DE102010025804A1

DE102010025804A1 - Anordnung eines Katalysators in einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102010025804A1
Application number: DE102010025804A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwarz Christian
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2012-01-05
Also published as: CN102985651A; EP2588722A1; US20130118164A1; WO2012000599A1; WO2012000599A8

Abstract

Anordnung eines Katalysators in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, die mit manganhaltigem Kraftstoff betreibbar ist, wobei der Katalysator in einem Strömungsweg eines Abgases der Brennkraftmaschine durch die Abgasanlage in der Abgasanlage angeordnet ist und wobei in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in der Abgasanlage eine abgasdurchlässige Opferscheibe angeordnet ist.
Wenn der Abgasgegendruck aufgrund von Mangan-Ablagerungen für einen normalen Brennkraftmaschinenbetrieb zu groß wird, muss nicht der Katalysator ausgetauscht werden, sondern es wird lediglich die preisgünstige Opferscheibe ausgetauscht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Katalysators in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verschiedenste nationale bzw. überregionale Normen legen die Mindestanforderung für Otto-Kraftstoffe fest. Zum Beispiel beschreibt die EN 228 (Europäische Norm) das in Europa eingeführte unverbleite Benzin (Euro-Super). In der nationalen Ausgabe DIN EN 228 sind darüber hinaus noch die unverbleiten Normal- und Superpluskraftstoffe beschrieben. In den USA sind Otto-Kraftstoffe in der ASTMD 439 (American Society for Testing and Materials) spezifiziert. Otto-Kraftstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffen, die Zusätze von sauerstoffhaltigen, organischen Komponenten sowie Additive zur Verbesserung ihrer Eigenschaften enthalten können. Weiter wird zwischen normalem und Super-Kraftstoff unterschieden. Super-Kraftstoff weist eine höhere Klopffestigkeit zum Betreiben höher verdichteter Brennkraftmaschinen auf. Außerdem gelten für Sommer und Winter sowie für verschiedene Regionen unterschiedliche Flüchtigkeitsmerkmale.
Wie oben beschrieben gibt es für unterschiedliche Staaten unterschiedlichste Normen für Otto-Kraftstoffe. Dies bedeutet in nachteiliger Weise, dass Otto-Kraftstoffe in unterschiedlichen Ländern auch unterschiedliche Zusätze oder Verunreinigungen enthalten können. Unter Verunreinigungen werden beispielsweise Mangan, Aluminium, Phosphor, Silizium, Zirkonium, Magnesium, Zink und Kalzium etc. verstanden. Diese sind nur beispielhaft genannt, da noch wesentlich mehr Elemente im Otto-Kraftstoff vorhanden sein können.
Diese Elemente, insbesondere Mangan, können sich als Ablagerungen an der angeströmten Stirnseite eines Katalysators in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine negativ bemerkbar machen. Interessant hierbei ist die Beobachtung, dass ausschließlich die Stirnweite des Katalysators von den Ablagerungen betroffen ist. Dies kann so weit führen, dass bis über 90% der Katalysatorstirnfläche von den Ablagerungen verschlossen werden, so dass ein Abgasgegendruck aufgebaut wird, der den Brennkraftmaschinenbetrieb nicht mehr zulässt, d. h. der Brennkraftmaschine mangelt es an Leistung und Drehmoment. Üblicherweise werden derartig verunreinigte Katalysatoren im Rahmen eines Werkstattbesuches ausgetauscht oder aufwendig gereinigt, was für den Kraftfahrzeughersteller oder den Kunden sehr teuer und aufwendig ist.
Daher liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie ein Austausch eines derart verunreinigten Katalysators vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der kostengünstigen Opferscheibe in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator, bilden sich Mangan-Ablagerungen auf der Opferscheibe und nicht an der Stirnfläche des Katalysators. Somit muss im Falle eines zu großen Abgasgegendruckes oder im Verlauf eines Service-Intervalls nicht der teure Katalysator getauscht werden, sondern nur die kostengünstige Opferscheibe. Direkt nach dem Tausch der Opferschiebe weist der Katalysator wieder sein normales Katalysatoranspringen auf, das Erreichen der „light-off”-Temperatur, das ist die Temperatur, bei der der Katalysator 50% seiner vollen Konvertierungseigenschaften aufweist. Auch die Konvertierungseigenschaften des Katalysators für Schadstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NO_x) bleiben praktisch unverändert.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann verhindert werden, dass die Brennkraftmaschine ganz ausfällt, da bis maximal 30% des Strömungsquerschnittes für einen „Notlauf” der Brennkraftmaschine vorgesehen werden können.
Die Dicke der Opferscheibe gemäß Patentanspruch 3 hat sich in praktischen Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sich die Mangan-Ablagerungen insbesondere in den ersten Millimetern nach der Stirnfläche des Katalysators, bzw. der erfindungsgemäßen Opferscheibe ausbilden.
Die Ausgestaltungen der Opferscheibe gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 können Strömungsverluste durch die Opferscheibe minimiert werden da die räumliche Lage von Opferscheibe zu Katalysator exakt positioniert werden kann. Weiter wird ein Verblocken von Opferscheibe und Katalysator durch wegrutschen der Opferscheibe in vorteilhafter Weise vermieden.
Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 7 und 8 ist ein einfaches Wechseln der Opferscheibe möglich. Besonders bevorzugt kommt als Verschluss eine Schelle, insbesondere eine Bandschelle oder eine V-Bandschelle oder auch ein Flansch etc. zum Einsatz.
Mit der Anordnung gemäß Patentanspruch 9 kann die ohnehin vorhandene Verbindung, üblicher Weise eine V-Bandschelle, zwischen Abgasturbolader und Katalysator zum Tausch der Opferscheibe verwendet werden.
Im Folgenden ist der Stand der Technik anhand einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt ein Foto einer Stirnseite eines verunreinigten Katalysators;
1 zeigt ein Foto von einer Stirnseite eines mit Ablagerungen 2 verunreinigten Katalysators 1, der in einem Katalysatorgehäuse 3 angeordnet ist. Chemische Analysen haben gezeigt, dass diese Ablagerungen 2 insbesondere aus Mangan bestehen, die die von einem Abgas einer Brennkraftmaschine angeströmte Stirnseite des Katalysators 1 in der Abgasanlage im Laufe des Betriebs der Brennkraftmaschine verschließen, wenn die Brennkraftmaschine mit manganhaltigem Kraftstoff betrieben wird.
Um den hierdurch erzeugten erhöhten Abgasgegendruck, mit der Folge verringerter Leitung und Drehmoment, abzubauen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in der Abgasanlage eine abgasdurchlässige Opferscheibe angeordnet ist.
Unter Opferscheibe wird jede Art von abgasdurchlässiger, temperaturfester Scheibe verstanden, die billiger ist als ein Katalysator und somit „geopfert” werden kann, bevor ein teurer Katalysator ausgetauscht werden muss.
Diese Opferscheibe überdeckt bevorzugt einen Strömungsquerschnitt der Abgasanlage zu mindestens 70%, damit die Ablagerungen auf dem Katalysator verhindert oder zumindest minimiert sind, wobei ein „Notlauf” der Brennkraftmaschine durch einen möglichen Strömungsspalt gewährleistet sein kann.
Weiter weist die Opferscheibe in Strömungsrichtung des Abgases bevorzugt eine Dicke zwischen 2 mm und 50 mm aufweist, da sich die Mangan-Ablagerungen auf der Stirnfläche oder in den ersten Millimetern nach der Stirnfläche des Katalysators, bzw. der erfindungsgemäßen Opferscheibe ausbilden.
Die Opferscheibe kann aus einem Geflecht und/oder einem Gewirk und/oder einem Gestrick und/oder einem Katalysatorträger ohne Edelmetallbeladung aufgebaut sein, wichtig ist eine notwendige Abgasdurchlässigkeit. Für das Geflecht, Gewirk oder Gestrick kann beispielsweise metallischer Draht verwendet werden, Der Katalysatorträger kann beispielsweise metallisch oder keramisch sein.
Bevorzugt weisen das Geflecht und/oder das Gewirk und/oder das Gestrick und/oder der Katalysatorträger der Opferscheibe eine gasdurchlässige Zellgröße von 20% bis 400% der Zellgröße des Katalysators auf.
Um Strömungsverluste für das Abgas zu minimieren weist die Opferscheibe bevorzugt eine Verdrehsicherung und/oder eine axiale Sicherung auf. Mit der Ausgestaltung können Strömungsverluste durch die Opferscheibe minimiert werden da die räumliche Lage von Opferscheibe zu Katalysator exakt positioniert werden kann. Auch eine Zerstörung des Katalysators durch eine aufgrund des pulsierenden Abgases weg rutschende Opferscheibe wird verhindert.
Für einen einfachen Ausstauch der Opferscheibe weist die Abgasanlage bevorzugt eine verschließbare Öffnung auf, wobei für deren Verschluss bevorzugt eine Schelle, insbesondere eine Bandschelle oder eine V-Bandschelle oder auch ein Flansch etc. vorgesehen ist.
Da bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mittlerweile der Katalysator nahe einem Turbinenauslass angeordnet wird, besitzen beide ungefähr denselben Durchmesser, so dass die Opferscheibe bequem durch Lösen der Bandschelle zwischen Katalysator und Turbinengehäuse getauscht werden kann.
Somit muss, wenn der Abgasgegendruck aufgrund von Mangan-Ablagerungen für einen normalen Brennkraftmaschinenbetrieb zu groß wird, nicht der Katalysator ausgetauscht werden, sondern es wird lediglich die preisgünstige Opferscheibe ausgetauscht.
Bezugszeichenliste

1: Katalysator
2: Ablagerungen
3: Katalysatorgehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 228 [0002]
DIN EN 228 [0002]
ASTMD 439 [0002]

Claims

Anordnung eines Katalysators in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, die mit manganhaltigem Kraftstoff betreibbar ist, wobei der Katalysator in einem Strömungsweg eines Abgases der Brennkraftmaschine durch die Abgasanlage in der Abgasanlage angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator in der Abgasanlage eine abgasdurchlässige Opferscheibe angeordnet ist.
Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe einen Strömungsquerschnitt der Abgasanlage zu mindestens 70% überdeckt.
Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe in Strömungsrichtung des Abgases eine Dicke zwischen 2 mm und 50 mm aufweist.
Anordnung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe aus einem Geflecht und/oder einem Gewirk und/oder einem Gestrick und/oder einem Katalysatorträger ist.
Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe eine gasdurchlässige Zellgröße von 20% bis 400% der Zellgröße des Katalysators aufweist.
Anordnung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe eine Verdrehsicherung und/oder eine axiale Sicherung aufweist.
Anordnung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage verschließbare Öffnung zum Ausbau der Opferscheibe aufweist.
Anordnung nach einem Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Verschluss eine Schelle, insbesondere eine Bandschelle vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei für die Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader mit einer Turbine in dem Abgasstrang vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferscheibe zwischen der Turbine und dem Katalysator angeordnet ist.