DE19744191A1 - Abgaskatalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbesondere einen solchen, der zur Abgasentgiftung einen oder mehrere Monolithen enthält. Darunter sind von einer Vielzahl von feinen Kanälen durchzogene zylinderförmige Keramikkörper zu ver­ stehen. Die Kanäle sind mit einem sog. Wash Coat beschichtet. Das ist im we­ sentlichen ein Keramikschwamm aus etwa 20 µm großen Teilchen aus γ- Aluminiumoxid. Diese Mikrokristallite bilden eine schwammartige Schicht mit sehr großer Oberfläche. Diese Oberfläche ist mit katalytisch wirksamem Platin be­ schichtet.

Bei hohen Temperaturen, etwa ab 880°C, beginnt im Wash Coat ein Sinterprozeß mit der Folge, daß dessen Mikrokristallite zusammensintern und die katalytisch wirksame Oberfläche der Monolithen kontinuierlich abnimmt. Die Abnahme der katalytisch wirksamen Oberfläche nimmt dabei oberhalb von etwa 900 bis 950°C einen rapiden exponentiellen Verlauf, der seinen Endpunkt bei etwa 1050°C er­ reicht. Bei dieser Temperatur entspricht bereits nach kurzer Zeit die katalytisch wirksame Oberfläche der geometrischen Oberfläche der Kanäle im Monolithen.

Eine solche Überhitzung von Monolithen tritt insbesondere dann auf, wenn Ab­ gasanlagen relativ nahe am Motorblock angeordnet sind. Zur Erwärmung des Mo­ nolithen bzw. der katalytisch wirksamen Beschichtung trägt auch noch der sog. Temperatur-Offset bei. Es wird darunter eine Temperaturerhöhung aufgrund der bei den katalytischen Vorgängen freiwerdenden Reaktionswärme verstanden. Dieser Erwärmungseffekt kann durch eine Abgasrückführung verringert werden, da das zurückgeführte Abgas wesentlich ärmer an oxidierbaren Substanzen ist, so daß sich im Endeffekt eine Verdünnung des Abgasstromes ergibt. Die Konzentra­ tion der oxidierbaren Stoffe im Abgas ist daher reduziert, entsprechend ist die Re­ aktionswärme bei ihrer Zersetzung erniedrigt.

Aus DE 37 36 844 A1 ist eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der stromab eines Abgaskatalysators ein Abgasteilstrom entnommen und stromauf im Bereich der sich an den Motorblock anschließenden Abgaskrümmern wieder zu­ geführt. Um zu verhindern, daß das Abgas direkt aus den Abgaskrümmern unter Umgehung des Abgaskatalysators in die Umwelt gelangt, ist eine relativ kompli­ zierte Steuerung mit Hilfe von Rückschlagventilen und Magnetventilen notwendig. Außerdem sind bei der bekannten Abgasanlage wenigsten zwei separate Leitungen notwendig, die von einem stromab des Abgaskatalysators liegenden Bereich bis in die Nähe des Motorblocks führen.

Aus EP-042 05 21 A1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, die in einem Gehäuse zwei mit Abstand zueinander angeordnete katalytische Zellen enthält. Die Zellen sind von kreisförmigem Umriß und sind koaxial zur Längsachse des Gehäuses der Reinigungsvorrichtung angeordnet. Vom Umfang der katalytischen Zellen erstreckt sich jeweils eine Trennwand radial nach außen. Die Abgasreini­ gungsvorrichtung ist durch die Trennwände in drei Kammern unterteilt. Die strom­ auf angeordnete Trennwand weist Durchbrechungen auf, mit der ein Teil des in Strömungsrichtung durch die erste katalytische Zelle strömenden Abgases wieder auf deren gegen die Strömungsrichtung weisenden Vorderseite geführt wird. Die­ se Reinigungsvorrichtung ist sehr aufwendig konstruiert. Außerdem ist ein Gehäu­ se mit einem wesentlich größeren Durchmesser erforderlich, als es dem Durch­ messer der katalytischen Zellen entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgaskatalysator vorzuschlagen, der kon­ struktiv einfach und montagefreundlich gestaltet ist, ohne daß dabei die Wirksam­ keit der Abgasrückführung beeinträchtigt ist. Diese Aufgabe wird durch einen Ka­ talysator mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Ein erfindungsge­ mäßer Abgaskatalysator weist ein Gehäuse auf, in dem wenigstens ein Monolith gelagert ist. Das Gehäuse ist in einen vorderen, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem bzw. den Monolithen liegenden Bereich und einen dahinterliegenden hinteren Bereich unterteilt. Der vordere Bereich weist einen kleineren Strömungs­ querschnitt auf als der hintere Bereich, wobei ein Rückführkanal die beiden Berei­ che miteinander verbindet. Durch die Querschnittsverengung im vorderen Bereich ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes gegenüber dem hinteren Bereich erhöht. Gleichzeitig herrscht aber in dem verengten Bereich ein geringe­ rer Druck. Die Folge ist, daß das Abgas aus dem hinteren Bereich über die Rück­ führleitung in den vorderen Bereich gedrückt bzw. gesaugt wird. Der verengte Be­ reich wirkt quasi wie eine Venturi-Düse. Der Rückführkanal ist erfindungsgemäß an der Gehäusewand angeordnet. Dadurch entfällt eine aufwendige Verlegung einer separaten Leitung etwa an der Unterseite eines Kraftfahrzeuges. Der Ab­ gaskatalysator ist vielmehr gleich bei seiner Herstellung mit einem Rückführkanal ausgestattet. Er muß daher nur auf übliche Weise in ein Abgasleitungssystem eingebaut werden. Gleiches gilt für den Austausch eines defekten Abgaskatalysa­ tors. Der Rückführkanal kann beispielsweise durch ein separates Rohr gebildet sein, das an der Außenseite des Abgaskatalysator-Gehäuses fixiert ist. Eine wei­ tere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, daß zumindest auf einem Teil seiner Länge ein Umfangsabschnitt der den Rückführkanal umgebenden Kanalwand von der Gehäusewand des Abgaskatalysators selbst gebildet ist. Der Rückführkanal kann somit ganz einfach vorzugsweise dadurch gebildet werden, daß etwa ein rinnenförmiges Blechteil an der Außenseite des Abgaskatalysators befestigt, bei­ spielsweise angeschweißt wird. Der Rückführkanal kann aber auch auf der Ge­ häuseinnenseite angeordnet sein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse eine sich in Längsrichtung vom vorderen zum hinteren Bereich erstreckende sic­ kenförmige, nach außen gerichtete Ausmuldung aufweist, die von der Innenseite des Gehäuses her beispielsweise mit einem Streifen aus geeignetem Material, insbesondere einem Blechstreifen verschlossen ist. Bei einer weiteren vorteilhaf­ ten Ausgestaltung ist der Rückführkanal zumindest auf einem Teil seiner Länge im Querschnitt gesehen ringförmig und umgibt das Gehäuse etwa konzentrisch. Der sich zwischen dem vorderen und hinteren Bereich des Abgaskatalysators befindli­ che Gehäuseabschnitt ist hier vollständig innerhalb des Rückführkanales ange­ ordnet. Die Kanalwand, die mit der Umgebungsluft in Kontakt steht, hat eine rela­ tive große Oberfläche, so daß sie wie eine Kühlfläche zur Abkühlung des vom hinteren zum vorderen Bereich des Abgaskatalysators zurückgeführten Abgass­ tromes wirken kann.

Die Querschnittsverkleinerung des vorderen Bereiches ist vorzugsweise durch ein mit der Gehäuseinnenseite verbundenes, nach innen vorgewölbtes Blechteil ge­ bildet. Wird der vordere Bereich des Abgaskatalysatorgehäuses durch einen se­ paraten, stirnseitig an das Gehäuse des Abgaskatalysators angesetzten Einström­ trichter gebildet, kann das Blechteil leicht von der sich öffnenden Seite des Trich­ ters her eingebracht und fixiert werden. Auf diese Weise können für Abgaskataly­ satoren mit oder ohne Abgasrückführung dieselben Einströmtrichter verwendet werden. Bei Abgaskatalysatoren, bei denen ein Abgasrückführung vorgesehen ist, muß lediglich das genannten Blechteil bzw. eine Verengung angebracht werden. Die Verengung kann auch dadurch gebildet sein, daß der Einströmtrichter bzw. das Gehäuse im vorderen Bereich nach innen, etwa durch einen Tiefziehvorgang, nach Art einer umlautenden bzw. ringförmigen Einschnürung vorgewölbt wird.

Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysator,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II .in Fig. 1, und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgaskataly­ sators im Querschnitt,

Fig. 4 den vorderen Bereich eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators in Längsschnittdarstellung, bei dem die Querschnittsverengung durch ei­ ne Einschnürung gebildet ist,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 4, bei dem der Rückführkanal durch ein an der Gehäuseaußenseite an­ geordnetes Rohr gebildet ist und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4, bei dem der Rückführkanal das Gehäuse des Abgaskatalysators im wesentlichen konzentrisch umgibt.

Der in Fig. 1 dargestellte Abgaskatalysator weist ein im wesentlichen zylindrisches, z. B. ein im Querschnitt ovales Gehäuse 1 auf, in dem zwei Monolithe 2, 3 mit Ra­ dialabstand zur Gehäuseinnenwand und mit gegenseitigem Axialabstand gelagert sind. Zur Einhaltung des Radialabstandes und zur Fixierung der Monolithe ist zwi­ schen den Monolithen 2, 3 und der Gehäuseinnenseite eine Lagerungsmatte 4 angeordnet. Das Gehäuse 1 weist an seinem in Strömungsrichtung gesehen vor­ deren Ende einen Einströmtrichter 5 und an seinem hinteren Ende einen Aus­ strömtrichter 6 auf. Die Einströmtrichter sind separate Teile, die jeweils stirnseitig an das die Monolithe umfassende Mittelteil (14) des Gehäuses 1 angesetzt sind. Der vor dem ersten Monolithen 2 angeordnete vordere Bereich 7 des Gehäuses 1 bzw. der Einströmtrichter 5 weist an zumindest einer Stelle einen geringeren Strömungsquerschnitt auf als der nach dem Monolithen 3 angeordnete hintere Bereich 8 bzw. der Ausströmtrichter 6. Die Querschnittsverengung des vorderen Bereiches 7 kann beispielsweise durch ein von der Innenseite 15 des Einström­ trichters 5 sich nach innen vorwölbtes Blechteil 9 gebildet sein.

Die Querschnittsverengung im vorderen Bereich bewirkt, daß hier der Druck p1 des strömenden Abgases geringer ist als der Druck p2 im hinteren Bereich. Die Folge dieser Druckdifferenz ist, daß Abgas in einem die Bereiche 7 und 8 verbin­ denden Rückführkanal 10 in Richtung des Pfeiles 11 in den vorderen Bereich 7 gefördert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist der Rückführkanal 10 an der Gehäuseaußenseite 16 angeordnet. Die Wand 12 des Gehäuses 1 bildet einen ersten Umfangsabschnitt 17, der den Führungskanal umgebenden Kanalwand 13. Der den Kanalumfang komplettierende zweite Umfangsabschnitt 18 wird durch einen rinnenförmiges Blechteil 19 gebildet, das sich in Längsrichtung des Gehäu­ ses 1 erstreckt und das mit seinen Seitenrändern 20 mit der Gehäuseaußenseite 16 beispielsweise verschweißt ist. Im Einströmtrichter 5 bzw. im vorderen Bereich 7 ist eine Einströmöffnung 21 und im Ausströmtrichter 6 im hinteres Bereich des Gehäuses eine Ausströmöffnung 22 angeordnet. Über diese Öffnungen mündet der Strömungskanal 10 in die genannten Bereich bzw. Trichter. Die Ausströmöff­ nung im vorderen Bereich 7 liegt der Engstelle bzw. dem Blechteil 9 etwa diame­ tral gegenüber.

Bei dem in Fig. 3 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Ge­ häuse 1 eine sickenartige oder rinnenförmige Ausmuldung 23 auf, die sich in längsaxialer Richtung des Gehäuses 1 erstreckt und einen ersten Umfangsab­ schnitt 17a der Wand des Rückführkanals 10 bildet. Der zweite Umfangsabschnitt 18a wird durch einen Blechstreifen 24 oder ein streifenförmiges Teil aus einem anderen Material gebildet. Der Blechstreifen 24 grenzt den Rückführkanal 10 zur Innenseite des Gehäuses 1 hin ab und liegt mit seiner dem Rückführkanal 10 ab­ gewandten Außenseite an der Lagerungsmatte 4 an. Der Blechstreifen 24 kann an der Gehäuseinnenseite 25 angeschweißt sein.

Bei dem im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Querschnittsverengung des vorderen Bereiches 7 des Gehäuses 1 durch eine radial nach innen vorspringen­ de und sich in Umfangsrichtung erstreckende, also ringförmige Einschnürung 26 erreicht. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Rückführka­ nal 10 von einem separaten, mit der Gehäuseaußenseite 16 verbundenen Rohr 27 gebildet, das sich vom hinteren Bereich 8 bis zum vorderen Bereich 7 bzw. von der Ausströmöffnung 22 im Ausströmtrichter 6 bis zur Einströmöffnung 21 im Ein­ strömtrichter 5 erstreckt. Fig. 6 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der der Rückführkanal 10 bzw. dessen Kanalwand 13 das Gehäuse 1 des Abgaskata­ lysators im wesentlichen konzentrisch umgibt. Dieser das Gehäuse umgebende Bereich kann sich von der Ausströmöffnung 22 bis zur Einströmöffnung 21 er­ strecken. Es ist aber auch denkbar, daß diese Anordnung nur auf den Mittelteil 14 des Gehäuses 1 beschränkt ist, in dem auch die Langerungsmatte 4 angeordnet ist. Die von der Gehäusewand des Mittelteils 14 gebildete Innenwandung des Rückführkanals 10 ist dadurch thermisch isoliert, so daß in diesem Bereich das zurückgeführte Abgas praktisch keine Wärme aus dem Katalysorinneren aufneh­ men kann. Durch die große mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende Au­ ßenfläche kann sich im Gegenzug aber das zurückgeführte Abgas abkühlen.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Monolith
3 Monolith
4 Lagerungsmatte
5 Einströmtrichter
6 Ausströmtrichter
7 Vorderer Bereich
8 Hinterer Bereich
9 Blechteil
10 Rückführkanal
11 Pfeil
12 Gehäusewand
13 Kanalwand
14 Mittelteil
15 Innenseite
16 Gehäuseaußenseite
17 erster Umfangsabschnitt
18 zweiter Umfangsabschnitt
19 Blechteil
20 Seitenrand
21 Einströmöffnung
22 Ausströmöffnung
23 Ausmuldung
24 Blechstreifen
25 Gehäuseinnenseite
26 Einschnürung
27 Rohr

Claims (12)

1. Abgaskatalysator mit einem Gehäuse (1), wenigstens einem darin gelagerten Monolithen (2,3) und einer Rückführung von Abgas aus einem - in Strö­ mungsrichtung der Abgase gesehen - nach dem Monolithen oder einer Grup­ pe von Monolithen angeordneten hinteren Bereich (8) in einen vor dem Mo­ nolithen angeordneten vorderen Bereich (7), wobei die genannten Bereiche (7,8) über wenigstens einen Rückführkanal (10) mit­ einander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Bereich (7) einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als der hintere Bereich (8), und daß der Rückführkanal (10) an der Gehäusewand (12) angeordnet ist.

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkanal (10) von einem separaten, mit der Gehäuseaußenseite verbundenen Rohr (27) gebildet ist.

3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einer Teillänge des Rückführkanals (10) ein erster Um­ fangsabschnitt (17) der Kanalwand (13) von der Gehäusewand (12) gebildet ist.

4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkanal (10) an der Gehäuseinnenseite (25) angeordnet ist.

5. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkanal (10) an der Gehäuseaußenseite angeordnet ist.

6. Abgaskatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, den Kanalumfang komplettierender Umfangsabschnitt (18) der Kanalwand (13) von einem rinnenförmigen Blechteil (19) gebildet ist.

7. Abgaskatalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umfangsabschnitt (17a) der Kanalwand (13) von einer sicken­ förmigen Ausmuldung (23) der Gehäusewand (12) und ein zweiter, den Ka­ nalumfang komplettierender Umfangsabschnitt (18a) von einem die sicken­ förmige Ausmuldung zur Gehäuseinnenseite hin abschließenden Streifen, ins­ besondere einem Blechstreifen (24) gebildet ist.

8. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkanal (10) zumindest auf einem Teil seiner Länge im Quer­ schnitt gesehen ringförmig ist und das Gehäuse (1) etwa konzentrisch umfaßt.

9. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rückführkanal im wesentlichen in Längsrichtung des Gehäuses (1) erstreckt.

10. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverkleinerung des vorderen Bereiches (7) durch ein mit der Gehäuseinnenseite verbundenes, nach innen vorgewölbtes Blechteil (9) gebildet ist.

11. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverkleinerung durch eine Einschnürung, vorzugsweise eine ringförmig radial nach innen vorspringende Einschnürung (26) der Ge­ häusewand (12) gebildet ist.

12. Abgaskatalysator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Bereich (7) von einem separaten, am Gehäuse angesetzten Einströmtrichter (5) gebildet ist.