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Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung zur Reinigung von Abgas eines Verbrennungsmotors, welche eine Wicklung aus einer porösen und für das Abgas permeablen Materialschicht umfasst.
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Bei einer bekannten Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art sind geradlinig verlaufende Kanäle in eine Flachseite der Materialschicht eingeprägt, die im aufgewickelten Zustand der Materialschicht Strömungskanäle für das Abgas definieren. In 5 ist eine solche Materialschicht 110 mit darin eingeprägten Kanälen 112 und Poren 114 gezeigt.
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Die bekannte Abgasreinigungsvorrichtung erweist sich insofern als nachteilig, als dass das Einprägen der Kanäle 112 zumindest im Bereich der Kanäle 112 zu einer lokalen Verdichtung der Materialschicht 110 und insbesondere zu einer Kompression der Poren 114' führt. Durch das Einprägen der Kanäle 112 entstehen zusammengedrückte Poren 114', welche bei einer Beschichtung der Materialschicht 110 mit einem Metall- oder Metalllegierungspulver leicht verstopfen können.
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Im Ergebnis bedeutet das Einprägen der Kanäle 112 also eine Reduzierung der Porosität der Materialschicht 110 und somit eine Reduzierung der für eine Wechselwirkung mit dem zu reinigen Abgas zur Verfügung stehenden Materialoberfläche, wodurch letztlich die Reinigungseffizienz der Vorrichtung herabgesetzt wird.
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Darüber hinaus wird durch das Einprägen der Kanäle 112 und die damit einhergehende Reduzierung der Porosität der Materialschicht 110 auch die für das zu reinigende Abgas zur Verfügung stehende Durchströmungsfläche reduziert, so dass im Betrieb ein erhöhter Gegendruck durch die Vorrichtung aufbaut wird, der den Betrieb des Verbrennungsmotors beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zu einem Abschalten des Verbrennungsmotors führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern und insbesondere die voranstehend erläuterten Nachteile zu überwinden.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Abgasreinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung umfasst eine Wicklung aus zwei flachseitig aneinander gelegten Materialschichten, die jeweils porös und für das Abgas permeabel sind und z. B. aus einem Metallschaum bestehen können, wobei jede der Materialschichten derart gewellt ausgebildet ist, dass sie sowohl auf ihrer einen Flachseite als auch auf ihrer anderen Flachseite eine Wellenstruktur mit einer Vielzahl von sich abwechselnden Wellentälern und Wellenbergen besitzt, und wobei die Wellentäler und -berge der einen Materialschicht quer zu den Wellentälern und -bergen der anderen Materialschicht verlaufen.
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Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, auf das Einprägen von Kanälen zu verzichten und stattdessen Strömungskanäle für das Abgas dadurch zu erzeugen, dass durch bloße Verformung gewellt ausgebildete Materialschichten verwendet werden. Durch die bloße Verformung der Materialschichten bleibt im Gegensatz zum Einprägen von Kanälen die Porosität der Materialschichten zumindest weitgehend erhalten.
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Um sicherzustellen, dass beim Aufwickeln der Materialschichten keine Strömungskanäle dadurch blockiert werden, dass ein Wellenberg der nächsten Wicklung in einem Wellental der vorherigen Wicklung zu liegen kommt, ist erfindungsgemäß die gemeinsame Aufwicklung zweier Materialschichten vorgesehen, die derart flachseitig aneinander gelegt sind, dass ihre Wellentäler und -berge quer zueinander verlaufen. Aufgrund der sich kreuzenden Wellentäler und -berge liegen die Materialschichten Idealerweise nur punktuell aneinander an, woraus ein System von quer zueinander verlaufenden Strömungskanälen mit jeweils definierter Form resultiert, welches eine rotatorische Turbulenz des zu reinigenden Abgases hervorruft.
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Im Ergebnis führen die durch die Verformung der Materialschichten beibehaltene maximale Porosität der Materialschichten und das aus der gekreuzten Anordnung der Wellenstrukturen resultierende Strömungskanalsystem zu einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Reinigungseffizienz bei minimalem Gegendruck.
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Ist die Abgasreinigungsvorrichtung beispielsweise in Form eines Dieselpartikelfilters ausgebildet, so äußert sich die verbesserte Reinigungseffizienz in einem erhöhten Rußabscheidungsgrad, wohingegen sie im Falle eines Katalysators, z. B. eines Dieseloxidationskatalysators, erhöhte katalytische Umsatzraten bedeutet.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Wellenstrukturen der Materialschichten durch ein Verformungsverfahren hergestellt, bei dem das Material der Materialschichten zumindest nicht wesentlich verdichtet wird. Bei einem solchen Verformungsverfahren kann es sich beispielsweise um ein Walzverfahren handeln.
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In diesem Kontext bedeutet ”zumindest nicht wesentlichen verdichtet”, dass die Porosität der Materialschichten nicht signifikant reduziert wird. Bei einer Verformung mit zumindest nicht wesentlicher Materialverdichtung wird also nicht nur die Porosität, sondern auch die Stärke der zu verformenden Materialschicht und somit eine für die Abgasreinigung zur Verfügung stehende maximale Materialoberfläche im Wesentlichen beibehalten. Damit steht die Verformung mit zumindest nicht wesentlicher Materialverdichtung im Gegensatz zu einem Prägevorgang, bei dem die Materialstärke einer zu bearbeitenden Materialschicht zur Erzeugung von Strömungskanälen gerade ganz bewusst und ganz erheblich lokal reduziert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Winkel, unter dem die Wellentäler und -berge der einen Materialschicht zu den Wellentälern und -bergen der anderen Materialschicht verlaufen, im Wesentlichen konstant. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Wellenstrukturen beider Materialschichten jeweils linear, d. h. also geradlinig, erstrecken.
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Die Wellentäler und -berge der einen Materialschicht können beispielsweise unter einem Winkel zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 60° und bevorzugt zwischen 40° und 50° zu den Wellentälern und -bergen der anderen Materialschicht verlaufen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform variiert der Winkel, unter dem die Wellentäler und -berge der einen Materialschicht zu den Wellentälern und -bergen der anderen Materialschicht verlaufen, in Richtung einer Wicklungsachse gesehen, um welche die Materialschichten gewickelt sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Wellenstruktur wenigstens einer der Materialschichten kurvenförmig, z. B. kreisförmig oder parabelförmig, erstreckt.
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Vorteilhafterweise beträgt die Höhe der Wellenstruktur wenigstens einer der Materialschichten ein Vielfaches der Stärke der Materialschicht. Hieraus resultieren besonders günstige Strömungsverhältnisse, die zu einer maximalen Reinigungseffizienz bei gleichzeitig minimalem Gegendruck beitragen.
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Die Stärke wenigstens einer der Materialschichten im ungeformten Zustand kann im Bereich von einigen Millimetern, z. B. im Bereich von 1 mm bis 3 mm, liegen.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Wellentäler und -berge wenigstens einer Materialschicht zumindest annähernd regelmäßige Abstände zueinander und/oder zumindest annähernd gleiche Amplituden bzw. Höhen auf. Grundsätzlich ist aber auch eine Materialschicht mit unregelmäßig beabstandeten und/oder unterschiedlich hohen Wellentälern und -bergen vorstellbar.
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Ferner kann wenigstens eine der Materialschichten mit einer Katalysatorbeschichtung versehen sein, welche je nach Anwendung (DOC, DPF, De-NOx) eine katalytisch aktive Edelmetallbeschichtung auf der Basis von Pt, Pd, Rh, V2O5 oder Bariumoxid oder ein Element der seltenen Erden aufweisen kann. Die katalytisch aktiven Bestandteile können dabei auf eine Trägerschicht, ein so genanntes Washcoat, aufgebracht sein.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasreinigungsvorrichtung, welche zur Reinigung eines Abgases eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, mit den Schritten: (a) Herstellen einer ersten porösen und für das Abgas permeablen Materialschicht, indem ein Flachmaterial wellenförmig derart verformt wird, dass die Materialschicht sowohl auf ihrer einen Flachseite als auch auf ihrer anderen Flachseite eine Wellenstruktur mit einer Vielzahl von sich abwechselnden Wellentälern und Wellenbergen aufweist, (b) Herstellen einer zweiten porösen und für das Abgas permeablen Materialschicht, indem ein Flachmaterial wellenförmig derart verformt wird, dass die Materialschicht sowohl auf ihrer einen Flachseite als auch auf ihrer anderen Flachseite eine Wellenstruktur mit einer Vielzahl von sich abwechselnden Wellentälern und Wellenbergen aufweist, (c) flachseitiges Aneinanderlegen der Materialschichten derart, dass die Wellentäler und -berge der ersten Materialschicht quer zu den Wellentälern und -bergen der zweiten Materialschicht verlaufen, und (d) Aufwickeln der flachseitig aneinander gelegten Materialschichten.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung, weshalb die voranstehend in Verbindung mit der Vorrichtung erläuterten Vorteile für das Verfahren entsprechend gelten.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bzw. werden eine der Materialschichten und bevorzugt beide Materialschichten vor ihrer Aufwicklung mit einem Pulver versehen, welches ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist. Je nach Anwendung kann auf die Pulverbeschichtung aber auch verzichtet werden.
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Vorteilhafterweise werden die aufgewickelten Materialschichten in ein Gehäuse eingesetzt und darin gesintert. Der Sintervorgang erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion, indem er nicht nur eine Verbindung durch homogene Legierungsbildung von Metallpulver bzw. Metalllegierungspulver und Metallschaum aller Materialschichten bewirkt, sondern auch für eine Verbindung der aufgewickelten Materialschichten mit dem Gehäuse sorgt. Es ist somit weder nötig, die aufgewickelten Materialschichten zusätzlich mit dem Gehäuse zu verlöten, noch ist ein zusätzlicher Sintervorgang vor dem Einbringen der aufgewickelten Materialschichten in das Gehäuse erforderlich. Alternativ können die aufgewickelten Materialschichten aber auch vor dem Einsetzen in das Gehäuse bereits gesintert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht einer porösen Materialschicht mit Wellenstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine perspektivische Ansicht von Ausschnitten zweier gewellter Materialschichten, die so übereinander gelegt sind, dass die Wellenstrukturen quer zueinander verlaufen;
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3 eine Querschnittsansicht der Materialschichten von 2 in einem aufgewickelten Zustand;
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4 einen Ausschnitt von 3 in vergrößerter und perspektivischer Ansicht; und
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5 eine Querschnittsansicht einer porösen Materialschicht gemäß dem Stand der Technik mit eingeprägten Kanälen.
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In 1 bis 4 sind poröse und für Abgase eines Verbrennungsmotors permeable Materialschichten 10, 12 dargestellt, wie sie in einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung zum Einsatz kommen. Der Einfachheit halber werden die Prinzipien der Erfindung hier am Beispiel eines Dieselpartikelfilters erläutert. Sie lassen sich aber entsprechend auf einen Katalysator, z. B. einen Dieseloxidationskatalysator, übertragen, wobei hierzu lediglich die verwendeten Materialien und gegebenenfalls die Porosität anzupassen sind.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer einzelnen Materialschicht 10, die einen Metallschaum mit Poren 14 umfasst.
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Die Materialschicht 10 weist sowohl an ihrer oberen Flachseite 16 als auch an ihrer unteren Flachseite 18 jeweils eine Wellenstruktur mit einer Vielzahl von sich abwechselnden Wellentälern 20 und Wellenbergen 22 auf, so dass die Materialschicht 10 insgesamt nach Art eines Wellblechs gewellt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Wellentäler 20 und Wellenberge 22 geradlinig, so dass sich eine lineare Wellenstruktur ergibt. Alternativ ist aber auch eine Wellenstruktur denkbar, bei welcher sich die Wellentäler und -berge 20, 22 gekrümmt, z. B. kreisbogenförmig oder parabelförmig, erstrecken.
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Die Stärke der Materialschicht 10 ist im Wesentlichen konstant und kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 3 mm liegen. Die Höhe der Wellenstruktur, gemessen von einem Wellenberg 22 an der oberen Flachseite 16 bis zu einem Wellenberg 22 an der unteren Flachseite 18, beträgt etwa das Dreifache der Stärke der Materialschicht 10.
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Zur Herstellung der gewellten Materialschicht 10 wird ein planes Ausgangsmaterial der Materialschicht 10, in diesem Ausführungsbeispiel eine Schicht aus einem Kunststoffschaum, z. B. Polyurethan-Schaum, in an sich bekannter Weise in einen Metallschaum umgewandelt.
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Mittels beispielsweise eines Walzverfahrens wird der Metallschaum in die gewünschte Wellenstruktur verformt und zwar derart, dass der Metallschaum dabei zumindest nicht wesentlich verdichtet wird und insbesondere die Porosität des Schaums zumindest nicht signifikant reduziert wird.
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Optional kann der Metallschaum vor oder nach seiner Verformung mit einem Pulver eines Metalls oder einer Metalllegierung beschichtet und versintert werden.
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Zur Bildung eines Filterkörpers für die Abgasreinigungsvorrichtung wird zusätzlich zu der in 1 gezeigten ersten Materialschicht 10 eine zweite Materialschicht 12 hergestellt, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das gleiche Material und die gleiche Wellenstruktur wie die erste Materialschicht 10 aufweist. Grundsätzlich kann die zweite Materialschicht 12 aber auch ein anderes Material und/oder eine andere Wellenstruktur aufweisen.
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Wie in 2 dargestellt ist, werden die erste Materialschicht 10 und die zweite Materialschicht 12 so übereinander gelegt, dass die Wellentäler 20 und Wellenberge 22 der ersten Materialschicht 10 quer zu den Wellentälern 20 und Wellenbergen 22 der zweiten Materialschicht 12 verlaufen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Wellentäler und -berge 20, 22 der ersten Materialschicht 10 unter einem Winkel von etwa 45° zu den Wellentälern und -bergen 20, 22 der zweiten Materialschicht 12. Der Winkel, den die Wellenstrukturen der Materialschichten 10, 12 miteinander bilden, kann hiervon aber auch abweichen.
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Entscheidend ist allein, dass die Wellenstrukturen der Materialschichten 10, 12 nicht parallel zueinander verlaufen, da dann die Gefahr besteht, dass ein Wellenberg 22 der ersten Materialschicht 10 in einem Wellental 20 der zweiten Materialschicht 12 zu liegen kommt. Solange die Wellenstrukturen der Materialschichten 10, 12 quer zueinander verlaufen, ist dagegen sichergestellt, dass die Wellenberge 22 der ersten Materialschicht 10 im Wesentlichen punktuell auf den Wellenbergen 22 der zweiten Materialschicht 12 aufliegen. Die Wellentäler 20 der ersten und zweiten Materialschicht 10, 12 bilden somit ein System von Strömungskanälen, durch welche das zu reinigende Abgas hindurchströmen kann.
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Wie in 3 dargestellt ist, werden die aufeinander gelegten Materialschichten 10, 12 zusammen aufgewickelt, um einen zylindrischen Filterkörper 24 zu bilden, welcher auch als Wabenkörper bezeichnet wird. Alternativ können die aufeinander gelegten Materialschichten 10, 12 auch um ein innen gelegenes Element, wie z. B. ein perforiertes oder nicht perforiertes Rohr, gewickelt werden.
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Beim Aufwickeln bleibt die schräge Orientierung der Wellenstrukturen der Materialschichten 10, 12 zueinander von Wicklung zu Wicklung erhalten. Auf diese Weise umfasst der aufgewickelte Filterkörper 24 ein komplexes System von schräg verlaufenden Strömungskanälen für das zu reinigende Abgas, welches eine rotatorische Turbulenz des Abgases hervorruft. Die resultierenden Strömungsverhältnisse tragen gemeinsam mit der durch die schonende Verformung der Materialschichten 10, 12 beibehaltenen Porosität der Materialschichten 10, 12 zu einer optimalen Reinigungseffizienz bei gleichzeitig minimalem Gegendruck bei.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt die Wicklungsachse des Filterkörpers 24 die Hauptströmungsrichtung des zu reinigenden Abgases durch den Filterkörper 24 vor, d. h. das Abgas tritt an der einen Stirnseite des zylindrischen Filterkörpers 24 in diesen ein und an der gegenüberliegenden Stirnseite des Filterkörpers 24 aus diesem aus. Grundsätzlich kann die Hauptströmungsrichtung des zu reinigenden Abgases aber auch in einer beliebigen Richtung quer zur Wicklungsachse verlaufen.
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Zur Fertigstellung der Abgasreinigungsvorrichtung wird der aufgewickelte Filterkörper 24 in ein nicht dargestelltes Gehäuse eingesetzt und gesintert. Dabei bewirkt der Sintervorgang zum einen, dass sich das gegebenenfalls auf den Metallschaum aufgebrachte Metallpulver bzw. Metalllegierungspulver durch homogene Legierungsbildung mit dem Metallschaum der Materialschichten 10, 12 verbindet, und zum anderen, dass der Filterkörper 24 eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse eingeht und somit fest in diesem angeordnet ist. Alternativ kann der aufgewickelte Filterkörper 24 aber auch vor dem Einbringen in das Gehäuse bereits gesintert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Materialschicht
- 12
- Materialschicht
- 14
- Pore
- 16
- obere Flachseite
- 18
- untere Flachseite
- 20
- Wellental
- 22
- Wellenberg
- 24
- Filterkörper
- 110
- Materialschicht
- 112
- Kanal
- 114
- Pore
