DE102020212024A1

DE102020212024A1 - Ringkatalysator mit katalytisch aktiver Beschichtung

Info

Publication number: DE102020212024A1
Application number: DE102020212024.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Härig; Holger Stock
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ringkatalysator (1), mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke (2), mit einem Umlenkbereich (8) und mit einer zweiten ringförmigen Strömungsstrecke (10), wobei die rohrförmige Strömungsstrecke (2) durch ein Innenrohr (3) gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke (10) zwischen einem im Wesentlichen parallel zum Innenrohr (3) verlaufenden Außenrohr (11) und dem Innenrohr (3) gebildet ist und der Umlenkbereich (8) zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohrförmigen Strömungsstrecke (2) in die ringförmige Strömungsstrecke (10) ausgebildet ist, wobei die Innenwandung (6) des Innenrohrs (3) zumindest abschnittsweise mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Ringkatalysator, mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke, mit einem Umlenkbereich und mit einer zweiten ringförmigen Strömungsstrecke, wobei die rohrförmige Strömungsstrecke durch ein Innenrohr gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke zwischen einem im Wesentlichen parallel zum Innenrohr verlaufenden Außenrohr und dem Innenrohr gebildet ist und der Umlenkbereich zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohrförmigen Strömungsstrecke in die ringförmige Strömungsstrecke ausgebildet ist.
Stand der Technik
Zur Abgasnachbehandlung von Abgasen von Verbrennungsmotoren werden unter anderem Katalysatoren eingesetzt, die eine Umwandlung von Abgasbestandteilen in weniger schädliche Stoffe ermöglichen. Hierzu sind Katalysatoren in unterschiedlicher Bauweise und unterschiedlicher Dimensionierung bekannt.
Unter anderem ist der sogenannte Ringkatalysator bekannt, welcher eine zentrale rohrförmige Strömungsstrecke aufweist, auf welche eine Strömungsumlenkung folgt und anschließend eine ringförmige Strömungsstrecke, wobei die rohrförmige Strömungsstrecke von der ringförmigen Strömungsstrecke umschlossen ist. Es kann somit auch bei einer nur geringen möglichen Baulänge des Katalysators eine verhältnismäßig lange Strömungsstrecke für das Abgas realisiert werden. Dies begünstigt beispielsweise die Vermischung des Abgases, beziehungsweise verlängert die zur Umwandlung einer in den Abgasstrom eingespritzten Harnstofflösung zur Verfügung stehende Zeit.
Insbesondere in Konfigurationen mit einem Turbolader im Abgasstrang ist die Strömungsverteilung des Abgases unmittelbar hinter dem Turbolader nicht optimal.
Durch eine inhomogene Strömungsverteilung wird die Umsetzung der Abgasbestandteile an den katalytisch aktiven Flächen negativ beeinträchtigt.
Beim Durchströmen der zentralen rohrförmigen Strömungsstrecke kann eine Homogenisierung der Abgasströmung erreicht werden. In der ringförmigen Strömungsstrecke kann sodann die Abgasnachbehandlung durchgeführt werden, indem entsprechende katalytisch aktive Matrizen in diese Strömungsstrecke eingesetzt werden.
Nachteilig an Abgasnachbehandlungsvorrichtungen dieser Art ist insbesondere, dass im Bereich der Rohrförmigen Strömungsstrecke, in welchem das durchströmende Abgas aufgrund der Nähe zum Verbrennungsmotor eine sehr hohe Temperatur aufweist, keine aktive Nachbehandlung des Abgases stattfindet. Insbesondere finden dort keine chemischen Reaktionen zwischen dem Abgas und katalytisch aktiven Materialien oder Beschichtungen statt.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ringkatalysator zu schaffen, welcher eine verbesserte Abgasnachbehandlung ermöglicht und gleichzeitig eine möglichst homogene und laminare Abgasströmung erzeugt.
Die Aufgabe hinsichtlich des Ringkatalysators wird durch einen Ringkatalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Ringkatalysator, mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke, mit einem Umlenkbereich und mit einer zweiten ringförmigen Strömungsstrecke, wobei die rohrförmige Strömungsstrecke durch ein Innenrohr gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke zwischen einem im Wesentlichen parallel zum Innenrohr verlaufenden Außenrohr und dem Innenrohr gebildet ist und der Umlenkbereich zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohrförmigen Strömungsstrecke in die ringförmige Strömungsstrecke ausgebildet ist, wobei die Innenwandung des Innenrohrs zumindest abschnittsweise mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist.
Die zumindest abschnittsweise Beschichtung der Innenwandung des Innenrohrs ist vorteilhaft, um auch im Bereich der rohrförmigen Strömungsstrecke bereits eine katalytische Umsetzung des Abgases, beziehungsweise einzelner Komponenten aus dem Abgas, zu erreichen. Die Temperatur des Abgases ist in der rohrförmigen Strömungsstrecke aufgrund der größeren Nähe zum Verbrennungsmotor deutlich höher, wodurch die zur wirksamen katalytischen Umsetzung notwendige Temperatur, die sogenannten Light-Off Temperatur, schneller erreicht werden kann. Dies begünstigt insbesondere die Abgasnachbehandlung nach einem Kaltstart oder nach einer längeren Betriebspause des Verbrennungsmotors, beispielsweise beim Einsatz in einem Hybridfahrzeug.
Im einfachsten Fall ist die Innenwandung der rohrförmigen Strömungsstrecke, also des Innenrohrs, direkt mit einer katalytisch aktiven Schicht beaufschlagt, so dass die katalytische Umsetzung direkt an dieser Beschichtung stattfindet. Zusätzliche Elemente, wie beispielsweise Wabenkörper oder andere Strömungsleitelemente sind im Bereich der katalytisch aktiven Schicht in der einfachsten Ausführung der Erfindung nicht vorgesehen.
Insbesondere bei einer Anwendung in Verbindung mit einem turboaufgeladenen Verbrennungsmotor ist eine deutlich verbesserte Umsetzung des Abgases zu erwarten. Dies liegt darin begründet, dass aufgrund des Turboladers insbesondere in den wandnahen Bereichen im Innenrohr eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit vorherrscht. Durch eine Anordnung der katalytisch aktiven Oberflächen in diesen Bereich der besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann eine besonders hohe Reaktionsrate erreicht werden. Eine hohe Reaktionsrate ist durch die Menge des mit der katalytisch aktiven Beschichtung reagierenden Abgases an der Gesamtabgasmenge definiert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Innenwandung des Innenrohrs zumindest abschnittsweise oberflächenvergrößernde Elemente aufweist. Dies ist vorteilhaft, um eine möglichst große Oberfläche in den Bereichen des Innenrohrs zu erzeugen, in denen eine besonders günstige Umsetzung des Abgases an den katalytisch aktiven Oberflächen zu erwarten ist. Wie bereits beschrieben, ist dies bevorzugt im wandnahen Bereich des Innenrohrs der Fall. Oberflächenvergrößernde Elemente können beispielsweise Rippen, Finnen oder andere Strukturen sein, die sich von dem gewöhnlich glatten Verlauf der Innenwandung in den Querschnitt des Innenrohres hinein erstrecken.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die oberflächenvergrößernden Elemente durch Glattlagen und/oder Welllagen gebildet sind. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung von Oberflächenvergrößernden Elementen sind Glattlagen und/oder Welllagen, wie sie beispielsweise zur Erzeugung von Wabenkörpern für Katalysatoren verwendet werden. Durch die Schichtung von gewellten und glatten Lagen aufeinander kann eine Vielzahl von durchströmbaren Strömungskanälen geschaffen werden.
In einer besonderen Ausgestaltung kann aus den Glattlagen und Welllagen, welche bevorzugt durch katalytisch aktiv beschichtete Metallfolien gebildet sind, ein ringförmiger Wabenkörper erzeugt werden, der mit der Innenwandung des Innenrohrs in Kontakt gebracht wird und dort fixiert wird. Der ringförmige Wabenkörper weist dabei insbesondere eine begrenzte radiale Erstreckung aus, so dass im Zentrum des Innenrohres eine nicht von dem Wabenkörper besetzte freie Strömungsstrecke verbleibt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Glattlagen und/oder die Welllagen gelocht ausgeführt sind.
Die Lochung der Glattlagen und/oder Welllagen ist vorteilhaft, um sicherzustellen, dass die Abgasströmung, welche als im Wesentlichen turbulente Strömung in das Innenrohr einströmt, bei der Durchströmung laminarisiert wird. Eine laminare Strömung des Abgases ist insbesondere in der ringförmigen Strömungsstecke, in welcher die weiteren Elemente zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, vorteilhaft, um dort eine möglichst vollständige Umsetzung des Abgases an den Katalysatoren zu erreichen. Hierzu ist es notwendig, dass die angeordneten Katalysatoren möglichst gleichmäßig über ihren Querschnitt hinweg durchströmt werden, was durch eine laminare Strömung begünstigt wird.
Durch die Lochung der Lagen kann die Abgasströmung zwischen den ausgebildeten Strömungskanälen hin und her strömen. Auch ein Übertritt des Abgases in den zentralen Bereich des Innenrohrs ist möglich. Insgesamt wird so die Ausbildung einer über den gesamten Querschnitt des Innenrohres laminaren Strömung begünstigt.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die oberflächenvergrößernden Elemente eine katalytisch aktive Randschicht aufweisen. Dies ist vorteilhaft, um neben einer vergrößerten Oberfläche allgemein insbesondere eine vergrößerte katalytisch aktive Oberfläche zu erzeugen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die oberflächenvergrößernden Elemente auf maximal 25%, besonders bevorzugt von weniger als 10%, der Stirnfläche der Innenwandung des Innenrohrs angeordnet sind.
Dies ist vorteilhaft, um entlang des Innenrohres noch eine ausreichend lange Strömungsstrecke vorzuhalten, in welcher die Laminarisierung der Strömung vor dem Einströmen in den Umlenkbereich stattfinden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die katalytisch aktive Schicht auf der Innenwandung des Innenrohrs in Strömungsrichtung im ersten Viertel der axialen Erstreckung des Innenrohrs angeordnet ist.
Dies ist zu bevorzugen, da in diesem ersten Viertel die Strömungsgeschwindigkeit an der Innenwandung besonders hoch ist aufgrund der turbulenten Strömung. Die Reaktionsrate ist dort deshalb besonders hoch. Weiterhin begünstigt dies die weitere Laminarisierung der Strömung, da nach dem Überströmen der katalytisch aktiven Oberflächen zumindest noch 75% der Länge der Strömungsstrecke im Innenrohr durchströmt werden können. Darüber hinaus ist die Abgastemperatur im ersten Viertel der axialen Erstreckung des Innenrohrs besonders hoch, was eine schnelle Umsetzung des Abgases begünstigt.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Abschnitt des Innenrohrs, welcher eine katalytisch aktive Schicht aufweist, entlang der axialen Erstreckung des Ringkatalysators in der gleichen Zone angeordnet ist, in welcher in der ringförmigen Strömungsstrecke die katalytisch aktiven Elemente angeordnet sind.
Dies ist vorteilhaft, um die Exothermie, also die bei der Reaktion entstehende Wärme, in der ringförmigen Strömungsstrecke zu nutzen. Die bei der chemischen Umsetzung des Abgases an der katalytisch aktiven Schicht entstehende Wärme kann durch Wärmeleitung von der rohrförmigen Strömungsstrecke in die ringförmige Strömungsstrecke geleitet werden, wodurch eine zusätzliche Aufheizung der katalytisch aktiven Elemente in der ringförmigen Strömungsstrecke, beispielsweise einem ringförmigen Wabenkörper, erreicht werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines Ringkatalysators, wobei in der rohrförmigen Strömungsstrecke eine katalytisch aktive Beschichtung an der Innenwandung vorgesehen ist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt einen Ringkatalysator 1, welcher eine rohrförmige Strömungsstrecke 2 aufweist, welche durch ein Innenrohr 3 gebildet ist. Die rohrförmige Strömungsstrecke 2 wird entlang des Pfeils 4 durchströmt. Das Abgas strömt beispielsweise aus einem in Strömungsrichtung vorgelagerten Turbolade in die rohrförmige Strömungsstrecke 2 ein und umströmt dabei die mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneten Welllagen und Glattlagen, welche an der Innenwandung 6 angeordnet sind.
Die Abgasströmung wird bei der Durchströmung der rohrförmigen Strömungsstrecke 2 laminarisiert und strömt schließlich entlang der Pfeile 7 durch den Umlenkbereich 8 und schließlich entlang der Pfeile 9 in die ringförmige Strömungsstrecke 10, welche zwischen dem Innenrohr 3 und dem Außenrohr 11 ausgebildet ist.
In der ringförmigen Strömungsstrecke 10 ist ein ringförmiger Wabenkörper 12 angeordnet, welcher zur weiteren Umsetzung des Abgases dient. Es ist insbesondere zu erkennen, dass sowohl die Welllage und Glattlagen 5 als auch der Wabenkörper 12 in derselben Zone entlang der axialen Erstreckung des Ringkatalysators 1 angeordnet sind. Daher sind sie in der radialen Richtung bezogen auf das Innenrohr 3 direkt zueinander benachbart, wodurch der Wärmeübergang von den Welllagen und Glattlagen 5 zum Wabenkörper 12 durch die Wandung des Innenrohrs 3 begünstigt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung kann anstelle der Glattlagen und Welllagen 5 auch eine einfache Beschichtung der Innenwandung vorgesehen sein. Alternativ können andere Elemente zur Oberflächenvergrößerung vorgesehen sein. In der ringförmigen Strömungsstrecke 10 können auch zusätzliche Elemente zur Abgasnachbehandlung vorgesehen sein. Der dem Ringkatalysator 1 vorgelagerte Verbrennungsmotor und der Turbolader sind in der Abbildung nicht dargestellt, ebenso sind die dem Ringkatalysator 1 nachgelagerten Strömungsstrecken nicht gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel der 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims

Ringkatalysator (1), mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke (2), mit einem Umlenkbereich (8) und mit einer zweiten ringförmigen Strömungsstrecke (10), wobei die rohrförmige Strömungsstrecke (2) durch ein Innenrohr (3) gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke (10) zwischen einem im Wesentlichen parallel zum Innenrohr (3) verlaufenden Außenrohr (11) und dem Innenrohr (3) gebildet ist und der Umlenkbereich (8) zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohrförmigen Strömungsstrecke (2) in die ringförmige Strömungsstrecke (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (6) des Innenrohrs (3) zumindest abschnittsweise mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist.
Ringkatalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (6) des Innenrohrs (3) zumindest abschnittsweise oberflächenvergrößernde Elemente (5) aufweist.
Ringkatalysator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente durch Glattlagen und/oder Welllagen (5) gebildet sind.
Ringkatalysator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glattlagen und/oder die Welllagen (5) gelocht ausgeführt sind.
Ringkatalysator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (5) eine katalytisch aktive Randschicht aufweisen.
Ringkatalysator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (5) auf maximal 25%, besonders bevorzugt von weniger als 10%, der Stirnfläche der Innenwandung (6) des Innenrohrs (3) angeordnet sind.
Ringkatalysator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Schicht auf der Innenwandung (6) des Innenrohrs (3) in Strömungsrichtung im ersten Viertel der axialen Erstreckung des Innenrohrs (3) angeordnet ist.
Ringkatalysator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Innenrohrs (3), welcher eine katalytisch aktive Schicht aufweist, entlang der axialen Erstreckung des Ringkatalysators (1) in der gleichen Zone angeordnet ist, in welcher in der ringförmigen Strömungsstrecke (10) die katalytisch aktiven Elemente (12) angeordnet sind.