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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein ein Abgasbehandlungssystem zur Behandlung einer Strömung von Abgas von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs und genauer eine katalytische Wandlerbaugruppe für das Abgasbehandlungssystem.
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HINTERGRUND
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Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Benzinmotoren oder Dieselmotoren, können einen katalytischen Wandler zu Behandlung einer Strömung von Abgas von dem Verbrennungsmotor aufweisen. Der katalytische Wandler ist eine Durchströmvorrichtung, die aus einem Gehäuse besteht, das einen Monolith enthält, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, einen wabenförmigen Aufbau. Der Monolith weist eine große Oberfläche auf, die mit einer aktiven Katalysatorschicht beschichtet ist. Die aktive Katalysatorschicht kann ein Platingruppenmetall (PGM) aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn die Abgase die aktive Katalysatorschicht überqueren, werden Kohlenmonoxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe und flüssige Kohlenwasserstoffpartikel, d. h. nicht verbrannter Kraftstoff und/oder Öl, oxidiert, wodurch schädliche Emissionen reduziert werden.
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Das Gehäuse des katalytischen Wandlers umfasst einen Einlass und einen Auslass und weist typischerweise eine rohrförmige Form auf, die einen Innenraum definiert, der größer als eine Strömungsfläche der Abgasrohre ist, die mit dem Einlass bzw. dem Auslass verbunden sind. Demgemäß weist das Gehäuse des katalytischen Wandlers einen konischen Abschnitt benachbart sowohl dem Einlass als auch dem Auslass auf, um von dem kleineren Durchmesser der Abgasrohre auf den größeren Durchmesser des Innenraums des Gehäuses überzugehen. Je gleichmäßiger die Strömung von Abgas über dem Monolith verteilt wird, umso effizienter arbeitet der katalytische Wandler.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine katalytische Wandlerbaugruppe für ein Abgasbehandlungssystem eines Fahrzeugs vorgesehen. Die katalytische Wandlerbaugruppe weist ein Gehäuse auf. Das Gehäuse definiert einen Innenraum und weist einen Einlass und einen Auslass auf, die entlang einer Längsache voneinander beabstandet sind. Der Einlass und der Auslass sind in Fluidkommunikation mit dem Innenraum angeordnet. Ein Monolith wird von dem Gehäuse in dem Innenraum des Gehäuses getragen. Der Monolith weist einen daran angeordneten Katalysator auf. Zumindest eines von dem Gehäuse und dem Monolith weist einen Strömungslenkmechanismus auf. Der Strömungslenkmechanismus ist zum Umlenken zumindest eines Anteils des Abgases, das durch den Einlass aufgenommen wird, zu einem vordefinierten Gebiet des Monolithen konfiguriert, um das Abgas gleichmäßiger über eine Querschnittsfläche des Monolithen zu verteilen.
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Es ist auch ein Abgasbehandlungssystem zur Behandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem weist einen katalytischen Wandler auf. Der katalytische Wandler weist ein Gehäuse auf, das einen Innenraum definiert, und weist einen Einlass und einen Auslass auf, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind. Der Einlass und der Auslass sind in Fluidkommunikation mit dem Innenraum angeordnet. Der Einlass und der Auslass sind relativ zu einem radialen Zentrum des Gehäuses radial versetzt. Ein Monolith wird von dem Gehäuse in dem Innenraum des Gehäuses getragen. Der Monolith umfasst einen darauf angeordneten Katalysator. Der Monolith weist eine Mehrzahl von Gebieten auf, die um das radiale Zentrum des Gehäuses radial beabstandet sind und sich entlang der Längsachse erstrecken. Jedes Gebiet des Monolithen weist eine andere Zellendichte auf.
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Demgemäß lenkt der Strömungslenkmechanismus des katalytischen Wandlers zumindest einen Anteil der Abgasströmung zu einem vorbestimmten Gebiet, um das Abgas gleichmäßig über eine Querschnittsfläche des Monolithen zu verteilen, wodurch der Wirkungsgrad des katalytischen Wandlers verbessert wird. Zusätzlich sehen die verschiedenen Gebiete des Monolithen, die jeweils eine verschiedene Zellendichte besitzen, eine verschiedene Oberfläche zur Katalysatoranordnung darauf vor, wodurch verschiedene Abgasdurchflüsse angepasst werden. Die Zellendichte ist derart konfiguriert, die geeignete Oberfläche für den Katalysator für den Durchfluss, der jedem spezifischen Gebiet zugeordnet ist, bereitzustellen. Abhängig von dem Abgasdurchfluss, den jedes Gebiet aufnimmt, kann jedes Gebiet eine verschiedene Katalysatordichte, die darauf angeordnet ist, aufweisen. Ferner kann abhängig von der Temperaturverteilung, die durch die unterschiedlichen Zellendichtegebiete bewirkt wird, jedes Zellendichtegebiet einen verschiedenen Katalysator, der darauf angeordnet ist, aufweisen. Die Katalysatordichte kann radial zwischen den verschiedenen Gebieten variieren und kann ferner längs entlang der Längsachse variieren, wodurch die Menge an Katalysator optimiert wird, die dazu verwendet wird, die Gesamtmenge an Katalysator, die an den Monolith angeordnet ist, zu reduzieren.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Schaubild eines Abgasbehandlungssystems mit einem katalytischen Wandler für einen Verbrennungsmotor.
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2 ist eine schematische Schnittansicht des katalytischen Wandlers entlang einer Langsachse davon, die eine erste Ausführungsform eines Strömungslenkmechanismus zeigt.
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3 ist eine schematische Schnittansicht des katalytischen Wandlers entlang der Langsachse davon, die eine zweite Ausführungsform eines Strömungslenkmechanismus zeigt.
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4 ist eine schematische Schnittansicht des katalytischen Wandlers rechtwinklig zu der Langsachse, die verschiedene Gebiete eines Monolithen zeigt, wobei jedes Gebiet eine verschiedene Katalysatordichte, die darauf angeordnet ist, besitzt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Der Fachmann erkennt, dass Begriffe, wie ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”aufwärts”, ”abwärts”, ”oben”, ”unten” etc. hier beschreibend für die Figuren verwendet sind und keine Beschränkungen hinsichtlich des Schutzumfangs der Erfindung darstellen, wie durch die angefügten Ansprüche definiert ist.
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Bezug nehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen über die verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen, ist ein Abgasbehandlungssystem allgemein mit 20 gezeigt. Das Abgasbehandlungssystem 20 behandelt Abgas von einem Verbrennungsmotor 21 eines Fahrzeugs.
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Das Abgasbehandlungssystem 20 weist einen katalytischen Wandler 22 auf. Der katalytische Wandler 22 weist ein Gehäuse 24 auf. Das Gehäuse 24 erstreckt sich entlang einer Längsachse 26 und kann eine im Wesentlichen rohrförmige Form mit einem kreisförmigen oder ovalen Querschnitt rechtwinklig zu der Längsachse 26 definieren. Wie gezeigt ist, ist die Längsachse 26 koaxial mit einem radialen Zentrum 28 des Gehäuses 24 ausgerichtet. Während das Gehäuse 24 mit einem kreisförmigen Querschnitt gezeigt ist, sei angemerkt, dass das Gehäuse 24 irgendeine andere Form definieren kann, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, oval, rechtwinklig oder polygonal.
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Das Gehäuse 24 bildet eine Schale oder Einhausung, die einen Innenraum 30 definiert. Zusätzlich weist das Gehäuse 24 einen Einlass 32 und einen Auslass 34 auf. Der Einlass 32 und der Auslass 34 sind voneinander entlang der Längsachse 26 beabstandet. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, sind der Einlass 32 und der Auslass 34 koaxial miteinander ausgerichtet und radial relativ zu dem radialen Zentrum 28 und der Längsachse 26 des Gehäuses 24 versetzt. Jedoch sei angemerkt, dass die Positionen des Einlasses 32 und des Auslasses 34 relativ zueinander und des Gehäuses 24 sich von denen, die hier gezeigt und beschrieben sind, unterscheiden können.
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Der Einlass 32 steht in Fluidkommunikation mit dem Verbrennungsmotor 21 und dem Innenraum 30 und kommuniziert die Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor 21 an den Innenraum 30 über ein Abgasrohr 36. Der Auslass 34 steht in Fluidkommunikation mit dem Innenraum 30 und trägt das Abgas von dem Innenraum 30 über ein anderes Abgasrohr 38 aus. Der Innenraum 30 weist eine Querschnittsströmungsfläche rechtwinklig relativ zu der Langsachse 26 auf, die größer als eine Querschnittströmungsfläche des Einlasses 32 und/oder des Auslasses 34 ist. Demgemäß kann das Gehäuse 24 einen konischen Abschnitt 40 aufweisen, der an jedem axialen Ende davon angeordnet ist, um den Einlass 32 und den Auslass 34 mit dem Innenraum 30 des Gehäuses 24 zu verbinden.
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Ein Monolith 42 ist in dem Gehäuse 24 in dem Innenraum 30 des Gehäuses 24 angeordnet und wird von diesem getragen. Der Monolith 42 weist einen daran angeordneten Katalysator auf. Der Monolith 42 kann beispielsweise eine wabenartige Struktur aufweisen, die ein Strömen von Abgas durch Durchgänge darin zulässt. Der Monolith 42 weist eine große Oberfläche auf, die mit dem Katalysator beschichtet ist. Der Katalysator behandelt die Abgasströmung von dem Verbrennungsmotor 21, um die Toxizität des Abgases zu reduzieren, d. h. toxische Emissionen des Abgases zu reduzieren, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Stickoxide (NO), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlenwasserstoffe (HC). Wenn die Abgase den an dem Monolith 42 angeordneten Katalysator überqueren, werden Kohlenmonoxid, gasförmige Kohlenwasserstoffe und flüssige Kohlenwasserstoffpartikel, d. h. nicht verbrannter Kraftstoff und/oder Öl, oxidiert, wodurch schädliche Emissionen reduziert werden. Das Katalysatormaterial kann Platingruppenmetalle (PGM) aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, und wandelt einen Prozentsatz der Stickoxide in dem Abgas in Stickstoff und Kohlendioxid oder Wasser um und oxidiert auch einen Prozentsatz des Kohlenmonoxids zu Kohlendioxid um und oxidiert einen Prozentsatz der nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser.
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Zumindest eines von dem Gehäuse 24 und dem Monolith 42 kann einen Strömungslenkmechanismus 44, 50 aufweisen. Der Strömungslenkmechanismus 44, 50 ist derart konfiguriert, zumindest einen Anteil des Abgases, das durch den Einlass 32 aufgenommen wird, zu einem vordefinierten Gebiet des Monolithen 42 zu lenken. Der Strömungslenkmechanismus 44, 50 lenkt die Abgasströmung um, um das Abgas gleichmäßiger über eine Querschnittsfläche des Monolithen 42 zu verteilen. Das gleichmäßige Verteilen der Abgasströmung über die vollständige Querschnittsfläche des Monolithen 42 reduziert ”heiße Stellen” in dem Monolithen 42, wodurch die Nutzlebensdauer des Katalysators verbessert wird. Ferner verbessert die gleichmäßige Verteilung der Abgasströmung über den Monolith 42 den Wirkungsgrad des Katalysators.
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Der Strömungslenkmechanismus 44, 50 kann an dem Gehäuse 24 und/oder dem Monolithen 42 angeordnet und/oder durch das Gehäuse 24 und/oder den Monolithen 42 geformt sein und kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise konfiguriert sein, die in der Lage ist, die Strömung von Abgas von dem Einlass 32 zu spezifischen Gebieten des Monolithen 42 zu lenken. Somit kann der Strömungslenkmechanismus 44, 50 die Abgasströmung zu Gebieten des Monolithen 42 lenken, die ansonsten zu wenig genutzt sind, d. h. mit einem Abgasdurchfluss darüber, der geringer als optimal ist.
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Bezug nehmend auf 2 ist eine erste Ausführungsform des Strömungslenkmechanismus bei 44 gezeigt. Der Strömungslenkmechanismus 44 weist eine angewinkelte Eintrittsfläche 46 auf, die an dem Monolith 42 angeordnet und durch diesen definiert ist. Die angewinkelte Eintrittsfläche 46 ist relativ zu der Längsachse 26 angewinkelt, um einen Winkel 48 dazwischen zu bilden. Der Winkel 48, der zwischen der angewinkelten Eintrittsfläche 46 des Monolithen 42 und der Längsachse 26 geformt ist, kann variieren. Die angewinkelte Eintrittsfläche 46 definiert einen Außenradius, der sich relativ zu der Längsachse 26 an einer beliebigen Stelle der angewinkelten Eintrittsfläche 46 entlang der Längsachse 26 kontinuierlich ändert. Die Änderungsrate des Außenradius der angewinkelten Eintrittsfläche relativ zu der Längsachse 26 kann konstant sein, wodurch eine lineare Steigung definiert wird, wie mit einer konischen Form, oder kann variabel sein, wodurch eine gekrümmte Steigung definiert wird, wie mit einer parabolischen Form. Der Außenradius der angewinkelten Eintrittsfläche 46 kann an der Langsachse 26 gleich Null sein oder kann zu einer maximalen Länge ansteigen, die gleich der radialen Distanz zwischen der Längsachse 26 und dem Außenradius des Monolithen 42 ist. Die angewinkelte Eintrittsfläche 46 ist benachbart dem Einlass 32 des Gehäuses 24 angeordnet, so dass die Abgasströmung von dem Einlass 32 auf die angewinkelte Eintrittsfläche 46 gelenkt wird, wodurch zumindest ein Anteil der Strömung von Abgas von seinem anfänglichen Strömungspfad durch den Einlass 32 umgelenkt wird.
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Bezug nehmend auf 3 ist eine zweite Ausführungsform des Strömungslenkmechanismus bei 50 gezeigt. Der Strömungslenkmechanismus 50 weist einen konischen Einsatz 52 auf, der durch das Gehäuse 24 definiert oder an diesem befestigt ist. Bevorzugt ist der konische Einsatz 52 hohl und kann aus einem Material mit einer geringen Wärmekapazität hergestellt werden, um zu verhindern, dass der konische Einsatz 52 Wärme absorbiert und speichert. Der konische Einsatz 52 ist relativ zu der Längsachse 26 angewinkelt, um einen Winkel 54 dazwischen zu bilden. Der konische Einsatz 52 ist benachbart dem Einlass 32 des Gehäuses 24 angeordnet, so das die Abgasströmung von dem Einlass 32 darauf gelenkt wird, wobei der konische Einsatz 52 zumindest einen Anteil der Strömung von Abgas von seinem anfänglichen Strömungspfad durch den Einlass 32 umlenkt. Der Winkel 54, der zwischen dem konischen Einsatz 52 und der Längsachse 26 geformt ist, liegt bevorzugt in dem Bereich zwischen 20° und 70°.
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Es sei angemerkt, dass der Strömungslenkmechanismus 44, 50 auf irgendeine andere Art und Weise konfiguriert sein kann, als in der ersten Ausführungsform des Strömungslenkmechanismus oder der zweiten Ausführungsform des Strömungslenkmechanismus 44, 50 gezeigt. Ferner kann, wie oben angegeben ist, der Strömungslenkmechanismus 44, 50 nur einen Anteil der Strömung von Abgas umlenken oder kann derart konfiguriert sein, die gesamte Strömung des Abgases umzulenken.
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Bezug nehmend auf 4 kann der Monolith 42 eine Mehrzahl von Gebieten aufweisen. Wie gezeigt ist, weist der Monolith 42 ein Zentralgebiet 56, ein Zwischengebiet 58 und ein Außengebiet 60 auf. Jedoch kann der Monolith 42 eine beliebige Anzahl von Gebieten aufweisen, die gleich oder größer als zwei Gebiete sind. Jedes Gebiet kann eine verschiedene Zellendichte aufweisen. Die Zellendichte ist hier als eine Anzahl von Zellen definiert, die durch den Monolithen pro Oberflächeneinheit, z. B. Quadratzoll, des Monolithen 42 definiert ist. Wie gezeigt ist, ist jedes der Mehrzahl von Gebieten radial um das radiale Zentrum 28 des Gehäuses 24 beabstandet und erstreckt sich entlang der Längsachse 26 des Gehäuses 24. Die Zellendichte für jedes Gebiet kann für den erwarteten Durchfluss des Abgases über jedes Gebiet optimiert sein. Demgemäß können Gebiete des Monolithen 42, die einen höheren Durchfluss des Abgases aufnehmen, wie beispielsweise das Zentralgebiet 56 des Monolithen 42, eine höhere Zellendichte aufweisen, während Gebiete des Monolithen 42, die einen geringeren Durchfluss des Abgases aufnehmen, wie beispielsweise das Außengebiet 60 benachbart dem Gehäuse 24, eine geringere Zellendichte aufweisen können. Somit kann die Zellendichte zwischen benachbarten Gebieten mit einer Zunahme in der radialen Distanz jedes Gebietes von dem radialen Zentrum 28 des Gehäuses 24 abnehmen, wobei das Zentralgebiet 56 eine höhere Zellendichte aufweist, als das Zwischengebiet 58, und das Zwischengebiet 58 eine höhere Zellendichte aufweist, als das Außengebiet 60. Es sei angemerkt, dass sich die Gebiete und die spezifische Zellendichte daran von der beispielhaften Ausführungsform, die in 4 gezeigt und hier beschrieben ist, unterscheiden können.
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Die Zellendichte ist derart konfiguriert, die geeignete Oberfläche für den Katalysator für den Durchfluss, der jedem spezifischen Gebiet zugeordnet ist, bereitzustellen. Abhängig von dem Abgasdurchfluss, den jedes Gebiet aufnimmt, kann jedes Gebiet eine verschiedene Katalysatordichte, die daran angeordnet ist, aufweisen. Die Katalysatordichte kann radial zwischen den verschiedenen Gebieten variieren und kann ferner längs entlang der Längsachse 26 variieren, wodurch die Menge an Katalysator optimiert wird, die dazu verwendet wird, die Gesamtmenge von Katalysator, die an dem Monolith 42 angeordnet ist, zu reduzieren. Die Größe und das Volumen jedes Gebietes können von der radialen Dicke jedes Gebietes relativ zu der Längsachse 26 und der Länge jedes Gebietes entlang der Längsachse 26 berechnet werden. Die Größe und/oder das Volumen jedes Gebietes können auf Grundlage des Geschwindigkeitsprofils des Abgases in dem stromaufwärtigen konischen Abschnitt 40 des Gehäuses 24 bestimmt werden. Die Schnittstelle zwischen zwei benachbarten Zellendichtegebieten tritt bevorzugt dort auf, wo eine Fehlverteilung in der Abgasströmung das Geschwindigkeitsprofil in dem stromaufwärtigen konischen Abschnitt 40 beeinflusst, was die Stelle darstellt, an der die Geschwindigkeit des Abgases in dem stromaufwärtigen konischen Abschnitt 40 des Gehäuses 24 signifikant abzufallen beginnt, im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Abgases nahe der Langsachse 26. Ferner kann abhängig von der Temperaturverteilung, die aus den verschiedenen Zellendichten jedes Gebietes resultiert, jedes Gebiet einen verschiedenen Katalysator, der daran angeordnet ist, aufweisen.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren stützen und beschreiben die Erfindung, jedoch ist der Schutzumfang der Erfindung ausschließlich durch die Ansprüche festgelegt. Während einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zur Ausführung der beanspruchten Erfindung detailliert beschrieben worden sind, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung, die in den angefügten Ansprüchen definiert ist.
