EP4634497A1 - Stützstruktur für heizscheibe - Google Patents

Stützstruktur für heizscheibe

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EP4634497A1
EP4634497A1 EP23817371.0A EP23817371A EP4634497A1 EP 4634497 A1 EP4634497 A1 EP 4634497A1 EP 23817371 A EP23817371 A EP 23817371A EP 4634497 A1 EP4634497 A1 EP 4634497A1
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EP
European Patent Office
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support structure
heating matrix
housing
flow
arms
Prior art date
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Pending
Application number
EP23817371.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Hodgson
Alexander MÖSELER
Rolf BRÜCK
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • F01N3/2013Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F01N3/2026Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means directly electrifying the catalyst substrate, i.e. heating the electrically conductive catalyst substrate by joule effect

Definitions

  • the invention relates to a device for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, with a flow path spatially delimited by a housing through which exhaust gas can flow, with a metallic heating matrix which has a plurality of flow channels which are formed between a plurality of metal foils stacked on top of one another and wound around at least one axis of rotation, wherein the exhaust gas can flow through the flow channels along a main flow direction from a gas inlet side to a gas outlet side, wherein the heating matrix can be connected to a voltage source and can be heated using the ohmic resistance, with a support structure which is materially connected to the housing and is connected to the heating matrix 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 have 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 from metal foils.
  • a plurality of smooth and/or at least partially structured metal foils are stacked on top of one another 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 path 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.
  • An embodiment of the invention relates to a device for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, with a flow path spatially delimited by a housing through which exhaust gas can flow, with a metallic heating matrix which has a plurality of flow channels which are formed between a plurality of metal foils stacked on top of one another and wound around at least one axis of rotation, wherein the exhaust gas can flow through the flow channels along a main flow direction from a gas inlet side to a gas outlet side, wherein the heating matrix can be connected to a voltage source and can be heated using the ohmic resistance, with a support structure which is integrally connected to the housing and is connected to the heating matrix by means of a plurality of coupling elements, wherein the support structure has an annular region which rests on an inner surface of the housing and has a plurality of arms protruding from this annular region towards the center of the housing, wherein the arms end in a closed, circular region in the
  • the annular region preferably runs in the circumferential direction of the housing as a completely closed ring.
  • the width of the ring in the radial direction of the housing is preferably 2 mm to 10 mm, particularly preferably 4 mm to 6 mm.
  • the thickness of the ring in the axial direction of the housing is preferably 1 mm to 6 mm, particularly preferably 2 mm to 4 mm.
  • the design of the support structure is chosen in such a way that the vibrations from the plane of the support structure or the heating matrix are minimized as much as possible. In particular, movements along the main flow direction from this plane should be avoided. Furthermore, the natural frequency of the support structure and the heating matrix should be as high as possible, preferably above 800 Hz for cars and above 400 Hz for trucks, in order to keep the overlap with the vibrations that occur during operation as low as possible.
  • the support structure preferably has between six and twelve arms that run from the ring-shaped area on the housing to the center. The arms have an arcuate or involute-like shape and are preferably bent in a direction that also corresponds to the winding direction of the heating matrix. The arcuate design of the arms is intended to enable a defined torsional movement of the support structure.
  • the arms run in an arc shape in the plane of the support structure, with the arms bent in the same direction in the circumferential direction.
  • the bending of the arms creates a spiral design.
  • the bending of the arms is preferably adapted to the spiral shape of the heating matrix so that the arms follow the course of the individual winding layers of the heating matrix as best as possible.
  • the closed, circular area arranged in the center has a cross strut that follows the course of the metal foils forming the heating matrix.
  • the heating matrix is preferably wound around two winding mandrels, it forms a so-called S-lay, which describes the S-shaped winding of the layer stack around the two winding mandrels.
  • the cross strut follows the layer stack in this central area so that the area can be connected directly via coupling elements.
  • a preferred embodiment is characterized in that the arches of the arms are aligned in the same direction as the metal foils of the heating matrix are wound. This helps to absorb torsional forces that can arise as a result of heating. Due to the self-heating or external heating of the spiral-shaped heating matrix, it will expand thermally and thereby perform a torsional movement. If the support structure cannot follow this movement to a sufficient extent, the coupling elements would shear off after a certain rotational movement or the heating matrix and/or the support structure would be damaged. It is also preferable if the coupling elements do not exceed a maximum distance of 80 mm from one another.
  • the heating matrix has a greater curvature in the center as a result of the winding, which preferably has to be supported from winding layer to winding layer, i.e. as closely as possible, so that the heating matrix is mounted particularly stably here.
  • the support structure has receiving points to which the coupling elements are connected to the support structure.
  • receiving points can be holes in the support structure into which the coupling elements are inserted and connected to the support structure. Holes preferably have a diameter of 4 mm to 10 mm.
  • elongated holes can be provided that enable tolerance compensation of the heating matrix, the coupling elements or the support structure itself. Elongated holes have a significantly larger clear opening width than the diameter of the free end of the coupling elements.
  • the elongated holes preferably have a width of 2 mm to 4 mm and a length of 4 mm to 10 mm.
  • the receiving points can be formed by recesses in the support structure, which serve, for example, as a solder reservoir and thus enable simple connection to the coupling elements by soldering.
  • the recesses can also have a larger clear opening width than the coupling elements in order to enable tolerance compensation.
  • a support structure is arranged in the flow direction before and after the heating matrix.
  • the support structures can be identical or different.
  • a support structure on only one side would preferably be arranged on the gas inlet side of the heating matrix.
  • the support structure itself does not act as a heat sink and the flow distribution in the flow path is not impaired by a structure arranged after the heating matrix.
  • the support structure is curved.
  • a convex shape of the support structure is particularly advantageous.
  • the support structure is convexly protruded from its actual plane with its center. This is helpful in achieving a further shift in the natural frequency of the support structure towards safe frequency ranges, and thus shifting the natural frequencies out of the frequency ranges that typically occur during operation.
  • a support structure is arranged upstream and downstream of the heating matrix in the flow direction, wherein the support structures are cambered in the same or opposite direction to each other.
  • the heating matrix is formed from a layer stack which is formed by a plurality of metal foils stacked on top of one another, the layer stack being wound up in a spiral shape by means of two rotating domes, the windings of the layer stack being spaced apart from one another by an air gap.
  • the spacing of the winding layers from one another is necessary in order to create a targeted current path along the heating matrix and to achieve the most uniform heating possible of the heating matrix.
  • Fig. 1 is a perspective view of a support structure with a plurality of arms which extend in an arc from the outer ring region to the inner ring region
  • Fig. 2 is a perspective view of an alternative support structure
  • Fig. 3 is a schematic view of a support structure with curved arms and a schematic view of an S-shaped wound heating matrix
  • Fig. 4 is a view of a heating matrix accommodated between two support structures, showing different cambers of the support structures.
  • Figure 1 shows a support structure 1 which has an annular region 2 which is designed to be connected to the inner surface of the housing which spatially delimits the flow path.
  • Several arms 3 protrude from the annular region 2 and are directed radially inwards in a curved shape.
  • the arms 3 end in the center at a circular region 4 of the support structure 1.
  • the arms 3 are all curved in the shape of a blade and aligned in the same direction, so that the arms 3 have an arrangement similar to a paddle wheel.
  • the circular region 4 has a cross strut 5 which connects two points, preferably opposite points, of the circular region 4 through the center of the support structure 1.
  • the cross strut 5 is bent in an S-shape and thus follows in particular the so-called S-curve of the heating disc (not shown), which is created when a stack of layers of metal foils is wound around two winding domes.
  • This has the advantage that the center of the heating disc (not shown), which forms a significant portion of the total mass of the heating disc, can also be supported several times relative to the support structure 1.
  • the circular region and in particular the cross strut can also follow a different shape, which is preferably adapted to the course of the layers of the heating disc.
  • the support structure 1 has several recesses 6, which serve as connection points for the coupling elements, via which the heating disk can be connected to the support structure 1.
  • the recesses 6 are designed like elongated holes.
  • the recesses 6 can also be used as a solder reservoir and for tolerance compensation.
  • As a solder reservoir the recesses 6 are pre-filled with a solder, so that inserting the heating disk with the coupling elements leads to the free ends of the coupling elements being immersed in the recesses 6, whereby they are also immersed in the solder.
  • the coupling elements are permanently connected to the support structure 1.
  • the support structure 1 can be made from a cast part, a sheet metal or another metallic material.
  • the embodiment of Figure 1 shows a support structure 1 with a circular cross-section, which is adapted for a housing with a likewise circular cross-section.
  • Figure 2 shows an embodiment of a support structure 7, wherein the support structure 7 has a different cross-section.
  • the rest of the structure is identical to that of Figure 1.
  • the support structure 7 has a rather rectangular cross-section with rounded corners.
  • the central circular area 8 has an oval cross-section and a straight cross-brace 9.
  • FIG 3 shows a schematic view of a spirally wound heating disk 10 on the left.
  • the heating disk 10 has an S-shaped bent center 11. Electrical connections 13 are provided at the upper and lower ends of the layer stack 12 forming the heating disk 10, via which the heating disk 10 can be supplied with current.
  • the arrows 14 indicate the direction in which the wound heating disk 10 will move if it is exposed to a sufficiently large amount of heat Q. Due to its winding direction, the heating disk 10 would perform a torsional movement in an anti-clockwise direction and would practically wind up more strongly.
  • FIG. 3 a schematic view of a support structure 1 is shown, which essentially corresponds to the support structure 1 of Figure 1. Under the influence of a quantity of heat Q, the support structure 1 will also perform a torsional movement counterclockwise in the direction of the arrows 15 due to the arched design of the arms 3.
  • the heating disk 10 and the support structure 1 are thus designed in such a way that they twist in the same direction under the influence of heat, thereby preventing excessive relative movement between the support structure 1 and the heating disk 10 and thus avoiding damage to the coupling elements, the heating disk 10 or the support structure 1.
  • Figure 4 shows in the left part a sectional view of a heating disk 16 which is arranged between two support structures 17 and is connected to the support structures 17 by coupling elements 18.
  • Figure 4 shows in the right part of Figure 4, three different configurations of the two support structures 17 are shown.
  • the two support structures 17 are convexly curved in the same direction and protrude from their base plane.
  • the middle view on the right shows two convexly curved support structures 17, which are aligned in opposite directions. In this case, both support structures 17 are both protruded away from the heating disk 16.
  • the lower view shows a configuration with a flat support structure 17 and a convexly curved support structure 17.
  • the embodiments of Figures 1 to 4 in particular have no restrictive character and serve to clarify the inventive concept.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Strömungsstrecke, durch welche Abgas strömbar ist, mit einer metallischen Heizmatrix (10, 16), welche eine Mehrzahl an Strömungskanälen aufweist, die zwischen einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und um zumindest eine Drehachse aufgewickelten Metallfolien ausgebildet sind, wobei die Strömungskanäle entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung vom Abgas von einer Gaseintrittsseite hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind, wobei die Heizmatrix (10, 16) mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes beheizbar ist, mit einer Stützstruktur (1, 7, 17), welche mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden ist und mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen (18) mit der Heizmatrix (10, 16) verbunden ist, wobei die Stützstruktur (1, 7, 17) einen ringförmigen Bereich (2) aufweist, welcher an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt und mehrere von diesem ringförmigen Bereich (2) hin zum Zentrum des Gehäuses abragende Arme (3) aufweist, wobei die Arme (3) im Zentrum des Gehäuses in einem geschlossenen, kreisförmigen Bereich (4, 8) enden.

Description

Beschreibung
Stützstruktur für Heizscheibe
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Strömungsstrecke, durch welche Abgas strömbar ist, mit einer metallischen Heizmatrix, welche eine Mehrzahl an Strömungskanälen aufweist, die zwischen einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und um zumindest eine Drehachse aufgewickelten Metallfolien ausgebildet sind, wobei die Strömungskanäle entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung vom Abgas von einer Gaseintrittsseite hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind, wobei die Heizmatrix mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes beheizbar ist, mit einer Stützstruktur, welche mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden ist und mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen mit der Heizmatrix verbunden ist.
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 aufwei- sen, 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 Vorrichtung zu schaffen, welche eine sichere und dauerhaltbare Positionierung einer Heizmatrix in einer abgasführenden Strömungsstrecke ermöglicht.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Strömungsstrecke, durch welche Abgas ström bar ist, mit einer metallischen Heizmatrix, welche eine Mehrzahl an Strömungskanälen aufweist, die zwischen einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und um zumindest eine Drehachse aufgewickelten Metallfolien ausgebildet sind, wobei die Strömungskanäle entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung vom Abgas von einer Gaseintrittsseite hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind, wobei die Heizmatrix mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes beheizbar ist, mit einer Stützstruktur, welche mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden ist und mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen mit der Heizmatrix verbunden ist, wobei die Stützstruktur einen ringförmigen Bereich aufweist, welcher an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt und mehrere von diesem ringförmigen Bereich hin zum Zentrum des Gehäuses abragende Arme aufweist, wobei die Arme im Zentrum des Gehäuses in einem geschlossenen, kreisförmigen Bereich enden.
Der ringförmige Bereich verläuft bevorzugt in Umfangsrichtung des Gehäuses als vollständig geschlossener Ring. Die Breite des Ringes in radialer Richtung des Gehäuses beträgt bevorzugt 2 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt 4 mm bis 6 mm. Die Stärke des Ringes in axialer Richtung des Gehäuses beträgt bevorzugt 1 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt 2 mm bis 4 mm.
Der Aufbau der Stützstruktur ist derart gewählt, dass die Schwingungen aus der Ebene der Stützstruktur beziehungsweise der Heizmatrix hinaus möglichst minimiert werden. Insbesondere sollen Bewegungen entlang der Hauptdurchströmungsrichtung aus dieser Ebene hinaus vermieden werden. Weiterhin soll die Eigenfrequenz der Stützstruktur und der Heizmatrix möglichst hoch liegen, bei PKW bevorzugt oberhalb von 800 Hz und bei LKW oberhalb von 400 Hz, um so die Überschneidung mit den im Betrieb auftretenden Schwingungen möglichst gering zu halten. Bevorzugt weist die Stützstruktur zwischen sechs und zwölf Armen auf, die von dem ringförmigen Bereich am Gehäuse hin zum Zentrum verlaufen. Die Arme weisen eine bogenförmige beziehungsweise evolventen-ähnliche Form auf und sind bevorzugt in einer Richtung gebogen, die auch der Wickelrichtung der Heizmatrix entspricht. Durch die bogenförmige Gestaltung der Arme soll eine definierte Torsionsbewegung der Stützstruktur ermöglicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Arme bogenförmig in der Ebene der Stützstruktur verlaufen, wobei die Arme gleichsinnig in Umfangsrichtung gebogen sind. Durch die Biegung der Arme entsteht ein spiralförmiges Design. Bevorzugt ist die Biegung der Arme an die Spiralform der Heizmatrix angepasst, so dass die Arme dem Verlauf der einzelnen Wicklungslagen der Heizmatrix bestmöglich folgen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der im Zentrum angeordnete geschlossene, kreisförmige Bereich eine Querstrebe aufweist, welche dem Verlauf der die Heizmatrix bildenden Metallfolien folgt. Da die Heizmatrix bevorzugt um zwei Wickeldorne aufgewickelt ist, bildet diese einen sogenannten S-Schlag aus, der die s-förmige Wicklung des Lagenstapels um die beiden Wickeldorne beschreibt. Um insbesondere das Zentrum der Heizmatrix bestmöglich stabilisieren zu können, folgt die Querstrebe in diesem zentralen Bereich dem Lagenstapel, so dass der Bereich über Koppelelemente direkt angebunden werden kann.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bogen der Arme in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, wie die Metallfolien der Heizmatrix aufgewickelt sind. Dies hilft bei der Aufnahme von Torsionskräften, die in Folge der Aufheizung entstehen können. Durch die Eigenerwärmung oder Fremderwärmung der spiralförmigen Heizmatrix wird diese sich thermisch ausdehnen und dabei eine Torsionsbewegung ausführen. Wenn die Stützstruktur dieser Bewegung nicht in ausreichendem Maße folgen kann, würden ab einer gewissen Drehbewegung die Koppelelemente abscheren beziehungsweise die Heizmatrix und/oder die Stützstruktur Schaden nehmen. Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Koppelelemente zueinander einen Maximalabstand von 80 mm nicht überschreiten. Dadurch ergibt sich eine asymmetrische Verteilung der Koppelelemente über den Querschnitt der Heizmatrix, wobei im äußeren Bereich, der dem Gehäuse nahe ist, eher weniger Koppelelemente angeordnet sind und im Zentrum eine auf die Fläche bezogene höhere Anzahl von Koppelelementen angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da die Heizmatrix im Zentrum eine stärkere Krümmung infolge der Aufwicklung aufweist, welche bevorzugt von Wicklungslage zu Wicklungslage, also möglichst engmaschig abgestützt werden muss, damit die Heizmatrix hier besonders stabil gelagert ist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Stützstruktur Aufnahmepunkte aufweist, an welchen die Koppelelemente an die Stützstruktur angebunden sind. Aufnahmepunkte können beispielsweise Löcher in der Stützstruktur sein, in welche die Koppelelemente eingesteckt und mit der Stützstruktur verbunden werden. Löcher haben bevorzugt einen Durchmesser von 4 mm bis 10 mm. Alternativ können Langlöcher vorgesehen sein, die einen Toleranzausgleich der Heizmatrix, der Koppelelemente oder der Stützstruktur selbst ermöglichen. Langlöcher haben eine wesentlich größere lichte Öffnungsweite als der Durchmesser der freien Ende der Koppelelemente. Bevorzugt haben die Langlöcher eine Breite von 2 mm bis 4 mm und eine Länge von 4 mm bis 10 mm. Alternativ können die Aufnahmepunkte durch Vertiefungen in der Stützstruktur gebildet sein, die beispielsweise als Lotreservoir dienen und so eine einfache Verbindung mittels Lötens mit den Koppelelementen ermöglichen. Auch die Vertiefungen können eine größere lichte Öffnungsweite aufweisen, als die Koppelelemente, um einen Toleranzausgleich zu ermöglichen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung vor der Heizmatrix und nach der Heizmatrix eine Stützstruktur angeordnet ist. Die Stützstrukturen können dabei identisch oder unterschiedlich ausgeführt sein. Eine nur einseitige Stützstruktur wäre bevorzugt auf der Gaseintrittsseite der Heizmatrix angeordnet. Hierdurch wirkt die Stützstruktur selbst nicht als Wärmesenke und die Strömungsverteilung in der Strömungsstrecke wird nicht durch eine nach der Heizmatrix angeordneten Struktur beeinträchtigt. Auch ist es zweckmäßig, wenn die Stützstruktur bombiert ausgebildet ist. Insbesondere eine konvexe Formgebung der Stützstruktur ist vorteilhaft. Die Stützstruktur ist dabei mit ihrem Zentrum aus ihrer eigentlichen Ebene konvex ausgestülpt. Dies ist hilfreich, um eine weitere Verschiebung der Eigenfrequenz der Stützstruktur hin zu ungefährlichen Frequenzbereichen zu erreichen, und so die Eigenfrequenzen aus den im Betrieb typischerweise auftretenden Frequenzbereichen hinaus zu verschieben.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung der Heizmatrix vorgelagert und nachgelagert eine Stützstruktur angeordnet ist, wobei die Stützstrukturen gleichsinnig oder gegensinnig zueinander bombiert sind.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Heizmatrix aus einem Lagenstapel gebildet ist, der durch eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten Metallfolien gebildet ist, wobei der Lagenstapel mittels zwei Drehdomen spiralförmig aufgewickelt ist, wobei die Wicklungen des Lagenstapels zueinander durch einen Luftspalt beabstandet sind. Die Beabstandung der Wicklungslagen zueinander ist notwendig, um einen gezielten Strompfad entlang der Heizmatrix zu erzeugen und eine möglichst gleichmäßige Aufheizung der Heizmatrix zu erreichen.
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 einer Stützstruktur mit einer Mehrzahl von Armen, die bogenförmig vom äußeren Ringbereich zum inneren Ringbereich verlaufen, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer alternativ ausgebildeten Stützstruktur,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Stützstruktur mit gebogenen Armen und eine schematische Ansicht einer s-förmig aufgewickelten Heizmatrix, und
Fig. 4 eine Ansicht einer Heizmatrix, welche zwischen zwei Stützstrukturen aufgenommen ist, wobei unterschiedliche Bombierungen der Stützstrukturen gezeigt sind.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Stützstruktur 1 , die einen ringförmigen Bereich 2, welcher dazu ausgebildet ist mit der Innenfläche des Gehäuses, welches die Strömungsstrecke räumlich begrenzt, verbunden zu werden. Von dem ringförmigen Bereich 2 ragen mehrere Arme 3 ab, die in einer gebogenen Form radial nach innen gerichtet sind. Die Arme 3 enden im Zentrum an einem kreisförmigen Bereich 4 der Stützstruktur 1. Die Arme 3 sind alle schaufelförmig gebogen und gleichsinnig ausgerichtet, so dass die Arme 3 eine einem Schaufelrad ähnliche Anordnung aufweisen.
Der kreisförmige Bereich 4 weist eine Querstrebe 5 auf, welche zwei Punkte, bevorzugt gegenüberliegende Punkte, des kreisförmigen Bereichs 4 durch das Zentrum der Stützstruktur 1 miteinander verbindet. Die Querstrebe 5 ist im Beispiel der Figur s-förmig gebogen und folgt somit insbesondere dem sogenannten S-Schlag der nicht gezeigten Heizscheibe, der entsteht, wenn ein Lagestapel von Metallfolien um zwei Wickeldome aufgewickelt wird. Dies hat den Vorteil, dass auch das Zentrum der nicht gezeigten Heizscheibe, welches einen wesentlichen Anteil der Gesamtmasse der Heizscheibe bildet, mehrfach gegenüber der Stützstruktur 1 abgestützt werden kann. In einer alternativen Ausgestaltung kann der kreisförmige Bereich und insbesondere die Querstrebe auch einer anderen Formgebung folgen, welche bevorzugt an den Verlauf der Lagen der Heizscheibe angepasst ist. Die Stützstruktur 1 weist mehrere Vertiefungen 6 auf, welche als Anbindungspunkte für die Koppelelemente dienen, über welche die Heizscheibe mit der Stützstruktur 1 verbunden werden kann. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die Vertiefungen 6 langlochartig ausgebildet. Die Vertiefungen 6 können auch als Lotreservoir und zum Toleranzausgleich genutzt werden. Als Lotreservoir sind die Vertiefungen 6 mit einem Lotmittel vorbefüllt, so dass das Einsetzen der Heizscheibe mit den Koppelelementen zu einem Eintauchen der freien Enden der Koppelelemente in die Vertiefungen 6 hinein führt, wodurch diese ebenfalls in das Lotmittel eintauchen. Bei einem nachfolgenden Lötvorgang werden die Koppelelemente dauerhaft mit der Stützstruktur 1 verbunden.
Durch die langlochartige Gestaltung der Vertiefungen 6 können diese zumindest entlang der längeren Erstreckung der Vertiefung 6 eine Lagetoleranz für das Koppelelement ausgleichen, welche aus einer Produktionstoleranz der Heizscheibe, der Koppelelemente, der Stützstruktur 1 oder aus einer aus dem Zusammenbau resultierenden Toleranz entstehen kann.
Die Stützstruktur 1 kann aus einem Gussteil, einem Blech oder einem anderen metallischen Werkstoff gefertigt sein. Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 zeigt eine Stützstruktur 1 mit einem kreisrunden Querschnitt, welche angepasst ist für ein Gehäuse mit einem ebenfalls kreisrunden Querschnitt.
Figur 2 zeigt eine Ausführung einer Stützstruktur 7, wobei die Stützstruktur 7 einen abweichenden Querschnitt aufweist. Der restliche Aufbau ist mit dem der Figur 1 identisch. Die Stützstruktur 7 weist einen eher rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf. Der zentrale kreisförmige Bereiche 8 weist einen ovalen Querschnitt auf und eine gerade Querstrebe 9.
Die Figur 3 zeigt im linken Bereich eine schematische Ansicht einer spiralförmig aufgewickelte Heizscheibe 10. Die Heizscheibe 10 weist ein s-förmig gebogenes Zentrum 11 auf. Am oberen und unteren Ende des die Heizscheibe 10 bildenden Lagenstapels 12 sind elektrische Anschlüsse 13 vorgesehen, über welche die Heizscheibe 10 bestromt werden kann. Mit den Pfeilen 14 ist die Richtung gekennzeichnet, in welche sich die aufgewickelte Heizscheibe 10 bewegen wird, wenn sie mit einer ausreichend großen Wärmemenge Q beaufschlagt wird. Die Heizscheibe 10 würde aufgrund ihrer Wickelrichtung eine Torsionsbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn ausführen und sich praktisch stärker aufwickeln.
Im rechten Bereich der Figur 3 ist eine schematische Ansicht einer Stützstruktur 1 gezeigt, die im Wesentlichen der Stützstruktur 1 der Figur 1 entspricht. Unter der Einwirkung einer Wärmemenge Q wird die Stützstruktur 1 aufgrund der bogenförmigen Gestaltung der Arme 3 ebenfalls eine Torsionsbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung der Pfeile 15 ausführen.
Die Heizscheibe 10 und die Stützstruktur 1 sind somit derart gestaltet, dass diese sich unter Einwirkung von Wärme gleichsinnig tordieren, wodurch eine zu große Relativbewegung zwischen Stützstruktur 1 und Heizscheibe 10 verhindert wird und somit eine Beschädigung der Koppelelemente, der Heizscheibe 10 oder der Stützstruktur 1 vermieden wird.
Figur 4 zeigt im linken Teil eine Schnittansicht einer Heizscheibe 16, die zwischen zwei Stützstrukturen 17 angeordnet ist und durch Koppelelemente 18 mit den Stützstrukturen 17 verbunden ist. Im rechten Teil der Figur 4 sind drei unterschiedliche Konfigurationen der beiden Stützstrukturen 17 dargestellt.
In der oberen Ansicht sind die beiden Stützstrukturen 17 gleichsinnig konvex bombiert und aus ihrer Grundebene ausgestellt. Die mittlere Ansicht auf der rechten Seite zeigt zwei jeweils konvex bombierte Stützstrukturen 17, die aber gegensinnig ausgerichtet sind. In diesem Fall sind beide Stützstrukturen 17 beide von der Heizscheibe 16 weg ausgestülpt. Die untere Ansicht zeigt eine Konfiguration mit einer ebenen Stützstruktur 17 und einer konvex bombierten Stützstruktur 17. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste
1 . Stützstruktur
2. ringförmiger Bereich
3. Arme
4. kreisförmiger Bereich
5. Querstrebe
6. Vertiefungen
7. Stützstruktur
8. kreisförmiger Bereich
9. Querstrebe
10. Heizscheibe
11 . s-förmig gebogenes Zentrum
12. Lagenstapel
13. elektrische Anschlüsse
14. Pfeil
15. Pfeil
16. Heizscheibe
17. Stützstruktur
18. Koppelelement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer durch ein Gehäuse räumlich begrenzten Strömungsstrecke, durch welche Abgas strömbar ist, mit einer metallischen Heizmatrix (10, 16), welche eine Mehrzahl an Strömungskanälen aufweist, die zwischen einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten und um zumindest eine Drehachse aufgewickelten Metallfolien ausgebildet sind, wobei die Strömungskanäle entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung vom Abgas von einer Gaseintrittsseite hin zu einer Gasaustrittsseite durchströmbar sind, wobei die Heizmatrix (10, 16) mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes beheizbar ist, mit einer Stützstruktur (1, 7, 17), welche mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden ist und mittels einer Mehrzahl von Koppelelementen (18) mit der Heizmatrix (10, 16) verbunden ist, 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, 7, 17) einen ringförmigen Bereich (2) aufweist, welcher an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt und mehrere von diesem ringförmigen Bereich (2) hin zum Zentrum des Gehäuses abragende Arme (3) aufweist, wobei die Arme (3) im Zentrum des Gehäuses in einem geschlossenen, kreisförmigen Bereich (4, 8) enden.
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 Arme (3) bogenförmig in der Ebene der Stützstruktur (1 , 7, 17) verlaufen, wobei die Arme (3) gleichsinnig in Umfangsrichtung gebogen 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 der im Zentrum angeordnete geschlossene, kreisförmige Bereich (4, 8) eine Querstrebe (5, 9) aufweist, welche dem Verlauf der die Heizmatrix (10, 16) bildenden Metallfolien folgt.
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 Bogen der Arme (3) in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, wie die Metallfolien der Heizmatrix (10, 16) aufgewickelt sind. 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 Koppelelemente (18) zueinander einen Maximalabstand von 80 mm nicht überschreiten. 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 Stützstruktur (1, 7, 17) Aufnahmepunkte (6) aufweist, an welchen die Koppelelemente (18) an die Stützstruktur (1, 7, 17) angebunden sind. 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 in Strömungsrichtung vor der Heizmatrix (16) und nach der Heizmatrix (16) eine Stützstruktur (17) angeordnet ist. 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 Stützstruktur (17) bombiert ausgebildet ist. 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 in Strömungsrichtung der Heizmatrix (16) vorgelagert und nachgelagert eine Stützstruktur (17) angeordnet ist, wobei die Stützstrukturen (17) gleichsinnig oder gegensinnig zueinander bombiert sind. 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 Heizmatrix (10, 16) aus einem Lagenstapel (12) gebildet ist, der durch eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten Metallfolien gebildet ist, wobei der Lagenstapel (12) mittels zwei Drehdornen spiralförmig aufgewickelt ist, wobei die Wicklungen des Lagenstapels (12) zueinander durch einen Luftspalt beabstandet sind.
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