DE19755126B4

DE19755126B4 - Katalysatoranordnung mit zweisträngiger Abgasführung

Info

Publication number: DE19755126B4
Application number: DE19755126A
Authority: DE
Inventors: Carsten Kruse
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: JP3795651B2; GB2320692A; JPH10196354A; GB2320692B; DE19755126A1; US6156278A; GB9726250D0

Abstract

Katalysatoranordnung für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, insbesondere mit Otto-Motor, bei der Abgase in einem ersten und einem zweiten Zuführstrang zum Katalysator geführt werden, wobei der Katalysator einen etwa rotationssymmetrischen Wabenkörper mit einem ersten und einem zweiten Kanalstrang aufweist, die zumindest annähernd gasdicht gegeneinander abgeschlossen sind und die jeweils eine Vielzahl eine Eingangsstirnseite und eine Ausgangsstirnseite des Wabenkörpers verbindender Kanäle aufweisen, und wobei der erste bzw. der zweite Zuführungsstrang an der Eingangsstirnseite an den ersten bzw. den zweiten Kanalstrang angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanalstrang (1) im wesentlichen koaxial im Innern des zweiten Kanalstrangs (2) geführt ist und der hydraulische Durchmesser des ersten (1) und des zweiten (2) Kanalstrangs etwa gleich groß sind und daß sich ein erster und zweiter Abführstrang an der Ausgangsseite des Katalysator spiegelsymmetrisch zur Eingangsstirnseite anschließt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Katalysatoranordnung für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, insbesondere mit Otto-Motor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Katalysatoren zur Umsetzung von Abgasen, die einen eine Vielzahl für ein Fluid durchströmbare Kanäle aufweisenden Wabenkörper umfassen, sind beispielsweise durch die EP 0 049 489 B1 bekannt. Die Wabenkörper bestehen vorzugsweise aus Blechlagen, wobei wenigstens ein Teil der Blechlagen mindestens teilweise strukturiert ist, so daß zwischen den Blechlagen die Kanäle gebildet sind.

Durch die EP 0 245 738 B1 ist desweiteren eine Katalysatoranordnung für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen bekannt, bei der das Abgas zumindest in Teilbereichen der Abgasanlage in mindestens zwei getrennten Abgassträngen geführt wird, wobei in jedem Abgasstrang mindestens ein Kanalstrang eines Katalysators liegt, der eine Vielzahl für das Abgas durchströmbare Kanäle aufweist. Die Kanalstränge sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei sie durch annähernd ebene Trennwände voneinander getrennt sind.

Weiterhin bekannt sind zwei- oder mehrsträngige Abgassysteme, bei denen in jedem Abgasstrang ein eigener Katalysator angeordnet ist. Insbesondere bei motornah angeordneten Katalysatoren werden die Abgase häufig zweisträngig bis über den bzw. die Katalysatoren hinaus geführt, um Drehmomenteinbußen zu vermeiden. Dabei ist auf eine möglichst kleine Außenfläche des Katalysators bzw. der Katalysatoren zu achten, damit an den Außenflächen möglichst geringe Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung entstehen. Außerdem sollte der Katalysator bzw. die Katalysatoren eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweisen, um in den Startphasen des Verbrennungsmotors möglichst früh die Zündtemperatur, bei der der katalytische Prozeß einsetzt, zu erreichen. Weiterhin sollte die für die Abgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche des Katalysators bzw. der Katalysatoren auch in den Randbereichen der Kanalstränge möglichst gut genutzt werden.

Weiterhin ist ein zweisträngiges Abgassystem auch aus der US 5 365 735 A bekannt, mit dem die Entstehung bestimmter Frequenzformen während des Betriebs innerhalb der Abgaszuführungen vermeiden werden soll. Solche Frequenzen entstehen aufgrund der unterschiedlichen Verbrennungsvorgänge in den Zylindern des Motors und des Zusammenströmens der Teilabgasstränge vor dem Katalysator und könnten zu einer unzureichenden Reinigung des Abgases im Katalysator führen. Dieses Ziel wird dort durch Verwendung einer Trenneinrichtung erreicht, welche die Abgasstränge bis zur Katalysatoreinrichtung trennt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Katalysatoranordnung für zweisträngige Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor anzugeben, bei der die Außenflächen der Kanalstränge klein sind, bei der die Kanalstränge eine geringe Wärmekapazität haben und bei der der für eine Abgasströmung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt gut ausgenutzt wird.

Die Aufgabe wird mit einer Katalysatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung werden die Abgase des Verbrennungsmotors in einem ersten und in einem zweiten Zuführungsstrang zum Abgaskatalysator geführt, wobei der Katalysator einen rotationssymmetrischen Wabenkörper mit einem ersten und einem zweiten Kanalstrang aufweist, die zumindest annähernd gasdicht gegeneinander abgeschlossen sind und die jeweils eine Vielzahl eine Eingangsstirnseite und eine Ausgangs stirnseite des Wabenkörpers verbindender Kanäle aufweisen. Der erste Zuführungsstrang ist an der Eingangsstirnseite an den ersten Kanalstrang angeschlossen, der im wesentlichen koaxial im Innern des zweiten Kanalstrangs geführt ist. Der zweite Zuführungsstrang ist an der Eingangsstirnseite an den zweiten Kanalstrang angeschlossen. Die hydraulischen Durchmesser des ersten und des zweiten Kanalstrangs sind etwa gleich groß. Unter dem hydraulischen Durchmesser eines Kanalstranges wird der Durchmesser eines im Querschnitt kreisförmigen Kanals verstanden, der bei gleicher Kanallänge denselben Druckverlust wie der Kanalstrang für eine Strömung bewirkt.

Erfindungsgemäß schließt sich dabei auch ein erster und zweiter Abführstrang an der Ausgangsseite des Katalysators spiegelsymmetrisch zur Eingangsstirnseite an.

Von der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung gibt es verschiedene Ausgestaltungen, bei denen unterschiedliche Wabenkörper zum Einsatz kommen. Bei Einsatz eines Wabenkörpers, dessen Kanäle fast alle etwa gleiche Querschnittsflächen aufweisen, sind die Querschnittsflächen des ersten und des zweiten Kanalstrangs ungefähr gleich groß.

Aufgrund der Rotationssymmetrie des Wabenkörpers weist dieser ein günstiges Verhältnis seines Außenumfangs zu seiner Querschnittsfläche und damit auch ein günstiges Verhältnis seiner Außenfläche zu seinem Volumen auf. Vorzugsweise ist die Außenfläche annähernd eine zylindrische Außenfläche. Da der erste Kanalstrang im Innern des zweiten Kanalstrangs geführt ist, sind die Wärmeverluste des ersten Kanalstrangs beim Betrieb der Katalysatoranordnung äußerst gering. Es ist sogar möglich, daß der erste Kanalstrang von dem ihn umgebenden zweiten Kanalstrang Wärme aufnimmt, nämlich dann, wenn die den zweiten Kanalstrang durchströmenden Abgase eine höhere Temperatur haben als die durch den ersten Kanalstrang strömenden Abgase. Erhebliche Wärmeverluste treten daher nur an dem zweiten Kanalstrang, über dessen Außenfläche auf.

Bevorzugt werden Wabenkörper mit guter Wärmeisolierung, beispielsweise durch einen doppelwandigen Mantel wie in der DE 44 45 557 A1 beschrieben. Eine andere Möglichkeit einer guten Wärmeisolierung ist, am Außenumfang des zweiten Kanalstrangs zusätzliche, nicht für Abgas durchströmbare Kanäle vorzusehen, beispielsweise durch Anbringen von herumgewickelten strukturierten und nicht strukturierten Blechlagen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung ist, daß die Wärmekapazität im Bereich des Katalysators gering ist. Durch die kompakte Anordnung der beiden Kanalstränge wird wenig Material in den Kanalsträngen, zur mechanischen Stabilisierung des Wabenkörpers und zum Anschluß der Kanalstränge des Wabenkörpers an das Abgassystem benötigt. Eine Materialersparnis bedeutet gleichzeitig eine Verringerung der Wärmekapazität.

Insbesondere bei laminaren Abgasströmungen in den Zuführungssträngen werden bei bisher bekannten Katalysatoranordnungen die Randbereiche an den Außenflächen der Kanalstränge langsamer durchströmt als die Innenbereiche. Die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung wirkt dieser ungleichmäßigen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts dadurch entgegen, daß der äußere Bereich des Wabenkörpers zwangsweise durch das in dem zweiten Zuführungsstrang strömende Abgas angeströmt wird.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung weist der Wabenkörper ein koaxial im Innern des zweiten Kanalstangs liegendes zylindrisches Innenrohr auf, das den ersten Kanalstrang ummantelt und die Stirnseiten des Wabenkörpers miteinander verbindet. Das zylindrische Innenrohr weist ein an der Eingangsstirnseite des Wabenkörpers herausrangendes Ende auf. An das Ende können beispielsweise die Kanalstränge mit den Zuführungssträngen verbindende Anschlußstücke angeschweißt oder angelötet werden. Weiterhin gibt es Ausgestaltungen, bei denen das Ende zusammen mit dem oder den Anschlußstücken einen annähernd dichtenden Schiebesitz bildet.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Katalysatoranordnung führt der erste und der zweite Zuführungsstrang, wenigstens in einem Abschnitt unmittelbar vor dem Wabenkörper, durch ein Koaxialrohr mit einem zylindrischen Innenrohr und einem dazu koaxialen zylindrischen Außenrohr, wobei der erste Zuführungsstrang durch das Innenrohr führt. Bevorzugt wird eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der der Durchmesser des Innenrohrs bzw. des Außenrohrs gleich dem Durchmesser des ersten bzw. des zweiten Kanalstrangs sind. Der Wabenkörper weist vorzugsweise ein Mantelrohr auf, das die beiden Kanalstränge enthält. Das Außenrohr des Koaxialrohrs ist an das Mantelrohr angeschweißt, angelötet oder angeflanscht.

Bei noch einer Ausgestaltung der Katalysatoranordnung weist der erste bzw. der zweite Zuführungsstrang in einem Teilabschnitt ein erstes bzw. ein zweites Leitungsstück auf, die ungefähr den gleichen Querschnitt haben, weist der zweite Zuführungsstrang ein zweites Übergangsstück auf, das das zweite Leitungsstück nach außen gasdicht mit dem zweiten Kanalstrang verbindet und weist der erste Zuführungsstrang ein erstes Übergangsstück auf, das, die Wand des ersten Übergangsstücks durchdringend, das erste Leitungsstück nach außen gasdicht und gegen den zweiten Zuführungsstrang zumindest annähernd gasdicht mit dem ersten Kanalstrang verbindet. Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind das erste und das zweite Leitungsstück in einem gemeinsamen Außenrohr geführt. Ein Vorteil dieser Weiterbildung ist, daß das Außenrohr eine Isolierung für die beiden Leitungsstücke bildet, und daß die beiden Leitungsstücke dünne Außenwände haben können, da das Außenrohr die Leitungsstücke mechanisch stabilisiert. Bei noch einer Weiterbildung weisen die beiden Leitungsstücke jeweils einen halbkreisförmigen Querschnitt auf und füllen einen kreisförmigen Innenquerschnitt des Außenrohrs annähernd aus.

Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der Katalysatoranordnung ist der Wabenkörper ein metallischer Wabenkörper mit gewickelten und/oder geschichteten Blechlagen, von denen zumindest ein Teil strukturierte Blechlagen sind, so daß zwischen den Blechlagen die Kanäle gebildet sind. Solche Wabenkörper sind beispielsweise aus der DE 42 23 134 A1 und aus der EP 0 049 489 B1 bekannt.

Es gibt weitere Ausgestaltungen mit weiteren Anschlußmöglichkeiten der Zuführungsstränge an die Kanalstränge. Der Wabenkörper ist an der Eingangsstirnseite ringförmig geschlitzt und bildet mit dem ersten Zuführungsstrang einen nahezu dichtenden Schiebesitz. Entsprechend einer anderen Anschlußmöglichkeit weist die Katalysatoranordnung an der Eingangsstirnseite einen zylindrischen Ring mit dem Durchmesser des ersten Kanalstrangs auf, der über in Kanäle des Wabenkörpers hineinragende Halteelemente mit dem Wabenkörper verbunden ist.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Abgassystem mit einer erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung gelöst, bei dem der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder-Reihenmotor mit der Reihe nach von I bis IV bezeichneten Zylindern ist und bei dem die Zylinder I und IV mit dem ersten Kanalstrang und die Zylinder II und III mit dem zweiten Kanalstrang verbunden sind. Aufgrund der Randlage der Zylinder I und IV haben die Abgase dieser Zylinder eine niedrigere Temperatur als die Abgase der Zylinder II und III. Um in der Startphase in beiden Kanalsträngen möglichst früh die Zündtemperatur zu erreichen, werden die Abgase höherer Temperatur in den zweiten Kanalstrang geleitet, an dem wesentlich höhere Wärmeverluste auftreten.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur Beispiele, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
1 einen Katalysator mit abschnittsweise räumlich voneinander beabstandeten Leitungsstücken der Zuführungsstränge,
2 den Katalysator im Querschnitt und
3 einen Katalysator mit einem koaxialen Anschlußrohr.
Die in 1 gezeigte Katalysatoranordnung weist einen etwa rotationssymmetrischen Wabenkörper 3 mit einem zylindrischen Mantelrohr 5 und einem dazu koaxialen zylindrischen Innenrohr 4 auf. Auf diese Weise sind ein erster, innerer Kanalstrang 1 und ein zweiter, äußerer Kanalstrang 2 gebildet. Die Abgaszuführung und die Abgasabführung sind symmetrisch zum Wabenkörper ausgeführt. Auf der linken Seite der 1 ist die Abgaszuführung mit dem ersten Zuführungsstrang 6 und dem zweiten Zuführungsstrang 7 dargestellt. Der erste Zuführungsstrang 6 und der zweite Zuführungsstrang 7 weisen am linken Rand der 1 jeweils ein Leitungsstück 9 auf, die ungefähr den gleichen, zylindrischen Querschnitt haben. Das Leitungsstück 9 des zweiten Zuführungsstrangs 7 geht in ein zweites Übergangsstück 13 über, das das Leitungsstück 9 nach außen gasdicht mit dem zweiten Kanalstrang 2 verbindet. Das Leitungsstück 9 des ersten Zuführungsstrangs 6 geht in ein erstes Übergangsstück 12 über, das das Leitungsstück 9 nach außen gasdicht und gegen den zweiten Zuführungsstrang ebenfalls gasdicht mit dem ersten Kanalstrang verbindet. Dabei durchstößt das erste Übergangsstück 12 die Wand des zweiten Übergangsstücks 13. An der Eingangsstirnseite 14 ragt das zylindrische Innenrohr 4 mit seinem Ende 8 aus dem Wabenkörper 5 heraus. Mit dem Ende 8 ist das Übergangsstück 12 umlaufend gasdicht verlötet. Es ist aber auch möglich, daß das Übergangsstück 12 und das Ende 8 einen annähernd gasdichten Schiebesitz bilden, beispielsweise indem das Ende 8 stirnseitig umlaufend geschlitzt ist und das Übergangsstück 12 ein entsprechend geformtes ringförmiges Ende aufweist, das in den Schlitz paßt. Auf diese Weise kann unterschiedlichen Längenänderungen des ersten und des zweiten Abgasstrangs aufgrund von Temperaturunterschieden ein Spielraum eingeräumt werden. Das zweite Übergangsstück 13 ist vorzugsweise mit dem Mantelrohr 5 verschweißt. Der Anschluß der Abgasabführung an der Ausgangsstirnseite des Wabenkörpers 3 ist spiegelsymmetrisch zum Katalysator 3, jedoch ansonsten wie die Abgaszuführung an der Eingangsstirnseite 14 ausgeführt.
Die Querschnittsdarstellung in 2 zeigt den bevorzugten Aufbau des Wabenkörpers 3 mit gewickelten und geschichteten Blechlagen 11, die etwa zur Hälfte strukturierte Blechlagen sind, so daß zwischen den Blechlagen 11 die Kanäle 10 gebildet sind.
Der in 3 dargestellte Wabenkörper 3 ist an ein Koaxialrohr 4, 5 mit einem zylindrischen Innenrohr 4 und einem dazu koaxialen zylindrischen Außenrohr 5 angeschlossen. Seine Kanalstränge 1 und 2 sind mit den Zylindern eines Vierzylinder-Reihenmotors verbunden. Die Zylinder sind der Reihe nach mit I bis IV numeriert. Die Abgase der Zylinder I und IV durchströmen beim Betrieb des Verbrennungsmotors den äußeren Kanalstrang 2, was durch "I + IV" und durch einen Pfeil in 3 angedeutet ist. Die Abgase der Zylinder II und III durchströmen dementsprechend den Kanalstrang 1.
Die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung ermöglicht in kompakter Bauweise die motornahe Abgasumsetzung bei geringen Wärmeverlusten durch Abstrahlung und annähernd gleichmäßiger Verteilung der Abgasströme über den Querschnitt des Wabenkörpers.

1: erster Kanalstrang
2: zweiter Kanalstrang
3: Wabenkörper
4: zylindrisches Innenrohr
5: zylindrisches Außenrohr, Mantelrohr
6: erster Zuführungsstrang
7: zweiter Zuführungsstrang
8: Ende des Innenrohrs
9: Leitungsstück eines Zuführungsstrangs
10: Kanal
11: Blechlage
12: erstes Übergangsstück
13: zweites Übergangsstück
14: Eingangsstirnseite
15: Ausgangsstirnseite

Claims

Katalysatoranordnung für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, insbesondere mit Otto-Motor, bei der Abgase in einem ersten und einem zweiten Zuführstrang zum Katalysator geführt werden, wobei der Katalysator einen etwa rotationssymmetrischen Wabenkörper mit einem ersten und einem zweiten Kanalstrang aufweist, die zumindest annähernd gasdicht gegeneinander abgeschlossen sind und die jeweils eine Vielzahl eine Eingangsstirnseite und eine Ausgangsstirnseite des Wabenkörpers verbindender Kanäle aufweisen, und wobei der erste bzw. der zweite Zuführungsstrang an der Eingangsstirnseite an den ersten bzw. den zweiten Kanalstrang angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanalstrang (1) im wesentlichen koaxial im Innern des zweiten Kanalstrangs (2) geführt ist und der hydraulische Durchmesser des ersten (1) und des zweiten (2) Kanalstrangs etwa gleich groß sind und daß sich ein erster und zweiter Abführstrang an der Ausgangsseite des Katalysator spiegelsymmetrisch zur Eingangsstirnseite anschließt.
Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fast alle im ersten (1) oder zweiten (2) Kanalstrang angeordneten Kanäle (10) des Wabenkörpers etwa denselben Querschnitt aufweisen und daß die Querschnittsflächen der Kanalstränge (1; 2) ungefähr gleich groß sind.
Katalysatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper an der Eingangsstirnseite ringförmig geschlitzt ist und mit dem ersten Zuführungsstrang (6) einen nahezu dichtenden Schiebesitz bildet.
Katalysatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (3) ein koaxial im Innern des zweiten Kanalstrangs (2) liegendes zylindrisches Innenrohr (4) aufweist, das den ersten Kanalstrang ummantelt, das die Stirnseiten (14, 15) des Wabenkörpers (3) miteinander verbindet, und das an der Eingangsstirnseite (14) ein aus dem Wabenkörper (3) herausragendes Ende (8) aufweist.
Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (6) und der zweite (7) Zuführungsstrang, wenigstens in einem Abschnitt unmittelbar vor dem Wabenkörper, durch ein Koaxialrohr (4, 5) mit einem zylindrischen Innenrohr (4) und einem dazu koaxialen zylindrischen Außenrohr (5) führen und daß der erste Zuführungsstrang durch das Innenrohr (4) führt.
Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (6) bzw. der zweite Zuführungsstrang (7) in einem Teilabschnitt ein erstes bzw. ein zweites Leitungsstück (9) aufweisen, die ungefähr den gleichen Querschnitt haben, daß der zweite Zuführungsstrang (7) ein zweites Übergangsstück (13) aufweist, das das zweite Leitungsstück (9) nach außen gasdicht mit dem zweiten Kanalstrang (2) verbindet und daß der erste Zuführungsstrang (6) ein erstes Übergangsstück (12) aufweist, das, die Wand des zweiten Übergangsstücks (13) durchdringend, das erste Leitungsstück (9) nach außen gasdicht und gegen den zweiten Zuführungsstrang (7) zumindest annähernd gasdicht mit dem ersten Kanalstrang (1) verbindet.
Katalysatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Leitungsstück in einem gemeinsamen Außenrohr geführt sind.
Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (3) ein metallischer Wabenkörper mit gewickelten und/oder geschichteten Blechlagen (11) ist, von denen zumindest ein Teil strukturierte Blechlagen (11) sind, so daß zwischen den Blechlagen (11) die Kanäle (10) gebildet sind.
Abgassystem mit Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder-Reihenmotor mit der Reihe nach von I bis IV bezeichneten Zylindern ist und daß die Zylinder II und III mit dem ersten Kanalstrang (1) und die Zylinder I und IV mit dem zweiten Kanalstrang (2) verbunden sind.