DE4132439A1 - Abgaskatalysator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbesondere für
einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Metallblechen aufgebau
ten und eine vom Abgas durchströmbare Struktur aufweisenden
Trägerkörper für eine katalytische Beschichtung, der in einem
das Abgas führenden Strömungskanal angeordnet ist und der ex
tern aufheizbar ist.
Auch bei Abgaskatalysatoren dieser Bauart liegt bei höheren Be
triebstemperaturen ein verbesserter Wirkungsgrad bei der kata
lytischen Nachverbrennung der Abgase vor. Um insbesondere in
der Kaltstartphase, in der der Abgaskatalysator noch niedrige
Betriebstemperaturen aufweist, ein verbessertes Konvertierungs
verhalten zu erzielen, ist es bekannt, den metallischen Träger
körper elektrisch aufzuheizen. Hierbei wird als Stromquelle die
im Fahrzeug vorhandene Stromversorgung eingesetzt. Hat der Ab
gaskatalysator bzw. der mit der katalytischen Beschichtung
versehene Trägerkörper durch das Durchströmen des heißen
Abgases seine Betriebstemperatur erreicht, so kann die
elektrische Beheizung abgestellt werden.
Bei einem aus der WO 89/10 471 bekannten Abgaskatalysator der
eingangs genannten Art, ist ein elektrisch leitfähiger Träger
körper vorgesehen, der aus gewickelten, gestapelten oder ander
weitig geschichteten Lagen korrosionsfester Bleche besteht. Die
Bleche sind hierbei derart angeordnet, daß der Trägerkörper für
eine katalytische Beschichtung eine vom Abgas durchströmbare
Struktur aufweist. Diese wird insbesondere dadurch erzielt, daß
abwechselnd Glattbleche und Wellbleche übereinander geschichtet
werden. Ein derartiger Trägerkörper, der unterschiedliche Quer
schnittsformen aufweisen kann, wird dann in einem den Abgas
strom führenden Strömungskanal oder Mantelgehäuse aufgenommen.
Zum Aufheizen des Trägerkörpers wird dieser an eine Spannungs
quelle, insbesondere der Stromversorgung des Kraftfahrzeuges,
angelegt. Der elektrische Widerstand des Trägerkörpers dient zu
dessen Aufheizung. Um eine elektrische Unterteilung zu
erzielen, weist der Trägerkörper Spalte und/oder elektrisch
isolierende Zwischenschichten auf.
Bei einem aus der US-PS 37 70 389 bekannten Abgaskatalysator
ist ein aus keramischen Material bestehender Trägerkörper für
eine katalytische Beschichtung vorgesehen, der die Form eines
mit einer ringförmigen Querschnittsfläche ausgebildeten
Hohlzylinders aufweist. In dem zentralen Hohlraum des in
Axialrichtung durchströmten Trägerkörpers ist ein aus Metall
blechen bestehender Trägerkörper mit einer katalytischen Be
schichtung angeordnet, der im wesentlichen aus einem axial an
geordneten Metallstab besteht, der spiralförmig von einem
Stahlband umgeben ist. Wird ein derartiger metallischer Träger
körper mit einer Spannungsquelle verbunden, so führt dessen
elektrischer Widerstand zu einer Erwärmung. Dies hat in der
Startphase einen verbesserten Wirkungsgrad zur Folge und führt
zu einer Aufheizung des monolitischen Trägerkörpers. Hat dieser
seine Betriebstemperatur erreicht, so wird der metallische Trä
gerkörper von der Spannungsquelle getrennt.
Eine andere Bauart ist aus der DE-AS 22 30 663 bekannt. Hierbei
wird ein keramischer, als Hohlzylinder ausgebildeter Trägerkör
per durch ein zentral angeordnetes elektrisches Heizelement
beheizt. Das selbstisolierend ausgebildete Heizelement besitzt
eine in einem Metallzylinder angeordnete Heizwendel, die mit
einer Stromversorgung verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskatalysa
tor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Trägerkörper
eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, der schnell aufheiz
bar und dabei einfach herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Abgaskatalysator mit
den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 vorge
schlagen, daß mindestens ein selbstisolierend ausgebildetes
Heizelement vorgesehen ist, das mit den Metallblechen des Trä
gerkörpers in Verbindung steht.
Gegenüber den bekannten, den elektrischen Widerstand des
Trägerkörpers ausnützenden Abgaskatalysatoren wird durch die
erfindungsgemäße Ausgestaltung erreicht, daß die elektrische
Beheizung des aus Metallblechen bestehenden Trägerkörpers ohne
Verringerung dessen mechanischer Festigkeit erreichbar ist. Bei
den bekannten Abgaskatalysatoren führen die eingangs geschil
derten Spalte oder Isolierschichten im Trägerkörper zu dessen
verringerter Festigkeit. Das beim erfindungsgemäßen Abgaskata
lysator vorgesehene, mindestens eine separate Heizelement, ist
demgegenüber selbstisolierend ausgebildet. Somit sind keine
besonderen Isolationsmaßnahmen am Trägerkörper erforderlich.
Der Wegfall von besonderen Isolationsmaßnahmen führt bei dem
erfindungsgemäßen Abgaskatalysator zu einer einfachen und
kostengünstigen Herstellung. Da das mindestens eine Heizelement
mit den Metallblechen des Trägerkörpers in Verbindung, insbe
sondere in Flächenkontakt steht, wird ein guter Wärmeübergang
zwischen der Oberfläche des Heizelementes und den Metallblechen
gewährleistet. Hierdurch kann vermieden werden, daß punktuell
zu starke Erwärmungen auftreten, die gegebenenfalls zu einer
Zerstörung des Trägerkörpers führen können.
Der erfindungsgemäße Abgaskatalysator besitzt einen aus Metall
blechen aufgebauten Trägerkörper, der mit dem hierin angeord
neten Heizelement schnell aufgeheizt werden kann. Somit wird
auch in der Startphase eines Verbrennungsmotors ein hoher Wir
kungsgrad bei der Konvertierung des Abgases erzielt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein zy
linderförmiges oder stabförmiges elektrisches Heizelement mit
geringem Durchmesser vorgesehen. Derartige prinzipiell bekannte
Heizelemente besitzen einen geringen Strömungswiderstand für
den Abgasstrom. Bei einer Weiterbildung ist das mindestens eine
stabförmige Heizelement an einem Wellblech des Trägerkörpers
gehalten. Zweckmäßig ist hierbei die Wellenform des Wellbleches
an den Durchmesser des Heizelementes angepaßt. Hierdurch wird
ein besonders guter Flächenkontakt und damit ein guter Wärme
übergang zwischen der Oberfläche des Heizelementes und dem
Wellblech erzielt, so daß ein Durchbrennen des Heizelementes
oder punktuelle Überhitzungen des Wellbleches vermieden werden
können. Weiterhin ist vorteilhaft, daß zusätzliche Maßnahmen
zur Befestigung des Heizelementes innerhalb des Trägerkörpers
oder an diesen entfallen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vor
gesehen, daß der Trägerkörper aus mindestens einem spiralförmig
gewickelten Glattblech besteht, wobei zwischen den Wickellagen
des Glattbleches eine durchströmbare Wellblechlage angeordnet
ist, in die mehrere stabförmige Heizelemente mit Abstand zuein
ander eingelagert sind. Die somit koaxial zum Abgasstrom
angeordneten Heizelemente, die über den Querschnitt des Träger
körpers verteilt sind, verleihen dem Trägerkörper eine beson
ders hohe Festigkeit. Durch die feste Einbindung in die Struk
tur des Trägerkörpers werden zusätzliche Befestigungselemente
oder Maßnahmen zur Befestigung der Heizelemente entbehrlich.
Der bei der Herstellung des Abgaskatalysators erforderliche
Lötvorgang führt gleichzeitig zum Verlöten der Heizelemente mit
den in deren Umgebung angeordneten Metallblechen. Vorteilhaft
werden wiederum mehrere über die gesamte Querschnittsfläche
verteilte Heizelemente vorgesehen, die zu einer besonders
gleichmäßigen und sehr schnellen Aufheizung des Trägerkörpers
führen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens
ein elektrisches Heizelement vorgesehen, das eine ebene Flach
form aufweist und als Glattbleche in den Trägerkörper aufgenom
men ist. Alternativ kann vorgesehen sein, daß folienförmige
Heizelemente auf die Glattbleche des Trägerkörpers aufgebracht
sind.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kommen Heizele
mente zum Einsatz, die derart biegsam sind, daß sie als spiral
förmig gewickeltes Glattblech in dem Trägerkörper angeordnet
werden können- Auch hier kann alternativ vorgesehen sein, daß
folienförmige Heizelemente auf ein spiralförmig gewickeltes
Glattblech aufgebracht werden.
Vorteilhaft sind die sich gegenüberliegenden Anschlüsse des
mindestens einen elektrischen Heizelementes aus den Stirnseiten
des Trägerkörpers herausgeführt und mit einer Spannungsquelle
verbunden. Bei einer Weiterbildung sind die einer Stirnseite
angeordneten Anschlüsse mehrerer elektrischer Heizelemente
miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine Gruppe von
Anschlüssen mit einem durch ein Mantelgehäuse des Trägerkörpers
geführten Stromkabels versehen ist. Die Verbindung der An
schlüsse kann beispielsweise durch ein entsprechend angeordne
tes leitfähiges Stahlblech erfolgen. Es ist lediglich für eine
Gruppe von Anschlüssen eine Kabeldurchführung durch das Mantel
gehäuse nötig, da die andere Gruppe von Anschlüssen leitend mit
dem Mantelgehäuse selbst verbunden werden kann. In diesem Fall
wird dann ein Pol der Stromversorgung an das Mantelgehäuse
angeschlossen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfah
ren zur Herstellung eines Abgaskatalysators, insbesondere für
einen Verbrennungsmotor, bei dem ein aus korrosionsfesten
chen spiralförmig gewickelt wird. Bei einem derartigen Verfah
ren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß vor der Wicklung
der Glatt- und Wellbleche zylinderförmige, der Form des Well
bleches angepaßte Heizelemente mit Abstand zueinander in das
Wellblech eingelegt werden und anschließend der Trägerkörper
gewickelt wird. Hierdurch wird eine besonders gute Einbindung
der Heizelemente in die Struktur des Trägerkörpers erreicht,
wodurch weiterhin ein besonders fester Trägerkörper entsteht.
Weiterhin entfällt ein nachträglicher Verfahrensschritt zum
Einbringen der Heizelemente in den Trägerkörper. Durch diese
Verfahrensdurchführung wird schließlich auch erreicht, daß eine
besonders gute Wärmeübertragung zwischen den Heizelementen und
dem Trägerkörper nach der Herstellung vorliegt.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah
rens ist vorgesehen, daß ein ebenes biegsames Heizelement bei
der Wicklung des Trägerkörpers zusammen mit dem Glatt- und
Wellblech eingewickelt wird. Auch in diesem Fall wird eine be
sonders gute Einbindung des Heizelementes in die Struktur des
Trägerkörpers erzielt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Trägerkörper aus in Sternwickeltechnik angeordneten
Metallblechen besteht und in den Trägerkörper ein vorgeformtes
Heizelement eingebracht ist, das eine der Durchströmungsstruk
tur des Trägerkörpers angepaßte Formgebung aufweist. Ein der
artiger Trägerkörper für einen Abgaskatalysator ist prinzipiell
aus der DE-PS 40 16 276 bekannt. Vor dem Wickeln des Träger
körpers wird das vorgeformte Heizelement in die Blechlagen des
Trägerkörpers eingebracht. Nach dem Wickeln des Trägerkörpers
ist das vorgeformte Heizelement fest in die Struktur des
Trägerkörpers eingebunden. Auch bei einem derartigen, in Stern
wickeltechnik hergestellten Trägerkörper führt der Wegfall von
zusätzlichen Isolationsmaßnahmen und das eingebrachte Heizele
ment zu einer Erhöhung der Festigkeit des Trägerkörpers. Durch
die dreidimensionale Formgebung des Heizelementes wird
erreicht, daß die Wärmeeinleitung gleichmäßig und schnell über
den gesamten Querschnitt des Trägerkörpers erfolgt. Hierbei
kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß das Heizelement eine
dreidimensionale mäanderförmige Formgebung aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein
Heizelement am Trägerkörper vorgesehen, das quer zu dessen
Metallblechen in einer in dem Trägerkörper eingebrachten Öff
nung angeordnet ist und mit dem Trägerkörper verbunden ist.
Hierbei können die Metallbleche des Trägerkörpers verschieden
artig geschichtet sein. Insbesondere kann der Trägerkörper aus
Glatt- und Wellblechen hergestellt sein, die geschichtet sind
oder spiralförmig gewickelt sind. Um eine besonders schnelle
und gleichmäßig Aufheizung zu erzielen, kann weiterhin vorge
sehen sein, daß mehrere über den Querschnitt und die Tiefe des
Trägerkörpers verteilte Heizelemente zum Einsatz kommen. Das
mindestens eine quer zu den Metallblechen des Trägerkörpers
angeordnete Heizelement führt zu einem besonders stabilen
Trägerkörper, da dessen Metallbleche in ihrer Lage durch das
Heizelement fixiert sind. Durch die Verbindung des mindestens
einen Heizelementes im Bereich der Öffnung mit dem Trägerkörper
wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem
Trägerkörper erzielt. Vorteilhaft kann das Heizelement im Be
reich der Öffnung mit dem Trägerkörper verlötet und/oder ver
preßt sein. Die Herstellung eines derartigen Abgaskatalysators
ist besonders einfach, wenn die Öffnung für das Heizelement als
Durchzug durch die Metallbleche des Trägerkörpers ausgebildet
ist. Vorteilhaft sind die Metallbleche im Bereich des Durchzugs
abgewinkelt ausgebildet und mit dem Heizelement verbunden.
Hierdurch wird eine große Wärmeübergangsfläche zwischen dem
Heizelement und den Metallblechen erzielt. Alternativ kann die
Öffnung für das Heizelement in die Metallbleche des Trägerkör
pers einerodiert werden. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs
wird hierbei vorteilhaft der Durchmesser der Öffnung etwas
kleiner als der Durchmesser des Heizelementes gewählt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß
das Heizelement mit Versorgungsanschlüssen versehen ist, die
außerhalb des Strömungskanals angeordnet sind.
Beim Einsatz von mehreren über den Querschnitt und der Tiefe
des Trägerkörpers verteilten Heizelemente wird eine besonders
gute und gleichmäßige Aufheizung des Trägerkörpers erzielt. Da
die elektrischen Heizelemente selbstisolierend ausgebildet
sind, entfallen spezielle Isolationsmaßnahmen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Heizelement
ein von Flüssigkeit durchströmbares beheizbares Rohr auf,
dessen Mantelseite mit dem Trägerkörper verbunden ist. Somit
kann das zum Einsatz kommende Heizelement gleichzeitig zur Auf
heizung, beispielsweise von Kühlwasser o. dgl., dienen. Vorteil
haft ist in dem Rohr mindestens ein elektrischer Heizdraht ver
legt. Hierbei kann das Rohr quer oder in Strömungsrichtung zum
Abgasstrom angeordnet sein.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kommen vorteilhaft
mehrere Heizelemente zum Einsatz, die über den Querschnitt und/
oder in der Tiefe des Trägerkörpers verteilt angeordnet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen, die
nachfolgend beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Aus
führungsform der Erfindung,
Fig. 2 den Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Her
stellung des Trägerkörpers der Ausführungsform gemäß
Fig. 1 und 2,
Fig. 4 ein Heizelement für die Ausführungsform gemäß den Fig.
1-3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh
rungsform mit in Sternwickeltechnik hergestellten
Trägerkörper,
Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit quer zu
den Metallblechen des Trägerkörpers angeordneten
Heizelementen,
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit VII in
Fig. 6,
Fig. 8 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 7 bei einem
lediglich mit Glattblechen ausgeführten Trägerkörper,
Fig. 9 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IX gemäß
Fig. 6,
Fig. 10 einen schematischen Schnitt ähnlich Fig. 6 durch eine
weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem
flüssigkeitsdurchströmten Rohr und
Fig. 11 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform mit
konzentrisch ineinander liegenden Wärmetauscherrohren.
Die in den Fig. 1, 5, 6 und 10 lediglich schematisch darge
stellten Abgaskatalysatoren dienen der Konvertierung bzw.
katalytischen Nachverbrennung von Abgasen, die ein Verbren
nungsmotor eines Personenkraftwagens freigibt. Mit den bei den
Abgaskatalysatoren zum Einsatz kommenden Heizelementen soll in
der Startphase des Verbrennungsmotors ein höherer Wirkungsgrad
bei der Konvertierung des Abgases erzielt werden. Die Heizele
mente heizen den Trägerkörper samt dessen katalytischer Be
schichtung auf, wodurch der Abgaskatalysator schneller seine
Betriebstemperatur erreicht.
Der in Fig. 1 im schematischen Längsschnitt dargestellte
Abgaskatalysator (10) besitzt ein zylinderförmiges aus
Edelstahl hergestelltes Mantelgehäuse (12), das einen ebenfalls
im Querschnitt zylinderförmigen Trägerkörper (13) aufnimmt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besteht der Trägerkörper (13) aus
einem spiralförmig gewickelten Glattblech (14), wobei die Wik
kellagen mit Abstand zueinander angeordnet sind. Der Abstand
der Wickellagen des Glattbleches (14) wird durch ein Wellblech
(16) sichergestellt, das zwischen sich gegenüberliegenden Wik
kellagen angeordnet ist. Sowohl das Glattblech (14) als auch
das Wellblech (16) des Trägerkörpers (13) sind aus einem hoch
temperaturbeständigen korrosionsfesten Metallblech hergestellt.
Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau des Trägerkörpers
(13) wird eine vom Abgas durchströmbare Struktur mit Zwischen
räumen (15) gebildet, die von dem in Richtung der Pfeile (26
und 28) strömenden Abgas durchströmt werden. Hierbei tritt das
Abgas an einer vorderen Stirnseite (17) des Trägerkörpers (13)
in diesen ein und verläßt diesen an einer hinteren Stirnseite
(19). Während dieser Durchströmung des Trägerkörpers (13) fin
det die Konvertierung des Abgases statt.
In den Trägerkörper (13) sind über dessen Querschnitt verteilt
mehrere elektrische Heizelemente (18, 20, 22, 24) eingebracht,
die jeweils prinzipiell gleichartig aufgebaut sind. In Fig. 4
ist ein derartiges Heizelement (18) in vergrößerter Darstellung
gezeigt. Das Heizelement (18) und auch alle weiteren Heizele
mente besitzt eine Heizwendel (50) die zwischen zwei mit Ab
stand zueinander angeordneten Anschlüssen (56 und 58) spiral
förmig verlegt ist. Gegenüber einem zylindrischen Mantelrohr
(54) ist die Heizwendel (50) durch eine Isolierschicht (52)
isoliert. Hierbei kann beispielsweise eine gepreßte Sandschicht
Verwendung finden. Die Isolierung des zylindrischen Mantelroh
res (54) gegenüber den Anschlüssen (56, 58) erfolgt mittels
Keramikisolatoren (60, 62), die an den sich gegenüberliegenden
Stirnseiten des Mantelrohres (54) angeordnet sind.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Länge der Heizelemente (18,
20, 22, 24) derart bemessen, daß zumindest die Anschlüsse (56,
58) die Stirnseiten (17, 19) des Trägerkörpers (13) diesen in
axialer Richtung überragen. In nicht näher dargestellter Weise
sind die Anschlüsse (56, 58) der Heizelemente (18, 20, 22, 24)
mit der Stromversorgung (34) des Kraftfahrzeuges verbunden.
Demgemäß erfolgt die elektrische Auslegung der Heizelemente
(18, 20, 22, 24) derart, daß sie mit der heute in Kraftfahrzeu
gen üblicherweise zur Verfügung stehenden Spannung von 12 Volt
betrieben werden können.
Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 1 hervorgeht, befinden sich
die Anschlüsse der Heizelemente (18, 20, 22, 24) im Bereich des
Abgasstromes. In nicht näher dargestellter Weise können die im
Bereich einer Stirnseite (17, 19) gelegene Anschlüsse der Heiz
elemente (18, 20, 22, 24) miteinander verbunden werden und je
weils an eine gemeinsame Stromleitung (30, 32) angeschlossen
werden. Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 1 kann hier
bei auch die Leitfähigkeit des Mantelrohres (12) ausgenutzt
werden. In diesem Fall wird die Leitung (32) mit dem Mantelrohr
(12) verbunden, welches wiederum in Verbindung mit einem Pol
der Stromversorgung (34) steht.
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die Heizelemente (18, 20, 22, 24)
in die Wellenform des Wellbleches (16) eingelagert sind. Hier
durch entfallen besondere Befestigungsmaßnahmen für die Heiz
elemente (18, 20, 22, 24), um deren sichere Fixierung im Quer
schnitt des Trägerkörpers (13) zu gewährleisten. Da der Durch
messer der Heizelemente (18, 20, 22, 24) der Wellenform des
Wellbleches (16) angepaßt ist, wird eine besonders gute
Flächenkontakt zwischen dem Mantelrohr (54) des Heizelementes
und den Metallblechen (14 und 16) des Trägerkörpers und damit
eine gute Wärmeübertragung gewährleistet, da eine große
Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht. Dies führt einerseits
zu einer sehr schnellen Erhitzung des Trägerkörpers (13) und
verhindert andererseits punktuelle Überhitzungen, die zu einer
Zerstörung des Trägerkörpers (13) führen können. Die
gleichmäßige Erhitzung des Trägerkörpers (13) über dessen
gesamten Querschnitt wird durch eine Vielzahl von über den
Querschnitt verteilten Heizelementen (18, 20, 22, 24) erreicht.
Anhand Fig. 3 soll die Herstellung des in den Fig. 1 und 2 dar
gestellten Abgaskatalysators erläutert werden. Der Trägerkörper
(13) wird durch spiralförmige Wicklung eines bandörmigen Glatt
bleches (14) und eines bandförmigen Wellbleches (16) herge
stellt. Vor dem Aufwickeln des Trägerkörpers (13) wird die
gewünschte Anzahl an Heizelementen (18, 20) mit Abstand
zueinander in die Wellenform des Wellbleches (16) eingelegt.
Beim nachfolgenden Aufwickeln des Trägerkörpers (13) werden die
elektrischen Heizelemente (18, 20) fest in die Struktur des
Trägerkörpers (13) eingebunden. Durch ein derartiges
Herstellungsverfahren entfällt das nachträgliche Einbringen der
elektrischen Heizelemente in die Struktur des Trägerkörpers
(13). Außerdem wird eine besonders feste Einbindung und somit
ein besonders fester Trägerkörper (13) erzielt. Die
zylinderförmigen, in Fig. 4 dargestellten Heizelemente, tragen
weiterhin zu einer Erhöhung der Festigkeit des Trägerkörpers
(13) bei.
Da die elektrischen Heizelemente (18, 20, 22, 24) selbstisolie
rend ausgebildet sind, sind am Trägerkörper (13) keine weiteren
Isolationsmaßnahmen auszuführen. Somit können Isolationsschich
ten entfallen, die bei den bekannten Bauarten zu einer Ver
ringerung der Festigkeit des Trägerkörpers (13) führen.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform sind statt der
zylinderförmigen Heizelemente ebene oder folienförmige Heizele
mente vorgesehen, die auf dem Glattband (14) aufgebracht sind.
Da derartige Heizelemente biegsam sind, kann auch hiermit eine
spiralförmige Struktur eines Trägerkörpers erzielt werden. Es
ist aber auch möglich, was ebenfalls nicht dargestellt ist,
einen schichtweise aufgebauten Trägerkörper herzustellen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 sche
matisch dargestellt. Der hier dargestellte Abgaskatalysator
(80) besitzt ein zylinderförmiges Mantelgehäuse (82), das einen
nicht dargestellten Trägerkörper aufnimmt. Der aus metallischen
Blechen hergestellte Trägerkörper ist in der prinzipiell be
kannten Sternwickeltechnik (siehe DE-PS 40 16 276) hergestellt
worden. Dieser Trägerkörper besteht ebenfalls aus mit Abstand
zueinander angeordneten Glattblechen, wobei in den Zwischen
räumen Wellbleche angeordnet sind. Bei der Herstellung des Ab
gaskatalysators wird vor dem Wickeln des Trägerkörpers ein vor
geformtes elektrisches Heizelement (84) zwischen die Blechsta
pel eingebracht, dessen Formgebung aus Fig. 5 hervorgeht. Elek
trische Heizelemente, die sich für eine derartige Formgebung
eignen, sind prinzipiell im Handel erhältlich. Wie aus der
Darstellung hervorgeht, besitzt das schlauchförmige elektrische
Heizelement eine dreidimensionale mäanderförmige Formgebung.
Die an den Endbereichen angeordneten elektrischen Anschlüsse
des Heizelementes (84) sind mit der Stromversorgung (86) des
Kraftfahrzeugs verbunden.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind durch das
selbstisolierend ausgeführte Heizelement (84) keine weiteren
Isolationsmaßnahmen, die die Festigkeit des Trägerkörpers be
einträchtigen könnten, erforderlich. Vielmehr wird durch das
mäanderförmige elektrische Heizelement (84) die Festigkeit des
Trägerkörpers weiter erhöht. Da das Heizelement (84) über die
gesamte Querschnittsfläche des Abgaskatalysators (80) gleich
mäßig verteilt ist, wird eine schnelle und gleichmäßige Aufhei
zung erzielt. Örtliche Überhitzungen am Trägerkörper können so
mit nicht auftreten.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der
hier lediglich schematisch im Vertikalschnitt dargestellte Ab
gaskatalysator (90) besitzt einen näherungsweise quadratischen
Strömungskanal (91). Der Strömungskanal (91) nimmt einen
Trägerkörper (94) auf, der aus mehreren abwechselnd geschich
teten Glatt- und Wellblechteilen (92, 93) besteht. Der Träger
körper (94) füllt den gesamten Querschnitt des Strömungskanales
(91) aus, was aus der Darstellung gemäß Fig. 6 nicht hervor
geht. In dem Trägerkörper (94) bzw. dessen Glatt- und Well
blechen (92, 93) sind zur.Aufnahme von Heizelementen (95, 97)
Durchzüge (96) eingebracht. Die Heizelemente (95, 97), die
prinzipiell ähnlich wie das in Fig. 4 dargestellte Heizelement
(18) ausgebildet sind, sind senkrecht zu den Glatt- und Well
blechen (92, 93) des Trägerkörpers (94) angeordnet.
Um eine schnelle und gleichmäßige Aufheizung des Trägerkörpers
(94) zu erzielen, sind über dessen Querschnitt und über dessen
Tiefe mehrere elektrische Heizelemente (95, 97) verteilt ange
ordnet. Die Durchzüge (96) für die Heizelemente (95, 97) können
in den Trägerkörper (94) ähnlich wie bei Wärmetauschern einge
bracht werden. Wie aus Fig. 7, die eine Vergrößerung der Ein
zelheit VII gemäß Fig. 6 zeigt, hervorgeht, sind die Glatt- und
Wellbleche (92, 93) im Bereich des Durchzuges (98) abgewinkelt
ausgebildet. Somit liegt eine große Wärmeübergangsfläche zwi
schen der Oberseite des elektrischen Heizelementes (97) und den
Glatt- und Wellblechen (92, 93) vor.
Fig. 8 zeigt in einer ähnlichen Darstellung, wie Fig. 7, eine
andere Ausführungsform der Erfindung. Der hier nicht näher dar
gestellte Trägerkörper besteht aus mit Abstand zueinander an
geordneten Glattblechen (92). Zwischen den Glattblechen kann
beispielsweise eine Abstützung über nicht dargestellte Noppen
vorgesehen sein. Ebenfalls ist der Endbereich der Glattbleche
(92) im Bereich des Durchzuges (100) für das Heizelement (99)
abgewinkelt ausgebildet. Auch hierbei wird eine besonders große
Wärmeübergangsfläche zwischen der Oberseite des Heizelementes
(99) und dem Trägerkörper erzielt.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, besitzen die über den Querschnitt
verteilten elektrischen Heizelemente (95, 97) jeweils minde
stens eine Heizwendel (101), die zwischen zwei den Endbereichen
des Heizelementes (95) zugeordneten Anschlüssen (102, 103) an
geordnet ist. Die Heizwendel (101) ist in einer Isolierschicht
(104) gehalten, die von einem Mantelrohr (105) umgeben ist. Das
zylinderförmige Mantelrohr (105) der Heizelemente (95, 97) ist
aus einem korrosionsbeständigen Metallblech hergestellt. Der
Durchmesser der Durchzüge (96, 98) in dem Trägerkörper (94)
wird zweckmäßig etwas kleiner als der Außendurchmesser des Man
telrohres (105) gewählt. Hierdurch werden die Heizelemente (95,
97) mit dem Trägerkörper (94) verpreßt. Bei dem zur Herstellung
von Abgaskatalysatoren mit metallischen Trägerkörpern erforder
lichen Lötvorgang werden gleichzeitig die Heizelemente (95, 97)
im Bereich der Durchzüge (96, 98) mit den Metallblechen (92,
93) verbunden.
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind in
den Trägerkörper des Abgaskatalysators Öffnungen für die Heiz
elemente einerodiert. Auch bei einem derartigen Abgaskatalysa
tor kann der Öffnungsquerschnitt geringfügig kleiner als der
Außendurchmesser der Heizelemente ausgebildet sein.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist das Mantelrohr (105) des Heiz
elementes (95) durch im Strömungskanal eingebrachte Öffnungen
(106, 107) geführt. Somit liegen die Anschlüsse (102, 103) der
Heizelemente (95, 97) außerhalb des Strömungskanales (91). Die
Anschlüsse (102, 103) der Heizelemente des Abgaskatalysators
(90) sind in nicht dargestellter Weise mit einer Spannungsquel
le, vorzugsweise der Stromversorgung eines Kraftfahrzeuges ver
bunden. Die elektrischen Heizelemente (95, 97), die gemäß den
Fig. 6 und 9 über den Querschnitt und die Tiefe des Trägerkör
pers (94) verteilt sind, sind prinzipiell bekannt und im Handel
erhältlich. Der geringe Außendurchmesser der Heizelemente (95,
97) führt zu einem geringen Strömungswiderstand innerhalb des
Strömungskanales (91). Das Abgas des nicht dargestellten Ver
brennungsmotors strömt in Richtung des Pfeiles (108) in den
Strömungskanal (91) ein und verläßt diesen in Richtung des
Pfeiles (109). Hierbei wird der mit einer katalytischen Be
schichtung versehene Trägerkörper (94) durchströmt, wobei das
Abgas katalytisch nachverbrannt wird. Die Heizelemente (95, 97)
führen zu einer schnellen Aufheizung des Trägerkörpers (94), so
daß dieser samt seiner katalytischen Beschichtung schnell seine
Betriebstemperatur erreicht. Somit wird auch in der Startphase
des Verbrennungsmotores ein hoher Wirkungsgrad für die Konver
tierung erzielt.
Neben einem guten Wärmeübergang zwischen den Heizelementen (95,
97) und dem Trägerkörper (94) zeichnet sich der Abgaskatalysa
tor (90) durch seine einfache Herstellbarkeit aus. Die Öffnun
gen für die Heizelemente in dem Trägerkörper (94) sind in be
kannter Weise, ähnlich wie bei der Herstellung von Wärmetau
schern, in den Trägerkörper (94) einbringbar.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der
hier im schematischen Vertikalschnitt dargestellte Abgaskata
lysator (115) besitzt einen Trägerkörper (116) für eine kata
lytische Beschichtung, der aus mit Abstand zueinander angeord
neten Glattblechen (117) und dazwischenliegende, nicht gezeig
ten Wellblechen besteht. Innerhalb des Trägerkörpers (116) ist
ein Rohr (118) angeordnet, das mittels einer in der Rohrwandung
verlegten Heizwendel (119) elektrisch beheizbar ist. Die mit
einer nicht dargestellten Spannungsquelle, insbesondere der
Stromversorgung eines Kraftfahrzeuges, verbundenen Anschlüsse
(121, 122) der Heizwendel (119) sind außerhalb eines
Strömungskanals (120) angeordnet. Das Rohr (118) liegt gegen
über dem Strömungskanal (120) senkrecht. Von dem Umfang des
Rohres (118) ragen senkrecht die mit Abstand zueinander ange
ordneten Glatt- und Wellbleche (117) des Trägerkörpers (116)
ab.
lnnerhalb des Strömungskanales (120) strömt das Abgas in Rich
tung der Pfeile (121, 124). Hierbei wird es durch die auf dem
Trägerkörper (116) aufgebrachte katalytische Beschichtung kon
vertiert. Durch das Heizelement (119) erreicht der Abgaskataly
sator (115) bzw. dessen katalytische Beschichtung schnell seine
Betriebstemperatur. Somit wird auch bei diesem Abgaskatalysator
in der Startphase ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
Innerhalb des Rohres (118) des Heizelementes (119) kann bei
spielsweise Kühlwasser oder eine andere Fahrzeugflüssigkeit
erhitzt werden. Eine derartige Flüssigkeit kann in Richtung der
Pfeile (125, 126) durch das Rohr (118) geführt werden.
Fig. 11 zeigt einen Wärmetauscher (131), der aus einem zentra
len Hohlrohr (133) und einem konzentrisch dazu angeordneten
Mantelrohr (136) besteht. Zwischen dem Hohlrohr (133) und dem
Mantelrohr (136) ist ein Ring (135) aus einem gewellten Blech
angeordnet, dessen Wellungen in etwa sternförmig um das Hohl
rohr (133) angeordnet sind. In dem Hohlraum in der Wandung des
Hohlrohres (133) ist eine Heizwendel (134) ähnlich der Heizwen
del (119) der Fig. 10 angeordnet und im Innenraum des Hohlrohres
(133) ein weiterer Ring (132) aus einem sternförmig gewellten
Blech. Auch bei dieser Ausführungsform kann der Raum zwischen
Hohlrohr (133) und Mantel (136) z. B. vom Abgas durchströmt wer
den, das an den Flächen des Wellringes (135), wenn dieser kata
lytisch beschichtet ist, gereinigt werden kann. Innerhalb des
Hohlrohres kann eine zweite Flüssigkeit, z. B. Kühlflüssigkeit
vom Motor geführt werden, die aufgewärmt werden kann. Der Well
ring (132) erhöht dabei die Wärmetauschfläche.
Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist eine schnelle
und gleichmäßige Aufheizung der erfindungsgemäßen Abgaskataly
satoren möglich. Hierdurch wird in besonders schneller Weise
ein hoher Wirkunsgrad der Abgaskatalysatoren erzielt. Die zum
Einsatz kommenden selbstisolierenden Heizelemente benötigen
keine weiteren Isolationsmaßnahmen, so daß eine hohe Festigkeit
der Trägerkörper erzielt wird.
Claims (25)
1. Abgaskatalysator, insbesondere für einen Verbrennungsmo
tor, mit einem aus Metallblechen aufgebauten und eine vom Abgas
durchströmbare Struktur aufweisenden Trägerkörper für eine
katalytische Beschichtung, der in einem das Abgas führenden
Strömungskanal angeordnet ist und der extern aufheizbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein selbstisolierend
ausgebildetes Heizelement (18, 84, 95, 119, 134) vorgesehen
ist, das mit den Metallblechen (14, 92, 117, 135) des
Trägerkörpers (13, 94, 116, 131) in Verbindung steht.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein zylinderförmiges oder stabförmiges elektri
sches Heizelement (18, 20, 95) mit geringem Durchmesser vorge
sehen ist.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das mindestens eine stabförmige Heizelement (18,
20) an einem Wellblech (16) des Trägerkörpers (13) gehalten
ist.
4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wellenform des Wellbleches (16) an den Durchmesser des
Heizelementes (18, 29) angepaßt ist.
5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (13) aus mindestens
einem spiralförmig gewickelten Glattblech (14) besteht, wobei
zwischen den Wickellagen des Glattbleches (14) eine durchström
bare Wellblechlage (16) angeordnet ist, in die mehrere stab
förmige Heizelemente (18, 20, 22, 24) mit Abstand zueinander
eingelegt sind.
6. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist, das
eine ebene Flachform aufweist und als Glattblech in den
Trägerkörper aufgenommen ist.
7. Abgaskatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Heizelemente derart biegsam sind, daß es
als spiralförmig gewickeltes Glattblech in dem Trägerkörper
anzuordnen ist.
8. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Anschlüs
se (56, 58) des mindestens einen elektrischen Heizelementes
(18, 20, 22, 24) aus den Stirnseiten (17, 19) des Trägerkörpers
(13) herausgeführt und mit einer Spannungsquelle (34) verbunden
sind.
9. Abgaskatalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die einer Stirnseite (17, 19) zugeordneten Anschlüsse (56,
58) mehrerer elektrischer Heizelemente (18, 20, 22, 24) mitein
ander verbunden sind, wobei zumindest eine Gruppe von Anschlüs
sen mit einem durch ein Mantelgehäuse (12) des Trägerkörpers
(13) geführten Stromkabel (30, 32) versehen ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Abgaskatalysators nach
einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem ein aus korrosionsfesten
Metallblechen aufgebauter Trägerkörper aus Glatt- und Wellblech
spiralförmig gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor
der Wicklung der Glatt- und Wellbleche (14, 16) zylinderförmige,
der Form des Wellbleches (16) angepaßte Heizelemente (18, 20,
22, 24) mit Abstand zueinander in das Wellblech (16) eingelegt
werden und anschließend der Trägerkörper (13) gewickelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
ein ebenes biegsames Heizelement bei der Wicklung des Träger
körpers zusammen mit dem Glatt- und Wellblech eingewickelt
wird.
12. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Trägerkörper aus in Sternwickeltechnik angeordneten Me
tallblechen besteht und in den Trägerkörper ein vorgeformtes
Heizelement (84) eingebracht ist, das eine der Durchströmungs
struktur des Trägerkörpers angepaßte Formgebung aufweist.
13. Abgaskatalysator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß das Heizelement (84) eine dreidimensionale mäander
förmige Struktur aufweist.
14. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Heizelement (95, 97) am Trägerkörper (94)
vorgesehen ist, das quer zu dessen Metallblechen (92, 93) in
einer in den Trägerkörper (94) eingebrachten Öffnung (96, 98)
angeordnet ist und mit dem Trägerkörper (94) verbunden ist.
15. Abgaskatalysator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß im Bereich der Öffnung (96, 98) das Heizelement (95,
97) mit dem Trägerkörper (94) verlötet und/oder verpreßt ist.
16. Abgaskatalysator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Öffnung für das Heizelement (95, 97) als
Durchzug (96, 98) durch die Metallbleche (92, 93) des Träger
körpers (94) ausgebildet ist.
17. Abgaskatalysator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß die Metallbleche (92, 93) im Bereich des Durchzuges
(96, 98) abgewinkelt ausgebildet sind und mit dem Heizelement
(95, 97) verbunden sind.
18. Abgaskatalysator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Öffnung für das Heizelement in die Me
tallbleche des Trägerkörper einerodiert ist.
19. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da
durch gekennzeichnet, daß das Heizelement (95, 97) mit Versor
gungsanschlüssen (102, 103) versehen ist, die außerhalb des
strömungskanals (91) angeordnet sind.
20. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 14 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens ein elektrisches Heizele
ment (95, 97) vorgesehen ist.
21. Abgaskatalysator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß das Heizelement (95, 97) stabförmig mit einer in einem
Mantelrohr (105) angeordneten Heizwendel (101) ausgebildet ist.
22. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 14 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß das Heizelement (119, 134) ein von
Flüssigkeit durchströmbares beheizbares Rohr (118, 133) auf
weist, dessen Mantelseite mit dem Trägerkörper (116, 135) ver
bunden ist.
23. Abgaskatalysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich
net, daß in dem Rohr (118, 133) mindestens ein elektrischer
Heizdraht (119, 134) verlegt ist.
24. Abgaskatalysator nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge
kennzeichnet, daß in dem Rohr (118, 133) Kühlwasser eines Ver
brennungsmotores strömt.
25. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 24, da
durch gekennzeichnet, daß mehrere Heizelemente vorgesehen sind,
die über den Querschnitt und/oder in der Tiefe des Trägerkör
pers verteilt angeordnet sind.
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: EMITEC GESELLSCHAFT FUER EMISSIONSTECHNOLOGIE MBH, |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |