Katalysator zur Behandlung von Abgasen Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einem Gehäuse, welches von einem Abgas durchströmbar ist, mit einer Einströmseite und mit einer Ausströmseite, wobei in dem Gehäuse eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang einer Haupt- durchströmungsrichtung von der Einströmseite hin zur Ausströmseite durchströmbar sind. Stand der Technik

Die Temperierung von Rohrreaktoren, wie sie beispielsweise in chemischen Anlagen eingesetzt werden, erfolgt gewöhnlich über die Rohrwände des entsprechenden Reaktors. Der Durchmesser der zu verwendenden ist dadurch begrenzt, da sichergestellt werden muss, dass eine ausreichend große Wärmemenge aus dem Inneren hin zu Rohrwand transportiert werden kann oder von der Rohrwand in das strömende Medium transportiert werden kann. Daher muss eine Vielzahl von dünnen Rohren eingesetzt werden, wodurch die Herstellung der Reaktoren besonders aufwändig und teuer ist.

Bei Abgaskatalysatoren, wie sie beispielswiese zur Nachbe ^¬ handlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in Automobilen eingesetzt werden, ist das Konzept einer Wärmezufuhr oder einer Wärmeabfuhr von oder nach außen bislang nur wenig genutzt. Einzig elektrisch beheizbare Abgaskatalysatoren sind bisher im Stand der Technik bekannt, um die Gastemperatur des durch den Katalysator strömenden Abgases zu erhöhen. Hierzu werden Metallstrukturen elektrisch unter Ausnutzung des ohmschen Wi- derstandes erhitzt, wodurch auch das strömende Fluid erhitzt wird . Problematisch bei Abgaskatalysatoren in Automobilen ist insbesondere, dass die Strömung des Abgases im Katalysator überwiegend laminar ausgebildet ist, wodurch es nur zu einer sehr geringen Strömung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung kommt, wodurch der Wärmetransport senkrecht zur Hauptdurchströ- mungsrichtung hin zu den Rohrwänden oder weg von den Rohrwänden nur in engen Grenzen möglich ist.

Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, dass bezogen auf den zur Verfügung stehenden Bauraum keine ausreichend hohe Wärmezufuhr beziehungsweise Wärmeabfuhr möglich ist, um die bei stark exothermen Reaktionen entstehende Wärmemenge über die Rohrwände abzuleiten.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Katalysator zu schaffen, welcher es ermöglicht auch bei stark exothermen Reaktionen eine ausreichend große Wärmemenge schnell abzuführen, um die strukturelle Integrität des Katalysators sicherzustellen. Gleichzeitig soll ein Katalysator mit einer möglichst einfachen und platzsparenden Bauform geschaffen werden .

Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einem Gehäuse, welches von einem Abgas durchströmbar ist, mit einer Einströmseite und mit einer Ausströmseite, wobei in dem Gehäuse eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, die entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung von der Einströmseite hin zur Ausströmseite durchströmbar sind, wobei in dem Gehäuse zumindest eine Rohrleitung angeordnet ist, die mit einem von dem durch die Strömungskanäle strömbaren Abgas unabhängigen Fluid durchströmbar ist. Die Strömungskanäle in dem Katalysator können beispielsweise durch einen Wabenkörper ausgebildet sein, der durch einen Lagenstapel aus gewellten und glatten Metalllagen gebildet ist. Die Metalllagen können dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Wellprofile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufweisen. Auch die glatten Metalllagen können unterschiedlich ausgestaltet sein und beispielsweise Öffnungen aufweisen, die ein Überströmen zwischen unterschiedlichen Strömungskanälen ermöglichen .

Unter anderem kann es vorteilhaft sein, wenn die Strömungskanäle derart ausgebildet sind, dass durch die Strömungskanäle strömendes Abgas zwischen mehreren Strömungskanälen umgelenkt wird, wodurch die Verteilung über den Querschnitt des Waben- körpers verbessert werden kann und gleichzeitig auch der

Wärmeübergang aufgrund der Ausbildung von zumindest lokalen turbulenten Strömungsabschnitten verbessert werden kann.

Durch die zumindest eine Rohrleitung kann ein Fluid gefördert werden, welches beispielsweise ein von dem Abgas abweichendes Temperaturniveau aufweist, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem strömenden Fluid erreicht werden kann. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Rohrleitung vorgesehen. Auch eine Mehrzahl von Rohrleitungen, die über die Querschnittsfläche des Wabenkörpers verteilt sind, kann vorteilhaft vorgesehen werden, um einen möglichst gleichmäßigen Wärmetransport über den Querschnitt des Wabenkörpers hinweg sicherzustellen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rohrleitung innerhalb und zumindest teilweise entlang eines der Strömungskanäle verläuft. Dies ist vorteilhaft, um die Rohrleitung insbesondere mit dem die Strömungskanäle ausbildenden Wabenkörper in wärmeleitenden Kontakt zu bringen. Auf diese Weise kann die Oberfläche, über welche der Wärmeaustausch primär stattfindet, stark vergrößert werden, da auch die jeweils um die Rohrleitung umliegenden Strömungskanäle beziehungsweise die sie begrenzenden Wand ^¬ flächen die Wärmeübertragung unterstützen. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rohrleitung mit einem Kühlfluid durchströmbar ist. Ein Kühlfluid ist besonders vorteilhaft, um Wärme von dem in dem Katalysator strömenden Abgas abzuführen. Dies kann beispielswiese bei stark exothermen Reaktionen vorteilhaft sein, um eine Überhitzung des Katalysators und insbesondere des Wabenkörpers zu verhindern.

Alternativ kann auch ein Wärmeeintrag in das Abgas über ein in den Rohrleitungen strömendes Fluid erzeugt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn innerhalb des Katalysators Prozesse ablaufen sollen, die eine hohe Temperatur beziehungsweise ein hohes Temperaturniveau im Abgas benötigen. Hierzu zählt bei ^¬ spielsweise der Prozess der Abgaskatalyse bei Gasmotoren. Das Kühlfluid kann bevorzugt über einen eigenen Kühlmittel ^¬ kreislauf gefördert und nach der Wärmeaufnahme wieder abgekühlt werden. Durch die gezielt steuerbare Wärmeabfuhr über das in den Rohrleitungen strömende Kühlfluid kann eine definierte Wär ^¬ meverteilung in dem Katalysator erzeugt werden. Hierzu ist es beispielsweise auch denkbar den Durchmesser der Rohrleitungen über die axiale Haupterstreckung des Katalysators zu variieren oder die Anzahl der Rohrleitungen zu variieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beispielsweise verändert sich die Anzahl der Rohrleitungen mit dem Abstand zur Einströmseite. Dadurch kann beispielsweise im direkt zur Ein ^¬ strömseite benachbarten Bereich eine höhere oder auch eine geringere Wärmeabfuhr erzeugt werden als im Bereich in der Nähe der Ausströmseite. Die Rohrleitungen können zu diesem Zweck beispielsweise in radialer Richtung von außen in den Wabenkörper eingeführt werden und mittels einer Umlenkung in die Richtung der Strömungskanäle umgelenkt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator einen Teilbereich aufweist, der sich von der Einströmseite aus hin zur Ausströmseite erstreckt, welcher keine Rohrleitung aufweist. Dies ist vorteilhaft, um insbesondere im Bereich der Ein ^¬ strömseite eine möglichst hohe Temperatur im strömenden Abgas zu realisieren. Dadurch kann beispielsweise eine katalytische Umwandlung, welche besonders hohe Abgastemperaturen benötigt stattfinden. Insbesondere, wenn das Abgas vor dem Einströmen in den erfindungsgemäßen Katalysator durch eine Heizvorrichtung erwärmt wird um eine ausreichend hohe Temperatur zu haben, ist dies vorteilhaft. Der Katalysator kann dabei derart aufgebaut sein, dass die Reaktion mit dem Abgas, welche eine besonders hohe Temperatur erfordert, an der Einströmseite stattfindet und die Abkühlung durch einen Kontakt mit den Rohrleitungen in Richtung der Hauptdurchströmungsrichtung erst weiter hin zur Ausströmseite stattfindet. Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Rohrleitung mit der die Strömungskanäle ausbildenden Wabenstruktur durch Hartlöten verbunden ist. Hartlöten ist besonders vorteilhaft, um eine dauerhaft stabile Struktur zu erzeugen. Außerdem sind die Wärmeübertragungseigenschaften der Verbindungsbereiche beim Hartlöten besonders gut. Vorteilhafterweise sind die Rohr ^¬ leitungen entlang ihrer gesamten Erstreckung entlang der Hauptdurchströmungsrichtung mit der Wabenstruktur verbunden.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Rohrleitung einen runden Querschnitt aufweist und zwischen einer gewellten Metalllage und einer glatten Metalllage in einem der Wellenberge beziehungsweise in einem der Wellentäler der gewellten Metalllage angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Rohr ^¬ leitung einen an die Strömungskanäle angepassten Querschnitt auf, um sicherzustellen, dass die Kontaktfläche zwischen der Rohrleitung und dem Wabenkörper möglichst groß ist. Dies be ^¬ günstigt den Wärmeübergang.

Auch ist es zweckmäßig, wenn das Verhältnis zwischen dem In- nenumfang des die Rohrleitung aufnehmenden unbeschichteten

Strömungskanals und dem Außenumfang der Rohrleitung zwischen 1 und 2, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,8 liegt. Dies ist besonders vorteilhaft, um einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem durch die Strömungskanäle strömenden Fluid und dem durch die Rohrleitungen strömenden Fluid zu erreichen. Un- tersuchungen haben dabei das vorgenannte Verhältnis als be ^¬ sonders optimal bestätigt, so dass ein besonders hoher Wir ^¬ kungsgrad erreicht werden kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der äußeren Oberfläche alle Rohrleitungen zur geometrischen Oberfläche der unbeschichteten die Rohrleitungen aufnehmenden und die Strömungskanäle ausbildenden Matrix ohne die Rohrleitungen zwischen 0,2 und 0,5, vorzugsweise zwischen 0,25 und 0,45 liegt. Das Gesamtverhältnis der äußeren Oberfläche der Rohrleitungen zur geometrischen Oberfläche der unbeschichteten Matrix ist idealerweise in dem vorgenannten Bereich, da der Wärmeübergang zwischen den Fluiden in den Strömungskanälen und den Rohrleitungen besonders ideal stattfinden kann. Insbesondere kann durch das Einhalten des vorgenannten Verhältnisses ein besonders günstiger Wirkungsgrad für den Katalysator erreicht werden, wobei die Abgastemperatur über einen besonders weiten Betriebsbereich in einem optimalen Bereich zur Abgasnachbehandlung gehalten werden kann, wodurch die Funktion des Katalysators erheblich verbessert wird.

Mit Matrix ist das im Gehäuse des Katalysators angeordnete Gebilde aus einer Mehrzahl von Metalllagen bezeichnet, das sowohl die Strömungskanäle ausbildet, als auch die Rohrleitungen, sofern vorhanden, aufnimmt. In speziellen Ausführungsformen kann die Matrix auch das Gehäuse mit beinhalten.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn sich an den Strömungskanälen eine Zone ausbildet, die durch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen verbesserten StoffÜbergangskoeffizienten in einem Teilbereich der Matrix gekennzeichnet ist. Eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungskanälen ist vorteilhaft, um einen verbesserten Wärmeübergang zwischen dem in den Strömungskanälen strömenden und in der Rohrleitung strömenden Fluid zu ermöglichen. Auch ein verbesserter Stof- fÜbergangskoeffizient ist vorteilhaft, um einen verbesserten Übergang zwischen den Phasen des Fluids, sofern vorhanden, zu erreichen .

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rohrleitungen im Bereich der Stirnfläche der Matrix im Bereich der Zone mit erhöhter

Strömungsgeschwindigkeit positioniert sind.

Außerdem ist es zweckmäßig, wenn das Verhältnis der äußeren Oberfläche aller Rohrleitungen, die im Bereich der Zone mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit positioniert sind, zur ge ^¬ ometrischen Oberfläche der unbeschichteten die Rohrleitungen aufnehmenden und die Strömungskanäle ausbildenden Matrix ohne die Rohrleitungen zwischen 0,05 und 0,1, vorzugsweise zwischen 0, 07 und 0, 08 liegt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Rohrleitungen eine strukturierte Innenwand aufweisen, wobei insbesondere von der Rohrwand hin zum Zentrum der Rohrleitung abragende Elemente die strukturierten Bereiche ausbilden. Eine strukturierte Innenwand der Rohrleitungen, beispielsweise durch abragende Elemente oder eine aufgeraute Oberfläche, sind vorteilhaft, um den Wärme ^¬ übergang zwischen den Rohrwänden und dem in dem Rohr strömenden Fluid zu verbessern. Auch ist es zweckmäßig, wenn die die Strömungskanäle ausbildende Wabenstruktur aus spiralförmig aufgewickelten Metalllagen besteht, wobei eine Mehrzahl von horizontal und vertikal ne ^¬ beneinander beziehungsweise übereinander gestapelten aufgewickelten Metalllagen in einem Gehäuse eingefasst ist und eine Mehrzahl von entlang der Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbaren Strömungskanälen des Katalysators ausbildet. Durch spiralförmig aufgewickelte Metalllagen können einzelne Strömungskanäle oder eine Mehrzahl von Strömungskanälen geschaffen werden. Mehrere dieser spiralförmig aufgewickelten Metalllagen können dann gestapelt werden und so den Wabenkörper bilden. Eine solche Bauform ist vorteilhaft, da die spiralförmig aufgewickelten Metalllagen einfach zu erzeugen sind.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn im Zentrum einer spiralförmig aufgewickelten Metalllage eine Rohrleitung an- geordnet ist und mit der aufgewickelten Metalllage wärmeleitend Stoffschlüssig verbunden ist. Eine Anordnung der Rohrleitung im Zentrum der aufgewickelten Metalllage ist vorteilhaft, da durch den wärmeleitenden Kontakt zwischen der Rohrleitung und der spiralförmig aufgewickelten Metalllage die gesamte spiralförmig aufgewickelte Metalllage zur Wärmeübertragung genutzt werden kann. Die Wärmeübertragungsoberfläche wird somit gezielt um ein vielfaches vergrößert, wodurch mehr Wärme übertragen werden kann . Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die aufgewickelten Metalllagen eine im Querschnitt rechteckförmige Spirale bilden. Eine rechteckförmige oder idealerweise quadratische Gestaltung der aufgewickelten Metalllage ist vorteilhaft, um eine ebenfalls rechteckige oder quadratische Rohrleitung im Zentrum anzuordnen. Auch können rechteckige Elemente besonders gut gestapelt werden und zu einem größeren Verbund, beispielsweise einem Wabenkörper, zusammengefügt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Lagenstapels, der aus mehreren gewellten Metalllagen besteht, zwischen denen metallische Glattlagen angeordnet sind,

Fig. 2 eine Detailansicht des Lagenstapels aus Figur 1, wobei insbesondere eine in ein Wellental der gewellten Metalllage eingelegte Rohrleitung dargestellt ist, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Lagenstapels, wobei die Glattlagen eine abweichende Gestaltung aufweisen, wodurch insbesondere das Überströmen des Abgases zwischen zueinander benachbarten Strömungskanälen ermöglicht wird, und

Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen rechteckigen Katalysator, wobei die Strömungskanäle durch rechteck- förmig aufgewickelte Metalllagen gebildet sind, die nebeneinander und übereinander gestapelt angeordnet sind.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lagenstapels 1, der aus mehreren gewellten Metalllagen 2 und glatten Metalllagen 3 gebildet ist. Der Aufbau entspricht dabei im We ^¬ sentlichen dem Aufbau eines gewöhnlichen Wabenkörpers, der aus einer Stapelung von mehreren Metalllagen gebildet ist. Zwischen den gewellten Metalllagen 2 und den glatten Metalllagen 3 sind Strömungskanäle 4 ausgebildet, durch welche das Abgas strömen kann. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist in zwei der Strömungskanäle 4 jeweils eine Rohrleitung 5 eingelegt, durch welche ein zweites Fluid gefördert werden kann, beispielsweise zum Zwecke des Wärmeabtransports von dem Abgas hin zum Fluid oder zum Wärmetransport vom Fluid hin zum Abgas . Die Rohrleitungen 5 verlaufen entlang der jeweiligen Strömungskanäle 4, wodurch die betroffenen Strömungskanäle 4 nicht mit Abgas durchströmt werden können. Der Wabenkörper weist somit eine um die Anzahl der Rohrleitungen 5 reduzierte Anzahl an Strömungskanälen 4 auf.

In der Abbildung der Figur 1 ragen die Rohrleitungen entlang ihrer axialen Haupterstreckung über den durch die gewellten Metalllagen 2 und die glatten Metalllagen 3 gebildeten Lagenstapel 1 hinaus. Dies dient zur Verdeutlichung des Aufbaus. In der praktischen Anwendung, werden die Rohrleitungen 5 bevorzugt maximal so lang sein, wie der Lagenstapel.

Figur 2 zeigt eine Detailansicht einer Rohrleitung 5 in einem der Strömungskanäle 4. Hier ist zu erkennen, dass die gewellten Metalllagen 2 und die glatten Metalllagen 3 miteinander stoffschlüssig durch das in den Kontaktbereichen 6 eingebrachte Lot verbunden sind. In der Figur 2 ist zu erkennen, dass um die Rohrleitung 5 noch Spalte beziehungsweise Freiräume zu den Metalllagen 2, 3 ausgebildet sind. Diese sind in einer prak ^¬ tischen Ausführung, wenn überhaupt vorhanden, regelmäßig derart klein, dass nur sehr wenig oder gar kein Abgas durch sie hindurch strömen kann.

Die Rohrleitung 5 weist einen Innendurchmesser D auf, der derart gewählt ist, dass die Rohrleitung 5 möglichst großflächig an den Metalllagen 2, 3 zu liegen kommt. Durch eine möglichst große Kontaktfläche kann auch die maximal übertragbare Wärmemenge vergrößert werden. Die Figur 3 zeigt einen Lagenstapel 7, der abweichend zum

Lagenstapel 1 der Figur 2 anders ausgestaltete Glattlagen 8 aufweist. Dies dient im Wesentlichen dazu zu verdeutlichen, dass der Lagenstapel unabhängig von der Einbringung der Rohrleitungen 5 auf vielfältige Weise ausgestaltet sein kann. Insbesondere können abweichende Metalllagen verwendet werden, die zu einer alternativen Ausgestaltung der Strömungskanäle führen. Figur 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines La ^¬ genstapels 9, wobei eine Mehrzahl von spiralförmig aufgewickelten Metalllagen 10 innerhalb eines Gehäuses 11 angeordnet sind .

In der Mitte einer spiralförmig aufgewickelten Metalllage 10 ist eine Rohrleitung 12 angeordnet, die wärmeleitend mit der Me ^¬ talllage 10 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist die Metalllage 10 rechteckförmig aufgewickelt und die Rohr- leitung 12 weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Die

Strömungskanäle für das Abgas sind zwischen den jeweils zu ^¬ einander benachbart angeordneten Schichten der aufgewickelten Metalllage 10 ausgebildet. Die Wahl von rechteckförmig aufgewickelten Metalllagen ist insbesondere für Katalysatoren mit einem rechteckigen Gehäuse vorteilhaft .

Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbei- spiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens .