WO2021028312A1

WO2021028312A1 - Katalysator zur abgasnachbehandlung

Info

Publication number: WO2021028312A1
Application number: PCT/EP2020/072143
Authority: WO
Inventors: Sven - c/o Vitesco Technologies GmbH SCHEPERS; Peter - c/o Vitesco Technologies GmbH HIRTH; Florian - c/o Vitesco Technologies GmbH RINGS
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2021-02-18
Also published as: DE102019212149B4; DE102019212149A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Abgasnachbehandlung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Wabenkörper mit einer Vielzahl von einem Abgas von einer Gaseintrittsseite zu einer Gasaustrittsseite in axialer Richtung des Wabenkörpers durchströmbaren Strömungskanälen, wobei der Wabenkörper aus zumindest einer, zumindest teilweise, strukturierten Lage (1) und aus zumindest einer Glattlage (2, 7) gebildet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle ausgebildet sind, wobei der Wabenkörper zumindest eine Verschlussvorrichtung (3, 6) aufweist, durch welche zumindest ein Strömungskanal zumindest teilweise verschließbar ist, wobei die Verschlussvorrichtung (3, 6) abhängig von einer Regelgröße verstellbar ist.

Description

Beschreibung

Katalysator zur Abgasnachbehandlung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Abgasnachbehandlung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Wabenkörper mit einer Vielzahl von einem Abgas von einer Gaseintrittsseite zu einer Gasaustrittsseite in axialer Richtung des Wabenkörpers durchström baren Strömungskanälen, wobei der Wabenkörper aus zumindest einer, zumindest teilweise, strukturierten Lage und aus zumindest einer Glattlage gebildet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle ausgebildet sind.

Stand der Technik

Es ist bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen von Wabenkörpern zur Abgasnachbehandlung bekannt. Grundsätzlich wird zwischen Wabenkörpern aus Keramik und Metall unterschieden. Aufgrund der einfacheren Herstellung und der geringeren Wanddicken und damit der Möglichkeit der Bereitstellung einer größeren Oberfläche pro Volumeneinheit, haben sich insbesondere metallische Wabenkörper für den eingangs genannten Zweck angeboten. Ein solcher Wa benkörper kann mit glatten und/oder strukturierten metallischen Lagen bezie hungsweise Blechfolien aufgebaut sein. Diese metallischen Lagen können ge schichtet, gewickelt und/oder gewunden und schließlich in einem Gehäuse des Wabenkörpers platziert werden, so dass eine Vielzahl von, für das Abgas durch- strömbare, Kanälen gebildet sind. Dabei können sich die Kanäle beispielsweise geradlinig, gewunden und/oder schräg zwischen den Stirnseiten eines solchen Wabenkörpers erstrecken.

Mit dem Ziel eines möglichst innigen Kontakts des Abgases mit den Wandungen des Wabenkörpers, beziehungsweise der dort platzierten katalytischen Beschich tung, wurden bereits Maßnahmen vorgeschlagen, die eine laminare Strömung des Abgases durch den Wabenkörper hindurch reduzieren. So können bspw. Öffnun gen in den Kanalwänden vorgesehen sein, so dass miteinander kommunizierende Kanäle gebildet werden. Ebenso ist bekannt, in den Kanälen Umlenkstrukturen, Leitflügel etc. vorzusehen, um eine gezielte Strömungsumlenkung in den Kanälen, Druckunterschiede zwischen den Kanälen, oder ähnliches zu erreichen. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass gegebenenfalls mit einer verstärkten Umlenkung der Abgasströmung innerhalb des Wabenkörpers auch ein Druckverlust über den Wabenkörper erhöht wird. Dies kann zu Leistungseinbußen der Verbrennungs kraftmaschine führen, weil der dadurch gebildete Staudruck den Ausschub von Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine behindern kann.

Zudem ist insbesondere in bestimmten Anwendungsbereichen eines Wabenkörper, beispielsweise wenn dieser stromab einer Umlenkung im Abgasstrang und/oder stromab einer Krümmung der Abgasleitung angeordnet ist, eine inhomogene be ziehungsweise ungleichmäßige Anströmung des Wabenkörpers nicht oder nur mit vergleichsweise hohem Aufwand zu vermeiden. Dies führt regelmäßig dazu, dass ein solcher Wabenkörper nicht gleichmäßig durchströmt werden kann, so dass der Wabenkörper nicht ideal genutzt werden kann. Beispielsweise kann im Falle einer derartigen, inhomogenen Anströmung eine Reinigungswirkung des Wabenkörpers reduziert sein, insbesondere weil eine gegebenenfalls vorhandene katalytische Beschichtung nicht vollständig und/oder nicht ideal mit dem Abgas in Kontakt bringbar ist und/oder gegebenenfalls einzelne oder mehrere mit einer Abscheide funktion ausgeführte Kanäle des Wabenkörpers nicht ausreichend durchströmt werden.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Wabenkörper zur Abgasnachbehandlung geschaffen werden, der insbe sondere auch in ungünstigen Einbausituationen des Wabenkörpers in einer Ab gasanlage eine möglichst gleichmäßige, beziehungsweise gleichmäßigere Durch strömung des Wabenkörpers erlaubt und insbesondere eine Flexibilität hinsichtlich der Durchströmung abhängig von der Durchströmungsgeschwindigkeit des Abga ses oder der Temperatur des Abgases ermöglicht.

Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator zur Abgasnach behandlung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Wabenkörper mit einer Vielzahl von einem Abgas von einer Gaseintrittsseite zu einer Gasaustrittsseite in axialer Richtung des Wabenkörpers durchström baren Strömungskanälen, wobei der Wabenkörper aus zumindest einer, zumindest teil weise, strukturierten Lage und aus zumindest einer Glattlage gebildet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle ausgebildet sind, wobei der Wabenkörper zumindest eine Verschlussvorrichtung aufweist, durch welche zumindest ein Strömungskanal zumindest teilweise verschließbar ist, wobei die Verschlussvorrichtung abhängig von einer Regelgröße verstellbar ist.

Die zwischen den einzelnen Lagen des Wabenkörpers ausgebildeten Strömungs kanäle können entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung von Abgas durchströmt werden. Durch eine Verschlussvorrichtung können einzelne oder mehrere dieser Strömungskanäle teilweise oder vollständig verschlossen werden, so dass eine Durchströmung dieses speziellen Strömungskanals nur noch in reduziertem Maße oder gar nicht mehr möglich ist.

Eine Verschlussvorrichtung kann dabei gezielt nur einzelne Strömungskanäle verschließen oder eine Mehrzahl von Strömungskanälen gemeinsam.

Das Verschließen einzelner Strömungskanäle kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Durchströmung des Wabenkörpers verändert werden soll. Durch das Verschließen wird partiell ein erhöhter Gegendruck erzeugt und somit wird die Durchströmung in den Bereichen des Wabenkörpers, die einen geringeren Ge gendruck erzeugen und in der Regel durch die nicht verschlossenen Strömungs kanäle gebildet sind, begünstigt.

Die Verschlussvorrichtung ist bevorzugt derart ausgelegt, dass der/die betreffenden Strömungskanäle verschließbar sind und auch wieder freigegeben werden können.

Eine Regelgröße kann beispielsweise eine messbare Eigenschaft des strömenden Abgases sein, wie beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur oder ein Massenanteil eines bestimmten Stoffes im Abgas.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zumindest eine Verschlussvorrichtung ab hängig von der Temperatur des durch die Strömungskanäle strömbaren Abgases verstellbar ist. Die Temperatur ist ein besonders vorteilhafter Wert für die Regel größe, da insbesondere die Temperatur des strömenden Abgases und die Tem peratur des Wabenkörpers an sich wichtige Größen sind, um eine möglichst voll ständige chemische Umsetzung des Abgases am Katalysator zu erhalten.

Außerdem kann es insbesondere bei einer inhomogenen Durchströmung des Wabenkörpers zu Temperaturmaxima an Bereichen besonders hoher Strö mungsgeschwindigkeiten kommen. Die besonders hohen Strömungsgeschwin digkeiten indizieren gleichzeitig eine besonders gegendruckarme Durchströmung. Diese Bereiche werden somit also bevorzugt durchströmt. Die sich dadurch erge bende besonders hohe Temperatur im Vergleich zu den weniger durchströmten Bereichen kann genutzt werden, um die Verschlussvorrichtung zu aktivieren und diese Strömungskanäle oder zumindest einzelne Strömungskanäle des betreffen den Bereichs zu verschließen, um so zu einer partiellen Erhöhung des Gegen drucks beizutragen und somit eine besser Gleichverteilung der Durchströmung zu erreichen.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung durch ein flexibles aus der Glattlage ausgebildetes Element gebildet ist. Durch die Nutzung des Materials der Glattlage kann insbesondere auf zusätzliche Materialien und Bauteile verzichtet werden, was den Aufbau des Wabenkörpers einfacher, robuster und kostengüns tiger macht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ver schlussvorrichtung durch eine aus der Glattlage ausgestanzte und aus der Glatt lage herausbiegbare Lasche gebildet ist. Eine solche Lasche kann beispielsweise einen rechteckigen Grundriss haben. Idealerweise ist die Lasche an die Innen geometrie des Strömungskanals, welchen sie verschließen soll, angepasst. Be vorzugt ist die Lasche beispielsweise dreiseitig aus der Glattlage ausgelöst, währen die vierte Seite als eine Art Scharnier dient und den Kontakt mit der restlichen Glattlage erzeugt. Dieser Übergangsbereich von der Glattlage zur ausgeformten Lasche kann beispielsweise geschlitzt ausgeführt sein, um eine bessere Beweg lichkeit der Lasche zu ermöglichen.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Glattlage zumindest teilweise aus einem Bi-Metall oder einem sogenannten Shape Memory Metall gebildet ist. Ein Bi-Metall ist gewöhnlich ein Metallstreifen aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, die miteinander stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind. Unter Temperatureinfluss kommt es zu einer Formänderung des Bimetalls, welche durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden verwendeten Metalle verursacht wird.

Die beiden Metalle können beispielsweise als dünne Folien ausgeführt sein. Be vorzugt ist nur der die Lasche bildende Teil des Glattlage als Bi-Metall ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch eine zusätzliche Beschichtung der Glattlage in besagtem Bereich erreicht werden.

Abhängig vom Aufbau der Bi-Metall Lasche kann eine erhöhte Temperatur somit zu einem Ausbiegen der Lasche aus der Glattlage in den Strömungskanal hinein führen oder zu einem Rückbiegen aus dem Strömungskanal in die Ebene der Glattlage hinein.

Alternativ kann ein sogenanntes Shape Memory Metall, oder eine Formgedächt nislegierung, verwendet werden. Diese Metalle existieren in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen und können so zwei definierte Zustände einnehmen, die sich insbesondere durch eine definierte Formgebung auszeichnen. Abhängig von einer Temperatur kann eine Formgedächtnislegierung zwei definierte Zustände/Formen annehmen, die es in hoher Reproduzierbarkeit erreicht. So kann einer der Zustände die Ausrichtung in der Ebene der Glattlage sein und ein weiterer Zustand die Aus lenkung aus der Ebene hinein in den Strömungskanal.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Glattlage zumindest in dem Bereich der als Verschlussvorrichtung wirkenden Lasche aus einem Bi-Metall oder einem Shape-Memory-Metall gebildet ist. Um eine Formveränderung der Glattlage in den anderen Bereichen, welche nicht die Laschen ausbilden, zu vermeiden, ist das Bi-Metall oder das Shape-Memory-Metall bevorzugt nur in den Bereichen der La sche ausgebildet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Verschlussvorrichtung durch eine partiell aufgebrachte Beschichtung gebildet ist, welches sich durch ein temperaturabhän giges Volumen auszeichnet. Alternativ zu einem seine Form verändernden Metall, kann auch eine Beschichtung vorgesehen sein, welche in Abhängigkeit der Tem peraturein veränderliches Volumen aufweist. Durch eine gezielte und ausreichende Volumenvergrößerung kann ein Strömungskanal in seiner freien Querschnittsfläche reduziert werden, so dass ebenfalls eine Veränderung der Durchströmung des gesamten Wabenkörpers erreicht wird. Als Beschichtung komme beispielsweise geschäumte Materialien in Betracht.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Wabenkörper eine Mehrzahl von als Ver schlussvorrichtung wirkende Laschen aufweist, welche jeweils über den Quer schnitt verteilt in einem Strömungskanal angeordnet sind, wobei die jeweilige zur Aktivierung der Verschlussvorrichtung notwendige Regelgröße abhängig von der Position im Wabenkörper vorgegeben ist.

Mehrere dieser Verschlussvorrichtungen sind vorteilhaft, um das letztlich zu errei chende Durchströmungsbild des Wabenkörpers möglichst exakt bestimmen zu können. Durch die Verteilung über den Querschnitt des Wabenkörpers hinweg kann die Strömungsverteilung besonders gut und genau beeinflusst werden.

Es ist weiterhin auch vorsehbar, dass die Verschlussvorrichtungen nicht in einer gemeinsamen Ebene (Querschnitt) des Wabenkörpers liegen, sondern entlang der axialen Erstreckung des Wabenkörpers an unterschiedlichen Bereichen vorgese hen werden.

Durch die aus der Glattlage ausgeformten Laschen kann durch das Verschließen eines Strömungskanals gleichzeitig eine Überströmöffnung in einen der direkt an grenzenden Strömungskanäle freigegeben werden, wodurch die Strömungsver teilung zusätzlich beeinflusst wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprü- chen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer strukturierten Lage mit einer darauf aufgelegten

Glattlage, wobei die Glattlage eine Mehrzahl von Laschen aufweist, die aus der Glattlage ausgeformt sind und durch das Auslenken aus der Ebene der Glattlage eine Öffnung in der Glattlage freigeben, und

Fig. 2 eine Ansicht einer strukturierten Lage mit einer aufgelegten Glattlage, wobei die Laschen an der Glattlage ausgebildet sind und durch die Auslenkung keine Öffnungen in der Glattlage freigegeben werden.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine strukturierte Lage 1. Die Struktur ist in dieser Darstellung beispielhaft als Wellung ausgeführt, welche sich über die gesamt radiale Erstre ckung und axiale Erstreckung zieht. In alternativen Ausgestaltungen kann die Lage auch nur teilweise strukturiert sein.

Auf der strukturierten Lage 1 ist eine Glattlage 2 aufgelegt, die im Beispiel der Figur 1 dieselben Ausmaße aufweist wie die strukturierte Lage 1 .

Die Glattlage 2 weist mehrere Laschen 3 auf, die innerhalb der durch die Wellung gebildeten Strömungskanäle zwischen der strukturierten Lage 1 und der Glattlage 2 angeordnet sind. Die Laschen 3 bilden die Verschlussvorrichtungen und können entlang der Pfeile 4 aus der Ebene der Glattlage 2 ausgelenkt werden.

Durch das Auslenken der Laschen 3 aus der Glattlage 2 werden die Öffnungen 5 in der Glattlage 2 freigegeben. Durch diese Öffnungen 5 kann Abgas zwischen direkt zueinander benachbarten Strömungskanälen überströmen.

Die Laschen 3 sind bevorzugt aus einem Bi-Metall oder einem Sha- pe-Memory-Metall und werden durch das Erreichen eines definierten Tempera turniveaus verformt.

Die Figur 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie er bereits in Figur 1 gezeigt wurde. Einziger Unterschied ist, dass die Laschen 6 nicht aus der Glattlage 7 selbst aus geformt sind, sondern an der Glattlage 7 fixiert sind. Durch das Verformen der La schen 6 werden somit keine Öffnungen in der Glattlage 7 freigegeben. Ein Über strömen in benachbarte Strömungskanäle wird somit durch das Verstellen der La schen 6 nicht ermöglicht. Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Ver deutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims

Patentansprüche

1. Katalysator zur Abgasnachbehandlung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Wabenkörper mit einer Vielzahl von einem Abgas von einer Gaseintrittsseite zu einer Gasaustrittsseite in axialer Rich tung des Wabenkörpers durchström baren Strömungskanälen, wobei der Wabenkörper aus zumindest einer, zumindest teilweise, strukturierten Lage (1) und aus zumindest einer Glattlage (2, 7) gebildet ist, zwischen welchen die Strömungskanäle ausgebildet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wabenkörper zumindest eine Verschlussvor richtung (3, 6) aufweist, durch welche zumindest ein Strömungskanal zu mindest teilweise verschließbar ist, wobei die Verschlussvorrichtung (3, 6) abhängig von einer Regelgröße verstellbar ist.

2. Katalysator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest eine Verschlussvorrichtung (3, 6) abhängig von der Temperatur des durch die Strömungskanäle strömbaren Abgases verstellbar ist.

3. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verschlussvorrichtung (3, 6) durch ein flexibles aus der Glattlage (2, 7) ausgebildetes Element gebildet ist.

4. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verschlussvorrichtung (3) durch eine aus der Glattlage (2) ausgestanzte und aus der Glattlage (2) heraus biegbare Lasche (3) gebildet ist.

5. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Glattlage (2, 7) zumindest teil weise aus einem Bi-Metall oder einem sogenannten Shape Memory Metall gebildet ist.

6. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Glattlage (2, 7) zumindest in dem Bereich der als Verschlussvorrichtung wirkenden Lasche (3, 6) aus einem Bi-Metall oder einem Shape-Memory-Metall gebildet ist.

7. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verschlussvorrichtung durch eine partiell aufgebrachte Beschichtung gebildet ist, welches sich durch ein temperaturabhängiges Volumen auszeichnet.

8. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wabenkörper eine Mehrzahl von als Verschlussvorrichtung (3, 6) wirkende Laschen (3, 6) aufweist, welche jeweils über den Querschnitt verteilt in einem Strömungskanal angeordnet sind, wobei die jeweilige zur Aktivierung der Verschlussvorrichtung (3, 6) notwendige Regelgröße abhängig von der Position im Wabenkörper vor gegeben ist.