DE2913733A1

DE2913733A1 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2913733A1
Application number: DE19792913733
Authority: DE
Inventors: Akio Kakinuma; Hiroo Oya
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1978-04-08
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1979-10-11
Also published as: US4206179A; DE2913733C2; GB2022440A; SE7902412L; GB2022440B; SE440117B; FR2422030B1; FR2422030A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen.

Es sind bereits drei Arten von katalytischen Konvertern vorgeschlagen worden, und zwar ein reduzierender katalytischer Konverter zum Beseitigen von Stickstoffoxiden, ein oxidierender katalytischer Konverter zum Beseitigen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen und ein Dreiwege-Konverter zum Umsetzen der drei giftigen Elemente zur gleichen Zeit. Der Konverter weist ein Katalysatorbett auf, welches den Katalysator in Form einer Tablette, als monolithischer Katalysator oder in Wabenform aufweist. Das monolithische Katalysatorbauteil umfaßt eine Reihe in Längsrichtung ausgerichteter Kanäle oder Durchlässe, so daß die Abgase glatt durch das Katalysatorbauteil fließen können. Allerdings besteht insofern eine Schwierigkeit, als die Reaktion unter Umständen nicht ausreichend durchgeführt wird, um jeden giftigen Bestandteil auf das nötige Niveau zu verringern, weil die Verweilzeit der Gasströmung zu gering ist.

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, sind bereits Vorrichtungen vorgeschlagen worden, mit denen die Verweilzeit der Gasströmung im Konverter verlängert werden soll. Bei solchen Vorrichtungen ist beispielsweise der Abgabebereich des Auspuffrohres so verformt, daß die Gasströmung eingeengt oder verteilt wird, oder es ist eine perforierte Platte vor dem Katalysator vorgesehen, um die Gasströmung zu verteilen und die Strömungsgeschwindigkeit zu verringern. Diese Vorrichtungen haben jedoch den Haehteil, daß der Auspuffwiderstand durch die Einengung der Gasströmung erhöht wird, wodurch sich die Motorleistung verschlechtert.

Ferner ist beim herkömmlichen katalytisehen Konverter die Achse der Einlaßöffnung rechtwinklig zur Stirnebe-

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ne des Katalysators in deren Mittelbereich ausgerichtet. Auch wenn die Einlaßöffnung durch eine konusförmige Leitung mit dem Katalysator in Verbindung steht, kann die Abgasströmung nicht ausreichend über die ganze Stirnfläche des Katalysators verteilt werden, sondern hat das Bestreben sich im mittleren Bereich der Stirnebene zu sammeln. Polglich wird der mittlere Bereich auf hohe Temperatur erhitzt, was zu einer raschen Beschädigung dieses Bereichs führt·

Aufgabe der Erfindung ist es, einen monolithischen katalytischen Konverter zu schaffen, in welchem das Abgas verteilt und verlangsamt werden kann, ohne daß der Auspuff widerstand erhöht wird, und in dem das Abgas gleichmäßig durch alle Durchlässe des Katalysators strömen kann, so daß eine ausreichende Oxidierung der giftigen Bestandteile bewirkt wird.

Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre, einen mit den Auspuffrohren in Verbindung stehenden katalytischen Konverter und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr in Verbindung mit dem katalytischen Konverter auf. Der kaSalytische Konverter weist eine zylindrische Schale auf, die eine Einlaßkammer und eine Katalysatorkammer sowie eine Auslaßkammer begrenzt, wobei das monolithische Katalysatorbauelement federnd nachgiebig in der Katalysatorkammer angebracht ist. Die Einlaßkammer hat zwei Einlaßöffnungen, die mit den beiden vorderen Auspuffrohren in Verbindung stehen, während die Auslaßkammer eine Auslaßöffnung hat, die mit dem hinteren Auspuffrohr in Verbindung steht. Die Achse 3^eder Einlaßöffnung verläuft unter einem epitzen oder schrägen Winkel zur Stirnebene des Katalysatorbauteils, so daß die in den Konverter eintretende Gasströmung über die ganze Stirnfläche des Katalysatorbauteils verteilt werden kann. Ferner ist derjenige Teil der Schale, der zwischen den beiden Einlaßöffnungen angeordnet ist, sattel-

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förmig gestaltet, wodurch die Verteilung der Gasströmung gefördert wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Pig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den katalytischen Konverter gemäß Pig. 1 im Schnitt;

Pig. 3 eine Seitenansicht des katalytischen Konverters;

Pig. 4 eine perspektivische Ansicht von Schalen

des katalytischen Konverters in auseinandergenommenem Zustand;

Pig. 5 den Schnitt längs der Linie V-V in Pig. 2; Pig. 6 den Schnitt längs der Linie VI-VI in Pig. 2;

Pig. 7 eine Teildraufsicht auf den Einlaßkammerbereich im Schnitt;

Pig. 8 einen Schnitt durch einen Stift;

Pig. 9 eine Stirnansicht von rechts in Pig. 1 gesehen in vergrößertem Maßstab.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Auspuffanlage, in der der katalytische Konverter gemäß der Erfindung angeordnet ist, ein gegabeltes Auspuffrohr mit zwei in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohren 2 und 3» die an zwei Auspuff— öffnungen des Motors 1 angeschlossen sind, sowie ein gemeinsames, in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr 4 auf. Ein solches gegabeltes Auspuffrohr wird beispielsweise bei Motoren mit horizontal einander gegenüber angeordne-fcen Zylindern verwendet. Im Bereich des Zusammenlaufs bzw. der Gabelung der Auspuffrohre ist ein erfindungsgemäßer katalytischer Konverter 5 angeordnet, wobei die Enden der Aue-

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puff rohre 2 und 3 jeweils mit einem Einlaß des kataly tischen Konverters verbunden sind, während das gemeinsame Auspuffrohr 4 an einen Auslaß desselben angeschlossen ist.

Der katalytische Konverter 5 weist ein monolithisches Katalysatorbauteil 6, welches in einer zylindrischen Schale 7 von ovalem Querschnitt angeordnet ist, sowie einen Schutzmantel 8 auf, wie in Fig. 2-6 gezeigt. Der Katalysator ist ein monolithischer Dreiwege-Katalysator; aber es können auch andere Arten von Katalysator als Konverter verwendet werden. Die Schale 7 weist zwei Halbschalen 9 und 10 auf, die jeweils als Preßteil aus rostfreiem Stahlblech hergestellt sind. Jede Halbschale 9 und 10 besteht aus einer Körperschale 11, einer verjüngten Einlaßschale 12 sowie einer verjüngten Auslaßschale 13· Die Einlaßschale 12 ist mit zwei halbkreisförmigen Einlaßbereichen H und 15 ausgebildet, während die Auslaßschale 13 einen halbkreisförmigen Auslaßbereich 1b hat. Durch Vereinigen der beiden Halbschalen 9 und 10 wird eine Katalysatοrkammer von den Körperschalen 11 gebildet, während die verjüngten Einlaßschalen 12 eine Einlaßkammer 17 und die halbkreisförmigen Einlaßbereiche 14 und 1b Einlaßöffnungen 18 und 19 bilden. Ferner wird von den verjüngten Auslaßschalen 13 eine Auslaßkammer 20 gebildet und von den halbkreisförmigen Auslaßbereichen 16 eine Auslaßöffnung 21. Die Achsen der Einlaßöffnungen 18 und 19 bilden einen schrägen bzw. spitzen Winkel mit der Stirnebene des Katalysatorbauteils, so daß der schräge Querschnitt der Einlaßöffnung im wesentlichen der ovalen Form der Stirnebene des Katalysatorbauteils entspricht. Die Auslaßöffnung 21 ist gegenüber der Achse der Katalysatorkammer versetzt und bildet einen Winkel zu der Achse. Der zwischen den Einlaßöffnungen liegende Teil 41 der Einlaßschale 12 ist sattelförmig gestaltet.

Beim Zusammensetzen wird das monolithische Katalysatorbauteil 6 mit einem ringförmigen Rand 22 in Eingriff ge-

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bracht und von einem Drahtsieb 23 und S ohalldämpfe rge flechten 24 und 25 umhüllt. Das umwickelte oder umhüllte Katalysatorbauteil 6 wird mit einer der Halbschalen 9 und 10 in Eingriff gebracht und danach wird die andere Halbschale mit der ersten verbunden und verschweißt. Das Schalldämpfergeflecht 24 ist zwischen einer Schulter 26 der Körperschale 11 und dem ringförmigen Rand 22 angeordnet, und das Schalldämpfergeflecht 25 ist zwischen einer Schulter 27 der Schale und dem Ende des Katalysatorbauteils angeordnet. Auf diese Weise ist das monolithische Katalysatorbauteil 6 vom Drahtsieb 23 sowie den Schalldämpfergeflechten 24 und 25 federnd nachgiebig gehalten, so daß eine Bewegung des Katalysatorbauteils verhindert wird und das Schalldämpfergeflecht 24 und der ringförmige Rand 22 als Abdichtung wirken, die verhindert, daß Abgase durch den Raum zwischen dem Katalysatorbauteil und der Innenwand der Schale 7 hindurchgelangen.

Die vorderen Auspuffrohre 2 und 3 werden mit den Einlaßöffnungen 18 bzw. 19 in Eingriff gebracht und verschweißt, und das hintere Auspuffrohr 4 wird mit der Auslaßöffnung 21 in Eingriff gebracht. Der Endbereich jedes vorderen Auspuffrohres ist im Durchmesser aufgeweitet, wie durch Bezugszeichen 30 in den Fig. 2 und 7 kenntlich gemacht, und dieser aufgeweitete Bereich dient als Diffusor für die Abgasströmung. Die Schale 7 des Konverters ist von dem Schutzmantel 8 umgeben, der zwei Hälften 31 und 32 aufweist. Die Hälften sind an dem die Auspuffrohre 2, 3 und 4 umgebenden Bereich miteinander verbunden und mittels Bolzen 33 befestigt. Die TJmfangsränder der beiden Hälften 31 und 32 sind im Abstand voneinander angeordnet, und zwischen dem Schutzmantel 8 und der Schale 7 ist ein Raum 34 vorgesehen. Dadurch kann Luft aus dem Spalt 35 zwischen den Rändern der Hälften 31 und 32 in den Raum 34 eintreten und den Konverter im Betrieb kühlen, lerner ist in der Einlaßkammer 17 zur Verstärkung ein Stift 36 vorgesehen, der an beiden

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Enden Bereiche 36a mit kleinerem Durchmesser und eine Schulter 36b hat. Jeder Bereich 36a mit kleinerem Durchmesser steht mit einer öffnung in der Halbschale in Eingriff, und die Schulter 36b stützt die Halbschale, wobei eine Schweißverbindung zwischen dem Bereich 36a und der Halbschale hergestellt ist. Der Stift 36 ist an einer Stelle vorgesehen, die in gewissem Abstand in Strömungsrichtung vor dem Kreuzungspunkt der Achsen der Einlaßöffnungen 18 und 19 liegt, wie Pig. 7 zeigt. Das Abgas strömt also durch die Einlaßöffnungen 18 und 19 und wird vom Stift 36 verteilt.

Im Betrieb strömen Abgase aus den Einlaßöffnungen und 19 abwechselnd gemäß der Zündfolge des Motors in die Einlaßkammer 17. Da die Achse jeder Einlaßöffnung einen spitzen Winkel mit der Stirnfläche des Katalysatorbauteils 6 einschließt, kann der schräge Querschnitt der Einlaßöffnung im wesentlichen der ovalen Stirnebene des Katalysatorbauteils entsprechen, so daß die Gasströmung über die gesamte Stirnfläche des Katalysatorbauteils verteilt werden kann. Deshalb ist eine gleichmäßige Strömung im Katalysatorbauteil zu erwarten. Ferner wird die Diffusion der Gasströmung durch die sattelförmige Gestalt des Teils 41 gefördert. Außerdem strömen die Abgase durch Jeden Durchlaß im Katalysatorbauteil in einem zickzackförmigen Strömungsmuster, wie durch Pfeile 37 in Fig. 7 angedeutet, weil die Abgase in einen Durchlaß eintreten, der unter einem Winkel zur Achse des Eingangs verläuft. Das Zickzackströmungsmuster verlängert die Verweilzeit des Gases im Katalysatorbauteil im Vergleich zu einem Konverter, bei dem die Gase gerade durch den Durchlaß strömen. Gemäß der Erfindung ist also eine ausreichende Verweilzeit und eine gleichmäßige Strömung der Abgase im Katalysatorbauteil erzielbar, so daß die Menge giftiger Bestandteile auf das nötige Fiveau abgesenkt werden kann, ohne daß dabei der Auspuff widerstand bzw. Rückdruck erhöht wird.

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Um die zylindrische Schale 7 mit den beiden Einlaßöffnungen 18 und 19 aus Stahlblech-Preßteilen herstellen zu können, werden vorzugsweise die beiden Halbschalen 9 und 10 miteinander verbunden, wie bereits beschrieben. Allerdings ist es schwierig, eine solche Halbschale mit großer Genauigkeit durch Pressen von Stahlblech herzustellen. Polglich besteht die Gefahr, daß bei der zusammengesetzten zylindrischen Schale 7 ein verhältnismäßig großer Dimensionsfehler vorkommt. Wenn der Spalt zwischen der Schale 7 und dem Katalysatorbauteil größer ist als die Toleranz des Konverters, wird die Dichtungswirkung des Schalldämpfergeflechtes verringert, und Abgase strömen durch den Spalt ohne mit dem Katalysatorbauteil in Berührung zu gelangen. Um diesen möglichen Fehler auszuschalten, werden die Halbschalen 9 und 10 vom Stift 36 in der gewünschten Lage abgestützt.

Die Auspuffrohrkonstruktion des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels ist am Fahrzeugkörper durch eine federnd nachgiebige Konsole 38 am Ende des Auspuffrohres 4 angebracht, so daß eine Bewegung der Auspuffrohrkonstruktion aufgrund von Wärmedehnung oder von durch den Fahrzeugkörper übertragenen Stössen und dgl. möglich ist. Die Konsole 38 ist aus länglichem^ federnd nachgiebigem Stahlblech hergestellt und an einem Ende mit dem Auspuffrohr 4 an einer Stelle in der Nähe eines Flansches 39 verschweißt, der zur Verbindung mit dem hier nicht gezeigten Auspufftopf dient. Ferner hat die Konsole 38 U-förmig gebogene Bereiche 38a und 38b, einen oberhalb des Auspuffrohres und über das Auspuffrohr hinweg angeordneten horizontalen Bereich 38c und ist an ihr .em anderen Ende 38d am Fahrzeugkörper 40 befestigt. Die U-förmig gebogenen^ federnd nachgiebigen Bereiche 38a und 38b sind von oben in Fig. 1 gesehen an entgegengesetzten Seiten des Auspuffrohres angeordnet. Folglich kann eine axiale Bewegung der Auspuffrohrkonetruktion mit den Auspuffrohren 2,3 und 4 und dem Konverter 5 durch das

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Biegen der federnd nachgiebigen Bereiche 38a und 38b aufgenommen werden·

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Zusammenfassung

Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit zwei in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohren, einem katalytischen Konverter und einem in Strömungsrichtung hinteren Auspuffrohr. Der katalytische Konverter weist eine zylindrische Schale ir.it einer Einlaßkammer, einer Katalys at or kammer u; i einer Auslaßkammer auf. Die Achse der Einlaßöffnung is : unter einem spitzen Winkel zur Stirnebene des Katalysatcrba ceils ausgerichtet, so daß die Gasströmung über die gcsarte Ebene des Bauelements verteilt werden kann.

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Claims

REINLÄNDER & BERNHARDT

PATENTANWÄLTE

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Orthstraße

D-8000 München

Anmelder:

Prioritäten:

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Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha 1-7-2 Nishishinjuku, Shinjuku-ku,

Tokio, Japan

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Abgasre inigungsvorrichtung

Patentans prüche

y Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen, gekennzeichnet durch ein in Strömungsrichtung vorderes Auspuffrohr, welches zur Verbindung mit Auslaßöffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet ist, einen katalytischen Konverter, der mit dem Auspuffrohr in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr, welches mit dem katalytischen Konverter in Verbindung steht, wobei der katalytisch^ Konverter eine Schale aufweist, die eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer mit ovalem Querschnitt und eine Auslaßkammer bildet_}und ein monolithisches Katalysatorbauteil in der Katalysatorkammer

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angeordnet ist und wobei die Einlaßkammer eine mit dem vorderen Auspuffrohr in Eingriff stehende Einlaßöffnung hat, die so angeordnet ist, daß ihre Achse einen schiefen Winkel mit der in Strömungsrichtung vorderen Stirnebene des Katalysatorbauteils bildet.

2. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen,

gekennzeichnet durch zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre, die zur Verbindung mit Auslaßöffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet sind, einen katalytischen Konverter, der mit den Auspuffrohren in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr, welches mit dem katalytischen Konverter in Verbindung steht, wobei der katalytische Konverter eine Schale aufweist, die eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer von ovalem Querschnitt und eine Auslaßkammer bildet, wobei in der Katalysatorkammer ein monolithisches Katalysatorbauteil angeordnet ist und wobei die Einlaßkammer zwei Einlaßöffnungen hat, die mit den vorderen Auspuffrohren in Eingriff stehen und so angeordnet sind, daß ihre Achsen einander in der Einlaßkammer an einer Stelle in der Nähe des in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Endes des monolithischen Katalysatorbauteils, aber in Strömungsrichtung vor diesem kreuzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (41) der Schale (7) zwischen den beiden Einlaßöffnungen (18, 19) sattelförmig gestaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichne t, daß jedes der vorderen Auspuffrohre (2_f 3) einen aufgeweiteten Endbereich hat, der als Diffusionseinrichtung für die aus dem Ende abgegebenen Abgase dient.

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5. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen,

gekennzeichnet durch zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre, die zur Verbindung mit Auslaß-Öffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet sind, einen katalytischen Konverter, der mit den Auspuffrohren in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr, welches mit dem katalytischen Konverter in Verbindung steht, der eine zylindrische Schale aufweist, die aus Halbschalen (9, 10) besteht und eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer mit ovalem Querschnitt und eine Auslaßkammer bildet, wobei in der Katalysatorkammer ein monolithisches Katalysatorbauteil (6) angeordnet ist und in der Einlaßkammer zwischen den Halbschalen ein Stift (36) vorgesehen ist, und wobei die Einlaßkammer zwei Einlaßöffnungen (18, 19) hat, die mit den vorderen Auspuffrohren (2, 3) in Eingriff stehen und so angeordnet sind, daß ihre Achsen einander in der Einlaßkammer an einer Stelle in der Nähe des in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Endes des monolithischen Katalysatorbauteils, aber in Strömungsrichtung vor diesem kreuzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (36) an einer Stelle in der Nähe des Kreuzungspunktes der Achsen der Einlaßöffnungen (18, 19) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen,

gekennzeichnet durch zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre, die zur Verbindung mit Auslaßöffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet sind, einen katalytischen Konverter, der mit den Auspuffrohren in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr, welches mit dem katalytischen Konverter in Verbindung steht, der eine zylindrische Schale aufweist, die eine Ein-

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laßkammer, eine Katalysatorkammer von ovalem Querschnitt und eine Auslaßkammer bildet, wobei in der Katalysatorkammer ein monolithisches Katalysatorbauteil angeordnet ist und das in Strömungsrichtung hintere Auspuffrohr (4) mittels einer federnd nachgiebigen Konsole (38) am Fahrzeugkörper befestigt ist und wobei die Einlaßkammer zwei Einlaßöffnungen hat, die mit den in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohren in Eingriff stehen und so angeordnet sind, daß ihre Achsen einander in der Einlaßkammer an einer Stelle in der Uähe des in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Endes des monolithischen Katalysatorbauteils, aber in Strömungsrichtung vor diesem kreuzen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzei chne t, daß die federnd nachgiebige Konsole (38) für das hintere Auspuffrohr (4) aus Stahlblech hergestellt ist und zwei gebogene₍federnd nachgiebige Bereiche (38a, 38b) hat.

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