DE19903591A1 - Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Metallfolie, die eingeprägte Strömungskanäle für das Abgas aufweist und bei welcher die Strömungskanäle der Metallfolie in Durchströmungsrichtung wellenförmig gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für eine Abgas­ reinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Metallfolie, die eingeprägte Strömungskanäle für das Abgas aufweist.

In der DE 27 59 559 C2 ist eine Matrix für einen katalyti­ schen Reaktor zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen be­ schrieben worden, die aus zumindest zwei mit Katalysatormate­ rial beschichteten Stahlblechen besteht. Diese sind zur Bil­ dung von Abgasströmungskanälen zwischen jeweils benachbarten Stahlblechen mit Wellen versehen, die pfeilförmig und in be­ nachbarten Stahlblechen mit entgegengesetzter Pfeilrichtung angeordnet sind. Auf diese Weise werden kreuzweise liegende Strömungskanäle gebildet, die die Turbulenz der durchströmen­ den Abgase erhöhen sollen. Des weiteren wird vorgeschlagen, die Matrix aus den gewellten Stahlblechen zu wickeln. Bei der Herstellung einer derartigen Matrix ergeben sich jedoch Pro­ bleme, da das Stahlblech durch die geprägte Pfeilstruktur eine hohe Steifigkeit aufweist, die das Aufwickeln der Stahl­ bleche erschwert oder praktisch sogar verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trä­ gerstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die eine hohe Abgasturbulenz und Abgasmischung bei geringem Abgasgegendruck aufweist und auf einfache Weise zu einem Wic­ kelkörper aufgewickelt werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Trägerstruktur da­ durch gelöst, daß die Strömungskanäle der Metallfolie in Durchströmungsrichtung wellenförmig gebildet sind. Die Wel­ lenform bewirkt eine verbesserte Abgasdurchmischung in den Strömungskanälen innerhalb der Trägerstruktur gegenüber einem geraden Strömungskanal und weist dennoch einen geringeren Strömungswiderstand auf wie eine scharfe, pfeilförmige Um­ lenkung des bekannten Strömungskanals.

Durch einen mehrlagigen Aufbau der Trägerstruktur mit zumin­ dest zwei geprägten Metallfolien können unterschiedliche Durchströmungsstrukturen hergestellt werden, die unterschied­ liche Abgasmischungen erzeugen können. Dabei können sich die einzelnen Wellenformen der Strömungskanäle der verschiedenen Metallfolien unterscheiden.

Die maximale Auslenkung der Wellenbäuche der Strömungskanäle ist unter Berücksichtigung des Querschnitts des Strömungs­ kanals zweckmäßigerweise derart gewählt, daß eine optische Deckung gegeben ist, d. h. durch die Trägerstruktur bzw. die Strömungskanäle kann in Strömungsrichtung nicht hindurchge­ sehen werden.

Wenn die Strömungskanäle am Austrittsende der Trägerstruktur unter einem Austrittswinkel zur Normalen der Austrittsstirn­ fläche der Trägerstruktur angeordnet sind, wird die Abgas­ strömung in eine bestimmte Richtung abgelenkt, beispielsweise wenn die Austrittswinkel der Strömungskanäle zweier benach­ barter Metallfolien auf der gleichen Seite der Normalen lie­ gen, oder die Abgasströmung wird verwirbelt, wenn die Aus­ trittswinkel entgegengesetzt sind.

Wenn die Trägerstruktur mit einer katalytischen Beschichtung versehen wird, kann sie zur Herstellung eines Abgaskatalysa­ tors verwendet werden. Andererseits kann die erfindungsgemäße Trägerstruktur auch als Partikelfilter, beispielsweise als Rußfilter für einen Dieselmotor, verwendet werden, wobei ins­ besondere Strömungskanäle in Mikrowellenform bevorzugt wer­ den.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len erfindungsgemäßer Trägerstrukturen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in einer Draufsicht eine Metallfolie mit einer Strömungskanalstruktur in Wellenform als Teil einer Trägerstruktur;

Fig. 2 in einer Draufsicht entsprechend Fig. 1 eine Me­ tallfolie mit einer Strömungskanalstruktur mit ge­ genüber Fig. 1 abweichender Wellenform;

Fig. 3 in einer schaubildlichen Ansicht eine mehrlagige Trägerstruktur;

Fig. 4 in einer schaubildlichen Ansicht ein weiteres Aus­ führungsbeispiel einer mehrlagigen Trägerstruktur;

Fig. 5 in einer schaubildlichen Ansicht entsprechend Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mehr­ lagigen Trägerstruktur;

Fig. 6 in einer schaubildlichen Ansicht entsprechend Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mehrlagigen Trägerstruktur;

Fig. 7 in einer schaubildlichen Ansicht eine gewickelte Trägerstruktur in einem Mantelgehäuse;

Fig. 8 in einer schaubildlichen Ansicht ein weiteres Aus­ führungsbeispiel einer zweilagigen Trägerstruktur;

Fig. 9 in einer Draufsicht eine Metallfolie mit einer ge­ prägten Strömungskanalstruktur in Wellenform, die zusätzlich eine überlagerte Mikrowellenform auf­ weist; und

Fig. 10 in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbei­ spiel einer Metallfolie mit einer geprägten Strö­ mungskanalstruktur in Mikrowellenform.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Abschnitt ei­ nes Metallblechs oder einer Metallfolie 1 mit eingeprägten Strömungskanälen 2, die nebeneinander angeordnet sind und sich von einer Eintrittsstirnseite 3 an der Metallfolie 1, an der eine Abgasströmung in die Strömungskanäle 2 zuströmt (Pfeil A in Fig. 1), über die Breite der Metallfolie 1 bis zu einer Austrittsstirnseite 4 erstrecken, von der die Abgas­ strömung abströmt (Pfeil B). Die Strömungskanäle 2 sind in der Draufsicht wellenförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang einer gedachten Längslinie 5, die im Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1 senkrecht zu der Eintrittsstirnseite 3 und der Austrittsstirnseite 4 verläuft und generell die Haupt­ durchströmungsrichtung des Abgasstromes entlang der Metall­ folie 1 angibt, auch wenn die Eintrittsstirnseite 3 und die Austrittsstirnseite 4 nicht in einer zur Hauptdurchströmungs­ richtung senkrechten Ebene angeordnet sind.

Die Wellenform kann z. B. einem sinusförmigen Wellenverlauf angenähert sein oder mit einer Sinuswelle übereinstimmen. Die in Fig. 1 dargestellte Metallfolie 1 enthält eine Wellenform mit drei Wellenbäuchen 6 oder Auslenkungen, die somit 1,5 Wellenamplituden einer Sinuswelle entsprechen. An der Aus­ trittsstirnseite 4 mündet der Strömungskanal 2 unter einem Austrittswinkel α von beispielsweise etwa 10 bis 20° schräg zur Längslinie 5, so daß die ausströmende Abgasströmung (Pfeil B) von der geraden Hauptströmungsrichtung abgelenkt wird. An der Eintrittsstirnseite 3 beginnt der Strömungskanal 2 ebenfalls unter einem Eintrittswinkel schräg zur Längslinie 5, jedoch kann der Wellenverlauf auch davon abweichend sein, so daß der Strömungskanal 2 beispielsweise in zur Längslinie 5 paralleler Ausrichtung beginnt und auch endet. Durch die Wellenform wird eine Verwirbelung der Abgasströmung schon in den Strömungskanälen 2 erreicht, wobei auf scharfe Umlenkun­ gen der Strömungskanäle verzichtet wird, die die Strömung be­ hindern und den Abgasgegendruck in der Trägerstruktur bzw. in einem Katalysator deutlich erhöhen würden. Die Strömungskanä­ le können beispielsweise durch eine Prägewalze in die Metall­ folie eingeprägt werden, so daß durch die Prägung auf beiden Seiten der Metallfolie 1 Strömungskanäle 2 ausgebildet wer­ den.

Die in Fig. 2 dargestellte Metallfolie 1' enthält Strömungs­ kanäle 2' mit einer Wellenform, die gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Wellenform eine größere Wellenlänge aufweist. Zwischen der Eintrittsstirnseite 3 und der Austrittsstirnsei­ te 4 weist der Strömungskanal 2' lediglich einen Wellenbauch 6' auf, so daß die Wellenform 0,5 Wellenamplituden einer Si­ nuswelle oder einer vergleichbaren Wellenart entspricht. Der Austrittswinkel α' ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner wie der Austrittswinkel α in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Generell hängt die Größe des Winkels α bzw. α' ab von der Wellenform, d. h. von dem Verhältnis der maximalen Auslenkung des Wellenbauchs 6 und 6' (der Amplitude des Wellenbauches) zu der Wellenlänge, und von der Schnittstelle, an der die Welle bzw. der Strömungskanal an der Austrittsstirnseite 4 abgeschnitten oder beendet ist.

In Fig. 3 ist eine Trägerstruktur 7 mit einem mehrlagigen Aufbau aufgeschnitten dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Metallfolie 1 bildet eine untere Lage, auf der eine glatte Metallfolie 8, die keine eingeprägten Strömungskanäle auf­ weist, angeordnet ist. Die glatte Metallfolie 8 deckt die ihr zugewandten Strömungskanäle 2 ab und trennt sie voneinander. In den Strömungskanälen 2 erfolgt durch die Wellenform eine molekulare Abgasmischung, die eine verbesserte Reaktion mit einer katalytischen Oberfläche der Trägerstruktur 7 bewirkt. Auf der glatten Metallfolie 8 liegt eine zweite Metallfolie 1 mit eingeprägten Strömungskanälen 2 auf, die wiederum von ei­ ner glatten Metallfolie 8 abgedeckt ist. Die Wellenform der beiden Metallfolien 1 und die gleichsinnig schräge Ausrich­ tung der Strömungskanäle 2 an der Austrittsstirnseite 4 stim­ men überein, so daß das von der Trägerstruktur 7 durch die Strömungskanäle 2 der ersten und der zweiten Metallfolie 1 abströmende Abgas in dieselbe Richtung abgelenkt wird und, wenn die Trägerstruktur 7 zu einem zylindrischen Abgaskataly­ sator gewickelt ist, einen Drall um eine Längsachse des Ab­ gaskatalysators erhält. Wenn ein zweiter Abgaskatalysator im Strömungsweg nachgeschaltet ist, wird er durch die durch den Drall bewirkte schräge Anströmung in seiner katalytischen Wirkung aktiver. Die Trägerstruktur 7 ist beispielhaft mit zwei Lagen aus jeweils einer geprägten und einer glatten Me­ tallfolie 1 bzw. 8 gebildet, kann jedoch auch nur aus einer solchen Lage gebildet sein, die zu einem Abgaskatalysator ge­ wickelt wird.

Die in Fig. 4 dargestellte Trägerstruktur 9 weist eine erste, untere Metallfolie 1 und eine zweite, obere Metallfolie 1 mit Strömungskanälen 2 mit der gleichen Wellenform auf, wobei je­ doch die beiden Metallfolien 1 derart angeordnet sind, daß die jeweiligen Strömungskanäle 2 zueinander gegenläufig sind, so daß der Abgasstrom aus jeder der beiden Metallfolien 1 in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt und damit sofort ver­ wirbelt wird und zu einer partiellen Abgasmischung hinter der Trägerstruktur führt.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele von Trägerstrukturen 7' bzw. 9' entsprechen in ihrem Lagen­ aufbau den Trägerstrukturen der Fig. 3 bzw. 4, wobei jedoch die geprägten Metallfolien 1' eine längere Wellenform ent­ sprechend der Fig. 2 aufweisen. Bei der Trägerstruktur 7' der Fig. 5 weisen die Strömungskanäle 2' an der Austrittsstirn­ seite 4 in die gleiche Richtung, während sie bei der Träger­ struktur 9' der Fig. 6 in entgegengesetzte Richtungen weisen.

Fig. 7 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung oder einen Ab­ gaskatalysator 10, der aus einer in Fig. 4 dargestellten Trä­ gerstruktur 9 aufgewickelt und in einem Mantelgehäuse 11 un­ tergebracht ist. An der aufgeschnittenen Stelle sind mehrere Lagen der Trägerstruktur 9 mit der geprägten Metallfolie 1 und der glatten Metallfolie 8 zu erkennen. Neben der Vermi­ schung innerhalb der Strömungskanäle wird eine starke Ver­ mischung des Abgasstromes nach dem Austritt aus der Träger­ struktur bzw. dem Abgaskatalysator erzielt.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Trägerstruktur 12 liegen zwei geprägte Metallfolien 1 in gegenläufiger Ausrichtung der Strömungskanäle 2 ohne glatte Zwischenlage direkt aufeinan­ der. Durch die zueinander geöffneten Strömungskanäle 2 wird eine zusätzliche Verwirbelung an den Kreuzungspunkten inner­ halb der Metallfolien 1 erreicht.

Fig. 9 zeigt eine Metallfolie 13 mit Strömungskanälen 2 mit einer Wellenform entsprechend Fig. 1. Zusätzlich enthält die Wellenform eine überlagerte Mikrowelle, deren Wellen 14 eine vergleichsweise viel geringere Wellenlänge aufweisen, wobei Amplituden der beiden Wellen addiert werden. Jeder wellenför­ mige Strömungskanal 2 hat somit eine mit zusätzlichen kleinen Wellen 14 gewellte Wand, die eine zusätzliche Verwirbelung im Strömungskanal 2 bewirkt.

Eine in Fig. 10 dargestellte Metallfolie 15 enthält Strö­ mungskanäle 2' bzw. 2", die ausschließlich eine Wellenform mit Wellen 14 von kurzer Wellenlänge und vergleichsweise ge­ ringer Amplitude bzw. Höhe der Wellenbäuche aufweisen, welche der überlagerten Mikrowelle gemäß Fig. 9 entspricht. In die­ sen Strömungskanälen 2' bzw. 2" gemäß Fig. 9 und 10 unter­ stützt die Mikroverwirbelung des Abgasstromes die Anhaftung einzelner Partikel. Aufgrund der Massenträgheit wird der Kon­ takt mit den Strömungskanalwänden intensiviert und die Adhä­ sionskräfte können besser ausgenützt werden. Daher kann die Metallfolie 15 zweckmäßigerweise als Trägerstruktur für einen Partikelfilter verwendet werden.

Alle Metallfolien und somit die Trägerstrukturen weisen eine katalytische Beschichtung bei der Verwendung als Abgaskataly­ satoren zur Abgasreinigung auf.

Alle dargestellten und beschriebenen Trägerstrukturen können zu Abgaskatalysatoren gewickelt werden, wobei die wellenför­ mig geprägten Metallfolien keine Verwerfungen bilden. Diese Metallfolien sind auch nicht derart starr, daß sie ein Auf­ wickeln behindern würden.

Die Längssymmetrielinie der Wellenform der Strömungskanäle stimmt in den gezeigten Beispielen mit einer jeweiligen Längslinie 5 überein. Sie kann auch schräg zu einer Längsli­ nie angeordnet sein, so daß die Hauptdurchströmungsrichtung durch die Trägerstruktur von der Längslinie abweicht. Dadurch können zusätzliche Strömungsableitungen und Abgasvermischun­ gen erzielt werden.

Des weiteren können Lagen der Trägerstrukturen aus beliebigen Kombinationen der dargestellten Metallfolien hergestellt wer­ den, um jeweils spezifische Vermischungen des Abgasstromes zu erhalten.

Claims (12)

1. Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung, ins­ besondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschi­ nen, mit zumindest einer Metallfolie, die eingeprägte Strömungskanäle für das Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (2; 2'; 2") der Metallfolie (1; 1'; 13; 15) in Durchströmungsrichtung wellenförmig ge­ bildet sind.

2. Trägerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (7; 9; 12) einen mehrlagigen Auf­ bau mit zumindest zwei geprägten Metallfolien (1; 1'; 13) aufweist.

3. Trägerstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (2; 2') eine im wesentlichen sinusförmige Wellenform aufweisen.

4. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (2, 2') am Austrittsende (4) der Trägerstruktur (7; 9; 12) unter einem Austrittswinkel (α; α') schräg zu der Hauptdurchströmungsrichtung ange­ ordnet sind.

5. Trägerstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittswinkel (α; α') der Strömungskanäle (2; 2') zweier benachbarter Metallfolien (1; 1') entgegenge­ setzt gerichtet sind.

6. Trägerstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittswinkel (α, α') der Strömungskanäle (2; 2') zweier benachbarter Metallfolien (1; 1') gleichge­ richtet sind.

7. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (7; 9) zumindest eine geprägte Metallfolie (1; 1') mit Strömungskanälen (2; 2') und eine daran angeordnete glatte Metallfolie (8) aufweist.

8. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Bilden einer Abgasreinigungsvorrichtung (10) aufgewickelt und in einem Gehäuse (11) untergebracht ist.

9. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform der Strömungskanäle (2; 2') eine Län­ ge von etwa 1 bis 3 Wellenbäuche (6) (0,5 bis 1,5 Ampli­ tuden) aufweist.

10. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenlänge (Wellenlänge) etwa 70 mm be­ trägt.

11. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmigen Strömungskanäle (2; 2'; 2") zu­ sätzlich die Form von überlagerten Mikrowellen (14) auf­ weisen.

12. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine katalytische Beschichtung aufweist.