DE102019209304A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Nachbehandlung von Abgasen einer Abgasquelle, mit einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, welche ausgehend von der Abgasquelle durchströmbar ist, mit einem in der Strömungsstrecke angeordneten Heizkatalysator (1), welcher in Strömungsrichtung (8) betrachtet zuerst einen katalytisch aktiven und durchströmbaren Katalysator (2) aufweist und darauf in Strömungsrichtung (8) folgend eine elektrisch beheizbare Heizscheibe (3) aufweist, wobei im Bereich des Heizkatalysators (1) zumindest ein Auslass einer Sekundärluftzuführung (5, 11) derart angeordnet ist, dass ein als Sekundärluft bezeichneter Gasstrom im Bereich des Heizkatalysators (1) in die Strömungsstrecke zuführbar ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Nachbehandlung von Abgasen einer Abgasquelle, mit einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, welche ausgehend von der Abgasquelle durchströmbar ist, mit einem in der Strömungsstrecke angeordneten Heizkatalysator, welcher in Strömungsrichtung betrachtet zuerst einen katalytisch aktiven und durchströmbaren Katalysator aufweist und darauf in Strömungsrichtung folgend eine elektrisch beheizbare Heizscheibe aufweist.
  • Stand der Technik
  • Zur Verbesserung der Abgasnachbehandlung werden elektrisch beheizbare Katalysatoren eingesetzt, um die Abgastemperatur zu erhöhen und so, insbesondere nach dem Kaltstart eines Verbrennungsmotors, eine schneller wirkungsvolle Abgasnachbehandlung sicherstellen zu können.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Systeme sind regelmäßig derart aufgebaut, dass in Strömungsrichtung des Abgases zunächst eine Heizscheibe eingebaut ist, welche beispielsweise aus einem metallischen Wabenkörper besteht, der einen elektrischen Heizleiter aufweist, und nachfolgend ein sogenannter Stützkatalysator, an welchen die Heizscheibe mechanisch angebunden ist. Der Stützkatalysator und die möglicherweise in Strömungsrichtung nachfolgenden Katalysatoren sind zur eigentlichen Nachbehandlung des Abgases vorgesehen, während die Heizscheibe im Wesentlichen der Erwärmung des Abgases dient.
  • Es sind weiterhin Systeme bekannt, welche in Strömungsrichtung betrachtet bereits vor der Heizscheibe einen durchströmbaren Katalysator aufweisen.
  • Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, dass keine optimale chemische Umwandlung der Abgase an den unterschiedlichen Katalysatoren erreicht werden kann, da entweder die Anordnung der Katalysatoren nicht optimal ist oder die jeweilige Ausrichtung der Katalysatoren nicht optimal ist.
  • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, welche einen im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung optimierten Aufbau aufweist und somit in allen Betriebssituationen einen besonders optimale Nachbehandlung des Abgases, also eine chemische Umsetzung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, erlaubt.
  • Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Nachbehandlung von Abgasen einer Abgasquelle, mit einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, welche ausgehend von der Abgasquelle durchströmbar ist, mit einem in der Strömungsstrecke angeordneten Heizkatalysator, welcher in Strömungsrichtung betrachtet zuerst einen katalytisch aktiven und durchströmbaren Katalysator aufweist und darauf in Strömungsrichtung folgend eine elektrisch beheizbare Heizscheibe aufweist, wobei im Bereich des Heizkatalysators zumindest ein Auslass einer Sekundärluftzuführung derart angeordnet ist, dass ein als Sekundärluft bezeichneter Gasstrom im Bereich des Heizkatalysators in die Strömungsstrecke zuführbar ist.
  • Abgasquellen sind beispielsweise Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung kann unabhängig vom verwendeten Brennstoff der Abgasquelle verwendet werden.
  • Der grundsätzlich bekannte Heizkatalysator, welcher eine Heizscheibe und einen Katalysator aufweist, wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung um 180 Grad gedreht in die Strömungsstrecke angeordnet. Dies in Verbindung mit der Eindüsung der Sekundärluft führt dazu, dass die im Heizkatalysator gespeicherte Schadstoffe, die beispielsweise in dem mit einer adsorbierenden Schicht beaufschlagten Teil des Katalysators gespeichert sind, nicht vor Erreichen der Light-Off Temperatur der Heizscheibe oder eines dem Heizkatalysators folgenden Hauptkatalysators desorbiert werden, und die Heizscheibe und/oder den Hauptkatalysator erreichen. Dies würde zu einer unvollständigen Umsetzung beziehungsweise zum Ausbleiben einer Umsetzung dieser Schadstoffe führen.
  • Der in dem Heizkatalysator vorhandene Katalysator kann mehrere Funktionen erfüllen und auf unterschiedlichste Weise aufgebaut sein. Neben einem keramischen Wabenkörper kann auch ein metallischer Wabenkörper die Basis des Katalysators bilden. Durch unterschiedliche Beschichtungen kann der Katalysator für die Nachbehandlung von unterschiedlichen Schadstoffen im Abgas konfiguriert werden.
  • Mit Sekundärluft wird vorzugsweise Luft aus der Umgebung der Abgasquelle bezeichnet. Hier geht es explizit nicht um ein durch die Verbrennung erzeugtes Gasgemisch. Das Eindüsen der Luft kann durch ein geeignetes Fördersystem, welches beispielsweise eine Pumpe und eine Dosiervorrichtung aufweist, realisiert werden.
  • Die Heizscheibe kann durch einen beschichteten und/oder unbeschichteten Wabenkörper gebildet sein. Ein elektrischer Heizleiter kann in die Wabenstruktur der Heizscheibe eingewickelt sein oder an der Wabenstruktur einströmseitig oder ausströmseitig angebunden sein.
    Die Heizscheibe kann beispielsweise auch durch eine keramische Matrix gebildet sein, welche eine metallische Beschichtung aufweist. Die Beschichtung kann mit einer Spannungsquelle verbunden werden und so unter Ausnutzung des elektrischen Widerstandes eine Heizwirkung erzeugt werden. Es können auch metallische Materialien in eine solche keramische Matrix hineinextrudiert werden, um anschließend in Verbindung mit einer Spannungsquelle als Heizmittel zu wirken.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Katalysator als metallischer Wabenkörper ausgebildet ist. Der Katalysator und/oder die Heizscheibe können beide jeweils als metallischer Wabenkörper oder als keramische Matrix ausgebildet sein. Auch eine Kombination von einem metallischen Wabenkörper und einer keramischen Matrix ist vorsehbar.
  • Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn die Heizscheibe mechanisch mit dem Katalysator verbunden ist, wobei der Katalysator als Stützkatalysator wirkt. Um die Heizscheibe sicher innerhalb der Strömungsstrecke positionieren zu können ist diese mit mechanischen Stützmitteln, beispielsweise durch in die Wabenkörper einsteckbaren Stiften, gegenüber dem Stützkatalysator abgestützt.
  • Ein Stützkatalysator ist somit eine spezielle Ausbildung eines Katalysators, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die nachfolgende Heizscheibe mechanisch gegenüber dem Stützkatalysator abgestützt ist und somit relativ zum Stützkatalysator ortsfest in der Strömungsstrecke ist. In einem Ausführungsbeispiel könnte die Heizscheibe relativ zum Katalysator beispielsweise auch über einen beide Elemente umgebenden Mantel fixiert sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sekundärluft zwischen dem Katalysator und der Heizscheibe in die Strömungsstrecke zuführbar ist.
  • Die Eindüsung der Sekundärluft erfolgt vorzugsweise in Strömungsrichtung nach dem Katalysator oder zumindest erst nach dem mit einer adsorbierenden Beschichtung beaufschlagten Abschnitt des Katalysators, um zu verhindern, dass durch die grundsätzlich nicht mit Schadstoffen beladene Sekundärluft eine Desorption der eventuell bereits in dem adsorbierenden Abschnitt des Katalysators gebundenen Schadstoffe zu verhindern.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärluftzuführung über mehrere Zugabestellen erfolgt. Die Eindüsung über mehrere Zugabestellen ist vorteilhaft, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Sekundärluft über den Strömungsquerschnitt hinweg zu erhalten. Hierzu können beispielsweise um den Umfang der die Strömungsstrecke begrenzenden Wandung mehrere Zugabestellen vorgesehen sein, über welche die Sekundärluft zugeführt werden kann. Dies können beispielsweise Düsen, oder einfach Schlitze sein, die eine Zuführung der Sekundärluft von außen in die Strömungsstrecke hinein ermöglichen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter derart an oder in der Heizscheibe angeordnet ist und ausgelegt ist, dass ein oder mehrere lokale Temperaturmaxima erzeugbar sind, wobei die Lage der Temperaturmaxima an der Heizscheibe mit der Lage von durch die Zugabe der Sekundärluft erzeugbaren Strömungsmaxima der Sekundärluft korrelieren. Hierzu kann insbesondere die Anordnung des Heizleiters entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann der Heizleiter in Schleifen gelegt werden oder in bestimmten Bereichen doppelt gelegt werden, um dort eine erhöhte Heizleistung zu erreichen. Ebenfalls kann der Heizleiter werkstoffseitig so angepasst werden, dass in bestimmten Bereichen beispielsweise aufgrund höherer ohmscher Widerstände eine höhere Heizleitung erreicht wird.
  • Durch die Anordnung der Zugabestellen wird es über den Querschnitt verteilt Strömungsmaxima für die Sekundärluft geben. Um eine gleichmäßige und möglichst schnelle Aufheizung des gesamten aus Abgas und Sekundärluft bestehenden Gasstroms zu erreichen ist es zu bevorzugen, wenn in den Bereichen der Strömungsmaxima der Sekundärluft eine erhöhte Heizleistung gibt.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Sekundärluftzuführung in zumindest eine im Wabenkörper des Katalysators ausgebildete Kaverne hinein erfolgt.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper des Katalysators in Strömungsrichtung von seiner Einströmseite bis hin zur Kaverne mit einer adsorbierenden Beschichtung beschichtet ist, wobei der Wabenkörper von der Kaverne aus bis zur Ausströmseite mit einer oxidierenden Beschichtung beschichtet ist. Dies ist vorteilhaft, um die Adsorption von Schadstoffen in einem Bereich des Katalysators zu ermöglichen, der nicht durch die Sekundärluft beaufschlagt wird. Würde die Sekundärluft bereits in oder vor diesem Bereich zugegeben werden, könnte es ansonsten zu einer ungewollten und insbesondere verfrühten Desorption der adsorbierten Schadstoffe kommen kann. Somit können Schadstoffe zumindest in einem begrenzten Bereich adsorbiert werden und gleichzeitig kann eine vorteilhaft Sekundärluftzugabe innerhalb des Katalysators erfolgen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kaverne in Strömungsrichtung betrachtet in einem Bereich zwischen der Mitte und der Ausströmseite des Katalysators angeordnet ist. Je später die Kaverne in Strömungsrichtung betrachtet angeordnet ist, umso länger kann der Bereich des Katalysators ausgebildet werden, der zur Adsorption von Schadstoffen genutzt werden kann.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn die den Katalysator bildenden Welllagen und Glattlagen in Strömungsrichtung betrachtet nach der zumindest einen Kaverne perforiert ausgebildet sind. Dies begünstigt die Vermischung der Sekundärluft mit dem Abgasstrom über die Querschnittsfläche hinweg und ermöglicht so eine insgesamt homogenere Strömung.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die den Katalysator bildenden Welllagen und Glattlagen in Strömungsrichtung betrachtet nach der zumindest einen Kaverne als Streckmetall ausgebildet sind. Als Streckmetall wird ein netzartig strukturiertes Metall bezeichnet, welches eine Mehrzahl an Öffnungen aufweist, wodurch ein Überströmen zwischen den einzelnen Strömungskanälen ermöglicht wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einem Heizkatalysator, mit einer Sekundärluftzuführung und mit einem Hauptkatalysator,
    • 2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einem Heizkatalysator, mit einer Sekundärluftzuführung, die eine Zuführung von Sekundärluft an mehreren Stellen entlang des Umfangs der Strömungsstrecke ermöglicht und mit einem Hauptkatalysator,
    • 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einem Heizkatalysator, mit einer Sekundärluftzuführung in eine Kaverne des Katalysators und mit einem Hauptkatalysator, und
    • 4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einem Heizkatalysator, mit einer Sekundärluftzuführung in eine Kaverne des Katalysators, wobei die den Stützkatalysator bildenden Metalllagen perforiert sind, und mit einem Hauptkatalysator.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die 1 zeigt, wie auch die 2 bis 4, jeweils eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen. Sich entsprechende Komponenten sind daher mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In den Figuren ist ein Heizkatalysator 1 gezeigt, der aus einem Katalysator 2 und einer in Strömungsrichtung 8 des Abgases nachgelagerten Heizscheibe 3 gebildet ist. Zwischen der Heizscheibe 3 und dem Katalysator 2 ist ein Spalt 6 ausgebildet. Die Heizscheibe 3 ist über eine angedeutete elektrische Kontaktierung 4 mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass die Heizscheibe elektrisch beheizt werden kann.
  • In Strömungsrichtung 8 dem Heizkatalysator 1 nachgelagert ist ein als Hauptkatalysator 7 bezeichneter Katalysator, der stellvertretend für einen oder mehrere weitere Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung steht. Dies können beispielsweise Oxidationskatalysatoren, SCR-Katalysatoren, NH3-Schlupfkatalysatoren oder auch Filterelemente sein.
  • In den Spalt 6 kann über die Sekundärluftzuführung 5 Sekundärluft, also Luft aus der Umgebung, zugeführt werden kann. In der 1 ist eine Zuführung an nur einer Stelle direkt in den Spalt 6 dargestellt.
  • Die 2 zeigt im Unterschied zur 1 eine Zuführung der Sekundärluft an mehreren Stellen in den Spalt 6 hinein. Hierzu ist eine ringförmige Struktur 9 um den Bereich des Spaltes 6 angeordnet, welche mit Sekundärluft durchströmt werden kann, wobei die Sekundärluft dadurch um den Heizkatalysator 1 herumströmen und durch Öffnungen 10 in den Spalt 6 einströmen kann. Diese Zuführung der Sekundärluft an mehreren Stellen gleichzeitig ist beispielhaft.
  • Die 3 zeigt eine alternative Form der Zuführung der Sekundärluft. Der Katalysator 2 weist eine Kaverne 12 auf, die beispielsweise durch Ausschnitte in den den Wabenkörper bildenden Metalllagen gebildet werden kann. In diese Kaverne 12 hinein wird über die Sekundärluftzuführung 11 Sekundärluft direkt in die Kaverne 12 hinein zugegeben. Die Sekundärluft verteilt sich von dort aus über die von der Kaverne 12 geschnittenen Strömungskanäle des Katalysators 2.
  • 4 zeigt einen Aufbau gemäß der 3. Zusätzlich weisen die den Katalysator 2 bildenden Metalllagen Perforationen 13 auf, welche insbesondere ein Überströmen des Abgas-Sekundärluft-Gemisches zwischen den Strömungskanälen des Katalysators 2 ermöglichen und so eine homogenere Verteilung ermöglichen.
  • Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zu Nachbehandlung von Abgasen einer Abgasquelle, mit einer räumlich begrenzten Strömungsstrecke, welche ausgehend von der Abgasquelle durchströmbar ist, mit einem in der Strömungsstrecke angeordneten Heizkatalysator (1), welcher in Strömungsrichtung (8) betrachtet zuerst einen katalytisch aktiven und durchströmbaren Katalysator (2) aufweist und darauf in Strömungsrichtung (8) folgend eine elektrisch beheizbare Heizscheibe (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Heizkatalysators (1) zumindest ein Auslass einer Sekundärluftzuführung (5, 11) derart angeordnet ist, dass ein als Sekundärluft bezeichneter Gasstrom im Bereich des Heizkatalysators (1) in die Strömungsstrecke zuführbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Katalysator (2) als metallischer Wabenkörper ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizscheibe (3) mechanisch mit dem Katalysator (2) verbunden ist, wobei der Katalysator (2) als Stützkatalysator wirkt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurc hgekennzeichnet, dass die Sekundärluft zwischen dem Katalysator (2) und der Heizscheibe (3) in die Strömungsstrecke zuführbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Sekundärluftzuführung (5, 11) über mehrere Zugabestellen (10) erfolgt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter derart an oder in der Heizscheibe (3) angeordnet ist und ausgelegt ist, dass ein oder mehrere lokale Temperaturmaxima erzeugbar sind, wobei die Lage der Temperaturmaxima an der Heizscheibe (3) mit der Lage von durch die Zugabe der Sekundärluft erzeugbaren Strömungsmaxima der Sekundärluft korrelieren.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Sekundärluftzuführung (11) in zumindest eine im Wabenkörper des Katalysators (2) ausgebildete Kaverne (12) hinein erfolgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper des Katalysators (2) in Strömungsrichtung (8) von seiner Einströmseite bis hin zur Kaverne (12) mit einer adsorbierenden Beschichtung beschichtet ist, wobei der Wabenkörper von der Kaverne (12) aus bis zur Ausströmseite mit einer oxidierenden Beschichtung beschichtet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (12) in Strömungsrichtung (8) betrachtet in einem Bereich zwischen der Mitte und der Ausströmseite des Katalysators (2) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzichnet, dass die den Katalysator (2) bildenden Welllagen und Glattlagen in Strömungsrichtung (8) betrachtet nach der zumindest einen Kaverne (12) perforiert ausgebildet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Katalysator (2) bildenden Welllagen und Glattlagen in Strömungsrichtung (8) betrachtet nach der zumindest einen Kaverne (12) als Streckmetall ausgebildet sind.
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