DE19938038A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender Zelldichte - Google Patents
Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender ZelldichteInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem aktiven Abschnitt, einem Substrat variierender Zelldichte 20, wobei die Dichten der Zellgruppen (20A, 20B, 20C) so angeordnet sind, daß ein gleichmäßiger Fluß durch das gesamte Substrat (20, 22) gefördert wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge. Sie be
zieht sich also auf die Behandlung von Automobilabgasen, um verschiedene
gesteuerte Emissionskomponenten zu entfernen.
Automobilabgas-Emissionssteuerungsgesetze werden immer strenger,
wobei die Kraftfahrzeughersteller versuchen, die Wirksamkeit von
Abgasemissionssteuerungskonvertern zu verbessern. In dieser Anmeldung
wird die Bezeichnung "Konverter" für einen konventionellen oxidierenden
Katalysator (COC), einen Dreiwegekatalysator (TWC), eine NOx-Falle,
einen thermischen Reaktor oder einen anderen Typ Vorrichtungen
venrvendet, die allgemein axiale Flußpassagen in einem extrudierten
Keramikmonolithen oder einer anderen Konstruktion besitzen.
Erfindungsgemäß ist bestimmt worden, daß die Flußcharakteristika durch
konventionell hergestellte keramische Monolithen keinen effizienten
Betrieb eines Katalysators fördern, da Flußfehlleitung in vielen Konvertern
auftritt: Beispielsweise besitzt ein Konverter nach dem Stand der Technik,
wie in Fig. 5 dargestellt, eine einheitliche Zelldichte (s. Fig. 4) von etwa 62
Zellen/cm2 (400 Zellen/inch2), wobei die Flußfehlleitung wie in Fig. 6 und 7
dargestellt, auftritt. Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht des Konverters der Fig. 5
und zeigt, daß der Hauptfluß im unteren Bereich des Substrats stattfindet;
Fig. 7 zeigt, daß der Hauptfluß ferner auf die Außenkanten des Substrats
begrenzt ist, wobei lediglich ein geringer Teil des Flusses durch den
Mittelabschnitt des Substrats verläuft. Demzufolge wird ein großer Anteil des
Substrats nicht ausreichend genutzt. Der in den Fig. 6 und 7 dargestellte
Fluß stammt teilweise aus der 90°-Biegung, die die Gase beim Eintritt in den
Konverter der Fig. 5 durchlaufen.
Falls der Konverter einen geraden Flußeintritt aufweist, wie in Fig. 8 und 9
gezeigt, treten ähnliche Resultate auf. Die Höchstfließgeschwindigkeiten
treten im Zentrum auf und fallen zu den Seiten ab. So tritt wieder eine Fehl
leitung des Flusses durch den Konverter auf.
Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Konverter zu
schaffen, der die Nachteile der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik
vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäß konstruierter Konverter löst die oben genannten
Probleme, indem eine gleichmäßigere Ausnutzung des katalytischen
Materials durch den Abgasfluß erzielt wird, um die Konversionseffizienz zu
erhöhen, während sich der Abgassystemrückdruck erniedrigt, wodurch ein
besseres Fahrzeugverhalten unterstützt wird.
Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung umfaßt ein Einlaß
rohr sowie einen Diffuserabschnitt, um Abgas vom Motor zum aktiven Ab
schnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen und einen Auslaßabschnitt,
um behandeltes Abgas aus dem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrich
tung zum stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Abgassystems zu führen.
Ein aktiver Abschnitt umfaßt ein zellvariantes Substrat mit darauf abge
schiedenem aktiven "Washcoat", das mehrere parallele Flußpfade aufweist,
wobei die Pfade mindestens eine erste Gruppe Zellen mit einer höheren
Dichte und eine zweite Gruppe Zellen mit einer niedrigeren Dichte aufweist.
Die ersten und zweiten Zellgruppen sind im Substrat so angeordnet, daß die
erste Gruppe Zellen höherer Dichte dem Abgas, das mit relativ höherer Ge
schwindigkeit fließt, ausgesetzt sind, während die zweite Gruppe Zellen
niedrigerer Dichte Abgas mit relativ niedrigerer Geschwindigkeit ausgesetzt
ist.
Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung kann ferner einen
aktiven Abschnitt mit einem zellvarianten Substrat variabler Zelldichte auf
weisen, gefolgt durch ein zweites Substrat mit invarianter Zelldichte.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß eine erfindungsgemäße Abgasbehand
lungsvorrichtung überlegenen Behandlungsfähigkeiten aufgrund der Anpas
sung der Abgasfließgeschwindigkeiten an die Zelldichte schafft, während ein
niedrigerer Abgassystemrückdruck ermöglicht wird.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß ein erfindungsgemäß herge
stellter Abagskonverter in ein Gehäuse geringeren Volumens aufgrund er
höhter Effizienz gepackt werden kann.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die erfindungsgemäß konstru
ierte Vorrichtung mit weniger Edelmetallbeladung bei niedrigeren Kosten
hergestellt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich dem Fach
mann aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand be
vorzugter Ausführungsbeispiele, auf die sie keinesfalls begrenzt ist, erläutert
wird. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer zellvarianten mololithischen
Substratstruktur gemäß Erfindung;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem zellvarianten
mololithischen Substrat;
Fig. 4 ein zellinvariantes mololithisches Substrat gemäß dem Stand der
Technik.
Fig. 5 eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach dem Stand der Technik mit
einem zellinvarianten ersten aktiven Abschnitt;
Fig. 6 und 7 Fließmuster innerhalb der Vorrichtung nach dem Stand der
Technik der Fig. 5;
Fig. 8 und 9 Fließmuster durch eine Vorrichtung nach dem Stand der
Technik ähnlich der Fig. 5, die jedoch einen geraden Einlaß anstelle eines
gebogenen Einlasses aufweist; und
Fig. 10 und 11 erläutern den Fluß durch einen gemäß Fig. 1 konstruierten
Konverter.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß der
Erfindung ein Einlaßrohr 12, gefolgt durch einen Diffuser 14. Nach Fluß
durch den Diffuser 14 passiert Abgas das zellvariante Substrat 20 mit dem
chemisch aktiven Washcoat darauf. Substrat 20 ist mit drei Zellgruppen mit
unterschiedlichen Dichten dargestellt; wie speziell in Fig. 2 gezeigt, ist eine
erste Gruppe mit höchster Dichte in der Nähe des Zentrums der Substrats
22 angeordnet. Diese Gruppe, die als 20A bezeichnet wird, besitzt eine
Dichte von etwa 93 Zellen/cm2 (600 Zellen/inch2). Unmittelbar umgibt diese
die Gruppe 20B mit einer Dichte von etwa 62 Zellen/cm2 (400 Zellen/inch2).
Schließlich besitzt die Gruppe 20C, die den Rest des Substrats 20 bildet, eine
Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 (200 Zellen/Inch2).
Das Substrat 20 wird vom Substrat 22 mit invarianter Zellenkonstruktion
gefolgt. Es ist bestimmt worden, daß der Fluß durch das erste Substrat 20
sich begradigt und den Fluß ausreichend ausgleicht, so daß im Substrat 22
keine zellvariante Konstruktion benötigt wird. Die Wirkung der zellvarianten
Konstruktion des Substrats 20 ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Wie aus
diesen Figur ersichtlich, ist der resultierende Fluß konsistenter über das
Substrat als die Flüsse durch die Substrate nach dem Stand der Technik,
die in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Derart ist die Abgasbehand
lungsfähigkeit verbessert, da der Fluß durch verschiedene Abschnitte des
Katalysators konsistenter ist. Ferner kann der Abgassystemrückdruck da
durch reduziert werden, indem, die Dichte sich bis zu einem Punkt erniedri
gen kann, an dem eine akzeptable Konversion erreicht wird, aber bei niedri
gerem Flußwiderstand.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines zellvarianten Substrats gemäß der Endung
zu Einsatz mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung ohne die 90°-Einlaß
krümmung, wie in Fig. 1 gezeigt. Bemerkenswerterweise sind die Zonen von
93, 62 und 31 Zellen/cm2 stärker um das geometrische Zentrum des
Substrats zentriert.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrie
ben gezeigt wurde, ist es dem Fachmann offensichtlich, daß mannigfaltige
Abwandlungen und Modifikationen möglich sind, ohne sich dem Schutzum
fang der Ansprüche zu entfernen.
12 Einlaßrohr
14 Diffuser
20 zellvariantes Substrat (erstes Substrat)
20A 93 Zellen/cm2
20B 62 Zellen/cm2
20C 31 Zellen/cm2
22 Substrat, nicht zellvariant (zweites Substrat)
24 geometrisches Zentrum von 22
14 Diffuser
20 zellvariantes Substrat (erstes Substrat)
20A 93 Zellen/cm2
20B 62 Zellen/cm2
20C 31 Zellen/cm2
22 Substrat, nicht zellvariant (zweites Substrat)
24 geometrisches Zentrum von 22
Claims (13)
1. Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit:
einem Einlaßrohr (12) und Diffuserabschnitt (14), um Abgas vom Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgases vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit darauf abgeschiedenem aktivem Washcoat, das mehrere parallele Flußwege aufweist, von denen min destens eine erste Zeligruppe eine höhere Dichte (20A) und eine zweite Zeligruppe (20C) eine niedrigere Dichte aufweisen.
einem Einlaßrohr (12) und Diffuserabschnitt (14), um Abgas vom Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgases vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit darauf abgeschiedenem aktivem Washcoat, das mehrere parallele Flußwege aufweist, von denen min destens eine erste Zeligruppe eine höhere Dichte (20A) und eine zweite Zeligruppe (20C) eine niedrigere Dichte aufweisen.
2. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie einen katalytischen Konverter aufweist.
3. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie einen thermischen Reaktor aufweist.
4. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abgasbehandlungsvorrichtung eine NOx-Falle aufweist.
5. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste und zweite Zellgruppe (20A, 20C) innerhalb des Substrats (20) so
angeordnet sind, daß die erste Zellgruppe höherer Dichte (20A) dem
Abgasstrom mit relativ höherer Geschwindigkeit und die zweite Zellgruppe
niedrigerer Dichte (20C) dem Abgasstrom relativ niedrigerer Geschwindigkeit
ausgesetzt ist.
6. Die Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (20) als Zylinder mit einem im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt ausgebildet ist, wobei die Zellen höherer Dichte (20A) um eine
Mittelachse des Substrats (20) und die Zellen niedrigerer Dichte (20C) an der
Peripherie des Substrats (20) angeordnet sind.
7. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (22) als Zylinder allgemein elliptischen Querschnitts konfiguriert ist,
wobei Zellen höherer Dichte um eine Mittelachse des Substrats (20) und
diejenigen niedrigerer Dichte um die Peripherie des Substrats (22) angeordnet
sind.
8. Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:
einem Einlaßrohr (12), einem Diffuserabschnitt (14), um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit mehreren parallelen Flußwegen, wobei die Flußwege eine erste Zellgruppe mit einer Dichte von mindestens 62 Zellen/cm2 und eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweisen, wobei die erste Gruppe Zellen so angeordnet ist, daß sie einen Abgasfluß mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweite Gruppe Zellen so angeordnet sind, daß sie einen Abgasfluß mit niedrigerer Geschwindigkeit empfängt.
einem Einlaßrohr (12), einem Diffuserabschnitt (14), um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit mehreren parallelen Flußwegen, wobei die Flußwege eine erste Zellgruppe mit einer Dichte von mindestens 62 Zellen/cm2 und eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweisen, wobei die erste Gruppe Zellen so angeordnet ist, daß sie einen Abgasfluß mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweite Gruppe Zellen so angeordnet sind, daß sie einen Abgasfluß mit niedrigerer Geschwindigkeit empfängt.
9. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (22) einen keramischen Monolithen aufweist.
10. Abgasbehandlungsvorrichtung, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (22) einen extrudierten keramischen Monolithen aufweist.
11. Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:
einem Einlaßrohr (12) und einem Diffuserabschnitt, (14) um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt eines Abgassystems zu leiten; und
einen aktiven Abschnitt mit einem zellvarianten Substrat (20), das mehrere sich axial erstreckende parallele Flußwege aufweist, wobei die Flußwege eine erste Zellgtruppe mit einer Dichte von etwa 93 Zellen/cm2, eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 62 Zellen/cm2 und eine dritte Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweist, wobei die erste Zellgruppe so angeordnet ist, daß sie Abgas mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweiten und dritten Gruppen Zellen so angeordnet sind, daß sie Abgas mit progressiv niedrigeren Geschwindigkeiten auffangen.
einem Einlaßrohr (12) und einem Diffuserabschnitt, (14) um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt eines Abgassystems zu leiten; und
einen aktiven Abschnitt mit einem zellvarianten Substrat (20), das mehrere sich axial erstreckende parallele Flußwege aufweist, wobei die Flußwege eine erste Zellgtruppe mit einer Dichte von etwa 93 Zellen/cm2, eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 62 Zellen/cm2 und eine dritte Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweist, wobei die erste Zellgruppe so angeordnet ist, daß sie Abgas mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweiten und dritten Gruppen Zellen so angeordnet sind, daß sie Abgas mit progressiv niedrigeren Geschwindigkeiten auffangen.
12. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der aktive Abschnitt ferner ein zweites Substrat (22) mit einem nicht
chemisch aktiven Washcoat invarianter Zelldichte aufweist, das stromabwärts
des zellvarianten Substrats (20) angeordnet ist.
13. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der aktive Abschnitt ferner einen auf dem Substrat aufgebrachten chemisch
aktiven Washcoat aufweist.
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