DE2913731A1

DE2913731A1 - Abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2913731A1
Application number: DE19792913731
Authority: DE
Inventors: Akio Kakinuma; Hiroo Oya
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1978-04-08
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1979-10-11
Also published as: GB2022441B; US4206178A; JPS54134214A; SE7902410L; SE442536B; DE2913731C2; FR2422029B1; GB2022441A; FR2422029A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen.

Es sind bereits drei Arten von katalytischen Konvertern vorgeschlagen worden, und zwar ein reduzierender katalytischer Konverter zum Beseitigen von Stickstoffoxiden, ein oxidierender katalytischer Konverter zum Beseitigen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen und ein Dreiwege-Konverter zum Umsetzen der drei giftigen Elemente zur gleichen Zeit. Der Konverter weist ein Katalysatorbett auf, welches den Katalysator in Form einer Tablette, als monolithischen Katalysator oder in Wabenform aufweist. Das monolithische Katalysatorbauteil umfaßt eine Reihe in Längsrichtung ausgerichteter Kanäle oder Durchlässe, so daß die Abgase glatt durch das Katalysatorbauteil fließen können. Allerdings besteht insofern eine Schwierigkeit, als die Reaktion unter Umständen nicht ausreichend durchgeführt wird, um jeden giftigen Bestandteil auf das nötige Niveau zu verringern, weil die Verweilzeit der Gasströmung zu gering ist.

Ferner ist beim herkömmlichen katalytischen Konverter die Achse der Einlaßöffnung im mittleren Bereich des Katalysatorbauteils unter einem rechten Winkel zur Stirnebene des Katalysatorbauteils ausgerichtet. Auch wenn die Einlaßöffnung mit dem Katalysatorbauteil durch eine konusförmige Leitung in Verbindung steht, kann die Abgasströmung nicht ausreichend über die gesamte Stirnebene des Katalysatorbauteils verteilt werden, sondern hat die Tendenz sich im mittleren Bereich der Stirnebene zu sammeln. Folglich wird der mittlere Bereich auf hohe Temperatur erhitzt, was zu einer baldigen Beschädigung dieses Bereichs führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen katalytischen Konverter zu schaffen, der die Abgase gleichmäßig auf das

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monolithische Katalysatorbauteil verteilen kann, so daß der größtmögliche Reaktionswirkungsgrad erzielbar ist.

Gemäß der Erfindung ist in der Einlaßkammer des katalytischen Konverters eine Diffusoreinrichtung vorgesehen, die die Abgase gleichmäßig auf das monolithische Katalysatorbauteil verteilt.

Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre, einen mit den Auspuffrohren in Verbindung stehenden katalytischen Konverter und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr in Verbindung mit dem katalytischen Konverter auf. Der katalytische Konverter weist eine zylindrische Schale auf, die zwei Halbschalen aufweist, welche eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer sowie eine Auslaßkammer begrenzen, wobei das monolithische Katalysatorbauteil in der Katalysatorkammer federnd nachgiebig angebracht ist. Die Einlaßkammer hat zwei Einlaßöffnungen, die jeweils mit den vorderen Auspuffrohren in Verbindung stehen, und die Auslaßkammer hat eine Auslaßöffnung, die mit dem in Strömungsrichtung hinteren Auspuffrohr in Verbindung steht. Die beiden Einlaßöffnungen sind so angeordnet, daß ihre Achsen einander in der Einlaßkammer in einem Bereich vor dem Katalysatorbauteil kreuzen. In der Einlaßkammer ist eine Diffusoreinrichtung vorgesehen, die die Abgase in der Einlaßkammer verteilt, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung der Gase auf das monolithische Katalysatorbauteil zu erreichen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

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Pig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Pig. 2 eine Draufsicht auf den katalytischen Konverter gemäß Pig. 1 im Schnitt;

Pig. 3 eine Seitenansicht des katalytischen Konverters ;

Pig. 4 eine perspektivische Ansicht von Schalen

des katalytischen Konverters in auseinandergenommenem Zustand;

Pig. 5 den Schnitt längs der Linie V-Y in Pig. 2; Pig. 6 den Schnitt längs der Linie VI-VI in Pig. 2; Pig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Diffusors;

Pig. 8 eine Draufsicht auf einen Einlaßkammerbereich im Schnitt.

Wie Pig. 1 zeigt, weist die Auspuffanlage, in der der katalytische Konverter gemäß der Erfindung angeordnet ist, ein gegabeltes Auspuffrohr mit zwei in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohren 2 und 3, die an zwei Auspufföffnungen des Motors 1 angeschlossen sind, sowie ein gemeinsames, in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr 4 auf. Ein solches gegabeltes Auspuffrohr wird beispielsweise bei Motoren mit horizontal einander gegenüber angeordneten Zylindern verwendet. Im Bereich des Zusammenlaufs bzw. der Gabelung der Auspuffrohre ist ein erfindungsgemäßer katalytischer Konverter 5 angeordnet, wobei die Enden der Auspuffrohre 2 und 3 jeweils mit einem Einlaß des katalytischen Konverters verbunden sind, während das gemeinsame Auspuffrohr 4 an einen Auslaß desselben angeschlossen ist.

Der katalytische Konverter 5 weist ein monolithisches Katalysatorbauteil 6, welches in einer zylindrischen Schale 7 von ovalem Querschnitt angeordnet ist, sowie einen Schutzmantel 8 auf, wie in Pig. 2-6 gezeigt. Der Katalysator ist ein monolithischer Dreiwege-Katalysator; aber es können auch andere Arten von Katalysator als Konverter

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verwendet werden. Die Schale 7 weist zwei Halbschalen 9 lind 10 auf, die jeweils als Preßteil aus rostfreiem Stahlblech hergestellt sind. Jede Halbschale 9 und 10 besteht aus einer Körperschale 11, einer verjüngten Einlaßschale 12 sowie einer verjüngten Auslaßschale 13. Die Einlaßschale 12 ist mit zwei halbkreisförmigen Einlaßbereichen 14 und 15 ausgebildet, während die Auslaßschale 13 einen halbkreisförmigen Auslaßbereich 16 hat. Durch Vereinigen der beiden Halbschalen 9 und 10 wird eine Katalysatorkammer von den Körperschalen 11 gebildet, während die verjüngten Einlaßschalen 12 eine Einlaßkammer 17 und die halbkreisförmigen Einlaßbereiche 14 und 15 Einlaßöffnungen 18 und 19 bilden. Ferner wird von den verjüngten Auslaßschalen eine Auslaßkammer 20 gebildet und von den halbkreisförmigen Auslaßbereichen 16 eine Auslaßöffnung 21. Die Achsen der Einlaßöffnungen 18 und 19 bilden einen schrägen bzw. spitzen Winkel mit der Stirnebene des Katalysatorbauteils, so daß der schräge Querschnitt der Einlaßöffnung im wesentlichen der ovalen Form der Stirnebene des Katalysatorbauteils entspricht. Die Auslaßöffnung 21 ist gegenüber der Achse der Katalysatorkammer versetzt und bildet einen Winkel zu der Achse. Das monolithische Katalysatorelement 6 steht mit einem ringförmigen Rand 22 im vorderen Endbereich in Eingriff, und ein Drahtsieb 23 sowie Schalldämpfergeflechte 24 und 25 sind zwischen der zylindrischen Schale 7 und dem umfang des Randes und dem Katalysatorbauteil vorgesehen. Das Dämpfergeflecht 24 ist zwischen einer Schulter 26 der zylindrischen Schale 7 und dem ringförmigen Rand 22 angeordnet, während das Schalldämpfergeflecht 25 zwischen einer Schulter 27 der Schale und dem Ende des Katalysatorbauteils angeordnet ist. Auf diese Weise ist das monolithische Katalysatorbauteil 6 vom Drahtsieb 23 und den Schalldämpfergeflechten 24 und 25 federnd nachgiebig gehalten, so daß eine Bewegung des Katalysatorbauteils verhindert ist. Perner wirkt das Schalldämpfergeflecht 24 mit dem ringförmigen Rand 22 als Dichtungsvorrichtung, die ver-

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hindert, daß Abgase durch den Raum zwischen dem Katalysatorbauteil und der Innenwand der Schale 7 hindurchgelangen,

Die in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohre 2 und 3 stehen mit den Einlaßöffnungen 18 bzw. 19 in Eingriff und sind mit diesen verschweißt, und das in Strömungsrichtung hintere Auspuffrohr 4 steht mit der Auslaßöffnung 21 in Eingriff. Die Schale 7 des Konverters ist von einem Schutzmantel 8 bedeckt, der zwei Hälften 31 und 32 aufweist. Die Hälften 31 und 32 sind in dem die Auspuffrohre 2, 3 und 4- umgebenden Bereich miteinander vereinigt und durch Bolzen 33 befestigt. Die Umfangsränder der Hälften 31 und 32 sind im Abstand voneinander angeordnet, und zwischen dem Schutzmantel 8 und der Schale 7 ist ein Raum 34 gebildet. Dadurch kann Luft aus dem Spalt 35 zwischen den Rändern der Hälften 31 und 32 in den Raum 34 eintreten, und den Konverter im Betrieb kühlen.

Gemäß der Erfindung ist in der Einlaßkammer 17 zur Verstärkung ein Stift 36 angeordnet, an welchem ein Diffusor 37 befestigt ist. Der Stift 36 hat an beiden Enden Bereiche 36a mit kleinerem Durchmesser und Schultern 36b. Jeder Bereich 36a mit kleinerem Durchmesser steht mit einem Loch in der Halbschale 9 bzw. 10 in Eingriff, während die Schulter 36b die Halbschale abstützt. Zwischen dem Bereich 36a und der Halbschale ist eine Schweißverbindung hergestellt. Dadurch können die Halbschalen 9 und 10 exakt zu einer zylindrischen Schale von vorherbestimmter Abmessung zusammengebaut werden. Ferner ist der Stift 36 an einer Stelle angeordnet, die in gewissem Abstand in Strömungsrichtung vor dem Kreuzungspunkt der Achsen der Einlaßöffnungen 18 und 19 liegt, wie Fig. 8 zeigt.

Der Diffusor 37 hat einen V-förmigen Querschnitt und weist eine V-förmig gestaltete Diffusionsplatte 38 auf. Der Diffusor 37 ist so angeordnet, daß die Achse jeder Einlaßöffnung einen Einfallswinkel θ mit der Stirnebene

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der I) if fusionsplatte 38 bildet, wodurch die Abgasströmung zu der von der Einlaßöffnung entfernten Seite des Katalysatorbauteils abgelenkt wird. Die IJiffusionsplatte 38 weist eine Vielzahl von Löchern 39 auf, deren Gesamtöffnungsflache so festgelegt ist, daß etwa die Hälfte der Abgasmenge durch die Löcher strömt. Ferner ist die Höhe der Diffusionsplatte so bemessen, daß sie etwa der Hälfte des Durchmessers des Gasströmungskanals entspricht. Dies ist die bevorzugte Abmessung, um eine wirksame Verteilung der Gase bei geringem Auspuff widerstand bzw· Rückdruck zu erzielen.

Im Betrieb strömen Abgase aus den Einlaßöffnungen und 19 abwechselnd in Abhängigkeit von der Zündfolge des Motors in die Einlaßkammer 17. Etwa die Hälfte der Menge Abgase fließt durch die Löcher 39 der Diffusionsplatte 38, während der Rest von der Platte mit dem Einfallswinkel θ zum Umfangsbereich der Einlaßkammer hin abgelenkt wird. Dadurch können die Abgase gleichmäßig auf das Katalysatorbauteil verteilt werden. Da außerdem die Achse der Einlaßöffnungen zur Stirnfläche des Katalysatorbauteils 6 unter einem Winkel steht, treffen die Abgase auf die Wand 4-0 jedes Durchlasses im Katalysatorbauteil 6 auf, wie Fig. 8 zeigt. Deshalb fließen die Abgase durch jeden Durchlaß des Katalysatorbauteils in einem Zickzackströmungsmuster, wie durch die pfeile in Pig. 8 angedeutet. Das Zickzackströmungsmuster verlängert die Verweilzeit der Gase im Katalysatorbauteil, so daß die katalytische Umsetzung im Konverter im Vergleich zu einem herkömmlichen Konverter, bei dem die Gase gerade durch den Kanal strömen, gefördert wird.

Gemäß der Erfindung werden also die Abgase in der Einlaßkammer einem Diffusor ausgesetzt, so daß sie gleichmäßig auf das Katalysatorbauteil verteilt werden und mit

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reduzierter Strömungsgeschwindigkeit das Katalysatorbauteil durchströmen. Deshalb erfolgt eine ausreichende Reaktion der giftigen Bestandteile im Katalysatorbauteil, so daß die Menge giftiger Bestandteile auf das nötige Niveau abgesenkt wird.

Die Halbschalen 9 und 10 sind außerdem mit Hilfe des Stiftes 36 in der gewünschten Stellung abgestützt, so daß die zylindrische Schale mit großer Genauigkeit und Steifheit hergestellt werden kann.

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Zusammenfassung

Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen mit zwei in Strömungsrichtung vorderen Auspuffrohren, einem katalytischen Konverter und einem in Strömungsrichtung hinteren Auspuffrohr. Der katalytische Konverter weist eine zylindrische Schale auf, die eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer und eine Auslaßkammer
sowie ein monolithisches Katalysatorbauteil in der Katalysatorkammer hat. Die Einlaßkammer ist mit Einlaßöffnungen versehen, die jeweils mit den vorderen Auspuffrohren in
Verbindung stehen und deren Achsen einander in der Einlaßkammer kreuzen. In der Sinlaßkammer ist eine Diffusoreinrichtung vorgesehen, die das Abgas verteilt, um eine gleichmäßige Verteilung des Abgases auf das Katalysatorbauteil zu erreichen.

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Claims

REINLÄNDER & BERNHARDT

PATENTANWÄLTE

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Orthstraße 12 D-8000 München 60

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Anmelder: Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha

1-7-2 Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokio, Japan

Priorität: 8. April 1978 Japan 53-41514

Abgasreinigungsvorrichtung

Patentansprüche

r\

M./ Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen,

gekennzeichnet durch zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre (2, 3), die zur Verbindung mit Auslaßöffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet sind, einen katalytischen Konverter (5), der mit den Auspuffrohren in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr (4), welches mit dem katalytisehen Konverter in Verbindung steht, der eine zylindrische Sehale (7) Ton ovalem Querschnitt aufweist, die eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer und eine Auslaßkammer bildet, wobei in der Katalysatorkammer ein monolithisches

ORIGINAL INSPECTED

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Katalysatorbauteil (6) angeordnet ist und die Einlaßkammer zwei Einlaßöffnungen (18, 19) aufweist, die mit den vorderen Auspuffrohren (2, 3) in Eingriff stehen und Jeweils so angeordnet sind, daß ihre Achse einen spitzen Winkel mit der in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Ebene des monolithischen Katalysatorbauteils bildet, und wobei in der Einlaßkammer eine Diffusoreinrichtung vorgesehen ist, die die Abgase verteilt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusoreinrichtung eine V-förmige Diffusionsplatte (38) mit einer Vielzahl von Löchern (39) aufweist, die so angeordnet ist, daß die Achse jeder Einlaßöffnung (18, 19) einen Einfallswinkel mit der entsprechenden, in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Ebene der Platte bildet.
3. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen,

gekennzeichnet durch zwei in Strömungsrichtung vordere Auspuffrohre (2, 3) die zur Verbindung mit Auslaßöffnungen eines Verbrennungsmotors geeignet sind, einen katalytischen Konverter (5), der mit den Auspuffrohren in Verbindung steht, und ein in Strömungsrichtung hinteres Auspuffrohr (4), welches mit dem katalytischen Konverter in Verbindung steht, der eine zylindrische Schale (7) aufweist, die aus Halbschalen (9, 10) hergestellt ist und eine Einlaßkammer, eine Katalysatorkammer und eine Auslaßkammer bildet, wobei in der Katalysatorkammer ein monolithisches Katalysatorbauteil (6) angeordnet ist und in der Einlaßkammer zwischen den Halbschalen ein Stift (36) vorgesehen ist und die Einlaßkammer zwei Einlaßöffnungen (18, 19) hat, die mit den vorderen Auspuffrohren in Eingriff stehen und so angeordnet sind, daß ihre Achsen einander in der Einlaßkammer an einer Stelle in der Nähe

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des in Strönmngsrichtung nach vorn weisenden Endes des monolithischen Katalysatorbauteils, aber in Strömungsrichtung vor diesem kreuzen, und eine Diffusoreinrichtung an dem Stift "befestigt ist, die eine V-förmige Diffusionsplatte (38) mit einer Vielzahl von Löchern (39) aufweist und so angeordnet ist, daß die Achse jeder Ein!aßöffnung einen Einfallswinkel mit der entsprechenden, in Strömungsrichtung nach vorn weisenden Ebene der Platte Bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennz ei ohne t, daß die Höhe der Diffusionsplatte (38) etwa der Hälfte des Durchmessers des Gasströmungskanals in der Einlaßkammer entspricht.

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