DE19505727A1 - Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem - Google Patents

Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur katalyti­ schen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise für Ottomotoren, mit den Merkmalen des Oberbegriff nach Anspruch 1.
Durch die WO 92/13636 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Umset­ zung von Abgasen in einem Abgassystem bekannt, die wenigstens zwei voneinander beabstandete und bezüglich der Strömungsrichtung eines Abgases hintereinander angeordnete Wabenkörper umfaßt. Jeder Waben­ körper weist für ein Fluid durchströmbare Kanäle auf. Nahe der Strö­ mungsachse sind Stützelemente vorgesehen, durch die die Wabenkörper miteinander verbunden und gegeneinander abgestützt sind. Der erste - in Strömungsrichtung betrachtet - angeordnete Wabenkörper ist elektrisch beheizbar. Der elektrisch beheizbare Wabenkörper ist über seine Quer­ schnittsfläche durch keramische Isolationsschichten elektrisch unterteilt, wodurch ein elektrischer Strom entlang eines durch die Unterteilung vorgegebenen Weges fließt. Der elektrisch beheizbare Wabenkörper hat die Aufgabe, die Schadstoffemission während einer Kaltstartphase einer Verbrennungskraftmaschine zu minimieren.
Es ist ferner bekannt die elektrische Isolierung des elektrisch leitfähigen Weges durch einen beheizbaren Wabenkörper gegenüber benachbarten Teilstücken mittels eines Luftspaltes vorzunehmen. Eine solche Vorrich­ tung ist in dem Artikel von P. F. Küper et al. "Ultra-Low Power Elec­ trically-Heated Catalyst System" SAE Technical Papers Series 940465 beschrieben. Der Luftspalt bewirkt eine ungleichmäßige Durchströmung der Wabenkörper, da in Abhängigkeit von dem Aufbau der einzelnen Wabenkörper ein Teil des zu konvertierenden Fluids durch den Luftspalt strömt. Dies würde insbesondere dann eintreten, wenn die Größe der Kanäle im ersten Wabenkörper ähnlich der oder kleiner als die Spalt­ breite gemacht wurde, was deshalb bisher vermieden wurde. Hierdurch bedingt würde ein Teil des Fluides in die Kaltstartphase nicht oder nur unzureichend konvertiert oder ein Teilbereich des nachfolgenden Waben­ körpers stärker belastet.
Aus der EP 0 542 775 B1 ist auch ein monolithischer Wabenkörper mit variierender Kanalzahl pro Querschnittsfläche bekannt, mit dem sich unterschiedliche Druckverläufe über seine Länge verwirklichen lassen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Vorrichtungen zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem so weiterzu­ bilden, daß eine möglichst hohe Konvertierungsrate des die Vorrichtung durchströmenden Fluids unter allen Betriebsbedingungen erreicht wird.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur katalyti­ schen Umsetzung von Abgas in einem Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, daß durch eine gezielte Einstellung der Verteilung des Strömungswiderstandes im zweiten Waben­ körper das Strömungsverhalten des Fluids auch im ersten Wabenkörper beeinflußt und so die katalytische Gesamteffektivität der Vorrichtung erhöht werden kann. Das Strömungsverhalten des Fluids kann dadurch beeinflußt werden, daß der zweite Wabenkörper wenigstens in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich einen größeren Strömungswiderstand aufweist als im übrigen Bereich des Wabenkörpers. Durch diese Maßnah­ me wird erreicht, daß der Volumenstrom des Fluids durch den Luftspalt verringert wird und das Fluid gleichmäßiger den zweiten Wabenkörper anströmt. Dabei wird der Anteil des Fluids, welcher mit der katalytisch wirkenden Oberfläche des ersten Wabenkörpers in Kontakt kommt, erhöht, so daß die Konvertierungsrate in der Kaltstartphase verbessert wird.
Zur Erhöhung des Strömungswiderstandes des zweiten Wabenkörpers wird vorgeschlagen, den zweiten Wabenkörper mit einer größeren Anzahl an Kanälen pro Querschnittsfläche unter Berücksichtigung der Luftspaltquer­ schnittsfläche in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich des zweiten Wabenkörpers als im übrigen Bereich des Wabenkörpers auszu­ bilden. Dies setzt im allgemeinen voraus, daß die beiden Wabenkörper ähnlich aufgebaut sind, wie anhand der Ausführungsbeispiele noch näher beschrieben wird.
Die Anzahl der Kanäle pro Querschnittsfläche sowohl in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich als auch im übrigen Querschnitts­ bereich kann über die gesamte Länge des Strömungsweges entlang des zweiten Wabenkörper konstant sein. Insbesondere bei langen Wabenkör­ pern könnte dies zu einem unerwünscht hohen Gesamtdruckverlust der Vorrichtung führen. Es wird daher bevorzugt eine Vorrichtung mit einem zweiten Wabenkörper vorgeschlagen, dessen Kanalanzahl bezogen auf die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung variiert. Die Anzahl der Kanäle in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich kann sich in Strö­ mungsrichtung wieder verringern. Eine Verringerung der Kanalanzahl bei konstanter Querschnittsfläche führt zu einer Vergrößerung des freien Strömungsquerschnittes im Kanal. Hierdurch kann ein gewünschtes Strö­ mungsprofil hinter dem zweiten Wabenkörper bzw. hinter der Vorrichtung eingestellt werden, was auch für eine Schalldämpfung des Abgassystems von Bedeutung sein kann.
In Abhängigkeit von der Länge des zweiten Wabenkörpers kann der Querschnitt der Kanäle optimiert werden, so daß zum einen der Strö­ mungswiderstand in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich groß genug ist, daß dieser eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids zur Folge hat und auf der anderen Seite der Gesamtdruckverlust der Vorrichtung nicht zu hoch wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung nimmt die Zahl der Kanäle zunächst zu und dann in Strömungsrichtung ab. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ein Wabenkörper verwirklichen, der bezüglich seiner Einbaurichtung symmetrisch ist, so daß es nicht zu Einbaufehlern kommen kann. Auch können durch solche Anordnungen unter Umständen schalldämpfende Eigenschaften des Wabenkörpers ausgenutzt werden.
Durch den Aufsatz von P.E Küper et al. ist eine Vorrichtung bekannt bei der sich eine Mehrzahl von länglichen, in ihren Endabschnitten unterschiedlich große Querschnittsflächen aufweisenden Stützelementen zwischen dem ersten und dem zweiten Wabenkörper erstreckt und diese mechanisch verbindet, jedoch elektrisch voneinander isoliert. Jedes Stütz­ element ragt mit seinem dickeren Endabschnitt wenigstens teilweise in einen Kanal des ersten und mit seinem dünneren Endabschnitt in einen Kanal des zweiten Wabenkörpers hinein, wobei der erste elektrisch beheizbare Wabenkörper eine geringere Anzahl von Kanälen bezogen auf die Querschnittsfläche aufweist als der zweite Wabenkörper.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Ausführungsform wird erfindungs­ gemäß nunmehr eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Querschnitts­ fläche des in den Kanal des zweiten Wabenkörpers hineinragenden Endabschnittes eines jeden Stützelementes größer ist als die Querschnitts­ fläche des in den Kanal des ersten Wabenkörpers hineinragenden End­ abschnitts. Hierzu weist der zweite Wabenkörper Kanäle auf, die so bemessen sind, daß deren Querschnitt die Stützelemente aufnehmen kann, ohne daß die den Kanal begrenzenden Wände zerstört werden. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere gewellte Blechlagen mit größerer Wellhöhe als bei den übrigen Blechlagen des zweiten Waben­ körpers erfolgen.
Ein solcher Wabenkörper kann in an sich bekannter Art aus im Quer­ schnitt etwa S-förmig verlaufenden Blechlagen aufgebaut sein. Ein solcher Wabenkörper ist durch gegenseitiges Verschlingen der Enden eines Blech­ stapels herstellbar. Bei einem solchen Wabenkörper ist es möglich, den Stapel in unterschiedlichen Teilabschnitten aus unterschiedlich stark gewellten Blechen zu schichten, um den gewünschten Aufbau zu errei­ chen. Im allgemeinen werden dabei abwechselnd angeordnete glatte und strukturierte Bleche verwendet, wobei die strukturierten Bleche unter­ schiedliche Strukturen, insbesondere Wellenhöhen, aufweisen. Die unter­ schiedlichen Strukturen der einzelnen Blechstapel übernehmen unter­ schiedliche Aufgaben. Der Wabenkörper kann beispielsweise aus zwei Blechstapeln bestehen, wobei jeder Blechstapel für sich betrachtet aus Blechlagen gleicher Struktur besteht, jedoch unterschiedliche Wellhöhen aufweist. Der erste Blechstapel und der zweite Blechstapel sind so miteinander verschlungen, daß der erste Blechstapel, der eine größere Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche aufweist, dem Luftspalt gegenüberliegt und nur der zweite Blechstapel die Stützelemente aufnimmt.
Der Wabenkörper kann auch noch weitere Blechstapel anderer Wellhöhe enthalten.
Die Strukturen können in ihrer Längserstreckung unterschiedlich lang sein, so daß sich der Strömungswiderstand in Längsrichtung des Waben­ körpers verändert, wie dies aus der EP 0542 775 B1 an sich bekannt ist, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung in der Vorderansicht,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 schematisch einen zweiten Wabenkörper in der Vorderansicht,
Fig. 4 einen Wabenkörper im Längsschnitt.
Fig. 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, vorzugs­ weise für Ottomotoren, umfaßt einen ersten Wabenkörper 1, der mit Abstand zum zweiten Wabenkörper 2 angeordnet ist. Der Abstand zwischen den beiden Wabenkörpern beträgt z. B. 1 bis 6 mm, wobei die Stirnseite des zweiten Wabenkörpers etwas konvex gewölbt sein kann. Der zweite Wabenkörper 2 dient als Stütze für den ersten kürzeren Wabenkörper. Mittels Stützelementen 3 sind die beiden Wabenkörper 1 und 2 miteinander verbunden und wobei der stärker zur Schwingung neigende erste Wabenkörper 1 an dem zweiten Wabenkörper 2 abge­ stützt ist. Der erste Wabenkörper 1 ist elektrisch beheizbar und weist einen elektrisch isolierenden Spalt auf.
Die Stützelemente 3 weisen einen in den ersten Wabenkörper 1 hinein­ ragenden dicken Endabschnitt 18 und einen in den zweiten Wabenkörper 2 hineinragenden dünnen Endabschnitt 17 auf. Der dicke Endabschnitt 18 weist eine größere Querschnittsfläche auf als der dünne Endabschnitt 17.
Für die elektrische Beheizung ist der erste Wabenkörper 1 mit elektrisch isolierenden durch einen Mantel 9 hindurchgeführten elektrischen Zulei­ tungen 10 und 11 verbunden. Bei dem ersten Wabenkörper handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Körper der in an sich bekannter Weise aus einem S-förmig verschlungenen Stapel von Metallblechen hergestellt ist. Der erste Wabenkörper 1 ist über seine Querschnittsfläche durch Luftspalte 4, 5 elektrisch aufgeteilt.
Gemäß Fig. 3 ist schematisch der zweite Wabenkörper 2 ebenfalls aus einem S-förmig verschlungenen Stapel von Metallblechen dargestellt, wobei es für eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sehr hilfreich ist, wenn beide Wabenkörper (anders als dargestellt) ähnlich aufgebaut (z. B. mit gleicher Stapelhöhe) und zueinander so ausgerichtet sind, daß die Richtungen und Lage der Verschlingungen gleich sind. Der Stapel umfaßt glatte Blechlagen 6 und strukturierte Blechlagen 7. Die Bleche 6 und 7 begrenzen Kanäle 8, durch die ein Fluid hindurchströmen kann. In dem dem Luftspalt 4, 5 gegenüberliegen­ den Bereich weist der zweite Wabenkörper 2 eine höhere Anzahl kleine­ rer Kanäle 12 pro Querschnittsfläche als im übrigen Bereich auf. Die Kanäle 12 sind ebenfalls durch strukturierte Blechlagen 13 und glatte Blechlagen 14 begrenzt. Falls die Größe der Kanäle 8 zur Aufnahme der dicken Endabschnitte 17 der Stützelemente 3 nicht ausreicht, können auch noch eine oder mehrere gewellte Blechlagen mit größerer Wellhöhe zur Aufnahme der Stützelemente 3 vorgesehen werden, die sich aber nicht unbedingt über die ganze axiale Länge des zweiten Wabenkörpers 2 erstrecken müssen.
In der Fig. 4 ist schematisch ein zweiter Wabenkörper 2 dargestellt, der in Strömungsrichtung in zwei Teilabschnitte A und B unterteilt ist. Mit 15 und 16 sind zwei Bereiche bezeichnet worden, die eine erhöhte Anzahl von Strömungskanälen pro Querschnittsfläche aufweisen. Die Bereiche 15 und 16 liegen dem Luftspalt gegenüber. Die Bereiche 15 und 16 erstrecken sich über den Teilbereich A des Wabenkörpers. In dem Teilabschnitt B ist der Querschnitt der einzelnen Strömungskanäle überall gleich, was auch dann möglich ist, wenn im vorderen Teilbereich A noch zusätzlich Blechlagen größerer Wellhöhe zur Aufnahme der Stützelemente 3 vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung erlaubt gegenüber dem Stand der Technik eine größere Flexibilität bei der Wahl der unterschiedlichen Anzahlen der Kanäle pro Querschnittsfläche in einer Anordnung aus mindestens zwei Wabenkörpern, insbesondere die Erhöhung der Zellenzahl im ersten Wabenkörper bei gleichzeitiger Verbesserung der Umsetzungsraten auch in der Kaltstartphase.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungs­ kraftmaschine, vorzugsweise für Ottomotoren, umfassend
einen ersten elektrisch beheizbaren Wabenkörper (1), der eine Vielzahl von einem Fluid durchströmbare Kanäle aufweist, wobei der Wabenkörper über seine Querschnittsfläche durch wenigstens einen Luftspalt (4, 5) elektrisch aufgeteilt ist, insbesondere mäanderförmig und/oder spiralförmig, und
einen zweiten Wabenkörper (2), der eine Vielzahl von einem Fluid durchströmbare Kanäle (8,12) aufweist,
wobei die Wabenkörper (1, 2) nacheinander durchströmbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Wabenkörper (2) zumindest in dem dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich einen größeren Strömungswider­ stand aufweist als im übrigen Bereich des Wabenkörpers (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (12) pro Querschnittsfläche in dem dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich des zweiten Wabenkörpers (2) größer ist als im übrigen Bereich dieses Wabenkörpers (2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (12) pro Querschnittsfläche in dem dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich in Strömungsrichtung variiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle abschnittsweise variiert.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Durchmesser der Kanäle im ersten Wabenkörper (1) etwa gleich groß oder kleiner als die durchschnitt­ liche Breite des Luftspaltes ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Wabenkörper (1) eine größere Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche aufweist als der zweite Wabenkörper (2).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der sich eine Mehrzahl von länglichen, in ihren Endabschnitten (17, 18) unter­ schiedlich große Querschnittsflächen aufweisenden Stützelementen (3) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Wabenkörper erstreckt und diese mechanisch verbindet, wobei sich jedes Stützelement (3) wenigstens teilweise in einen Kanal des ersten und in einen Kanal des zweiten Wabenkörpers (1; 2) hineinerstreckt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querschnittsfläche des in den Kanal des zweiten Wabenkörpers (2) hineinragenden dicken Endabschnittes (17) eines jeden Stützelementes (3) größer ist als die Querschnittsfläche des in den Kanal des ersten Wabenkörpers (1) hineinragenden dünnen End­ abschnittes (18).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Wabenkörper (2) lagenweise angeordnete, zumindest teilweise struktu­ rierte Blechlagen (7, 13) umfaßt, welche etwa in Strömungsrichtung verlaufende Kanäle (6, 12) von durch die Struktur der Bleche be­ stimmten Dimension bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wabenkörper (2) wenigstens zwei Arten von unterschiedlich struktu­ rierten Blechen umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wabenkörper (2) mindestens eine erste dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegende gewellte Blechlage mit kleinerer Wellhöhe und mindestens eine zweite die Stützelemente aufnehmende gewellte Blechlage mit größerer Wellhöhe umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich strukturierten Blechlagen sich jeweils nur über einen vorderen Teilabschnitt (A) des Wabenkörpers (2) erstrecken.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle in dem oder den in Strömungsrichtung folgenden Teilabschnitt(en) bezogen auf die Querschnittsfläche in Strömungs­ richtung zunimmt oder abnimmt, insbesondere hinter der gewellten Blechlage mit größerer Wellung zunimmt und/oder hinter der ge­ wellten Blechlage mit kleinerer Wellung abnimmt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste (1) und der zweite (2) Wabenkörper aus miteinander verschlungenen Blechlagen, insbesondere aus einem S- förmig verschlungenen Stapel von Blechlagen, aufgebaut und so ausgerichtet sind, daß der Verläufe der Verschlingungen beider Wabenkörper im wesentlichen miteinander fluchten, insbesondere die Ausrichtung und Stapelhöhe der S-förmigen Verschlingungen gleich ist.
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