WO1996026354A1 - Wabenkörper mit von einem fluid durchströmbaren kanälen von unterschiedlichem strömungswiderstand - Google Patents

Wabenkörper mit von einem fluid durchströmbaren kanälen von unterschiedlichem strömungswiderstand Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a honeycomb body, in particular a catalyst carrier body for the catalytic conversion of exhaust gases in an exhaust gas system.
  • honeycomb bodies are preferably used in motor vehicles with diesel or gasoline engines.
  • Honeycomb bodies of the type mentioned are known in a large number of different designs. They can be made from ceramic material, in particular extruded. Another type of honeycomb body consists of wound, layered and / or convoluted layers of at least partially structured sheets. The flow resistance of a channel in such a honeycomb body depends on its shape and the structure of its walls. Its shape and size determine a hydraulic diameter, while structures and / or obstacles at the ends and / or inside the channel can additionally increase the flow resistance.
  • honeycomb bodies Since flows in pipeline systems generally have an approximately parabolic velocity profile in which the flow velocity is greatest in the middle and 0 at the edge, it is also known to design honeycomb bodies in such a way that the flow resistance was larger in the central area than in the outside areas.
  • honeycomb bodies are described, for example, in EP-0 336 106 B1 and EP-0 542 805 B1.
  • the state of the art generally assumes approximately rotationally symmetrical flows, so that honeycomb bodies with different channel cross sections always have an approximately symmetrical, generally concentric arrangement of channels of different cross sections. In the case of honeycomb bodies with an oval or elliptical cross section, corresponding arrangements with two perpendicular axes of symmetry were sought.
  • WO 91/01178 and WO 91/01807 structures in the interior of channels of a honeycomb body are known which increase the flow resistance.
  • the honeycomb bodies and manufacturing processes described in these documents are expressly referred to for the present invention.
  • EP-0 542 775 B1 also describes a honeycomb body which has an increasing number of channels per cross-sectional area in the flow direction, although it is constructed monolithically. These designs are also important for the present invention, which is why reference is expressly made to this document.
  • WO 92/13636 discloses a device for the catalytic conversion of exhaust gases in an exhaust system, which comprises at least two honeycomb bodies which are spaced apart from one another and arranged one behind the other with respect to the flow direction of an exhaust gas. Each honeycomb body has channels through which a fluid can flow. Support elements are provided near the flow axis, by means of which the honeycomb bodies are connected to one another and supported against one another. The first honeycomb body, viewed in the direction of flow, is electrically heated. The electrically heatable honeycomb body is electrically divided over its cross-sectional area by ceramic insulation layers, as a result of which an electric current flows along a path predetermined by the division. The electrically heatable honeycomb body has the task of minimizing pollutant emissions during a cold start phase of an internal combustion engine.
  • the object of the present invention is to create a honeycomb body which can compensate for an eccentric and / or asymmetrical and / or uneven flow, so that the flow is homogenized and the catalytic conversion is approximately uniform for all flow areas.
  • a honeycomb body according to claim 1 serves to achieve this object.
  • Advantageous refinements, in particular in connection with an upstream electrically heated honeycomb body, are specified in the dependent claims.
  • the invention makes it possible to provide optimized honeycomb bodies for each application by providing a flow resistance distribution in the honeycomb body in accordance with the flow distribution (which is determined from tests or by calculation). In areas which are subjected to a stronger flow, the flow resistance is then increased over at least part of the axial length of the honeycomb body by providing smaller channels and / or channels with additional structures which increase the flow resistance in these areas.
  • honeycomb bodies which consist of at least one stack of interlaced sheet metal layers, can be modified very easily in certain areas by using sheet metal layers with different structural heights in such a way that they are adapted to certain inflow conditions. Both individual eccentric flow areas and two or more eccentrically flow areas can be compensated for by corresponding structural changes.
  • the invention is further based on the basic idea that by specifically adjusting the distribution of the flow resistance in the second honeycomb body, the flow behavior of the fluid also in the first honeycomb body. body influences and so the overall catalytic effectiveness of the device can be increased.
  • the flow behavior of the fluid can be influenced in that the second honeycomb body, at least in the area opposite the air gap, has a greater flow resistance than in the rest of the area of the honeycomb body. This measure ensures that the volume flow of the fluid through the air gap is reduced and the fluid flows more evenly onto the second honeycomb body.
  • the proportion of the fluid which comes into contact with the catalytically active surface of the first honeycomb body is increased, so that the conversion rate in the cold start phase is improved.
  • an increase in the flow resistance can also be achieved by additional structures in the channels. Both measures can be used individually or together to reach areas with different flow resistances. In most constellations, additional structures can have a favorable influence on the diffusion processes in the honeycomb body and thus cause a higher catalytic activity.
  • the number of channels per cross-sectional area both in the area opposite the air gap and in the remaining cross-sectional area can be constant over the entire length of the flow path along the second honeycomb body.
  • a device with a second honeycomb body is therefore preferably proposed, the number of channels of which in relation to the cross-sectional area varies in the direction of flow.
  • the number of channels in the area opposite the air gap can decrease again in the direction of flow.
  • a reduction in the number of channels with a constant cross-sectional area leads to an increase in the free flow cross section in the channel.
  • a desired flow profile can be set behind the second honeycomb body or behind the device, which can also be important for soundproofing the exhaust system.
  • the cross section of the channels can be optimized, so that on the one hand the flow resistance in the area opposite the air gap is large enough to result in a more uniform distribution of the fluid and on the other side of the Total pressure loss of the device does not become too high.
  • the number of channels initially increases and then decreases in the direction of flow.
  • a honeycomb body can be realized which is symmetrical with respect to its installation direction, so that installation errors cannot occur.
  • sound-absorbing properties of the honeycomb body can also be exploited by such arrangements.
  • a device in which a plurality of elongate support elements with different cross-sectional areas in their end sections extend between the first and second honeycomb bodies and mechanically connect them, but electrically isolate them from one another.
  • Each support element projects with its thicker end section at least partially into a channel of the first and with its thinner end section into a channel of the second honeycomb body, the first electrically heatable honeycomb body having a smaller number of channels in relation to the cross-sectional area than the second honeycomb body.
  • the cross-sectional area of the end section of each support element projecting into the channel of the second honeycomb body is larger than the cross-sectional area of the end section projecting into the channel of the first honeycomb body. section.
  • the second honeycomb body has channels which are dimensioned such that their cross section can accommodate the supporting elements without the walls delimiting the channel being destroyed. This can be done, for example, by one or more corrugated sheet layers with a greater corrugation height than in the other sheet layers of the second honeycomb body.
  • Such a honeycomb body can be constructed in a manner known per se from sheet layers which are approximately S-shaped in cross section. Such a honeycomb body can be produced by intertwining the ends of a sheet stack. In the case of such a honeycomb body, it is possible to layer the stack in different sections from sheets with different corrugations in order to achieve the desired structure. In general, alternatingly arranged smooth and structured sheets are used, the structured sheets having different structures, in particular wave heights. The different structures of the individual sheet stacks take on different tasks.
  • the honeycomb body can consist, for example, of two sheet metal stacks, each sheet metal sheet individually consisting of sheet metal layers of the same structure, but with different corrugation heights.
  • the first sheet stack and the second sheet stack are intertwined with one another in such a way that the first sheet stack, which has a greater number of channels per cross-sectional area, lies opposite the air gap and only the second sheet stack receives the support elements.
  • the honeycomb body can also contain other sheet stacks of different corrugation heights.
  • the structures can be of different lengths in their longitudinal extent, so that the flow resistance in the longitudinal direction of the honeycomb gro ⁇ ers changes, as is known per se from EP 0 542 775 B1, to which reference is made here in full.
  • FIG. 2 shows a cross section through the device according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a part of a longitudinal section through a channel of a honeycomb body with additional structures
  • Fig. 6 is a schematic cross section through a honeycomb body from three intertwined stacks of sheets, one of which has channels with increased flow resistance.
  • the device for the catalytic conversion of exhaust gases in an exhaust system in particular for an internal combustion engine, preferably for gasoline engines, comprises a first honeycomb body 1, which is arranged at a distance from the second honeycomb body 2.
  • the distance between the two honeycomb bodies is z. B. 1 to 6 mm, the end face of the second honeycomb body may be somewhat convex.
  • the second honeycomb body 2 serves as a support for the first shorter honeycomb body.
  • support elements 3 the two honeycomb bodies 1 and 2 connected to one another and wherein the first honeycomb body 1, which is more prone to oscillation, is supported on the second honeycomb body 2.
  • the first honeycomb body 1 can be heated electrically and has an electrically insulating gap.
  • the support elements 3 have a thick end section 18 projecting into the first honeycomb body 1 and a thin end section 17 projecting into the second honeycomb body 2.
  • the thick end section 18 has a larger cross-sectional area than the thin end section 17.
  • the first honeycomb body 1 is connected to electrically insulating electrical feed lines 10 and 11 which are passed through a jacket 9.
  • the first honeycomb body is a body which is produced in a manner known per se from an S-shaped stack of metal sheets.
  • the first honeycomb body 1 is electrically divided over its cross-sectional area by air gaps 4, 5.
  • the second honeycomb body 2 is also shown schematically, consisting of an S-shaped interlaced stack of metal sheets, it being very helpful for a simple manufacture of the device according to the invention if both honeycomb bodies (differently than shown) have a similar structure (e.g. with same stack height) and are aligned with each other so that the directions and position of the interlacing are the same.
  • the stack comprises smooth sheet metal layers 6 and structured sheet metal layers 7.
  • the sheets 6 and 7 delimit channels 8 through which a fluid can flow.
  • the second honeycomb body 2 has a higher number of smaller channels 12 per cross-sectional area than in the rest of the area.
  • the channels 12 are also through structured sheet metal layers 13 and smooth Sheet metal layers 14 limited.
  • one or more corrugated sheet metal layers with a greater corrugation height can also be provided to accommodate the support elements 3, but these are not necessarily over the entire axial length of the second honeycomb body 2 must extend.
  • FIG. 4 schematically shows a second honeycomb body 2, which is divided into two sections A and B in the direction of flow.
  • 15 and 16 denote two areas which have an increased number of flow channels per cross-sectional area.
  • the areas 15 and 16 lie opposite the air gap.
  • the areas 15 and 16 extend over the partial area A of the honeycomb body.
  • section B the cross section of the individual flow channels is the same everywhere, which is also possible if sheet metal layers of greater corrugation height are additionally provided in the front section A for receiving the support elements 3.
  • FIG. 5 shows another possibility for increasing the flow resistance in a channel 12 of a honeycomb body 2.
  • the flow resistance is increased by additional structures 19 in at least one of the sheet metal layers forming the channel 12, in particular in the structured sheet metal layer 13 .
  • this also results in an increase in the catalytic activity in a honeycomb body coated with catalytically active material, since the additional structures 19 influence the flow profile p indicated in FIG. 5 and intensify diffusion processes.
  • Fig. 6 shows a honeycomb body in cross section, which is formed from three intertwined stacks of sheet metal layers, which in a jacket tube 20 are used.
  • One of the stacks consists at least partially of sheets with a smaller structure than the other corrugated sheets 7, so that channels 12 with a smaller hydraulic cross section and thus greater flow resistance result in this stack.
  • the construction of three or more stacks shown here by way of example allows a great variety in the distribution of the flow resistance over the cross-sectional area by varying the number and thickness of the stacks in conjunction with differently structured sheet metal layers 6, 7.
  • the present invention allows greater flexibility in the distribution of the flow resistance over the cross-sectional area of a honeycomb body, in particular through different numbers of channels per cross-sectional area.
  • irregularities in the flow through the first honeycomb body can be compensated for in the second honeycomb body.

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Abstract

Wabenkörper (2), insbesondere Katalysator-Trägerkörper, mit einer Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen (8, 12), wobei ein erster Teil der Kanäle (12) einen höheren Strömungswiderstand hat als ein zweiter Teil der Kanäle (8), und wobei der Wabenkörper (2) mindestens eine dezentrale, in Umfangsrichtung nur einen Teilbereich der Querschnittsfläche des Wabenkörpers erfassende Häufung oder Ansammlung (15, 16) solcher Kanäle (12) mit erhöhtem Strömungswiderstand aufweist. Insbesondere weisen die Kanäle (12) mit erhöhtem Strömungswiderstand einen kleineren hydraulischen Durchmesser als die übrigen Kanäle (8) auf oder sind an ihrem Anfang und/oder ihrem Ende und/oder in ihrem Inneren mit zusätzlichen, die Strömung behindernden Strukturen versehen. Auf diese Weise lassen sich Wabenkörper mit bestimmten an die Anströmungsverhältnisse angepaßten Verteilungen der Strömungswiderstände über die Querschnittsfläche herstellen, was besonders hinter elektrisch beheizbaren Wabenkörpern mit Schlitzen von Vorteil sein kann.

Description

Beschreibung
Wabenkörper mit von einem Fluid durchströmbaren Kanälen von unter- schiedlichem Strömungswiderstand
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wabenkörper, insbeson¬ dere einen Katalysatorträgerkörper zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem. Solche Wabenkörper werden bei Kraft¬ fahrzeugen mit Diesel- oder Ottomotoren bevorzugt eingesetzt.
Wabenkörper der Eingangs genannten Art sind in einer großen Zahl verschiedener Ausführungen bekannt. Sie können aus keramischem Mate- rial hergestellt, insbesondere extrudiert werden. Ein anderer Typ von Wabenkörpern besteht aus gewickelten, geschichteten und/oder verschlun¬ genen Lagen zumindest teilweise strukturierter Bleche. Dabei hängt der Strömungswiderstand eines Kanals in einem solchen Wabenkörper von dessen Form und der Struktur seiner Wände ab. Seine Form und seine Größe bestimmen einen hydraulischen Durchmesser, während Strukturen und/oder Hindernisse an den Enden und/oder im Inneren des Kanals zusätzlich den Strömungswiderstand vergrößern können.
Da in Rohrleitungssystemen Strömungen im allgemeinen ein etwa para- belförmiges Geschwindigkeitsprofil aufweisen, bei dem die Strömungs¬ geschwindigkeit in der Mitte am größten und am Rand 0 ist, ist es auch schon bekannt, Wabenkörper so auszubilden, daß der Strömungswider- stand im Zentralbereich größer als in den Außenbereichen ist. Solche Wabenkörper sind beispielsweise in der EP-0 336 106 Bl und der EP-0 542 805 Bl beschrieben. Im Stand der Technik wird im allgemeinen von in etwa rotationssymmetrischen Strömungen ausgegangen, so daß Waben¬ köφer mit unterschiedlichen Kanalquerschmtten immer eine in etwa sym¬ metrische, im allgemeinen konzentrische Anordnung von Kanälen unter¬ schiedlicher Querschnitte aufwiesen. Bei Wabenköφern mit ovalem oder eliptischem Querschnitt wurden entsprechende Anordnungen mit zwei senkrecht aufeinander stehenden Symmetrieachsen angestrebt.
Aus der WO 90/08249, der WO 91/01178 und der WO 91/01807 sind weiterhin Strukturen im Inneren von Kanälen eines Wabenköφers be¬ kannt, welche den Strömungswiderstand erhöhen. Auf die in diesen Schriften beschriebenen Wabenköφer und Herstellungsverfahren wird ausdrücklich Bezug genommen für die vorliegende Erfindung.
In der EP-0 542 775 Bl ist auch noch ein Wabenköφer beschrieben, der eine in Strömungsrichtung zunehmende Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche aufweist, obwohl er monolithisch aufgebaut ist. Auch diese Bauformen sind für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, weshalb auf diese Schrift ausdrücklich Bezug genommen wird.
Es hat sich herausgestellt, daß bei manchen Abgassystemen, insbesondere im motornahen Bereich, keine symmetrischen Strömungsverhältnisse vorliegen. Aufgrund der Einbauverhältnisse werden Wabenköφer, die in katalytischen Konvertern eingesetzt werden, insbesondere im motornahen Bereich, exzentrisch und/oder unsymmetrisch angeströmt, so daß sich an bestimmten Stellen besonders hohe Belastungen der Stirnseite von Wa¬ benköφern und damit Folgeschäden und verringerte Lebensdauern erge- ben. Auch bei dem Einsatz von elektrisch beheizbaren Wabenköφern kommt es zu ungleichmäßiger Anströmung eines dahinter angeordneten Waben- köφers, da elektrisch beheizbare Wabenköφer zur elektrischen Unter¬ teilung Luftspalte aufweisen können, die einen geringeren Strömungs- widerstand aufweisen als die Kanäle des elektrisch beheizbaren Waben- köφers.
Durch die WO 92/13636 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Umset¬ zung von Abgasen in einem Abgassystem bekannt, die wenigstens zwei voneinander beabstandete und bezüglich der Strömungsrichtung eines Abgases hintereinander angeordnete Wabenköφer umfaßt. Jeder Waben¬ köφer weist für ein Fluid durchströmbare Kanäle auf. Nahe der Strö¬ mungsachse sind Stützelemente vorgesehen, durch die die Wabenköφer miteinander verbunden und gegeneinander abgestützt sind. Der erste - in Strömungsrichtung betrachtet - angeordnete Wabenköφer ist elektrisch beheizbar. Der elektrisch beheizbare Wabenköφer ist über seine Quer- schnittsfläche durch keramische Isolationsschichten elektrisch unterteilt, wodurch ein elektrischer Strom entlang eines durch die Unterteilung vorgegebenen Weges fließt. Der elektrisch beheizbare Wabenköφer hat die Aufgabe, die Schadstoffemision während einer Kaltstartphase einer Verbrennungskraftmaschine zu minimieren.
Es ist ferner bekannt die elektrische Isolierung des elektrisch leitfähigen Weges durch einen beheizbaren Wabenköφer gegenüber benachbarten Teilstücken mittels eines Luftspaltes vorzunehmen. Eine solche Vorrich¬ tung ist in dem Artikel von P. F. Küper et al. "Ultra-Low Power Elec- trically-Heated Catalyst System" SAE Technical Papers Series 940465 beschrieben. Der Luftspalt bewirkt eine ungleichmäßige Durchströmung der Wabenköφer, da in Abhängigkeit von dem Aufbau der einzelnen Wabenköφer ein Teil des zu konvertierenden Fluids durch den Luftspalt strömt. Dies würde insbesondere dann eintreten, wenn die Größe der Kanäle im ersten Wabenköφer ähnlich der oder kleiner als die Spalt¬ breite gemacht würde, was deshalb bisher vermieden wurde. Hierdurch bedingt würde ein Teil des Fluides in die Kaltstartphase nicht oder nur unzureichend konvertiert oder ein Teilbereich des nachfolgenden Waben- köφers stärker belastet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wabenkör¬ pers, der eine exzentrische und/oder unsymmetrische und/oder ungleich- mäßige Anströmung ausgleichen kann, so daß eine Vergleichmäßigung der Strömung und eine für alle Strömungsbereiche in etwa gleichmäßige katalytische Umsetzung erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Wabenköφer nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere in Verbindung mit einem vorgeschalteten elektrisch beheizbaren Wabenköφer, sind in den ab¬ hängigen Ansprüchen angegeben.
Durch die Erfindung ist es möglich, für jeden Anwendungsfall optimierte Wabenköφer bereitzustellen, indem entsprechend der Strömungsverteilung (die aus Versuchen oder durch Berechnung ermittelt wird) eine Strö¬ mungswiderstandsverteilung im Wabenköφer vorgesehen wird. In Berei¬ chen, die stärker angeströmt werden, wird dann auf mindestens einem Teil der axialen Länge des Wabenköφers der Strömungswiderstand erhöht, indem in diesen Bereichen kleinere Kanäle und/oder Kanäle mit zusaätzlichen, den Strömungswiderstand erhöhenden Strukturen vorgesehen werden.
Dies läßt sich auf viele Bautypen von Wabenköφern anwenden, jedoch ist es besonders leicht bei metallischen Wabenköφern aus zumindest teilweise strukturierten Blechlagen realisierbar. Insbesondere Wabenköφer, die aus mindestens einem Stapel miteinander verschlungener Blechlagen bestehen, lassen sich durch Verwendung von Blechenlagen mit unter¬ schiedlichen Strukturhöhen in bestimmten Bereichen sehr leicht so modi- fizieren, daß sie an bestimmte Anströmungsbedingungen angepaßt sind. Dabei lassen sich sowohl einzelne exzentrische Anströmungsbereiche, als auch zwei oder mehr exzentrisch angeströmte Bereiche durch entspre¬ chenden Strukturänderungen ausgleichen.
Der Erfindung liegt bei der Anwendung auf sogenannte Tandem-Kon¬ struktionen mit einem Heizkatalysator, der einem zweiten Wabenköφer vorgeschaltet ist, weiterhin der Grundgedanke zugrunde, daß durch eine gezielte Einstellung der Verteilung des Strömungswiderstandes im zweiten Wabenköφer das Strömungsverhalten des Fluids auch im ersten Waben- köφer beeinflußt und so die katalytische Gesamteffektivität der Vor¬ richtung erhöht werden kann. Das Strömungsverhalten des Fluids kann dadurch beeinflußt werden, daß der zweite Wabenköφer wenigstens in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich einen größeren Strö¬ mungswiderstand aufweist als im übrigen Bereich des Wabenköφers. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Volumenstrom des Fluids durch den Luftspalt verringert wird und das Fluid gleichmäßiger den zweiten Wabenköφer anströmt. Dabei wird der Anteil des Fluids, wel¬ cher mit der katalytisch wirkenden Oberfläche des ersten Wabenköφers in Kontakt kommt, erhöht, so daß die Konvertierungsrate in der Kalt- Startphase verbessert wird.
Zur Erhöhung des Strömungswiderstandes des zweiten Wabenköφers wird vorgeschlagen, den zweiten Wabenköφer mit einer größeren Anzahl an
Kanälen pro Querschnittsfläche unter Berücksichtigung der Luftspaltquer- schnittsfläche in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich des zweiten Wabenköφers als im übrigen Bereich des Wabenköφers auszu¬ bilden. Dies setzt im allgemeinen voraus, daß die beiden Wabenköφer ähnlich aufgebaut sind, wie anhand der Ausführungsbeispiele noch näher beschrieben wird.
Statt einer Verringerung der Kanalquerschnitte in bestimmten Bereichen kann auch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes durch zusätzliche Strukturen in den Kanälen erreicht werden. Beide Maßnahmen können einzeln oder zusammen eingesetzt werden, um Bereiche mit unterschiedli- chen Strömungswiderständen zu erreichen. Zusätzliche Strukturen können in den meisten Konstellationen die Diffusionsvorgänge im Wabenköφer günstig beeinflussen und dadurch eine höhere katalytische Aktivität bewirken.
Die Anzahl der Kanäle pro Querschnittsfläche sowohl in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich als auch im übrigen Querschnitts¬ bereich kann über die gesamte Länge des Strömungsweges entlang des zweiten Wabenköφer konstant sein. Das gleiche gilt sinngemäß auch für zusätzliche Strukturen. Insbesondere bei langen Wabenköφern könnte dies zu einem unerwünscht hohen Gesamtdruckverlust der Vorrichtung führen. Es wird daher bevorzugt eine Vorrichtung mit einem zweiten Wabenköφer vorgeschlagen, dessen Kanalanzahl bezogen auf die Quer¬ schnittsfläche in Strömungsrichtung variiert. Die Anzahl der Kanäle in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich kann sich in Strömungs- richtung wieder verringern. Eine Verringerung der Kanalanzahl bei konstanter Querschnittsfläche führt zu einer Vergrößerung des freien Strömungsquerschnittes im Kanal. Hierdurch kann ein gewünschtes Strö¬ mungsprofil hinter dem zweiten Wabenköφer bzw. hinter der Vorrichtung eingestellt werden, was auch für eine Schalldämpfung des Abgassystems von Bedeutung sein kann. - 7 -
In Abhängigkeit von der Länge des zweiten Wabenköφers kann der Querschnitt der Kanäle optimiert werden, so daß zum einen der Strö¬ mungswiderstand in dem dem Luftspalt gegenüberliegenden Bereich groß genug ist, daß dieser eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids zur Folge hat und auf der anderen Seite der Gesamtdruckverlust der Vorrichtung nicht zu hoch wird.
In einer vorteilhaften Ausgestalltung der Vorrichtung nimmt die Zahl der Kanäle zunächst zu und dann in Strömungsrichtung ab. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ein Wabenköφer verwirklichen, der bezüglich seiner Einbaurichtung symmetrisch ist, so daß es nicht zu Einbaufehlern kommen kann. Auch können durch solche Anordnungen unter Umständen schalldämpfende Eigenschaften des Wabenköφers ausgenutzt werden.
Durch den Aufsatz von P.F. Küper et al. ist eine Vorrichtung bekannt bei der sich eine Mehrzahl von länglichen, in ihren Endabschnitten unterschiedlich große Querschnittsflächen aufweisenden Stützelementen zwischen dem ersten und dem zweiten Wabenköφer erstreckt und diese mechanisch verbindet, jedoch elektrisch voneinander isoliert. Jedes Stütz- element ragt mit seinem dickeren Endabschnitt wenigstens teilwese in einen Kanal des ersten und mit seinem dünneren Endabschnitt in einen Kanal des zweiten Wabenköφers hinein, wobei der erste elektrisch beheizbare Wabenköφer eine geringere Anzahl von Kanälen bezogen auf die Querschnittsfläche aufweist als der zweite Wabenköφer.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Ausführungsform wird erfindungs¬ gemäß nunmehr eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Querschnitts¬ fläche des in den Kanal des zweiten Wabenköφers hineinragenden Endabschnittes eines jeden Stützelementes größer ist als die Querschnitts- fläche des in den Kanal des ersten Wabenköφers hineinragenden End- abschnitts. Hierzu weist der zweite Wabenköφer Kanäle auf, die so bemessen sind, daß deren Querschnitt die Stützelente aufnehmen kann, ohne daß die den Kanal begrenzenden Wände zerstört werden. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere gewellte Blechlagen mit größerer Wellhöhe als bei den übrigen Blechlagen des zweiten Waben¬ köφers erfolgen.
Ein solcher Wabenköφer kann in an sich bekannter Art aus im Quer¬ schnitt etwa S-förmig verlaufenden Blechlagen aufgebaut sein. Ein solcher Wabenköφer ist durch gegenseitiges Verschlingen der Enden eines Blech¬ stapels herstellbar. Bei einem solchen Wabenköφer ist es möglich, den Stapel in unterschiedlichen Teilabschnitten aus unterschiedlich stark gewellten Blechen zu schichten, um den gewünschten Aufbau zu errei¬ chen. Im allgemeinen werden dabei abwechselnd angeordnete glatte und strukturierte Bleche verwendet, wobei die strukturierten Bleche unter¬ schiedliche Strukturen, insbesondere Wellenhöhen, aufweisen. Die unter¬ schiedlichen Strukturen der einzelnen Blechstapel übernehmen unter¬ schiedliche Aufgaben. Der Wabenköφer kann beispielsweise aus zwei Blechstapeln bestehen, wobei jeder Blechstapel für sich betrachtet aus Blechlagen gleicher Struktur besteht, jedoch unterschiedliche Wellhöhen aufweist. Der erste Blechstapel und der zweite Blechstapel sind so miteinander verschlungen, daß der erste Blechstapel, der eine größere Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche aufweist, dem Luftspalt geg- überliegt und nur der zweite Blechstapel die Stützelemente aufnimmt. Der Wabenköφer kann auch noch weitere Blechstapel anderer Wellhöhe enthalten.
Die Strukturen können in ihrer Längserstreckung unterschiedlich lang sein, so daß sich der Strömungswiderstand in Längsrichtung des Waben- köφers verändert, wie dies aus der EP 0 542 775 Bl an sich bekannt ist, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung in der Vorderansicht,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 schematisch einen zweiten Wabenköφer in der Vorderansicht,
Fig. 4 einen Wabenköφer im Längsschnitt,
Fig. 5 einen Teil eines Längsschnittes durch einen Kanal eines Waben¬ köφers mit zusätzlichen Strukturen und
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch einen Wabenköφer aus drei miteinander verschlungenen Stapeln von Blechen, von denen einer Kanäle mit erhöhtem Strömungswiderstand aufweist.
Fig. 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung zur katalytischen Umsetzung von Abgasen in einem Abgassystem, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, vorzugs- weise für Ottomotoren, umfaßt einen ersten Wabenköφer 1, der mit Abstand zum zweiten Wabenköφer 2 angeordnet ist. Der Abstand zwischen den beiden Wabenköφern beträgt z. B. 1 bis 6 mm, wobei die Stirnseite des zweiten Wabenköφers etwas konvex gewölbt sein kann. Der zweite Wabenköφer 2 dient als Stütze für den ersten kürzeren Wabenköφer. Mittels Stützelementen 3 sind die beiden Wabenköφer 1 und 2 miteinander verbunden und wobei der stärker zur Schwingung neigende erste Wabenköφer 1 an dem zweiten Wabenköφer 2 abge¬ stützt ist. Der erste Wabenköφer 1 ist elektrisch beheizbar und weist einen elektrisch isolierenden Spalt auf.
Die Stützelemente 3 weisen einen in den ersten Wabenköφer 1 hinein¬ ragenden dicken Endabschnitt 18 und einen in den zweiten Wabenköφer 2 hineinragenden dünnen Endabschnitt 17 auf. Der dicke Endabschnitt 18 weist eine größere Querschnittsfläche auf als der dünne Endabschnitt 17.
Für die elektrische Beheizung ist der erste Wabenköφer 1 mit elektrisch isolierenden durch einen Mantel 9 hindurchgeführten elektrischen Zulei¬ tungen 10 und 11 verbunden. Bei dem ersten Wabenköφer handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Köφer der in an sich bekannter Weise aus einem S-förmig verschlungenen Stapel von Metallblechen hergestellt ist. Der erste Wabenköφer 1 ist über seine Querschnittsfläche durch Luftspalte 4, 5 elektrisch aufgeteilt.
Gemäß Fig. 3 ist schematisch der zweite Wabenköφer 2 ebenfalls aus einem S-förmig verschlungenen Stapel von Metallblechen dargestellt, wobei es für eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung sehr hilfreich ist, wenn beide Wabenköφer (anders als dargestellt) ähnlich aufgebaut (z.B. mit gleicher Stapelhöhe) und zueinander so ausgerichtet sind, daß die Richtungen und Lage der Verschlingungen gleich sind. Der Stapel umfaßt glatte Blechlagen 6 und strukturierte Blechlagen 7. Die Bleche 6 und 7 begrenzen Kanäle 8, durch die ein Fluid hindurchströmen kann. In dem dem Luftspalt 4, 5 gegenüberliegen¬ den Bereich weist der zweite Wabenköφer 2 eine höhere Anzahl kleine¬ rer Kanäle 12 pro Querschnittsfläche als im übrigen Bereich auf. Die Kanäle 12 sind ebenfalls durch strukturierte Blechlagen 13 und glatte Blechlagen 14 begrenzt. Falls die Größe der Kanäle 8 zur Aufnahme der dicken Endabschnitte 17 der Stützelemente 3 nicht ausreicht, können auch noch eine oder mehrere gewellte Blechlagen mit größerer Wellhöhe zur Aufnahme der Stützelemente 3 vorgesehen werden, die sich aber nicht unbedingt über die ganze axiale Länge des zweiten Wabenköφers 2 erstrecken müssen.
In der Fig. 4 ist schematisch ein zweiter Wabenköφer 2 dargestellt, der in Strömungsrichtung in zwei Teilabschnitte A und B unterteilt ist. Mit 15 und 16 sind zwei Bereiche bezeichnet worden, die eine erhöhte Anzahl von Strömungskanälen pro Querschnittsfläche aufweisen. Die Bereiche 15 und 16 liegen dem Luftspalt gegenüber. Die Bereiche 15 und 16 erstrecken sich über den Teilbereich A des Wabenköφers. In dem Teilabschnitt B ist der Querschnitt der einzelnenen Strömungskanäle überall gleich, was auch dann möglich ist, wenn im vorderen Teilbereich A noch zusätzlich Blechlagen größerer Wellhöhe zur Aufnahme der Stützelemente 3 vorgesehen sind.
Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Strömungswider- Standes in einem Kanal 12 eines Wabenköφers 2. Durch zusätzliche Strukturen 19 in zumindest einer der den Kanal 12 bildenden Blechla¬ gen, insbesondere in der strukturierten Blechlage 13, wird der Strömungs¬ widerstand erhöht. Dies hat im allgemeinen auch eine Erhöhung der katalytischen Aktivität in einem mit katalytisch aktiven Material beschich- teten Wabenköφer zur Folge, da die zusätzlichen Strukturen 19 das in Fig. 5 angedeutete Strömungsprofil p beeinflussen und Diffusionsvorgänge verstärken.
Fig. 6 zeigt einen Wabenköφer im Querschnitt, der aus drei miteinander verschlungenen Stapeln von Blechlagen gebildet ist, die in ein Mantelrohr 20 eingesetzt sind. Einer der Stapel besteht zumindest teilweise aus Blechen mit einer kleineren Struktur als die übrigen gewellten Bleche 7, so daß sich in diesem Stapel Kanäle 12 mit kleinerem hydraulischen Querschnitt und dadurch größerem Strömungswiderstand ergeben. Gerade die hier beispielhaft dargestellte Bauform aus drei oder mehr Stapeln läßt durch Variation der Zahl und Dicke der Stapel in Verbindung mit unteschiedlich strukturierten Blechlagen 6, 7 eine große Vielfalt bei der Verteilung des Strömungswiderstandes über die Querschnittsfläche zu.
Die vorliegende Erfindung erlaubt gegenüber dem Stand der Technik eine größere Flexibilität bei der Verteilung des Strömungswiderstandes über die Querschnittsfläche eines Wabenköφers, insbesondere durch unterschiedliche Anzahlen der Kanäle pro Querschnittsfläche. In einer Anordnung aus mindestens zwei Wabenköφern können so Ungleichmäßig- keiten bei der Durchströmung des ersten Wabenköφers im zweiten Wabenköφer ausgeglichen werden..

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Wabenköφer (2), insbesondere Katalysator-Trägerköφer, mit einer Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen (8, 12), wobei ein erster Teil der Kanäle (12) einen höheren Strömungswiderstand hat als ein zweiter Teil der Kanäle (8), und wobei der Wabenköφer (2) mindestens eine dezentrale, in Umfangsrichtung nur einen Teilbe¬ reich der Querschnittsfläche des Wabenköφers erfassende Häufung oder Ansammlung (15, 16) solcher Kanäle (12) mit erhöhtem Strö¬ mungswiderstand aufweist.
2. Wabenköφer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12) mit erhöhtem Stromungswiderstand einen kleineren hydraulischen Durchmesser als die übrigen Kanäle (8) aufweisen.
3. Wabenköφer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12) mit erhöhten Strömungswiderstand an ihrem Anfang und/oder ihrem Ende und/oder in ihrem Inneren zusätzliche, die Strömung behindernde Strukturen (19) aufweisen.
4. Wabenköφer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenköφer (2) aus zumindest teilweise strukturierten Blechlagen (6, 7, 13, 14), die die durchströmbaren Kanäle (8, 12) bilden, besteht.
5. Wabenköφer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenköφer mindestens einen verschlungenen Stapel von Blechlagen (6, 7, 13, 14), vorzugsweise zwei oder mehr Stapel, insbesondere aus Stapel von Blechlagen enthält.
6. Wabenköφer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Blechlagen (13) eine andere Struktur als die übrigen Blechlagen (7) aufweist, wodurch die von diesem Teil der Blechlagen gebildeten Kanäle (12) einen höheren Strömungswiderstand aufweisen s als die übrigen Kanäle (8).
7. Wabenköφer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus abwechselnden glatten (6, 14) und ge¬ wellten (7, 13) Blechlagen aufgebaut ist, wobei die gewellten Blech- 0 lagen (7, 13) mindestens zwei unterschiedliche Wellhöhen aufweisen, wobei die Blechlagen (13) mit der geringeren Wellhöhe die Kanäle (12) mit dem erhöhten Widerstand bilden.
8. Vorrichtung zur Abgasreinigung mit einem zweiten Wabenköφer (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vor dem ein erster elek¬ trisch beheizbarer Wabenköφer (1) angeordnet ist, der ebenfalls eine Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen aufweist, wobei die Wabenköφer (1, 2) nacheinander durchströmbar sind, wobei der elektrisch beheizbare Wabenköφer (1) über seine Querschnittsfläche durch wenigstens einen Luftspalt (4, 5) elek¬ trisch aufgeteilt ist, insbesondere mäanderförmig und/oder spiral¬ förmig, und wobei der zweite Wabenköφer (2) zumindest in dem dem Luft¬ spalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich ein Häufung von Kanä- len mit größerem Strömungswiderstand aufweist als im übrigen
Bereich des Wabenköφers (2).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (12) pro Querschnittsfläche in dem dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich (15, 16) des zweiten Wabenkör- pers (2) größer ist als in den übrigen Bereichen dieses Wabenkör¬ pers (2).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (12) pro Querschnittsfläche in dem dem
Luftspalt (4, 5) gegenüberliegenden Bereich (15, 16) in Strömungs¬ richtung variiert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle abschnittsweise variiert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der größte Durchmesser der Kanäle im ersten Waben¬ köφer (1) etwa gleich groß oder kleiner als die durchschnittliche Breite des Luftspaltes (4, 5) ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der erste Wabenköφer (1) eine größere Anzahl von Kanälen pro Querschnittsfläche aufweist als der zweite Wabenköφer (2).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der sich eine Mehrzahl von länglichen, in ihren Endabschnitten (17, 18) unter¬ schiedlich große Querschnittsflächen aufweisenden Stützelementen (3) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Wabenköφer erstreckt und diese mechanisch verbindet, wobei sich jedes Stützelement (3) wenigstens teilweise in einen Kanal des ersten und in einen Kanal des zweiten Wabenköφers (1; 2) hineinerstreckt, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Querschnittsfläche des in den Kanal des zweiten Wabenköφers (2) hineinragenden dicken Endabschnittes (17) eines jeden Stützelementes (3) größer ist als die Querschnittsfläche des in den Kanal des ersten Wabenköφers (1) hineinragenden dünnen End¬ abschnittes (18).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der zweite Wabenköφer (2) lagenweise angeordnete, zumindest teilweise struktu¬ rierte Blechlagen (7, 13) umfaßt, welche etwa in Strömungsrichtung verlaufende Kanäle (6, 12) von durch die Struktur der Bleche be¬ stimmten Dimension bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wabenköφer (2) wenigstens zwei Arten von unterschiedlich struktu- rieten Blechen umfaßt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wabenköφer (2) mindestens eine erste dem Luftspalt (4, 5) gegenüberliegende gewellte Blechlage mit kleinerer Wellhöhe und mindestens eine zweite die Stützelemente aufnehmende gewellte Blechlage mit größerer Wellhöhe umfaßt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich strukturierten Blechlagen sich jeweils nur über einen vorderen Teilabschnitt (A) des Wabenköφers (2) erstrecken.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle in dem oder den in Strömungsrichtung folgenden Teilabschnitt(en) bezogen auf die Querschnittsfläche in Strömungs¬ richtung zunimmt oder abnimmt, insbesondere hinter der gewellten Blechlage mit größerer Wellung zunimmt und/oder hinter der ge¬ wellten Blechlage mit kleinerer Wellung abnimmt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der erste (1) und der zweite (2) Wabenköφer aus miteinander verschlungenen Blechlagen, insbesondere aus einem S- förmig verschlungenen Stapel von Blechlagen, aufgebaut und so ausgerichtet sind, daß der Verläufe der Verschlingungen beider Wabenköφer im wesentlichen miteinander fluchten, insbesondere die Ausrichtung und Stapelhöhe der S-förmigen Verschlingungen gleich ist.
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