WO2020064579A1 - Vorrichtung zur abgasnachbehandlung - Google Patents

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WO2020064579A1 PCT/EP2019/075441 EP2019075441W WO2020064579A1 WO 2020064579 A1 WO2020064579 A1 WO 2020064579A1 EP 2019075441 W EP2019075441 W EP 2019075441W WO 2020064579 A1 WO2020064579 A1 WO 2020064579A1
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Vitesco Technologies GmbH
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for the catalytic treatment of exhaust gases, with a flow path which is delimited by a housing and through which a flow direction can flow from an inflow opening to an outflow opening, a catalyst being arranged within the flow path and comprising a plurality of disk elements is formed, the disc elements are arranged one behind the other in the flow direction of the exhaust gas and the disc elements each have a plurality of flowable channels and have a catalytically active surface layer.
  • Catalysts are regularly used for exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines, which convert individual components of the exhaust gas generated during combustion into less harmful products.
  • catalysts are known which are formed from a ceramic base material and are provided with special coatings, or catalysts made from metallic honeycomb bodies.
  • the catalysts are regularly installed in flow paths which are formed from tubes and housings and are used for the targeted guidance of the exhaust gas.
  • a disadvantage of the devices in the prior art is, in particular, that large volume fractions of the exhaust gas aftertreatment systems remain unused catalytically and that the uniform flow distribution of the exhaust gas within the flow paths is not optimal.
  • An embodiment of the invention relates to a device for the catalytic treatment of exhaust gases, with a flow tion path, which is delimited by a housing and can be traversed along a flow direction from an inflow opening to an outflow opening, a catalyst being arranged within the flow path, which is formed from a plurality of disk elements, the disk elements in the flow direction of the exhaust gas one behind the other are arranged and the disc elements each have a plurality of flowable channels and have a catalytically active edge layer, the disc elements being arranged relative to one another in such a way that spaces are formed at least in sections between the directly adjacent disc elements, the intermediate spaces being free of catalytically active Elements are.
  • the catalyst according to the invention consists of a plurality of individual disk elements which together bring about the catalytic conversion.
  • the catalytic converter is characterized in particular by the fact that the disk elements are spaced apart from one another at least in sections, so that exhaust gas flowing through the individual disk elements flows into the flow channels of the first disk element and flows out of the latter into an intermediate space between the disk elements and then into the flow channels of the second disk element flows in and out of these again and in the same way flows in and out through the possibly existing disk elements.
  • Each inflow process into the flow channels of a disk element means that the flow boundary layer has to be newly formed. This is particularly advantageous since it significantly increases the values for heat transport and mass transport.
  • an arrangement of several disk elements can thus achieve greater efficiency than in a catalytic converter with the same volume with only one gas inlet and one gas outlet and continuous flow channels in between.
  • the repeated inflow and outflow also achieve an improved uniform velocity distribution across the cross section.
  • an improved uniform concentration distribution of the exhaust gas over the cross section of the catalytic converter or the individual disk elements is also achieved.
  • a subsequent catalytic converter can be made smaller and still achieve a comparably good exhaust gas purification.
  • the disc elements are preferably formed by metallic honeycomb bodies, which are produced by winding a stack of metallic foils.
  • the metallic foils can be smooth and / or structured to produce different geometries of the flow channels.
  • the metallic foils can also be provided with different catalytic coatings which have a positive influence on the exhaust gas conversion.
  • the honeycomb body can be accommodated in a casing tube, for example, or inserted directly into the housing of the exhaust gas flow path.
  • the individual disc elements each have a defined fixed diameter. This means that there are no changes in the cross section and / or the diameter within a slide element. Therefore, all disc elements can be easily produced by the known methods for producing a metallic honeycomb body. By connecting several disk elements in series, each with different diameters, cross-sectional changes in the flow-carrying pipes or housings can be compensated for. In comparison to a single honeycomb body that is intended to represent such a change in cross-section, the individual disk elements are simple parts that are easy to manufacture. In particular, a metallic honeycomb body with a along the The length of the cross-section is very difficult to produce from a production point of view.
  • the disk elements are fixed ge compared to the housing and / or are firmly connected to one another is particularly advantageous.
  • the individual disk elements can be fixed to the housing or fixed to one another.
  • the fixing relative to the housing is particularly advantageous.
  • the disk elements are arranged in a section of the housing which has a cross section which widens or narrows in the flow direction.
  • a catalytic converter of this type is particularly suitable for installation in areas of the exhaust line, which basically basically serves to guide the flow of the exhaust gas, such as diffusers, funnels or bends, in which the exhaust gas stream is concentrated or fanned out.
  • Conventional known catalysts which are formed from a single matrix or a single honeycomb body, cannot be adapted to such an installation location, or can be adapted only with particularly great effort.
  • the catalyst can be installed particularly well from a plurality of disk elements. The dimensions of the individual disk elements can be influenced in such a way that they are optimally adapted to the available installation space.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the disk elements are arranged in a section of the housing in which the direction of flow of the exhaust gas flowing in the housing is changed.
  • the catalyst from individual disc elements can in particular also be adapted well to housing parts which serve to deflect the gas stream.
  • the disc elements can, for example, be set at an angle to one another and thus inserted into a pipe bend. The space otherwise only used for deflecting the exhaust gas can thus also be effectively used for the catalytic treatment of the exhaust gas.
  • the individual disk elements are arranged at an angle to one another. Arranging the disc elements with a certain angle of attack with respect to one another is advantageous if the disc elements are arranged, for example, in a pipe bend. The adjustment favors the flow and reduces the pressure loss.
  • At least one of the disk elements is designed to be electrically heatable.
  • the exhaust gas temperature can be increased by the electrical heating of at least one disk element, as a result of which the conversion of the exhaust gas is accelerated.
  • the first disk element or the last disk element viewed in the flow direction can be heated. In the case of electrical heating, in particular, care must be taken to ensure that the heated pane element is electrically insulated from the unheated pane elements and other electrically conductive structures.
  • the catalyst formed from a plurality of disk elements is followed by one or more further catalysts.
  • the catalyst according to the invention can preferably be used in conjunction with other catalysts of conventional design.
  • further catalysts can be installed in succession in a housing, as is generally known.
  • the catalyst according to the invention can preferably be arranged in the areas of the exhaust pipe described above, in order to additionally fill the otherwise catalytically unused installation space.
  • the length of the individual disc elements is between 5 mm and 20 mm in the flow direction.
  • the length of the individual disk elements preferably corresponds to the length of the flow channels formed in the disk elements, according to which a laminar boundary layer is normally completely built up in accordance with the known rules of thumb for heat transfer. The ideal length therefore also strongly depends on the mass flow and the respective cell density.
  • the catalytic converter is formed from at least two disk elements arranged one behind the other and a maximum of ten disk elements arranged one behind the other.
  • the pressure loss caused by the disc elements must be taken into account, which is why the maximum number of disc elements should not exceed ten.
  • the diameter of the disk elements arranged one behind the other in the flow direction increases, the diameter of the disk element (n + 1) being 1.5 times as large as the diameter of the disk element (s).
  • the amount by which the diameter of the (n + 1) disc element is larger than the diameter of the preceding disc element (s) is determined by the geometric configuration, in particular the angle of the cone, the cone housing and the distance between the disc elements.
  • the geometry of the disc element results from the optimal value for the disc length, the disc spacing (in terms of the optimum of pressure loss and equal flow distribution) in combination with the specified angle of Cone.
  • the optimum here is regularly between 10 mm and 20 mm.
  • the distance between two directly adjacent disk elements is between 0.5 times and 1.5 times the length of the disk elements in the flow direction.
  • the optimal distance between the disc elements is between 10 mm and 20 mm, ideally the distance is 15 mm.
  • the number of flow channels per defined cross-sectional area (cell density) of disks benelement to disc element is different.
  • the distribution of the exhaust gas flow can also be positively influenced by different cell densities. Different cell densities can also influence the pressure loss as required.
  • influence on the back pressure distribution or the flow equalization can be influenced.
  • the back pressure distribution or the uniform flow distribution can be influenced in such a way that the length of the disk element can be shortened.
  • the back pressure distribution or the flow equalization distribution can be kept constant. This can improve the overall effectiveness of the catalyst.
  • the disk elements bear directly against one another and are connected to one another at least on a section of the outer circumference. This is advantageous, for example, if the disk elements are arranged in a pipe bend. The disk elements can be leaned against one another at a section of their outer circumference and positioned at an angle to one another, as a result of which the curvature of the pipe bend can be imaged, the disk elements being arranged compactly at the same time.
  • FIG. 1 shows two views of an expanding Rohrab section, wherein a uniformly expanding pipe section is shown in the upper region and a gradually expanding pipe section in the lower region,
  • Fig. 2 shows two perspective views of pipe bends, wherein an inventive Kata analyzer can be used in the lower pipe bend, and
  • Fig. 3 is a sectional view through a gradually widening pipe section with a catalyst according to the invention, the lower disk element being electrically heated.
  • Figure 1 shows two views of a tapered pipe section.
  • a pipe section 1 is shown, as is usually used to connect two exhaust pipes of different diameters.
  • the pipe section 1 shown has only a flow-guiding function in that it leads the exhaust gas flow from an area of larger diameter to an area of smaller diameter.
  • the pipe section 1 is formed only by the limiting wall and has no elements for the catalytic treatment of the gas flow from inside.
  • a pipe section 2 is shown, which also tapers.
  • the pipe section 2 tapers stepwise and not continuously like the pipe section 1 shown above.
  • several areas 3 are formed, each of which has a constant diameter. These areas 3 are ring-shaped and serve to accommodate individual disk elements of a catalytic converter for exhaust gas aftertreatment.
  • a catalytic treatment of the exhaust gas flowing through the pipe section 2 can thus also be implemented in the pipe section 2.
  • the disc elements that can be used in the areas 3 are formed by metallic honeycomb bodies that have a catalytically active coating. Exhaust gas which flows through the pipe section 2 thus flows successively through the disk elements in the regions 3 and the intermediate spaces 4 which are formed between the disk elements.
  • FIG. 2 shows a pipe bend 5 in the upper area for deflecting an exhaust gas flow.
  • the pipe bend 5 has a continuous wall profile and corresponds to a pipe bend as is known from the prior art.
  • a pipe bend 6 which is designed to hold a catalytic converter according to the invention with several disk elements.
  • sections 7 are formed in sections in the pipe bend 6, which have a constant diameter and are set at an angle to one another are.
  • the areas 7 are designed to receive one of the disk elements.
  • the arrangement of a plurality of disk elements, each with a plurality of flow channels through which flow can occur results in repeated inflow and outflow of the exhaust gas, as a result of which the heat transport is improved and an improved flow velocity distribution and concentration distribution is achieved.
  • a basically flow-guiding component can also have an exhaust gas conversion function.
  • the space required for funnels or pipe bends is thus used twice, which improves the overall efficiency of the exhaust gas aftertreatment device.
  • FIG. 3 shows a sectional view through a tapering pipe section 8 of a device for exhaust gas aftertreatment, with several disk elements 9 of a catalyst according to the invention being inserted into the pipe section 8.
  • the disc elements 9 are arranged spaced apart from one another in the flow direction and are each arranged in regions of constant cross section.
  • the bottom disk element 9 is designed such that it can be heated electrically.
  • the lowest disc element 9 is spaced apart by spacers in the form of pins 10 from the disc element 9 lying above it. These also serve also the electrical insulation of the disc elements 9 zuei nander.
  • the electrically heatable disk element 9 can also be electrically insulated from the housing forming the tube section 8.
  • an electrical contact of the heatable disc element 9 is shown.
  • the design of the electrical contact corresponds, for example, to the known solutions from the prior art.
  • the disk elements can also be adapted to the inner contour of the flow-guiding component such that they assume a firmly defined fit during assembly.
  • the disk elements can be adapted to the angle of the inner wall, so that they can slide into the pipe section until the disk element is in constant contact with the inner wall in a certain position.
  • FIGS. 1 to 3 have, in particular, no restrictive character and serve to clarify the inventive concept.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgasen, mit einer Strömungsstrecke, die von einem Gehäuse begrenzt ist und entlang einer Strömungsrichtung von einer Einströmöffnung hin zu einer Ausströmöffnung durchströmbar ist, wobei innerhalb der Strömungsstrecke ein Katalysator angeordnet ist, der aus einer Mehrzahl von Scheibenelementen (9) gebildet ist, wobei die Scheibenelemente (9) in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander angeordnet sind und die Scheibenelemente (9) jeweils eine Mehrzahl von durchströmbare Kanälen aufweisen und eine katalytische aktive Randschicht aufweisen, wobei die Scheibenelemente (9) derart zueinander angeordnet sind, dass sich zumindest abschnittsweise Zwischenräume (4) zwischen den direkt zueinander benachbarten Scheibenelementen (9) ausbilden, wobei die Zwischenräume (4) frei von katalytisch aktiven Elementen sind.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgasen, mit einer Strömungsstrecke, die von einem Gehäuse begrenzt ist und entlang einer Strömungsrichtung von einer Einströmöffnung hin zu einer Ausströmöffnung durchströmbar ist, wobei innerhalb der Strömungsstrecke ein Katalysator angeordnet ist, der aus einer Mehrzahl von Scheibenelementen gebildet ist, wobei die Scheibenelemente in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander angeordnet sind und die Scheiben elemente jeweils eine Mehrzahl von durchströmbare Kanälen aufweisen und eine katalytische aktive Randschicht aufweisen.
Stand der Technik
Zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen werden regelmäßig Katalysatoren verwendet, die einzelne Bestandteile des bei der Verbrennung entstehenden Abgases zu weniger schädlichen Produkten umwandeln.
Im Wesentlichen sind Katalysatoren bekannt, die aus einem keramischen Grundmaterial gebildet sind und mit speziellen Beschichtungen versehen sind oder Katalysatoren aus metallischen Wabenkörpern .
Die Katalysatoren sind in bekannten Anwendungen aus dem Stand der Technik regelmäßig in Strömungsstrecken verbaut, die aus Rohren und Gehäusen gebildet sind und der gezielten Führung des Abgases dienen. In den bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik findet eine Funktionstrennung innerhalb der Abgasnachbehand lungssysteme in strömungsführende Komponenten und in katalytisch aktive Komponenten statt. Daraus ergibt sich, dass ein Großteil des Volumens von Ab gasnachbehandlungssystemen nicht zur katalytischen Umsetzung des Abgases genutzt wird da große Teile der Strömungsführung des Abgases dienen, beispielweise der Umlenkung des Abgases, der Auffächerung oder der Konzentration des Abgases.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist somit insbesondere, dass große Volumenanteile der Abgasnachbehand lungssysteme katalytisch ungenutzt bleiben und dass die Strömungsgleichverteilung des Abgases innerhalb der Strö mungsstrecken nicht optimal ist.
Gleichzeitig kommt es oft vor, dass die Strömung beim Durch strömen der Abgasanlage vielfach hinsichtlich ihrer Strö mungsrichtung umgelenkt werde muss, wobei diese Umlenkungen, insbesondere wenn sie stromaufwärts des Katalysators statt finden, zu einer ungünstigen Beaufschlagung des Katalysators mit Abgas führen, wodurch die Effektivität des Katalysators negativ beeinträchtigt wird.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, welche es ermöglicht einen größeren Anteil des inneren Volumens, ins besondere im Bereich von Querschnittsveränderungen oder Richtungsänderungen, innerhalb eines Abgasnachbehandlungs systems katalytisch zu nutzen und gleichzeitig eine verbesserte Strömungsverteilung innerhalb des Abgasnachbehandlungssystems zu erreichen.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgasen, mit einer Strö- mungsstrecke, die von einem Gehäuse begrenzt ist und entlang einer Strömungsrichtung von einer Einströmöffnung hin zu einer Ausströmöffnung durchströmbar ist, wobei innerhalb der Strö mungsstrecke ein Katalysator angeordnet ist, der aus einer Mehrzahl von Scheibenelementen gebildet ist, wobei die Scheibenelemente in Strömungsrichtung des Abgases hinterei nander angeordnet sind und die Scheibenelemente jeweils eine Mehrzahl von durchströmbare Kanälen aufweisen und eine kata lytische aktive Randschicht aufweisen, wobei die Scheiben elemente derart zueinander angeordnet sind, dass sich zumindest abschnittsweise Zwischenräume zwischen den direkt zueinander benachbarten Scheibenelementen ausbilden, wobei die Zwi schenräume frei von katalytisch aktiven Elementen sind.
Der erfindungsgemäße Katalysator besteht aus einer Mehrzahl von einzelnen Scheibenelementen, die zusammen die katalytische Umsetzung bewirken. Der Katalysator zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Scheibenelemente zumindest abschnittsweise zueinander beabstandet sind, so dass Abgas, welches durch die einzelnen Scheibenelemente strömt, jeweils in die Strömungs kanäle des ersten Scheibenelementes einströmt und aus diesen in einen Zwischenraum zwischen den Scheibenelementen ausströmt und sodann in die Strömungskanäle des zweiten Scheibenelementes einströmt und aus diesen wieder ausströmt und in gleicher Weise durch die eventuell weiteren vorhandenen Scheibenelemente einströmt und ausströmt.
Jeder Einströmvorgang in die Strömungskanäle eines Scheiben elementes führt dazu, dass sich die Strömungsgrenzschicht jeweils neu ausbilden muss. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Werte für den Wärmetransport und den Stofftransport hierdurch deutlich erhöht werden. Bezogen auf das Volumen eines Kata lysators kann durch eine Anordnung mehrerer Scheibenelemente somit eine höhere Effizienz erreicht werden als in einem Ka talysator mit gleichem Volumen mit nur einem Gaseintritt und einem Gasaustritt und durchgängigen Strömungskanälen dazwi schen . Durch das wiederholte Einströmen und Ausströmen wird auch eine verbesserte Geschwindigkeitsgleichverteilung über den Quer schnitt erreicht. Weiterhin wird auch eine verbesserte Kon zentrationsgleichverteilung des Abgases über den Querschnitt des Katalysators beziehungsweise der einzelnen Scheibenelemente hinweg erreicht.
Durch die verbesserte Konzentrationsverteilung und die ver besserte Geschwindigkeitsgleichverteilung kann ein nachfol gender Katalysator kleiner ausgeführt werden und dennoch eine vergleichbar gute Abgasreinigung bewirken.
Die Scheibenelemente sind bevorzugt durch metallische Waben körper gebildet, die durch das Aufwickeln eines Stapels aus metallischen Folien erzeugt werden. Die metallischen Folien können dabei glatt und/oder strukturiert ausgeführt sein, um unterschiedliche Geometrien der Strömungskanäle zu erzeugen. Auch können die metallischen Folien mit unterschiedlichen katalytischen Beschichtungen versehen sein, die die Abgasum wandlung positiv beeinflussen. Die Wabenkörper können bei spielsweise in einem Mantelrohr aufgenommen sein oder direkt in das Gehäuse der Abgasströmungsstrecke eingesetzt sein.
Die einzelnen Scheibenelemente haben jeweils einen definierten festen Durchmesser. Das heißt, dass es keine Veränderungen des Querschnitts und/oder des Durchmessers innerhalb eines Schiebenelementes gibt. Daher können alle Scheibenelemente einfach durch die bekannten Verfahren zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers erzeugt werden. Durch das Hinter einanderschalten mehrerer Scheibenelemente mit jeweils un terschiedlichen Durchmessern können Querschnittsveränderungen der strömungsführenden Rohre oder Gehäuse ausgeglichen werden. Im Vergleich zu einem einzigen Wabenkörper, der eine solche Querschnittsveränderung abbilden soll, sind die einzelnen Scheibenelemente einfache Teile, die leicht herzustellen sind. Insbesondere ein metallischer Wabenkörper mit einem entlang der Länge veränderlichen Querschnitt ist produktionstechnisch nur sehr schwierig herzustellen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Scheibenelemente ge genüber dem Gehäuse fixiert sind und/oder miteinander fest verbunden sind. Je nach Aufbau können die einzelnen Schei benelemente gegenüber dem Gehäuse fixiert sein oder gegenei nander fixiert sein. Insbesondere bei Scheibenelementen, die vollständig zueinander beabstandet angeordnet sind, ist die Fixierung gegenüber dem Gehäuse besonders vorteilhaft.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Scheibenelemente in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnet sind, welcher einen sich in Strömungsrichtung erweiternden oder verengenden Querschnitt aufweist. Ein Katalysator dieser Bauart eignet sich insbesondere für den Einbau in Bereichen des Abgasstrangs, der grundsätzlich im Wesentlichen der Strömungsleitung des Abgases dient, wie beispielsweise Diffusoren, Trichter oder Krümmer, in welchen der Abgasstrom konzentriert wird oder aufgefächert wird. Her kömmliche bekannte Katalysatoren, die aus einer einzigen Matrix beziehungsweise einem einzigen Wabenkörper gebildet sind, können nicht oder nur mit besonders hohem Aufwand an einen solchen Einbauort angepasst werden. Im Gegensatz hierzu kann der Ka talysator aus einer Mehrzahl von Scheibenelementen hier be sonders gut verbaut werden. Die einzelnen Scheibenelemente können in ihrer Dimensionierung derart beeinflusst werden, dass sie optimal an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst sind .
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenelemente in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnet sind, in welchem die Strömungsrichtung des in dem Gehäuse strömenden Abgases verändert wird. Der Katalysator aus einzelnen Scheibenelementen kann insbesondere auch gut an Gehäuseteile angepasst werden, die einer Umlenkung des Ab gasstroms dienen. Die Scheibenelemente können beispielsweise in einem Winkel zueinander angestellt sein und so in einen Rohrbogen eingesetzt sein. Der sonst lediglich zur Umlenkung des Abgases genutzte Bauraum kann somit effektiv auch zur katalytischen Behandlung des Abgases genutzt werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die einzelnen Scheibenelemente in einem Winkel gekippt zueinander angeordnet sind. Das Anordnen der Scheibenelemente mit einem gewissen Anstellwinkel zueinander ist vorteilhaft, wenn die Scheibenelemente beispielsweise in einem Rohrbogen angeordnet werden. Durch die Anstellung wird die Durchströmung begünstigt und der entstehende Druckverlust reduziert .
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Scheibenelemente elektrisch beheizbar ausgeführt ist. Durch die elektrische Beheizung zumindest eines Scheibenelementes kann die Abgastemperatur erhöht werden, wodurch die Umsetzung des Abgases beschleunigt wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das in Strömungsrichtung betrachtet erste Scheibenelement oder das letzte Scheibenelement beheizbar sind. Insbesondere ist bei einer elektrischen Beheizung darauf zu achten, dass eine elektrische Isolation des beheizten Scheibenelementes von den nicht beheizten Scheibenelementen und anderen elektrisch leitfähigen Strukturen gewährleistet ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn dem aus mehreren Schei benelementen gebildeten Katalysator ein oder mehrere weitere Katalysatoren nachgeschaltet sind. Der erfindungsgemäße Ka talysator kann bevorzugt in Verbindung mit weiteren Kataly satoren herkömmlicher Bauform eingesetzt werden. Insbesondere können weitere Katalysatoren nacheinander in einem Gehäuse verbaut sein, wie es allgemein bekannt ist. Der erfindungsgemäße Katalysator kann hierzu bevorzugt in den oben beschriebenen Bereichen der Abgasleitung angeordnet sein, um den ansonsten katalytisch ungenutzten Bauraum zusätzlich zu füllen. Auch ist es zweckmäßig, wenn die Länge der einzelnen Schei benelemente in Durchströmungsrichtung zwischen 5 mm und 20 mm beträgt. Die Länge der einzelnen Scheibenelemente entspricht bevorzugt der Länge der in den Scheibenelementen ausgebildeten Strömungskanäle, nach welcher gemäß der bekannten Faustformeln der Wärmeübertragung normalerweise eine laminare Grenzschicht vollständig aufgebaut ist. Die ideale Länge hängt somit auch stark vom Massenstrom und der jeweiligen Zelldichte ab.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Katalysator aus zumindest zwei hintereinander angeordneten Scheibenelementen gebildet ist und maximal aus zehn hintereinander angeordneten Scheibenelementen gebildet ist. Je mehr Scheibenelemente durchströmt werden und somit auch je mehr Strömungseintritte und Strömungsaustritte durchströmt werden umso besser ist dies für die Konzentrationsgleichverteilung und die Geschwindigkeits gleichverteilung des strömenden Abgases. Daher ist es vor teilhaft, wenn mehrere Scheibenelemente vorgesehen sind. An dererseits ist der durch die Scheibenelemente verursachte Druckverlust zu beachten, weswegen die maximale Anzahl der Scheibenelemente zehn nicht übersteigen soll.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Durchmesser der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Scheibenelemente zunimmt, wobei der Durchmesser des Scheibenelementes (n+1) 1,5 mal so groß ist, als der Durchmesser des Scheibenelementes (n) . Das Maß um welches der Durchmesser des (n+1) Scheibenelementes größer ist als der Durchmesser des vorhergehenden Scheiben elementes (n) ist durch die geometrische Ausgestaltung, ins besondere dem Winkel des Konus, des Konusgehäuses und den Abstand der Scheibenelemente zueinander bestimmt.
Grundsätzlich ergibt sich die Geometrie des Scheibenelementes aus dem optimalen Wert für die Scheibenlänge, den Scheibenabstand (hinsichtlich des Optimums aus Druckverlust und Strömungs gleichverteilung) in Kombination mit dem vorgegebenen Winkel des Konus. Regelmäßig ergibt sich hier ein Optimum zwischen 10 mm und 20 mm.
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0001
Aus der oben stehenden Grafik in Verbindung mit der voran stehenden Tabelle ergibt sich der geometrische Zusammenhang zwischen den Durchmessern der einzelnen Scheibenelemente und ihren Abständen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Scheibenelementen zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen der Länge der Scheibenelemente in Strömungsrichtung ist . Der optimale Abstand der Scheibenelemente zueinander liegt zwischen 10 mm und 20 mm, idealerweise beträgt der Abstand 15 mm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Strömungskanäle pro definierter Querschnittsfläche (Zelldichte) von Schei- benelement zu Scheibenelement unterschiedlich ist. Durch un terschiedliche Zelldichten kann weiterhin die Verteilung der Abgasströmung positiv beeinflusst werden. Durch unterschied liche Zelldichten kann auch der Druckverlust bedarfsgerecht beeinflusst werden.
Durch die Veränderung der Zelldichte kann Einfluss auf die Gegendruckverteilung beziehungsweise die Strömungsgleichver teilung genommen werden. So kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Zelldichte bei stromabwärtigen Scheibenelementen die Gegendruckverteilung beziehungsweise die Strömungs gleichverteilung derart beeinflusst werden, dass die Länge des Scheibenelementes verkürzt werden kann. Insbesondere kann die Gegendruckverteilung beziehungsweis die Strömungsgleichver teilung konstant gehalten werden. Dadurch kann insgesamt die Effektivität des Katalysators verbessert werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl der Strömungskanäle pro definierter Querschnittsfläche (Zelldichte) in unterschied lichen Bereichen eines Scheibenelementes unterschiedlich ist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Scheibenelemente zumindest an einem Abschnitt des Außenumfangs direkt aneinander anliegen und miteinander verbunden sind. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Scheibenelemente in einem Rohrbogen angeordnet sind. Die Scheibenelemente können an einem Abschnitt ihres Außenumfangs aneinander angelehnt sein und in einem Winkel zueinander angestellt sein, dadurch kann die Krümmung des Rohrbogens abgebildet werden, wobei die Scheibenelemente gleichzeitig kompakt angeordnet sind.
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 zwei Ansichten eines sich erweiternden Rohrab schnitts, wobei im oberen Bereich ein sich gleich förmig erweiternder Rohrabschnitt gezeigt ist und im unteren Bereich ein sich stufenweise erweiternder Rohrabschnitt ,
Fig. 2 zwei perspektivische Ansichten von Rohrbögen, wobei in dem unteren Rohrbogen ein erfindungsgemäßer Kata lysator eingesetzt werden kann, und
Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen sich stufenweise erweiternden Rohrabschnitt mit einem erfindungsge mäßen Katalysator, wobei das untere Scheibenelement elektrisch beheizbar ist.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt zwei Ansichten eines sich verjüngenden Rohrabschnitts. Im oberen Bereich ist ein Rohrabschnitt 1 gezeigt, wie er üblicherweise zur Verbindung zweier Abgasrohre unterschiedlichen Durchmessers verwendet wird. Der gezeigte Rohrabschnitt 1 hat lediglich strömungsführende Funktion, indem er die Abgasströmung von einem Bereich größeren Durchmessers in einen Bereich kleineren Durchmessers führt. Der Rohrabschnitt 1 ist nur durch die begrenzende Wandung gebildet und weist im Inneren keine Elemente zur katalytischen Behandlung der Ab gasströmung auf. Im unteren Bereich ist ein Rohrabschnitt 2 gezeigt, der sich ebenfalls verjüngt. Der Rohrabschnitt 2 verjüngt sich jedoch stufenweise und nicht stetig wie der oben gezeigte Rohrabschnitt 1. Im unteren Rohrabschnitt 2 sind mehrere Bereiche 3 ausge bildet, die jeweils einen konstanten Durchmesser aufweisen. Diese Bereiche 3 sind ringförmig ausgebildet und dienen der Aufnahme einzelner Scheibenelemente eines Katalysators zur Abgasnachbehandlung .
Zusätzlich zu der strömungsleitenden Funktion kann in dem Rohrabschnitt 2 somit auch eine katalytische Behandlung des durch den Rohrabschnitt 2 strömenden Abgases realisiert werden. Die Scheibenelemente, die in den Bereichen 3 eingesetzt werden können, sind durch metallische Wabenkörper gebildet, die eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen. Abgas, welches den Rohrabschnitt 2 durchströmt, strömt so nacheinander durch die Scheibenelemente in den Bereichen 3 und die Zwischenräume 4, welche zwischen den Scheibenelementen ausgebildet sind.
Es findet somit mehrfach ein Einströmen in einer Scheibenelement und ein Ausströmen aus dem Scheibenelement beziehungsweise aus dessen Strömungskanälen statt. Durch die dadurch zwingend auftretende Neuausbildung der Strömungsgrenzschicht kann ein verbesserter Wärmeübergang erreicht werden und gleichzeitig wird die Strömungsgeschwindigkeitsgleichverteilung und die Kon zentrationsgleichverteilung verbessert .
Die Figur 2 zeigt im oberen Bereich einen Rohrbogen 5 zur Umlenkung eines Abgasstroms. Der Rohrbogen 5 weist einen stetigen Wandverlauf auf und entspricht einem Rohrbogen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Im unteren Bereich der Figur 2 ist ein Rohrbogen 6 gezeigt, der zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen Katalysators mit mehreren Scheibenelementen ausgebildet ist. Hierzu sind abschnittsweise Bereiche 7 im Rohrbogen 6 ausgebildet, die einen gleichbleibenden Durchmesser aufweisen und in einem Winkel zueinander angestellt sind. Die Bereiche 7 sind dazu ausgelegt jeweils eines der Scheibenelemente aufzunehmen.
Wie in dem Beispiel der Figur 1 bereits beschrieben, entsteht durch die Anordnung mehrerer Scheibenelemente mit jeweils einer Mehrzahl von durchströmbaren Strömungskanälen ein wiederholtes Einströmen und Ausströmen des Abgases wodurch der Wärmetransport verbessert wird und eine verbesserte Strömungsgeschwindig- keitsverteilung und Konzentrationsverteilung erreicht wird.
Zwischen den in den Bereichen 7 angeordneten Scheibenelementen sind keine weiteren Leitungselemente außer dem Rohrbogen 6 selbst angeordnet, so dass diese Bereiche lediglich strömungsleitende Funktion haben.
Durch Aufbauten wie in den Figuren 1 und 2 im unteren Bereich jeweils gezeigt kann ein grundsätzlich strömungsleitendes Bauteil auch eine Abgasumwandlungsfunktion haben. Der ohnehin benötigte Bauraum für Trichter oder Rohrbögen wird somit doppelt genutzt, wodurch die Effizienz der Abgasnachbehandlungsvor richtung insgesamt verbessert wird.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch einen sich verjüngenden Rohrabschnitt 8 einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, wobei in den Rohrabschnitt 8 mehrere Scheibenelemente 9 eines er findungsgemäßen Katalysators eingesetzt sind. Die Scheiben elemente 9 sind zueinander in Strömungsrichtung beabstandet angeordnet und jeweils in Bereichen gleichbleibenden Quer schnitts angeordnet.
Der Aufbau gleicht dem im unteren Teil der Figur 1 gezeigten. Im Unterschied zur Figur 1 ist das unterste Scheibenelement 9 derart ausgeführt, dass es elektrisch beheizt werden kann.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das unterste Scheiben element 9 über Abstandshalter in Form von Stiften 10 zum darüber liegenden Scheibenelement 9 beabstandet. Diese dienen zusätzlich auch der elektrischen Isolation der Scheibenelemente 9 zuei nander. Das elektrisch beheizbare Scheibenelement 9 kann auch gegenüber dem den Rohrabschnitt 8 bildenden Gehäuse elektrisch isoliert sein.
Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine elektrische Kontaktierung des beheizbaren Scheibenelementes 9 dargestellt. Die Ausführung der elektrischen Kontaktierung entspricht beispielsweise den be kannten Lösungen aus dem Stand der Technik.
Anstelle in Bereiche gleichbleibenden Durchmessers können die Scheibenelemente auch derart an die Innenkontur des strö mungsführenden Bauteils angepasst sein, so dass diese beim Montieren einen festen definierten Sitz einnehmen. Bei einem sich stetig verjüngenden Rohrabschnitt können die Scheibenelemente an den Winkel der Innenwandung angepasst sein, so dass diese in den Rohrabschnitt hineingleiten können, bis es zu einer voll ständigen Anlage des Scheibenelementes an die Innenwandung in einer bestimmten Position kommt.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbei spiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Aus führungsbeispiele der Figuren 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Abgasen, mit einer Strömungsstrecke, die von einem Gehäuse begrenzt ist und entlang einer Strömungsrichtung von einer Ein strömöffnung hin zu einer Ausströmöffnung durchströmbar ist, wobei innerhalb der Strömungsstrecke ein Katalysator angeordnet ist, der aus einer Mehrzahl von Scheibenele menten (9) gebildet ist, wobei die Scheibenelemente (9) in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander angeordnet sind und die Scheibenelemente (9) jeweils eine Mehrzahl von durchströmbare Kanälen aufweisen und eine katalytische aktive Randschicht aufweisen, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Scheibenelemente (9) derart zueinander angeordnet sind, dass sich zumindest abschnittsweise Zwischenräume (4) zwischen den direkt zueinander benachbarten Scheibenelementen (9) ausbilden, wobei die Zwischenräume (4) frei von katalytisch aktiven Elementen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Scheibenelemente (9) gegenüber dem Gehäuse (2, 6, 8) fixiert sind und/oder miteinander fest verbunden sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Scheibenelemente (9) in einem Abschnitt des Gehäuses (2, 8) angeordnet sind, welcher einen sich in Strömungsrichtung erweiternden oder verengenden Querschnitt aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Scheibenelemente (9) in einem Abschnitt des Gehäuses (6) angeordnet sind, in welchem die Strömungsrichtung des in dem Gehäuse strömenden Abgases verändert wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die ein zelnen Scheibenelemente (9) in einem Winkel gekippt zu einander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eines der Scheibenelemente (9) elektrisch beheizbar ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem aus mehreren Scheibenelementen (9) gebildeten Katalysator ein oder mehrere weitere Katalysatoren nachgeschaltet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Länge der einzelnen Scheibenelemente (9) in Durchströmungs richtung zwischen 5 mm und 20 mm beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kata lysator aus zumindest zwei hintereinander angeordneten Scheibenelementen (9) gebildet ist und maximal aus zehn hintereinander angeordneten Scheibenelementen (9) gebildet ist .
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der
Durchmesser der in Strömungsrichtung hintereinander an geordneten Scheibenelemente (9) zunimmt, wobei der Durchmesser des Scheibenelementes (9) n+1 1,5 mal so groß ist, als der Durchmesser des Scheibenelementes (9) n.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abstand zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Scheiben- elementen (9) zwischen dem 0, 5-fachen und dem 1, 5-fachen der Länge der Scheibenelemente (9) in Strömungsrichtung ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anzahl der Strömungskanäle pro definierter Querschnittsfläche (Zelldichte) von Scheibenelement (9) zu Scheibenelement (9) unterschiedlich ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anzahl der Strömungskanäle pro definierter Querschnittsfläche (Zelldichte) in unterschiedlichen Bereichen eines Scheibenelementes (9) unterschiedlich ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Scheibenelemente (9) zumindest an einem Abschnitt des Außenumfangs direkt aneinander anliegen und miteinander verbunden sind.
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