DE19636662B4

DE19636662B4 - Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19636662B4
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: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: ZA967641B; BR9504071A; DE19636662A1

Abstract

Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren, umfassend
– ein rohrförmiges Gehäuse (1),
– darin ein mittels Lagermatte (2) gelagerter katalytisch aktiver Monolith (3),
– einen Eingangskonus (10, 10') mit einem Durchzug (11, 16),
– einen Ausgangskonus (20) mit
– einem Durchzug (21)
– und einem Trichterabschnitt (23),
– und einen zwischen der Stirnfläche des Monolithen (3) und dem Trichterabschnitt (23) befindlichen Zylinderabschnitt (25),
gekennzeichnet durch die Merkmale:
– der Ausgangskonus (20) besitzt einen Konuswinkel (ALPHA) zwischen 50 Grad und 90 Grad,
– der Trichterabschnitt (23) geht mit einem Radius (R), der mindestens R8 beträgt, in den Durchzug (21) über,
– die Länge (D) des Zylinderabschnitts (25) beträgt mindestens 8 mm,
– der Zylinderabschnitt (25) ist in den Ausgangskonus (20) integriert,
– der Eingangskonus (10, 10') ist ca. zwei- bis dreimal länger als der Ausgangskonus (20).

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.
Aus der EP 05 81 190 A1 ist eine Vorrichtung zum katalytischen Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren bekannt, umfassend ein Metallgehäuse mit Eingangskonus und Ausgangskonus. Im Inneren des Gehäuses sind mehrere katalytisch beschichtete Trägerkörper mit Wabenstruktur untergebracht. Eingangskonus und Ausgangskonus sind mit unterschiedlichen Konuswinkeln dargestellt.
Aus der DE 40 24 015 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Abgasen bekannt, umfassend ein Gehäuse mit Eingangskonus und Ausgangskonus. Im Inneren des Gehäuses sind zwei katalytisch beschichtete Trägerkörper untergebracht. Der Eingangskonus ist symmetrisch und langgestreckt, der Ausgangskonus asymmetrisch und kurz. Über die Gründe dieser unterschiedlichen Gestaltung von Eingangs- und Ausgangskonus gibt diese Druckschrift ebenso wenig Auskunft wie die zuvor Genannte.
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 Triefziehverfahren ist wegen der größeren Tiefung schwieriger als die des Ausgangskonus. Sie wird jedoch dadurch vereinfacht, dass es sich 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 Monolitzen 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 Ausgangskonus 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 thermischen Bedingungen 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
1 einen Längsschnitt durch einen ersten Abgaskatalysator und
2 einen Längsschnitt durch einen zweiten Abgaskatalysator.
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 Seiten erkennt man einen Eingangskonus 10 mit einem kurzen Durchzug 11, einem Trichterabschnitt 13 und einem zur Krempe umgebördelten Ende 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 erkannt man einen Ausgangskonus 20 mit Durchzug 21, Trichterabschnitt 23 und nach außen umgebördeltem Ende 22, ebenfalls mit dem rohrförmigen Gehäuse 1 gasdicht verschweißt. Zwischen Trichterabschnitt 23 und der Stirnfläche des Monolithen 3 ist zusätzlich in 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 Trichterabschnitts 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 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 Einganskonus 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.
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 dem umgebördelten Ende 12 des Trichterabschnitts 13 geschoben. Auf diese Weise können Gehäuse 1 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 Trichterabschnitts 13 realisiert, so dass thermische Ausdehnungsdifferenzen zwischen Trichterabschnitt 13 und Außenkonus 15 ausgeglichen werden können.

Claims

Abgaskatalysator für Verbrennungsmotoren, umfassend – ein rohrförmiges Gehäuse (1), – darin ein mittels Lagermatte (2) gelagerter katalytisch aktiver Monolith (3), – einen Eingangskonus (10, 10') mit einem Durchzug (11, 16), – einen Ausgangskonus (20) mit – einem Durchzug (21) – und einem Trichterabschnitt (23), – und einen zwischen der Stirnfläche des Monolithen (3) und dem Trichterabschnitt (23) befindlichen Zylinderabschnitt (25), gekennzeichnet durch die Merkmale: – der Ausgangskonus (20) besitzt einen Konuswinkel (ALPHA) zwischen 50 Grad und 90 Grad, – der Trichterabschnitt (23) geht mit einem Radius (R), der mindestens R8 beträgt, in den Durchzug (21) über, – die Länge (D) des Zylinderabschnitts (25) beträgt mindestens 8 mm, – der Zylinderabschnitt (25) ist in den Ausgangskonus (20) integriert, – der Eingangskonus (10, 10') ist ca. zwei- bis dreimal länger als der Ausgangskonus (20).
Abgaskatalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal: – Eingangs- und/oder Ausgangskonus (10, 10'; 20) sind an ihrem gehäuseseitigen Ende (12, 22) nach Art einer Krempe nach außen umgebördelt und mit dem Gehäuse (1) dicht verschweißt.
Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal: – Eingangs- und/oder Ausgangskonus (10, 10', 20) besitzen je eine Ringfläche, benachbart zur Stirnfläche des Monolithen (3).
Abgaskatalysator nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Merkmal: – der Ausgangskonus (20) besitzt einen langen Durchzug (21).
Abgaskatalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal: – je größer die Länge (L) des Monolithen (3), desto kürzer der Eingangskonus (10, 10').
Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Merkmale: – auf dem Trichterabschnitt (13, 23) des Eingangs- bzw. Ausgangskonus (13, 20) als Innenkonus ist ein Isolierkörper (14) befestigt, – der Isolierkörper (14) ist durch einen Außenkonus (15) mit Durchzug (16) abgedeckt, – der weite Rand des Außenkonus (15) ist unter das umgebördelte Ende (12,22) des Trichterabschnitts (13) geschoben, – im Durchzug (16) des Außenkonus (15) ist ein Abgasrohr (8) befestigbar.
Abgaskatalysator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Merkmal: – unter dem Durchzug (16) des Außenkonus (15) ist ein Schiebesitz für den Durchzug (11) des Trichterabschnitts (13) realisiert.
Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal: – das Paket aus Monolith (3) und Lagermatte (2) ist mit einer Gleitfolie umhüllt.