Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur (7) für eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Metallfolie (1), die eingeprägte Strömungskanäle (2) für das Abgas aufweist und bei welcher die Strömungskanäle der Metallfolie (1) in Durchströmungsrichtung (A) wellenförmig gebildet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Metallfolie, die eingeprägte Strömungskanäle für das Abgas aufweist.

[0002] In der DE 27 59 559 C2 ist eine Matrix für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen beschrieben worden, die aus zumindest zwei mit Katalysatormaterial beschichteten Stahlblechen besteht. Diese sind zur Bildung von Abgasströmungskanälen zwischen jeweils benachbarten Stahlblechen mit Wellen versehen, die pfeilförmig und in benachbarten Stahlblechen mit entgegengesetzter Pfeilrichtung angeordnet sind. Auf diese Weise werden kreuzweise liegende Strömungskanäle gebildet, die die Turbulenz der durchströmenden Abgase erhöhen sollen. Des weiteren wird vorgeschlagen, die Matrix aus den gewellten Stahlblechen zu wickeln. Bei der Herstellung einer derartigen Matrix ergeben sich jedoch Probleme, da das Stahlblech durch die geprägte Pfeilstruktur eine hohe Steifigkeit aufweist, die das Aufwickeln der Stahlbleche erschwert oder praktisch sogar verhindert.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trägerstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die eine hohe Abgasturbulenz und Abgasmischung bei geringem Abgasgegendruck aufweist und auf einfache Weise zu einem Wickelkörper aufgewickelt werden kann.

[0004] Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Trägerstruktur dadurch gelöst, daß die Strömungskanäle der Metallfolie in Durchströmungsrichtung wellenförmig gebildet sind. Die Wellenform bewirkt eine verbesserte Abgasdurchmischung in den Strömungskanälen innerhalb der Trägerstruktur gegenüber einem geraden Strömungskanal und weist dennoch einen geringeren Strömungswiderstand auf wie eine scharfe, pfeilförmige Umlenkung des bekannten Strömungskanals.

[0005] Durch einen mehrlagigen Aufbau der Trägerstruktur mit zumindest zwei geprägten Metallfolien können unterschiedliche Durchströmungsstrukturen hergestellt werden, die unterschiedliche Abgasmischungen erzeugen können. Dabei können sich die einzelnen Wellenformen der Strömungskanäle der verschiedenen Metallfolien unterscheiden.

[0006] Die maximale Auslenkung der Wellenbäuche der Strömungskanäle ist unter Berücksichtigung des Querschnitts des Strömungskanals zweckmäßigerweise derart gewählt, daß eine optische Deckung gegeben ist, d. h. durch die Trägerstruktur bzw. die Strömungskanäle kann in Strömungsrichtung nicht hindurchgesehen werden.

[0007] Wenn die Strömungskanäle am Austrittsende der Trägerstruktur unter einem Austrittswinkel zur Normalen der Austrittsstirnfläche der Trägerstruktur angeordnet sind, wird die Abgasströmung in eine bestimmte Richtung abgelenkt, beispielsweise wenn die Austrittswinkel der Strömungskanäle zweier benachbarter Metallfolien auf der gleichen Seite der Normalen liegen, oder die Abgasströmung wird verwirbelt, wenn die Austrittswinkel entgegengesetzt sind.

[0008] Wenn die Trägerstruktur mit einer katalytischen Beschichtung versehen wird, kann sie zur Herstellung eines Abgaskatalysators verwendet werden. Andererseits kann die erfindungsgemäße Trägerstruktur auch als Partikelfilter, beispielsweise als Rußfilter für einen Dieselmotor, verwendet werden, wobei insbesondere Strömungskanäle in Mikrowellenform bevorzugt werden.

[0009] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Trägerstrukturen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1:

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

Fig. 2:

in einer Draufsicht entsprechend Fig. 1 eine Metallfolie mit einer Strömungskanalstruktur mit gegenüber Fig. 1 abweichender Wellenform;

Fig. 3:

in einer schaubildlichen Ansicht eine mehrlagige Trägerstruktur;

Fig. 4:

in einer schaubildlichen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mehrlagigen Trägerstruktur;

Fig. 5:

in einer schaubildlichen Ansicht entsprechend Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mehrlagigen Trägerstruktur;

Fig. 6:

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

Fig. 7:

in einer schaubildlichen Ansicht eine gewickelte Trägerstruktur in einem Mantelgehäuse;

Fig. 8:

in einer schaubildlichen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweilagigen Trägerstruktur;

Fig. 9:

in einer Draufsicht eine Metallfolie mit einer geprägten Strömungskanalstruktur in Wellenform, die zusätzlich eine überlagerte Mikrowellenform aufweist; und

Fig. 10:

in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallfolie mit einer geprägten Strömungskanalstruktur in Mikrowellenform.

[0010] Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Abschnitt eines Metallblechs oder einer Metallfolie 1 mit eingeprägten Strömungskanälen 2, die nebeneinander angeordnet sind und sich von einer Eintrittsstirnseite 3 an der Metallfolie 1, an der eine Abgasströmung in die Strömungskanäle 2 zuströmt (Pfeil A in Fig. 1), über die Breite der Metallfolie 1 bis zu einer Austrittsstirnseite 4 erstrecken, von der die Abgasströmung abströmt (Pfeil B). Die Strömungskanäle 2 sind in der Draufsicht wellenförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang einer gedachten Längslinie 5, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 senkrecht zu der Eintrittsstirnseite 3 und der Austrittsstirnseite 4 verläuft und generell die Hauptdurchströmungsrichtung des Abgasstromes entlang der Metallfolie 1 angibt, auch wenn die Eintrittsstirnseite 3 und die Austrittsstirnseite 4 nicht in einer zur Hauptdurchströmungsrichtung senkrechten Ebene angeordnet sind.

[0011] Die Wellenform kann z. B. einem sinusförmigen Wellenverlauf angenähert sein oder mit einer Sinuswelle übereinstimmen. Die in Fig. 1 dargestellte Metallfolie 1 enthält eine Wellenform mit drei Wellenbäuchen 6 oder Auslenkungen, die somit 1,5 Wellenamplituden einer Sinuswelle entsprechen. An der Austrittsstirnseite 4 mündet der Strömungskanal 2 unter einem Austrittswinkel α von beispielsweise etwa 10 bis 20° schräg zur Längslinie 5, so daß die ausströmende Abgasströmung (Pfeil B) von der geraden Hauptströmungsrichtung abgelenkt wird. An der Eintrittsstirnseite 3 beginnt der Strömungskanal 2 ebenfalls unter einem Eintrittswinkel schräg zur Längslinie 5, jedoch kann der Wellenverlauf auch davon abweichend sein, so daß der Strömungskanal 2 beispielsweise in zur Längslinie 5 paralleler Ausrichtung beginnt und auch endet. Durch die Wellenform wird eine Verwirbelung der Abgasströmung schon in den Strömungskanälen 2 erreicht, wobei auf scharfe Umlenkungen der Strömungskanäle verzichtet wird, die die Strömung behindern und den Abgasgegendruck in der Trägerstruktur bzw. in einem Katalysator deutlich erhöhen würden. Die Strömungskanäle können beispielsweise durch eine Prägewalze in die Metallfolie eingeprägt werden, so daß durch die Prägung auf beiden Seiten der Metallfolie 1 Strömungskanäle 2 ausgebildet werden.

[0012] Die in Fig. 2 dargestellte Metallfolie 1' enthält Strömungskanäle 2' mit einer Wellenform, die gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Wellenform eine größere Wellenlänge aufweist. Zwischen der Eintrittsstirnseite 3 und der Austrittsstirnseite 4 weist der Strömungskanal 2' lediglich einen Wellenbauch 6' auf, so daß die Wellenform 0,5 Wellenamplituden einer Sinuswelle oder einer vergleichbaren Wellenart entspricht. Der Austrittswinkel α' ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner wie der Austrittswinkel α in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Generell hängt die Größe des Winkels α bzw. α' ab von der Wellenform, d. h. von dem Verhältnis der maximalen Auslenkung des Wellenbauchs 6 und 6' (der Amplitude des Wellenbauches) zu der Wellenlänge, und von der Schnittstelle, an der die Welle bzw. der Strömungskanal an der Austrittsstirnseite 4 abgeschnitten oder beendet ist.

[0013] In Fig. 3 ist eine Trägerstruktur 7 mit einem mehrlagigen Aufbau aufgeschnitten dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Metallfolie 1 bildet eine untere Lage, auf der eine glatte Metallfolie 8, die keine eingeprägten Strömungskanäle aufweist, angeordnet ist. Die glatte Metallfolie 8 deckt die ihr zugewandten Strömungskanäle 2 ab und trennt sie voneinander. In den Strömungskanälen 2 erfolgt durch die Wellenform eine molekulare Abgasmischung, die eine verbesserte Reaktion mit einer katalytischen Oberfläche der Trägerstruktur 7 bewirkt. Auf der glatten Metallfolie 8 liegt eine zweite Metallfolie 1 mit eingeprägten Strömungskanälen 2 auf, die wiederum von einer glatten Metallfolie 8 abgedeckt ist. Die Wellenform der beiden Metallfolien 1 und die gleichsinnig schräge Ausrichtung der Strömungskanäle 2 an der Austrittsstirnseite 4 stimmen überein, so daß das von der Trägerstruktur 7 durch die Strömungskanäle 2 der ersten und der zweiten Metallfolie 1 abströmende Abgas in dieselbe Richtung abgelenkt wird und, wenn die Trägerstruktur 7 zu einem zylindrischen Abgaskatalysator gewickelt ist, einen Drall um eine Längsachse des Abgaskatalysators erhält. Wenn ein zweiter Abgaskatalysator im Strömungsweg nachgeschaltet ist, wird er durch die durch den Drall bewirkte schräge Anströmung in seiner katalytischen Wirkung aktiver. Die Trägerstruktur 7 ist beispielhaft mit zwei Lagen aus jeweils einer geprägten und einer glatten Metallfolie 1 bzw. 8 gebildet, kann jedoch auch nur aus einer solchen Lage gebildet sein, die zu einem Abgaskatalysator gewickelt wird.

[0014] Die in Fig. 4 dargestellte Trägerstruktur 9 weist eine erste, untere Metallfolie 1 und eine zweite, obere Metallfolie 1 mit Strömungskanälen 2 mit der gleichen Wellenform auf, wobei jedoch die beiden Metallfolien 1 derart angeordnet sind, daß die jeweiligen Strömungskanäle 2 zueinander gegenläufig sind, so daß der Abgasstrom aus jeder der beiden Metallfolien 1 in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt und damit sofort verwirbelt wird und zu einer partiellen Abgasmischung hinter der Trägerstruktur führt.

[0015] Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele von Trägerstrukturen 7' bzw. 9' entsprechen in ihrem Lagenaufbau den Trägerstrukturen der Fig. 3 bzw. 4, wobei jedoch die geprägten Metallfolien 1' eine längere Wellenform entsprechend der Fig. 2 aufweisen. Bei der Trägerstruktur 7' der Fig. 5 weisen die Strömungskanäle 2' an der Austrittsstirnseite 4 in die gleiche Richtung, während sie bei der Trägerstruktur 9' der Fig. 6 in entgegengesetzte Richtungen weisen.

[0016] Fig. 7 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung oder einen Abgaskatalysator 10, der aus einer in Fig. 4 dargestellten Trägerstruktur 9 aufgewickelt und in einem Mantelgehäuse 11 untergebracht ist. An der aufgeschnittenen Stelle sind mehrere Lagen der Trägerstruktur 9 mit der geprägten Metallfolie 1 und der glatten Metallfolie 8 zu erkennen. Neben der Vermischung innerhalb der Strömungskanäle wird eine starke Vermischung des Abgasstromes nach dem Austritt aus der Trägerstruktur bzw. dem Abgaskatalysator erzielt.

[0017] Bei der in Fig. 8 dargestellten Trägerstruktur 12 liegen zwei geprägte Metallfolien 1 in gegenläufiger Ausrichtung der Strömungskanäle 2 ohne glatte Zwischenlage direkt aufeinander. Durch die zueinander geöffneten Strömungskanäle 2 wird eine zusätzliche Verwirbelung an den Kreuzungspunkten innerhalb der Metallfolien 1 erreicht.

[0018] Fig. 9 zeigt eine Metallfolie 13 mit Strömungskanälen 2 mit einer Wellenform entsprechend Fig. 1. Zusätzlich enthält die Wellenform eine überlagerte Mikrowelle, deren Wellen 14 eine vergleichsweise viel geringere Wellenlänge aufweisen, wobei Amplituden der beiden Wellen addiert werden. Jeder wellenförmige Strömungskanal 2 hat somit eine mit zusätzlichen kleinen Wellen 14 gewellte Wand, die eine zusätzliche Verwirbelung im Strömungskanal 2 bewirkt.

[0019] Eine in Fig. 10 dargestellte Metallfolie 15 enthält Strömungskanäle 2' bzw. 2'', die ausschließlich eine Wellenform mit Wellen 14 von kurzer Wellenlänge und vergleichsweise geringer Amplitude bzw. Höhe der Wellenbäuche aufweisen, welche der überlagerten Mikrowelle gemäß Fig. 9 entspricht. In diesen Strömungskanälen 2' bzw. 2'' gemäß Fig. 9 und 10 unterstützt die Mikroverwirbelung des Abgasstromes die Anhaftung einzelner Partikel. Aufgrund der Massenträgheit wird der Kontakt mit den Strömungskanalwänden intensiviert und die Adhäsionskräfte können besser ausgenützt werden. Daher kann die Metallfolie 15 zweckmäßigerweise als Trägerstruktur für einen Partikelfilter verwendet werden.

[0020] Alle Metallfolien und somit die Trägerstrukturen weisen eine katalytische Beschichtung bei der Verwendung als Abgaskatalysatoren zur Abgasreinigung auf.

[0021] Alle dargestellten und beschriebenen Trägerstrukturen können zu Abgaskatalysatoren gewickelt werden, wobei die wellenförmig geprägten Metallfolien keine Verwerfungen bilden. Diese Metallfolien sind auch nicht derart starr, daß sie ein Aufwickeln behindern würden.

[0022] Die Längssymmetrielinie der Wellenform der Strömungskanäle stimmt in den gezeigten Beispielen mit einer jeweiligen Längslinie 5 überein. Sie kann auch schräg zu einer Längslinie angeordnet sein, so daß die Hauptdurchströmungsrichtung durch die Trägerstruktur von der Längslinie abweicht. Dadurch können zusätzliche Strömungsableitungen und Abgasvermischungen erzielt werden.

[0023] Des weiteren können Lagen der Trägerstrukturen aus beliebigen Kombinationen der dargestellten Metallfolien hergestellt werden, um jeweils spezifische Vermischungen des Abgasstromes zu erhalten.

Ansprüche

1. Trägerstruktur für eine Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere für Abgaskatalysatoren von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Metallfolie, die eingeprägte Strömungskanäle für das Abgas aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (2; 2'; 2'') der Metallfolie (1;
1'; 13; 15) in Durchströmungsrichtung wellenförmig gebildet sind.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

11. Trägerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die wellenförmigen Strömungskanäle (2; 2'; 2'') zusätzlich die Form von überlagerten Mikrowellen (14) aufweisen.

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

Zeichnung