DE4434363A1 - Scheibenweise aufgebaute Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper - Google Patents

Scheibenweise aufgebaute Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wabenkörper; insbesondere Kataly­ sator-Trägerkörper zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraft­ maschine vorzugsweise für Otto-Motoren, der eine Vielzahl von Kanälen aufweist und jeder Kanal mit seinem einen Ende in einen Zentralkanal mündet. Wabenkörper in dieser Art mit katalytisch aktiver Beschichtung werden auch als Radial-Katalysatoren bezeichnet. Eine solche Vorrichtung ist in der Zeitschrift "VDI-Nachrichten" Nr. 38 vom 24.09.93, S. 11 "Kat auf dem Weg zu High-Tech", beschrieben.
Ausgehend von der bekannten Vorrichtung liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, einen Wabenkörper so weiterzubilden, daß er z. B. als Katalysator-Trägerkörper die katalytische Umsetzung von Ab­ gasen verbessert. Ferner soll er einfach herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wabenkörper; insbesondere zur katalytischen Umsetzung von Abgasen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Wabenkörper zeichnet sich dadurch aus, daß die Kanäle bogenförmig von einem Zentralkanal nach außen verlaufen. Durch diese Ausbildung werden die Kanäle länger; ohne daß die äußeren Abmessungen des Trägerkörpers verändert werden müssen.
Der Trägerkörper kann hinsichtlich seiner äußeren Abmessungen bei gleicher katalytisch wirkender Oberfläche flexibel gestaltet werden. Die Kanäle sind durch aneinanderliegende Scheiben begrenzt, wobei wenig­ stens ein Teil der Scheiben eine Makrostruktur aufweist, die die seitliche Begrenzung der Kanäle bildet, und die z. B. eine Höhe von etwa 0,5 bis 5 mm haben kann.
Dieser Aufbau des Wabenkörpers hat den Vorteil, daß er einfach her­ stellbar ist, da die Makrostruktur z. B. durch Prägen auf die Scheiben aufgebracht werden kann. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus kann darin gesehen werden, daß die (katalytisch aktive) Oberfläche durch die Anzahl der Scheiben oder der Kanäle relativ einfach an den Einsatzzweck des Katalysator-Trägerkörpers angepaßt werden kann.
Die Makrostrukturen auf einzelnen Scheiben können unterschiedlich gekrümmt sein. Der Trägerkörper kann Kanäle aufweisen, deren Krüm­ mung gleich ist, die jedoch einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Der Katalysator-Träger kann den an ihn gestellten Anforderungen auch dadurch angepaßt werden, daß der Katalysator-Trägerkörper aus Scheiben aufgebaut ist, die Makrostrukturen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Krümmung aufweisen. Ein modularer Aufbau des Trägerkörpers wird hierdurch ermöglicht und ein definierter Abstand zwischen den Scheiben kann durch abwechselnde Anordnung von Scheiben mit und ohne Makro­ struktur oder von Scheiben mit unterschiedlich gekrümmten Makrostruktu­ ren erreicht werden.
Zweckmäßigerweise verlaufen die einzelnen Kanäle etwa evolventenförmig von dem Zentralkanal nach außen. Aufgrund ihrer Definition haben die Evolventen überall einen gleichen Abstand, wodurch der freie Strömungs­ querschnitt der Kanäle in Strömungsrichtung etwa konstant ist.
Gemäß eines weiteren vorteilhaften Gedankens wird vorgeschlagen, die Vorrichtung durch eine abwechselnde Anordnung von Scheiben mit einer Makrostruktur und von Scheiben mit einer Mikrostruktur auszubilden, wobei sich die Makro- und die Mikrostruktur unter einem Winkel kreu­ zen. Der Vorteil einer solchen Weiterbildung liegt darin, daß durch die Mikrostruktur die Strömung im Kanal gestört wird, wodurch es zu Ver­ wirbelungen innerhalb der Strömung kommt. Eine Verwirbelung der Strömung hat den Vorteil, daß die Strömungsschicht und die Diffusions­ schicht an der Katalysatoroberfläche gestört wird, wodurch der Stoffüber­ gang zwischen dem Abgas und dem Katalysator verbessert wird.
Die Mikrostruktur kann z. B. durch Ausbildung von Prägungen, die konzentrisch zum Zentralkanal angeordnet sind, erfolgen. Unter Mikro­ struktur wird hier verstanden, daß die Struktur nur etwa 5-30% der Höhe der Makrostruktur aufweist.
Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 7 wird vorgeschlagen, die Mikrostruktur durch sich unter einem Winkel kreuzende Prägungen auszubilden.
Auch die Scheiben mit einer Makrostruktur können zusätzlich im Winkel dazu verlaufende Mikrostrukturen aufweisen, um die Effektivität einer katalytischen Umsetzung zu erhöhen.
Die Abgasströmungsführung erfolgt vorteilerhafterweise so, daß der Trägerkörper von innen nach außen durchströmt wird. Hierzu ist der Zentralkanal mit der Abgaseintrittsöffnung verbunden. Diese Strömungs­ führung hat den Vorteil, daß die für die katalytische Umsetzung erfor­ derliche Betriebstemperatur im Zentrum des Trägerkörpers relativ schnell erreicht werden kann. Hierdurch bedingt weist die Vorrichtung eine relativ große Ansprechgeschwindigkeit auf.
Um die Schadstoffemission während einer Kaltstartphase weiter zu redu­ zieren, wird vorgeschlagen, den Trägerkörper elektrisch oder elektroma­ gnetisch zu beheizen. Elektrisch beheizbare Trägerkörper sind z. B. durch die WO in 92/18245 bekannt.
Ausführungsbeispiele, vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungsmög­ lichkeiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben, ohne daß die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt ist. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung im Längsschnitt,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung im Längs­ schnitt,
Fig. 3 eine Scheibe in der Draufsicht,
Fig. 4 eine Scheibe mit einer Mikrostruktur in der Draufsicht.
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V durch Fig. 4.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur katalytischen Umsetzung von Ab­ gasen in einem Abgassystem. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 2, in dem ein Katalysator-Trägerkörper 3 angeordnet ist. Der Katalysator- Trägerkörper 3 weist eine Vielzahl von Kanälen 4 auf. Jeder Kanal 4 mündet in einen Zentralkanal 5. Der Zentralkanal 5 steht mit der Abgaseintrittsöffnung 6 des Gehäuses 2 in Verbindung. Die Abgasein­ trittsöffnung 6 bzw. das Gehäuse 2 ist mit einem Abgasrohr 7 verbunden, welches ein Teil eines Abgassystems ist.
Das Gehäuse 2 weist eine Abgasaustrittsöffnung 8 auf, welche mit einem weiteren Abgasrohr 9 verbunden ist. Das der Abgaseintrittsöffnung gegen­ überliegende Ende 10 ist verschlossen.
Der Trägerkörper 3 ist mit einem Abstand zum Gehäuse 2 angeordnet, so daß zwischen dem Trägerkörper 3 und dem Gehäuse 2 ein Spalt 11 besteht.
Das durch das Abgasrohr 7 von einem nicht dargestellten Motor strö­ mende Abgas A strömt durch die Abgaseintrittsöffnung 6 in den Zen­ tralkanal 5. Vom Zentralkanal 5 aus durchströmt das Abgas den Träger­ körper 2 durch die Kanäle 4.
Über den Spalt 11 und durch die Abgasaustrittsöffnung 8 des Gehäuses 2 strömt das Abgas in das Abgasrohr 9.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 in der Abgasströmungsführung. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel durchströmte das Abgas den Trägerkörper von innen nach außen. Im zweiten Ausführungsbeispiel durchströmt das Abgas den Trägerkörper 3 von außen nach innen.
Im Abgaseintrittsbereich 12 ist ein Leitkörper 13 vorgesehen, der die Abgasströmung zum Spalt 11 hin ablenkt. Strömungstechnisch betrachtet ist ein solcher Leitkörper vorteilhaft, da hierdurch die Druckverluste verringert werden können.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ferner der Trägerkörper 3 elektrisch beheizbar. Hierzu ist eine Spannungsquelle 14 über den Zen­ tralkanal 5 mit der Innenseite des Trägerkörpers 3 verbunden. Die Außenfläche des Trägerkörpers 3 ist ebenfalls mit der Spannungsquelle 14 verbunden.
Der Trägerkörper 3 ist aus einer Vielzahl von einanderanliegenden Scheiben aufgebaut. In der Fig. 3 ist eine Scheibe 15 dargestellt, die eine Makrostruktur 16 aufweist. Die Makrostruktur 16 bildet die seitliche Begrenzung der Kanäle 4. Die Kanäle 4 verlaufen etwa evolventenförmig aus einem zentralen Bereich 17 nach außen hin. Zusätzlich kann die Scheibe noch eine im Winkel zur Makrostruktur verlaufende Mikrostruk­ tur 20 aufweisen.
In den Fig. 4 und 5 ist eine Scheibe mit einer Mikrostruktur darge­ stellt. Die Mikrostruktur umfaßt konzentrisch zum zentralen Bereich 17 ausgebildete Prägungen. Der zentrale Bereich 17 stellt eine Öffnung dar; die beim zusammengesetzten Trägerkörper den Zentralkanal 5 bildet. Mikrostrukturen können nach nur einer Seite oder bevorzugt nach beiden Seiten einer Scheibe ausgebildet sein. Sie folgen bevorzugt in einem Abstand vom 0,5 bis 10-fachen der Höhe der Makrostruktur aufeinander.
Erfindungsgemäße Wabenkörper können wegen ihrer flexiblen Gestal­ tungsmöglichkeit auch bei ungünstigen Platzverhältnissen eingesetzt wer­ den.

Claims (15)

1. Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper (3) zur katalyti­ schen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise für Ottomotoren, der eine Vielzahl von Kanälen (4) aufweist, wobei jeder Kanal (4) mit seinem einen Ende in einen Zentralkanal (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) bogenförmig von dem Zentralkanal (5) nach außen verlaufen und durch anein­ anderliegende Scheiben (15, 18) begrenzt sind, wobei wenigstens ein Teil der Scheiben (15) eine Makrostruktur (16) aufweist, die die seitliche Begrenzung der Kanäle (4) bildet.
2. Wabenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) eine unterschiedliche Krümmung aufweisen.
3. Wähenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Teil der Scheiben (15) unterschiedlich gekrümmte Makro­ strukturen (16) aufweist.
4. Wabenkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle (4) etwa evolventenförmig von einem zentralen Bereich (17) nach außen verlaufen.
5. Wabenkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle (4) in Abweichung von der idealen Evolventenform tangential von dem zentralen Bereich (17) ausgehen.
6. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt der Kanäle (4) in Strömungsrichtung etwa konstant ist.
7. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine abwechselnde Anordnung von Scheiben (15) mit einer Makrostruktur (16) und von Scheiben (18) mit einer Mikro­ struktur (19), wobei sich die Makro- und die Mikrostruktur (16 bzw. 19) unter einem Winkel kreuzen.
8. Wabenkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur (19) konzentrisch zu einem zentralen Bereich (17) ausgebildete Prägungen umfaßt.
9. Wabenkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur durch unter einem Winkel sich kreuzende Prägungen gebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auch die Scheiben (15) mit einer Makrostruktur (16) zusätzlich eine im Winkel zu der Makrostruktur (16) verlaufende Mikrostruktur aufweisen.
11. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er in einem Gehäuse (2) mit einer Abgaseintritt- und einer Abgasaustrittsöffnung (6, 8) angeordnet ist.
12. Wabenkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (5) mit der Abgaseintrittsöffnung (6) in Verbindung steht.
13. Wabenkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (5) mit der Abgasaustrittsöffnung (8) in Verbindung steht.
14. Wabenkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaseintritts- und der Abgasaustrittsöffnung (6 bzw. 8) gegenüber­ liegende Ende (10) des Zentralkanals (5) verschlossen ist.
15. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (3) beheizbar, insbesondere elektrisch, vorzugsweise elektromagnetisch beheizbar ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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