DE19504851B4

DE19504851B4 - Abgaskonverter mit einem Vorkatalysator und einem Hauptkatalysator

Info

Publication number: DE19504851B4
Application number: DE19504851A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dipl.-Ing. Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: DE19504851A1; US5549873A

Abstract

Abgaskonverter (3) mit einem Vorkatalysator (5) und einem diesem in Abgasströmungsrichtung (1) nachgeschalteten, größer bemessenen Hauptkatalysator (6), wobei Vor- und Hauptkatalysator (5, 6) einen gemeinsamen, aus profiliertem Metallblech (9) und unprofiliertem Metallblech (10) in abwechselnder Folge aufgebauten Trägerkörper (8) unter Einschluss eines Zwischenbereichs (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (7) mit Ausnehmungen (15, 16) in mindestens einem der Metallbleche (9, 10) zur Verringerung der Wärmeleitung versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskonverter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der Technik der Abgasreinigung von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen bekannt ist. Durch Unterteilung des Abgaskonverters bzw. seines aktiven Bestandteils in einen relativ kleinen, an der Abgaseingangsseite des Konverters angeordneten Vorkatalysator und einen diesem in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten, größeren Hauptkatalysator wird dem Umstand Rechnung getragen, daß bei einem Kaltstart das katalytisch wirksame Material noch nicht seine Anspringtemperatur erreicht hat, sondern durch die Abgase der Brennkraftmaschine erst auf seine Arbeitstemperatur gebracht werden muß. Dies geht um so schneller, je kleiner die zu erwärmende Katalysatormasse ist, so daß man die Abgase zunächst in einen relativ kleinen Vorkatalysator gelangen läßt, der sich relativ schnell auf seine Anspringtemperatur aufheizt, dann durch seine katalytische Wirkung Wärme an die Abgase abgibt, so daß einerseits bereits sehr kurze Zeit nach dem Kaltstart zumindest zu einem beachtlichen Teil eine Abgasreinigung sichergestellt ist und andererseits sich auch der Hauptkatalysator relativ schnell erwärmt.
Nachteilig bei einem derartigen Abgaskonverter ist die Notwendigkeit, zwei unterschiedlich große Träger für die beiden Katalysatoren herzustellen, d. h. bei Verwendung von aus Metallblech gewickelten Trägerkörpern zwei Trägerkörper unterschiedlicher Größe zu wickeln. Weiterhin ist es erforderlich, in dem Gehäuse des Abgaskonverters zwei Trägerkörper so zu lagern, dass sie einerseits den dynamischen Beanspruchungen beispielsweise im Fahrbetrieb eines mit dem Konverter ausgerüsteten Fahrzeugs widerstehen können, andererseits aber die erforderliche thermische Abmessungsänderung ermöglicht ist.

Aus der DE-OS 37 35 151 , B01D 53/36, ist bereits ein Abgaskonverter mit der Reihenschaltung eines oxidierenden und eines reduzierenden Katalysators bekannt, denen ein gemeinsamer poröser, monolithischer Trägerkörper zugeordnet ist. Bei diesem Konverter geht es jedoch nicht um einen Vor- und einen Hauptkatalysator, die katalytisch gleichwirkend sind und auch nicht um einen Konverter mit einem aus Metallblech gewickelten Trägerkörper. Dieses bekannte Konstruktionsprinzip lässt sich auch deshalb nicht einfach auf Abgaskonverter mit Vor- und Hauptkatalysator nebst Wickelträger übertragen, weil zumindest während der ersten Phase des Warmlaufs der Maschine, deren Abgase in dem Konverter zu reinigen sind, die direkte Wärmeleitung zwischen den beiden Katalysatoren möglichst klein gehalten werden muss; andernfalls würde man die Aufheizzeit des Vorkatalysators und damit die Zeit bis zum Einsetzen einer wirkungsvollen Umsetzung am Hauptkatalysator verlängern.

Aus der DE 40 24 942 A1 ist ein Abgaskonverter mit zwei oder mehreren hintereinander liegenden Teilabschnitten auf einem gemeinsamen Trägerkörper bekannt, der aus profilierten und unprofilierten Metallblechen in abwechselnder Folge gebildet wird. Eine beschleunigte Aufheizung des vorderen Abschnitts wird durch eine gegenüber nachgeschalteten Teilabschnitten erreicht, indem der vordere Abschnitt eine verringerte Anzahl von Blechen und Strömungskanälen und damit einer verringerte aufzuheizende Masse aufweist. Nachteilig an diesem Konzept ist ein erhöhter Fertigungsaufwand durch die unterschiedliche Anzahl und auch unterschiedliche Strukturierung der Bleche in den einzelnen Abschnitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Abgaskonverter unter Wahrung seiner Vorteile zu schaffen, der hinsichtlich des Fertigungsaufwands für die Trägerkörper seiner beiden Katalysatoren verbessert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung beschreibt der Unteranspruch.

Trotz des Beibehalts der bewährten Metallblech-Wickeltechnik für die Trägerkörper der beiden Katalysatoren und unter Wahrung einer hinreichenden thermischen Isolierung zwischen beiden er möglicht die Erfindung also dadurch die Verwendung eines einzigen Wickel-Trägerkörpers für beide Katalysatoren, daß zwischen den den beiden Katalysatoren zugeordneten Trägerbereichen ein Zwischenbereich mit erheblich verringerter Wärmeleitung, gewonnen durch Ausnehmungen oder Ausstanzungen in den Blechen des gemeinsamen Trägerkörpers, vorgesehen ist. Demgemäß erschöpft sich die erfindungsgemäße Lehre also nicht in der Verwendung eines gemeinsamen Trägerkörpers für beide Katalysatoren, auch nicht eines solchen, der aus Metallblechen gewickelt ist, sondern sie sieht zugleich Maßnahmen zur Sicherstellung der raschen Temperaturerhöhung im Vorkatalysator nach einem Kaltstart der die Abgase erzeugenden Brennkraftmaschine vor.

Demselben zweck dienen die Maßnahmen der Unteransprüche; sie sehen nämlich durch entsprechende weitere Ausnehmungen oder Ausschnitte in den Blechen des gemeinsamen Trägerkörpers eine Verringerung der unmittelbar nach dem Kaltstart der Maschine rasch aufzuheizenden Masse des Vorkatalysators vor, während der Trägerkörper im Bereich des Hauptkatalysators eine wesentlich größere Anzahl von Strömungswegen bildet, so daß dort auch eine größere aktive Katalysatorfläche zur Verfügung gestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 in einem Längsschnitt schematisch den erfindungsgemäßen Abgaskonverter,
die 2 und 3 die in 1 bei II–II und III–III markierten Querschnitte,
4 die Gestaltung der unprofilierten und
5 die Gestaltung der profilierten Bleche, die zum gemeinsamen Trägerkörper gewickelt werden.
Betrachtet man zunächst 1, so ist angenommen, daß das durch den Pfeil 1 in seiner Strömungsrichtung angedeutete Abgas von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs erzeugt ist. In das Abgassystem 2 desselben ist der Abgaskonverter 3 eingeschaltet, der in dem gemeinsamen Gehäuse 4 den Vorkatalysator 5 und den Hauptkatalysator 6, enthält. Beide besitzen einen gemeinsamen, aus profilierten und unprofilierten Blechen gewickelten Trägerkörper, der jedoch in dem Zwischenbereich 7 zwischen den beiden Katalysatoren 5 und 6 so ausgebildet ist, daß die Wärmeleitung von dem sich zuerst erwärmenden Vorkatalysator 5 zu dem Hauptkatalysator 6 zumindest erheblich verringert ist.
Die 2 und 3 zeigen in den in 1 markierten Querschnitten im abgewickelten Zustand die Formgebung bzw. die Form der – senkrecht zur Zeichenebene der 2 und 3 verlaufenden – Abgaskanäle in dem allgemein mit 8 bezeichneten Trägerkörper. Im unteren Teil der 2 erkennt man das etwa zickzackförmig profilierte Blech 9 (an seine Stelle könnte auch ein mäanderförmig profiliertes Blech treten) und darüber das unprofilierte, d. h. glatte, Blech 10. im Bereich des Hauptkatalysators 6 sind diese beiden Bleche in wechselnder Folge ohne zusätzliche Maßnahmen, wie Ausnehmungen oder Ausschnitte, übereinander gewickelt, wodurch sich dreieckförmige Strömungskanäle ergeben.
Im Bereich des Vorkatalysators 5 dagegen finden sich wabenförmige Strömungskanäle 12 (siehe 3), die dadurch gewonnen sind, daß maximal über die Länge des Vorkatalysators 5 aus den zickzackförmig profilierten Blechen 9 die in 3 punktiert hervorgehobenen Bereiche und aus den unprofilierten Blechen 10 die durch unterbrochene Strichlinien markierten Bereiche herausgestanzt sind.
Betrachtet man die 4 und 5, so ist dort jeweils im abgewickelten Zustand in Draufsicht ein derartiges profiliertes Blech 9 (vor dem Biegen, jedoch mit Biegelinien) und ein ebenes Blech 10 wiedergegeben. Man erkennt die den punktierten Linien entsprechenden Ausschnitte 13 im profilierten Blech 9 und die den unterbrochenen Linien in 3 entsprechenden Ausschnitte 14 im unprofilierten Blech 10. Diese Ausnehmungen 13 und 14 finden sich nur in demjenigen Trägerbereich, der dem Vorkatalysator 5 zugeordnet ist, nicht aber in demjenigen Längenbereich des Trägers, der dem Hauptkatalysator 6 zugehörig ist.
In dem in 1 mit 7 bezeichneten Zwischenbereich erkennt man relativ kurze (bezüglich der Längsrichtung des Konverters) Ausnehmungen 15 bzw. 16, so daß in diesem Zwischenbereich nur relativ schmale Stege 17 bzw. 18 verbleiben und demgemäß die Wärmeleitung zwischen den beiden Katalysatoren erheblich reduziert ist.
Mit der Erfindung ist demgemäß eine erhebliche Vereinfachung der Fertigung eines gattungsgemäßen Abgaskonverters ohne Beeinträchtigung seiner Eigenschaften erreicht.

Claims

Abgaskonverter (3) mit einem Vorkatalysator (5) und einem diesem in Abgasströmungsrichtung (1) nachgeschalteten, größer bemessenen Hauptkatalysator (6), wobei Vor- und Hauptkatalysator (5, 6) einen gemeinsamen, aus profiliertem Metallblech (9) und unprofiliertem Metallblech (10) in abwechselnder Folge aufgebauten Trägerkörper (8) unter Einschluss eines Zwischenbereichs (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (7) mit Ausnehmungen (15, 16) in mindestens einem der Metallbleche (9, 10) zur Verringerung der Wärmeleitung versehen ist.
Abgaskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (15, 16) als dem Zwischenbereich (7) zugeordnete Ausstanzungen im profilierten Metallblech (9) und im unprofilierten Metallblech (10) ausgebildet sind.
Abgaskonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Vorkatalysator (5) zugeordnete Bereich des Trägerkörpers (8) mit weiteren Ausnehmungen (13, 14) in mindestens einem der Metallbleche (9, 10) zur Verringerung der aufzuheizenden Masse des Vorkatalysators (5) versehen ist.
Abgaskonverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Ausnehmungen (13, 14) als dem Vorkatalysator (5) zugeordnete Ausstanzungen im profilierten Metallblech (9) und im unprofilierten Metallblech (10) ausgebildet sind.
Abgaskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (8) in seinem dem Hauptkatalysator (6) zugeordneten Bereich infolge Verwendung eines mäander- oder zickzackförmig profilierten Blechs (9) im Querschnitt vier- oder dreieckförmige Abgaskanäle (11) enthält.
Abgaskonverter nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (8) in seinem dem Vorkatalysator (5) zugeordneten Bereich infolge Verwendung des mäander- oder zickzackförmig profilierten Blechs (9) in Verbindung mit den weiteren Ausnehmungen (13, 14) in beiden Blechen (9, 10) im Querschnitt größere Abgaskanäle (12) enthält.
Abgaskonverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die größeren Abgaskanäle (12) wabenförmig oder rechteckförmig sind.
Abgaskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (15, 16) zur Verringerung der Wärmeleitung in beiden Metallblechen (9, 10) überlappend in Abgasströmungsrichtung (1) angeordnet sind.
Abgaskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere in abwechselnder Folge übereinander liegende Metallbleche (9, 10) zur Bildung des Trägerkörpers (8) gewickelt sind.
Abgaskonverter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (8) zylinderförmig ist.
Abgaskonverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die profilierten und unprofilierten Metallbleche (9, 10) in Abgasströmungsrichtung (1) über die gesamte Länge des Trägerkörpers (8) erstrecken.