Stützstruktur für eine Heizmatrix

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchström baren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur fixiert wird, wobei die Koppelelemente in einzelne durch die Strömungskanäle gebildete Zellen der Heizmatrix eingesteckt und mit diesen dauerhaltbar verbunden sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung einer Stützstruktur mit einer Heizmatrix.

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 aufweisen, 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 vorgesehen werden, die insbesondere mit den hohen thermischen Wechselbelastungen und weiterhin mit den starken und unregelmäßigen mechanischen Belastungen in einer Abgasstrecke, insbesondere der Abgasstrecke eines Kraftfahrzeugs, auftreten.

Die Verbindung zwischen der Stützstruktur und der Heizmatrix wird über eine Mehrzahl von Koppelelementen erreicht. Da alle Bauteile produktionsbedingt gewissen Fertigungstoleranzen unterliegen, muss ein Toleranzausgleich erzeugt werden, um eine spannungsfreie Montage zu ermöglichen. Nachteilig an den bekannten Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass der Toleranzausgleich der bekannten Koppelelemente nicht ausreichend ist.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stützstruktur für eine Heizmatrix zu schaffen, welche vorteilhafte Koppelelemente aufweist, die einen ausreichenden Toleranzausgleich zulassen. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Verbindung der Stützstruktur mit der Heizmatrix zu schaffen. Die Aufgabe hinsichtlich der Stützstruktur wird durch eine Stützstruktur mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Stützstruktur zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur fixiert wird, wobei die Koppelelemente in einzelne durch die Strömungskanäle gebildete Zellen der Heizmatrix eingesteckt und mit diesen dauerhaltbar verbunden sind, wobei das jeweils freie Ende eines Koppelelementes mit der Stützstruktur direkt oder indirekt verbunden ist, wobei jeweils ein Toleranzausgleichselement vorgesehen ist, welches eine Lagetoleranz des Koppelelementes in zumindest zwei Raumrichtungen ausgleicht.

Der Toleranzausgleich ist notwendig, da alle Bauteile produktionsbedingt toleranzbehaftet sind. Für einen präzisen Zusammenbau ist der Ausgleich daher zwingend. Zusätzlich zu den produktionsbedingten Toleranzen ergibt sich eine Toleranz dadurch, dass die Koppelelemente in Zellen des Wabenkörpers eingesteckt werden müssen. Hier kann es mitunter zu leichten Abweichungen kommen darüber hinaus kann durch eine Formtoleranz des Wabenkörpers ein Koppelelement geringfügig von seiner grundsätzlichen Position abweichen.

Bevorzugt ist der Toleranzausgleich im Bereich der Anbindung des Koppelelementes an die Stützstruktur vorgesehen, da die Anbindung an den Wabenkörper praktisch keine Kompensationsmöglichkeiten bietet.

Das Koppelelement, welches beispielsweise durch einen im Stand der Technik bekannten Stützstift gebildet sein kann, oder abhängig von der Notwendigkeit einer elektrischen Isolation auch durch einen einfachen Metallstift gebildet sein kann, kann direkt an die Stützstruktur angebunden werden oder unter Verwendung eines Zwischenelementes.

Zwei der drei Raumrichtungen, in die ein Toleranzausgleich stattfinden muss, spannen die Ebene auf, in welcher die Stützstruktur liegt. Die dritte Raumrichtung verläuft als Flächennormale zu dieser Ebene. In den beiden ersten Raumrichtungen wird im Wesentlichen eine Lagetoleranz des Koppelelementes ausgeglichen, falls das Koppelelement beispielweise in eine benachbarte Zelle der eigentlichen Zielzelle eingesteckt ist oder der Wabenkörper eine Fertigungstoleranz in diesem Bereich aufweist. In der dritten Raumrichtung, welche die Richtung ist, in der die Koppelelemente in den Wabenkörper eingesteckt werden, wird eine Toleranz in axialer Richtung der Abgasstrecke ausgeglichen. Gewöhnlich ist die Toleranz in die dritte Richtung geringer als in den ersten beiden Richtungen, da die Einstecktiefe in den Wabenkörper maschinell sehr präzise kontrolliert wird und die Abweichungen daher gering sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stützstruktur an ihrer der Heizmatrix zugewandten Oberfläche zur Heizstruktur offene tassenartige Kammern aufweist, welche jeweils zur Aufnahme eines freien Endes eines Koppelelementes ausgebildet sind und die Toleranzausgleichselemente bilden.

Die Stützstruktur, welche im Wesentlichen aus flachen Blechen gebildet ist, kann tassenartige Kammern aufweisen. Diese können direkt auf der der Heizmatrix zugewandten Oberfläche der Stützstruktur ausgebildet sein. Die Kammern können direkt in das Blechmaterial eingeformt sein, beispielsweise durch Tiefziehen oder Prägen. Alternativ können die Kammern auch durch einen zylindrischen Kragen gebildet sein, welcher aus der Stützstruktur ausgestellt ist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die lichte Öffnungsweite der tassenartigen Kammern jeweils ein Mehrfaches des Querschnitts eines freien Endes eines Koppelelementes beträgt. Das freie Ende des Koppelelementes kann dann innerhalb der lichten Öffnung in die ersten beiden Raumrichtungen verschoben werden. Durch eine Variation der Einstecktiefe des freien Endes des Koppelelementes kann auch in die dritte Raumrichtung ein Toleranzausgleich stattfinden. Die Größe der lichten Öffnung bestimmt gleichzeitig den maximal möglichen Toleranzausgleich in den ersten beiden Raumrichtungen, während die Tiefe der Kammern im Wesentlichen den maximal möglichen Toleranzausgleich in die dritte Raumrichtung bestimmt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der tassenartigen Kammern größer ist als die durchschnittliche Einstecktiefe der Koppelelemente. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein ausreichend großer Toleranzausgleich möglich ist.

Die Kammern können mit einem Lot vorbefüllt sein, so dass nach dem Einstecken der Koppelelemente mit einem einfachen Lötverfahren eine dauerhaltbare Verbindung zwischen der Stützstruktur und der Heizmatrix erzeugt werden kann.

In einer alternativen Ausgestaltung ist es zu bevorzugen, wenn zwischen der Stützstruktur und einem Koppelelement jeweils ein Verbindungselement als Toleranzausgleichselement angeordnet ist, welches einseitig dauerhaltbar mit der Stützstruktur verbunden ist und auf der anderen Seite das freie Ende des Koppelelementes aufnimmt.

Ein weiteres Verbindungselement kann vorteilhaft sein, um die Toleranzen auszugleichen. Ein Verbindungselement kann beispielsweise durch einen einseitig geschlossenen Hohlzylinder gebildet sein, der auf die Oberfläche der Stützstruktur aufgebracht wird. Auch der Hohlzylinder kann mit einem Lot vorbefüllt sein.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Verbindungselement eine dem Koppelelement zugewandte Öffnung aufweist, welche größer ist als der Querschnitt des freien Endes des Koppelelementes. Wenn im Wesentlichen ein Toleranzausgleich in eine der beiden ersten Raumrichtungen stattfinden muss, kann eine langlochartige Öffnung vorgesehen werden. Alternativ kann ein kreisrunder oder rechteckiger Öffnungsquerschnitt gewählt werden. Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung der Stützstruktur mit der Heizmatrix, wobei die Verbindungselemente mit den Koppelelementen zuerst dauerhaltbar verbunden werden und in einem nachgelagerten Schritt mit der der Heizmatrix zugewandten Fläche der Stützstruktur dauerhaltbar verbunden werden.

Abhängig vom gewählten Produktionsprozess kann das Verbindungselement zuerst mit dem freien Ende des Koppelelementes verbunden werden. Eine eventuelle Lagetoleranz des Koppelelementes wird hier gegebenenfalls auf das Verbindungselement übertragen. Die gilt insbesondere für Toleranzen in den ersten beiden Raumrichtungen. Toleranzen in die dritte Raumrichtung können durch eine Korrektur der Einstecktiefe des Koppelelementes in das Verbindungselement bereits ausgeglichen werden.

Die Koppelelemente werden durch ein geeignetes Verfahren mit den Verbindungselementen dauerhaltbar verbunden. Anschließend folgt die Anbindung an die Stützstruktur. Da die Lagetoleranzen auf die Verbindungselemente übertragen wurden, kann es hierbei vorkommen, dass die Verbindungselemente gerade um diese Toleranzen von der ursprünglich geplanten Position der Verbindungselemente abweichen. Dem kann begegnet werden, indem die Stützstruktur im Bereich der geplanten Position der jeweiligen Verbindungselemente breiter ausgelegt wird.

Die Verbindungselemente weisen bevorzugt eine glatte Oberfläche auf, die der Stützstruktur zugewandt ist, über welche auf einfach Weise eine Anbindung an die Stützstruktur erfolgen kann.

Die Öffnungsweite für das Einstecken der Koppelelemente muss in diesem Fall nur unwesentlich größer sein als die freien Enden der Koppelelemente, da der Toleranzausgleich hier nur in der dritten Raumrichtung erfolgt und der Ausgleich der ersten beiden Raumrichtungen im Anschluss durch eine Veränderung der Lage des Verbindungselementes relativ zur Stützstruktur erfolgt.

In einem alternativen Verfahren ist es zweckmäßig, wenn die Verbindungselemente in einem ersten Schritt mit der der Heizmatrix zugewandten Fläche der Stützstruktur dauerhaltbar verbunden werden, und in einem nachgelagerten Schritt die Koppelelemente in die Verbindungselemente eingesteckt und mit diesen dauerhaltbar verbunden werden.

Alternativ findet zuerst eine Anbindung der Verbindungselemente mit der Stützstruktur statt. Die lichte Öffnung der Verbindungselemente muss in diesem Fall groß genug sein, um einen Toleranzausgleich in die ersten beiden Raumrichtungen zu ermöglichen. Die dritte Raumrichtung wird durch das Anpassen der Einstecktiefe ausgeglichen.

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 Teilansicht einer Stützstruktur mit einer Mehrzahl von Verbindungselementen, welche an der Stützstruktur angebracht sind und unterschiedliche Lagen relativ zur Stützstruktur aufweisen,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Stützstruktur mit einer Mehrzahl von Verbindungselementen, welche an vordefinierten Positionen an der Stützstruktur angeordnet sind, Fig. 3 eine Schnittansicht durch zwei Verbindungselemente mit jeweils einem eingesteckten Koppelelement, wobei das Koppelelement durch eine Klemmung im Verbindungselement fixiert ist, und

Fig. 4 ein Koppelelement, welches beidseitig in tassenförmigen Kammern aufgenommen ist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Stützstruktur 1 , welche auf einem ihrer Streben 2 mehrere Verbindungselemente 3 aufweist. In jedes der Verbindungselemente 3 kann ein Koppelelement 4 eingesteckt werden. Die Stützstruktur 1 , die Verbindungselemente 3 und die Koppelelemente 4 können mittels eines Lötverfahrens dauerhaltbar miteinander verbunden werden.

Im Beispiel der Figur 1 sind die Verbindungselemente 3 zuerst mit den Koppelelementen 4 verbunden, welche wiederum in Zellen einer Heizmatrix eingesteckt und mit dieser verbunden sind. Die Lagetoleranzen, welche sich durch die produktionsbedingten Toleranzen der Heizmatrix ergeben, werden über die Koppelelemente 4 auf die Verbindungselemente 3 übertragen. Daher sind die Verbindungselemente 3, hier dargestellt an dem mittleren Verbindungselement 3, nicht mittig auf der Strebe 2 angeordnet, sondern mitunter leicht versetzt zu dessen Mitte.

Die Figur 2 zeigt Verbindungselemente 5 auf einer Strebe 2 einer Stützstruktur 1 . Die Verbindungselemente 5 weisen eine langlochartige Öffnung auf, welche einen Toleranzausgleich in einer der ersten beiden Raumrichtungen ermöglicht. Die Verbindungselemente 5 sind zuerst mit der Strebe 2 der Stützstruktur 1 verbunden, bevor die Koppelelemente 4 in diese eingesteckt werden. Daher sind die Verbindungselemente 5 auch sehr gleichmäßig über die Strebe 2 verteilt angeordnet.

Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch ein Koppelelement 4, welches einseitig in ein Verbindungselement 6 eingesteckt ist. Das Koppelelement 4 ist mittels einer Klemmung mit dem Verbindungselement 6 verbunden. Dies kann eine erste Fixierung sein, bevor mittels Lötens eine dauerhaltbare Verbindung erzeugt wird.

Figur 4 zeigt ein Koppelelement 4, welches beidseitig in hohlzylindrischen Auf- nahmen 7 eingesteckt ist. Hier kann insbesondere die Lagetoleranz in die dritte Raumrichtung durch die Variation der Einstecktiefe ausgeglichen werden.

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

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Bezugszeichenliste

1 . Stützstruktur

2. Strebe 3. Verbindungselement

4. Koppelelement

5. Verbindungselement

6. Verbindungselement

7. hohlzylindrische Aufnahme