DE19510606A1 - Reducing IC engine exhaust counter pressure - Google Patents

Reducing IC engine exhaust counter pressure

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Abstract

The flow through the individual catalyser cells (7) takes place from outside inwards, i.e. across the long axis of the catalyser while the exhaust gases flow out parallel to the long axis of the catalyser. The individual exhaust pipes are so fitted in front of the catalyser that a precisely defined swirl flow with superimposed axial component results. There is a low-pressure loss flow in the exhaust pipes in spite of the pulsations in the flow. There is a uniform flow through the catalyser cells, and a high recovery of the dynamic pressure of the high velocity exhaust flow from the individual pipes.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren Katalysatoren ein­ zusetzen.It is known to use catalysts for cleaning the exhaust gases of internal combustion engines clog.

Weiterhin ist bekannt, daß der Katalysator bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur keine oder nur eine stark reduzierte Minderung der Abgasemission bewirkt.It is also known that the catalyst until a minimum temperature is reached causes no or only a greatly reduced reduction in exhaust gas emissions.

Um die Zeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur zu verkürzen, hat es daher in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, durch einen motornahen Einbau des Kataly­ sators ein schnelles Anspringen der Abgasentgiftung zu bewirken.In order to shorten the time to reach the working temperature, it has therefore in the In the past, there was no lack of trials thanks to the Kataly being installed close to the engine sators to quickly start the exhaust gas detoxification.

Trotz guter Ergebnisse in bezug auf die Abgasemission in den gesetzlichen Testzyklen wird aber derzeit vielerorts darauf verzichtet, den Katalysator in unmittelbarer Nähe des Motors anzuordnen, da sich bei Dauerhaltbarkeitstests insbesondere im praktischen Fahrbetrieb große Unsicherheiten ergeben haben.Despite good results in terms of exhaust emissions in the legal test cycles but is currently dispensed with in many places, the catalyst in the immediate vicinity to arrange the engine, since durability tests are particularly practical Driving operations have resulted in great uncertainties.

Als Alternative wird daher momentan ein Katalysatoreinbau relativ weit entfernt vom Motor bevorzugt, wobei durch eine entsprechende Isolation der Abgasrohre und durch eine Reduktion der wärmeaktiven Masse der mit dem Abgas vor dem Katalysator in Kontakt stehenden Rohrabschnitte versucht wird, ein möglichst schnelles Aufheizen des Katalysators sicherzustellen.As an alternative, catalyst installation is currently relatively far away from Engine preferred, with appropriate insulation of the exhaust pipes and through a reduction in the heat-active mass with the exhaust gas in front of the catalyst Contacting standing pipe sections is attempted to heat up the pipe as quickly as possible Ensure catalyst.

Dies hat u. a. auf die bekannte Ausführung von Abgaskrümmer und Abgassammelrohr in doppelwandiger Schweißkonstruktion geführt, welche nicht nur mit erheblichen Kosten verbunden ist, sondern auch nur bedingt ähnliche Ergebnisse bringt, wie ein motornaher Einbau des Katalysators.This has u. a. to the well-known version of exhaust manifold and exhaust manifold in double-walled welded construction, which is not only with considerable costs connected, but also only conditionally brings similar results as a close-coupled engine Installation of the catalyst.

Deshalb sind derzeit intensive Bemühungen im Gange, über ein entsprechendes Vor­ heizen des Katalysators auf elektrischem Wege bzw. über einen Zusatzbrenner für ein schnelles Zünden des Katalysators zu sorgen.For this reason, intensive efforts are currently underway to find a suitable one heat the catalyst electrically or via an additional burner for one to ensure rapid ignition of the catalyst.

Alternativ zur Vorheizung sind auch Bemühungen bekannt, über eine Zwischenspeiche­ rung der Abgase aus dem Kaltstart bis zum Zünden des Katalysators die geforderten Emissionsgrenzwerte zu erreichen.As an alternative to preheating, efforts are also known to use an intermediate spoke exhaust gases from the cold start until the catalyst ignites the required To achieve emission limit values.

Die Kosten für das Vorheizen des Katalysators bzw. für die Zwischenspeicherung der Abgase sind enorm, wobei auch für diese Verfahren die Frage der Dauerhaltbarkeit noch nicht vollständig geklärt ist.The costs for preheating the catalyst or for temporarily storing the Exhaust gases are enormous, but the question of durability is still an issue for these processes has not been fully clarified.

Um die Kosten für die angesprochenen Alternativen zum motornahen Katalysator zu umgehen, verwenden manche Hersteller den motornahen Katalysator in Verbindung mit einer extremen Gemischanreicherung bei Vollgas bzw. im oberen Drehmomentenbereich. Die überschüssige Kraftstoffmenge senkt über die Verdunstungswärme und die erhöhte spezifische Wärmekapazität die Abgastemperatur und schützt so den Katalysator vor Überhitzung. Eine Nachreaktion findet im Katalysator auf Grund des Sauerstoffmangels nur noch stark eingeschränkt statt. Hierdurch ist zwar der Katalysator vor Überhit­ zung geschützt, die Nachteile für Kraftstoffverbrauch und Emission liegen jedoch auf der Hand.To the cost of the alternatives to the close-coupled catalytic converter bypass, some manufacturers use the close-coupled catalyst in conjunction with extreme mixture enrichment at full throttle or in the upper torque range. The excess amount of fuel lowers via the heat of evaporation and the increased specific heat capacity the exhaust gas temperature and thus protects the catalytic converter Overheating. A post-reaction takes place in the catalyst due to the lack of oxygen  only very limited. As a result, the catalyst is overheated protected, but there are disadvantages for fuel consumption and emissions hand.

Ob der temporäre Ausstoß derart hoher Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in Zukunft überhaupt noch gesetzlich zulässig sein wird, ist sehr fraglich. Zumindest ist jedoch zu erwarten, daß Fahrzeuge mit einer derartigen Kraftstoffverschwendung und Umweltverschmutzung einer Negativ Publicity und im Extremfall regelrechten Hetz­ kampagnen der Presse ausgesetzt sein werden.Whether the temporary emission of such large amounts of unburned hydrocarbons in The future will still be legally permissible, is very questionable. At least it is however, it is expected that vehicles with such fuel waste and Pollution of a negative publicity and in extreme cases a real rush campaigns will be exposed to the press.

Dies gilt insbesondere für schwach motorisierte Fahrzeuge, die relativ häufig bei hoher Last und damit bei extremer Gemischanreicherung betrieben werden.This is especially true for low powered vehicles, which are relatively common at high Load and thus operated with extreme mixture enrichment.

Neben der thermischenn Beannspruchung des Katalysatormaterials liegt bei den bekannten Anwendungen des motornahen Katalysators im Vergleich zum konventionellen Unterboden- Katalysator eine negative Rückwirkung auf den Ladungswechsel vor. Hier entfällt zum einen die Möglichkeit über eine gezielte Abstimmung gasdynamischer Effekte in den Abgasrohrleitungen eine gezielte Drehmomentsteigerung in einzelnen Drehzahlbändern zu erzielen, zum andern sinkt auf Grund des erhöhten Abgasgegendruckes die Maximal­ leistung.In addition to the thermal stress on the catalyst material lies with the known Applications of the close-coupled catalyst in comparison to conventional underbody Catalyst a negative reaction to the charge change before. This does not apply to the possibility of a specific coordination of gas dynamic effects in the Exhaust pipes a targeted increase in torque in individual speed bands to achieve, on the other hand, the maximum drops due to the increased exhaust gas back pressure power.

AufgabenstellungTask

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Verbrennungsmotoren mit katalyti­ scher Abgasnachbehandlung ein Verfahren zu entwickeln, das ausgehend von den heute verfügbaren Katalysatormaterialien einen motornahen Einbau des Katalysators ohne Einschränkung bezüglich des Alterungsverhaltens des Katalysators zuläßt.From this, the task can be derived for internal combustion engines with catalytic exhaust gas aftertreatment to develop a process based on today's available catalyst materials an installation of the catalyst close to the engine without Restriction regarding the aging behavior of the catalyst allows.

Neben der unabdingbaren Forderung nach thermischer Alterungsbeständigkeit besteht weiterhin die Aufgabe, den motornahen Katalysator mit möglichst wenig negativen Aus­ wirkungen auf maximales Drehmoment und maximale Motorleistung zu ermöglichen. Hieran ist insbesondere die Forderung nach möglichst geringem Abgasgegendruck be­ deutsam, da sich dieser nicht nur auf die Drehmoment- und Leistungskurven auswirkt, sondern in weiten Kennfeldbereichen auch auf Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemis­ sion.In addition to the indispensable requirement for thermal aging resistance continue the task of the engine-near catalyst with as little negative off enable effects on maximum torque and maximum engine power. This is particularly the demand for the lowest possible exhaust back pressure significant, since this not only affects the torque and power curves, but also in wide map areas on fuel consumption and pollutant emissions sion.

Hierbei soll möglichst wenig oder gar keine Gemischanreicherung zur Katalysatorkühlung verwendet werden. Dies bedeutet, daß der Motor nach Möglichkeit nur bei stöchiometri­ schem Kraftstoffluftverhältnis (Lambda = 1) betrieben wird. Ob darüber hinaus Motor­ betriebspunkte mit geringfügiger Gemischanreicherung zum Zwecke der Drehmoment- und Leistungssteigerung gewählt werden, hängt hierbei nicht zuletzt von den gesetzli­ chen Rahmenbedingungen ab.As little or no mixture enrichment as possible should be used for cooling the catalyst be used. This means that the engine if possible only at stoichiometric fuel air ratio (lambda = 1) is operated. Beyond that engine operating points with slight mixture enrichment for the purpose of torque and performance enhancement are chosen, not least depends on the legal framework conditions.

Insbesondere soll durch das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Reduktion der Ge­ mischanreicherung sichergestellt werden, daß beispielsweise beim in den USA vorge­ schriebenen Abgastest nach 100 000 Meilen keine Probleme durch übermäßiges Altern des Katalysators zu erwarten sind. In particular, the method according to the invention is also intended to reduce the Ge mixed enrichment can be ensured that, for example, in the USA wrote exhaust test after 100,000 miles no problems from excessive aging of the catalyst are to be expected.  

Dieses Verfahren ist insbesondere als kostengünstige Alternative zu den bereits erwähn­ ten Verfahren zur Katalysatorbeheizung bzw. zur Zwischenspeicherung der Kaltstart­ emissionen zu sehen. Dabei muß vielfach nicht das volle Potential der elektrischen Katalysatorbeheizung erreicht werden, um die geforderten gesetzlichen Emissionsbe­ schränkungen zu erfüllen.This method is particularly mentioned as an inexpensive alternative to the one already mentioned Process for heating the catalyst or for temporarily storing the cold start to see emissions. Often, the full potential of the electrical does not have to be Catalyst heating can be achieved to meet the required statutory emissions to meet restrictions.

In einem weiterführenden Schritt besteht die Aufgabe die aufwendige Isolation bzw. die doppelwandige Ausgestaltung der Abgasrohre vor dem Katalysator auf einen möglichst kleinen Bereich zu beschränken oder sie sogar überflüssig zu machen.In a further step, the task is the costly isolation or double-walled design of the exhaust pipes in front of the catalytic converter to one if possible restricting small areas or even making them superfluous.

Lösungsolution

Zur Lösung obiger Aufgaben wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Reduzierung des Abgasgegendruckes bei Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysator, insbesondere für die Reduzierung des Abgasgegendruckes bei extrem motornah eingebautem Katalysator vorgeschlagen, wobei die Durchströmung der einzelnen Katalysatorzellen von außen nach innen, d. h. quer zur Katalysatorlängsachse, erfolgt und die Abgase annähernd parallel zur Katalysatorlängsachse aus dem Katalysator ausströmen, welches dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die einzelnen Abgasrohrleitungen so vor dem Katalysator angeordnet sind, daß sich eine genau definierte Drallströmung mit überlagerter Axialkomponente ergibt und hierdurch trotz der Pulsation des Abgases ein druckverlustarmes Durch­ strömen der Abgasrohre, eine gleichmäßige Durchströmung aller Katalysatorzellen und insbesondere ein möglichst hoher Rückgewinn des dynamischen Druckes aus dem mit hoher Geschwindigkeit aus den einzelnen Abgasrohren austretenden Abgas ergibt.According to the invention, a method for reducing the Exhaust gas back pressure in internal combustion engines with exhaust gas catalytic converter, in particular for the reduction of the exhaust gas back pressure with a catalytic converter installed extremely close to the engine proposed, the flow through the individual catalyst cells from the outside to inside, d. H. transversely to the longitudinal axis of the catalyst, and the exhaust gases approximately parallel flow out of the catalytic converter to the longitudinal axis of the catalytic converter is that the individual exhaust pipes are arranged in front of the catalyst are that there is a precisely defined swirl flow with a superimposed axial component results in a low pressure loss through despite the pulsation of the exhaust gas flow of the exhaust pipes, a uniform flow through all catalyst cells and in particular the highest possible recovery of the dynamic pressure from the Exhaust gas escaping from the individual exhaust pipes at high speed.

Eine derartige Strömungsführung führt dazu, daß durch die Drallströmung eine starke örtliche sowie zeitliche Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit bis zum Ein­ tritt in die Katalysatorzellen erfolgt. Durch die radiale Zufuhr des Abgases zu den einzelnen Katalysatorzellen wird eine große Eintrittsquerschnittsfläche realisiert, verbun­ den mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Zellen.Such a flow leads to a strong swirl flow local and temporal equalization of the flow rate until on occurs in the catalyst cells. By the radial supply of the exhaust gas to the Individual catalyst cells have a large inlet cross-sectional area, verbun the one with a low flow rate inside the cells.

An die große Eintrittsquerschnittsfläche bzw. die reduzierte Strömungsgeschwindigkeit ist wiederum eine drastische Verbesserung des Druckverlustes gekoppelt. Dieser Effekt wird zusätzlich dadurch verstärkt, daß bei gleicher Zelldichte und gleichem Volumen des Monolithen, d. h. des katalytisch wirksamen Bereichs, zwangsläufig eine Reduktion der Länge der einzelnen Katalysatorzellen vorliegt.The large inlet cross-sectional area or the reduced flow velocity is in turn coupled with a drastic improvement in pressure loss. This effect is additionally reinforced by the fact that with the same cell density and the same volume of the Monoliths, d. H. of the catalytically active area, inevitably a reduction in Length of the individual catalyst cells is present.

Da der Wärme- und Stofftransport und teilweise auch die katalytische Umsetzung im vorderen Bereich der einzelnen Zellen wesentlich intensiver erfolgt als weiter stromab, ergibt sich durch die Zunahme der Zonen mit dünnen Grenzschichten eine weitere Ver­ besserung der katalytischen Umsetzung. Dem wirkt zwar die Reduktion der lokalen Abgasgeschwindigkeiten innerhalb der Katalysatorzellen etwas entgegen, doch dürfte für die katalytische Wirksamkeit der erstgenannte Einfluß dominant sein.Since the heat and mass transport and sometimes also the catalytic conversion in the front area of the individual cells takes place much more intensely than further downstream, The increase in zones with thin boundary layers results in a further ver improvement of the catalytic conversion. The reduction of local ones does work Exhaust gas velocities within the catalyst cells somewhat opposed, but should for the catalytic effectiveness of the former influence may be dominant.

Im Normalfall wird die Ersparnis an Druckverlust so groß sein, daß eine drastische Erhöhung der Zelldichte möglich ist. An die Reduktion des Strömungsquerschnittes ist wiederum eine Verbesserung der katalytischen Wirksamkeit gekoppelt, was eine zusätz­ liche Reduktion des Katalysatorvolumens, insbesondere der Zellenlänge ermöglicht. Normally, the savings in pressure loss will be so great that drastic Increasing the cell density is possible. At the reduction of the flow cross section is in turn coupled an improvement in catalytic effectiveness, which is an additional Liche reduction of the catalyst volume, in particular the cell length.  

Es dürfte auf der Hand liegen, daß an die Einsparung an katalytisch aktivem Material, insbesondere an die Einsparungen an Edelmetall, signifikante Kostensenkungen gekop­ pelt sind.It should be obvious that the savings in catalytically active material in particular to the savings in precious metals, significant cost reductions pelt are.

Speziell der Drall der Strömung führt zu einer Reduktion der Druckpulsationen des Abgases und damit zu einer geringeren thermischen und mechanischen Belastung der Katalysatorzellen. Insbesondere trifft der mit hoher Geschwindigkeit austretende Ab­ ggasstrahl nicht direkt auf die Katalysatorzellen.The swirl of the flow in particular leads to a reduction in the pressure pulsations of the Exhaust gas and thus to a lower thermal and mechanical load on the Catalyst cells. In particular, the ex emerging at high speed hits Do not jet the gas directly onto the catalyst cells.

Gleichzeitig wird durch den Drall die Relativgeschwindigkeit zwischen den aus den ein­ zelnen Leitungen austretenden Abgasstrahlen und der wirbelbehafteten Strömung in der Katalysatorvorkammer bzw. im Abgassammler reduziert, was sich positiv auf den Aus­ puffvorgang aus der jeweiligen Brennkammer und somit auch auf die Frischgasmenge auswirkt.At the same time, the relative speed between those from the one is due to the swirl individual pipes emerging exhaust gas jets and the eddy flow in the Catalyst prechamber or in the exhaust manifold reduced, which has a positive effect on the off puffing process from the respective combustion chamber and thus also on the amount of fresh gas affects.

Als besonders güstige Variante wird insbesondere ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mündung der einzelnen Abgasrohre in einem genau definierten Abstand zur äußeren Mantelfläche des Katalysators bzw. des davor ange­ ordneten Abgassammlers angeordnet ist, um ein Einströmen in einer Region möglichst niedrigen statischen Druckes zu ermöglichen.As a particularly cheap variant, a method is proposed in particular, which is characterized in that the mouth of the individual exhaust pipes in one defined distance from the outer surface of the catalyst or the front arranged exhaust gas collector is arranged to flow into a region as possible allow low static pressure.

Diese Verfahrensvariante führt dazu, daß sich der auf Grund der Zentrifugalkräfte in radialer Richtung zunehmende statische Druck nicht als Gegendruck auf den Auspuff­ vorgang auswirkt. Das Abgas strömt mit hoher Geschwindigkeit und hohem Drall - erzielt durch eine spezielle Anordnung des Abgasrohres mit einem Versatz in Richtung Mittellinie - in den vorderen Katalysatorbereich, wird durch die Fliehkräfte nach außen verdrängt und gleichzeitig verzögert. Das heißt es wird ein Teil des dynamischen Druckes aus dem Auspuffvorgang zurückgewonnen. Es liegt auf der Hand, daß sich dies positiv auf die Druckverlustbilanz auswirkt.This process variant leads to the fact that due to the centrifugal forces increasing radial pressure in the radial direction does not act as back pressure on the exhaust operation affects. The exhaust gas flows at high speed and high swirl - achieved by a special arrangement of the exhaust pipe with an offset in the direction Center line - in the front catalytic converter area, is due to the centrifugal forces to the outside ousted and delayed at the same time. That means it becomes part of the dynamic pressure recovered from the exhaust process. It is obvious that this is positive affects the pressure loss balance.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. Die Ab­ gase strömen hierbei gemäß der Zündfolge nacheinander durch die Leitungen 1-4 des Auspuffkrümmers in das im vorliegenden Fall mit dem Auspuffkrümmer verschweißte Katalysatorgehäuse 5. Die Zuströmung erfolgt stirnseitig, wobei die Mündungen der Abgasleitungen so angeordnet sind, daß sich eine definierte Drallströmung mit überla­ gerter Axialkomponente ergibt. Gleichzeitig sind die Mündungen etwas vom Mantel des Katalysators in Richtung Mittellinie versetzt, um nach Möglichkeit in einer Zone reduzierten statischen Druckes einzuströmen. Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the inventive method. The gases flow according to the firing order one after the other through lines 1 - 4 of the exhaust manifold into the catalytic converter housing 5 welded to the exhaust manifold in the present case. The inflow takes place on the end face, the mouths of the exhaust pipes being arranged in such a way that a defined swirl flow results with a superimposed axial component. At the same time, the orifices are offset somewhat from the jacket of the catalytic converter in the direction of the center line in order to flow into a zone of reduced static pressure if possible.

(Ob hierbei der Durchmesser des Mantelrohres noch etwas größer gewählt werden muß als in Fig. 1, um das volle Potential in bezug auf minimale Druckverluste zu nutzen muß nach an Hand von Versuchen geklärt werden. Die Durchmesser der Abgasleitun­ gen 1-4 und des Katalysatormantelrohrs 5, sind in diesem Zusammenhang ohnehin je nach Kosten und Gewicht bzw. je nach Einbauraum und auch Wärmeverlusten an die Umgebung bestimmten Zwängen unterworfen.)(Whether this the diameter of the casing tube something must be greater than in Figure 1, in order to use the full potential in terms of minimal pressure losses must be clarified on the basis of experiments, the diameter of the Abgasleitun gen. 1 -. 4 and the catalyst casing tube 5 , are subject to certain constraints anyway depending on the cost and weight or depending on the installation space and also heat loss to the environment.)

Durch den Drall und die Abdeckplatte 6 wird die Strömung nach außen abgelenkt und strömt - weiterhin mit Drall behaftet - entlang des Mantelrohrs und verteilt sich auf die einzelnen Katalysatorzellen 7. Im Innern des Katalysators werden die katalytisch gereinigten Abgase gesammelt und dann axial aus dem Katalysator zur Schalldämpfungsanlage geleitet, welche an den Flansch 8 angekoppelt wird.The flow is deflected outwards by the swirl and the cover plate 6 and flows — still with swirl — along the casing tube and is distributed over the individual catalyst cells 7 . The catalytically cleaned exhaust gases are collected in the interior of the catalytic converter and then guided axially out of the catalytic converter to the soundproofing system, which is coupled to the flange 8 .

Der Drall führt in dieser Anwendung nicht nur auf eine Dämpfung der Druckpulsationen sondern auch auf eine gleichmäßige Verteilung des Abgases auf die einzelnen Katalysatorzellen. Gleichzeitig findet eine intensive Vermischung des Abgases statt. Dies hat insbesondere Vorteile, wenn der Motor insgesamt zwar mit einem Lambda von 1 gefahren wird, die einzelnen Zylinder aber unterschiedliche Kraftstoffluftverhältnisse und damit ein Kraftstoffluftverhältnis ungleich 1 aufweisen. Bei Katalysatoren mit nur einem direkt längsdurchströmten Monolithen wäre hier nur eine eingeschränkte Wirksamkeit gegeben.In this application, the swirl does not only result in damping the pressure pulsations but also on an even distribution of the exhaust gas over the individual catalyst cells. At the same time, the exhaust gas is mixed intensively. this has This is particularly advantageous if the engine is driven with a lambda of 1 overall the individual cylinders but different fuel air ratios and thus have a fuel air ratio not equal to 1. For catalysts with only one Directly flowed through monoliths would be only a limited effectiveness here given.

Auch bei Verwendung von zwei kurz hintereinander angeordneten längsdurchströmten Monolithen wäre hier noch ein Nachteil vorhanden.Even when using two flow-throughs arranged in quick succession Monoliths would still be a disadvantage here.

Durch die Durchmischung des Abgases vor dem Einströmen in die einzelnen Katalysatorzellen wird auch das kurzzeitige Einwirken von extremen Temperaturspitzen auf die stark zerklüftete und damit hochempfindliche Katalysatoroberfläche vermieden, wie es bei den bisher bekannten direkt in Längsrichtung angeströmten Katalysatoren vorliegt.By mixing the exhaust gas before it flows into the individual catalyst cells is also the short-term exposure to extreme temperature peaks on the strongly jagged and thus highly sensitive catalyst surface avoided, like it is present in the previously known direct flow in the longitudinal direction.

Gleichzeitig ergibt sich durch die Drallströmung ein guter Wärmeübergang an den Katalysatormantel, welcher ebenfalls zu einem Wegdämpfen von Temperaturspitzen führt. Dieser Vorteil bezüglich der temporären Temperaturspitzen scheint zunächst durch einen gewissen Nachteil bezüglich des schnellen Aufheizens im Kaltstart erkauft zu sein. Dies trifft jedoch i. a. nicht zu, da zum einen ein Monolith geringere Masse aufgeheizt werden muß, zum andern dieser nicht über die gesamte Länge direkt mit dem Außenmantel in Wärmeleitungskontakt steht.At the same time, the swirl flow results in good heat transfer to the catalyst jacket, which also leads to a damping of temperature peaks. This advantage with regard to the temporary temperature peaks first appears through one certain disadvantage with regard to the rapid heating in the cold start. This however, i. a. not too, because on the one hand a monolith of less mass is heated must, on the other hand, not over the entire length directly with the outer jacket in There is thermal contact.

Insbesondere ist die Katalysatorbauart nach Fig. 1 durch eine wesentlich homogenere Temperaturbelastung gekennzeichnet als bisher bekannte Katalysatorbauarten. Dieser Sachverhalt wird noch dadurch unterstrichen, daß der Monolith für diesen Anwendungsfall ohne Kostennachteil aus Metall - und somit mit hoher Temperaturleitfähigkeit und extremer Zellendichte - gefertigt werden kann, was weitere Vorteile bezüglich einer gleichmäßigen Temperaturbelastung bietet.In particular, the type of catalyst according to FIG. 1 is characterized by a significantly more homogeneous temperature load than previously known types of catalyst. This fact is underlined by the fact that the monolith for this application can be made of metal without cost disadvantages - and thus with high temperature conductivity and extreme cell density - which offers further advantages with regard to a uniform temperature load.

Um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten, wird in Fig. 2 eine Verfahrensvariante vorgeschlagen, bei der der Katalysator über einen zusätzlichen Mantel 9 isoliert ist, welcher zusammen mit dem nun mit minimaler wärmeaktiver Masse ausgestatteten Innenmantel 5 einen Isolierspalt 10 bildet.In order to keep the heat losses as low as possible, a process variant is proposed in FIG. 2, in which the catalyst is insulated by an additional jacket 9 , which together with the inner jacket 5 , which is now provided with a minimal heat-active mass, forms an insulating gap 10 .

Es liegt auf der Hand, daß eine derartige Anwendung ohne allzugroßen Aufwand realisierbar und in keiner Weise mit dem Aufwand für eine doppelwandige Gestaltung aller Abgasrohre vergleichbar ist. Die Ergebnisse bezüglich des schnellen Aufheizens sind jedoch wesentlich besser.It is obvious that such an application can be implemented without too much effort and in no way with the effort for a double-walled design of all Exhaust pipes is comparable. The results regarding rapid heating are however much better.

Durch die geringe wärmeaktive Masse ist bei dieser Anwendung auch im Vergleich zum motornahen Katalysator konventioneller Bauweise kein Nachteil für das schnelle Aufheizen mehr vorhanden. Due to the low heat-active mass in this application is also compared to Conventional design near-engine catalytic converter no longer a disadvantage for rapid heating.  

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Isolierspalt 10 durch ein Vakuum, einen Luftspalt oder sonstiges strahlungsdurchlässiges Isoliermaterial gebildet wird. Die Abhängigkeit der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung von der vierten Potenz der Wandtemperatur führt dann zu der besonders vorteilhaften Eigenschaft, daß in der Aufheizphase eine gute Isolierungswirkung durch die Innenwand 5 vorliegt, während bei sehr heißem Abgaskatalysator eine spürbare Entlastung durch die Wärmestrahlung an die Umgebung erfolgt. Diese kann durch eine entsprechende Kühlung der Außenwand 9 noch weiter verbessert werden.It is particularly advantageous if the insulating gap 10 is formed by a vacuum, an air gap or other radiation-permeable insulating material. The dependency of the heat transfer by heat radiation on the fourth power of the wall temperature then leads to the particularly advantageous property that there is a good insulation effect through the inner wall 5 in the heating phase, while in the case of a very hot catalytic converter there is a noticeable relief from the heat radiation to the surroundings. This can be further improved by appropriate cooling of the outer wall 9 .

Als weitere erfindungsgemäße Verbesserung weist der Katalysator nach Fig. 3 einen zweigeteilten Katalysatorbereich 7a und 7b mit Luftspalt 7c auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorzug, daß sich der Block 7a aufgrund der fehlenden Wärmeleitung in die weiter stromab liegenden Bereiche extrem schnell aufheizt. Weiterhin ist er durch eine gute Durchmischung vor dem Eintritt in den Bereich 7b verbunden mit dünnen Grenzschichten im Einlauf von 7b gekennzeichnet. Hieran ist wiederum eine verbesserte katalytische Umsetzung gekoppelt, verbunden mit einer reduzierten Gefahr einer lokalen Überhitzung im Innern der Katalysatorzellen.As a further improvement according to the invention, the catalytic converter according to FIG. 3 has a two-part catalytic converter area 7 a and 7 b with an air gap 7 c. This embodiment has the advantage that the block 7 a heats up extremely quickly due to the lack of heat conduction into the further downstream areas. Furthermore, it is b connected by thorough mixing prior to entry into the portion 7 with thin boundary layers in the inlet 7 in b. This in turn is linked to an improved catalytic conversion, combined with a reduced risk of local overheating inside the catalyst cells.

Es ist zu erwarten, daß mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen weitgehend auf eine Gemischanreicherung zur Kühlung des Katalysators verzichtet werden kann. Dennoch kann es insbesondere zur Erzielung einer hohen Nennleistung bzw. zum Erzielen eines hohen Drehmomentes vorteilhaft sein, ein gewisses Maß an Gemischanreicherung zuzulassen. Die durch diese Maßnahme ermöglichte Verkleinerung des Hubraums kann im täglichen Fahrbetrieb vielfach einen geringeren Kraftstoffverbrauch und u. U. sogar geringere Emissionen bewirken, als ein leistungsgleicher Motor größeren Hubraums ohne Gemischanreicherung.It is to be expected that the measures according to the invention largely relate to a Mixture enrichment for cooling the catalyst can be dispensed with. Yet it can be used in particular to achieve a high nominal output or to achieve a high torque may be advantageous to allow a certain amount of mixture enrichment. The reduction in displacement made possible by this measure can be done in daily driving operations often lower fuel consumption and u. Sometimes even less Cause emissions than a power engine with the same capacity and without large displacement Mixture enrichment.

Auch trotz stöchiometrischer Gemischregelung kann es durch die Regelschwankungen und insbesondere im instationären Fahrbetrieb vorkommen, daß sich an eine Kraftstoffanfettung eine Phase mit starker Gemischabmagerung anschließt.Despite the stoichiometric mixture control, it can be caused by the control fluctuations and especially in unsteady driving that occur on fuel enrichment a phase with strong mixture emaciation follows.

Für die oben genannten Betriebszustände ist es zum Schutz des Katalysators besonders vorteilhaft, temporär eine signifikante Gemischanfettung vorzunehmen, um zu vermeiden, daß der Katalysator durch die exotherme Reaktion der während der Gemischanreicherung angelagerten Reaktionspartner in der Abmagerungsphase überhitzt. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in Phasen extremer Gemischabmagerung, insbesondere im instationären Fahrbetrieb, zusätzlich Kraftstoff zugeführt wird, um das Abmagern des Gemisches mit seinen besonders negativen Auswirkungen auf die Katalysatoralterung einzuschränken.It is special for the protection of the catalytic converter for the above-mentioned operating states advantageous to temporarily make a significant mixture enrichment in order to avoid that the catalyst by the exothermic reaction during the mixture enrichment attached reaction partners overheated in the emaciation phase. Therefore, it is proposed according to the invention that in phases of extreme mixture leaning, especially in unsteady driving, additional fuel is supplied, to reduce the weight of the mixture with its particularly negative effects on the To limit catalyst aging.

Speziell bei starker Abbremsung des Motors aus Betriebszuständen mit Gemischanreicherung wird vorgeschlagen, daß kurzzeitig zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, um das Abmagern des Gemisches von unterstöchiometrisch nach weit überstöchiometrisch mit seinen besonders negativen Auswirkungen auf die Katalysatoralterung einzuschränken.Especially when the engine brakes heavily from operating conditions with mixture enrichment it is proposed that additional fuel be injected briefly, to lean the mixture from substoichiometric to far overstoichiometric with its particularly negative effects on catalyst aging.

Claims (11)

1. Verfahren zur Reduzierung des Abgasgegendruckes bei Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysator, insbesondere für die Reduzierung des Abgasgegendruckes bei extrem motornah eingebautem Katalysator, wobei die Durchströmung der einzelnen Katalysatorzellen von außen nach innen, d. h. quer zur Katalysatorlängsachse, erfolgt und die Abgase annähernd parallel zur Katalysatorlängsachse aus dem Katalysator ausströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abgasrohrleitungen so vor dem Katalysator angeordnet sind, daß sich eine genau definierte Drallströmung mit überlagerter Axialkomponente ergibt und hierdurch trotz der Pulsation des Abgases ein druckverlustarmes Durchströmen der Abgasrohre, eine gleichmäßige Durchströmung aller Katalysatorzellen und insbesondere ein möglichst hoher Rückgewinn des dynamischen Druckes aus dem mit hoher Geschwindigkeit aus den einzelnen Abgasrohren austretenden Abgas ergibt.1.Procedure for reducing the exhaust gas back pressure in internal combustion engines with an exhaust gas catalytic converter, in particular for reducing the exhaust gas back pressure in the case of a catalytic converter installed extremely close to the engine, the flow through the individual catalytic converter cells from the outside inwards, that is to say transversely to the catalytic converter longitudinal axis, and the exhaust gases being approximately parallel to the catalytic converter longitudinal axis from the Flowing out the catalytic converter, characterized in that the individual exhaust gas pipes are arranged in front of the catalytic converter in such a way that there is a precisely defined swirl flow with a superimposed axial component and, in spite of the pulsation of the exhaust gas, a low-pressure flow through the exhaust gas pipes, a uniform flow through all catalyst cells and, in particular, the highest possible Recovery of the dynamic pressure from the exhaust gas emerging at high speed from the individual exhaust pipes results. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abgasleitungen des Abgaskrümmers stirnseitig in das Katalysatorgehäuse bzw. den davor angeordneten Abgassammler eintreten.2. The method according to claim 1, characterized in that the individual exhaust pipes of the exhaust manifold into the front of the catalytic converter housing or in front of it arranged exhaust manifold. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abgasleitungen des Abgaskrümmers radial, d. h. an der Mantelfläche, in das Katalysatorgehäuse bzw. den davor angeordneten Abgassammler eintreten.3. The method according to claim 1, characterized in that the individual exhaust pipes of the exhaust manifold radially, d. H. on the outer surface, in the catalytic converter housing or enter the flue gas collector in front of it. 4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der einzelnen Abgasrohre in einem genau definierten Abstand zur äußeren Mantelfläche des Katalysators bzw. des davor angeordneten Abgassammlers angeordnet ist, um ein Einströmen in einer Region möglichst niedrigen statischen Druckes zu ermöglichen.4. The method according to any one of the above claims 1-3, characterized in that the mouth of the individual exhaust pipes at a precisely defined distance from the outside Shell surface of the catalytic converter or the exhaust gas collector arranged in front of it is arranged is to keep an inflow in a region of the lowest possible static pressure enable. 5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorblock in Durchströmungsrichtung der einzelnen Zellen mindestens eine Unterbrechung von mehreren Millimetern aufweist.5. The method according to any one of claims 1-4, characterized in that the Catalyst block in the flow direction of the individual cells has at least one interruption of several millimeters. 6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatormantel einen zusätzlichen isolierten Innenmantel geringer wärmeaktiver Masse aufweist, um insbesondere während der Aufheizphase die Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren.6. The method according to any one of claims 1-5, characterized in that the Catalyst jacket an additional insulated inner jacket of low heat-active mass has, in particular during the heating phase, the heat losses to the environment to minimize. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation über einen Luftspalt, ein strahlungsdurchlässiges Material oder durch Vakuum erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the insulation over a Air gap, a radiation-permeable material or by vacuum. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß besondere Maßnahmen für eine gute Kühlung des Außenmantels, z. B. über eine entsprechende Luftzirkulation, getroffen werden.8. The method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that special Measures for good cooling of the outer jacket, e.g. B. via a corresponding Air circulation, to be taken. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Innenmantel mit einer katalytisch wirksamen Oberfläche ausgestattet ist.9. The method according to any one of claims 6-8, characterized in that the isolated Inner jacket is equipped with a catalytically active surface. 10. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß in Phasen extremer Gemischabmagerung, insbesondere im instationären Fahrbetrieb, zusätzlich Kraftstoff zugeführt wird, um das Abmagern des Gemisches mit seinen besonders negativen Auswirkungen auf die Katalysatoralterung einzuschränken.10. The method according to any one of claims 1-9, characterized in that in  Phases of extreme mixture leaning, especially in unsteady driving, additionally Fuel is supplied to lean the mixture with its particular to limit the negative effects on catalyst aging. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß speziell bei starker Abbremsung des Motors aus Betriebszuständen mit Gemischanreicherung kurzzeitig zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, um das Abmagern des Gemisches von unterstöchiometrisch nach weit überstöchiometrisch mit seinen besonders negativen Auswirkungen auf die Katalysatoralterung einzuschränken.11. The method according to claim 10, characterized in that especially in strong Braking the engine briefly from operating conditions with mixture enrichment Additional fuel is injected to lean the mixture from substoichiometric after far more than stoichiometric with its particularly negative effects limited to catalyst aging.
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