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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung eines Fluidstroms in einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, mit einem ringförmigen Wabenkörper, der aus einer Anzahl von ersten Metallfolien und einer Anzahl von zweiten Metallfolien gebildet ist, die aufeinandergestapelt sind und ihrer Länge nach um ein Innenrohr gewickelt sind, wobei der Wabenkörper in einem Ringspalt zwischen dem Innenrohr und einem durch ein Außenrohr gebildetem Mantel angeordnet ist, wobei die zweiten Metallfolien zumindest teilweise strukturiert ausgebildet sind.
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Stand der Technik
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Katalysatoren zur Nachbehandlung von Abgasen sind in vielfältigen Ausführungen am Markt bekannt. Unter anderem sind Katalysatoren bekannt, die einen metallischen Wabenkörper aufweisen, welcher aus einer Mehrzahl von glatten und zumindest teilweise strukturierten Metallfolien gebildet ist, die zu einem Lagenstapel aufeinander gestapelt sind und um zumindest eine Drehachse aufgewickelt sind.
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Zwischen den glatten Metallfolien und den zumindest teilweise strukturierten Metallfolien werden Zellen ausgebildet, die entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung von einer als Gaseinlassseite fungierenden Stirnseite des Wabenkörpers zu einer als Gasauslassseite fungierenden Stirnseite des Wabenkörpers durchströmbar sind.
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Die im Stand der Technik bekannten Wabenkörper weisen neben den glatten Metallfolien gewellte Metallfolien auf, welche über ihre gesamte Erstreckung eine Wellung gleichbleibender Amplitude und Wellfrequenz aufweisen. Dies ist nachteilig, da die Anzahl der verwendeten Metallfolien begrenzt ist und somit der tragende Querschnitt des Wabenkörpers reduziert wird. Darüber hinaus werden die Metallfolien insbesondere im Bereich kleiner Biegeradien stark verformt und teilweise beschädigt.
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Diese engen Radien und die daraus resultierende starke Verformung ist insbesondere bei sogenannten Ringkatalysatoren problematisch. Dort treten die stärksten Verformungen im Bereich des Innenrohres auf, um welches der Lagenstapel gewickelt wird.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Katalysator mit einem ringförmigen Wabenkörper zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, der insbesondere im Bereich des Innenrohres geringere Verformungen bei der Herstellung erfährt und somit resistenter gegen Beschädigungen ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator zur Nachbehandlung eines Fluidstroms in einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, mit einem ringförmigen Wabenkörper, der aus einer Anzahl von ersten Metallfolien und einer Anzahl von zweiten Metallfolien gebildet ist, die aufeinandergestapelt sind und ihrer Länge nach um ein Innenrohr gewickelt sind, wobei der Wabenkörper in einem Ringspalt zwischen dem Innenrohr und einem durch ein Außenrohr gebildetem Mantel angeordnet ist, wobei die zweiten Metallfolien zumindest teilweise strukturiert ausgebildet sind, wobei zumindest eine der zweiten Metallfolien eine Wellung aufweist, welche entlang der Länge der zweiten Metallfolie unterschiedlich hinsichtlich der jeweiligen Wellhöhe ausgebildet ist.
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Der erfindungsgemäße Katalysator ist ein sogenannter Ringkatalysator. Dieser zeichnet sich durch einen zentralen rohrförmigen Strömungskanal aus, durch welchen ein Abgas strömen kann. An den rohrförmigen Strömungskanal ist eine Umlenkkammer angeschlossen, welche den Abgasstrom in einen ringförmigen Strömungskanal umlenkt, gewöhnlich um 180 Grad. Der ringförmige Strömungskanal ist zwischen dem den rohrförmigen Strömungskanal bildenden Innenrohr und einem Außenrohr ausgebildet. Ein solcher Ringkatalysator hat den Vorteil, dass auf einer vorgegebenen Länge eine etwa doppelt so lange Strömungsstrecke für die Abgasnachbehandlung erreicht werden kann. Sowohl in dem rohrförmigen Abschnitt als auch in dem ringförmigen Abschnitt können Wabenkörper angeordnet sein, die katalytisch aktiv beschichtet sind und somit das strömende Abgas chemisch umsetzen.
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Der erfindungsgemäße Wabenkörper, welcher im ringförmigen Abschnitt angeordnet ist, ist aus einer Mehrzahl von Metallfolien gebildet, die aufeinandergestapelt sind und zu dem Wabenkörper aufgewickelt sind. Der Wabenkörper wird schließlich zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr aufgenommen. Die Anzahl der Metallfolien kann hierbei variieren. Ebenso kann der Wabenkörper Metallfolien unterschiedlicher Strukturierung, insbesondere Wellung, aufweisen. Je nach Art der Wellung, insbesondere Wellhöhe und Wellfrequenz, können die Metallfolien stärker oder weniger stark aufgewickelt werden. Der Winkel unter welchem eine am Innenrohr anliegende Folie von diesem wegragt kann somit auch variieren und von ca. 90 Grad gegenüber einer Tangente am Außenradius des Innenrohres zu annähernd 0 Grad gegenüber einer Tangente am Außenradius des Innenrohres variieren.
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Erfindungsgemäß weist zumindest eine der zweiten Metallfolien, welche die zumindest teilweise strukturierten Metallfolien sind, eine Wellung auf, die zumindest unterschiedliche Wellhöhen besitzt. Eine Metallfolie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Erstreckung in zwei Raumrichtungen aufweist, die wesentlich größer sind als ihre Erstreckung in die dritte Raumrichtung. Insbesondere ist diese dritte Raumrichtung, die Dicke, einer Metallfolie sehr klein, beispielsweise wenige Millimeter oder kleiner. Die Erstreckung der Metallfolie in die anderen beiden Raumrichtungen ist im Vergleich wesentlich größer. Per Definition ist die Länge der Metallfolie die Richtung, die später im aufgewickelten Zustand die Umfangsrichtung des Wabenkörpers darstellt. Die Breite der Metallfolie ist die Länge der durch das Aufwickeln entstehenden Strömungskanäle, welche mit der axialen Erstreckung des aufgewickelten Wabenkörpers übereinstimmt.
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Bevorzugt weisen die zweiten Metallfolien eine Wellung auf, die entlang der Länge der Metallfolien verläuft. Die einzelnen Wellenberge und Wellentäler sind demnach entlang der Länge der Metallfolie nebeneinander angeordnet, während sie sich bevorzugt entlang der Breite ausdehnen, um durchströmbare Strömungskanäle auszubilden.
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Der erfindungsgemäße Wabenkörper weist zumindest eine zweite Metallfolie auf, die eine Wellung aufweist, die entlang der Länge der zweiten Metallfolie eine Wellung mit unterschiedlicher Wellhöhe aufweist. Die Wellhöhe kann sich sowohl kontinuierlich entlang der Länge verändern als auch sich abschnittsweise verändern. Die Veränderung der Wellhöhe kann sprunghaft erfolgen oder fortlaufend.
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Vorteilhaft ist eine solche Ausgestaltung der zweiten Metallfolie insbesondere dadurch, dass sie die Montage des Wabenkörpers erleichtert, da durch eine angepasste Wellhöhe insbesondere in dem zum Innenrohr direkt benachbarten Bereich dazu führt, dass die beim Aufwickeln auftretende Verformung geringer ist, und es somit zu einer geringeren Deformation und somit zu einem niedrigeren Risiko der Beschädigung der Metallfolien kommt.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung der zweiten Metallfolie erlaubt es außerdem eine größere Anzahl an Metallfolien aufeinanderzustapeln, wodurch insbesondere der tragende Querschnitt in den Lotbereichen erhöht wird, in welchen schließlich die dauerhaltbare Verbindung des Wabenkörpers durch Löten erzeugt wird.
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Darüber hinaus wird eine gleichmäßigere Strömungsverteilung über den Querschnitt des Wabenkörpers in radialer Richtung hinweg erreicht, da insbesondere der Gegendruck im Randbereich relativ zum Gegendruck im Zentrum reduziert wird. Dadurch kann der Wabenkörper effektiver durchströmt und somit das Abgas besser umgesetzt werden.
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Die ersten Metallfolien können in einer einfachen Ausführung glatt ausgebildet sein, so dass diese mit den zumindest teilweise strukturierten Metallfolien im aufgewickelten Zustand eine Vielzahl von Strömungskanälen ausbilden. Alternativ können die ersten Metallfolien jedoch auch ebenfalls strukturiert, beispielsweise gewellt, sein. Hier kann durch die Art der Strukturierung verhindert werden, dass die Metallfolien ineinandergleiten und es so zu einem Verhaken zwischen den Metallfolien kommt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Strukturen der ersten Metallfolien und der zweiten Metallfolien beispielsweise in einem Winkel zueinander angestellt sein, so dass ein Ineinandergleiten wirksam verhindert wird. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung können die Metallfolien sogenannte Heringbone Strukturen oder Fischgrätstrukturen aufweisen, die sich dadurch auszeichnen, dass die Strukturen in einer Art Zick-Zack Muster in die Metallfolien eingeformt sind. Ein eingeformter Wellenberg oder ein eingeformtes Wellental erstecken sich somit entlang der Breite der Metallfolie in einem Zick-Zack Muster. Durch eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Wellenbergen und Wellentälern entsteht entlang der Breite der Metallfolien dabei die Heringbone Struktur.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zumindest eine zweite Metallfolie eine Wellung aufweist, die an dem Endbereich, der dem Innenrohr zugewandt ist, eine minimale Wellhöhe aufweist, und die an dem Endbereich, der dem Außenrohr zugewandt ist, eine maximale Wellhöhe aufweist.
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Die Metallfolien des Wabenkörpers, welche zu einem Lagenstapel aufeinandergestapelt sind, haben im endmontierten Zustand in dem ausgebildeten Ringspalt an einem Ende Kontakt mit dem Innenrohr und am gegenüberliegenden Ende Kontakt mit dem Außenrohr. Da die Verformung der Metallfolien im Bereich des Innenrohres bedingt durch die kleinen Biegeradien deutlich größer ist, als im Bereich des Außenrohres, sind geringe Wellhöhen im Bereich des Innenrohres vorteilhaft, um eine Beschädigung der Metallfolien zu vermeiden. Im Bereich des Außenrohres sind die Biegeradien naturgemäß größer, so dass dort eine höhere Wellhöhe vorgesehen werden kann, ohne zu große Verformungen der Metallfolien zu riskieren.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wellhöhe der zumindest einen zweiten Metallfolie kontinuierlich zunimmt von dem Endbereich, der dem Innenrohr zugewandt ist, zu dem Endbereich, der dem Außenrohr zugewandt ist. Eine kontinuierliche Zunahme der Wellhöhe ist vorteilhaft, um möglichst keine sprunghaften Veränderungen der Belastung in den Metallfolien zu erzeugen. Eine kontinuierlich zunehmende Wellhöhe entlang der Länge der Metallfolie kann durch ein speziell gestaltetes Werkzeug erzeugt werden, welches die Wellung mit einer sich entsprechend veränderlichen Wellhöhe in die Metallfolie einprägt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellhöhe der zumindest einen zweiten Metallfolie abschnittsweise in Sprüngen zunimmt von dem Endbereich, der dem Innenrohr zugewandt ist, zu dem Endbereich, der dem Außenrohr zugewandt ist. Eine Erhöhung der Wellhöhe in Sprüngen ist vorteilhaft, um definierte Zonen einer gleichmäßigen Wellhöhe zu erzeugen. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, um über den Querschnitt des Wabenkörpers definierte Zonen zu erzeugen, die eine spezifische Wellhöhe aufweisen. Dadurch können die Durchströmungseigenschaften des Wabenkörpers beeinflusst werden und so abhängig von dem Anwendungsfall ein optimaler Wabenkörper erzeugt werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Verhältnis der Wellhöhe am Außenrohr zu der Wellhöhe am Innenrohr größer als 1 ist. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Wellhöhe am Außenrohr zu der Wellhöhe am Innenrohr kleiner gleich dem Verhältnis des Innendurchmessers am Außenrohrs zum Außendurchmesser des Innenrohrs ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine zweite Metallfolie im Bereich des Innenrohrs keine Wellung aufweist. Durch eine zweite Metallfolie ohne Wellung im Bereich des Innenrohres kann es erreicht werden, dass die Metallfolie in einem annähernd rechten Winkel zu einer Tangente am Außenradius des Innenrohres absteht. Dies ist vorteilhaft, um möglichst viele Lagen der Metallfolien im Wabenkörper realisieren zu können. Darüber hinaus wird eine Biegung der zweiten Metallfolien, insbesondere mit sehr kleinen Biegeradien, vermieden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine Skizze zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse und der Wellhöhen an einem beispielhaften Ringkatalysator.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine skizzierte Schnittansicht durch einen Ringkatalysator 1 mit einem Innenrohr 2, welches einen Außendurchmesser dka aufweist und einem mit dem Innenrohr 2 konzentrisch angeordnetem Außenrohr 3, welches einen Innendurchmesser dgi aufweist.
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Der sich zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 ergebende Ringspalt 4 ist der Aufnahmeraum für den in 1 nicht dargestellten Wabenkörper.
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Beispielhaft an dem in 1 dargestellten Ringkatalysator ergibt sich:
- - Der Außendurchmesser des Innenrohres dka zu 52 mm mit einer Toleranz von +/- 0,9 mm
- - Der Innendurchmesser des Außenrohres dgi zu 129 mm mit einer Toleranz 1,09 mm
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Der Umfang ergibt sich somit zu:
- - Umfang Außen am Innenrohr Uka zu 163,4 mm
- - Umfang Innen am Außenrohr Ugi zu 405,33 mm
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Dadurch ergibt sich die Fläche des Ringspalts zu:
- - VRingspalt = 109460,1 mm2
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Es lässt sich nun der Extremfall, bei dem keine Wellung am Innenrohr ausgebildet ist und daher die Lagen in einem rechten Winkel auf einer Tangente am Außenumfang des Innenrohres stehen, wie folgt berechnen:
- - n =Uka/s, wobei s die Folienstärke ist und 0,04 mm beträgt und somit n = 163,4 mm / 0,04 mm = 4085
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Somit ergibt sich die Wellhöhe am Außenrohr wh = Ugi / n zu 0,1mm.
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Alternativ ergeben sich bei dem Vorliegen einer gewünschten Wellhöhe von wh = 1,09 mm am Innenrohr für das Außenrohr eine Wellhöhe von:
- - n = Uka /whinnen = 163,4 mm /1,09 mm = 150 und Whaussen = Ugi / n = 405,3 mm /150 = 2,7 mm
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Beim Vorliegen einer gewünschten Wellhöhe am Außenrohr von Whaussen = 1,09 mm ergibt sich am Innenrohr eine Wellhöhe von:
- - n = Ugi /whaussen = 405,3 mm /1,09 mm = 372 und Whinnen = Uka / n = 163,4 mm / 372 = 0,44 mm
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Anhand der 1 und den aufgeführten Rechenwegen lässt sich für eine beliebige Dimensionierung des Wabenkörpers einer jeweils ideale Wellhöhe am Innenrohr und am Außenrohr errechnen.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Ringkatalysator
- 2.
- Innenrohr
- 3.
- Außenrohr
- 4.
- Ringspalt
- dka
- Außendurchmesser Innenrohr
- dgi
- Innendurchmesser Außenrohr
- Uka
- äußerer Umfang Innenrohr
- Ugi
- innerer Umfang Außenrohr
- whaussen
- Wellhöhe am Außenrohr
- Whinnen
- Wellhöhe am Innenrohr
- s
- Folienstärke
- n
- Lagenanzahl
