WO2024104670A1

WO2024104670A1 - Vorrichtung zur aufheizung von abgasen

Info

Publication number: WO2024104670A1
Application number: PCT/EP2023/078613
Authority: WO
Inventors: Ferdi Kurth; Sven Schepers; Alexander Reglin; Jan Hodgson
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2023-10-16
Publication date: 2024-05-23
Also published as: DE102022212260A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur (4) welche mit der Heizmatrix (5) verbunden ist und mit einem Gehäuse (1), welches die Abgasstrecke räumlich begrenzt und entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist, wobei die Heizmatrix (5) eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung des Gehäuses (1) durchströmbar sind, wobei das Gehäuse (1) an seiner Innenfläche zumindest einen in Umfangrichtung zumindest teilweise umlaufenden Absatz (2, 6, 7, 8, 9) aufweist, welcher in radialer Richtung nach Innen von der Innenfläche hervorsteht.

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Aufheizung von Abgasen

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur welche mit der Heizmatrix verbunden ist und mit einem Gehäuse, welches die Abgasstrecke räumlich begrenzt und entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist, wobei die Heizmatrix eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung des Gehäuses durch- strömbar sind.

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 sogenannten 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. Die Stützstruktur muss sicher in der Abgasstrecke positioniert werden. Hierzu muss die Stützstruktur am Gehäuse der Abgasstrecke befestigt werden.

Nachteilig an den bekannten Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die bekannten Anbindungsarten keine optimale Verbindung zwischen der Stützstruktur und dem Gehäuse ermöglichen und es insbesondere hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit die Notwendigkeit zur Verbesserung gibt.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Aufheizung von Abgasen zu schaffen, welche es ermöglicht die Heizmatrix sicher und dauerhaft in einem Gehäuse der Abgasstrecke zu positionieren und dauerhaft zu fixieren.

Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur welche mit der Heizmatrix verbunden ist und mit einem Gehäuse, welches die Abgasstrecke räumlich begrenzt und entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist, wobei die Heizmatrix eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung des Gehäuses durchströmbar sind, wobei das Gehäuse an seiner Innenfläche zumindest einen in Umfangrichtung zumindest teilweise um laufenden Absatz aufweist, welcher in radialer Richtung nach Innen von der Innenfläche hervorsteht.

Das Gehäuse einer Abgasstrecke ist insbesondere im Automobilbau regelmäßig durch Rohrleitungen gebildet, welche einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Eine Heizmatrix ist beispielsweise durch einen metallischen Wabenkörper gebildet, welcher aus einer Mehrzahl von metallischen Folien gebildet ist. Die metallischen Folien sind dabei glatt und/oder zumindest teilweise strukturiert, insbesondere gewellt, und sind zu einem Lagenstapel aufeinandergestapelt und um zumindest einen Drehpunkt aufgewickelt. Dadurch entsteht ein Wabenkörper, der eine Mehrzahl von Strömungskanälen zwischen den Metallfolien ausbildet. Über eine entsprechende elektrische Kontaktierung kann der Wabenkörper bestromt werden und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes erhitzt werden. Das durch den Wabenkörper strömende Abgas wird erwärmt und somit können andere Katalysatoren, welche sich in der Abgasstrecke, bevorzugt in Strömungsrichtung nachgelagert, befinden schneller erhitzt werden und auf ihre individuellen Light-Off Temperatur gebracht werden, ab welcher die vollständige Abgasumsetzung, die katalytische Umsetzung, erfolgt.

Die Heizmatrix ist mit einer Stützstruktur, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Stützstiften dauerhaltbar verbunden. Je nach Anwendungsfall kann die Heizmatrix dabei von der Stützstruktur elektrisch isoliert sein. Die Stützstruktur selbst weist eine gitterartige Struktur auf, die über den Querschnitt der Heizmatrix hinweg ausreichend Anbindungspunkte für die Heizmatrix aufweist, um die Heizmatrix sicher und geschützt gegen mechanische und thermische Belastungen abzustüt- zen. Gleichzeitig ist die Stützstruktur derart aufgebaut, dass der für das vorbeiströmende Abgas entstehende Druckverlust möglichst gering ist.

Die Stützstruktur weist weiterhin einen ringartigen Bereich auf, von welchem einzelne Streben radial nach innen abragen. Der ringartige Bereich bildet gemeinsam mit den Streben die gitterartige Struktur. Der ringartige Bereich kann bevorzugt vollständig umlaufend als geschlossener Ring ausgebildet sein. Dieser Bereich dient der Anbindung der Stützstruktur an das Gehäuse.

Erfindungsgemäß weist das Gehäuse einen in Umfangrichtung zumindest teilweise umlaufenden Absatz auf. Dieser Absatz dient der Stützstruktur, insbesondere dem ringartigen Bereich des Stützstruktur als Anlagepunkt. Die Stützstruktur kann während der Montage in das Gehäuse und an den Absatz angelegt werden und beispielsweise mittels eines Lötverfahrens mit dem Absatz des Gehäuses verbunden werden. Der Absatz kann bevorzugt an einer genau definierten Position ausgebildet sein und so eine genaue Positionierung der Stützstruktur und somit der Heizmatrix ermöglichen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Absatz vollständig umlaufend ausgebildet ist. Ein vollständig in Umfangsrichtung des Gehäuses um laufender Absatz ist vorteilhaft, um eine möglichst große Auflagefläche zwischen der Stützstruktur und dem Absatz zu schaffen und so eine besonders stabile Verbindung zu schaffen. Dies hilft insbesondere die Stützstruktur und somit auch die Heizmatrix vor starken Erschütterungen und den in einer Abgasstrecke zwingend auftretenden starken Temperaturveränderungen zu schützen. Darüber hinaus können durch eine besonders feste Anbindung Schwingungszuständen der Heizmatrix und der Stützstruktur, die beispielsweise durch die jeweiligen Eigenfrequenzen der Körper bestimmt sind, vermindert werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Absatz durch ein in das Gehäuse eingesetztes Innenrohr gebildet ist. Bevorzugt kann in das das Gehäuse bildende Rohr ein Innenrohr mit entsprechend kleinerem Außendurchmesser eingepresst werden. Hierdurch wird auf einfache Weise der als Anlagepunkt wirkende Absatz gebildet. Durch ein kontrolliertes Einpressen kann die Lage des Absatzes sehr genau bestimmt werden, wodurch insbesondere das Entstehen von negativen Toleranzketten vermieden werden kann.

Bei der Wahl der Materialien ist es bevorzugt, wenn das Gehäuse und das Innenrohr aus dem gleichen Material gefertigt sind. Dies verhindert negative Einflüsse etwa infolge von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die beispielsweise zu mechanischen Spannungen führen können.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz durch eine Umformung des Gehäuses erzeugt ist. Alternativ kann der Absatz durch eine Umformung des Gehäuses ausgebildet werden. Hierzu können beispielsweise Sicken von außen in das Gehäuse eingeprägt werden. Die Sicken können dabei vollständig oder nur teilweise in Umfangsrichtung ausgebildet sein. Insbesondere können mehrere Sicken in Umfangsrichtung zueinander beabstandet ausgebildet sein.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Gehäuse zwei Absätze aufweist, welche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung beabstandet zueinander ausgebildet sind. Auf einfache Weise wird dies durch ein eingepresstes Innenrohr erzeugt, welches zwei Absätze ausbildet, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Die durch ein Rohr ausgebildeten Absätze haben so eine Anlagefläche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung und eine Anlagefläche, welche entgegen der Hauptdurchströmungsrichtung ausgerichtet ist. Zwei Absätze haben den Vorteil, dass die Heizmatrix doppelt abgestützt werden kann, indem die Stützstruktur beidseitig der Heizmatrix ausgebildet ist.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Stützstruktur einen ersten ringförmigen Außenbereich aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses, wobei der Innendurchmesser des durch den Absatz gebildeten Abschnitts des Gehäuses kleiner ist als der Außendurchmesser des ersten ringförmigen Außenbereichs der Stützstruktur. Hierdurch kann die Stützstruktur einfach in das Gehäuse eingesetzt werden und auf dem ausgebildeten Absatz positioniert werden. Durch die entsprechenden Größenverhältnisse ist ein Durchfallen am Absatz vorbei ausgeschlossen. Diese vereinfacht die Herstellbar- keit. Zusätzlich zu dem Absatz können im Rohr des Gehäuses Mittel zur Positionierung der Stützstruktur vorgesehen sein, welche beispielsweise durch Vorsprünge ausgebildet sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Stützstruktur einen zweiten ringförmigen Außenbereich aufweist, wobei der erste ringförmige Außenbereich der Heizmatrix in der Hauptdurchströmungsrichtung vorgelagert ist und der zweite ringförmige Außenbereich der Heizmatrix in der Hauptdurchströmungsrichtung nachgelagert ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Positionierung und Befestigung der Heizmatrix gegenüber dem Rohr. Zum Zwecke der Montage kann die Heizmatrix mit einer Hälfte der Stützstruktur verbunden sein und dann in das Gehäuse eingesetzt werden. Die Heizmatrix wird dann mit der zweiten Hälfte der Stützstruktur verbunden, die während der Verbindung mit der Heizmatrix mit dem zweiten Absatz im Gehäuse in Anlage gebracht wird. Schließlich können beide Teile der Stützstruktur mittels eines geeigneten Verfahrens mit den Absätzen des Gehäuses verbunden werden.

Auch ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse mehrere Absätze ausbildet, wobei diese in Umfangsrichtung des Gehäuses zueinander beabstandet in einer Schnittebene des Gehäuses angeordnet sind.

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 Schnittansicht durch ein Gehäuse mit einem eingepressten Innenrohr, Fig. 2 eine Schnittansicht durch ein Gehäuse mit einer am Innenrohr anliegenden Stützstruktur und Heizmatrix, und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Gehäuses mit unterschiedlichen Ausgestaltungen von Absätzen, die durch eine Umformung des Gehäuses erzeugt wurden.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Gehäuse 1 , welches durch ein Rohr gebildet ist. Zur Erzeugung eines Absatzes 2, welcher eine Anlagefläche für eine nicht gezeigte Stützstruktur bildet, ist ein Innenrohr 3 in das Gehäuse 1 eingepresst. Das Innenrohr 3 ist hinsichtlich seines Durchmessers so dimensioniert, dass durch das Einpressen ein spielfreier dauerhaltbarer Halt zwischen dem Innenrohr 3 und dem Gehäuse 1 ausgebildet wird.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch das Gehäuse 1 , mit dem eingepressten Innenrohr 3. Am ausgebildeten Absatz 2 ist eine Stützstruktur 4 gezeigt, welche flächig auf der durch den Absatz 2 gebildeten Anlagefläche aufliegt.

Die Stützstruktur 4 ist mit einer Heizmatrix 5 verbunden, welche durch die Auflage der Stützstruktur 4 am Absatz 2 sicher im Gehäuse 1 positioniert ist. Die Stützstruktur 4 ist mit dem Innenrohr 3 bevorzugt durch ein Lötverfahren dauerhaltbar verbunden.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist die Heizmatrix 5 beidseitig des Innenrohres 3 durch jeweils einen Teil der Stützstruktur 4 gehalten und die Stützstruktur 4 ist mit beiden von dem Innenrohr 3 gebildeten Absätzen 2, 6 in Anlage. Auf diese Weise ist die Heizmatrix 5 an zwei Stellen gegenüber dem Gehäuse 1 fixiert.

Figur 3 zeigt zwei unterschiedliche Ausgestaltungen eines Gehäuses 1 . Das Rohr, welches das Gehäuse 1 bildet, ist durch ein Umformverfahren bearbeitet worden und bildet an seiner Innenfläche Absätze 7, 8, 9 aus. Die Absätze 7, 8, 9 sind durch Sicken gebildet, welche von außen in das Gehäuse 1 eingeformt wurden. Die in Figur 3 im Schnitt gezeigten Absätze 7, 8 und 9 können in Umfangsrichtung des Gehäuses 1 vollständig umlaufend ausgebildet sein, oder nur abschnittsweise und in Umfangsrichtung zueinander beabstandet. In jedem Fall liegen die Absätze 7, 8 und 9 aber in jeweils einer Schnittebene.

Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsge- dankens.

Bezugszeichenliste

1. Gehäuse

2. Absatz 3. Innenrohr

4. Stützstruktur

5. Heizmatrix

6. Absatz

7. Absatz 8. Absatz

9. Absatz

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstromes in einer Abgasstrecke, mit einer elektrisch beheizbaren Heizmatrix, mit einer Stützstruktur (4) welche mit der Heizmatrix (5) verbunden ist und mit einem Gehäuse (1), welches die Abgasstrecke räumlich begrenzt und entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist, wobei die Heizmatrix (5) eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die entlang der Hauptdurchströmungsrichtung des Gehäuses (1 ) durchströmbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (1) an seiner Innenfläche zumindest einen in Umfangrichtung zumindest teilweise umlaufenden Absatz (2, 6, 7, 8, 9) aufweist, welcher in radialer Richtung nach Innen von der Innenfläche hervorsteht.

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 der Absatz (2, 6, 7, 8, 9) vollständig umlaufend ausgebildet ist.

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 Absatz (2, 6) durch ein in das Gehäuse (1) eingesetztes Innenrohr (3) gebildet ist.

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 der Absatz (7, 8, 9) durch eine Umformung des Gehäuses (1) erzeugt ist.

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 das Gehäuse (1) zwei Absätze (2, 6, 7, 8, 9) aufweist, welche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung beabstandet zueinander ausgebildet sind.

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 Stützstruktur (4) einen ersten ringförmigen Außenbereich aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses (1), wobei der Innendurchmesser des durch den Absatz (2, 6, 7, 8, 9) gebildeten Abschnitts des Gehäuses (1) kleiner ist als der Außendurchmesser des ersten ringförmigen Außenbereichs der Stützstruktur (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 Stützstruktur (4) einen zweiten ringförmigen Außenbereich aufweist, wobei der erste ringförmige Außenbereich der Heizmatrix (5) in der Hauptdurchströmungsrichtung vorgelagert ist und der zweite ringförmige Außenbereich der Heizmatrix (5) in der Hauptdurchströmungsrichtung nachgelagert 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 das Gehäuse (1) mehrere Absätze (7, 8, 9) ausbildet, wobei diese in Umfangsrichtung des Gehäuses (1) zueinander beabstandet in einer Schnittebene des Gehäuses (1) angeordnet sind.