DE19701169A1 - Katalytischer Konverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft katalytische Konverter.

Katalytische Konverter beinhalten Katalysatoren, die unter geeigneten Bedingungen die chemische Reaktion von gasförmigen Molekülen stimulieren. Wenn diese in Fahrzeugmotorabgassyste­ men angeordnet werden, stimulieren die katalytischen Konver­ ter Reaktionen der Abgase, um deren unerwünschte Arten zu eliminieren und sie tragen dazu bei, daß die Fahrzeuge die von der Regierung vorgeschriebenen Abgasemissionsbestimmungen erfüllen.

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen katalytischen Konver­ ter in Übereinstimmung mit Anspruch 1 zu schaffen.

Vorteilhafterweise schafft diese Erfindung einen katalyti­ schen Konverter, der konstruiert ist, um den chemischen Wir­ kungsgrad der Umwandlung des Abgases zu verbessern.

Vorteilhafterweise schafft diese Erfindung gemäß einem Bei­ spiel einen katalytischen Konverter, der zumindest einen er­ sten Monolithen mit einer ersten Strömungskanalachse und ei­ nen zweiten Monolithen mit einer zweiten Strömungskanalachse beinhaltet, worin die ersten und zweiten Monolithen mit er­ sten und zweiten zusammenpassenden Flächen so miteinander verbunden sind, daß das Abgas durch den ersten Monolithen, vorbei an den ersten und zweiten zusammenpassenden Flächen in den zweiten Monolithen strömt, worin die ersten und zweiten zusammenpassenden Flächen unter ungleichen Winkeln relativ zu ihren jeweiligen Strömungskanalachsen liegen, worin das Gas die Richtung ändert, wenn es in den zweiten Monolithen ein­ tritt und worin die ersten und zweiten Monolithen ungleiche Querschnittsflächen besitzen.

Ein Vorteil in Verbindung mit dem Gegenstand der Erfindung Ist ein erhöhter Oberflächenbereich, über den die Emissionen strömen müssen. Genauer sind die beiden Monolithen aneinander unter einem Winkel befestigt und der Winkel der Aus­ trittsoberfläche des ersten Monolithen in bezug auf die Achse des ersten Monolithen ist nicht gleich dem Winkel der Ein­ trittsoberfläche des zweiten Monolithen in bezug auf die Ach­ se des zweiten Monolithen. Dieses Merkmal erfordert, gekop­ pelt mit der Tatsache, daß das System ein geschlossenes Sy­ stem sein muß, eine Änderung in dem Oberflächenbereich zwi­ schen den Monolithen und bei diesem Beispiel sind die Monoli­ then so angeordnet, daß der zweite Monolith den erhöhten Oberflächenbereich besitzt. Die Erhöhung des Oberflächenbe­ reiches reduziert die Strömungsbeschränkungen auf den Emissi­ onsstrom.

Dieses Beispiel erzwingt, wie die anderen hier beschriebenen Beispiele, eine Richtungsänderung des Gasstromes zwischen dem ersten und zweiten Monolithen, wobei Turbulenz aufgebracht und dadurch die Grenzschicht zwischen dem Gas und dem Kataly­ sator verringert wird. Dies bewirkt einen erhöhten Kontakt zwischen dem Gas und dem Katalysator, wobei der Wirkungsgrad erhöht und die Aufwärmzeit des Konverters verringert wird. Zusätzlich besitzt der Gasstrom durch den ersten Monolithen eine ziemlich gleichmäßige Verteilung, da der erste Monolith koaxial zu dem Einlaß liegt und da der Abgasstrom durch den Einlaß eine ziemlich gleichmäßige Verteilung besitzt. Der zweite Monolith, welcher der Hauptkatalysator ist und einen viel größeren Querschnitt besitzt, als der erste Monolith und eine viel größere Stirnfläche besitzt, empfängt seinen Strom direkt von dem ersten Monolithen. Jeder Strömungskanal in dem ersten Monolithen versorgt mehr als einen Strömungskanal in dem zweiten Monolithen. Die Anzahl der Strömungskanäle in dem zweiten Monolithen, welche durch jeden Strömungskanal in dem ersten Monolithen versorgt werden, ist die gleiche. Somit empfängt der zweite Monolith die gleiche Strömungsverteilung, wie der erste Monolith, welche die ziemlich gleichmäßige Strömungsverteilung der turbulenten Strömung ist, die in den ersten Monolithen eintritt.

Wenn das Abgas ferner nach der ersten Richtungsänderung durch den zweiten Monolithen strömt, strömt es mit einer ziemlich gleichmäßigen Verteilung durch mehr Strömungskanäle, als in dem ersten Monolithen. Diese Erhöhung an Strömungskanälen re­ duziert die Beschränkung, die der Abgasstrom durch den zwei­ ten Monolithen erfährt, während gleichzeitig das Abgas mehr Katalysatoren ausgesetzt wird. Somit werden Vorteile durch Fortführen der gleichen Strömungsverteilung des ersten Mono­ lithen in dem zweiten Monolithen mit seinen viel mehr Strom­ kanälen und seiner größeren Querschnittsfläche erzielt.

Vorteilhafterweise läßt diese Erfindung weiter einen verbes­ serten Wirkungsgrad im Erzielen der Betriebstemperatur (d. h. bicht-Aus-Temperatur) zu. Der Konverter gemäß dieser Erfin­ dung kann als ersten katalytischen Monolithen einen Monoli­ then mit einer kleinen Stirnfläche (oder einem kleinen Strö­ mungsquerschnitt) besitzen. Die kleine Stirnfläche oder der kleine Strömungsquerschnitt des ersten Monolithen wird, auf­ grund der Tatsache, daß dieser das gesamte Abgas an seiner kleinen Stirnfläche vorbei zwingt, schneller auf die Betrieb­ stemperatur erwärmt, als ein Katalysator mit einer großen Stirnfläche. Der zweite katalytische Monolith besitzt einen größeren Strömungsquerschnitt, welcher einen Druckabfall schafft, der die Beschränkung der Strömung durch den Kataly­ sator minimiert. Somit macht der katalytische Konverter gemäß dieser Erfindung vorteilhafterweise Gebrauch von einer klei­ nen Stirnfläche, um ein schnelleres Betreiben des ersten ka­ talytischen Monolithen zu erzielen, während übermäßige Strö­ mungsbeschränkungen für die Emissionsabgase vermieden werden.

Vorteilhafterweise schafft diese Erfindung gemäß einem ande­ ren Beispiel einen katalytischen Konverter mit zumindest ei­ nem ersten Monolithen mit einer ersten Strömungskanalachse und einem zweiten Monolithen mit einer zweiten Strömungska­ nalachse, worin die ersten und zweiten Monolithen an ersten und zweiten zusammenpassenden Flächen miteinander verbunden sind, so daß das Abgas durch den ersten Monolithen, vorbei an den ersten und zweiten zusammenpassenden Flächen in den zwei­ ten Monolithen strömt, worin die ersten und zweiten zusammen­ passenden Flächen unter gleichen Winkeln relativ zu ihren je­ weiligen Strömungskanalachsen liegen, worin das Abgas die Richtung ändert, wenn es in den zweiten Monolithen eintritt und worin die ersten und zweiten Monolithen gleiche Quer­ schnittsflächen besitzen. Während bei diesem Beispiel der zweite Monolith keine erhöhte Querschnittsfläche relativ zu dem ersten Monolithen besitzt, bringt die Richtungsänderung, die auf den Gasstrom aufgezwungen wird, eine Turbulenz auf, die die Grenzschicht zwischen dem Gas und den Monolithenströ­ mungsdurchgangswänden verringert und den Wirkungsgrad des ka­ talytischen Konverters erhöht.

Vorteilhafterweise schafft diese Erfindung gemäß einem ande­ ren Beispiel einen katalytischen Konverter mit einer Vielzahl von zumindest ersten und zweiten katalytischen Monolithen, die miteinander unter einem ersten Winkel-verbunden sind, worin ein Abgas durch den ersten katalytischen Monolithen und dann in den zweiten katalytischen Monolithen strömt, worin das Abgas die Richtung ändert, wenn es von dem ersten zu dem zweiten katalytischen Monolithen strömt, worin die Rich­ tungsänderung größer als null Grad und kleiner als neunzig Grad ist. Dritte und vierte katalytische Monolithen können hinzugefügt werden, worin das Abgas in den dritten Monolithen eintritt, wenn es aus dem zweiten Monolithen austritt und in den vierten Monolithen eintritt, wenn es aus dem dritten Mo­ nolithen austritt. Die zweiten und dritten Monolithen sind unter einem zweiten Winkel miteinander verbunden und die dritten und vierten Monolithen sind unter dem ersten Winkel miteinander verbunden, worin der Gasstrom durch den dritten Monolithen parallel zu dem Gasstrom durch den ersten Monoli­ then verläuft und der Gasstrom durch den vierten Monolithen parallel zu dem Gasstrom durch den zweiten Monolithen ver­ läuft.

Die resultierende Struktur für den Gasstrom ist eine Zick­ zackkonfiguration. Da das Gas gezwungen wird, die Richtung zu ändern, wenn es in jeden nachfolgenden Monolithen eintritt, wird auf den Gasstrom ein Grad an Turbulenz aufgebracht. Wie oben beschrieben wurde, reduziert diese Turbulenz die Grenz­ schicht zwischen dem Gas und dem Monolithen, welche in einem laminaren Strom auftritt, und ermöglicht, daß mehr Gasmolekü­ le den Katalysator erreichen. Dies ermöglicht sowohl ein schnelleres Erwärmen, als auch einen erhöhten Wirkungsgrad des Konverters.

Bei noch einem anderen Beispiel gemäß dieser Erfindung sind eine Vielzahl von zumindest drei Monolithen miteinander ver­ bunden, um einen Strömungspfad des Abgases so zu bilden, daß das Abgas die Richtung ändert, wenn es in jeden der Monoli­ then eintritt. Die Strömungsachsen der Monolithen sind so orientiert, daß die Strömungsachse von zumindest einer der Vielzahl von Monolithen nicht in oder parallel zu einer Ebene liegt, die den anderen beiden der Vielzahl von Monolithen ge­ meinsam ist. Dies ermöglicht die Vorteile, die durch die Richtungsänderung innerhalb der Monolithen herbeigeführt wer­ den und schafft ferner einen katalytischen Konverter mit ver­ schiedenen Biegungen, was eine flexiblere Anordnung des Kon­ verters zuläßt.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in welchen:

Fig. 1a eine Querschnittsansicht eines Beispiels ei­ nes katalytischen Konverters gemäß dieser Er­ findung ist;

Fig. 1b eine vergrößerte Ansicht lediglich der Substrate von Fig. 1a ist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Bei­ spiels eines katalytischen Konverters gemäß dieser Erfindung ist;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 3-3 von Fig. 2 ist;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 4-4 von Fig. 2 ist; und

Fig. 5 und 6 Ansichten eines dritten Beispiels eines kata­ lytischen Konverters gemäß dieser Erfindung sind.

Ein Beispiel einer katalytischen Fahrzeugkonverteranordnung ist in Fig. 1a mit dem Bezugszeichen 10 gezeigt. Der Konver­ ter umfaßt erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste katalysatorbeschichtete Substrate (die auch als Monolithen bezeichnet werden) 24, 26, 28, 30, 32 und 34, die innerhalb eines starren Kanisters 12 angebracht sind, welcher einen Einlaß 14 und einen Auslaß 16 besitzt. Der Kanister 12 kann aus gestanztem, nichtrostendem Stahl oder einem anderen Mate­ rial gefertigt werden, das für den Betrieb in einer Hochtem­ peraturabgasumgebung geeignet ist. Der Kanister 12 kann ein­ zelne Ober- und Unterteile umfassen, die angestoßen, über­ lappt oder geflanscht zusammengeschweißt sind. Es können auch alternative Fabrikationsmethoden für den Kanister 12 verwen­ det werden, wie beispielsweise Drehformung, um den Einlaß 14 und den Auslaß 16 auszubilden.

Die Substrate 24-34 sind innerhalb des Gehäuseabschnittes 11 des Kanisters 12 durch die Form der Kanisterwand und durch das isolierende Material 20 gestützt, das zwischen der Kani­ sterwand 12 und den Substraten 24-34 angeordnet ist. Das iso­ lierende Material 20 dient dazu, die Bewegung der Substrate 24-34 zu begrenzen und gleichmäßig Druck entlang dessen äuße­ rer Oberfläche zu verteilen. Bevorzugte Isolationsmaterialien können aus dehnbaren keramischen/organischen oder anschwel­ lenden Matten oder rostfreiem Stahlgeflecht bestehen, abhän­ gig von dem Material, das für den Aufbau des Substrats ge­ wählt wurde.

Innere Endkegel 38 und 40 an dem Einlaß und Auslaß 14 und 16 zu dem Konverter 10, von denen jeder erweiterte Enden 15 und 17 besitzt, leiten das Abgas in und aus den Substraten 24 bzw. 34.

Wie in Fig. 1b genauer gesehen werden kann, sind die Substra­ te 24-34 innerhalb des Gehäuseabschnittes 11 des Kanisters 12 in einer einzigartigen Konfiguration angebracht, um den Wi­ derstand des katalytischen Konverters 10 zu erhöhen. Der Ein­ laß und Auslaß 14 und 16 ist axial mit der Achse 13 ausge­ richtet. Das erste Substrat 24 besitzt Strömungsdurchgänge 60, die parallel zu der Achse 42 ausgerichtet sind. Das Abgas wandert parallel zu der Achse 13 durch den Einlaß 14, tritt in das Substrat 24 ein und ändert seine Richtung (ungefähr 10 Grad bei diesem Beispiel), so daß es parallel zu der Achse 42 durch die Luftströmungskanäle 60 in dem Substrat 24 strömt.

Die Austrittsfläche 70 des Substrats 24 ist an der Stirnflä­ che 72 des Substrats 26 angebracht. Der Winkel 92 zwischen der Austrittsfläche 70 und der Achse 42 des Substrats 24 (d. h. 100 Grad bei diesem Beispiel) ist der gleiche, wie der Winkel 94 zwischen der Stirnfläche 72 und der Achse 44 des Substrats 26. Das Ergebnis ist, daß die Substrate 24 und 26 die gleiche Querschnittsform und die gleichen Querschnitts­ fläche besitzen und von dem gleichen Grundkörper geschnitten werden können.

Die Art, in der die Substrate 24 und 26 angebracht sind, ver­ anlaßt das Gas, durch das Substrat 24 zu strömen, um seine Richtung zu ändern, wenn es in das Substrat 26 eintritt. Bei diesem Beispiel liegt die Richtungsänderung bei ungefähr 20 Grad, so daß das Gas, das durch die Strömungskanäle 62 in dem Substrat 26 strömt, parallel zu der Achse 44 strömt. Die Richtungsänderung zwischen den Substraten 24 und 26 bringt einen Grad an Turbulenz auf das Abgas auf, das durch die Substrate strömt. Die Turbulenz vermindert die Grenzschicht zwischen dem Gasstrom und den Wänden der Strömungsdurchgänge, so daß mehr Gasmoleküle in physikalischen Kontakt mit dem Ka­ talysator kommen, mit dem das Substrat 26 beschichtet ist, wodurch der Wirkungsgrad des Katalysators oder des Substrats 26 erhöht wird.

Die Austrittsoberfläche 74 des Substrats 26 ist gegenüber der Stirnfläche 76 des Substrats 28 angebracht. Die Austritts­ oberfläche 74 liegt unter einem Winkel 96 (d. h. bei diesem Beispiel 80 Grad) zu der Achse 44 des Substrats 26 und die Stirnfläche 76 liegt unter einem gleichen Winkel 98 zu der Achse 46 des Substrats 28. Da die Winkel 96 und 98 gleich sind, besitzen die Substrate 26 und 28 die gleiche Größe und Form der Querschnitte und können von dem gleichen Grundkörper geschnitten werden. Die Strömungsdurchgänge 64 durch das Substrat 28 verlaufen parallel zu der Achse 46 und das Abgas, das von dem Substrat 26 zu dem Substrat 28 strömt, erfährt eine Richtungsänderung (d. h. bei diesem Beispiel um 20 Grad) nach dem Eintritt in das Substrat 28. Ähnlich dazu, wenn das Gas in das Substrat 26 eintritt, bringt die Richtungsände­ rung, wenn das Gas in das Substrat 28 eintritt, eine Turbu­ lenz auf das Gas auf, was bewirkt, daß die Grenzschicht zwi­ schen dem Gas und der Substratwand dünner wird und die Menge der Gasmoleküle, die mit den Wänden des katalysatorbeschich­ teten Substrats 28 in Kontakt tritt, erhöht wird.

Die Austrittsoberfläche 78 des Substrats 28 ist gegenüber der Stirnfläche 80 des Substrats 30 angebracht. Ähnlich zu den Substraten 24 und 26 ist der Winkel 100 zwischen der Aus­ trittsoberfläche 78 und der Achse 46 des Substrats 28 gleich dem Winkel 102 zwischen der Stirnfläche 80 und der Achse 48 des Substrats 30. Das Gas strömt durch die Durchgänge 66 im Substrat 30 parallel zu der Achse 48, so daß die gleiche Richtungsänderung zwischen den Substraten 24 und 26 zwischen den Substraten 28 und 30 auftritt.

Die Austrittsoberfläche 82 des Substrats 30 und die Stirnflä­ che 84 des Substrats 32 liegen unter gleichen Winkeln 104 und 106 in bezug auf die Achsen 48 bzw. 50. Die Austritts­ oberfläche 86 und die Stirnfläche 88 der Substrate 32 und 34 liegen unter gleichen Winkeln 108 und 110 relativ zu den Ach­ sen 50 bzw. 52. Somit gehen die Substrate 30 und 32 in der gleichen Weise ineinander über, wie die Substrate 26 und 28 ineinander übergehen, und die Substrate 32 und 34 gehen in der gleichen Weise ineinander über, wie die Substrate 28 und 30 ineinander übergehen. Die resultierende Struktur ist, daß die Substrate 24-34, von denen jedes ein Segment eines Zick­ zackmusters ausbildet, die Struktur für den Katalysator stüt­ zen. Alle Zwischenflächen zwischen den Substraten 24-34 er­ zielen die gesamte Übertragung des Gases, das in ein Substrat strömt, an das nachfolgende Substrat und alle Substrate 24-34 besitzen den gleichen Durchmesser.

Das in dem Beispiel gezeigte Zickzackmuster ist ausgebildet, daß es in ein gerades Gehäuse 12 zu paßt, wobei die Einlaß- und Auslaßachsen 13 ausgerichtet sind. Bei dem gezeigten Bei­ spiel sind alle Substrate 24-34, welche ein Segment des Zick­ zackmusters ausbilden, von gleicher Länge, so daß der Strom des Abgases durch die Substrate nie um mehr als einen vorbe­ stimmten Winkel von der Achse 13 abweicht. Bei dem oben dis­ kutierten Beispiel liegt der vorbestimmte Winkel bei 10 Grad. Es sei bemerkt, daß der Winkel von Ausführung zu Ausführung variieren wird und im allgemeinen zwischen Null und 90 Grad liegen wird.

Im Betrieb ist der Konverter 10 innerhalb eines zugeordneten Abgassystems für einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) an­ gebracht, so daß das Abgas, das den Motor verläßt, durch den Einlaß 14 in den Konverter geleitet wird. Im Anschluß an das Eintreten in den Kanister tritt der Abgasstrom in das Substrat 24 ein, wobei es über die gesamte Stirnfläche des Substrats 24 verteilt wird. Das Abgas, welches in das Substrat 24 eintritt, strömt parallel zu der Achse 42. An der Stelle, an welcher die Ausgangs- und die Stirnflächen der anschließenden Substrate 26-34 zusammentreffen, ändert das Abgas die Richtung, so daß es parallel zu der Achse 44 im Substrat 26, parallel zu der Achse 46 im Substrat 28, paral­ lel zu der Achse 48 im Substrat 30, parallel zu der Achse 50 im Substrat 32 und parallel zu der Achse 52 im Substrat 34 strömt. Wenn das Abgas durch die Substrate innerhalb des Kon­ verters 10 strömt, stimuliert die katalytische Beschichtung der Substrate eine Reduktion in dem Inhalt der regulierten Abgasbestandteile.

Bei jeder Richtungsänderung des Abgases, das von einem Substrat zu dem nächsten wandert, wird ein Grad an Turbulenz auf das Abgas aufgebracht. Diese Turbulenz reduziert die Grenzschicht zwischen dem Abgas und den Substratwänden, wobei mehr Abgas dem Katalysator ausgesetzt ist, welcher die Substratwände beschichtet, als dies in einem geraden Monoli­ then ohne Veränderung der Strömungsrichtung stattfinden wür­ de, wodurch der Wirkungsgrad des Konverters erhöht wird.

Bei einem bevorzugten Beispiel sind die Substrate 24-34 aus einem extrudierten Keramikmaterial gefertigt. Die eigentliche Zusammensetzung der Keramik kann abhängig von der einzelnen Anwendung und Beschichtung, die verwendet wird, variieren, es wird jedoch ein Material, wie beispielsweise Corderit in Er­ wägung gezogen. Bei typischen Anwendungen von extrudierten Keramikmonolithsubstraten ist das Material so extrudiert, daß darin sich in Längsrichtung erstreckende Strömungsdurchgänge ausgebildet werden. Die Extrusion wird senkrecht zu der Längsachse und den Strömungsdurchgängen geschnitten, was zu einem Substrat der gewünschten Länge führt. Das in den Fig. 1a und 1b gezeigte Beispiel erwägt eine ähnliche Keramikextrusion, aus der die verschiedenen Segmente durch eine Serie von Schnitten in der Grundkörperextrusion bei ei­ nem Winkel von 100 Grad zu der Stromachse der Extrusionen ausgebildet sind. Die Segmente werden dann mit jedem anderen Segment, das um 180 Grad aus seiner originalen Ausrichtung gedreht ist, wieder miteinander verbunden, um das gezeigte Zickzackmuster auszubilden.

In Fig. 2 beinhaltet der beispielhaft gezeigte katalytische Konverter 101 einen Kanister 120 mit einem Einlaß 111 und ei­ nem Auslaß 1122, wie gezeigt. Der Konverterkatalysator wird durch die drei Monolithsubstrate 123, 126 und 130 auf eine bekannte Weise getragen. Die Substrate 122, 126 und 130 wer­ den innerhalb des Kanisters 120 durch die Form des Kanisters 120 und durch das isolierende, anschwellende Material 118 an ihrem Platz gehalten, ähnlich dem isolierenden Material 20, welches oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b be­ schrieben wurde.

Das Abgas tritt in den Konverter 101 über einen Einlaß 111 mit einem ringförmigen Querschnitt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ein. Der Einlaß 111 beinhaltet einen inneren Endkegel 114, der eng in den Einlaß 111 eingepaßt ist und ein ausge­ weitetes Ende 115 besitzt, welches das erste Ende 121 des Substrats 122 umgibt. Das Substrat 122 besitzt einen kreis­ förmigen Querschnitt und eine Serie von Durchgängen 123 par­ allel zu der Achse 124, so daß das Gas, das durch das Substrat 122 strömt, parallel zu der Achse 124 in einer be­ kannten Weise strömt.

Das Gas verläßt das Substrat 122 durch die Fläche 134, und schneidet die Achse 124 unter einem Winkel 142 mit mehr als null Grad und weniger als 90 Grad. Die Fläche 134 des Substrats 122 grenzt an die Fläche 136 des Substrats 126 an, so daß das gesamte Gas, das durch das Substrat 122 strömt, zu dem Substrat 126 übertragen wird. Der Strom des Abgases durch den Einlaß 111 besitzt typischerweise eine ziemlich gleichmä­ ßige Verteilung und ist somit im wesentlichen über die gesam­ te Stirnfläche 119 des Substrats 122 gleichmäßig verteilt und somit ist der Strom durch das Substrat 122 ziemlich gut ver­ teilt.

Das Gas, das durch das Substrat 126 strömt, verläuft parallel zu der Achse 128, was eine Richtungsänderung von weniger als neunzig Grad gegenüber der Richtung des Gasstromes im Substrat 122 darstellt. Nimmt man an, daß die Oberfläche 136 des Substrats 126 senkrecht zu der Achse 128 des Substrats 126 liegt, wie in dem Beispiel gezeigt ist, so entspricht die Größe der Richtungsänderung des Gases, welches das Substrat 122 verläßt und in das Substrat 126 eintritt, neunzig Grad minus dem Winkel 142. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, besitzt das Substrat 126 einen elliptisch geformten Querschnitt mit einer Breite entlang der kürzeren Achse, welche gleich dem Durch­ messer des Substrates 122 ist und eine Länge entlang der län­ geren Achse, die viel größer, als der Durchmesser des Substrats 122 ist. Das Ergebnis ist, daß das Substrat 126 ei­ nen viel größeren Querschnitt und eine viel größere Fläche des Strömungskontaktes zwischen dem Abgas und dem Katalysa­ tor, der das Substrat beschichtet, zur Verfügung stellt, als durch das Substrat 122 zur Verfügung gestellt wird.

Wie oben erwähnt, ist der Strom des Abgases durch das Substrat 122 ziemlich gut verteilt. Aufgrund des größeren Querschnittes des Substrats 126 ist jeder Strömungskanal 123 des Substrats 122 mit mehr als einem Strömungskanal 127 des Substrats 126 ausgerichtet. Auch die Anzahl der Strömungska­ näle 127 in dem Substrat 126, die mit jedem der Strömungska­ näle 123 in dem Substrat 122 ausgerichtet sind, ist die glei­ che. Das Ergebnis ist, daß das Substrat 122 seine gesamte Strömungsverteilung auf das Substrat 126 aufbringt. Somit ist der Abgasstrom durch das Substrat 126 ziemlich gut verteilt.

Der Aufbau, der in Fig. 2 gezeigt ist, verursacht eine Rich­ tungsänderung in dem Abgasstrom, wenn das Gas von dem Monoli­ then 122 zu dem Monolithen 126 strömt, wobei der gleiche, oben beschriebene Nutzen, der aus der aufgebrachten Turbulenz und der reduzierten Grenzschicht resultiert, geschaffen wird. Zusätzlich erhöht sowohl das größere Querschnittsfläche des Substrats 126 als auch die Tatsache, daß das Substrat 122 das Abgas gleichmäßig durch das Substrat 126 verteilt, die Fläche des Katalysators, welche dem Abgas ausgesetzt ist und vermin­ dert die Strömungsbeschränkung des Substrats 126 auf den Ab­ gasstrom.

Da das Abgas durch das Substrat 122 in dem Substrat 126 gut verteilt ist, ist die Wärmeübertragung von dem Abgas zu dem Substrat 126 effizienter und der Konverter ist effizienter beim Reduzieren der regulierten Emissionen.

Bei dem gezeigten Beispiel verläuft die Stirnfläche 136 des Substrats 126 im wesentlichen senkrecht zu der Achse 128 des Substrats 126, aber dies muß nicht der Fall sein, und die Stirnfläche 136 kann unter einem Winkel von weniger als 90 Grad zu der Achse 128 geschnitten werden.

Das Abgas verläßt das Substrat 126 an der Fläche 138 und tritt in das Substrat 130 an der Fläche 140 ein. Die Fläche 140 des Substrats 130 wird unter einem Winkel 144 zu der Ach­ se 132 des Substrats 130 so geschnitten, daß die Form und die Größe der Fläche 140 mit der Fläche 138 übereinstimmt. Das Gas strömt durch das Substrat 130 in einer Richtung parallel zu der Achse 132 und verläßt das Substrat 130 in den inneren Endkegel 116 und aus dem Konverter 101 durch den Auslaß 112.

Wenn, wie gezeigt, die Austrittsfläche 138 des Substrats 126 mit der Stirnfläche 136 übereinstimmt und wenn die Achse 132 des Substrats 130 parallel zu dem Achse 124 des Substrats 122 liegt, dann können die Substrate 122 und 130 von dem gleichen Stück des kreisförmigen, zylindrischen Substratgrundkörpers geschnitten werden und der einzelne Schnitt, um die Fläche 134 auszubilden, bildet gleichzeitig die Fläche 140 aus.

Im Betrieb stellt das erste Substrat 122, das eine kleinere Querschnittsfläche besitzt, eine kleinere thermisch wirksame Masse pro Länge dar, als das Substrat 126. Während des Kalt­ starts des Motors absorbiert das Substrat 123 schnell Wärme von dem eintretenden Abgas, um schnell die Betriebstemperatur zu erreichen. Wenn das Abgas von dem Substrat 122 zu dem Substrat 126 und von dem Substrat 126 zu dem Substrat 130 strömt, ändert es seine Richtung zweimal, wobei die Gasturbu­ lenz und der Kontakt zwischen dem Gas und den katalysatorbe­ schichteten Substraten 126 und 130 erhöht wird. Das Substrat 126 besitzt ein viel größeres Oberflächenbereich als das Substrat 122, wobei eine erhöhte Katalysatorfläche für den Kontakt mit dem Abgas zur Verfügung gestellt wird, während gleichzeitig ein Strompfad mit einer geringen Beschränkung geschaffen wird. Diese Struktur sieht einen erhöhten Konver­ terreduktionswirkungsgrad vor, während die Größe der Behinde­ rung abnimmt, die durch den Konverter 101 auf den Abgasstrom auferlegt wird.

Das Substrat 130 schafft eine zusätzliche Katalysatorausset­ zung für das Abgas und leitet das Gas zu der Richtung von Achse 132 und dem Auslaß 112 zurück. Wenn es gewünscht wird, kann das Substrat 130 weggelassen werden und das abgasauslas­ sende Substrat 126 kann zu dem Auslaß 112 zurückgeleitet wer­ den, entweder durch eine winklige Plenumwand oder eine weni­ ger beschränkende Bienenwabenstruktur des Typs, der zum Lei­ ten von Luftströmungen bekannt ist, zum Beispiel des Typs, der oft in Luftansaugsystemen von Verbrennungsmotoren verwen­ det wird.

Bei einem Beispiel können die Substrate 130 und 122 eine me­ tallische Bienenwabenstruktur umfassen, die ungefähr zwanzig Zellen oder weniger pro Quadratinch besitzt. Die metallische Bienenwabenstruktur ist mit einem Katalysator in einer be­ kannten Weise beschichtet, um die gewünschte Reduktion der Abgase zu erreichen.

Die Befestigung der Substrate, um die Strömungsfläche zu er­ höhen, wird dadurch erreicht, daß die zusammenpassenden Ober­ flächen der Substrate ungleiche Winkel zu ihren jeweiligen Achsen besitzen. Zum Beispiel ist der Winkel 142 zwischen der Austrittsfläche 134 und der Achse 124 des Substrats 122 klei­ ner als 90 Grad, während der Winkel 129 zwischen der Stirn­ fläche 136 und der Achse 128 des Substrats 126 ungefähr 90 Grad ist.

Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel erwägt Monolithsubstrate, die aus Keramikextrusionen von zumindest zwei Querschnittsgrößen ausgebildet sind, zum Beispiel die Größen, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Zumindest das kreisförmige Substrat wird unter einem spitzen Winkel zu seiner Achse so geschnitten, daß die Substratflächen, die angrenzen, die gleiche Form und die gleiche Fläche besitzen. Somit ist der Winkel, unter dem jedes Stück geschnitten wird, durch die gesamte Fläche der Substratfläche bestimmt, mit dem das Stück übereinstimmen muß. Bei dem Beispiel in den Fig. 2-4, bei dem das erste Substrat 122 einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und das zweite Substrat 126 elliptisch ist, mit einer kleineren Ach­ se, die gleich dem Durchmesser des kreisförmigen Querschnit­ tes des Substrates 122 ist, werden die Querschnittsflächen der angrenzenden Substrate übereinstimmen, wenn die Höhe und die Form jeder angrenzenden Fläche mit der anderen überein­ stimmt.

Bei den obigen Beispielen ist der Querschnitt der verschiede­ nen, gezeigten Substrate kreisförmig und elliptisch. Die Form des Querschnittes jedes Substrates ist beliebig und kann durch einen Systemkonstrukteur variiert werden. Zum Beispiel kann der erste Querschnitt quadratisch sein und der zweite Querschnitt rechtwinklig. Die einzige Beschränkung ist, daß das zweite (oder dritte, vierte, etc.) Substrat eine Stirn­ fläche besitzt, die mit der Fläche des gasaustretenden Endes des vorhergehenden Substrates übereinstimmt.

Bei einigen der oben beschriebenen Beispiele ist eine Änderung in der Querschnittsfläche zwischen den Substraten und bei den anderen ist dies nicht der Fall. Allgemein gilt, so­ lange, wie die zusammenpassenden Substratflächen gleiche Win­ kel relativ zu ihren jeweiligen Strömungskanalachsen besit­ zen, tritt keine Änderung in der Querschnittsfläche auf. Wenn die zusammenpassenden Substratflächen verschiedene Winkel re­ lativ zu ihren jeweiligen Strömungskanälen besitzen, tritt eine Änderung in der Querschnittsfläche und in der Quer­ schnittsform auf.

Die obigen Beispiele beziehen sich in erster Linie auf kera­ mische Substrate. Der verwendete Substrattyp ist beliebig und kann durch den Systemkonstrukteur variiert werden. Zum Bei­ spiel können Metallsubstrate bekannten Aufbaus für irgendwel­ che oder alle gezeigten Substrate verwendet werden.

Bei den Beispielen, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, bei denen eine abrupte Richtungsänderung des Abgases auftritt, welches durch die Substrate strömt, können Strömungsverluste als Folge der abrupten Richtungsänderung durch geringfügiges Biegen der Strömungskanäle an den Enden der Substrate mini­ miert werden, so daß sie sich gegenüberliegen, um die Drehung weniger abrupt zu machen. Alternativ dazu kann ein Zwischen­ substrat (d. h. keilförmig) mit gekrümmten Strömungskanälen zwischen den aneinandergrenzenden Substraten ausgeführt wer­ den.

Bei der Verwendung eines Beispiels eines katalytischen Kon­ verters, wie hier beschrieben ist, kann, um einen konventio­ nellen katalytischen Konverter in einem Fahrzeug mit einem begrenzten verfügbaren Raum in der Bodenwanne zu ersetzen, die Stromachse des zweiten Substrats parallel zu der Querach­ se des verfügbaren Raumes in der Bodenwanne gemacht werden, um den größten Wirkungsgrad zu erreichen.

Bei den Fig. 5 und 6 beinhaltet der beispielhaft gezeigte ka­ talytische Konverter 200 eine Vielzahl von Monolithen 212-220, die an ihrem Platz durch ein Monolithenrückhaltungsmate­ rial 210 innerhalb des Kanisters 222 gehalten wird. Der Me­ tallkanister 222 besitzt eine rohrförmige Form und eine Viel­ zahl von linearen Segmenten 224-232, wobei jedes davon mit den benachbarten Segmenten 224-232 unter einem Winkel dazu angefügt ist. Der Kanister 222 kann in separaten rohrförmigen Sektionen gefertigt werden, die zusammengeschweißt sind oder kann aus zwei Halbrohrsektionen bestehen, wobei jede davon aus einer axialen Hälfte des Einlasses und Auslasses 202 und 204 besteht und die Sektionen 224-232 angestoßen, überlappt oder geflanscht zusammengeschweißt werden.

Der Einlaß 202 besitzt einen inneren Endkegel 206, ähnlich zu dem inneren Endkegel 15 in Fig. 1a. Der Auslaß 204 besitzt einen inneren Endkegel 208, ähnlich zu dem inneren Endkegel 17 in Fig. 1a. Zwischen dem Einlaß und dem Auslaß ist eine Vielzahl von katalysatorbeschichteten Monolithen 212-220 vor­ gesehen, von denen jede axiale Strompfade besitzt, die das Abgas durch den Konverter 200 führen.

Jeder Monolith 212-220 korrespondiert mit einem Segment 224-232 des Kanisters 222 und schafft innerhalb des Kanisters ei­ nen Abgasstrom koaxial mit der Achse des korrespondierenden Segmentes 224-232. Die Monolithen 212-220 sind miteinander verbunden, um einen kontinuierlichen Strömungspfad von dem Einlaß 202 zu dem Auslaß 204 zu schaffen. Bei diesem Beispiel sind alle Monolithen 212-220 von gleichem Durchmesser und miteinander verbunden, um das Abgas durch die notwendigen Richtungsänderungen zu führen, wenn das Abgas durch die ver­ schiedenen Sektionen 224-232 des Konverters 200 strömt, um die gleichmäßige Abgasstromverteilung durch die Monolithen 212-220 aufrechtzuerhalten.

Jeder Monolith 212-220 grenzt an einen benachbarten Monoli­ then 212-220 an, worin jedes Paar der angrenzenden Flächen gleiche Winkel in bezug auf die jeweiligen Monolithenachsen besitzt. Zum Beispiel verlaufen für die Monolithen 216 und 218 die Flächen 248 und 250 unter gleichen Winkeln 244 und 246 relativ zu den jeweiligen Achsen 240 und 242. Dies ermög­ licht, daß die Flächen der angrenzenden Monolithen 212-220 die gleichen Querschnittsflächen besitzen und ermöglicht eine Eins-zu-Eins-Korrespondenz der Strömungsdurchgänge von einem Monolithen zu dem nächsten, so daß die Strömungsverteilung in dem Monolithen 212, der dem Einlaß 202 am nächsten ist, durch die gesamte Serie von Monolithen 212-220 durch den Konverter 200 beibehalten wird.

Wie bei den obigen Beispielen wird mit jeder Richtungsände­ rung des Abgases durch die Monolithen 212-220 eine Turbulenz auf den Abgasstrom aufgebracht, wobei die Grenzschicht des Abgases an den Wänden jedes inneren Strompfades des Monoli­ then reduziert wird, wodurch die Gasmenge, die mit dem Kata­ lysator, der jeden Monolithen beschichtet, in Kontakt kommt und den Wirkungsgrad der gewünschten Reduktionen innerhalb des Konverters 200 erhöht.

Wie bei dem gezeigten Beispiel gesehen werden kann, sind die Richtungsänderungen nicht auf Änderungen in einer einzelnen Ebene begrenzt. Zum Beispiel ist in den Sektionen 226, 228 und 230, in denen eine Ebene gegeben ist, die durch die Ach­ sen von irgendwelchen zwei der benachbarten Sektionen 226-230 festgelegt ist, die Achse der anderen Sektion, entweder 226 oder 230, nicht in der gleichen Ebene. Somit kann, wie gese­ hen werden kann, der Konverter 200 gefertigt werden, um eine flexiblere Verwendung von Raum in dem Fahrzeug zuzulassen und kann aufgebaut werden, um blockierende Teile oder andere Kom­ ponenten des Fahrzeugmotors oder des Fahrgestells zu umgehen und benötigt nicht den konventionellen Raum in der Fahrzeug­ bodenwanne.

Claims (18)

1. Katalytischer Konverter mit:
einem Gehäuse (12, 120) mit einem Einlaß- und einem Auslaßende (14, 111; 16, 112);
einem ersten katalytischen Substrat (24, 122), das sich von dem Einlaß erstreckt und eine erste Längsachse (42, 124) festlegt, worin das Abgas durch das erste kata­ lytische Substrat parallel zu der ersten Längsachse strömt; und
ein zweites katalytisches Substrat (26, 126), das sich von dem ersten katalytischen Substrat zu dem Auslaßende erstreckt und eine zweite Längsachse (44, 128) festlegt, welche die erste Längsachse unter einem ersten Winkel schneidet, worin das Abgas durch das zweite katalytische Substrat parallel zu der zweiten Längsachse strömt, worin das Abgas die Richtung von dem ersten Substrat zu dem zweiten Substrat ändert.

2. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine Stirn­ fläche (119) besitzt, durch welche das Abgas eintritt und eine Austrittsfläche (124), durch welche das Abgas aus­ tritt, derart, daß die Austrittsfläche eine erste Fläche besitzt, die größer als eine zweite Fläche der Stirnflä­ che ist.

3. Katalytischer Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine Viel­ zahl von Strömungskanälen (123) umfaßt, von denen jeder zu der ersten Längsachse parallel ist und sich jeder von der Stirnfläche zu der Austrittsfläche des ersten kataly­ tischen Substrats erstreckt.

4. Katalytischer Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnfläche in ihrer Form kreisförmig ist und die Austrittsfläche in ihrer Form elliptisch ist.

5. Katalytischer Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Substrat einen elliptischen Querschnitt besitzt.

6. Katalytischer Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein drittes katalytisches Substrat (130) mit einer elliptischen Stirnfläche (140) vorgesehen ist, durch welche das Abgas eintritt und eine kreisförmige Austrittsfläche, durch welche das Abgas austritt, worin das dritte katalytische Substrat den Abgasstrom so rück­ orientiert, daß dieser parallel zu dem des ersten kataly­ tischen Substrates verläuft.

7. Katalytischer Konverter nach Anspruch 6, weiterhin da­ durch gekennzeichnet, daß ferner ein Substratrückhal­ tungsmaterial (118) zwischen dem Gehäuse und den Substra­ ten angeordnet ist, um die Substrate in einer beabstande­ ten Beziehung zu dem Gehäuse zu halten.

8. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine erste Stromquerschnittsfläche des er­ sten katalytischen Substrates kleiner als eine zweite Stromquerschnittsfläche des zweiten katalytischen Substrates ist.

9. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einlaß eine Einlaßachse (124) besitzt und der Auslaß eine Auslaßachse (132) besitzt, worin die Auslaßachse parallel zu der Einlaßachse verläuft und seitlich davon beabstandet ist.

10. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine erste Fläche (119) senkrecht zu der Einlaßachse und eine zweite Fläche (134) unter einem Winkel (142) dazu besitzt, worin der Winkel größer als null Grad und kleiner als neunzig Grad ist.

11. Katalytischer Konverter nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite katalytische Substrat eine drit­ te Fläche (136) besitzt, die an die zweite Fläche an­ grenzt, worin die zweiten und dritten Flächen von glei­ cher Größe und Form sind.

12. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine erste thermisch wirksame Masse besitzt und sich in einer ersten Zeitperiode auf eine Betriebstemperatur erwärmt und worin das zweite Substrat eine zweite thermisch wirksame Masse besitzt und sich in einer zweiten Zeitperiode auf die Be­ triebstemperatur erwärmt, worin die erste Zeitperiode kleiner als die zweite Zeitperiode ist, worin das erste katalytische Substrat das Betreiben schnell erreicht und das zweite Substrat einen Katalysatorkontakt mit dem Ab­ gas erhöht.

13. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, weiterhin ge­ kennzeichnet durch:
ein drittes katalytisches Substrat (28), das sich zwi­ schen dem zweiten katalytischen Substrat und dem Auslaß­ ende erstreckt und worin das Abgas die Richtung von dem zweiten katalytischen Substrat zu dem dritten katalyti­ schen Substrat ändert, worin die ersten und zweiten kata­ lytischen Substrate bei ersten und zweiten zusammenpas­ senden Flächen (70, 72) zusammenpassen, worin die ersten und zweiten zusammenpassenden Flächen unter gleichen Win­ keln (92, 94) in bezug auf ihre jeweiligen Strömungska­ nalachsen liegen und worin die zweiten und dritten katalytischen Substrate mit dritten und vierten zusammenpas­ senden Flächen (74, 74) zusammenpassen, worin die dritten und vierten zusammenpassenden Flächen unter gleichen Win­ keln (92, 94) in bezug auf ihre jeweiligen Strömungska­ nalachsen liegen.

14. Katalytischer Konverter nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und zweiten katalytischen Substrate erste und zweite Achsen in einer Ebene besit­ zen, worin das dritte Substrat eine dritte Achse besitzt, welche die Ebene unter einem Winkel schneidet.

15. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine erste Fläche (134) besitzt, die an eine zweite Fläche (136) des zweiten katalytischen Konverters angrenzt, worin ein er­ ster Winkel (142) der ersten Fläche zu der ersten Längs­ achse ungleich zu einem zweiten Winkel (129) der zweiten Fläche in bezug auf die zweite Längsachse ist und worin die ersten und zweiten Substrate ungleiche Querschnitts­ flächen besitzen.

16. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste katalytische Substrat eine erste Fläche (70) besitzt, die an eine zweite Fläche (72) des zweiten katalytischen Konverters angrenzt, worin ein er­ ster Winkel (92) der ersten Fläche zu der ersten Längs­ achse gleich einem zweiten Winkel (94) der zweiten Fläche in bezug auf die zweite Längsachse ist und worin die er­ sten und zweiten Substrate gleiche Querschnittsflächen besitzen.

17. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, ferner gekenn­ zeichnet durch dritte und vierte katalytische Substrate (28, 30), welche dritte bzw. vierte Längsachsen (46, 48) festlegen, worin das Abgas in das dritte Substrat ein­ tritt, wenn es aus dem zweiten Substrat austritt und in das vierte Substrat eintritt, wenn es aus dem dritten Substrat austritt, worin die dritte Längsachse die zweite Längsachse unter einem zweiten Winkel schneidet und worin die vierte Längsachse die dritte Längsachse unter einem ersten Winkel schneidet, worin das Abgas durch das dritte Substrat parallel zu dem Abgasstrom durch das erste Substrat strömt und das Abgas durch das vierte Substrat parallel zu dem Abgasstrom durch das zweite Substrat strömt, worin die ersten, zweiten, dritten und vierten Substrate einen Zickzackpfad für das Abgas schaffen.

18. Katalytischer Konverter nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abgas die Richtung ändert, wenn es in jedes der zweiten, dritten und vierten Substrate ein­ tritt, wobei eine Turbulenz auf den Abgasstrom aufge­ bracht wird, wodurch eine Grenzschicht zwischen dem Abgas und den Substratwänden reduziert wird.