DE10237512C1 - Metallic honeycomb body used as catalyst carrier for treating IC engine exhaust gases or for adsorber material has holes in partial volume of axial length and specified distance of radial extension in all sheet layers - Google Patents
Metallic honeycomb body used as catalyst carrier for treating IC engine exhaust gases or for adsorber material has holes in partial volume of axial length and specified distance of radial extension in all sheet layersInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen Wabenkörper, insbesondere einen Wabenkörper für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Solche Wa benkörper werden als Träger für katalytisch aktives Material und/oder für Adsor bermaterial und ähnliche Anwendungen eingesetzt.The present invention relates to a metallic honeycomb body, in particular a honeycomb body for an exhaust system of an internal combustion engine. Such wa body is used as a carrier for catalytically active material and / or for adsor used material and similar applications.
Insbesondere zur Reinigung von Abgasen bei Kraftfahrzeugen eingesetzte metal lische Wabenkörper müssen sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen, teil weise müssen dabei Kompromisse zwischen sich widersprechenden Anforderun gen erzielt werden. Zunächst einmal dienen solche Wabenkörper zur Bereitstel lung einer möglichst großen Oberfläche, an der die gewünschten katalytischen Reaktionen oder Adsorptionsprozesse ablaufen können. In vielen Anwendungsfäl len wird eine geringe Wärmekapazität gewünscht, damit sich der Wabenkörper entweder schnell auf seine gewünschte Betriebstemperatur aufwärmt oder aber auch eine hohe Wärmekapazität, damit er die Betriebstemperatur eine längere Zeit behalten kann, sich aber nicht zu schnell auf zu hohe Temperaturen aufheizen lässt. Natürlich muss eine solche Anordnung generell mechanisch stabil sein, d. h. einer pulsierenden Gasströmung widerstehen und mechanischen Belastungen durch die Bewegung des Fahrzeuges standhalten können. Sein Material muss hochtemperaturkorrosionsfest sein und sich zumindest so bearbeiten lassen, dass die gewünschten Wabenkörperstrukturen leicht und kostengünstig herstellbar sind. In vielen Fällen werden auch besondere Strukturen innerhalb des Wabenkör pers zur Strömungsbeeinflussung benötigt, beispielsweise zur besseren Kontaktie rung der Oberfläche oder zur Quervermischung. Schließlich muss ein geeigneter Wabenkörper in Massenproduktion preisgünstig hergestellt werden können. Metal used in particular for cleaning exhaust gases in motor vehicles Honeycomb bodies have to meet very different requirements, some of them There must be compromises between contradicting requirements gene can be achieved. First of all, such honeycomb bodies serve to provide the largest possible surface on which the desired catalytic Reactions or adsorption processes can take place. In many applications len a low heat capacity is desired so that the honeycomb body either quickly warms up to its desired operating temperature or else also have a high heat capacity so that it can keep the operating temperature for a long time can keep, but do not heat up too quickly to high temperatures leaves. Of course, such an arrangement must generally be mechanically stable, i.e. H. withstand a pulsating gas flow and mechanical loads can withstand the movement of the vehicle. Its material must be resistant to high temperatures and can at least be processed in such a way that the desired honeycomb body structures can be produced easily and inexpensively are. In many cases there are also special structures within the honeycomb body pers needed to influence the flow, for example for better contact surface or for cross-mixing. Finally, a suitable one Honeycomb bodies can be mass-produced inexpensively.
In zahlreichen Dokumenten zum Stand der Technik sind einzelne Aspekte der obigen Problemstellungen ausführlich beschrieben.Many aspects of the state of the art contain individual aspects of the The above problems are described in detail.
Man unterscheidet vor allem zwei typische Bauformen für metallische Wabenkör per. Eine frühe Bauform, für die die DE 29 02 779 A1 typische Beispiele zeigt, ist die spiralige Bauform, bei der im wesentlichen eine glatte und eine gewellte Blechlage aufeinandergelegt und spiralförmig aufgewickelt werden. Bei einer anderen Bauform wird der Wabenkörper aus einer Vielzahl von abwechselnd an geordneten glatten und gewellten oder unterschiedlich gewellten Blechlagen auf gebaut, wobei die Blechlagen zunächst einen oder mehrere Stapel bilden, die mit einander verschlungen werden. Dabei kommen die Enden aller Blechlagen außen zu liegen und können mit einem Gehäuse oder Mantelrohr verbunden werden, wodurch zahlreiche Verbindungen entstehen, die die Haltbarkeit des Wabenkör pers erhöhen. Typische Beispiele dieser Bauformen sind in der EP 0 245 737 B1 oder der WO 90/03220 beschrieben. Auch seit langem bekannt ist es, die Blechla gen mit zusätzlichen Strukturen auszustatten, um die Strömung zu beeinflussen und/oder eine Quervermischung zwischen den einzelnen Strömungskanälen zu erreichen. Typische Beispiele für solche Ausgestaltungen sind die WO 91/01178, die WO 91/01807 und die WO 90/08249. Schließlich gibt es auch Wabenkörper in konischer Bauform, gegebenenfalls auch mit weiteren zusätzlichen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung. Ein solcher Wabenkörper ist beispielsweise in der WO 97/49905 beschrieben. Darüber hinaus ist es auch bekannt, in einem Waben körper eine Aussparung für einen Sensor freizulassen, insbesondere zur Unter bringung einer Lambdasonde. Ein Beispiel dafür ist in der DE 88 16 154 U1 be schrieben.A distinction is made between two typical designs for metallic honeycombs by. An early design, of which DE 29 02 779 A1 shows typical examples, is the spiral design, which is essentially a smooth and a corrugated Lay the sheet metal layer on top of each other and wind it up in a spiral. At a The honeycomb body is made of a variety of alternate designs ordered smooth and corrugated or differently corrugated sheet layers built, the sheet metal layers initially form one or more stacks that with are swallowed up. The ends of all sheet metal layers come out to lie and can be connected to a housing or casing tube, which creates numerous connections that increase the durability of the honeycomb body increase pers. Typical examples of these designs are in EP 0 245 737 B1 or WO 90/03220. The Blechla has also been known for a long time equipped with additional structures to influence the flow and / or cross-mixing between the individual flow channels to reach. Typical examples of such configurations are WO 91/01178, WO 91/01807 and WO 90/08249. Finally, there are honeycomb bodies in a conical design, possibly with additional structures for influencing flow. Such a honeycomb body is for example in the WO 97/49905. In addition, it is also known in a honeycomb body to leave a recess for a sensor, especially for the sub Bring a lambda probe. An example of this is in DE 88 16 154 U1 wrote.
Seit langer Zeit ist es auch bekannt, geschlitzte Bleche; insbesondere Streckme tall- und ähnliche Schlitzstrukturen für Wabenkörper einzusetzen. Einen Über blick über verschiedene Formen und Anordnungen von Öffnungen in Blechlagen von Katalysatorträgerkörpern gibt die US 5,599,509 mit dem darauf zitierten Stand der Technik. Dort werden Öffnungen gezielt eingesetzt, um die Wärmeka pazität im vorderen Bereich eines Wabenkörpers gegenüber dem hinteren Bereich zu verringern.It has also been known for a long time, slotted sheets; especially Streckme to use tall and similar slot structures for honeycomb bodies. An over look over different shapes and arrangements of openings in sheet metal layers of catalyst support bodies are US 5,599,509 with that cited State of the art. Openings are used there specifically to increase the heat capacity in the front area of a honeycomb body compared to the rear area to reduce.
Obwohl der umfangreiche Stand der Technik viele verschiedene Entwicklungs richtungen zulässt, bildeten sich einige wenige Entwicklungstrends aus. Einer dieser Trends ist die Entwicklung in Richtung immer dünnerer Metallfolien, um bei geringem Materialeinsatz und geringer Wärmekapazität eine große Oberfläche bereitstellen zu können. Offenkundiger Nachteil dieser Entwicklungsrichtung ist, dass die dünnen Folien mechanisch immer empfindlicher und die daraus herge stellten Wabenkörper weniger haltbar werden. Gleichzeitig entwickelte sich ein Trend in Richtung immer höherer Zelldichten, was in gewissen Grenzen durch die immer dünneren Folien bedingt ist. Zur Verbesserung des Stoffaustausches mit den Oberflächen eines Wabenkörpers wurden in die Oberflächen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung eingebracht, insbesondere sogenannte transversale Struk turen oder es wurden im Inneren eines Wabenkörpers Strömungsleitflächen oder zusätzliche Anströmkanten geschaffen. Obwohl die Vorteile von Öffnungen in den Blechlagen für eine Quervermischung bekannt sind, wurde das systematische Vorsehen von für ein Fluid frei durchgängigen Öffnungen in einem überwiegen den Teil des Katalysatorvolumens bisher praktisch nicht in Betracht gezogen, weil dies dem Trend entgegenläuft, immer größere Oberflächen in immer kleineren Volumina zur Verfügung zu stellen. Während Schlitze und/oder Strömungsleitflä chen und ähnliche Strukturen die Oberfläche in einem Wabenkörper nicht verrin gern, verringern zahlreiche Löcher in erheblichem Maß die Oberfläche und bedeu ten zudem, zumindest wenn die Löcher durch Entfernen von Material entstehen, einen Mehrverbrauch an Ausgangsmaterial ohne entsprechenden Zuwachs an O berfläche, was dem Trend ebenfalls entgegenläuft. Daher wurden Löcher nur in Betracht gezogen, wenn sie ein bestimmte Funktion an einer bestimmten Stelle des Wabenkörpers haben sollten, beispielsweise die Quervermischung oder die Verringerung der Wärmekapazität gegenüber anderen Bereichen.Although the extensive state of the art, many different developments direction allowed, a few development trends developed. one of these trends is the development towards ever thinner metal foils with a small amount of material and low heat capacity a large surface to be able to provide. The obvious disadvantage of this direction of development is that the thin foils are mechanically more and more sensitive and the resulting ones made honeycomb bodies become less durable. At the same time developed Trend towards ever higher cell densities, which is within certain limits due to the ever thinner foils. To improve the exchange of materials with The surfaces of a honeycomb structure have been structured into the surfaces Influenced flow, especially so-called transverse structure tures or there were flow guide surfaces or inside a honeycomb body additional leading edges created. Although the benefits of openings in the sheet metal layers are known for cross-mixing, this became systematic Provide openings for a fluid to flow freely in one predominate the part of the catalyst volume has practically not been considered because this runs counter to the trend, ever larger surfaces in ever smaller ones To provide volumes. During slots and / or flow control surfaces Chen and similar structures do not reduce the surface in a honeycomb body gladly, numerous holes significantly reduce the surface and mean also, at least if the holes are created by removing material, an increased consumption of raw material without a corresponding increase in O surface, which also runs counter to the trend. Therefore holes were only made in Considered when performing a specific function in a specific location should have the honeycomb body, for example the cross-mixing or Reduction of heat capacity compared to other areas.
Diese Betrachtungsweise war isoliert für einen metallischen Wabenkörper sicher lich zutreffend, jedoch darf nicht übersehen werden, dass später ein metallischer Wabenkörper mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet wird, welches in vie len Fällen auch noch teure Edelmetalle als katalytisch aktive Komponente enthält. Dadurch bedeutet eine große Oberfläche immer auch eine große Menge an teurem Beschichtungsmaterial. Durch Versuche hat sich überraschenderweise herausge stellt, dass bei bestimmter Dimensionierung von Größe, Verteilung und Dichte einer Vielzahl von Löchern über einen Wabenkörper sich bei kleinerer Oberfläche gleich gute Eigenschaften zur katalytischen Umsetzung ergeben wie bei einem Wabenkörper ohne Löcher und mit einer größeren Menge an Beschichtungsmate rial.This view was isolated for a metallic honeycomb body applicable, but it must not be overlooked that later a metallic Honeycomb body is coated with a coating material which in vie len cases also contains expensive precious metals as a catalytically active component. This means that a large surface always means a large amount of expensive ones Coating material. Experiments have surprisingly shown represents that with certain dimensions of size, distribution and density a large number of holes over a honeycomb body with a smaller surface the same good properties for catalytic conversion result as in one Honeycomb body without holes and with a larger amount of coating material rial.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen metallischen Wabenkör per zu schaffen, der durch geeignete Anzahl, Dimensionierung und Verteilung von Löchern besonders geeignet ist als Träger für eine Beschichtung, insbesonde re bei sparsamer Verwendung des Beschichtungsmaterials.The object of the present invention is therefore a metallic honeycomb body per to create by appropriate number, dimensioning and distribution of holes is particularly suitable as a carrier for a coating, in particular re with economical use of the coating material.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein metallischer Wabenkörper gemäß dem An
spruch 1. Dieser Wabenkörper mit einer axialen Länge aus Blechlagen, die so
strukturiert sind, dass der Wabenkörper von einem Fluid, insbesondere dem Ab
gas einer Verbrennungsmaschine in einer Strömungsrichtung von einer einström
seitigen Stirnseite zu einer ausströmseitigen Stirnseite durchströmbar ist, wobei
die Blechlagen zumindest in Teilbereichen eine Vielzahl von Öffnungen aufwei
sen, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Wabenkörper in einem
Teilvolumen von mindestens 55% seiner axialen Länge und mindestens 20 mm
radialer Ausdehnung in allen Blechlagen Löcher aufweist, wobei folgendes gilt:
Die Löcher haben jeweils eine Fläche von 1 und 120 mm
In dem Teilvolumen ist die Blechlagenoberfläche durch die Löcher um 10 bis 80%,
vorzugsweise 35 bis 60%, gegenüber einer ungelochten Blechlage reduziert,
das Teilvolumen hat jeweils einen Abstand von den Stirnseiten des Wabenkör
pers, sodass keine Löcher die stirnseitigen Ränder der Blechlagen berühren oder
überschneiden.To solve this problem is a metallic honeycomb body according to claim 1. This honeycomb body with an axial length of sheet metal layers, which are structured so that the honeycomb body from a fluid, in particular the gas from an internal combustion engine in a flow direction from an inflow-side end face can flow through an outflow-side end face, the sheet metal layers having a plurality of openings at least in partial areas, is characterized according to the invention in that the honeycomb body has holes in all sheet metal layers in a partial volume of at least 55% of its axial length and at least 20 mm radial expansion, the following applies:
The holes each have an area of 1 and 120 mm. In the partial volume, the sheet layer surface is reduced by the holes by 10 to 80%, preferably 35 to 60%, compared to an unperforated sheet layer, the partial volume is at a distance from the end faces of the honeycomb body so that no holes touch or overlap the front edges of the sheet metal layers.
Es hat sich bei Versuchen gezeigt, dass ein erfindungsgemäßer Wabenkörper mit Löchern aufgrund der verbesserten Strömungseigenschaften in seinem Inneren und die dadurch entstehenden besseren Stoffaustauscheigenschaften zwischen Strömung und Oberfläche in seiner Wirkung einem Wabenkörper ohne Löcher vergleichbar, unter Umständen sogar überlegen ist, obwohl weniger Beschich tungsmaterial eingesetzt wird. Die Löcher sind so groß, dass sie einerseits nicht durch Beschichtungsmaterial beim Beschichten verschlossen werden und dass sie andererseits auch nicht durch Partikel in einem zu reinigenden Fluid verstopft werden. Es handelt sich also nicht um Löcher wie bei einem Filter zur Zurückhal tung von Partikeln, sondern um Öffnungen, die frei von einem zu reinigenden Fluid, insbesondere einem Abgas eines Verbrennungsmotors durchströmt würden können. Aus fertigungstechnischen Gründen und wegen der späteren Haltbarkeit ist es wichtig, dass die stirnseitigen Ränder nicht durch Löcher oder Teile von Löchern ausgefranst werden, weshalb die Löcher einen Abstand zu den Stirnseiten haben sollen.Tests have shown that a honeycomb body according to the invention also has Holes due to the improved flow properties in its interior and the resulting better mass exchange properties between Flow and surface in its effect a honeycomb body without holes comparable, may even be superior, although less coating tion material is used. The holes are so big that on the one hand they are not be sealed by coating material during coating and that they on the other hand, not clogged by particles in a fluid to be cleaned become. So it is not a question of holes like a filter for holding back processing of particles, but around openings that are free of any to be cleaned Fluid, in particular an exhaust gas from an internal combustion engine would flow through can. For technical reasons and because of the later durability it is important that the front edges are not through holes or parts of Holes are frayed, which is why the holes are spaced from the end faces should have.
Wie bereits ausgeführt, haben die Löcher eher Vorteile als Nachteile, weshalb das mit Löchern ausgestattete Teilvolumen mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 90% des gesamten Wabenkörpervolumens betragen sollte. Auf diese Weise lässt sich der positive Effekt am stärksten zur Geltung bringen. As already stated, the holes have advantages rather than disadvantages, which is why partial volume with holes more than 60%, preferably more than 90% of the total honeycomb body volume. That way the positive effect is most effective.
Aus mechanischen und strömungstechnischen Gründen ist es günstig, wenn die Löcher jeweils eine Fläche von 5 bis 60 mm2 aufweisen. In dieser Größenordnung lassen sie sich leicht herstellen, stören nicht einen Beschichtungsprozess und bringen die obigen Vorteile des besseren Stoffaustausches zur Geltung. Löcher dieser Größenordnung erlauben eine gute Quervermischung und erlauben auch eine Wärmeabfuhr vom Inneren des Wabenkörpers nach außen, nicht nur durch Wärmeleitung, sondern auch durch Wärmestrahlung, welche durch die Löcher hindurch in weiter außen liegende Bereiche gelangt. Je größer die Gesamtfläche der Löcher gegenüber der Gesamtfläche der restlichen Blechlagen ist, desto stär ker sind natürlich diese Effekte.For mechanical and fluidic reasons, it is favorable if the holes each have an area of 5 to 60 mm 2 . On this scale, they are easy to manufacture, do not interfere with a coating process and bring out the above advantages of better material exchange. Holes of this size allow good cross-mixing and also allow heat to be dissipated from the inside of the honeycomb body to the outside, not only by heat conduction, but also by heat radiation which passes through the holes into areas located further out. The larger the total area of the holes compared to the total area of the remaining sheet layers, the stronger these effects are of course.
Im Stand der Technik sind für vergleichbare Anwendungen fast ausschließlich Öffnungen in den Blechlagen beschrieben, welche eckige Konturen aufweisen. Dies ist aus mechanischer Sicht bei hohen Wechselbelastungen nicht von Vorteil, weil es zur Rissbildung ausgehend von den Ecken der Löcher kommen kann. Deshalb werden bei der vorliegenden Erfindung gerundete Konturen der Löcher bevorzugt, sodass die Begrenzungslinien der Löcher keine Ecken, insbesondere keine spitzen Winkel aufweisen. Besonders bevorzugt sollen die Löcher rund, oval oder elliptisch sein, wobei es empfehlenswert ist, bei nicht runden Formen ein Verhältnis von größtem Durchmesser zu kleinstem Durchmesser von zwei nicht zu überschreiten.The state of the art is almost exclusively for comparable applications Openings described in the sheet metal layers, which have angular contours. From a mechanical point of view, this is not advantageous for high alternating loads, because cracks can form from the corners of the holes. Therefore, in the present invention, rounded contours of the holes preferred, so that the boundary lines of the holes no corners, in particular have no acute angles. The holes are particularly preferably round, be oval or elliptical, although it is recommended for non-round shapes a ratio of the largest diameter to the smallest diameter of two not to exceed.
Solche Löcher können allerdings nicht materialsparend hergestellt werden wie z. B. bei Streckmetall möglich, sondern müssen durch Entfernen des Materials aus einer ganzflächigen Blechlage hergestellt werden. Das vorzugsweise ausgestanzte oder ausgeschnittene Material kann jedoch zur Herstellung neuer Blechlagen wie derverwendet werden. However, such holes cannot be made in a material-saving manner, such as. B. possible with expanded metal, but must be removed by removing the material an entire sheet metal layer. The preferably punched out or cut material, however, can be used to make new sheet metal layers be used.
Bevorzugt können je nach Art der Herstellung der Blechlage die Löcher auch schon beim Herstellungsprozess ausgespart werden, was insbesondere für Galva noplastisch hergestellte Materialen in Betracht kommt. Bei einem Herstellungs verfahren, bei dem zunächst ein billiges Material hergestellt und später durch Be schichten, z. B. mit Aluminium und/oder Chrom, veredelt wird, empfiehlt es sich, die Löcher herzustellen, bevor die Veredelung mit weiteren Materialien stattfin det.Depending on the type of production of the sheet metal layer, the holes can also be preferred can be left out during the manufacturing process, especially for Galva noplastic materials come into consideration. At a manufacturing procedure in which a cheap material is first produced and later by Be layers, e.g. B. with aluminum and / or chrome, it is recommended make the holes before finishing with other materials det.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Wärmkapazität eines Wabenkör pers mit Löchern natürlich geringer ist als die Wärmekapazität eines Wabenkör pers ohne Löcher. Dies erlaubt umgekehrt, erfindungsgemäße Wabenkörper aus dickeren Blechlagen herzustellen ohne dass die Wärmekapazität gegenüber Wa benkörpern aus ungelochten dünneren Blechlagen zunimmt. Erfindungsgemäß kann die Dicke der Blechlagen zwischen 20 und 80 µm liegen, bevorzugt wird jedoch eine Dicke von 40 und 60 µm. Der bevorzugte Bereich führt zu einer bes seren mechanischen Stabilität, insbesondere der Stirnseiten eines Wabenkörpers und erlaubt die Verwendung erprobter Herstellungsverfahren, die sich bei sehr dünnen Folien nicht mehr ohne weiteres anwenden lassen. Trotzdem ist die Wär mekapazität der entstehenden Wabenkörper gleich oder geringer als die bei Wa benkörpern aus dünneren Folien ohne Löcher.Another advantage of the invention is that the heat capacity of a honeycomb body pers with holes is of course less than the heat capacity of a honeycomb body pers without holes. Conversely, this allows honeycomb bodies according to the invention to produce thicker sheet layers without the heat capacity compared to Wa body from unperforated thin sheet layers increases. According to the invention the thickness of the sheet metal layers can be between 20 and 80 μm, is preferred however, a thickness of 40 and 60 microns. The preferred range leads to a particular seren mechanical stability, especially the end faces of a honeycomb body and allows the use of proven manufacturing processes, which are very no longer allow thin foils to be applied easily. Nevertheless, the warmth mecapacity of the resulting honeycomb bodies is equal to or less than that of Wa body made of thin foils without holes.
Um die mechanische Stabilität eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers sicherzu stellen, sollten die Löcher einen Mindestabstand von 0.5 mm aufweisen, wobei vorzugsweise alle Abstände zwischen den Löchern jeweils etwa gleich groß sein sollten, damit keine mechanischen Schwachstellen entstehen. So gestaltete Folien lassen sich problemlos Wellen und in den übrigen Arbeitsschritten zur Herstellung von spiraligen oder geschichteten und verschlungenen Wabenkörpern verwenden. To ensure the mechanical stability of a honeycomb body according to the invention the holes should be at least 0.5 mm apart, whereby preferably all distances between the holes are each approximately the same size should, so that no mechanical weak points arise. Foils designed in this way can be easily waves and in the other steps to manufacture of spiral or layered and intertwined honeycomb bodies.
Besonders bevorzugt besteht auch ein erfindungsgemäßer Wabenkörper, wie die meisten im Stand der Technik bekannten, aus abwechselnd angeordneten glatten und gewellten Blechlagen oder aus abwechselnden unterschiedlich gewellten Blechlagen. Durch solche Strukturen entstehen die typischen Strömungskanäle in einem Wabenkörper.A honeycomb body according to the invention, such as that, also particularly preferably exists most known in the prior art, made of alternately arranged smooth and corrugated sheet metal layers or alternating different corrugated Sheet metal layers. The typical flow channels in a honeycomb body.
Aufgrund der positiven Wirkungen der Löcher ist für gute Umsetzungseigenschaf ten der aus den Wabenkörpern später hergestellten katalytischen Konverter nicht erforderlich, dass erfindungsgemäße Wabenkörper eine extrem hohe Zelldichte haben. Erfindungsgemäß werden Zelldichten zwischen 200 und 1000 cpsi (cells per square inch) bevorzugt, insbesondere Zelldichten von 400 und 800 cpsi.Due to the positive effects of the holes it is essential for good implementation properties ten of the catalytic converters that were later manufactured from the honeycomb bodies required that the honeycomb body according to the invention has an extremely high cell density to have. According to the invention, cell densities between 200 and 1000 cpsi (cells per square inch) preferred, in particular cell densities of 400 and 800 cpsi.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Löchern in den Blechlagen beeinträchtigt nicht die Verwendbarkeit der Blechlagen für die meisten bisher bekannten zusätz lichen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung wie sie bei der Beschreibung zum Stand der Technik erwähnt wurden. Insbesondere lassen sich die gelochten Blech lagen auch mit transversalen Strukturen, mit Umstülpungen und/oder mit Strö mungsleitflächen versehen. Im Allgemeinen unterstützen die Löcher die Wirkung solcher Strukturen noch, weil eventuell in den Kanälen entstehende Druckunter schiede sich durch die Öffnungen ausgleichen, zusätzliche Turbulenzen entstehen und eine Vergleichmäßigung des Strömungsprofils innerhalb des Wabenkörpers bewirkt wird.The use of holes in the sheet metal layers according to the invention is impaired not the usability of the sheet metal layers for most previously known additional structures for influencing flow as described in the description of State of the art have been mentioned. In particular, the perforated sheet were also with transverse structures, with inversions and / or with currents provided guidance surfaces. In general, the holes support the effect of such structures, because pressure may develop in the channels compensate for each other through the openings, additional turbulence arises and an equalization of the flow profile within the honeycomb body is effected.
Bei der im Stand der Technik vorgeschlagenen Verwendung einer in einen Hohl raum eines Wabenkörpers eingebrachten Sonde, insbesondere einer Lambdason de, wirkt sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Wabenkörpers beson ders positiv aus. Da eine Messsonde, insbesondere eine Sauerstoffmesssonde ei nen möglichst repräsentativen Wert des im Wabenkörper strömenden Fluids mes sen soll, ist eine Quervermischung vor der Sonde von großem Vorteil. Erfin dungsgemäße Wabenkörper eignen sich daher besonders für Anwendungsfälle, in denen eine Lambdasonde in einen Hohlraum des Wabenkörpers eingebracht wer den soll.In the proposed use of a hollow space of a honeycomb body introduced probe, in particular a Lambdason de, the inventive design of a honeycomb body has a particular effect otherwise positive. Since a measuring probe, in particular an oxygen measuring probe The most representative possible value of the fluid flowing in the honeycomb body cross-mixing in front of the probe is of great advantage. OF INVENTION Honeycomb bodies according to the invention are therefore particularly suitable for applications in who introduced a lambda probe into a cavity of the honeycomb body that should.
Fertigungstechnisch erfordert dies einen gewissen Aufwand bei der Herstellung der Blechlagen, damit diese nach dem Zusammenbau später einen geeigneten Hohlraum bilden. Dieser Aufwand ist jedoch heutzutage mit numerisch gesteuer ten Fertigungsanlagen beherrschbar. Das erlaubt gleichzeitig, nahe an den den Hohlraum begrenzenden Rändern der Blechlagen keine Löcher zu platzieren, um auch dort ein Ausfransen der Ränder zu vermeiden. Besonders bevorzugt befin den sich daher keine Löcher in einem Bereich von 1 bis 5 mm um den Hohlraum für eine Messsonde.In terms of manufacturing technology, this requires a certain amount of effort during production the sheet metal layers so that they can be used later after assembly Form cavity. Nowadays, however, this effort is numerically controlled manageable manufacturing systems. That allows at the same time, close to the No void-defining edges of the sheet layers to place around to avoid fraying the edges there too. Especially preferred therefore there are no holes in a range of 1 to 5 mm around the cavity for a measuring probe.
Für die Haltbarkeit eines Wabenkörpers ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Blechlagen untereinander fügetechnisch verbunden sind, vorzugsweise durch Hartlöten, was typischerweise an den Stirnseiten eines Wabenkörpers erfolgt. Dies ist auch ein Grund, weshalb keine Löcher die stirnseitigen Randbereiche der Blechlagen schneiden sollten. Andererseits können die Löcher auch ganz gezielt verhindern, dass an den Stirnseiten aufgebrachter Kleber oder an den Stirnseiten aufgebrachtes Lot entlang der Berührungslinien zwischen den Blechlagen in das Innere des Wabenkörpers dringt, was aus mechanischen Gründen oft unerwünscht ist. Hier bewirken Löcher, dass die Kapillarwirkung endet, sodass der Abstand der Löcher von den Stirnseiten eines Wabenkörpers auch ganz gezielt dazu eingesetzt werden kann, einen Bereich, der durch Löten verbunden wird, zu begrenzen.For the durability of a honeycomb body, it is advantageous if the individual Sheet metal layers are joined together, preferably by Brazing, which is typically done on the end faces of a honeycomb body. This is also a reason why there are no holes in the front edge areas of the Should cut sheet layers. On the other hand, the holes can also be targeted prevent glue applied to the end faces or to the end faces applied solder along the lines of contact between the sheet layers in the Inside the honeycomb body penetrates, which is often undesirable for mechanical reasons is. Holes here cause the capillary effect to end, so that the distance between the Holes from the end faces of a honeycomb body are also used for this purpose can be used to limit an area connected by soldering.
Ähnliches gilt auch für die Anbindung der Blechlagen an einem Mantelrohr. Auch dort ist es wegen der gewünschten sehr stabilen Verbindung zum Mantelrohr günstiger, wenn die Randbereiche nicht von Löchern geschnitten werden. Auch hier bewirken die Löcher im übrigen, dass das Lot nicht durch Kapillarwirkung zu weit in das Innere des Wabenkörpers vordringen kann, sondern genau dort bleibt, wo es zum Befestigen der Blechlagen auch gebraucht wird.The same applies to the connection of the sheet metal layers to a casing pipe. Also there it is because of the desired very stable connection to the casing pipe cheaper if the edge areas are not cut by holes. Also here, moreover, the holes ensure that the solder is not closed by capillary action can penetrate far into the interior of the honeycomb body, but stays right there, where it is also used to fasten the sheet metal layers.
Ausführungsbeispiele und Einzelheiten der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigen:Embodiments and details of the invention, but not to this is limited, are explained in more detail below with reference to the drawings, and show:
Fig. 1 eine Blechlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers, Fig. 1 is a sheet-metal layer for producing a honeycomb body according to the invention,
Fig. 2 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines erfindungs gemäßen Wabenkörpers und Fig. 2 is a perspective, partially broken view of a honeycomb body according to the Invention and
Fig. 3 einen teilweise aufgebrochenen katalytischen Konverter mit einem erfin dungsgemäßen Wabenkörper und einem Hohlraum für eine Lambdasonde in schematischer Seitenansicht. Fig. 3 shows a partially broken catalytic converter with an inventive honeycomb body and a cavity for a lambda probe in a schematic side view.
Fig. 1 zeigt eine Blechlage 1, die entweder glatt oder gewellt sein kann, wie sie zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers Anwendung findet. Diese Blechlage 1 hat eine Breite L, die später die axiale Länge L eines daraus herge stellten Wabenkörpers bestimmt. Die Ausdehnung der Blechlage in der anderen Richtung hängt vom Bautyp des herzustellenden Wabenkörpers ab. Sie kann sehr lang sein, wenn ein spiralförmig gewickelter Wabenkörper daraus hergestellt wer den soll, oder relativ kurz, wenn sie zu einem Stapel von mehreren solchen Blech lagen 1 gehört, der später zu einem Wabenkörper verschlungen wird. Die Dicke der Blechlage 1 kann zwischen 20 und 80 µm liegen, bevorzugt zwischen 40 und 60 µm. Die Blechlage 1 weist in einem Teilbereich eine große Anzahl von Lö chern 6 auf, welche jeweils eine Fläche zwischen 1 und 120 mm2 haben. Bevor zugt werden Löcher 6 mit einem Durchmesser zwischen 3 und 8 mm, vorzugswei se zwischen 4 und 6 mm. Diese Löcher 6 sind in einem regelmäßigen Muster an geordnet und haben untereinander vorzugsweise gleiche Abstände D7. Bevorzugt sind die Löcher 6 rund oder elliptisch oder oval mit einem größten Durchmesser R6 bis zu 8 mm. Die Abstände D7 der Löcher 6 sind so gewählt, dass die Blech lagenoberfläche um 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60%, gegenüber einer un gelochten Oberfläche reduziert ist. Die Blechlage 1 weist einen einströmseitigen Randbereich 2 auf, der frei von Löchern 6 ist. Bevorzugt ist ein ausströmseitiger Randbereich 3 ebenfalls frei von Löchern. Dies vereinfacht die Verarbeitung der Blechlage, ermöglicht eine Verbindung von Blechlagen untereinander in diesem Randbereich und verhindert, dass sich beim Aufbau eines Wabenkörpers unre gelmäßig geformte (ausgefranste) einströmseitige Stirnseiten 12 oder ausströmsei tige Stirnseiten 13 bilden. Der einströmseitige Randbereich hat eine Breite R2 von 1 bis 5 mm, der ausströmseitige Randbereich 3 hat eine Breite R3 von 1 bis 5 mm. Die Blechlage 1 weist außerdem mindestens einen Anbindungsbereich 4 auf, mit dem die Blechlage 1 später an einem Mantelrohr 14 befestigt werden kann. Auch dieser Anbindungsbereich 4 mit der Breite R4 ist vorzugsweise frei von Löchern 6. Für Bauformen von Wabenkörpern, bei denen die Blechlagen 1 mit beiden En den an einem Mantelrohr befestigt werden ist auch ein zweiter Anbindungsbereich 5 mit einer Breite R5 frei von Löchern 6. Sofern aus der Blechlage 1 ein Waben körper hergestellt werden soll, der einen Hohlraum 7 für die Aufnahme einer Messsonde 9 aufweist, ist in der Blechlage 1 ein entsprechender Hohlraum 7 vor zusehen. Dieser ist erfindungsgemäß umgeben von einem lochfreien Rand 8, der wiederum der leichteren Verarbeitbarkeit der Blechlage 1 und der Herstellung eines gleichmäßigen Hohlraumes 7 dient. Die spätere Strömungsrichtung S eines Fluids, welches den Wabenkörper durchströmen kann, ist durch Pfeile in den Fi guren angedeutet. Fig. 1 shows a sheet metal layer 1 , which can either be smooth or corrugated, as used to build a honeycomb body according to the invention. This sheet metal layer 1 has a width L, which later determines the axial length L of a honeycomb body produced therefrom. The expansion of the sheet metal layer in the other direction depends on the construction type of the honeycomb body to be produced. It can be very long if a spirally wound honeycomb body is to be made from it, or relatively short if it was part of a stack of several such sheets 1 , which is later devoured into a honeycomb body. The thickness of the sheet metal layer 1 can be between 20 and 80 μm, preferably between 40 and 60 μm. The sheet metal layer 1 has in a partial area a large number of holes 6 , each having an area between 1 and 120 mm 2 . Before are given holes 6 with a diameter between 3 and 8 mm, preferably between 4 and 6 mm. These holes 6 are arranged in a regular pattern and preferably have equal distances D7 from one another. The holes 6 are preferably round or elliptical or oval with a largest diameter R6 up to 8 mm. The distances D7 of the holes 6 are chosen so that the sheet layer surface is reduced by 10 to 80%, preferably 30 to 60%, compared to an unperforated surface. The sheet metal layer 1 has an edge region 2 on the inflow side which is free of holes 6 . An outflow-side edge region 3 is preferably also free of holes. This simplifies the processing of the sheet metal layer, enables a connection of sheet metal layers to one another in this edge region and prevents irregularly shaped (frayed) inflow-side end faces 12 or outflow-side end faces 13 from forming when a honeycomb body is built up. The inflow-side edge area has a width R2 of 1 to 5 mm, the outflow-side edge area 3 has a width R3 of 1 to 5 mm. The sheet metal layer 1 also has at least one connection area 4 , with which the sheet metal layer 1 can later be attached to a casing tube 14 . This connection area 4 with the width R4 is also preferably free of holes 6 . For designs of honeycomb bodies in which the sheet metal layers 1 are fastened to a jacket tube with both ends, a second connection region 5 with a width R5 is also free of holes 6 . If a honeycomb body is to be produced from the sheet metal layer 1 , which has a cavity 7 for receiving a measuring probe 9 , a corresponding cavity 7 is to be seen in the sheet metal layer 1 . According to the invention, this is surrounded by a hole-free edge 8 , which in turn serves to make it easier to process the sheet metal layer 1 and to produce a uniform cavity 7 . The later flow direction S of a fluid which can flow through the honeycomb body is indicated by arrows in the figures.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkör pers, bei dem die Ausdehnung des gelochten Teilvolumens T schematisch ange deutet ist. Der beispielhaft gezeigte Wabenkörper ist spiralig gewickelt aus einer glatten Blechlage 10 und einer gewellten Blechlage 11, die in einem Anbindungs bereich 4 mit einem Mantelrohr 14 verbunden sind. Fig. 2 shows a perspective view of a honeycomb body according to the invention, in which the expansion of the perforated partial volume T is indicated schematically. The honeycomb body shown as an example is spirally wound from a smooth sheet metal layer 10 and a corrugated sheet metal layer 11 , which are connected to a casing tube 14 in a connection area 4 .
Fig. 3 zeigt schematisch in teilweise aufgebrochener Seitenansicht einen kataly tischen Konverter mit einem Hohlraum 7 zur Aufnahme einer Lambdasonde 9. Ein Abgas kann in Strömungsrichtung S durch den katalytischen Konverter strö men, beginnend von der einströmseitigen Stirnseite 12 hin zur ausströmseitigen Stirnseite 13. An der einströmseitigen Stirnseite 12 befindet sich ein lochfreier Randbereich 2 und an der ausströmseitigen Stirnseite befindet sich ein lochfreier Randbereich 3. Dazwischen befindet sich das gelochte Teilvolumen T welches sich damit über fast die gesamte axiale Länge L des Wabenkörpers erstreckt. Der Wabenkörper weist einen Hohlraum 7 auf, der entweder nach Fertigstellung des Wabenkörpers oder schon vorher durch geeignete Platzierung von Hohlräumen in den einzelnen Blechlagen 10, 11 hergestellt wurde. In diesen Hohlraum 7 kann eine Messsonde 9, insbesondere eine Sauerstoffmesssonde 9 eingebacht werden. Um gleichmäßige Ränder des Hohlraumes 7 zu gewährleisten, umgibt den Hohl raum 7 ein lochfreier Rand 8, in dem die Blechlagen 10, 11 keine Löcher 6 auf weisen. Die hier dargestellte Kombination eines Wabenkörpers mit Löchern 6 und einem Hohlraum 7 für eine Messsonde 9 ist besonders vorteilhaft, weil die Löcher 6 stromaufwärts der Messsonde 9 eine Quervermischung im Wabenkörper erlau ben und so die Messsonde 9 einen repräsentativen Messwert für die Zusammen setzung des Fluids im gesamten Wabenkörper messen kann. Fig. 3 shows schematically in partially broken side view a catalytic converter with a cavity 7 for receiving a lambda probe 9th An exhaust gas can flow in the flow direction S through the catalytic converter, starting from the upstream end face 12 to the outflow end face 13 . There is a hole-free edge area 2 on the inflow-side end face 12 and a hole-free edge area 3 on the outflow-side face side. In between is the perforated partial volume T which thus extends over almost the entire axial length L of the honeycomb body. The honeycomb body has a cavity 7 , which was produced either after completion of the honeycomb body or previously by suitable placement of cavities in the individual sheet metal layers 10 , 11 . In this cavity 7 is a probe 9, in particular an oxygen measuring probe 9 can be eingebacht. To smooth the edges of the cavity to ensure 7, surrounding the hollow space 7, a hole-free edge 8, in which the sheet metal layers 10, 11 no holes have to 6. The combination of a honeycomb body with holes 6 and a cavity 7 for a measuring probe 9 shown here is particularly advantageous because the holes 6 upstream of the measuring probe 9 allow cross-mixing in the honeycomb body and so the measuring probe 9 takes a representative measured value for the composition of the fluid in the can measure the entire honeycomb body.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei den meisten bekannten Bauformen von Wabenkörpern mit verringertem Einsatz von Beschichtungsmaterial hohe Wirk samkeit der Beschichtung zu erreichen für die Behandlung eines Fluides und da bei noch Eigenschaften bezüglich mechanischer Stabilität, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und dergleichen eines Wabenkörpers gezielt den Bedürfnissen einzelner Anwendungsfälle anpassen zu können. The present invention allows most known designs of Honeycomb bodies with reduced use of coating material high effectiveness to achieve the coating's evenness for the treatment of a fluid and there with properties regarding mechanical stability, heat capacity, Thermal conductivity and the like of a honeycomb body tailored to the needs to be able to adapt individual use cases.
11
Blechlage
sheet metal layer
22
einströmseitiger Randbereich
upstream edge area
33
ausströmseitiger Randbereich
outflow edge area
44
Anbindungsbereich
connecting region
55
Anbindungsbereich
connecting region
66
Loch
hole
77
Hohlraum
cavity
88th
lochfreier Rand
hole-free edge
99
Lambdasonde
lambda probe
1010
glatte Blechlage
smooth sheet metal layer
1111
gewellte Blechlage
corrugated sheet layer
1212
einströmseitige Stirnseite
upstream end
1313
ausströmseitige Stirnseite
outflow end face
1414
Mantelrohr
L axiale Länge
R2 Breite des einströmseitigen Randbereichs
R3 Breite des ausströmseitigen Randbereichs
R4 Breite des Anbindungsbereiches
R5 Breite des Anbindungsbereiches
R6 längste Ausdehnung eines Loches
D7 Abstand zwischen zwei Löchern casing pipe
L axial length
R2 Width of the upstream edge area
R3 Width of the outflow edge area
R4 Width of the connection area
R5 Width of the connection area
R6 longest extension of a hole
D7 distance between two holes
66
55
Strömungsrichtung
T Teilvolumen
flow direction
T partial volume
Claims (16)
die Löcher (6) haben jeweils eine Fläche zwischen 1 und 120 mm2,
in dem Teilvolumen (T) ist die Blechlagenoberfläche durch die Löcher (6) um 10 bis 80%, vorzugsweise 35 bis 60%, gegenüber einer ungelochten Blechlage re duziert,
das Teilvolumen (T) hat jeweils einen Abstand (R2, R3) von den Stirnseiten (12, 13) des Wabenkörpers, so dass keine Löcher (6) die stirnseitigen Ränder der Blechlagen berühren oder überschneiden.1. Metallic honeycomb body with an axial length (L) constructed from Blechla gene ( 1 ; 10 , 11 ), which are structured so that the honeycomb body of a fluid, in particular the exhaust gas of an internal combustion engine, in a direction of flow (S) by one the upstream end face ( 12 ) can flow through to an outflow end face ( 13 ), the sheet metal layers ( 1 ; 10 , 11 ) at least in some areas having a plurality of openings ( 6 ), characterized in that the honeycomb body in a partial volume (T ) of at least 55% of the axial length (L) and at least 20 mm radial expansion in all sheet metal layers ( 1 ; 10 , 11 ) has holes ( 6 ), whereby the following applies:
the holes ( 6 ) each have an area between 1 and 120 mm 2 ,
in the partial volume (T), the sheet layer surface is reduced by 10 to 80%, preferably 35 to 60%, through the holes ( 6 ) compared to an unperforated sheet layer,
the partial volume (T) is at a distance (R2, R3) from the end faces ( 12 , 13 ) of the honeycomb body, so that no holes ( 6 ) touch or overlap the end edges of the sheet metal layers.
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