DE10300408A1

DE10300408A1 - Verfahren zur Behandlung eines Fluids und Wabenkörper

Info

Publication number: DE10300408A1
Application number: DE10300408A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Kaiser
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-07-22
Also published as: AU2003292193A1; WO2004063541A1; US7448201B2; EP1581730A1; JP2006513347A; JP4405927B2; US20050268788A1

Abstract

Wabenkörper 1, insbesondere für die Nachbehandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Eintrittsfläche @, einer Austrittsfläche 4 und mit einer von einem Fluid durchströmbaren Wabenstruktur 2 zwischen der Eintrittsfläche 3 und der Austrittsfläche 4, wobei die Wabenstruktur 2 Speichermittel für zumindest eine Komponente des Fluids aufweist und einen Messfühler 6 für die Konzentration dieser Komponente im Fluid, wobei der Messfühler 6 in der Wabenstruktur 2 und in einem Mindestabstand 7 von der Austrittsfläche 4 angeordnet ist. DOLLAR A Ein solcher Wabenkörper 1 erlaubt in vorteilhafter Weise die Speicherung von Komponenten des Fluids, beispielsweise Stickoxiden (NO¶x¶), wobei zuverlässig ein Durchbrechen der zu speichernden Komponente verhindert wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung eines Fluids, insbesondere zur Nachbehandlung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine und ein Wabenkörper, insbesondere für die Nachbehandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine.

Im Laufe der letzten Jahre wurden weltweit sich stetig verschärfende Standards für die einzuhaltenden Grenzwerte von Schadstoffen in Abgasen von Automobilen gesetzt. Die Einhaltung dieser Standards ist praktisch nur durch eine Nachbehandlung des Abgases der Verbrennungskraftmaschinen der Automobile möglich. Hierzu hat es sich bewährt, Wabenkörper als Katalysatorträgerkörper einzusetzen. Wabenkörper weisen für ein Fluid durchströmbare oder zumindest beströmbare Hohlräume auf, die im Falle durchströmbarer Hohlräume Strömungskanäle bilden. Auf die Oberfläche dieser Hohlräume sind unter anderem Edelmetallkatalysatoren aufgebracht, die zu einer Reaktion der ungewünschten Bestandteile des Abgases bei deutlich erniedrigten Reaktionstemperaturen führen.

Generell sind zwei Arten von Wabenkörpern bekannt, zum einen keramische monolithische Wabenkörper und zum anderen metallische Wabenkörper, von denen mehrere Bauformen bekannt sind.

Man unterscheidet vor allem zwei typische Bauformen für metallische Wabenkörper. Eine frühe Bauform, für die die DE 29 02 779 A1 typische Beispiele zeigt, ist die spiralige Bauform, bei der im wesentlichen eine glatte und eine gewellte Blechlage aufeinandergelegt und spiralförmig aufgewickelt werden. Bei einer anderen Bauform wird der Wabenkörper aus einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten glatten und gewellten oder unterschiedlich gewellten Blechlagen auf gebaut, wobei die Blechlagen zunächst einen oder mehrere Stapel bilden, die miteinander verschlungen werden. Dabei kommen die Enden aller Blechlagen außen zu liegen und können mit einem Gehäuse oder Mantelrohr verbunden werden, wodurch zahlreiche Verbindungen entstehen, die die Haltbarkeit des Wabenkörpers erhöhen. Typische Beispiele dieser Bauformen sind in der EP 0 245 737 B1 oder der WO 90/03220 beschrieben. Auch seit langem bekannt ist es, die Blechlagen mit zusätzlichen Strukturen auszustatten, um die Strömung zu beeinflussen und/oder eine Quervermischung zwischen den einzelnen Strömungskanälen zu erreichen. Typische Beispiele für solche Ausgestaltungen sind die WO 91/01178, die WO 91/01807 und die WO 90/08249. Schließlich gibt es auch Wabenkörper in konischer Bauform, gegebenenfalls auch mit weiteren zusätzlichen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung. Ein solcher Wabenkörper ist beispielsweise in der WO 97/49905 beschrieben. Darüber hinaus ist es auch bekannt, in einem Wabenkörper eine Aussparung für einen Sensor freizulassen, insbesondere zur Unterbringung einer Lambdasonde. Ein Beispiel dafür ist in der DE 88 16 154 U1 beschrieben.

Weiterhin ist bekannt, zur Reduktion von störenden Komponenten im Abgas, beispielsweise von Stickoxiden (NO_x) Speichermittel auszubilden. Es ist beispielsweise aus der WO 99/20876 bekannt, im Abgassystem eines Diesel- oder Magermotors einen NO_x-Speicher vorzusehen, der die beim Betrieb erzeugten Stickoxide über einen gewissen Zeitraum speichern kann. Bevor seine Speicherkapazität erschöpft ist, wird ein solcher NO_x-Speicher regeneriert, indem unverbrannte Kohlenwasserstoffe dem Abgassystem zugeführt werden. Diese Kohlenwasserstoffe reagieren, gegebenenfalls unterstützt durch geeignete Katalysatoren, mit den gespeicherten Stickoxiden, wobei nur Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser entstehen. Eventuell überschüssig zugeführte oder nicht zur Reaktion mit den Stickoxiden gelangende Kohlenwasserstoffe werden im Abgassystem mit im Abgas vorhandenen Restsauerstoff oxidiert, so dass daraus ebenfalls nur Kohlendi oxid und Wasser entsteht. Diese katalytische Umsetzung kann an einer katalytisch aktiven Beschichtung des NO_x-Speicher selbst oder in einem nachgeschalteten Oxidationskatalysator erfolgen. Aus der EP 0 974 002 B1 wiederum ist bekannt, über einen Temperatursensor im NO_x-Speicher bei einer solchen Regenerierung Rückschlüsse auf beispielsweise die Betriebsfähigkeit, den Betriebszustand und/oder die Speicherkapazität des NO_x-Speichers zu ziehen.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Wabenkörpern mit Speichereigenschaften sind jedoch keine Mittel vorhanden, die einen Durchbruch der zu speichernden Komponente durch den Speicher, also ein Austreten der zu speichernden Komponente aus dem Wabenkörper, zum Beispiel bei zu langen Speicherzeiten verhindern.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wabenkörper zur Behandlung eines Fluids, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch die mit hoher Zuverlässigkeit der Durchbruch der zu speichernden Komponente verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßer Wabenkörper weist eine Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche und eine von einem Fluid durchströmbare Wabenstruktur zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche auf. Die Wabenstruktur weist Speichermittel für zumindest eine Komponente des Fluids auf, sowie einen Messfühler für die Konzentration dieser Komponente im Fluid. Der Messfühler ist in der Wabenstruktur in einem Mindestabstand von der Austrittsfläche angeordnet. Ein solcher Wabenkörper dient insbesondere für die Nachbehandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine.

Insbesondere bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers als letztes Element der Abgasaufbereitung am Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine ist ein erfindungsgemäßer Wabenkörper von großem Vorteil, da in einem solchen Falle ein Durchbrechen der zu speichernden Komponente direkt zu einer Emission der zu speichernden Komponente in die Umwelt führen würde. Dies würde neben einer vergrößerten Unweltbelastung dazu führen, dass gegebenenfalls gesetzlich vorgegebene Grenzwerte nicht eingehalten werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Stickoxide (NO_x) im Wabenkörper gespeichert werden können. Die Anordnung des Messfühlers innerhalb der Wabenstruktur hat den Vorteil, dass dann, wenn der Messfühler eine gewisse Konzentration der zu speichernden Komponente misst, diese sich noch innerhalb der Wabenstruktur und nicht dahinter befindet, wie dies der Fall wäre, wenn der Messfühler in Strömungsrichtung hinter dem Wabenkörper ausgebildet wäre.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wabenkörpers ist der Mindestabstand so bemessen, dass bei einem Ansprechen des Messfühlers auf das Vorhandensein einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid diese Höchstkonzentration noch an keiner Stelle der Wabenstruktur die Austrittsfläche erreicht hat.

Da sich über den Querschnitt der Wabenstruktur betrachtet Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids im Wabenkörper ausbilden, ist es so in vorteilhafter Weise möglich, beispielsweise am Rand der Wabenstruktur die Konzentration der Komponente im Fluid zu bestimmen und hieraus aufgrund der bekannten Strömungsverhältnisse im Wabenkörper bzw. innerhalb der Wabenstruktur darauf zu schließen, wie weit diese Höchstkonzentration bereits in struktur darauf zu schließen, wie weit diese Höchstkonzentration bereits in den Bereichen der schnellsten Strömungsgeschwindigkeit vorgedrungen ist. So ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen Durchbruch der zu speichernden Komponente durch den Wabenkörper zu verhindern.

Beispielsweise ist es möglich, dass die radial außen liegenden Kanäle im Wabenkörper mit einer langsameren Geschwindigkeit durchströmt werden, als die radial zentralen Strömungskanäle. Dies würde dazu führen, dass pro Zeiteinheit ein höherer Durchsatz an Fluid im radial inneren Bereich des Wabenkörpers stattfindet, so dass die Speichermittel in den zentralen Kanälen des Wabenkörpers schneller aufgefüllt werden, als die Speichermittel am Rand des Wabenkörpers. Diese Speichermittel können beispielsweise in einer adsorbierenden Beschichtung bestehen, an der die zu speichernden Teilchen durch Physisorption oder Chemiesorption gebunden werden. Wird nun die Konzentration der zu speichernden Komponente im Fluid bestimmt und entspricht diese einer vorgebbaren Höchstkonzentration, so ist damit festgestellt, dass die Speicherkapazität in dem radialen Bereich, in dem der Messfühler ausgebildet ist, bis zum Messfühler erschöpft ist. Aus den bekannten Strömungsverhältnissen ist es dann möglich, den Fortschritt der Konzentrationsfront festzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine Berechnung, zum Beispiel in einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine, erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wabenkörpers ist der Mindestabstand so bemessen, dass bei einem Ansprechen des Messfühlers auf das Vorhandensein einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid das Speichervolumen zwischen Sensor und Austrittsfläche ausreicht, die Komponente weiterzuspeichern, bis Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel wirksam werden, ohne dass diese Höchstkonzentration an irgendeiner Stelle der Wabenstruktur die Austrittsfläche erreicht.

Insbesondere ist es vorteilhaft, den Mindestabstand so zu bemessen, dass nicht direkt nach Ansprechen des Messfühlers auf eine vorgebbare Maßnahme zur Regeneration der Speichermittel erfolgen muss. Beim Einsatz eines solchen Wabenkörpers in einem Kraftfahrzeug kann es sonst dazu kommen, dass eine Maßnahme zur Regeneration erfolgen muss, obwohl diese im Rahmen der momentanen Fahrsituation, beispielsweise bei einem Überholvorgang, nur mit Sicherheitseinbußen für den Benutzer des Kraftfahrzeuges möglich ist. Ist der Mindestabstand hingegen so bemessen, dass der verbleibende, stromabwärts des Messfühlers ausgebildete, noch nicht gefüllte Speicher einen Puffer für eine gewisse Zeit darstellt, so ist es vorteilhafterweise möglich, einen Zeitpunkt für die Einleitung der Regenerationsmaßnahmen zu wählen, der für den Benutzer weder mit Sicherheits- noch mit Komforteinbußen verbunden ist.

Im Gegensatz zur bekannten Methode, eine gewisse Größe des Speichers zu berechnen und diese in regelmäßigen festgelegten Zeitintervallen zu regenerieren, ist es mit einem erfindungsgemäßen Wabenkörper vorteilhaft möglich, den Speicher so klein wie möglich, aber so groß wie nötig auszubilden, um einen Durchbruch der zu speichernden Komponente zu verhindern. Insgesamt führt dies zur Ausbildung von kleineren Speichern, bzw. kleineren Wabenkörpern und reduziert damit die Herstellungskosten des Bauteils. Andererseits kann eine unnötig häufige Regenerierung bei vorgegebenem Speichervolumen vermieden werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wabenkörpers weist dieser zusätzlich Mittel zur Bestimmung zumindest einer weiteren Kenngröße des Fluids auf. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass Mittel zur Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes des Fluids bzw. der Temperatur des Fluids ausgebildet sind.

Die durch solche Mittel gewonnenen Daten können in vorteilhafter Weise bei der Steuerung sowohl zum Beispiel der Regeneration der Speichermittel in einem erfindungsgemäßen Wabenkörpers, als auch anderer Teile z. B. des Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden. Die so gewonnenen Daten können auch zur Ansteuerung des Motors im Rahmen einer Motorsteuerung verwendet werden. Die Ausbildung von Mitteln zur Bestimmung der Temperatur des Fluids ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise im Rahmen der Regenerierungsmaßnahmen ein Anstieg der Temperatur des Wabenkörpers zu erwarten ist. Ein Anstieg der Temperatur des Wabenkörpers führt zum Erhitzen des diesen durchströmenden Fluids und umgekehrt. Somit kann über die Bestimmung der Temperatur des Fluids unter anderem ein Rückschluss auf die Temperatur des Wabenkörpers gezogen werden. Gegebenenfalls können die durchgeführten Regenerationsmaßnahmen bei Erreichen einer vorgebbaren Höchsttemperatur beendet werden.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn im Rahmen der Regeneration auch eine Desulfatisierung stattfindet. Durch den Schwefelanteil im Kraftstoff kommt es bei der Verbrennung zur Bildung von Sulfaten. Werden Stickoxide gespeichert, so blockieren diese Sulfate Speicherkapazität, die für die Speicherung von Stickoxiden benötigt wird. Jedoch ist zur Regeneration im Falle einer Sulfatisierung der Speichermittel eine wesentlich höhere Temperatur erforderlich, die deutlich über der Regenerationstemperatur für Stickoxide liegt. Das heißt, wenn ein Regenerationsschritt auch zur Desulfatisierung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers dienen soll, müssen deutlich höhere Temperaturen in Kauf genommen werden. Um jedoch eine thermische Schädigung des Wabenkörpers bei der Desulfatisierung zu verhindern, wird die Regenerationsmaßnahme dann beendet, wenn eine vorgebbare Höchsttemperatur erreicht ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wabenkörpers weist dieser Speichermittel zur Speicherung von Stickoxiden (NO_x) auf. In vielen Ländern ist durch gesetzliche Regelungen der Stickoxidanteil am emittierten Abgas reglementiert. Folglich führt ein erfindungsgemäßer Wabenkörper mit Speichermitteln zur Speicherung von Stickoxiden im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine zu einer wirksamen Verminderung der Stickoxide im Abgas und zu einer zuverlässigen Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen Grenzwerte.

Bei Speicherung von Stickoxiden führt die Einspritzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen dazu, dass die gespeicherten Stickoxide abgebrannt werden und somit der Speicher regeneriert wird. Die Reaktionsprodukte dieser Regenerationsreaktion sind Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser. Im Falle eines Einsatzes im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine kann in vorteilhafter Weise die Einspritzung von unverbranntem Kraftstoff erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt des erfinderischen Gedankens wird ein Verfahren zur Behandlung eines Fluids, insbesondere zur Nachbehandlung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, in einem Wabenkörper mit einer Eintrittsfläche, einer Austrittsfläche und einer von dem Fluid durchströmbaren Wabenstruktur zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche vorgeschlagen, wobei die Wabenstruktur Speichermittel für mindestens eine Komponente des Fluids aufweist. Die Konzentration der zu speichernden Komponente im Fluid wird in der Wabenstruktur in einem Mindestabstand von der Austrittsfläche bestimmt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Mindestabstand so bemessen, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid diese Höchstkonzentration noch an keiner Stelle der Wabenstruktur die Austrittsfläche erreicht hat. Dies gestattet es in vorteilhafter Wei se, den Durchbruch der zu speichernden Komponente des Abgases durch den Wabenkörper zu verhindern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Mindestabstand so bemessen, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente das Speichervolumen zwischen der Position in der Wabenstruktur, an der die Konzentration der zu speichernden Komponente bestimmt wird, und der Austrittsfläche ausreicht, die Komponente weiter zu speichern, bis Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel wirksam werden, ohne dass die Höchstkonzentration an irgendeiner Stelle der Wabenstruktur die Austrittsfläche erreicht.

Durch eine entsprechende Vorgabe der Höchstkonzentration ist es somit möglich, in vorteilhafter Weise nicht nur den generellen Durchbruch der Komponente zu verhindern, sondern vielmehr noch für eine Zeitspanne die Speicherung der Komponente im noch verbleibenden Speichervolumen zu ermöglichen, ohne dass direkt die Einleitung einer Regenerationsmaßnahme zur Regeneration der Speichermittel nötig ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine situationsangepasste Regeneration der Speichermittel.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich mindestens eine weitere Kenngröße des Fluids bestimmt. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Sauerstoffkonzentration und/oder die Temperatur des Fluids zu bestimmen.

So ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Steuerung des Regenerationsverhaltens des Wabenkörpers mit der Steuerung anderer Teile der Abgaseinrichtung eines Verbrennungsmotors und/oder des Verbrennungsmotors selber zu verknüpfen. Dies gestattet einen jeweils optimalen Betrieb der einzelnen Komponenten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel durchgeführt, sobald die vorgebbare Höchstkonzentration der zu speichernden Komponenten erreicht wurde. Dies gestattet eine sehr schnelle Regeneration der Speichermittel.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel durchgeführt, spätestens sobald nach Erreichen der vorgebbaren Höchstkonzentration eine vorgebbare Zeitspanne verstrichen ist.

Dies gestattet in vorteilhafter Weise die Nutzung des verbleibenden Speichervolumens als eine Art Puffer. Somit ist es möglich, die Regenerationsmaßnahmen zu einen Zeitpunkt durchzuführen, an dem weder Komfort noch Sicherheit des Benutzers eines Kraftfahrzeuges hiervon beeinträchtig werden. Es ist weiterhin möglich, eine maximale Zeitspanne vorzusehen, ab der zwingend eine Regenerationsmaßnahme durchgeführt wird. Hierdurch wird verhindert, dass die zu speichernde Komponente des Fluids durch den Wabenkörper durchbricht. Die festlegung dieser maximalen Zeitspanne kann in vorteilhafter Weise unter Berücksichtigung des Speichervolumens zwischen der Position, in der die Konzentration der zu speichernden Komponente des Fluids bestimmt wird, und der Austrittsfläche erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden Stickoxide (NO_x) gespeichert.

Insbesondere beim Einsatz eines Wabenkörpers mit Speichermitteln für Stickoxide als letztes Element der Abgasnachbehandlung eines Kraftfahrzeuges ist es vorteilhaft, wenn keinerlei Stickoxide durch diesen Wabenkörper durchbrechen, da diese dann direkt in die Umwelt emittiert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden als Maßnahme zur Regeneration der Speichermittel unverbrannte Kohlenwasserstoffe in die Wabenstruktur eingebracht. Dies führt bei Wabenkörpern mit Speichermitteln für NO_x zu einem Abbrennen des NO_x. Bei dieser Reaktion entstehen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel beendet, wenn die Abgastemperatur eine vorgebbare Höchsttemperatur überschreitet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Verhinderung einer Beschädigung des Wabenkörpers, da die Regenerationsmaßnahmen so frühzeitig beendet werden können, dass es zu keiner thermischen Schädigung des Wabenkörpers kommt.

Alle Vorteile und Ausführungen, die oben für einen erfindungsgemäßen Wabenkörper gemacht wurden, stellen in gleicher Weise vorteilhafte Aspekte des Verfahrens dar und umgekehrt.

Im folgenden werden weitere Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers
2 stirnseitige Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wabenkörper; und
3 einen Verbrennungsmotor mit Abgasstrang und einem erfindungsgemäßen Wabenkörper.
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wabenkörper 1 mit einer Wabenstruktur 2, die eine Eintrittsfläche 3 und eine Austrittsfläche 4 aufweist. Beim Einbau in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine tritt ein Gasstrom 5 durch die Eintrittsfläche 3 in die Wabenstruktur 2 ein und verlässt diese durch die Austrittsfläche 4. Hierzu weist die Wabenstruktur 2 Kanäle auf, durch die ein Fluid von der Eintrittsfläche 3 zur Austrittsfläche 4 strömen kann. Die inneren Oberflächen der Wabenstruktur 2 können beschichtet sein, wobei die Beschichtung Edelmetallkatalysatoren enthalten kann, die zur Umsetzung von Teilen des Abgases der Verbrennungskraftmaschine dienen. Weiterhin weist die Wabenstruktur 2 Speichermittel für zumindest eine Komponente, wie beispielsweise Stickoxide (NO_x) auf. Diese Speichermittel können in Form einer adsorbierenden Beschichtung ausgeführt sein, die die inneren Oberflächen der Wabenstruktur 2 bedeckt.
Die Wabenstruktur 2 weist eine Vielzahl von zumindest beströmbaren Hohlräumen oder Kanälen auf und kann als keramische monolithische Wabenstruktur oder als metallische Wabenstruktur aufgebaut sein. Eine stirnseitige Ansicht eines Beispiels für einen metallischen Wabenkörper 1 ist in 2 gezeigt. Das dort gezeigte Ausführungsbeispiel ist durch Verwindung von drei Stapeln von Blechlagen hergestellt worden. Jeder dieser Stapel ist durch das abwechselnde Stapeln von strukturierten Blechlagen 8 und von im wesentlichen glatten Blechlagen 9 gebildet, die durch geeignete fügetechnische Verfahren, wie zum Beispiel Löten oder Schweißen zumindest in axialen und/oder radialen Teilbereichen der Wabenstruktur 2 miteinander verbunden werden. Die Zwischenräume zwischen den Blechlagen 8, 9 bilden Kanäle 11. Die Strukturen der strukturierten Blechlagen 8 sind der Übersichtlichkeit halber nur in einem Ausschnitt der stirnseitigen Ansicht der Wabenstruktur gezeigt. Die Wabenstruktur 2 ist in einem Mantelrohr 10 befestigt und bildet so den Wabenkörper 1.
Die Blechlagen 8, 9 können dünne Stahlblechlagen sein, die eine Dicke von weniger als 80 μm, bevorzugt weniger als 40 μm, und besonders bevorzugt weniger als 20 μm aufweisen. Jedoch ist es genauso gut möglich, die strukturierten Blechlagen 8 und/oder die im wesentlichen glatten Blechlagen 9 aus einem zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Material auszubilden. Hierdurch ist der Aufbau eines offenen Partikelfilters möglich, bei dem der Gasstrom teilweise durch die strukturierten Blechlagen 8 oder die im wesentlichen glatten Blechlagen 9 hindurchtritt. Der Anteil des Gasstroms, der diese Lagen passiert, lässt sich dadurch erhöhen, dass Strukturen ausgebildet werden, die zu einer Verwirbelung des Gasstroms führen, so dass Druckunterschiede den Gasstrom durch die Wände fließen lassen. Hierbei kommt es zur Anlagerung von auszufilternden Partikeln in der Wand.
Ein Partikelfilter wird dann als offen bezeichnet, wenn er grundsätzlich von Partikeln vollständig durchlaufen werden kann, und zwar auch von Partikeln, die erheblich größer als die eigentlich auszufilternden Partikel sind. Dadurch kann ein solcher Filter selbst bei einer Agglomeration von Partikeln während des Betriebes nicht verstopfen. Ein geeignetes Verfahren zur Messung der Offenheit eines Partikelfilters ist beispielsweise die Prüfung, bis zu welchem Durchmesser kugelförmige Partikel noch durch einen solchen Filter rieseln können. Bei vorliegenden Anwendungsfällen ist ein Filter insbesondere dann offen, wenn Kugeln von größer oder gleich 0,1 mm Durchmesser noch hindurchrieseln können, vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser oberhalb von 0,2mm.
Weiterhin ist es auch möglich, zumindest einen Teil der strukturierten Blechlagen 8 oder der im wesentlichen glatten Blechlagen 9 mit Löchern auszubilden, deren Abmessungen deutlich gößer als die Strukturwiederhollänge der verwendeten Strukturen der strukturierten Blechlagen 8 sind. Dies führt zu einer besonders guten Durchmischung und zu einer gleichmäßigeren Umsetzung des Abgases.
Wie in 1 gezeigt, weist der erfindungsgemäße Wabenkörper 1 darüber hinaus einen Messfühler 6 auf, der in der Wabenstruktur 2 in einem Mindestabstand 7 von der Austrittsfläche 4 angeordnet ist. Der Messfühler 6 ist sensitiv für die in den Speichermitteln zu speichernde Komponente des Abgases. Ist dies NO_x, so wird der Messfühler 6 keine oder nur eine sehr geringe Konzentration von NO_x im Abgas feststellen, sofern die Speichermittel der Wabenstruktur 2 stromaufwärts in Bezug auf den Gasstrom 5 noch ein genügend goßes, nicht besetztes Speichervolumen aufweisen.
Bevorzugt ist der Mindestabstand 7 so bemessen, dass dann, wenn der Messfühler eine vorgebbare Höchstkonzentration der Komponente im Abgas registriert, diese vorgebbare Höchstkonzentration der Komponente an noch keiner Stelle der Wabenstruktur 2 die Austrittsfläche 4 erreicht hat. Hierbei muss bei Festlegung des Mindestabstandes 7 berücksichtigt werden, dass sich das Abgas unterschiedlich schnell durch die Hohlräume der Wabenstruktur 2 bewegt. So können sich Konzentrationsfronten ausbilden, also Fronten einer gleichen Konzentration der zu speichernden Komponente, die sich mit der Zeit im Wabenkörper 1 fortbewegen.
Betrachtet man eine vorgebbare Höchstkonzentration von NO_x, so wird sich beispielsweise bei einem neuen Wabenkörper 1 nach einer gewissen Zeit eine Konzentrationsfront mit dieser Höchstkonzentration aufbauen. Der Ausbau dieser Konzentrationsfront wird eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, da am Anfang die Konzentration des NO_x im Abgas direkt nach Eintreten in den Wabenkörper 1 zumindest in radialen Teilbereichen des Wabenkörpers sehr schnell auf null gehen wird, da sich noch kein NO_x an den Speichermitteln angelagert hat. Von daher wird quasi alles NO_x, was zu diesem Zeitpunkt im Gasstrom 5 enthalten ist, direkt gespeichert. Sukzessive werden in Richtung des Gasstroms 5 die Speichermittel mit NO_x aufgefüllt, so dass sich eine Konzentrationsfront bildet, die sich aus Richtung der Eintrittsfläche 3 in Richtung der Austrittsfläche 4 bewegt. Diese Front muss nicht eine plane Ebene darstellen, vielmehr ist sie im Regelfall gekrümmt oder auch zerklüftet. Wenn diese Konzentrationsfront den Messfühler erreicht, bedingt dies, dass zwar der Messfühler 6 die Höchstkonzentration detektiert, jedoch es im Wabenkörper Stellen gibt, an denen diese Höchstkonzentration deutlich näher an der Eintrittsfläche 3 oder auch näher an der Austrittsfläche 4 liegt als an der Position des Messfühlers 6. Der Mindestabstand 7 zwischen Messfühler 6 und Austrittsfläche 4 ist deshalb so gewählt, dass es unter normalen Betriebsbedingungen nicht zu einem Durchbruch von NO_x kommen kann. Das heißt, es soll kein Austreten von NO_x aus der Austrittsfläche 4 der Wabenstruktur 2 erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, den Mindestabstand 7 des Messfühlers 6 von der Austrittsfläche 4 der Wabenstruktur 2 so zu wählen, dass das stromabwärts des Messfühlers 6 gelegene Speichervolumen auch für die schnellsten Bereiche der Konzentrationsfront so groß ist, dass für eine gewisse Zeitspanne die Speicherung von NO_x gewährleistet ist und so ein Durchbruch von NO_x verhindert wird. Dies ermöglicht es, einen eventuellen Regenerationsschritt, der beispielsweise im Einspritzen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen bestehen kann und der zu einer Umsetzung des NO_x und damit zu einer Vergrößerung des zur Verfügung stehenden Speichervolumens führt, zu einem Zeitpunkt durchzuführen, der an die Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.
Weiterhin ist es möglich, in den Messfühler 6 auch eine Lambdasonde und/oder einen Temperaturfühler zu integrieren. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise bei Durchführung von Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel festzustellen, ob Kohlenwasserstoffe unverbrannt die Austrittsfläche der Wabenstruktur 2 passieren und so an die Umwelt gelangen würden. Zudem ist es möglich, thermische Schädigungen des Wabenkörpers 1 zu verhindern, indem die Regenerationsmaßnahme bei Erreichen einer vorgebbaren Höchsttemperatur beendet wird. Dies ist insbesondere bei der Desulfatisierung des Wabenkörpers 1 von Bedeutung.
3 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit Abgasleitung, Motorsteuerung und einem erfindungsgemäßen Wabenkörper 1. Die durch den Motor 12 produzierten Abgase werden in die Abgasleitung 13 eingespeist. Das Abgas wird durch Abgasbehandlungsmittel 14 geleitet. Diese können beispielsweise aus einem üblichen 3-Wege-Katalysator bestehen. Diesen nachgeschaltet ist in der Abgasleitung 13 ein erfindungsgemäßer Wabenkörper 1 ausgebildet, in dem Speichermittel zur Speicherung von NO_x ausgebildet sind. Stromabwärts des erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1 liegt das Endrohr 15, durch das die Abgase an die Umwelt abgegeben werden. Im Wabenkörper 1 ist ein Messfühler 6 ausgebildet. Dieser bestimmt die NO_x-Konzentration im Abgas, ferner umfasst er eine Lambdasonde, sowie einen Temperaturfühler. Die durch den Messfühler 6 gewonnenen Daten werden über eine erste Signalleitung 16 an die Motorsteuerung 17 übermittelt. Die Motorsteuerung 17 ist über eine zweite Signalleitung 18 mit dem Motor 12 verbunden. Ferner liegt eine dritte Signalleitung 19 vor, die die Motorsteuerung 17 mit dem Abgasbehandlungsmittel 14 verbindet. So können in vorteilhafter Weise die im Abgasbehandlungsmittel 14, im Wabenkörper 1, sowie im Motor 12 gewonnenen Daten von der Motorsteuerung 17 verarbeitet werden und zur Steuerung des Einspritzmittels 20 verwendet werden. Das Einspritzmittel 20 kann beispielsweise als Düse ausgebildet sein, die beispielsweise über eine Pumpe 21 mit unverbranntem Kraftstoff aus einem Tank 22 und unter Druck versorgt wird. Durch die Steuerung der Öffnungszeiten des Einspritzmittels 20, das beispielsweise als elektromechanisches Ventil ausgebildet sein kann, ist es so möglich, sehr genaue Mengen von unverbranntem Kraftstoff zur Regeneration der Speichermittel im Wabenkörper 1 in die Abgasleitung 13 einzubringen. Sobald der Messfühler 6 anzeigt, dass die Temperatur des Abgases und damit auch des Wabenkörpers 1 eine vorgegebene Höchsttemperatur überschreitet, oder auch die Lambdasonde im Messfühler 6 unverbrannte Kohlenwasserstoffe in einer Konzentration detektieren, die anzeigt, dass ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen bevorsteht, kann die Regenerationsmaßnahme, also das Einspritzen von unverbranntem Kraftstoff, durch das Einspritzmittel 20 schnell beendet werden. Dies verhindert einerseits, dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre abgegeben werden und andererseits, dass der Wabenkörper 1 thermisch geschädigt wird.
Ein erfindungsgemäßer Wabenkörper und ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines Fluids, insbesondere einer Nachbehandlung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, ermöglichen in vorteilhafter Weise die Speicherung von Komponenten eines Fluids, beispielsweise von NO_x, wobei der benötigte Speicher klein ausgelegt werden kann und trotzdem ein Durchbruch der zu speichernden Komponente durch den Wabenkörper wirkungsvoll und zuverlässig vermieden werden kann.

1: Wabenkörper
2: Wabenstruktur
3: Eintrittsfläche
4: Austrittsfläche
5: Gasstrom
6: Messfühler
7: Mindestabstand
8: Strukturierte Blechlage
9: Im wesentlichen glatte Blechlage
10: Mantelrohr
11: Kanal
12: Motor
13: Abgasleitung
14: Abgasbehandlungsmittel
15: Endrohr
16: Erste Signalleitung
17: Motorsteuerung
18: Zweite Signalleitung
19: Dritte Signalleitung
20: Einspritzmittel
21: Pumpe
22: Tank

Claims

Wabenkörper (1), insbesondere für die Nachbehandlung des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (12), mit einer Eintrittsfläche (3), einer Austrittsfläche (4) und mit einer von einem Fluid durchströmbaren Wabenstruktur (2) zwischen der Eintrittsfläche (3) und der Austrittsfläche (4), wobei die Wabenstruktur (2) Speichermittel für zumindest eine Komponente des Fluids aufweist und einen Messfühler (6) für die Konzentration dieser Komponente im Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (6) in der Wabenstruktur (2) und in einem Mindestabstand (7) von der Austrittsfläche (4) angeordnet ist.
Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (7) so bemessen ist, dass bei einem Ansprechen des Messfühlers (6) auf das Vorhandensein einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid diese Höchstkonzentration noch an keiner Stelle der Wabenstruktur (2) die Austrittsfläche (4) erreicht hat.
Wabenkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (7) so bemessen ist, dass bei einem Ansprechen des Messfühlers (6) auf das Vorhandensein einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid das Speichervolumen zwischen Messfühler (6) und Austrittsfläche (4) ausreicht, die Komponente weiter zu speichern, bis Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel wirksam werden, ohne dass diese Höchstkonzentration an irgendeiner Stelle der Wabenstruktur (2) die Austrittsfläche (4) erreicht.
Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel zur Bestimmung zumindest einer weiteren Kenngröße des Fluids aufweist.
Wabenkörper (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung des Restsauerstoffgehalts des Fluids ausgebildet sind.
Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Fluids ausgebildet sind.
Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Speichermittel zum Speichern von Stickoxiden (NOx) ausgebildet sind.
Verfahren zur Behandlung eines Fluids, insbesondere zur Nachbehandlung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine (12), in einem Wabenkörper (1) mit einer Eintrittsfläche (3 ), einer Austrittsfläche (4) und einer von dem Fluid durchströmbaren Wabenstruktur (2) zwischen der Eintrittsfläche (3) und der Austrittsfläche (4), wobei die Wabenstruktur (2) Speichermittel für mindestens eine Komponente des Fluids aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der zu speichernden Komponente im Fluid in der Wabenstruktur (2) in einem Mindestabstand (7) von der Austrittsfläche (4) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (7) so bemessen ist, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente im Fluid diese Höchstkonzentration noch an keiner Stelle der Wabenstruktur (2) die Austrittsfläche (4) erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (7) so bemessen ist, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Höchstkonzentration der Komponente das Speichervolumen zwischen der Position in der Wabenstruktur (2), an der die Konzentration der zu speichernden Komponente bestimmt wird, und der Austrittsfläche (4) ausreicht, die Komponente weiter zu speichern, bis Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel wirksam werden, ohne dass die Höchstkonzentration an irgendeiner Stelle der Wabenstruktur (2) die Austrittsfläche (4) erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens eine weitere Kenngröße des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Sauerstoffkonzentration im Fluid bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Fluidtemperatur bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel durchgeführt werden, sobald die vorgebbare Höchstkonzentration der zu speichernden Komponente erreicht wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel durchgeführt werden, sobald nach Erreichen der vorgebbaren Höchstkonzentration eine vorgebbare Zeitspanne verstrichen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Stickoxide (NO_x) gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Regeneration der Speichermittel unverbrannte Kohlenwasserstoffe in die Wabenstruktur eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen zur Regeneration der Speichermittel beendet werden, wenn die Abgastemperatur eine vorgebbare Höchsttemperatur überschreitet.