DE9313593U1

DE9313593U1 - Katalysatoranordnung

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Publication number: DE9313593U1
Application number: DE9313593U
Authority: DE
Original assignee: Oberland Mangold GmbH
Current assignee: Oberland Mangold GmbH
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2003-09-09

Description

Katalysatoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Katalysatoranordnungen bestehen aus einem Gehäuse, in dem ein gasdurchlässiger Katalysator-Körper untergebracht ist, der durch einen Abgasstrom angeströmt wird. Der Katalysator-Körper weist vorzugsweise eine Edelmetallbeschichtung aus Pt und Rh auf. Der Abgasstrom wird mittels einem an einer Stirnfläche des Gehäuses angeformten Einlaß zugeführt. Nach erfolgter Katalyse wird der Strom mittels einem ebenfalls an einer Stirnfläche des Gehäuses angeformten Auslaß abgeführt. Der Einlaß und der Auslaß sind vorzugsweise rohrförmig und das Gehäuse ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind Ein- und Auslaß an einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Gehäuses angeordnet.

Derartige Katalysatoranordnungen sollen optimal ausgenutzt werden. Das bedeutet, daß der Abgasstrom die Edelmetallbeschichtung gleichmäßig durchströmen soll, was bei herkömmlichen Katalysatoranordnungen, bei denen der Strom räumlich beschränkt eingeführt wird, nicht möglich ist.

Weiterhin ist herausgefunden worden, daß der Abgasstrom bei üblichen Katalysatoranordnungen mit relativ großer Geschwindigkeit durch den Einlaß in das Gehäuse geführt wird, der Strom sich dann aber in dem Gehäuse mit größerem Innenvolumen als der Einlaß verlangsamt und demzufolge Druckverluste oder Druckabfälle auftreten, die zu Leistungsverlusten des Verbrennungsmotors führen können, der an die Katalysatoranordnung angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katalysatoranordnung zu schaffen, die bei einfacher Herstellung eine gleichmäßige Ausnutzung des Katalysatormaterials ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Katalysatoranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach schließt die Strömungsrichtung des einfließenden Abgasstroms einen Winkel, der kleiner als 90° ist, mit der Stirnseite des Katalysator-Körpers ein. Dasselbe gilt vorzugsweise für die Öffnung des Auslasses und die Strömungsrichtung des ausfließenden Abgasstroms.

Die neuartige Geometrie der Katalysatoranordnung gemäß Anspruch 1 gewährleistet neben einer weiteren Verbesserung der Abgasqualität hauptsächlich die Beibehaltung der niedrigen Abgasemissionen über eine extrem lange Laufzeit. Dies wird durch eine gleichmäßige Ausnutzung der Edelmetallbeschichtung des Katalysators erreicht. Die gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysators bewirkt eine gleichmäßigere und dadurch eine geringere thermische Alterung. Dadurch wird die Lebensdauer wesentlich verlängert.

Besonders vorteilhaft bei der quer angeströmten Katalysatoranordnung nach Anspruch 1 ist, daß das Abgas langsamer auf die Stirnfläche des Katalysator-Körpers auftrifft, wodurch der Treibstoffverbrauch um einiges reduziert wird.

Die Querausströmung der Abgase bewirkt eine gleichmäßige Katalysatorflächenausnutzung, wodurch die Abgasemissionen wesentlich verbessert werden.

Die schrägen Anschlußkegel weisen kleinere Oberflächen auf als die Anschlüsse herkömmlicher Katalysatoranordnungen, wodurch das Schallemissionsverhalten verbessert wird.

Es ist bekannt, daß die Umwandlungsrate innerhalb eines Katalysators unter anderem abhängig ist von dem Abgasdurchsatz in dm /h pro Katalysatorvolumen in dm , der sogenannten Raumgeschwindigkeit. Diese Raumgeschwindigkeit darf bestimmte Werte nicht übersteigen (z.B. 80 000 h bei einem geregelten Katalysatorsystem gemäß der Richtlinie 91/441/EWG).

Idealerweise sollte der Abgasstrom gleichmäßig auf den gesamten Katalysatorquerschnitt verteilt werden. Dies bedeutet, daß jeder Kanal des Katalysators mit der gleichen Abgasmenge in dm /h beaufschlagt wird.

Dies ist jedoch nur realisierbar, wenn der Abgasstrom mit kleinem Öffnungswinkel aufgeweitet wird, wie es durch die Bernoulli-Gleichung berechenbar ist.

Aus der Strömungslehre ist bekannt, daß es bei unstetigen Rohrerweiterungen Druckverluste gibt, die auch "Carnotsche Stoßverluste" genannt werden. Ein (Abgas-) Strom vermischt sich mit dem umgebenden Gas, weil innere Reibung vorhanden ist. Die innere Reibung verhindert, daß zwei Gase mit verschiedenen Geschwindigkeiten aneinander vorbeigleiten,

ohne daß der Geschwindigkeitsunterschied zwischen beiden Bereichen allmählich ausgeglichen wird.

In einem stetig von einem Querschnitt auf einen anderen Querschnitt erweiterten Rohr, einem "Diffusor", tritt infolge der unvermeidlichen inneren Reibung auch ein Druckverlust ein,der aber im allgemeinen viel kleiner ist als der Carnotsche Stoßverlust für dasselbe Flächenverhältnis. In einem stetig erweiterten Diffusor löst die Strömung nicht von der Wand ab und es tritt daher kein Strom mit nachfolgender Vermischung auf, wenn nur der Öffnungswinkel des Diffusors hinreichend klein ist, nämlich etwa 6° bis 10°.

Dieses Wissen angewandt auf die Katalysatoranordnung der Erfindung bewirkt, daß keine Ablösung der Abgasströmung entsteht. Dadurch entstehen geringere Druckverluste und der Treibstoffverbrauch kann verringert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform schließt die Achse des Einlasses einen Winkel, der kleiner als 90° ist, mit der Längsachse des Gehäuses ein. Auch die Achse des Auslasses kann einen Winkel, der kleiner als 90° ist, mit der Längssachse des Gehäuses einschließen. Sind die Winkel zwischen der Achse des Einlasses und Längsachse des Gehäuses gleich groß, ist das Äußere der Katalysatoranordnung, nämlich das Gehäuse mit dem Einlaß und dem Auslaß, als Z-Form ausgebildet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Achse des Einlasses zu der Längsachse des Gehäuses parallel versetzt. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Achse des Auslasses parallel versetzt zu der Längsachse des Gehäuses sein. Hierbei kann eine Z-Form der Katalysatoranordnung dadurch entstehen, daß die Aufweitung des Einlasses und des Auslasses bogenförmig ausgestaltet ist, indem ein

Teil des Mantels weiter geführt wird als der diesem Teil gegenüberliegende Teil.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen schematisch:

Fig. la eine Katalysatoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. Ib eine Einzelheit der Katalysatoranordnung gemäß Fig. la;

Fig. 2 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung;

Fig. 4 ein viertes Beispiel einer erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung;

Fig. 5 schematisch einen Vergleich zwischen einer Katalysatoranordnung der Erfindung und einer herkömmlichen Katalysatoranordnung; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Geschwindigkeitsverteilung des Abgasstroms über den Querschnitt zeigt.

Fig. la zeigt eine Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung. Die Katalysatoranordnung besteht dabei aus einem Gehäuse 1, in dem ein elliptischer Katalysator-Körper 40 untergebracht ist. An einer Stirnfläche 10a des Katalysatorkörpers ist ein Einlaß 2 und an einer weiteren gegenüberliegenden Stirnfläche 10b ist ein Auslaß 3 an dem

Gehäuse 1 angeformt. Fig. Ib zeigt eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Katalysator-Körpers 40 in Richtung der Längsachse 2a des Einlasses 2. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 erweitern sich die jeweiligen Querschnitte des Einlasses 2 und des Auslasses 3 unter einem Einlaßwinkel &ggr; von hier etwa 10° stetig in Richtung zu dem Gehäuse 1, an dem der Einlaß 2 und der Auslaß 3 derart angeformt sind, daß die Längsachse 2a des Einlasses 2 und eine Längsachse 3a des Auslasses 3 jeweils einen Winkel, der kleiner als 90 ist, mit einer Längsachse 4a des Katalysator-Körpers bzw. des Gehäuses 1 einschließen, so daß eine Queranströmung des Abgases bezüglich des Katalysator-Körpers 40 sichergestellt ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die Strömungsrichtung A des Gases allein durch die besondere winkelmäßige Beziehung zwischen dem Einlaß 2 bzw. dem Auslaß 3 und dem Katalysator-Körper 40 derart vorgegeben, daß sie einen Winkel &agr; mit der Stirnfläche 10a einschließt, der kleiner als 90 ist. Durch diese besondere Ausgestaltung werden die oben angegebenen Vorteile erreicht.

Es ist ersichtlich, daß die gesamte Katalysatoranordnung mit Einlaß 2, Gehäuse 1 und Auslaß 3 eine Z-Form aufweist.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung. Die Katalysatoranordnung besteht dabei aus einem Gehäuse 1, mit einem zylindrischen Katalysatorkörper 41, an dessen Stirnfläche 11a ein Einlaß 2 und an dessen weiterer gegenüberliegenden Stirnfläche 11b ein Auslaß 3 an dem Gehäuse 1 angeformt ist.

Der Katalysatorkörper 41 ist ein beidseitig schief abgeschnittener Zylinder mit parallelen Stirnflächen 11a, 11b. Einlaß 2 und Auslaß 3 sind bezüglich der Mittenachse 4a des Katalysators gegensinnig zueinander versetzt.

Der Einlaß 2 erweitert sich über einen Verteilerraum 5, in welchem das anströmende Gas umgelenkt und in der Weise auf die Stirnfläche 11a des Katalysator-Körpers 41 geleitet wird, daß zwischen der Strömungsrichtung A und der Stirnfläche 11a der Winkel &agr; gebildet wird, der kleiner als 90° ist. Der Katalysator-Körper 41 wird also wiederum quer angeströmt.

Sinngemäß gilt dies am Auslaß 3 an der Stirnfläche 11b des Katalysator-Körpers 41, wo in einem Sammelraum 6 das ausströmende Gas unter einem Winkel ß, der kleiner als 90° ist, zur Stirnfläche 11b abgeführt wird.

Verändert man den Winkel &agr; so ändert sich auch der Öffnungswinkel &ggr; bzw. der Durchmesser des Anström-/und Ausströmkanals, was eine Veränderung des Strömungsverhaltens in der oben beschriebenen Weise zur Folge hat.

Wie bei der ursprünglichen Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist auch hier die gesamte Katalysatoranordnung mit Einlaß 2, Gehäuse 1 und Auslaß 3 eine Z-Form auf.

Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Katalysator-Körper 42 zylindrisch ausgeformt mit einem geraden Kegel 7 in Anströmrichtung und einer kegeligen Ausnehmung in Ausströmrichtung. Die beiden Kegel sind im dargestellten Beispiel gleich, so daß die in Anströmrichtung liegende Stirnfläche 12a und die in Ausströmrichtung liegende Stirnfläche 12b parallel zueinander verlaufen. Dadurch, daß die beiden Stirnflächen 12a, 12b als Mantelflächen eines Kegels ausgebildet sind, ist gewährleistet, daß sie unter einem Winkel &agr; bzw. ß, der kleiner als 90° ist, zur Strömungsrichtung A des anströmenden bzw. abströmenden Gases geneigt sind.

Die Längsachsen 2a, 2b des Einlasses 2 bzw. des Auslasses liegen in einer Linie mit der Längsachse 4a des Katalysator-Körpers 42. Falls die Längsachsen 2a und/oder 2b des Einlasses 2/Auslasses 3 unter einem Winkel zur Längsachse 4a des Katalysator-Körpers 42 angeordnet werden sollen, kann es zweckmäßig sein, anstelle der hier dargestellten geraden Kegel schiefe Kegel vorzusehen, so daß die gewünschte Queranströmung der Stirnflächen erreicht wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, daß der Katalysator-Körper 43 in Anströmrichtung rotationssymetrisch abgerundet ist. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Halbkugel 9 bzw. am Auslaß 3 um ein Kugelsegment 9'. Die in Anströmrichtung liegende Stirnfläche ist mit 13a und die in Ausströmrichtung liegende Stirnfläche mit 13b bezeichnet. Da es sich um Kugeloberflächen handelt ist auch hier gewährleistet, daß die Gasströme unter einem Winkel zu diesen Stirnflächen 13a, 13b verlaufen, der kleiner ist als 90°.

In den Fig. 4 und 5 ist verdeutlicht, welchen Einfluß der Öffnungswinkel &ggr; des sogenannten Diffusors an der Schnittstelle zwischen dem Einlaß bzw. dem Auslaß und dem Gehäuse auf das Strömungsverhalten, insbesondere die Geschwindigkeit, des Abgases hat.

Die Gegenüberstellung zeigt Katalysatoranordnungen gleichen Volumens und gleicher Baulänge.

Insbesondere zeigt die untere Darstellung der Fig. 4 eine herkömmliche Katalysatoranordnung mit einem Öffnungswinkel von 36° am Einlaß, dessen Größe zur Folge hat, daß Strömungswirbel am Innenmantel des Einlasses auftreten, wie es durch kleine Pfeile angedeutet ist. Durch diese Wirbel entstehen Druckverluste.

Dagegen zeigt die obere Darstellung der Fig. 4 eine Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung. Der Öffnungswinkel &ggr; beträgt hier nur ca. 10°. Zusätzlich ist die "Z-Form" der Katalysatoranordnung deutlich zu sehen. Bei dieser Anordnung sind die Druckverluste gegenüber der Katalysatoranordnung der unteren Darstellung sehr viel geringer, was den Vorteil hat, daß durch diese Katalysatoranordnung mit kleinerem Öffnungswinkel Treibstoff eingespart werden kann.

Die Fig. 6 zeigt Kurven der Geschwindigkeitsverteilung der Strömung über den Katalysatorquerschnitt von einem Rand zum anderen. Die Kurve b zeigt eine Verteilung, die durch eine Katalysatoranordnung gemäß der Erfindung (mit geringem Öffnungswinkel) erzielt werden kann, und die Kurve a zeigt eine Verteilung, einer herkömmlichen Katalysatoranordnung (mit größerem Öffnungswinkel). Eine Gerade c veranschaulicht eine idealistische Verteilung unterhalb eines Maximalwertes, der hier mit 80.000 h angegeben ist.

Es ist also mit der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung des Abgasstromes über die Katalysatorstirnfläche erreichbar als mit der herkömmlichen Katalysatoranordnung. Gemäß Fig. 6 entspricht die Geschwindigkeits- und Mengenverteilung weitgehendst der gewünschten idealisierten Form. Insbesondere wird dies bei gleicher Baulänge von herkömmlichen und erfindungsgemäßen Katalysatorkörpern durch den kleineren Öffnungswinkel erreicht.

Der asymetrische Anschlußkonus weist gegenüber herkömmlichen Anschlußkegeln wesentliche Vorteile auf. Er verhindert wegen seines kleinen Öffnungswinkels die Ablösung des Abgasstroms. Zudem vergrößert er die angeströmte Katalysatorstirnfläche.

Die positiven Eigenschaften der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung gegenüber herkömmlichen Katalysatoranordnungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

der Abgasgegendruck ist geringer; der Kraftstoffverbrauch wird vermindert; das Geräuschverhalten ist günstiger; die Abgasströmung ist gleichmäßiger verteilt; die thermische Alterung wird verlangsamt; das Konvertierungsverhalten ist langzeitstabil; und die Lebensdauer des Katalysators ist erhöht; der Öffnungswinkel &ggr; am Katalysatoreinlaß ist kleiner im Vergleich zu einer herkömmlichen Katalysatoranordnung gleichen Volumens und gleicher Baulänge;

bei gleichem Öffnungswinkel &ggr; am Katalysatoreingang wie bei einer herkömmlichen Katalysatoranordnung verringert sich die Bauhöhe und Baulänge im Vergleich zur herkömmlichen Katalysatoranordnung; es ist ein motornaher Einbau in einem Gußkrümmer sowie die Verwendung als Startkatalysator möglich.

Claims

1. Katalysatoranordnung mit einem Gehäuse (1), einem Einlaß (2), einem Auslaß (3) und einem in dem Gehäuse

(1) angeordneten, gasdurchlässigen Katalysator-Körper (40; 41; 42; 43), wobei der Einlaß (2) und der Auslaß

(3) an den jeweiligen Stirnflächen (10; 11; 12; 13) des Katalysator-Körpers (40; 41; 42; 43) angeformt

sind,

dadurch gekennzeichnet , daß die in Anströmrichtung liegende Stirnfläche (10a; 11a; 12a; 13a) des Katalysator-Körpers (40; 41; 42; 43) unter einem Winkel &agr;, der kleiner als 90< ist, zur Strömungsrichtung des anströmenden Gases geneigt ist.

2. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die in Ausströmrichtung liegende Stirnfläche (10b; 11b; 12b; 13b) des Katalysator-Körpers (40; 41; 42; 43) ebenfalls in einem Winkel ß, der kleiner als 90° ist, zur Strömungsrichtung des ausströmenden Gases geneigt ist.

3. Katalysatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Winkel &agr;, &bgr; zwischen den beiden Stirnflächen (10a, 10b; 11a, 11b; 12a, 12b; 13a, 13b) des Katalysator-Körpers (40; 41; 42; 43) zur Anströmrichtung bzw. Ausströmrichtung gleich sind.

4. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator-Körper (41) zumindest in Anströmrichtung ein schief abgeschnittener kreisrunder, elliptischer oder ovaler Zylinder ist.

5. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator-Körper (42) zumindest in Anströmrichtung ein gerader oder schiefer Kegel mit kreisrunder, ovaler oder elliptischer Grundform ist.

6. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator-Körper (43) zumindest in Anströmrichtung ein abgerundeter Rotationskörper mit kreisrunder, ovaler oder elliptischer Grundform ist.

7. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die in Ausströmrichtung liegende Stirnfläche (10b; 11b; 12b; 13b) als Hohlform ausgebildet ist, welche parallel zu der in Anströmrichtung liegenden Stirnfläche (10a; 11a; 12a; 13a) verläuft.

8. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß die Längsachse (2a) des Einlasses (2) und/oder die Längsachse (3a) des Auslasses (3) einen Winkel mit der Längsachse (4a) des in dem Gehäuse (1) angeordneten Katalysator-Körpers (40; 41) bildet, der kleiner als 90^ö ist.

9. Katalysatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Einlaß (2), das Gehäuse (1) und der Auslaß (3) eine Z-Form bilden, und daß der Winkel zwischen der Achse (2a) des Einlasses (2) und der Winkel zwischen der Achse (3a) des Auslasses (3) zur Achse (4a) des Katalysator-Körpers (40) gleich sind.

10. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator-Körper (41) ein auf zwei Seiten schief angeschnittener Zylinder mit parallelen Stirnflächen (11a, lib) ist, und daß der Einlaß (2) und der Auslaß (3) seitenversetzt zur Mittenachse (4a) des Katalysator-Körpers (41) bezüglich der Mittenachse (4a) des Katalysator-Körpers (41) und gegenüberliegend angeordnet sind, und daß vor der in Anströmrichtung liegenden Stirnfläche (Ha) des Katalysator-Körpers (41) ein Verteilerraum (5) und vor der in Ausströmrichtung liegenden Stirnfläche (Hb) des Katalysator-Körpers (41) ein Sammelraum (6) angeordnet sind.

11. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Öffnungswinkel &ggr; des Einlasses (2) vor der in Anströmrichtung liegenden Stirnfläche (10a, 11a, 12a, 13a) etwa 8°bis 12" beträgt.