EP0783370A1 - Scheibenweise aufgebaute wabenkörper, insbesondere katalysator-trägerkörper - Google Patents

Scheibenweise aufgebaute wabenkörper, insbesondere katalysator-trägerkörper

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EP0783370A1
EP0783370A1 EP95934105A EP95934105A EP0783370A1 EP 0783370 A1 EP0783370 A1 EP 0783370A1 EP 95934105 A EP95934105 A EP 95934105A EP 95934105 A EP95934105 A EP 95934105A EP 0783370 A1 EP0783370 A1 EP 0783370A1
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EP
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honeycomb body
body according
channels
exhaust gas
disks
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EP95934105A
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Wolfgang Maus
Rolf BRÜCK
Hans Bode
Udo Martin
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Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
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Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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    • Y10T428/12417—Intersecting corrugating or dimples not in a single line [e.g., waffle form, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a honeycomb body, in particular a catalyst carrier body for the catalytic conversion of exhaust gases in an exhaust system, in particular for an exhaust system of an internal combustion engine, preferably for Otto engines, which has a plurality of channels and each channel with its one end opens into a central channel.
  • Honeycomb bodies of this type with a catalytically active coating are also referred to as radial catalysts. Such a device is described in the magazine "VDI-Nachzincate" No. 38 of September 24, 1993, p. 11 "Kat on the way to high-tech”.
  • the present invention is based on the object of further developing a honeycomb body in such a way that, for. B. as a catalyst support body improves the catalytic conversion of exhaust gases. Furthermore, it should be easy to manufacture.
  • the honeycomb body according to the invention is characterized in that the channels are arcuate from a central channel to the outside. run. With this design, the channels become longer without the external dimensions of the carrier body having to be changed.
  • the carrier body can be designed flexibly with the same catalytically active surface.
  • the channels are delimited by adjoining disks, with at least some of the disks having a macro structure which forms the lateral delimitation of the channels and which, for. B. can have a height of about 0.5 to 5 mm.
  • This structure of the honeycomb body has the advantage that it is easy to manufacture, since the macrostructure e.g. can be applied to the disks by embossing. Another advantage of this structure can be seen in the fact that the (catalytically active) surface can be adapted relatively easily to the intended use of the catalyst carrier body by the number of disks or the channels.
  • the macro structures on individual panes can be curved differently.
  • the carrier body can have channels whose curvature is the same, but which have a different cross section.
  • the catalyst carrier can also be adapted to the requirements placed on it in that the catalyst carrier body is constructed from disks which have macrostructures with the same and / or different curvature. This enables a modular structure of the carrier body and a defined distance between the panes can be achieved by alternating the arrangement of panes with and without a macrostructure or of panes with differently curved macrostructures.
  • the individual channels expediently run from the central channel to the outside in an involute manner. Because of their definition, the involutes have the same distance everywhere, so that the free flow cross section of the channels in the flow direction is approximately constant.
  • the device by an alternating arrangement of disks with a macrostructure and disks with a microstructure, the macro and the microstructure crossing at an angle.
  • the advantage of such a further development is that the flow in the channel is disturbed by the microstructure, which leads to turbulence within the flow. Turbulence in the flow has the advantage that the flow layer and the diffusion layer on the catalyst surface are disturbed, as a result of which the mass transfer between the exhaust gas and the catalyst is improved.
  • microstructure can e.g. B. by forming embossments which are arranged concentrically to the central channel.
  • Microstructure is understood here to mean that the structure has only about 5-30% of the height of the macrostructure.
  • the panes with a macrostructure can also have microstructures running at an angle to them in order to increase the effectiveness of a catalytic conversion.
  • the exhaust gas flow is advantageously carried out in such a way that the carrier body is flowed through from the inside to the outside.
  • the central channel is connected to the exhaust gas inlet opening.
  • This flow guide has the advantage that the operating temperature required for the catalytic conversion can be reached relatively quickly in the center of the support body. As a result, the device has a relatively high response speed.
  • FIG. 1 shows schematically a first exemplary embodiment of a device in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a device in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a pane in plan view
  • Figure 4 shows a disc with a microstructure in plan view.
  • FIG. 1 shows a device 1 for the catalytic conversion of exhaust gases in an exhaust system.
  • the device comprises a housing 2 in which a catalyst carrier body 3 is arranged.
  • the catalyst carrier body 3 has a multiplicity of channels 4. Each channel 4 opens into a central channel 5.
  • the central channel 5 is connected to the exhaust gas inlet opening 6 of the housing 2.
  • the exhaust gas inlet opening 6 or the housing 2 is connected to an exhaust pipe 7, which is part of an exhaust system.
  • the housing 2 has an exhaust gas outlet opening 8 which is connected to a further exhaust pipe 9.
  • the end 10 opposite the exhaust gas inlet opening is closed.
  • the carrier body 3 is arranged at a distance from the housing 2, so that there is a gap 11 between the carrier body 3 and the housing 2.
  • the exhaust gas flows into the exhaust pipe 9 via the gap 11 and through the exhaust gas outlet opening 8 of the housing 2.
  • FIG. 1 Another exemplary embodiment is shown in FIG.
  • the second exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 in the exhaust gas flow guidance.
  • the exhaust gas flowed through the carrier body from the inside to the outside.
  • the exhaust gas flows through the carrier body 3 from the outside inwards. - (l -
  • a guide body 13 is provided in the exhaust gas inlet area 12, which deflects the exhaust gas flow towards the gap 11. From a fluidic point of view, such a guide body is advantageous because it can reduce the pressure losses.
  • the carrier body 3 is also electrically heated.
  • a voltage source 14 is connected to the inside of the carrier body 3 via the central channel 5.
  • the outer surface of the carrier body 3 is also connected to the voltage source 14.
  • the carrier body 3 is constructed from a multiplicity of adjoining disks.
  • FIG. 3 shows a pane 15 which has a macro structure 16.
  • the macro structure 16 forms the lateral boundary of the channels 4.
  • the channels 4 run outward from a central region 17 in an approximately involute manner.
  • the disk can also have a microstructure 20 running at an angle to the macrostructure.
  • FIGS. 4 and 5 A disk with a microstructure is shown in FIGS. 4 and 5.
  • the micro structure comprises concentrically formed embossments 17 to the central area.
  • the central region 17 represents an opening which forms the central channel 5 when the carrier body is assembled.
  • Microstructures can be formed on only one side or preferably on both sides of a pane. They preferably follow one another at a distance of 0.5 to 10 times the height of the macrostructure.
  • honeycomb bodies according to the invention can also be used in unfavorable space conditions.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper (3) zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise für Otto-Motoren, der eine Vielzahl von Kanälen (4) aufweist, wobei jeder Kanal (4) an seinem eine Ende in einen Zentralkanal (5) mündet. Die Kanäle (4) verlaufen bogenförmig von dem Zentralkanal (5) nach außen und sind durch aneinanderliegende Scheiben (15) begrenzt, wobei wenigstens ein Teil der Scheiben (15) eine Makrostruktur aufweist, die die seitliche Begrenzung der Kanäle (4) bildet. Eine zusätzliche Mikrostruktur (19) in einem Teil oder allen Scheiben (15) kann die Effektivität einer katalytischen Umsetzung erhöhen.

Description

BESCHREIBUNG
Scheibenweise aufgebaute Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Träger- körper
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 Trägerkörper verändert werden müssen.
Der Trägerkörper kann hinsichtlch 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-Trägerkörper 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. Zweckmäßigerwei.se 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 Strϋmungsrichtung 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
M MiikkrroosSttrruukktttur 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:
Figur 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung im Längsschnitt,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung im Längs¬ schnitt,
Figur 3 eine Scheibe in der Draufsicht,
Figur 4 eine Scheibe mit einer Mikrostruktur in der Draufsicht.
Figur 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V durch Fig. Figur 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 Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel nach Figur 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. - (l -
Im Abgaseintrittsbereich 12 ist ein Leitkörper 13 vorgesehen, der die Abgasströmung zum Spalt 1 1 hin ablenkt. Strömungstechnisch betrachtet ist ein solcher Leitkörper vorteilhaft, da hierdurch die Druckverluste verringert werden können.
In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 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 Figur 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 Figuren 4 und 5 ist eine Scheibe mit einer MikroStruktur darge¬ stellt. Die Mikro truktur 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 au.sgebildet 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 ttuumngsmöglichkeit auch bei ungünstigen Platzverhältnissen eingesetzt wer- den.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Wabenkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper (3) zur katalyti- sehen 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. Wabenkörper 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 (* in Abweichung von der idealen Evolventenform tangential von dem zentralen Bereich ( 17) ausgehen. - S -
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. Wabenköφer 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 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeπtralkanal (5) mit der Abgaseintrittsöffnung (6) in Verbindung steht.
13. Wabenkörper nach Anspruch 1 1, 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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