DE10009124A1 - Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer VerbrennungskraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine mit einem in einem Katalysatorgehäuse angeordneten Katalysatorträger, einem stromauf des Katalysatorträgers angeordneten, sich in Strömungsrichtung erweiternden Einleitstutzen, der ein mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbares Abgasrohr umfasst, wobei eine Längsachse des Abgasrohres gegenüber einer Längsachse des Katalysatorträgers um einen Krümmungswinkel geneigt ist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in einem Krümmungsbereich des Einleitstutzens (16) wenigstens ein Strömungselement (28) derart angeordnet ist, dass Leitflächen (30) des wenigstens einen Strömungselementes (28) und eine Wandung des Einleitstutzens (16) Strömungskanäle ausbilden, die ein Abgas auf eine Anströmfläche (26) des Katalysatorträgers (14) gleichmäßig verteilen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer
Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Merkmalen.
Um ein bei einem Verbrennungsprozess in einer Verbrennungskraftmaschine erzeugtes
Abgas zu reinigen, ist es bekannt, Katalysatoren in einem Abgaskanal der
Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Diese sind im Wesentlichen aus einem
Katalysatorgehäuse aufgebaut, welches beidseitig mit dem Abgaskanal verbindbar ist
und einen Katalysatorträger beherbergt. Als Trägermaterial kommen heute meist
keramische oder metallische Monolithe zum Einsatz. Der Katalysatorträger bildet eine
Vielzahl von Kanälen aus, die von dem zu reinigenden Abgas durchströmt werden. Eine
Oberfläche des Trägers ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen, welche eine
katalytisch aktive Substanz, häufig ein Edelmetall (Pt, Rh, Pd), enthält. Die aktive
Beschichtung unterstützt die Umsetzung von Schadstoffen des Abgases in weniger
umweltrelevante Produkte, so dass ein von einer Verbrennungskraftmaschine
kommendes Abgas an der Oberfläche des Katalysatorträgers gereinigt wird.
Aus Gründen einer Bauraumbeschränkung haben Katalysatoren häufig einen
gekrümmten Einlassstutzen. Dieser führt zu einer sehr ungleichmäßigen
Strömungsverteilung des Abgases auf eine Anströmfläche des Katalysatorträgers, so
dass dieser mit örtlich stark variierenden Strömungsgeschwindigkeiten vom Abgas
durchströmt wird. Eine ungleichmäßige Strömungsverteilung setzt jedoch einen
Wirkungsgrad des Katalysators hinsichtlich der Schadstoffkonvertierung herab.
Aus der WO 98/07967 ist eine Leitvorrichtung bekannt, welche in einem im
Strömungsverlauf längeren Außenabschnitt des gekrümmten Einströmstutzens
angeordnet ist. Diese insbesondere als eingedrückter Gehäuseabschnitt ausgebildete
Leitvorrichtung verbessert zwar die Gleichmäßigkeit der Anströmung des
Katalysatorträgers, indem sie für eine verstärkte Anströmung des im Krümmungsbereich
innenliegenden Abschnittes sorgt. Insgesamt ist das Strömungsprofil jedoch noch immer
inhomogen. Ferner bewirkt die Ausgestaltung der Leitvorrichtung eine örtliche
Verringerung des Strömungsquerschnittes und sorgt somit für eine unerwünschte
Erhöhung des Abgasgegendrucks und für Turbulenzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Katalysator der
gattungsgemäßen Art mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, der die
Nachteile des beschriebenen Technikstandes überwindet.
Diese Aufgabe wird durch einen Katalysator mit den im Anspruch 1 genannten
Merkmalen gelöst. Indem in einem Krümmungsbereich eines Einleitstutzens wenigstens
ein Strömungselement derart angeordnet ist, dass Leitflächen des wenigstens einen
Strömungselementes und eine Wandung des Einleitstutzens Strömungskanäle
ausbilden, die ein Abgas auf eine Anströmfläche des Katalysatorträgers leiten, wird eine
gleichmäßige Strömungsverteilung des Abgases auf den Katalysatorträger und somit ein
erhöhter Wirkungsgrad des Katalysators erreicht. Auf diese Weise lässt sich
herstellungstechnisch sehr einfach eine Emission nicht konvertierter Schadstoffe
senken, ohne die grundsätzliche Gestaltgebung des Katalysators zu verändern. Ferner
fördert die spezielle Anordnung des wenigstens einen Leitelementes einen laminaren
Stromfluss und führt zu praktisch keiner Erhöhung des Abgasgegendrucks.
In einer stark bevorzugten Ausgestaltung erweitern sich die Strömungskanäle in
Strömungsrichtung des Abgases konisch. Auf diese Weise wird vermieden, dass die
Strömungskanäle in dem sich konisch in Richtung des Katalysatorträgers erweiternden
Einleitstutzen Strömungswiderstände aufbauen, welche die Strömungsgeschwindigkeit
absenken würden.
Eine weitere äußerst vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysators
sieht vor, dass ein Strömungsquerschnitt eines in einem Außenabschnitt des
Krümmungsbereiches des Einleitstutzens angeordneten Strömungskanals sich relativ zu
einem Strömungsquerschnitt eines in einem Innenabschnitt des Krümmungsbereiches
angeordneten Strömungskanals in Strömungsrichtung stärker erweitert. Durch diese
Maßnahme wird eine Strömungsgeschwindigkeit in einem innenliegenden
Strömungskanal gegenüber einem außenliegenden Strömungskanal erhöht, so dass das
Strömungsprofil hinsichtlich einer möglichst gleichmäßigen Durchströmung des
Katalysatorträgers noch weiter optimiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Katalysators weist das wenigstens eine
Strömungselement eine lamellenartige Gestaltung auf, wobei zwei Längsseiten des
Strömungselementes mit der Wandung des Einleitstutzens abschließen.
In einer abweichenden Ausführungsvariante ist das wenigstens eine Strömungselement
röhrenförmig ausgestaltet. Dabei kann, wenn mehr als ein Strömungselement
vorgesehen ist, ihre Anordnung parallel nebeneinander oder koaxial ineinanderliegend
erfolgen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform endet das wenigstens eine
Strömungselement berührungslos vor der Anströmfläche des Katalysatorträgers, so
dass ein Aufbau einer mechanischen Spannung zwischen Strömungselement und
Katalysatorträger aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
sowie eine unerwünschte Geräuschentwicklung vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Katalysator ist herstellungstechnisch sehr einfach realisierbar.
Beispielsweise kann das wenigstens eine Strömungselement mit der Wandung des
Einleitstutzens durch einfache Verschweißung verbunden werden. Abweichende
Verbindungstechniken sind selbstverständlich ebenso denkbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Katalysators mit
zwei lamellenartigen Strömungselementen in einem Längsschnitt;
Fig. 2 eine Anordnung der zwei lamellenartigen Strömungselemente im
Katalysator aus Fig. 1 in zwei unterschiedlichen Querschnittsansichten;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Herstellung eines erfindungsgemäßen
Einleitstutzens und
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer Herstellung eines Einleitstutzens gemäß
einer abweichenden Ausführung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnittes eines
erfindungsgemäßen Katalysators 10. Der Katalysator 10 umfasst einen in einem
Katalysatorgehäuse 12 angeordneten Katalysatorträger 14, einen motorseitig
angeordneten, hier insgesamt mit 16 bezeichneten Einleitstutzen sowie einen
auslassseitig angeordneten Auslassstutzen 18. Um den Abgasgegendruck durch den
Katalysatorträger 14 nicht zu stark zu erhöhen, ist ein Durchmesser des
Katalysatorgehäuses 12 gegenüber einem Durchmesser des hier nicht weiter
dargestellten Abgaskanals erweitert. Infolgedessen weisen Einleit- und Auslassstutzen
16, 18 eine trichterförmige, sich in Richtung des Katalysatorträgers 14 erweiternde
Gestaltung auf. Der Einleitstutzen 16 mündet motorseitig in ein Abgasrohr 20, dessen
Längsachse 22 um einen Krümmungswinkel α gegenüber einer Längsachse 24 des
Katalysatorträgers 14 geneigt angeordnet ist. Der Krümmungswinkel α kann eine Größe
zwischen 90° und 180° einnehmen.
Die gekrümmte Gestaltung des Einleitstutzens 16 ist strömungstechnisch äußerst
nachteilig, da ein von einer Verbrennungskraftmaschine kommendes Abgas den
Katalysatorträger 14 sehr ungleichmäßig durchströmt. So ergibt eine
Strömungsverteilungsmessung an einem konventionellen Katalysator in einem in der
Fig. 1 unten dargestellten Bereich des Katalysatorträgers 14 eine 10- bis 20fach
höhere Strömungsgeschwindigkeit als im oberen Bereich des Katalysatorträgers 14.
Infolgedessen wird der obere Bereich des Katalysators praktisch kaum zur
Abgaskonvertierung genutzt, während im unteren Bereich aufgrund der kurzen
Verweildauer des Abgases eine Wirksamkeit des Katalysators herabgesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil überwunden, indem wenigstens ein
Strömungselement 28 in dem Krümmungsbereich des Einleitstutzens 16 angeordnet ist.
Im dargestellten Beispiel sind dies zwei lamellenartig ausgestaltete Strömungselemente
28. In diesem Fall werden zwischen den Leitflächen 30 der Strömungselemente 28 und
der Wandung des Einleitstutzens 16 drei Strömungskanäle ausgebildet, die sich in
Strömungsrichtung konisch erweitern. Die Strömungselemente 28 bewirken eine
gleichmäßigere Verteilung des Abgasstroms auf die Anströmfläche 26 des
Katalysatorträgers 14. Ein Strömungsquerschnitt des an einen - auf den
Strömungsverlauf bezogen - längeren Außenabschnitt 32 des Krümmungsbereiches des
Einleitstutzens 16 angeordneten Strömungskanals erweitert sich im Verhältnis zu dem
Strömungsquerschnitt des an einen kürzeren Innenabschnitt 34 angeordneten
Strömungskanals stärker. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem
innenliegenden Strömungskanal gegenüber dem außenliegenden Strömungskanal
weiter erhöht und eine noch homogenere Strömungsverteilung auf die Anströmfläche 26
erzielt werden.
Fig. 2 zeigt zwei Querschnittsansichten der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entlang der
Schnittebenen a-a' und b-b'. Dabei befindet sich die Ebene a-a' in einem motornahen
Bereich des Einleitstutzens mit einem geringen Strömungsquerschnitt und die Ebene b-b'
an einer motorfernen Position mit erweitertem Querschnitt. Gleiche Elemente sind mit
den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 gekennzeichnet und sollen hier im Einzelnen
nicht noch einmal erwähnt werden. An der motornahen Position (Schnittebene a-a')
weisen die drei Strömungskanäle, die zwischen den Leitflächen 30 der
Strömungselemente 28 und der Wandung des Einleitstutzens 16 ausgebildet werden,
annähernd gleiche Querschnittsflächen auf. In Strömungsrichtung eines Abgasstroms
erweitern sich die Strömungskanäle konisch. Dabei zeigt die Querschnittsansicht der
motorfernen Schnittebene b-b' die verhältnismäßig stärkere Aufweitung des in dem
längeren Außenabschnitt 32 angeordneten Strömungskanals gegenüber dem in dem
kürzeren Innenabschnitt 34 angeordneten Strömungskanal. Wie bereits oben erläutert
wurde, können durch diese Anordnung der Strömungselemente 28 die
Strömungsverhältnisse im Sinne einer homogenen Geschwindigkeitsverteilung optimiert
werden. Die optimale Anordnung und Form der Strömungselemente 28 kann theoretisch
durch CFD-Berechnungen oder empirisch durch Strömungsverteilungsmessungen
ermittelt werden.
Ein Einleitstutzen 16 für einen erfindungsgemäßen Katalysator 10 kann mit an sich
bekannten Bearbeitungsverfahren, beispielsweise in Tiefziehtechnik oder durch
Innenhochdruckumformung, hergestellt werden. Ein besonders einfacher
Herstellungsprozess ergibt sich, wenn der Einleitstutzen 16 aus einer oberen und
unteren Schale zusammengesetzt wird. Fig. 3 zeigt das Prinzip der Herstellung eines
Einleitstutzens 16 mit einem lamellenartigen Strömungselement 28 in einer
Strömungsquerschnittsansicht. Beim Zusammenbau des Einleitstutzens 16 wird das
Strömungselement 28 zwischen eine Oberschale 36 und eine Unterschale 38 gelegt und
an den beiden Längsseiten des Strömungselementes 28 in einem Arbeitsgang
verschweißt. Die Positionen der Schweißnähte sind in Fig. 3 durch Pfeile
gekennzeichnet.
Ein abweichendes Herstellungsverfahren des Einleitstutzens 16 ist in Fig. 4 dargestellt.
Gemäß dieser Ausführung ist die Oberschale 36 und das Strömungselement 28 einteilig
ausgebildet. Diese einteilige Oberschale lässt sich beispielsweise durch
Innenhochdruckumformen aus einem trichterförmigen Rohrelement herstellen, wobei
durch eine einseitige Abflachung des Rohrelementes das Strömungselement 28
ausgebildet wird. Die Unterschale 38 wird im nachfolgenden Schritt an den mit Pfeilen
gekennzeichneten Positionen mit der einteiligen Oberschale 36 verschweißt.
Grundsätzlich können sowohl die Oberschale 36 als auch die Unterschale 38 den
Außenabschnitt 32 oder den Innenabschnitt 34 des Einleitstutzens 16 ausbilden.
Insgesamt bewirkt die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung eine homogene
Strömungsverteilung des Abgasstromes auf den Katalysatorträger 14. Infolgedessen
wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad des Katalysators hinsichtlich der
Schadstoffkonvertierung gegenüber einem Katalysator gemäß dem Stand der Technik
erreicht. Somit kann das Katalysatorvolumen bei konstanter Konvertierungsleistung
reduziert werden. Auf diese Weise können nicht nur Materialkosten, insbesondere die
des Edelmetalls, sondern auch Bauraum eingespart werden. Auf der anderen Seite
kann, bei konstantem Katalysatorvolumen, die Schadstoffemission durch die
erfindungsgemäße Katalysatoranordnung auf einfach zu realisierende Weise vermindert
werden.
10
Katalysator
12
Katalysatorgehäuse
14
Katalysatorträger
16
Einleitstutzen
18
Auslassstutzen
20
Abgasrohr
22
Längsachse des Abgasrohres
24
Längsachse des Katalysatorträgers
26
Anströmfläche
28
Strömungselement
30
Leitfläche
32
Außenabschnitt
34
Innenabschnitt
36
Oberschale
38
Unterschale
α Krümmungswinkel
a-a' motornahe Schnittebene
b-b' motorferne Schnittebene
α Krümmungswinkel
a-a' motornahe Schnittebene
b-b' motorferne Schnittebene
Claims (7)
1. Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine mit
einem in einem Katalysatorgehäuse angeordneten Katalysatorträger, einem
stromauf des Katalysatorträgers angeordneten, sich in Strömungsrichtung
erweiternden Einleitstutzen, der ein mit der Verbrennungskraftmaschine
verbindbares Abgasrohr umfasst, wobei eine Längsachse des Abgasrohres
gegenüber einer Längsachse des Katalysatorträgers um einen Krümmungswinkel
geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Krümmungsbereich des
Einleitstutzens (16) wenigstens ein Strömungselement (28) derart angeordnet ist,
dass Leitflächen (30) des wenigstens einen Strömungselementes (28) und eine
Wandung des Einleitstutzens (16) Strömungskanäle ausbilden, die ein Abgas auf
eine Anströmfläche (26) des Katalysatorträgers (14) gleichmäßig verteilen.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil
der Strömungskanäle sich in Strömungsrichtung konisch erweitern.
3. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strömungsquerschnitt eines in einem Außenabschnitt (32) des
Krümmungsbereiches des Einleitstutzens (16) angeordneten Strömungskanals
relativ zu einem Strömungsquerschnitt eines in einem Innenabschnitt (34)
angeordneten Strömungskanals in Strömungsrichtung stärker erweitert.
4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
wenigstens eine Strömungselement (28) lamellenartig ausgestaltet ist.
5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
wenigstens eine Strömungselement (28) röhrenförmig ausgestaltet ist.
6. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Strömungselement (28) berührungslos vor der
Anströmfläche (26) des Katalysatorträgers (14) endet.
7. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Strömungselement (28) mit der Wandung des Einleitstutzens (16)
verschweißt ist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10009124A DE10009124B4 (de) | 2000-02-26 | 2000-02-26 | Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine |
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DE10009124A DE10009124B4 (de) | 2000-02-26 | 2000-02-26 | Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine |
Publications (2)
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