DE3536315A1 - Katalysatoranordnung zur reinigung von abgasen, insbesondere einer brennkraftmaschine - Google Patents

Katalysatoranordnung zur reinigung von abgasen, insbesondere einer brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung zur Reinigung von Abgasen, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Trägermatrix, deren Oberfläche mit Katalysatormaterial be­ schichtbar ist, mit einem Mantel, in dem die Trägermatrix befestigt ist, mit einem Eintrittsrohr, das eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche als der Mantel besitzt, mit einem Übergangsstutzen, der das Eintrittsrohr mit dem Mantel verbin­ det und mit einem vor der Trägermatrix angeordneten Verteilkör­ per für die Abgasströmung.
Derartige Katalysatoranordnungen sind aus der DE-PS 29 13 731 bekannt und werden insbesondere zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet. Durch den Übergang von dem kleinen Strömungsquerschnitt des Eintrittsrohrs zum größeren Strömungsquerschnitt des Mantels und der Trägermatrix treten Strömungsablösungen des Abgasstromes auf. Dies hat zur Folge, daß der Abgasstrom nicht gleichmäßig die gesamte Querschnittsfläche der Trägermatrix beaufschlagt, sondern nur einen etwa dem Querschnitt des Eintrittsrohres entsprechenden Teil, der dadurch frühzeitig ausbrennt und für die katalytische Reaktion unbrauchbar wird. Die Lebensdauer der Katalysatoranordnung wird dadurch wesent­ lich verringert.
Bei der bekannten Bauart ist vor der Trägermatrix einer Katalysatoranordnung ein Verteiler angeordnet, der die Abgasströmung zu den äußeren Bereichen der Querschnittsfläche der Trägermatrix ablenkt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß insbesondere bei steilen Übergängen der Querschnittsflächen ein Ablösen der Strömung nicht immer vermieden werden kann, so daß eine gleichmäßige Beaufschlagung der Trägermatrix mit Abgasen nicht für jeden Betriebszustand gewährleistet ist. Auch wird bei der bekannten Anordnung der Abgasgegendruck für die Brennkraftmaschine wesentlich erhöht und damit die Leistungsab­ gabe derselben verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatoranordnung zu schaffen, die mit Hilfe einfach herzustellender Vorrichtungen eine gleichmäßige Beaufschlagung der Trägermatrix der Katalysa­ toranordnung mit Abgasen ermöglicht und dadurch die Lebensdauer der Katalysatoranordnung erhöht.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß bei einer Katalysatoran­ ordnung der eingangs genannten Art als Verteilkörper im Eintrittsrohr ein Leitkörper zur Drallerzeugung vorgesehen ist.
Dadurch wird erreicht, daß dem Abgasstrom zusätzlich zu seiner Strömungsrichtung eine Rotationsbewegung erteilt wird. Diese Rotation des Abgasstromes hat Fliehkräfte zur Folge, die im Bereich des Übergangsstutzens eine gleichmäßige Verteilung der Abgase über den zur Verfügung stehenden Eintrittsquerschnitt der Trägermatrix bewirken. Gleichzeitig wird durch die Rotationsbewegung des Abgasstromes bei steilen Übergängen von der Querschnittsfläche des Eintrittsrohres zur Querschnitts­ fläche des Mantels bzw. der Trägermatrix ein Ablösen der Strömung verhindert und damit ebenfalls eine gleichmäßige Strömungsverteilung gewährleistet. Dadurch unterliegt der dem Querschnitt des Eintrittsrohres entsprechende Teil der Träger­ matrix keinem frühzeitigen Ausbrand und damit Deaktivierung, was die Lebensdauer der Katalysatoranordnung wesentlich erhöht. Da der Drallkörper dem Abgasstrom nur eine weitere Bewegungsrichtung gibt, für den Abgasstrom also nicht bzw. nur minimal als Widerstandskörper wirkt, wird durch den Drallkörper der Abgasgegendruck für die Brennkraftmaschine nicht wesentlich erhöht, so daß auch keine Leistungsminderung der Brennkraftmaschine eintritt. Schließlich werden durch die Rotationsbewegung des Abgasstromes im Abgas enthaltene Partikel, z.B. Rußpartikel oder andere im Abgas enthaltene Feststoffe nach außen geschleudert, um dort am Umfang der Trägermatrix über ggf. etwas größer ausgestaltete Zellen derselben abzufließen und damit ebenfalls zu einer gleichmäßigeren Strömungsverteilung beizutragen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Leitkörper aus einem kreisförmigen Grundblech, das ausgestanzte und aus der Ebene des Grundblechs herausgebogene Lappen als Leitschaufeln besitzt. Besonders vorteilhaft ist es, vier gleiche Lappen symmetrisch auf dem Umfang des Grundbleches anzuordnen, wobei in diesem Fall der Winkel, über den sich jeder Lappen in Umfangsrichtung erstreckt, beispielsweise 45° betragen kann.
Bei einem derartigen Drallkörper wird das Grundblech senkrecht zur Strömungsrichtung im Eintrittsrohr angeordnet, wobei die Lappen stromabwärts liegen. Zur Befestigung im Eintrittsrohr kann das Grundblech am Außenrand einen Kragen besitzen.
Bei einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Leitkörper aus wenigstens einem rechteckigen Leit­ blech, das eine Breite entsprechend dem Durchmesser des Ein­ trittsrohres besitzt und dessen Vorder- und Hinterkante gegen­ einander verdrillt sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, zwei gleiche Leitbleche mit Hilfe von axial und auf der gemein­ samen Mittelachse verlaufenden Einschnitten ineinander zu stecken, wobei die Leitbleche dann einen Winkel von etwa 90° zueinander bilden. Die Mittelachse der Leitbleche wird in diesem Fall parallel zur Strömungsrichtung im Eintrittsrohr angeordnet, fällt also mit der Rohrachse zusammen. Die Leitbleche können zur Befestigung im Rohr an ihren Außenseiten abgebogene Ränder besitzen.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Eintrittsrohr und ein Austrittsrohr, das mittels eines Übergangsstutzens mit dem Mantel verbunden ist und einen kleineren Strömungsquerschnitt als derselbe besitzt, versetzt angeordnet sind. Dies bewirkt, daß der Abgasstrom nicht unge­ hindert durch die Trägermatrix hindurchfließen kann, sondern aufgrund der versetzten Anordnung von Eintrittsrohr und Aus­ trittsrohr Rückwirkungen im Bereich des Übergangs vom Ein­ trittsrohr zur Trägermatrix entstehen, die eine gleichmäßige Strömungsverteilung und damit eine gleichmäßige Beaufschlagung der Querschnittsfläche der Trägermatrix der Katalysatoranord­ nung bewirken.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung zur Zeichnung, in der mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines möglichen Drallkörpers der Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Drallkörper der Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines weiteren möglichen Drallkörpers der Fig. 1,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung und
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 5.
In der Fig. 1 ist eine Katalysatoranordnung 10 dargestellt, die im wesentlichen aus einem Mantel 12, einer Trägermatrix 13, einem Übergangsstutzen 14, einem Drallkörper 15 und einem Ein­ trittsrohr 16 besteht. Dabei ist die Trägermatrix 13 im Mantel 12 befestigt, während der Drallkörper 15 sich im Eintrittsrohr 16 befindet. Der Mantel 12 und das Eintrittsrohr 16 sind mit Hilfe des Übergangstutzens 14 miteinander verbunden, wobei das Eintrittsrohr 16 eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche besitzt als der Mantel 12 und damit auch als die Trägermatrix 13. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Katalysatoranordnung 10 weisen der Mantel 12, der Übergangsstutzen 14 und das Ein­ trittsrohr 16, wie auch die Trägermatrix 13 und der Drallkörper 15 eine kreisförmige Außenform auf. Wie im Zusammenhang mit der Fig. 5 jedoch noch erwähnt werden wird, ist dies nicht unbe­ dingt notwendig, so daß prinzipiell beliebige Querschnitts­ formen möglich sind.
Wie schon erwähnt wurde, sind die Strömungsquerschnittsflächen des Eintrittsrohrs 16 und des Mantels 12 verschieden, so daß ein mit der Kennziffer 17 bezeichneter Eintrittsquerschnitt kleiner ist als die mit 19 gekennzeichnete Stirnfläche der Trägermatrix 13. Dazwischen liegt eine Querschnittserweiterung 18, die mit Hilfe des Übergangsstutzens 14 überbrückt wird.
Mit der Kennziffer 21 ist ein Pfeil gekennzeichnet, der die Strömungsrichtung angibt, in der das zu reinigende Abgas in die Katalysatoranordnung einströmt. Der mit der Kennziffer 22 be­ zeichnete wendelförmige Linienzug im Bereich des Übergangsstutzens 14 soll die Drallströmung darstellen, die aufgrund des im Eintrittsrohr 16 befindlichen Drallkörpers 15 entstanden ist. Schließlich kennzeichnen die mit der Kennziffer 23 bezeichneten Pfeile das gleichmäßige Durchfließen der Abgase durch die einzelnen Zellen der Trägermatrix 13.
Wesentlich an der Katalysatoranordnung gemäß der Fig. 1 ist der Drallkörper 15, der den in die Anordnung einströmenden Abgasen zusätzlich zu ihrer Strömungsrichtung 21 eine weitere Bewe­ gungsrichtung 22 verleiht. In der Fig. 1 ist der Drallkörper 15 wendelförmig ausgeführt, so daß dies eine Drallströmung 22 der Abgase zur Folge hat. Dies wiederum bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Abgase im dem Drallkörper 15 nachfolgenden Über­ gangsstutzen 14, so daß schließlich die Abgase die Stirnfläche 19 der Trägermatrix 13 gleichmäßig beaufschlagen.
Besonders vorteilhaft ist es, die einzelnen Zellen der Träger­ matrix 13 zum Rand hin größer auszugestalten, da bei der Drall­ strömung gleichzeitig kleinere Partikel, z.B. Rußpartikel, nach außen geschleudert werden und dann ungehemmt durch die größeren Zellen der Trägermatrix 13 abfließen können. Insgesamt ergibt dies ebenfalls eine gleichmäßige Strömung 23 der Abgase durch die Trägermatrix 13 und damit eine gleichmäßige katalytische Reaktion, also eine optimale Reinigung der Abgase.
In den Fig. 2 und 3 ist ein möglicher Drallkörper 15 darge­ stellt, der zur Erzeugung einer Drallströmung der Abgase in einer Katalysatoranordnung 10 gemäß der Fig. 1 verwendet werden kann. Bei dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Drallkörper 15 han­ delt es sich um ein einstückiges Stanz- und Prägeteil. Dieser Drallkörper 15 besteht aus einem Grundblech 31, aus dem Lappen 30 ausgeschnitten und umgeknickt sind. Zu diesem Zweck ist das kreisförmige Grundblech 31 für jeden Lappen 30 entlang einer Schnittlinie 36 eingeschnitten und um eine Biegekante 35 geknickt. Die Schnittlinie 36 besteht dabei aus drei Teilschnitten, von denen zwei konzentrisch zum Mittelpunkt des Grundblechs 31 verlaufen, jedoch verschiedene Radien besitzen, während der dritte Teilschnitt radial zum Mittelpunkt des Grundblechs 31 verläuft und die beiden konzentrischen Teilschnitte miteinander verbindet. Die Biegekante 35 verläuft ebenfalls radial zum Mittelpunkt des Grundblechs 31, bildet mit dem radialen Teilschnitt der Schnittlinie 36 einen Winkel und verbindet ebenfalls die beiden konzentrischen Teilschnitte der Schnittlinie 36 miteinander. Damit stellt der Lappen 30 ins­ gesamt einen Ausschnitt einer Kreisfläche dar, der aus dem Grundblech 31 ausgeschnitten und ausgestellt ist. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Drallkörper 15 schließen die beiden radialen Begrenzungslinien des Lappens 30 etwa einen Winkel von 45° ein und es sind insgesamt vier Lappen 30 auf dem Grundblech 31 symmetrisch angeordnet. Damit mit Hilfe des Drallkörpers 15 eine gleichmäßige Strömungsverteilung der hindurchfließenden Abgase erreicht wird, ist es wichtig, daß sämtliche Biegekanten 35 radial angeordnet sind und die Lappen 30 alle in derselben Art und Weise, insbesondere in dieselbe Richtung ausgestellt bzw. umgeknickt sind. Dabei ist es auch noch möglich, zur Verstärkung des Dralleffektes die einzelnen Lappen 30 wendelförmig zu verbiegen, so daß die Lappen 30 für die durchströmenden Abgase als wendelförmige Leitflächen wirken.
In der Mitte des Grundblechs 31 befindet sich schließlich noch eine Ausnehmung 32, während die Außenkante des Grundblechs 31 über eine Biegung 34 zu einem Rand 37 ausgebildet ist, so daß der gesamte Drallkörper 15 bei einer entsprechenden Wahl des Durchmessers des Grundblechs 31 auf einfache Weise, z.B. mit Hilfe von Punktverbindungen 33 senkrecht zur Strömungsrichtung 21 mit in Strömungsrichtung weisenden Lappen 30 im Eintrittsrohr 16 befestigt werden kann.
In der Fig. 4 ist ein weiterer Drallkörper 15 räumlich darge­ stellt, der in der Katalysatoranordnung 10 gemäß der Fig. 1 verwendet werden kann. Dieser Drallkörper 15 besteht im wesent­ lichen aus zwei baugleichen Leitblechen 40 und 41, die im Eintrittsrohr 16 angeordnet sind. Jedes der Leitbleche 40 und 41 besitzt eine rechteckige Form. Vorderkante 42 und Hinterkan­ te 43 sind gegeneinander um 90° verdreht. Weiter weist jedes der Leitbleche 40 und 41 einen Einschnitt 48 auf, der auf der Mittellängsachse 25 bis etwa zur Hälfte der Länge der Leitble­ che 40 und 41 verläuft. Dadurch ist es möglich, die beiden Leitbleche 40 und 41 mittels der Einschnitte 48 ineinander­ zustecken, so daß ihre Leitflächen jeweils einen Winkel von 90° zueinander bilden. Die Mittelachse 25 der beiden Leitbleche 40 und 41 verläuft auf der Achse 24 des Eintrittsrohres 16. Wich­ tig ist dabei, daß die wendelförmige Verdrehung der beiden Leitbleche 40 und 41 in dieselbe Richtung weist und damit der gesamte Drallkörper 15 wendelförmige Leitflächen für die durchströmenden Abgase darstellt. In der Fig. 4 weist die Verdrillung der Leitbleche 40 und 41 einen Winkel von 90° auf. Es ist auch möglich, diesen Winkel und/oder die Steigung der Verdrillung zu verändern.
Es ist besonders vorteilhaft, die Breite der Leitbleche 40 und 41 etwas größer als den Innendurchmesser des Eintrittsrohres 16 zu wählen. Dadurch ist es möglich, die radialen Außenkanten der Leitbleche 40 und 41 über eine Biegung 44 zu einem Rand 37 umzubiegen, mit dessen Hilfe der gesamte Drallkörper 15 zum Beispiel mit Hilfe von Punktverbindungen oder ähnlichen Befestigungsmethoden parallel zur Strömungsrichtung im Eintrittsrohr 16 befestigt werden kann.
Der Ort der Befestigung des Drallkörpers 15 im Eintrittsrohr 16 ist im Grunde genommen ebenfalls frei wählbar, besonders vor­ teilhaft ist es jedoch, diesen Ort in der Nähe des Übergangs­ stutzens 14 zu wählen.
In den Fig. 5 und 6 ist eine Katalysatoranordnung 10 mit einem ovalen Mantel 12 dargestellt, bei der analog zur Fig. 1 die Trägermatrix 13 im ovalen Mantel 12 befestigt und das Eintrittsrohr 16 mit Hilfe des Übergangsstutzens 14 mit dem ovalen Mantel 12 verbunden ist. Zusätzlich zur Fig. 1 ist jedoch auch noch ein Übergangsstutzen 62 dargestellt, der den ovalen Mantel 12 an ein Austrittsrohr 61 anschließt. Die Querschnittsfläche des Austrittsrohrs 61 und damit der Aus­ trittsquerschnitt 60 ist dabei kleiner als die Querschnitts­ fläche des ovalen Mantels 12 und damit die Stirnfläche 19 der Trägermatrix 13. Insgesamt ist also bei der Katalysatoranordnung der Fig. 5 und 6 der Gaseintritt 17 und der Gasaustritt 50 versetzt voneinander angeordnet. Der Abstand dieser versetzten Anordnung ist dabei mit 51 gekennzeichnet. Durch die versetzte Anordnung von Gasein- und austritt wird ebenfalls u. a. durch die dadurch entstehenden Rückwirkungen auf den Gaseintritt eine gleichmäßigere Strömungsverteilung im Eintrittsbereich erreicht.
Wichtig ist bei den beschriebenen Drallkörpern, daß diese aufgrund ihrer Leitflächen nicht als Widerstandskörper oder Verdrängungskörper wirken, sondern als Leitkörper. Im Gegensatz zu den Widerstandskörpern erhöhen sie also den Abgasgegendruck für die Brennkraftmaschine nur wenig oder gar nicht. Die Drallkörper können dabei in der Form von Blechprägeteilen oder Stanzteilen vorliegen, es ist jedoch auch die Herstellung mit Hilfe anderer Materialien und Herstelltechniken denkbar.

Claims (13)

1. Katalysatoranordnung zur Reinigung von Abgasen, insbe­ sondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Trägermatrix, deren Oberfläche mit Katalysatormaterial beschichtbar ist, mit einem Mantel, in dem die Trägermatrix befestigt ist, mit einem Eintrittsrohr, das eine kleinere Strömungsquer­ schnittsfläche als der Mantel besitzt, mit einem Über­ gangsstutzen, der das Eintrittsrohr mit dem Mantel verbindet und mit einem vor der Trägermatrix angeordneten Verteilkörper für die Abgasströmung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Verteilkörper im Eintrittsrohr (16) ein Leitkörper (15) zur Drallerzeugung vorgesehen ist.
2. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Leitkörper (15) aus einem kreisförmigen Grundblech (31) besteht, das ausgestanzte und aus der Ebene des Grundbleches (31) herausgebogene Lappen (30) als Leitschaufeln besitzt.
3. Katalysatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß vier Lappen (30) gleichmäßig auf dem Umfang ver­ teilt vorgesehen sind.
4. Katalysatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Biegekante (35) jedes Lappens (30) radial verläuft.
5. Katalysatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Lappen (30) sich über einen Winkel von etwa 45° in Umfangsrichtung erstreckt.
6. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (30) wendelförmig gebogen sind.
7. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Grundblech (31) senkrecht zur Strömungsrichtung (21) im Eintrittsrohr (16) angeord­ net ist, und daß die Lappen (30) stromabwärts liegen.
8. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Grundblech (31) am Außenrand einen Kragen (37) zur Befestigung im Eintrittsrohr (16) besitzt.
9. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Leitkörper (15) aus wenigstens einem recht­ eckigen Leitblech (40) mit einer Breite besteht, die dem Durchmesser des Eintrittsrohres (16) entspricht, und daß Vorder (42)- und Hinterkante (43) des Leitbleches (40) ge­ geneinander verdrillt sind.
10. Katalysatoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei gleiche Leitbleche (40, 41) mit Hilfe von axial und auf der gemeinsamen Mittelachse (25) verlau­ fenden Einschnitten (48) ineinandergesteckt sind.
11. Katalysatoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitbleche (40, 41) ineinandergesteckt einen Winkel von etwa 90° zueinander bilden.
12. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (25) der Leitbleche (40, 41) mit der Rohrachse (24) des Eintritts­ rohrs (16) zusammenfällt.
13. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (40, 41) an ihren radial außen liegenden Kanten mit umgebogenen Rändern (37) zur Befestigung im Eintrittsrohr (16) versehen sind.
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