DE4130113A1 - Katalysatoranordnung mit einer eingangsseitigen diffusorartigen gasleitvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Die aus der gattungsbildenden DE-PS 24 29 002 bekannte, starr aufgebaute, diffusorartige Gasleitvor­ richtung dient der Lösung der Aufgabe, das in das Katalysatorge­ häuse einströmende Abgas gleichmäßig über den gesamten Katalysator­ querschnitt zu verteilen. Eine derartige gleichmäßige Beaufschla­ gung des Katalysators über seinen gesamten Querschnitt bietet Vor­ teile hinsichtlich der Lebensdauer und der Wirksamkeit des Kataly­ sators.

Bekanntlich arbeitet ein Katalysator zumindest mit hohem Wirkungs­ grad erst dann, wenn seine Temperatur einen bestimmten Wert, soge­ nannte Anspringtemperatur, erreicht bzw. überschreitet. In vielen Anwendungsfällen, so auch bei dem bevorzugten Einsatzfall der Er­ findung, nämlich zur Reinigung der Abgase einer Kraftfahrzeug- Brennkraftmaschine, gibt es jedoch Betriebsbereiche, in denen diese Anspringtemperatur noch nicht erreicht ist. Beispielsweise nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine dauert es einige Zeit, bis einerseits die Abgase eine hohe Wärmemenge transportieren und andererseits die Katalysatormasse erwärmt ist. Zur Beschleunigung dieses Aufheizvorgangs gibt es eine Reihe von Konstruktionen, denen das Ziel gemeinsam ist, bei einem Kaltstart nur eine relativ kleine Katalysatormasse mit Abgas zu beaufschlagen, die sich demgemäß schnell aufheizt, und nach erfolgtem Warmlauf der Brennkraftmaschi­ ne eine weitere Katalysatormasse für die Reinigung der Abgase zuzu­ schalten. So sieht die DE-OS 37 38 538 im Gaseinlauf des Kataly­ satorgehäuses ein in Richtung der Längsachse des Gehäuses tempera­ turabhängig verschiebbares Rohr vor, das bei Berührung mit der zu­ gekehrten Stirnfläche des Katalysators eine Abgasbeaufschlagung nur des zentralen Bereichs desselben sicherstellt, dagegen nach Abheben von dieser Stirnfläche die Beaufschlagung der gesamten Quer­ schnittsfläche des Katalysators zuläßt. Denselben Effekt soll eine aus der DE-OS 23 21 578 bekannte Vorrichtung mit einem über ein Bi­ metall gehaltenen Stauelement in Strömungsrichtung vor dem Kata­ lysator haben. Schließlich beschreibt die DE-OS 28 51 675 eine Konstruktion mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeord­ neten Katalysatoren, von denen der strömungseingangsseitige ring­ förmig ausgebildet und von einem Rohr durchsetzt ist, in dem sich eine Drosselklappe befindet; diese wird lastabhängig mehr oder weniger geöffnet bzw. geschlossen. Bei geöffneter Drosselklappe wird demgemäß praktisch nur der in Richtung der Abgasströmung zweite der beiden Katalysatoren durchströmt, dagegen erfolgt bei geschlossener Drosselklappe eine der Durchströmung der nunmehr in Reihe liegenden beiden Katalysatoren.

Gemeinsam ist diesen zuletzt beschriebenen Konstruktionen der Nach­ teil, daß sie nur auf die Abgasbeaufschlagung unterschiedlicher Katalysatormassen in Abhängigkeit von der Abgas- bzw. Katalysator­ temperatur oder der jeweiligen Last der Maschine ausgerichtet sind, während das Problem der Gleichmäßigkeit der Abgasbeaufschlagung des Katalysators über seinen gesamten Querschnitt unberücksichtigt bleibt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Katalysatoranordnung unter Wahrung ihres grundlegenden Vor­ teils, nämlich der Erzielung einer gleichmäßigen Abgasbeaufschla­ gung des Katalysators über seinen gesamten Querschnitt, zu schaffen, die zugleich sicherstellt, daß im kalten Zustand nur eine verhältnismäßig geringe Masse des Katalysators von Abgas durch­ strömt wird, während bei warmer Betriebsweise die gesamte Katalysa­ tormasse wirksam ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung löst die definierte Aufgabe also insofern in beson­ ders eleganter Weise, als ein und dieselbe Einrichtung, nämlich die Gasleitvorrichtung, sowohl eine gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysators über seinen gesamten Querschnitt im aufgeheizten Zu­ stand als auch die Wirksamkeit nur eines Teils der gesamten Kataly­ satormasse im kalten Zustand sicherstellt. Dazu ist die Gasleitvor­ richtung aus mehreren Teilen, nämlich Leitschaufeln, zusammenge­ setzt, die relativ zueinander zwischen zwei Lagen verstellt werden können, in deren einer, während einer Aufwärmphase eingenommener Lage sie die Gasströmung auf einen beschränkten zentralen Bereich des Katalysators düsenartig lenken, während sie in ihrer anderen, nach der Aufwärmphase eingenommenen Stellung der Gasleitvorrichtung den Charakter eines Diffusors verleihen; dann wird also der Kataly­ sator über seinen gesamten Querschnitt weitgehend gleichmäßig von dem zu reinigenden Gas beaufschlagt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Katalysatoranordnung während der Aufwärmphase,

Fig. 2 einen Längsschnitt nach Beendigung der Aufwärm­ phase,

Fig. 3 den in Fig. 1 bei III-III angedeuteten Querschnitt und

Fig. 4 perspektivisch eine der Leitschaufeln.

Der Katalysator 1 üblichen und daher nicht zu beschreibenden Auf­ baus ist in ebenfalls bekannter Weise in dem Katalysatorgehäuse 2 gehalten, das in diesem Ausführungsbeispiel in den Zug der Abgas­ leitung 3 einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine eingeschaltet ist. Das Katalysatorgehäuse 2 besitzt in Strömungsrichtung vor dem Kata­ lysator 1 den sich in Richtung auf den Katalysator 1 trichterartig erweiternden Abgaseinlauf 4 sowie hinter dem Katalysator den Aus­ lauf 5, durch den die gereinigten Abgase die Anordnung verlassen.

Im wesentlichen innerhalb des Gaseinlaufs 4 erkennt man die allge­ mein mit 6 bezeichnete Gasleiteinrichtung, die erfindungsgemäß aus mehreren getrennten, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Leit­ schaufeln besteht, von denen in Fig. 1 nur die mit 7 und 8 bezeich­ neten gezeichnet sind. Gemäß dem Querschnitt nach Fig. 3 handelt es sich um insgesamt vier derartige Leitschaufeln 7 bis 10, die kon­ zentrisch zum Gehäuse 2 verlaufen und in der in Fig. 1 dargestell­ ten Lage eine düsenartig wirkende Gasleitvorrichtung bilden, die dafür sorgt, daß im wesentlichen nur ein mittlerer Bereich des Katalysators 1 vom Abgas beaufschlagt wird. In diesem "eingezoge­ nen" Zustand befinden sich die Leitschaufeln 7 bis 10 während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, d. h. während des Erwärmungs­ vorgangs des Katalysators 1. Die Beschränkung der Wirksamkeit des Katalysators auf einen nur relativ kleinen zentralen Bereich be­ schleunigt die Aufwärmung des Katalysators gegenüber dem Fall er­ heblich, in dem die gesamte Katalysatormasse von Abgas beaufschlagt und erwärmt werden muß.

Sobald die Warmlaufphase beendet ist, bilden die Leitschaufeln 7 bis 10 die in Fig. 2 dargestellten Konfiguration, in der sie gleichsam auseinandergespreizt sind und so eine diffusorartig wir­ kende Gasleitvorrichtung 6 bilden.

Die Bewegung der Leitschaufeln 7 bis 10 zwischen den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Extremstellungen erfolgt in Abhängigkeit von der Abgastemperatur durch entsprechende Auslegung der den einzelnen Leitschaufeln individuell zugeordneten Halterungen. In den Fig. 1 und 2 sind nur die beiden Halterungen für die Leitschaufeln 7 und 8 dargestellt. Sie bestehen im wesentlichen aus gewölbten Memory­ oder Bimetallteilen 11 und 12, die mit ihren strömungseintrittssei­ tigen Enden bei 13 und 14 am Gehäuse 2 festgelegt sind, während ihre in den Figuren rechten Enden in Niederhaltern 15 und 16 ver­ laufen, die Gleitbewegungen längs der Innenwand des Gehäuses 2 zu­ lassen. Etwa im Bereich des Scheitels der Wölbung, d. h. bei 17 und 18, tragen die Teile 11 und 12 die Leitschaufeln 7 und 8; ent­ sprechendes gilt für die Halterung der weiteren Leitschaufeln 9 und 10.

Die Teile 11 und 12 sind so ausgelegt, daß sie bei tiefen Tempera­ turen das Maximum ihrer Wölbung erreichen, demgemäß also die düsen­ artige Konfiguration der Gasleitvorrichtung 6 entsprechend Fig. 1 sicherstellen. Mit zunehmender Temperatur gehen die Wölbungen der Teile 11 und 12 zurück, bis sie schließlich ihr Minimum gemäß Fig. 2 erreichen und eine diffusorartige Gasleitvorrichtung 6 ge­ bildet wird.

Fig. 4 zeigt die Verhältnisse im Bereich der Leitschaufel 8 per­ spektivisch.

Mit der Erfindung ist demgemäß auf einfache Weise eine gattungsge­ mäße Katalysatoranordnung geschaffen, die einerseits im warmen Zu­ stand den Vorteil einer gleichmäßigen Abgasverteilung über den ge­ samten Katalysatorquerschnitt sicherstellt, andererseits während der Aufwärmphase die Abgasbeaufschlagung des Katalysators auf einen verhältnismäßig kleinen Bereich beschränkt.

Claims (3)

1. Katalysatoranordnung zur Behandlung von strömenden Gasen, ins­ besondere Abgas einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brenn­ kraftmaschine, mit zumindest einem Katalysator in einem Ge­ häuse, das einen sich in Richtung auf den Katalysator trichter­ ähnlich erweiternden Gaseinlauf besitzt, in dem eine bei warmem Katalysator diffusorartige Gasleitvorrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitvorrichtung (6) aus meh­ reren in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Leitschaufeln (7, 8, 9, 10) besteht, denen temperaturabhängige Halterungen (11, 12) zur Bewegung zwischen einer gespreizten Lage der katalysa­ torseitigen Schaufelenden bei warmem Katalysator (1) und einer düsenähnlich zusammengezogenen Lage dieser Schaufelenden bei kaltem Katalysator (1) zugeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen im wesentlichen durch gewölbte Memory- oder Bime­ tallteile (11, 12) gebildet sind, deren Wölbungsgrad tempera­ turabhängig ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Memory- bzw. Bimetallteile (11, 12) einenends am Gaseinlauf (4) festgelegt sowie in Richtung aufeinander zu gewölbt sind und im Bereich ihrer Wölbungsscheitel die Leitschaufeln (7, 8, 9, 10) tragen.