DE2800687A1

DE2800687A1 - Auspufftopf mit katalytischem konverter

Info

Publication number: DE2800687A1
Application number: DE19782800687
Authority: DE
Inventors: Charles Henry Bailey; James Elwin Dillon
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1979-07-12

Description

Auspufftopf mit katalytischem Konverter
Die Erfindung betrifft einen Auspufftopf und insbesondere einen derartigen Auspufftopf, der zusätzlich zu Einrichtungen zur Schalldämpfung bzw. Geräuschdämpfung eine Einrichtung zur Fluidbehandlung umfaßt. Katalytische Konverter zur Behandlung von Abgasen von Kraftfahrzeugen sind in den verschiedensten Ausführungsformen erhältlich. Obgleich die Einrichtungen des Konverters üblicherweise als eine separate Baueinheit zusätzlich zu dem üblichen Auspufftopf vorgesehen sind, ist eine kombinierte Einheit als Auspufftopf und katalytischer Konverter beispielsweise aus der US-PS 3 445 196 bekannt Um eine effiziente Umsetzung von CO und HC zu erzielen, ist die Zuleitung von Zusatz luft stromabwärts des Konverters erforderlich. Bei einigen Anwendungsfällen erfolgt die Zusatzluftversorgung mit Hilfe einer Luftpumpe, die natürlich zusätzliche Kosten verlrsackt und einen gewissen Energieverlust zur Folge hat. Die einfachste Art und Weise, eine Zusatzluftversorgung zu erreichen, wird von einer Venturidüse gebildet. Die lediglich durch eine Venturidüse angesaugte Luftmenge ändert sich jedoch beträchtlich mit den Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine. Die angesaugte Luftmenge ist bei Leerlaufdrehzahlen sehr niedrig, wobei in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Gemisch gewöhnlich reicher ist, so daß man proportional hierbei mehr zusätzliche BuSt als bei höheren Drehzahlen benötigt. Diese Abhängigkeit steht im allgemeinen der Verwendung einer einfach aufgebauten Venturidüse zur Zuleitung von Zusatzluft in die Abgase einer Brennkraftmaschine entgegen. Wenn jedoch die Leerlaufdrehzahlen relativ hoch liegen und die Arbeitsdrehzahlen nicht arg viel höher liegen, wie zum Beispiel beim Anwendungsgebiet der Hubwagen, könnte eine einfach ausgelegte Venturidüse ausreichen, um genügend Zusatzluft zur ausreichenden Umsetzung zur Verfügung zu stellen. Bekanntlich wird Luft stromaufwärts eines üblichen Konverters mit einer Venturidüse zusätzlich zugeführt. Üblicherweise ist bei derartigen Einrichtungen ein ausreichender Abstand zwischen der Venturidüse und dem Katalysator vorgesehen, so daß man eine entsprechende Vermischung von Luft und Abgasen erreichen kann. Bei-einem Versuch jedoch, einen Abgaseinlaß und eine Venturidüse ganz nahe einem Katalysatorelement mit dem Ziel einer kompakten Raumanordnung anzuordnen, führt zu einer beträchtlichen Verminderung des Wirkungsgrades bei der Umsetzung.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Auspufftopf mit einem katalytischen Konverter zu schaffen, die in der Kombination sowohl als ein Auspufftopf als auch als ein Konverter dienen, wobei der Auspufftopf mit katalytischem Konverter wirtschaftlich herzustellen sein soll und in einem relativ klein bemessenen Raum derart untergebracht werden soll, daß er als ein direkter Ersatz für einen üblichen Auspufftopf dient.
Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Auspufftopf mit katalytischem Konverter dadurch aus, daß man zur Behandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine und zur teilweisen Reduzierung der Lärmentwicklung ein axial durchströmtes monolithisches katalytisches Element vorsieht. Eine mit Öffnungen versehene Kammer um das katalytische Element, ein stromabwärtiges, mit Öffnungen versehenes Rohr und eine stromaufwärtige Umkehrkammer für den Strömungsverlauf vermindern die Lärmentwicklung weiter. Die Vorrichtung umfaßt eine Venturidüse an der Abgaseinlaßseite, die zur Zusatzversorgung mit Zusatzluft dient.
Eine Einrichtung zur Durchwirbelung des Gases und zur Umkehr des Strömungsverlaufes ist ebenfalls vorgesehen, um die Zusatzluft mit den Abgasen gleichmäßig zu vermischen, bevor das Gemisch durch eine Strömungsverteilerplatte geleitet wird und in Berührung mit dem katalytischen Element gebracht wird Die Einrichtung zur Durchwirbelung des Gases wird vorzugsweise von einem ortsfesten flügelähnlichen Element gebildet, das in dem Abgaseinlaßrohr stromaufwärts von der Venturidüse angeordnet ist. Die Einrichtung zur Umkehr des Strömungsverlaufes umfaßt ein Umlenk- bzw. Ablenkelement, das die Strömung nach rückwärts und außen von dem Auslaß des Abgaseinlaßrohres in eine offene Kammer richtet bzw. lenkt, die von dem Katalysatorelement durch eine Strömungsverteilerplatte abgeteilt ist.
Bei Versuchen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich ergeben, daß man überraschenderweise die Umwandlung von CO von ungefähr 14 % auf ungefähr 85 % bei gleichen Betriebsbedingungen steigern kann, wenn man die Einrichtung zur Durch wirbelung des Gases und zur Umkehr des Strömungsverlaufes zusätzlich zu einer identischen Vorrichtung ohne diese Einrichtung vorsieht.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Auspufftopfes mit Konverter nach der Erfindung in geschnittener Darstellung längs der Schnittlinie 1-1 in Figur 2, Figur 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Figur 1, Figur 3 ist eine Rückansicht des linksseitigen Endes des Auspufftopfes mit Konverter nach Figur 1, und Figuren 4 bis 6 sind Schnittansichten entsprechend den Linien 4-4, 5-5 und 6-6 in Figur 1.
Nach Figur 1 umfaßt die kombinierte, insgesamt mit 10 bezeichnete Anordnung von Auspufftöpf und katalytischem Konverter ein äußeres Metallgehäuse oder ein Mantelelement 12 mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt mit einer einlaßseitigen Querwand 14, die mit dem einlaßseitigen Ende über eine Schweißverbindung 16 verbunden ist. Auf ähnliche Art und Weise ist das auslaßseitige Ende der Anordnung durch eine auslaßseitige Querwand 18 verschlossen, die bei 20 an dem Gehäuse 12 angeschweißt ist. Ein Paar Befestigungsarme 22 ist an der Anordnung angebracht, um die Anbringung derselben an einem Fahrzeug zu erleichtern. Die in der Anordnung bzw. Vorrichtung 10 zu behandelnden Abgase und die mit den Abgasen zu vermischende Zusatzluft treten in die Vorrichtung über die Ansaugeinrichtung ein, die insgesamt mit 24 bezeichnet ist.
Die Ansaugeinrichtung 24 umfaßt einen Ansaugkorper 26 mit einer ringförmigen Anordnung von Öffnungen 28 an seinem Aussenumfang und einen einlaßseitigen Flansch 30, der eine starre Anbringung der Vorrichtung 10 an der Auslaßleitung (nicht gezeigt) eines Fahrzeuges gestattet. Die Ansaugeinrichtung 24 umfaßt ferner einen einlaßseitigen konischen Abschnitt 32 und einen auslaßseitigen konischen Abschnitt 34, die voneinander durch einen Raum 36 getrennt sind. Die konischen Abschnitte 32 und 34 bewirken einen Venturieffekt, gemäß dem Zusatzluft über die Öffnungen 28 angesaugt und in den durch die Ansaugeinrichtung gehenden Abgasstrom eingeleitet wird. Nachdem die Abgase und die Zusatzluft ausreichend mit Hilfe der nachstehend näher beschriebenen Einrichtung vermischt worden sind, geht das Gas-Luft-Gemisch durch ein mit Öffnungen versehenes Querwandelement 40, das mehrere Öffnungen 42 besitzt, die auf die Gase einen Gegendruck ausüben und eine gleichmäßige Verteilung der Gase über die Fläche des monolithischen, mit Katalysator überzogenen Elementes 44 ermöglichen, das mehrere axial verlaufende Strömungskanäle 46 besitzt.
Wenn, wie zuvor erwähnt, Zusatzluft in einen Abgasstrom in einem Rohr mit ausreichender täng angesaugt wird, ergibt sich eine ausreichende Durchmischung von Gas und Luft. Die beschränkten Platzverhältnisse erfordern aedoch einen kombinierten Auspufftopf und Konverter, der innerhalb des für einen üblichen Auspufftopf zur Verfügung stehenden Platzes untergebracht werden kann, so daß die Ansaugeinrichtung 24 ganz nahe dem katalytischen Element 44 zu liegen kommen muß.
Bei einer derartig eng aneinander liegenden Anordnung neigt die Zusatzluft nicht zur-Vermischung mit den Abgasen, sondern sie beharrt in einer Schicht, so daß die zu äußerst liegenden axialen Kanäle 46 des Katalysatorelementes im allgemeinen nur Luft aufnehmen, wahrend#die an der Innenseite liegenden Kanäle nur Abgas aufnehmen. Das tatsächliche Ergebnis bei einer Vorrichtung ohne Verwirbelungseinrichtung wurde zu einer extrem niedrigen Umsetzung in der Größenordnung von 14% führen, da die Abgase zur Ausführung einer Reaktion mit CO und HC in den Gasen nicht ausreichend Luft aufnehmen. Dieser Nachteil ist dadurch überwunden worden, daß man zusätzlich ein ortsfestes, flügelförmiges Gebilde 48 an dem einlaßseitigen Abschnitt für das Abgas an dem einlaßseitigen Konus 32 vorsieht, um die Gase zu durchwirbeln, und daß man zusätzlich eine AblenSeinrichtun 50 anordnet, die einen konusförmigen Abschnitt 52 und einen schalenförmigen Ablenkabschnitt 54 umfaßt. Die Ablenk- bzw. Umlenkeinrichtung 50 ist an dem mit Öffnungen versehenen Querwandelement 14 mit Hilfe von Stützen 56 angebracht. Die Ablenk- bzw. Umlenkeinrichtung 50 bewirkt, daß die Gase in ihrer Strömungsrichtung umgekehrt werden, und nach rückwärts in Richtung auf die Querwand 14 in die Kammer gelenkt werden, die den auslaßseitigen Konus 34 umgibt. Durch diese Umkehr des Strömungsverlaufes werden die Abgase und die Nebenluft gleichmäßig und vollständig untereinander vermischt, bevor sie auf die mit Öffnungen versehene Verteilerplatte oder die Querwand 40 auftreffen. Die Verteilerplatte 40 übt auf die Gase einen ausreichenden Gegendruck aus, so daß die Gase gleichmäßig durch jede Öffnung 42 strömen und so daß jeder der Kanäle 46 des Katalysatorelementes ebenfalls gleichmäßig durchströmt wird.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Gase wird eine effizientere Umsetzung von CO und HC erzielt, da keiner der Kanäle überbelastet wird. Um eine maximale Abgasbehandlung in dem sehr beschränkt zur Verfügung stehenden Raum in Axialrichtung zu erzielen, sollte die Verteilerplatte 40 wenigstens fünf Öffnungen pro 6,452 cm2 (pro square inch) besitzen, wobei die Öffnungen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Öffnungen nur in dem Abschnitt der Platte 40 angeordnet, der in axialer Ausrichtung zu der einlaßseitigen Fläche des Katalysatorelementes 44 liegt.
Um zur gleichmäßigen Verteilung der Gase über die Fläche des Katalysatorelementes 44 einen ausreichenden Gegendruck zu erzielen, sollten die Öffnungen 42 einen offenen Bereich von ungefähr 20 bis 40 % des offenen Einlaßflächenbereiches des Katalysatorelementes 44 einnehmen. Um nach dem Verlassen der im Abstand liegenden Öffnungen in der Verteilerplatte 40 und vor dem Auftreffen auf dem Katalysatorelement 44 die Gase ineinander diffundieren zu lassen, sollte die Platte 40 in einem Abstand zu dem Katalysator 44 angeordnet sein, der wenigstens ungefähr gleich dem 5 1/2-fachen des Durchmessers der Öffnungen 42 ist. In diesem Zusammenhang hat sich ergeben, daß eine Größe der Öffnung von 6,35 mm und ein Öffnungsbereich der Öffnungen 42 gleich ungefähr 30 % des offenen Flächenbereiches des Katalysatorelementes 44 ausreichend sind.
Nachdem die Abgase durch das Katalysatorelement 44 gegangen sind, treten sie aus der Vorrichtung 10 über ein Auslaßrohr 62 aus, das einen zylindrischen, mit Öffnungen versehenen Abschnitt 64 aufweist, der unmittelbar angrenzend an das Katalysatorelement 44 angeordnet ist. Die Öffnungen in dem Abschnitt 64 dienen zur Geräuschdämmung der Abgase und ermöglichen die gewünschte Schalldämpfungswirkung. Eine zusätzliche Schalldämpfung erzielt man durch eine Kammer 70, die wenigstens Teilabschnitte des Katalysatorelementes 44 umgibt. Die Kammer 70 ist von einem einlaßseitigen-Querwandelement 72 zum Halten des Katalysators und einem auslaßseitigen Querwandelement zum Halten des Katalysators begrenzt.
Mehrere Öffnungen 76 sind vorzugsweise indem einlaßseitigen Querwandelement 72 ausgebildet, um eine Bewegung der pulsierenden Abgase in die und aus der Kammer 70 zu ermöglichen.
Eine zusätzliche Schalldämpfung wird durch die unzähligen kleinen Kanäle 46 in dem Katalysatorelement sowie durch die Umkehr der Gasströmung erzielt, die man infolge der Umlenk-bzw. Ablenkeinrichtung 50 erhält.
Obgleich ein Katalysator 44 in axialer monolithischer Form gezeigt, beschrieben und vorzugsweise verwendet wird, ergeben sich viele Vorteile der Erfindung auch bei radial durchströmten monolithischen Elementen oder Elementen in Form eines Kugelbettes. Die günstigsten Vorteile ergeben sich jedoch bei der Anwendung eines axial durchströmten monolithischen Elementes, da sich jeglicher Mangel bezüglich der Quantität und Qualität eines in einen der Kanäle 46 eintretenden Gases bei der Durchströmung des Gases nicht verbessern läßt, während bei einem Eatalysator mit einem Kugelbett sich (pellet bed type catalyst) eine Moglichkeit für eine zusätzliche, nach der Seite gerichtete Diffusion ergibt, nachdem das Gas in das Bett eingetreten ist Obgleich ein Katalysatorelement mit einem ovalen Querschnitt gezeigt ist, ist die tatsächlich vorgesehene Gestalt des Katalysators eine Frage des Anwendungsgebietes und das Katalysatorelement kann selbstverständlich eine runde Gestalt oder auch eine andersartige Gestalt besitzen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Abgaseinlaß oder der Ansaugkörper 26 versetzt zu der Hauptachse der Vorrichtung 10 angeordnet. Diese achsversetzte Anordnung ist jedoch durch die Anordnung eines Abgaseinlaßrohres bei einem vorhandenen Auspufftopf vorgegeben, der durch die Vorrichtung nach der Erfindung genau ersetzt werden soll. Ferner ergibt sich durch diese Anordnung ein weiterer Vorteil bei der Erfindung, der darin zu sehen ist, daß die Einrichtung zur Durchwirbelung, die das flügelförmige Gebilde 48 und die Ablenkeinrichtung 50 umfaßt, das Gas und die Luft so gut vermischt, daß das Gas nicht die Neigung besitzt, daß es in Richtung auf den Katalysator 44 zu strömen sucht, sondern diese Neigung besteht nur in dem Bereich,der unmittelbar die Achse des Einlasses umgibt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentanspruchs 0 Auspufftopf mit katalytischem Konverter, g e -k e n n z e i c h n e t durch ein äußeres Gehäuse (12) mit einem darin angeordneten einlaßseitigen Rohrstück (26) und einem aualaßseitigen Rohrstück (62) zum Einleiten und Abgeben der Abgase einer Brennkraftmaschine, für die der Auspufftopf mit katalytischem Konverter bestimmt ist, durch ein katalytisches Konverterelement (44), das in dem Gehäuse (12) in dem Strömungsweg der Abgase angeordnet ist, durch eine Ansaugeinrichtung (24), die mehrere Öffnungen (28) und einen Venturidüsenabschnitt (32, 34, 36) in dem einlaßseitigen Rohrstück zum Ansaugen von Zusatzluft über die Öffnungen (28) und zum Einleiten derselben in den Abgasstrom umfaßt, der durch den Venturiabschnitt des einlaßseitigen Rohrstückes geht, durch eine mit Öffnungen versehene Verteilerplatte (40), die mehrere im Abstand zueinander liegende Öffnungen (42) aufweist, die einen offenen Bereich bilden, der kleiner als der offene Flächenbereich des katalytischen Konverterelementes (44) ist, wobei die Verteilerplatte (40) in dem Gehäuse (12) zwischen der Ansaugeinrichtung (24) und dem katalytischen Konverterelement (44) angeordnet ist, und durch eine Durchwirbelungseinrichtung (48, 50), die zwischen der Verteilerplatte (40) und dem einlaßseitigen Ende des einlaßseitigen Rohrstückes (26) angeordnet ist.
2. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die mit Öffnungen versehene Verteilerplatte (40) in einem Abstand von dem katalytischen Konverterelement (44) angeordnet ist, der wenigstens ungefähr das 5,5-fache des Durchmessers der Öffnungen (42) in der Verteilerplatte (40) beträgt.
3. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die mit Öffnungen versehene Verteilerplatte (40) wenigstens fünf Öffnungen (42) pro 6,452 cm2 aufweist.
4. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Öffnungen (42) in der mit Öffnungen versehenen Verteilerplatte (40) ein Muster bilden, dessen Außenumfang im wesentlichen dem Außenumfang des offenen Einlaßflächenbereiches des katalytischen Konverterelementes (44) entspricht.
5. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der offene Flächenbereich der mit Öffnungen versehenen Verteilerplatte (40) 20 bis 40 °% des offenen Einlaßflächenbereiches des katalytischen Konverterelementes (44) beträgt.
6. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Durchwirbelungseinrichtung ein ortsfestes, flügelförmiges Gebilde (48) zur Durchwirbelung der Abgase und eine Ablenkeinrichtung (50) zur Umkehr des Strömungsverlaufes der Abgase umfaßt.
7. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das einlaßseitige Rohrstück (26), die Ansaugeinrichtung (24), das flügelförmige Element (48) und die Ablenkeinrichtung (50) in einer Strömungsbahn parallel zur Achse des äußeren Gehäuses (12), jedoch in einem Abstand zu dieser Achse angeordnet sind.
8. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß das auslaßseitige Rohrstück (62) ein mit Öffnungen versehenes Kammerteil (70) zur Schalldämpfung umfaßt, der innerhalb des äußeren Gehäuses (12) und in der Nähe des Auslasses des katalytischen Konverterelementes (44) angeordnet ist, und daß alle, über das auslaßseitige Rohrstück (62) austretenden Gase durch die Öffnungen (76) gehen, die den mit Öffnungen versehenen Kammerteil (70) begrenzen.
9. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine zusätzliche Kammer (70) zur Schalldämpfung wenigstens teilweise das katalytische Konverterelement (44) umgibt und daß die zusätzliche Kammer (70) an einem Ende (74) geschlossen und am anderen Ende (72) mit Öffnungen versehen ist.
10. Auspufftopf mit katalytischem Konverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das katalytische Konverterelement (44) von einem monolithischen keramischen Substrat gebildet wird, das mehrere, das Substrat durchziehende axiale Strömungskanäle (46) besitzt.