DE102007020003A1

DE102007020003A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für eine Abgasanlage

Info

Publication number: DE102007020003A1
Application number: DE102007020003A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hahnl; Marek Birke
Original assignee: ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-30
Also published as: KR20090130423A; EP2153033A1; WO2008135175A1; US20100202934A1; CN101680324A

Abstract

Eine Abgasreinigungsvorrichtung (10) für eine Abgasanlage hat ein Gehäuse (12), das einen Eingang (14) und einen Ausgang (16) aufweist, und ein als Hohlkörper ausgebildetes gasdurchlässiges Substrat (8, 20), das im Strömungsweg (A) vom Eingang (14) zum Ausgang (16) angeordnet ist, wobei der Hohlkörper aus mehreren flachen Substratplatten (22, 24) zusammengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Abgasanlage.
Unter einer Abgasreinigungsvorrichtung im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator zu verstehen. Eine solche Abgasreinigungsvorrichtung enthält für gewöhnlich ein gasdurchlässiges Substrat, das vom Abgas durchströmt wird, wodurch das Abgas gereinigt wird. Im Fall eines Partikelfilters werden z. B. im Abgas enthaltene Rußpartikel beim Durchströmen des Substrates aus dem Abgas gefiltert. Die verwendeten Substratmaterialien sind meist brüchig und haben eine geringe Biegefestigkeit.
Die Erfindung schafft eine Abgasreinigungsvorrichtung, die sich durch eine einfache Herstellung auch bei Verwendung brüchiger Substratmaterialien auszeichnet und bei der sich zudem das Substrat im Betrieb rasch aufheizt, um die für den effektiven Betrieb oder auch für eine Regeneration der Abgasreinigungsvorrichtung nötige Temperatur zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Abgasanlage vorgesehen, mit einem Gehäuse, das einen Eingang und einen Ausgang aufweist, und einem als Hohlkörper ausgebildeten gasdurchlässigen Substrat, das im Strömungsweg vom Eingang zum Ausgang angeordnet ist, wobei der Hohlkörper aus mehreren flachen Substratplatten zusammengesetzt ist. Dabei steht insbesondere der Innenraum des Hohlkörpers mit dem Eingang in Strömungsverbindung, so daß der Strömungsweg des Abgases vom Eingang durch das Substrat und dann zum Ausgang führt. Dadurch kommt der Abgasstrom nach dem Eintritt in das Gehäuse der Abgasreinigungsvorrichtung zuerst mit dem Substrat in Berührung und erst anschließend mit dem Gehäuse. Auf diese Weise wird zuerst das Substrat aufgeheizt, das als Hohlkörper eine vergleichsweise geringe thermische Masse hat, bevor das Gehäuse dem Abgasstrom eine relativ große Wärmemenge entziehen kann. Da der Hohlkörper aus mehreren flachen (also ebenen) Substratplatten zusammengesetzt ist, läßt er sich auch aus brüchigem Material einfach herstellen und sicher im Gehäuse halten. Ein Biegen des Substratmaterials ist nicht erforderlich, weshalb weder bei der Produktion noch im Betrieb in der Abgasanlage unzulässige Biegespannungen auftreten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Inneren des Substrates ein zweites Substrat angeordnet, das ebenfalls ein aus mehreren flachen Substratplatten zusammengesetzter Hohlkörper ist. Auf diese Weise wird ein zweiter Strömungsweg aus dem Innenraum des ersten Substrates durch das zweite Substrat in dessen Innenraum hinein und von dort zum Ausgang geschaffen. Die Ausgestaltung mit zwei Substraten bietet den Vorteil einer vergrößerten Oberfläche bei gleichzeitig geringem Druckverlust.
Der Hohlkörper hat vorzugsweise eine Form, die einer Mantelfläche eines Pyramidenstumpfs entspricht. Bei Verwendung von zwei ineinander angeordneten Hohlkörpern werden diese dann insbesondere in entgegengesetzten Richtungen ineinandergesetzt. Alternativ kann der Hohlkörper natürlich auch als Hohlzylinder, also mit einem über seine gesamte Länge konstantem Plattenabstand, ausgeführt sein.
Als besonders einfach herstellbar hat es sich erwiesen, wenn der Pyramidenstumpf eine rechteckige, insbesondere quadratische, oder eine sechseckige Grundfläche hat.
Die Substratplatten sind bei einer Pyramidenstumpfform des Hohlkörpers insbesondere trapezförmig, wobei im Falle zweier Substrate die Substratplatten des inneren Hohlkörpers kleiner als diejenigen des äußeren Hohlkörpers ausgeführt sind.
Zur Befestigung aneinander sowie im Gehäuse werden die Substratplatten bevorzugt durch eine Rahmenkonstruktion gehalten.
Die Rahmenkonstruktion kann mehrere Befestigungselemente für die Substratplatten aufweisen, bei denen es sich z. B. um Clips, Nägel oder Niete handelt, die die Substratplatten an der Rahmenkonstruktion halten.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rahmenkonstruktion aus im Querschnitt U-förmigen Profilen bestehen, in denen die Substratplatten z. B. unmittelbar gehalten sind.
Wie bereits erwähnt, werden als Substrate meist brüchige Materialien verwendet. Insbesondere weisen die Substratplatten wenigstens eines der folgenden Materialen auf: Metallschaum, metallische Schwammstruktur, Metallfasern, metallische versinterte Hohlkugeln, Drahtgeflecht, Drahtgestrick, Streckmetall, Keramikfasern und Keramikschaum. All diese Materialien zeichnen sich durch ihre hohe Porösität aus.
Zusätzlich können die Substratplatten mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist je ein Halter für das stromaufwärtige Ende und für das stromabwärtige Ende des Substrates vorgesehen, der im wesentlichen als ebener Boden bzw. Scheibe mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung ausgebildet ist. Auf diese Weise läßt sich das Substrat einfach und sicher im Gehäuse lagern.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Hohlkörper mehrere übereinandergeschichtete Substratplatten aus unterschiedlichen Materialien auf. Durch gezielte Abstimmung der verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer unterschiedlichen spezifischen Reinigungs- bzw. Filtereigenschaften läßt sich so eine besonders gute Reinigungswirkung erzielen.
Wie bereits erwähnt, kann die Abgasreinigungsvorrichtung ein Partikelfilter, ein Partikelaufnahmespeicher, ein Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator sein. Natürlich sind auch beliebige Kombinationen dieser Komponenten möglich, beispielsweise ist ein Partikelfilter mit integriertem Oxidationskatalysator denkbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Ansicht einer bei der Abgasreinigungsvorrichtung aus 1 verwendeten Substratplatte;
3 eine Ansicht eines bei der Abgasreinigungsvorrichtung aus 1 verwendeten Rahmenelements;
4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3, jedoch mit eingesetzter Substratplatte;
5 eine schematische Perspektivansicht der Rahmenkonstruktion der Abgasreinigungsvorrichtung aus 1;
6 eine Ansicht eines Rahmenelements gemäß einer alternativen Ausgestaltung;
7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in 6, jedoch mit eingesetzter Substratplatte;
8 eine Schnittansicht ähnlich 7, jedoch für ein alternativ ausgebildetes Substrat;
9 eine schematische Perspektivansicht einer Rahmenkonstruktion mit Haltern für eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10 eine Schnittansicht eines Teils der Rahmenkonstruktion aus 9; und
11 eine Schnittansicht einer gegenüber 10 leicht abgewandelten Rahmenkonstruktion.
1 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der es sich um einen Partikelfilter, einen Partikelaufnahmespeicher, einen Oxidationskatalysator, einen NO_x-Speicherkatalysator oder eine beliebige Kombination aus den genannten handeln kann. Die Abgasreinigungsvorrichtung 10 wird insbesondere in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt und weist ein Gehäuse 12 auf, das einen Eingang 14 und einen Ausgang 16 hat. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein als Hohlkörper ausgebildetes, gasdurchlässiges erstes Substrat 18 angeordnet. Im Inneren des ersten Substrates 18 ist ein zweites Substrat 20 angeordnet, das ebenfalls als Hohlkörper ausgebildet ist. Beide Substrate 18, 20 bzw. beide Hohlkörper haben eine Form, die der Mantelfläche eines Pyramidenstumpfes mit rechteckiger, insbesondere quadratischer Grundfläche entspricht, und sind aus mehreren, hier je vier flachen Substratplatten 22 bzw. 24 zusammengesetzt. Die Substratplatten 22, 24 sind jeweils trapezförmig (siehe 2), wobei die das innere zweite Substrat 20 bildenden Substratplatten 24 kleiner als die das äußere erste Substrat 18 bildenden Substratplatten 22 sind.
Für die Substratplatten 22, 24 kommen zahlreiche Materialien in Frage. Denkbar ist hier die Verwendung von Metallschaum bzw. einer metallischen „Schwammstruktur" mit offenen Poren, Metallfasern, metallischen Hohlkugeln, Drahtgeflecht, Drahtgestrick, Streckmetall, Keramikfasern oder Keramikschaum bzw. einer keramischen „Schwammstruktur". Zusätzlich können die Substratplatten 22, 24 eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen.
Die Substratplatten 22 bzw. 24 werden durch eine Rahmenkonstruktion 26 gehalten, die schematisch in leicht abgewandelter Form in 5 gezeigt ist und mehrere, ebenfalls trapezförmige Rahmenelemente 28 aufweist, welche miteinander verbunden sind (siehe 3). Die Rahmenkonstruktion 26 bzw. die einzelnen Rahmenelemente 28 bestehen, wie aus 4 hervorgeht, aus im Querschnitt U-förmigen Profilen 30.
Sowohl am stromaufwärtigen Ende 32 als auch am stromabwärtigen Ende 34 der Substrate 18, 20 ist jeweils ein Halter 36 bzw. 38 vorgesehen, der die Rahmenkonstruktion 26 und damit die Substrate 18, 20 trägt. Jeder der beiden Halter 36 bzw. 38 ist im wesentlichen als Scheibe mit Durchtrittsöffnungen ausgebildet, wobei die Eintrittsöffnungen des ersten Halters 36 mit 40 und die Austrittsöffnungen des zweiten Halters 38 mit 42 bezeichnet sind.
Das in die Abgasreinigungsvorrichtung 10 gelangende Abgas strömt über die Eintrittsöffnungen 40 in den ringartigen Zwischenraum 44 ein, der innerhalb des ersten Substrates 18, jedoch außerhalb des zweiten Substrates 20 gebildet ist. Aus diesem sich in Richtung des Strömungswegs A des Abgases verjüngenden Zwischenraum 44 kann das Abgas entweder nach außen, also durch das erste Substrat 18, oder nach innen, in diesem Fall durch das zweite Substrat 20 strömen, und erreicht anschließend durch die Austrittsöffnungen 42 den Ausgang 16. Auf diese Weise kommt der Abgasstrom erst dann mit dem vergleichsweise kalten Gehäuse 12 in Berührung, nachdem er das erste Substrat 18 durchströmt hat. Der durch das zweite Substrat 20 strömende Anteil des Abgasstroms kommt überhaupt nicht mit dem Gehäuse 12 in Berührung. Die Substrate 18, 20 können sich aufgrund ihrer vergleichsweise geringen thermischen Masse sehr schnell aufheizen, während sich das Gehäuse 12 zum einen aufgrund seiner thermischen Masse und zum anderen aufgrund der unvermeidbaren Kühlung durch die Umgebungsluft vergleichsweise langsam aufwärmt. Somit kann, insbesondere nach einem Kaltstart, das erzeugte Abgas die Substrate 18, 20 vergleichsweise schnell erwärmen, da es nahezu ungekühlt mit diesen in Berührung kommt. Dadurch wird beispielsweise bei einem Partikelfilter die für die Regeneration der Substrate 18, 20 notwendige Temperatur sehr schnell erreicht.
Die 6 und 7 zeigen eine alternative Ausgestaltung der Rahmenkonstruktion 26 bzw. der Rahmenelemente 28, die mehrere Befestigungselemente in Form von Clips 46 aufweisen, die die Substratplatten 22 bzw. 24 halten und im Querschnitt ebenfalls U-förmig gestaltet sind.
Wie in 8 gezeigt, kann jedes der Substrate 18, 20 bzw. der jeweilige Hohlkörper mehrere übereinandergeschichtete Substratplatten 22, 22', 22'' bzw. 24, 24', 24'' aus unterschiedlichen Materialien aufweisen. Bei einer Kombination aus einem Partikelfilter und einem Oxidationskatalysator können z. B. Metallfasern als Filtermaterial und Metallschaum bzw. metallische Hohlkugeln mit katalytisch aktiver Beschichtung als Oxidationskatalysatormaterial eingesetzt werden, wobei dann das Oxidationskatalysatormaterial in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Filtermaterial angeordnet ist, also beim ersten Substrat 18 auf der Innenseite, beim zweiten Substrat 20 auf der Außenseite des Hohlkörpers.
9 zeigt eine Rahmenkonstruktion 26, wie sie bei alternativ ausgestalteten Substraten 18 und 20 eingesetzt wird, die die Form der Mantelfläche eines Pyramidenstumpfs mit sechseckiger Grundfläche haben. Auch in diesem Fall sind die einzelnen Substratplatten 22, 24, von denen hier je sechs einen Hohlkörper bilden, trapezförmig, und die Substrate 18, 20 bzw. die Rahmenkonstruktion 26 werden durch die Halter 36, 38 im Gehäuse 12 gehalten.
Die 10 und 11 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungen für entsprechende Rahmenkonstruktionen 26. Bei der Ausgestaltung gemäß 10 werden die Rahmenelemente 28 durch Profile 48 gebildet, die im Querschnitt ein halbes Sechseck bilden. Gemäß 11 hingegen ist vorgesehen, die Substratplatten 22, 24 durch Befestigungselemente in Form von Nägeln bzw. Nieten 50 an den abgewinkelten Rahmenelementen 28 festzulegen.
Darüber hinaus liegt es im Ermessen des Fachmanns, alle beschriebenen Merkmale sowohl einzeln wie auch in Kombination miteinander einzusetzen, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.

10: Abgasreinigungsvorrichtung
12: Gehäuse
14: Eingang
16: Ausgang
18: erstes Substrat
20: zweites Substrat
22, 22', 22'': Substratplatten
24, 24', 24'': Substratplatten
26: Rahmenkonstruktion
28: Rahmenelemente
30: Profile
32: stromaufwärtiges Ende
34: stromabwärtiges Ende
36: Halter
38: Halter
40: Eintrittsöffnungen
42: Austrittsöffnungen
44: Zwischenraum
46: Clips
48: Profile
50: Niete
A: Strömungsweg

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Abgasanlage, mit einem Gehäuse (12), das einen Eingang (14) und einen Ausgang (16) aufweist, und einem als Hohlkörper ausgebildeten gasdurchlässigen Substrat (18, 20), das im Strömungsweg (A) vom Eingang (14) zum Ausgang (16) angeordnet ist, wobei der Hohlkörper aus mehreren flachen Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') zusammengesetzt ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Substrates (18) ein zweites Substrat (20) angeordnet ist, das ebenfalls ein aus mehreren flachen Substratplatten (24) zusammengesetzter Hohlkörper ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper eine Form hat, die einer Mantelfläche eines Pyramidenstumpfs entspricht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyramidenstumpf eine rechteckige, insbesondere quadratische, oder eine sechseckige Grundfläche hat.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') trapezförmig sind.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') durch eine Rahmenkonstruktion (26) gehalten werden.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion (26) mehrere Befestigungselemente für die Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion (26) aus im Querschnitt U-förmigen Profilen (30) besteht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') wenigstens eines der folgenden Materialien aufweisen: Metallschaum, metallische Schwammstruktur, Metallfasern, metallische Hohlkugeln, Drahtgeflecht, Drahtgestrick, Streckmetall, Keramikfasern und Keramikschaum.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatten (22, 24; 22, 22', 22'', 24, 24', 24'') eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Halter (36, 38) für das stromaufwärtige Ende (32) und für das stromabwärtige Ende (34) des Substrates (18, 20) vorgesehen ist, der im wesentlichen als Scheibe mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung ausgebildet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper mehrere übereinandergeschichtete Substratplatten (22, 22', 22'', 24, 24', 24'') aus unterschiedlichen Materialien aufweist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Partikelfilter, einen Partikelaufnahmespeicher, einen Oxidationskatalysator und/oder einen NO_x-Speicherkatalysator umfaßt.