DE8916129U1 - Elektrisch leitfähiger Wabenkörper - Google Patents
Elektrisch leitfähiger WabenkörperInfo
- Publication number
- DE8916129U1 DE8916129U1 DE8916129U DE8916129U DE8916129U1 DE 8916129 U1 DE8916129 U1 DE 8916129U1 DE 8916129 U DE8916129 U DE 8916129U DE 8916129 U DE8916129 U DE 8916129U DE 8916129 U1 DE8916129 U1 DE 8916129U1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- honeycomb body
- electrically
- layers
- body according
- sheets
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 122
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 29
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 13
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 7
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 4
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 claims description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 claims 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 38
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 33
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 230000004044 response Effects 0.000 description 9
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000012041 precatalyst Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
- F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
- F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
- F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
- F01N3/28—Construction of catalytic reactors
- F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
- F01N3/2807—Metal other than sintered metal
- F01N3/281—Metallic honeycomb monoliths made of stacked or rolled sheets, foils or plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
- B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
- F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
- F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
- F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
- F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
- F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
- F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
- F01N3/2026—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means directly electrifying the catalyst substrate, i.e. heating the electrically conductive catalyst substrate by joule effect
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
- F01N2330/02—Metallic plates or honeycombs, e.g. superposed or rolled-up corrugated or otherwise deformed sheet metal
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
- F01N2330/30—Honeycomb supports characterised by their structural details
- F01N2330/44—Honeycomb supports characterised by their structural details made of stacks of sheets, plates or foils that are folded in S-form
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Description
Elektrisch leitfähiger Wabenk*53r*pe'f'
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Wabenkörper, insbesondere als Trägerkörper für
Abgaskatalysatoren, aus gewickelten, gestapelten oder anderweitig geschichteten Lagen zumindest teilweise
strukturierter hochtemperaturkorrosionsfester Bleche, die eine Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen bilden.
Die wesentlichen Züge der erfindungsgemäßen Wabenkörper werden im folgenden anhand der Vorteile bei der Anwendung als
Katalysator-Trägerkörper behandelt, jedoch schließt dies andere, .vergleichbare Anwendungen nicht aus. So können solche
Wabenkörper beispielsweise zur Aufheizung von Fluiden, zur Verdampfung von Flüssigkeiten etc. eingesetzt werden.
Ausgehend von dem weithin bekannten Stand der Technik bei Kraftfahrzeugkatalysatoren, nämlich dem geregelten
Dreiwegekatalysator, beschäftigen sich die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hauptsächlich mit der Beschleunigung
des Ansprechens, der Regelung und Überwachung solcher Katalysatoranordnungen.
Bisher werden in vielen Fällen zur Verringerung des Schadstöffausstößes in der Kaltstartphase eines Kraftfahrzeuges
sogenannte Startkatalysatoren, auch Vorkatalysatoren genannt, eingesetzt. Solche motornah eingebauten Startkatalysatoren,
welche metallische Tragstrukturen aufweisen, werden schneller als die voluminösen Hauptkatalysatoren aufgeheizt, da sie näher
am Motor angeordnet sind und ein geringeres Volumen aufweisen. Trotzdem benötigen auch Startkatalysatoren eine gewisse Zeit
bis zum Ansprechen, da ihre katalytisch aktive Masse, deren keramisches Trägermaterial und die metallische Tragstruktur
.O .UJ ;.;
zunächst vom Abgas aufgeheizt werden müssen. Hierb'ei entziehen
sie dem Abgas zunächst Wärme, wodurch auch die weiter hinten angeordneten Hauptkatalysatoren langsamer auf
Betriebstemperatur kommen.
5
5
Als metallische Tragstrukturen sind verschiedene Varianten von Wabenkörpern bekannt, die zum Beispiel in folgenden Schriften
ausführlich erläutert sind:
EP-C-O 049 489, EP-C-O 121 174, EP-C-O 121 175, EP-A-O 245 737,
EP-A-O 245 738
Insbesondere sind aus diesen Schriften auch sogenannte S-förmige Wabenkörper und auch solche mit U-förmigen Blechlagen
bekannt.
Schließlich- ist es auch seit langem bekannt, daß- ein
metallischer Wabenkörper elektrisch beheizt werden kann. Dies ist beispielsweise in der DE-PS-563 757 beschrieben. Andere
Versuche, einen Katalysatorkörper mittels eines elektrischen Heizelementes zu beheizen, sind aus der DE-AS-22 30 663
bekannt. Die direkte elektrische Beheizung von Katalysator-Trägerkörpern stieß jedoch bisher auf große Schwierigkeiten, da
die üblichen metallischen Strukturen einen zu geringen elektrischen Widerstand aufweisen, als daß sie mit den bei
Kraftfahrzeugen üblichen und vorhandenen elektrischen Spannungen direkt als Heizkörper benutzt werden können. In der
DE-PS-563 757 wurden daher nur gesonderte Teilbereiche beheizt, die so gestaltet sein konnten, daß sie einen geeigneten
Widerstand haben. In der DE-AS-22 30 663 wird ein gesondertes Heizelement benutzt, welches nicht gleichzeitig als
Katalysator-Trägerkörper dient.
Würde man andererseits bei spiralig gewickelten Wabenkörpern durch geeignete Isolation der Blechlagen die gesamte Länge des
aufgewickelten Bleches ausnutzen, so würde sich ein zu hoher Widerstand ergeben, welcher keine genügende Stromstärke für die
zur Beheizung erforderliche Leistung zulassen Vürcfe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Modifizierung
des Aufbaus eines metallischen Wabenkörpers mit dem Ziel, seinen Widerstand in weiten Grenzen unabhängig von seinem
Volumen frei wählen zu können, so daß insbesondere eine Beheizung des Wabenkörpers mit den üblicherweise in Kraftfahrzeugen
verfügbaren Spannungs- bzw. Stromquellen problemlos möglich wird. Zusätzlich oder alternativ soll die Möglichkeit
gegeben sein, durch Beobachtung des temperaturabhängigen Widerstandes eines Wabenkörpers auf dessen Temperatur zu
■ schließen und mit dieser'Information Regelungs- oder Kontrollvorgänge
zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die vorliegende Erfindung, daß der Wabenkörper durch Spalte und/oder elektrisch isolierende
Zwischenschichten bzw. Beschichtungen bezüglich seiner Querschnittsfläche und/oder seiner axialen Ausdehnung
elektrisch so unterteilt sein soll, daß sich mindestens ein elektrischer Strompfad durch die Bleche mit einem elektrischen
Widerstand zwischen 0,03 und 2 Ohm ergibt, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 Ohm, insbesondere etwa 0,6 Ohm. Wie anhand
der Zeichnung näher erläutert wird, hängt dabei die zur Erzielung eines bestimmten Widerstandes notwendige Zahl an
Spalten und/oder Zwischenschichten von mehreren Parametern ab. Die Dicke der einzelnen Bleche, deren Struktur, die
Querschnittsfläche der einzelnen Kanäle und die Wahl des Materials üben "einen Einfluß aus. Zur Anwendung können Bleche
mit einer Dicke von etwa 0,03 bis 0,12 mm kommen, vorzugsweise 0,03 bis 0,06 mm. übliche Materialien sind Stahlbleche mit
Chrom- und Aluminium-Anteilen. Von der Erfindung werden verschiedene Varianten elektrisch beheizbarer Katalysator-Trägerkörper
erfaßt. Gemeinsam ist diesen, daß sie durch Spalte und/oder elektrisch isolierende Zwischenschichten so unterteilt
bzw. von ihrem Mantelrohr getrennt sind, daß sich mindestens ein elektrischer Strompfad durch den Katalysator-Trägerkörper
mit einem elektrischen Widerstand zwischen G,o" uffd 2 Ohm
ergibt. Ein Widerstand in diesem Bereich eignet sich insbesondere für eine elektrische Beheizung in üblichen
12-Volt-Anlagen. Zu berücksichtigen ist dabei, daß bei hohen
Stromstärken bereits erhebliche Verluste in den Zuleitungen auftreten können, so daß am Katalysator-Trägerkörper selbst
möglicherweise nur noch eine geringere Spannung, beispielsweise 10 Volt, anliegt.
Sofern in einem Fahrzeug mehrere elektrisch beheizbare ,.,., Katalysatoren vorhanden sind, so gibt es immer verschiedene
■ Varianten der elektrischen Zusammenschaltung. Entweder können die einzelnen Körper mit einem hohen Widerstand ausgebildet
sein und dann parallel geschaltet werden, oder sie weisen einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand auf und sind
dementsprechend in Reihe geschaltet. Auch zeitabhängige Umschaltung von Parallel- zu Reihenschaltung kann vorgesehen
werden, sofern die elektrische Heizleistung abhängig vom Betriebszustand variiert werden soll.
20
Die üblicherweise verwendeten hochtemperaturkorrosionsfesten Bleche mit einer Dicke von etwa 0,03 bis 0,06 mm hätten auf der
gesamten Länge die für die Bildung eines Katalysator-Trägerkörpers benötigt wird, einen für die vorgesehene elektrische
Beheizung zu hohen Widerstand. Ein Katalysator-Trägerkörper bei welchem sich alle strukturierten Bleche berühren oder sogar
fügetechnisch verbunden sind, hätte einen zu geringen Widerstand für eine" elektrische Beheizung mit 12 Volt. Im
Ergebnis muß daher ein Katalysator-Trägerkörper so unterteilt werden, daß abhängig von_ seinem Gesamtvolumen ein
Strompfad mit einem geeigneten Zusammenwirken von Länge und Leitfähigkeit entsteht. Eine Möglichkeit ist dabei die
Unterteilung des Querschnittes in elektrisch hintereinander gereihte Segmente, die beispielsweise jeweils aus mehr als vier
parallel geschalteten Blechlagen bestehen, vorzugsweise aus acht bis zwölf Blechlagen.
Eine weitere Möglichkeit ist "die "Unterteilung des Katalysator-Trägerkörpers
in axial hintereinanderliegende Schichten, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Beide Möglichkeiten können
auch kombiniert verwendet werden, wie anhand der Ausführungsbeispiele erläutert wird.
Einige Besonderheiten ergeben sich bei der Einbindung des elektrisch beheizbaren Katalysator-Trägerkörpers in ein
Mantelrohr, da hier zumindest Teile des Katalysator-Trägerkörpers von dem Mantelrohr elektrisch isoliert sein
-' 'müssen. Ferner müssen geeignete isolierte Durchführungen-für-' ·■■■·■·
die elektrischen Zuleitungen vorgesehen werden. Dies bereitet jedoch beispielsweise bei Verwendung von aus Halbschalen
zusammengesetzten Mantelrohren keine größeren Probleme. Die Isolierung zwischen Katalysator-Trägerkörper und Mantelrohr
kann dabei gleichzeitig eine thermische und elektrische Isolierung bewirken, was besonders vorteilhaft ist.
Die Erfindung betrifft auch Problemlösungen bei einigen Einzelheiten für spezielle Anwendungen. Wie anhand der
Zeichnung näher erläutert wird, kann es zur Vergleichmäßigung der Verteilung der Stromdichte im Wabenkörper sinnvoll sein,
Anschlußstreben an einer oder beiden Stirnseiten eines Wabenkörpers vorzusehen. Bei zu erwartenden Relativdehnungen
zwischen beheizbarem Wabenkörper und seinem Mantelrohr muß ggf. eine elektrische Zuleitung elastisch ausgeführt sein, damit
diese Dehnungen kompensiert werden können. Eine solche Zuleitung muß ggf. für Stromstärken von 50 bis 400 Ampere
ausgelegt sein.
Bei zu erwartenden hohen axialen mechanischen Belastungen eines Wabenkörpers kann es wichtig sein, elektrisch voneinander
isolierte Blechlagen durch Formschlußverbindungen an einer axialen Verschiebung zu hindern. Bekanntermaßen sind keramische
Isolierschichten nicht in hohem MaSe auf Zug belastbar. Hier kann eine Formschlußverbindung helfen, die auftretenden Kräfte
aufzunehmen. Insbesondere, »Wfi *die F*ötnT5chlußve*fbindung eine
Tiefe hat, welche größer als die Dicke der Isolierschicht ist, führen axiale Kräfte hauptsächlich zu Druckbelastungen der
keramischen Zwischenschicht in diesem Bereich und nicht zu Zugbelastungen.
Elektrisch leitfähige Katalysator-Trägerkörper, insbesondere die bisher beschriebenen, aber auch andere, z. B. pulvermetallurgisch
hergestellte, können, wenn sie zumindest teilweise gegenüber ihrem Mantel und ihren Halterungen isoliert und mit
einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen in Abgassystemen eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden,
dadurch überwacht werden, daß ihr elektrischer Widerstand insgesamt oder in einem Teilbereich gemessen und zur
Überwachung und/oder zur Regelung des Katalysator-Abgassystems herangezogen wird. Mit steigender Temperatur steigt auch der.
elektrische Widerstand des Wabenkörpers. Dies kann zur Überwachung und zur Regelung einer elektrischen Beheizung
nutzbar gemacht werden. Neben dem Effekt, daß die von einem Katalysator-Trägerkörper aufgenommene Heizleistung bei
gleichbleibender anliegender Spannung sinkt, kann der Heizvorgang auch ab Unterschreiten einer vorbestimmbaren
Schwelle des elektrischen Widerstandes beendet werden. Auch das Nachheizen eines Katalysators, dessen Betriebstemperatur,
beispielsweise im stockenden Verkehr, wieder unter die Zündtemperatur der katalytischen Reaktion gesunken ist, kann
aufgrund einer Widerstandsmessung ausgelöst werden. Dabei kann der Heizstromkreis selbst zur Widerstandsmessung herangezogen
werden, indem dieser periodisch kurzzeitig eingeschaltet und die aufgenommene Heizleistung oder eine dieser Heizleistung
proportionale Größe gemessen wird.
Ausführungsbeispiele und das Umfeld der Erfindung sind in der Zeichnung, teilweise schematisch, dargestellt. Es zeigen'
Figur 1 ein teilweise zweisträngig aufgebautes Abgassystem eines Kraftfahrzeuges mit unterschiedlichen Positionen für die
··j
Start- und Hauptkatalysatoreof·· "··* «·*··* ..**··*
Figur 2 eine P'rinzipschaltung für elektrisch beheizbare Katalysatoren, ...-.-
Figur 3 eine Prinzipschaltung für scheibenweise beheizbare
Katalysatoren,
Figur 4 ein Diagramm über Temperaturen im Abgas- bzw. Katalysatorsystem eines Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von der
Zeit nach dem Betriebsbeginn,
Figur 5 einen mäanderförmig geschichteten Katalysator-&Igr;&Ogr;
Trägerkörper,
Figur 6 einen Katalysator-Trägerkörper mit... U-förmig ■verlaufenden Blechlagen und entsprechenden Strompfaden,
Figur 7 einen Blechstapel mit Einschnürungen, Figur 8 einen aus diesem Blechstapel hergestellten,
mäanderförmig geschichteten Katalysator-Trägerkörper, Figur 9 einen Ausschnitt aus Figur 8 zur Verdeutlichung der
Isolierung des Blechstapels gegenüber dem Mantelrohr, Figur 10 einen elektrisch beheizbaren Katalysator-Trägerkörper
aus einem gegensinnig verschlungenen Blechstapel (S-Form) mit isolierenden Zwischenschichten,
Figur 11 einen aus Katalysatorkörpern gemäß Figur 10 zusammengesetzten Mehrscheibenkatalysator mit schematisch
angedeuteter elektrischer Zusammenschaltung, Figur 12 einen weiteren Katalysator-Trägerkörper aus
gegensinnig verschlungenen Blechen mit Mantelrohr und Ausführung der elektrischen Anschlüsse,
Figur 13 einen Längsaxialschnitt durch einen Katalysator-Trägerkörper,
der aus zwei Scheiben gemäß Figur 12 aufgebaut ist,
Figur 14 eine Einbauart für elektrisch leitfähige Katalysator-Trägerkörper
in schematischer Darstellung, teilweise längsaxial
geschnitten,
Figur 15 und Figur 16 verschiedene Varianten für stirnseitige Anschlußstreben und
Figur 17 eine elektrisch isolierende Formschlußverbindung zwischen zwei Blechlagen.
In Figur 1 ist schematisch eift. te»ilwei6e«»zwerstrangiges
Abgassystem eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Die im folgenden gemachten Ausführungen gelten jedoch auch für einsträngig
aufgebaute Anlagen, bei denen jeweils der untere Zweig 10b, 11b, 12b, 15b, 16b, 17b, 18b, 19b entfällt. Das Auspuffsystem
führt die Abgase mit MotorauslaSleitungen 10a, 10b zu einer Mischstrecke 13, in der eine Lamda-Sonde angeordnet ist. Von
dort führen Abgasleitungen 15a, b zu den Hauptkatalysatoren 17a, 17b, 18a, 18b und von dort zu Auspuffleitungen 19a, 19b.
Ob die Hauptkatalysatoren aus nur einem Körper oder, wie dargestellt, aus zwei Körpern bestehen, hängt von der Größe und
Leistung des Motors ab. In Figur 1 sind drei mögliche Positionen für elektrisch beheizte Start-Katalysatoren
angegeben. Die Position 1 ist mit 11a, 11b bezeichnet, Position 2 mit 12a, 12b und Position 3 mit 16a, 16b. Im folgenden werden
die Vor- und Nachteile dieser Positionen einzeln abgehandelt, jedoch sind auch Kombinationen denkbar, bei denen zwei oder
alle diese Positionen mit beheizten Katalysatoren bestückt werden. Außerdem ist es möglich, die Hauptkatalysatoren 17a,
17b, 18a, 18b selbst elektrisch zu beheizen, was allerdings höhere elektrische Leistungen erfordert, dafür aber u. U.
Start-Katalysatoren überflüssig machen kann. Position 1 ist die für Startkatalysatoren übliche Anordnung,
wobei die Katalysatoren wegen ihrer Motornähe schnell aufgeheizt werden und daher frühzeitig ansprechen, allerdings
dabei auch hohe thermische Wechselbelastungen ertragen müssen. Durch elektrische Beheizung kann das Ansprechverhalten in
dieser Position noch verbessert werden, jedoch ist der folgende Abgasweg bis zur Position der Hauptkatalysatoren relativ lang,
so daß sich die Abgase kurz nach Betriebsbeginn zunächst bis zum Hauptkatalysator wieder soweit abkühlen können, daß das
Ansprechverhalten der Hauptkatalysatoren nur in begrenztem Umfang verbessert wird.
Die Position 2 liegt einerseits etwas weiter entfernt vom Motor, so daß die thermischen Wechselbelastungen der
Katalysator-Trägerkörper verringert werden, und andererseits
schon näher am HauptkatalysaCö'i, 'so dä#ö Efessetf **
Ansprechverhalten schon etwas begünstigt wird. Zusätzlich hat die Position 2 den Vorteil, daß die dort frühzeitig
ansprechenden Katalysatoren das Ansprechverhalten der Lamda-Sonde 14 verbessern.
Die Position 3 ist günstig, um mit dem Ansprechen der Startkatalysatoren 16a, 16b auch das Ansprechen der
Hauptkatalysatoren 17a, 17b, 18a, 18b schnell zu fördern. Durch die Entfernung vom Motor sprechen allerdings die
Startkatalysatoren in dieser Position trotz Beheizung erst
später an. · <-. ■
In jeder der angegebenen Positionen haben Startkatalysatoren, insbesondere elektrisch beheizbare Startkatalysatoren, jedoch
erhebliche Vorteile, so daß es von den einzelnen Randbedingungen abhängt, welche der Positionen oder welche
Kombination dieser Positionen besonders günstig ist. Dabeiist auch nicht entscheidend, ob es sich bei den Trägerkörpern der
Hauptkatalysatoren um keramische oder metallische Träger handelt.
20
20
In den Figuren 2 und 3 sind schematische Prinzipschaltungen für elektrisch leitfähige bzw. beheizbare Katalysatoren angegeben.
In Figur 2 wird der Katalysator 24 aus einer Stromquelle 20 über einen Schalter 23 mit Strom versorgt. Hier wie im
folgenden ist durch die Bezeichnung +/-A-v angedeutet, daß es
für das Wesen der Erfindung keine Rolle spielt, ob die Stromversorgung aus einer Batterie und mit Gleichstrom oder aus
einer Lichtmaschine und mit Wechselstrom erfolgt. Im allgemeinen wird nach dem Erreichen bestimmter Betriebszustände
eine weitere elektrische Beheizung des Katalysators nicht mehr notwendig sein, weshalb der Schalter 23 mit einem Zeitrelais
und dem Zündschloß 22 gekoppelt ist. Mit der in Figur 2 gezeigten Anordnung ist es, was ein wesentlicher Punkt der
vorliegenden Erfindung ist, prinzipiell auch möglich, Rückschlüsse auf den jeweils aktuellen (d. h. temperaturabhängigen)
Widerstand R(T) des Katalysators 24 zu ziehen. Im
einfachsten Fall kann der Widerstand R'dtfrch Sfine* Spannungsmessung
25 und eine Strommessung 26 aus R = &ggr; (U-Spannung; I-Strom) bestimmt werden, wobei evtl. die Spannung sogar als
konstant und bekannt vorausgesetzt werden kann. Der Widerstand R wiederum ist direkt proportional der Temperatur T^ des
Katalysator-Trägerkörpers. Somit ergibt sich die Möglichkeit einer Selbstregelung des Heizvorganges, indem dieser bei
Unterschreiten eines vorgegebenen Stromes Imin beendet wird,
weil dann eine genügend hohe Temperatur TK erreicht ist. Weiter
ist es möglich, durch regelmäßiges kurzzeitiges Einschalten und ■·. -Messen des Heizstromes (oder durch ein anderes Widerstandsmeßsystem)
festzustellen, ob" die Temperatur T., des Katalysators
noch über der Zündtemperatur Tz für die katalytische Umsetzung
liegt. Falls nicht, kann wieder elektrisch geheizt werden. Ferner ermöglicht die Aufnahme des zeitlichen Verhaltens des
---Widerstandes R des Katalysator-Trägerkorpers (im Fahrzeug selbst oder bei einer Werkstattuntersuchung) einen Rückschluß
auf die Funktionsfahigkeit des Katalysators, da das Einsetzen der exothermen katalytischen Reaktion sich durch schnelles
Ansteigen des Widerstandes R bemerkbar macht. Eine entsprechende Anzeige im Fahrzeug, z. 8. eine grüne Lampe, ist
leicht realisierbar.
Auch in Figur 3 wird ein elektrisch beheizbarer Katalysator aus einer Stromquelle 30 über einen Schalter 33 mit Strom versorgt,
welcher über ein Zeitrelais 31 mit dem Zündschloß 32 in Verbindung steht. In diesem Ausführungsbeispiel besteht jedoch
der Katalysator aus mehreren einzeln beheizbaren Teilbereichen 34, 35, 36, 37, bei welchen zunächst der erste Teilbereich 34
einzeln und mit höherem Strom beheizt werden kann, und erst später die anderen Teilbereiche 35, 36, 37, vorzugsweise in
Reihenschaltung, zugeschaltet werden.
Wie anhand von Figur 4 näher erläutert wird, können beim Betrieb elektrisch beheizbarer Katalysatoren verschiedene
alternative Systeme benutzt werden. Im Diagramm der Figur 4 ist
&iacgr;&KHgr;. &Iacgr; ::.!!&Ggr;&iacgr;
auf der Ordinate die Temperatur. X.gegeh 'di'e Zei'F.t* au f der
Abszisse aufgetragen. Mit T ist die Zündtemperatur eines üblichen Katalysators, beispielsweise etwa 350 *C, bezeichnet
und mit t der Zündzeitpunkt, d.h. der Zeitpunkt, bei dem ohne
Zusatzmaßnahmen die katalytische Reaktion in nennenswertem Umfange einsetzt. Die Kurve T- zeigt den Verlauf der
Abgastemperatur vor dem Katalysator in Abhängigkeit von der Zeit nach dem Starten des Motors zum Zeitpunkt t . Die
gestrichelte Kurve T^, zeigt den Temperaturverlauf in einem
elektrisch beheizten Katalysator-Trägerkörper. Wählt man die -Heizleistung für einen Katalysator-Trägerkörper so, daß sich
seine Temperatur T^, immer etwas oberhalb der Abgastemperatur
&Tgr;» befindet, so vermeidet man, daß dem Abgas Wärme zur
Aufheizung des Katalysator-Trägerkörpers entzogen wird. Man kann zwar mit der elektrischen Leistung nicht das Abgas selbst
nennenswert aufheizen, jedoch wird eine.Abkühlung vermieden. Bei dieser Betriebsweise wird die keramische und die
katalytisch aktive Masse des Katalysators von außen durch das Abgas und von innen durch den Katalysator-Trägerkörper
gleichzeitig aufgeheizt und erreicht dadurch deutlich eher die Temperatur T , bei der die (exotherme) Reaktion einsetzt und
von selbst für eine weitere Aufheizung sorgt. Wegen der nicht beliebig hohen verfügbaren elektrischen Leistung zum Aufheizen
der Katalysatoren kann es nötig sein, gemäß einer Schaltung der Figur 3 zunächst nur einen Teilbereich, nämlich die vorderste
Scheibe eines Katalysators von beispielsweise etwa 3,5 bis 6 cm axialer Höhe zu beheizen, um dort die exotherme Reaktion
möglichst schnell in Gang zu bringen. Einen möglichen Temperaturverlauf für diese Scheibe zeigt die mit TK2
bezeichnete Kurve. Dabei wird die Temperatur mit einem hohen, auf einen kleinen Teilbereich begrenzten Kurzschlußstrom sehr
schnell stark erhöht, beispielsweise auf 600 *C und dann auf die Beheizung der anderen Katalysator-Teilbereiche
umgeschaltet. Dadurch kühlt sich die erste Scheibe zwar wieder etwas ab, jedoch unterschreitet sie bei genügender Vorheizung
nicht mehr die Zündtemperatur und hält dadurch die exotherme
Reaktion mit dem Abgas in Gang·,· *we*s wiisdecum «dae^rTachfolgenden
Teilbereiche in ihrem Ansprechverhalten begünstigt. Oie Kurve Tj,, zeigt den Temperaturverlauf eines vor dem Starten des
Motors vorgeheizten Katalysator-Trägerkörpers. Ab dem Beginn des Vorheizens zum Zeitpunkt t bis zum Startzeitpunkt t
V &ogr;
steigt die Temperatur steil und über die Zündtemperatur Tz an
und unterschreitet diese nicht mehr.
An dieser Stelle seien einige prinzipielle Überlegungen bezüglich der elektrischen Beheizung von Katalysatoren
eingefügt. Folgende Punkte sind dabei zu beachten:
a) Sofern Katalysatoren noch vor dem Anlassen des Motors vorgeheizt werden sollen, muß ihre Leistungsaufnahme so
bemessen sein, daß keine zu lange Wartezeit entsteht, aber auch die Batterie nicht zu sehr belastet wird.-Je nach dem
verfolgten Konzept kommen Stromaufnahmen zwischen etwa 40 und 400 A (bei 12-V-Systemen) in Betracht, um die Batterie nicht zu
sehr zu belasten und trotzdem das Ansprechverhalten der Katalysatoren deutlich zu beeinflussen.
b) Falls die Katalysatoren erst nach dem Anlassen des Motors beheizt werden, können sie langer oder mit höherer Leistung
versorgt werden, jedoch ist die zulässige Belastung der Lichtmaschine und die im Rahmen der erforderlichen Verkabelung
maximale sinnvolle Stromstärke zu berücksichtigen. Insbesondere müssen Gesichtspunkte der Feuergefährlichkeit der elektrischen
Anlagen beachtet werden.
Unter diesen Vorgaben ist davon auszugehen, daß für die elektrische Beheizung von Katalysatoren bei mit 12 Volt
Spannung arbeitenden elektrischen Anlagen Stromstärken von etwa bis 400 Ampere zur Beheizung von Katalysatoren oder einzelnen
Katalysator-Bereichen benutzt werden können. Dies bedeutet, daß der elektrische Widerstand der zur Beheizung der Katalysatoren
dienenden Strompfade, wie in der Beschreibungseinleitung
bereits erläutert, bestimmte *«e'rV§* nicKt*uber"Vzw".
unterschreiten sollen. Bei aus einzelnen Blechlagen aufgebauten Katalysator-Trägerkörpern läßt sich für den Widerstand R
folgende Beziehung ermitteln:
&rgr; &igr;
R = ~— mit S = spez. elektr. Widerstand
L = Lagenlänge (ggf. unterschiedlich für glatte und gewellte
Sieche) b = Foliendicke
h = Folienhöhe "z = Lagenzahl
Ist ein Katalysator aus N Katalysatorscheiben mit der Höhe h aufgebaut, so ist der Widerstand bei Reihenschaltung noch
entsprechend mit N zu multiplizieren.
Für die von einem Strom I in einem Leiter erzeugte Wärme gilt:
Q=U.I. t=I2.R mit Q = Wärmemenge
U = Spannung I = Strom t = Zeit R = Widerstand 25
Für die zum Aufheizen eines Körpers auf die Temperatur T
benötigte Wärmemenge gilt:
Q = c . m . &dgr; T mit.j;.*..3pez.j. W^rme ..··..·
m = Masse
&dgr;. T = Temperaturdifferenz,
woraus eine Aufheizzeit durch reine elektrische Widerstandsbeheizung von
i. c . m . &Dgr; &Tgr;
zel = &Ggr;&Pgr;
folgt. Die tatsächliche Aufheizzeit unter Einbeziehung der dem Katalysator durch die Abwärme des Motors zugeführte Wärmemenge
ist deutlich kürzer, nach Erfahrungswerten nur etwa 2 1Bl'
Die im folgenden beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele der
Erfindung zeigen verschiedene Möglichkeiten, Katalysator-Trägerkörper aus metallischen Blechen so
aufzubauen, daß Strompfade mit einem für eine elektrische Beheizung geeigneten Widerstand entstehen. Dabei ist die
Erfindung nicht auf die Ausfuhrungsbeispiele beschränkt, sondern soll auch die fachmännischen Abwandlungen und nach dem
Stand der Technik äquivalente Ausführungsformen betreffen. Insbesondere braucht es sich bei den Blechlagen nicht um
abwechselnd angeordnete glatte und gewellte Blechlagen zu handeln, sondern es können auch andersartig strukturierte
Bleche, wie sie in vielen Variationen im Stand der Technik bekannt sind, gleichermaßen verwendet werden.
Figur 5 zeigt einen· mäanderförmig geschichteten Katalysator-Trägerkörper
50, welcher aus einem immer wieder mit Umlenkungen 57 versehenen Stapel von glatten 51 und gewellten 52 Blechen
besteht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Stapel durch vier gewellte 52 und drei glatte Blechlagen 51 gebildet,
wobei die Ober- und die Unterseite des Stapels aus gewellten Blechlagen bestehen. Zwischen den Mäanderschleifen sind jeweils
elektrisch isolierende Zwischenschichten 58 angeordnet, die einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen
Mäanderschleifen verhindern. *&Agr;&eegr;* den Erttfert* des'Stsfpels sind
dessen Bleche jeweils leitend miteinander verbunden und mit einer Stromzuleitung 53 und einer Stromableitung 54, bzw. dafür
geeigneten Anschlußstücken versehen. Der ganze Körper ist in einem Gehäuse oder Mantelrohr 55 angeordnet. An den Stirnseiten
weist der Bereich der Umlenkungen 51 gestrichelt angedeutete Randabdeckungen 56a, 56b auf, welche einerseits unerwünschte
Strömungen zwischen den Umlenkungen 57 und dem Gehäuse 55 verhindern und andererseits die Mäanderschleifen und
isolierenden Zwischenschichten 58 fixieren. Der Widerstand -;;,■. einer solchen Anordnung kann in weiten Grenzen durch die Zahl
der Sieche in dem mäanderförmigen Blechstapel variiert werden.
Außerdem können mit dieser Art der Anordnung auch nicht rechteckige Querschnitte ausgefüllt werden.
15
- Figur 6 zeigt beispielhaft eine an sich bekannte Katalysatoranordnung mit U-förmig gebogenen glatten 61 und gewellten 62 Blechlagen, welche mit ihren Enden an einer Tragwand 65, 66, 69 befestigt sind. Erfindungsgemäß ist auch diese Anordnung durch isolierende Zwischenschichten 68 und eine spezielle Unterteilung der Tragwand 65, 66, 69 in elektrisch leitende 65, 66 Abschnitte und eine elektrisch isolierende Struktur 69 so unterteilt, daß sich Strompfade mit einem geeigneten Widerstand ergeben. Wie durch Pfeile angedeutet, fließt der Strom nacheinander durch verschiedene Gruppen von U-förmigen, einander benachbarten Blechen, wobei elektrisch leitfähige Abschnitte der Tragwand jeweils die Verbindung zur nächsten Gruppe herstellen. Im Inneren des Körpers weist die Tragwand eine durchgehende elektrische Verbindung 67 zu einem gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Abschnitt auf, so daß auf beiden Seiten der Tragwand 69 liegende Gruppen von U-förmigen Blechen in die Stromzuführung einbezogen werden. Die Stromableitung 64 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel nahe der Stromzuleitung .63. Der ganze Katalysator-Trägerkörper 60 muß ggf. noch in einem nicht dargestellten Mantelrohr angeordnet werden, dem gegenüber die äußersten Blechlagen ggf.
- Figur 6 zeigt beispielhaft eine an sich bekannte Katalysatoranordnung mit U-förmig gebogenen glatten 61 und gewellten 62 Blechlagen, welche mit ihren Enden an einer Tragwand 65, 66, 69 befestigt sind. Erfindungsgemäß ist auch diese Anordnung durch isolierende Zwischenschichten 68 und eine spezielle Unterteilung der Tragwand 65, 66, 69 in elektrisch leitende 65, 66 Abschnitte und eine elektrisch isolierende Struktur 69 so unterteilt, daß sich Strompfade mit einem geeigneten Widerstand ergeben. Wie durch Pfeile angedeutet, fließt der Strom nacheinander durch verschiedene Gruppen von U-förmigen, einander benachbarten Blechen, wobei elektrisch leitfähige Abschnitte der Tragwand jeweils die Verbindung zur nächsten Gruppe herstellen. Im Inneren des Körpers weist die Tragwand eine durchgehende elektrische Verbindung 67 zu einem gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Abschnitt auf, so daß auf beiden Seiten der Tragwand 69 liegende Gruppen von U-förmigen Blechen in die Stromzuführung einbezogen werden. Die Stromableitung 64 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel nahe der Stromzuleitung .63. Der ganze Katalysator-Trägerkörper 60 muß ggf. noch in einem nicht dargestellten Mantelrohr angeordnet werden, dem gegenüber die äußersten Blechlagen ggf.
isoliert sein müssen und durg|£,weJL:cfie3.Sjjj *St;;<3mzjJleitung 63
und die Stromableitung 64 ggf. isoliert hindurchgeführt werden müssen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Figuren 7, 8 und 9 dargestellt. Figur 7 zeigt einen Teil eines
sehr lang gestreckten Blechstapels 70, welcher zumindest abschnittsweise aus glatten 71 und gewellten 72 Blechstreifen
besteht. Dieser Stapel hat in Abständen Einschnürungen 73. Solche Einschnürungen können entweder entstehen, wenn die
gewellten Bleche 72 abschnittsweise nicht gewellt sind oder aber durch Zusammenquetschen"des Stapels in den gewünschten
Bereichen. Es ist beispielsweise auch möglich, einen solchen
Stapel zunächst ohne Einschnürungen herzustellen und an den Berührungsstellen zwischen glatten 71 und gewellten 72 Blechen
zu verlöten und dann erst die Einschnürungen . ■
zusammenzuquetschen. Aus einem so gestalteten Stapel kann ein
Katalysator-Trägerkörper. 80, wie in Figur 8 dargestellt, geschichtet werden. Es handelt sich im Prinzip wieder um eine
mäanderförmige Schichtung, nur daß hierbei die Umlenkungen von den Einschnürungen 73 des Stapels 70 gebildet werden. Auf diese
Weise lassen sich gewünschte Querschnittsformen leichter herstellen und unregelmäßig gestaltete Randbereiche
verkleinern. Die nicht vom Abgas umströmten Einschnürungen 73
können zur Senkung des elektrischen Widerstandes in diesem Bereich mit Verstärkungen 74 versehen sein. Die glatten 81 und
gewellten 82 Bleche des Stapels werden an den Enden elektrisch ■·■·■ -iBitend verbunden und enden in einer Stromzuleitung 83 bzw.
einer Stromableitung 84, welche durch Isolierstücke 85, 86 durch ein den Körper umgebendes Mantelrohr geführt sind. Die
einzelnen Mäanderschleifen und auch die Außenseite des Stapels sind mittels Isolierschichten 88 voneinander und vom Mantelrohr
elektrisch getrennt. Figur 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 8 mit einem Beispiel für eine mögliche
Isolation gegenüber dem Mantelrohr. Das Mantelrohr 90 kann beispielsweise Taschen 93 aufweisen, in welche Keramikplättchen
eingelegt und ggf. dort angele^&t^isindj^ iDJJesej]fc&r#ainikplättchen
98 halten den Stapel aus glatten 91 und gewellten 92 Blechen auf Abstand vom Mantelrohr 90, wodurch sowohl eine elektrische
wie eine thermische Isolation erreicht wird. Als Isolation kommen jedoch auch keramische Fasermatten oder andere
keramische Materialien in Betracht.
Figur 10 zeigt ein weiteres besonders günstiges Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, nämlich einen an sich
bekannten Katalysator-Trägerkörper 100 aus einem Stapel gegensinnig verschlungener glatter 101 und gewellter
Bleche. Ein solcher Aufbau von Katalysatorkörpern ist an sich bekannt und wird häufig als S-förmig bezeichnet. Diese
Ausführungsform bietet die Möglichkeit, die Ober- und Unterseite des Stapels mit Isolierschichten 108 oder einer
isolierenden Beschichtung zu versehen, wodurch beim gegensinnigen Verschlingen des Stapels ein relativ langer
elektrischer Strompfad, wie er durch Pfeile angedeutet ist, entsteht. Seine Länge hängt vom Verhältnis der Höhe des
Ausgangsstapels zum Durchmesser des Katalysator-Trägerkörpers ab. Sofern die Blechlagen 101, 102 mit ihren Enden an
voneinander isolierten elektrisch leitenden Halbschalen 105, 106 befestigt sind, lassen sich an diesen Halbschalen eine
Stromzuleitung 103 und eine Stromableitung 104 anbringen. Die Halbschalen 105, 106 müssen dazu beispielsweise durch
Isolierstücke 107 voneinander getrennt sein, wobei die Isolierschichten 108 gerade im Bereich dieser Isolierstiicke
enden müssen. Die ganze Anordnung wird üblicherweise noch elektrisch isoliert in einem nicht dargestellten Mantelrohr
untergebracht, durch welches die Stromzuleitung 103 und die Stromableitung 104 isoliert hindurchgeführt werden müssen.
Generell kann bei praktisch allen Ausfuhrungsbeispielen auch auf die Stromableitung verzichtet werden, wenn eine gut
leitende Verbindung zum Gehäuse und damit zur Masse des Kraftfahrzeuges hergestellt wird. Mit gegensinnig
verschlungenen ßlechen lassen sich im übrigen auch viele andere
Querschnitte in an sich bekans!S»e?..Weis»<5. aulfü].ien,,.#so daß
dieses Ausführungsbeispiel nicht auf runde Querschnitte beschränkt ist. " .
Sollte der erzielbare elektrische Widerstand eines gemäß Figur 10 aufgebauten elektrisch beheizbaren Katalysator-Trägerkörpers
in Anbetracht der gewünschten axialen Länge nicht hoch genug sein, so kann eine Zusammenschaltung von mehreren
hintereinander angeordneten Scheiben beispielsweise gemäß Figur 11 erfolgen. Das dort dargestellte Ausführungsbeispiel besteht
aus vier hintereinander geschalteten,-gemäß Figur 10 ■■
ausgebildeten Scheiben 100 der Höhe h, wobei die
Reihenschaltung der einzelnen Scheiben durch je zwei Scheiben erfassende Halbzylinderschalen 116 angedeutet ist. Der gesamte
Körper weist eine Stromzuleitung 113 auf und bis zu vier Stromableitungen 104, welche jeweils über KurzschluQschalter
115a, 115b, 115c zu- bzw. abgeschaltet werden können. Spalte 118 zwischen den einzelnen Scheiben 100 sorgen für die
elektrische Isolierung in axialer Richtung, während der ganze Körper wiederum elektrisch isoliert in einem nicht
dargestellten Mantelrohr untergebracht werden kann. Die schematisch angedeutete elektrische Schaltung dieser Anordnung
ermöglicht folgende Betriebsweise:
Zu Beginn kann die in Abgasrichtung gesehen vorderste Scheibe 100 durch Schließen des Schalters 115a allein mit einem sehr
hohen, dem Widerstand der Scheibe entsprechenden Strom beaufschlagt werden. Sie heizt sich daher schnell gemäß dem
Anfang der Kurve T^2 aus Figur 4 auf. Nach Ablauf eines
bestimmten Zeitintervalls, beispielsweise 10 Sekunden, kann der Schalter 115a geöffnet werden, so daß bei geöffneten Schaltern
115b, 115c sämtliche Scheiben einen um einen Faktor 4 geringeren Heizstrom zur weiteren Aufheizung erhalten. Auch ein
in vorgegebenen Zeitintervallen aufeinanderfolgendes einzelnes
Öffnen der Schalter 115a, 115b und 115c ist möglich, um den Katalysator scheibenweise mit abnehmender Leistung aufzuheizen.
Dies ermöglicht ein schnelles Anspringen des Katalysators bei
gleichzeitig nur kurzzeitig ho hem"*StriomveYbrsruch. ··**··*
Die Figuren 12 und 13 zeigen nochmals einen S-förmigen,
elektrisch beheizbaren Katalysator-Trägerkörper in einem Querschnitt (Figur 12) und einem Längsschnitt (Figur 13). In
Figur 12 ist neben dem der Figur 10 entsprechenden eigentlichen Katalysator-Trägerkörper 120 aus gegensinnig verschlungenen
glatten 121 und gewellten 122 Blechen auch die Einbindung des Systems und der Anschlüsse in ein Mantelrohr 127a, 127b
dargestellt. Das Mantelrohr besteht aus zwei Halbschalen 127a, 12.7b, welche durch keramische Isolierungen .129, 130 elektrisch
voneinander getrennt sind. Innerhalb dieser Halbschalen 127a, 127b und elektrisch von diesen isoliert verlaufen weitere
Halbschalen 125, 126, welche mit der Stromzuleitung 123 bzw. der Stromableitung 124 in Verbindung stehen. Der elektrische
Aufbau und die Isolierschichten 128 entsprechen dem der Figur 10. Die Leitungen 123, 124 werden durch das Keramikstück 129
nach außen geführt. Wie aus Figur 13 zu erkennen ist, können beispielsweise zwei solche Katalysator-Trägerkörper 120a, 120b
hintereinander und elektrisch in Reihe geschaltet in einem Mantelrohr untergebracht werden.
Figur 14 zeigt als Ausführungsbeispiel einen im wesentlichen in axialer Richtung, ggf. mäanderförmig vom Strom I (siehe Pfeil)
durchflossenen Katalysator-Trägerkörper 140 und seine Einbindung in ein im Längsaxialschnitt dargestelltes Mantelrohr
141. An einem Ende ist der Katalysator-Trägerkörper 140 gut leitend 142, beispielsweise über einen Metallring, mit dem
Mantelrohr 141 verbunden. Das andere Ende ist durch elektrisch isolierende Distanzhalter 148, die eine Art Schiebeverbindung
bilden, vom Mantelrohr 141 getrennt. Diese oder beide Stirnseite(n) weist (bzw. weisen) eine elektrisch gut leitende
AnschluQstrebe 146 auf, welche eine vergleichmäßigte Einleitung
eines hohen elektrischen Stromes I in den Katalysator-Trägerkörper
140 begünstigt. Die AnschluGstrebe 146 ragt ein Stück, beispielsweise etwa 3 - 10 mm, in axialer Richtung in den
Katalysator-Trägerkörper 140 &eegr;&iacgr;&eegr;&eacgr;&idigr;&eegr; Und jrit'mt dessert Blechen
gut leitend verbunden, vorzugsweise hartgelötet. An der AnschluQstrebe 146 ist eine elektrische Zuleitung 143 gut
leitend befestigt, welche durch eine isolierende Durchführung 145 durch das Mantelrohr 141 nach außen geführt ist. Die
Zuleitung 143 weist einen elastisch verformbaren Bereich 144 auf, welcher thermische Längendehnungen des Katalysator-Trägerkörpers
140 gegenüber dem Mantelrohr 141 kompensieren kann. Die Zuleitung 143, 144 kann beispielsweise aus einem gebogenen
dicken Blechstreifen aus hochtemperatur-korrosionsfestem
Material bestehen. .. ,,.,;....
Die Figuren 15 und 16 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen für die Einbindung von Anschlußstreben in die
Stirnseite eines Katalysator-Trägerkörpers. Bei dem Katalysator-Trägerkörper 150 in Figur 15, der aus glatten 151
und gewellten 152 Blechen gewickelt ist, ist eine gerade Strebe 156 in einen entsprechenden Schlitz in der Stirnseite
eingesetzt. In Figur 16 ist die Stirnseite eines Katalysator-Trägerkörpers
160 aus etwa S-förmig verschlungenen strukturierten Blechen 161, 162 dargestellt. Die Anschlußstrebe
166 ist dabei ebenfalls S-förmig. Eine solche Struktur entsteht beispielsweise, wenn die AnschluQstrebe 166 in den Blechstapel
mit eingelegt wird, aus dem ein S-förmiger Katalysator-Trägerkörper
durch Verschlingen der Enden des Blechstapels entsteht.
Figur 17 zeigt in schematischer Darstellung eine Formschlußverbindung
zweier, elektrisch voneinander isolierter Blechlagen 171, 172, welche in der Lage ist, durch einen Pfeil angedeutete
Kräfte in axialer Richtung aufzunehmen. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch zwei sich berührende Blechlagen 171, 172 im
Bereich einer solchen formschlüssigen Verbindung 173. Eine solche formschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch etwa
quer zur Längsrichtung des Katalysator-Trägerkörpers
verlaufende Rillen oder durch einzelne Sicken entstehen. Eine
Isolierschicht 178, beispielsweise* a'us kSYarflischern "Wterial,
trennt die beiden Blechlagen 171, 172 voneinander. Sofern die Tiefe d dieser Nuten oder Sicken oder dergleichen gröGer als
die Dicke der isolierenden Schicht 178 ist, wird diese Schicht bei axialen Belastungen der formschlössigen Verbindung 173
nicht auf Zug, sondern im wesentlichen auf Druck belastet, wodurch eine hohe Festigkeit der Verbindung in axialer Richtung
erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung und die genannten Ausführungsbeispiele eignen sich prinzipiell..sowohl für die
elektrische Beheizung von Startkatalysatoren wie auch für die Beheizung von Hauptkatalysatoren, soweit genügend elektrische
Leistung zur Verfügung steht. Die Zusammenschaltung von mehreren Katalysator-Trägerkörpern parallel oder in Reihe ist
je nach den gegebenen Umständen und Dimensionen möglich. Bei laufendem Motor und Stromerzeugung durch die Lichtmaschine
können die Katalysatoren auch direkt durch Wechselstrom beheizt werden, wodurch nicht die gesamte benötigte Leistung zunächst
gleichgerichtet werden muß. Im Gegensatz zu anderen
elektrischen Einrichtungen am Fahrzeug sind die Katalysator-Trägerkörper
unempfindlich gegen Spannungsschwankungen und können somit ggf. auch von einer ungeregelten, zusätzlichen
Spannungsversorgung gespeist werden. Die erfindungsgemäßen
elektrisch beheizbaren Katalysator-Trägerkörper eignen sich zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes bei besonders strengen
Anforderungen an die Emissionen in der Kaltstartphase eines ' ""■ Fahrzeuges. Die beschriebenen Wabenkörper haben zwar ihr
Hauptanwendungsgebiet bei Auto-Katalysatoren, jedoch sind andere Anwendungen, z. B. als Heizer oder Verdampfer für Fluide
etc. möglich.
Claims (15)
1. Elektrisch leitfähiger Wabenkörper (50; 60-, 80; 100; 110;
120; 140; 150; 160), insbesondere Trägerkörper für Abgaskatalysatoren, aus gewickelten, gestapelten oder anderweitig
geschichteten Lagen zumindest teilweise strukturierter, hochteraperaturkorrosionsfester Bleche (51, 52; 61, 62; 71, 72;
81, 82; 91, 92,· 101, 102; 121, 122; 151, 152; 161, 162; 171, 172), die eine Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren
Kanälen bilden, vorzugsweise aus abwechselnden Lagen im
-' wesentlichen glatter und gewellter Bleche, wobei die Bleche
(51, 52; 61, 62; 71, 72; 81, 82; 91,"92; 101, 102; 121, 122; 151, 152; 161, 162; 171, 172) eine Dicke von etwa 0,03 bis
0,12 mm, vorzugsweise 0,03 bis 0,06 mm, aufweisen und der Wabenkörper (50; 60; 80; 100; 110; 120; 140; 150; 160) durch
Spalte (118) und/oder elektrisch isolierende Zwischenschichten (58; 68; 88; 98; 108; 128; 148; 178) bzw. Beschichtungen
bezüglich seiner Querschnittsfläche und/oder seiner axialen Ausdehnung elektrisch so unterteilt ist, daß sich mindestens
ein elektrischer Strompfad durch die Bleche (51, 52; 61, 62; 71, 72; 81, 82; 91, 92; 101, 102; 121, 122; 151, 152; 161, 162;
171, 172) mit einem elektrischen Widerstand zwischen 0,03 und 2 0hm ergibt, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 Ohm, insbesondere
etwa 0,6 Ohm.
25
25
2. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (60; 80;
100) bezüglich seiner Querschnittsfläche und/oder seiner axialen Ausdehnung in teilweise gegeneinander elektrisch
isolierte Teilbereiche unterteilt ist, die durch definierte elektrische VerbindungsbrQcken (73; 65, 66; 116) alle oder
gruppenweise elektrisch in Reihe geschaltet sind.
3. Wabenkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ze ichnet, daß jeder elektrische Strompfad
aus mindestens vier parallel von Strom durchflossenen
benachbarten Blechlagen besteht,••tforrugsweus« au&.äöht bis
zwölf.
4. Wabenkörper nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens vier parallel
von Strom durchflossenen benachbarten Blechlagen mäanderförmig
(57) zu einem Körper (50) geschichtet sind, wobei Zwischenschichten (58) die gegenseitige Isolierung der
Mäanderschleifen bewirken.
10
10
5. Wabenkörper nach Anspruch 4, -d a d u r c h gekennzeichnet, daß im Bereich der Umlenkungen
(73) die mindestens vier Schichten flach aneinander liegen, wobei zusätzliche, den elektrischen Widerstand in diesen
Bereichen senkende Verstärkungen (74) vorhanden sein können.
6. Wabenkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (60) aus
etwa U-förmig gebogenen Lagen (61, 62) besteht, welche gruppenweise gegeneinander durch Zwischenschichten (68) bzw.
Beschichtungen elektrisch isoliert sind und welche an einer Tragwand (65, 66, 69) befestigt sind, wobei die Tragwand (65,
66, 69) elektrisch leitende, gegeneinander isolierte Abschnitte (65, 66) aufweist, welche jeweils eine Reihenschaltung von zwei
oder mehr Gruppen von Lagen bewirken.
7. Wabenkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (100; 120)
aus einem Stapel gegensinnig verschlungener Bleche (101, 102;
30.121, 122) besteht, wobei der Stapel zumindest an seiner Ober- und Unterseite elektrisch isolierende Schichten (108; 128) bzw.
Beschichtungen aufweist und wobei zumindest die Enden der Bleche auf jeder Seite des Stapels elektrisch leitend je
miteinander verbunden und je mit Anschlüssen (103, 104; 123,
124) zur Verbindung mit den beiden Polen einer Stromquelle (20, 30) versehen sind.
24 .«
8. Wabenkörper nach Anspruch 7, dadurch"
gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (100) einen
kreisförmigen Querschnitt hat und die Höhe des Stapels kleiner gleich einem Drittel des Durchmessers des Querschnitts ist.
5
9. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Wabenkörper (100) scheibenweise hintereinander angeordnet und elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind.
10
-10. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrisch isolierenden Zwischenschichten (58; 68; 88; 108; 128; 148; 178) bzw. Beschichtungen aus körnigem, keramischem
Material bestehen, welches auf die Nachbarflächen aufgebracht ist, vorzugsweise flammgespritzt.
11. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrisch isolierenden Zwischenschichten (58; 68; 88; 108; 128; 148; 178) aus Keramikteilen oder keramischen Fasermatten
bestehen.
12. Wabenkörper nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Isolierung der Bleche von einem metallischen Mantelrohr (90; 141) an diesem
angelötete Keramikplättchen (98; 148) dienen.
13. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß voneinander
elektrisch isolierte Blechlagen (171, 172) durch Formschlußverbindungen (173) an einer axialen Verschiebung gegeneinander
gehindert sind, wobei zur elektrischen Isolierung eine keramische Zwischenschicht (178) in die Formschlußverbindung
einbezogen ist.
14. Nabenkörper,, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im wesentlichen in axialer Richtung von elektrischem
Strom durchströmbaren Wabenkörper (140; 150; 160) an einer oder oeiden Stirnseiten mindestens (je) eine elektrisch gut leitende
Anschlußstrebe (146; 156; 166) vorhanden ist, welche die gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte über den
Querschnitt des Wabenkörpers (140; 150; 160) verbessert.
15. Wabenkörper nach Anspruch 14, dadurch g e k e &eegr; nzeichnet, daß mindestens eine der
Änschlußstreben (146) mit" einer elastischen (144) elektrisch gut leitenden, hochtemperaturfesten, durch eine elektrisch
isolierende Durchführung (145) nach außen geführte Zuleitung
(143) verbunden ist, welche für hohe Stromstärken, beispielsweise 50 bis 400 A, geeignet ist, aber z. B. thermisch bedingte
Relativbewegungen zwischen Anschlußstrebe (146) und Durchführung (145) aufnehmen kann.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE8916129U DE8916129U1 (de) | 1988-04-25 | 1989-04-21 | Elektrisch leitfähiger Wabenkörper |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3813928 | 1988-04-25 | ||
DE8916129U DE8916129U1 (de) | 1988-04-25 | 1989-04-21 | Elektrisch leitfähiger Wabenkörper |
PCT/EP1989/000439 WO1989010471A1 (fr) | 1988-04-25 | 1989-04-21 | Corps alveolaire electroconducteur, procede pour son controle et sa mise en oeuvre comme support de catalyseur d'echappement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE8916129U1 true DE8916129U1 (de) | 1994-02-03 |
Family
ID=25867382
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE8916129U Expired - Lifetime DE8916129U1 (de) | 1988-04-25 | 1989-04-21 | Elektrisch leitfähiger Wabenkörper |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE8916129U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19523540A1 (de) * | 1994-07-05 | 1996-02-08 | Ford Werke Ag | Vorrichtung zur krümmernahen Katalyse und Schalldämpfung von Abgasen |
CN113969813A (zh) * | 2020-07-23 | 2022-01-25 | 本特勒汽车有限公司 | 电加热装置 |
-
1989
- 1989-04-21 DE DE8916129U patent/DE8916129U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19523540A1 (de) * | 1994-07-05 | 1996-02-08 | Ford Werke Ag | Vorrichtung zur krümmernahen Katalyse und Schalldämpfung von Abgasen |
CN113969813A (zh) * | 2020-07-23 | 2022-01-25 | 本特勒汽车有限公司 | 电加热装置 |
EP3943720A1 (de) * | 2020-07-23 | 2022-01-26 | Benteler Automobiltechnik GmbH | Elektrische heizvorrichtung |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0412103B1 (de) | Elektrisch leitfähiger wabenkörper und verfahren zu seiner überwachung und seinem betrieb als abgas-katalysator-trägerkörper | |
DE8905073U1 (de) | Elektrisch leitfähiger Wabenkörper | |
EP3212907B1 (de) | Wabenkörper mit elektrischer heizvorrichtung | |
DE69200558T2 (de) | Heizelement mit einstellbarem Widerstand. | |
DE4132439A1 (de) | Abgaskatalysator | |
EP0569403B1 (de) | Wabenkörper mit mehreren, gegeneinander abgestützten scheiben | |
EP1212521B1 (de) | Vorrichtung mit heizelement zur abgasreinigung | |
DE69405929T2 (de) | Kombinierter, elektrisch heizbarer Umwandler | |
WO1992002714A1 (de) | Elektrisch beheizbarer wabenkörper, insbesondere katalysator-trägerkörper, mit inneren tragstrukturen | |
DE69102808T2 (de) | Heizgerät und Katalysatoreinrichtung. | |
DE69417861T2 (de) | Honigwabenheizgerät | |
EP1328711B1 (de) | Beheizbarer wabenkörper mit zwei verschiedenen beschichtungen | |
DE102007024563A1 (de) | Vorrichtung umfassend einen großen elektrisch beheizbaren Wabenkörper | |
WO1994017290A1 (de) | Katalytischer konverter mit elektrischer beheizung | |
DE69621550T2 (de) | Wabenförmiges Heizgerät mit Parallelschaltungen | |
DE10004545A1 (de) | Verbund aus Wabenkörper und Wärmespeicher und Verfahren zu dessen Betrieb | |
EP4023864B1 (de) | Elektrische abgasheizeinheit | |
EP0637360B1 (de) | Elektrisch leitfähiger wabenkörper, insbesondere für elektrisch beheizbare katalytische konverter von kraftfahrzeugen | |
DE19640577C2 (de) | Elektrisch beheizter Katalysator für einen Motor | |
DE69122321T2 (de) | Heizelement mit einstellbarem Widerstand, katalytischer Konverter und Verfahren zur Steuerung der Abgasemissionen | |
DE10349367A1 (de) | Bauweise zur Abgasemissionsbegrenzung | |
DE8916129U1 (de) | Elektrisch leitfähiger Wabenkörper | |
DE4110395A1 (de) | Katalysator | |
DE69308794T2 (de) | Elektrisch beheizbarer Katalysator | |
DE69108998T2 (de) | Katalytischer Konverter mit Widerstand-Heizelement. |