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Die
Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere
für eine
Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs.
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Zur
Behandlung, insbesondere zur Reinigung, von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen,
z. B. Dieselmotoren eines Personenkraftwagens, ist es bekannt, in
einer Abgasleitung poröse, gasdurchlässige Substrate
in einem geschlossenen, metallischen Gehäuse anzuordnen, so dass das Substrat
vom Abgas durchströmt
wird.
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Derartige
Abgasbehandlungsvorrichtungen, bei denen es sich beispielsweise
um Dieselpartikelfilter oder um Katalysatoren, zum Beispiel zur
NOx-Reduzierung, handeln kann, sind so in
die Abgasleitung eingesetzt, dass das gesamte Abgas die Abgasbehandlungsvorrichtung
durchströmen
muss. Dabei wird das Abgas gezwungen, das poröse Substrat zu passieren, welches
eine Filterwirkung hat und/oder mittels einer chemisch aktiven Beschichtung
eine katalytisch aktivierte chemische Reaktion bewirkt. Eine Abgasbehandlung
erfolgt dabei z. B. durch chemische Umsetzung, durch mechanische
Abscheidung von mit dem Abgas mitgeführten Partikeln, z. B. Rußpartikeln,
in den Poren des Substrats, oder einer Kombination verschiedener
Verfahren.
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Es
ist bekannt, das Substrat in die Form eines Hohlkörpers mit
einer oder mehreren Wandungen zu bringen, wobei der Hohlkörper so
im Gehäuse angeordnet
ist, dass das Abgas auf jeden Fall mindestens eine Wand des Hohlkörpers durchströmen muss,
um vom Eingang des Gehäuses
zu dessen Ausgang zu gelangen.
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Der
Abgasstrom, der das Gehäuse
durchströmt,
hat eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Wärmeenergie
des Abgasstroms zu nutzen.
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Hierzu
sieht eine Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine,
mit einem Gehäuse,
das einen Eingang und einen Ausgang aufweist, und wenigstens einem
im Gehäuse
aufgenommenen, von einem Abgas durchströmten porösen Substrat, das im Strömungsweg vom
Eingang zum Ausgang angeordnet ist, wenigstens einen am Gehäuse angeordneten
thermoelektrischer Generator vor. Thermoelektrische Generatoren sind
Vorrichtungen, die Wärmeenergie
in elektrische Energie umsetzen. Sie beinhalten nach dem Seebeck-Effekt
arbeitende Thermoelemente, in denen aufgrund der verwendeten spezifischen
Materialpaarung sowie der über
das Thermoelement herrschenden Temperaturdifferenz eine Thermospannung
erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Wärmeenergie des Abgasstroms
ausgenutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Außerdem ergibt
sich eine Kühlwirkung
auf das Gehäuse,
was z. B. eine Verringerung der Unterschiede in der thermischen
Ausdehnung zwischen Gehäuse
und Substrat zur Folge hat.
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Als
thermoelektrische Generatoren können bekannte,
herkömmliche
thermoelektrische Generatoren eingesetzt werden.
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Der
thermoelektrische Generator ist bevorzugt außenseitig auf das Gehäuse aufgebracht,
um einen Großteil
der vom Abgasstrom an das Gehäuse abgegebenen
Wärmenergie
nutzen zu können.
Vorteilhaft werden thermoelektrische Generatoren in Platten- oder
Streifenform verwendet, die bevorzugt so flexibel sind, dass sie
sich gut an die Oberfläche des
Gehäuses
anpassen lassen. Es ist möglich,
im Wesentlichen die gesamte Außenoberfläche des
Gehäuses
mit einem oder mehreren thermoelektrischen Generatoren zu bedecken.
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Die
thermoelektrischen Generatoren können am
Gehäuse
auf jede geeignete Weise befestigt werden, z. B. durch Löten, wobei
es vorteilhaft ist, wenn eine direkte, gut wärmeleitende, großflächige Verbindung
zwischen dem thermoelektrischen Generator und der Außenoberfläche des
Gehäuses
besteht.
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Als
vorteilhaft für
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
erweisen sich Abgasbehandlungsvorrichtungen, bei denen eine Innenwand
des Gehäuses
vom Abgas unmittelbar angeströmt
ist, da so ein direkter Wärmeübertrag
vom Abgas auf das Gehäuse
und somit eine hohe Ausbeute an thermischer Energie gewährleistet
ist. Das Gehäuse
ist beispielsweise in Form eines Zylinders mit eingangs und ausgangs
angesetzten Anschlußtrichtern
ausgebildet, wobei der zylindrische Abschnitt einen größeren Durchmesser
hat als die angrenzende Abgasleitung. Die Innenwand ist dabei vorzugsweise
die Innenseite der zylindrischen Umfangswand. Diese kann mit einer
bekannten, z. B. katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein,
die normalerweise aufgrund ihrer geringen Dicke hinsichtlich der
Wärmeleitung
nicht ins Gewicht fällt.
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Bevorzugt
sind die abgasdurchströmten Substrate
ohne Zwischenschaltung einer Lagermatte im Gehäuse gelagert, wodurch das Gehäuse von
innen her unisoliert ist.
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Mögliche Geometrien
für den
Hohlkörper sind
z. B. die Verwendung von zwei umgekehrt ineinandergesteckten Kegelmänteln bzw.
Kegelstumpfmänteln,
vier- oder mehrseitigen
Pyramidenmäntel bzw.
Pyramidenstumpfmänteln
oder auch von zwei konzentrisch zueinander angeordneten Zylindermänteln.
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Solche
Mäntel
lassen sich einfach durch umgeformte Platten herstellen.
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Vorzugsweise
besteht das Substrat aus einem Metallschaum, Metallschwamm und/oder
einer metallischen Hohlkugelstruktur, oder auch aus einem Drahtgestrick
oder -gewirk. Im Gegensatz zu keramischen Substraten, die mit einer
elastischen Lagermatte umwickelt im Gehäuse aufgenommen sind, ist bei
einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit einem Körper, insbesondere Hohlkörper, aus
einem porösen
Metallsubstrat kein solches thermisch isolierendes Material an der
Innenwand des Gehäuses
angeordnet, so dass eine hohe Ausbeute an Wärmeenergie gewährleistet
ist. Dieses besondere Metallsubstrat bringt im Gegensatz zu keramischen
Substraten eine Eigenelastizität
mit, die einen Preßsitz
oder eine anderweitige Befestigung im Gehäuse zulässt.
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In
einer anderen bekannten Form besteht das Substrat aus einem oder
mehreren porösen
Keramikblöcken.
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Der
zum Betrieb des oder der thermoelektrischen Generatoren notwendige
Temperaturunterschied ist hier in radialer Richtung, also vom Inneren des
Gehäuses
nach außen,
verwirklicht.
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Um
die Temperaturdifferenz zu vergrößern, können an
der Abgasbehandlungsvorrichtung innenseitig und/oder außenseitig
wärmeleitende
Rippen vorgesehen sein, die vorzugsweise radial vom Gehäuse abstehen.
Innenseitige Rippen dienen dabei dazu, dem Abgasstrom möglichst
viel Wärme
zu entziehen, um eine möglichst
hohe Temperatur an der radial innenliegenden Seite des thermoeektrischen Generators
zu schaffen, während
außenseitige
Rippen, vorzugsweise am thermoe lektrischen Generator, dazu dienen,
möglichst
viel Wärme
von der radial äußeren Seite
des thermoelektrischen Generators abzustrahlen, um dort eine möglichst
geringe Temperatur zu schaffen.
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Die
Temperaturdifferenz lässt
sich weiter vergrößern, indem
eine Kühlvorrichtung
für den
thermoelektrischen Generator vorgesehen ist.
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Die
Kühlvorrichtung
kann beispielsweise aus einem Kühlkörper, z.
B. mit daran ausgebildeten Kühlrippen,
bestehen, der auf die Außenseite
des oder der thermoelektrischen Generatoren aufgesetzt ist.
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Vorzugsweise
umgibt die Kühlvorrichtung den
thermoelektrischen Generator außenseitig,
um Wärme
in die Umgebung der Abgasbehandlungsvorrichtung abzuleiten.
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Die
Kühlvorrichtung
kann wenigstens einen Kühlkanal
aufweisen, der von einer Kühlmedium durchströmt ist.
Der oder die Kühlkanäle sind
bevorzugt zwischen dem thermoelektrischen Generator und einer Wandung
der Kühlvorrichtung
ausgebildet und können
in Längsrichtung
der Abgasbehandlungsvorrichtung verlaufen.
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Es
ist möglich,
eine Kühlflüssigkeit
einzusetzen, wobei die Kühlvorrichtung
mit einem herkömmlich
vorgesehenen Kühlkreislauf
der Verbrennungskraftmaschine verbunden sein kann.
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Es
ist jedoch von Vorteil, als Kühlmedium Luft
zu verwenden, da sich auf diese Weise das Gewicht der Abgasbehandlungsvorrichtung
verringern lässt
und die Vorrichtung einfacher aufgebaut sein kann.
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Die
Kühlvorrichtung
weist beispielsweise wenigstens eine Einlass mit einer Zuführöffnung auf. Luft
aus der Umgebung der Abgasbehandlungsvorrichtung strömt durch
die Zuführöffnung in
die Kühlvorrichtung
ein. Einlass und Zuführöffnung sind
vorzugsweise in unmittelbarer Nähe
des Gehäuses
vorgesehen, um eine effektive Luftströmung durch die Kühlvorrichtung
zu erzeugen.
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Der
Einlass ist vorteilhaft in Fahrtrichtung eines Fahrzeugs, in dem
die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, ausgerichtet, da sich
so der Fahrtwind zur Erzeugung der Luftströmung ausnutzen lässt.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Einlass vorgesehen, der sich in Fahrtrichtung
zum offenen Ende aufweitet. Es können
mehrere, beliebig geformte Einlässe
so wohl über
den Umfang der Abgasbehandlungsvorrichtung als auch über deren
Längserstreckung
verteilt sein. Beispielsweise ist es möglich, mehrere hintereinander
angeordnete, sich in Fahrtrichtung jeweils zum offenen Ende aufweitende
Einlässe
vorzusehen. Die Form der Einlässe
kann dabei so ausgewählt
sein, beispielsweise durch geschwungen oder schräg verlaufende Wandungen, dass
eine Verwirbelung der Luft in der Kühlvorrichtung erzielt wird
und gegebenenfalls in annähernd
derselben Ebene Auslässe
und nachfolgende Einlässe
vorgesehen sein können.
Dies ermöglicht
es, längs
der Baugruppe aus thermoelektischen Generatoren stets neue, kalte
Kühlluftströmungen zuzuführen, so
dass die Generatorenbaugruppe sozusagen in einzelne Kühlluftströmungen und
Kühlluftkanäle unterteilt
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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3 eine
Vorderansicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 2;
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4 eine
Draufsicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 2;
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5 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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6 eine
Vorderansicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 5;
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7 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß einer
vierten Ausführungsform;
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8 eine
Vorderansicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 7;
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9 eine
Draufsicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 7;
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10 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform;
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11 eine
Draufsicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 10;
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12 eine
Vorderansicht der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 10;
und
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13 einen
Querschnitt XIII-XIII durch die erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß 10.
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Die 1 zeigt
eine erste Ausführungsform einer
Abgasbehandlungsvorrichtung 10, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine
eines Fahrzeugs, mit einem Gehäuse 12,
das einen Eingang 14 und einen Ausgang 16 aufweist,
sowie einem im Gehäuse 12 aufgenommenen,
von einem Abgas 18 durchströmten porösen Substrat 20, das
im Strömungsweg
vom Eingang 14 zum Ausgang 16 angeordnet ist,
wobei am Gehäuse 12 wenigstens
ein thermoelektrischer Generator 22 vorgesehen ist.
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Die
Abgasbehandlungsvorrichtung 10 ist insbesondere ein Katalysator
für ein
Kraftfahrzeug, ein Partikelfilter für ein Kraftfahrzeug oder eine
Kombination aus Katalysator und Partikelfilter. Vorzugsweise besteht
das verwendete poröse
Substrat aus einem Metallschaum, einem Metallschwamm und/oder einer
metallischen Hohlkugelstruktur und hat eine kegel- bzw. kegelstumpfförmige Innen-
und Außenkontur.
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Thermoelektrische
Generatoren 22 nutzen einen Temperaturunterschied zwischen
zwei Stellen eines Leiters, um eine elektrische Spannung zu erzeugen.
Aufbau und Funktionsweise derartiger Generatoren 22 sind
aus dem Stand der Technik bekannt, so dass darauf im folgenden nicht
näher eingegangen
wird. In den Figuren ist der thermoelektrische Generator 22 jeweils
außenseitig
auf das Gehäuse 12 aufgebracht
und lediglich schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
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Desweiteren
ist eine aktive Kühlvorrichtung 24 vorgesehen,
die den thermoelektrischen Generator 22 außenseitig
umgibt. Die Kühlvorrichtung 24 weist
wenigstens einen Kühlkanal 26 auf,
der von einem Kühlmedium 28 durchströmt wird,
wobei das Kühlmedium 28 Flüssigkeit
oder, vorzugsweise, Luft ist.
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Das
Gehäuse 12 hat
eine weitgehend zylindrische Form mit ovaler oder vieleckiger, insbesondere
sechseckiger Grundfläche.
Der thermoelektrische Generator 22 nutzt das Temperaturgefälle, welches sich
in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse 12 und der Kühlvorrichtung 24 einstellt,
um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Je größer das Temperaturgefälle zwischen
Gehäuse 12 und
Kühlvorrichtung
ist, desto höher
ist die vom Generator 22 erzeugte elektrische Spannung.
Die Innenseite der Gehäusewand
wird daher in einer bevorzugten Ausführungsvariante unmittelbar
vom heißen
Abgas 18 angeströmt,
um eine möglichst
hohe Gehäusetemperatur
zu erreichen. Die Wärmeaufnahme
ist besonders gut möglich,
wenn das Gehäuse 12 innenseitig
wärmeleitende
Rippen 30 aufweist. Auch auf einer Außenseite des Gehäuses 12 und/oder
einer Innenseite des Generators 22 können wärmeleitende Rippen 30 vorgesehen
sein, um eine besonders effiziente Wärmeübertragung vom Gehäuse 12 auf
die Innenseite des Generators 22 zu erzielen. In ähnlicher
Weise kann der thermoelektrische Generator 22 auch auf seiner
Außenseite
mit wärmeleitenden
Rippen 30 versehen sein, die in den Kühlkanal 26 ragen und eine
besonders effiziente Kühlung
der Außenseite des
Generators 22 sicherstellen.
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Es
können
in Umfangsrichtung auch mehrere beabstandete Kühlkanäle vorgesehen sein.
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In
den 2 bis 13 sind weitere Ausführungsformen
der Abgasbehandlungseinrichtung 10 dargestellt. Da hinsichtlich
der prinzipiellen Konstruktion und Funktionsweise keine Unterschiede
zur ersten Ausführungsform
bestehen, wird diesbezüglich auf
die obige Beschreibung zu 1 verwiesen
und lediglich auf die Besonderheiten dieser Ausführungsbeispiele eingegangen.
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Die 2 zeigt
die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei
der die Kühlvorrichtung 24 wenigstens
einen in Fahrtrichtung zeigenden Einlass 32 mit einer Zufuhröffnung 34 aufweist,
so dass Kühlmedium 28,
vorzugsweise Luft aus der Umgebung der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 durch
die Zuführöffnung 34 in
die Kühlvorrichtung 24 einströmt. Gemäß 2 ist die
Zuführöffnung 34 sehr
groß ausgebildet,
um eine gute Luftaufnahme zu ermöglichen,
wobei sich der Einlass 32 zum Kühlkanal 26 hin verjüngt. Da
der Einlass 32 im Bereich des kegeligen Gehäusestutzens 35 liegt,
ist der Einströmquerschnitt
extrem groß.
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Die 3 und 4 zeigen
die Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß 2 in Vorderansicht und
Draufsicht. Das Gehäuse 12 ist
in diesem Fall zylindrisch mit sechseckiger Grundfläche ausgebildet, wobei
auf den Außenseiten
der Zylindersei tenflächen jeweils
ein ebener thermoelektrischer Generator 22 mit wärmeleitenden
Rippen 30 befestigt ist.
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Die 5 und 6 zeigen
einen Längsschnitt
und eine Vorderansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 gemäß einer
dritten Ausführungsform,
die sich von der zweiten Ausführungsform lediglich
dadurch unterscheidet, dass sich der Einlass 32 der Kühlvorrichtung 24 auf
einer späteren
Unterseite der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 in radialer
Richtung nicht über
den Kühlkanal 26 hinaus
erstreckt. Der Einlass 32 ist in diesem Bereich nicht oder
weniger aufgeweitet, um die Zuführöffnung 34 zu
vergrößern, sondern
abgeflacht (vgl. 6), um die Bodenfreiheit des
Fahrzeugs, in dem die Abgasbehandlungsvorrichtung 10 montiert
ist, so wenig wie möglich
einzuschränken.
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Die 7 zeigt
eine vierte Ausführungsform der
Abgasbehandlungsvorrichtung 10, bei der die Kühlvorrichtung 24 mehrere,
bezüglich
einer Längsachse
A hintereinander angeordnete Einlässe 32 aufweist. Die
Einlässe 32 sind
dabei jeweils so ausgebildet, dass sie sich in Fahrtrichtung zum
offenen Ende, d. h. zur Zuführöffnung hin,
radial aufweiten. In den 8 und 9 sind die
zugehörige
Vorderansicht und Draufsicht der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 dargestellt.
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Die 10 bis 12 zeigen
Längsschnitt, Draufsicht
und Vorderansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung 10 gemäß einer
fünften
Ausführungsform,
deren Kühlvorrichtung
ebenfalls mehrere, bezüglich
einer Längsachse
A hintereinander angeordnete Einlässe 32, 32' aufweist. Der
thermoelektrische Generator 22 ist in dieser Ausführungsform
jedoch in zwei getrennte, axial voneinander beabstandete und hintereinander
angeordnete Abschnitte 36, 38 unterteilt. Der
Kühlkanal 26 ist,
mit Bezug auf die Strömungsrichtung
des Kühlmediums 28,
am hinteren Ende eines vorderen Abschnitts 36 wellenartig geformt.
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Am
vorderen Ende des hinteren Abschnitts 38 weist der Kühlkanal 26 einen
hinteren Einlass 32' auf,
der ebenfalls wellenartig geformt ist. Der vordere Einlass 32 ist
gegenüber
dem hinteren Einlass 32' in Umfangsrichtung
verdreht, so dass immer ein Wellental und ein Wellenberg axial hintereinander
liegen (vgl. 12). Dadurch kann zwischen den
Abschnitten 36, 38 des thermoelektrischen Generators 22 bereits
im vorderen Abschnitt 36 erwärmtes Kühlmedium aus dem Kühlkanal 26 in
die Umgebung ausströmen
und gleichzeitig „frisches” Kühlmedium
aus der Umgebung in den Kühlkanal 26 einströmen, um
den hinteren Abschnitt 38 des Generators 22 zu
kühlen. Da
die Effizienz des thermoelektrischen Generators 22 in diesem
Einström-
und Ausströmbereich
sehr gering wäre,
ist der Generator 22 in diesem Bereich ausgespart, so dass
sich der axial vordere Abschnitt 36 und der axial hintere
Abschnitt 38 ergibt.
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Die 13 zeigt
einen Querschnitt XIII-XIII durch die Abgasbehandlungsvorrichtung
gemäß 11,
wobei der Schnitt zwischen den Abschnitten 36, 38 des
thermoelektrischen Generators geführt ist und Abgas- sowie Kühlmediumströmungen durch Pfeile
angedeutet sind.
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Das
Abgas 18 strömt
mit hoher Geschwindigkeit radial durch das Substrat 20 aus
und trifft als turbulente Strömung
auf das Gehäuse 12,
insbesondere auf die Rippen 30 des Gehäuses 12. Aufgrund dieser
turbulenten Strömung
ergibt sich ein besonders guter Wärmeübertrag zwischen Abgas 18 und Gehäuse 12.
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Mit
Bezug auf die Strömung
des Kühlmediums 28 ist
in 13 nochmals veranschaulicht, dass zwischen den
Abschnitten 36, 38 des Generators 22 bereits
im vorderen Abschnitt 36 des Generators 22 erwärmtes Kühlmedium 28 aus
dem Kühlkanal 26 austreten
(gestrichelte Pfeile) und gleichzeitig frisches Kühlmedium 28 in
den Kühlkanal 26 einströmen kann.
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Bei
allen Ausführungsformen
wird die Innenseite des Geäuses 12 direkt
vom heißen
Abgas angeströmt.
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Es
ist keine elastische Lagermatte zur Lagerung des Substrats vorgesehen.
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Das
aus den Metallhohlkugeln oder dem Metallschwamm gebildete Substrat
ist radial elastisch und kann auch direkt im Gehäuse radial geklemmt sein.
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Das
Substrat muß auch
nicht zwingend ein Hohlkörper,
sondern kann ein Vollkörper
sein.
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Gemäß der dargestellten
Ausführungsformen
werden die Substrate an einem Gestänge oder einer Halterung im
Bereich ihrer axialen Enden befestigt, wobei die Halterung wiederum
am Gehäuse angebracht
ist.