DE102008031136B4

DE102008031136B4 - Abgasbehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008031136B4
Application number: DE102008031136.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Noack; Volker Schaika; Natalie Petermann
Original assignee: Purem GmbH
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: DE102008031136A1

Abstract

Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,- mit einem zylindrischen Gehäuse (2), das einen seitlich angeordneten Einlass (8) aufweist, der in einer Einlasskammer (5) mündet,- mit wenigstens einem Abgasbehandlungselement (3), das im Gehäuse (2) angeordnet ist und das stromab an die Einlasskammer (5) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) zwischen dem Einlass (8) und dem Abgasbehandlungselement (3) ein Blechkörper (16) koaxial angeordnet ist, der eine zentrale Durchtrittsöffnung (17) sowie eine am Gehäuse (2) befestigte, die Durchtrittsöffnung (17) einfassende, perforierte Wandung (18) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO 2007/078411 A2 ist eine Abgasbehandlungseinrichtung bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse aufweist, das einen seitlich angeordneten Einlass besitzt. Dabei mündet der Einlass in eine Einlasskammer, an die stromab zumindest ein Abgasbehandlungselement angrenzt, das ebenfalls im Gehäuse angeordnet ist. Bei einem seitlich am Gehäuse angeordneten Einlass tritt das Abgas im Wesentlichen quer zur Axialrichtung des Gehäuses in die Einlasskammer ein, wodurch eine Umlenkung des Abgases innerhalb der Einlasskammer um etwa 90° erforderlich ist. Dies kann zu einer inhomogenen Beaufschlagung und Durchströmung des Abgasbehandlungselements führen. Für den Fall, dass der Einlass tangential zur Einlasskammer angeordnet ist, bildet sich in der Einlasskammer ein Wirbel, bei dem naturgemäß die Strömungsgeschwindigkeit radial außen deutlich größer ist als radial innen. Ein derartiger Wirbel führt ebenfalls zu einer stark ungleichmäßigen Beaufschlagung und Durchströmung des Abgasbehandlungselements. Eine inhomogene Durchströmung des Abgasbehandlungselements reduziert die Effektivität des Abgasbehandlungselements und führt darüber hinaus zu einem erhöhten Durchströmungswiderstand, da nicht der gesamte durchströmbare Querschnitt des Abgasbehandlungselements gleichermaßen ausgenutzt wird.
Aus der DE 42 03 807 A1 ist eine andere Abgasbehandlungseinrichtung mit seitlicher Zuströmung bekannt, bei der in der Einlasskammer ein trichterförmiger Körper angeordnet ist, der einen perforierten zylindrischen Abschnitt, der sich axial an einer Stirnwand des Gehäuses abstützt, und einen an den zylindrischen Abschnitt anschließenden perforierten kegelförmigen Abschnitt aufweist, der sich radial an einem Mantel des Gehäuses abstützt.
Aus der DE 23 14 465 A ist eine Abgasbehandlungseinrichtung mit axialer Zuströmung bekannt, die in einem einlassseitigen, sich konisch aufweitenden Übergangsstück ein Wärmeabschirmelement aufweist, das einen am Übergangsstück beginnenden, kegelstumpfförmigen unperforierten Außenabschnitt, der sich zum Katalysator hin aufweitet, und einen am Außenabschnitt beginnenden, kegelstumpfförmigen perforierten Innenabschnitt aufweist, der vom Katalysator weggerichtet axial in den Außenabschnitt hineinragt und sich ebenfalls zum Katalysator hin aufweitet.
Aus der WO 2005/094253 A2 ist eine weitere Abgasbehandlungseinrichtung mit axialer Zuströmung bekannt, die in einem einlassseitigen, sich konisch aufweitenden Übergangsstück ein Ablenkelement aufweist, das einen perforierten kegelstumpfförmigen Zentralkörper aufweist, der sich ebenfalls konisch aufweitet und radial außen mehre in Umfangsrichtung verteilte, radial abstehende Flügel aufweist, mit denen der Zentralkörper am Übergangsstück abgestützt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abgasbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine vergleichsweise homogene Durchströmung des Abgasbehandlungselements erzielbar ist. Gleichzeitig soll der Durchströmungswiderstand der Abgasbehandlungseinrichtung reduziert werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Gehäuse einen Blechkörper zwischen der Einlassöffnung und dem Abgasbehandlungselement anzuordnen, der eine vergleichsweise große zentrale Durchtrittsöffnung sowie eine die Durchtrittsöffnung einfassende, perforierte Wandung besitzt. Die zentrale Durchtrittsöffnung besitzt einen extrem niedrigen Durchströmungswiderstand, während die perforierte Wandung mit einem im Vergleich dazu erhöhten Durchströmungswiderstand versehen ist. Insbesondere bei einem Wirbel in der Einlasskammer werden die radial außen herrschenden, vergleichsweise hohen Drücke beim Durchströmen der perforierten Wandung vergleichsweise stark gedrosselt, wodurch der Druck und somit auch die Geschwindigkeit des Abgases radial außen abnimmt. Gleichzeitig kann das Abgas im Bereich der Durchtrittsöffnung quasi ungedrosselt hindurchströmen. Mit Hilfe dieses Blechkörpers kann somit das Geschwindigkeitsprofil über dem durchströmbaren Querschnitt des Abgasbehandlungselements homogenisiert werden. Da insbesondere bei Nutzfahrzeugen regelmäßig stationäre Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorliegen, wodurch auch stationäre Strömungszustände in der Abgasanlage und somit in der jeweiligen Abgasbehandlungseinrichtung herrschen, kann der Blechkörper gezielt hinsichtlich der Größe seiner zentralen Durchtrittsöffnung sowie hinsichtlich der Größe und flächigen Verteilung der Perforation auf diese stationären Strömungszustände so abgestimmt werden, dass sich eine hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit möglichst homogene Abgasströmung stromab des Blechkörpers einstellt. Hierdurch kann das Abgasbehandlungselement besser ausgenutzt werden, seine Wirkungsweise wird dadurch erhöht, wobei gleichzeitig der Durchströmungswiderstand des Abgasbehandlungselements aufgrund des gleichmäßig niedrigen Geschwindigkeitsprofils reduziert ist, was auch den Gesamtströmungswiderstand der Abgasbehandlungseinrichtung reduzieren kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Blechkörper einen Kegelstumpf bildet, dessen Mantel durch die Wandung gebildet ist. Besagter Kegelstumpf ragt dabei in die Einlasskammer hinein. Zum einen kann dadurch die Fläche der Wandung vergrößert werden. Zum anderen hat sich gezeigt, dass durch den Anstellwinkel des Kegelstumpfs eine bessere Anpassung an die Strömungsverteilung bzw. Druckverteilung in der Einlasskammer möglich ist, so dass bei entsprechender Anpassung des Kegelwinkels die Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung über der durchströmbaren Querschnittsfläche verbessert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt einer Abgasbehandlungseinrichtung,
2 eine Axialansicht zur Veranschaulichung eines Strömungszustands,
3 eine vergrößerte Detailansicht der Abgasbehandlungseinrichtung im Bereich einer Einlasskammer,
4 eine perspektivische Ansicht eines Blechkörpers,
5 eine Axialansicht wie in 2, jedoch mit dem Blechkörper,
6 eine perspektivische Ansicht des Blechkörpers wie in 4, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.

Entsprechend 1 umfasst eine Abgasbehandlungseinrichtung 1 ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2, in dem zumindest ein Abgasbehandlungselement 3 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel sind rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zwei Abgasbehandlungselemente vorgesehen, nämlich das vorgenannte, stromauf liegende erste Abgasbehandlungselement 3 sowie ein stromab davon angeordnetes zweites Abgasbehandlungselement 4. Beispielsweise handelt es sich beim ersten Abgasbehandlungselement 3 um einen Oxydationskatalysator, während es sich beim zweiten Abgasbehandlungselement 4 um ein Partikelfilterelement handeln kann. Das Gehäuse 2 enthält eine Einlasskammer 5, die axial durch das erste Abgasbehandlungselement 3 begrenzt ist. Sofern im Folgenden von einem Abgasbehandlungselement gesprochen wird, handelt es sich dabei bevorzugt um das stromauf liegende erste Abgasbehandlungselement 3, das die Einlasskammer 5 begrenzt. Die Abgasbehandlungseinrichtung 2 ist für eine Verwendung in einer hier nicht gezeigten Abgasanlage einer Brennkraftmaschine geeignet, die sich insbesondere in einem Kraftfahrzeug befindet.
Das zylindrische Gehäuse 2 besitzt eine Längsmittelachse 6, die eine durch einen Pfeil 7 angedeutete Hauptdurchströmungsrichtung 7 definiert. Das Gehäuse 2 weist einen Einlass 8 auf, der am Gehäuse 2 seitlich angeordnet ist. Mit anderen Worten, der Einlass 8 ist nicht stirnseitig an einem der axialen Enden 9 bzw. 10 des Gehäuses 2, sondern an einem die beiden Enden 9, 10 miteinander verbindenden, rohrförmigen Mantel 11 angeordnet. Dabei kann der Einlass 8 insbesondere quer zur Axialrichtung 6 des Gehäuses 2 orientiert sein. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Einlass 8 tangential zur Einlasskammer 5 am Gehäuse 2 angeordnet ist. Durch die seitliche Anordnung des Einlasses 8 am Gehäuse 2 bildet sich in der Einlasskammer 5 eine Umlenkzone 12 aus, in welcher eine Strömungsumlenkung von der seitlichen Einströmung in die Axialrichtung, also in die Hauptströmungsrichtung 7 erfolgt.
Entsprechend 2 bildet sich bei einer tangentialen Einströmung entsprechend Pfeilen 13 in der Einlasskammer 5 ein Wirbelfeld aus, da die Strömung durch die tangentiale Orientierung mit einem starken Drall beaufschlagt wird. Diese Drallströmung besitzt radial außen einen durch strichpunktierte Linien markierten Bereich 14, in dem vergleichsweise hohe Drücke und vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen. Ferner ist zentral ein mit durchgehender Linie markierter Bereich 15 vorhanden, in dem relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeiten und entsprechend niedrige Drücke herrschen. Dieser zentrale Niederdruckbereich 15 kann auch als „Auge“ des Wirbels bezeichnet werden.
Entsprechend den 1 und 3 ist die Abgasbehandlungseinrichtung 1 mit einem Blechkörper 16 ausgestattet. Dieser ist im Gehäuse 2 angeordnet, und zwar zwischen dem Einlass 8 und dem Abgasbehandlungselement 3. Der Blechkörper 16 ist dabei bezüglich der Längsmittelachse 6 des Gehäuses 2 koaxial angeordnet und besitzt eine zentrale Durchtrittsöffnung 17. Desweiteren besitzt er eine die Durchtrittsöffnung 17 einfassende Wandung 18. Diese Wandung 18 ist am Gehäuse 2, insbesondere am Mantel 11 befestigt. Ferner ist die Wandung 18 mit einer Perforation 19 versehen. Durch die vorgeschlagene Bauweise erzeugt der Blechkörper 16 im Bereich 14 der hohen Geschwindigkeiten und der hohen Drücke einen erhöhten Durchströmungswiderstand, während er im Bereich 15 der niedrigen Drücke und niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Wesentlichen keinen Durchströmungswiderstand generiert. Hierdurch kommt es bei der Durchströmung des Blechkörpers 16 über dem Querschnitt des Gehäuses 2 zu einem Druckausgleich sowie zu einem Geschwindigkeitsausgleich. Auf diese Weise ergibt sich für die Durchströmung des Abgasbehandlungselements 3 ein homogenisiertes Geschwindigkeitsprofil und somit eine verbesserte Ausnutzung des Abgasbehandlungselements 3. Hierdurch kann der Durchströmungswiderstand des Abgasbehandlungselements 3 reduziert werden. Insbesondere kann dadurch insgesamt eine Absenkung des Strömungswiderstands erzielt werden.
Grundsätzlich kann die Wandung 18 in einer Ebene liegen. Bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen bildet die Wandung 18 einen Mantel eines Kegelstumpfs, den der Blechkörper 16 bildet. Durch diese Kegelstumpfgeometrie des Blechkörpers 16 erhält der Blechkörper 16 eine dreidimensionale Struktur und kann insbesondere in die Einlasskammer 5 hineinragen. Der kegelstumpfförmige Blechkörper 16 bzw. der Kegelstumpf 16 besitzt eine große Endseite 20 sowie eine kleine Endseite 21. Die große Endseite 20 ist von einem Außenrand 22 der Wandung 18 eingefasst bzw. begrenzt. Die kleine Endseite 21 ist von einem Innenrand 23 der Wandung 18 eingefasst bzw. begrenzt. Das bedeutet, dass die kleine Endseite 21 im Wesentlichen vollständig durch die zentrale Durchtrittsöffnung 17 gebildet ist und dass die große Endseite 20 im Wesentlichen vollständig offen und frei durchströmbar ist. Der Kegelstumpf 16 ist hier so angeordnet, dass er mit der Durchtrittsöffnung 17, also mit der kleinen Endseite 21 koaxial in die Einlasskammer 5 hineinragt.
Es hat sich gezeigt, dass ein als Kegelstumpf ausgestalteter Blechkörper 16 eine besonders effektive Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung ermöglicht. Als geeignete Anstellwinkel 24 des Mantels 18 gegenüber der Axialrichtung 6 des Gehäuses 2 hat sich ein Winkel von etwa 45° herausgestellt, wobei Abweichungen davon um ±25% möglich sind.
Zweckmäßig besitzt der Blechkörper 16 kreisförmige Querschnitte. Insbesondere besitzt dann auch die Durchtrittsöffnung 17 einen Kreisquerschnitt. Besonders vorteilhaft ist eine Konstellation, bei welcher gemäß 5 ein Innendurchmesser 25 des Blechkörpers 16, der dem Durchmesser der Durchtrittsöffnung 17 entspricht, etwa halb so groß wie ein Außendurchmesser 26 des Blechkörpers 16 ist. Beispielsweise liegt der Innendurchmesser 25 in einem Bereich von 0,4 bis 0,6 des Außendurchmessers 26. Hierdurch besitzt ein Öffnungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung 17 etwa ¼ der Fläche eines Querschnitts der Einlasskammer 5. Bei den gezeigten Ausführungsformen ist die Perforation 19 durch eine Vielzahl von Löchern 27 gebildet. Bevorzugt besitzt jedes einzelne Loch 27 einen runden, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt. Gemäß 4 kann ein Lochdurchmesser 28 dieser Löcher 27 der Perforation 19 etwa 1/20 des Innendurchmessers 25 betragen.
Entsprechend 6 kann die Wandung 18 am Innenrand 23 einen umlaufenden Kragen 29 aufweisen, der ebenfalls in die Einlasskammer 5 koaxial hineinragt, also an einer vom Abgasbehandlungselement 3 abgewandten Seite von der Wandung 18 absteht. Dieser Kragen 29 kann gemäß 6 ebenfalls perforiert sein. Außerdem kann die Wandung 18 gemäß 6 an ihrem Außenrand 22 einen weiteren, in Richtung zum Abgasbehandlungselement 3 abstehenden, zweckmäßig umlaufenden Kragen 30 aufweisen, der bspw. die Anbindung des Blechkörpers 16 an das Gehäuse 2 vereinfacht. Beispielsweise ist der Blechkörper 16 mit dem Gehäuse 2 verschweißt oder verlötet.

Claims

Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, - mit einem zylindrischen Gehäuse (2), das einen seitlich angeordneten Einlass (8) aufweist, der in einer Einlasskammer (5) mündet, - mit wenigstens einem Abgasbehandlungselement (3), das im Gehäuse (2) angeordnet ist und das stromab an die Einlasskammer (5) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) zwischen dem Einlass (8) und dem Abgasbehandlungselement (3) ein Blechkörper (16) koaxial angeordnet ist, der eine zentrale Durchtrittsöffnung (17) sowie eine am Gehäuse (2) befestigte, die Durchtrittsöffnung (17) einfassende, perforierte Wandung (18) aufweist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (8) quer zur Axialrichtung (6) des Gehäuses (2) orientiert ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (8) tangential zur Einlasskammer (5) am Gehäuse (2) angeordnet ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechkörper (16) einen Kegelstumpf bildet, dessen Mantel durch die Wandung (18) gebildet ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - dass eine große Endseite (20) des Kegelstumpfs (16) von einem Außenrand (22) der Wandung (18) begrenzt ist, und/oder - dass eine kleine Endseite (21) des Kegelstumpfs (16) von einem Innenrand (23) der Wandung (18) begrenzt ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelstumpf (16) mit der Durchtrittsöffnung (17) koaxial in die Einlasskammer (5) hineinragt.
Abgasbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (18) des Kegelstumpfs (16) etwa um 45° ±25% gegenüber der Axialrichtung (6) des Gehäuses (2) geneigt ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt der Durchtrittsöffnung (17) etwa ¼ ±25% eines Querschnitts der Einlasskammer (5) beträgt.
Abgasbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbehandlungselement (3) ein Oxydationskatalysator ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Oxydationskatalysators (3) ein Partikelfilter (4) im Gehäuse (2) angeordnet ist.
Abgasbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (18) an einem die Durchtrittsöffnung (17) einfassenden Innenrand (23) einen umlaufenden Kragen (29) aufweist, der in die Einlasskammer (5) koaxial hineinragt.
Abgasbehandlungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (29) perforiert ist.