DE19639633A1 - Wabenkörper mit verringerter Wärmeleitfähigkeit im Eintritts- und Austrittsbereich - Google Patents

Wabenkörper mit verringerter Wärmeleitfähigkeit im Eintritts- und Austrittsbereich

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Description

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine von einem Fluid durchströmbare Struktur, die einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist. Der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich sind durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle miteinander verbunden.
Solche Strukturen werden insbesondere als sogenannte Wabenkörper für einen Abgaskatalysator verwendet. Durch die WO 90/03220 sind von einen Fluid durchströmbare Strukturen bekannt, die unterschiedlichster Querschnittsformen sein können. Zur Reduktion der Schadstoffkomponenten im Abgasstrom eines Abgassystems ist es notwendig, daß die Struktur sich auf einer zur katalyti­ schen Umsetzung der Schadstoffe genügend hohen Temperatur befindet. Um ein möglichst rasches Anspringverhalten des Katalysators zu erreichen, ist bereits durch die WO 89/10471 vorgeschlagen worden, die Struktur elek­ trisch zu beheizen. Durch die elektrische Beheizung einer solchen Struktur wird der Ausstoß der in der Kaltstartphase einer Verbrennungskraftmaschine entstehenden Schadstoffe des Abgases verringert. Bei einem Kurzstreckenbe­ trieb eines Kraftfahrzeuges mit mehr oder weniger langen Pausen zwischen den einzelnen Fahrzyklen kühlt sich die Verbrennungskraftmaschine sowie das gesamte Abgassystem ab. Eine solche Abkühlung des Abgassystems, insbesondere des Wabenkörpers, führt dazu, daß der Wabenkörper immer wieder elektrisch beheizt werden muß. Dies führt unter Umständen dazu, daß die Energiequelle, eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, stark belastet wird. Bei einem Kurzstreckenbetrieb kann daher nicht sichergestellt werden, daß die Batterie immer wieder ausreichend aufgeladen wird.
Um den zum Beheizen des Wabenkörpers notwendigen Energiebedarf zu verringern, ist daher bereits vorgeschlagen worden, den Wabenkörper mit einer thermischen Isolierung zu versehen. So ist beispielsweise durch die WO 90/04087 ein Wabenkörper mit einer thermischen Isolierung bekannt, die in Form eines Doppelmantelsystems ausgebildet ist. Das Doppelman­ telsystem umfaßt ein inneres Mantelrohr, das im Abstand zu einem äußeren Mantelrohr in diesem angeordnet ist. Der zwischen dem inneren und dem äußeren Mantelrohr entstehende Zwischenraum wirkt als eine thermische Isolierung. Hierdurch wird eine Verringerung der Wärmeabgabe durch die Mantelfläche der Struktur verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von einem Fluid durchströmbare Struktur so weiterzubilden, daß die Wärmeverluste der Struktur weiter verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch von einem Fluid durchströmbare Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Ausgestaltungen der Struktur sind Gegenstand der Unteransprü­ che.
Die erfindungsgemäße Struktur zeichnet sich dadurch aus, daß diese wenig­ stens in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichs einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei einer Struktur, die als Wabenkörper für einen Abgaskataly­ sator dient, die stirnseitigen Wärmeverluste durch Wärmeleitung an die mit der Struktur verbundenen Komponenten eines Abgassystems, sowie durch Konvektion des sich im Abgassystem befindenden Abgases, einen erheblichen Beitrag zu den gesamten Wärmeverlusten leistet. Zur Vermeidung dieser, insbesondere stirnseitigen Wärmeverluste, wird die erfindungsgemäße Struktur vorgeschlagen. Dadurch, daß in der Nähe des Eintritts- und des Austritts­ bereichs ein Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind, wird eine weitgehend thermische Entkopplung der Struktur von benachbarten Bauteilen eines Abgassystems erzielt. Der Abschnitt, welcher eine verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist, erstreckt sich wenigstens teilweise in die Struk­ tur hinein.
Dadurch, daß die Struktur in der Nähe des Eintritts- und des Austritts­ bereichs jeweils einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist, werden die Wärmeverluste des mittleren Abschnitts verringert, wodurch der zwischen dem Eintritts- und Austrittsbereich liegende Abschnitt der Struktur über einen längeren Zeitraum auf einer höheren Temperatur liegt als dies bei den bekannten Strukturen der Fall ist. Hierdurch wird eine verbesserte Reinigungswirkung eines Abgases nach einem Wiederstart erreicht, da die Struktur zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsbereich auf einem höheren Temperaturniveau liegt. Der Abschnitt zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsbereich erwärmt sich folglich wesentlich schneller, wodurch auch die zur katalytischen Umsetzung notwendige Temperatur rascher erreicht wird.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Struktur, bei der sich der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit über den gesamten Querschnitt der Struktur erstreckt. Eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Struktur kann dadurch erzielt werden, daß die Wandung wenigstens eine ihrer Kanäle mindestens teilweise mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist. Hierdurch wird der Querschnitt in Wärmetransportrichtung verringert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Struktur wird vorgeschla­ gen, daß der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit dadurch gebildet wird, daß die Wandung wenigstens einer der Kanäle mindestens eine Aus­ nehmung aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung der Struktur wird der zum Wärmetransport zur Verfügung gestellte Querschnitt der Struktur ver­ ringert. Es ist jedoch zu beachten, daß durch Ausbildung der Ausnehmungen in der Wandung der Kanäle die Festigkeit der Struktur beeinträchtigen kann. Eine solche Beeinträchtigung der Festigkeit der Struktur tritt nicht ein, wenn der Abschnitt, ohne Ausnehmungen, jedoch aus einem wärmeisolierendem Werkstoff besteht.
Die Ausbildung von Ausnehmungen in einer Struktur kann vor, während oder nach dem Herstellungsvorgang der Struktur, erfolgen. Wird die Struktur durch gewickelte und/oder geschichtete Lagen wenigstens teilweise struktu­ rierter Bleche gebildet, so ist die Ausbildung der Ausnehmungen vor dem Wickeln oder Schichten der Lagen der Bleche vorzunehmen.
Eine von einem Fluid durchströmbare Struktur, die in der Nähe des Ein­ tritts- und des Austrittsbereiches jeweils einen Abschnitt verringerter Wärme­ leitfähigkeit aufweist, ist besonderes als Wabenkörper für einen Abgaskataly­ sator geeignet. Bevorzugt ist ein solcher Wabenkörper in einem Mantelrohr angeordnet, wobei das Mantelrohr in der Nähe des Eintritts- und des Aus­ trittsbereichs einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierzu wird vorgeschlagen, daß der Abschnitt durch Ausnehmungen im Mantelrohr gebildet ist. Bei den Ausnehmungen im Mantelrohr bzw. in der Struktur, insbesondere in dem Wabenkörper, kann es sich um Perforationen handeln.
Der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise fluchtend angeordnet. Der bereits vorstehend dargelegte Zusammenhang zwischen der körperlichen Ausgestaltung der Struktur und dem Erreichen einer zur kataly­ tischen Umsetzung eines Abgases notwendigen Temperatur nach einem Wiederstart einer Verbrennungskraftmaschine wird noch weiter verstärkt, wenn das Mantelrohr, in dem sich die Struktur als ein Wabenkörper an­ geordnet ist, im Eintritts- und Austrittsbereich jeweils einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß die Wärmeleitung vom Mantelrohr zu benachbarten Bauteilen eines Abgassystems signifikant verringert wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wabenkörpers und
Fig. 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wabenkör­ pers in einem Abgassystem.
Fig. 1 zeigt einen von einem Fluid durchströmbaren Wabenkörper 1. Der Wabenkörper 1 hat einen Eintrittsbereich 2 und einen Austrittsbereich 3. Der Eintrittsbereich 2 und der Austrittsbereich 3 sind durch für ein Fluid durch­ strömbare Kanäle 4 miteinander verbunden. Die Struktur 1 ist in einem Mantelrohr 5 angeordnet. In der Nähe des Eintrittsbereichs 2 ist in der Struktur 1 ein Abschnitt 6 mit verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Der Abschnitt 6 ist durch Ausnehmungen 7 gebildet. Die Ausnehmungen 7 sind in der Wandung 8 der Kanäle 4 ausgebildet und erstrecken sich wenig­ stens teilweise quer zur Strömungsrichtung des Fluids F. In der Nähe des Austrittsbereichs 3 sind Ausnehmungen 10 ausgebildet, die einen Abschnitt 10 einer verringerten Wärmeleitfähigkeit bilden. Die Ausnehmungen 9 sind in der Wandung 8 der Kanäle 4 eingebracht. Auch der Mantel 5 weist einen Abschnitt 11 und einen Abschnitt 12 verringerter Wärmeleitfähigkeit im Eintritts- bzw. Austrittsbereich 2, 3 der Struktur 1 auf. Die Abschnitte 11, 12 sind durch Ausnehmungen 13 bzw. 14 gebildet. In dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 7, 9, 13 bzw. 14 der Abschnitte 6, 10, 11 bzw. 12 langlochförmig ausgestaltet. Sie sind sowohl im Mantelrohr 5 als auch in der Struktur 1 gleich ausgebildet.
Alternativ können die Ausnehmungen 13 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies die Fig. 2 zeigt. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise 5 bis 15 mm hinter der jeweiligen Stirnfläche der Struktur in einer Ebene ausgebildet. Die Fig. 2 zeigt die Anordnung einer Struktur 1 in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Die Struktur 1 weist ein Mantelrohr 5 auf, welches in der Nähe des Eintrittsbereichs 2 Ausnehmun­ gen 13 und in der Nähe des Austrittsbereichs 3 Ausnehmungen 14 auf. Der Mantel 5 der Struktur 1 ist von einem Isoliermaterial 15 umgeben. Dieses Isoliermaterial 15 ist von einem äußeren Mantelrohr 16 umgeben. Vor dem Eintrittsbereich 2 ist ein Diffusor 17 ausgebildet, der mit dem äußeren Mantelrohr 16 verbunden ist. Am Austrittsbereich 3 ist ein Konfusor 18 ausgebildet, der mit dem äußeren Mantelrohr 16 verbunden ist. Durch die Abschnitte 11 bzw. 12 des äußeren Mantelrohrs 5 und ebenfalls die Ab­ schnitte 6 bzw. 9 der Struktur 1, die vorzugsweise aus geschichteten oder gewickelten Blechen besteht, wird die Wärmeabgabe aus dem Zentrum der Struktur 1 zum Konfusor bzw. Diffusor bzw. in die davor bestehenden Gasräume verringert. Hierdurch erzielt man eine im wesentlichen heiße "Zelle", die von der thermischen Isolierung 15 sowie die Abschnitte ver­ ringerter Wärmeleitfähigkeit begrenzt ist. Hierdurch wird eine energetisch günstigere Ausgestaltung eines Abgasreinigungssystems erzielt.
Bezugszeichenliste
1 Struktur
2 Eintrittsbereich
3 Austrittsbereich
4 Kanal
5 Mantelrohr
6 Abschnitt
7 Ausnehmung
8 Wandung
9 Ausnehmung
10 Abschnitt
11, 12 Abschnitt
13, 14 Ausnehmung
15 Isolierung
16 äußeres Mantelrohr
17 Diffusor
18 Konfusor

Claims (10)

1. Von einem Fluid durchströmbare Struktur (1), insbesondere Wabenkör­ per für einen Abgaskatalysator, mit einem Eintrittsbereich (2), der durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle (4) mit einem Austrittsbereich (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichs (2, 3) jeweils einen Ab­ schnitt (6, 10) verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (6, 10) der verringerter Wärmeleitfähigkeit sich über den gesamten Querschnitt der Struktur (1) erstreckt.
3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (6, 10) die Wandung (8) wenigstens einiger Kanäle (4) mindestens teilweise mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist.
4. Struktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (6, 10) die Wandung (8) wenigstens einiger der Kanäle (4) mindestens eine Ausnehmung (7, 9) aufweist.
5. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß der Abschnitt (6, 10) aus einem wärmeisolierendem Werkstoff besteht.
6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur durch gewickelte und/oder geschichtete Lagen wenig­ stens teilweise strukturierter Bleche gebildet ist.
7. Wabenkörper für einen Abgaskatalysator, gekennzeichnet durch eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Wabenkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in einem Mantelrohr (5) angeordnet ist, wobei das Mantelrohr (5) in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichs (2, 3) einen Abschnitt (11, 12) verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
9. Wabenkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ schnitt (11, 12) im Mantelrohr (5) mit dem Abschnitt (6, 10) der Struktur (1) fluchtet.
10. Wabenkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (11, 12) durch Ausnehmungen (13, 14) im Mantelrohr (5) gebildet ist.
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