DE19839754A1 - Reinigungsvorrichtung für Abgase - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere Kraftfahrzeugabgasen, mit einem von den Abgasen durchströmbaren, gasdurchlässigen Trägermaterial aufweisenden Katalysator, dem mindestens ein das Abgas zuführendes Zuführungsrohr und ein sich daran anschließendes Einlaufrohr zugeordnet ist, und mit mindestens einem im Zuführungsrohr und/oder Einlaufrohr angeordneten Leitelement zur Strömungsbeeinflussung der Abgase, vorgeschlagen. Die Reinigungsvorrichtung (1) zeichnet sich dadurch aus, daß das Leitelement (13) derart ausgebildet ist, daß es die Strömung der Abgase in ihrem zentralen Bereich nicht oder nur wenig beeinflußt und im das Zentrum umgebenden radialen Bereich einen Drall vermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reini­ gung von Abgasen, insbesondere Kraftfahrzeugabga­ sen, mit einem von den Abgasen durchströmbaren, gasdurchlässiges Trägermaterial aufweisenden Kata­ lysator, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Reinigungsvorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie werden beispielsweise zur Reini­ gung von Kraftfahrzeugabgasen eingesetzt und umfas­ sen einen Katalysator, der ein gasdurchlässiges Trägermaterial aufweist. Dem Katalysator ist minde­ stens ein das Abgas zuführendes Zuführungsrohr zu­ geordnet, dessen freier Durchmesser kleiner ist als der freie, von den Abgasen durchströmte Durchmesser des Katalysators. An das Zuführungsrohr schließt sich ein konusförmiges, mit dem Katalysatorgehäuse verbundenes Einlaufrohr an. Aus Platzgründen muß das Einlaufrohr kurz gehalten werden, wodurch sich jedoch eine starke Erweiterung dem Strömungsquer­ schnitts vom Zuführungsrohr zum Katalysator ein­ stellt, was dazu führt, daß die Strömung in großen Teilen einer geradlinigen Fortsetzung des Zufüh­ rungsrohrs folgt. Hierdurch bildet sich an der Wand des konusförmigen Einlaufrohrs eine Strömungsablö­ sung mit einer Rezirkulation. Aus der Querschnitts­ erweiterung resultiert ein ungleichmäßiges Ge­ schwindigkeitsprofil der Abgasströmung im Bereich des Katalysators mit zum Teil erheblich höheren Ge­ schwindigkeiten im Zentrum der Abgasströmung im Be­ reich des Einlaufrohrs sowie des Katalysators. Am Rand, also in dem das Zentrum umgebenden radialen Bereich des Einlaufrohrs und des Katalysators, er­ geben sich kleinere Geschwindigkeiten. Dadurch wird der sich an das Einlaufrohr anschließende Katalysa­ tor ungleichmäßig durchströmt, das heißt, im Be­ reich der Längsmittelachse des Katalysators stellen sich höhere Strömungsgeschwindigkeiten ein als im radial äußeren Bereich des Katalysators, in dem die Abgasströmung entsprechend kleinere Geschwindigkei­ ten aufweist. Es ist auch bekannt, das Zulaufrohr exzentrisch zum Katalysator anzuordnen. In diesem Fall stellen sich die hohen Geschwindigkeiten im Katalysator in Fortsetzung der Längsmittelachse des Zulaufrohres ein. Ferner ist bekannt, daß bei einer allmählich erfolgenden Querschnittserweiterung des Einlaufrohrs die oben beschriebene Strömungsablö­ sung vermieden würde. Hierzu wäre jedoch eine sehr große Baulänge des Einlaufrohrs erforderlich, für die unter dem Fahrzeugboden kein Platz vorhanden ist.

Üblicherweise werden als Katalysatoren sogenannte Wabenmonolithe verwendet, die einen aus parallelen quadratischen Kanälen bestehenden Aufbau aufweisen. Aufgrund dieses Aufbaus wird ein Ausgleich örtli­ cher Geschwindigkeitsunterschiede in der Abgasströ­ mung verhindert. Die örtliche Geschwindigkeit im Katalysator bestimmt die Verweilzeit des Abgases und damit die Zeit für die Reaktion. In der Mitte des Katalysators ergeben sich durch die dort vor­ liegenden hohen Geschwindigkeiten kurze Reaktions­ zeiten. Die Baulänge des Katalysators muß daher so lang gestaltet werden, daß sich auch im mittleren Bereich des Katalysators ausreichend lange Reakti­ onszeiten ergeben. Nachteilig ist ferner, daß durch die ungleichmäßige Durchströmung des Katalysators und der sich daraus ergebenden ungleichmäßig frei­ gesetzten Reaktionswärme, das Trägermaterial im Zentrum des Katalysators thermisch stark bean­ sprucht wird. Hierdurch wird die Alterung in der Mitte des Katalysators beschleunigt.

Um die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Strömung des Katalysators zu beeinflussen ist es bekannt, im Zuführungsrohr und/oder im Einlaufrohr ein Leitelement anzuordnen, das beispielsweise von einem stationären Prallkörper, insbesondere einer Scheibe, oder einem stillstehenden Flügelrad gebil­ det ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß auch durch diese konstruktive Maßnahme die Ge­ schwindigkeitsunterschiede innerhalb der Abgasströ­ mung im Katalysator relativ groß sind. Nachteilig ist ferner, daß mit Hilfe der bekannten Leitelemen­ te der Strömung - über deren Querschnitt gesehen - überall ein gleichmäßiger Drall aufgeprägt, wodurch die Abgase infolge der auf sie wirkenden Fliehkräf­ te vom zentralen Bereich der Strömung nach außen hin wandern. Dies führt zu verkleinerten Strömungs­ geschwindigkeiten im zentralen Bereich der Ab­ gasströmung, wodurch der Katalysator im Bereich der Längsmittelachse zu langsam durchströmt und daher ungleichmäßig genutzt wird.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Pro­ blem besteht darin, eine Reinigungsvorrichtung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau, insbesondere ein kurzes Einlaufrohr, ermöglicht und bei der ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil der Abgasströ­ mung im Bereich des Katalysators gewährleistet wer­ den kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Reinigungsvor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge­ schlagen. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß das Leitelement derart ausgebildet ist, daß es die Strömung der Abgase in ihrem zentralen Bereich nicht oder nur wenig beeinflußt und im das Zentrum umgebenden radialen Bereich einen Drall vermittelt. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann ein gleichmäßi­ ges Geschwindigkeitsprofil der Abgasströmung über den gesamten Querschnitt des Katalysators einge­ stellt werden, das heißt, die Strömungsgeschwindig­ keit der Abgase ist innerhalb des Katalysators vor­ zugsweise überall gleich groß oder zumindest im we­ sentlichen gleich groß. Durch die gleichmäßige Durchströmung wird der Katalysator gleichmäßig ge­ nutzt. Zudem werden Katalysator und Trägermaterial gleichmäßig beansprucht, wodurch eine vorzeitige Alterung an einzelnen Stellen vermieden werden kann. Vorteilhaft ist ferner, daß aufgrund des über den Querschnitt des Katalysators gleichmäßigen Ge­ schwindigkeitsprofils der Abgasströmung eine sehr kompakte Bauweise des Katalysators realisierbar ist. Hierdurch kann ferner Katalysatormaterial und die Beschichtung (Platin, Rhodium, Palladium und dergleichen) des Trägermaterials eingespart werden.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt der Drall um die Längsmittelachse des Zu­ führungsrohrs und/oder Einlaufrohres. Durch die Ro­ tation der Strömung der Abgase quer zur Längser­ streckung des Zuführungs-/Einlaufrohres in bestimm­ ten Bereichen des beziehungsweise der Rohre werden die Abgase aufgrund der auf sie einwirkenden Zen­ trifugalkräfte nach außen in Richtung der Innenman­ telfläche des Zuführungsrohres/Einlaufrohres verla­ gert. Durch die gewünschte Beeinflussung des den zentralen Bereich der Abgasströmung umgebenden ra­ dialen Bereich ist ferner eine definierte quantita­ tive Verteilung der Abgase innerhalb des Katalysa­ tors möglich.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbei­ spiel ist das Gleitelement als Wendel ausgebildet, die sich vorzugsweise unmittelbar von der Innenman­ telfläche des Zuführungsrohrs und/oder Einlaufroh­ res oder mit radialem Abstand von der Innenmantel­ fläche quer zu der Längsmittelachse erstreckt, wo­ bei das Zuführungsrohr und/oder Einlaufrohr im zen­ tralen Bereich einen freien Querschnitt aufwei­ sen/aufweist. Die einen Drallkörper bildende Wendel hat also einen gedachten Kern, der zum Beispiel einen kreiszylindrischen oder ovalen Querschnitt aufweist. Um den Kern herum ist die Wendel gewun­ den. Im Bereich des freien Querschnitts wird der Abgasströmung praktisch kein Drall oder nur ein ge­ ringer Drall vermittelt, so daß diese geradlinig oder im wesentlichen geradlinig durch die Wendel hindurchströmt. Bei einer ersten Ausführungsvarian­ te ist vorgesehen, daß die Wendel sich bis unmit­ telbar an die Innenmantelfläche des Zuführungsroh­ res und/oder Einlaufrohres erstreckt und an dieser beispielsweise anliegt. Es ist auch möglich, daß die Wendel mit der Innenmantelfläche verbunden oder an dieser befestigt ist. Bei einer anderen vorteil­ haften Ausführungsvariante sind die äußeren Maße und die Anordnung der Wendel so gewählt, daß diese mit der Innenmantelfläche des Zuführungs-/Einlauf­ rohres einen Ringraum begrenzt. Unter einer Er­ streckung der Wendel "quer" zur Richtung der Längs­ mittelachse wird ein Winkel verstanden, der größer, kleiner oder gleich 90° ist. Mit anderen Worten, der Wendelsteg der vorzugsweise aus einem bandför­ migen Material bestehenden Wendel kann gegenüber der Innenmantelfläche geneigt sein oder orthogonal auf dieser stehen.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Reinigungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß das Leitelement als Leitrad ausgebildet ist, das radial verlaufende Leitschaufeln aufweist, wel­ che mit einer vom Zentrum nach außen zunehmenden Krümmung versehen sind. Die Krümmung der Leitschaufeln ist derart ausgebildet, daß der Abgasströmung im zentralen Bereich des Zuführungs- und/oder Ein­ laufrohres kein Drall, zumindest aber nur ein ge­ ringer Drall, vermittelt wird, während in den äuße­ ren, der Innenmantelfläche des Zuführungs-/Einlauf­ rohres nahen Bereichen der Abgasströmung ein Drall vermittelt wird, der zum Beispiel nach außen, also in Richtung der Innenmantelfläche, stetig oder sprunghaft größer werden kann.

Schließlich wird auch ein Ausführungsbeispiel einer Reinigungsvorrichtung bevorzugt, bei dem der Drall mittels eines in das Zuführungsrohr und/oder Ein­ laufrohr mündendes Leitrohrs gebildet wird, wobei die Längsmittelachse des Leitrohrs zur Längsmit­ telachse des Zuführungsrohres und/oder Einlaufroh­ res versetzt liegt, derart, daß die Längsmittelach­ sen einen spitzen Winkel miteinander einschließen. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird die Strömung der Abgase in Rotation um die Längsmittelachse des Zu­ führungs- und/oder Einlaufrohres derart versetzt, daß sich eine über den Querschnitt des Katalysators gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Ab­ gasströmung einstellt. Zur Ausbildung eines star­ ken Dralles kann alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Anordnung des Leitrohres gegen­ über dem Zuführungsrohr beziehungsweise Einlaufrohr vorgesehen sein, daß die Längsmittelachse des Leitrohrs und die des Zuführungs- und/oder Einlauf­ rohres nicht in einer Ebene liegen, sondern daß das Leitrohr außermittig in das Zuführungsrohr und/oder Einlaufrohr mündet und durch die so erzeugte tan­ gentiale Geschwindigkeitskomponente der Strömung der Abgase einen Drall vermittelt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Teils eines ersten Ausführungsbeispiels einer Reinigungsvorrichtung, nämlich einen Katalysator;

Fig. 2A und 2B ein Zuführungsrohr im Querschnitt und in Seitenansicht, in dem ein Leitelement ge­ mäß einen ersten Ausführungsbeispiel an­ geordnet ist;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Zu­ führungsrohres gemäß den Fig. 2A und 2B im Mündungsbereich;

Fig. 4A und 4B ein Zuführungsrohr im Querschnitt und in Seitenansicht mit einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel eines darin angeordneten Leitelements;

Fig. 5A und 5B ein Zuführungsrohr im Querschnitt und in Seitenansicht mit einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel eines darin befindlichen Leitelements;

Fig. 6A und 6B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel eines Leitschaufeln aufweisenden Leitelements;

Fig. 7 drei Querschnitte durch eine in den Fig. 6A und 6B dargestellten Leitschaufel;

Fig. 8A und 8B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht auf ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Leitelements und

Fig. 9A und 9B eine Vorderansicht und eine Seitenansicht auf einen Katalysator im Bereich des Zu­ führungsrohres.

Die im folgenden beschriebene Vorrichtung zur Rei­ nigung von Abgasen ist allgemein einsetzbar. Rein beispielhaft wird im folgenden davon ausgegangen, daß es sich hier um eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen von Kraftfahrzeugabgasen handelt.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Ausführungsbeispiels einer Reinigungsvorrichtung 1, nämlich einem Kata­ lysator 3, der ein Gehäuse 5 umfaßt, in dessen In­ neren ein gasdurchlässiges Trägermaterial 7 ange­ ordnet ist. Das Trägematerial 7 besteht im allge­ meinen aus Wabenmonolithen, die aus parallel zuein­ ander verlaufenden, beispielsweise quadratischen Kanälen bestehen. Der Aufbau und die Funktion des Katalysators 3 ist allgemein bekannt, so daß auf deren nähere Beschreibung verzichtet wird. Dem Ka­ talysator ist ein Zuführungsrohr 9 und - in Strö­ mungsrichtung der Abgase gesehen (Pfeil 10) - ein sich daran anschließendes Einlaufrohr 11 zugeord­ net. Das einen konusförmigen Querschnitt aufweisen­ de Einlaufrohr 11 dient als Verbindungsteil zwi­ schen dem einen kleineren Durchmesser als der Kata­ lysator aufweisenden Zuführungsrohr 9 und dem Ge­ häuse 5 des Katalysators 3. Im Inneren des Zufüh­ rungsrohrs 9 und/oder des Einlaufrohres 11 ist ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Leitelement zur Strömungsbeeinflussung der Abgase angeordnet, wor­ auf im folgenden anhand der Fig. 2A bis 8B näher eingegangen wird.

Fig. 2A zeigt einen Querschnitt durch das hier einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisende Zuführungsrohr 9, in dem ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines Leitelements 13 angeordnet ist. Wie aus Fig. 2B ersichtlich, die eine Seitenansicht des in Fig. 2A dargestellten Zuführungsrohrs 9 zeigt, ist das Leitelement 13 als Wendel 15 ausgebildet, die aus einem bandförmigen Material hergestellt ist. Die aus Blech, insbesondere Stahlblech, oder Kera­ mik bestehende Wendel 15 dient dazu, der Strömung der Abgase in - quer zur Strömungsrichtung gesehen - bestimmten Bereichen einen Drall um die Längs­ mittelachse 17 des Zuführungsrohrs 9 zu vermitteln. Aufgrund dieser Ausgestaltung und Anordnung des Leitelements 13 innerhalb des Zuführungsrohrs wird die Abgasströmung in ihrem zentralen Bereich, also in der Mitte des Zuführungsrohrs 9, nicht, zumin­ dest aber nur wenig beeinflußt, während den Abgasen in dem das Zentrum umgebenden radialen Bereich ein Drall vermittelt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Wendel 15 unmittelbar von der Innenmantelfläche 19 des Zuführungsrohrs 9 quer zur Richtung der Längs­ mittelachse 17 und weist - wie aus Fig. 2A ersicht­ lich - im zentralen Bereich des Zuführungsrohrs 9 einen freien, hier kreiszylindrischen Querschnitt mit dem Durchmesser d₁ auf. Im Bereich des freien Querschnitts kann die Strömung der Abgase unbeein­ flußt durch das Leitelement 13 hindurchströmen be­ ziehungsweise an diesem vorbeiströmen, also ohne daß der Strömung ein Drall vermittelt wird. Der Teil der Abgasströmung, der den den zentralen Be­ reich des Zuführungsrohrs 9 umgebenden Bereich pas­ siert, wird von der Wendel 15 definiert in Rotation versetzt. Durch diese definierte Strömungsbeein­ flussung der Abgase kann ein gleichmäßiges Ge­ schwindigkeitsprofil über den Querschnitt des Kata­ lysators 3 beziehungsweise des Trägermaterials 7 eingestellt werden, so daß die Verweilzeit des Ab­ gases und damit die Zeit für die Reaktion des Gases mit dem Trägermaterial überall gleich ist. Durch die gleichmäßige Durchströmung des Katalysators wird dieser gleichmäßig beansprucht, wodurch eine ungleichmäßige Beanspruchung und Abnutzung des Ka­ talysators und des Trägermaterials vermieden wird. Im Zusammenhang mit der hier vorliegenden Erfindung wird unter einer "gleichmäßigen Durchströmung" ver­ standen, daß die Geschwindigkeit der Strömung der Abgase - über den Querschnitt des Katalysators gese­ hen - gleich, zumindest aber im wesentlichen gleich ist. Durch die gleichmäßige Durchströmung wird überdies die Wirkung des Katalysators verbessert, wodurch eine kompakte, insbesondere kurze, Bauform des Katalysators realisierbar ist. Besonders vor­ teilhaft an der Vergleichmässigung der Strömungsge­ schwindigkeit des Katalysators ist ferner die Ein­ sparung von Katalysatormaterial und Beschichtung (Platin, Rhodium, Palladium und dergleichen) des Trägermaterials.

Die Wendel 15 ist von einem Wendelsteg 21 gebildet, der eine Stegbreite B aufweist, die bei diesem Aus­ führungsbeispiel über die Wendellängserstreckung konstant ist. Ferner weist die Wendel 15 eine über die Wendellängserstreckung konstante Steigung auf. Bei einem anderen - nicht dargestellten - Ausfüh­ rungsbeispiel nimmt die Stegbreite B über die Wen­ dellängserstreckung zu oder ab. Des weiteren ist es möglich, daß die Steigung der Wendel 15 über die Wendellängserstreckung zunimmt oder abnimmt, insbe­ sondere progressiv zunimmt oder abnimmt. Durch das Variieren der Stegbreite B und der Steigung der Wendel kann ein definiertes, vorzugsweise gleichmä­ ßiges, Geschwindigkeitsprofil sowie eine gewünschte Geschwindigkeit über den Querschnitt eingestellt werden. Der Wendelsteg 21 kann senkrecht auf der Innenmantelfläche 19 des Zuführungsrohrs 9 stehen oder mit der Innenmantelfläche einen stumpfen oder spitzen Winkel einschließen. Der Wendelsteg 21 kann also gegenüber der Innenmantelfläche 19 einen Win­ kel einschließen, der größer, kleiner oder gleich 90° ist. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbei­ spiel ändert sich der Winkel zwischen dem Wendel­ steg 21 und der Innenmantelfläche 19 in Richtung der Längserstreckung der Wendel 15, vorzugsweise stetig und/oder gleichmäßig.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des in den Fig. 2A und 2B dar­ gestellten Zuführungsrohrs 9. Es ist ersichtlich, daß - in Strömungsrichtung (Pfeil 10) der Abgase ge­ sehen - die Vorderkante 23 des Wendelstegs 21 in be­ ziehungsweise an der Innenmantelfläche 19 des Zu­ führungsrohrs 9 liegt. Der Wendelsteg 21 entspringt also quasi der Innenmantelfläche des Zuführungs­ rohrs, so daß ein Aufprallen der ankommenden Ab­ gasströmung auf das Leitelement 13, was zu einem unkontrollierten Verwirbeln und einem hohen Druck­ verlust der Strömung der Abgase führen kann, ver­ mieden werden.

Fig. 4A und 4B zeigen einen Querschnitt und eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Zuführungsrohrs 9, in dem zwei Leitelemente 13 angeordnet sind. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß insofern auf die Be­ schreibung zu den vorangegangenen Figuren verwiesen wird. Die bei diesem Ausführungsbeispiel rein bei­ spielhaft von identischen Wendel 15, 15' gebildeten Leitelemente 13 sind berührungsfrei umeinander her­ um gewunden angeordnet. Im zentralen Bereich des Zuführungsrohrs 9 weisen die Wendel 15, 15' einen freien, kreiszylindrischen Querschnitt mit einem Durchmesser d₂ auf. Bei einem Vergleich der Fig. 3A und 4A wird deutlich, daß der freie Querschnitt bei dem in den Fig. 4A und 4B dargestellten Aus­ führungsbeispiel des Leitelements kleiner ist als bei dem in den Fig. 3A und 3B dargestellten Aus­ führungsbeispiel. Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß im mittleren, das heißt zentralen Bereich des Zuführungsrohrs 9 der Abgasströmung derselben kein, zumindest aber nur ein sehr kleiner Drall vermittelt wird, während in dem den zentralen Bereich umgebenden Bereich der auf die Strömung vermittelte Drall in Richtung auf die Innenmantel­ fläche des Zuführungsrohrs 9, vorzugsweise stetig, anwächst.

Fig. 5A und 5B zeigen ein weiteres Ausführungs­ beispiel eines von einer Wendel 15'' gebildeten Leitelements 13. Teile, die mit denen anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Teile über­ einstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen, so daß auf eine nochmalige Beschreibung ver­ zichtet wird. Das Leitelement 13 ist hier an einer stillstehenden Achse 25 befestigt, die mit der Längsmittelachse 17 des Zuführungsrohrs 9 fluchtet. Alternativ hierzu kann das Leitelement 13 an der Rohrwandung des Zuführungsrohres und/oder des Ein­ laufrohres befestigt werden. In diesem Fall erfolgt ein verbesserter Wärmeabfluß durch die Rohrwandung infolge der Wärmeleitung im Material. Das aus einem in sich verdrehten bandförmigen Material herge­ stellte Leitelement 13 erstreckt sich vom zentralen Bereich des Zuführungsrohrs bis zu dessen Innenman­ telfläche 19 und ist in seinem mittleren Bereich derart gestaltet, daß der in Richtung des Pfeils 10 durch das Zuführungsrohr 9 durchströmenden Ab­ gasströmung kein Drall vermittelt wird, während in den radial äußeren Bereichen des Leitelements 13 die Strömung der Abgase in Rotation versetzt wird. Die Steigung der Wendel 15'' kann über die Wendel­ längserstreckung konstant sein oder sich verändern, das heißt, zunehmen oder abnehmen.

Es ist möglich, die anhand der Fig. 2 bis 5 be­ schriebenen Leitelemente 13 auch vollständig im Einlaufrohr 11 anzuordnen. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung der Leitelemente möglich, bei der diese teilweise im Zuführungsrohr und teilweise im Einlaufrohr angeordnet sind. Wichtig ist, daß sich mit Hilfe des Leitelements oder der Leitele­ mente ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsquer­ schnittsprofil der Abgasströmung einstellen läßt. Ferner ist festzuhalten, daß bei den Ausführungs­ beispielen, bei denen die Wendel von einem Band, insbesondere Bandblech, gebildet ist, das Band so­ wohl eben als auch in sich gekrümmt sein kann.

Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen das Leit­ element von einer Wendel oder mehreren Wendeln ge­ bildet wird, kann der vom zentralen Bereich der Ab­ gasströmung nach außen hin sich ändernde, variable Drall dadurch erzeugt werden, daß sich die - in Strömungsrichtung der Abgase gesehen - Höhe und/oder der Anstellwinkel der aus einem Band hergestellten Strömungsleitelemente längs des Strömungsweges ver­ ändern. Insbesondere werden durch eine zunehmende Höhe der Leitelemente und somit einen kleiner wer­ denden freien Innenquerschnitt zunehmende Teile der Strömung sukzessive mit einem Drall beschleunigt.

Fig. 6A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leitelements 13, das von einem hier insgesamt acht Leitschaufeln 27 umfassendes Leitrad 29 gebil­ det ist. Die Leitschaufeln 27 sind mit einer still­ stehenden Achse 25 verbunden beziehungsweise an dieser befestigt und verlaufen radial zur senkrecht auf der Bildebene der Fig. 6A stehenden Längsachse der Achse 25. Der Außendurchmesser des Leitrads 29 und der Innendurchmesser des hier nicht dargestell­ ten Zuführungsrohrs oder des konischen Einlaufroh­ res im Bereich des Leitelements sind vorzugsweise gleich groß oder etwa gleich groß. Bei einem ande­ ren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Au­ ßendurchmesser des Leitrads 29 kleiner ist als der Innendurchmesser des Zuführungsrohrs beziehungswei­ se des Einlaufrohres, so daß ein Ringraum bezie­ hungsweise Ringspalt zwischen dem Leitrad und der Innenmantelfläche des Zuführungsrohrs begrenzt wird.

Fig. 6B zeigt eine Seitenansicht des in Fig. 6A dargestellten Leitrads 29, das hier rein beispiel­ haft in einem mit gestrichelter Linie dargestellten Zuführungsrohr 9 angeordnet ist. Es ist ersicht­ lich, daß die identisch ausgebildeten Leitschaufeln 27 mit einer vom Zentrum nach außen zunehmenden Krümmung versehen sind, wobei sich die Längser­ streckung der Leitschaufeln 27 im Zentrum des Zu­ führungsrohrs 9 geradlinig oder etwa geradlinig in Richtung der Längsmittelachse 17 des Zuführungs­ rohrs 9 erstreckt. Im zentralen Bereich des Zufüh­ rungsrohrs 9 weisen die Leitschaufeln 27 also kei­ ne, zumindest aber nur eine geringe Krümmung auf. Die Krümmung der Leitschaufeln nimmt radial nach außen, also in Richtung der Innenmantelfläche 29 des Zuführungsrohrs gesehen, immer weiter, zum Bei­ spiel gleichmäßig, zu.

Anhand von Fig. 7, die insgesamt drei Schnitte durch eine der in den Fig. 6A und 6B dargestell­ ten Leitschaufeln zeigt, wird die Krümmung der Leitschaufeln 27 deutlich. Die oberste Abbildung zeigt die Querschnittsfläche 1 einer unmittelbar im Bereich der Achse 25 geschnittenen Leitschaufel 27. Es ist ersichtlich, daß die Querschnittsfläche I geradlinig ist und in Richtung der Längsmittelachse 17 des Zuführungsrohrs 9 verläuft. Die mittlere Ab­ bildung zeigt eine Querschnittsfläche II der Leit­ schaufel 27, wobei der Schnitt in einem größeren radialen Abstand zur Längsmittelachse 17 liegt als der der oberen Abbildung. Die Querschnittsfläche II weist bereits eine deutlich sichtbare Krümmung auf. Die untere Abbildung der Fig. 7 zeigt eine Quer­ schnittsfläche III der Leitschaufel in einem radial außenliegenden Bereich. Im Bereich der Innenmantel­ fläche weist die Leitschaufel 27 bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ihre größte Krümmung auf.

Fig. 8A und 8B zeigen eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels des Leitelements 13, das hier von einem Leitrad 29' gebildet ist. Dieses unterscheidet sich von dem anhand der Fig. 6A, 6B und 7 beschriebe­ nen Leitrad 29 lediglich dadurch, daß es nur vier Leitschaufeln 27 umfaßt. Diese sind über den Umfang der stillstehenden Achse 25 in einem gleichmäßigen Abstand zueinander gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Beeinflussung der Abgasströmung ist bei dem in den Fig. 8A und 8B dargestellten Ausführungsbei­ spiel des Leitelements 13 geringer als bei dem an­ hand der Fig. 6A, 6B und 7 beschriebenen Leit­ elements, das heißt, daß sowohl der an die Ab­ gasströmung vermittelte Drall kleiner als auch der Druckverlust der Abgasströmung geringer ist.

Den anhand der Fig. 6A bis 8B beschriebenen Leitelementen 13 ist gemeinsam, daß sie sowohl - wie beschrieben - im Zuführungsrohr 9 als auch im Ein­ laufrohr 11 anordenbar sind. Des weiteren ist es möglich, daß das Leitelement mit einen Teil im Zu­ führungsrohr 9 und mit dem restlichen Teil im Ein­ laufrohr 11 angeordnet ist. Bei einer anderen Aus­ führungsvariante ist mindestens eine der Leitschaufeln des das Leitelement 13 bildenden Leitrads an der Innenmantelfläche des Zuführungsrohrs 9 und/oder des Einlaufrohres 11 befestigt oder mit dieser verbunden. Hierbei kann auf die Achse 25, an denen die Leitschaufeln angebracht sind, gegebenen­ falls verzichtet und diese durch einen Kern ersetzt werden.

Aus allem wird deutlich, daß es zur Beeinflussung der Strömung der Abgase, um ein gleichmäßiges Ge­ schwindigkeitsprofil über den Katalysatorquer­ schnitt einzustellen, nicht von Bedeutung ist, wie das Leitelement in dem Zuführungs- und/oder Ein­ laufrohr gehalten ist.

Bei einen in den Figuren nicht dargestellten Aus­ führungsbeispiel sind mehrere Leitelemente 13 - in Strömungsrichtung der Abgase gesehen - hintereinan­ der angeordnet. Die Leitelemente können vom glei­ chen Typ, also mindestens Wendel oder Leitrad, sein oder unterschiedlich.

Fig. 9A zeigt eine Vorderansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Katalysators 3 einer Rei­ nigungsvorrichtung 1, dem ein Zuführungsrohr 9 und ein sich daran anschließendes konusförmiges Ein­ laufrohr 11 zugeordnet ist. Bei diesem Ausführungs­ beispiel mündet in das Zuführungsrohr 9 ein geboge­ nes beziehungsweise eine Krümmung aufweisendes Leitrohr 31, das ein Leitelement 13 zur Beeinflus­ sung der Abgasströmung bildet, mit dem ein gleich­ mäßiges Geschwindigkeitsprofil der Strömung über den Katalysatorquerschnitt erzeugt werden kann. Die Längsmittelachse 33 des Leitrohrs 31 liegt versetzt zur Längsmittelachse 17 des Zuführungsrohrs 9, so daß die beiden Längsmittelachsen einen spitzen Win­ kel miteinander einschließen. Aufgrund dieser Aus­ gestaltung wird den vom Leitrohr 31 in das Zufüh­ rungsrohr 9 einströmenden Abgasen ein Drall vermit­ telt, der die Abgasströmung in Rotation um die Längsmittelachse 17 des Zuführungsrohrs 9 bezie­ hungsweise des Einlaufrohres 9 versetzt. Auch bei dieser Ausgestaltung des Leitelements 13 kann ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil der Abgasströ­ mung erzeugt werden, so daß eine gleichmäßige Durchströmung mit einer über den Querschnitt des Katalysators konstanten Geschwindigkeit der Ab­ gasströmung realisierbar ist.

Wesentlich für den Einsatz der oben beschriebenen Leitelemente in der Praxis ist, daß die Leitelemen­ te einen geringen Druckverlust aufweisen. Hierzu ist es günstig, wenn der Drall der Strömung nicht plötzlich, sondern kontinuierlich aufgeprägt, das heißt der Abgasströmung vermittelt wird. Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen das Leitelement von einer Wendel oder mehreren Wendeln gebildet ist, läßt sich besonders vorteilhaft durch eine sich progressiv ändernde Steigung der Wendel bezie­ hungsweise Wendeln ein sich stetig zunehmender Drall auf die Strömung der Abgase aufprägen.

Ein Problem der bekannten, überwiegend in der Mitte befestigten Einbauten beziehungsweise Leitelemente zur Beeinflussung der Abgasströmung ergibt sich aus der hohen Abgastemperatur. Bei bestimmten Lastzu­ ständen des Antriebsaggregats beziehungsweise Ver­ brennungsmotors kann die Abgastemperatur auf bis zu 1.000°C ansteigen, insbesondere dann, wenn der Ka­ talysator in motornaher Position angeordnet ist. Das Leitelement in der Abgasströmung kann sich da­ bei auf sehr hohe Temperaturen erwärmen, wodurch dessen Material einer sehr hohen Beanspruchung un­ terworfen wird. Es hat sich gezeigt, daß es je nach Material zu Festigkeitsproblemen kommen kann. Das Abgasrohr beziehungsweise das Zuführungs- und Ein­ laufrohr sind zwar auf ihrer Innenseite den Abga­ stemperaturen ausgesetzt, jedoch stehen sie auf ih­ rer Außenseite mit der Umgebungsluft in Verbindung, so daß sich die Temperatur der Rohre selbst auf ei­ ne Temperatur einstellt, die kleiner ist als die Abgastemperatur. Besonders vorteilhaft ist es da­ her, wenn das beziehungsweise die drallerzeugenden Leitelemente an der Rohrwandung des Zuführungsroh­ res und - je nach Anordnung und Ausgestaltung des Leitelements - gegebenenfalls des Einlaufrohres be­ festigt sind. Bei Befestigung der Leitelemente an der Rohrwandung erfolgt aufgrund der Wärmeleitung im Material ein guter Wärmeabfluß durch die Rohr­ wandung. Über diesen "Rippeneffekt" erfolgt eine Kühlung der Leitelemente, so daß diese eine Tempe­ ratur aufweisen, die etwas oberhalb der Rohrtempe­ ratur liegt. Bei allen anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen der Leitelemente (Wendel, Leitrad) ist es daher vor­ teilhaft, diese an der Rohrwandung, das heißt der Innenmantelfläche des beziehungsweise der Rohre zu befestigen. Dadurch kann auf die stationäre Achse 25, an der das in den Fig. 5A bis 8B dargestell­ te Leitelement befestigt ist, gegebenenfalls ver­ zichtet und die Achse bei den Ausführungsbeispie­ len, bei denen das Leitelement von einem Leitrad gebildet ist, durch einen Kern ersetzt werden, an dem die Leitschaufeln angebracht sind.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der Strömung der Abgase über ihren Querschnitt ein un­ terschiedlicher und vorzugsweise variabler Drall vermittelt wird, wodurch die Abgasströmung im ko­ nusförmigen Einlaufrohr definiert radial nach außen gedrängt wird. Dadurch kann ein gleichmäßiges oder weitgehend gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil am Eintritt in den Katalysator erzeugt werden. Durch den unterschiedlichen Drall, der der Abgasströmung vermittelt wird, wird eine Strömungsablösung in dem sich konusförmig erweiternden Einlaufrohr vermie­ den.

Aus allem wird deutlich, daß mittels der anhand der Figuren beschriebenen Leitelemente die Abgasströ­ mung so beeinflußt werden kann, daß am Eintritt in den Katalysator ein gleichmäßiges Geschwindigkeits­ profil vorliegt. Dazu muß, wie gesagt, der Ab­ gasströmung an jeder Stelle des Strömungsquer­ schnitts ein jeweils genau so starker Drall vermit­ telt werden, daß der jeweilige Teil der Strömung um genau das erforderliche Maß nach außen gedrängt wird.

Durch die gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung im Katalysator erfolgt eine sehr gleichmäßige Nut­ zung des gesamten Katalysatorvolumens. Infolge die­ ser gleichmäßigen Nutzung läßt sich gegenüber den bekannten Katalysatoren das Volumen des Katalysa­ tors deutlich verringern. Dadurch kann die Baulänge und/oder der Durchmesser des Katalysators reduziert werden. Da für ein besseres Kaltstartverhalten die Katalysatoren zunehmend näher am Motor des Fahrzeu­ ges angeordnet werden, ist ein reduziertes Bauvolu­ men des Katalysators besonders wichtig.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen, insbeson­ dere Kraftfahrzeugabgasen, mit einem von den Abga­ sen durchströmbaren, gasdurchlässiges Trägermate­ rial aufweisenden Katalysator, dem mindestens ein das Abgas zuführendes Zuführungsrohr und ein sich daran anschließendes Einlaufrohr zugeordnet ist, und mit mindestens einem im Zuführungsrohr und/oder im Einlaufrohr angeordneten Leitelement zur Strö­ mungsbeeinflussung der Abgase, dadurch gekennzeich­ net, daß das Leitelement (13) derart ausgebildet ist, daß es die Strömung der Abgase in ihrem zen­ tralen Bereich nicht oder nur wenig beeinflußt und im das Zentrum umgebenden radialen Bereich einen Drall vermittelt.

2. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall um die Längsmit­ telachse (17) des Zuführungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11) erfolgt.

3. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) als Wendel (15, 15'; 15'') ausgebildet ist.

4. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wendel (15, 15', 15'') unmittelbar von der Innen­ mantelfläche (19) des Zuführungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11) oder mit radialem Abstand von der Innenmantelfläche (19) quer zur Richtung der Längsmittelachse (17) erstreckt und daß das Zufüh­ rungsrohr (9) und/oder Einlaufrohr (11) im zentra­ len Bereich einen freien Querschnitt aufwei­ sen/aufweist.

5. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens zwei Leitelemente (13), insbesondere Wendel (15, 15') vorgesehen sind, die berührungsfrei umein­ ander herum gewunden angeordnet sind.

6. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (15) von einem Wendelsteg (21) gebildet ist, der eine Stegbreite (B) aufweist, die über die Wen­ dellängserstreckung konstant ist, zunimmt oder ab­ nimmt.

7. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Wendel (15) über die Wendellängser­ streckung konstant ist, zunimmt, insbesondere pro­ gressiv zunimmt, oder abnimmt.

8. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendelsteg (21) senkrecht auf der Innenmantelfläche (19) steht oder mit dieser einen stumpfen oder ei­ nen spitzen Winkel einschließt.

9. Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Winkel über die Wen­ dellängserstreckung verändert.

10. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendelsteg (21) eine Breite (B) aufweist, die eben­ so groß oder kleiner ist als der freie Durchmesser des Zuführungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11).

11. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) als feststehendes Leitrad (29) ausgebildet ist.

12. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (29) radial verlaufende Leitschaufeln (27) aufweist.

13. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (27) mit einer vom Zentrum nach außen zunehmenden Krümmung versehen sind.

14. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längserstreckung der Leitschaufeln (27) im Zen­ trum geradlinig oder etwa geradlinig in Richtung der Längsmittelachse (17) des Zuführungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11) erstreckt.

15. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall mittels eines in das Zuführungsrohr (9) und/oder Einlaufrohr (11) mündendes Leitrohr (31) gebildet wird, wobei die Längsmittelachse (33) des Leitrohrs (31) zur Längsmittelachse (17) des Zufüh­ rungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11) ver­ setzt liegt und daß beide Längsmittelachsen (17, 33) einen spitzen Winkel miteinander einschließen.

16. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Leitelemente (13) - in Strömungsrichtung (Pfeil (10)) der Abgase gesehen - hintereinander angeordnet sind.

17. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) an der Innenmantelfläche (19) des Zuführungsrohres (9) und/oder Einlaufrohres (11) befestigt oder mit diesem verbunden ist.

18. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) im Zentrum an einer stillstehenden Achse (25) befestigt ist.

19. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) aus einem bandförmigen Material hergestellt ist.

20. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (13) aus Blech, vorzugsweise Stahl­ blech, oder Keramik besteht.

21. Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß - in Strömungsrichtung der Abgase und/oder quer dazu ge­ sehen - die Breite der Leitschaufeln (27) von der Mitte des Leitrads (29, 29') nach außen hin zunimmt.