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Die
Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reinigung eines Abgases
einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Merkmalen.
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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.
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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.
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Aus
der
WO 98/07967 (
DE 196 33 563 A1 ) ist
eine Leitvorrichtung bekannt, welche in einem im Strömungsverlauf
längeren
Außenabschnitt
des gekrümmten
Einströmstutzens
angeordnet ist. Diese insbesondere als eingedrückter Gehäuseabschnitt ausgebildete Leitvorrichtung
erzeugt eine Abrisskante für
den Abgasstrom und verbessert somit 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.
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JP 60-169 619 A offenbart
eine Mehrzahl von äquidistant
und parallel zueinander im Einlassbereich eines Abgaskatalysators
angeordneten Strömungselementen
in Form von Rippen, welche die Leistung des Katalysators erhöhen sollen.
Eine ähnliche
Anordnung ist aus
CH
679 236 A5 bekannt, wo ein Abgas einer stationären Gasturbine
durch in einem Umlenkkrümmer
angeordneten Schaufelgitter, die gleichmäßig zueinander beabstandet
sind, geleitet wird, bevor es einem nachgeschalteten Katalysator
zugeführt
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Katalysator der gattungsgemäßen Art mit
einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, der die Nachteile
des beschriebenen Technikstandes überwindet. Insbesondere soll
die Anströmung
des Katalysators noch weiter homogenisiert werden.
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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. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen,
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Katalysators mit zwei lamellenartigen
Strömungselementen
in einem Längsschnitt;
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2 eine
Anordnung der zwei lamellenartigen Strömungselemente im Katalysator
aus 1 in zwei unterschiedlichen Querschnittsansichten;
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3 eine
Prinzipdarstellung einer Herstellung eines erfindungsgemäßen Einleitstutzens
und
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4 eine
Prinzipdarstellung einer Herstellung eines Einleitstutzens gemäß einer
abweichenden Ausführung.
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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.
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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 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.
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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.
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2 zeigt
zwei Querschnittsansichten der in 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 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.
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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. 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 3 durch Pfeile gekennzeichnet.
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Ein
abweichendes Herstellungsverfahren des Einleitstutzens 16 ist
in 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.
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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.
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- 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