WO1998013590A1 - Wabenkörper mit verringerter wärmeleitfähigkeit im eintritts- und austrittsbereich - Google Patents

Wabenkörper mit verringerter wärmeleitfähigkeit im eintritts- und austrittsbereich Download PDF

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Definitions

  • the subject matter of the invention relates to a structure through which a fluid can flow and which has an inlet region and an outlet region.
  • the entry area and the exit area are connected to one another by channels through which a fluid can flow.
  • WO 90/03220 discloses structures through which a fluid can flow and which can have a wide variety of cross sections. To reduce the pollutant components in the exhaust gas stream of an exhaust system, it is necessary that the structure is at a temperature which is sufficiently high for the catalytic conversion of the pollutants. In order to achieve the fastest possible light-off behavior of the catalyst, WO 89/10471 has already suggested that the structure be electrically heated. The electrical heating of such a structure reduces the emission of the pollutants of the exhaust gas which arise in the cold start phase of an internal combustion engine.
  • WO 90/04087 discloses a honeycomb body with thermal insulation, which is designed in the form of a double jacket system.
  • the double jacket system comprises an inner jacket tube which is arranged at a distance from an outer jacket tube in the latter.
  • the space created between the inner and outer casing tubes acts as thermal insulation. As a result, a reduction in the heat dissipation by the surface area of the structure is reduced.
  • the present invention has for its object to develop the structure through which a fluid flows so that the heat losses of the structure are further reduced.
  • this object is achieved by a structure through which a fluid can flow, with the features of claim 1.
  • Advantageous further developments and refinements of the structure are the subject of the subclaims.
  • the structure according to the invention is characterized in that it has a section of reduced thermal conductivity at least in the vicinity of the entry and exit areas.
  • a structure which serves as a honeycomb body for an exhaust gas catalytic converter the end-face heat losses due to heat conduction to the components of an exhaust system connected to the structure, as well as by convection of the exhaust gas located in the exhaust system, make a considerable contribution the total heat loss.
  • the structure according to the invention is proposed in order to avoid this, in particular end-face heat loss.
  • the section which has a reduced thermal conductivity extends at least partially into the structure.
  • the structure has a section of reduced thermal conductivity in the vicinity of the entry and exit areas, the heat losses of the middle section are reduced, as a result of which the section of the structure lying between the entry and exit areas is on a longer period of time is higher temperature than is the case with the known structures. In this way, an improved cleaning effect of an exhaust gas after a restart is achieved, since the structure between the entry and the exit area is at a higher temperature level.
  • the section between the inlet and the outlet area consequently heats up much faster, as a result of which the temperature required for the catalytic conversion is also reached more quickly.
  • An embodiment of the structure is preferred in which the section of reduced thermal conductivity extends over the entire cross section of the structure.
  • a reduction in the thermal conductivity of the structure can be achieved in that the wall is at least partially designed with a reduced wall thickness at least one of its channels. As a result, the cross section in the heat transport direction is reduced.
  • the section of reduced thermal conductivity be formed by the wall of at least one of the channels having at least one recess.
  • the cross section of the structure made available for heat transport is used. wrestles.
  • the formation of the recesses in the wall of the channels can impair the strength of the structure. Such an impairment of the strength of the structure does not occur if the section, without recesses, is made of a heat-insulating material.
  • the formation of recesses in a structure can take place before, during or after the manufacturing process of the structure. If the structure is formed by wound and / or layered layers of at least partially structured sheets, the recesses must be formed before the layers of the sheets are wound or layered.
  • a structure through which a fluid can flow and which in the vicinity of the inlet and outlet areas each have a section of reduced thermal conductivity is particularly suitable as a honeycomb body for an exhaust gas catalytic converter.
  • a honeycomb body is preferably arranged in a jacket tube, the jacket tube having a section of reduced thermal conductivity in the vicinity of the inlet and outlet regions.
  • the section be formed by recesses in the casing tube.
  • the recesses in the casing tube or in the structure, in particular in the honeycomb body, can be perforations.
  • the section of the reduced thermal conductivity is preferably arranged in alignment.
  • Figure 1 shows schematically a first embodiment of a honeycomb body
  • Figure 2 schematically shows a second embodiment of a honeycomb body in an exhaust system.
  • FIG. 1 shows a honeycomb body 1 through which a fluid can flow.
  • the honeycomb body 1 has an entry area 2 and an exit area 3.
  • the entry area 2 and the exit area 3 are connected to one another by channels 4 through which a fluid can flow.
  • the structure 1 is arranged in a jacket tube 5.
  • a section 6 with reduced thermal conductivity is formed in the structure 1 near the entry region 2.
  • Section 6 is formed by recesses 7.
  • the recesses 7 are formed in the wall 8 of the channels 4 and extend at least partially transversely to the direction of flow of the fluid F.
  • recesses 10 are formed, which form a section 10 of reduced thermal conductivity.
  • the recesses 9 are made in the wall 8 of the channels 4.
  • the jacket 5 also has a section 11 and a section 12 of reduced thermal conductivity in the entry or exit area 2, 3 of the structure 1.
  • the sections 11, 12 are formed by recesses 13 and 14, respectively.
  • the recesses 7, 9, 13 and 14 of the sections 6, 10, 11 and 12 are configured in the form of an elongated hole. They are of identical design both in the casing tube 5 and in the structure 1. - o -
  • FIG. 2 shows the arrangement of a structure 1 in an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the structure 1 has a tubular casing 5 which has recesses 13 in the vicinity of the inlet region 2 and recesses 14 in the vicinity of the outlet region 3.
  • the jacket 5 of the structure 1 is surrounded by an insulating material 15.
  • This insulating material 15 is surrounded by an outer jacket tube 16.
  • a diffuser 17 is formed in front of the entry area 2 and is connected to the outer casing tube 16.
  • a confuser 18 is formed, which is connected to the outer jacket tube 16.

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Abstract

Von einem Fluid durchströmbare Struktur (1), insbesondere Wabenkörper für einen Abgaskatalysator, die einen Eintrittsbereich (2) und einen Austrittsbereich (3), die durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle (4) aufweist, hat in der Nähe der Eintritts- und in der Nähe des Austrittsbereichs (2, 3) jeweils einen Abschnitt (6, 10) verringerter Wärmeleitfähigkeit, die durch die Wandung (8) wenigstens einiger Kanäle (4) ausgebildete Ausnehmungen (7, 9) gebildet werden.

Description

Wabenkörper mit verringerter Wärmeleitfähigkeit im Eintritts- und Austrittsbereich
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf eine von einem Fluid durchströmbare Struktur, die einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist. Der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich sind durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle miteinander verbunden.
Solche Strukturen werden insbesondere als sogenannte Wabenkörper für einen Abgaskatalysator verwendet. Durch die WO 90/03220 sind von einen Fluid durchströmbare Strukturen bekannt, die unterschiedlichster Querschnitts formen sein können. Zur Reduktion der Schadstoffkomponenten im Abgasstrom eines Abgassystems ist es notwendig, daß die Struktur sich auf einer zur katalyti- sehen Umsetzung der Schadstoffe genügend hohen Temperatur befindet. Um ein möglichst rasches Anspringverhalten des Katalysators zu erreichen, ist bereits durch die WO 89/10471 vorgeschlagen worden, die Struktur elektrisch zu beheizen. Durch die elektrische Beheizung einer solchen Struktur wird der Ausstoß der in der Kaltstartphase einer Verbrennungskraftmaschine entstehenden Schadstoffe des Abgases verringert. Bei einem Kurzstreckenbetrieb eines Kraftfahrzeuges mit mehr oder weniger langen Pausen zwischen den einzelnen Fahrzyklen kühlt sich die Verbrennungskraftmaschine sowie das gesamte Abgassystem ab. Eine solche Abkühlung des Abgassystems, insbesondere des Wabenkörpers, f hrt dazu, daß der Wabenkörper Immer wieder elektrisch beheizt werden muß. Dies führt unter Umständen dazu, daß die Energiequelle, eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, stark belastet wird. Bei einem Kurzstreckenbetrieb kann daher nicht sichergestellt werden, daß die Batterie immer wieder ausreichend aufgeladen wird. Um den zum Beheizen des Wabenkörpers notwendigen Energiebedarf zu verringern, ist daher bereits vorgeschlagen worden, den Wabenkörper mit einer thermischen Isolierung zu versehen. So ist beispielsweise durch die WO 90/04087 ein Wabenkörper mit einer thermischen Isolierung bekannt, die in Form eines Doppelmantelsystems ausgebildet ist. Das Doppelmantelsystem umfaßt ein inneres Mantelrohr, das im Abstand zu einem äußeren Mantelrohr in diesem angeordnet ist. Der zwischen dem inneren und dem äußeren Mantelrohr entstehende Zwischenraum wirkt als eine thermische Isolierung. Hierdurch wird eine Verringerung der Wärmeabgabe durch die Mantelfläche der Struktur verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von einem Fluid durchströmbare Struktur so weiterzubilden, daß die Wärmeverluste der Struktur weiter verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch von einem Fluid durchströmbare Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Struktur sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Struktur zeichnet sich dadurch aus, daß diese wenigstens in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichs einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei einer Struktur, die als Wabenkörper für einen Abgaskataly- sator dient, die stirnseitigen Wärmeverluste durch Wärmeleitung an die mit der Struktur verbundenen Komponenten eines Abgassystems, sowie durch Konvektion des sich im Abgassystem befindenden Abgases, einen erheblichen Beitrag zu den gesamten Wärmeverlusten leistet. Zur Vermeidung dieser, insbesondere stirnseitigen Wärmeverluste, wird die erfindungsgemäße Struktur vorgeschlagen. Dadurch, daß in der Nähe des Eintritts- und des Austritts- bereichs ein Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind, wird eine weitgehend thermische Entkopplung der Struktur von benachbarten Bauteilen eines Abgassystems erzielt. Der Abschnitt, welcher eine verringerte Wärmeleitfähigkeit aufweist, erstreckt sich wenigstens teilweise in die Struk- tur hinein.
Dadurch, daß die Struktur in der Nähe des Eintritts- und des Austritts- bereichs jeweils einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist, werden die Wärme Verluste des mittleren Abschnitts verringert, wodurch der zwischen dem Eintritts- und Austrittsbereich liegende Abschnitt der Struktur über einen längeren Zeitraum auf einer höheren Temperatur liegt als dies bei den bekannten Strukturen der Fall ist. Hierdurch wird eine verbesserte Reinigungswirkung eines Abgases nach einem Wiederstart erreicht, da die Struktur zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsbereich auf einem höheren Temperaturniveau liegt. Der Abschnitt zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsbereich erwärmt sich folglich wesentlich schneller, wodurch auch die zur katalytischen Umsetzung notwendige Temperatur rascher erreicht wird.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Struktur, bei der sich der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit über den gesamten Querschnitt der Struktur erstreckt. Eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Struktur kann dadurch erzielt werden, daß die Wandung wenigstens eine ihrer Kanäle mindestens teilweise mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist. Hierdurch wird der Querschnitt in Wärmetransportrichtung verringert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Struktur wird vorgeschlagen, daß der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit dadurch gebildet wird, daß die Wandung wenigstens einer der Kanäle mindestens eine Ausnehmung aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung der Struktur wird der zum Wärmetransport zur Verfügung gestellte Querschnitt der Struktur ver- ringert. Es ist jedoch zu beachten, daß durch Ausbildung der Ausnehmungen in der Wandung der Kanäle die Festigkeit der Struktur beeinträchtigen kann. Eine solche Beeinträchtigung der Festigkeit der Struktur tritt nicht ein, wenn der Abschnitt, ohne Ausnehmungen, jedoch aus einem wärmeisolierendem Werkstoff besteht.
Die Ausbildung von Ausnehmungen in einer Struktur kann vor, während oder nach dem Herstellungsvorgang der Struktur, erfolgen. Wird die Struktur durch gewickelte und/oder geschichtete Lagen wenigstens teilweise struktu- rierter Bleche gebildet, so ist die Ausbildung der Ausnehmungen vor dem Wickeln oder Schichten der Lagen der Bleche vorzunehmen.
Eine von einem Fluid durchströmbare Struktur, die in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereiches jeweils einen Abschnitt verringerter Wärme- leitfähigkeit aufweist, ist besonderes als Wabenkörper für einen Abgaskatalysator geeignet. Bevorzugt ist ein solcher Wabenkörper in einem Mantelrohr angeordnet, wobei das Mantelrohr in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichs einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierzu wird vorgeschlagen, daß der Abschnitt durch Ausnehmungen im Mantelrohr gebildet ist. Bei den Ausnehmungen im Mantelrohr bzw. in der Struktur, insbesondere in dem Wabenkörper, kann es sich um Perforationen handeln. Der Abschnitt der verringerten Wärmeleitfähigkeit ist vorzugsweise fluchtend angeordnet. Der bereits vorstehend dargelegte Zusammenhang zwischen der körperlichen Ausgestaltung der Struktur und dem Erreichen einer zur kataly- tischen Umsetzung eines Abgases notwendigen Temperatur nach einem Wiederstart einer Verbrennungskraftmaschine wird noch weiter verstärkt, wenn das Mantelrohr, in dem sich die Struktur als ein Wabenkörper angeordnet ist, im Eintritts- und Austrittsbereich jeweils einen Abschnitt verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß die Wärmeleitung vom Mantelrohr zu benachbarten Bauteilen eines Abgassystems signifikant verringert wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wabenkörpers und
Figur 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wabenkörpers in einem Abgassystem.
Figur 1 zeigt einen von einem Fluid durchströmbaren Wabenkörper 1. Der Wabenkörper 1 hat einen Eintrittsbereich 2 und einen Austrittsbereich 3. Der Eintrittsbereich 2 und der Austrittsbereich 3 sind durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle 4 miteinander verbunden. Die Struktur 1 ist in einem Mantelrohr 5 angeordnet. In der Nähe des Eintrittsbereichs 2 ist in der Struktur 1 ein Abschnitt 6 mit verringerter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Der Abschnitt 6 ist durch Ausnehmungen 7 gebildet. Die Ausnehmungen 7 sind in der Wandung 8 der Kanäle 4 ausgebildet und erstrecken sich wenigstens teilweise quer zur Strömungsrichtung des Fluids F. In der Nähe des Austrittsbereichs 3 sind Ausnehmungen 10 ausgebildet, die einen Abschnitt 10 einer verringerten Wärmeleitfähigkeit bilden. Die Ausnehmungen 9 sind in der Wandung 8 der Kanäle 4 eingebracht. Auch der Mantel 5 weist einen Abschnitt 11 und einen Abschnitt 12 verringerter Wärmeleitfähigkeit im Eintritts- bzw. Austrittsbereich 2, 3 der Struktur 1 auf. Die Abschnitte 11 , 12 sind durch Ausnehmungen 13 bzw. 14 gebildet. In dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 7, 9, 13 bzw. 14 der Abschnitte 6, 10, 11 bzw. 12 langlochförmig ausgestaltet. Sie sind sowohl im Mantelrohr 5 als auch in der Struktur 1 gleich ausgebildet. - o -
Alternativ können die Ausnehmungen 13 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies die Figur 2 zeigt. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise 5 bis 15 mm hinter der jeweiligen Stirnfläche der Struktur in einer Ebene ausgebildet. Die Figur 2 zeigt die Anordnung einer Struktur 1 in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Die Struktur 1 weist ein Mantelrohr 5 auf, welches in der Nähe des Eintrittsbereichs 2 Ausnehmungen 13 und in der Nähe des Austrittsbereichs 3 Ausnehmungen 14 auf. Der Mantel 5 der Struktur 1 ist von einem Isoliermaterial 15 umgeben. Dieses Isoliermaterial 15 ist von einem äußeren Mantelrohr 16 umgeben. Vor dem Eintrittsbereich 2 ist ein Diffusor 17 ausgebildet, der mit dem äußeren Mantelrohr 16 verbunden ist. Am Austrittsbereich 3 ist ein Konfusor 18 ausgebildet, der mit dem äußeren Mantelrohr 16 verbunden ist. Durch die Abschnitte 11 bzw. 12 des äußeren Mantelrohrs 5 und ebenfalls die Abschnitte 6 bzw. 9 der Struktur 1, die vorzugsweise aus geschichteten oder gewickelten Blechen besteht, wird die Wärmeabgabe aus dem Zentrum der Struktur 1 zum Konfusor bzw. Diffusor bzw. in die davor bestehenden Gasräume verringert. Hierdurch erzielt man eine im wesentlichen heiße "Zelle", die von der thermischen Isolierung 15 sowie die Abschnitte verringerter Wärmeleitfähigkeit begrenzt ist. Hierdurch wird eine energetisch günstigere Ausgestaltung eines Abgasreinigungssystems erzielt.
- 1 -
Bezugszeichenliste
1 Struktur
2 Eintrittsbereich
3 Austrittsbereich
4 Kanal
5 Mantelrohr
6 Abschnitt
7 Ausnehmung
8 Wandung
9 Ausnehmung
10 Abschnitt
11, 12 Abschnitt
13,14 Ausnehmung
15 Isolierung
16 äußeres Mantelrohr
17 Diffusor
18 Konfusor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Von einem Fluid durchströmbare Struktur (1), insbesondere Wabenkörper für einen Abgaskatalysator, mit einem Eintrittsbereich (2), der durch für ein Fluid durchströmbare Kanäle (4) mit einem Austrittsbereich (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichts (2, 3) jeweils einen Abschnitt (6, 10) verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (6, 10) der verringerter Wärmeleitfähigkeit sich über den gesamten Querschnitt der Struktur (1) erstreckt.
3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (6, 10) die Wandung (8) wenigstens einiger Kanäle (4) mindestens teilweise mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist.
4. Struktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (6, 10) die Wandung (8) wenigstens einiger der Kanäle (4) mindestens eine Ausnehmung (7, 9) aufweist.
5. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß der Abschnitt (6, 10) aus einem wärmeisolierendem Werkstoff besteht.
6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur durch gewickelte und/oder geschichtete Lagen wenigstens teilweise strukturierter Bleche gebildet ist.
7. Wabenkörper für einen Abgaskatalysator, gekennzeichnet durch eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Wabenkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in einem Mantelrohr (5) angeordnet ist, wobei das Mantelrohr (5) in der Nähe des Eintritts- und des Austrittsbereichts (2, 3) einen Abschnitt (11, 12) verringerter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
9. Wabenkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (11, 12) im Mantelrohr (5) mit dem Abschnitt (6, 10) der Strukmr (1) fluchtet.
10. Wabenkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschmtt (11 , 12) durch Ausnehmungen (13, 14) im Mantelrohr (5) gebildet ist.
PCT/EP1997/005096 1996-09-26 1997-09-17 Wabenkörper mit verringerter wärmeleitfähigkeit im eintritts- und austrittsbereich WO1998013590A1 (de)

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