EP4073360A1 - Vorrichtung zur abgasnachbehandlung und verfahren zur herstellung dieser - Google Patents

Vorrichtung zur abgasnachbehandlung und verfahren zur herstellung dieser

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EP4073360A1
EP4073360A1 EP20821192.0A EP20821192A EP4073360A1 EP 4073360 A1 EP4073360 A1 EP 4073360A1 EP 20821192 A EP20821192 A EP 20821192A EP 4073360 A1 EP4073360 A1 EP 4073360A1
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EP
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honeycomb body
conductor
inlet side
gas inlet
face
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Application number
EP20821192.0A
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Peter Hirth
Rolf BRÜCK
Holger Stock
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Publication date
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Definitions

  • FIG. 2 shows a honeycomb body 5 which is formed from a plurality of disk elements 6.
  • Each of the disk elements 6 has a conductor 7.
  • the conductors 7 are connected in an electrically conductive manner between the disk elements 6.
  • the conductors 7 thus form a common conductor which extends through the entire honeycomb body 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Emissionsquelle, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgastrakt, der von einem Abgas durchströmbar ist, mit zumindest einem Katalysator, wobei der Katalysator einen keramischen Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) aufweist, welcher mit einer katalytisch aktiven Oberflächenbeschichtung versehen ist, und mit einem elektrisch beheizbaren Heizmittel (3, 7, 9), wobei das Heizmittel (3, 7, 9) durch einen metallischen elektrischen Leiter (3, 7, 9) gebildet ist, wobei der Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) mehrere von einer Gaseinlassseite (11, 16) zu einer Gasauslassseite durchströmbare Strömungskanäle aufweist, wobei der Leiter (3, 7, 9) in den keramischen Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) integriert ist, wobei er in Strömungsrichtung betrachtet der Gaseinlasseite (11, 16) nachgelagert angeordnet ist und der Gasauslassseite vorgelagert angeordnet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und Verfahren zur Herstellung dieser
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Emissionsquelle, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgastrakt, der von einem Abgas durchströmbar ist, mit zumindest einem Katalysator, wobei der Katalysator einen keramischen Wabenkörper aufweist, welcher mit einer katalytisch aktiven Oberflächenbeschichtung versehen ist, und mit einem elektrisch beheizbaren Heizmittel, wobei das Heizmittel durch einen metallischen elektrischen Leiter gebildet ist, wobei der Wabenkörper mehrere von einer Gaseinlassseite zu einer Gasauslassseite durchström bare Strömungskanäle aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers
Stand der Technik
Zur Erhöhung der Abgastemperatur werden im Abgastrakt von Verbrennungsmotoren elektrische Heizmittel eingesetzt, um die jeweils für die Abgasnachbehandlung benötigte Mindesttemperatur schneller zu erreichen. Auf diese Weise wird versucht die sogenannte Light-Off-Temperatur, ab der die verwendeten Katalysatoren eine ausreichende Abgasnachbehandlung ermöglichen, schneller erreicht. Dies ist insbesondere beim Kaltstart des Verbrennungsmotors vorteilhaft. Im Hinblick auf Hybridfahrzeuge kann ein solcher Kaltstart mit einer höheren Wiederholrate auftreten, weswegen das elektrische Zuheizen notwendig ist.
Die im Abgasstrang verwendeten Katalysatoren weisen entweder eine metallische Matrix auf oder eine keramische Matrix auf. Zuheizer sind regelmäßig durch stromdurchflossene metallische Leiter gebildet, die den entsprechenden Katalysatoren in Strömungsrichtung des Abgases vorgelagert sind.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Umsetzung elektrischer Heizsysteme in Verbindung mit einer keramischen Katalysatormatrix bislang unzureichend ist. Insbesondere sind die Heizwirkung und die Dauerhaltbarkeit der bekannten Systeme nicht optimal. Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, die eine elektrische Heizquelle aufweist und eine verbesserte Aufheizung des Abgasstroms und/oder der keramischen Matrix ermöglicht. Weiterhin wird ein Verfahren geschaffen zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Emissionsquelle, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgastrakt, der von einem Abgas durchströmbar ist, mit zumindest einem Katalysator, wobei der Katalysator einen keramischen Wabenkörper aufweist, welcher mit einer katalytisch aktiven Oberflächenbeschichtung versehen ist, und mit einem elektrisch beheizbaren Heizmittel, wobei das Heizmittel durch einen metallischen elektrischen Leiter gebildet ist, wobei der Wabenkörper mehrere von einer Gaseinlassseite zu einer Gasauslassseite durchström bare Strömungskanäle aufweist, wobei der Leiter in den keramischen Wabenkörper integriert ist, wobei er in Strömungsrichtung betrachtet der Gaseinlasseite nachgelagert angeordnet ist und der Gasauslassseite vorgelagert angeordnet ist.
Keramische Wabenkörper sind weithin im Stand der Technik bekannt und beispielsweise durch extrudieren, pressen oder gießen erzeugt und anschließend gesintert. Die Wabenkörper haben eine Mehrzahl von Strömungskanälen, die entlang einer Hauptrichtung von der Gaseinlasseite zur Gasauslassseite durchströmbar sind.
Der metallische Leiter kann beispielsweise durch einen Metalldraht gebildet sein. Neben unterschiedlichen Durchmessern und Querschnitten kann auch das verwendete Material verändert werden, um einen geeigneten Widerstand zu erzeugen. Die Heizwirkung wird durch Ausnutzung des Ohmschen Widerstandes des Leiters erzeugt, indem der Leiter mit einer Spannungsquelle außerhalb des Wabenkörpers verbunden wird und mit einem Strom beaufschlagt wird. Die Anordnung in Strömungsrichtung nach der Gaseinlassseite und vor der Gasauslassseite ist bevorzugt, da der Leiter damit innerhalb des keramischen Wabenkörpers angeordnet ist. Der Leiter ist somit insbesondere nicht auf oder vor der Gaseinlassseite angeordnet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leiter in Aussparungen in der Stirnfläche der Gaseinlassseite und/oder der Gasauslassseite eingelegt ist. Aussparungen können beispielsweise durch spanende Verfahren erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Nut in die Stirnfläche der Gaseinlassseite des Wabenkörpers gefräst werden, in welche der Leiter eingelegt wird. Durch den Verlauf der Nut wird in diesem Fall auch die Anordnung des Leiters bestimmt. Je nach Anwendungszweck kann der metallische Leiter auch an der Gasauslassseite angeordnet sein, wenn beispielsweise ein Aufheizung von in Strömungsrichtung betrachtet nachgelagerten Bereichen beabsichtigt ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Leiter mittels Rastelementen in dem keramischen Wabenkörper fixiert ist. Zusätzlich zu der Aussparung oder den Aussparungen können Rastelemente vorgesehen sein, die den Leiter im Wabenkörper fixieren. Dies kann beispielsweise durch Vorsprünge und Rastnasen erfolgen. Alternativ können auch Klemmelemente vorgesehen sein, die beispielsweise in einzelne der Strömungskanäle eingesteckt werden und dadurch den Leiter fixieren.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Wabenkörper aus zumindest zwei als Scheibenelement ausgebildeten Wabenkörpern gebildet ist, welche in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind, wobei jedes der Scheibenelemente einen integrierten Leiter aufweist, wobei die Leiter in den Scheibenelementen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
Der gesamte Wabenkörper kann aus einer Mehrzahl von Scheibenelementen gebildet sein, die jeweils eine kürzere axiale Erstreckung aufweisen als der gesamte Wabenkörper. Diese Scheibenelemente weisen bevorzugt eine identische Zelldichte und Kanalverteilung auf. In alternativen Ausführungen können auch unterschiedliche Zelldichten und Kanalverteilungen in den einzelnen Scheibenelementen vorgesehen werden. Jedes der Scheibenelemente kann einen elektrischen Leiter aufweisen, der nach dem zuvor beschriebenen Prinzip in dem als Wabenkörper wirkenden Scheibenelement angeordnet und fixiert ist. Die einzelnen Leiter können über geeignete elektrische Verbindungen miteinander zu einem gemeinsamen Leiter verbunden sein. Auf diese Weise wird ein Wabenkörper erzeugt, welcher entlang seiner Hauptdurchströmungsrichtung betrachtet in mehreren zur Gaseinlassseite parallelen Ebenen einen Heizleiter aufweist.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn eine Mehrzahl von Leitern in den Wabenkörper integriert ist.
Die Leiter können in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein oder in verschiedenen Ebenen, die bevorzugt parallel zur Gaseinlasseite angeordnet sind. Die Ebenen sind bevorzugt in axialer Richtung des Wabenkörpers zueinander versetzt angeordnet.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Leiter in einer Ebene parallel zur Stirnfläche der Gaseinlassseite angeordnet ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Leiter sowohl in einer Ebene parallel zur Stirnfläche der Gaseinlassseite angeordnet ist, als auch in einer Richtung quer zur Stirnfläche angeordnet ist. Der Leiter kann somit auch in axialer Richtung des Wabenkörpers, also quer zur Stirnfläche, verlaufen. Somit kann beispielsweise ein Leiter für mehrere Ebenen genutzt werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn einer oder mehrere Leiter in mehreren zueinander parallelen Ebenen in dem Wabenkörper angeordnet sind.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenkörpers mit einem metallischen elektrischen Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nachfolgenden Herstellungsschritte ausgeführt werden:
Erzeugen eines keramischen Wabenkörpers beispielsweise durch Formen, Pressen oder Gießen des keramischen Pulvers oder Granulats, Eindrücken des metallischen Leiters in den keramischen Wabenkörper, und Sintern des Wabenkörpers mit dem eingedrückten metallischen Leiter.
Der Leiter wird insbesondere in den als Grünling bezeichneten noch nicht gesinterten Wabenkörper eingedrückt. Zu diesem Zeitpunkt weist die Keramik noch nicht die Festigkeit auf, die nach dem Sinterprozess erzeugt wird. Durch das Eindrücken des Leiters und das anschließende Sintern wird eine passgenaue und dauerhaltbare Aufnahme des Leiters im keramischen Wabenkörper erreicht. Der Leiter kann beispielsweise in der gewünschten Form auf die Stirnfläche der Gaseinlassseite aufgelegt werden und anschließend flächig in den Wabenkörper eingedrückt werden.
Ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt kann auch durch das Vorformen einer axialen Vertiefung gekennzeichnet sein, wobei unter Zuhilfenahme einer geeigneten mechanischen Bearbeitung eine Vertiefung zum Einlegen des metallischen Leiters in den keramischen Wabenkörper erzeugt wird.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der metallische Leiter in die Stirnfläche des Wabenkörpers von dessen Gaseinlasseite aus in Richtung der Gasauslassseite eingedrückt wird. Auf diese Weise ist der Leiter zur Aufheizung in Strömungsrichtung betrachtet am Beginn des Wabenkörpers, wodurch das strömende Abgas im Wesentlichen aufgeheizt wird bevor es durch den Wabenkörper hindurchströmt. Dies begünstigt eine schnellere Aufheizung des Abgases.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der metallische Leiter einem definierten Verlauf folgt, wobei er insbesondere spiralförmig oder mäanderförmig angeordnet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Leiter möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Wabenkörpers hinweg verteilt angeordnet ist, um eine möglichst homogene Aufheizung des Abgases sicherzustellen.
Durch eine ungleichmäßige Verteilung kann beispielsweise bei einer nicht homogenen Durchströmung des Wabenkörpers eine verbesserte Aufheizung erreicht werden. Eine nicht homogene Durchströmung kann beispielsweise durch Umlenkungen in der Strömungsstrecke des Abgases erzeugt werden, wodurch es zu Ungleichverteilungen der Abgaskonzentration und weiterhin zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt des
Wabenkörpers hinweg kommen kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von metallischen Leitern in die
Stirnfläche des Wabenkörpers eingedrückt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den
Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Anordnung eines Leiters an der
Stirnfläche eines Wabenkörpers,
Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen aus mehreren Scheibenelementen gebildeten Wabenkörper,
Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Wabenkörper mit eingedrücktem
Leiter nahe der Stirnfläche der Gaseinlasseite,
Fig. 4 eine Ansicht eines keramischen Wabenkörpers mit einer vorgelagerten Heizscheibe, und
Fig. 5 eine Schnittansicht durch einen Wabenkörper mit einer ausgefrästen
Nut zur Aufnahme des Leiters.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf die Stirnfläche eines Wabenkörpers 1. Zu erkennen sind die Strömungskanäle 2, welche im gezeigten Beispiel eine rechteckigen Querschnitt aufweisen, und weiterhin einen Leiter 3, welcher gewellt entlang der Stirnfläche des Wabenkörpers 1 verläuft. Weiterhin ist eine Kontaktierungsmöglichkeit 4 gezeigt, welche zur elektrischen Kontaktierung des Leiters 3 dient.
Es ist zu erkennen, dass der Leiter 3 die Strömungskanäle 2 schneidet und somit einen gewissen Anteil des Strömungsquerschnitts der Kanäle 2 überdeckt.
Figur 2 zeigt einen Wabenkörper 5 der aus mehreren Scheibenelementen 6 gebildet ist. Jedes der Scheibenelemente 6 weist einen Leiter 7 auf. Die Leiter 7 sind zwischen den Scheibenelementen 6 elektrisch leitend verbunden. Somit bilden die Leiter 7 einen gemeinsamen Leiter, der sich durch den gesamten Wabenkörper 5 erstreckt. Durch die Stapelung der Scheibenelemente 6 werden praktisch mehrere Ebenen innerhalb des Wabenkörpers 5 erzeugt, in welchen eine Aufheizung des strömenden Abgases stattfindet.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen Wabenkörper 8. Durch die Wandungen 10 sind die Strömungskanäle angedeutet, die sich von der Gaseinlassseite 11 ab durch den Wabenkörper 8 erstrecken. Mit dem Bezugszeichen 9 ist der elektrische Leiter bezeichnet, welcher analog dem in Figur 1 gezeigten Leiter 3 über den Querschnitt des Wabenkörpers 8 verteilt angeordnet ist. Zu erkennen ist insbesondere, dass der Leiter 9 in unmittelbarer Nähe zur Stirnfläche 11 des Wabenkörpers 8 angeordnet ist.
Figur 4 zeigt einen keramischen Wabenkörper 12. Diesem vorgelagert ist eine Heizscheibe 13, welche mittels Verbindungselementen 14 mit dem Wabenkörper 12 verbunden ist. Die Heizscheibe 13 ist bevorzugt ebenfalls ein keramischer Wabenkörper, der einen Leiter analog der zuvor beschriebenen Figuren aufweist.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch einen Wabenkörper 15. An seiner Gaseinlasseite 16 sind Aussparungen 17 gezeigt, welche in den fertigen, also gesinterten, Wabenkörper eingebracht sind. Dies können beispielsweise durch ein spanendes Verfahren eingebracht werden. Die einzelnen Aussparungen 17 können in einer Aufsicht auf die Gaseinlassseite 16 eine Zusammenhänge Nut bilden, in welche der Leiter eingelegt wird.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 5 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Emissionsquelle, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgastrakt, der von einem Abgas durchströmbar ist, mit zumindest einem Katalysator, wobei der Katalysator einen keramischen Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) aufweist, welcher mit einer katalytisch aktiven Oberflächenbeschichtung versehen ist, und mit einem elektrisch beheizbaren Heizmittel (3, 7, 9), wobei das Heizmittel (3, 7, 9) durch einen metallischen elektrischen Leiter (3, 7, 9) gebildet ist, wobei der Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) mehrere von einer Gaseinlassseite (11, 16) zu einer Gasauslassseite durchström bare Strömungskanäle aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter (3, 7, 9) in den keramischen Wabenkörper (1, 5, 8, 12, 15) integriert ist, wobei er in Strömungsrichtung betrachtet der Gaseinlasseite (11, 16) nachgelagert angeordnet ist und der Gasauslassseite vorgelagert angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter in Aussparungen (17) in der Stirnfläche der Gaseinlassseite (16) und/oder der Gasauslassseite eingelegt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter mittels Rastelementen in dem keramischen Wabenkörper fixiert ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der keramische Wabenkörper (5) aus zumindest zwei als Scheibenelement (6) ausgebildeten Wabenkörpern gebildet ist, welche in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind, wobei jedes der Scheibenelemente (6) einen integrierten Leiter (7) aufweist, wobei die Leiter (7) in den Scheibenelementen (6) elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Mehrzahl von Leitern in den Wabenkörper integriert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter (3, 7, 9) in einer Ebene parallel zur Stirnfläche der Gaseinlassseite (11, 16) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leiter sowohl in einer Ebene parallel zur Stirnfläche der Gaseinlassseite angeordnet ist, als auch in einer Richtung quer zur Stirnfläche angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass einer oder mehrere Leiter (7) in mehreren zueinander parallelen Ebenen in dem Wabenkörper (5) angeordnet sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wabenkörpers (1 , 5, 6, 8, 12, 15) mit einem metallischen elektrischen Leiter (3, 7, 9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die nachfolgenden Herstellungsschritte ausgeführt werden:
Erzeugen eines keramischen Wabenkörpers (1, 5, 6, 8, 12, 15) beispielsweise durch Formen, Pressen oder Gießen des keramischen Pulvers oder Granulats,
Eindrücken des metallischen Leiters (3, 7, 9) in den keramischen Wabenkörper (1 , 5, 6, 8, 12, 15), und - Sintern des Wabenkörpers (1, 5, 6, 8, 12, 15) mit dem eingedrückten metallischen Leiter (3, 7, 9).
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der metallische Leiter (3, 7, 9) in die Stirnfläche des Wabenkörpers (1, 5, 6, 8, 12, 15) von dessen Gaseinlasseite (11, 16) aus in Richtung der Gasauslassseite eingedrückt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der metallische Leiter (3, 7, 9) einem definierten Verlauf folgt, wobei er insbesondere spiralförmig, mäanderförmig angeordnet ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Mehrzahl von metallischen Leitern in die die Stirnfläche des Wabenkörpers eingedrückt wird.
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