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Die
vorliegende Erfindung betrifft Katalysatoren in einem Schalldämpfer
für Kleinmotoren (< 19 KW).
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Die
Anwendung eines Katalysators in einem Schalldämpfer für
Kleinmotoren hat insbesondere zum Ziel, die Emission an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen (HC) zu verringern. Hierdurch kommt es durch
Oxidationsreaktionen zum Teil zu einer erheblichen Erhöhung
der Abgastemperatur durch den Katalysator. Dies erfordert ein geschicktes
Wärme-Management innerhalb und außerhalb des Schalldämpfers
durch entsprechende Abgasführung, bzw. Wärmedämmung
und Kühlung. In bestimmten Betriebszuständen des
Motors werden besonders hohe Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen über
den Katalysator geleitet, wodurch es zu einer extremen Temperaturerhöhung
kommen kann.
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Es
ist eine Vielzahl von Möglichkeiten der Fixierung eines
katalytischen Elements in einem Schalldämpfer für
Kleinmotoren bekannt. In einer Vielzahl von Anwendungen wird der
Katalysator an einem Mittelblech des Schalldämpfers angebracht. Diese
Ausführung ist anfällig für die Ausbildung
eines sogenannten „Hot Spots” innerhalb der zweiten Schalldämpferkammer.
Besonders problematisch ist die Temperaturerhöhung infolge
Motorabregelung. Aus Sicherheitsgründen ist deshalb eine
zielgerichtete und effiziente Außenkühlung erforderlich.
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Es
ist auch bekannt, das katalytische Element direkt an den Eingang
des Abgasstromes in den Schalldämpfer zu platzieren, wodurch
eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Schalldämpfer
im Abgasstrom nach dem Katalysator erzielt wird. Das katalytische
Element ist dann direkt dem Abgas mit allen darin befindlichen,
für den Katalysator schädlichen Bestandteilen
ausgesetzt, so dass es beispielsweise in besonders hohem Umfang
mit Öladditiven in Berührung kommt, wodurch die
Lebensdauer des Katalysators durch Vergiftung wesentlich beeinträchtigt
ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einerseits die Sicherheit
bezüglich der Außentemperatur des Schalldämpfergehäuses
zu verbessern und andererseits eine Vergiftung des Katalysators
durch Öladditive gering zu halten.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird die Temperaturbelastung des Schalldämpfergehäuses
durch das den Katalysator verlassende konvertierte Abgas dadurch
gemindert, dass dieses konvertierte Abgas oder dessen Gehäuse
mit unkonvertiertem Abgas gekühlt wird.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche. In den abhängigen Ansprüchen
sind bevorzugte Ausführungen beschrieben.
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Erfindungswesentlich
ist, dass die Temperaturbelastung des Schalldämpfergehäuses
durch heißes, aus dem Katalysator ausströmendes
Abgas minimiert wird. Hierzu wird das im Katalysator konvertierte
Abgas in ein Bauteil geführt, welches von unkonvertiertem
Abgas eingebettet und gekühlt wird.
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Insbesondere
erfolgt die Kühlung dadurch, dass das Bauteil, in dem das
konvertierte Abgas vom Katalysator weggeführt wird, von
außen mit unkonvertiertem Abgas gekühlt wird,
und zwar vor allem nah am Katalysator. Hierzu wird das das konvertierte Abgas
ableitende Bauteil vollständig bis auf dessen Durchführung
durch das Schalldämpfergehäuse im Schalldämpfergehäuse
von unkonvertiertem Abgas umgeben, insbesondere umströmt.
Vorzugsweise wird eine Kammer, insbesondere ein Rohr, inmitten des
Schalldämpfers platziert und in diese innere Kammer der
Katalysator eingebracht, insbesondere durch einfaches Pressen fixiert.
Das noch relativ kalte, unkonvertierte Abgas kühlt die
Kammer von außen. Das Abgas wird durch eine Öffnung
in dieser Kammer über den Katalysator geleitet. Das Abgas
erwärmt sich aufgrund der Oxidation von Kohlenwasserstoffen.
Zusätzliche kleinere Einlassöffnungen, die im
Abgasstrom nach dem Katalysator angeordnet werden, kühlen
das aus dem Katalysator ausströmende Abgas innerhalb der
inneren Kammer zusätzlich. Die Konvertierungsrate und die
Kühlrate sind über die Querschnittsfläche
dieser Öffnungen optimierbar. Das an Kohlenwasserstoffen
verarmte und erfindungsgemäß gleichzeitig leicht
abgekühlte Abgas kann in die Umgebung abgegeben werden.
Damit erfolgt die Reduktion von Emissionen eines Kleinmotors mithilfe
eines katalytischen Elements, welches in einer Halterung derart
in einen Schalldämpfer eingebaut ist, dass die Halterung
eine optimale Abgasführung und Temperaturregelung gewährleistet. Hier durch
wird bei besonders hohen Lastzuständen des Motors die Temperaturerhöhung
durch das katalytische Element minimiert und die Lebensdauer des katalytischen
Elements erhöht.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung gewährleistet
eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb
des Schalldämpfers. Dies vereinfacht die Einhaltung gesetzlicher
Vorschriften bezüglich der Oberflächentemperaturen
des Schalldämpfers. Die Einbringung und Fixierung des katalytischen
Elements ist durch Einpressen sehr einfach und kostengünstig
ausführbar.
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Die
vorliegende Erfindung löst insbesondere das Problem der
Belastung von Katalysatoren durch die sehr hohe Reaktionswärme
beim katalytischen Verbrennen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Folge
einer Motorabregelung, d. h. die Drosselung der Leistung bzw. der
Umdrehungen eines Motors, insbesondere durch Verstellung des Zündzeitpunktes oder
der teilweisen Aussetzung der Zündung.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung des Katalysators bewahrt
insbesondere edelmetallhaltige Katalysatoren vor schneller Alterung
in Folge von Überhitzung.
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Andererseits
hat sich die Anwendung edelmetallfreier Katalysatoren auf Basis
von Mischoxiden, insbesondere gemäß der noch unveröffentlichten
DE 10 2008 032 200.8 ,
für die vorliegende Erfindung bewährt, da das
Abgas ungekühlt auf den Katalysator geleitet werden kann
und die Abkühlung des Abgases erst nach dem katalytischen
Prozess erfolgt. Als Mischoxide eignen sich Oxide aus Metallen, die
mehrere stabile Oxidationsstufen aufweisen, insbesondere Lanthanide
wie Cer und Metalle der ersten Nebengruppe.
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Eine
erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung,
bei der das Schalldämpfergehäuse in der Nähe
des Katalysatorausgangsbereichs mit einer mit unkonvertiertem Abgas
betriebenen Kühleinrichtung gekühlt wird, enthält
ein Schalldämpfergehäuse, in dem ein Katalysator
zwischen zwei voneinander getrennten Räumen angeordnet
ist. Insbesondere ist dabei ein Raum im Wesentlichen von dem anderen
Raum umschlossen. Beide Räume sind durch Öffnungen
im Schalldämpfergehäuse geöffnet. Das
Schalldämpfergehäuse begrenzt den äußeren Raum.
Der äußere Raum ist für die Zufuhr unkonvertierten
Abgases zum Katalysator vorgesehen. Der innere Raum wird durch ein
Bauteil begrenzt, in oder an dessen einen Ende der Katalysator befestigt
ist und dessen anderes Ende durch das Schalldämpfergehäuse
führt. Das den inneren Raum begrenzende Bauteil ist dafür
vorgesehen, das aus dem Katalysator austretende konvertierte Abgas
vom Katalysator abzuführen.
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Bei
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, in der ein Katalysator zwischen
zwei voneinander getrennten Räumen innerhalb eines Schalldämpfergehäuses
angeordnet ist, und beide Räume durch Öffnungen
im Schalldämpfergehäuse geöffnet sind, ist
der Raum, der zum Abführen des konvertierten Abgases vorgesehen
ist, durch ein Bauteil begrenzt, welches durch das Schalldämpfergehäuse
führt. Innerhalb des Schalldämpfergehäuses
ist ggfs. eine weitere Öffnung als Bypass zu dem anderen
Raum ausgebildet. Die über den Katalysator führende
Strömung wird nach dem Katalysator mittels Zufuhr unkonvertierten
Abgases über den Bypass gekühlt. Die Kühlung
per Bypass ist auch für Schalldämpfergehäuse
geeignet, bei denen ein Mittelblech das Schalldämpfergehäuse
in zwei Räume unterteilt oder ein Katalysator, insbesondere
aus einem Mischoxid, besonders nah am Eingang des Abgasstromes im Schalldämpfer
angeordnet ist. Der Bypass bewirkt, dass der Hot Spot nach dem Katalysator
abgeschwächt wird. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß statt
eines Mittelblechs ein einen inneren Raum begrenzendes Bauteil verwendet.
Insbesondere wird der Katalysator in dieses Bauteil gepresst.
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Vorzugsweise
weist der Katalysator ein Mischoxid auf Basis von Cer, Titan und
Chrom auf. Insbesondere ist der Mischoxid-Katalysator mit für katalytische
Zwecke besonders wenig Palladium dotiert.
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Zur
Herstellung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird ein Katalysator
in einem Raum fixiert und hierzu in ein Bauteil gepresst oder geschweißt.
Dieses Bauteil wird mit dem Katalysator inmitten des Schalldämpfers
platziert, so dass es im Raum für unkonvertiertes Abgas
eingebettet wird. Außer einer Öffnung zur Führung
unkonvertierten Abgases zum Katalysator bewirkt eine zusätzliche Bypassöffnung
für unkonvertiertes Abgas zum Abgasstrom einen zusätzlichen
Kühleffekt.
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Zur
Abgasbehandlung in einer Abgasnachbehandlungsanlage, bei dem Abgas
aus einem Motor über einen ersten Raum zu einem Katalysator
geführt wird und über einen zweiten Raum vom Katalysator
abgeführt wird, kühlt man das aus dem Katalysator
strömende Gas, indem das dem Katalysator zugeführte
Gas den Raum umspült, der das Abgas vom Katalysator abführt.
Insbesondere wird dabei in Betriebszuständen des Motors,
bei denen hohe Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen über
den Katalysator geleitet werden, eine Überhitzung vermieden.
Diese Abgasbehandlung eignet sich besonders für handgetragene
Kleinmotoren.
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Die
Verwendung unkonvertierten Abgases zur Kühlung konvertierten
Abgases oder des Bauteils, innerhalb dessen das konvertierte Abgas
abgeführt wird, erfolgt innerhalb eines Schalldämpfergehäuses
in einem Bereich, in dem sonst die größte Hitzebelastung
des Schalldämpfergehäuses durch das konvertierte
Abgas erfolgen würde.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit Bezug auf
die Abbildungen verdeutlicht:
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1 zeigt
einen Querschnitt eines Schalldämpfers durch Gehäuse
und rohrförmigen Bauteil mit eingepresstem Katalysator;
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2 zeigt
einen Querschnitt eines Schalldämpfers, bei dem gegenüber 1 das
Bauteil ein größeres Volumen aufweist;
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3 zeigt
einen Schalldämpfer, bei dem das Bauteil als Kühlschlange
ausgebildet ist.
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Bei
einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist in einem aus zwei Halbschalen
zusammengepressten Schalldämpfergehäuse 1 ein
Katalysator 5 zwischen zwei voneinander getrennten Räumen angeordnet,
und beide Räume sind durch Öffnungen 7, 8 im
Schalldämpfergehäuse 1 geöffnet.
Das Bauteil 9, das zum Abführen des durch den
Katalysator 5 konvertierten Abgases vorgesehen ist, führt
durch das Schalldämpfergehäuse 1 und
ist innerhalb des Schalldämpfergehäuses 1 von
dem anderen Raum umgeben, der für die Zufuhr des Abgases
zum Katalysator 5 vorgesehen ist. Das innere Bauteil 9 ist
am Gehäuse 1 im Bereich der Öffnung 7 befestigt,
insbesondere verschweißt oder verschraubt. Zusätzliche Befestigungselemente 10 befinden
sich im Bereich des Schwerpunktes des Bauteils 9. Am Flansch 2 wird
das Schalldämpfergehäuse 1 am Motor befestigt. Über
eine Öffnung 3 des Bauteils 9 gelangt
das unkonvertierte Abgas zum Katalysator 5. Der Katalysator 5 befindet
sich in der durch das Bauteil 9 begrenzten inneren Kammer.
Hierzu presst man den Katalysator 5 einfach in das Bauteil 9.
Das Bauteil 9 weist an seinem dem Katalysator 5 entgegengesetzten
Ende eine Austrittsöffnung 7 für in die
Umwelt abzugebendes Abgas auf. Die optionalen oder alternativen
Bypassöffnungen 6 sind nah am Katalysator 5 angeordnet.
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Zur
Optimierung der benötigten Kühlfläche und
eines benötigten Expansionsraumes für das Abgas
nach Katalysator sind detaillierte Bauformen der inneren Kammer
in 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt
eine Variante mit einem inneren Bauteil, das einen Großteil
des Schalldämpfervolumens einnimmt. Im oberen Teil des
inneren Bauteils wird der Katalysator bevorzugt durch einfaches
Einpressen befestigt. Der Raum nach dem Katalysator 5 innerhalb
der inneren Kammer ist so gestaltet, dass er ein Vielfaches des
Katalysatorvolumens einnimmt, bevorzugt ein Volumen, welches um
den Faktor 6 bis 10 größer ist. Zur Optimierung
der direkten Kühlung des konvertierten Abgases mit unkonvertiertem
Abgas können zusätzliche Öffnungen 6 verschiedener Größe
und Anzahl in Strömungsrichtung nach dem Katalysator 5 an
dem inneren Bauteil 9 angebracht werden. Bevorzugt stellt
man ein solches inneres Bauteil her, indem dieses aus zwei Halbschalen 9a/9b aufgebaut
ist und der Katalysator 5 durch das Verbinden der beiden
Halbschalen 9a/9b eingepresst wird. Der Vorteil
einer solchen Ausführung des inneren Bauteils liegt darin
begründet, dass das heiße, konvertierte Abgas
effektiv aus dem Katalysator ausströmt und aufgrund des
heißen Expansionsraumes nach dem Katalysator 5 eine Überhitzung
des Katalysators 5 durch einen Hitzestau vermieden wird.
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3 beschreibt
eine Variante mit einem inneren Bauteil 9, das als eine
röhrenartige Wendel ausgeführt ist. Im oberen
Teil des inneren Bauteils 9 wird wiederum der Katalysator 5,
bevorzugt durch einfaches Einpressen, befestigt. Der Raum nach dem
Katalysator ist so gestaltet, dass er eine möglichst große
Oberfläche nach dem Katalysator 5 zur Verfügung
stellt, um das heiße, konvertierte Abgas möglichst
effektiv durch unkonvertiertes Abgas zu kühlen, welches
sich außerhalb der inneren Kammer innerhalb des Schalldämpfers
befindet. Zur Optimierung der direkten Kühlung des konvertierten
Abgases mit unkonvertiertem Abgas können zusätzliche Öffnungen 6 unterschiedlicher
Größe und Anzahl nach dem Katalysator an dem inneren
Bauteil 9 angebracht werden. Bei dieser Variante wird als
Expansionsraum ein Vielfaches des Katalysatorvolumens, nämlich
ein Volumen, welches bevorzugt um den Faktor 3 bis 5 größer
ist, verwendet. Diese Variante ist insbesondere für solche
Schalldämpfer geeignet, die insgesamt ein kleines Volumen
besitzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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