DE2242856A1

DE2242856A1 - Auspufftopf mit katalysator mit vertikaler durchflussrichtung

Info

Publication number: DE2242856A1
Application number: DE2242856A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Alfa Romeo SpA
Current assignee: Alfa Romeo SpA
Priority date: 1971-08-31
Filing date: 1972-08-31
Publication date: 1973-03-08
Also published as: GB1406076A; US4086063A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EiTLE · Dfi. RHH. NAT. X. HOFFMANN

PATBWTAIiWl-LXE D.8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (OBIl) 911087

Alfa Romeo S.ρ.Α., Mailand / Italien

Auspufftopf mit Katalysator mit vertikaler Durchflußrichtung

Die- Erfindung bezieht sich auf einen Auspufftopf mit Katalysator, welcher in die Auslaßleitung einer Verbrennungsmaschine für ein Kraftfahrzeug eingesetzt ist.

Es ist bekannt, daß die Luftverschmutzungsprobleme von Tag zu Tag ernster werden. Hierzu gehören auch die Probleme, die mit den Auspuffgasen von Kraftfahrzeugen verbunden sind.

Es ist bekannt, daß eines der Verfahren, die sich für die Lösung dieser Probleme als sehr wirksam erweisen, der Einbau eines katalytischen Auspufftopfes in der Auslaßlei-

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tung eines Motors ist, so daß die Auspuffgase durch diesen hindurch geleitet werden, bevor sie nach außen an die Atmosphäre abgegeben werden.

Die Auspuffgase erreichen den Auspufftopf, während sie noch unverbrannte Bestandteile verschiedener Arten enthalten. Aber sie enthalten auch eine Menge an Sau-erstoff, die so hoch ist, daß sie die Verbrennung dieser unverbrannten Bestandteile ermöglicht; falls die vorgenannte Sauerstoffmenge noch nicht in den vom Zylinder kommenden Auspuffgasen enthalten ist, so wird in die Auspuffgase Sauerstoff eingespritzt, bevor diese in den Auspufftopf gelangen. Es ist offensichtlich, daß bei einem katalytischen Auspufftopf die Gegenwart eines Katalysators für die Anregung der Verbrennung der unverbrannten Bestandteile unter Einwirkung von Sauerstoff verantwortlich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Reihe von Problemen zu lösen, wenn ein katalytischer Auspufftopf vorgesehen wird; dazu gehören im wesentlichen die folgenden Punkte:

1) die Verwendung der Katälysatormasse in einem solchen Umfang, daß eine maximale Wirkung erzielt wird, ohne daß die Arbeitsweise des Motors beeinträchtigt wird;

2) rechtzeitige Aufrechterhaltung dieser Wirkung;

3) technische Herstellung des Behälters, auch angesichts seiner effektiven Lebensdauer;

4) Abstimmung der Form und der Größe des Auspufftopfes auf die räumlichen Gegebenheiten im Fahrzeug.

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, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Auspufftopf der eingangs beschriebenen Art gelöst durch

a) ein äußeres Gehäuse in Form eines im wesentlichen flachen Zylinders, dessen Achse im wesentlichen vertikal angeordnet ist, wobei das Gehäuse aus einer vollkommen ebenen oberen Wandung mit kreisförmigem Umriß, einer ebenso geformten unteren Wandung und einer zylindrischen Wandung, deren Kanten mit den Kanten der im wesentlichen ebenen Wandungen mit kreisförmigem Umriß verbunden sind;

b) einem Katalysatorelement, ebenfalls in Form eines im wesentlichen flachen Zylinders, welches im Inneren des Gehäuses koaxial zu diesem angeordnet ist, wobei die zylindrische Außenfläche des Katalysatorelements gasundurchlässig ist, so daß die Strömungsrichtung der Gase durch das Katalysatorelement vorwiegend in einer zur Erzeugungslinie und zur Achse des Zylinders parallelen Richtung verläuft;

c) eine im wesentlichen ringförmige Wandung, deren im wesentlichen kreisförmige Außenwandung mit der zylindrischen Wandung des äußeren Gehäuses und deren ebenfalls im wesentlichen kreisförmige Innenkante mit der zylindrischen Außenfläche des Katalysatorelementes verbunden sind, wobei die ringförmige Wandung den zwischen dem äußeren Gehäuse und dem Katalysatorelement liegenden Raum in zwei Kammern unterteilt, wobei die obere Kammer zum Leiten der Gase vorgesehen istind aus einem ringförmigen Raum oberhalb der ringförmigen Wandung und aus einem im wesentlichen flachen zylindrischen Raum oberhalb der oberen Wandung des Katalysatorelements besteht, während die untere Kammer als Gasauslaßrohr dient und in gleicher Weise aus einem ringförmigen Raum unterhalb der ringförmigen Wandung und einem im wesentlichen flachen zylindrischen Raum unterhalb' der unteren Wandung des Katalysatorelementes besteht;

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d) einer ersten Leitung (Gaseinlaßleitung), die mit der oberhalb der ringförmigen Wandung liegenden Wandung des Gehäuses verbunden ist, und

e) einer zweiten Leitung (Gasauslaßleitung), die mit der unterhalb der ringförmigen Wandung liegenden Wandung des Gehäuses verbunden ist.

In Verbindung mit dem letztgenannten Problem weist der erfindungsgemäße Auspufftopf eine abgeflachte Form auf, so daß er unter dem Boden des Fahrzeugs angebracht werden kann, ohne die Geräumigkeit des Fahrzeugs einzuschränken (oder auch nur auf ein Minimum zu begrenzen), während ein angemessener Abstand zum Boden eingehalten wird. Bei einem Fahrzeug mit Frontantrieb ermöglicht diese Lösung den Einbau des Auspufftopfes im geeignetsten Abstand vom Motor im Hinblick auf die für den Betrieb des Katalysatormaterials benötigte optimale Temperaturbedingung, da die Temperatur in diesem Fall entlang der Auslaßleitung zum Auslaß hin abnimmt (vgl. Problem Nr. 1).

Um die Wirksamkeit des Motors nicht zu beeinträchtigen (vgl. Problem Nr. 2) ist es andererseits erforderlich, daß der Druckabfall, dem die Auspuffgase unterliegen, wenn sie durch den Auspufftopf strömen, klein ist, so daß es unbedingt erforderlich ist, die Dicke der Katalysatormasse, durch die die Auspuffgase strömen, und die Strömungsgeschwindigkeit so weitgehend wie möglich einzuschränken: diese beiden Bedingungen wurden dadurch erfüllt, daß die Strömungsrichtung durch die Katalysatormasse des flachen Auspufftopfes (der horizontal unter dem Fahrzeug angebracht ist) vertikal verläuft.

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Weiterhin haben Überlegungen über die physikalischen Erscheinungen, die in den Auspuffgasen festzustellen sind, wenn sie durch die Katalysatormasse strömen, in Verbindung mit dem erstgenannten Problem dazu geführt, daß der vertikale Druchstrom nach unten gerichtet wird: es ist eine Tatsache, daß bei kaltem Motor, d. h. wenn die Auspuffgase nicht zu heiß sind, auch die Katalysatormasse kalt ist und den Gasen Wärme entzieht (tatsächlich sollte für das Katalysatormaterial zur Entfaltung seiner vollen Wirksamkeit eine gewisse Temperatur erzielt werden), und daß damit die Gase so/abgekühlt werden, daß eine Kondensation von Reäktionswasser zu beobachten ist. Das aufgrund der Wirkung des unterschiedlichen Druckes oberhalb und unterhalb der Katalysatormasse entstehende Kondenswasser, auf welches auch die Schwerkraft im Fall einer nach unten gerichteten Strömungsrichtung einwirkt, wird von der Katalysatormasse ausgetrieben, wobei ein beträchtlicher Nachteil in.bezug auf die Erwärmungszeit der Masse insofern auftritt, als diese Wassertröpfchen an Stellen, an denen mehr als 1OÖ°C gemessen werden.« nicht mehr vorhanden sind. Diese entziehen wegen ihrer Neigung zu verdampfen, den Auspuffgasen die Wärme, und verzögern so die Erwärmung des Katalysators. Der vertikale Durchfluß wurde auch in Verbindung mit dem an zweiter Stelle genannten Problem nach unten gerichtet. Es werden sehr häufig körnige Katalysatoren ver wendet und deren effektive Lebensdauer könnte tatsächlich durch bekannte Reibungserscheinungen beeinträchtigt werden, d. h. durch die Reibung der Körnchen an ihren gemeinsamen Berührungsflächen aufgrund ihrer Bewegung relativ zueinander. Diese relativen Bewegungen können sowohl durch Beschleunigungen aufgrund von Schwingungen auftreten, denen der Auspufftopf wegen seiner Verbindung mit dem Motor unterworfen ist, als auch aufgrund der Stöße der durch die granulierte Masse strömenden Auspuffgase.

Eine eingehende Untersuchung dieser Erscheinung hat gezeigt, daß die relativen Bewegungen der Körnchen untereinander

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nur verhindert werden können, wenn der unterschiedliche Druck des Oases wegen des Durchflusses durch eine einzige Schicht von Körnchen auf jedes derselben in der gleichen Richtung einwirkt in der die Schwerkraft wirkt und wenn ein derartiger Differenzdruck einen gewissen Wert, bei dem die auf die Körnchen ausgeübte Kraft einen gewissen Betrag Übersteigt überschreitet, wobei auf das Körnchen aufgrund der Schwingungen und damit aufgrund der periodisch veränderbaren Beschleunigungen, denen der Auspufftopf (und damit ein Körnchen, von dem angenommen wird, daß es integral mit diesem ausgebildet sei) unterliegt, diese Kraft einwirkt.

Weiterhin wurde festgestellt, daß solche optimalen Bedingungen, bei denen der Auspufftopf in der hier beschriebenen Weise ausgebildet ist, erzielt werden können, unabhängig von den Verwendungsbedingungen des Motors, da einerseits die Körnchen ein geringes Gewicht aufweisen und da andererseits bei geringer Drehzahl des Motors die Durchflußrate der Oase und damit die Druckunterschiede klein sind und da außerdem auch die Schwingungen gering sind, während bei hoher Drehzahl des Motors die Schwingungen stärker und auch die Gasdurchflußrate und damit die Druckunterschiede höher sind.

Wegen der vorgenannten flachen Form und der geringeren Dicke der Katalysatorschicht, durch die das Gas fließen soll, stellt sich jedoch bezüglich des obengenannten ersten Problems eine beträchtliche Schwierigkeit, nämlich die optimale Ausnutzung der Katalysatormasse angesichts der senkrecht zum Durchfluß feststellbaren Querschnittsfläche, da nämlich die Ausnutzung nur dann einen optimalen Wert erreicht, wenn die Durchflußgeschwindigkeit des Gases durch die Schicht an allen Punkten der senkrechten Querschnittsfläche gleich ist. Dies kann nur dann erreicht werden, wenn der Druckunterschied oberhalb und unterhalb der Schicht für alle Punkte der fraglichen Querschnittsfläche gleich 1st. Die räumlichen Gegebenheiten (vgl. Problem 4)

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verhindern die offensichtlichste Lösung, daß nämlich zwei größere Räume vorgesehen werden, einer (der die Punktion einer Fördereinrichtung hat) oberhalb der Schicht und einer (der als Auspuffrohr dient) unterhalb der Schicht, wobei der Druck/an jedem Punkt der beiden Räume konstant ist, da die Strömungsgeschwindigkeit des Gases außerordentlich gering ist.

' Bei dem erfindungsgemäßen Auspufftopf wurde· diese Schwierigkeit dadurch ausgeräumt, daß er so angeordnet wurde, daß an verschiedenen Punkten an der Oberfläche des Katalysatorelements die zuströmenden Gase in der Förderleitung eine im wesentlichen zu dieser parallele Richtung aufweisen, und daß die Strömungsquerschnittsfläche in der Förderleitung (senkrecht zur Durchflußrichtung) allmählich entlang des Strömungsweges und proportional zu der allmählich übrigbleibenden Durchflußrate abnimmt. Dadurch ist entlang der verschiedenen Strömungsleitungen die Strömungsgeschwindigkeit des Gases konstant, und damit bleibt auch der Druck an allen Punkten der Oberfläche des Katalysatorelementes gleich. In gleicher Weise verläuft die Strömungsrichtung der aus dem Katalysatorelement austretenden Gase in der Auspuffleitung parallel zur Bodenfläche des Katalysators; die Strömungsquerschnittsflächen nehmen bei zunehmender Durchflußrate entlang des Strömungsweges allmählich zu, so daß sowohl die Geschwindigkeit wie auch der Druck an allen Punkten der Bodenfläche des Katalysatorelementes gleich bleiben. Insbesondere wird bei dem Auspufftopf gemäß der vorliegenden Erfindung der vorgenannte Zustand bezüglich der konstanten Durchflußgeschwindigkeit für die Gase (sowohl oberhalb als auch unterhalb des Katalysatorelementes) am Einlaß mittels eines Gasflusses erzielt, welcher tatsächlich in radialer und zentripetaler Richtung verläuft, während am Auslaß die Richtung wirklich radial und zentrifugal verläuft, vorausgesetzt, daß der Durchmesser des vorgenannten Gasflusses in vertikaler Richtung entlang des radialen Strömungsweges konstant gehalten wird, da das Katalysatorelement eine flache

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zylindrische Form aufweist, deren Grundflächen tatsächlich kreisförmig sind. Dies bedeutet, daß zwischen der oberen Wandung-des Förderrohres und der Oberfläche des Katalysators der Abstand an allen Stellen gleich groß ist, was auch auf den Abstand zwischen der Bodenfläche des Katalysators und der unteren Wandung der Auspuffleitung zutrifft. Bei einer derartigen Ausbildung sind die senkrecht zum Gasfluß im Inneren des Förderrohres und der Auspuffleitung verlaufenden Querschnittsflächen immer proportional zur Gasdurchflußrate an dieser Stelle: Damit ist die Strömungsgeschwindigkeit - und auch der Druck - immer konstant.

Bei einem AusfUhrungsbeispiel für den Aufbau des Auspufftopfes wurde der im Vorhergehenden genannte Grundgedanke (den Strömungsquerschnitt variieren zu lassen, damit er proportional zur Gasdurchflußrate an der betreffenden Stelle gehalten wird) auch bezüglich der peripheren ringförmigen Bereiche am Förderrohr und an der Auspuffleitung beibehalten, damit auch die Geschwindigkeit und der Druck ebenfalls an allen Stellen dieses Bereiches konstant gehalten werden.

Was nun das dritte der vorgenannten Probleme angeht, so wurde beobachtet, daß bei dem erfindungsgemäßen Auspufftopf, welcher im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert wird* die Wandungen des Katalysators (die auf eine höhere Temperatur gebracht werden) die Fähigkeit haben, sich in anderer Weise als der Auspufftopf auszudehnen. Die Verbindung wird tatsächlich durch eine einzige ringförmige Wandung erreicht, die entsprechend gerippt ist, so daß die verschiedenen Ausdehnungen möglich sind, ohne daß innere Spannungen entstehen, die für eine lange effektive Lebensdauer eines Auspufftopfes nachteilig sind.

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Im folgenden wird nun die Erfindung anhand einiger möglicher Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf. die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Auspufftopf mit Katalysator;

Fig. 2 einen axialen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel aus Pig. 1 entlang der in dieser Fig. !angegebenen Schnittlinie II-II5

Fig. 3 ein verbessertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Auspuff topf es j ·"'""■

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen katalytisehen Auspufftopf mit einer innenliegenden Umgehungsleitung;

Fig. 5 einen axialen Querschnitt durch die Darstellung auf Fig. 4 entlang der in dieser Figur eingezeichneten Schnittlinie V-V;

Fig. 6 einen axialen Querschnitt durch eine modifizierte Ausführung des Auspufftopfes aus Fig. 1;

Fig. 7 einen Auspufftopf ähnlich Fig. 3* Jedoch mit einer innenliegenden Umgehungsleitung, und

Fig. 8 den Auspufftopf aus Fig. 7 im" Schnitt entlang der Linie VIII-VIII aus Fig. 7.

In Fig. 1 ist ein äußeres Gehäuse 10 dargestellt, welches die Form eines flachen Zylinders aufweist, ein Katalysatorelement 11, wobei die Zeichnung durch einen in einem Abschnitt des äußeren Gehäuses gebildeten Ausschnitt die foraminöse Wandung

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des Behälters für die körnige Masse des eigentlichen Katalysators zeigt.

Unter der Bezugsziffer 13 ist eine Einlaßleitung für die Auspuffgase in den Auspufftopf dargestellt, an welcher ein Plansch 14 angeschweißt ist, der wiederum mit einem entsprechenden Plansch der aus dem (nicht abgebildeten) Motor kommenden Auslaßleitung verbunden ist. Unter der Bezugsziffer 15 ist die Auslaßleitung für die aus dem Auspufftopf kommenden Oase dargestellt (diametral gegenüber der Einlaßleitung), welche ebenfalls mit einem Plansch 16 versehen ist, welcher mit der Auslaßleitung verbunden ist, die die Oase in die (nicht angegebene) Atmosphäre abgibt.

In Pig. 2 ist die obere Halbschale 1? des Oehäuses 10 dargestellt, an welches die Leitung 13 angeschlossen ist, sowie die untere Halbschale 18, an welche die Leitung 15 angeschlossen ist. Beide Halbschalen weisen eingerollte Kanten 19 bzw. 20 auf, mittels derer diese miteinander verbunden sind. Die Körnchen der Katalysatormasse 12 befinden sich im Inneren des Behälters 21, der durch einen ringförmigen Blechstreifen 22, eine obere ringförmige Wandung des foramlnösen Blechoberteils und einer kreisförmigen Bodenwandung - ebenfalls zu dem foraminösen Blechteil 24 gehörig - begrenzt 1st, wobei der Streifen an der umlaufenden Kante der Wandungen 23 und 24 angeschweißt ist.

Da die Abschnitte am Umfang und in der Mitte der kreisförmigen Wandungen der beiden Halbschalen 17 und 18 und der Wandungen 23 und 2h des Behälters 21 für den Katalysator verschiedenen Wärmespannungen ausgesetzt sind, ist es ratsam, zur Vermeidung von Verformungen die Wandungen so auszubilden, daß sie die verschiedenen Ausdehnungen dieser Dereiche aufnehmen. Vorzugsweise sind die Wandungen leicht ballig gedreht, wobei sich ihre konvexe Fläche mit einem geeigneten Krümmungsradius) ent-

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weder nach oben oder unten erstreckt. Natürlich wird die festzulegende Form für alle vorgenannten Wandungen gleich gewählt, so daß die Dicke der zylindrischen Hohlräume 27 und 28 und die Dicke der Katalysatormasse über die gesamte kreisförmige Fläche unverändert ist.

Unter der Bezugsziffer 25 ist eine ringförmige Wandung aus Metallblech dargestellt, deren äußere Kante mit dem Gehäuse an den Kanten der beiden Halbschalen'17 und 18, und deren innere Kante mit dem Streifen 22 des Behälters 21 verschweißt sind. Das Metallblech der ringförmigen Wandung ist gerippt, so daß die Bildung von inneren Spannungen vermieden und die verschiedenen Ausdehnungen des Behälters 21 und des Gehäuses 10 des Auspufftopfes aufgenommen werden, die aufgrund der verschiedenen Wärmespannungen entstehen, denen diese Teile unterworfen sind.

Die in den Auspufftopf durch die Leitung 15 einströmenden Auspuffgase nehmen den als Förderleitung dienenden Raum 38 ein, der durch den ringförmigen Raum 26 gebildet wird, in welchem die Auskehlungen für das Strömungsmittel eine Bewegung ausführen, die eine nach oben gerichtete axiale Komponente aufweist. Weiterhin wird der Raum 38 von der flachen zylindrischen Kammer 27 begrenzt, in welcher wegen der geringeren Dicke die Teilchen das Strömungsmittel mit beträchtlicher radialer und zentripetaler Bewegung bewegt werden und durch die zylindrischen Flächen strömen, die vom Umfang zur Mitte zu kleiner werden und koaxial zur Umfangsflache des zylindrischen Hohlraumes 27 ausgerichtet sind. Die Gase dringen bei ihrer konvergierenden Bewegung zur Mitte der zylindrischen Kammer hin durch die öffnungen in der zylindrischen Wandung 23 in den eigentlichen Katalysator. Wegen dieses ununterbrochenen Zuges nimmt die Durchflußrate vom Umfang zur¹ Mitte des zylindrischen Hohlraumes hin ab und da der restliche Gasstrom durch die aufeinanderfolgenden zylindrischen Flächen streicht, die pro-

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portional zur Abnahme der Durchflußrate verkleinert sind, wird die Strömungsgeschwindigkeit der Partikel des Strömungsmittels entlang des gesamten Strömungsweges vom Umfang zur Mitte für alle Teilchen des Strömungsmittels konstant gehalten, so daß auch der Gasdruck konstant und an allen Stellen der Wandung 2 und damit auch am Einlaß des Katalysatorelementes gleich bleibt.

Die Gase strömen durch die Katalysatormasse 12, wobei sie einen im wesentlichen axial verlaufenden Strömungsweg verfolgen. Die Berührung mit den Körnchen leitet in Gegenwart von Sauerstoff die Verbrennung der noch unverbrannten Partikel ein, die immer noch in den Auspuffgasen enthalten sind. Nachdem die Gase durch die Katalysatormasse 12 geströmt sind, treten sie aus der ringförmigen Wandung 24 der Auspuffleitung 39 aus, die durch die flache zylindrische Kammer 28 und den ringförmigen Raum 29 gebildet wird.

In der Kammer 28 wird den Gasen wegen der begrenzten Dicke eine radiale Zentrifugalbewegung aufgegeben, worauf diese durch die zylindrischen Flächen, die von der Mitte zum Umfang hin größer werden, in koaxialer Richtung zur Umfangsfläche der zylindrischen Kammer 28 strömen, während die Gase zum Umfang der zylindrischen Kammer geleitet werden und ihre Durchflußrate laufend erhöht wird, wenn die durch den eigentlichen Katalysator geströmten Gase aus den öffnungen in der ringförmigen Wandung 24 austreten.

Insofern, als der Gasstrom mit allmählich zunehmender Durchflußrate durch allmählich größer werdende, nacheinander angeordnete zylindrische Flächen fließt, wird die Strömungsgeschwindigkeit entlang des gesamten Strömungsweges vom Mittelpunkt zum Umfang für alle Gaspartikel konstant gehalten, so daß der Gasdruck ebenfalls konstant und an allen öffnungen

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in der Wandung 24 am Auslaß des Katalysatorelementes gleich groß ist. Danach tritt das Gas in den ringförmigen Raum 29 ein, wo es axial nach oben und anschließend zur Auslaßleitung 15 des Auspufftopfes bewegt wird. Die Pfeile 40, 4Ϊ, 42, 45, 44, 45, 46, 47 und 48 in den Fig. 1 und 2 zeigen den Strömungsweg der Gase im Inneren des Auspufftopfes an.

Das in das Innere des ringförmigen Raumes 26, der von dem nahe der Einlaßleitung 13 liegenden Bereichen in die diametral gegenüberliegenden Bereiche versetzt ist, einströmende Gas unterliegt einem Geschwindigkeitsabfall, während· der Druck zunimmt, da ein Bruchteil des Gases bereits durch den Katalysator mit fortlaufend abnehmender Durchflußrate zu strömen beginnt und durch die konstanten Strömungsquerschnitte des ringförmigen Raumes 26 strömt. .

In dem ringförmigen Raum 26 werden fortlaufend zunehmende Durchflußraten durch die Strömungsquerschnittsbereiche desselben geleitet und zur Auslaßleitung 15 zu bewegt; da diese Bereiche konstant sind, wobei die Durchflußrate zunimmt, wird die Strömungsgeschwindigkeit der Gase proportional erhöht, während der Druck abnimmt.

Um alle diese Nachteile zu überwinden, und um besonders eine konstante Druckverteilung am Umfang des zylindrischen Raumes 27 zu erzielen, haben die Anmelder den in Fig. 3 dargestellten Auspufftopf untersucht, bei welchem dieselben Teile, die auch bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Auspufftopf zu sehen sind, mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet sind.

Unter 30 ist die obere Halbschale des Gehäuses 10 dargestellt, welches mit der Leitung 13 verbunden ist und unter ist die untere Halbschale gezeigt, an welche die Leitung 15 angeschlossen ist; beide Halbschalen weisen nach unten eingerollte Kanten 32 bzw. 33 auf, an denen die beiden Halbschalen zusammengeschweißt sind.

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Eine Im wesentlichen ringförmige Metallblechwand 34, die gerippt ist, weist eine äußere Kante auf, die mit dem Gehäuse entsprechend den Kanten der beiden Halbschalen 30 und 31 durch Schweißen verbunden ist, sowie einen Innenrand, der mit dem Streifen 22 des Gehäuses 21 verschweißt ist. Da die Wandung zu den Wandungen des Gehäuses geneigt angeordnet ist, weist der ringförmige Raum 36 der Förderleitung 49 eine variable Höhe auf, wobei die größte Höhe der Gaseinlaßleitung 13 entspricht und der ringförmige Raum 36 des Auspuffrohres 50 ebenfalls eine variable Höhe aufweist, deren Maximalwert der Gasauslaßleitung 15 entspricht.

Es ist selbstverständlich, daß das in den Auspufftopf einströmende Gas in dem ringförmigen Raum 35 verteilt wird und durch das Katalysatorelement in der in Verbindung mit dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Auspufftopf beschriebenen Art und Weise zu fließen beginnt und bei einer gewissen Durchflußrate ist die Gasmenge, die die der Einlaßleitung gegenüberliegenden Bereiche des ringförmigen Raumes erreicht, kleiner als die in den nahe dieser Leitung liegenden Bereichen befindliche Gasmenge, da ein Teil der Durchflußrate der Auspuffgase bereits durch das Katalysatorelement zu strömen begonnen hat. Da die Durchflußrate abnimmt, damit die Strömungsgeschwindigkeit und auch der Druck an allen Punkten oberhalb des Katalysators konstant gehalten werden, werden die Strömungsquerschnibte für das Gas in dem ringförmigen Raum immer mehr verringert je weiter sie von der Einlaßleitung entfernt sind und in einer Weise, die proportional zum Rest der Durchflußrate der Auspuffgase ist.

Die Strömungsrichtung in den zylindrischen Räumen 27 und 28, die oberhalb bzw. unterhalb des Katalysatorelementes angeordnet sind, ist ähnlich oder gleich der in Verbindung mit dem in den vorhergehenden Figuren beschriebenen Auspufftopf erläuterten Richtung. In dem ringförmigen Raum 35 wird die durch

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dieses nach Durchströmen des Katalysatorelementes fließende Gasmenge erhöht* je weiter das Gas zur Auslaßleitung hin gelangt, wobei die Strömungsquerschnitte für das Gas allmählich proportional zu den immer mehr zunehmenden Durchflußraten allmählich zunimmt und die Geschwindigkeit und der Druck an jeder Stelle unterhalb des Katalysatorelementes konstant gehalten werden.

Weiterhin zeigt die Pig. 3,' in welcher Weise ein Injektor im Inneren des Auspufftopfes angeordnet werden kann_o Dies ist beispielsweise erwünscht,, wenn sich an das Auspuffsystem ein oxidierender Auspufftopf anschließt. Es ist von Vorteil, wenn der Injektor die Form eines Rohrs 80 aufweist* welches um den Umfang der unteren Halbschale 31 geführt ist und am Ende 8l Druckluft aufnimmt, welche in den Raum 50 durch entlang des Rohres angeordnete Auslaßdüsen verteilt werden» Bei einer derartigen Anordnung der Auslaßdüsen 82 für die von einer beliebigen (nicht dargestellten) Druckluftquelle kommende Luft tritt eine außerordentlich gleichförmige Gasmischung aus dem Rohr 15 aus und kann damit einer nachfolgenden Katalysatorbehandlung unterzogen werden„

Das Rohr 80 kann nicht nur an dem in Fig„ j5 dargestellten Auspufftopf angeordnet werden, sondern auch an jedem anderen erfindungsgemäßen zylindrischen Auspufftopf«

Bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Auspufftopfen wurden für gleiche Teile auch dieselben Bezugsziffern aus Figo und 2 verwendet.

Zusätzlich zu der Gasauslaßleitung 15 aus dem Auspufftopf wurde eine Leitung j56 vorgesehen; diese ist mit einem Flansch 37.versehen, welcher mit einem entsprechenden Flansch der Auslaßleitung verbunden ist, die das Gas nach außen ableitet (nicht dargestellt).

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Sowohl in der mit der Leitung 36 als auch In der mit der Leitung 15 verbundenen Auslaßleitung kann oberhalb der Auslaßöffnung für die Gase zur Atmosphäre hin ein Ventil angeordnet werden, welches beispielsweise mittels einer aus einer an der elastischen Wandung der Kammer befestigten Stange gesteuert werden kann, wobei die Kammer duroh den unterhalb der Drossel in der Einlaßleitung herrschenden negativen Druck beaufschlagt wird.

Die Vorrichtung - die nicht abgebildet ist, da sie konventioneller Bauart ist - ist dazu vorgesehen, eine Leitung In Abhängigkeit des in der Einlaßleitung herrschenden negativen Drucks offenzuhalten, wenn die andere geschlossen ist und umgekehrt; dabei ermöglicht sie es, daß entweder die eine oder die andere der Auslaßleitungen gedrosselt wird, so daß bei gemäßigter Motorleistung die Auspuffgase aus der Leitung austreten, nachdem sie das Katalysatorelement des Auspufftopfes durchströmt haben, da das in die mit der Leitung 15 verbundene Auslaßleitung eingesetzte Ventil geöffnet ist, während das in die mit der Leitung 36 verbundene Auslaßleitung eingesetzte Ventil geschlossen ist. Bei hoher Motordrehzahl strömen die aus der Einlaßleitung kommenden Oase wegen der entgegengesetzten Situation durch den ringförmigen RaumAmd den zylindrischen Baum 27 und treten durch die Leitung 36 aus dem Auspufftopf aus, ohne durch das Katalysatorelement zu strömen, da wegen des geringen Prozentsatzes der in den Gasen enthaltenen unverbrannten Bestandteile eine Nachverbrennung nicht erforderlich ist, und ohne das Katalysatormaterial Wärmespannungen auszusetzen, die wegen der hohen Gastemperatüren dessen weitere Wirksamkeit beeinträchtigen würden.

In Fig. 6 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des in Fig. 1 gezeigten Auspufftopfes dargestellt, welches so gebaut 1st, daß das mögliche Auftreten von Schwingungen des Katalysatorelementes verringert wird.

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Der Behälters 21 für das Katalysatorelement 11 bestellt aus einer zylindrischen Blechwandung 22, einer weiteren zylindrischen Metallblechwandung 51* die koaxial zur ersten ausgerichtet ist und einen geringeren Durchmesser aufweist, sowie aus zwei ringförmigen Wandungen, wobei eine die. obere Wandung 52 und die andere die untere Wandung 53 bildet, die jeweils an ihren Innenkanten mit der Wandung 51 und an ihren Außenkanten mit der Wandung 22 verschweißt sind. Die obere Wandung 54 und die untere Wandung 55 der beiden Halbsohalen 17 und 18 des Gehäuses sind ringförmig und weisen Innenkanten auf, die ebenfalls mit der Wandung 51 verschweißt sind. · .

In Fig. 7 und 8 ist unter der Bezugsziffer 56 die Einlaßleitung für die Auspuffgase in den Auspufftopf angedeutet und unter der Bezugsziffer 57 die Durchströmöffnung für die Gase, die durch das Katalysatorelement strömen. Die Bezugsziffer 58 bezeichnet die Auslaßleitung aus dem Auspufftopf für die Gase, die durch das vorgenannte Katalysatorelement geströmt sind und 50 die Auslaßleitung aus dem Auspufftopf für die Gase, die das Katalysatorelement umgangen haben. Das äußere Gehäuse 6l des Katalysatorelementes 11 und das äußere Gehäuse 62 des Auspufftopfes sind angegeben, wobei das letztere aus dem am Schweißpunkt 65 mit einem Deckel 64 verbundenen Behälter 63 besteht.

Unter den Bezugsziffern 66 und 67 sind die flachen zylindrischen Räume dargestellt, die durch die oberen kreisförmigen Wandungen 68 bzw.69 und die unteren kreisförmigen Wandungen 70 bzw. 71 der Gehäuse 6l und 62 begrenzt sind, in welchen das Gas im wesentlichen unbewegt bleibt, so daß damit eine Wärmeisolierung des Auspufftopfes gegeben ist.

Die das Katalysatorelement 11 bei gedrosselter Auslaßleitung, die mit der Leitung 58 verbunden ist, umströmenden Gase fließen durch den ringförmigen Raum 60, der von den ringförmigen

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Streifen 72 und 73 der Gehäuse 6l und 62 begrenzt wird und treten aus der Leitung 59 aus.

Ein derartiges Ausführungsbeispiel bot sich aufgrund der Tatsache an, daß es bei dem in Pig. 3 dargestellten Auspufftopf zum Umströmen des Katalysatorelements nicht ratsam ist, in das äußere Gehäuse 10 des Auspufftopfes eine zweite Auslaßleitung einzusetzen, wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, da die nicht durch das Katalysatorelement 11 strömenden und zur Atmosphäre austretenden Gase in dem ringförmigen Raum 49 und in dem zylindrischen Raum 27 bewegt werden würden und in dem ringförmigen Raum durch immer mehr abnehmende Querschnittsflächen strömen und damit bei hoher Motordrehzahl einem Druckabfall unterworfen sein würden, der einen zu hohen resultierenden Druck in der Auslaßleitung hervorrufen würde.

Bei den dargestellten und erläuterten Ausführungsbeispielen wurden Auspufftopfe mit körnigem Katalysatormaterial untersucht. Da jedoch der größte Teil der auftretenden Probleme, die zu den in dieser Beschreibung vorgeschlagenen Lösungen geführt haben, auch in Fällen auftreten, bei denen ein einstückiges Katalysatorteil oder ein foraminöses festes Element verwendet wird, ist es offensichtlich, daß das im Vorhergehenden Gesagte auch ganz allgemein Gültigkeit hat.

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Claims

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Patentansprüche

Auspufftopf mit Katalysator, welcher in die Auslaßleitung einer Verbrennungsmaschine für ein Kraftfahrzeug eingesetzt ist, gekennzeichnet durch

a) ein äußeres Gehäuse (10,62) in Form eines im wesentlichen flachen Zylinders, dessen Achse im wesentlichen vertikal angeordnet ist, wobei- das Gehäuse (10,62) aus einer vollkommen ebenen oberen Wandung (17,50*5^) mit kreisförmigem Umriß einer ebenso geformten unteren Wandung (18,31,55) und einer zylindrischen Wandung (72,73)» deren Kanten mit den Kanten der im wesentlichen ebenen Wandungen mit kreisförmigen Umriß (17,18, 30,31,54,55) verbunden sind;

b) einem Katalysatorelement (11), ebenfalls in Form eines im wesentlichen flachen Zylinders, welches" im Inneren des Gehäuses (10,62) koaxial zu diesem angeordnet ist, wobei die zylindrische Außenfläche (22) des Katalysatorelementes gasundurchlässig ist, so daß die Strömungsrichtung der Gase durch das Katalysatorelement (11) vorwiegend in einer zur Erzeugungslinie und zur Achse des Zylinders parallelen Richtung verläuft;

c) eine im wesentlichen ringförmige Wandung (25,34), deren im wesentlichen kreisförmige Außenwandung mit der zylindrischen Wandung des äußeren Gehäuses (10,62) und deren ebenfalls im wesentlichen kreisförmige Innenkante mit der zylindrischen Außenfläche (22) des Katalysator —elementes (11) verbunden sind, wobei die ringförmige Wandung (25,34) den zwischen dem äußeren Gehäuse (10) und dem Katalysatorelement (11) liegenden Raum in zwei Kammern (27,28) unterteilt, wobei.die obere Kammer (27) zum Lei-

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ten der Gase vorgesehen ist und aus einem ringförmigen Raum (26,35,38) oberhalb der ringförmigen Wandung (25, 34) und aus einem im wesentlichen flachen zylindrischen Raum oberhalb der oberen Wandung (23,52) des Katalysatorelementes (11) besteht, während die untere Kammer (28) als Gasauslaßrohr dient und in gleicher Weise aus einem ringförmigen Raum (39 bzw. 50) unterhalb der ringförmigen Wandung (25,3¹O und einem im wesentlichen flachen zylindrischen Raum unterhalb der unteren Wandung (24,53) des Katalysatorelementes (11) besteht;

d) einer ersten Leitung (Gaseinlaßleitung) (13,56), die mit der oberhalb der ringförmigen Wandung (25,3*0 liegenden Wandung (17,30,54) des Gehäuses (10,62) verbunden ist und

e) einer zweiten Leitung (Gasauslaßleitung) (15,56), die mit der unterhalb der ringförmigen Wandung (25,34) liegenden Wandung (18,31,55) des Gehäuses (10,62) verbunden 1st.

2. Auspufftopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der flachen zylindrischen Kammer (27) zum Leiten der Gase zwischen der oberen Wandung (17,30,54) des Gehäuses (10,62) und der oberen Wandung (23,52) des Katalysatorelements (11) konstant ist und daß die Dicke des flachen zylindrischen Raumes (28 bzw. 50) zum Ausleiten der Gase zwischen der unteren Wandung (18,31,55) des Gehäuses (10,62) und der unteren Fläche (24,53) des Katalysatorelements (11) ebenfalls im wesentlichen gleichbleibend ist.

3. Auspufftopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine dritte Leitung (36) zum Ableiten der Gase an der Wandung des Gehäuses (10,62) angeordnet ist.

4. Auspufftopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einlaßleitung (13,56) und die Auslaß-

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leitung (15*59) für die Gase - im wesentlichen diametral einander gegenüber - mit der zylindrischen Wandung (17 bzw. 18, 30 bzw. 31, 54 bzw. 55) des Gehäuses (10,62) verbunden sind.

5. Auspufftopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e kenn ze ich η et , daß die ringförmige Wandung (25,34) zur oberen (17,30,54) und unteren (18,31,55) Wandung des Gehäuses (10,62) geneigt angeordnet ist, wobei die ringförmigen Räume (-26,35 bzw. 39*50) oberhalb und unterhalb der ringförmigen Wandung (25,34) bezüglich der Gaseinlaßleitung (13*56) bzw. Gasauslaßleitung (15,59) eine maximale Höhe aufweisen.

6. Auspuff topf nach einem der vorheig^iaxlen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das äußere Gehäuse (lo,62) durch Verbinden zweier Halbschalen (17*18,30,31*54,55) aus Metallblech gebildet ist, welche dichtend entlang einer auf der zylindrischen Außenfläche liegenden Grenzlinie (19,20, 32,33) miteinander verbunden sind, wobei längs dieser Linie auch die periphere Kante der ringförmigen Wandung (25,34) mit der zylindrischen Außenfläche verbunden ist.

7. Auspufftopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Katalysatorelement (11) eine körnige Katalysatormasse (12) im Inneren eines Behälters (21,61) angeordnet ist, welcher aus zylindrischen Metallblechwandungen (22) gebildet ist, deren Kanten mit den Kanten der oberen kreisförmigen Wandung (23,52) und der unteren kreisförmigen Wandung (24,53) verbunden sind, welche, im wesentlichen eben sind, einen kreisförmigen Umriß aufweisen und beide foraminös sind.

8. Auspufftopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Katalysatorelement (11) eine körnige Masse (12) aufweist, welche im Inneren eines aus

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einer äußeren zylindrischen Metallblechwandung (22) einer inneren, koaxial zur ersten ausgerichteten, zylindrischen Metallblechwandung (51), einer oberen (52) und einer unteren (53) ringförmigen Wandung bestehenden Behälters (21) vorgesehen ist, wobei die beiden ringförmigen Wandungen foramlnös sind und mit den Kanten der inneren zylindrischen Metallblechwandung (51) verschweißt sind, welche wiederum mit der oberen (52) und der unteren (53) Wandung des Gehäuses (10) des Auspufftopfes verbunden ist.

9. Auspufftopf nach einem derwrhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallblechwandung (25,3^) ringförmig ausgebildet ist und eine gewellte Oberfläche aufweist.

10. Auspufftopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im Inneren des ringförmigen Raumes (26,35) unterhalb der ringförmigen Wandung (25,34) eine ringförmige Leitung (80) mit AuslaßdUsen (82) angeordnet ist, deren eines Ende (8l) sich außerhalb des Gehäuses (10) öffnet.

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