DE19636662A1

DE19636662A1 - Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19636662A1
Application number: DE19636662A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl Ing Bressler; Peter Dipl Ing Thomas; Frank Dipl Ing Terres
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: BR9504071A; DE19636662B4; ZA967641B

Description

Die Erfindung betrifft Abgaskatalysatoren für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wichtigstes Bauteil jedes Abgaskatalysators ist der katalytisch beschichtete Monolith. Dessen Volumen wird bestimmt einerseits von der Menge des vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgases und andererseits vom maximal tolerierbaren Strömungswiderstand.

Ebenso wichtig ist das Gehäuse, das den Monolithen gasdicht umschließt. Alle Gehäuse besitzen einen Eingangskonus und einen Ausgangskonus mit je einem Durchzug zur Verbindung mit den abgasführenden Rohren.

Es war schon immer das Bestreben der Hersteller von Abgaskatalysatoren, möglichst platzsparende Lösungen zu finden, angepaßt an die räumlichen Verhältnisse im Kraftfahrzeug. Dabei wird gleichzeitig versucht, sowohl das Gewicht als auch den Preis so weit wie möglich zu reduzieren. Dies ist jedoch nur begrenzt möglich, da die Physik der Gasströmungen beachtet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskatalysator der eingangs genannten Art anzugeben, der dank der kombinierten Optimierung aller Einzelteile minimiertes Volumen, minimiertes Gewicht und minimierten Preis mit maximaler Abgasreinigung vereinigt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Abgaskatalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dank der Verwendung eines vorgefertigten rohrförmigen Gehäuses läßt sich das Paket aus Monolith und Lagermatte sehr schnell und prozeßsicher montieren, wobei eine sicher zu handhabende Einheit entsteht. Das Einbringen des Pakets aus Monolith und Lagermatte in das rohrförmige Gehäuse läßt sich auf verschiedene Arten bewerkstelligen. Die wenigsten Probleme treten auf, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Paket aus Monolith und Lagermatte mit einer Gleitfolie umwickelt ist, die einen sehr geringen Reibkoeffizienten zum Gehäuse besitzt, da dann die Lagermatte beim Einschieben in das Gehäuse ihre Form und Position behält. Die aus Kunststoff bestehende Gleitfolie verbrennt bei der Inbetriebnahme des Abgaskatalysators rückstandsfrei.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Konuswinkel des Ausgangskonus bis auf 90 Grad vergrößert werden kann, wodurch der Materialverbrauch stark zurückgeht. Diese auf den ersten Blick strömungsungünstige Form wird ermöglicht durch die kombinierte Wirkung eines Zylinderabschnitts zwischen Monolith und Trichterabschnitt sowie eines großen Radiusabschnitts an der Übergangsstelle vom Trichterabschnitt zum Durchzug, wobei sowohl die Länge des Zylinderabschnitts als auch der Radius des Radiusabschnitts um so mehr zunehmen müssen, je steiler der Konuswinkel gewählt wird. Diese drei Größen - Länge des Zylinderabschnitts, Konuswinkel und Radius - lassen sich linear optimieren, so daß sich für jeden konkreten Anwendungsfall die Form des Ausgangskonus mit minimalem Materialverbrauch, Gewicht und Preis ermitteln läßt, ohne funktionale Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Wie Versuche gezeigt haben, muß der Eingangskonus länger, und zwar bevorzugt zwei- bis dreimal länger sein als der Ausgangskonus, wenn eine ausreichend gleichmäßige Anströmung der Stirnfläche des Monolithen gewährleistet sein soll.

Die Herstellung des Eingangskonus im Tiefziehverfahren ist wegen der größeren Tiefung schwieriger als die des Ausgangskonus. Sie wird jedoch dadurch vereinfacht, daß es sich hier nur um einen einfachen Kegelstumpf handeln muß.

Außerdem kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Eingangskonus um so kürzer gewählt werden, je größer die Länge des Monolithen ist. Der Winkel des Eingangskonus läßt sich auf einen guten Kompromiß zwischen Kosten und technologischen Aspekten optimieren. Bevorzugt wird ein Winkel von ca. 30 Grad gewählt.

Vorzugsweise variiert der Konuswinkel des Ausgangskonus zwischen ca. 50 und 90 Grad, wobei die Länge des Zylinderabschnitts mindestens 8 mm und der Übergangsradius mindestens R8 betragen müssen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erhält der Ausgangskonus einen relativ langen Durchzug. Dadurch wird ein ausreichend großer Abstand des in den Durchzug eingesteckten Abgasrohrs vom Radiusabschnitt möglich, so daß die optimierten Strömungsverhältnisse nicht gestört werden.

Vorteilhafterweise besitzen Eingangs- und/oder Ausgangskonus im umgebördelten Bereich jeweils eine Ringfläche, die zur Stirnfläche des Monolithen beabstandet ist. Diese Ringfläche schützt in an sich bekannter Weise die Lagermatte vor den Auswirkungen der Abgaspulsationen. Die spezielle, umgebördelte Krempe gewährleistet eine sichere Montage und eine gute Schweißbarkeit.

Falls aus betriebsbedingten Gründen eingangs- bzw. ausgangsseitiger Konus isoliert sein sollen, wird auf dem Trichterabschnitt ein Isolierkörper befestigt, der seinerseits durch einen Außenkonus mit Durchzug abgedeckt wird. Der weite Rand des Außenkonus ist unter den umgebördelten Rand des Innenkonus geschoben. Dank dieser Anordnung können das Rohrgehäuse, der Innenkonus und der Außenkonus mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht gasdicht miteinander verbunden werden. Im Durchzug des Außenkonus ist ein Abgasrohr befestigbar.

Um den thermisch bedingten Längenausgleich zwischen Innen- und Außenkonus zu ermöglichen, ist unter dem Durchzug des Außenkonus ein Schiebesitz für den Durchzug des Innenkonus realisiert.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Abgaskatalysator und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen zweiten Abgaskatalysator.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abgaskatalysator, bestehend aus einem rohrförmigen Gehäuse 1, in das ein mit einer Lagermatte 2 umwickelter katalytisch aktiver Monolith 3 eingeschoben ist. Um das Einschieben zu erleichtern, ist das Paket aus Monolith 3 und Lagermatte 2 zusätzlich mit einer Gleitfolie (nicht dargestellt) umwickelt. Diese Gleitfolie verbrennt bei der Inbetriebnahme des Abgaskatalysators.

Auf der linken Seite erkennt man einen Eingangskonus 10 mit einem kurzen Durchzug 11, einem Trichterabschnitt 13 und einem zur Krempe umgebördelten Rand 12. Dieser paßt genau in das rohrförmige Gehäuse 1, so daß die gasdichte Verbindung mittels einer einzigen umlaufenden Schweißnaht hergestellt werden kann. Der Trichterabschnitt 13 ist als einfacher Kegelstumpf ausgeführt.

An der rechten Seite erkennt man einen Ausgangskonus 20 mit Durchzug 21, Trichterabschnitt 23 und nach außen umgebördelter Krempe 22, ebenfalls mit dem rohrförmigen Gehäuse 1 gasdicht verschweißt. Zwischen Trichterabschnitt 23 und der Stirnfläche des Monolithen 3 ist zusätzlich ein Zylinderabschnitt 25 vorgesehen. Zwischen Trichterabschnitt 23 und Durchzug 21 erkennt man ferner einen Radiusabschnitt 26 mit großem Radius R.

Versuche haben gezeigt, daß der Konuswinkel ALPHA des Trichterteils 23 zwischen ca. 50 und 90 Grad variiert werden kann, wenn gleichzeitig die Länge D des Zylinderabschnitts 25 mindestens 8 mm und der Radius R des Radiusabschnitts 26 mindestens R8 beträgt. In diesen Wertebereichen erhält man günstige Abgasströmungen ohne unerwünscht hohen Strömungswiderstand. Alle drei Einflußgrößen lassen sich so aufeinander abstimmen, daß Materialmenge, Gewicht und Preis des Ausgangskonus minimiert werden können.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Durchzug 21 im Ausgangskonus 20 relativ lang. Dadurch kann die Stirnkante 9′ eines Abgasrohrs 9 einen ausreichend großen Abstand zum Radiusabschnitt 26 einhalten. Die Abgasströmungen werden nicht gestört.

Es hat sich herausgestellt, daß für eine gleichmäßige Anströmung der vorderen Stirnfläche des Monolithen 3 die Länge des Eingangskonus 10 etwa zwei- bis dreimal größer sein soll als die Länge des Ausgangskonus 20. Dabei kann die Länge des Eingangskonus 10 um so kürzer gewählt werden, je größer die Länge L des Monolithen 3 ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem isolierten Eingangskonus 10′. Auf dessen Trichterabschnitt 13 ist ein Isolierkörper 14 befestigt, der seinerseits durch einen Außenkonus 15 mit Durchzug 16 abgedeckt ist. Der weite Rand des Außenkonus 15 ist unter den umgebördelten Rand 12 des Innenkonus 13 geschoben. Auf diese Weise können Gehäuse 1, Innenkonus 13 und Außenkonus 15 mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht gasdicht miteinander verbunden werden.

In den Durchzug 16 des Außenkonus 15 ist ein Abgasrohr 8 eingeschoben. Durch entsprechende Formgebung wurde zwischen dem Durchzug 16 und dem Abgasrohr 8 ein Schiebesitz für den Durchzug 11 des Innenkonus 13 realisiert, so daß thermische Ausdehnungsdifferenzen zwischen Innenkonus 13 und Außenkonus 15 ausgeglichen werden können.

Claims

1. Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren, umfassend

- ein rohrförmiges Gehäuse (1),
- darin ein mittels Lagermatte (2) gelagerter katalytisch aktiver Monolith (3),
- einen Eingangskonus (10, 10′) mit Durchzug (11, 16) und
- einen Ausgangskonus (20) mit Durchzug (21),
- die gehäuseseitigen Enden (12, 22) der Konen (10, 20) sind nach Art einer Krempe nach außen umgebördelt und mit dem Gehäuse (1) dicht verschweißt,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

- der Ausgangskonus (20) besitzt einen Trichterabschnitt
(23) mit einem steilen Konuswinkel (ALPHA),
- zwischen der Stirnfläche des Monolithen (3) und dem Trichterabschnitt (23) befindet sich ein Zylinderabschnitt (25)
- die Länge (D) des Zylinderabschnitts (25) ist um so größer, je steiler der Konuswinkel (ALPHA) ist,
- der Trichterabschnitt (23) geht mit einem weiten Radius (R) in den Durchzug (21) über,
- der Radius (R) ist um so größer, je steiler der Konuswinkel (ALPHA) ist,
- der Eingangskonus (10, 10′) ist länger als der Ausgangskonus (20).

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Konuswinkel (ALPHA) liegt zwischen ca. 50 Grad und 90 Grad.

3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Länge (D) des Zylinderabschnitts (23) beträgt mindestens 8 mm.

4. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Radius (R) des Radiusabschnitts (26) beträgt mindestens R8.

5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Ausgangskonus (20) besitzt einen langen Durchzug (21).

6. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Eingangskonus (10, 10′) ist als Kegelstumpf ausgebildet.

7. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Eingangskonus (10, 10′) ist ca. zwei- bis dreimal länger als der Ausgangskonus (20).

8. Abgaskatalysator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- je größer die Länge (L) des Monolithen (3), desto kürzer der Eingangskonus (10, 10′).

9. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- Eingangs- und/oder Ausgangskonus (10, 10′, 20) besitzen je eine Ringfläche, benachbart zur Stirnfläche des Monolithen (3)

10. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- auf dem Konusabschnitt (13) des Eingangs- bzw. Ausgangskonus (13, 20) als Innenkonus ist ein Isolierkörper (14) befestigt,
- der Isolierkörper (14) ist durch einen Außenkonus (15) mit Rohrstutzen (16) abgedeckt,
- der weite Rand des Außenkonus (15) ist unter den umgebördelten Rand (12, 22) des Innenkonus (13) geschoben,
- im Durchzug (16) des Außenkonus (15) ist ein Abgasrohr (8) befestigbar.

11. Abgaskatalysator nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- unter dem Durchzug (16) des Außenkonus (15) ist ein Schiebesitz für den Durchzug (11, 21) des Innenkonus (13) realisiert.

12. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Paket aus Monolith (3) und Lagermatte (2) ist mit einer Gleitfolie umhüllt.