DE3638082C2 - Abgasleitung mit hohlkegelförmigen Katalysatorträgerkörpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasleitung nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. Der Einsatz von meist wabenförmi­ gen Trägerkörpern, die, mit einer zur Abgasentgiftung kataly­ tisch wirkenden Substanz beschichtet, in die Abgasleitungen von Verbrennungsmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen einge­ baut sind, ist bekannt. Die Anmelderin hat in der EP-A-0 121 175 einen Trägerkörper aus konisch wendelförmig gewickelten Blech­ streifen vorgeschlagen. Wesentlich ist hier, daß das Verhältnis der Breite der Blechbänder zu der Steigung der Wendel und dem Durchmesser des Trägerkörpers so gewählt ist, daß kein Quer­ schnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schnei­ det, so daß die axiale Ausdehnung des hohlkegelartigen Träger­ körpers in jedem Falle größer als die zweifache Breite der Blechbänder ist. Damit wird erreicht, daß jeder Querschnitt senkrecht zur Längsachse nur relativ schmale Ringzonen des Trägerkörpers umfaßt, die in radialer Richtung sowohl nach außen wie nach innen nicht von Nachbarwicklungen in ihrer Dehnungsfreiheit behindert werden und somit keinen plastischen Wechselverformungen aufgrund der Temperaturwechsel während des Betriebes ausgesetzt sind. Weiter wurde dort gefunden, daß eine Aufteilung der gesamten benötigten katalytisch aktiven Fläche und damit der Einsatz von mehreren, hintereinander angeordneten, jeweils nur schmalen Trägerkörpern von Vorteil sein kann, da bei den üblichen Abmessungen und Gasgeschwindigkeiten die Strömung in den Katalysatorkörpern nach etwa 20 bis 30 mm in den laminaren Zustand übergeht, was für die in einem Katalysa­ tor ablaufenden chemischen Vorgänge wegen der mangelnden Ober­ flächenkontaktierung des Abgases weniger günstig ist als eine turbulente Strömung.

Da ein Teil des freien Querschnittes der Abgasleitung durch die Stirnfläche des Katalysatorkörpers eingenommen wird, wird letzterer zur Vermeidung unnötiger Druckverluste in einem im Durchmesser erweiterten Abschnitt der Leitung untergebracht, so daß hier etwa der gleiche effektive freie Querschnitt zur Ver­ fügung steht. Der Übergang der Abgasleitung auf den erweiterten Abschnitt und zurück von diesem zu dem in Normaldurchmesser weitergeführten Endabschnitt der Abgasleitung erfolgt über einen Diffusor bzw. Konfusor. Beim Eintritt in den ersteren ist wiederum eine turbulente Ablösung der Strömung von der Wandung an sich unerwünscht, da diese zu Druckverlusten führt. Dem Fachmann ist bekannt, daß er ein laminares Anliegen der Strömung an die Wandung erreichen kann, wenn er dem Diffusor (abhängig von der Reynolds-Zahl) einen Öffnungswinkel von etwa 4 bis 7° gibt. Der Diffusor wird so verhältnismäßig lang und beansprucht Platz, der vielfach, insbesondere bei Kraftfahr­ zeugen nicht zur Verfügung steht.

Es wurde nun gefunden, daß dem Diffusor ohne eine merkliche Verschlechterung der Strömungsverhältnisse ein größerer Öff­ nungswinkel mitgeteilt werden kann, wenn in ihn die Spitze eines hohlkegelförmigen Katalysatorkörpers der beschriebenen Art hineinragt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Bereiches (bei Abgasleitungen der in Kraftfahr­ zeugen üblichen Größe), in dem die Spitze des Katalysatorkör­ pers angeordnet werden muß, um einerseits eine Beeinträchtigung der Strömungsverhältnisse in der Abgasleitung nach Möglichkeit zu verhindern, und andererseits den Raumbedarf für diesen Teil der Abgasleitung möglichst klein zu halten. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im kennzeichnenden Teil des 1. An­ spruchs angegebene Maß. Ohne umfängliche, kostspielige strö­ mungstechnische Untersuchungen und Berechnungen kann damit ein annähernd optimaler Strömungsverlauf sichergestellt werden bei gleichzeitiger Beibehaltung der (wie oben ausgeführt) aus Gründen der Temperaturwechselfestigkeit vorzuziehenden hohlkegelartigen Form des Katalysatorkörpers. Liegt der Durch­ messer der Abgasleitung aus betrieblichen Gründen fest und ergibt sich hieraus in Verbindung mit der Stirnfläche des Katalysatorkörpers auch der Durchmesser des erweiterten Abschnitts derselben, und wird die Länge des Diffusors durch die Platzverhältnisse vorgegeben, so kann die Höhe des Kataly­ satorkörpers und sein Spitzenwinkel bestimmt werden, woraus sich wiederum dessen geometrisch maximal mögliche Wickelbreite ableiten läßt. Wird, wie im 2. Anspruch vorgeschlagen, die Wickelbreite des Körpers auf das wie oben ausgeführt aus strömungstechnischen Gründen wünschenswerte Maß begrenzt, kann unter Voraussetzung bestimmter Wickeldichten, Zellenformen usw. die Anzahl der hintereinander anzuordnenden Katalysatorkörper bestimmt werden, die zur Erzielung einer vorgegebenen erforder­ lichen aktiven katalytischen Oberfläche erforderlich sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine Ausführung unter Anwendung des einen erfindungsgemäßen Extremwertes für die Lage des Katalysatorkörpers, während die Fig. 2 eine Ausführung gemäß dem anderen Extremwert darstellt.

Einer (Fig. 2) oder mehrere (Fig. 1) Katalysatorkörper 1 aus abwechselnd glatt und gewellt spiral- und wendelförmig aufge­ wickeltem, anschließend mit einer katalytisch wirksamen Substanz beschichtetem Metallband sind in einem erweiterten Abschnitt 2 mit dem Durchmesser D einer Abgasleitung mit dem Durchmesser d untergebracht, die aus einem zuführenden Teil 4 und einem abführenden Teil 6 besteht, wobei die Übergänge auf den erweiterten Abschnitt 2 über einen Diffusor 3 mit der Länge 1 und dem Öffnungswinkel α und einem Konfusor 5 (dessen Ausgestaltung im einzelnen nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist) bewerkstelligt werden. In idealisierter, durch die strich­ punktierten Linien angedeuteter Form haben die Katalysator­ körper 1 die Gestalt von Hohlkegeln, die mit ihrer Spitze der Abgasströmung entgegengesetzt angeordnet sind und einen halben Spitzenwinkel β aufweisen. Die Band- bzw. Wickelbreite beträgt b und ist so auf den Durchmesser D abgestimmt, daß die Höhe des Katalysatorkörpers h mindestens das doppelte von b beträgt. Praktische Versuche haben gezeigt, daß andererseits das Maß h tunlichst nicht mehr als das Vierfache des Maßes b betragen sollte, da sonst ein Katalysatorträgerkörper entsteht, der beim Einsatz in den auf hoher Temperatur (900°C und darüber) befindlichen Abgasen zu Verformungen neigt. In der Darstellung der Fig. 1 mußte die Länge 1 aus Gründen des für die Abgasleitung zur Verfügung stehenden Platzes möglichst gering gehalten werden. Hier wurde die Spitze eines ersten Katalysatorkörpers um das Maß x = -5 mm vor den Ansatz des Diffusors 3 verlegt. In Verbindung mit dem festgelegten Durch­ messer D des erweiterten Abschnitts 2 (dessen Verhältnis zum Durchmesser d der Abschnitte 4 und 6 so gewählt ist, daß sich ein etwa gleichbleibender freier Querschnitt ergibt) entsteht ein Katalysatorkörper mit einem verhältnismäßig stumpfen Spitzenwinkel 2β. Soll zugleich, wie gefordert die Höhe h des Körpers mindestens das Doppelte von dessen Wickelbreite b betragen, ergibt sich ein verhältnismäßig nur geringes Maß b, d. h. ein wenig tiefer Katalysatorkörper. Um die zur Abgasent­ giftung erforderliche aktive Katalysatorfläche F zur Verfügung zu stellen, ist es in diesem Falle erforderlich, einen zweiten Katalysatorkörper 1 hinter dem ersten anzuordnen.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform konnte das Maß 1 so groß gewählt werden, wie es mit Rücksicht auf die Obergrenze des Maßes x mit etwa 30 mm möglich war. Es ergab sich eine spitzere Form für den Katalysatorkörper 1, wodurch bei gleichbleibendem Durchmesser D (und einem mit Rücksicht auf ein geändertes Verhältnis des freien Querschnitts des Kataly­ satorkörpers 1 zu seiner gesamten Stirnfläche vergrößertes Maß d für die Abschnitte 4 und 6) eine Vergrößerung sowohl des Maßes h als auch des Maßes b möglich wurde. Unter Inkaufnahme der infolge Übergangs zur laminaren Strömung etwas verschlech­ terten Wirkung der katalytisch aktiven Fläche F ist das Maß b so groß, daß die erforderliche Fläche F in nur einem Kataly­ satorträgerkörper untergebracht werden kann.

Die vorhergehenden Ausführungen beziehen sich auf Abgasleitun­ gen mit rotationssymmetrischem Querschnitt. Es bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten, die Lehre der Erfindung auch auf Abgasleitungen und Katalysatorkörper anderen, z. B. doppel­ ovalen Querschnitts anzuwenden.

Claims (2)

1. Abgasleitung einer Verbrennungsmaschine mit dem Durchmesser d und einem erweiterten Abschnitt (2) mit dem Durchmesser D, der mit den anschließenden Teilen (4, 6) der Leitung über einen Diffusor (3) der Länge 1 bzw. einen Konfusor (5) verbunden ist und in dem n hohlkegelförmige Katalysatorträgerkörper aus spiralig aufgewickeltem Blechband der Höhe h und der Wickel­ breite b mit in den Diffusor hineinragender Spitze angeordnet sind, wobei ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß x, um das die Spitze des Katalysatorträgerkörpers (1) vom Beginn des Diffusors (3) entfernt ist, zwischen -5 und 30 mm beträgt.

2. Abgasleitung nach Anspruch 1 mit einer wirksamen Oberfläche der Katalysatorträger F = D x b x n x K, wobei K ein von der Wickeldichte und -art abhängiger Koeffizient ist, dadurch gekennzeichnet, daß b < 30 mm ist.