DE102019212166A1

DE102019212166A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102019212166A1
Application number: DE102019212166.7A
Authority: DE
Inventors: Sven Schepers; Peter Hirth
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, mit einem von einem Gas durchströmbaren Wabenkörper (2) aus einem keramischen Grundmaterial, wobei dem keramischen Grundmaterial ein definierter Anteil eines metallischen Stoffes zugefügt ist, wobei der Wabenkörper (2) in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Vorrichtung eine Induktionsspule (4) aufweist, durch welche der Metallanteil im Wabenkörper (2) erhitzbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, mit einem von einem Gas durchströmbaren Wabenkörper aus einem keramischen Grundmaterial, wobei dem keramischen Grundmaterial ein definierter Anteil eines metallischen Stoffes zugefügt ist, wobei der Wabenkörper in einem Gehäuse aufgenommen ist. Außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers.
Stand der Technik
Zur zusätzlichen Aufheizung des Abgasstroms von Verbrennungsmotoren werden unter andrem Heizkatalysatoren verwendet. Unterschiedliche Bauarten dieser Heizkatalysatoren sind bekannt. Unter anderem sind metallische Wabenkörper bekannt, die von einem Abgas durchströmt werden können und durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erhitzt werden können. Durch die Ausnutzung des Ohmschen Widerstandes wird der Wabenkörper infolge des durch ihn fliesenden Stromes erhitzt und die so erzeugte Wärmeenergie wird auf das strömende Abgas und teilweise auch auf die katalytisch aktiven Strukturen im Abgastrakt übertragen. Auf diese Weise kann die Zeit bis zur Erreichung einer kritischen Mindesttemperatur schneller erreicht werden, wodurch die Abgasreinigung früher auf einem höheren Niveau durchgeführt werden kann.
In der Abgasnachbehandlung sind neben Wabenkörpern aus Metall insbesondre auch Wabenkörper aus keramischen Werkstoffen bekannt, welche beispielsweise hinsichtlich der Materialkosten Vorteile aufweisen. Nachteilig an den keramischen Strukturen ist jedoch, dass sie aufgrund ihrer elektrisch isolierenden Eigenschaften nicht durch das Anlegen einer Spannung als Heizelemente verwendet werden können.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, welche einen Katalysator mit einem zumindest teilweise keramischen Wabenkörper aufweist, der kostengünstig herzustellen ist und elektrisch aufheizbar ist. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wabenkörpers geschaffen.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, mit einem von einem Gas durchströmbaren Wabenkörper aus einem keramischen Grundmaterial, wobei dem keramischen Grundmaterial ein definierter Anteil eines metallischen Stoffes zugefügt ist, wobei der Wabenkörper in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Vorrichtung eine Induktionsspule aufweist, durch welche der Metallanteil im Wabenkörper erhitzbar ist.
Durch die Zugabe von einem metallischen Material in das Grundmaterial des keramischen Wabenkörpers kann man einen Wabenkörper erzeugen, der mittels Induktion erhitzt werden kann. Abhängig von der Menge des zugegebenen metallischen Materials kann eine stärkere oder schwächere Erhitzung erreicht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Erhitzung des Wabenkörpers auch ohne direkte Stromeinleitung in den Wabenkörper selbst erfolgen kann. Lediglich die um den Wabenkörper angeordnete Induktionsspule muss mit einer Spannungsquelle verbunden werden.
Die Länge der Induktionsspule und somit der von der Spule umschlossene Teil des Wabenkörpers sind neben dem Metallanteil maßgeblich für die Erhitzung des Wabenkörpers. Je größer der umschlossene Anteil des Wabenkörpers ist und je größer der Metallanteil ist, umso stärker kann der Wabenkörper erhitzt werden.
Es gibt somit im Wesentlichen zwei Stellgrößen zur Einstellung der Heizleistung des Wabenkörpers. Einmal der Anteil des zugegebenen Metalls und zum anderen die von der Induktionsspule umschlossene Fläche des Wabenkörpers.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wabenkörper eine entlang seiner axialen Erstreckungsrichtung und/oder entlang seiner radialen Erstreckungsrichtung homogene Verteilung des metallischen Stoffes aufweist. Es kann ein homogenes Gemisch aus keramischen Grundmaterial und zugegebenen Metall erzeugt werden, woraus letztlich der Wabenkörper erzeugt werden kann. Bei einer vollständig homogenen Verteilung ist die Wärmeerzeugung infolge der Induktionsspule über den gesamten Wabenkörper im Wesentlichen ebenfalls homogen und an allen Stellen gleich. Somit wäre die Wärmeerzeugung in radialer Richtung von der Mittelachse des Wabenkörpers hin zum Außenrand und auch in axialer Richtung entlang der Hauptdurchströmungsrichtung im Wesentlichen homogen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper eine entlang seiner axialen Erstreckungsrichtung und/oder entlang seiner radialen Erstreckungsrichtung inhomogene Verteilung des metallischen Stoffes aufweist.
Durch eine gezielte Zugabe des Metallanteils kann auch eine inhomogene Metallverteilung im Wabenkörper erzeugt werden. Beispielsweise kann beim Drucken eines Wabenkörpers gezielt für einzelne Bereiche ein Material mit erhöhtem Metallanteil genutzt werden. Somit kann man Bereiche höheren Metallanteils erzeugen und Bereiche mit relativ dazu niedrigerem Metallanteil, wodurch auch die Heizleistung unterschiedlich stark ist.
Die Bereiche höheren metallischen Anteils können dabei beispielsweise in radialer Richtung des Wabenkörpers und/oder in axialer Richtung verteilt sein. Dadurch ist eine besonders variable Gestaltung des Wabenkörpers möglich.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper über seinen Querschnitt verteilt einen oder mehrere Bereiche mit einer im Vergleich zu den übrigen Bereichen erhöhten Konzentration des metallischen Stoffes aufweist. Beispielsweise kann ein zentraler Heizbereich ausgebildet werden. Es wäre auch denkbar einen oder mehrere Ringe erhöhten metallischen Anteils zu erzeugen. Ebenso kann der metallische Anteil entlang der axialen Erstreckung variiert werden. Beispielsweise können entlang des Wabenkörpers einzelne Scheiben erhöhten metallischen Anteils erzeugt werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Partikelgröße des metallischen Stoffes zwischen 0,5 µm und 500 µm liegt. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine gute Verarbeitbarkeit sicherzustellen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Mischungsverhältnis zwischen dem keramischen Anteil und dem metallischen Anteil des Wabenkörpers zwischen 10 % und 90 % liegt. Insbesondere die Heizleistung kann durch den relativen Anteil des metallischen Materials im Verhältnis zum keramischen Material gut beeinflusst werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der keramische Wabenkörper eine Zelldichte zwischen 20 und 800 cpsi (cells per square inch) aufweist.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Wabenkörpers zwischen 0,001 und $5 \times 10^{6} \frac{Ω {mm}^{2}}{m^{2}}$
liegt. Für ein bevorzugtes Material, wie beispielsweise Gold liegt dieser bei ungefähr $0,02 \frac{Ω {mm}^{2}}{m^{2}} .$
Der spezifische elektrische Widerstand ist maßgeblich für die Heizleistung des Wabenkörpers.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Induktionsspule schlauchartig ausgeführt ist und den Wabenkörper in Umfangsrichtung umschließt. Die Induktionsspule und insbesondere deren axiale Erstreckung sind maßgebliche Stellgrößen, um die Heizleistung zu beeinflussen. Je größer der von der Induktionsspule umschlossene Anteil des Wabenkörpers ist, umso stärker ist die mögliche Heizleistung.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers zur Abgasnachbehandlung, wobei die Herstellung die folgenden Schritte vorsieht:

▪ Bereitstellung eines pulverförmigen keramischen Bestandteils und eines pulverförmigen metallischen Bestandteils für die Erzeugung des Wabenkörpers,
▪ Mischen der pulverförmigen Bestandteile,
▪ Sintern oder Drucken des Wabenkörpers aus den vermischten pulverförmigen Bestandteilen, und
▪ Brennen zum Zwecke der Einstellung der Porosität.

Insbesondere das Drucken, beispielsweise durch einen 3D-Druck-Prozess, bietet die Möglichkeit eine gezielte Verteilung des Metallanteils im Wabenkörper zu erzeugen.
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 eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers mit einer Induktionsspule, und
2 eine Ansicht möglicher Zellformen für die im keramischen Wabenkörper ausgebildeten Strömungskanäle.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers, welcher in einem Mantelrohr aufgenommen ist. Das Mantelrohr ist innerhalb einer Induktionsspule angeordnet, welche mit einer nicht gezeigten Stromquelle verbunden ist.
Die Induktionsspule kann sich über einen kürzeren oder längeren Abschnitt des Wabenkörpers erstrecken. Ebenso ist es vorsehbar, dass mehrere Induktionsspulen den Wabenkörper an unterschiedlichen Abschnitten ringförmig umschließen.
Die 2 zeigt mit den Buchstaben a bis f gekennzeichnet unterschiedliche Zellgeometrien, die in dem Wabenkörper ausgebildet werden können. Je nach Herstellungsverfahren und Anwendungszweck, kann hier eine geeignete Zellgeometrie erzeugt werden.
Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, mit einem von einem Gas durchströmbaren Wabenkörper (2) aus einem keramischen Grundmaterial, wobei dem keramischen Grundmaterial ein definierter Anteil eines metallischen Stoffes zugefügt ist, wobei der Wabenkörper (2) in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Induktionsspule (4) aufweist, durch welche der Metallanteil im Wabenkörper (2) erhitzbar ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (2) eine entlang seiner axialen Erstreckungsrichtung und/oder entlang seiner radialen Erstreckungsrichtung homogene Verteilung des metallischen Stoffes aufweist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur c h gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (2) eine entlang seiner axialen Erstreckungsrichtung und/oder entlang seiner radialen Erstreckungsrichtung inhomogene Verteilung des metallischen Stoffes aufweist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur c h gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (2) über seinen Querschnitt verteilt einen oder mehrere Bereiche mit einer im Vergleich zu den übrigen Bereichen erhöhten Konzentration des metallischen Stoffes aufweist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des metallischen Stoffes zwischen 0,5 µm und 500 µm liegt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a dur c h gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis zwischen dem keramischen Anteil und dem metallischen Anteil des Wabenkörpers zwischen 10 % und 90 % liegt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Wabenkörper (2) eine Zelldichte zwischen 20 und 800 cpsi (cells per square inch) aufweist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand des Wabenkörpers zwischen 0,001 und $5 \times 10^{6} \frac{Ω {mm}^{2}}{m^{2}}$
liegt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (4) schlauchartig ausgeführt ist und den Wabenkörper (2) in Umfangsrichtung umschließt.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung die folgenden Schritte vorsieht: ▪ Bereitstellung eines pulverförmigen keramischen Bestandteils und eines pulverförmigen metallischen Bestandteils für die Erzeugung des Wabenkörpers (2), ▪ Mischen der pulverförmigen Bestandteile, ▪ Sintern oder Drucken des Wabenkörpers (2) aus den vermischten pulverförmigen Bestandteilen, und ▪ Brennen zum Zwecke der Einstellung der Porosität.