DE3711101A1 - Abgaskruemmer mit einem katalytisch beschichteten filter fuer festkoerperteilchen - Google Patents

Abgaskruemmer mit einem katalytisch beschichteten filter fuer festkoerperteilchen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekanntlich setzt man beispielsweise bei Dieselmaschinen, die als Antriebsmotoren für Fahrzeuge dienen, im Abgassammelrohr Filter zum Auffangen der Rußpartikel ein. Diese Filter bewirken zwar eine wirksame Reinigung der Abgase, besitzen aber den grundlegenden Nachteil, daß sie bereits nach relativ kurzen Betriebszeiten durch die aufgefangenen Partikel verstopft werden und einen die Nutzleistung der Maschine nachteilig beeinflussenden Abgasgegendruck erzeugen. Daher ist es bereits bekannt (SAE Technical Paper 8 40 174, Seiten 109 bis 125, insbesondere 116, rechte Spalte), die durch katalytische Oxidation von gasförmigen Bestandteilen der Abgase, wie Kohlenwasserstoffen und CO, gewonnene Wärme zum Aufheizen der aufgefangenen Partikel auf ihre Zündtemperatur auszunutzen. Das Filter wird dann durch Wegbrennen der aufgefangenen Partikel gereinigt.
Diese bekannte Methode besitzt gegenüber anderen Regenerierverfahren, die mit elektrischer Aufheizung und Zuführung (kalter) Sekundärluft arbeiten (US-PS 44 04 795, F01N 3/02), den Vorteil, daß einerseits elektrische Energie und eine Steuereinrichtung, die das Erreichen eines vorgegebenen, zum Abbrennen des Rußes nach Zündung (mittels der elektrischen Energie) ausreichenden Temperaturwerts erfaßt, überflüssig sind und daß andererseits nicht, wie bei dem zuletzt beschriebenen Verfahren, eine diskontinuierliche, sondern eine kontinuierliche Regenerierung des Filters erfolgt. Dabei ist aber von Nachteil, daß zwar einerseits das Filter wärmeisoliert in die Abgassammelleitung eingebaut ist, andererseits aber durch die Zufuhr kalter Sekundärluft die Temperatur zumindest am Eingang des Filters erniedrigt wird.
Aus der DE-OS 30 29 920, F01N 3/30, ist bereits ein Auspuffkrümmer mit Zuführung durch die Abgaswärme erwärmter Sekundärluft bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Vorrichtung, die für eine nichtkatalytische Abgasreinigung speziell bei Ottomotoren durch Nachverbrennung gedacht und nur für diesen Zweck geeignet ist. Die dort vorgesehene Zufuhr vorgewärmter Sekundärluft, die eine in wärmeleitendem Kontakt mit einer Abgasleitung stehende Luftzuführungsleitung in gleicher Richtung wie die Abgase in der betreffenden Abgasleitung durchströmt, erfolgt erst im Abgassammelrohr, d. h. am Ort der nichtkatalytischen Nachverbrennung. In die einzelnen Abgasleitungen münden durch Röhrchen, deren Austrittsenden in Richtung der Abgasströmungen weisen, gebildete Zuführungen für kalte Sekundärluft ein.
Eine ähnliche Anordnung, die unter Verzicht auf die Zuführung vorgewärmter Sekundärluft arbeitet, bei der jedoch die freien Enden der Zuführungen für kalte Sekundärluft entgegen den Abgasströmungen in den Abgasleitungen weisen, zeigt die US-PS 43 95 876, F01N 3/22. Auch hier handelt es sich um eine Anordnung mit einem nichtkatalytischen Reaktor; allerdings ist eine entsprechende Sekundärluftzuführung bei einer mit katalytischen Konvertern ausgerüsteten Brennkraftmaschine aus der US-PS 43 54 349, F01N 3/28, bekannt. Im letzten Falle liegen die katalytischen Konverter allerdings relativ weit von den Brennräumen der Maschine entfernt, so daß sie thermisch möglichst wenig belastet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaskrümmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, d. h. einen solchen, der mit Filterregenerierung durch Ausnutzung der bei einem katalytischen Oxidationsprozeß erzeugten Wärme arbeitet, zu schaffen, der hinsichtlich des Erreichens der Zündtemperatur der im Filter aufgefangenen Festkörperteilchen, insbesondere Rußpartikel, optimiert ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs; vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Der gasdichte Mantel bei der Erfindung ist also in vorteilhafter Weise in zweierlei Beziehung wirksam: Zum einen verringert er die Wärmeverluste des Abgaskrümmers, und zum anderen erzeugt er einen Kanal für Sekundärluft, in dem diese - nach dem Gegenstromprinzip strömend - durch die Abgase aufgeheizt wird. Damit wird also zumindest ein wesentlicher Teil der sonst in nachteiliger Weise an die Umgebung abgegebenen Abgaswärme zur Vorwärmung der Sekundärluft ausgenutzt, so daß die Sekundärluft zuführungnicht in für das Abbrennen der aufgefangenen Festkörperteilchen nachteiliger Weise die Temperatur im Bereich des Eingangs des Filters erniedrigt.
Infolge des kontinuierlichen Abbrennens der aufgefangenen Festkörperteilchen im Filter erübrigen sich irgendwelche aufwendigen Steuervorrichtungen mit Sensoren; auch besitzt das Filter in vorteilhafter Weise stets einen relativ kleinen Strömungswiderstand für die Abgase.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die einen Horizontalschnitt durch einen Abgaskrümmer wiedergibt. Dabei deuten die Pfeile die Abgasströmung in den verschiedenen Teilen des Abgaskrümmers an.
Es ist angenommen, daß die - im übrigen nicht dargestellte - Brennkraftmaschine vier Brennräume (Zylinder) aufweist, denen individuelle Abgasleitungen 1, 2, 3 und 4 zugeordnet sind. An den freien Enden der Abgasleitungen erkennt man Flansche 5, 6, 7 und 8, mit denen der allgemein mit 9 bezeichnete Abgaskrümmer in der Flucht von Einlaßkanälen im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine an diesen angeschraubt wird.
Die demgemäß brennraumindividuellen Abgasleitungen 1, 2, 3 und 4 laufen in die gemeinsame Abgassammelleitung 10 ein, in der das in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Metallmonolithen gebildete Filter 11 angeordnet ist. Ein derartiger Metallmonolith, wie er auch als Träger für katalytische Abgasreinigungsvorrichtungen bei Ottomotoren Einsatz findet, hat den grundsätzlichen Vorteil eines geringen Strömungswiderstands. Im vorliegenden Fall ist der Metallmonolith mit einer katalytischen Schicht, die beispielsweise Mangan und/oder Blei enthält, belegt, die dazu dient, gasförmige Bestandteile im Abgas der hier angenommenen Dieselmaschine, insbesondere Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde, aber auch Kohlenstoff, unter Wärmeabgabe zu oxidieren. Die dabei abgegebene Wärme dient dazu, im Filter 11 aufgefangene Festkörperteilchen, insbesondere Rußpartikel, auf ihre Zündtemperatur zu bringen; sobald einzelne Bereiche des Filters diese Zündtemperatur erreicht haben, erfolgt eine räumliche Ausbreitung des Abbrennbereichs für die Partikel.
Vorraussetzung für den Oxidations- und Abbrennvorgang ist ein ausreichendes Sauerstoffangebot in den das Filter 11 erreichenden Abgasen. Dies wird durch Zuführung von Sekundärluft erreicht. Zur Ausnutzung der Abgaswärme und zur Verringerung der Wärmeabgabe des Abgaskrümmers 9 an die Umgebung sind wesentliche Bereiche des Abgaskrümmers mit einem einen Sekundärluftkanal 12 bildenden Blechmantel 13 umgeben, dessen in der Figur rechtem Ende Sekundärluft 14 zugeführt wird und der über Röhrchen 15, 16, 17 und 18 in die brennraumindividuellen Abgasleitungen 1, 2, 3 und 4 einmündet. Die Sekundärluft durchströmt also den Sekundärluftkanal 12 bezüglich der Abgasströmungen in entgegengesetzter Richtung und wird über die entsprechend abgebogenen Enden 19, 20, 21, 22 der Röhrchen 15, 16, 17 und 18 entgegen der Abgasströmungsrichtung zugeführt, wodurch eine gute Verwirbelung der heißen Abgase mit der vorgewärmten Sekundärluft erzielt wird.
Wie die Figur zeigt, ist das Filter 11 möglichst nahe an den heißen Brennräumen der Maschine angeordnet.
Mit der Erfindung ist also ein Abgaskrümmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geschaffen, bei dem durch Einblasung vorgewärmter Sekundärluft, die übrigens mittels eines Gebläses und/oder über ein Sekundärluftventil zugeführt werden kann, ein für die Wirksamkeit der katalytischen Schicht auf dem Filter ausreichend hoher Sauerstoffgehalt der Abgase ohne nachteilige Temperaturabsenkung sichergestellt wird.

Claims (4)

1. Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine mit brennraumindividuellen Abgasleitungen, die in ein gemeinsames Abgassammelrohr mit einem katalytisch beschichteten Filter für Festkörperteilchen, insbesondere Rußpartikel, im Abgas einlaufen, wobei die beim katalytischen Oxidationsprozeß erzeugte Wärme zur Regeneration des Filters durch Abbrennen der aufgefangenen Festkörperteilchen dient, dadurch gekennzeichnet, daß Abgasleitungen (1, 2, 3, 4) und Sammelrohr (10) zumindest bereichsweise von einem gasdichten Mantel (13) mit Abstand zur Bildung eines Sekundärluftkanals (12) umgeben sind, der im wesentlichen entgegen der Abgasströmung im Abgaskrümmer (9) von Luft (14) durchströmt ist und im Bereich der dem Sammelrohr (10) abgekehrten Enden der Abgasleitungen (1, 2, 3, 4) in diese einmündet.
2. Abgaskrümmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftkanal (12) in die Abgasleitungen über Rohre (15, 16, 17, 18) einmündet, deren freie Enden (19, 20, 21, 22) entgegen der Abgasströmung weisen.
3. Abgaskrümmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (11) durch einen Metallmonolithen gebildet ist.
4. Abgaskrümmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht Blei und/oder Mangan und/oder Silber enthält.
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