DE10004545A1

DE10004545A1 - Verbund aus Wabenkörper und Wärmespeicher und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE10004545A1
Application number: DE10004545A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brueck; Kait Althoefer
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2001-10-31
Also published as: JP2003521627A; WO2001057371A1; US20030017086A1; AU2001228503A1; DE10190344D2

Abstract

Verbund aus einem für ein Abgas in einer bevorzugten Strömungsrichtung (15) durchströmbaren Wabenkörper (1) mit einer Erstreckung (E) in bevorzugter Strömungsrichtung (15) und mindestens einem im Inneren des Wabenkörpers (1) angeordneten Wärmespeicher (2), wobei der mindestens eine Wärmespeicher (2) ein vorgebbares Volumen (V) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine Oberfläche (O) hat, die größer ist als die Oberfläche (O) eines einzelnen zylinderförmigen Wärmespeichers (2) gleichen Volumens (V) und einer Länge (L) gleich der Erstreckung (E) des Wabenkörpers (2). Derart ausgeführte Wabenkörper werden insbesondere in Abgasanlagen eingesetzt und bewahren die Temperaturen, welche für eine effektive katalytische Reduzierung der Schadstoffe im Abgas benötigt werden, über einen deutlich längeren Zeitraum. Dadurch wird das Kaltstartverhalten eines katalytischen Konverters verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper mit mindestens einem Wärmespeicher mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Derartige Wabenkörper werden bevorzugt in Abgassystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Automobilbau, eingesetzt.

Derzeit bestehende Abgassysteme im Automobilbau weisen bevorzugt einen katalytischen Konverter auf, welcher den Schadstoffausstoß reduzieren soll. Dabei ist der katalytische Konverter meist als Wabenkörper ausgeführt. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß er für ein Abgas durchströmbar ist und eine große katalytisch aktive Oberfläche aufweist. Durch den Kontakt des Abgases mit der Oberfläche des katalytischen Konverters werden im Abgas befindliche Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Weiterhin werden Stickoxide zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert. Diese Reaktionen laufen bevorzugt bei hohen Temperaturen ab. Erfolgen diese Reaktionen bei einer Umgebungstemperatur über 250°C eliminieren bekannte katalytische Konverter mehr als 95% der Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe im Abgas. Im Gegensatz dazu ist bei niedrigeren Temperaturen ein deutlicher Anstieg schädlicher Bestandteile im Abgas zu verzeichnen. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit viele Versuche unternommen, die Zeitspanne zwischen Aktivieren eines Verbrennungsmotors und Erreichen der bestmöglichen katalytischen Bedingungen zu verkürzen.

Eine Verkürzung der Zeit vor Beginn der Konvertierung kann auch dadurch erreicht werden, daß zumindest Komponenten eines Abgassystems derart thermisch isoliert werden, daß bei einem erneuten Start des Motors noch ausreichende Temperaturen für eine effektive Schadstoffreduktion vorliegen. Zu diesem Zweck sind Abgassysteme bekannt, die mit einer mantelartigen Isolation ausgerüstet sind. Eine Erhaltung der Reaktionstemperatur in einem katalytischen Konverter ist aber nur für einen sehr begrenzten Zeitraum möglich. Die Ursache dafür ist die großen Fläche dieser mantelartigen Isolierung, welche mit der deutlich kühleren Umwelt in wärmeleitendem Kontakt ist und somit zu einem Auskühlen führt. Nach einer Studie der U.S. Environmental Protection Agency (EPA) von 1993 wurde festgestellt, daß ein Wiederstart eines Automobils zu 98% innerhalb 24 Stunden erfolgt. Dies weist darauf hin, daß für eine deutliche Reduzierung der Umweltbelastung eine Isolierung des Abgassystems etwa über einen solchen Zeitraum erfolgen muß. Es erscheint zumindest sinnvoll, daß eine Zeitspanne von deutlich über 12 Stunden erreicht wird, damit wenigstens die Automobile erfaßt werden, welche lediglich als Beförderungsmittel zum Arbeitsplatz dienen.

In der U.S.-Patentschrift 5,477,676 ist ein Abgassystem beschrieben, welches die katalytischen Bedingungen nach dem Deaktivieren möglichst lange aufrechterhalten soll. Zu diesem Zweck ist das Abgassystem von einem Vakuum umgeben und weist Wärmespeicher auf, die ein Abkühlen des katalytischen Konverters verlangsamen sollen. Neben der thermischen Isolierung gegenüber einer radial außenliegenden Umgebung, weist eine Ausführungsform einen Wärmespeicher im Zentrum des katalytischen Konverters auf. Während des Betriebes des Abgassystems nimmt dieser Wärmespeicher thermische Energie aus seiner Umgebung auf und gibt diese nach dem Deaktivieren des Abgassystems wieder ab.

Der Wärmespeicher in dem katalytischen Konverter gemäß U.S.-Patent 5,477,676 ist als massiver Zylinder ausgeführt. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial enthält, welches sich dadurch auszeichnet, daß es in einem Bereich der Betriebstemperatur des katalytischen Konverters seinen Aggregatzustand ändert. In einem Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes nimmt dieses Material sehr viel thermische Energie auf, ohne seine eigene Temperatur deutlich über den Schmelzpunkt ansteigen zu lassen. Ist die Umgebung eines Wärmespeichers aus Phasenwechselmaterial kühler, beginnt der Wärmespeicher, die thermische Energie an die Umgebung abzugeben. Dabei ist festzustellen, daß die Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials mit sinkenden Temperaturen abnimmt. Das kann zur Folge haben, daß bei einem zylinderförmig ausgebildeten Wärmespeicher die Mantelfläche schnell abkühlt und einen Wärmetransport aus dem Inneren des Wärmespeichers an die Umgebung verhindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Kaltstartverhalten eines katalytischen Konverters dadurch zu verbessern, daß die Betriebstemperaturen für eine effektive Reduzierung der Schadstoffe im Abgas über einen deutlich längeren Zeitraum beibehalten werden. Insbesondere steht dabei die Anordnung und Ausführung von Wärmespeichern im Vordergrund, mit denen ein wirkungsvoller Austausch von thermischer Energie mit einem umgebenden Wabenkörper möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Verbund von einem Wabenkörper und mindestens einem Wärmespeicher im Inneren des Wabenkörpers mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen gemäß Anspruch 28 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß der Erfindung weist ein Wabenkörper in seinem Inneren mindestens einen Wärmespeicher auf. Der Wabenkörper ist für ein Fluid in einer bevorzugten Strömungsrichtung durchströmbar und besonders als Katalysatorträgerkörper für einen katalytischen Konverter geeignet. Der Wabenkörper ist mittels seiner Erstreckung längs der bevorzugten Strömungsrichtung des Abgases beschreibbar. Der mindestens eine Wärmespeicher hat eine Länge, eine Oberfläche und ein vorgebbares Volumen. Mit der Oberfläche ist in diesem Fall bevorzugt die Mantelfläche gemeint. Die Stirnflächen des Wärmespeichers weisen in Richtung der Erstreckung des Wabenkörpers, sind zumeist betragsmäßig gegenüber der Mantelfläche zu vernachlässigen und sind somit für eine Wärmeübertragung nicht sehr relevant. Das vorgebbare Volumen bezieht sich stets auf die gesamte Anzahl der Wärmespeicher. Ist der Wabenkörper mit mehreren Wärmespeichern ausgeführt, so werden die einzelnen Volumina zum vorgebbaren Volumen aufaddiert.

Gemäß dem erfinderischen Gedanken ist der Wärmespeicher derart ausgeführt, daß dieser eine größere Oberfläche aufweist, als ein zylinderförmiger Wärmespeicher mit betragsmäßig gleichem Volumen und einer Länge, gleich der Erstreckung des katalytischen Konverters ist. Eine größere Oberfläche im Verhältnis zum vorgebbaren Volumen unterstützt den Wärmeaustausch zwischen Wärmespeicher und Wabenkörper. Weiterhin wird dadurch der Wärmespeicher gleichmäßiger aufgeheizt und abkühlt und kann folglich mehr thermische Energie speichern und an seine Umgebung abgeben. Eine thermische Blockade aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeit durch rasch abgekühlte radial weit außenliegende Bereiche kann auf diese Weise verhindert werden.

Eine Vergrößerung des Verhältnisses Oberfläche zu Volumen kann dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche wenigstens teilweise eine Strukturierung aufweist. Derartige Strukturierungen sind beispielsweise in Form von Noppen, Wellen oder ähnlichen Erhebungen auf der Oberfläche zu erreichen. Bevorzugt ist eine Oberfläche, die mindestens dem 1,5-fachen der Oberfläche eines zylinderförmigen Wärmespeichers mit gleichem Volumen und einer Länge gleich der Erstreckung des Wabenkörpers entspricht.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wabenkörper mit mindestens zwei Wärmespeichern ausgeführt. Die Verteilung eines festgelegten Volumens auf mehrere Wärmespeicher erhöht ebenfalls das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß solche Wärmespeicher die im Inneren gespeicherte Wärmeenergie besser an den umgebenden Wabenkörper abgeben können. Das resultiert daraus, daß die Wärmespeicher über einem Querschnitt relativ gleichmäßig auskühlen und somit die Wärmeleitfähigkeit über dem Querschnitt nahezu konstant ist.

Besonders vorteilhaft ist es, mehrere Wärmespeicher derart in dem Wabenkörper anzuordnen, daß diese etwa einen gleichen Abstand zueinander haben. Beim Abkühlen des Wabenkörpers erfolgt auf diese Weise eine gleichmäßige Wärmeeinbringung über einem Querschnitt des Wabenkörpers und verhindert lokale Kaltstellen, die zu einem schlechteren Kaltstartverhalten des Abgassystems führen.

Vorzugsweise ist der Wabenkörper mit mindestens einer Aufnahme ausgeführt. Die mindestens eine Aufnahme dient der Fixierung eines Wärmespeichers in dem Wabenkörper. Besonders vorteilhaft ist es, die Aufnahme als Durchgang auszuführen. Auf diese Weise können Wärmespeicher verwendet werden, die axial über die gesamte Erstreckung des Wabenkörpers angeordnet sind und somit auch in einem Längsschnitt des Wabenkörpers für eine gleichmäßige Wärmeeinbringung sorgen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeichnet sich der Verbund dadurch aus, daß Wärmespeicher und Wabenkörper wärmeleitend verbunden sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Wärmespeicher in dem Wabenkörper gepreßt ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß eine ausreichende Kontaktfläche zwischen dem Wärmespeicher und dem Wabenkörper verwirklicht ist. Eine möglichst große Kontaktfläche unterstützt den Wärmeaustausch.

Es ist jedoch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch möglich, daß der Verbund aus Wärmespeicher und Wabenkörper mittels einer fügetechnischen Verbindung ausgeführt ist. Der Verbund aus Wärmespeicher und Wabenkörper für ein Abgassystem, wie es bevorzugt im Automobilbau eingesetzt wird, ist einer hohen dynamischen Beanspruchung ausgesetzt. Das Abgassystem weist zudem meist eine direkte Verbindung zur Brennkraftmaschine auf. Aus diesen Gründen ist es von besonderer Bedeutung, daß eine dauerhafte Verbindung zwischen Wärmespeicher und Wabenkörper ausgeführt ist.

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel zeichnet sich der Wärmespeicher durch eine höhere gemittelte Wärmeleitfähigkeit pro Flächeneinheit als eine gleiche Flächeneinheit des Wabenkörpers aus. Mit einer Flächeneinheit des Wärmespeichers ist eine Fläche bestimmten Abmaßes auf der Oberfläche beziehungsweise auf einem Radius im Inneren gemeint. Die Wärmeleitfähigkeit wird über die Summe aller Flächeneinheiten des Wärmespeichers gemittelt. Auf diese Weise werden die Auswirkungen werkstoffseitiger Inhomogenitäten oder besonders ausgeprägter Temperaturfelder auf die Wärmeleitfähigkeit eliminiert. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat zur Folge, daß die gespeicherte Wärme im . Inneren des Wärmespeichers beim Abkühlen an den Wabenkörper abgegeben werden kann.

Das Volumen des Wabenkörpers setzt sich aus einem Grundkörper und Leerräumen zusammen. Der Anteil der Leerräume kann in Bezug auf das Volumen des Wabenkörpers prozentual angegeben werden. Unter einer Volumeneinheit des Wabenkörpers ist im Folgenden eine Volumeneinheit zu verstehen, welche einen ähnlichen prozentualen Anteil von Leerräumen aufweist wie der gesamte Wabenkörper.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher mit einer höheren gemittelten Wärmekapazität pro Volumeneinheit als eine gleiche Volumeneinheit des Wabenkörpers ausgeführt. Die Wärmekapazität wird über das gesamte Volumen des Wabenkörpers bzw. des Wärmespeichers gemittelt. Die höhere Wärmekapazität des Wärmespeichers hat zur Folge, daß dieser bei einen bestimmten zeitlichen Temperaturverlauf mehr thermische Energie aufnimmt bzw. abgibt als der Wabenkörper. Da der Wabenkörper in direkter Umgebung des Wärmespeichers angeordnet ist, kann ein schnelles Auskühlen des Wabenkörpers verhindert werden.

Vorzugsweise ist der Wärmespeicher mit Phasenwechselmaterial ausgeführt. Das Phasenwechselmaterial zeichnet sich dadurch aus, daß ein Phasenwechsel in einem Temperaturbereich zwischen 250°C und 600°C, bevorzugt zwischen 350°C und 500°C erfolgt. Dieser Temperaturbereich liegt nahe einer Betriebstemperatur eines katalytischen Konverters in einem Abgassystem. Der Phasenwechsel hat einen deutlichen Anstieg der Wärmekapazität des Wärmespeichers zur Folge. Während des normalen Betriebs des katalytischen Konverters kann ein derart ausgeführter Wärmespeicher somit sehr viel thermische Energie aufnehmen. Beim Abkühlen des Wabenkörpers unter die Phasenwechseltemperatur des Wärmespeichers beginnt dieser mit der Wärmeübertragung an den Wabenkörper. Das Phasenwechselmaterial ist demnach so zu wählen, daß die Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der für eine effektive Reduzierung der Schadstoffe im Abgas für einen Wabenkörper benötigt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, den Wärmespeicher aus einem Phasenwechselmaterial auszuführen, welches sich durch einen Phasenwechsel von fest nach flüssig bzw. flüssig nach fest auszeichnet. Phasenwechselmaterialien, die in dem oben genannten Temperaturbereich einen derartigen Phasenwechsel vollführen, sind besonders als Hochtemperaturwärmespeicher geeignet. Diese Art des Phasenwechsels ermöglicht weiterhin eine sehr deutliche Anhebung der Wärmekapazität.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher mit einem fest/fest-Phasenwechselmaterial ausgeführt. Der Phasenwechsel ist bei diesen Materialien als Umstrukturierung in der Gitterstruktur zu verstehen. Der Vorteil eines derart ausgeführten Phasenwechselmaterials besteht darin, daß dieses zu jedem Betriebszeitpunkt in einem festen Aggregatzustand vorliegt und somit keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen, die sonst unter extremen Betriebsbedingungen für die Beibehaltung der äußeren Gestalt des Wärmespeichers vorhanden sein müssen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher ringförmig ausgebildet. Das bedeutet, daß der Wärmespeicher eine radial außenliegende und eine radial innenliegende Oberfläche aufweist. Auf diese Weise gibt der Wärmespeicher zu radial außenliegenden sowie radial innenliegenden Bereichen Wärmeenergie ab.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher bandförmig ausgebildet. Der bandförmige Wärmespeicher wird entsprechend den Aufnahmen in dem Wabenkörper angeordnet. Zu diesem Zweck kann es notwendig sein, daß der bandförmige Wärmespeicher verdreht, gewickelt oder gestapelt wird. Somit läßt sich für ein bestimmtes Volumen eine relativ große Oberfläche verwirklichen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher drahtförmig ausgebildet. Drahtförmig heißt in diesem Zusammenhang, daß der Wärmespeicher ohne Verdrehungen, Verwicklungen oder Stapelungen eine größere axiale Länge aufweist als die axiale Erstreckung des Wabenkörpers. Die räumliche Anordnung eines drahtförmigen Wärmespeichers in einem Wabenkörper ist beispielsweise derart möglich, daß dieser ähnlich einer Wendel in einer entsprechenden Aufnahme des Wabenkörpers angeordnet ist. Es ist ebenfalls denkbar, daß der Wabenkörper mehrere Durchgänge aufweist, durch die ein drahtförmiger Wärmespeicher hindurchgeführt ist. Eine derartige Ausführungsform des Wärmespeichers stellt eine große Oberfläche für die Wärmeleitung zur Verfügung.

Vorzugsweise ist der Wabenkörper aus Metall und weist zumindest teilweise strukturierte Blechlagen auf. Diese Blechlagen werden durch Stapeln und/oder Wickeln erzeugt. Aufgrund dieser Struktur ist der Wabenkörper für ein Abgas durchströmbar. Durch das Stapeln und/oder Wickeln weisen die Blechlagen in einem Querschnitt des Wabenkörpers senkrecht zu einer bevorzugten Durchströmungsrichtung einen bestimmten Verlauf auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher derart angeordnet, daß dieser wenigstens teilweise dem Verlauf der Blechlagen folgt. Dies ermöglicht einen Verbundes aus Wabenkörper und Wärmespeicher, bei dem die Struktur des Wabenkörpers nicht aufgrund von Bohrungen, Nuten etc. unterbrochen ist und somit besonders stabil ausgeführt ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Wabenkörper durch Stapeln und/oder Wickeln erzeugte, teilweise strukturierte Blechlagen mit Wickellöchern auf. Unter Wickellöchern sind in diesem Zusammenhang Aussparungen zu verstehen, die dadurch entstehen, daß die Blechlagen mittels eines Wickeldorns verdreht werden. Nach dem Wickeln der Blechlagen werden die Wickeldorne entfernt, und die oben erwähnten Aussparungen bleiben in dem Wabenkörper bestehen. Diese Wickellöcher zeichnen sich zumeist dadurch aus, daß sie nahe einem Bereich der Blechlagen angeordnet sind, welche den kleinsten Krümmungsradius aufweisen. Anhand der Anordnung von Wärmespeichern in diesen Wickellöchern kann auf die zusätzliche Ausgestaltung von Aufnahmen verzichtet werden. Zusätzlich werden die Bleche nicht in ihrer Stabilität durch das nachträgliche Einbringen von Aufnahmen beeinträchtigt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Wärmespeicher elektrisch heizbar ausgeführt. Das bedeutet beispielsweise, daß ein elektrischer Leiter, der von einer elektrischen Isolierung umgeben ist, an oder in dem Wärmespeicher angeordnet ist. Eine Befestigung des elektrischen Leiters kann durch eine fügetechnische Verbindung hergestellt werden. Eine Umwicklung des Wärmespeichers mit dem elektrischen Leiter ist alternativ ebenfalls möglich. Um ein Auskühlen des Wabenkörpers unter eine bestimmte Temperatur zu verhindern, erscheint es zweckmäßig, daß eine Grenztemperatur definiert wird, die oberhalb des Temperaturbereichs in der Kaltstartphase liegt und bei deren Unterschreitung der Wärmespeicher elektrisch beheizt wird. Die Definition der Grenztemperatur hat den Vorteil, daß die Energiequelle für den elektrischen Leiter nur dann belastet wird, wenn ein Heizen des Wärmespeichers erforderlich ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wabenkörper mit einer katalytisch aktiven Fläche ausgeführt. Das hat den Vorteil, daß die katalytischen Reaktionen in einem Bereich des Abgassystems vollzogen werden, der aufgrund der Anordnung der Wärmespeicher für einen besonders langen Zeitraum nach dem Deaktivieren des Abgassystems geeignete Temperaturen aufweist. Somit kann der Schadstoffausstoß bei erneuter Aktivierung des Abgassystems reduziert oder sogar vermieden werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wabenkörper von einem Mantelrohr wenigstens teilweise umschlossen. Der Wärmespeicher im Inneren des Wabenkörpers ist dabei mit dem Mantelrohr verbunden. Der Wabenkörper hat zumeist sehr filigrane Strukturen und von Abgas durchströmbare Kanäle. Im Zusammenhang mit der hohen dynamischen Belastung erscheint es zweckmäßig, daß der Wärmespeicher nicht bzw. nicht nur an den filigranen Stukturen des Wabenkörpers befestigt ist. Durch eine Verbindung des Wärmespeichers mit dem Mantelrohr kann eine dauerhafte Anordnung der Wärmespeicher im Wabenkörper verwirklicht werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher mittels mindestens einem Fixierungselement mit dem Mantelrohr verbunden. Diese Fixierungselemente sind zum einen an dem Mantelrohr befestigt und fixieren andererseits den Wärmespeicher in einer vordefinierten Lage. Das Fixierungselement kann dabei beispielsweise als grobmaschiges Gitter außerhalb einer Stirnfläche des Wabenkörpers ausgeführt sein und mehrere Verbindungsstellen mit dem Wärmespeicher aufweisen. Es ist ebenfalls möglich, daß jeder Wärmespeicher mit einem einzelnen Fixierungselement mit dem Mantelrohr verbunden ist. Neben der Befestigung des Wärmespeichers durch Fixierungselemente, die stirnseitig mit dem Wärmespeicher verbunden sind, besteht ebenfalls die Möglichkeit, daß die Fixierungselemente durch innere Bereiche des Wabenkörpers hindurch mit dem Wabenkörper verbunden sind.

Vorzugsweise ist das mindestens eine Fixierungselement wenigstens teilweise aus einem thermisch isolierenden Material. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß die im Wärmespeicher gesammelte thermische Energie über die Fixierungselemente in Bereiche transportiert wird, die außerhalb des Wabenkörpers liegen. Zu diesem Zweck können die Fixierungselemente zum Beispiel zumindest teilweise aus Keramik bestehen.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wärmespeicher unmittelbar mit dem Mantelrohr verbunden. In diesem Fall weist der Wärmespeicher einen Verbindungsbereich auf seiner Oberfläche auf, der weniger als ein Viertel seiner Oberfläche entspricht. Das hat zur Folge, daß der überwiegende Anteil der Oberfläche des Wärmespeichers im Inneren des Wabenkörpers angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführung in Verbindung mit einem oder mehreren bandförmigen Wärmespeichern, die dem Verlauf der Blechlagen folgen. Es bietet sich somit die Möglichkeit, daß der Wärmespeicher gemeinsam mit den Blechlagen verformt und anschließend ähnlich den Blechlagen an einem schmalen Verbindungsbereich mit dem Mantelrohr verbunden wird. Somit kann auf zusätzliche Fixierungselemente verzichtet werden und dennoch die gewünschte Stabilität erreicht werden. Aufgrund einer besonders hohen Anforderung an die Stabilität des Verbundes sind zusätzliche Fixierungelementen dennoch vorstellbar.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zeichnet sich der Verbund dadurch aus, daß der Wabenkörper durch die Anordnung oder Ausgestaltung des mindestens einen Wärmespeichers in verschiedene Segmente geteilt ist. Aufgrund der filigranen Strukturen des Wabenkörpers ist es sinnvoll, den mindestens einen Wärmespeicher als tragendes Element dieses Verbundes auszuführen. Dieser hat zumeist eine größere Masse als der Wabenkörper, was zur Folge hat, daß bei einer dynamischen Belastung relativ große Kräfte auf die Verbindung zwischen Wabenkörper und Wärmespeicher wirken. Demnach ist es vorteilhaft, daß eine Fixierung dieses Verbundes, beispielsweise in einem Abgassystem, über radial außenliegende Bereiche des Wärmespeichers erfolgt. Es besteht dadurch die Möglichkeit, den Wabenkörper nur über einen Verbund mit dem Wärmespeicher im Abgassystem zu plazieren.

Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen zentral angeordneten ringförmigen Wärmespeicher mit speichenartig angeordneten, radial nach außen gerichteten bandförmigen Wärmespeichern auf. Der ringförmige Wärmespeicher kann dabei beispielsweise auch als Aufnahme für die Wabenstruktur verwendet werden. Die speichenartig angeordneten Wärmespeicher teilen den Wabenkörper in möglichst etwa gleich große Segmente. Auf diese Weise ist eine sehr gute Wärmeeinbringung in den Wabenkörper möglich. Zusätzlich können die radial außenliegenden Bereiche der bandförmigen Wärmespeicher mit beispielsweise einem Mantelrohr verbunden werden. Die Wärmespeicher können miteinander verbunden werden, wodurch die Stabilität des Verbundes erhöht wird. Besonders vorteilhaft ist es, diese Gestalt des Wärmespeichers aus einem Stück, daß heißt ohne nachträgliche Fügeprozesse, herzustellen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese zuletzt beschriebene Ausgestaltung des Wärmespeichers durch ein Mantelrohr ergänzt wird, wobei dieses ebenfalls als Wärmespeicher ausgeführt ist. Die einzelnen Segmente sind somit von Wärmespeichern umgeben und die benötigten Temperaturen für eine katalytische Reaktion können lange aufrecht erhalten werden. Zudem bietet diese Struktur nach Art eines Wagenrades eine besondere Stabilität. Insbesondere die Herstellung eines solchen Wärmespeichers durch fügetechnische Verbindungen oder möglichst aus einem Stück bietet in Bezug auf die Stabilität des Verbundes aus Wabenkörper und Wärmespeicher Vorteile.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines katalytisch wirksamen Wabenkörpers mit mindestens einem Wärmespeicher vorgeschlagen. Der katalytisch wirksame Wabenkörper wird im Betrieb durch ein zu reinigendes Abgas mit einer bevorzugten Strömungsrichtung durchströmt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß das Abgas einmal in der bevorzugten Strömungsrichtung an einem im Inneren des Wabenkörpers angeordneten Wärmespeicher entlanggeführt wird. Anschließend erfolgt eine Abgasrückführung, wobei das Abgas erneut an dem Wärmespeicher entlanggeführt wird. Aufgrund der katalytischen Reaktionen an der katalytisch wirksamen Fläche des Wabenkörpers kann die Temperatur des Abgases nach dem erstmaligen Austreten aus dem Wabenkörper deutlich höher sein als beim Eintritt in den Wabenkörper. Das erneute Entlangströmen des heißeren Abgases an dem Wärmespeicher stellt diesem eine größere thermische Energie zur Verfügung, die der Wärmespeicher beim Abkühlen des Wabenkörpers wieder freigeben kann.

Vorzugsweise ist der Wärmespeicher im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung ringförmig mit einem Kanal ausgeführt. Während des Betriebes des Abgassystems strömt das Abgas mit der bevorzugten Strömungsrichtung radial außen an dem Wärmespeicher entlang. Nach Austritt aus dem Wabenkörper wird das Abgas umgeleitet und in entgegengesetzte Richtung erneut durch den Kanal geführt. Ein Kanal im Inneren des Wärmespeichers hat den Vorteil, daß das rückgeführte Abgas auf einem begrenzten Bereich der Stirnseite des Wabenkörpers austritt und mit geeigneten Vorrichtungen einfach weitergeleitet wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert, wobei

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Wabenkörpers mit Wärmespeichern,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Verbundes aus Wabenkörper und Wärmespeicher,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines Wabenkörpers,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Wabenkörpers mit Wärmespeicher und Heizung,

Fig. 5 eine weitere Anordnung von einem Wärmespeicher in einem Wabenkörper,

Fig. 6 eine stirnseitige Ansicht eines Wabenkörpers mit Wärmespeicher,

Fig. 7 schematisch den Strömungsverlauf eines Abgases durch eine Ausführungsform des Wabenkörpers und

Fig. 8 eine noch weitere Ausführungsform von Wabenkörper mit Wärmespeichern zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch und in einer perspektivischen Darstellung einen Wabenkörper 1, in dessen Inneren mehrere Wärmespeicher 2 angeordnet sind. Die Wärmespeicher 2 durchdringen den Wabenkörper 1 über dessen gesamte axiale Erstreckung. Die Wärmespeicher 2 sind auf einen Querschnitt 3 des Wabenkörpers 1 gleichmäßig verteilt. Benachbarte Wärmespeicher 2 haben einen vorgebbaren Abstand a voneinander, um eine gleichmäßige Wärmeeinbringung in den Wabenkörper zu gewährleisten.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Wabenkörpers 1 mit einem Wärmespeicher 2, dessen Länge L gleich der axialen Erstreckung E des Wabenkörpers 1 ist. Der Wärmespeicher 2 ist im Zentrum des Wabenkörpers 1 angeordnet und ringförmig ausgebildet. Aufgrund der ringförmigen Ausführungsform wird die Oberfläche O gegenüber einem einzelnen zylinderförmigen Wärmespeicher 2 vergrößert, wobei das Volumen V konstant ist. Zusätzlich sind in Fig. 2 jeweils ein Volumenelement VE und ein Flächenelement FE von Wabenkörper 1 und Wärmespeicher 2 dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Wabenkörpers 1, wobei die unterschiedlichen Aufnahmemöglichkeiten des Wabenkörpers 1 gezeigt sind. Die Aufnahme 4 für einen Wärmespeicher 2 ist als eine Art Bohrung ausgeführt. Das bedeutet, daß die Aufnahme 4 nicht über die komplette axiale Erstreckung E des Wabenkörpers 1 aufgeführt ist. Derartig ausgebildete Aufnahmen 4 können beliebig zur Strömungsrichtung angeordnet sein.

Weiterhin zeigt Fig. 3 einen Durchgang 5 als Aufnahmemöglichkeit für einen Wärmespeicher 2. Ein Durchgang 5 hat den Vorteil, daß im Gegensatz zur Aufnahme 4 keine Bereiche des Wabenkörpers 1 vorhanden sind, welche nicht von einem Abgas durchströmbar sind.

In Fig. 4 ist perspektivisch ein Wabenkörper 1 mit einem drahtförmigen Wärmespeicher 2 dargestellt. Der drahtförmige Wärmespeicher 2 hat eine Länge L, die deutlich größer ist als die axiale Erstreckung E des Wabenkörpers 1. Der so ausgeführte Wärmespeicher 2 ist mehrfach gebogen und im Inneren des Wabenkörpers 1 angeordnet. Der Wärmespeicher 2 ist mit einer elektrischen Heizung 6 versehen.

Eine noch weitere Ausführungsform eines drahtförmigen Wärmespeichers 2 mit elektrischer Heizung 6 ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Der drahtförmige Wärmespeicher 2 ist wendelförmig in einem Durchgang 5 eines nicht dargestellten Wabenkörpers 1 angeordnet.

Fig. 6 zeigt eine stirnseitige Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wabenkörpers 1 mit Wärmespeichern 2. Der Wabenkörper 1 hat durch Wickeln und/oder Stapeln erzeugte, wenigstens teilweise strukturierte Blechlagen 14, die für ein Abgas durchströmbar sind. Aufgrund des Wickelns der Blechlagen 14 beim Herstellungsprozeß des Wabenkörpers 1, weist dieser Wickellöcher 8 auf. Die Blechlagen 14 des Wabenkörpers 1 weisen eine katalytisch aktive Fläche 9 auf. Die Blechlagen 14 sind von einem Mantelrohr 10 umschlossen.

Die bandförmigen Wärmespeicher 2 folgen einem Verlauf 7 der Blechlagen 14. Sie sind gleichmäßig in dem Wabenkörper 1 verteilt und mit einem frei wählbaren Abstand a voneinander beabstandet.

Eine Befestigung der dargestellten Wärmespeicher 2 erfolgt einerseits an dem Mantelrohr 10 an einem Verbindungsbereich 11. Für eine weitere Erhöhung der Stabilität des Verbundes aus Wabenkörper 1 und Wärmespeicher 2 weist die dargestellte Ausführungsform Fixierungselemente 12 auf. Die Fixierungselemente 12 sind stabförmig ausgeführt und an dem Mantelrohr 10 befestigt. An den Stellen, an denen sich die Fixierungselemente 12 und die Wärmespeicher 2 kreuzen ist eine Verbindung zwischen Fixierungselement 12 und Wärmespeicher 2 ausgeführt. Auf diese Weise wird die Stabilität des Verbundes aus Wärmespeicher 2 und Wabenkörper 1 erhöht.

Fig. 7 zeigt schematisch den Strömungsverlauf des Abgases entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Verbundes aus Wabenkörper 1 und Wärmespeicher 2. Der Wärmespeicher 2 ist ringförmig mit einem Kanal 13 ausgeführt und im Inneren des Wabenkörpers 1 angeordnet. Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird das Abgas zuerst in einer bevorzugten Strömungsrichtung 15 außerhalb des ringförmigen Wärmespeichers 2 durch den Wabenkörper 1 geführt. Anschließend erfolgt durch nicht dargestellte Mittel eine Srömungsumkehrung. Anschließend wird das Abgas in entgegengesetzter Strömungsrichtung 16 durch innenliegende Bereiche des Wärmespeichers 2 geführt und derat mit diesem in Wärmekontakt gebracht. Auf diese Weise wird dem Wärmespeicher 2 besonders viel thermische Energie zur Verfügung gestellt.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform eines Wärmespeichers 2 im Inneren eines Wabenkörpers 1. Eine besonders gute Wärmeeinbringung in den Wabenkörper 1 wird bei dieser Ausführungsform dadurch erreicht, daß der Wärmespeicher 2 nach Art eines Wagenrades ausgeführt ist. Der Wärmespeicher 2 unterteilt dabei den Wabenkörper 1 in etwa gleich große Segmente 17. Zusätzlich ist eine derartiger Verbund aus Wärmespeicher 2 und Wabenkörper 1 besonders stabil, auch bei hoher dynamischer Beanspruchung.

Bezugszeichenliste

1

Wabenkörper

2

Wärmespeicher

3

Querschnitt

4

Aufnahme

5

Durchgang

6

elektrische Heizung

7

Verlauf

8

Wickelloch

9

Fläche

10

Mantelrohr

11

Verbindungsbereich

12

Fixierungselement

13

Kanal

14

Blechlagen

15

bevorzugte Strömungsrichtung

16

entgegengesetzte Strömungsrichtung

17

Segment
E Erstreckung
L Länge
O Oberfläche
V Volumen
a Abstand
FE Flächeneinheit
VE Volumeneinheit

Claims

1. Verbund aus einem für ein Abgas in einer bevorzugten Strömungsrichtung (15) durchströmbaren Wabenkörper (1) mit einer Erstreckung (E) in bevorzugter Strömungsrichtung (15) und mindestens einem im Inneren des Wabenkörpers (1) angeordneten Wärmespeicher (2), wobei der mindestens eine Wärmespeicher (2) ein vorgebbares Volumen (V) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine Oberfläche (O) hat, die größer ist als die Oberfläche (O) eines einzelnen zylinderförmigen Wärmespeichers (2) gleichen Volumens (V) und einer Länge (L) gleich der Erstreckung (E) des Wabenkörpers (2).

2. Verbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine Oberfläche (O) hat, die mindestens dem 1,5fachen der Oberfläche (O) eines einzelnen zylinderförmigen Wärmespeichers (2) gleichen Volumens (V) und einer Länge (L) gleich der Erstreckung (E) des Wabenkörpers (2) entspricht.

3. Verbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (1) mindestens zwei Wärmespeicher (2) hat.

4. Verbund nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicher (2) derart in dem Wabenkörper (1) angeordnet sind, daß diese etwa einen gleichen Abstand (a) zueinander haben und somit über einem Querschnitt (3) des Wabenkörpers (1) eine relativ gleichmäßige Wärmeeinbringung erfolgt.

5. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (1) mindestens eine Aufnahme (4) hat, in welcher der mindestens eine Wärmespeicher (2) angeordnet ist.

6. Verbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Aufnahme (4) als Durchgang (5) ausgeführt ist.

7. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) und der Wabenkörper (1) wärmeleitend verbunden sind.

8. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) und der Wabenkörper (1) fügetechnisch verbunden sind.

9. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine höhere gemittelte Wärmeleitfähigkeit pro Flächeneinheit (FE) hat als eine gleiche Flächeneinheit (FE) des Wabenkörpers (1).

10. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine höhere gemittelte Wärmekapazität pro Volumeneinheit (VE) als eine gleiche Volumeneinheit (VE) des Wabenkörpers (1) aufweist.

11. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mit Phasenwechselmaterial ausgeführt ist, bei dem ein Phasenwechsel in einem Temperaturbereich zwischen 250°C und 600°C, bevorzugt zwischen 350°C und 500°C, erfolgt.

12. Verbund nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mit einem "fest-flüssig"-Phasenwechselmaterial ausgeführt ist.

13. Verbund nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens Wärmespeicher (2) mit einem "fest-fest"-Phasenwechselmaterial ausgeführt ist.

14. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) ringförmig ausgebildet ist.

15. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) bandförmig ausgebildet ist.

16. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) drahtförmig ausgebildet ist, wobei die Länge (L) des mindestens einen Wärmespeichers (2) größer ist als die Erstreckung (E) des Wabenkörpers (1).

17. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit einem Wabenkörper (1) aus Metall, der durch Stapeln und/oder Wickeln erzeugten, teilweise strukturierten Blechlagen (14) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) derart angeordnet ist, daß dieser wenigstens teilweise einem Verlauf (7) der Blechlagen (14) folgt.

18. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit einem Wabenkörper (1) aus Metall, der durch Stapeln und/oder Wickeln erzeugte, teilweise strukturierte Blechlagen (14) aufweist und mindestens ein Wickelloch (8) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) in mindestens einen Wickelloch (8) angeordnet ist.

19. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) elektrisch heizbar (6) ausgeführt ist.

20. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (1) wenigstens teilweise eine katalytisch aktive Fläche (9) hat.

21. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Wabenkörper (1) von einem Mantelrohr (10) wenigstens teilweise umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mit dem Mantelrohr (10) verbunden ist.

22. Verbund nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mittels mindestens einem Fixierungselement (12) mit dem Mantelrohr (10) verbunden ist.

23. Verbund nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Fixierungselement (12) wenigstens teilweise aus einem thermisch isolierenden Material besteht.

24. Verbund nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) einen Verbindungsbereich (11) hat, der weniger als einem Viertel seiner Oberfläche (O) entspricht, und mit dem der Wärmespeicher (2) mit dem Mantelrohr (10) unmittelbar verbunden ist.

25. Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) den Wabenkörper (1) in zwei oder mehr Segmente (17) unterteilt.

26. Verbund nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mit speichenartigen, von innen nach außen verlaufenden, vorzugsweise bandförmigen Wärmespeichern ausgeführt ist.

27. Verbund nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (2) mit einem Mantelrohr (10) verbunden ist, wobei das Mantelrohr (10) aus dem Material des Wärmespeichers (2) ist.

28. Verfahren zum Betrieb eines für ein Abgas in einer bevorzugten Strömungsrichtung (15) durchströmbaren Wabenkörpers (1) mit einer Erstreckung (E) in bevorzugter Strömungsrichtung (15) und mit mindestens einem in seinem Inneren angeordneten Wärmespeicher (2), wobei der mindestens eine Wärmespeicher (2) ein vorgebbares Volumen (V) hat und der mindestens eine Wärmespeicher (2) eine Oberfläche (O) hat, die größer ist als die Oberfläche (O) eines einzelnen zylinderförmigen Wärmespeichers (2) gleichen Volumens (V) und einer Länge (L) gleich der Erstreckung (E) des Wabenkörpers (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas einmal in der bevorzugten Strömungsrichtung (15) an dem Wärmespeicher (2) entlang geführt, dann umgeleitet und schließlich in entgegengesetzter Strömungsrichtung (16) an dem Wärmespeicher (2) in wärmeleitenden Kontakt gebracht wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (2) ringförmig mit mindestens einem Kanal (13) ausgebildet ist und das Abgas mit der bevorzugten Strömungsrichtung (15) radial außen an dem Wärmespeicher (2) entlang geleitet wird und in entgegengesetzter Strömungsrichtung (16) durch den Kanal (13) geleitet wird.