DE102008031657A1 - Exhaust converter for exhaust system for catalytic after treatment of combustion engine exhaust gases, has converter housing and carrier body arranged in converter housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskonverter zur katalytischen Nachbehandlung von verbrennungsmotorischen Abgasen sowie eine Abgasanlage, die zumindest einen solchen Abgaskonverter umfasst.The The present invention relates to an exhaust gas converter for catalytic Aftertreatment of combustion engine exhaust gases and an exhaust system, comprising at least one such exhaust gas converter.
Abgase von Verbrennungsmotoren enthalten als umweltrelevante Schadstoffe unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO sowie Stickoxide NOx. Um diese Bestandteile aus dem Abgas zu entfernen, ist bekannt, einen oder mehrere Abgaskonverter zur katalytischen Nachbehandlung in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren zu integrieren. Abhängig von der Konvertierungsaufgabe kann der Konverter als Oxidationskatalysator zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysator zur Reduzierung von Stickoxiden oder als Dreiwegekatalysator, welcher die genannten oxidierenden und reduzierenden Reaktionen gleichzeitig unterstützt. Zudem kann der Konverter mit einer Speicherkomponente zur Zwischenspeicherung einer ausgewählten Abgaskomponente ausgestattet sein. Insbesondere kann im Falle magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen ein Konverter vorgesehen sein, der eine NOx-Speicherkomponente aufweist. Diese speichert in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit einem sauerstoffreichen Luftkraftstoffgemisch mit λ > 1 beaufschlagt wird, NOx in Form von Nitraten ein, um in fetten Betriebsintervallen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit Luftunterschuss betrieben wird (λ < 1), die Stickoxide wieder freizusetzen und mit Hilfe eines geeigneten katalytischen Materials zu reduzieren. Als Alternativen zu einem solchen NOx-Speicherkatalysator sind zur Konvertierung von Stickoxiden sogenannte selektive Reduktionskatalysatoren (SCR-Katalysatoren) und Hydrolyse-Katalysatoren bekannt.Exhaust gases of combustion engines contain as environmentally relevant pollutants unburned hydrocarbons HC, carbon monoxide CO and nitrogen oxides NO x . In order to remove these constituents from the exhaust gas, it is known to integrate one or more exhaust gas converters for the catalytic after-treatment in exhaust systems of internal combustion engines. Depending on the conversion task, the converter can be configured as an oxidation catalyst for the conversion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide, as a reduction catalyst for the reduction of nitrogen oxides or as a three-way catalyst which simultaneously supports said oxidizing and reducing reactions. In addition, the converter may be equipped with a storage component for temporarily storing a selected exhaust gas component. In particular, in the case of lean-running internal combustion engines, a converter may be provided which has an NO x storage component. This stores in lean operating phases, in which the internal combustion engine is supplied with an oxygen-rich air-fuel mixture with λ> 1, NO x in the form of nitrates, in rich operating intervals, in which the internal combustion engine with air deficit is operated (λ <1), the nitrogen oxides release and reduce with the aid of a suitable catalytic material. As alternatives to such a NO x storage so-called selective reduction catalysts (SCR catalysts) and hydrolysis catalysts are known for the conversion of nitrogen oxides.
Bekannte Abgasanlagen umfassen häufig mehrere Konverterkomponenten, insbesondere zumindest einen motornah angeordneten Vorkonverter, der sich durch eine schnelle Aufheizung nach einem Kaltstart auszeichnet, und/oder mindestens einen weiter stromab angeordneten Hauptkonverter.Known Exhaust systems often include multiple converter components, in particular at least one close-coupled preconverter, the characterized by rapid heating after a cold start, and / or at least one further downstream arranged main converter.
Üblicherweise besteht ein Abgaskonverter aus einem Trägerkörper, welcher eine Vielzahl vom Abgas durchströmbarer Kanäle ausbildet. Die Wandungen dieser Kanäle sind mit einer porösen Matrix beschichtet, welche als ”Washcoat” bekannt ist. Der Washcoat dient der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche und der Fixierung einer katalytisch wirksamen Substanz oder einer Mischung aus mehreren von solchen. Herkömmliche Trägerkörper bestehen aus einem keramischen Material (Monolith) oder einem Körper aus gewickelten Metallblechen (Metalith). In beiden Fällen weisen die vom Abgas durchströmbaren Kanäle eine lineare, in Strömungsrichtung des Abgases axial verlaufende Wabenstruktur auf. Der Trägerkörper des Abgaskonverters ist üblicherweise in einem zylindrischen oder ovalzylindrischen Abschnitt eines Konvertergehäuse angeordnet, an welchen anströmseitig und abströmseitig sich jeweils ein konisch sich erweiternder Einlassstutzen beziehungsweise Auslassstutzen anschließt. Die Einlass- und Auslassstutzen sind dabei mit dem Abgasrohr beispielsweise über eine Flanschverbindung verbunden.Usually If an exhaust gas converter consists of a carrier body, which a variety of exhaust gas flowed through channels formed. The walls of these channels are porous Matrix coated, which is known as "washcoat" is. The washcoat serves to increase the specific surface area and the fixation of a catalytically active substance or a Mixture of several of such. Conventional carrier body consist of a ceramic material (monolith) or a body made of wound metal sheets (Metalith). In both cases have the channels through which the exhaust gas can flow linear, axially extending in the flow direction of the exhaust gas Honeycomb structure on. The carrier body of the exhaust gas converter is usually in a cylindrical or oval cylindrical Section of a converter housing arranged on which each on the inflow and outflow side conically expanding inlet connection or outlet connection followed. The inlet and outlet ports are included connected to the exhaust pipe, for example via a flange connection.
Daneben
sind in jüngerer Zeit Abgaskonverter entwickelt worden,
die aus einem Metallschaum mit einer offenzelligen Porenstruktur
bestehen. Vorteil der aus Metallschaum bestehenden Trägerkörper ist,
dass sich eine nicht lineare, labyrinthartige Struktur der Strömungskanäle
ausbildet, die zu einer sehr guten Vermischung des Abgases führt.
Dadurch wird die Bildung von sogenannten Stromfäden vermieden und
darüber hinaus die Diagnostizierbarkeit des Konverters
verbessert. Beispielsweise beschreibt
Nachteilig an den herkömmlichen Konvertersystemen ist, dass diese grundsätzlich verhältnismäßig viel Bauraum beanspruchen und ihre Anordnung aufgrund der beengten Raumverhältnisse häufig Beschränkungen unterliegt, die von dem zur Verfügung stehenden Bauraum limitiert werden und nicht durch die optimale Konvertierungsfunktion bestimmt werden.adversely At the conventional converter systems is that these basically proportionate take up a lot of space and their arrangement due to the cramped Spaces often restrictions subject to the available space be limited and not by the optimal conversion function be determined.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgaskonverter zur Verfügung zu stellen, der ein möglichst geringes Bauvolumen beansprucht und sich einfach in bestehende Bauraumverhältnisse integrieren lässt.task The present invention is therefore an exhaust gas converter for To provide the lowest possible Construction volume claimed and easy in existing space conditions integrate.
Diese Aufgabe wird mit einem Abgaskonverter zur katalytischen Nachbehandlung von verbrennungsmotorischen Abgasen sowie durch eine Abgasanlage, die zumindest einen solchen Abgaskonverter enthält mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is with an exhaust gas converter for catalytic aftertreatment combustion engine exhaust gases and an exhaust system, the at least one such exhaust gas converter contains the features of the independent claims.
Der erfindungsgemäße Abgaskonverter umfasst ein Konvertergehäuse sowie zumindest einen in diesem angeordneten Trägerkörper, welcher aus einem Metallschaum mit einer offenzelligen (auch offenporig genannten) Struktur gebildet ist, welche vom Abgas durchströmbare Strömungskanäle ausbildet. Erfindungsgemäß weist das Katalysatorgehäuse eine gekrümmte Gestalt auf und/oder eine Gestalt mit einer sich in Abgasströmungsrichtung verändernden Querschnittsfläche. Dabei ist die äußere Kontur des Trägerkörpers zumindest abschnittsweise (bezogen auf die Abgasströmungsrichtung) einer inneren Kontur des Konvertergehäuses angepasst, das heißt sie korrespondiert mit dieser. Mit anderen Worten weist sowohl das Konvertergehäuse als auch der Trägerkörper jeweils eine komplexe Gestalt auf im Gegensatz zu den im Stand der Technik üblichen zylinder- oder ovalzylinderförmigen Gestaltungen. Dies ermöglicht die Anpassung des Konverters an komplexe Bauraumverhältnisse eines Kraftfahrzeugs und somit eine optimale Ausnutzung vorhandenen Bauraums. Dabei wird die komplexe Formgebung des Trägerkörpers insbesondere durch Verwendung des Metallschaums ermöglicht, der sehr flexibel in beliebige Gestaltungen zu bringen ist, indem beispielsweise die Aufschäumung des Metalls oder der Metalllegierung unmittelbar im Konvertergehäuse erfolgt.The exhaust gas converter according to the invention holds a converter housing and at least one arranged in this carrier body, which is formed of a metal foam with an open-cell (also known as open-pore) structure which forms flow through the exhaust gas flow channels. According to the invention, the catalyst housing has a curved shape and / or a shape with a cross-sectional area which changes in the exhaust gas flow direction. In this case, the outer contour of the carrier body is at least partially adapted (with respect to the exhaust gas flow direction) an inner contour of the converter housing, that is, it corresponds with this. In other words, both the converter housing and the carrier body each have a complex shape in contrast to the usual in the prior art cylinder or oval-cylindrical configurations. This allows the adaptation of the converter to complex space conditions of a motor vehicle and thus optimal utilization of existing space. In this case, the complex shaping of the carrier body is made possible, in particular, by the use of the metal foam, which can be brought into any configuration very flexibly, for example by foaming the metal or the metal alloy directly in the converter housing.
Der erfindungsgemäße Abgaskonverter ermöglicht insbesondere, dass Komponenten einer herkömmlichen Abgasanlage als Abgaskonverter ausgestaltet werden, denen im Stand der Technik keine Konvertierungsfunktion zukommt. In diesem Zusammenhang sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Konvertergehäuse ein gekrümmtes Teilstück eines Abgasrohres, ein Abgaskrümmerrohr oder ein trichterförmiger Einlassstutzen und/oder Auslassstutzen eines Katalysatorgehäuses ist, das ansonsten mit einem herkömmlichen Keramik- oder Metallwickelkatalysator ausgestattet ist. Darüber hinaus kann das Konvertergehäuse auch als eine beliebig gestaltete Einlage in einem Schalldämpfer ausgestaltet sein.Of the inventive exhaust gas converter allows in particular, that components of a conventional exhaust system be designed as exhaust gas converter, which in the prior art no Conversion function is added. In this regard, one sees Particularly preferred embodiment of the invention, that the converter housing a curved portion of an exhaust pipe, a Exhaust manifold pipe or a funnel-shaped inlet nozzle and / or outlet port of a catalyst housing, otherwise with a conventional ceramic or metal winding catalyst Is provided. In addition, the converter housing also as an arbitrarily designed insert in a silencer be designed.
Als Material des Metallschaums des Trägerkörpers kommt jedes Metall oder jede Metalllegierung in Frage, die den im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors herrschenden thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen standhalten. In diesem Sinne können alle Metalle oder Metalllegierungen Einsatz finden, die auch für herkömmliche Metallwickelkatalysatoren bekannt sind. Insbesondere kommen hier Leichtmetalle, wie Aluminium oder Magnesium in Frage, sowie Titan, Stähle und andere.When Material of the metal foam of the carrier body comes Any metal or metal alloy in question, that in the exhaust tract an internal combustion engine ruling thermal, mechanical and withstand chemical loads. In this sense can all metals or metal alloys find use, which also for conventional metal winding catalysts are known. Especially Light metals such as aluminum or magnesium come into question here as well as titanium, steels and others.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine innere Oberfläche der Strömungskanäle des Trägerkörpers, das heißt die Wandungen der offenen Zellen, zumindest bereichsweise mit einem Washcoat beschichtet, welcher vorzugsweise eine poröse und damit oberflächenvergrößernde Struktur aufweist und zur Aufnahme zumindest einer katalytisch wirksamen Substanz geeignet ist. Für das Material des Washcoats kommen alle gängigen Materialien in Frage, insbesondere poröse Metalloxide wie etwa Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumoxid (SiO2) oder Mischungen, wobei diese wahlweise auch Sauerstoffspeicherkomponenten, beispielsweise Ceroxid enthalten können. Es ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der Washcoat mit zumindest einer katalytisch wirksamen Substanz beladen ist, die in den Poren des Washcoats eingelagert ist und dort gehalten wird. Auch für die katalytisch wirksame Substanz kommen alle im Stand der Technik bekannten Materialien, insbesondere Edelmetalle, inklusive solche der Platingruppe, in Frage. Hier sind insbesondere Palladium (Pd), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Osmium (Os) zu nennen. Die zumindest eine katalytisch wirksame Substanz wird entsprechend ihrer Konvertierungsaufgabe so gewählt, dass sie eine oxidierende Wirksamkeit zur katalytischen Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) aufweist oder eine reduzierende Wirksamkeit zur katalytischen Konvertierung von Stickoxiden (NOx). Alternativ kann sie eine dreiwegekatalytische Eigenschaft aufweisen und somit sowohl eine oxidierende und reduzierende Wirksamkeit besitzen. Ferner kann der Washcoat mit den eingangs erläuterten Speicherkomponenten, insbesondere für Stickoxide NOx, ausgestattet sein.In a further development of the invention, an inner surface of the flow channels of the carrier body, that is, the walls of the open cells, at least partially coated with a washcoat, which preferably has a porous and thus oberflächenvergrößernde structure and is suitable for receiving at least one catalytically active substance. For the material of the washcoat all common materials in question, in particular porous metal oxides such as alumina (Al 2 O 3 ) or silicon oxide (SiO 2 ) or mixtures, which may optionally contain oxygen storage components, such as cerium oxide. It is further preferably provided that the washcoat is loaded with at least one catalytically active substance which is incorporated in the pores of the washcoat and held there. Also suitable for the catalytically active substance are all materials known in the prior art, in particular noble metals, including those of the platinum group, in question. Particular mention may be made here of palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru) and osmium (Os). The at least one catalytically active substance is chosen according to its conversion task so that it has an oxidizing activity for the catalytic conversion of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) or a reducing activity for the catalytic conversion of nitrogen oxides (NO x ). Alternatively, it may have a three-way catalytic property and thus have both an oxidizing and reducing activity. Furthermore, the washcoat can be equipped with the memory components explained in the introduction, in particular for nitrogen oxides NO x .
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Trägerkörper und dem Konvertergehäuse ein Mittel zur Fixierung und Dämpfung des Trägerkörpers angeordnet. Dieses Fixierungs- und Dämpfungsmittel kann insbesondere in Form einer Matte, beispielsweise einer Fasermatte oder eines Drahtgestrickes ausgestaltet sein. Derartige Matten sind dem Fachmann hinreichend bekannt und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.To Another preferred embodiment of the invention is between the carrier body and the converter housing a means for fixing and damping of the carrier body arranged. This fixation and damping agent can in particular in the form of a mat, for example a fiber mat or a knitted wire. Such mats are The skilled worker well known and require no further Explanation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the rest Dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be described below in embodiments the accompanying drawings explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Der
Abgaskonverter
Die
Zellwandungen
Die
Verwendung eines Trägerkörpers
Die
Herstellung des erfindungsgemäßen Konverters
Stromab
des Abgasturboladers
Die
in
Eine
weitere bevorzugte Anordnung des erfindungsgemäßen
Konverters ist durch die gebogenen Abgasrohrteilstücke
Weitere
vorteilhafte Positionierung des erfindungsgemäßen
Konverters ist durch den Einlassstutzen
Sämtliche
der vorgenannten bevorzugten Positionen des erfindungsgemäßen
Konverters innerhalb der Abgasanlage
- 1010
- Abgaskonverterexhaust gas converter
- 100100
- Abgasanlageexhaust system
- 1212
- Konvertergehäuseconverter housing
- 1414
- Trägerkörpersupport body
- 1616
- Zellwandungcell wall
- 1818
- Strömungskanalflow channel
- 2020
- Washcoatwashcoat
- 2222
- katalytische Substanzcatalytic substance
- 2424
- Abgasexhaust
- 2626
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 2828
- AbgaskrümmerrohrAbgaskrümmerrohr
- 3030
- Sammelrohrmanifold
- 3232
- Abgasturbolader (Turbine)turbocharger (Turbine)
- 3434
- erstes gerades Abgasrohrteilstückfirst straight exhaust pipe section
- 3636
- erstes gebogenes Abgasrohrteilstückfirst curved exhaust pipe section
- 3838
- Abgaskatalysatorcatalytic converter
- 4040
- konventioneller Trägerkörperconventional support body
- 4242
- Einlassstutzeninlet port
- 4444
- Auslassstutzenoutlet
- 4646
- zweites gebogenes Abgasrohrteilstücksecond curved exhaust pipe section
- 4848
- zweites gerades Abgasrohrteilstücksecond straight exhaust pipe section
- 5050
- Partikelfilterparticulate Filter
- 5252
- drittes gerades Abgasrohrteilstückthird straight exhaust pipe section
- 5454
- Schalldämpfersilencer
- 5656
- Einlageinlay
- 5858
- viertes gerades Abgasrohrteilstückfourth straight exhaust pipe section
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