DE19943846A1 - Vorrichtung mit Heizelement zur Abgasreinigung - Google Patents
Vorrichtung mit Heizelement zur AbgasreinigungInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere eines Dieselmotors, vorgeschlagen mit mindestens einem eine wabenförmige Struktur aufweisenden und von Abgas durchströmbaren Katalysator-Trägerkörper (1), welcher in einem Mantelrohr (3) angeordnet ist, mit einem elektrischen Heizelement, wobei das Heizelement an seinen Enden jeweils einen Stromanschluß (4) aufweist und durch einen elektrisch isolierenden Spalt (5) in dem Heizelement ein gewundener Strompfad festgelegt ist. Erfindungsgemäß ist das Heizelement ein Wabenkörper (2), der mit elektrisch isolierenden Stützelementen (6) an dem Katalysator-Trägerkörper (1) befestigt und in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Katalysator-Trägerkörper (1) angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht ein besonders effektives Aufheizen eines nachgeschalteten Wabenkörpers, insbesondere eines Rußfilters, zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten einer dort benötigten Temperatur, insbesondere zum Zünden von angesammeltem Ruß.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen
einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit
mindestens einem eine wabenförmige Struktur aufweisenden und von Abgas
durchströmbaren Katalysator-Trägerkörper, welcher in einem Mantelrohr
angeordnet ist, mit einem elektrischen Heizelement, wobei das Heizelement an
seinen Enden jeweils einen Stromanschluß aufweist und durch einen elektrisch
isolierenden Spalt in dem Heizelement ein gewundener Strompfad festgelegt ist.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 783 621 bekannt. Sehr
weitgehende Angaben enthält auch die Broschüre "Elektrisch Heizbarer
Katalysator Emicat" der Anmelderin, welche sich ausführlich mit der Historie der
Entwicklung beheizbarer Wabenkörper und deren Aufbau beschäftigt.
Bei den bekannten Anordnungen geht man im wesentlichen davon aus, daß der
beheizbare Wabenkörper in Strömungsrichtung vor einem Katalysator-
Trägerkörper angeordnet ist, damit er diesen bei Bedarf schnell aufheizen kann.
Dabei gehen die bekannten Anordnungen davon aus, daß eine möglichst
homogene Beheizung der Querschnittsfläche stattfinden soll, so daß der elektrisch
isolierende Spalt klein gehalten wird und der weitaus größte Teil der
Querschnittsfläche beheizt wird.
Aus der EP 0 557 309 B1 ist es allerdings auch schon bekannt, einen beheizbaren
Wabenkörper hinter einem Katalysator-Trägerkörper anzuordnen. Dabei geht
dieses Konzept davon aus, daß die erste Scheibe einer Katalysatoranordnung im
Laufe der Lebensdauer durch hohe Temperaturen und andere Prozesse altert, daß
heißt in ihrer katalytischen Aktivität beeinträchtigt wird, weshalb erst ein weiter
hinten liegender Bereich beheizt wird. Auch eine sogenannte Vergiftung der
ersten Scheibe der Katalysatoranordnung durch bestimmte Anteile im Kraftstoff
soll auf diese Weise ausgeglichen werden.
Weiterhin bekannt sind Konzepte, bei denen ein im Prinzip gleichmäßig mit
elektrisch beheizbaren Blechlagen oder metallischen Strukturen ausgefüllter
Querschnitt durch besondere Maßnahmen ungleichmäßig aufgeheizt wird,
insbesondere unter Erzeugung bestimmter heißer Bereiche (hot spots). Solche
Konzepte erfordern eine relativ komplizierte Herstellungstechnik, um Strukturen
zu schaffen, die an bestimmten Stellen einen hohen elektrischen Widerstand und
an anderen Stellen einen kleineren elektrischen Widerstand haben.
Bei elektrisch beheizbaren Wabenkörpern in Abgasanlagen von
Verbrennungskraftmaschinen, die andere Komponenten aufheizen sollen, kommt
es nicht nur darauf an, einen Wabenkörper homogen oder inhomogen auf
bestimmte Temperaturen aufzuheizen, sondern vor allem darauf, die Heizleistung
auch an eine nachfolgende Komponente und/oder das hindurchströmende Abgas
abzugeben.
Ein einfacher Heizdraht beispielsweise könnte aufgrund seiner kleinen Oberfläche
nicht genügend Wärme abgeben. Zur Aufheizung eines nachfolgenden
Wabenkörpers auf eine bestimmte Mindesttemperatur, beispielsweise zum
Abbrennen von angesammeltem Ruß oder zum Zünden einer katalytischen
Reaktion, muß daher ein beheizbarer Wabenkörper nicht nur selbst die nötige
Temperatur erreichen, sondern diese auch an das Abgas oder einen nachfolgenden
Wabenkörper abgeben können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Reinigen von
Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen mit einem Heizelement,
welches eine schnelle und effektive Aufheizung eines nachfolgenden Elementes,
insbesondere eines Rußfilters, ermöglicht. Dabei soll die Anordnung mechanisch
stabil sein und mit einer für Kraftfahrzeuge geeigneten Stromstärke betrieben
werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einen
Katalysator-Trägerkörper mit einer wabenförmigen Struktur auf, an dem ein
Wabenkörper als Heizelement mittels elektrisch isolierender Stützelemente
befestigt ist. Der Wabenkörper hat an seinen Enden jeweils einen Stromanschluß
und ist so geformt, daß er einen gewundenen Strompfad festlegt. Dabei ist er in
Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Katalysator-Trägerkörper angeordnet.
Der Wabenkörper hat eine große Oberfläche, wodurch eine gute
Wärmeübertragung auf das hindurch strömende Abgas gewährleistet ist. Die
erzeugte Wärme kann dadurch und durch Strahlung schnell auf das Abgas bzw.
eine nachfolgende Komponente übertragen werden. Eventuell durch Strahlung an
den in Abgasrichtung vorab angeordneten Katalysator-Trägerkörper abgegebene
Heizleistung wird von diesem wiederum an das Abgas abgegeben, so daß die
volle Heizleistung für die nachgeschaltete Komponente zur Verfügung steht.
Bevorzugt ist der Wabenkörper so gestaltet, daß der Strompfad eine etwa
mäander- oder spiralförmige Form aufweist, wobei der Wabenkörper eine erste
Querschnittsfläche und der Spalt eine zweite Querschnittsfläche aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Spalt sehr viel größer
als bei den bekannten Anordnungen, wie sie insbesondere in dem oben zitierten
Prospekt "Elektrisch Heizbarer Katalysator Emicat" beschrieben sind. Zwar
entspricht der prinzipielle Aufbau bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dem
dort gezeigten "Heizkatalysator Serie 6", jedoch ist erstens die Anordnung in
bezug auf die Strömungsrichtung umgekehrt und zweitens der elektrisch
isolierende Spalt sehr viel größer als bei bekannten Ausführungsformen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Verhältnis der
Querschnittsfläche des beheizbaren Wabenkörpers zur Querschnittsfläche des
Spaltes kleiner als 2 ist, vorzugsweise sogar kleiner als 1. Letzteres bedeutet, daß
die Breite des Spaltes größer als die Breite des beheizbaren Wabenkörpers,
welcher den gewundenen Strompfad bildet, ist.
Dennoch lassen sich die elektrischen Eigenschaften des Heizelementes immer
noch beliebig einstellen. Geht man von einer konstanten typischen Ausdehnung
des Heizelementes in Strömungsrichtung von 5 bis 20 mm aus, insbesondere 10 mm,
so bedeutet eine Vergrößerung der Spaltbreite, daß die Länge des
Strompfades in dem Heizelement verkürzt werden muß und/oder daß die Zahl der
parallelen Blechlagen in dem Strompfad reduziert werden muß und/oder daß die
Größe der Zellen in dem Strompfad verkleinert werden muß. Gerade die letzte der
genannten Möglichkeiten erlaubt es, bei gleicher Heizleistung (der elektrische
Widerstand verändert durch eine Verkleinerung der Zellen, aber unter
Beibehaltung aller übrigen Parameter nicht wesentlich), mehr Heizleistung in
Teilströme des Abgases zu bringen, die durch das Heizelement (und nicht durch
den Spalt) hindurchgehen. So entstehende heiße Strähnen können eine
nachfolgende Komponente partiell aufheizen, was für das Anspringen einer
katalytischen Reaktion oder besonders für die Entzündung von in einem Rußfilter
angesammeltem Ruß besonders günstig ist.
Der Spalt in dem beheizbaren Wabenkörper kann entweder über seinen Verlauf
eine annähernd gleiche Breite aufweisen, wodurch in allen Querschnittsbereichen
heiße Teilströme erzeugt werden oder der Spalt kann eine in Richtung zum
Mantelrohr hin zunehmende Breite aufweisen. Letzteres ist an die typische
Strömungsverteilung in einem Abgassystem angepaßt, so daß mehr Heizleistung
im Inneren des Systems als in den äußeren Bereichen aufgebracht werden kann.
Zur Vermeidung von Schwingungen des erfindungsgemäß bevorzugt sehr
schmalen Strompfades ist es besonders bevorzugt, die Stützelemente zwischen
Heizelement und Katalysator-Trägerkörper in etwa gleichen Abständen über den
Strompfad zu verteilen.
Der als Abstützung für das Heizelement dienende Katalysator-Trägerkörper trägt
typischerweise eine katalytisch aktive Beschichtung, die die Oxidation von
Bestandteilen im Abgas fördert, insbesondere von Kohlenmonoxid und
Kohlenwasserstoffen. Auch der beheizbare Wabenkörper kann bevorzugt mit
einer solchen katalytisch aktiven Schicht, insbesondere mit einer oxidierend
wirkenden Schicht, ausgestattet werden.
Besonders bevorzugt weist der beheizbare Wabenkörper kleinere Waben als die
Waben des Katalysator-Trägerkörpers auf. Insbesondere wird für den Katalysator-
Trägerkörper eine Zellenzahl von 200 bis 500 cpsi (cells per square inch) und für
den beheizbaren Wabenkörper eine Zellenzahl von 400 bis 800 cpsi bevorzugt.
Der beheizbare Wabenkörper ist dabei insbesondere aus abwechselnden Lagen
schwach und stark gewellter Bleche aufgebaut.
Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in Kombination mit
einem nachgeschalteten Rußfilter, welcher insbesondere auch ein keramischer
Filter sein kann. An einem keramischen Filter läßt sich ein Heizkörper der
beschriebenen Art nicht problemlos abstützen, da die Ausdehnungskoeffizienten
von Metall und Keramik zu unterschiedlich sind. Die beschriebene Konstruktion
eines hinter einem Oxidationskatalysator abgestützten Heizelementes eignet sich
daher besonders für eine solche Gesamtanordnung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches
im folgenden detailliert beschrieben wird. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Katalysatorvorrichtung mit einem s-
förmig gewundenen Wabenkörper im Schnitt und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abgassystems mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein
Katalysator-Trägerkörper 1 und ein Wabenkörper 2 in einem Mantelrohr 3
angeordnet. Der Wabenkörper 2 dient als elektrisches Heizelement mit jeweils
einem Stromanschluß 4 an seinen Enden und legt durch einen isolierenden Spalt 5
einen gewundenen Strompfad fest. Der Wabenkörper 2 ist über elektrisch
isolierende Stützelemente 6 an dem Katalysator-Trägerkörper 1 befestigt. Der
Wabenkörper 2 ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Katalysator-
Trägerkörper 1 angeordnet, wie aus Fig. 2 ersichtlich wird. Die Stützelemente 6
sind in etwa gleichen Abständen über den Strompfad des Wabenkörpers 3 verteilt
angeordnet. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind als
Stützelemente 6 Metallstifte mit einer in der Figur nicht dargestellten elektrischen
Isolierung vorgesehen. Die Stützelemente 6 verhindern Schwingungen und
elektrische Kurzschlüsse. Das aus dem Katalysator-Trägerkörper 1 ausströmende
Abgas strömt zum Teil an dem Wabenkörper 2 vorbei und strömt zu einem
anderen Teil durch den Wabenkörper 2 hindurch. Dieser Teil wird durch die große
Oberfläche des Heizelementes 2 aufgeheizt und kann dadurch eine nachfolgende
Komponente ebenfalls in Teilbereichen aufheizen.
Fig. 2 zeigt die prinzipielle Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine 10. Abgas aus der
Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmt zunächst den Katalysator-
Trägerkörper 1, dann den Wabenkörper 2 und dann eine nachfolgende
Komponente 9, insbesondere ein Rußfilter. Anders als hier dargestellt kann die
nachfolgende Komponente auch einen größeren Durchmesser als der beheizbare
Wabenkörper haben.
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Abgasreinigung von
Dieselmotoren, bei denen zunächst oxidierbare gasförmigen Komponenten
umgesetzt und danach Partikel mit einem Partikelfilter herausgefiltert werden.
Das Abbrennen von gesammeltem Ruß muß, wenn die Betriebstemperatur des
Rußfilters über längere Zeiträume nicht die zum Abbrennen nötige Temperatur
erreicht, durch zusätzliche Beheizung gezündet werden, wofür sich die
erfindungsgemäße Vorrichtung besonders eignet. Eine völlig homogene
Beheizung ist nicht erforderlich, da der gezündete Ruß in Teilbereichen auch
angrenzende Bereiche zünden kann. Es ist daher günstiger, heiße Teilströme mit
effektivem Einsatz an elektrischer Energie zu erzeugen als homogen den ganzen
Strömungsquerschnitt zu beheizen.
1
Katalysator-Trägerkörper
2
beheizbarer Wabenkörper
3
Mantelrohr
4
Stromanschluß
5
elektrisch isolierender Spalt
6
Stützelement
7
Waben den Katalysator-Trägerkörpers
8
Waben des beheizbaren Wabenkörpers
9
weiterer Wabenkörper (Rußfilter)
10
Verbrennungskraftmaschine
B Breite des Spaltes
B Breite des Spaltes
5
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine
(10), insbesondere eines Dieselmotors, mit mindestens einem eine
wabenförmige Struktur aufweisenden und von Abgas durchströmbaren
Katalysator-Trägerkörper (1), welcher in einem Mantelrohr (3) angeordnet
ist, mit einem elektrischen Heizelement, wobei das Heizelement an seinen
Enden jeweils einen Stromanschluß (4) aufweist und durch einen elektrisch
isolierenden Spalt (5) in dem Heizelement ein gewundener Strompfad
festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein
Wabenkörper (2) ist, der Wabenkörper (2) mit elektrisch isolierendenen
Stützelementen (6) an dem Katalysator-Trägerkörper (1) befestigt ist und der
Wabenkörper (2) in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Katalysator-
Trägerkörper (1) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper
(2) so gestaltet ist, daß der Strompfad eine etwa mäander- oder spiralförmige
Form aufweist, wobei der Wabenkörper (2) eine erste Querschnittsfläche und
der Spalt (5) eine zweite Querschnittsfläche aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis
von erster zu zweiter Querschnitsfläche kleiner als 2, vorzugsweise kleiner
als 1 ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt (5) über seinen gesamten Verlauf eine annähernd gleich
bleibende Breite (B) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Spalt (5) in Richtung zum Mantelrohr (3) eine zunehmende Breite (B)
aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stützelemente (6) in etwa gleichen Abständen über den Strompfad
verteilt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wabenkörper (2) mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wabenkörpers (2) kleinere Waben (8) aufweist als die Waben (7) des
Katalysator-Trägerkörpers (1).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wabenkörpers (2) gleich große Waben (8) aufweist wie der Katalysator-
Trägerkörper (1).
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Wabenkörper (2) ein
weiterer Wabenkörper (9), insbesondere ein Rußfilter, vorhanden ist.
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