EP4630666A1 - Vorrichtung zur abgasnachbehandlung und verfahren zur herstellung - Google Patents

Vorrichtung zur abgasnachbehandlung und verfahren zur herstellung

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Publication number
EP4630666A1
EP4630666A1 EP23817351.2A EP23817351A EP4630666A1 EP 4630666 A1 EP4630666 A1 EP 4630666A1 EP 23817351 A EP23817351 A EP 23817351A EP 4630666 A1 EP4630666 A1 EP 4630666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
support elements
heating disk
support
heating
winding layers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23817351.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Müller
Johannes Meenen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4630666A1 publication Critical patent/EP4630666A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/027—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—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
    • 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
    • F01N3/20—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 specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2260/00—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for
    • F01N2260/18—Exhaust treating devices having provisions not otherwise provided for for improving rigidity, e.g. by wings, ribs

Definitions

  • the invention relates to a device for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine, with a heating disk formed from a metallic honeycomb body, wherein the heating disk is formed from a plurality of metal foils stacked on top of one another and wound around at least one axis of rotation, wherein the heating disk has air gaps between the winding layers, which space the winding layers apart from one another and delimit a current path along the heating disk, wherein the honeycomb body has a plurality of flow channels through which the exhaust gas can flow, wherein the heating disk has a plurality of support elements.
  • the invention also relates to a method for producing the device.
  • support pins are known for connecting electric heating disks, which are designed as metallic honeycomb bodies, and other honeycomb bodies of so-called supporting catalysts. These are inserted into cells of the respective honeycomb bodies and permanently connected to them by means of soldering.
  • the support pins take on the spatial fixation of the heating disk in relation to the supporting catalyst on the one hand and an electrical decoupling between the two honeycomb bodies on the other.
  • the permanent connection between the honeycomb bodies and the support pins is preferably made between their metallic sleeves or their metallic cores and the corrugated metal foils of the respective honeycomb body.
  • support pins are provided, and these may also be arranged in multiple rows. Support pins are arranged in such a way, particularly with regard to thermal and mechanical loads, that the highest possible durability during operation can be expected.
  • a particular disadvantage of the prior art devices is that a large number of support pins are required, which leads to high manufacturing costs.
  • Another disadvantage of the previously known heating disks made of metallic honeycomb bodies is that, due to the electrical insulation of the individual layer packages from one another, an air gap must be formed between the individual layers, which makes the honeycomb bodies unstable and particularly susceptible to the occurrence of harmful vibration phenomena as a result of low natural frequencies.
  • the air gap represents a type of bypass through which exhaust gas can flow past the heating disk unintentionally.
  • the corrugated layer must be specifically adjusted in terms of its cell density and contour, otherwise defects and non-bonding may occur during the soldering process, which would negatively affect the structural integrity.
  • the support pins lead to a blockage of the respective cell into which they are inserted, whereby these cells or flow channels are no longer available for exhaust gas aftertreatment.
  • One embodiment of the invention relates to a device for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine, with a heating disk formed from a metallic honeycomb body, wherein the heating disk is formed from a plurality of metal foils stacked on top of one another and wound around at least one axis of rotation, wherein the heating disk has air gaps between the winding layers, which space the winding layers apart from one another and delimit a current path along the heating disk, wherein the honeycomb body has a plurality of flow channels through which the exhaust gas can flow, wherein the heating disk has a plurality of support elements, wherein the support elements of the heating disk are inserted into the air gaps formed between the winding layers.
  • the support elements By inserting the support elements into the air gaps formed between the individual winding layers, a connection is created between the individual winding layers and the individual winding layers can support each other.
  • the mutual support significantly increases the stability of a heating disk created in this way, which improves the durability, particularly with regard to mechanical loads on the heating disk, which can be generated by the vibration of the heating disk itself and/or the remaining components in an exhaust system.
  • the support elements and connecting the winding layers to each other the number of different bending frequencies of the heating disk is reduced.
  • the support elements are inserted exclusively into the air gaps, which provides several advantages.
  • the flow channels formed in the heating disc are not blocked by the support elements.
  • the exhaust gas can therefore flow through all flow channels, which improves the actual purpose of the heating disc, namely heating the exhaust gas.
  • the support elements no longer have to be adapted to the geometry of the flow channels. This reduces the variety of parts, which makes production easier.
  • low-cell heating discs such as those used in truck applications, with only 50 or 75 cells per square inch (cpsi), can be positioned with normal support elements, which would normally be too narrow for the cell sizes of the heating disc.
  • the air gap which inevitably creates an unwanted bypass effect by allowing exhaust gas to flow through this air gap, is at least partially blocked by the support elements. Furthermore, the positioning of the support elements according to the invention enables the heating disc to be heated more homogeneously.
  • a preferred embodiment is characterized in that the support elements inserted into the air gaps are in contact with both winding layers that delimit the air gap in the radial direction and are permanently connected to them. This not only creates a high level of stability for the heating disc, but also allows a targeted influence to be exerted on the formation of the current path that results for the current between the two electrical connections of the heating disc.
  • a support element that has no electrical insulation two winding layers can be brought into electrically conductive contact with one another, which can widen the current path. It is also possible to specifically supply more current to an area of the heating disc in order to ensure, for example, improved heat distribution across the heating disc. Electrically conductive support elements form so-called discrete current bridges that influence the flow of current.
  • winding layers can be specifically electrically insulated from one another. It is also preferable if at least a first number of the support elements are formed by support pins, wherein the support pins have a pin-shaped core which is enclosed at the end in an electrically insulating material, wherein the electrically insulating material has two regions with a metallic coating on its outer circumference, wherein the regions are not in electrically conductive contact with one another, wherein the support pins protrude beyond the heating disk in the axial extension direction of the heating disk.
  • the first support elements are formed like normal support pins. They are characterized by the fact that they are inserted into the heating disk at one end area, more precisely in the air gap of the heating disk, and are connected to a support structure at their opposite end area, for example an upstream or downstream support catalyst.
  • the support pins can have electrical insulation or be designed to be electrically conductive.
  • An insulating support pin usually has a metallic core, which is surrounded by an electrically insulating layer in the end areas, whereby the insulating layer, usually a ceramic, has two areas that are not connected to one another and are provided with a metallic coating, via which a permanent connection to the structures of the heating disk or the support catalyst can be made.
  • the ceramic can for example have an oval cross-section, whereby two areas, preferably arranged on opposite areas of the outer circumference of the ceramic, are coated with a metallic layer. These metallized areas are used to connect the support element to the metal foils of the heating disk, for example by soldering.
  • the heating disk has a second number of support elements formed by spacers, wherein the spacers space adjacent winding layers apart from one another and do not protrude, or only protrude insignificantly, beyond the heating disk in the axial extension direction of the heating disk.
  • the second support elements do not have a metallic core that extends beyond the heating disc.
  • the second Support elements are not used to position the heating disc in relation to another structure, but rather to fix the winding layers to one another.
  • the second support elements which are also called spacers, are inserted into the air gap and connected to the adjacent winding layers.
  • the first support elements have an electrically insulating layer on one of their end regions, which electrically insulates the core from the honeycomb body into which the respective end region is inserted.
  • the electrically insulating layer can be formed, for example, by a ceramic.
  • the first support elements have an end region with an oval cross-section, the end region being formed by the metallic core, the ceramic insulation layer and two metallically coated regions of the insulation layer, the metallically coated regions not being in electrically conductive contact with one another.
  • the cross-sectional shape of the support elements can be freely selected, since it no longer has to be designed depending on the respective geometry of the flow channels of the honeycomb body.
  • an oval cross-section is particularly advantageous for positioning in the air gap in order to produce a sufficiently large contact area between the winding layers and the support element.
  • support elements with an oval cross-section have a high level of strength.
  • the heating disk is fixed by means of the first support elements relative to a honeycomb body serving as a supporting catalyst, whereby the heating disk is fixed to the honeycomb body of the supporting catalyst by means of the sections of the support pins that protrude beyond the heating disk.
  • the end regions of the supporting elements facing the supporting catalyst are inserted into individual flow channels of the supporting catalyst, which is why the supporting elements are in this area are preferably adapted to the cell geometry of the supporting catalyst.
  • the first support elements engage on one side in the air gap of the heating disk formed between the winding layers and engage with the other side in a flow channel of the honeycomb body of the supporting catalyst.
  • An embodiment of the invention relates to a method for producing a device according to one of the preceding claims, wherein the following method steps are carried out: a. Stacking metal foils on top of one another to form a layer stack b. Placing the layer stack produced on a rotatably mounted spiral plate which has means for positioning and/or fixing the layer stack formed from the metal foils c. Inserting at least one support element into a recess provided for this purpose in the spiral plate d. Winding up the layer stack by rotating the spiral plate about at least one axis of rotation e. Soldering the wound up layer stack and the at least one inserted support element, wherein the insertion of the at least one support element can take place before or after the winding up of the layer stack.
  • Heating discs are preferably wound up using a rotating plate or spiral plate.
  • the layer stacks made from metal foils are twisted into a matrix applied to the spiral plate.
  • the matrix which is made up of wall sections, forms the air gaps when it is twisted up.
  • the spiral plate preferably has a plurality of receptacles, into each of which a support element can be inserted.
  • the receptacles are distributed over the spiral plate in such a way that the support elements are positioned in a way that is advantageous for the respective heating disc.
  • the receptacles are arranged in the area of the wall sections of the spiral plate that form the air gaps in order to ensure that the support elements are positioned in the air gaps in the finished heating disc.
  • the spiral plate has at least one elevation which serves as a means for positioning the layer stack, wherein the recess for the at least one support element is arranged in the elevation.
  • the spiral plate has wall elements that protrude vertically from a base plate and that take up the spaces that form the air gaps in the finished heating disc.
  • the shape and structure of the heating disc can be easily influenced by the positioning and shape of the wall elements.
  • first support elements formed by support pins and second support elements formed by spacers are used as support elements.
  • Fig. 1 is a perspective view of a spiral plate with support elements inserted into the recesses
  • Fig. 2 is a perspective view according to Figure 1, wherein a corresponding layer stack is screwed into the spiral plate, whereby it can be seen that the support elements are arranged in the area of the air gaps,
  • Fig. 3 is a sectional view through the spiral plate according to Figure 1 .
  • Fig. 4 is a plan view of two heating disks, the left heating disk showing the prior art and the right heating disk showing a heating disk according to the invention with support elements in the air gap of the heating disk.
  • Figure 1 shows a spiral plate 1, which has a plurality of support elements 2 that are inserted into receptacles.
  • the receptacles are arranged such that the support elements 2 are arranged in rows.
  • the support elements 2 are not arranged in rows distributed over the spiral plate 1, but rather in accordance with the load profile in such a way that a stable heating disk is produced and at the same time a suitable connection to a support catalyst (not shown) can be created.
  • the support elements 2 are, on the one hand, support pins 3 and, on the other hand, spacers 4. In contrast to Figure 1, support pins 3 and spacers 4 can also be arranged alternately.
  • the wall sections 5 serve to shape the layer stack (not shown), which is screwed into the spiral plate 1.
  • Figure 2 shows a spiral plate 1 according to Figure 1.
  • the layer stack 6 is here screwed between the wall sections 5, which leads to a deformation of the layer stack and the basic shape of the heating disk is formed.
  • the support elements 2 are connected to the layer stack 6 and the heating disk is thus fixed in its shape.
  • Figure 3 shows a section through a spiral plate 1. It can be seen that the receptacles for the support elements are formed by depressions in the spiral plate 1 and by recesses in the wall sections 5. This means that the support elements 2 can be easily inserted into the spiral plate and are fixed in position by the wall sections 5. It can also be seen that the recesses in the wall sections 5 ensure that the support elements 2 come into contact with the layer stack screwed into the spiral plate 1 on both sides, thus creating a secure connection between the support elements 2 and the layer stack.
  • Figure 4 shows on the left side a plan view of a front side of a conventional heating disc, where the support elements are inserted into the flow channels of the heating disc and are connected there to the heating disc.
  • Figure 4 shows on the right side a plan view of a front side of a heating disk 7 according to the invention, wherein the support elements 2 are arranged exclusively in the air gap 8 of the heating disk 7 and are connected to the metal foils of the heating disk 7 adjacent to the air gap 8.
  • Support elements 3. Support pin

Landscapes

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Abstract

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und Verfahren zur Herstellung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe (7), wobei die Heizscheibe (7) aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe (7) zwischen den Wicklungslagen Luftspalte (8) aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe (7) begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe (7) eine Mehrzahl von Stützelementen (2) aufweist, wobei die Stützelemente (2) der Heizscheibe (7) in die zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalte (8) eingesetzt sind.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und Verfahren zur Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe, wobei die Heizscheibe aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe zwischen den Wicklungslagen Luftspalte aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe eine Mehrzahl von Stützelementen aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind zur Verbindung von elektrischen Heizscheiben, die als metallischer Wabenkörper ausgebildet sind, und weiteren Wabenkörpern von sogenannten Stützkatalysatoren Stützstifte bekannt, die in Zellen der jeweiligen Wabenkörpern eingesteckt und mittels Lötens dauerhaltbar mit diesen verbunden werden. Die Stützstifte übernehmen hierbei einerseits die räumliche Fixierung der Heizscheibe gegenüber dem Stützkatalysator und andererseits eine elektrische Entkopplung zwischen den beiden Wabenkörpern.
Die dauerhaltbare Verbindung zwischen den Wabenkörpern und den Stützstiften erfolgt dabei bevorzugt zwischen deren metallischen Hülsen beziehungsweise deren metallischen Seelen und den gewellten Metallfolien des jeweiligen Wabenkörpers.
Je nach Ausgestaltung der Heizscheibe werden mehr oder weniger Stützstifte vorgesehen, wobei diese gegebenenfalls auch mehrreihig angeordnet sind. Die Stützstifte sind hierbei insbesondere mit Blick auf die thermischen und mechanischen Belastungen derart angeordnet, dass eine möglichst hohe Dauerhaltbarkeit im Betrieb erwartet werden kann.
Nachteilig an den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist insbesondere, dass eine hohe Anzahl an Stützstiften benötigt wird, was zu hohen Kosten bei der Herstellung führt. Weiterhin ist nachteilig an den bislang bekannten Heizscheiben aus metallischen Wabenkörpern, dass bedingt durch die elektrische Isolation der einzelnen Lagenpakete zueinander ein Luftspalt zwischen den einzelnen Lagen ausgebildet sein muss, wodurch die Wabenkörper instabil werden und insbesondere anfällig für das Auftreten von schädlichen Schwingungsphänomenen infolge von niedrigen Eigenfrequenzen sind. Außerdem stellt der Luftspalt ein Art Bypass dar, durch welchen Abgas ungewollt an der Heizscheibe vorbeiströmen kann.
Darüber hinaus muss für eine gute Passung zwischen dem Stützstift und der Welllage des Wabenkörpers eine gezielte Anpassung der Welllage hinsichtlich ihrer Zelldichte und Kontur erfolgen, da es ansonsten während des Lötvorgangs zu Fehlstellen und Nichtanbindungen kommen kann, wodurch die strukturelle Integrität negativ beeinträchtigt werden würde.
Weiterhin führen die Stützstifte zu einer Blockade der jeweiligen Zelle, in die sie eingesteckt sind, wodurch diese Zellen beziehungsweise Strömungskanäle nicht mehr für die Abgasnachbehandlung zur Verfügung stehen.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung mit einer elektrisch beheizbaren Heizscheibe zu schaffen, welche einen optimierten Aufbau aufweist und gegebenenfalls mittels geeigneten Stützelementen an einem vorgelagerten oder nachgelagerten Stützkatalysator angebunden werden kann.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe, wobei die Heizscheibe aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe zwischen den Wicklungslagen Luftspalte aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe eine Mehrzahl von Stützelementen aufweist, wobei die Stützelemente der Heizscheibe in die zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalte eingesetzt sind.
Durch das Einsetzen der Stützelemente in die Luftspalte, welche zwischen den einzelnen Wicklungslagen ausgebildet sind, wird eine Verbindung zwischen den einzelnen Wicklungslagen erzeugt und die einzelnen Wicklungslagen könne sich gegeneinander abstützen. Durch die gegenseitige Abstützung wird die Stabilität einer so erzeugten Heizscheibe deutlich erhöht, wodurch die Dauerhaltbarkeit insbesondere im Hinblick auf mechanische Belastungen der Heizscheibe, welche durch das Schwingen der Heizscheibe selbst und/oder der restlichen Komponenten in einem Abgasstrang erzeugt werden können, verbessert wird. Insbesondere wird durch das Einsetzen der Stützelemente und durch das Verbinden der Wicklungslagen miteinander die Anzahl der unterschiedlichen Biegeeigenfrequenzen der Heizscheibe reduziert.
Durch die Erhöhung der Stabilität der Heizscheibe kann weiterhin eine Vielzahl an üblicherweise verwendeten Stützelementen eingespart werden, da die Anzahl an Anbindungspunkten zu einem die Heizscheibe abstützenden Stützkatalysator drastisch verringert werden kann.
Bevorzugt werden die Stützelemente ausschließlich in die Luftspalte eingesetzt, wodurch mehrere Vorteile erreicht werden. Einerseits werden die in der Heizscheibe ausgebildeten Strömungskanäle nicht durch die Stützelemente verblockt. Alle Strömungskanäle können somit mit dem Abgas durchströmt werden, wodurch der eigentliche Zweck der Heizscheibe, nämlich die Aufheizung des Abgases verbessert werden kann. Darüber hinaus müssen die Stützelemente nicht mehr an die Geometrie der ausgebildeten Strömungskanäle angepasst werden. Hierdurch kann die Teilevielfalt reduziert werden, was eine einfache Produzierbarkeit ermöglicht. Außerdem können so beispielweise niederzellige Heizscheiben, wie sie beispiels- wiese in LKW-Anwendungen Verwendung finden, mit lediglich 50 oder 75 Zellen per square inch (cpsi) mit normalen Stützelementen positioniert werden, die normalerweise zu schmal für die Zellgrößen der Heizscheibe wären.
Weiterhin wird der Luftspalt, der zwingend eine ungewollte Bypasswirkung erzeugt, indem Abgas durch diesen Luftspalt hindurchströmt, zumindest teilweise durch die Stützelemente verblockt. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Positionierung der Stützelemente eine homogenere Aufheizung der Heizscheibe ermöglicht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die in die Luftspalte eingesetzten Stützelemente mit jeweils beiden den Luftspalt in radialer Richtung begrenzenden Wicklungslagen in Anlage sind und mit diesen dauerhaltbar verbunden sind. Hierdurch wird einerseits eine hohe Stabilität der Heizscheibe erzeugt und andererseits kann gezielt auf die Ausbildung des Strompfades eingewirkt werden, welcher sich für den Strom zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen der Heizscheibe ergibt. Durch die Wahl eines Stützelementes, welches keine elektrische Isolation aufweist, können zwei Wicklungslagen in einen elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch der Strompfad verbreitert werden kann. Auch kann so gezielt ein Bereich der Heizscheibe stärker bestromt werden, um beispielsweise eine verbesserte Wärmeverteilung über die Heizscheibe hinweg sicherzustellen. Durch elektrisch leitfähige Stützelemente werden sogenannte diskrete Strombrücken gebildet, die den Stromfluss beeinflussen.
Durch die Wahl von Stützelementen, welche eine elektrisch isolierende Wirkung, etwa durch eine geeignete Beschichtung oder eine elektrisch isolierende Lage, haben, können Wicklungslagen gezielt elektrisch voneinander isoliert werden. Auch ist es zu bevorzugen, wenn zumindest eine erste Anzahl der Stützelemente durch Stützstifte gebildet sind, wobei die Stützstifte eine stiftförmige Seele aufweisen, die endseitig in einem elektrisch isolierenden Material eingefasst sind, wobei das elektrisch isolierende Material an seinem Außenumfang zwei Bereiche mit einer metallischen Beschichtung aufweisen, wobei die Bereiche nicht miteinander in einem elektrisch leitfähigen Kontakt stehen, wobei die Stützstifte in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe hinausstehen.
Die ersten Stützelemente sind wie gewöhnliche Stützstifte gebildet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass diese an einem Endbereich in der Heizscheibe, genauer im Luftspalt der Heizscheibe, eingesteckt sind und an ihrem gegenüberliegenden Endbereich mit einer Stützstruktur, beispielsweise einem vorgelagerten oder nachgelagerten Stützkatalysator verbunden sind. Je nach Anwendungsfall können die Stützstifte eine elektrische Isolation aufweisen oder elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Ein isolierender Stützstift besitzt regelmäßig eine metallische Seele, welche in den Endbereichen mit einer elektrisch isolierenden Schicht umfasst ist, wobei die isolierende Schicht, regelmäßig eine Keramik, zwei nicht miteinander verbundene mit einer metallischen Beschichtung versehene Bereiche aufweist, über welche eine dauerhaltbare Verbindung zu den Strukturen der Heizscheibe oder des Stützkatalysators hergestellt werden kann. Die Keramik kann hierzu beispielsweise einen ovalen Querschnitt aufweisen, wobei zwei, bevorzugt an gegenüberliegenden Bereichen des Außenumfangs der Keramik angeordnete Bereiche, mit einer metallischen Schicht beaufschlagt sind. Diese metallisierten Bereiche dienen zur Verbindung des Stützelementes mit den Metallfolien der Heizscheibe, beispielsweise durch Löten.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Heizscheibe eine zweite Anzahl durch Spacer gebildete Stützelemente aufweist, wobei die Spacer zueinander benachbarte Wicklungslagen zueinander beabstanden und nicht oder nur unwesentlich in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe hinausstehen.
Im Gegensatz zu den ersten Stützelementen weisen die zweiten Stützelemente keine metallische Seele auf, die über die Heizscheibe hinaus steht. Die zweiten Stützelemente dienen nicht der Positionierung der Heizscheibe gegenüber einer anderen Struktur, sondern lediglich der Fixierung der Wicklungslagen zueinander. Die zweiten Stützelemente, welche auch Spacer genannt werden, werden in den Luftspalt eingesteckt und mit den angrenzenden Wicklungslagen verbunden.
Dadurch wird die Stabilität der Heizscheibe erhöht, der Luftspalt sicher ausgebildet und je nach Ausführung der Spacer eine diskrete Strombrücke zwischen den Wicklungslagen erzeugt oder einen elektrische Isolation der Wicklungslagen zueinander.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die ersten Stützelemente an einem ihrer Endbereiche eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, welche die Seele gegenüber dem Wabenkörper, in welchen der jeweilige Endbereich eingesteckt ist, elektrisch isoliert. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch eine Keramik gebildet sein.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die ersten Stützelemente einen im Querschnitt ovalen Endbereich aufweisen, wobei der Endbereich durch die metallische Seele, die keramische Isolationsschicht und zwei metallisch beschichtete Bereiche der Isolationsschicht gebildet ist, wobei die metallisch beschichteten Bereiche nicht miteinander in elektrisch leitfähigem Kontakt stehen. Die Querschnittsform der Stützelemente kann frei gewählt werden, da sie nicht mehr abhängig von der jeweiligen Geometrie der Strömungskanäle des Wabenkörpers gestaltet werden muss. Ein ovaler Querschnitt ist jedoch besonders vorteilhaft für eine Positionierung in dem Luftspalt, um eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen den Wicklungslagen und dem Stützelement herzustellen. Außerdem weisen Stützelemente mit einem ovalen Querschnitt eine hohe Festigkeit auf.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Heizscheibe mittels der ersten Stützelemente gegenüber einem als Stützkatalysator dienenden Wabenkörper fixiert ist, wobei die Heizscheibe mittels der über die Heizscheibe hinausstehenden Abschnitte der Stützstifte an dem Wabenkörper des Stützkatalysators fixiert ist. Die dem Stützkatalysator zugewandten Endbereiche der Stützelemente werden in einzelne Strömungskanäle des Stützkatalysators eingesteckt, weswegen die Stützelemente in diesem Bereich bevorzugt an die Zellgeometrie des Stützkatalysators angepasst sind.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die ersten Stützelemente einseitig in den zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalt der Heizscheibe eingreifen und mit der anderen Seite in einen Strömungskanal des Wabenkörpers des Stützkatalysators eingreifen.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: a. Metallfolien zu einem Lagenstapel aufeinanderstapeln b. Auflegen des erzeugten Lagestapels auf einen drehbar gelagerten Spiralteller, der Mittel zur Positionierung und/oder Fixierung des aus den Metallfolien gebildeten Lagenstapels aufweist, c. Einstecken von zumindest einem Stützelement in eine dafür vorgesehene Aussparung im Spiralteller, d. Aufwickeln des Lagenstapelts durch Drehen des Spiraltellers um zumindest eine Drehachse e. Verlöten des aufgewickelten Lagenstapels und dem zumindest einen eingesteckten Stützelement, wobei das Einstecken des zumindest einen Stützelements vor oder nach dem Aufwickeln des Lagenstapels erfolgen kann.
Heizscheiben werden bevorzugt mittels eines Drehtellers oder Spiraltellers aufgewickelt. Die aus den Metallfolien gebildeten Lagenstapel werden dazu in eine auf den Spiralteller aufgebrachte Matrix eingedreht. Die Matrix, welche aus Wandabschnitten gebildet ist, bildet beim Aufdrehen die späteren Luftspalte aus. Der Spiralteller weist bevorzugt eine Mehrzahl von Aufnahmen auf, in welche jeweils ein Stützelement eingesteckt werden kann. Die Aufnahmen sind so über den Spiralteller verteilt, dass eine für die jeweilige Heizscheibe vorteilhafte Positionierung der Stützelemente erreicht wird. Die Aufnahmen sind im Bereich der die Luftspalte ausbildenden Wandabschnitte des Spiraltellers angeordnet, um sicherzustellen, dass die Stützelemente in der fertigen Heizscheibe in den Luftspalten positioniert sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Spiralteller zumindest eine Erhebung aufweist, welche als Mittel zur Positionierung des Lagenstapels dient, wobei die Aussparung für das zumindest eine Stützelement in der Erhebung angeordnet ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Spiralteller von einer Grundplatte senkrecht abragende Wandelemente aufweist, welche die in der fertigen Heizscheibe die Luftspalte ausbildenden Räume einnehmen. Durch die Positionierung und Formgebung der Wandelemente kann die Form und Struktur der Heizscheibe auf einfache Weise beeinflusst werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn als Stützelemente sowohl erste durch Stützstifte gebildete Stützelemente als auch zweite durch Spacer gebildete Stützelemente verwendet werden.
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 von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Spiralteller mit in die Aussparungen eingesteckten Stützelementen, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht gemäß Figur 1 , wobei ein entsprechender Lagenstapel in den Spiralteller eingedreht ist, wobei ersichtlich wird, dass die Stützelemente im Bereich der Luftspalte angeordnet sind,
Fig. 3 eine Schnittansicht durch den Spiralteller gemäß Figur 1 , und
Fig. 4 eine Aufsicht auf zwei Heizscheiben, wobei die linke Heizscheibe den Stand der Technik zeigt und die rechte Heizscheibe eine erfindungsgemäße Heizscheibe mit Stützelementen im Luftspalt der Heizscheibe.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt einen Spiralteller 1 , welcher eine Mehrzahl von Stützelementen 2 aufweist, die in Aufnahmen eingesteckt sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die Aufnahmen derart angeordnet, dass die Stützelemente 2 in Reihen angeordnet sind. Dies ist lediglich beispielhaft. Bevorzugt sind die Stützelemente 2 nicht reihenartig über den Spiralteller 1 verteilt angeordnet, sondern entsprechend des Belastungsprofils derart, dass sich eine stabile Heizscheibe ergibt und sich gleichzeitig eine passende Anbindung an einen nicht gezeigten Stützkatalysator erzeugen lässt.
Die Stützelemente 2 sind einerseits Stützstifte 3 und andererseits Spacer 4. Abweichend zur Figur 1 können auch abwechselnd Stützstifte 3 und Spacer 4 angeordnet sein.
Die Wandabschnitte 5 dienen der Formgebung des nicht gezeigten Lagenstapels, welcher in den Spiralteller 1 eingedreht wird.
Figur 2 zeigt einen Spiralteller 1 gemäß Figur 1 . Der Lagenstapel 6 ist hier zwischen die Wandabschnitte 5 eingedreht, wodurch es zu einer Umformung des Lagenstapels kommt und die Grundform der Heizscheibe ausgebildet wird. Durch einen an das Aufwickeln angeschlossenen Lötvorgang werden die Stützelemente 2 mit dem Lagenstapel 6 verbunden und die Heizscheibe ist somit in ihrer Form fixiert.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen Spiralteller 1 . Hierbei ist zu erkennen, dass die Aufnahmen für die Stützelemente durch Vertiefungen im Spiralteller 1 und durch Aussparungen in den Wandabschnitten 5 gebildet sind. Dies führt dazu, dass die Stützelemente 2 einfach in den Spiralteller eingesteckt werden können und durch die Wandabschnitte 5 an ihrer Position fixiert werden. Weiterhin ist zu erkennen, dass durch die Aussparungen in den Wandabschnitten 5 sichergestellt ist, dass die Stützelemente 2 beidseitig mit dem in den Spiralteller 1 eingedrehten Lagenstapel in Anlage kommen und so eine sichere Verbindung zwischen den Stützelementen 2 und dem Lagenstapel hergestellt werden kann.
Figur 4 zeigt auf der linken Seite eine Aufsicht auf eine Stirnseite einer konventionellen Heizscheibe, wobei die Stützelemente in die Strömungskanäle der Heizscheibe eingesteckt und dort mit der Heizscheibe verbunden sind.
Im Gegensatz dazu zeigt die Figur 4 auf der rechten Seite eine Aufsicht auf eine Stirnseite einer erfindungsgemäßen Heizscheibe 7, wobei die Stützelemente 2 ausschließlich im Luftspalt 8 der Heizscheibe 7 angeordnet sind und mit den an den Luftspalt 8 angrenzenden Metallfolien der Heizscheibe 7 verbunden sind.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste
1. Spiralteller
2. Stützelemente 3. Stützstift
4. Spacer
5. Wandabschnitt
6. Lagenstapel
7. Heizscheibe 8. Luftspalt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe (7), wobei die Heizscheibe (7) aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe (7) zwischen den Wicklungslagen Luftspalte (8) aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe (7) begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe (7) eine Mehrzahl von Stützelementen (2) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stützelemente (2) der Heizscheibe (7) in die zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalte (8) eingesetzt sind.
2. Vorrichtung 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 die in die Luftspalte eingesetzten Stützelemente (2) mit jeweils beiden den Luftspalt in radialer Richtung begrenzenden Wicklungslagen in Anlage sind und mit diesen dauerhaltbar verbunden sind.
3. Vorrichtung 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 zumindest eine erste Anzahl der Stützelemente (2) durch Stützstifte (3) gebildet sind, wobei die Stützstifte (3) eine stiftförmige Seele aufweisen, die endseitig in einem elektrisch isolierenden Material eingefasst sind, wobei das elektrisch isolierende Material an seinem Außenumfang zwei Bereiche mit einer metallischen Beschichtung aufweisen, wobei die Bereiche nicht miteinander in einem elektrisch leitfähigen Kontakt stehen, wobei die Stützstifte (3) in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe hinausstehen.
4. Vorrichtung 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 Heizscheibe (7) eine zweite Anzahl durch Spacer (4) gebildete Stützelemente (2) aufweist, wobei die Spacer (4) zueinander benachbarte Wicklungslagen zueinander beabstanden und nicht oder nur unwesentlich in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe (7) hinausstehen.
5. Vorrichtung 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 ersten Stützelemente (3) an einem ihrer Endbereiche eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, welche die Seele gegenüber dem Wabenkörper, in welchen der jeweilige Endbereich eingesteckt ist, elektrisch isoliert.
6. Vorrichtung 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 Heizscheibe (7) mittels der ersten Stützelemente (3) gegenüber einem als Stützkatalysator dienenden Wabenkörper fixiert ist, wobei die Heizscheibe (7) mittels der über die Heizscheibe (7) hinausstehenden Abschnitte der Stützstifte (3) an dem Wabenkörper des Stützkatalysators fixiert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die ersten Stützelemente (3) einseitig in den zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalt (8) der Heizscheibe (7) eingreifen und mit der anderen Seite in einen Strömungskanal des Wabenkörpers des Stützkatalysators eingreifen.
8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung 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 folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: a. Metallfolien zu einem Lagenstapel (6) aufeinanderstapeln b. Auflegen des erzeugten Lagestapels (6) auf einen drehbar gelagerten Spiralteller (1), der Mittel zur Positionierung und/oder Fixierung des aus den Metallfolien gebildeten Lagenstapels (6) aufweist, c. Einstecken von zumindest einem Stützelement (2) in eine dafür vorgesehene Aussparung im Spiralteller, d. Aufwickeln des Lagenstapelts (2) durch Drehen des Spiraltellers (1) um zumindest eine Drehachse e. Verlöten des aufgewickelten Lagenstapels (6) und dem zumindest einen eingesteckten Stützelement (2), wobei das Einstecken des zumindest einen Stützelements (2) vor oder nach dem Aufwickeln des Lagenstapels (6) erfolgen kann. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Spiralteller (1 ) zumindest eine Erhebung (5) aufweist, welche als Mittel zur Positionierung des Lagenstapels (6) dient, wobei die Aussparung für das zumindest eine Stützelement (2) in der Erhebung angeordnet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Spiralteller (1 ) von einer Grundplatte senkrecht abragende Wandelemente (5) aufweist, welche die in der fertigen Heizscheibe die Luftspalte ausbildenden Räume einnehmen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Stützelemente (2) sowohl erste durch Stützstifte (3) gebildete Stützelemente als auch zweite durch Spacer (4) gebildete Stützelemente (2) verwendet werden.
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