DE4132439A1

DE4132439A1 - Abgaskatalysator

Info

Publication number: DE4132439A1
Application number: DE4132439A
Authority: DE
Inventors: Juergen Ing Grad Bayer; Andreas Dipl Ing Gruener; Bohumil Humpolik; Karl Lochmahr; Thomas Reimet
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1991-09-28
Filing date: 1991-09-28
Publication date: 1993-04-01
Also published as: WO1993007364A1; DE59202266D1; CZ58094A3; RU94017662A; EP0605479B1; KR100225194B1; TW209268B; EP0605479A1; MX9205465A; BR9206558A; US5562885A; KR940702582A; RU2100624C1; JP2528805B2; ES2072769T3; JPH07500052A

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

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.