DE9202798U1

DE9202798U1 - Aufheizung einer einen Katalysator aufweisenden Trägermatrix mit einstellbarem Durchflußquerschnitt

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Publication number: DE9202798U1
Application number: DE9202798U
Authority: DE
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 1992-04-23
Anticipated expiration: 2002-03-04

Description

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Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH D-5204 Lohmar 1

Aufheizung einer einen Katalysator aufweisenden Trägermatrix mit einstellbarem Durchflußquerschnitt

Die Erfindung betrifft die Aufheizung einer Trägermatrix mit einem Katalysator zur katalysierten Umsetzung reagibler Agenzien in einem die Trägermatrix durchströmenden Abgas.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Umsetzung reagibler Agenzien in den Abgasen aus Brennkraftmaschinen wie z. B. Ottomotoren in Kraftfahrzeugen. Die reagiblen Agenzien in den Abgasen sind dabei in erster Linie Schadstoffe wie

z. B. Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide; u. U. treten auch Aerosole wie z. B. Ruß auf. Zur Umsetzung dieser Schadstoffe sind in den der Ableitung der Abgase dienenden Abgassystemen der Brennkraftmaschinen auf Trägermatrizen aufgebrachte Katalysatoren vorgesehen, beispielsweise Edelmetallschichten auf Wabenkörpern oder keramischem Schüttgut.

Als Trägermatrizen kommen sowohl keramische als auch metallische Wabenkörper, nämlich Körper, die jeweils eine Vielzahl von engen, von den Abgas durchströmbaren Kanälen mit Wandungen aufweisen, die mit den als Katalysatoren wirkenden Substanzen beschichtet sind, in Frage. Solche Wabenkörper, insbesondere metallische Wabenkörper aus aus Blechen geschichteten und gewundenen oder verschlungenen Stapeln, sind beschrieben in der EP-O 245 736 Bl, der EP-O 245 737 Bl, der WO 90/03220 Al, der EP-0336 106 Al, der US 3 100 140 Al und der DE-8909 740 Ul. Auch die Verwendung solcher Wabenkörper als Trägermatrizen für Katalysatoren zum Einsatz in Abgassystem in Kraftfahrzeugen ist in diesen Schriften ausführlich erläutert.

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Übliche Katalysatoren zur Umsetzung von Schadstoffen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen entfalten ihre katalytische Aktivität erst dann, wenn sie auf im Vergleich mit üblichen Umgebungstemperaturen erhöhte Temperaturen, insbesondere Temperaturen um und oberhalb von etwa 200° C, aufgeheizt sind; dementsprechend werden sie ohne weitere Maßnahmen erst nach eventuell mehrminütiger Verzögerung ab dem Beginn ihrer Beaufschlagung mit Abgas (dessen Temperatur üblicherweise oberhalb der zur Aktivierung der Katalysatoren erforderlichen "Anspringtemperaturen" liegt) aktiv. Die Beschleunigung der Aktivierung von Katalysatoren für Abgassysteme von Kraftfahrzeugen und dergleichen ist daher seit längerer Zeit Gegenstand der weiteren Entwicklung. Bekannt sind sowohl Maßnahmen zur Verringerung der Massen der Trägermatrizen (um zur hinreichenden Aufheizung möglichst wenig Wärme zu benötigen) als auch Maßnahmen zur Vorheizung der Trägermatrizen mittels geeigneter Heizeinrichtungen. Für metallische Wabenkörper ist zu diesem Zwecke insbesondere die direkte elektrische Beheizung, beispielsweise aus den Batterien der Kraftfahrzeuge, in denen die Trägermatrizen eingesetzt sind, bekannt - Hinweise hierzu im allgemeinen, und auch Hinweise zur Optimierung metallischer Trägermatrizen im Hinblick auf elektrische Beheizung, sind beispielsweise der WO 89/10470 Al und der WO 89/10471 Al entnehmbar. Als Alternative zur elektrischen Beheizung einer Trägermatrix für einen Katalysator wird in der DE-38 35 939 Al eine Beheizung durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes beschrieben.

Generell stößt die hinreichende Vorwärmung von Trägermatrizen für Katalysatoren auf Probleme, da die Trägermatrizen zum Dauerbetrieb in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen durch ihre geometrischen Ausdehnungen nicht ohne weiteres mit elektrischen Widerständen in praktisch handhabbaren Größenordnungen herzustellen sind, bzw. die Beheizung durch Verbrennung eines Brennstoffes vergleichsweise aufwendig und teuer ist. Dementsprechend ist es gemäß der EP 0 355 489 Al,

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der WO 90/02250 Al und der WO 90/02251 Al bereits erwogen worden, in den Abgassystemen neben den für Dauerbetrieb ausgelegten Trägermatrizen mit Katalysatoren zusätzliche, kleiner dimensionierte Trägermatrizen mit Katalysator als "Startkatalysatoren" vorzusehen, die bereits ohne besondere Vorwärmung die zur Aktivierung des in ihnen enthaltenen Katalysators erforderliche Temperatur in relativ kurzer Zeit erreichen und darüber hinaus aufgrund ihrer gegenüber den großen, für Dauerbetrieb und -belastung ausgelegten "Hauptkatalysatoren" reduzierten Dimensionen einer externen Vorheizung leichter zugänglich sind. Um die "Startkatalysatoren" vor übermäßiger Beanspruchung zu bewahren, sollen sie in Verzweigungen der Abgassysteme untergebracht werden, so daß sie über Klappen oder dergleichen nach erfolgter Vorwärmung des "Hauptkatalysators" von dem das Abgassystem durchströmenden Abgas abgeschottet werden können. Als Klappen zur Steuerung eines Abgasstroms durch einen Startkatalysator oder um diesen herum sind neben Klappen zur Bedienung über übliche externe Stellmechanismen Klappen aus Bimetallstreifen bekannt, die in kaltem Zustand das Abgas zum Startkatalysator leiten, sich während der Aufheizung durch das Abgas verformen und schließlich, in heißem Zustand, den Strom des Abgases um den Startkatalysator herumleiten. Solche "Strömungsleitklappen" aus Bimetall sind außer in den drei soeben zitierten Schriften in der EP 0 378 797 Al beschrieben.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Weg zur Aufheizung einer mit einem Katalysator versehenen Trägermatrix angegeben werden, der mit einfachen Mitteln eine besonders rasche Aufheizung der Trägermatrix erlaubt, der keine hohen Anforderungen an die Auslegung der Trägermatrix stellt und der insbesondere den Verzicht auf "Startkatalysatoren" mit den damit verbundenen Aufwendungen gestattet.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Aufheizung einer Trägermatrix mit einem Katalysator zur katalysierten Umsetzung

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reagibler Agenzien in einem die Trägermatrix in einem Durchflußquerschnitt durchströmenden Abgas angegeben, welcher Durchflußquerschnitt zwischen einem Maximum und einem Minimum variabel ist, wobei zum Beginn der Durchströmung der Trägermatrix mit Abgas der Durchflußquerschnitt auf das Minimum einstellbar und nach dem Beginn der Durchströmung zum Maximum vergrößerbar ist, wobei die Vorrichtung folgende Bestandteile aufweist:

a) ein Abgassystem, das entlang einer Strömungsrichtung von dem Abgas durchströmbar ist;

b) die den Katalysator aufweisende Trägermatrix, die von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite in dem Durchflußquerschnitt von dem Abgas durchströmbar ist;

c) eine verstellbare Abdeckeinrichtung, mit der zumindest eine Stirnfläche zur Verringerung des Durchflußquerschnittes teilweise abdeckbar ist, wobei zumindest ein Teilsegment der Trägermatrix von dem Abgas durchströmbar bleibt.

Der Durchflußquerschnitt der Trägermatrix mit dem Katalysator wird zum Betriebsbeginn der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasquelle (also unmittelbar vorher oder etwa zeitgleich mit diesem) verringert, so daß zur Durchleitung des Abgases nur ein Teilsegment der Trägermatrix zur Verfügung steht. Damit ist zwar eine Drosselung verbunden; jedoch stellt dies durchaus keinen Nachteil dar, da jedwede übliche Brennkraftmaschine oder andere Abgasquelle unmittelbar nach ihrer Inbetriebnahme nur gering und in schonender Weise belastet werden darf. Die Drosselung unmittelbar nach Betriebsbeginn, die alsbald nach Inbetriebnahme wieder zurückgenommen werden soll, stellt somit durchaus einen Schutz gegen übermäßige Beanspruchung unmittelbar nach der Inbetriebnahme dar. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, daß die Aufheizung der den Katalysator tragenden Trägermatrix ausgehend von dem erwähnten Teilsegment erst nach und nach erfolgt, wobei zum Betriebsbeginn die gesamte in dem Abgas enthaltene Wärme zur Aufheizung des Teilsegmentes zur Verfugung steht. Aufgrund

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dieser Konzentration der Wärmeenergie auf das Teilsegment erfolgt dessen Aufheizung wesentlich schneller als eine Aufheizung der Trägermatrix über ihren gesamten Durchflußquerschnitt; damit kann ohne zusätzliche Maßnahmen zur Beheizung der Trägermatrix eine Aktivierung des Katalysators im Bereich des Teilsegmentes innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne nach der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine erzielt werden. Nach hinreichender Aufheizung des anfangs durchströmten Teilsegmentes können die übrigen Bereiche der Trägermatrix nach und nach zur Durchströmung und Aufheizung freigegeben werden. Vorteilhafterweise erfolgt diese Freigabe nicht diskontinuierlich, sondern im wesentlichen kontinuierlich bis zum Maximum des Durchflußquerschnittes, vorzugsweise dem Durchflußquerschnitt der nicht blockierten Trägermatrix.

Eine Drosselung einer Brennkraftmaschine durch teilweise Blockierung der den Katalysator tragenden Trägermatrix kann darüberhinaus zu einer weiteren Beschleunigung der Aufheizung der Trägermatrix dadurch beitragen, daß wegen der Drosselung die der Brennkraftmaschine abzufordernde Arbeit erhöht ist, was letztlich zu einer Erhöhung der Temperatur des Abgases führen kann. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt in einem Viertakt-Ottomotor mit Einlaßventilen und Auslaßventilen zur Zuführung von Frischgas zur bzw. Abführung von Abgas von seinen Arbeitseinheiten, bei dem im Rahmen des Arbeitstaktes an jeder Auslaßeinheit ein Einlaßventil und ein Auslaßventil eine gewisse Zeitspanne lang gleichzeitig geöffnet sind; solche "Ventilüberschneidung" dient insbesondere der Ausnutzung von Stoßwellen im Auspuffsystem zur Verbesserung der Zuführung des Frischgases. Durch eine Drosselung im Abgassystem eines Motors mit "Ventilüberschneidung" ergibt sich eine gewisse Rückströmung von Abgasen in die Arbeitseinheiten des Motors; dies führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Abgases.

Günstig ist es, den Durchflußquerschnitt der Trägermatrix in

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Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur der Trägermatrix im Bereich des Teilsegmentes, einzustellen. In jedem Fall kann so den thermischen Verhältnissen in der Trägermatrix Rechnung getragen und ein im Hinblick auf den Schadstoffausstoß während der Aufheizung optimierter Betrieb erzielt werden.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung ist das das Minimum des Durchflußquerschnitts der Trägermatrix definierende Teilsegment zum Beginn der Durchströmung, insbesondere vor dem Beginn der Durchströmung, extern beheizbar; eine Beheizung kann insbesondere bei einer in einem Fahrzeug installierten Trägermatrix durch elektrischen Strom erfolgen. Die Erfindung erfordert nicht die Aufheizung der gesamten Trägermatrix bzw. des gesamten Durchflußquerschnittes der Trägermatrix zum Beginn der Durchströmung, sondern lediglich die externe Beheizung eines mehr oder weniger kleinen Teilsegments der Trägermatrix. Sofern also eine Heizeinrichtung für die Trägermatrix vorgesehen wird, kann diese nach der Erfindung für eine wesentlich geringere Wärmeleistung ausgelegt werden, als dies für eine Heizeinrichtung zur Beheizung der gesamten Trägermatrix erforderlich wäre.

Erfindungsgemäß ist der in einem aus Abgasrohren und dergleichen gebildeten Abgassystem befindlichen Trägermatrix eine Einrichtung zugeordnet, die die teilweise Abdeckung zumindest einer ihrer Stirnflächen gestattet. Hierfür kommen insbesondere Klappen und Blenden von vielerlei Art in Frage.

Zu bemerken ist, daß das nicht abzudeckende Teilsegment der Trägermatrix nicht unbedingt einteilig sein muß; es ist sehr wohl denkbar und u. U. auch vorteilhaft, mehrere, voneinander beabstandete Segmente der Trägermatrix zur Durchströmung bei maximaler Abdeckung der Stirnfläche freizuhalten und somit in der Trägermatrix mehrere Ausgangsstellen zur Ausbreitung der Wärme zu schaffen. Die Verstellung der Abdeckeinrichtung kann

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sowohl "von Hand", &zgr;. B. durch den Bediener der Brennkraftmaschine, der das Abgassystem zugeordnet ist, als auch in vielerlei Form selbsttätig erfolgen; es ist sowohl denkbar, die Abdeckeinrichtung mit einer reinen Zeitsteuerung zu betreiben, welche die Stirnfläche der Trägermatrix nach einem vorgegebenen Zeitplan zur Durchströmung freigibt, als auch möglich, die Abdeckeinrichtung unter Berücksichtigung der relevanten Betriebsparameter der Trägermatrix oder ihrer Umgebung zu verstellen. In jedem Fall ist es günstig, wenn die Abdeckeinrichtung eine im wesentlichen kontinuierliche Variation des Durchflußquerschnittes zwischen dem Minimum und dem Maximum gestattet.

Zur Einstellung der Abdeckeinrichtung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Trägermatrix ist der Abdeckeinrichtung vorteilhafterweise ein Sensor zur Erfassung einer Temperatur an der Abdeckeinrichtung und/oder ein Sensor zur Erfassung einer Temperatur an der Trägermatrix selbst zugeordnet. In der Tat ist die Temperatur der Trägermatrix, bzw. die Verteilung der Temperatur über die Trägermatrix, der relevanteste Parameter bzw. die relevanteste Schar von Parametern. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung günstigerweise dahingehend ausgelegt, daß solche Temperaturvariablen in angemessener Weise berücksichtigt werden. Die Anordnung von Abdeckeinrichtung und Trägermatrix zueinander in Strömungsrichtung ist für den Zweck der Abdeckung der Trägermatrix weniger bedeutsam; jedoch ist diese Anordnung insbesondere dann wichtig, wenn der Abdeckeinrichtung ein Sensor zur Erfassung der Temperatur an ihr selbst zugeordnet ist. In diesem Falle ist es besonders günstig, die Abdeckeinrichtung in Strömungsrichtung gesehen hinter der zweiten Stirnfläche, also hinter der Trägermatrix, anzuordnen. Die Aufheizung einer vor der Trägermatrix angebrachten Abdeckeinrichtung ist in erster Linie bestimmt durch die Temperatur des die Abdeckeinrichtung anströmenden Abgases; eine Beeinflussung dieser Aufheizung durch Vorgänge in der

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Trägermatrix selbst gibt es praktisch nicht. Wird die mit dem Sensor versehene Abdeckeinrichtung jedoch hinter der Trägermatrix angeordnet, so ist ihre Aufheizung u. a. abhängig davon, in welchem Umfang die Trägermatrix dem Abgas Wärme entzieht oder mitteilt.

Als temperaturempfindlicher Sensor kommt beispielsweise ein Bimetallstreifen in Frage; einem solchen Bimetallstreifen kann die Information über die gemessene Temperatur mechanisch, durch Bestimmung der temperaturabhängigen Verbiegung, leicht entnommen werden. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil z. B. in der Umgebung einer Trägermatrix mit Katalysator im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges Temperaturen bis 1000° C und darüber auftreten, die für elektronische Temperatursensoren bereits problematisch sein können.

Die erfindungsgemäße Abdeckeinrichtung kann beispielsweise eine bewegliche Klappe aufweisen, mit der die Stirnseite teilweise abdeckbar ist. Diese Klappe wird vorteilhafterweise als Bimetallklappe ausgeführt, die in kaltem Zustand die Stirnfläche abdeckt, so daß der Durchflußquerschnitt dem Minimum entspricht, und in heißem Zustand, dann also, wenn der Katalysator in der Trägermatrix in vollem Umfang aktiv ist, die Stirnfläche im wesentlichen freigibt. Eine solche Bimetallklappe macht besondere Verstelleinrichtungen entbehrlich, was in Anbetracht der u. U. beachtlichen thermischen Beanspruchung der Abdeckeinrichtung ein besonderer Vorteil ist.

Insbesondere in einer erfindungsgemäßen Abdeckeinrichtung mit einer einzigen beweglichen Klappe zur Abdeckung einer Stirnseite der den Katalysator tragenden Trägermatrix kommt das stets freibleibende Teilsegment der Trägermatrix in einem Randbereich, also in einem Bereich in der Nähe der Berandung der Trägermatrix, zu liegen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil bei unbehinderter Durchströmung der

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9 :■ I &agr; &igr; * : 2.. ;. ' '*:■ -r Trägermatrix die Durchströmung deren Randbereiche wesentlich geringer ist als die Durchströmung ihres Mittelbereichs und dementsprechend die Abnutzung des Katalysators im Mittelbereich der Trägermatrix wesentlich höher als die Abnutzung in den Randbereichen ist. Unter anderem bedeutet dies, daß nach einer gewissen Betriebszeit die Anspringtemperatur des Katalysators in den Randbereichen der Trägermatrix niedriger ist als die durch Abnutzung erhöhte Anspringtemperatur im Mittelbereich. Die Anordnung des stets freibleibenden Teilsegmentes im Randbereich der Trägermatrix ermöglicht somit die Gewährleistung einer schnellen Aktivierung eines Katalysators auch dann, wenn er bereits Abnutzungserscheinungen zeigt.

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Abdeckeinrichtung im Rahmen der Erfindung ist eine verstellbare Blende, insbesondere eine Irisblende. Die Irisblende ist kreissymmetrisch und gestattet somit insbesondere die Verwendung einer zylindrische Trägermatrix, wie sie weithin üblich ist. Auch ist die Irisblende an ihrem Außenumfang zu verstellen, was einen gewissen Schutz der Verstelleinrichtung vor übermäßiger thermischer Belastung erlaubt.

Eine besonders günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen jedweder Ausbildung ist das Vorsehen einer Trägermatrix, die elektrisch leitfähig ist und die einen das Teilsegment durchquerenden Pfad zur Leitung eines elektrischen Stromes aufweist, so daß die Trägermatrix zumindest im Bereich des Teilsegmentes, vorzugsweise überwiegend im Bereich des Teilsegmentes, durch den Strom beheizbar ist. Im Rahmen dieser Weiterbildung der Erfindung kommt besonders eine Trägermatrix in Form eines Wabenkörpers aus gewickelten oder verschlungenen Blechen in Frage. Wird die Beheizung der Trägermatrix weitgehend auf das Teilsegment konzentriert, ist der Bedarf an Wärmeenergie relativ gering, was der beschleunigten Aufheizung der Trägermatrix weiter

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entgegenkommt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung jedweder Ausbildung kann darüberhinaus in der Weise weitergebildet werden, daß das stets freibleibende Teilsegment im Verhältnis zu anderen Bereichen der Trägermatrix mit besonders wenig Masse ausgeführt wird. Auf diese Weise ist das Teilsegment besonders schnell aufheizbar, da die Verringerung der Masse mit einer Verringerung der Wärmekapazität einhergeht. Ist die Trägermatrix ein Wabenkörper aus gewickelten oder verschlungenen Blechen, unter denen sich Bleche mit Wellungen befinden, so können die Wellungen der Bleche in dem Teilsegment beispielsweise besonders groß gemacht werden. Hinweise zur Realisierung solcher Trägermatrizen sind den zitierten Dokumenten des Standes der Technik entnehmbar.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele; die Darstellungen sind bewußt schematisiert, nicht maßstäblich und/oder leicht verzerrt gehalten, um die wesentlichen Vorzüge der Erfindung besser herauszustellen. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 ein Abgassystem mit Trägermatrix und Abdeckeinrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine Teilansicht der Anordnung gemäß Figur 1 aus einer anderen Blickrichtung;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Wabenkörpers zur Verwendung im Rahmen der Erfindung; Figur 4 einen Querschnitt durch einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper zur erfindungsgemäßen Verwendung; Figur 5 ein strukturiertes Blech zum Aufbau eines Wabenkörpers gemäß Figur 4;

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 1 umfaßt ein Abgassystem aus Abgasrohren 13, trichterförmigen Übergangs-

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Ii I &iacgr;,&Iacgr; " &zgr; L - '--&Igr; ./' stücken 14 und einem Mantelrohr 15, worin sich die den (nicht dargestellten) Katalysator enthaltende Trägermatrix 2 befindet. Das Abgassystem ist entlang einer Strömungsrichtung

1 von Abgas aus einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine oder dergleichen durchströmbar. Die Trägermatrix 2 weist eine Vielzahl von Kanälen 11 auf, die im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 1 angeordnet sind; die Kanäle 11 sind von einer ersten Stirnseite 3 zu einer zweiten Stirnseite 4 von dem Abgas durchströmbar. Zur teilweisen Abdeckung der Trägermatrix 2 ist hinter der zweiten Stirnseite 2 in einem Abgasrohr 13 eine Abdeckeinrichtung in Form einer Klappe 5, und zwar einer Bimetallklappe, an einer Halterung 12 befestigt. Die Positionierung der Klappe 5 erfolgt selbsttätig in Abhängigkeit von ihrer Temperatur. Ist die Klappe 5 kalt, so nimmt sie die untere, gestrichelt eingezeichnete Position ein und blockiert die Trägermatrix 2 für das Abgas bis auf ein Teilsegment 7. Die Blockierung ist im dargestellten Fall nicht vollständig, was für die Zwecke der Erfindung auch nicht unbedingt erforderlich ist; es reicht aus, wenn zu Beginn der Beaufschlagung mit Abgas ein überwiegender Teil des Abgases durch das markierte Teilsegment 7 der Trägermatrix 2 geführt wird. Kleine Anteile an Abgas, die andere Bereiche der Trägermatrix 2 als das Teilsegment 7 durchfließen, sind solange unbedenklich, wie der durch sie bewirkte Schadstoffausstoß in Anbetracht dessen, daß eine Trägermatrix

2 ohne die Klappe 5 oder dergleichen die Schadstoffe des Abgases anfangs im wesentlichen vollständig passieren läßt, in

einer vertretbaren Größenordnung bleibt. Ein Abgassystem unter Verwendung einer Klappe 5 wird vorzugsweise nicht mit dem weit verbreiteten runden Querschnitt, sondern mit einem etwa rechteckigen Querschnitt ausgeführt, wofür verwendbare Trägermatrizen 2 in vielfältiger Form bekannt sind. Es sei bemerkt, daß das von der Klappe 5 stets freigelassene Teilsegment 7 der Trägermatrix 2 am Rand dieser Trägermatrix 2, außerhalb der bei Abwesenheit der Blockierung hauptsächlich durchströmten Mitte der Trägermatrix 2 liegt. Hieraus

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12 :■ j, j ■ ^&igr;;_ _4 . ■- -·\ ^ .-resultiert u. U. ein weiterer Vorteil: Da das Teilsegment 7 ohne Blockierung durch die Klappe 5, also beim Betrieb nach erfolgter vollständiger Aufheizung, weniger als andere Bereiche der Trägermatrix 2 von dem Abgas durchströmt wird, bleibt auch die Abnutzung des Katalysators im Bereich des

Teilsegmentes 7 gering; daher wird das Anspringverhalten des Katalysators im Teilsegment 7 im Verlauf der Alterung relativ wenig beeinträchtigt und bleibt somit besonders lange, günstigerweise über die gesamte Gebrauchsdauer, erhalten. 10

Figur 2 zeigt dementsprechend eine Ansicht eines Übergangsstückes 14 mit der Klappe 5 und der Halterung 12, gesehen (vergleiche Figur 1) in Strömungsrichtung 1 von der Trägermatrix 2 aus. Der Querschnitt des Übergangsstückes 14 ist etwa rechteckig, so daß sich die Klappe 5 weitgehend frei bewegen kann, wobei der über der Klappe 5 befindliche Raum für das strömende Abgas weitgehend blockiert ist.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Trägermatrix 2, die im Rahmen der Vorrichtung nach Figur 1 verwendbar ist. Die Trägermatrix 2 ist gebildet aus gestapelten glatten Blechen und gewellten Blechen 18, die S-förmig zu einem ovalen Wabenkörper verschlungen sind. Die Trägermatrix 2 ist eingesetzt in ein Mantelrohr 15 mit etwa rechteckigem Querschnitt, wobei die Ecken des Querschnitts mit Paßstücken 16 ausgefüllt sind.

Figur 4 zeigt eine weitere Trägermatrix 2 zur Verwendung im Rahmen der Erfindung. Die Trägermatrix 2 ist wiederum ein Wabenkörper aus glatten Blechen 17 und gewellten Blechen 18, wobei die Bleche 17, 18 U-förmig verschlungen und mit ihren Enden jeweils an Kontakten 19 befestigt sind. In die Trägermatrix 2 eingefaltet ist ein innerer Isolator 20 aus keramischem Material oder dergleichen; der innere Isolator trägt einen Sensor 9, der die Temperaturmessung in der Trägermatrix 2 gestattet. Umgeben ist die Trägermatrix 2 von

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13 M, V 1 &idiagr; , ': ' ^V'i /' einem äußeren Isolator 21, der gleichfalls aus Keramik bestehen kann. Die Trägermatrix 2 ist elektrisch beheizbar, indem von einem zum anderen Kontakt 19 ein elektrischer Strom durch die Bleche 17, 18 geleitet wird. Als im Rahmen der Erfindung nicht abzudeckendes Teilsegment 7 ist der gebogene Bereich der Trägermatrix 2 ausgewiesen; wie eine auf das Teilsegment 7 konzentrierte elektrische Beheizung realisiert werden kann, wird anhand der Figur 5 weiter erläutert. Um den Sensor 9 an die (nicht dargestellte) Abdeckeinrichtung anzuschließen, hat dieser Sensor zwei Leitungen 22; diese können beispielsweise durch eine Bohrung des inneren Isolators 20 geführt werden.

Figur 5 zeigt ein glattes Blech 17 zur Verwendung in einer Trägermatrix nach Figur A. Um in dem dem Teilsegment 7 zukommenden Ausschnitt des Bleches 17 eine elektrische Beheizung zu erzielen, ist der elektrische Widerstand des Bleches 17 in diesem Bereich erhöht durch Ausnehmungen 23 in Form von Löchern. Diese Ausnehmungen 23 verringern den für den elektrischen Strom zur Verfügung stehenden Querschnitt und erhöhen damit den elektrischen Widerstand des Bleches 17 in ihrer Umgebung, so daß ein elektrischer Strom vorzugsweise dort zur Produktion von Wärme führt.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Wiederum ist dargestellt ein Abgassystem aus Abgasrohren 13, Übergangsstücken IA und einem Mantelrohr 15, in dem eine Trägermatrix 2 von einer ersten Stirnseite 3 zu einer zweiten Stirnseite A in Strömungsrichtung 1 von einem Abgas durchströmbar ist. Im vorliegenden Fall ist die Abdeckeinrichtung keine Klappe, sondern eine Irisblende 6; eine solche Irisblende 6 ist weitgehend rotationssymmetrisch und fügt sich somit besonders leicht in ein bezüglich einer Achse 2A rotationssymmetrisches Abgassystem, insbesondere mit einer zylindersymmetrischen Trägermatrix 2, ein. Das nicht abzudeckende Teilsegment 7 der

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Trägermatrix 2 ist im dargestellten Beispiel um die Achse 24 konzentriert. Zur Einstellung der Irisblende 6 ist eine Verstelleinrichtung 10, beispielsweise ein Elektromotor mit nachgeschaltetem Schneckentrieb, eingezeichnet. Auch hat die Irisblende 6 einen Sensor 8 zur Messung ihrer Temperatur; über Leitungen 22 steht der Sensor 8 mit der Verstelleinrichtung 10 in Verbindung. Nicht dargestellt, weil an sich wohlbekannt, sind Steuereinrichtungen und Einrichtungen zur Auswertung der Signale des Sensors 8 im Zusammenhang mit der Verstelleinrichtung 10; sie sind, je nach Anforderungen, nach fachmännischem Verständnis in die dargestellte Einrichtung einzubeziehen.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Aufheizung einer Trägermatrix mit Katalysator zur katalysierten Umsetzung reagibler Agenzien in einem die Trägermatrix durchströmenden Abgas angegeben, wobei mit einfachen Mitteln und bei geringen Anforderungen an die Auslegung der Trägermatrix eine Aufheizung in besonders kurzer Zeit erzielt werden kann; die katalysierte Umsetzung der reagiblen Agenzien in der Phase der Inbetriebnahme des Katalysators ist im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbessert.

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Claims

91 6 6 7 Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Aufheizung einer Trägermatrix (2) mit einem Katalysator zur katalysierten Umsetzung reagibler Agenzien in einem die Trägermatrix (2) in einem Durchflußquerschnitt durchströmenden Abgas, welcher Durchflußquerschnitt zwischen einem Maximum und einem Minimum variabel ist, wobei der Durchflußquerschnitt zum Beginn der Durchströmung der Trägermatrix (2) mit Abgas auf das Minimum einstellbar und nach dem Beginn der Durchströmung zum Maximum vergrößerbar ist, mit folgenden Bestandteilen:

a) einem Abgassystem (13, 14, 15), das entlang einer Strömungsrichtung (1) von dem Abgas durchströmbar ist;

b) der Trägermatrix (2) mit dem Katalysator, welche Trägermatrix (2) von einer ersten Stirnseite (3) zu einer zweiten Stirnseite (4) von dem Abgas in dem Durchflußquerschnitt durchströmbar ist;

c) einer verstellbaren Abdeckeinrichtung (5, 6; 10), mit der zumindest eine Stirnfläche (3, 4) zur Verringerung des Durchflußquerschnittes teilweise abdeckbar ist, wobei zumindest ein Teilsegment (7) der Trägermatrix (2) von dem Abgas durchströmbar bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchflußquer-

schnitt im wesentlichen kontinuierlich vom Minimum zum Maximum vergrößerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Durchflußquerschnitt in Abhängigkeit von einer Temperatur einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Minimum durch ein Teilsegment (7) der Trägermatrix (2) gegeben ist, welches Teilsegment (7) beheizbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem das Teilsegment (7)

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6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mit der Abdeckeinrichtung (5, 6,- 10) eine im wesentlichen kontinuierliche Variation des Durchflußquerschnittes zwischen dem Minimum und dem Maximum, welches vorzugsweise gleich dem Durchflußquerschnitt der nicht abgedeckten Trägermatrix (2) ist, möglich ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) ein Sensor (8) zur Erfassung einer Temperatur an der Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) und/oder ein Sensor (9) zur Erfassung einer Temperatur an der Trägermatrix (2) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der

a) der Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) ein Sensor (8) zur Erfassung einer Temperatur an der Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) zugeordnet ist;

b) in Strömungsrichtung (1) gesehen die Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) hinter der zweiten Stirnfläche (A) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der der Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) ein Bimetallstreifen zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) zumindest eine bewegliche Klappe (5) aufweist, mit der die Stirnseite (3, A) teilweise abdeckbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Klappe (5) eine Bimetallklappe ist, die in kaltem Zustand die Stirnfläche (3, 4) abdeckt, so daß der Durchflußquerschnitt dem minimalen Durchflußquerschnitt entspricht, und in heißem Zustand die Stirnfläche (3, A) im wesentlichen nicht abdeckt.

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12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abdeckeinrichtung (5, 6; 10) eine verstellbare Blende, insbesondere eine Irisblende (6), aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

a) die Trägermatrix (2) elektrisch leitfähig ist und zumindest einen das Teilsegment (7) durchquerenden Pfad zur Leitung eines elektrischen Stromes aufweist;

b) die Trägermatrix (2) zumindest im Bereich des Teilsegments (7), vorzugsweise überwiegend im Bereich des Teilsegments (7), durch den Strom beheizbar ist.

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