EP4619624A1 - Stützstruktur für eine heizmatrix - Google Patents

Stützstruktur für eine heizmatrix

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EP4619624A1
EP4619624A1 EP23809167.2A EP23809167A EP4619624A1 EP 4619624 A1 EP4619624 A1 EP 4619624A1 EP 23809167 A EP23809167 A EP 23809167A EP 4619624 A1 EP4619624 A1 EP 4619624A1
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EP
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support structure
ring
struts
matrix
housing
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Pending
Application number
EP23809167.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Hodgson
Alexander MÖSELER
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
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    • F01N13/1855—Mechanical joints the connection being realised by using bolts, screws, rivets or the like
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    • F01N2240/16—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an electric heater, i.e. a resistance heater
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    • F01N2450/22—Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements by welding or brazing

Definitions

  • the invention relates to a support structure for positioning a heating matrix in an exhaust gas path spatially delimited by a housing, wherein the heating matrix is formed by a honeycomb body which has a plurality of flow channels through which flow can take place along a main flow direction, wherein the heating matrix is supported relative to the inner surface of the housing by the support structure and the matrix is fixed relative to the support structure by means of a plurality of coupling elements.
  • Electric heating elements are now regularly used to heat exhaust gases in an exhaust system downstream of a combustion engine or the exhaust gases flowing in an exhaust system.
  • the aim here is to reach a temperature threshold more quickly, at which an effective conversion of the pollutants carried in the exhaust gas can take place. This is necessary because the catalytically active surfaces of the catalysts installed in the exhaust system used for exhaust gas aftertreatment only allow sufficient conversion of the respective pollutants at a minimum temperature, the so-called light-off temperature.
  • heating catalysts which have a metallic structure connected to a voltage source or a metallically coated ceramic structure which can be heated by utilizing the ohmic resistance.
  • the heatable metallic structures can, for example, consist of a honeycomb body made of metal foils.
  • a plurality of smooth and/or at least partially structured metal foils are stacked on top of each other and wound around at least one pivot point to form a honeycomb body.
  • the matrix formed from the metal foils can be electrically contacted and heated using the ohmic resistance.
  • the matrix must be arranged in an exhaust gas line and be located upstream or downstream of a catalyst designed for exhaust gas aftertreatment in the flow direction of the exhaust gas.
  • a support In order to position the matrix in the exhaust system and to support it in particular against mechanical and thermal loads, a support must be provided which can withstand in particular the high thermal cycling loads and also the strong and irregular mechanical loads which occur in an exhaust system, in particular the exhaust system of a motor vehicle.
  • a support structure for a heating matrix for spatial positioning of the heating matrix in an exhaust gas path which has a simplified structure and has improved properties with regard to support against mechanical and thermal disturbances.
  • An embodiment of the invention relates to a support structure for positioning a heating matrix in an exhaust gas path spatially delimited by a housing, wherein the heating matrix is formed by a honeycomb body which has a plurality of flow channels through which flow can pass along a main flow direction, wherein the heating matrix is supported relative to the inner surface of the housing by the support structure and the matrix is fixed relative to the support structure by means of a plurality of coupling elements, wherein the support structure is designed in several parts, wherein the support structure has at least one central ring-like element and a plurality of struts which protrude in the radial direction from the ring-like element and run to the inner surface of the housing.
  • the support structure is used in particular for the permanent positioning of the heating matrix in the housing of the exhaust system. This must withstand the vibrations and thermal loads and securely fix the heating matrix within the housing. Since the heating matrix is energized during operation and contact with the housing must be avoided in order to avoid a short circuit or endangering people, structural failure of the support structure must be ruled out.
  • connection of the support structure to the inner surface of the housing must be designed to be particularly stable and rigid in order to ensure a secure hold.
  • the struts towards the ring-like element must have increased elasticity in order to compensate for the thermally induced stresses.
  • fastening points for the coupling elements must be arranged on the support structure in such a way that sufficient tolerance compensation can be ensured during assembly.
  • the support structure is made up of several components, which may have different material properties, in particular different thermal expansion coefficients. It is particularly advantageous if the ring-like element has at least one web that connects two points of the ring-like element to one another. Additional stabilization of the ring-like element can be achieved via such a web that runs through the center of the ring-like element or at least close to the center. In addition, such a web also offers the possibility of arranging coupling elements in the area of the center of the support structure without causing too great a pressure loss for the exhaust gas flow.
  • the ring-like element is made from a punched sheet or a sheet cut with a laser.
  • a preferred embodiment is characterized in that the struts are made from a punched sheet or a sheet cut with a laser. The aforementioned methods make it particularly easy to produce precisely fitting components.
  • the ring-like element and the die are connected to one another using a durable joining process from the group of laser welding, soldering or welding. Due to the high thermal loads in particular, a joining process should be selected that allows a secure, durable connection under the given loads.
  • the struts are made of profiled sheets, whereby the struts have a higher section modulus in the axial direction, which corresponds to the main flow direction of the exhaust gas line, compared to the radial direction.
  • Profiled sheets can be used to achieve a direction-dependent strength of the components, so that they can specifically absorb higher section moduli in one spatial direction and can therefore be manufactured to suit the application.
  • the struts are curved and evenly distributed in the circumferential direction of the housing.
  • a plurality of struts is required for the secure positioning of the ring-like element.
  • the struts are arranged at equal distances from each other in the circumferential direction of the housing.
  • the support structure has a plurality of coupling elements via which the matrix is attached to the support structure, wherein the coupling elements are arranged both on the struts and on the ring-like central element.
  • the coupling elements serve to accommodate the heating matrix and are preferably designed in such a way that they can compensate for tolerances.
  • Fig. 1 is a view of a support structure consisting of a ring-like element with a plurality of struts projecting in the radial direction.
  • Figure 1 shows a support structure 1 which is formed from a centrally arranged ring-like element 3 and a plurality of struts 2.
  • the ring-like element 3 has an S-shaped web 4 which connects two points of the ring-like element 3 to one another.
  • the struts 2 protrude from the ring-like element 3 in a radial direction outwards and are connected at their free end to the housing (not shown) or to another ring-like element (also not shown).
  • the struts 2 are arranged omnidistantly in the circumferential direction of the ring-like element. mentes 3 and are curved in shape.
  • the distances in the circumferential direction can also be different.
  • the struts 2 can also be straight or have a different shape.
  • additional connecting elements can be provided which, for example, connect the individual struts 2 to one another.
  • These can be evenly or unevenly distributed and can connect two or more struts with each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur (1) zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur (1) abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur (1) fixiert wird, wobei die Stützstruktur (1) mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Stützstruktur (1) zumindest ein zentrales ringartiges Element (3) aufweist und eine Mehrzahl von Streben (2), welche in radialer Richtung von dem ringartigen Element (3) abragen und zur Innenfläche des Gehäuses verlaufen und alle Bauteile optional durch ein Fügeverfahren verbunden sind.

Description

Beschreibung
Stützstruktur für eine Heizmatrix
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Stützstruktur zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur fixiert wird.
Stand der Technik
Zur Aufheizung von Abgasen in einer einem Verbrennungsmotor nachgelagerten Abgasstrecke beziehungsweise des in einer Abgasstrecke strömenden Abgases werden heute regelmäßig elektrische Heizelemente eingesetzt. Hierbei wird das Ziel verfolgt schneller eine Temperaturschwelle zu erreichen, ab welcher eine wirkungsvolle Umwandlung der im Abgas mitgeführten Schadstoffe erfolgen kann. Dies ist notwendig, da die zur Abgasnachbehandlung eingesetzten katalytisch aktiven Oberflächen der in der Abgasstrecke verbauten Katalysatoren erst ab einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-Off Temperatur, eine ausreichende Umsetzung der jeweiligen Schadstoffe ermöglichen.
Zu den bekannten Lösungen im Stand der Technik gehören sogenannte Heizkatalysatoren, welche eine mit einer Spannungsquelle verbundene metallische Struktur aufweisen oder eine metallisch beschichtete keramische Struktur aufweisen, welche unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden kann.
Die aufheizbaren metallischen Strukturen können beispielweise aus einem aus Metallfolien erzeugten Wabenkörper bestehen. Hierzu wird eine Mehrzahl von glatten und/oder zumindest teilweise strukturierten Metallfolien aufeinandergestapelt und um zumindest einen Drehpunkt zu einem Wabenkörper aufgewickelt. Die aus den Metallfolien gebildete Matrix kann elektrisch kontaktiert werden und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden.
Die Matrix muss hierzu in einer Abgasstrecke angeordnet sein und einem zur Abgasnachbehandlung ausgelegten Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorgelagert oder nachgelagert sein.
Um die Matrix in der Abgasstrecke zu positionieren und sie insbesondere gegen mechanische und thermische Belastungen abzustützen, muss eine Halterung vorgesehen werden, die insbesondere mit den hohen thermischen Wechselbelastungen und weiterhin mit den starken und unregelmäßigen mechanischen Belastungen in einer Abgasstrecke, insbesondere der Abgasstrecke eines Kraftfahrzeugs, auftreten.
Nachteilig an den bekannten Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Strukturen sehr komplex aufgebaut sind und sie somit nicht kostenoptimal sind.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stützstruktur für eine Heizmatrix zur räumlichen Positionierung der Heizmatrix in einer Abgasstrecke zu schaffen, welche einen vereinfachten Aufbau aufweist und verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Abstützung gegenüber mechanischen und thermischen Störgrößen aufweist.
Die Aufgabe hinsichtlich der Stützstruktur wird durch eine Stützstruktur mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Stützstruktur zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur fixiert wird, wobei die Stützstruktur mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Stützstruktur zumindest ein zentrales ringartiges Element aufweist und eine Mehrzahl von Streben, welche in radialer Richtung von dem ringartigen Element abragen und zur Innenfläche des Gehäuses verlaufen.
Die Stützstruktur dient insbesondere zur dauerhaften Positionierung der Heizmatrix im Gehäuse der Abgasstrecke. Diese muss die Erschütterungen und thermischen Belastungen aushalten und die Heizmatrix sicher innerhalb des Gehäuses fixieren. Da die Heizmatrix im Betrieb bestromt wird und ein Kontakt mit dem Gehäuse vermieden werden muss, um einen Kurzschluss oder eine Gefährdung von Personen zu vermeiden, muss ein strukturelles Versagen der Stützstruktur ausgeschlossen sein.
Durch einen mehrteiligen Aufbau der Stützstruktur kann erreicht werden, dass die unterschiedlichen Anforderungen an die Festigkeit der Stützstruktur optimal erfüllt werden. So ist die Anbindung der Stützstruktur an die Innenfläche des Gehäuses besonders stabil und steif auszulegen, um einen sicheren Halt zu gewährleisten. Die Streben hin zum ringartigen Element müssen jedoch eine erhöhte Elastizität aufweisen, um die thermisch induzierten Spannungen auszugleichen. Darüber hinaus müssen die Befestigungspunkte für die Koppelelemente derart an der Stützstruktur angeordnet sein, dass ein ausreichender Toleranzausgleich bei der Montage gewährleistet werden kann.
Diese unterschiedlichen Anforderungen lassen sich am besten erfüllen, wenn die Stützstruktur aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist, die gegebenenfalls unterschiedliche Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das ringartige Element zumindest einen Steg aufweist, welcher zwei Punkte des ringartigen Elementes miteinander verbindet. Über einen solchen Steg, der durch das Zentrum des ringartigen Elementes verläuft oder zumindest zentrumsnah, kann eine zusätzliche Stabilisierung des ringartigen Elementes erreicht werden. Außerdem bietet ein solcher Steg auch die Möglichkeit im Bereich des Zentrums der Stützstruktur Koppelelemente anzuordnen, ohne dabei einen zu großen Druckverlust für die Abgasströmung zu verursachen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das ringartige Element aus einem gestanzten oder einem mit einem Laser zugeschnittenen Blech gebildet ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Streben aus einem gestanzten oder mit einem Laser zugeschnittenen Blech gebildet sind. Durch die vorgenannten Verfahren lassen sich besonders einfach passgenaue Bauteile herstellen.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn das ringartige Element und die Sterben mittels eines dauerhaltbaren Fügeverfahrens aus der Gruppe Laserschweißen, Löten oder Schweißen miteinander verbunden sind. Insbesondere aufgrund der hohen thermischen Belastungen ist ein Fügeverfahren zu wählen, welches eine sichere dau- erhaltbare Verbindung unter den gegebenen Belastungen erlaubt.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Streben aus profilierten Blechen gebildet sind, wobei die Streben in axialer Richtung, welche der Hauptdurchströmungsrichtung der Abgasstrecke entspricht, ein im Vergleich zur radialen Richtung erhöhtes Widerstandsmoment aufweisen. Durch profilierte Bleche kann eine richtungsabhängige Festigkeit der Bauteile erreicht werden, so dass diese gezielt höhere Widerstandsmomente in eine Raumrichtung aufnehmen können und somit maßgeschneidert für den Anwendungszweck gefertigt werden können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Streben bogenförmig gestaltet sind und in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Es wird zur sicheren Positionierung des ringartigen Elementes eine Mehrzahl von Streben benötigt. Um eine homogene Kraftverteilung zu gewährleisten ist es daher vorteil- haft, wenn die Streben mit gleichen Abständen zueinander in Umfangsrichtung des Gehäuses verteilt angeordnet sind.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Stützstruktur eine Mehrzahl von Koppelelementen aufweist, über welche die Matrix an der Stützstruktur befestigt ist, wobei die Koppelelemente sowohl an den Streben als auch an dem ringartigen zentralen Element angeordnet sind. Die Koppelelemente dienen der Aufnahme der Heizmatrix und sind bevorzugt derart gestaltet, dass sie Toleranzen ausgleichen können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht einer Stützstruktur aus einem ringartigen Element mit einer Mehrzahl von in radialer Richtung abragenden Streben.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Stützstruktur 1 , welche aus einem zentral angeordneten ringartigen Element 3 und einer Mehrzahl von Streben 2 gebildet ist. Das ringartige Element 3 weist einen s-förmigen Steg 4 auf, welcher zwei Punkte des ringartigen Elementes 3 miteinander verbindet.
Die Streben 2 ragen von dem ringartigen Element 3 in radialer Richtung nach außen ab und werden an ihrem freien Ende mit dem Nicht gezeigten Gehäuse oder einem weiteren ebenfalls nicht gezeigten ringartigen Element verbunden. Die Streben 2 sind im Beispiel der Figur 1 omnidistant in Umfangsrichtung des ringartigen Eie- mentes 3 angeordnet und bogenförmig ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen können die Abstände in Umfangsrichtung auch unterschiedlich sein. Darüber hinaus können die Streben 2 auch gerade ausgebildet sein oder einer anderen Formgebung folgen. Weiterhin können zusätzliche Verbindungselemente vorge- sehen werden, die beispielsweise die einzelnen Streben 2 miteinander verbinden.
Diese können gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt angeordnet sein und jeweils zwei oder mehr Streben miteinander verbinden.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste
1 . Stützstruktur
2. Strebe 3. ringartiges Element
4. Steg

Claims

Patentansprüche
1. Stützstruktur (1 ) zur Positionierung einer Heizmatrix in einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Abgasstrecke, wobei die Heizmatrix durch einen Wabenkörper gebildet ist, welcher eine Vielzahl entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchström baren Strömungskanäle aufweist, wobei die Heizmatrix gegenüber der Innenfläche des Gehäuses durch die Stützstruktur (1) abgestützt wird und die Matrix mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen gegenüber der Stützstruktur (1) fixiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stützstruktur (1) mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Stützstruktur (1) zumindest ein zentrales ringartiges Element (3) aufweist und eine Mehrzahl von Streben (2), welche in radialer Richtung von dem ringartigen Element (3) abragen und zur Innenfläche des Gehäuses verlaufen.
2. Stützstruktur (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das ringartige Element (3) zumindest einen Steg (4) aufweist, welcher zwei Punkte des ringartigen Elementes (3) miteinander verbindet.
3. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das ringartige Element (3) aus einem gestanzten oder einem mit einem Laser zugeschnittenen Blech gebildet ist.
4. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Streben (2) aus einem gestanzten oder mit einem Laser zugeschnittenen Blech gebildet sind.
5. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das ringartige Element (3) und die Sterben (2) mittels eines dauerhaltbaren Fügeverfahrens aus der Gruppe Laserschweißen, Löten oder Schweißen miteinander verbunden sind. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Streben (2) aus profilierten Blechen gebildet sind, wobei die Streben (2) in axialer Richtung, welche der Hauptdurchströmungsrichtung der Abgasstrecke entspricht, ein im Vergleich zur radialen Richtung erhöhtes Widerstandsmoment aufweisen. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Streben (2) bogenförmig gestaltet sind und in Umfangsrichtung des Gehäuses gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Stützstruktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stützstruktur (1) eine Mehrzahl von Koppelelementen aufweist, über welche die Matrix an der Stützstruktur (1) befestigt ist, wobei die Koppelelemente sowohl an den Streben (2) als auch an dem ringartigen zentralen Element (3) angeordnet sind.
EP23809167.2A 2022-11-17 2023-11-16 Stützstruktur für eine heizmatrix Pending EP4619624A1 (de)

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