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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbarer Katalysator mit zumindest einem Heizleiter, welcher in einem Gehäuse aufgenommen ist, mit zumindest zwei elektrischen Durchführungen, mittels welcher der Heizleiter durch das Gehäuse hinweg elektrisch kontaktierbar ist, wobei der Heizleiter durch einen entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Wabenkörper gebildet ist, welcher aus einem um ein Wickelzentrum aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist, der aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten Folien gebildet ist.
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Stand der Technik
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Zur Erwärmung des Abgases beziehungsweise der zur Behandlung der Abgase im Abgastrakt vorgesehenen Strukturen, wie beispielsweise Wabenkörpern von Katalysatoren, werden elektrische Heizer eingesetzt. Dadurch kann eine schnellere Aufheizung erreicht werden, wodurch insgesamt die sogenannten Light-Off Temperatur, ab welcher die chemische Umsetzung an einem Katalysator in ausreichendem Maße funktioniert, früher erreicht wird und somit die Abgasbehandlung verbessert wird. Dies ist insbesondere in Situationen nach einem Kaltstart vorteilhaft, welcher insbesondere nach einem längeren Stillstand des Verbrennungsmotors auftritt.
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Das Heizelement, welches regelmäßig im Inneren der Abgasleitung beziehungsweise innerhalb des Gehäuses eines Katalysators angeordnet ist, muss elektrisch kontaktiert werden. Abhängig von der angelegten Spannung kann eine einzelne elektrische Kontaktierung ausreichend sein oder es müssen bei höheren Spannungsniveaus zwei einzelne elektrische Kontaktierungen vorgesehen werden, um das Heizelement mit den Polen einer Spannungsquelle zu verbinden und dabei Kurzschlüsse zu verhindern.
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Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, die zwei elektrische Durchführungen zur Kontaktierung des elektrischen Leiters, welcher als Heizelement wirkt, vorsehen. Diese sind oftmals um 180 Grad zueinander entlang dem Umfang des Katalysatorgehäuses versetzt angeordnet.
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass eine solche versetzte Anordnung zu einem maximalen Abstand der Anbindungspunkte für den Pluspol und den Minuspol der Spannungsquelle führt. Die Verlegung und Anbindung der elektrischen Leitungen zu den Anbindungspunkten ist dadurch erschwert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die im Bereich des Abgasstrangs herrschenden Temperaturen und den begrenzten zur Verfügung stehenden Bauraum nachteilig.
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Zusätzlich wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elektromagnetischen Feldern durch die voneinander getrennte Führung der beiden elektrischen Pole, insbesondere bei höheren Spannungsniveaus, erhöht. Dies kann zu unerwünschten und nachteiligen Auswirkungen führen.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektrisch beheizbaren Katalysator zu schaffen, welcher hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung des Heizleiters optimiert gestaltet ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des elektrisch beheizbaren Katalysators wird durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbarer Katalysator mit zumindest einem Heizleiter, welcher in einem Gehäuse aufgenommen ist, mit zumindest zwei elektrischen Durchführungen, mittels welcher der Heizleiter durch das Gehäuse hinweg elektrisch kontaktierbar ist, wobei der Heizleiter durch einen entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Wabenkörper gebildet ist, welcher aus einem um ein Wickelzentrum aufgewickelten Lagenstapel gebildet ist, der aus einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten Folien gebildet ist, wobei das Wickelzentrum durch zumindest zwei Wickeldorne gebildet ist, wobei das Wickelzentrum versetzt zur Mitte des Lagenstapels angeordnet ist.
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Die Heizfunktion wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Heizleiter erzeugt. Unter Ausnutzung des Ohmschen Widerstandes wird am Heizleiter Wärme erzeugt. Bevorzugt ist der Heizleiter durch einen metallischen Wabenkörper gebildet, welcher weiteren Wabenkörpern in Strömungsrichtung des Abgases vor- oder nachgelagert ist.
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Die elektrischen Durchführungen dienen der elektrischen Kontaktierung des Heizleiters. Insbesondere bei größeren Spannungen ist es zu empfehlen für jeden der elektrischen Pole der Spannungsquelle eine eigene Durchführung vorzusehen und nicht das Gehäuse beziehungsweise den Mantel des Katalysators als Masse zu verwenden. Die elektrischen Durchführungen sind daher insbesondere temperaturresistent ausgelegt und stellen eine elektrische Isolation des Gehäuses gegenüber dem Heizleiter sicher.
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Der als Heizleiter wirkende Wabenkörper weist eine Mehrzahl durchströmbarer Kanäle auf, welcher von einer Einströmseite des Wabenkörpers hin zu einer Ausströmseite des Wabenkörpers entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar sind. Die Kanäle werden zwischen den zueinander benachbarten Folien des Lagenstapels ausgebildet. Durch das Aufwickeln des Lagenstapels entsteht so ein scheibenförmiger Wabenkörper, welcher an verschiedene Gehäusequerschnitte, wie beispielsweise runde, ovale oder eckige Querschnitte, angepasst werden kann.
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Die Folien, welche den Lagenstapel bilden, können Wellungen oder anderweitige Strukturen aufweisen, welche in Verbindung mit Glattlagen oder teilweise gewellten Lagen die durchströmbaren Kanäle ausbilden. Wabenkörper, welche aus einem Lagenstapel gebildet sind, sind weithin bekannt.
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Bevorzugt wird der Lagenstapel zwischen zumindest zwei Wickeldornen platziert und durch das Drehen der Wickeldorne um eine Drehachse wird der Lagenstapel zu dem scheibenförmigen Wabenkörper aufgewickelt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lagenstapel eine Längserstreckung aufweist und eine Quererstreckung, wobei die Quererstreckung mit der Hauptdurchströmungsrichtung des Katalysators übereinstimmt und wesentlich kürzer ist als die Längserstreckung.
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Die Folien sind bevorzugt durch Streifen gebildet, welche eine Längserstreckung aufweisen, welche wesentlich höher ist als ihre Quererstreckung. Da es sich um Folien handelt, ist die Erstreckung in die dritte Dimension, die Dicke, sehr dünn und somit wesentlich kleiner als die Erstreckung in Quer- und Längsrichtung. Die Folien werden aufeinandergestapelt, beispielsweise eine Glattlage und eine zumindest teilweise strukturierte Lage im Wechsel.
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Der so entstehende Lagenstapel hat somit ebenfalls eine wesentlich größerer Längserstreckung als Quererstreckung. Die Höhe des Lagenstapels ist durch die Anzahl und die jeweilige Dicke der einzelnen Folien bestimmt. Die Quererstreckung des Lagenstapels ist richtungsgleich mit der Hauptdurchströmungsrichtung der Kanäle des Wabenkörpers.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Wickelzentrum den Drehpunkt bildet, um welchen der Lagenstapel durch die Wickeldorne aufgewickelt ist. Das Wickelzentrum ist durch die verwendeten Wickeldorne bestimmt und liegt bevorzugt im Zentrum der Wickeldorne. Bevorzugt ist der Drehpunkt, um welchen der Lagenstapel aufgedreht wird exakt im Wickelzentrum. In speziellen Ausführungen kann es jedoch auf vorgesehen sein, dass der Drehpunkt exzentrisch zum Wickelzentrum angeordnet ist. Die durch den Drehpunkt verlaufende Drehachse ist besonders bevorzugt parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung der Kanäle.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelzentrum entlang der Längserstreckung des Lagenstapels um eine definierte Strecke von der Mitte des Lagenstapels in Längsrichtung versetzt ist.
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Dies ist besonders vorteilhaft, um eine asymmetrische Querschnittsfläche zu erzeugen. Die rechts und links über das Wickelzentrum überstehenden Bereiche des Lagenstapels sind somit nicht gleich lang. Durch das Aufwickeln des nicht mittig im Wickelzentrum angeordneten Lagenstapels wird ein asymmetrischer Querschnitt des Wabenkörpers erzeugt wobei insbesondere die freien Enden des Lagenstapels, welche bei mittiger Anordnung des Lagenstapels im Wickelzentrum an 180 Grad entlang der Umfangsrichtung versetzen Bereichen liegen würden, in Umfangsrichtung betrachtet näher beieinander liegen. Die beiden elektrischen Durchführungen können so näher beieinander angeordnet werden, wodurch die unerwünschten Störeffekte, wie beispielsweise das Auftreten von elektromagnetischen Feldern minimiert werden können.
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Durch die Veränderung der Position des Lagenstapels relativ zum Wickelzentrum kann so die entstehende Asymmetrie des Wabenkörpers beeinflusst werden. Insbesondere kann so die Lage der freien Enden beeinflusst werden. Auch kann die Position der Eingriffsstellen der Wickeldorne in den Wabenkörper beeinflusst werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Wabenkörper eine asymmetrische Querschnittsfläche aufweist. Die Querschnittsfläche ist bevorzugt durch die Fläche der Einströmseite oder der Ausströmseite gebildet, oder eine parallele Verschiebung zu diesen. Eine asymmetrische Querschnittsfläche ist insbesondere durch die nicht symmetrische Anordnung der freien Enden des Lagenstapels, welche als Kontaktstellen zu den elektrischen Durchführungen fungieren, gekennzeichnet. Außerdem ist die Lage der Mitte des Wabenkörpers und die Mitte des Gehäuses nicht zwingend deckungsgleich. Die Mitte des Wabenkörpers ist gegenüber der Mitte des Gehäuses, jeweils in einem Querschnitt betrachtet, in einer oder in zwei Richtungen versetzt angeordnet.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper eine in Umfangsrichtung verlaufende Hüllkurve aufweist, welche der Innenkontur des Gehäuses folgt.
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Die Hüllkurve des Wabenkörpers entspricht einer in Umfangsrichtung um den Wabenkörper verlaufenden Begrenzungslinie, wobei insbesondere Vertiefungen, wie sie beispielsweise im Bereich der Enden des Lagenstapels entstehen, von der Hüllkurve überspannt werden. Bevorzugt ist zwischen der Innenkontur des den Wabenkörper aufnehmenden Gehäuses und der Hüllkurve ein möglichst geringer Abstand, der zwar die elektrische Isolation des Wabenkörpers gegenüber dem Gehäuse sicherstellt, gleichzeitig aber den freien Querschnitt zwischen Gehäuse und Wabenkörper möglichst minimal hält. Dadurch soll das ungewollte Umströmen des Wabenkörpers vermieden werden. Insbesondere soll kein Bypasskanal ausgebildet werden, wodurch die Aufheizung des Abgases deutlich verschlechtert werden würde.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der Hüllkurve des Wabenkörpers und der Innenkontur des Gehäuses entlang der Umfangsrichtung des Katalysators im Wesentlichen äquidistant ist. Besonders bevorzugt ist ein möglichst gleichbleibender Abstand zwischen der Hüllkurve und der Innenkontur, um eine möglichst gelichmäßige Durchströmung des Wabenkörpers und somit eine gleichmäßige Aufheizung des Abgases zu ermöglichen.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der Wabenkörper zwei freie Enden des Lagenstapels aufweist, wobei diese um weniger als 180 Grad entlang der Umfangsrichtung des Katalysators zueinander versetzt sind. Durch das Aufwickeln des Lagenstapels entstehen zumindest zwei freie Enden innerhalb des Wabenkörpers. Diese dienen bevorzugt der elektrischen Kontaktierung des Wabenkörpers. Durch das nicht in der Mitte des Lagenstapels stattfindende Aufwickeln wird eine Asymmetrie erzeugt, die dazu führt, dass die freien Enden entlang der Umfangsrichtung näher beieinander angeordnet sind. Bei einem mittigen Aufwickeln sind die freien Enden beispielsweise 180 Grad entlang der Umfangsrichtung voneinander entfernt. Besonders bevorzugt sind die freien Enden weniger als 90 Grad entlang der Umfangsrichtung voneinander entfernt, besonders bevorzugt weniger als 45 Grad. Der Abstand kann vorzugweise auf bis zu 5 Grad entlang der Umfangsrichtung reduziert werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch das Gehäuse und den Wabenkörper, wobei die freien Enden nah beieinander liegen und sich zwischen dem Wabenkörper und dem Gehäuse ein breiter Spalt ausbildet,
- 2 einen Querschnitt durch das Gehäuse und den Wabenkörper, wobei die freien Enden nahe beieinander liegen und das Wickelzentrum versetzt zur Mitte des Gehäuses angeordnet ist, und
- 3 einen Querschnitt mit einer Anordnung entsprechend 2, wobei hier auch die elektrischen Durchführungen zur Kontaktierung der freien Enden gezeigt sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt das Gehäuse 1 eines Katalysators. Im Gehäuse 1 ist der Wabenkörper 2 angeordnet, welcher durch einen aufgewickelten Lagenstapel 3 gebildet ist. Der Lagenstapel 3 ist mittels zweier nicht gezeigter Wickeldorne, welche an den Positionen 4, 5 positioniert waren aufgewickelt worden. Diese Wickeldorne wurden um das zwischen den Positionen 4, 5 befindliche Wickelzentrum 6 gedreht, wodurch der Lagenstapel 3 aufgewickelt wurde.
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Der Lagenstapel 3 war mittig im Wickelzentrum positioniert, wodurch die beiden freien Enden 7, 8 nach dem Aufwickeln eigentlich um etwa 180 Grad in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet wären. Eines der freien Enden 7 wurde mechanisch gekürzt, wodurch erreicht wurde, dass die freien Enden 7, 8 schließlich nahe beieinander liegen.
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Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Wabenkörper 2 beziehungsweise einer diesen in Umfangsrichtung umgebenden Hüllkurve und der Innenkontur des Gehäuses 1 ein relativ großer freier Bereich 9 ausgebildet ist, welcher als Bypass für die Abgasströmung wirkt, wodurch die Durchströmung der Kanäle des Wabenkörpers 2 deutlich verschlechtert wird. Dieser freie Bereich 9 ist im Wesentlichen durch die Kürzung des freien Ende 7 erzeugt worden.
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Die 1 zeigt einen auf herkömmliche Weise hergestellten Wabenkörper 2, bei welchem der Lagenstapel 3 mittig in der Wickelvorrichtung positioniert war. Durch das Kürzen eines freien Endes 7 ist eine verbesserte Anordnung der freien Enden 7, 8 zueinander erreicht worden, jedoch ist gleichzeitig der freie Bereich 9 als Strömungsbypass erzeugt worden.
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2 zeigt einen Wabenkörper 10 in einem Gehäuse 11. Im Unterschied zur 1 wurde der Wabenkörper 10 durch das zur Mitte des Lagenstapels 12 versetzte Aufwickeln des Lagenstapels 12 erreicht, wodurch einerseits die freien Enden 13, 14 näher beieinander liegen, und andererseits auch das Wickelzentrum 15, welches zwischen den beiden Wickeldornpositionen 17, 18 positioniert ist, versetzt zur Mitte 16 des Gehäuses 11 ausgerichtet ist.
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Das freie Ende 13 kann zusätzlich gekürzt werden, um die beiden freien Enden noch näher aneinander zu positionieren. Es ist im Unterschied zur 1 insbesondere zu erkennen, dass durch die asymmetrische Gestaltung des Wabenkörpers 10 das Entstehen von einem freien Bereich zwischen dem Gehäuse 11 und dem Wabenkörper 10 minimiert beziehungsweise gänzlich vermieden wurde. Die Durchströmung des Wabenkörpers 10 ist somit deutlich verbessert.
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Die 3 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 2. Zusätzlich sind in 3 noch die beiden elektrischen Durchführungen 19, 20 gezeigt, welche zur elektrischen Kontaktierung der beiden freien Enden 13, 14 des Wabenkörpers 10 dienen.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
