DE3920159A1 - Heat generation by flameless combustion in gas flow - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausnutzen der bei einer katalytischen Umsetzung von einem Reaktions gemisch aus Luft mit Brennstoff und/oder umsetzbare Anteile enthaltendem Abgas freiwerdenden Energie zu Heizzwecken, entsprechende Vorrichtungen und deren Verwendung zur Beheizung von Kraftfahrzeugen.The present invention relates to a method for exploitation that in a catalytic conversion of a reaction mixture of air with fuel and / or convertible parts containing exhaust gas released energy for heating purposes, corresponding devices and their use for heating of motor vehicles.
Entsprechend den immer strenger werdenden Umweltvorschriften werden zunehmend Kraftfahrzeuge mit sogenannten Katalysatoren ausgerüstet, welche unter Mitwirkung eines katalytisch aktiven Materials nicht verbrannte und/oder schädliche Anteile im Abgas eines Verbrennungsmotors umsetzen, wobei bisher ungenutzte Energie frei wird.According to the increasingly strict environmental regulations are increasingly motor vehicles with so-called catalysts equipped with the participation of a catalytically active Material not burned and / or harmful parts in the exhaust gas implement an internal combustion engine, with previously unused Energy is released.
Trägerkörper für katalytisches Material sind beispielsweise aus der EP-C-00 49 489, der EP-C-01 21 174, der EP-C-01 21 175, der EP-A-02 45 737 und der EP-A-02 45 738 bekannt.Support bodies for catalytic material are made of, for example EP-C-00 49 489, EP-C-01 21 174, EP-C-01 21 175, the EP-A-02 45 737 and EP-A-02 45 738 are known.
Es ist auch bekannt, Katalysatoren elektrisch zu beheizen, um ein schnelleres Ansprechen zu erreichen, was beispielsweise in der DE-PS-5 63 757 oder der DE-AS-22 30 663 beschrieben ist. Auch gibt es Weiterentwicklungen, bei denen der metallische Träger eines Katalysators mit geeignetem elektrischen Wider stand hergestellt und direkt beheizt wird.It is also known to electrically heat catalysts in order to to achieve a faster response, for example in DE-PS-5 63 757 or DE-AS-22 30 663 is described. There are also further developments in which the metallic Carrier of a catalyst with a suitable electrical resistance stand manufactured and heated directly.
Die bei der katalytischen Umsetzung in Kraftfahrzeugen freiwerdende Energie diente bisher nur zur Aufrechterhaltung der notwendigen Reaktionstemperatur im Katalysator und wurde ansonsten ungenutzt mit dem Abgas abgeführt oder anderweitig abgeleitet.The catalytic conversion in motor vehicles released energy was previously only used to maintain the necessary reaction temperature in the catalyst and was otherwise discharged unused with the exhaust gas or otherwise derived.
Bei modernen Kraftfahrzeugen wurden und werden verstärkt Anstrengungen gemacht, bei niedriger Außentemperatur eine schnelle Beheizung des Innenraumes zu ermöglichen, um den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit zu erhöhen. Teilweise werden Fahrzeuge auch mit sogenannten Standheizungen ausgerüstet, welche kleine Brenner sind, die unabhängig vom Motor betrieben werden können. Katalysatoren als Wärmequelle wurden bisher nicht in Betracht gezogen, dies insbesondere deshalb, weil ein bekanntes Problem der Katalysatoren deren langsame Erwärmung auf Betriebstemperatur ist, was gerade in der Startphase eine Entnahme von Wärmeenergie nicht vernünftig erscheinen ließ. Neue Konzepte gehen jedoch davon aus, daß ein Katalysator vor dem Starten des Motors eines Kraftfahrzeuges elektrisch auf die für eine katalytische Umsetzung notwendige Temperatur vorgeheizt wird, so daß sofort nach dem Anlassen des Motors eine exotherme Reaktion im Katalysator abläuft. Dabei hängt es von der Zusammensetzung des den Katalysator erreichenden Reaktionsgemisches ab, wieviel Energie im Katalysator frei wird. Es ist demnach durchaus möglich, dem Katalysator durch geeignete Luft- und Brennstoff-Zuführeinrichtungen ein Reaktionsgemisch zuzuführen, welches eine schnelle Aufheizung des Katalysators und eine Entnahme von Wärme ermöglicht.Modern vehicles have been and are being reinforced Made an effort at low outside temperatures to allow rapid heating of the interior to the To increase driving comfort and driving safety. Partially Vehicles also equipped with so-called auxiliary heaters, which are small burners that operate independently of the engine can be. So far, catalysts have been used as a heat source not considered, especially because of a known problem of the catalysts their slow heating at operating temperature is what a just in the starting phase Removal of heat energy did not appear reasonable. However, new concepts assume that a catalyst is used starting the engine of a motor vehicle electrically on the temperature necessary for a catalytic conversion is preheated so that immediately after starting the engine an exothermic reaction takes place in the catalyst. It depends on the composition of the catalyst Reaction mixture depends on how much energy is released in the catalyst becomes. It is therefore quite possible to go through the catalyst suitable air and fuel supply devices Feed reaction mixture, which is a rapid heating of the catalyst and the removal of heat.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die in einem Katalysator freiwerdende Wärmeenergie gezielt beeinflußt und zu Heizzwecken ausgenutzt werden kann. Außerdem sollen entsprechende Vorrichtungen geschaffen und geeignete Anwendungen hierfür angegeben werden.Against this background, it is the task of the present Invention to provide a method by which the in a Catalyst-released heat energy is influenced and targeted Heating purposes can be used. In addition, should appropriate devices created and suitable Applications for this can be specified.
Diese Aufgabe löst ein Verfahren zum Ausnutzen der bei der katalytischen Umsetzung von einem Reaktionsgemisch aus Luft mit Brennstoff und/oder umsetzbare Anteile enthaltendem Abgas freiwerdenden Energie zu Heizzwecken, bei dem ein Wabenkörper, vorzugsweise aus Metall, mit einer Vielzahl von für ein Fluid durchlässigen Kanälen, der zumindest in Teilbereichen mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, von dem Reaktionsgemisch durchströmt wird, wobei der Wabenkörper als Wärmetauscher genutzt oder mit einem solchen in Strömungsrichtung in Reihe geschaltet wird, wodurch die freiwerdende Energie auf ein Wärmeträgerfluid übertragen werden kann. Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist, daß die im Katalysator freiwerdende Energie über Wärmeaustauschflächen auf ein Wärmeträgerfluid übertragen wird. Hierzu kann der Katalysator, d. h. der das katalytisch aktive Material tragende Wabenkörper, entweder selbst als Wärmetauscher ausgebildet oder aber mit einem Wärmetauscher in Reihe geschaltet sein. Vorteilhaft für ein schnelles Ansprechen einer solchen Heizung, auf die es für viele Anwendungsfälle ankommen wird, ist es, wenn der Wabenkörper direkt oder indirekt elektrisch geheizt oder zumindest vorgeheizt werden kann und erst nach Erreichen einer für eine katalytische Umsetzung nötigen Temperatur mit dem Reaktionsgemisch beaufschlagt wird. Hierdurch erreicht man ein schnelles Ansprechen der Heizung und vermeidet gleichzeitig den Ausstoß von ungereinigten Abgasen in einer Startphase.This task is solved by a method for taking advantage of the catalytic conversion of a reaction mixture from air with Exhaust gas containing fuel and / or convertible fractions released energy for heating purposes, in which a honeycomb body, preferably of metal, with a variety of for a fluid permeable channels, at least in some areas with a is coated catalytically active material from which Flow reaction mixture, the honeycomb body as Heat exchanger used or with such in Flow direction is connected in series, whereby the released energy are transferred to a heat transfer fluid can. It is crucial for the present invention that the energy released in the catalytic converter via heat exchange surfaces is transferred to a heat transfer fluid. For this, the Catalyst, d. H. the one carrying the catalytically active material Honeycomb body, either designed as a heat exchanger or but be connected in series with a heat exchanger. Advantageous for a quick response of such a heater, that will matter for many use cases is if the honeycomb body is electrically or directly heated or at least can be preheated and only after reaching it a temperature necessary for a catalytic conversion is applied to the reaction mixture. This way you can reach a quick response of the heating and avoids at the same time the emission of unpurified exhaust gases in a starting phase.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, einen Katalysator als Wärmetauscher auszubilden. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, kann ein Wärmeaustausch nach dem Kreuzstromprinzip, dem Gegenstrom- oder dem Gleichstrom prinzip erfolgen. Jedenfalls muß der das katalytisch aktive Material tragende Teil des Wabenkörpers, der mit dem Reaktions gemisch beaufschlagt wird, in engem Wärmekontakt zu einem anderen Teil stehen, welcher von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird. Hierzu kann das Innere des Katalysators und/ oder seine Außenseite mit Rohrleitungen versehen werden, oder der Katalysator kann aus sich kreuzenden Gruppen von Kanälen aufgebaut sein, von denen eine Gruppe vom Reaktionsgemisch und die andere Gruppe von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird. Basically there are different ways to get one Train catalyst as a heat exchanger. As with the Drawing is explained in more detail, a heat exchange after the cross-flow principle, counter-current or direct current principle. In any case, the catalytically active Material bearing part of the honeycomb body, which with the reaction is applied in close thermal contact to one other part are, which of a heat transfer fluid is flowed through. For this purpose, the inside of the catalyst and / or its outside is provided with pipelines, or the catalyst can consist of intersecting groups of channels be built, of which a group from the reaction mixture and the other group is flowed through by a heat transfer fluid.
Um eine elektrische Beheizung des Katalysators nicht unnötig lange betreiben zu müssen, kann vorzugsweise der Energieinhalt des Reaktionsgemisches so eingeregelt werden, daß eine selbst erhaltende katalytische Umsetzung stattfindet, bei der auch noch nach Bedarf Wärme entnommen werden kann. Bei einem geregelten Dreiwegekatalysator ist die geregelte Zumischung von Luft ohnehin üblich. Durch zusätzliche Einspritzung von Brennstoff in das Abgas hinter einem Motor oder durch Einstellung eines besonders brennstoffreichen Gemisches in der Startphase kann das Energieangebot im Reaktionsgemisch zusätzlich erhöht werden.To avoid electrical heating of the catalyst The energy content can have to be operated for a long time of the reaction mixture are adjusted so that one itself preserving catalytic conversion takes place, in which heat can still be removed as required. At a regulated three-way catalytic converter is the regulated admixture of Air usual anyway. Through additional injection of Fuel into the exhaust gas behind an engine or through Setting a particularly fuel-rich mixture in the Starting phase can the energy supply in the reaction mixture can also be increased.
Eine solche Einrichtung läßt sich auch relativ leicht gleich zeitig als Standheizung betreiben, indem mittels eines Gebläses dem Katalysator Luft zugeführt und in diese Luft Brennstoff eingedüst wird. Dabei ist es sinnvoll das Gemisch so zusammen zusetzen, daß es nicht zündfähig, wohl aber katalytisch umsetzbar ist. Hierdurch wird eine Explosionsgefahr im System vermieden und außerdem die im Katalysator bei der katalytischen Umsetzung entstehende Temperatur viel geringer gehalten als bei den in Standheizungen üblichen kleinen Brennern. Dies wiederum verringert den Aufwand bezüglich der Wärmeisolierung und ermöglicht eine viel leichtere Auskopplung der entstehenden Wärme, da die verwendeten Materialien nicht so hohen Tempera turen standhalten müssen. Gemäß diesen Ausführungen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch völlig unabhängig von dem Vorhandensein eines Motors und ohne die Verwendung von dessen Abgasen allein zur Heizung benutzen. Vorteilhaft wird es jedoch im allgemeinen sein, einen ohnehin vorhandenen Katalysator für Motorabgase zusätzlich zu Heizzwecken auszunutzen.Such a device can also be relatively easily the same operate early as auxiliary heating by using a blower Air is supplied to the catalytic converter and fuel into this air is injected. It makes sense to mix the mixture together add that it is not ignitable, but catalytically is feasible. This creates an explosion hazard in the system avoided and also that in the catalyst in the catalytic Resulting temperature kept much lower than at the small burners common in parking heaters. this in turn reduces the effort in terms of thermal insulation and enables a much easier extraction of the resulting Warmth because the materials used are not so high tempera doors have to withstand. According to these statements, the method according to the invention is also completely independent of the Presence of an engine and without the use of it Use exhaust gases for heating only. However, it will be advantageous generally be an existing catalyst for Use engine exhaust gases for heating purposes.
Als Wärmeträgerfluid kommen sowohl Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser oder Kühlmittel eines Motorkühlkreislaufs, wie auch Gas, vorzugsweise Luft, in Betracht. Während eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden muß, kann bei Verwendung von Luft als Wärmeträgerfluid auch ein offener Kreislauf verwendet werden, d. h. die erwärmte Luft kann direkt als Heizluft verwendet werden. Im übrigen ist die Einbindung des Kreislaufs mit dem Wärmeträgerfluid in die übrigen Systeme eines Kraftfahrzeuges auf vielfältige Weise möglich. Über einen weiteren Wärmetauscher kann beispielsweise Heizluft erzeugt werden oder ein Wärmeaustausch bzw. eine direkte Verbindung mit dem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors sind möglich. Für den Fall, daß Motor und Katalysator eines Kraftfahrzeuges zum gleichen Kühlkreislauf gehören, beschleunigt der Katalysator das Aufheizen des Motors auf Betriebstemperatur und beschleunigt damit im allgemeinen auch das Ansprechen der Fahrzeugheizung. Zu den hier beispielhaft angegebenen Möglich keiten gibt es sicherlich weitere Varianten der Einbindung in Klimaanlagen und vorhandene Heizsysteme von Kraftfahrzeugen.Both liquids, preferably, come as heat transfer fluid Water or coolant of an engine cooling circuit, as well as gas, preferably air. While a liquid is in a closed circuit must be carried out at Use of air as a heat transfer fluid also an open one Circuit are used, d. H. the heated air can directly can be used as heating air. Incidentally, the integration of the circuit with the heat transfer fluid in the other systems of a motor vehicle possible in many ways. About one Another heat exchanger can generate hot air, for example be or a heat exchange or a direct connection with the cooling circuit of an internal combustion engine are possible. For the case that the engine and catalytic converter of a motor vehicle for belong to the same cooling circuit, the catalytic converter accelerates heating the engine to operating temperature and generally also speeds up the response of the Vehicle heating. The possible examples given here there are certainly other variants of integration into Air conditioning systems and existing heating systems for motor vehicles.
Eine Vorrichtung zum Ausnutzen der bei einer katalytischen Umsetzung von einem Reaktionsgemisch freiwerdenden Energie zu Heizzwecken sollte ein Rohrleitungssystem, im allgemeinen das übliche Abgassystem eines Kraftfahrzeuges, zur Führung des Reaktionsgemisches mit einem darin angeordneten Wabenkörper, vorzugsweise aus Metall, enthalten, der eine Vielzahl von für ein Fluid durchlässigen Kanälen aufweist und zumindest in Teilbereichen mit katalytisch aktivem Material beschichtet ist. Weiter wird ein offener oder geschlossener Kreislauf mit einem Wärmeträgerfluid benötigt. Schließlich müssen Wärmetauscher flächen eine Übertragung der bei der katalytischen Umsetzung des Reaktionsgemisches entstehenden Wärmeenergie aus dem Rohrleitungssystem auf das Wärmeträgerfluid ermöglichen. Übliche Kenntnisse über Gas/Gas-Wärmetauscher oder Gas/Flüssig keit-Wärmetauscher können hier analog angewandt werden. Sofern der Katalysator nicht selbst als Wärmetauscher ausgebildet ist, sondern ein in Reihe geschalteter Wärmetauscher verwendet wird, ist dessen Konstruktion bei Berücksichtigung der in einem Abgassystem herrschenden Verhältnisse unproblematisch, so daß auf übliche Komponenten zurückgegriffen werden kann. Ist der Katalysator selbst als Wärmetauscher ausgebildet, so kann er an seiner Außenseite oder auch im Inneren Wärmetauscherflächen aufweisen, die beispielsweise durch Rohre, Rohrschlangen und dergleichen gebildet werden.A device to take advantage of a catalytic Implementation of energy released from a reaction mixture A piping system, generally that, should be used for heating purposes usual exhaust system of a motor vehicle, for guiding the Reaction mixture with a honeycomb body arranged therein, preferably made of metal, containing a variety of for has a fluid-permeable channels and at least in Partial areas is coated with catalytically active material. An open or closed cycle with a Heat transfer fluid required. Finally, heat exchangers surfaces a transfer of the catalytic conversion of the reaction mixture resulting thermal energy from the Allow piping system on the heat transfer fluid. Common knowledge of gas / gas heat exchangers or gas / liquid Speed heat exchangers can be used here analogously. Provided the catalytic converter is not itself designed as a heat exchanger, but a series-connected heat exchanger is used is, its construction is taking into account the one Exhaust system prevailing conditions unproblematic, so that usual components can be used. Is the Catalyst itself designed as a heat exchanger, so it can its outside or inside heat exchanger surfaces have, for example, by pipes, coils and the like are formed.
Um den Katalysator von Anfang an auf eine für die katalytische Umsetzung geeignete Temperatur zu bringen, sollte er insbesondere direkt oder indirekt elektrisch beheizbar sein. Unter einer direkten Beheizung ist dabei zu verstehen, daß der Katalysatorträger selbst oder zumindest eine auf ihm angebrachte Beschichtung elektrisch leitfähig sind, so daß eine Beheizung durch Ohm′sche Wärme eines elektrischen Stromes möglich wird. Eine indirekte Beheizung kann beispielsweise in einem keramischen Wabenkörper durch in der Keramik und/oder in den Kanälen angeordnete Heizdrähte erreicht werden. Eine indirekte Beheizung ist auch das Aufheizen des Brennstoff- Luft-Gemisches selbst.To change the catalyst from the beginning to one for the catalytic Implementation bring appropriate temperature, he should in particular, be directly or indirectly electrically heated. Direct heating means that the Catalyst carrier itself or at least one on it applied coating are electrically conductive, so that a Heating by ohmic heat of an electric current becomes possible. Indirect heating can, for example, in a ceramic honeycomb body through in the ceramic and / or in heating wires arranged in the channels can be reached. A indirect heating is also the heating of the fuel Air mixture itself.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die beschriebenen Vorrich tungen eignen sich insbesondere zur Verwendung als Heizung bei Kraftfahrzeugen, wobei besonders die Möglichkeiten eines Einsatzes als Standheizung oder als Begleitheizung in der Kaltstartphase hervorzuheben sind. Bei separaten Standheizungen können dabei deren Abgase noch zur zusätzlichen Reinigung über den Katalysator des Motorabgassystems geleitet werden.The method according to the invention and the device described tions are particularly suitable for use as heating Motor vehicles, especially the possibilities of a Use as auxiliary heating or as trace heating in the Cold start phase should be emphasized. With separate parking heaters can their exhaust gases for additional cleaning the catalyst of the engine exhaust system are directed.
Wesentliche Prinzipien, weitere Einzelheiten und Ausführungs beispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigenEssential principles, further details and execution Examples of the invention are described below with reference to Drawing explained. Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgassystems mit beheizbarem Katalysator und nachgeschaltetem Wärmetauscher, Fig. 1 is a schematic representation of an exhaust system with heated catalyst and a downstream heat exchanger,
Fig. 2 ein Abgassystem mit einem beheizbaren Katalysator, der gleichzeitig als Wärmetauscher dient, Fig. 2, an exhaust system with a heated catalyst, which also serves as a heat exchanger,
Fig. 3 ein Abgassystem mit einem beheizbaren Vorkatalysator, einem nachgeschalteten nicht gesondert beheizten Katalysator und einem darauf folgenden Wärmetauscher in schematischer Darstellung und Fig. 3 shows an exhaust system with a heatable pre-catalyst, a downstream not separately heated catalyst and a subsequent heat exchanger in a schematic representation and
Fig. 4 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit Zusatzeinrichtungen. Fig. 4 shows schematically the structure of a heating system according to the invention with additional devices.
Fig. 5 zeigt einen als Kreuzstromwärmetauscher geeigneten Wabenkörper, wobei in Fig. 5 shows a suitable as a cross-flow heat exchanger honeycomb body, in
Fig. 6 die prinzipielle Einbauweise eines solchen Wabenkörpers dargestellt ist. Fig. 6 shows the basic installation of such a honeycomb body.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen unterschiedliche Ausführungen von Katalysatoren mit Wärmetauscherfunktion. Fig. 7 and Fig. 8 show different embodiments of catalysts with heat exchange function.
Fig. 9 zeigt einen Kreislauf mit Katalysator als Standheizungsanordnung oder Zusatzheizung. Fig. 9 shows a circuit with a catalyst as an auxiliary heating arrangement or additional heating.
Fig. 1 zeigt ein Rohrleitungssystem 11 mit einem Katalysator 12, der eine elektrische Beheizung 13 aufweist. Diesem Katalysator 12 ist ein Wärmetauscher 14 nachgeschaltet, welcher dem Abgas die bei der katalytischen Umsetzung entstandene Wärme und ggf. natürlich auch vom Motor stammende Restwärme entziehen kann. Der Katalysator 12 wird mit einem Reaktionsgemisch beaufschlagt, welches im Falle eines geregelten Dreiwege katalysators Abgas mit Anteilen von Kohlenmonoxid und Stick oxiden und Luft in einem bestimmten Verhältnis enthält. Fig. 1 shows a pipe system 11 with a catalyst 12 having an electric heater. 13 This catalytic converter 12 is followed by a heat exchanger 14 , which can extract the heat generated during the catalytic conversion and, of course, possibly also residual heat from the engine from the exhaust gas. The catalyst 12 is acted upon by a reaction mixture which, in the case of a regulated three-way catalyst, contains exhaust gas with proportions of carbon monoxide and nitrogen oxides and air in a certain ratio.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Rohrleitungs systems 21 mit einem Katalysator 22, der gleichzeitig als Wärmetauscher 24 dient. Auch in diesem Falle kann eine elektrische Beheizung 23 vorgesehen werden. Fig. 2 shows the basic structure of a pipeline system 21 with a catalyst 22 , which also serves as a heat exchanger 24 . Electrical heating 23 can also be provided in this case.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann eine noch komplexere Anordnung sinnvoll sein. In einem Rohrleitungssystem 31 sind nacheinander ein Katalysator 32 mit elektrischer Beheizung 33, ein nicht beheizbarer Katalysator 35 und ein Wärmetauscher 34 angeordnet, wobei der Wärmetauscher 34 auch gleichzeitig als Katalysator 36 dienen kann, indem die mit dem Abgas in Berührung kommenden Flächen mit katalytisch aktivem Material beschichtet sind. Die elektrische Beheizung 33 des ersten Katalysators 32 bewirkt hier ein schnelles Ansprechen der katalytischen Reaktion, durch deren Wärme wiederum der zweite Katalysator 35 zum Ansprechen gebracht wird. Die insgesamt entstehende Wärme kann mit dem Wärmetauscher 34 ausgekoppelt werden.As shown in FIG. 3, an even more complex arrangement can be useful. In a pipeline system 31 , a catalytic converter 32 with electrical heating 33 , a non-heatable catalytic converter 35 and a heat exchanger 34 are arranged one after the other, wherein the heat exchanger 34 can also serve as a catalytic converter 36 at the same time, by providing the areas in contact with the exhaust gas with catalytically active material are coated. The electrical heating 33 of the first catalytic converter 32 causes the catalytic reaction to respond quickly, the heat of which in turn causes the second catalytic converter 35 to respond. The total heat generated can be coupled out with the heat exchanger 34 .
Die Fig. 4 zeigt wiederum in schematischer Darstellung auch das Umfeld der vorliegenden Erfindung, wobei die dargestellte Anordnung gleichzeitig auch als Standheizung geeignet ist. In einem Rohrleitungssystem 41 sind hintereinander ein elektrisch beheizbarer 43 Katalysator 42 und ein Wärmetauscher 44 angeordnet, wobei letzterer auch gleichzeitig katalytisch aktiv sein kann. Für das folgende spielt es auch keine Rolle, welche der bisher beschriebenen Varianten von Katalysator und Wärme tauscher Verwendung findet. Wichtig ist, daß die Anordnung einen Lufteinlaß 46 mit einem geeigneten Regulierventil 47 aufweist und eine Vorrichtung 48 zur Eindüsung von Brennstoff. Mittels eines Sensors 49a, vorzugsweise einer Lambda-Sonde, kann ein gewünschtes Verhältnis zwischen den Konzentrationen der einzelnen Bestandteile des Reaktionsgemisches hergestellt werden. Wichtig ist, daß im Bereich vor dem Katalysator 42 kein zündfähiges Gemisch entsteht. Die Vorrichtung kann zusätzlich mit weiteren Sensoren 49b ausgestattet sein, welche die Funktion des Katalysators 42, ggf. dessen Temperatur oder andere Parameter überwachen. Grundsätzlich ist bei direkt elektrisch beheizbaren Katalysatoren auch eine Überwachung der Funktion durch Messung des elektrischen Widerstandes der Beheizung möglich, da dieser Widerstand direkt proportional der Temperatur im Katalysator ist. FIG. 4 again shows a schematic representation of the surroundings of the present invention, the arrangement shown also being suitable as an auxiliary heater. In a piping system 41 in succession an electrically heatable catalytic converter 43 and 42, a heat exchanger 44 are arranged, the latter can be catalytically active simultaneously. For the following, it does not matter which of the variants of catalyst and heat exchanger described so far is used. It is important that the arrangement has an air inlet 46 with a suitable regulating valve 47 and a device 48 for injecting fuel. A desired ratio between the concentrations of the individual constituents of the reaction mixture can be established by means of a sensor 49 a, preferably a lambda probe. It is important that no ignitable mixture is formed in the area in front of the catalyst 42 . The device can additionally be equipped with further sensors 49 b, which monitor the function of the catalytic converter 42 , possibly its temperature or other parameters. In principle, in the case of catalysts which can be heated directly, it is also possible to monitor the function by measuring the electrical resistance of the heating, since this resistance is directly proportional to the temperature in the catalyst.
Fig. 5 zeigt einen Wabenkörper, der sich als Katalysator- Trägerkörper und Kreuzstrom-Wärmetauscher eignet. Dieser Waben körper 52/54 besteht aus abwechselnd geschichteten glatten 56 und gewellten Blechen 57, 58, wobei die Wellungen der gewellten Bleche 57, 58 abwechselnd parallel und senkrecht zur Abgas strömung angeordnet sind, so daß eine Gruppe von Kanälen 59 entsteht, die vom Abgas durchströmbar ist, und eine zweite Gruppe von Kanälen 60, die nicht mit denen der ersten Gruppe kommunizieren und daher von einem Wärmeträgerfluid durch strömbar sind. Durch Pfeile ist die Art der Durchströmung angedeutet. Den prinzipiellen Einbau eines solchen Wabenkörpers 62/64 in ein Rohrleitungssystem 61 zeigt schematisch Fig. 6. Die Anordnung weist einen Einlaß 65 für das Reaktionsgemisch und einen Auslaß 66 für Abgas auf. Quer dazu verläuft der Strom des Wärmeträgerfluids, welches an einem Einlaß 67 dem Waben körper 62/64 zugeführt und an einem Auslaß 68 aufgewärmt abgeführt wird. Elektrische Anschlüsse 63 für eine Beheizung des Wabenkörpers 62/64 sind angedeutet. Bei dem in den Fig. 5 und 6 beschriebenen Wabenkörper dienen die glatten Bleche als Wärmetauscherflächen, während die gewellten Bleche die Ober fläche für die katalytisch aktive Beschichtung vergrößern und außerdem die Wärmeübertragung begünstigen. Fig. 5 shows a honeycomb body which is suitable as a catalyst carrier body and cross-flow heat exchanger. This honeycomb body 52/54 consists of alternately layered smooth 56 and corrugated sheets 57 , 58 , the corrugations of the corrugated sheets 57 , 58 are arranged alternately parallel and perpendicular to the exhaust gas flow, so that a group of channels 59 is formed, the exhaust gas can be flowed through, and a second group of channels 60 , which do not communicate with those of the first group and can therefore be flowed through by a heat transfer fluid. The type of flow is indicated by arrows. The basic installation of such a honeycomb body 62/64 in a pipeline system 61 is shown schematically in FIG. 6. The arrangement has an inlet 65 for the reaction mixture and an outlet 66 for exhaust gas. Transversely to this is the flow of the heat transfer fluid, which is fed to the honeycomb body 62/64 at an inlet 67 and is discharged heated at an outlet 68 . Electrical connections 63 for heating the honeycomb body 62/64 are indicated. In the honeycomb body described in FIGS . 5 and 6, the smooth sheets serve as heat exchanger surfaces, while the corrugated sheets enlarge the upper surface for the catalytically active coating and also favor the heat transfer.
Eine weitere Variante für einen als Wärmetauscher ausgebildeten Katalysator zeigt Fig. 7, wobei hier der eigentliche Katalysator 72 gegenüber bekannten Systemen praktisch unverändert ist. Er kann aus strukturierten Blechen bestehen und in bekannter Weise mit einer elektrischen Beheizung 73 ausgerüstet sein. An seiner Stirnseite 75 tritt das Reaktions gemisch ein und an der gegenüberliegenden Stirnseite 76 tritt Abgas aus. Der Katalysator 72 ist von einer Rohrwendel 74 umschlungen, die in engem Wärmekontakt mit seiner Außenwand steht. Dieser Aufbau ist vor allem bei metallischen Katalysator-Trägerkörpern sinnvoll, da diese eine hohe Wärme leitfähigkeit aufweisen, so daß eine nennenswerte Wärmeabfuhr über die Außenfläche möglich ist. Die Rohrwendel 74 weist einen Einlaß 77 und einen Auslaß 78 für ein Wärmeträgerfluid auf, wobei die Durchströmungsrichtung der Wendel unter Berücksich tigung thermischer Spannungen und der mittleren Temperatur verteilung im Katalysator festzulegen ist. Sowohl eine Gegen strömung wie auch eine Gleichströmung in bezug auf die Richtung des Abgases können vorteilhaft sein. FIG. 7 shows a further variant for a catalyst designed as a heat exchanger, the actual catalyst 72 here being practically unchanged from known systems. It can consist of structured metal sheets and can be equipped with electrical heating 73 in a known manner. On its face 75 , the reaction mixture occurs and on the opposite face 76 exhaust gas emerges. The catalyst 72 is wrapped in a coiled tubing 74 which is in close thermal contact with its outer wall. This structure is particularly useful in the case of metallic catalyst carrier bodies, since these have a high thermal conductivity, so that significant heat dissipation via the outer surface is possible. The pipe coil 74 has an inlet 77 and an outlet 78 for a heat transfer fluid, the direction of flow of the coil taking into account thermal stresses and the average temperature distribution in the catalytic converter. Both a counterflow and a cocurrent with respect to the direction of the exhaust gas can be advantageous.
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines in einem Rohrleitungssystem 81 angeordneten Katalysators 82, der in seinem Inneren Wärmetauscherrohre 84 aufweist, welche Teil eines Kreislaufes mit Wärmeträgerfluid sind. Die einzelnen Wärmetauscherrohre 84, von denen hier nur zwei dargestellt sind, werden im Einlaßbereich 85 des Reaktionsgemisches zu einer Rohrleitung vereinigt und nach außen geführt, wo sie den Auslaß 88 für das Wärmeträgermedium bilden. Auch im Auslaß bereich 86 des Abgases werden die Wärmetauscherrohre 84 vereinigt und nach außen geführt, wo der Einlaß 87 für das Wärmeträgerfluid liegt. Wiederum kann der Katalysator 82 mit einer elektrischen Beheizung 83 ausgerüstet sein. FIG. 8 shows another exemplary embodiment of a catalytic converter 82 arranged in a pipeline system 81 , which has heat exchanger pipes 84 in its interior, which are part of a circuit with heat transfer fluid. The individual heat exchanger tubes 84 , of which only two are shown here, are combined in the inlet area 85 of the reaction mixture to form a pipeline and are led outside, where they form the outlet 88 for the heat transfer medium. Also in the outlet area 86 of the exhaust gas, the heat exchanger tubes 84 are combined and led to the outside, where the inlet 87 for the heat transfer fluid is located. Again, the catalytic converter 82 can be equipped with an electrical heater 83 .
Fig. 9 zeigt eine Anordnung, die sich insbesondere für eine Standheizung und eine Zusatzheizung bei einem Kraftfahrzeug eignet, wobei nur das Prinzip schematisch dargestellt ist. Ein Rohrleitungssystem 91 bildet einen Kreislauf, in welchem sich in Reihe geschaltet ein Katalysator 92, ein Wärmetauscher 94 und eine elektrische Beheizung 93 befinden. Wegen der Gestaltung als Kreislauf ist die Reihenfolge dieser Elemente nicht von entscheidender Bedeutung. Auch können zwei oder drei dieser Elemente in einem einzigen Bauteil vereinigt sein. In dem Kreislauf wird mittels eines Gebläses 95 der gasförmige Inhalt umgewälzt. Über einen Einlaß 96 kann Luft, die gegebenenfalls vorgewärmt sein kann, dem Kreislauf zugeführt werden. Diese Luft kann über eine Brennstoffdüse 98 Brennstoff dosiert beigemischt werden. An einer Verzweigung 99 wird ein kleiner Teil Abgas aus dem Kreislauf abgeführt zu einem Auslaß 97, welcher beispielsweise in das eigentliche Abgassystem eines Kraftfahrzeuges münden kann. Die beschriebene Anordnung kann folgendermaßen betrieben werden: Zunächst wird mittels des Gebläses 95 Luft in dem Kreislauf 91 umgewälzt und mittels der elektrischen Heizung 93 soweit aufgeheizt, wie es zum Anspringen der katalytischen Reaktionen in dem Katalysator 92 nötig ist. Anschließend wird Luft mit beigemischtem Brennstoff zugeführt, allerdings in einem nicht zündfähigen Mischungsverhältnis, so daß diese zugeführte Mischung erst im Katalysator 92 umgesetzt wird. Die entstehende Wärme kann mittels des Wärmetauschers 94 ausgekoppelt werden. Nur ein kleiner Teil des Abgases wird direkt abgeführt, während der größere Teil über das Gebläse 95 im Kreis geführt und mit neuem Luft-Brennstoff-Gemisch angereichert wird. Durch Regelung der Öffnung an der Verzweigung 99 und/oder der zugeführten Luft-Brennstoffmenge kann die Leistung dieser Heizanordnung in weiten Grenzen variiert werden, ohne daß der Prozeß instabil wird. Dies ist für wechselnde Anforderungen bei einer Kraftfahrzeugbeheizung besonders günstig. FIG. 9 shows an arrangement which is particularly suitable for auxiliary heating and additional heating in a motor vehicle, only the principle being shown schematically. A pipeline system 91 forms a circuit in which a catalytic converter 92 , a heat exchanger 94 and an electric heater 93 are connected in series. Because of the circular design, the order of these elements is not critical. Two or three of these elements can also be combined in a single component. The gaseous content is circulated in the circuit by means of a fan 95 . Air, which can optionally be preheated, can be supplied to the circuit via an inlet 96 . This air can be admixed with fuel in a metered manner via a fuel nozzle 98 . At a branch 99 , a small part of the exhaust gas is discharged from the circuit to an outlet 97 , which can, for example, open into the actual exhaust system of a motor vehicle. The arrangement described can be operated as follows: First, air is circulated in the circuit 91 by means of the fan 95 and heated by means of the electrical heater 93 to the extent necessary for the catalytic reactions in the catalytic converter 92 to start. Air is then fed in with admixed fuel, but in a non-ignitable mixture ratio, so that this mixture fed in is only converted in the catalyst 92 . The heat generated can be coupled out by means of the heat exchanger 94 . Only a small part of the exhaust gas is discharged directly, while the larger part is circulated via the fan 95 and enriched with a new air-fuel mixture. By regulating the opening at branch 99 and / or the amount of air fuel supplied, the output of this heating arrangement can be varied within wide limits without the process becoming unstable. This is particularly favorable for changing requirements in a motor vehicle heating system.
Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Ausnutzung der in einem Katalysator entstehenden Reaktionswärme, insbesondere für die Beheizung von Kraftfahrzeugen, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die Integration eines Wärmetauschers in einen Katalysator kann zusätzlich dessen thermische Belastung verringern, da Temperaturspitzen durch den Wärmetauscher verhindert werden können.The present invention is suitable for using the in a heat of reaction arising, in particular for the heating of motor vehicles, however, is not due to this Application limited. The integration of a heat exchanger in a catalyst can also its thermal load decrease as temperature peaks through the heat exchanger can be prevented.
Claims (22)
- a) ein Rohrleitungssystem (11; 21; 31; 41; 61; 81; 91) zur Führung des Reaktionsgemisches mit einem darin angeordneten Wabenkörper (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82; 92), vorzugsweise aus Metall, der eine Vielzahl von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen aufweist und zumindest in Teilbereichen mit katalytisch aktivem Material beschichtet ist,
- b) einen offenen oder geschlossenen Kreislauf mit einem Wärmeträgerfluid,
- c) Wärmetauscherflächen, die eine Übertragung der bei der katalytischen Umsetzung des Reaktionsgemisches entstehenden Wärmeenergie aus dem Rohrleitungssystem auf das Wärmeträgerfluid ermöglichen.
- a) a pipeline system ( 11 ; 21 ; 31 ; 41 ; 61 ; 81 ; 91 ) for guiding the reaction mixture with a honeycomb body ( 12 ; 22 ; 32 ; 42 ; 52 ; 62 ; 72 ; 82 ; 92 ) arranged therein, preferably made of Metal which has a multiplicity of channels through which a fluid can flow and which is coated at least in some areas with catalytically active material,
- b) an open or closed circuit with a heat transfer fluid,
- c) heat exchanger surfaces, which enable a transfer of the thermal energy generated during the catalytic conversion of the reaction mixture from the piping system to the heat transfer fluid.
- a) das Rohrleitungssystem (11; 21; 31; 41; 61; 81) weist mindestens einen Einlaß (65; 75; 85) für das Reaktionsgemisch auf;
- b) das Rohrleitungssystem (11; 21; 31; 41; 61; 81) weist mindestens einen Auslaß (66; 76; 86) für Abgas auf;
- c) zwischen Einlaß (65; 75; 85) und Auslaß (66; 76; 86) liegt der Wabenkörper (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82) und verbindet beide durch eine Vielzahl von mit katalytisch aktivem Material beschichteten Kanälen;
- d) der Wabenkörper (22; 52; 62; 72; 82) ist innen und/oder außen als Wärmetauscher ausgebildet mit mindestens einem Einlaß (67; 77; 87) und mindestens einem Auslaß (68; 78; 88) für ein Wärmeträgerfluid.
- a) the piping system ( 11 ; 21 ; 31 ; 41 ; 61 ; 81 ) has at least one inlet ( 65 ; 75 ; 85 ) for the reaction mixture;
- b) the pipeline system ( 11 ; 21 ; 31 ; 41 ; 61 ; 81 ) has at least one outlet ( 66 ; 76 ; 86 ) for exhaust gas;
- c) the honeycomb body ( 12 ; 22 ; 32 ; 42 ; 52 ; 62 ; 72 ; 82 ) lies between the inlet ( 65 ; 75 ; 85 ) and outlet ( 66 ; 76 ; 86 ) and connects both through a variety of with catalytically active Material coated channels;
- d) the honeycomb body ( 22 ; 52 ; 62 ; 72 ; 82 ) is formed inside and / or outside as a heat exchanger with at least one inlet ( 67 ; 77 ; 87 ) and at least one outlet ( 68 ; 78 ; 88 ) for a heat transfer fluid.
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