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.

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 .