weisen einen nach rechts gekippten Kopfbereich auf und liegen an der jeweils rechts benachbarten Zelle an. Mit dem Bezugszeichen 6 ist eine Scheitellinie dargestellt, welche durch eine Normale auf der Tangente des Scheitelpunktes 5 gebildet ist. Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine horizontale Linie gezeigt, welche in einer Näherung der Verbindenden zwischen den Fußpunkten der jeweiligen Zellen 2 entspricht.

Es ist zu erkennen, dass der Kopfbereich der Zellen 2 so weit nach rechts gekippt ist, dass die Scheitellinie 6 am Scheitelpunkt 5 parallel zur horizontalen Linie 7 verläuft. Zu berücksichtigen ist, dass hier eine strukturierte Lage gezeigt ist, welche entweder noch gar nicht aufgewickelt ist oder mit einem sehr großen Radius aufgewickelt ist, so dass der gezeigte Abschnitt fast vollständig plan ist.

Im aufgewickelten Zustand würde die Scheitellinie 6 einer jeden Zelle 2 im Wesentlichen parallel zur die jeweiligen Fußpunkte 3, 4 Verbindenden dieser Zelle 2 verlaufen. Die Zellen 2 sind im unteren Bereich gerafft, wodurch die beiden Schenkel der Zelle aneinander anliegen. Gleichzeitig ist der Kopfbereich der Zelle 2 nach rechts gekippt.

Die Figur 2 zeigt eine strukturierte Lage 10 mit Zellen 11 , wobei die Zellen 11 einen unsymmetrischen Aufbau aufweisen. Die durch den Scheitelpunkt 12 verlaufende Scheitellinie 13 läuft nicht durch die Mitte einer die Fußpunkte 14, 15 Verbindenden, welche in Figur 2 im Wesentlichen parallel zur Horizontalen 16 verlaufen würde. Der Schnittpunkt der Scheitellinie 13 liegt unmittelbar neben dem rechten Fußpunkt 15. Dies ist durch die Neigung nach rechts der Zellen 11 begründet.

Figur 3 zeigt eine strukturierte Lage 20 mit symmetrischen Zellen 21. Die Scheitellinie 22 verläuft durch die Mitte der die Fußpunkte 23, 24 Verbindenden. Die Kopfbereiche der Zellen 21 liegen aneinander an und zwischen den Zellen 21 sind ebenso symmetrische Zwischenräume 25 ausgebildet, welche in der aufgewickelten Matrix ebenfalls durchströmbare Strömungskanäle ausbilden. Die strukturierte Lage 20 ist durch eine im Fußbereich zusammengeraffte Sinuswellung erzeugt. Die Fußpunkte 23, 24 liegen nahe beieinander und die Schenkel der einzelnen Zellen 21 liegen im unteren Bereich aneinander an.

Figur 4 zeigt eine strukturierte Lage 30, wobei die Zellen 31 jeweils einen konvex gebogenen Schenkel 32 und einen konkav gebogenen Schenkel 33 bezogen auf den Mittelpunkt der jeweiligen Zelle 31 aufweisen. Der Scheitelpunkt 34 der Zellen ist durch einen spitzen Knick gebildet, in welchem der Übergang von der konvexen auf die konkave Form erfolgt.

Figur 5 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie er bereits in Figur 4 gezeigt wurde. Die strukturierte Lage 40 bildet Zellen 41 aus, die jeweils einen konvex gebogenen Schenkel 42 und einen konkav gebogenen Schenkel 43 aufweisen. Im Unterschied zur Figur 4 ist der Scheitelpunkt 44 durch eine bauchartige runde Struktur gebildet.

Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. So kann insbesondere die Formgebung der Zellen aus den Figuren 4 und 5 mit den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Raffungen und Neigungen der Zellen kombiniert werden.

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 5 weisen insbesondere keinen be- schränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.