DE9201320U1 - Katalysatorvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

D14-4668

Tasco Gesellschaft für katalytische Abgasreinigungssysteme mbH, D-5408 Nassau/Lahn

Katalysatorvorrichtunq für Verbrennunqskraftmaschinen

Die Erfindung betrifft Katalysatorvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise in Form von auf otto- oder dieselmotorischen Brennverfahren beruhenden Kraftmaschinen. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung an derartige Maschinen anschließbare Abgasnachbehandlungsanlagen, die auf dem allgemein bekannten und durchgesetzten Prinzip einer katalytischen Umwandlung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe basieren.

Konventionelle Katalysatorvorrichtungen verfügen im allgemeinen über je eine Eintritts- und Austrittsöffnung für den Abgasstrom, welche vor bzw. nach dem Katalysatorsubstrat (beispielsweise in Form einer gewickelten Metallfolie oder Keramik-Monoliths) vorgesehen sind. In Abhängigkeit von der strömungsdynamischen Gestaltung des das Substrat umgebenden Katalysatorgehäuses und den strömungstechnischen Zustandsgrößen des Abgases, die sich insbesondere durch Massenstrom, Temperatur und Druckverhältnisse kennzeichnen, bestreicht die zu reinigende Gasmasse mehr oder minder große Teile der Stirnfälche des Substrates. Besonders im Niedriglastbereich der Kraftmaschine (bzw. des Motors) reduziert sich die vom Abgas beaufschlagte Fläche des Katalysators auf die zentralen Bereiche des Substratkörpers, während bei höherer Motorbelastung in zunehmendem Maße auch die Randbereiche des Katalysators angeströmt werden. Durch die vergleichsweise geringe aktive Katalysatoroberfläche, die im kalten und niedriglastigen Motorbetrieb vom Abgas ausgenutzt wird, ergibt sich eine reduzierte Konvertierungsrate, mit der schärfere Abgasnormen wie die US '93

Norm für "Low Emission Vehicle" und "Ultra Low Emission Vehicle" nicht mehr eingehalten werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Katalysatoreinrichtung zu schaffen, die bei möglichst allen Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende abgasreinigende Wirkung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist es durch die Anordnung von zwei oder auch mehr Abgasrohren auf der Ein- und Austrittsseits des Katalysatorgehäuses, die auf verschiedene Bereiche der jeweiligen Katalysatorsubstrat-Stirnfläche gerichtet sind, und mit zumindest in ausgewählten dieser Abgasrohre vorgesehenen Absperreinrichtungen möglich, die Strömungsführung durch das Substrat betriebsabhängig anzupassen und den Substratkörper je nach Betriebszustand in unterschiedlicher Weise ein- oder mehrfach, jedoch in jedem Fall vollständig, zu beaufschlagen. Hierzu sind die Absperreinrichtungen in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine steuerbar. Da die Abgasrohrquerschnitte unterschiedliche Bereiche der Substratstirnseiten abdecken, ist es durch selektive Sperrung bestimmter Abgasrohre möglich, die Abgasströmung mehrfach durch das Substrat hindurch umzulenken. Hierbei können beispielsweise sukzessive von der Substratmitte aus bis zu dessen Rand (oder auch umgekehrt) aneinandergrenzende Ringbereiche durchströmt werden. Auf diese Weise ist es insbesondere im kalten Motorbetrieb oder Niedriglastbetrieb möglich, eine Beaufschlagung des gesamten Substratkörpers sowie eine hohe Konvertierungsrate zu erzielen. Die effektiv angeströmte Oberfläche des Katalysators kann so vergrößert werden. Durch die mehrfache Umlenkung ergibt sich eine Erhöhung des Abgasrückdrucks verbunden mit einer Anhebung der Verweilzeit der Abgase im Katalysator. Die durch die Umlenkung entstehenden Strö-

mungsturbulenzen verbessern den Gasaustausch mit der Katalysator-Reinigungstaeschichtung und dem Edelmetall.

Demgegenüber kann einer höheren Motorbelastung dadurch Rechnung getragen werden, daß bei geöffneten Absperreinrichtungen für eine umlenkungsfreie Strömung mit geringen Druckverlusten gesorgt wird. Die mehrflutige Anströmung bedingt durch zwei oder mehr Anschlußrohre erbringt zudem eine homogenere Strömungsverteilung als bei bisherigen Lösungen mit nur einer Gaszu- und -ableitung.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 läßt sich ohne großen technischen Aufwand auf vielfältige Weise realisieren. Die Anordnung von zwei oder mehr im Anschlußbereich koaxialen Rohren, deren Querschnittsflächen auf jeder Seite unterschiedlich zunehmen, ist besonders vorteilhaft, um eine sukzessive Durchströmung aufeinanderfolgender Ringräume zu realisieren. Zur Erzielung eines einfachen Anschlusses an den Abgasraum der Verbrennungskraftmaschine durchdringen diese Rohre einander vorzugsweise im Bereich der konischen Verjüngung des Rohrs größten Querschnitts.

Jedoch kann die geschilderte Art der unterschiedlichen Substratbeaufschlagung durch Mehrfachumlenkung der Strömung auch durch aneinander grenzende Rohrkränze paralleler Röhren auf der Ein- und Austrittsseite erzielt werden, wobei durch entsprechende Sperrung gegenüberliegender Kranzbereiche die aus dem Substrat austretende Strömung jeweils zurückgelenkt wird, bevor sie durch äußere oder mittlere Rohre, deren Absperreinrichtungen geöffnet sind oder die aus diesem Grund gar keine Absperreinrichtungen aufweisen, abgelassen wird.

Eine besonders einfache und kostengünstige Anordnung läßt sich mit nur zwei Abgasrohren auf jeder Seite erzielen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig.l ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung im Längsschnitt ohne Stellorgane und Steuervorrichtung;

Fig.2 die Katalysatorvorrichtung aus Fig.l mit Stellorganen und Steuervorrichtung;

Fig.3 und 4 jeweils die Katalysatorvorrichtung aus Fig.l im Betrieb mit geschlossenen Absperrgliedern und mit geöffneten Absperrgliedern und

Fig.5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung im Längsschnitt.

Die Fig.l zeigt eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung ohne Stellorgane 2,3 und Steuervorrichtung 4 gemäß Fig.2 (im folgenden kurz als Katalysator 1 bezeichnet). Der Katalysator 1 umfaßt in üblicher Weise einen von einem zylindrischen Gehäuse 11 umgebenen Substratkörper 12 z.B. in Form einer gewickelten Metallfolie. Das Katalysatorgehäuse 11 weist auf der Gasein- und -austrittsseite je zwei Gasrohre 7 und 8 bzw. 9 und 10 mit etwa gleich großem kreisförmigem Querschnitt außerhalb des Anschlußbereichs auf.

Die Eintrittsrohre 7 und 8 stellen entweder selbst die Abgasleitungen einer zweiflutigen Abgasführung aus einem nicht dargestellten Motor dar oder sind an einen entsprechenden Verzweigungspunkt einer einflutigen Abgasleitung angeschlossen. Je eines der Ein- und Austrittsrohre, im dargestellten Fall die Rohre 7 und 9, erweitert sich im Anschlußbereich an das Katalysatorgehäuse 11 auf dessen geometrische Abmessungen. Im Anschlußbereich verlaufen die Rohre auf der Ein- und Austrittsseite koaxial, während sie im weiteren Verlauf in der dargestellten Weise in einen parallelen Verlauf übergehen. Dabei ist der asymmetrische Konus des jeweils auf das Gehäuse aufgeweiteten Rohrs 7,9

auf der Eintrittsseite nach unten und auf der Austrittsseite nach oben versetzt. Die zentralen Rohre 8 und 10, die jeweils auf einen zentralen Bereich der Frontseite oder
Stirnfläche des Substratkörpers 12 gerichtet sind, sind
entsprechend einmal (8) nach oben und einmal (10) nach unten gebogen, so daß der Strömungsverlauf bei geöffneten
Rohren möglichst umlenkungsfrei ist.

Die Rohre 7 und 8 sowie 9 und 10 durchdringen einander
jeweils im sich verjüngenden Bereich der Rohre 7 und 9,
wobei im Ausführungsbeispiel, in dem Stahlrohre verwendet
sind, jeweils eine Schweißnaht die Durchtrittsstelle in den Rohren 8 und 10 abdichtet.

Das Rohr 10 auf der Austrittsseite weist gegenüber dem zentralen Rohr 8 auf der Eintrittsseite einen konisch aufgeweiteten Bereich 13 an der Anschlußstelle auf, so daß sich
die Rohre 8 und 9 mit verschieden großen Querschnitten
gegenüberliegen.

Die Rohre 7 und 10 sind mit je einer Absperreinrichtung 4,5 in Form einer Drosselklappe ausgestattet, die in zwei Stellungen, die das Rohre schließende und freigebende Stellung, bringbar sind.

Gemäß Fig.2, in der ein Ausführungsbeispiel für eine vollständige erfindungsgemäße Katalysatorvorrichtung gezeigt
ist, sind die Gasklappen 4,5 über mit 3 angedeutete
Gestänge mit einem Stellglied 2 gekoppelt. Das Stellglied
2, das z.B. pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgelegt ist, stellt die Gasklappen 4,5 über die Gestänge 3 ein und steuert deren Stellung über die Aktivierung oder unter
Ansteuerung durch ein Steuergerät 6. Das Steuergerät ist
beispielsweise mit einem Mikroprozessor ausgestattet und
entscheidet vorzugsweise anhand von gespeicherten Kenndatenfeldern in Abhängigkeit von ihm zugeführten Eingangssig-

nalen, welche Klappenstellung zu wählen ist und ob an das Stellglied 2 ein entsprechendes Schaltsignal abzugeben ist. Die Eingangssignale umfassen Signale, die Betriebsgrößen wie Motorlast, -drehzahl und Kühlwassertemperatur repräsentieren. Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung werden die Klappen 4,5 aufgrund der Stellsignale phasengleich geöffnet und geschlossen.

In Fig.3 ist ein Betriebszustand dargestellt, in dem die Klappen 4,5 geschlossen sind, wobei der Motor bzw. die Verbrennungskraftmaschine im kalten oder schwachlastigen Betrieb läuft. Wie durch die Pfeile angezeigt ist, gelangt das Abgas dabei ausschließlich durch das Abgasrohr 8 in den Katalysator 1 und damit in den zentralen, durch die Konusgröße vom Rohr 8 vorgegebenen Bereich des Substratträgers 12. Am Substrataustritt strömt das Abgas in das Austrittsrohr 10. Da dieses durch die Abgasklappe 5 verschlossen ist, wird die Abgasströmung um 180° umgelenkt und durchströmt den Katalysatorträger auf einer Ringfläche, die durch die Durchmesserdifferenz der zentralen Ein- und Austrittsrohre 8 und 10 vorgegeben ist und der Flache A entspricht, wie unterhalb der Zeichnung in der Schnittdarstellung angedeutet ist. Dieser Umlenkprozeß wiederholt sich auf der Eintrittsseite, da auch das Eintrittsrohr 7 durch die Klappe 4 verschlossen ist. Die zum zweiten Mal umgelenkte Strömung durchsetzt einen äußeren Ringraum, dessen Querschnittsfläche durch die Durchmesserdifferenz der Rohre 7 und 10 im Anschlußbereich vorgegeben ist (die in etwa der erstgenannten Differenz entspricht) und durch die Fläche B angezeigt ist. Das gereinigte Abgas verläßt den Katalysator über das offene Austrittsrohr 9.

Im höheren Teillastbereich, dessen Untergrenzen vorab experimentell ermittelt werden und auf die gespeicherten Kennfelder bezogen sind, wird der Katalysator bei geöffneten Klappen 4,5 "konventionell" ohne Umlenkung des Abgasstroms

durchströmt, wobei sich das Abgas gemäß Fig.4 auf diejenigen Substratträgerflächen verteilt, die von den Konen der Eintrittsrohre 7 und 8 im Anschlußbereich vorgegeben werden (Querschnittsflächen C und D).

Die Fig.5 zeigt eine alternative spiegelsymmetrische Anordnung bezüglich Katalysatorein- und -austritt, wobei bei geschlossenen Abgasklappen 4,5 zunächst ein Randbereich und dann der mittlere Bereich des Substratkörpers in der durch die Pfeile angezeigten Richtung durchströmt werden. Auch hierbei ist auf einer Seite das Rohr großen und auf der anderen Seite das Rohr kleineren Querschnitts im Anschlußbereich mit einer in das Rohr integrierten Absperreinrichtung ausgestattet.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen eine mit besonders geringem technischen Aufwand realisierbare Möglichkeit dar, deren Anschluß an die Verbrennungskraftmaschine besonders einfach ist. Daneben sind jedoch auch zahlreiche Modifikationen möglich, die ebenfalls auf dem erfindungsgemäßen Prinzip beruhen und dessen Wirkungen erbringen.

So ist man nicht auf Katalysatoren und Abgasrohre mit kreisförmigen Querschnitten beschränkt. Statt zwei koaxiale Rohre auf jeder Katalysatorseite zu verwenden, ist es möglich, drei oder mehr Rohre einzusetzen, deren Durchmesser nach dem obigen Schema zunehmen. Die durchströmten Ringräume können durch unterschiedliche Durchmesserdifferenzen definiert sein. Es können in sämtlichen Rohren Absperrglieder installiert sein. Diejenigen Rohre, die stets als Ein- und Austrittsrohre für die Abgasströmung dienen, können jedoch ohne Absperrglieder vorgesehen v/erden.

Schließlich sind auch kranzförmige Anordnungen paralleler Rohre möglich, die gemäß dem gezeigten Prinzip für eine zwei- oder auch entsprechend mehrfache Umlenkung mit

schließbaren Absperreinrichtungen versehen sind. Die Absperreinrichtungen sind selbstverständlich nicht auf klappenartige Auslegung beschränkt, sondern es sind beliebige andere Ansperrorgane einsetzbar. Dies gilt auch für die Betätigungsgestänge, die durch beliebige andere Einstellglieder ersetzbar sind.

Entscheidend ist, daß die Anordnung der Rohre die Möglichkeit gibt, wahlweise gleichzeitig oder aufeinanderfolgend unterschiedliche Bereiche des Substratkörpers zu beaufschlagen. Hierzu ist es nötig, daß die Rohraus- bzw. Eintrittsflächen unterschiedlichen Bereichen der Stirnseiten des Substratkörpers gegenüberliegen.

Die verfahrensinäßige Ausnutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei mehr als zwei Rohren auf jeder Katalysatorseite ermöglicht auch die differenziertere Verfahrensvariante, bestimmte Bereiche des Katalysators ohne und andere Bereiche mit Umlenkung zu beaufschlagen.

Statt einer digitalen Steuervorrichtung sind auch analoge Auslegungen möglich, in denen beispielsweise zu Schwellwertsignalen gebildete Differenzsignale direkt zur Ansteuerung eines oder mehrerer Stellglieder verwendet werden.

Ganz gleich, für welche Lösung der Fachmann sich entscheidet, kann er die folgenden Vorteile gegenüber konventionellen Anordnungen ohne Strömungsumlenkung erzielen:

Im kalten Motorbetrieb und im Niedriglastbereich des Motors ist die effektiv angeströmte Katalysatoroberfläche vergrößert. Durch die mehrfache Strömungsumlenkung ist der Abgasrückdruck erhöht, was sich positiv auf die Verweilzeit der Abgase im Katalysator auswirkt. Ferner entstehen durch die Umlenkung Turbulenzen in der Strömung, wodurch der Gasaustausch (Diffusion) des Abgases mit dem sogenannten Kataly-

sator-Washcoat und dem Edelmetall verbessert wird. Somit kann in diesem Betrieb eine erhöhte Konvertierungsrate erzielt werden.

Oberhalb einer bestimmten Motorbelastung werden die Abgase nicht mehr umgelenkt und damit werden die für eine höhere Motorleistung benötigten niedrigen Druckverluste am Katalysator gewährleistet. Weiterhin ist eine günstigere Abgaskonversion zu erwarten, da durch die mehrflutige koaxiale Anströmung der Katalysator-Stirnfläche eine homogenere Verteilung der Strömung gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Katalysatorvorrichtung eignet sich gleichermaßen sowohl für stationäre als auch mobile Verbrennungskraftmaschinen.

Claims (7)

Hrern -frtvygnspruche

1. Katalysatorvorrichtung zum Anschluß an eine Verbrennungskraftmaschine ,

dadurch gekennzeichnet,

daß an das das Katalysatorsubstrat (12) umgebende Gehäuse (11) mindestens zwei mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbare Abgaseintrittsrohre (7,8) und mindestens zwei Gasaustrittsrohre (9,10) angeschlossen sind, deren Querschnittsflächen auf der Ein- und Austrittsseite jeweils unterschiedlichen Bereichen der zugehörigen Substratstirnflächen gegenüberliegen, und daß zumindest eine bestimmte Auswahl dieser Rohre (7,10) sowohl auf der Ein- als auch der Austrittsseite mit einer in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine steuerbaren Absperreinrichtung (4,5) zur betriebsabhängigen Variation der Abgasströmungsführung durch das Katalysatorsubstrat mit und ohne mehrfacher Strömungsumlenkung versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Absperreinrichtungen (4,5) Abgasklappen sind, die mittels eines Bewegungsmechanismus (3) in eine das zugehörige Rohr öffnende und schließende Stellung bringbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

die Absperreinrichtungen (4,5) mit einem Stellglied (2) gekoppelt sind, das an eine Steuervorrichtung, der den Motorbetrieb charakterisierende Signale zugeführt werden, angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß auf der Ein- und Austrittsseite jeweils ein Rohr (7,9) vorgesehen ist, dessen Querschnittsfläche im Anschlußbereich etwa der gegenüberliegenden Substratstirnfläche entspricht und das zumindest auf einer Seite eine Absperreinrichtung aufweist, und daß die übrigen Rohre (8,10) zu diesem Rohr im Anschlußbereich koaxial sind und geringere Querschnittsflächen aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes dieser übrigen Rohre (8,10) der Eintrittsseite einem Rohr größerer oder kleinerer Querschnittsfläche auf der Austrittsseite gegenüberliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß auf der Ein- und Austrittsseite jeweils zwei Rohre (7,8;9,10) vorgesehen sind, von denen zumindest auf jeder Seite eines mit einer Absperreinrichtung (4,5) versehen ist, wobei auf einer Seite das Rohr großer Querschnittsfläche und auf der anderen Seite das Rohr geringerer Querschnittsfläche eine Absperreinrichtung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Rohr größter Querschnittsfläche (7,9) auf der Ein- und Austrittsseite außerhalb des Anschlußbereichs verjüngt ist und daß das jeweils zweite (8,10) oder die übrigen Rohre es im Verjüngungsbereich bei dort nicht mehr koaxialer Ausdehnung durchdringen.