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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystem mit einem von einem zu behandelnden Abgasstrom durchströmten Katalysator und einer Heizeinrichtung, die stromaufwärts des Katalysators in einem Strömungskanal angeordnet ist, um wenigstens eine Komponente des Abgasstroms vor Erreichen des Katalysators zu erwärmen.
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Ein solches Abgasbehandlungssystem ist aus
DE 10 2006 060 471 A1 bekannt. Hier umfasst die Heizeinrichtung eine Kammer, die durch Einspritzen und Verbrennen von Kraftstoff darin einen Heißgasstrom erzeugt, um einen stromabwärts nachfolgenden Katalysator zu beheizen und so schneller auf eine für die katalytische Reaktion erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Der benötigte Brennstoff wird zentral in eine Voroxidationszone der Kammer eingespritzt, und rings um die Einspritzdüse des Kraftstoffs herum zugeführte Frischluft sorgt dafür, dass der Kraftstoff bereits in unmittelbarer Nähe zur mittig an einer Wand der Voroxidationszone angeordneten Einspritzdüse verbrennt. Zwar soll eine dieser Wand gegenüberliegende poröse Struktur zwischen der Voroxidationszone und einer Nachoxidationszone für eine Durchmischung bei der Durchströmung sorgen, damit können jedoch nur kleinräumige, durch Turbulenz bedingte Temperaturinhomogenitäten ausgeglichen werden; ein Temperaturausgleich zwischen einem unmittelbar mit Verbrennungsgas beaufschlagten zentralen Bereich der porösen Struktur und ihrem auch mit an der Wand der Voroxidationszone abgekühltem Gas beaufschlagten Rand ist nicht möglich. Hinzu kommt, dass in der Nachoxidationszone von außen zugeführtes Frischgas den Gasstrom am Rand weiter abkühlt. Es liegt auf der Hand, dass bei einem solchen Aufbau ein vom heißen Zentrum des Gasstroms getroffener Bereich des Katalysators seine Betriebstemperatur erheblich früher erreicht als ein vom kühleren Rand getroffener Bereich. In der Zeit, die letzterer benötigt, um die Betriebstemperatur zu erreichen, ist die Wirksamkeit des Katalysators unbefriedigend. Es wird unvermeidlicherweise Kraftstoff verbraucht, um Teile des Katalysators über die eigentlich erforderliche Betriebstemperatur hinaus zu erhitzen, und die resultierende, lokal zu hohe Temperatur des Katalysators kann wiederum die Katalysereaktion und die Lebensdauer des Katalysators beeinträchtigen.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Abgasbehandlungssystem mit einem Katalysator, bei dessen Erhitzung Temperaturdifferenzen zwischen heißen und kalten Stellen des Katalysators wirksam minimiert werden können.
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Um diesen Bedarf zu befriedigen, wird vorgeschlagen, bei einem Abgasbehandlungssystem mit einem Katalysator und einer Heizeinrichtung, die stromaufwärts des Katalysators in einem Strömungskanal angeordnet ist, um wenigstens einen ersten Gasstrom vor Erreichen des Katalysators zu erwärmen, die Heizeinrichtung als einen plattenförmigen Heizkörper auszubilden, der angeordnet ist, um wenigstens von dem ersten Gasstrom durchströmt zu werden, und ein wenigstens auf den ersten Gasstrom wirkender Drallerzeuger in dem Strömungskanal stromaufwärts von dem Heizkörper angeordnet ist.
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Mit Hilfe des plattenförmigen Heizkörpers kann zum einen Heizleistung über den Querschnitt des Strömungskanals gleichmäßig verteilt bereitgestellt werden, mit Hilfe des Drallerzeugers kann der Tendenz einer Strömung, in der Mitte eines freien Querschnitts schneller zu sein als an den Rändern, entgegengewirkt und somit auch die von dem Heizkörper randnah freigesetzte Heizleistung wirksam abgeführt werden. So kann ein auf breiter Front gleichmäßig heißer Gasstrom erhalten werden, der einen Katalysator gleichmäßig verteilt erhitzen kann.
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Wenn der Gasstrom durch Kontakt mit dem Heizkörper erhitzt wird, kann er frei von Verbrennungsprodukten gehalten werden, deren Schadstoffe von dem noch kühlen Katalysator nicht im erforderlichen Ausmaß abgebaut werden könnten. Wenn der Gasstrom durch Erhitzen von Frischluft an dem Heizkörper erhalten wird, ist er von Schadstoffen frei, und ein Austritt von Schadstoffen vor Erreichen der Katalysatorbetriebstemperatur kann ausgeschlossen werden. Daher ist der erste Gasstrom vorzugsweise ein Frischluftstrom.
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Der Strömungskanal kann wahlweise mit dem ersten Gasstrom oder einem Abgasstrom als einem zweiten Gasstrom beaufschlagbar sein, um in einer Aufheizphase des Katalysators durch Beaufschlagen mit Frischluft eine Abgabe von Schadstoffen durch unzureichend gereinigtes Abgas zu vermeiden. In einer Normalbetriebsphase sollte reines Abgas zugeführt werden, da dann eine Zufuhr von Frischluft nur unnötig Heizenergie erfordern oder den Katalysator unerwünscht kühlen würde.
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Die Strömungsgeschwindigkeit sollte am Drallerzeuger höher sein als am Katalysator, um die Wirbelerzeugung zu begünstigen. Deswegen ist der Querschnitt des Strömungskanals am Drallerzeuger vorzugsweise kleiner als am Katalysator.
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Ein Zwischenraum zwischen dem Drallerzeuger, in dem sich der Querschnitt des Strömungskanals allmählich ändert, kann genutzt werden, um dort einen Einlass für den zweiten Gasstrom unterzubringen.
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Um den zum Ausbilden eines Wirbels nötigen Druck zu erzeugen, kann eine Pumpe zum Einspeisen von Frischluft in den Strömungskanal vorgesehen sein.
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Damit der erzeugte Wirbel sich auf die radiale Verteilung des Frischluftstroms durch den Heizkörper auswirken kann, sollten der Drallerzeuger und der plattenförmige Heizkörper in Sichtkontakt zueinander angeordnet sein.
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Um eine gleichmäßige Verteilung des Frischluftstroms über den Querschnitt des plattenförmigen Heizkörpers zu erreichen, sollte eine Achse des Drallerzeugers mittig auf den plattenförmigen Heizkörper ausgerichtet sein.
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Um die Ausbildung des Wirbels, seine ungestörte Ausbreitung wenigstens bis zum Heizkörper und eine gleichmäßige Verteilung des Frischluftstroms über den Querschnitt des Heizkörpers zu begünstigen, ist vorzugsweise der plattenförmige Heizkörper kreisrund, und/oder der Strömungskanal weist wenigstens stromaufwärts des plattenförmigen Heizkörpers einen kreisrunden Querschnitt auf.
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Um den Druckabfall am Heizkörper zu minimieren, ist dessen Querschnitt vorzugsweise größer als der des Drallerzeugers.
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Der Drallerzeuger kann eine Außenwand, die einen Durchgang umgibt, und mehrere sich von der Außenwand aus radial in den Durchgang erstreckende Strömungsleitflächen aufweisen.
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Um den Einbau in das Abgasbehandlungssystem zu erleichtern, kann der Drallerzeuger ferner einen von der Außenwand radial abstehenden Flansch aufweisen.
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Wenn der Strömungskanal eine Frischluftleitung mit einem Auslassflansch umfasst, kann dieser an dem Flansch des Drallerzeugers befestigt sein; genauso kann daran ein Einlassflansch eines Gehäuses der Heizeinrichtung befestigt sein.
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In dem Gehäuse können der Katalysator und die Heizeinrichtung gemeinsam untergebracht sein. Eine enge Nachbarschaft von Heizeinrichtung und Katalysator minimiert Wärmeverluste des Frischluftstroms auf dem Weg von der Heizeinrichtung zum Katalysator.
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Der plattenförmige Heizkörper kann erhalten sein durch Formen eines langgestreckten, insbesondere streifenförmigen Heizkörpers zu einer Spirale. Vorzugsweise umfasst die Spirale zwei Stränge, die an einem Ursprung der Spirale miteinander verbunden sind; so kann etwa ein Wärmeträger oder ein Wärme freisetzender elektrischer Strom von einem Ende zum anderen durch den Heizkörper geführt werden.
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Vorzugsweise ist der plattenförmige Heizkörper elektrisch betrieben.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 eine auseinandergezogene Ansicht eines Abgasbehandlungssystems;
- 2 das Abgasbehandlungssystem in einer aufgeschnittenen Ansicht; und
- 3 einen Drallerzeuger des Abgasbehandlungssystems.
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1 zeigt einen stromaufwärtigen Teil eines Katalysatorgehäuses. Das Gehäuse begrenzt einen Strömungskanal 1 für Abgas und Frischluft. Es ist größtenteils umgeben von zwei langgestreckten Schalen 2, die aneinander entlang von sich an den Rändern der Schalen 2 erstreckenden Flanschen 3 befestigt sind und eine thermische Abschirmung rings um das Gehäuse bilden. 2 zeigt einen Schnitt entlang einer zu den Flanschen 3 parallelen Ebene. In zwischen den Flanschen 3 gebildeten Öffnungen an einem stromaufwärtigen Ende des Gehäuses sind ein Abgaseinlassstutzen 4 und ein Einlassstutzen 8 für Sekundärluft vorgesehen. An einem in den Figuren nicht gezeigten stromabwärtigen Ende des Gehäuses befindet sich ein Gasauslass.
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Der Abgaseinlassstutzen 4 hat die Form eines kurzen Rohrs, von dem ein Ende in das Gehäuse eingreift und das andere, aus dem Gehäuse vorspringende Ende zum Anschließen einer Abgasleitung von einem Verbrennungsmotor, z.B. mit Hilfe einer Schlauchschelle 5, vorgesehen ist. Der Abgaseinlassstutzen 4 hat eine Symmetrieachse 6, die in etwa orthogonal zu einer Längsrichtung 7 des Katalysatorgehäuses verläuft; ein daran anschließender stromaufwärtiger Abschnitt 11 des Strömungskanals 1 beschreibt eine Biegung von etwa 90°, um einen über den Abgaseinlassflansch 4 zugeführten Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in die Längsrichtung 7 des Gehäuses umzulenken.
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Der Einlassstutzen 8 für Sekundärluft umfasst einen Rohrabschnitt 9, von dem ein stromabwärtiges Ende am Katalysatorgehäuse fixiert ist, und einen Einlassflansch 10 am stromaufwärtigen Ende des Rohrabschnitts 9. Der Durchmesser des Rohrabschnitts 9 ist kleiner als der des Abgaseinlassflanschs 4 und als die lichte Weite des stromaufwärtigen Teils 11 des Strömungskanals 1. Der Einlassflansch 10 hat die Form einer ebenen Platte, in der beiderseits eines zentralen Durchgangs für die Sekundärluft zwei Befestigungslöcher 12 gebildet sind.
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Ein Drallerzeuger 13 ist vorgesehen, um an dem Einlassflansch 10 montiert zu werden. Der in 3 vergrößert gezeigte Drallerzeuger 13 umfasst einen Befestigungsflansch 14 von gleicher Gestalt wie der Einlassflansch 10, einen Rohrabschnitt 15, dessen Außendurchmesser passend zum Durchmesser des Rohrabschnitts 9 gewählt ist, um in diesen mit geringer Toleranz einzugreifen, sowie eine Mehrzahl von Strömungsleitflächen 16, die sich von dem Rohrabschnitt 15 radial einwärts zu einer zentralen Nabe 17 erstrecken. Die Strömungsleitflächen 16 verlaufen jeweils schräg zu einer in Längsrichtung der Nabe 17 verlaufenden Achse 20, so dass jede einzelne von ihnen einen über eine Sekundärluftleitung 18 von einer nicht gezeigten Pumpe aus zugeführten Luftstrom seitwärts ablenkt und alle Strömungsleitflächen 16 gemeinsam ihm einen Drehimpuls in Richtung der Achse 20 aufprägen.
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Die Sekundärluftleitung 18 hat einen Auslassflansch 19, der mit dem Einlassflansch 10 und dem Befestigungsflansch 14 deckungsgleich ist. Mit Hilfe von sich durch die Befestigungslöcher 15 geführten Schrauben können die Flansche 10, 14 und 19 aneinander dicht fixiert werden. Dabei kann der Befestigungsflansch 14 seinerseits weich genug sein, um dichtend an den Flanschen 10, 19 anzuliegen; anderenfalls können Dichtungen jeweils zwischen dem Befestigungsflansch 14 und den Flanschen 10, 19 komprimiert sein.
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Der Drallerzeuger 13 kann ein einstückiges Formteil sein; da es im Normalbetrieb des Abgasbehandlungssystems, wenn keine Frischluft über die Sekundärluftleitung 18 zugeführt wird, hohen Temperaturen ausgesetzt ist, muss er aus einem ausreichend hitzebeständigen, insbesondere metallischen, Werkstoff bestehen. Wenn dieser Werkstoff, zumindest im Bereich des Befestigungsflanschs 14 ein ausreichendes Maß an Nachgiebigkeit besitzt, kann der Befestigungsflansch 14 gleichzeitig als Dichtung zwischen dem Einlassflansch 10 und einem Auslassflansch 19 der Sekundärluftleitung 18 dienen.
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Wie in der Schnittdarstellung der 2 deutlich wird, ist der Frischluftstrom nach Passieren des Drallerzeugers 13 zunächst im Rohrabschnitt 9 des Einlassstutzens 8 geführt und bildet in diesem eine um die Achse 20 rotierende Luftströmung. Da der Durchmesser dieser Luftströmung kleiner ist als die lichte Weite des an den Einlassstutzen 8 anschließenden stromaufwärtigen Teils 11 des Strömungskanals 1, wird die Zirkulation der Luftströmung in diesem Teil trotz dessen unrunden Querschnitts nur gering gedämpft. In dem Maße, in dem die Luftströmung vom Einlassstutzen 8 aus in den stromaufwärtigen Teil 11 vordringt, wird sie radial aufgeweitet.
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An den gekrümmten stromaufwärtigen Teil 11 des Strömungskanals 1 schließt ein kegelförmig aufgeweiteter Abschnitt 21 an, an dessen stromabwärtigen Ende eine elektrische Heizeinrichtung 22 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 22 umfasst einen langgestreckten stab- oder streifenförmigen Heizkörper, der einmal haarnadelförmig gebogen und dann aufgerollt ist, um eine Platte mit zwei Schlitzen 23, 24 darin zu bilden, die sich spiralförmig und ohne einander zu berühren um einen gemeinsamen Mittelpunkt 25 erstrecken. Der langestreckte Heizkörper kann einen Heizdraht tragen oder selber aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.
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Der aufgeweitete Abschnitt 21 bewirkt eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine längere Verweildauer der Frischluft an der Heizeinrichtung 22 und eine dementsprechend stärkere Erwärmung der Frischluft. Die Orientierung der Schlitze 23, 24 in der Drehrichtung des Gasstroms ermöglicht dem Abgas oder der Frischluft einen Durchtritt im Wesentlichen ohne Richtungsänderung und minimiert so den Druckabfall an der Heizeinrichtung 22.
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Die Achse 20 kreuzt die Heizeinrichtung 22 an deren Mittelpunkt 25; so kann sichergestellt werden, dass je zwei Hälften der Heizeinrichtung 22 auf verschiedenen Seiten einer durch den Mittelpunkt 25 in Richtung der Achse 20 verlaufenden Ebene gleiche Anteile des Frischluftstroms empfangen. Infolge der vom Drallerzeuger 13 aufgeprägten Drehung neigt der Frischluftstrom dazu, sich aufzuweiten, so dass an Rand der Heizeinrichtung 22 ähnlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen wie in der Mitte. Da somit die Heizeinrichtung 22 auf ihrer gesamten Ausdehnung im Wesentlichen gleichmäßig gekühlt wird, kann sie mit hoher Leistung betrieben werden, ohne an einer unzureichend gekühlten Stelle eine Überhitzung befürchten zu müssen.
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Die gleichmäßige Verteilung von Heizleistung und Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt der Heizeinrichtung 22 führt zu einer über den Querschnitt des Strömungskanals 1 gleichmäßigen Temperaturverteilung des Frischluftstroms an der stromabwärtigen Seite der Heizeinrichtung 22.
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Stromabwärts von der Heizeinrichtung 22 ist der Querschnitt des Strömungskanals 1 konstant. Der Frischluftstrom trifft hier nach einem kurzen Weg in der Längsrichtung 7 auf den porösen Katalysator 26 und erhitzt ihn, indem er hindurch fließt. Die geringen Temperaturdifferenzen über den Querschnitt des Frischluftstroms hinweg gewährleisten eine gleichmäßige Erhitzung des Katalysators 26; dieser erreicht somit auf seinem gesamten Querschnitt in etwa gleichzeitig seine Betriebstemperatur, und eine energieaufwendige lokale Überhitzung kann vermieden werden. Die resultierende Verkürzung der Zeit bis zur Erreichung des Regelbetriebs ermöglicht die Einhaltung auch strenger Abgasnormen.
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Bezugszeichen
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- 1
- Strömungskanal
- 2
- Schale
- 3
- Flansch
- 4
- Abgaseinlassstutzen
- 5
- Schlauchschelle
- 6
- Symmetrieachse
- 7
- Längsrichtung
- 8
- Einlassstutzen
- 9
- Rohrabschnitt
- 10
- Einlassflansch
- 11
- stromaufwärtiger Teil (des Gehäuses 1)
- 12
- Befestigungslöcher
- 13
- Drallerzeuger
- 14
- Befestigungsflansch
- 15
- Rohrabschnitt
- 16
- Strömungsleitfläche
- 17
- Nabe
- 18
- Sekundärluftleitung
- 19
- Auslassflansch
- 20
- Achse
- 21
- aufgeweiteter Abschnitt
- 22
- Heizeinrichtung
- 23
- Schlitz
- 24
- Schlitz
- 25
- Mittelpunkt
- 26
- Katalysator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006060471 A1 [0002]
