DE102021133853A1

DE102021133853A1 - Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit

Info

Publication number: DE102021133853A1
Application number: DE102021133853.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Oesterle; Stefan Sauer; Martin Straub; Tobias Rathfelder; Steffen Ramin
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit zur Behandlung eines Gasstroms, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, umfasst einen von dem Gasstrom durchströmbaren und elektrisch leitfähigen Grundkörper mit einer stromeingangsseitigen Stirnfläche, mit einer stromausgangseitigen Stirnfläche und mit einer zwischen den Stirnflächen angeordneten Umfangsfläche. Ferner umfasst die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit eine Heizeinrichtung und eine Steuereinrichtung. Die Heizeinrichtung weist zumindest eine Außenelektrode auf, die an der Umfangsfläche angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist. Die Heizeinrichtung weist ferner zumindest eine Grundkörperelektrode auf, die zumindest abschnittsweise in dem Grundkörper angeordnet ist und dort mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass zwischen der zumindest einen Außenelektrode einerseits und der zumindest einen Grundkörperelektrode andererseits eine elektrische Potentialdifferenz ausbildbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit zur Behandlung - insbesondere zur katalytischen Behandlung - eines Gasstroms, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine.
In modernen Kraftfahrzeugen spielt sowohl der Verbrauch, als auch der Ausstoß von Schadstoffen wie beispielsweise Stickoxide eine immer größere Rolle. Dies wird einerseits durch die Abgasvorschriften der regulierenden Behörden gefordert, andererseits nimmt auch das Umweltbewusstsein der Verbraucher immer weiter zu, sodass die Verbraucher bereits in die Kaufentscheidung ökologische Aspekte einfließen lassen.
Zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen werden u.a. Katalysatoren eingesetzt. Konventionelle Katalysatoren umfassen in der Regel einen Katalysatorgrundkörper aus elektrisch nichtleitender Keramik (Wabenkörper mit Kanälen), wobei der Katalysatorgrundkörper mit einem Katalysatormaterial (beispielsweise Metalle der Platin Gruppe, sogenannte Platin Group Metals - PGM) beschichtet ist. Das Katalysatormaterial wird in einer sehr dünnen und porösen Schicht auf den Grundkörper aufgebracht (sogenanntes WashCoat).
Katalysatoren können erst nach Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur - auch „Anspringtemperatur“ oder light-off Temperatur genannt - Schadstoffemissionen effizient umsetzen, d.h. in weniger schädliche Gasemissionen umwandeln. Diese Mindesttemperatur liegt bei etwa 250°C bis 280°C kann aber bei gealterten Katalysatoren auch bis zu etwa 400°C bis 800°C betragen. Um diese Temperaturen zu erreichen, wird der Katalysator durch die ihn durchströmenden heißen Abgase aus dem Verbrennungsmotor erwärmt. Je nachdem wo der Katalysator in der Abgasanlage angeordnet ist, je motornäher desto besser, kann es einige Zeit in Anspruch nehmen, bis der Katalysator die benötigte Mindesttemperatur erreicht hat. Eine Möglichkeit, um die Mindesttemperatur schneller zu erreichen, besteht darin, den Katalysator zu beheizen. Hierzu kann eine dem Grundkörper vorgeschaltete Heizscheibe am Katalysatorgrundkörper vorgesehen sein, welche erhitzte Luft in den Grundkörper einträgt und damit den Katalysator vorheizt.
Zur deutlichen Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der light-off Temperatur tragen direkt beheizbare Katalysatoren bei (electrically heated catalysts - EHC). Konventionelle Katalysatoren lassen sich üblicherweise nicht zu Heizzwecken bestromen, da der poröse WashCoat hierfür nicht geeignet ist.
Bei EHC wird über das Anlegen einer elektrischen Spannung direkt am Katalysatorgrundkörper eine Potentialdifferenz und damit letztlich durch eine Widerstandheizung eine Erwärmung des Katalysators bewirkt. Um dies zu ermöglichen, ist der elektrisch beheizbare Katalysatorgrundkörper aus einem leitfähigen Material gefertigt. Eine an dem leitfähigen Material angelegte Spannung führt durch die daraus resultierende Potentialdifferenz durch den elektrischen Widerstand des leitfähigen Materials zu einer Erwärmung des Katalysators. Eine vollständige Erwärmung, d.h. eine Erwärmung des gesamten Katalysatormaterials, insbesondere im Inneren des Katalysators, benötigt aber auch bei den bekannten direkt beheizbaren Katalysatoren eine gewisse Zeit, was wiederum dazu führt, dass der Katalysator erst nach dieser gewissen Zeit voll funktionsfähig ist, um die Schadstoffe größtenteils aus dem Abgas in unschädliche Stoffe umzuwandeln.
Zusätzlich oder alternativ zu Katalysatoren können auch Abgasfilter oder Reinigungseinheiten anderer Wirkart in Fahrzeugen eingesetzt werden (z.B. nichtkatalytische Filter oder Reinigungseinheiten). Beispielsweise werden in einem Partikelfilter partikelförmige Schadstoffe, wie beispielsweise Rußpartikel, an Wänden der gasführenden Kanäle abgeschieden. Zur Regeneration der Abgasfilter ist eine erhöhte Temperatur bzw. eine Mindesttemperatur erforderlich, um die abgeschiedenen Schadstoffe an den Wänden der Kanäle durch beispielsweise Verbrennung zu reinigen. Zum Erreichen der benötigten Temperatur kann der Abgasfilter direkt oder indirekt beheizt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine schnellere Aufheizung und somit ein schnelleres Erreichen der Mindesttemperatur beispielsweise eines Katalysators oder einer Reinigungseinheit anderer Bauart ermöglicht als bekannte Vorrichtungen aus dem Stand der Technik.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit zur Behandlung - insbesondere zur katalytischen Behandlung - eines Gasstroms, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, einen elektrisch leitfähige Grundkörper, eine Heizeinrichtung und eine der Heizeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung auf. Der elektrisch leitfähige Grundkörper weist eine stromeingangsseitige Stirnfläche, eine stromausgangseitige Stirnfläche und eine zwischen den Stirnflächen angeordneten Umfangsfläche auf und wird von dem Gasstrom durchströmt. Die Heizeinrichtung umfasst zumindest eine Außenelektrode, die an der Umfangsfläche angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist, und zumindest eine Grundkörperelektrode, die zumindest abschnittsweise in dem Grundkörper angeordnet ist und dort mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass zwischen der zumindest einen Außenelektrode einerseits und der zumindest einen Grundkörperelektrode andererseits eine elektrische Potentialdifferenz ausbildbar ist.
Die Brennkraftmaschine kann als ein Verbrennungsmotor, beispielsweise als Ottomotor oder Dieselmotor, ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschine kann auch andere Brennverfahren umsetzen, beispielsweise ein Miller-Brennverfahren, oder andere Brennstoffe verwenden, beispielsweise synthetische Brennstoffe oder Wasserstoffe. Bei einem Betrieb solch einer Maschine entstehen Schadstoffe. Die Schadstoffkonzentrationen können stark von den Betriebsbedingungen abhängen, beispielsweise von der Art des Kraftstoffs, der Konzentration des Kraftstoffs im verwendeten Kraftstoff-Luft-Gemisch, der Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs, der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors.
Die durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgase bilden einen Gasstrom. Die Abgase werden über eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung nach außen geleitet, d.h. an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst in der Regel zumindest einen Grundkörper, der von dem Gasstrom, im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers, durchströmt wird. Der Begriff „im Wesentlichen“ bezieht sich hierbei darauf, dass der Gasstrom vor allem an der stromeingangsseitigen Stirnfläche (also am Eingang des Grundkörpers) und an der stromausgangsseitigen Stirnfläche (also am Ausgang des Grundkörpers), beispielsweise bauartbedingt, nicht parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers verlaufen kann. Auch im Inneren des Grundkörpers können Strömungsabweichungen, beispielsweise kleiner 20° zu einer Längsachse des Grundkörpers möglich sein. Durch die im Wesentlichen parallele Strömung des Abgases zu einer Längsachse des Grundkörpers kann ein geringer Abgasgegendruck innerhalb der Abgasanlage erreicht werden, was einen Leistungsverlust und einen Mehrverbrauch der Brennkraftmaschine verringert.
Der elektrisch leitfähige Grundkörper eines elektrisch beheizbaren Katalysators (EHC's) oder anderer Reinigungseinheiten wird bislang oftmals aus Metall aufwändig gefertigt. Unter Verwendung eines semi-keramischen Trägermaterials, das beispielsweise durch Hinzufügen von metallischen Zusätzen (Additiven) in ein Keramik-Substrat vor dem Sinterprozess ebenfalls elektrisch leitfähig und direkt beheizbar gemacht werden kann, können die Vorzüge einer Keramik, wie beispielsweise einer deutlich geringeren Dichte und damit Gewichtsvorteile oder geringere Produktionskosten, gegenüber metallischen Trägern ausgenutzt werden. Vorteil beim direkten Beheizen des keramischen Grundkörpers, der elektrisch bestromt und beheizt werden kann, ist ein höherer Wirkungsgrad und ein schnelleres Heizverhalten, da im Gegensatz zu beheizbaren Katalysatoren/Reinigungseinheiten mit Hilfe einer Heizscheibe die Beheizung nicht über den Umweg erwärmter Luft gegangen werden muss, d.h. die Heizscheibe erwärmt Luft, die dem Grundkörper des Katalysators/der Reinigungseinheit zugeführt wird und somit den Grundkörper indirekt erwärmt. Bei einem EHC/einer Reinigungseinheit mit elektrisch leitfähigem Substrat wird der Grundkörper direkt bestromt und damit direkt erwärmt.
Der elektrisch leitfähige Grundkörper einer Reinigungseinheit wie beispielsweise ein Katalysator oder ein Partikelfilter kann dabei in Wabenform angeordnete Kanäle aufweisen. Durch die Wabenform, insbesondere durch dünnwandige Kanäle, wird eine Oberfläche des Grundkörpers erhöht. Durch die dünnwandigen Kanäle und die damit erhöhte Oberfläche des Grundkörpers einer als Katalysator ausgebildeten Reinigungseinheit können aus dem Gasstrom der Brennkraftmaschine mehr Abgase in unbedenkliche Stoffe umgewandelt werden, da durch die erhöhte Oberfläche mehr Abgasvolumen in Kontakt mit der katalytisch aktiven Beschichtung (PGM WashCoat) kommt. Auf der Oberfläche des Grundkörpers sind dazu Edelmetalle aufgebracht, wie beispielsweise Rhodium, Platin und Palladium, durch die die Schadstoffe katalytisch umgewandelt werden.
Die zumindest eine Außenelektrode und die zumindest eine Grundkörperelektrode sind als elektrisch leitende Elemente ausgebildet. Die Außenelektrode kann auch als Anode und die Grundkörperelektrode als Kathode fungieren, oder umgekehrt.
Die Elektroden kontaktieren - direkt oder indirekt - die elektrisch leitfähige Wabenstruktur des Grundkörpers. Die elektrische Kontaktierung von elektrisch beheizbaren Reinigungseinheiten mit einem elektrisch leitfähigen Substrat (ELS), wie beispielsweise einer elektrisch leitfähigen Keramik, kann eine Herausforderung darstellten. Das ELS kann hierzu an irgendeinem Punkt mit einer metallischen Schnittstelle versehen werden, also einer direkten Verbindung zwischen Metall und der ELS, um einen elektrischen Strom von einer Stromquelle (beispielsweise einer Batterie bzw. einer Leistungselektronik oder Endstufe) in das ELS einbringen bzw. eine elektrische Spannung anlegen zu können. Dabei sollte diese Anbindung so gewählt werden, dass eine für die Heizleistung effektive Bestromung möglich ist.
Durch das Anlegen einer äußeren Spannung an den Elektroden baut sich eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Außenelektrode und der Grundkörperelektrode auf, so dass ein elektrischer Strom fließt. Der elektrisch leitfähige Grundkörper stellt dabei einen elektrischen Widerstand dar, der zu einer Erwärmung führt. Mit Hilfe der Steuereinrichtung kann der Stromfluss zwischen den Elektroden und somit die Erwärmung des Grundkörpers gesteuert werden. Je größer dieser Stromfluss ist, desto heißer wird der elektrisch leitfähige Grundkörper bzw. desto schneller erwärmt sich der elektrisch leitfähige Grundkörper und - bei einem Katalysator - damit auch die auf dem Grundkörper aufgebrachte katalytische Beschichtung (PGM WashCoat). Analoges gilt bei Reinigungseinheiten anderer Bauart, insbesondere bei Partikelfiltern.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend und in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Grundkörper eine Querschnittsfläche aufweisen, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Grundkörpers sein kann. Die Querschnittsfläche des Grundkörpers kann auch dreh- oder rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse des Grundkörpers sein. Die Symmetrieebene oder die Symmetrieachse können im Wesentlichen in Strömungsrichtung des Gasstromes verlaufen. Der Grundkörper kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. In anderen Ausführungsformen weist der Grundkörper einen im Wesentlichen polygonalen oder ovalen Querschnitt auf. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der Grundkörper an der stromeingangsseitigen Stirnfläche eine andere Querschnittsform aufweist als an der stromausgangsseitigen Stirnfläche. Eine symmetrische Ausgestaltung des Grundkörpers relativ zu einer Symmetrieebene oder einer Symmetrieachse kann vorteilhaft bei der Herstellung des Grundkörpers sein, insbesondere, wenn die Herstellung des Grundkörpers beispielsweise durch Extrusion erfolgt.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Grundkörper zumindest zwei separate Körperteilelemente umfassen. Die zumindest zwei Körperteilelemente können durch die zumindest eine Grundkörperelektrode zumindest abschnittsweise miteinander verbunden sein. Entsprechende Herstellungsverfahren sind weiter unten noch detaillierter beschrieben. Die Anzahl der separaten Körperteilelemente kann von der Anzahl der zwischen den Körperteilelementen angeordneten Grundkörperelektroden abhängig sein, beispielsweise kann die Anzahl der Körperteilelemente um eins größer sein als die Anzahl der Grundkörperelektroden. Die zumindest zwei separaten Körperteilelemente können insbesondere vollflächig durch die zumindest eine Grundkörperelektrode miteinander verbunden sein, wobei die Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch löten, schweißen oder kleben, sein kann. In einigen Fällen kann die Verbindung der zumindest zwei separaten Körperteilelemente formschlüssig oder kraftschlüssig sein.
Bevorzugt erstreckt sich die zumindest eine Außenelektrode in axialer Richtung über mehr als 50% einer axialen Länge, insbesondere über die im Wesentlichen gesamte Länge des Grundkörpers. Die axiale Länge des Grundkörpers kann beidseitig durch die stromeingangsseitige Stirnfläche und die stromausgangsseitige Stirnfläche des Grundkörpers begrenzt sein. Die zumindest eine Außenelektrode kann im Wesentlichen, beispielsweise bis ganz oder nahe an die Stirnflächen des Grundkörpers ausgebildet sein, d.h. die zumindest eine Außenelektrode kann so ausgebildet sein, dass die zumindest eine Außenelektrode abschnittsweise nicht ganz den Rand, d.h. die stromeingangsseitige Stirnfläche und/oder die stromausgangsseitige Stirnfläche, des Grundkörpers erreicht. Die zumindest eine Außenelektrode kann auch Unterbrechungen, beispielsweise Löcher, aufweisen, sodass keine durchgängige Struktur der zumindest einen Außenelektrode über die axiale Länge des Grundkörpers ausgebildet ist. Eine im Wesentlichen über die gesamte Länge des Grundkörpers ausgebildete Außenelektrode kann den Vorteil haben, dass die im Wesentlichen gesamte Länge des Grundkörpers zur Beheizung des Grundkörpers genutzt wird. Unterbrechungen in der zumindest einen Außenelektrode hingegen können vorteilhaft sein, um einzelne Bereiche des Grundkörpers mehr oder weniger zu beheizen bzw. zu erwärmen.
In einer alternativen Ausführungsform kann sich die zumindest eine Außenelektrode in axialer Richtung über maximal 10%, 15%, 25% oder 50% einer axialen Länge des Grundkörpers, insbesondere beginnend an einer stromeingangsseitigen Stirnfläche erstrecken. Die zumindest eine Außenelektrode kann im Wesentlichen, beispielsweise bis ganz oder nahe an die stromeingangsseitige Stirnfläche des Grundkörpers ausgebildet sein, d.h. die zumindest eine Außenelektrode kann so ausgebildet sein, dass die zumindest eine Außenelektrode abschnittsweise nicht ganz den Rand, d.h. die stromeingangsseitige Stirnfläche, des Grundkörpers erreicht. Eine derart begrenzte Außenelektrode beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers kann den Vorteil haben, dass insbesondere ein Eingangsbereich des Grundkörpers schnell und effizient auf die benötigte Mindesttemperatur gebracht werden kann, um das einströmende Abgas zu reinigen. Das im Eingangsbereich erhitzte Gas erwärmt dann effizient stromabwärtige Bereiche des Grundkörpers.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Außenelektrode in Umfangsrichtung geschlossen sein. Die Umfangsrichtung der Außenelektrode kann sich über die zwischen den Stirnflächen angeordnete Umfangsfläche des Grundkörpers erstrecken. Die zumindest eine Außenelektrode kann Unterbrechungen in Umfangsrichtung, beispielsweise Löcher, aufweisen, sodass keine durchgängige Struktur der zumindest einen Außenelektrode über die Umfangsfläche des Grundkörpers ausgebildet ist. Durch Unterbrechungen in der zumindest einen Außenelektrode ist es beispielsweise möglich, einzelne Stellen des Grundkörpers gezielt zu bestromen und damit zu erwärmen.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit zwei oder mehrere Außenelektroden umfassen, die voneinander beabstandet an der Umfangsfläche angeordnet sind, um eine gewünschte Erwärmungscharakteristik zu erzielen. Die zwei oder mehr Außenelektroden können mit jeweils gleichen elektrischen Potentialen oder unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden. Die zwei oder mehr Außenelektroden sind mit der Steuereinrichtung verbunden, die eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den zwei oder mehr Außenelektroden einerseits und der zumindest einen Grundkörperelektrode andererseits ausbildet.
Beispielsweise können die zwei oder mehr Außenelektroden an der Umfangsfläche in Umfangsrichtung verteilt, bevorzugt gleichverteilt angeordnet sein. Die Außenelektroden können insbesondere in Bezug auf eine Symmetrieebene des Grundkörpers einander gegenüberliegend angeordnet sein. Ferner ist es möglich, dass die Außenelektroden in Bezug auf eine Symmetrieachse des Grundkörpers einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Grundkörper kann eine oder mehrere Symmetrieebenen und eine oder mehrere Symmetrieachsen aufweisen. Durch die Verteilung der zwei oder mehr Außenelektroden an der Umfangsfläche des Grundkörpers kann je nach Anordnung der zumindest einen Grundkörperelektrode die Potentialdifferenz zwischen der jeweiligen Außenelektrode und der zumindest einen Grundköperelektrode so ausbildbar sein, dass eine schnellere Erwärmung von Teilbereichen des Grundkörpers ermöglicht wird.
Insbesondere erstreckt sich die zumindest eine Grundkörperelektrode in axialer Richtung durch den Grundkörper hindurch. Die Grundkörperelektrode kann beispielsweise die stromeingangsseitige Stirnfläche und/oder die stromausgangseitige Stirnfläche des Grundkörpers zumindest abschnittsweise durchdringen. In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich die zumindest eine Grundkörperelektrode in axialer Richtung über mehr als 50%, bevorzugt mehr als 70% einer axialen Länge des Grundkörpers. Es ist auch möglich, dass sich die zumindest eine Grundkörperelektrode in axialer Richtung über maximal 10%, 15%, 25% oder bis zu 50% einer axialen Länge des Grundkörpers, insbesondere beginnend an einer stromeingangsseitigen Stirnfläche erstreckt. Die zumindest eine Grundkörperelektrode kann im Wesentlichen, beispielsweise bis ganz oder nahe an die stromeingangsseitige Stirnfläche des Grundkörpers ausgebildet sein, d.h. die zumindest eine Grundkörperelektrode kann so ausgebildet sein, dass die zumindest eine Grundkörperelektrode abschnittsweise nicht ganz den Rand, d.h. die stromeingangsseitige Stirnfläche, des Grundkörpers erreicht. Eine derart begrenzte Grundkörperelektrode beginnend an der stromeingangsseitigen Stirnfläche des Grundkörpers kann den Vorteil haben, dass insbesondere ein Eingangsbereich des Grundkörpers schnell und effizient auf die benötigte Mindesttemperatur gebracht werden kann, um das einströmende Abgas zu reinigen. Das im Eingangsbereich erhitzte Gas erwärmt dann effizient stromabwärtige Bereiche des Grundkörpers.
Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die zumindest eine Grundkörperelektrode in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Grundkörpers durch diesen hindurch. Die Grundkörperelektrode kann den Grundkörper zumindest abschnittsweise durchdringen, insbesondere den Grundkörper in zwei oder mehrere Körperteilelemente teilen. Durch diese besondere Art der Anordnung der Grundkörperelektrode und der daraus resultierenden Trennung des Grundkörpers in zumindest zwei Körperteilelemente, kann von einer Sandwichbauweise der Reinigungseinheit gesprochen werden. Bei dieser Sandwichbauweise ist in der Regel eine deutlich höhere Strom- bzw. Leistungsdichte erreichbar, so dass bei gleicher Spannung eine größere Heizleistung erzielt wird. Dies kann zu einem schnelleren Erreichen der Mindesttemperatur (light-off Temperatur) im Substrat führen. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Grundkörperelektrode Unterbrechungen, beispielsweise Löcher aufweisen und/oder abschnittweise nicht ganz an die Umfangsfläche des Grundkörpers heranreichen, sodass die Grundkörperelektrode (abschnittsweise) im Inneren des Grundkörpers endet.
Die zumindest eine Grundkörperelektrode kann parallel zu oder in einer Symmetrieebene und/oder Symmetrieachse oder Längsachse des Grundkörpers angeordnet sein. Die Grundkörperelektrode ist beispielsweise so ausgebildet, dass sie die Strömung des Gasstroms durch eine Wabenstruktur des Grundkörpers möglichst wenig behindert.
Die zumindest eine Grundkörperelektrode kann zumindest abschnittsweise eben, insbesondere vollständig eben ausgestaltet sein. Dies kann vorteilhaft bei der Herstellung des Grundkörpers sein, da die zumindest eine Grundkörperelektrode wie oben beschrieben die separaten Körperteilelemente des Grundkörpers verbindet.
Es ist aber auch möglich, dass die zumindest eine Grundkörperelektrode zumindest abschnittsweise gekrümmt, insbesondere zylinderförmig, ausgestaltet ist. Eine insbesondere zylinderförmige Ausgestaltung der Grundkörperelektrode kann vor allem bei einer ebenfalls zylinderförmigen Ausgestaltung des Grundkörpers Vorteile haben, da sich zwischen der zylinderförmig ausgebildeten Grundkörperelektrode und der sich auf der Umfangsfläche des zylinderförmigen Grundkörpers angeordneten Außenelektrode, welche dann ebenfalls zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet ist, ein homogenes elektrisches Feld bilden kann.
Die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit kann zwei oder mehrere Grundkörperelektroden umfassen. Die zwei oder mehr Grundkörperelektroden können beabstandet zueinander angeordnet sein. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weitere zusätzliche Potentialebenen einzufügen. Dadurch lässt sich eine deutlich höhere Strom- bzw. Leistungsdichte in den Bereichen zwischen den Elektroden realisieren. Je größer die Anzahl der Körperteilelemente, d.h. je mehr Potenzialebenen eingefügt werden, desto höher kann die potentiell denkbare Leistungsdichte sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es durch eine Vielzahl von zusätzlichen Potentialebenen möglich ist, mit einem weniger gut leitenden Material höhere Heizleistungen zu realisieren und/oder eine homogene Temperaturverteilung zu erzielen.
Beispielsweise können die zwei oder mehrere Grundkörperelektroden parallel versetzt zueinander oder koaxial zueinander in dem Grundkörper angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft für die Ausbildung eines homogenen elektrischen Feldes zwischen den zwei oder mehreren Grundkörperelektroden und kann zu einem schnelleren Erwärmen des Grundkörpers beitragen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die zumindest eine Grundkörperelektrode eine leitfähige Platte oder eine leitfähige Folie sein. Die leitfähige Platte kann beispielsweise als dünnes, elektrisch leitfähiges Blech ausgebildet sein. Für eine ebene Ausgestaltung der zumindest einen Grundkörperelektrode kann sich eine leitfähige Platte fertigungstechnisch als vorteilhaft erweisen. Eine leitfähige Folie kann für gekrümmte Grundkörperelektroden aufgrund der Flexibilität der Folie Vorteile bieten. Prinzipiell ist es jedoch möglich, sowohl mit einer leitfähigen Platte als auch mit einer leitfähigen Folie ebene und gekrümmte Ausgestaltungen der zumindest einen Grundkörperelektrode zu realisieren.
Die zumindest eine Grundkörperelektrode kann auch eine leitfähige Beschichtung sein. Die leitfähige Beschichtung kann als eine metallische Schicht ähnlich wie bei bekannten Leiterplatten ausgestaltet sein. Dadurch kann die zumindest eine Grundkörperelektrode als sehr dünne Schicht zwischen den Körperteilelementen des Grundkörpers ausbildbar sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage, die eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Abgasanlage der vorstehend beschriebenen Art verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Grundkörpers für eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit, welches folgende Schritte aufweist: ein Extrudieren eines elektrisch leitfähigen Materials zu einem Körperelement, ein Trennen des Körperelements in zumindest zwei separate Körperteilelemente, ein Sintern der zumindest zwei separaten Körperteilelemente, und ein Verbinden, insbesondere ein vollflächiges Verbinden, der zumindest zwei Körperteilelemente durch die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode.
Bei der Extrusion werden feste bis dickflüssige härtbare Materialien unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung, beispielsweise einer Düse, herausgepresst. Dabei entsteht ein Körperelement mit dem Querschnitt der formgebenden Öffnung in theoretisch beliebiger Länge. Als härtbares Material kann insbesondere Keramik verwendet werden. Eine elektrische Leitfähigkeit des Materials, insbesondere der Keramik, kann durch Hinzufügen von metallischen Zusätzen vor dem Extrudieren des Materials erreicht werden. Das durch Extrusion erzeugte Körperelement wird vor dem Sintern in zumindest zwei separate Körperteilelemente getrennt, beispielsweise durch Sägen oder Schneiden mit Hilfe eines Drahtes. Die zumindest zwei Körperteilelemente erhalten erst durch die Temperaturbehandlung des Sinterns ihre endgültigen Eigenschaften, wie beispielsweise Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit. Nach dem Sinterprozess werden die zumindest zwei Körperteilelemente durch die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode verbunden. Dabei kann die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode dadurch entstehen, dass jeweils an der durch Trennung entstandenen Trennschicht der zumindest zwei separaten Körperteilelemente eine elektrisch leitfähige Platte, eine elektrisch leitfähige Folie oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufgebracht wird. Die zumindest zwei separaten Körperteilelemente werden also letztlich durch die aufgebrachte Grundkörperelektrode miteinander verbunden.
Gemäß einem alternativen Herstellungsverfahren ist ein Extrudieren eines elektrisch leitfähigen Materials zu zumindest zwei separate Körperteilelemente, ein Sintern der zumindest zwei separaten Körperteilelemente und ein Verbinden, insbesondere ein vollflächiges Verbinden, der zumindest zwei Körperteilelemente durch die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode vorgesehen. Dieses Herstellungsverfahren unterscheidet sich zum vorangegangenen Herstellungsverfahren darin, dass die Herstellung der zumindest zwei separaten Körperteilelemente nicht durch Trennen eines extrudierten Körperelements erfolgt, sondern bereits beim Extrudieren zumindest zwei Körperteilelemente entstehen. Die weiteren Verfahrensschritte des Sinterns und des Verbindens der zumindest zwei extrudierten Körperteilelemente werden in gleicher Weise durchgeführt wie im vorangegangenen Herstellungsverfahren beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit zwei Außenelektroden und einer ebenen Grundkörperelektrode,
1B zeigt eine Frontansicht der Ausführungsform gemäß 1A,
2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit zwei Außenelektroden und drei ebenen Grundkörperelektroden,
2B zeigt eine Frontansicht der Ausführungsform gemäß 2A,
3A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit zwei Außenelektroden und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode,
3B zeigt eine Frontansicht der Ausführungsform gemäß 3A,
4A zeigt eine Frontansicht einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit einer Außenelektrode und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode,
4B zeigt eine Frontansicht einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit vier Außenelektroden und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode,
4C zeigt eine Frontansicht einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit einer Außenelektrode und zwei zylinderförmigen Grundkörperelektroden,
5A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit auf den Eingangsbereich begrenzten Außen- und Grundkörperelektroden,
5B zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit auf den Eingangsbereich begrenzten Außen- und Grundkörperelektroden, und
5C zeigt eine perspektivische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit mit auf den Eingangsbereich begrenzten Außen- und Grundkörperelektroden.

1A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 zur (im vorliegenden Beispiel katalytischen) Behandlung eines Gasstroms mit einem elektrisch leitfähigen Katalysatorgrundkörper 114, zwei Außenelektroden 106 und einer ebenen Grundkörperelektrode 108. Der Katalysatorgrundkörper 114 ist in der dargestellten Ausführungsform zylinderförmig ausgestaltet und in seiner Ausdehnung von einer stromeingangsseitigen Stirnfläche 110, einer stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 und einer zwischen den Stirnflächen 110, 112 angeordneten Umfangsfläche 104 begrenzt. Innerhalb des durch die Stirnflächen 110, 112 und die Umfangsfläche 104 begrenzten Raumes weist der Katalysatorgrundkörper 114 eine Wabenstruktur 102 auf, wobei die Wabenstruktur 102 eine Vielzahl dünnwandiger Kanäle ausbildet. Die Kanäle der Wabenstruktur 102 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 116 eines Gasstroms, wie nachfolgend noch detaillierter erklärt wird. Der Katalysatorgrundkörper 114 kann aber auch andersartig geformt sein. Der Katalysatorgrundkörper 114 weist bevorzugt eine Querschnittsfläche auf, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene E ist, in der beispielsweise die Grundkörperelektrode 108 liegt. Es ist auch möglich, dass die Querschnittsfläche des Katalysatorgrundkörpers 114 dreh- oder rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse A ausgestaltet ist. Die Symmetrieachse A entspricht im dargestellten Beispiel der Längsachse des Katalysatorgrundkörpers 114. In der in 1A dargestellten Ausführungsform umfasst der Katalysatorgrundkörper 114 zwei separate Körperteilelemente 122, die durch eine Grundkörperelektrode 108 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollflächig miteinander verbunden sind.
Die Grundkörperelektrode 108 erstreckt sich in einer Richtung quer zu einer Längsachse, beispielsweise quer zu der Symmetrieachse A, des Katalysatorgrundkörpers 114 und ist praktisch vollständig in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Letztlich durchdringt die Grundkörperelektrode 108 zumindest abschnittsweise den Katalysatorgrundkörper 114. Sie ist mit dem Katalysatorgrundkörper 114 elektrisch leitend verbunden. Wie in 1A gezeigt, kann die Grundkörperelektrode 108 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig eben ausgestaltet sein. Die Grundkörperelektrode 108 kann als eine leitfähige Platte, als eine leitfähige Folie oder als eine leitfähige Beschichtung ausgebildet sein.
Die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit 100 umfasst in der Ausführungsform von 1A ferner zwei Außenelektroden 106, die voneinander beabstandet an der Umfangsfläche 104 des Katalysatorgrundkörpers 114 angeordnet sind. Die Außenelektroden 106 sind mit der Umfangsfläche 104 elektrisch leitend verbunden, wobei sich die Außenelektroden 106 über die im Wesentlichen gesamte Länge des Katalysatorgrundkörpers 114 erstrecken. In anderen Ausführungsformen ist es möglich, dass sich die zumindest eine Außenelektrode 106 über mehr als 50%, beispielsweise 55% oder 60% oder 75% oder 80% oder 90%, der Länge des Katalysatorgrundkörpers 114 erstreckt.
Der Katalysatorgrundkörper 114 wird von dem Gasstrom in Strömungsrichtung 116 des Gasstroms durchströmt, wobei der Gasstrom an der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 des Katalysatorgrundkörpers 114 in den Katalysatorgrundkörper 114, insbesondere in die dünnen Kanäle der Wabenstruktur 102, einströmt. Der Gasstrom wird dabei in Strömungsrichtung 116 durch die Wabenstruktur 102 des Katalysatorgrundkörpers 114 geleitet, bis der Gasstrom an der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 des Katalysatorgrundkörpers 114 wieder austritt.
Die Außenelektroden 106 und die Grundkörperelektrode 108 bilden eine Heizeinrichtung der Reinigungseinheit 100. Durch Anlegen beispielsweise eines negativen elektrischen Potentials 120 (Minus-Pol) an den Außenelektroden 106 und eines positiven elektrischen Potentials 118 (Plus-Pol) an der Grundkörperelektrode 108 wird ein Spannungsfeld zwischen den Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108 erzeugt. Es ist auch möglich, die Außenelektroden 106 mit einem positiven elektrischen Potential 118 und die Grundkörperelektrode 108 mit einem negativen elektrischen Potential 120 zu beaufschlagen. Durch die unterschiedliche Polung der Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108 bildet sich eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108. Die Ausbildung der Potentialdifferenz kann durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt), welche der Heizeinrichtung zugeordnet ist, bedarfsgerecht gesteuert werden. Bei Anliegen einer Spannung fließt ein elektrischer Strom zwischen der Grundkörperelektrode 108 und den Außenelektroden 106. Der elektrische Strom bewirkt dabei, dass sich Bereiche, in dieser Ausführungsform insbesondere zwei Bereiche, zwischen der Grundkörperelektrode 108 und den Außenelektroden 106, aufgrund eines elektrischen Widerstands, thermisch erwärmen und somit der Katalysatorgrundkörper 114 beheizt wird.
Durch diese Anordnung und Steuerung kann ein schnelleres Erreichen der Mindesttemperatur des Katalysatorgrundkörpers 114, vor allem bei Kaltstartphasen, d.h. in Situationen in denen der Katalysatorgrundkörper 114 noch nicht durch die ihn durchströmenden Abgase erwärmt ist, erreicht werden. Die bedarfsgerechte Steuerung mittels der Steuereinheit ermöglicht es die Erwärmung des Katalysatorgrundkörpers 114, beispielsweise wenn der Katalysatorgrundkörper 114 noch kalt ist, zu erhöhen und bei zunehmender Erwärmung des Katalysatorgrundkörpers 114 die Heizleistung zu verringern. Ebenfalls ist eine sensorabhängige Steuerung der Erwärmung des Katalysatorgrundkörpers 114 möglich. So kann die Heizleistung in Abhängigkeit von Sensorsignalen, beispielsweise einer LambdaSonde, Temperatursensoren, etc., über die Steuereinheit bedarfsgerecht geregelt werden.
1B zeigt die eben beschriebene Reinigungseinheit 100 in einer Frontansicht. Die Grundkörperelektrode 108 ist parallel zu der Symmetrieebene E des Katalysatorgrundkörpers 114 angeordnet. Die Außenelektroden 106 sind an der Umfangsfläche 104 in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet, nämlich einander gegenüberliegend. Durch Anlegen eines negativen elektrischen Potentials 120 (Minus-Pol) an den Außenelektroden 106 und eines positiven elektrischen Potentials 118 (Plus-Pol) an der Grundkörperelektrode 108 wird ein Spannungsfeld zwischen den Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108 erzeugt. Die zwei Bereiche zwischen der Grundkörperelektrode 108 und den Außenelektroden 106 werden dadurch thermisch erwärmt.
2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei Außenelektroden 106 und drei ebenen Grundkörperelektroden 108. Der Katalysatorgrundkörper 114 weist einen kreisrunden Querschnitt auf, wobei auch andere Querschnittsformen denkbar sind. Die zwei Außenelektroden 106 sind einander gegenüberliegend an der Umfangsfläche 104 des Katalysatorgrundkörpers 114 angeordnet. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1A, B umfasst die Heizeinrichtung der Reinigungseinheit 100 drei Grundkörperelektroden 108. Die Grundkörperelektroden 108 sind parallel zueinander versetzt in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Der Katalysatorgrundkörper 114 wird durch die drei Grundkörperelektroden 108 in vier Körperteilelemente 122 aufgeteilt, d.h. die drei Grundkörperelektroden 108 teilen den Katalysatorgrundkörper 114 in vier getrennte Bereiche ein.
Um die vier Bereiche des Katalysatorgrundkörpers 114 zu erwärmen, kann mit Hilfe der Steuereinrichtung jeweils eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden 106, 108 ausgebildet werden. Im betrachteten Ausführungsbeispiel werden die beiden Außenelektroden 106 mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagt. Die den jeweiligen Außenelektroden 106 nächstliegenden beiden Grundkörperelektroden 108 sind mit einem negativen elektrischen Potential 120 beaufschlagt, sodass eine Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden 106 und den Grundkörperelektroden 108 entsteht, die zu einer Erwärmung der zwei Bereiche zwischen den Außenelektroden 106 und den nächstliegenden Grundkörperelektroden 108 führt. Die zwei Bereiche zwischen den drei Grundkörperelektroden 108 können erwärmt werden, indem die mittlere Grundkörperelektrode 108 (vgl. 2A) mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagt wird. Dadurch ist eine Potentialdifferenz zwischen den beiden äußeren, mit einem negativen elektrischen Potential 120 beaufschlagten Grundkörperelektroden 108 und der mittlere, mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagten Grundkörperelektrode 108 ausbildbar, die wiederum zur Erwärmung der zwei Bereiche zwischen den drei Grundkörperelektroden 108 führt.
2B zeigt eine Frontansicht der in 2A beschriebenen Ausführungsform, die die oben beschriebenen Verhältnisse verdeutlicht.
3A zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei Außenelektroden 106 und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108. Der Katalysatorgrundkörper 114 weist auch in dieser Ausführungsform einen kreisrunden Querschnitt auf, und die zwei Außenelektroden 106 sind an der Umfangsfläche 104 des Katalysatorgrundkörpers 114 angeordnet. Die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Katalysatorgrundkörper 114 hindurch. Die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 durchdringt insbesondere die stromeingangsseitige Stirnfläche 110 und/oder die stromausgansseitige Stirnfläche 112 des Katalysatorgrundkörpers 114 zumindest abschnittsweise. Der Katalysatorgrundkörper 114 wird durch die Grundkörperelektrode 108 in zwei Körperteilelemente 122 aufgeteilt. Werden im betrachteten Ausführungsbeispiel die beiden Außenelektroden 106 mit einem negativen elektrischen Potential 120 und die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagt (oder umgekehrt), so bildet sich eine Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108 aus, wobei die Potentialdifferenz zu einer Erwärmung des Bereichs zwischen den Außenelektroden 106 und der zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108 führt. Der zweite Bereich im Inneren der Grundkörperelektrode 108 wird in dieser Ausführungsform nicht beheizt, weshalb bevorzugt eine Grundkörperelektrode 108 mit kleinem Durchmesser gewählt wird.
3B zeigt eine Frontansicht der in 3A beschriebenen Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei Außenelektroden 106 und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108. Die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 ist koaxial zu der Symmetrieachse A des Katalysatorgrundkörpers 114 und beabstandet zur Umfangsfläche 104 im Wesentlichen vollständig in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Die Außenelektroden 106 sind entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen an der Umfangsfläche 104 in Bezug auf die Symmetrieachse A des Katalysatorgrundkörpers 114 einander gegenüberliegend angeordnet.
Die 4A und 4B zeigen weitere Ausführungsformen einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108. In 4A ist eine Reinigungseinheit 100 dargestellt, die im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungsformen lediglich eine Außenelektrode 106, die in Umfangsrichtung geschlossen ist, umfasst.
4B zeigt eine Frontansicht einer Ausführungsform einer Reinigungseinheit 100 mit vier Außenelektroden 106 und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108. Die vier Außenelektroden 106 sind an der Umfangsfläche 104 des Katalysatorgrundkörpers 114 in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet, wobei die Außenelektroden 106 in Bezug auf die Symmetrieachse A des Katalysatorgrundkörpers 114 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 ist wiederum koaxial zu der Symmetrieachse A des Katalysatorgrundkörpers 114 und beabstandet zur Umfangsfläche 104 des Katalysatorgrundkörpers 114 in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Werden im betrachteten Ausführungsbeispiel die Außenelektroden 106 mit einem negativen elektrischen Potential 120 und die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagt, so bildet sich eine Potentialdifferenz zwischen den Außenelektroden 106 und der Grundkörperelektrode 108 aus, wobei die Potentialdifferenz zu einer Erwärmung des Bereichs zwischen den Außenelektroden 106 und der zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108 führt.
4C zeigt eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit einer Außenelektrode 106 und zwei zylinderförmigen Grundkörperelektroden 108. Die Außenelektrode 106 ist in Umfangsrichtung geschlossen. Die zwei zylinderförmigen Grundkörperelektroden 108 erstrecken sich in axialer Richtung durch den Katalysatorgrundkörper 114 und sind beabstandet zueinander und koaxial zur Symmetrieachse A des Katalysatorgrundkörpers 114 im Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Der Katalysatorgrundkörper 114 wird durch die erste und die zweite zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108 in drei Körperteilelemente 122 aufgeteilt, d.h. die zwei zylinderförmigen Grundkörperelektroden 108 teilen den Katalysatorgrundkörper 114 in drei getrennte Bereiche ein. Um zumindest zwei der getrennten Bereiche des Katalysatorgrundkörpers 114 zu erwärmen, kann mit Hilfe der Steuereinrichtung jeweils eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden 106, 108 ausgebildet werden. Im betrachteten Ausführungsbeispiel wird die in Umfangsrichtung geschlossene Außenelektrode 106 mit einem negativen elektrischen Potential 120 beaufschlagt. Die der Außenelektrode 106 nächstliegende erste zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 ist mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagt, sodass eine Potentialdifferenz zwischen der Außenelektrode 106 und der ersten zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108 entsteht, die zu einer Erwärmung des Bereichs zwischen der Außenelektrode 106 und der ersten Grundkörperelektrode 108 führt. Der Bereich zwischen den beiden zylinderförmigen Grundkörperelektroden 108 kann erwärmt werden, indem die zweite Grundkörperelektrode 108 (vgl. 2A) mit einem negativen elektrischen Potential 120 beaufschlagt wird. Dadurch ist eine Potentialdifferenz zwischen der ersten, mit einem positiven elektrischen Potential 118 beaufschlagten Grundkörperelektrode 108 und der zweiten, mit einem negativen elektrischen Potential 120 beaufschlagten Grundkörperelektrode 108 ausbildbar, wobei die Potentialdifferenz wiederum zur Erwärmung des Bereichs zwischen der ersten und der zweiten Grundkörperelektrode 108 führt.
5A zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei in Axialrichtung begrenzten Außenelektroden 106 und einer ebenfalls axial begrenzten ebenen Grundkörperelektrode 108. In dieser Ausführungsform sind im Gegensatz zu der in 1A und 1B beschriebenen Ausführungsform die beiden Außenelektroden 106 sowie die eine Grundkörperelektrode 108 in ihrer axialen Ausdehnung in Richtung einer Längsachse des Katalysatorgrundkörpers 114 begrenzt. Die Außenelektroden 106 und die Grundkörperelektrode 108 erstrecken sich in einer Richtung der Längsachse, beispielsweise längs zu einer Symmetrieachse A, des Katalysatorgrundkörpers 114 um beispielsweise 10%, 15%, 25% oder 50% beginnend von einer stromeingangsseitigen Stirnfläche 110. Die begrenzten Außenelektroden 106 und die begrenzte Grundkörperelektrode 108 können auch an einer stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 beginnen und sich in Richtung der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 abschnittsweise begrenzt erstrecken. Ferner ist es möglich, dass die begrenzten Außenelektroden 106 und die begrenzte Grundkörperelektrode 108 zwischen der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 und der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 angeordnet sind, d.h. die begrenzten Außenelektroden 106 und die begrenzte Grundkörperelektrode 108 beginnen und enden jeweils beabstandet zu der stromeingangsseitigen Stirnfläche 110 und der stromausgangsseitigen Stirnfläche 112 des Katalysatorgrundkörpers 114.
5B zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei Außenelektroden 106 und drei ebenen Grundkörperelektroden 108. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 5A umfasst die Heizeinrichtung der Reinigungseinheit 100 drei Grundkörperelektroden 108. Die Grundkörperelektroden 108 sind parallel zueinander versetzt in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet. Die zwei Außenelektroden 106 und die drei ebenen Grundkörperelektroden 108 sind in ihrer axialen Ausdehnung in Richtung der Längsachse des Katalysatorgrundkörpers 114 begrenzt und können entsprechend der in 5A beschriebenen Ausführungsform an bzw. in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet sein.
5C zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit 100 mit zwei Außenelektroden 106 und einer zylinderförmigen Grundkörperelektrode 108. Entsprechend der in 3A und 3B beschriebenen Ausführungsform weist der Katalysatorgrundkörper 114 einen kreisrunden Querschnitt auf. Die zylinderförmige Grundkörperelektrode 108 sowie die beiden Außenelektroden 106 sind entsprechend den in 5A und 5B beschriebenen Ausführungsformen in axialer Richtung begrenzt an bzw. in dem Katalysatorgrundkörper 114 angeordnet.
Bezugszeichenliste

100: elektrisch beheizbare Reinigungseinheit
102: Wabenstruktur
104: Umfangsfläche
106: Außenelektrode
108: Grundkörperelektrode
110: stromeingangsseitige Stirnfläche
112: stromausgangseitige Stirnfläche
114: Katalysatorgrundkörper
116: Strömungsrichtung
118: positives elektrischen Potential
120: negatives elektrischen Potential
122: Körperteilelement
124: leitfähiges Material
126: Körperelement
A: Symmetrieachse
E: Symmetrieebene

Claims

Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) zur Behandlung eines Gasstroms, insbesondere für eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend einen von dem Gasstrom durchströmbaren und elektrisch leitfähigen Grundkörper (114) mit einer stromeingangsseitigen Stirnfläche (110), mit einer stromausgangseitigen Stirnfläche (112) und mit einer zwischen den Stirnflächen (110, 112) angeordneten Umfangsfläche (104), eine Heizeinrichtung mit zumindest einer Außenelektrode (106), die an der Umfangsfläche (104) angeordnet und mit dieser elektrisch leitend verbunden ist, und mit zumindest einer Grundkörperelektrode (108), die zumindest abschnittsweise in dem Grundkörper (114) angeordnet ist und dort mit diesem elektrisch leitend verbunden ist, und eine der Heizeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass zwischen der zumindest einen Außenelektrode (106) einerseits und der zumindest einen Grundkörperelektrode (108) andererseits eine elektrische Potentialdifferenz ausbildbar ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (114) eine Querschnittsfläche aufweist, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene (E) des Grundkörpers (114) ist und/oder die dreh- oder rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse (A) des Grundkörpers (114) ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper (114) zumindest zwei separate Körperteilelemente (122) umfasst, insbesondere wobei die zumindest zwei Körperteilelemente (122) durch die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) zumindest abschnittsweise miteinander verbunden sind.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Außenelektrode (106) in axialer Richtung über mehr als 50%, bevorzugt mehr als 70% einer axialen Länge, insbesondere über die im Wesentlichen gesamte Länge des Grundkörpers (114) erstreckt.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die zumindest eine Außenelektrode (106) in axialer Richtung über maximal 10%, 15%, 25% oder bis zu 50% einer axialen Länge des Grundkörpers (114), insbesondere beginnend an einer stromeingangsseitigen Stirnfläche (110) erstreckt.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Außenelektrode (106) in Umfangsrichtung geschlossen ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) zwei oder mehrere Außenelektroden (106) umfasst, die voneinander beabstandet an der Umfangsfläche (104) angeordnet sind.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach Anspruch 7, wobei die zwei oder mehr Außenelektroden (106) an der Umfangsfläche (104) in Umfangsrichtung verteilt, bevorzugt gleichverteilt angeordnet sind, insbesondere wobei die Außenelektroden (106) in Bezug auf eine Symmetrieebene (E) und/oder Symmetrieachse (A) des Grundkörpers (114) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) in axialer Richtung durch den Grundkörper (114) hindurch erstreckt, insbesondere wobei die Grundkörperelektrode (108) die stromeingangsseitige Stirnfläche (110) und/oder die stromausgangseitige Stirnfläche (112) des Grundkörpers (114) zumindest abschnittsweise durchdringt.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) in axialer Richtung über mehr als 50%, bevorzugt mehr als 70% einer axialen Länge, insbesondere über die im Wesentlichen gesamte Länge des Grundkörpers (114) erstreckt oder wobei sich die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) in axialer Richtung über maximal 10%, 15%, 25% oder bis zu 50% einer axialen Länge des Grundkörpers (114), insbesondere beginnend an einer stromeingangsseitigen Stirnfläche (110) erstreckt.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) in einer Richtung quer zu einer Längsachse des Grundkörpers (114) durch diesen hindurch erstreckt, insbesondere wobei die Grundkörperelektrode (108) den Grundkörper (114) zumindest abschnittsweise durchdringt.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) parallel zu oder in einer Symmetrieebene (E) und/oder Symmetrieachse (A) oder Längsachse des Grundkörpers (114) angeordnet ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) zumindest abschnittsweise eben, insbesondere vollständig eben ausgestaltet ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) zumindest abschnittsweise gekrümmt, insbesondere zylinderförmig, ausgestaltet ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) zwei oder mehrere Grundkörperelektroden (108) umfasst, die beabstandet zueinander angeordnet sind.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach Anspruch 15, wobei die zwei oder mehrere Grundkörperelektroden (108) parallel versetzt zueinander oder koaxial zueinander in dem Grundkörper (114) angeordnet sind.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) eine leitfähige Platte oder eine leitfähige Folie ist.
Elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Grundkörperelektrode (108) eine leitfähige Beschichtung ist.
Abgasanlage, die eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer elektrisch beheizbaren Reinigungseinheit (100) gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit einer Abgasanlage gemäß Anspruch 19 verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Grundkörpers (114) für eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend Extrudieren eines elektrisch leitfähigen Materials (124) zu einem Körperelement (126); Trennen des Körperelements (126) in zumindest zwei separate Körperteilelemente (122); Sintern der zumindest zwei separate Körperteilelemente (122); und Verbinden, insbesondere vollflächiges Verbinden, der zumindest zwei Körperteilelemente (122), durch die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode (108).
Verfahren zur Herstellung eines Grundkörpers (114) für eine elektrisch beheizbare Reinigungseinheit (100) gemäß zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend Extrudieren eines elektrisch leitfähigen Materials (124) zu zumindest zwei separate Körperteilelemente (122); Sintern der zumindest zwei separaten Körperteilelemente (122); und Verbinden, insbesondere vollflächiges Verbinden, der zumindest zwei Körperteilelemente (122) durch die zumindest eine elektrisch leitfähige Grundkörperelektrode (108).