DE29515054U1 - Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi-Prinzip - Google Patents

Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi-Prinzip

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Description

'' Anlage 1 / Seite 2 Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip
2. Beschreibung:
Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip. 2.1. Stand der Technik
2.1.1. Abgasentgiftungssysteme
Abgasentgiftungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen auf der Basis katalytischer Nachverbrennung (im Folgenden als Abgaskatalysatoren bezeichnet) werden derzeit im Wesentlichen in vier zu unterscheidenden Systemkonfigurationen eingesetzt:
1. Ungeregelte Systeme ohne Lufteinblasung in das Abgas; wird oder wurde z.B. von der Volkswagen AG als Nachrüstsatz für einige Fahrzeugmodelle angeboten (»U-Kat" oder &ldquor;Euronorm-Kaf). Dieses System erreicht im Allgemeinen eine nur unbefriedigende Abgasentgiftung, da bei diesem System entweder in fettem Abgas (&lgr; < 1,00) Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) oder in magerem Abgas (&lgr; > 1,00) Stickoxide (NOx) in hohen Konzentrationen auftreten und aufgrund des jeweils nicht optimalen stöchiometrischen Verhältnisses durch eine katalytische Abgasnachbehandlung nur unzureichend beeinflussbar sind.
Eine dauerhafte Einstellung des Kraftstoff- Luft - Verhältnisses im exakten stöchiometrischen Verhältnis (&lgr; = 1,00) ist aufgrund schwankender Umweltbedingungen, wie Temperatur und Luftdruck, aber auch Schwankungen in der Kraftstoffqualität in ungeregelten Systemen nicht erzielbar, damit bleibt auch die Abgasentgiftung unbefriedigend (z.B. wird auf diesem Wege die &ldquor;US-Norm" nach Anlage XXIII StVZO meist nicht erreicht).
2. Ungeregelte Systeme mit Lufteinblasung in das Abgas. Dieses System ist vor allem in den U.S.A., überwiegend bei älteren Fahrzeugmodellen noch weit verbreitet (A.I.R. - System, Air Injection Reactor), wobei mittels eines Kompressors Luft zwischen die beiden Monolithen (-gruppen) eines Zwei- oder Mehrbett-Katalysators eingeblasen wird.
Bei diesem System stellt man durch entsprechende Einstellung sicher, daß das vom Motor kommende Abgas fett (&lgr;< 1) bleibt und somit eine gute Stickoxid - Reduktion im ersten Monolithen möglich ist. Durch die Lufteinblasung hebt man anschließend den Sauerstoffgehalt des Abgases soweit an, daß im nachfolgenden Monolithen eine möglichst vollständige Oxidation von CO und HC möglich wird. Dieses System erzielt gute Entgiftungsgrade, jedoch ist der benötigte Kompressor teuer, sperrig und nachträglich kaum in bestehende Fahrzeuge nachrüstbar, zumal er meist einen Keilriemenantrieb benötigt und der erforderliche Einbauraum oft nicht zur Verfügung steht.
3. Geregelte Systeme ohne Lufteinblasung in das Abgas. Derzeit in der Bundesrepublik Deutschland das am weitesten verbreitete System {&ldquor;G-Kat"). Hierbei wird durch eine Sauerstoffsonde (»Lambdasonde", meist auf Basis eines ZrO - Festkörperelektrolyten) der Sauerstoffpartiaidruck im Abgas gemessen und
NORBERT FLECK
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1 Anlage 1 / Seite 3 Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip
die Gemischaufbereitung so nachgeredet, "daß im Äbga&efn für4«ftalytische Abgasnachbehandlung möglichst optimaler Restsauerstoffgehalt eingehalten wird.
Dieses System erzielt gute Entgiftungsgrade, jedoch ist eine Nachrüstung in bestehende Fahrzeuge meist nur mit erheblichem Aufwand möglich und damit sehr teuer. Gerade bei älteren Fahrzeugen ist daher eine solche Nachrüstung ökonomisch häufig nicht (mehr) zu rechtfertigen.
4. Geregelte Systeme mit Lufteinblasung in das Abgas. Eine Kombination von 2. und 3. wie sie
beispielsweise von der Firma Porsche bei einigen Fahrzeugmodellen eingesetzt wird. Die
Abgasentgiftung ist auf diesem Wege weitgehend optimal, jedoch ist dieses System als
Nachrüstlösung aufgrund der unter 2. und 3. genannten Gründe praktisch unbrauchbar.
2.1.2. Venturi - Düsen
Venturi - Düsen werden seit geraumer Zeit in den unterschiedlichsten Ausführungen für verschiedene
Anwenungen eingesetzt. Als bekanntestes Beispiel wäre der Bunsenbrenner (das schnei! ausströmende Brenngas erzeugt einen Unterdruck, der Verbrennungsluft in das Mischrohr saugt) und die
Wasserstrahlpumpe (hier sorgt schell strömendes Wasser für ein Vakuum, das über einen Anschluß an der Pumpe zum evakuieren von Gefäßen oder zum Absaugen von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten
genutzt werden kann) zu nennen. Ebenso werden Dampfstrahlpumpen und Venturi - Düsen im
allgemeinen beschrieben [vgl. der ,Große Brockhaus'' Verlag F.A. Brockhaus, Wiesbaden 1978, ISBN 3-7653-0039-X, Stichworte &ldquor;Dampfstrahlpumpe" und &ldquor;Düse"]. Ein Einsatz von Venturi - Düsen im
Zusammenhang mit Abgsentgiftungssystemen ist nicht bekannt.
Physikalisch basiert die Venturi - Düse in allen Ausführungen auf der bekannten Gleichung von Daniel Bernoulli
&rgr; +14 /jv2 = po = const
mit
&rgr; = Dichte des Mediums
&ngr; = Strömungsgeschwindigkeit
Po = Druck des Mediums in Ruhe
&rgr; = Druck des Mediums bei der Strömungsgeschwindigkeit &ngr;
[vgl. Gerihsen, Christian, Physik: ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen, 16. Auflage, Springer ■ Verlag, 1989, ISBN 3-540-51196-2, Seiten 107 ff.]
.* *..: *·*. *i ***. 5 I ***. I.i. Technische Produkte
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Anlage 1 / Seite 4 Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip
2.2. Problemstellung
Der im Schutzanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Abgasentgiftungssystem zu schaffen, das
1. zufriedenstellende Entgiftungsgrade erzielt und
2. preiswert und in bestehende, ungeregelte Systeme ohne größeren Aufwand nachzurösten ist.
2.3. Lösungsansatz
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch genannten Eigenschaften dadurch gelöst, daß durch die in den Katalysator integrierten Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip
1. die für eine zufriedenstellende Entgiftung notwendigen stöchiometrischen Verhältnisse hergestellt werden können,
2. ohne daß hierzu teure und aufwendige externe Komponenten benötigt werden.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß auf eine abgasorientierte Regelung der Gemischaufbreitung ebenso verzichtet werden kann, wie auf einen Kompressor. Stattdessen wird die Gemischaufbreitung so eingestellt, daß das Abgas stets einen leichten Sauerstoffmangel aufweist {,fette" Einstellung), um in der ersten Stufe die katalytische Stickoxidreduktion zu ermöglichen. In der zweiten Stufe sorgt die Venturi Düse bei korrekter Auslegung dafür, daß genug Sauerstoff ins Abgas eingebracht wird, um eine befreidigende Nachverbrennung von CO und HC zu erreichen. Der Anstieg des Abgasgegendruckes bleibt bei einer strömungstechnisch günstigen Ausformung der Venturi-Düse meist innerhalb zulässiger Toleranzen. Steht dieser Spielraum aufgrund einer knappen serienmäßigen Auslegung der Schalldämpferanlagen nicht zur Verfügung, können durch einen Umbau der Abgasanlage auf einen größeren Querschnitt die erforderlichen Druckverhältnisse geschaffen werden. Selbst diese Maßnahme bleibt regelmäßig weit preisgünstiger als ein Umbau der Gemischaufbereitung oder der Einsatz eines Kompressors.
2.4. Ausführungsvarianten
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Punkt 1.2. genannt. Durch die Integration eines {oder mehrerer) schnell reagierender Rückschlagventile (z.B. Membranventil, wie sie in Abgasentgiftungsaniagen mit Lufteinblasung anzutreffen sind), kann die effektiv zugeführte Luftmenge erhöht werden, da so die Rückwirkung der Pulsation im Abgassystem auf die Ansaugluftleitung(en) wirksam unterbunden werden kann. Ohne Rückschlagventil kann es insbesondere bei stark pulsierendem Abgasstrom dazu kommen, daß die Luftsäule im Ansaugweg nur noch oszilliert, ohne daß effektiv Luft in das Abgassystem gelangt. Desweiteren verhindert das Rückschlagventil den Eintritt von (heißem) Abgas in den Ansaugluftweg. Ohne diese Maßnahme wäre die Verwendung von Schläuchen und der Anschluß an den Luftfilter der Gemischaufbereitung aus Sicherheitsgründen nicht zu verantworten.
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Anlage 1 / Seite 5 Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip
Da die Membran des Rückschlagventils betbestimmten'DrettzahleritPufeTrequenzen) in Resonanz geraten kann - das Ventil verliert damit zumindest teilweise seine Sperrwirkung - kann ein zweites Rückschlagventil in Serie zum ersten sinnvoll sein.
Die Venturi - Düse kann entweder in ein Katalysatorgehäuse integriert, oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gehäusen eingefügt sein.
Die geometrische Gestaltung der Venturi - Düse variiert sehr stark, da sie zum einen an die Druckverhältnisse im Abgassystem, und zum anderen an die Form des Katalysatorgehäuses (rund, oder oval, verschiedene Durchmesser etc.) angepaßt werden muß.
2.5. Ausführungsbeispiel
In einem ausreichend langen (z.B. 10 Zoll = 254 mm), runden Edelstahlgehäuse sind zwei Keramik-Katalysatormonolithen (je 3 Zoll = 76,2 mm lang) so eingesetzt, daß zwischen ihnen ein leerer Raum von rund 4 Zoll = 101,6 mm verbleibt. In diesem wird die Venturi - Düse mittels einer Quellmatte so eingesetzt, daß der radiale Lufteiniaß der Düse gegen den axial verlaufenden Abgasstrom rundherum abgedichtet ist Die Venturi - Düse kann in diesem Fall die äußere Form eines ca. 80 mm langen Zylinders mit einem rund 25 mm breiten und 15 mm tiefen, etwa mittigen Einstich haben. Von diesem Einstich münden Luftkanäle in das innere der Düse an die engste Steile zwischen Einlaß und Auslaß. Zu den Stirnflächen des Zylinders hin verbreitern sich die Ein- und Auslaßdüse in einer strömungstechnisch günstigen Form, um den Gegendruck so gering wie möglich zu halten.
Ein Rohranschluß im Gehäuse des Katalysators mündet in den ringförmigen Raum in der Mitte der Venturi-Düse und verbindet damit die eben beschriebenen Luftkanäle mit der äußeren Luftzufuhr.
An den Rohranschluß ist ein (oder mehrere) Rückschlagventil(e) angebracht, von welchem ein Schlauch zum Luftfilter führt. Der Luftfilter muß verhindern, daß Wasser oder grobe Partikel in den Katalysator eingesaugt werden können. In der Regel wird man den Luftschlauch an den Luftfilter der Gemischaufbereitung anschließen.
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Claims (2)

1. Schutzansprüche
1.1. Abgasentgiftungssysteme für Verbrennungskrattmaschinen nach dem Otto - Prinzip (FremdzQndungsmotoren) auf der Basis katalytischer Nachverbrennung (Abgaskatalysatoren), die mit zwei oder mehreren katalytsich aktiven Oberflächen (i.A. keramische oder metallische Monolithen) ausgeführt sind (Zwei- oder Mehrbettkatalysatoren), und in denen
&bull; eine Venturi - Düse derart angeordnet ist, daß
&bull; das Abgas vor und nach der Venturi - Düse jeweils mindestens eine katalytisch aktive Oberfläche passiert und
&bull; der bei einer Abgasströmung entstehende Unterdruck in der Venturi - Düse dazu genutzt wird, um Luft in den Abgasstrom einzubringen.
1.
2. Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi - Prinzip,
&bull; in dessen Luftzufuhrleitung ein oder mehrere Rückschlagventile (z.B. Membranventile) integriert sind.
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US6752118B2 (en) 2002-04-11 2004-06-22 Daimler Chrysler A.G. Valve-controlled internal combustion engine
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