DE102018113985A1

DE102018113985A1 - Catalyst device for the catalytic purification of an exhaust gas flow of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102018113985A1
Application number: DE102018113985.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Englmeier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-12

Abstract

Katalysatorvorrichtung (10) zur katalytischen Reinigung eines Abgasstromes (AS) eines Verbrennungsmotors, aufweisend einen mittels einem aufbauenden Fertigungsverfahren hergestellten Grundkörper (20) mit einer Vielzahl von Abgaskanälen (30) zur Führung des Abgasstroms (AS), wobei die Abgaskanäle (30) Kanalwandungen (32) aufweisen und im Grundkörper (20) wenigstens ein Kühlfluidabschnitt (40) ausgebildet ist zur Förderung eines Kühlfluidstroms (KS) und der wenigstens eine Kühlfluidabschnitt (40) wenigstens teilweise mit den Kanalwandungen (32) der Abgaskanäle (30) in wärmübertragendem Kontakt steht zur Kühlung des in den Abgaskanälen (30) geförderten Abgasstroms (AS).Catalyst device (10) for the catalytic purification of an exhaust gas flow (AS) of an internal combustion engine, comprising a basic body (20) produced by a constructive manufacturing method with a plurality of exhaust ducts (30) for guiding the exhaust gas flow (AS), wherein the exhaust ducts (30) have duct walls (30). 32) and in the base body (20) at least one cooling fluid portion (40) is formed for promoting a cooling fluid flow (KS) and the at least one cooling fluid portion (40) at least partially with the channel walls (32) of the exhaust ducts (30) in heat-transmitting contact is Cooling of the exhaust gas flow (AS) conveyed in the exhaust ducts (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatorvorrichtung zur katalytischen Reinigung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren für die Herstellung eines Katalysators mit einer solchen Katalysatorvorrichtung.The present invention relates to a catalytic device for the catalytic purification of an exhaust gas stream of an internal combustion engine and to a process for the production of a catalyst with such a catalyst device.

Es ist bekannt, dass bei Verbrennungsmotoren Abgase entstehen, welche in gereinigter Form in die Umgebung entlassen werden sollen. Für die Reinigung sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Ein häufig eingesetztes Konzept ist die Verwendung einer Katalysatorvorrichtung, welche mit katalytisch wirksamem Katalysatormaterial eine zumindest teilweise Umsetzung der Schadstoffe im Abgasstrom durchführt. Eine solche Katalysatorvorrichtung kann zum Beispiel Stickoxide oder ähnlichen Schadstoffe umsetzen.It is known that exhaust gases are produced in internal combustion engines, which are to be discharged in purified form into the environment. For cleaning different concepts are known. A frequently used concept is the use of a catalyst device which, with catalytically active catalyst material, carries out an at least partial reaction of the pollutants in the exhaust gas flow. Such a catalyst device can implement, for example, nitrogen oxides or similar pollutants.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass für die Wirksamkeit und für die Dauerstabilität der Katalysatorvorrichtung bestimmte Rahmenbedingungen eingehalten werden müssen. Dabei handelt es sich insbesondere um die maximalen Temperaturen innerhalb des Katalysators, welche als thermische Belastung auf den Katalysator selbst und das Katalysatormaterial einwirken. Üblicherweise sind Katalysatoren mit einem Grundkörper, welcher auch als Katalysatorträger bezeichnet werden kann, ausgestattet. Innerhalb des Grundkörpers ist eine große Oberfläche vorgesehen, auf welcher das Katalysatormaterial aufgetragen ist. Um nun bei modernen Verbrennungsmotoren ein möglichst gutes Umsetzungsverhältnis, insbesondere von Lambda = 1 zur Verfügung stellen zu können, muss der Motor mit entsprechend hohen Temperaturen betrieben werden. Insbesondere unter Volllast des Verbrennungsmotors führt dies dazu, dass sehr heißes Abgas durch den Katalysator und die Katalysatorvorrichtung strömt.A disadvantage of the known solutions is that certain conditions must be met for the effectiveness and for the long-term stability of the catalyst device. These are in particular the maximum temperatures within the catalyst, which act as a thermal load on the catalyst itself and the catalyst material. Usually, catalysts are equipped with a base body, which can also be referred to as a catalyst support. Within the body, a large surface is provided, on which the catalyst material is applied. In order to be able to provide the best possible conversion ratio, in particular lambda = 1, in modern internal combustion engines, the engine must be operated with correspondingly high temperatures. In particular, under full load of the internal combustion engine, this leads to very hot exhaust gas flowing through the catalyst and the catalyst device.

Bei bekannten Lösungen wird dieses heiße Abgas vorgekühlt und erreicht die Katalysatorvorrichtung in gekühltem Zustand. Dies hat mehrere Nachteile, da insbesondere eine zusätzliche Kühlung mit entsprechendem Bauraum ausgestattet werden muss. Die Kompaktheit des Gesamtsystems des Abgasstrangs leidet darunter. Auch wird auf diese Weise eine zusätzliche strömungstechnische Beeinflussung notwendig, um die entsprechende Kühlleistung bereits vor Erreichen des Katalysators in den Abgasstrom einzubringen.In known solutions, this hot exhaust gas is pre-cooled and reaches the catalyst device in the cooled state. This has several disadvantages, since in particular an additional cooling must be equipped with appropriate space. The compactness of the entire system of the exhaust system suffers. Also, in this way an additional fluidic influencing necessary to bring the appropriate cooling capacity before reaching the catalyst in the exhaust stream.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Temperaturbeständigkeit bzw. eine Dauerstabilität der Katalysatorvorrichtung zur Verfügung stellen zu können.It is an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to be able to provide a temperature resistance or a long-term stability of the catalyst device in a cost-effective and simple manner.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Katalysatorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The above object is achieved by a catalyst device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the catalyst device according to the invention apply, of course, also in connection with the method according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or can be.

Erfindungsgemäß dient eine Katalysatorvorrichtung zur katalytischen Reinigung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors. Hierfür weist die Katalysatorvorrichtung einen Grundkörper auf, welcher mittels einem aufbauenden Fertigungsverfahren hergestellt ist. Dieser Grundkörper ist mit einer Vielzahl von Abgaskanälen zur Führung des Abgasstroms ausgestattet. Die Abgaskanäle weisen Kanalwandungen auf. Im Grundkörper ist darüber hinaus wenigstens ein Kühlfluidabschnitt ausgebildet zur Förderung eines Kühlfluidstroms. Dieser wenigstens eine Kühlfluidabschnitt ist wenigstens teilweise mit den Kanalwandungen der Abgaskanäle in wärmeübertragendem Kontakt zur Kühlung des in den Abgaskanälen geförderten Abgasstroms.According to the invention, a catalyst device is used for the catalytic purification of an exhaust gas flow of an internal combustion engine. For this purpose, the catalyst device has a main body, which is produced by means of a constructive manufacturing process. This main body is equipped with a plurality of exhaust ducts for guiding the exhaust gas flow. The exhaust ducts have duct walls. In addition, at least one cooling fluid section is formed in the main body for conveying a cooling fluid flow. This at least one cooling fluid section is at least partially in heat-transmitting contact with the duct walls of the exhaust ducts for cooling the exhaust gas flow conveyed in the exhaust ducts.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke ist es also nun, die Kühlung in die Katalysatorvorrichtung zu integrieren. Hierfür werden zwei grundsätzliche Funktionen kombiniert. Zum einen ist für die direkte Kühlung des Abgases in der Katalysatorvorrichtung ein wärmeübertragender Kontakt zwischen dem Abgasstrom und einem entsprechenden Kühlfluid notwendig. Hierfür ist innerhalb des Grundkörpers ein Kühlfluidabschnitt angeordnet, welcher zum Beispiel Kühlfluidleitungen oder Kühlfluidkanäle aufweisen kann, und auf diese Weise über den wärmeübertragenden Kontakt den heißen Abgasstrom in den Abgaskanälen kühlen kann.The core idea of the invention is thus now to integrate the cooling in the catalyst device. For this purpose, two basic functions are combined. On the one hand, a heat-transferring contact between the exhaust gas stream and a corresponding cooling fluid is necessary for the direct cooling of the exhaust gas in the catalyst device. For this purpose, a cooling fluid section is arranged within the base body, which can have, for example, cooling fluid lines or cooling fluid channels, and in this way can cool the hot exhaust gas flow in the exhaust ducts via the heat-transferring contact.

Um die voranstehende Funktionalität der direkten Kühlung innerhalb des Grundkörpers der Katalysatorvorrichtung kostengünstig und einfach zur Verfügung stellen zu können, wird bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung ein aufbauendes Fertigungsverfahren für den Grundkörper hergestellt. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen von Katalysatorvorrichtungen, welche durch unterschiedliche Materialkombinationen montierbar sind, wird also eine erfindungsgemäße Katalysatorvorrichtung mit einem aufgebauten Grundkörper ausgestattet. Unter einem aufbauenden Fertigungsverfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung also ein Verfahren zu verstehen, bei welchem der Grundkörper anwächst. Ein solches Verfahren wird häufig auch als 3-D-Druckverfahren beschrieben bzw. bezeichnet. Auch sogenannte Rapid-Prototyping-Verfahren, Lasersinterverfahren oder ähnlich aufbauende Fertigungsverfahren können hier eingesetzt sein. Die Verwendung eines bestimmten Verfahrens beschränkt jedoch die Möglichkeit, einen Grundkörper auch mit anderen aufbauenden Fertigungsverfahren herzustellen nicht.In order to provide the above functionality of the direct cooling within the main body of the catalyst device in a cost-effective and simple manner, a constructive manufacturing method for the main body is produced in a catalyst device according to the invention. In contrast to known solutions of catalyst devices, which can be mounted by different combinations of materials, therefore, a catalyst device according to the invention is equipped with a built base body. Under a constructive manufacturing process is in So frame of the present invention to understand a method in which the body grows. Such a method is often described or referred to as a 3-D printing method. Also so-called rapid prototyping method, laser sintering or similar manufacturing methods can be used here. However, the use of a particular method does not limit the ability to make a base body with other constituent manufacturing techniques.

Die Kombination aus dem aufbauenden Fertigungsverfahren mit der erfindungsgemäßen Idee erlaubt es nun, eine Kühlfunktionalität direkt in die Katalysatorvorrichtung zu integrieren. Wie später noch erläutert wird, kann durch das aufbauende Fertigungsverfahren nicht nur die reine Integration der Kühlfunktionalität in die Katalysatorvorrichtung ermöglicht werden, sondern vielmehr auch eine Variation bzw. eine definierte Veränderung der Kühlleistung innerhalb des Grundkörpers. Damit wird es möglich, zum einen auf eine separate Kühlvorrichtung vor dem Erreichen der Katalysatorvorrichtung zu verzichten. Zum anderen wird direkt an den belasteten Stellen, nämlich direkt im Material des Grundkörpers der Katalysatorvorrichtung, die gewünschte Kühlleistung zur Verfügung gestellt. Somit kann kostengünstig, einfach und vor allem im Wesentlichen ohne zusätzlichen Bauraum innerhalb des Gesamtsystems eines Verbrennungsmotors eine gekühlte Katalysatorvorrichtung mit entsprechend hoher thermischer Dauerstabilität zur Verfügung gestellt werden.The combination of the constructive manufacturing method with the idea according to the invention now makes it possible to integrate a cooling functionality directly into the catalyst device. As will be explained later, not only the pure integration of the cooling functionality in the catalyst device can be made possible by the constructive manufacturing process, but also a variation or a defined change in the cooling capacity within the body. This makes it possible, on the one hand to dispense with a separate cooling device before reaching the catalyst device. On the other hand, the desired cooling capacity is provided directly at the loaded points, namely directly in the material of the main body of the catalyst device. Thus, a cooled catalyst device with correspondingly high thermal stability can be provided in a cost-effective, simple and, above all, substantially without additional installation space within the overall system of an internal combustion engine.

Erfindungsgemäß kann dabei unerheblich bleiben, ob als Kühlfluid ein flüssiges und/oder ein gasförmiges Kühlmittel eingesetzt wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass das Kühlfluid bei der Kühlleistung verdampft und somit ein Phasenübergang innerhalb des Kühlabschnitts stattfindet. Der Kühlfluidabschnitt kann darüber hinaus mit weiteren Temperiervorrichtungen des Fahrzeugs verbunden sein. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Kühlfluidabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung mit einer Klimaanlage des Fahrzeugs steht, um die entsprechende Kühlleistung zur Verfügung zu stellen und die Abfuhr der aufgenommenen Wärme vom Abgasstrom an die Umgebung gewährleisten zu können. Jedoch sind auch separate Kühlmittelströme denkbar, welche insbesondere mit einer Kühlmittelpumpe das Kühlfluid in einem Zwangskreislauf halten. Über entsprechende von der Katalysatorvorrichtung beabstandete Übergabeabschnitte kann die abgeführte Wärme an die Umgebung oder an andere Komponenten des Fahrzeugs weitergegeben werden. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, dass das Kühlfluid seine Wärme in einen entsprechenden Wärmekreislauf des Fahrzeugs übergibt, sodass je nach aktueller Betriebssituation diese Wärme für andere Bereiche des Fahrzeugs, zum Beispiel ein Rückführen zum Anwärmen des Motors oder ein Aufheizen des Innenraums des Fahrzeugs möglich wird.According to the invention, it can remain irrelevant whether a liquid and / or a gaseous coolant is used as the cooling fluid. Of course, it is also conceivable that the cooling fluid evaporates at the cooling power and thus takes place a phase transition within the cooling section. The cooling fluid section may also be connected to other temperature control devices of the vehicle. Thus, it is conceivable, for example, that the cooling fluid section is in fluid communication with an air conditioning system of the vehicle in order to provide the corresponding cooling capacity and to ensure the dissipation of the absorbed heat from the exhaust gas flow to the environment. However, separate coolant flows are also conceivable, which hold the cooling fluid in a forced circulation, in particular with a coolant pump. Via corresponding transfer sections spaced from the catalyst device, the dissipated heat can be passed on to the environment or to other components of the vehicle. In this context, it is also conceivable that the cooling fluid transfers its heat into a corresponding heat cycle of the vehicle, so that depending on the current operating situation, this heat for other areas of the vehicle, for example, a return to warm the engine or a heating of the interior of the vehicle possible becomes.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der wenigstens eine Kühlfluidabschnitt eine Förderrichtung des Kühlfluidstroms zumindest teilweise quer oder im Wesentlichen quer zu der Förderrichtung des Abgasstroms in den Abgaskanälen aufweist. Eine solche Querkühlung verbessert den Wirkungsgrad der Kühlleistung in einer solchen Katalysatorvorrichtung. Dabei sind die einzelnen Abgaskanäle insbesondere entlang einer Geraden oder im Wesentlichen entlang einer Geraden ausgerichtet. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kühlfluidstrom diese Abgaskanäle, insbesondere die Kanalwandungen zumindest teilweise oder sogar vollständig oder im Wesentlichen vollständig umströmt. Man kann hier auch von einer direkten wärmeübertragenden Kontaktierung sprechen, welche dementsprechend eine verzögerungsarme Kühlleistung an dem jeweiligen Abgaskanal zur Verfügung stellen kann. Diese beschriebene Förderrichtung des Kühlfluidstroms quer zur Förderrichtung des Abgasstroms bildet darüber hinaus eine sogenannte Kühlebene aus. Innerhalb einer Ebene über benachbarte Abgaskanäle hinweg kann nun eine identische oder im Wesentlichen identische Kühlleistung zur Verfügung gestellt werden. Somit kann für einzelne Schichten bzw. Kühlebenen der Katalysatorvorrichtung eine definierte Kühlsituation zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere kombiniert mit der später noch erläuterten Ausführungsform der Einströmabschnitte und der Ausströmabschnitte für den jeweiligen Kühlfluidabschnitt. Hier ist auch bereits darauf hinzuweisen, dass der Kühlfluidabschnitt zumindest einen Teil des Grundkörpers ausfüllt, insbesondere einen kompletten Querschnitt. Jedoch ist es denkbar, dass der Kühlfluidabschnitt nur eine einzelne Schicht bzw. Kühlebene zur Verfügung stellt, während andere Bereiche des Grundkörpers frei von einem Kühlfluidabschnitt ausgebildet sind. Jedoch ist es weiter denkbar, dass auch zwei oder mehr Kühlfluidabschnitte direkt benachbart oder beabstandet zueinander in dem Grundkörper ausgebildet sind, sodass auch zwei oder mehr Kühlebenen über den Verlauf des Abgasstroms im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar sind.It may be advantageous if, in a catalytic converter device according to the invention, the at least one cooling fluid section has a conveying direction of the cooling fluid flow at least partially transversely or substantially transversely to the conveying direction of the exhaust gas flow in the exhaust gas channels. Such cross-cooling improves the efficiency of the cooling performance in such a catalyst device. In this case, the individual exhaust gas channels are aligned in particular along a straight line or substantially along a straight line. It is particularly preferred if the cooling fluid flow at least partially or even completely or substantially completely flows around these exhaust gas channels, in particular the channel walls. One can also speak here of a direct heat-transferring contacting, which accordingly can provide a low-delay cooling capacity at the respective exhaust duct. This described conveying direction of the cooling fluid flow transversely to the conveying direction of the exhaust gas flow also forms a so-called cooling level. Within a plane across adjacent exhaust ducts now an identical or substantially identical cooling capacity can now be provided. Thus, a defined cooling situation can be made available for individual layers or cooling planes of the catalyst device. This is in particular combined with the embodiment of the inflow sections and the outflow sections, which will be explained later, for the respective cooling fluid section. It should also be pointed out here that the cooling fluid section fills at least part of the main body, in particular a complete cross section. However, it is conceivable that the cooling fluid section provides only a single layer or Kühlebene while other areas of the body are formed free of a cooling fluid portion. However, it is also conceivable that two or more cooling fluid sections are formed directly adjacent to or spaced from one another in the base body, so that two or more cooling planes over the course of the exhaust gas flow in the context of the present invention are conceivable.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der Kühlfluidabschnitt zumindest abschnittsweise wandungsfrei ausgebildet ist und Stützstrukturen aufweist für eine stützende Materialverbindung zwischen den Abgaskanälen. Während grundsätzlich der Kühlfluidabschnitt auch Kühlfluidleitungen oder Kühlfluidkanäle aufweisen kann, ist eine wandungsfreie Ausgestaltung in vielerlei Hinsicht zu bevorzugen. So kann auf diese Weise zum einen der Materialaufwand und damit das Gewicht des Grundkörpers bzw. der Katalysatorvorrichtung minimiert werden. Zum anderen wird die Menge an Kühlfluid, welche durch diesen Kühlfluidabschnitt gefördert werden kann, vergrößert und damit die Kühlleistung deutlich gesteigert. Nicht zuletzt ist auf diese Weise eine verbesserte Fertigung möglich. Unter den Stützstrukturen sind zum Beispiel Strukturarme bzw. Stützarme oder Stützrippen bzw. Stützstäbe zu verstehen, welche eine mechanische Stabilisierung der einzelnen Abgaskanäle relativ zueinander ermöglichen. Sind beispielsweise die Abgaskanäle als Kanalbündel oder Rohrbündel ausgebildet, so definieren diese Stützstrukturen die Abstände und damit die Relativpositionen der einzelnen Abgaskanäle zueinander.It may also be advantageous if, in a catalytic converter device according to the invention, the cooling fluid section is at least partially wall-free and has supporting structures for a supporting material connection between the exhaust gas channels. While, in principle, the cooling fluid section may also have cooling fluid conduits or cooling fluid conduits, a wall-free design is to be preferred in many respects. Thus, on the one hand, the cost of materials and thus the weight of the Main body or the catalyst device can be minimized. On the other hand, the amount of cooling fluid, which can be promoted by this cooling fluid section, increased and thus significantly increased the cooling capacity. Last but not least, an improved production is possible in this way. By way of example, the support structures are structural arms or support arms or support ribs or support rods which enable mechanical stabilization of the individual exhaust gas ducts relative to one another. If, for example, the exhaust gas channels are designed as channel bundles or tube bundles, these support structures define the distances and thus the relative positions of the individual exhaust gas channels relative to one another.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung die Abgaskanäle eine identische oder im Wesentlichen identische Erstreckung aufweisen, insbesondere als geradlinige oder im Wesentlichen geradlinige Rohrbündel ausgebildet sind. Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltungsform, welche sich zum Beispiel mit einer kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Endlosfertigung kombinieren lässt. So kann beispielsweise bei einer geradlinigen Ausgestaltung als Rohrbündel eine aufbauende Fertigungsweise eingesetzt werden, welche mit einem Stranggussverfahren vergleichbar ist. Durch Abschneiden auf die gewünschte Länge kann nun die entsprechende Länge der einzelnen Abgaskanäle und auch die Länge der gesamten Katalysatorvorrichtung durch Ablängen des Grundkörpers eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil einer identischen oder im Wesentlichen identischen Erstreckung insbesondere entlang einer Geraden ist eine Reduktion des Druckverlustes beim Betrieb der Katalysatorvorrichtung. Bevorzugt weisen die Abgaskanäle alle identische oder im Wesentlichen identische freie Strömungsquerschnitte auf, um nicht nur den Druckverlust zu verbessern, sondern auch die Strömung über die gesamte Breite der Katalysatorvorrichtung zu vereinheitlichen bzw. zu homogenisieren.Further advantages can be achieved if, in the case of a catalytic converter device according to the invention, the exhaust gas ducts have an identical or essentially identical extension, in particular as a rectilinear or essentially rectilinear tube bundle. This is a particularly simple and cost-effective embodiment, which can be combined, for example, with a continuous or quasi-continuous continuous production. Thus, for example, in a rectilinear configuration as a tube bundle an anabolic manufacturing method can be used, which is comparable to a continuous casting process. By cutting to the desired length, the corresponding length of the individual exhaust gas channels and also the length of the entire catalyst device can now be adjusted by cutting the base body to length. Another advantage of an identical or substantially identical extension, in particular along a straight line, is a reduction in the pressure loss during operation of the catalytic converter device. Preferably, the exhaust ducts all identical or substantially identical free flow cross-sections, not only to improve the pressure loss, but also to standardize the flow over the entire width of the catalyst device or to homogenize.

Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der Grundkörper wenigstens eine Zwischenwand aufweist, welche den wenigstens einen Kühlfluidabschnitt von einem benachbarten weiteren Kühlfluidabschnitt oder einem kühlfluidfreien Abschnitt trennt. Dies führt dazu, dass einzelne Abschnitte innerhalb des Grundkörpers mit unterschiedlicher Kühlfunktion und/oder unterschiedlicher Kühlleistung beaufschlagt werden können. Die Zwischenwand ist dabei vorzugsweise eine fluiddichte Abdichtung zwischen den benachbarten Abschnitten im Grundkörper. Damit können unterschiedliche Kühlleistungen an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Grundkörpers zur Verfügung gestellt werden. Auch wird eine Vermischung eines Temperaturprofils entlang der Abgaskanäle, also entlang der Strömungsrichtung des Abgasstroms vermieden bzw. reduziert. Sofern zum Beispiel nur im Eingangsbereich der Abgaskanäle eine maximale Kühlung gewünscht ist, kann im verbleibenden Strömungsbereich der Abgaskanäle ein kühlfluidfreier Abschnitt zur Verfügung gestellt werden, um die benötigte Menge an Kühlfluid zu reduzieren und im gefluteten Zustand das Gesamtgewicht der Katalysatorvorrichtung zu minimieren.A further advantage can be achieved if, in the case of a catalyst device according to the invention, the base body has at least one intermediate wall which separates the at least one cooling fluid section from an adjacent further cooling fluid section or a cooling fluid-free section. As a result, individual sections within the main body can be subjected to different cooling functions and / or different cooling capacities. The intermediate wall is preferably a fluid-tight seal between the adjacent sections in the main body. Thus, different cooling capacities can be made available at different positions within the body. Also, a mixing of a temperature profile along the exhaust gas channels, ie along the flow direction of the exhaust gas flow is avoided or reduced. If, for example, maximum cooling is desired only in the input region of the exhaust gas channels, a cooling fluid-free section can be provided in the remaining flow region of the exhaust gas channels in order to reduce the required amount of cooling fluid and to minimize the total weight of the catalyst device in the flooded state.

Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der Grundkörper wenigstens eines der folgenden Materialien aufweist:

- Keramik
- Metall

It may be advantageous if, in the case of a catalyst device according to the invention, the base body has at least one of the following materials:

- ceramics
- metal

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Dabei sind die Materialien insbesondere so ausgebildet, dass sie für das aufbauende Fertigungsverfahren als Pulvermaterial vorliegen. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Materialien im Zwei- oder Mehrkomponentenverfahren miteinander kombiniert werden, um den Grundkörper aufzubauen.The list above is a non-exhaustive list. The materials are in particular designed so that they are present for the constructive manufacturing process as a powder material. Of course, different materials can be combined in two- or multi-component process with each other to build the body.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der Grundkörper einen Einströmabschnitt für ein Einströmen des Kühlfluidstroms in den Kühlfluidabschnitt und einen Ausströmabschnitt für ein Ausströmen des Kühlfluidstroms aus dem Kühlfluidabschnitt aufweist, welche insbesondere beide in einer gemeinsamen Kühlebene quer zum Abgasstrom in den Abgaskanälen angeordnet sind. Auch hier kann wieder eine Kühlebene ausgebildet werden, welche quer oder im Wesentlichen quer zum Abgasstrom in den Abgaskanälen ausgerichtet ist. Ein Einströmabschnitt ist vorzugsweise mit einem entsprechenden Einströmkontakt versehen, um eine fluiddichte und fluidkommunizierende Verbindung mit einem weiteren Verlauf des Kühlmittelkreislaufs herstellen zu können. Über den Ausströmabschnitt kann das aufgeheizte und mit Wärme aus dem Abgasstrom beladene Kühlfluid nun weitergefördert werden, um diese Wärme in anderen Bereichen des Fahrzeugs einzusetzen oder aber an die Umgebung abgeben zu können. Die Verwendung innerhalb einer gemeinsamen Kühlebene homogenisiert zum einen die Strömungsverhältnisse und zum anderen die notwendige Kühlleistung, wie es bereits erläutert worden ist. Die einzelnen Abschnitte, also der Einströmabschnitt und der Ausströmabschnitt, können zusammen mit entsprechenden Anschlussstutzen Teil eines Gehäuses sein, welches ebenfalls vom Grundkörper vorzugsweise integral ausgestaltet und ausgebildet ist.Further advantages can be achieved if, in a catalyst device according to the invention, the main body has an inflow section for an inflow of the cooling fluid flow into the cooling fluid section and an outflow section for an outflow of the cooling fluid flow out of the cooling fluid section, which in particular both are arranged in a common cooling plane transversely to the exhaust flow in the exhaust ducts are. Again, a Kühlebene be formed, which is aligned transversely or substantially transversely to the exhaust gas flow in the exhaust ducts. An inflow section is preferably provided with a corresponding inflow contact in order to be able to produce a fluid-tight and fluid-communicating connection with a further course of the coolant circuit. About the outflow section, the heated and loaded with heat from the exhaust gas flow cooling fluid can now be further promoted to use this heat in other areas of the vehicle or to be able to deliver to the environment. The use within a common Kühlebene homogenized on the one hand the flow conditions and on the other hand the necessary cooling capacity, as has already been explained. The individual sections, that is to say the inflow section and the outflow section, together with corresponding connecting stubs, can be part of a housing, which is likewise preferably configured and formed integrally by the main body.

Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung der Grundkörper ein fluiddichtes Gehäuse aufweist, welches wenigstens teilweise den wenigstens einen Kühlfluidabschnitt gegen einen Austritt von Kühlfluid des Kühlfluidstroms abdichtet. Ein solches Gehäuse ist also demnach ebenfalls durch das aufbauende Fertigungsverfahren hergestellt. Eine zusätzliche umschließende Wandung ist nicht mehr notwendig. Entsprechende Anschlüsse für den Einströmabschnitt und/oder den Ausströmabschnitt können in das Gehäuse bereits integriert sein, sodass sie ebenfalls durch das aufbauende Fertigungsverfahren hergestellt worden sind.A further advantage can be achieved if in a catalytic converter device according to the invention the main body has a fluid-tight housing, which at least partially seals the at least one cooling fluid section against leakage of cooling fluid of the cooling fluid flow. Such a housing is therefore also produced by the constructive manufacturing process. An additional enclosing wall is no longer necessary. Corresponding connections for the inflow section and / or the outflow section can already be integrated into the housing, so that they have likewise been produced by the constructive manufacturing method.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Herstellung eines Katalysators für eine katalytische Reinigung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors, aufweisend die folgenden Schritte:

- aufbauendes Fertigen einer Katalysatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
- zumindest abschnittsweises Beschichten der Innenseite der Kanalwandungen der Abgaskanäle mit einem katalytisch wirksamen Katalysatormaterial.

A further subject of the present invention is a process for the preparation of a catalyst for a catalytic purification of an exhaust gas stream of an internal combustion engine, comprising the following steps:

- constructive manufacturing a catalyst device according to the present invention,
- At least partially coating the inside of the channel walls of the exhaust ducts with a catalytically active catalyst material.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind. Selbstverständlich kann auch bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung bereits eine beschichtete Version vorliegen, dass also innerhalb der Abgaskanäle zumindest teilweise an den Kanalwandungen ein katalytisch wirksames Katalysatormaterial angeordnet ist.Thus, a method according to the invention brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a method according to the invention. Of course, even with a catalytic converter device according to the invention, a coated version may already be present, that is to say that a catalytically active catalyst material is arranged at least partially on the duct walls within the exhaust gas ducts.

Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zwei Katalysatorvorrichtungen hergestellt und beschichtet werden, wobei anschließend die beiden Katalysatorvorrichtungen aneinander angeordnet werden, insbesondere mit den Abgaskanälen in fluidkommunizierender Verbindung. Die Herstellung von zwei oder mehr Katalysatorvorrichtungen kann auch als modulweises Aufbauen des Katalysators verstanden werden. Dabei können die einzelnen Katalysatorvorrichtungen nebeneinander, also mit parallelen Strömungsrichtungen der Abgasströmungen angeordnet werden. Jedoch ist es auch denkbar, die Anordnung der Katalysatorvorrichtung hintereinander mit fluidkommunizierender Verbindung der Abgaskanäle auszubilden. In beiden Fällen erlaubt die modulartige Ausgestaltung der Katalysatorvorrichtung eine standardisierte Herstellung der einzelnen Module und eine entsprechend modulare Anpassungsmöglichkeit in flexibler Weise an unterschiedlichste Verbrennungsmotoren.A further advantage can be achieved if, in a method according to the invention, at least two catalyst devices are produced and coated, with the two catalyst devices subsequently being arranged against one another, in particular with the exhaust gas channels in fluid-communicating connection. The preparation of two or more catalyst devices can also be understood as a modular design of the catalyst. In this case, the individual catalyst devices can be arranged side by side, that is to say with parallel flow directions of the exhaust gas flows. However, it is also conceivable to design the arrangement of the catalyst device in succession with fluid-communicating connection of the exhaust gas channels. In both cases, the modular design of the catalyst device allows a standardized production of the individual modules and a correspondingly modular adaptation option in a flexible manner to a wide variety of internal combustion engines.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnte Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung,
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kata lysatorvo rrichtung,
3 eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung und
4 eine andere Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung.

Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. In this case, features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. They show schematically:

1 an embodiment of a catalyst device according to the invention,
2 a further embodiment of a Kata lysatorvo device according to the invention,
3 a detailed view of a catalyst device according to the invention and
4 another detailed representation of a catalyst device according to the invention.

In 1 ist schematisch eine Katalysatorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese weist einen Grundkörper 20 auf, welcher in einem aufbauenden Fertigungsverfahren, hier in einem 3-D-Druckverfahren, hergestellt worden ist. Als Ausgangsmaterial wurde ein pulverförmiges Keramikmaterial und/oder ein pulverförmiges Metallmaterial eingesetzt. Bei der aufbauenden Fertigung sind Freiräume im Grundkörper 20 verblieben. Eine Vielzahl dieser Freiräume bildet nun Abgaskanäle 30 aus, welche in Form von Rohrbündeln einzelne Kanalwandungen 32 aufweisen. Diese rohrbündelartige Ausgestaltung der Abgaskanäle 30 führt dazu, dass diese sich gemeinsam mit einer identischen und geradlinigen Erstreckung entlang des Abgasstroms S erstrecken. Die Innenseite der Kanalwandungen 32 ist mit einem katalytisch wirksamen Katalysatormaterial beschichtet, um die entsprechend gewünschte Abgasnachbehandlung des Abgasstroms AS zur Verfügung stellen zu können.In 1 is schematically a catalyst device 10 represented according to the present invention. This has a body 20 which has been produced in an advanced manufacturing process, here in a 3-D printing process. The starting material used was a powdered ceramic material and / or a powdered metal material. In constructive manufacturing, free spaces are in the main body 20 remained. A large number of these open spaces now form exhaust ducts 30 from which individual channel walls in the form of tube bundles 32 respectively. This tubular bundle-like configuration of the exhaust ducts 30 causes them to extend along the exhaust flow S together with an identical and rectilinear extent. The inside of the duct walls 32 is coated with a catalytically active catalyst material to the corresponding desired exhaust aftertreatment of the exhaust stream AS to make available.

Wie die 1 ebenfalls zeigt, sind neben den Abgaskanälen 30 noch weitere Freiräume innerhalb des Grundkörpers 20 ausgebildet. Dabei handelt es sich um den Kühlfluidabschnitt 40, welcher mit einem entsprechenden Kühlfluidstrom KS beaufschlagt werden kann. In einem Gehäuse 50, welches hier ebenfalls Teil des Grundkörpers 20 ist, kann in einem Einströmabschnitt 22 der Kühlfluidstrom KS in den Kühlfluidabschnitt 40 eingebracht werden. Zwischen den einzelnen Abgaskanälen 30 verteilt sich der Kühlfluidstrom KS um die Abgaskanäle 30 bzw. die Kanalwandungen 32. Beim Vorbeiströmen an den Kanalwandungen 32 kann nun Wärme von dem Abgasstrom AS in den Kühlfluidstrom KS übertragen werden. Der auf diese Weise mit Wärme aus dem Abgasstrom AS beladene Kühlfluidstrom KS kann unten rechts in der gemeinsamen Kühlebene KE aus dem Gehäuse 50 über den Ausströmabschnitt 24 wieder austreten. Der Ausströmabschnitt 24 und der Einströmabschnitt 22 sind wiederum mit einem Rest eines Kühlfluidkreislaufs verbunden, um zum einen eine Zwangskonvektion des Kühlfluidstroms KS zu gewährleisten, und zum anderen eine Abgabe der Wärme aus dem Kühlfluidstrom KS an die Umgebung oder weitere Teile des Fahrzeugs ermöglichen zu können.
Die 2 basiert auf einer Ausgestaltung, wie sie bereits die 1 zeigt. Hier ist jedoch eine Unterteilung in unterschiedliche Abschnitte im Grundkörper 20 vorgenommen. Auch hier ist wieder ein Kühlfluidabschnitt 40 vorgesehen, welcher in gleicher Weise, wie zu 1 beschrieben, mit einem Kühlfluidstrom KS durchströmt werden kann. Jedoch ist hier innerhalb des Grundkörpers 20 eine Zwischenwand 26 vorgesehen, welche diesen Kühlfluidabschnitt 40 von einem kühlfluidfreien Nachbarabschnitt trennt. Während also im Eingangsbereich des Abgasstroms KS, wo der Abgasstrom AS noch am heißesten ist, über die Kühlebene KE mit der wärmeübertragenden Kontaktierung mit dem Kühlfluidstrom eine Kühlmöglichkeit gegeben ist, ist über den weiteren Verlauf des Abgasstroms AS nun ein kühlfluidfreier Abschnitt über die Zwischenwand 26 ausgebildet. Damit kann die Menge an notwendigem Kühlfluid reduziert und das Gesamtgewicht der gefluteten Katalysatorvorrichtung 10 reduziert werden.As the 1 Also shows are next to the exhaust ducts 30 even more free space within the body 20 educated. This is the cooling fluid section 40 , which with a corresponding cooling fluid flow KS can be applied. In a housing 50 , which is also part of the body here 20 is, can in an inflow section 22 the cooling fluid flow KS into the cooling fluid section 40 be introduced. Between the individual exhaust ducts 30 the cooling fluid flow is distributed KS around the exhaust ducts 30 or the channel walls 32 , When flowing past the duct walls 32 can now heat from the exhaust gas flow AS into the cooling fluid flow KS be transmitted. In this way, with heat from the exhaust stream AS loaded cooling fluid flow KS can lower right in the common Kühlebene KE out of the case 50 over the outflow section 24 exit again. The outflow section 24 and the inflow section 22 are in turn connected to a remainder of a cooling fluid circuit, for a forced convection of the cooling fluid flow KS to ensure and on the other hand, a release of heat from the cooling fluid flow KS to enable the environment or other parts of the vehicle.
The 2 based on a design, as they already have 1 shows. Here, however, is a subdivision into different sections in the body 20 performed. Again, here is a cooling fluid section 40 provided, which in the same way as 1 described, with a cooling fluid flow KS can be flowed through. However, here is within the body 20 an intermediate wall 26 provided, which this cooling fluid section 40 separates from a cooling fluid-free neighboring section. So while in the entrance area of the exhaust stream KS where the exhaust gas flow AS is still hottest, about the Kühlebene KE with the heat-transferring contacting with the cooling fluid flow a cooling possibility is given, is on the further course of the exhaust stream AS now a cooling fluid-free section over the partition 26 educated. Thus, the amount of cooling fluid required and the total weight of the flooded catalyst device can be reduced 10 be reduced.

3 zeigt eine Detaildarstellung, wie die Kühlleistung weiter verbessert werden kann. Hier sind im Grundkörper 20 der Katalysatorvorrichtung 10 nun ebenfalls wieder rohrbündelartig die einzelnen Abgaskanäle 30 mit den Kanalwandungen 32 zur Verfügung gestellt. Der Kühlfluidabschnitt 40 ist jedoch hier nicht in einer kühlkanal- oder kühlleitungsmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, sondern vielmehr ein großräumiger Freiraum zwischen den einzelnen Rohrbündeln der Abgaskanäle 30. Um sicherzustellen, dass die Abgaskanäle 30 in der definierten Relativposition bleiben und entsprechend auch der Freiraum dazwischen des Kühlabschnitts 40 nicht blockiert wird, sind hier Stützstrukturen 42 vorgesehen, welche die mechanische Relativpositionierung und Kraftübertragung zwischen den einzelnen Abgaskanälen 30 gewährleisten können. 3 shows a detailed view of how the cooling performance can be further improved. Here are in the main body 20 the catalyst device 10 Now again like a tube bundle, the individual exhaust ducts 30 with the duct walls 32 made available. The cooling fluid section 40 However, here is not provided in a Kühlkanal- or cooling line design, but rather a large-scale space between the individual tube bundles of the exhaust channels 30 , To ensure that the exhaust ducts 30 remain in the defined relative position and accordingly also the free space between the cooling section 40 is not blocked, here are support structures 42 provided, which mechanical relative positioning and power transmission between the individual exhaust ducts 30 can guarantee.

4 zeigt eine Alternative zu der Ausgestaltung der 3 ebenfalls im Detail. Hier ist im Gegensatz zu den Stützstrukturen 42 eine kanal- oder leitungsartige Ausgestaltung der Kühlfluidabschnitte 40 vorgesehen. Hier wird eine verbesserte mechanische Stabilität zur Verfügung gestellt, welche jedoch mit einer etwas größeren Trägheit in der Kühlleistung einhergeht. 4 shows an alternative to the embodiment of 3 also in detail. Here is in contrast to the support structures 42 a channel or conduit-like configuration of the cooling fluid sections 40 intended. Here, an improved mechanical stability is provided, but this is associated with a slightly greater inertia in the cooling performance.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above explanation of the embodiments describes the present invention solely by way of example. Of course, individual features of the embodiments, if technically feasible, can be combined freely with one another, without departing from the scope of the present invention.

Claims

Catalyst device (10) for the catalytic purification of an exhaust gas flow (AS) of an internal combustion engine, comprising a basic body (20) produced by a constructive manufacturing method with a plurality of exhaust ducts (30) for guiding the exhaust gas flow (AS), wherein the exhaust ducts (30) have duct walls (30). 32) and in the base body (20) at least one cooling fluid portion (40) is formed for promoting a cooling fluid flow (KS) and the at least one cooling fluid portion (40) at least partially with the channel walls (32) of the exhaust channels (30) in heat-transmitting contact is Cooling of the exhaust gas flow (AS) conveyed in the exhaust ducts (30).

Catalyst device (10) according to Claim 1 , characterized in that the at least one cooling fluid section (40) has a conveying direction of the cooling fluid flow (KS) at least partially transversely or substantially transversely to the conveying direction of the exhaust gas flow (AS) in the exhaust ducts (30).

Catalyst device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling fluid portion (40) is at least partially formed wall-free and support structures (42) for a supporting material connection between the exhaust ducts (30).

Catalyst device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas channels (30) have an identical or substantially identical extension, in particular as rectilinear or substantially rectilinear tube bundles are formed.

Catalyst device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (20) has at least one intermediate wall (26) which separates the at least one cooling fluid section (40) from an adjacent further cooling fluid section (40) or a cooling fluid-free section.

Catalyst device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (20) comprises at least one of the following materials: - ceramic - metal

Catalyst device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the main body (20) has an inflow section (22) for inflow of the cooling fluid flow (KS) into the cooling fluid section (40) and an outflow section (24) for outflow of the cooling fluid flow (FIG. KS) from the cooling fluid section (40) which, in particular, both are arranged in a cooling plane (KE) transversely to the exhaust gas flow (AS) in the exhaust gas channels (30).

Catalyst device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (20) has a fluid-tight housing (50) which at least partially seals the at least one cooling fluid section (40) against leakage of cooling fluid of the cooling fluid flow (KS).

Process for the preparation of a catalyst for a catalytic purification of an exhaust gas flow (AS) of an internal combustion engine, comprising the following steps: - constructing a catalytic converter device (10) having the features of one of Claims 1 to 8th , - At least partially coating the inside of the channel walls (32) of the exhaust ducts (30) with a catalytically active catalyst material.

Method according to Claim 9 , characterized in that at least two catalyst devices (10) are produced and coated, wherein then the two catalyst devices (10) are arranged against each other, in particular with the exhaust ducts (30) in fluidkommunizierender connection.