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Die Erfindung bezieht sich auf ein katalytisches Konvertersystem,
das einen Diffusor zwischen einem Zuführkanal und
einem Empfangskanal hat.
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Diffusoren sind in der Technik bestens bekannt. Webster's
New Collegiate Dictionary (1981) definiert Diffusoren als
"eine Vorrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit und
zum Erhöhen des statischen Druckes eines durch ein System
hindurchgehenden Fluids". Die vorliegende Erfindung befaßt
sich mit den typischsten Diffusoren, also denjenigen, die
einen Einlaßdurchflußquerschnitt haben, der kleiner als ihr
Auslaßdurchflußquerschnitt ist. Ein Diffusor kann zwar
speziell für den Zweck benutzt werden, die
Fluidgeschwindigkeit zu reduzieren oder den Fluiddruck zu erhöhen, oft
werden sie jedoch einfach wegen einer physikalischen Forderung
benutzt, den Durchflußquerschnitt eines Durchlasses zu
vergrößern, beispielsweise um Rohre unterschiedlicher
Durchmesser zu verbinden.
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Der im folgenden in dieser Beschreibung und in den
beigefügten Patentansprüchen benutzte Begriff "Diffusor" soll
einen Fluid führenden Durchlaß bedeuten, der einen
Einlaßdurchflußquerschnitt hat, welcher kleiner als sein
Auslaßdurchflußquerschnitt ist, und der die Geschwindigkeit des
Fluids in der Hauptströmungsrichtung verringert und seinen
statischen Druck erhöht.
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Wenn die Wände des Diffusors relativ zu der
Hauptströmungsrichtung zu steil sind, kann es in Strömungsrichtung zu
einer zweidimensionalen Grenzschichtablösung kommen. Eine in
Strömungsrichtung erfolgende zweidimensionale
Grenzschichtablösung, wie der Begriff in dieser Beschreibung und
den beigefügten Patentansprüchen benutzt wird, bedeutet das
Losbrechen des Großteils des Fluids von der Oberfläche
eines
Körpers, was eine Strömung nahe der Wand ergibt, die
sich in einer Richtung bewegt, welche zu der
Hauptfluidströmungsrichtung entgegengesetzt ist. Diese Ablösung führt
zu hohen Verlusten, geringem Druckgewinn und geringerer
Geschwindigkeitsreduktion. Wenn das passiert, sagt man, daß
der Diffusor im Strömungsabrißzustand ist. Ein
Strömungsabriß tritt in Diffusoren auf, wenn die kinetische Energie
in der Grenzschicht die Zunahme im Druck nicht überwinden
kann, wenn sie sich längs der Wand stromabwärts bewegt,
wobei in diesem Punkt die Strömungsgeschwindigkeit nahe der
Wand tatsächlich die Richtung umkehrt. Von diesem Punkt an
kann die Grenzschicht nicht an der Wand haften bleiben, und
es wird ein Strömungsablösungsgebiet stromabwärts desselben
erzeugt.
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Zum Verhindern eines Strömungsabrisses kann es erforderlich
sein, einen Diffusor länger auszubilden, um den verlangten
Diffusionswinkel zu verringern; eine längere
Diffusionslänge mag jedoch in gewissen Fällen nicht akzeptabel sein,
z. B. wegen Raum- oder Gewichtsbeschränkungen, und wird das
Problem nicht unter allen Umständen lösen. Es ist deshalb
äußerst erwünscht, in der Lage zu sein, schneller zu
diffundieren (d. h. auf einer kürzeren Strecke), ohne daß
Strömungsabriß auftritt oder, umgekehrt, in der Lage zu
sein, in einen größeren Durchflußquerschnitt bei gegebener
Diffusorlänge zu diffundieren, als es mit Diffusoren des
Standes der Technik gegenwärtig möglich ist.
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Diffusoren des Standes der Technik können entweder
zweioder dreidimensional sein. Zweidimensionale Diffusoren sind
üblicherweise vierseitig ausgebildet, wobei zwei
gegenüberliegende Seiten parallel zueinander sind und die anderen
beiden gegenüberliegenden Seiten voneinander weg zu dem
Diffusorauslaß hin divergieren. Konische und ringförmige
Diffusoren werden manchmal als zweidimensionale Diffusoren
bezeichnet. Ringförmige Diffusoren werden häufig in
Gasturbinentriebwerken benutzt. Ein dreidimensionaler Diffusor
kann beispielsweise vierseitig ausgebildet sein, mit zwei
Paaren von einander gegenüberliegenden Seiten, die
voneinander weg divergieren.
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Das katalytische Konvertersystem für Personenkraftwagen,
Lastkraftwagen und dgl. reduziert die Abgasemissionen
(Stickoxide) und oxidiert Kohlenmonoxid und unverbrannte
Kohlenwasserstoffe. Der gegenwärtig bevorzugte Katalysator
ist Platin. Weil Platin so teuer ist, ist es wichtig, es
wirksam auszunutzen, was bedeutet, einen großen
Oberflächeninhalt des Platins den Gasen auszusetzen und eine
ausreichend lange Verweilzeit verfügbar zu haben, damit es
seine Aufgabe akzeptabel löst, und zwar unter Verwendung
der kleinsten möglichen Menge an Katalysator.
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Gegenwärtig werden die Auspuffgase dem Konverter in einem
zylindrischen Rohr oder Kanal zugeführt, der einen
Durchflußquerschnitt zwischen 2.5-5.0 Quadratzoll hat. Der
Katalysator (in Form eines mit Platin überzogenen keramischen
Monoliths oder eines Bettes von überzogenen keramischen
Pellets) ist innerhalb eines Kanals angeordnet, der z. B.
einen elliptischen Durchflußquerschnitt hat, welcher das
Zwei- bis Vierfache desjenigen des kreisförmigen
Einlaßkanals ist. Der Einlaßkanal und der den Katalysator
enthaltende Kanal sind durch einen Diffusorabschnitt verbunden,
welcher einen Übergang von kreisförmig auf elliptisch
bildet. Aufgrund von Raumbeschränkungen ist der
Diffusorabschnitt sehr kurz; und sein Divergenzhalbwinkel kann bis zu
45 Grad betragen. Da sich die Strömung von der Wand ablöst,
wenn der Halbwinkel etwa 7,0 Grad übersteigt, tendiert die
Abgasströmung aus dem Einlaßrohr dazu, ein Zylinder zu
bleiben, und trifft zum überwiegenden Teil nur auf einen
kleinen Teil des elliptischen Einlaßquerschnitts des
Katalysators auf. Aufgrund dieser schlechten Diffusion
innerhalb des Diffusorabschnitts gibt es eine ungleichmäßige
Strömung durch das Katalysatorbett. Diese Probleme sind
beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel Visualization of
Automotive Catalytic Converter Internal Flows von Daniel W.
Wendland und William R. Matthes, SAE paper No. 861554,
präsentiert
auf der International Fuels and Lubricants Meeting
and Exposition, Philadelphia, Pennsylvania, 6.-9. Oktober
1986. Es ist erwünscht, in der Lage zu sein, die Strömung
auf so kurzen Längen des Diffusorabschnitts besser zu
diffundieren, um wirksameren Gebrauch von dem
Platinkatalysator dort zu machen und dadurch die erforderliche Menge an
Katalysator zu reduzieren. Ein katalytisches
Konvertersystem des in dem Oberbegriff des unabhängigen
Patentanspruchs 1 angegebenen Typs ist in der WO89/02978
beschrieben. Das bekannte Konvertersystem hat eine Vielzahl
von einzelnen Strömungsdurchlässen zunehmenden
Durchflußquerschnitts in dem Diffusorabschnitt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
katalytisches Konvertersystem zu schaffen, das verbesserte
Betriebskenndaten hat und dasselbe Ausmaß an Diffusion auf
einer kürzeren Länge als der im Stand der Technik
ermöglichen kann oder eine größere Diffusion auf einer bestimmten
Länge als bekannte Diffusoren erzielt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, um das zu erreichen,
ein katalytisches Konvertersystem geschaffen, mit einem
Gaszuführkanal, der einen Auslaß mit einem ersten
Durchflußquerschnitt hat, einem Empfangskanal, der einen Einlaß
mit einem zweiten Durchflußquerschnitt hat, welcher größer
als der erste Durchflußquerschnitt ist, und stromabwärts
von dem Zuführkanalauslaß beabstandet ist und ein in ihm
angeordnetes Katalysatorbett aufweist, und einem
Zwischenkanal, der einen Diffusor bildet, welcher eine
Strömungsfläche hat, die den Auslaß mit dem Einlaß verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorströmungsfläche
mehrere sich stromabwärts erstreckende, miteinander
abwechselnde, aneinander angrenzende, U-förmige Senken und Rücken
aufweist, welche einen gleichmäßig gewellten Teil der
Strömungsfläche bilden, wobei der gewellte Teil in einem
wellenförmigen Auslaßrand endet, wobei die Senken und Rücken
mit der Tiefe bzw. Höhe null an dem Zuführkanalauslaß
beginnen und in der Tiefe bzw. Höhe bis zu einem Maximum an
dem wellenförmigen Rand zunehmen und die Senken und Rücken
so bemessen und konturiert sind, daß jede Senke ein Paar
großformatige gegenläufige Wirbel erzeugt, wobei sich jeder
Wirbel um eine sich im wesentlichen in der stromabwärtigen
Richtung erstreckende Achse dreht, und daß an dem
wellenförmigen Rand eine stufenweise Vergrößerung des
Durchflußquerschnittes erfolgt und der wellenförmige Auslaßrand
stromaufwärts von dem Katalysatorbett beabstandet ist.
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Genauer gesagt, die Senken und Rücken beginnen in einem
Punkt stromaufwärts von dort, wo eine Ablösung von der
Wandoberfläche während des Betriebes des Diffusors erfolgen
würde, und bilden einen gewellten Oberflächenteil der
Diffusorwand. Wenn sich die Senken und Rücken zu dem
Diffusorauslaß erstrecken, wird die Diffusorwand in einer
Wellenform endigen, bei Betrachtung in Blickrichtung
stromaufwärts. In Fällen, in welchen eine steile Diffusorwand
stromabwärts weniger steil wird, so daß die Ablösung über
dem stromabwärtigen Teil nicht länger ein Problem ist,
können die Senken und Rücken vor dem Auslaß endigen. Es kann
auch andere Gründe geben, daß sich die Senken und Rücken
nicht bis zu dem Auslaß erstrecken.
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Es wird angenommen, daß die Senken und Rücken die
katastrophale Auswirkung einer in Strömungsrichtung erfolgenden
zweidimensionalen Grenzschichtablösung verzögern oder
verhindern, indem sie für eine dreidimensionale Entlastung für
die Grenzschichtströmung geringer Bewegungsenergie sorgen.
Die örtlichen Strömungsquerschnittsveränderungen, die durch
die Senken und Rücken erzeugt werden, produzieren eine
lokale Steuerung der Druckgradienten und gestatten der
Grenzschicht, die sich einem Gebiet mit nachteiligen
Druckgradienten nähert, sich lateral zu bewegen, statt sich von der
Wandoberfläche abzulösen. Es wird angenommen, daß, wenn die
Grenzschicht stromabwärts strömt und einen Rücken antrifft,
sie längs des Scheitels des Rückens ausdünnt und laterale
Bewegungsenergie auf jeder Seite des Scheitels des Rückens
zu den Mulden hin aufnimmt. Auf entsprechende Art und Weise
ist die Grenzschicht, die in die Senke strömt, in der Lage,
laterale Bewegungsenergie aufzunehmen und sich lateral auf
den Wänden der Senke auf jeder Seite derselben zu bewegen.
Das Gesamtergebnis ist die Elimination (oder zumindest die
Verzögerung) von zweidimensionaler Grenzschichtablösung,
weil die Grenzschicht in der Lage ist, sich um den
Druckanstieg zu bewegen, wenn sie sich stromabwärts bewegt. Es
wird angenommen, daß die gesamte Skala des Mechanismus von
viskositätsloser Natur ist und nicht direkt mit der Größe
der Grenzschicht selbst verknüpft ist.
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Um den gewünschten Effekt des Verzögerns oder Verhinderns
von Strömungsabriß zu haben, wird angenommen, daß die
maximale Tiefe der Senke (d. h. die Wellenamplitude von Scheitel
zu Scheitel) wenigstens etwa das Doppelte der 99%
Grenzschichtdicke unmittelbar stromaufwärts der Senken betragen
mußte. Es wird erwartet, daß beträchtlich größere
Wellenamplituden besser arbeiten. Die Wellenamplitude und -form,
welche die Verluste miminiert, wird am meisten bevorzugt.
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Die vorliegende Erfindung kann bei praktisch jedem Typ von
zwei- oder dreidimensionalen Diffusoren benutzt werden.
Weiter, die Diffusoren nach der vorliegenden Erfindung
können entweder Unterschall- oder Überschalldiffusoren sein.
Wenn es sich um Überschalldiffusoren handelt, werden die
Senken und Rücken am wahrscheinlichsten stromabwärts der
erwarteten Stoßebene angeordnet sein, sie können aber auch
in der Stoßebene angeordnet sein, um Ablösungsverluste, die
durch den Stoß selbst verursacht werden, zu mildern.
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Die vorgenannten und andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden
ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
derselben deutlicher werden, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind, wobei:
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Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines
zweidimensionalen Diffusors.
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Fig. 2 ist eine Ansicht insgesamt in Richtung 2-2 in Fig.
1.
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Fig. 3 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines
dreidimensionalen Diffusors.
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Fig. 4 ist eine Ansicht in der Richtung 3 - 3 in Fig. 3.
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Fig. 5 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines
axialsymmetrischen Diffusors.
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Fig. 6 ist eine Ansicht in der Richtung 6 - 6 in Fig. 5.
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Fig. 7 ist eine vereinfachte Querschnittansicht eines
ringförmigen, axialsymmetrischen Diffusors.
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Fig. 8 ist eine Teilansicht in der Richtung 8 - 8 in Fig.
7.
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Fig. 9 ist eine Querschnittansicht eines Stufendiffusors.
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Fig. 10 ist eine Ansicht insgesamt in der Richtung 10 - 10
in Fig. 9.
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Fig. 11 ist eine schematische Schnittansicht, welche eine
Vorrichtung zeigt, die zum Testen einer Ausführungsform des
Diffusors benutzt wird.
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Fig. 12 ist eine Ansicht insgesamt nach der Linie 12 - 12
in Fig. 11.
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Fig. 13 ist eine schematische Schnittansicht, welche eine
Vorrichtung zeigt, die zum Testen einer weiteren
Ausführungsform des Diffusors benutzt wird.
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Fig. 14 ist eine Ansicht insgesamt nach der Linie 14 - 14
in Fig. 13.
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Die Fig. 15 und 17 sind schematische Schnittansichten,
welche Vorrichtungen zum Testen von bekannten Konfigurationen
für Vergleichszwecke zeigen.
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Fig. 16 ist eine Ansicht insgesamt nach der Linie 16 - 16
in Fig. 15.
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Fig. 18 ist eine Ansicht insgesamt nach der Linie 18 - 18
in Fig. 17.
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Fig. 19 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von Tests für
die in den Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsformen sowie
für den Stand der Technik zeigt.
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Fig. 20 ist ein perspektivische Ansicht eines katalytischen
Konvertersystems gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 21 ist eine Schnittansicht insgesamt in der Richtung
21 - 21 in Fig. 20.
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Fig. 22 ist eine Ansicht insgesamt in der Richtung 22 - 22
in Fig. 21.
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Die Fig. 23-25 sind Diagramme zum Vergleichen des
Nutzeffekts des Diffusors nach den Fig. 13 und 14 mit dem von
bekannten Konfigurationen, die in den Fig. 15-18 gezeigt
sind.
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Fig. 26 ist eine im Schnitt dargestellte Ansicht zur
Veranschaulichung einer alternativen Konstruktion für einen
katalytischen Konverter gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Es wird auf die Fig. 1-2 Bezug genommen, in denen ein
verbesserter Diffusor 100 gezeigt ist. In dieser
Ausführungsform ist der Diffusor ein zweidimensionaler
Diffusor. Fluid, das in einer Hauptströmungsrichtung strömt,
die durch den Pfeil 102 dargestellt ist, tritt in den
Einlaß 104 des Diffusors aus einem Strömungsdurchlaß 106 ein.
Der Diffusor 100 hat ein Paar parallele, beabstandete
Seitenwände 108, die sich in der Hauptströmungsrichtung
erstrecken, und eine obere und untere divergierende Wand
110 bzw. 112. Der Auslaß des Diffusors ist mit der
Bezugszahl 114 bezeichnet. Die Wände 110, 112 sind über dem
anfänglichen stromaufwärtigen Teil 116 ihrer Länge eben.
Jeder dieser ebenen Teile divergiert von der
Hauptströmungsrichtung aus um einen Winkel, der hier mit dem Buchstaben Y
bezeichnet wird. Der übrige stromabwärtige Teil 122 jeder
Wand 110, 112 hat mehrere sich stromabwärts erstreckende,
miteinander abwechselnde, aneinander angrenzende Senken 118
und Rücken 120. Die Rücken und Senken sind im Querschnitt
grundsätzlich "U"-förmig und gehen auf ihrer Länge
gleichmäßig ineinander über, um eine gleichmäßig Wellenform an
dem Diffusorauslaß 114 zu bilden. Die Senken und Rücken
bilden dadurch eine gewellte Oberfläche, die sich über den
stromabwärtigen Teil 122 des Diffusors 100 erstreckt. In
dieser Ausführungsform gehen die Senken und Rücken außerdem
gleichmäßig in die ebenen stromaufwärtigen Wandteile 116
über und nehmen in der Tiefe oder Höhe (je nach Lage des
Falles) zu dem Auslaß 114 hin bis zu einer endgültigen
Wellenamplitude (d. h. Senkentiefe) Z zu. Obgleich es in dieser
Ausführungsform nicht der Fall ist, kann es zu bevorzugen
sein, daß die Seitenwände 124 parallel zueinander sind
(vgl. Fig. 6). Eine Beschränkung für die Konstruktion der
Senken und Rücken ist, daß sie so bemessen und orientiert
sein müssen, daß der Diffusor in der Querschnittsfläche von
seinem Einlaß zu seinem Auslaß fortgesetzt zunimmt.
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Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, daß, wenn die
ebenen Wandteile 116 weiter stromabwärts bis zu der Ebene des
Diffusorauslasses 114 unter demselben Winkel Y verlängert
würden, der Diffusor einen Auslaßquerschnitt Ao haben
würde, unmittelbar stromabwärts der Ebene, wo die gewellte
Oberfläche wie gezeigt beginnt, aber in den Strömungsabriß
gelangen würde. In dieser Ausführungsform verhindern die
Wellungen diesen Strömungsabriß ohne Änderung des
Auslaßquerschnitts Ao. Daher sind die Sohlen der Senken 118 auf
einer Seite der imaginären Verlängerungen der Wandteile 116
angeordnet; und die Scheitel der Rücken sind auf der
anderen Seite angeordnet, so daß derselbe Auslaßquerschnitt Ao
erzielt wird.
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Selbstverständlich kann es in Abhängigkeit von dem
Anfangswinkel Y, der zulässigen Länge des Diffusors und der Form
sowie der Größe der Wellungen möglich sein, den
Auslaßquerschnitt sogar noch größer als Ao zu machen. Die Größe des
Auslaßquerschnitts ist eine Frage der Wahl und hängt von
dem Bedarf, den Beschränkungen der vorliegenden Erfindung
und irgendwelchen anderen Zwängen, die dem System auferlegt
werden, ab.
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Der hier verwendete Begriff "effektive
Diffusorauslaßgrenzlinie" bedeutet eine gleichmäßige, nichtgewellte imaginäre
Linie in der Ebene des Diffusorauslasses 114, die durch die
Senken und Rücken verläuft, um eine Querschnittsfläche
festzulegen oder zu umschließen, welche dieselbe wie die
tatsächliche Querschnittsfläche an dem Diffusorauslaß ist.
In der Ausführungsform nach den Fig. 1-2 gibt es zwei
solche Linien; und es handelt sich um die strichpunktierten
Linien, die mit den Bezugszahlen 130 und 140 bezeichnet
sind. Darüber hinaus ist der "effektive Diffusionswinkel" E
für den gewellten Oberflächenteil des Diffusors derjenige
Winkel, der gebildet wird zwischen a) einer geraden Linie,
welche die Diffusorwand am Beginn der Wellungen mit der
"effektiven Diffusorauslaßgrenzlinie" verbindet, und b) der
Hauptströmungsrichtung. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es möglich, die Rücken und Senken so zu konturieren und
zu bemessen, daß eine zweidimensionale Grenzschichtablösung
in Strömungsrichtung bei "effektiven Diffusionswinkeln"
nicht auftritt, die größer sind, als es bei derselben
Diffusorlänge sonst möglich wäre. Somit gestatten gemäß der
vorliegenden Erfindung die Wellungen in den Diffusorwänden,
Diffusoren mit entweder größeren Querschnittsverhältnissen
für dieselbe Diffusorlänge oder mit kürzeren Diffusorlängen
für dasselbe Querschnittsverhältnis zu konstruieren.
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Beim Konstruieren eines Diffusors gemäß der vorliegenden
Erfindung müssen die Senken und Rücken (Wellungen)
stromaufwärts des Punktes beginnen, wo eine Grenzschichtablösung
von den Wänden sonst erwartungsgemäß erfolgen würde. Sie
könnten sich selbstverständlich über die gesamte Länge des
Diffusors erstrecken, das ist wahrscheinlich aber nicht
erforderlich. In der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2
sind die Rücken hinsichtlich Größe und Form zwar mit den
Senken identisch (mit der Ausnahme, daß sie umgekehrt
sind), das ist jedoch ebenfalls kein Erfordernis. Es ist
außerdem nicht erforderlich, daß benachbarte Senken (oder
Rücken) gleich ausgebildet sind.
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Damit der gewünschte Effekt des Verhinderns der
Grenzschichtablösung erzielt wird, wird angenommen, daß die
maximale Tiefe der Senken (die Wellenamplitude Z von Scheitel
zu Scheitel) wenigstens das Doppelte der 99%
Grenzschichtdicke unmittelbar vorderhalb der stromaufwärtigen Enden
betragen müßte. Es wird angenommen, daß die besten Ergebnisse
erzielt werden, wenn die maximale Wellenamplitude Z etwa
die Größe der Dicke (rechtwinkelig zu der
Hauptströmungsrichtung und zu der Oberfläche des Diffusors) des
Ablösungsgebietes (d. h. der Wirbelschleppe) hat, die
erwartungsgemäß ohne die Verwendung der Senken und Rücken
auftreten würde. Wenn X die Distanz zwischen benachbarten
Senken (d. h. die "Wellenlänge") am Ort ihrer maximalen
Amplitude Z (üblicherweise am Diffusorauslaß) ist, ist das
Verhältnis von X zu Z vorzugsweise nicht größer als etwa 4,0
und nicht kleiner als etwa 0,5. Allgemein, wenn die
Amplitude Z zu klein und/oder X in Relation dazu zu groß ist,
kann ein Strömungsabriß nur verzögert, nicht aber
eliminiert werden. Andererseits, wenn Z zu groß relativ zu X ist
und/oder die Senken zu schmal sind, könnten
Zähigkeitsverluste einige oder sämtliche Vorteile der Erfindung zunichte
machen. Die vorliegende Erfindung soll jede Größe der
Senken und Rücken umfassen, die eine Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik ergibt.
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Die Fig. 11 und 12 sind eine schematische Darstellung eines
Geräts, das zum Testen einer Ausführungsform des Diffusors
benutzt wird, die der in den Fig. 1 und 2 gezeigten
gleicht. Das Gerät bestand aus einem Eingangsabschnitt 600
rechteckigen Querschnittes mit einer Höhe H von 137,1 mm
(5.4 Zoll) und einer Breite W von 535,9 mm (21.1 Zoll). An
den Eingangsabschnitt 600 schloß sich ein Diffusorabschnitt
602 mit einem Einlaß 604 und einem Auslaß 606 an. Die
Seitenwände 608 des Geräts waren parallel. Die obere und die
untere Diffusorabschnittswand 610, 612 waren bei 616 bzw.
618 an das stromabwärtige Ende der oberen und unteren
ebenen, parallelen Wand 619, 621 des Eingangsabschnitts 600
drehbar angelenkt. Jede Wand 610, 612 hatte einen ebenen
stromaufwärtigen Teil 613 bzw. 615 der Länge L&sub1; von 38,1 mm
(1.5 Zoll) und einen gewellten Teil der Länge L&sub2; von 718,8
mm (28.3 Zoll). Die strichpunktierten Linien 620, 622 in
Fig. 11 repräsentieren eine imaginäre Ebene, in welcher der
Durchflußquerschnitt der Senken auf einer Seite der Ebene
gleich dem Durchflußquerschnitt der Senken auf der anderen
Seite ist. Mit anderen Worten, der Winkel R zwischen der
stromabwärtigen Richtung und jeder Ebene 620, 622 ist der
mittlere oder effektive Diffusionshalbwinkel des mit
gewellter Wand versehenen Diffusors. In diesem Test waren die
Ebenen 620, 622 zu ihren stromaufwärtigen geraden
Wandteilen 613 bzw. 615 parallel, obgleich das keine Forderung der
Erfindung ist. R wurde von Test zu Test verändert, wodurch
das Querschnittsverhältnis Ao/Ai von Diffusorauslaß zu
Diffusoreinlaß geändert wurde.
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Die Senken- und Rückenkonfiguration sowie die Abmessungen
des Testgeräts werden am besten mit Bezug auf Fig. 12
beschrieben. Jede Senke hatte im wesentlichen parallele
Seitenwände mit einem gegenseitigen Abstand B von 40,6 mm (1.6
Zoll). Die Rücken waren das 1,66-fache der Breite der
Senken (die Abmessung A war gleich 67,5 mm (2.66 Zoll)). Die
Wellenlänge (A+B) betrug somit 108,2 mm (4.26 Zoll) und war
über der vollen Länge der Wellung konstant. Die
Wellenamplitude Z am stromabwärtigen Ende der Wellung betrug 121,9
mm (4.8 Zoll) und verjüngte sich auf null mm (null Zoll).
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Es wurde, obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt
ist, zu Vergleichszwecken ein geradwandiger
zweidimensionaler Diffusor getestet, der eine Länge hatte, die gleich der
Summe von L&sub1; plus L&sub2; war.
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Fig. 19 ist ein Diagramm der Testergebnisse sowohl für den
geradwandigen als auch für den gewellten zweidimensionalen
Diffusor. Der Nutzeffekt Cp ist auf der vertikalen Achse
aufgetragen. Das Verhältnis von Auslaß- zu
Einlaßquerschnitt ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Der
Nutzeffekt ist folgendermaßen definiert:
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Cp = Po-Pi/½ (rV²i)
wobei Po der statische Druck an dem Diffusorauslaß ist; Pi
der statische Druck an dem Diffusoreinlaß ist; r die
Fluiddichte ist; und Vi die Fluidgeschwindigkeit an dem
Diffusoreinlaß ist.
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Bei diesen Tests war Luft das Fluid, und der Winkel 0 wurde
zwischen zwei (2) Grad und 10 Grad für den geradwandigen
Diffusor und für den gewelltwandigen Diffusor verändert.
Das Diagramm zeigt, daß der geradwandige Diffusor bis zu
einem Winkel von etwa sechs (6) Grad besser arbeitet als
der gewelltwandige Diffusor. Die Konfiguration mit
gewellter Wand hat einen beträchtlich niedrigeren Gewinn an
statischem Druck bei den kleinen Divergenzwinkeln aufgrund der
Zunahme im Oberflächeninhalt des Systems und nicht deshalb,
weil sie nicht in der Lage ist, eine Grenzschichtablösung
zu verhindern. Die Grenzschichtablösung erfolgt an der
geraden Wand bei einem Winkel von etwa sechs (6,0) Grad. In
diesem Punkt beginnt der Nutzeffekt Cp für die gerade Wand
abzufallen. Für die Konfiguration mit gewellter Wand steigt
der Nutzeffekt über sechs (6,0) Grad hinaus bis zu einem
Winkel von acht (8) Grad weiterhin an. Bei höheren Winkeln
erfolgt Ablösung, wie es durch den Abfall im Nutzeffekt
gezeigt ist. Die Testdaten zeigen deshalb, daß die
Konfiguration mit gewellter Wand die Ablösung um zwei (2) Grad
relativ zu der geradwandigen Konfiguration verzögert. Obgleich
das Maximum Cp für beide Konfigurationen dasselbe bleibt
(etwa 0,58), ergibt die gewellte Konfiguration einen 19%
größeren Auslaßquerschnitt vor der Ablösung. Über die
Kontinuitätsgleichung ergibt die Querschnittszunahme von 19%
eine mittlere Diffusorauslaßgeschwindigkeit, die 19%
kleiner als diejenige ist, die mit der geradwandigen
Konfiguration erzielt wird. Das ist eine bedeutsame Verringerung der
Geschwindigkeit.
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Aus diesen Ergebnissen kann der Schluß gezogen werden, daß
die vorliegende Erfindung bei größeren Diffusionswinkeln am
nützlichsten ist, bei denen die Grenzschichtablösung ein
Problem ist. Es sei jedoch angemerkt, daß bei diesem
besonderen
Test die Ablösung von dem geradwandigen Diffusor bei
einem Querschnittsverhältnis erfolgt, bei dem Cp mit
zunehmenden Querschnittsverhältnis kaum zunimmt. Wenn die
Ablösung von einem geradwandigen Diffusor bei einem
Querschnittsverhältnis erfolgt, wo Cp mit zunehmendem
Querschnittsverhältnis schnell zunimmt, dann wird eine geringe
Zunahme im Querschnittsverhältnis ohne Ablösung zu einer
beträchtlichen Verbesserung von Cp sowie zu einer
Geschwindigkeitsverringerung führen. Es sei außerdem angemerkt, daß
die Größe und die Form der Senken und Rücken, die bei
diesem Test benutzt wurden, nicht optimiert waren. Lediglich
eine einzelne Konfiguration wurde bei sämtlichen Tests
benutzt. Wellungen mit einer anderen Konfiguration können zu
verbesserter Leistung bei den kleineren Divergenzwinkeln
führen, ohne notwendigerweise die Leistung bei den höheren
Divergenzwinkeln zu beeinträchtigen.
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Ein dreidimensionaler Diffusor 200 ist in den Fig. 3 und 4
gezeigt. Der Einlaßdurchlaß 202 hat einen konstanten
rechteckigen Querschnitt über seiner Länge. An dem
Diffusoreinlaß 204 divergieren eine obere und eine untere Wand
206 bzw. 208 jeweils von der Hauptströmungsrichtung 210 aus
um einen Winkel Y; und die Diffusorseitenwände 212, 214
divergieren ebenfalls von der Hauptströmungsrichtung aus
unter demselben Winkel. Die Wände 206, 208, 212 und 214 sind
auf einer Strecke D stromabwärts des Diffusoreinlasses 204
eben und sind dann jeweils mit einer Vielzahl von sich
stromabwärts erstreckenden, aneinander angrenzenden,
miteinander abwechselnden Senken 216 und Rücken 218 versehen,
die auf ihrer Länge bis zu dem Diffusorauslaß 220
gleichmäßig ineinander übergehen. Die stromaufwärtigen Enden der
Senken und Rücken gehen außerdem gleichmäßig in die ebenen
Wandteile 206, 208, 212 bzw. 214 über. Die Senken nehmen in
der Tiefe in der stromabwärtigen Richtung von im
wesentlichen null bis zu einer maximalen Tiefe an dem
Diffusorauslaß 220 allmählich zu. Die gewellten Oberflächen, die durch
die Senken und Rücken gebildet sind, endigen an dem
Diffusorauslaß als eine gleichmäßige Wellenform.
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In den Fig. 5 und 6 ist ein axialsymmetrischer Diffusor
gezeigt, der hier mit der Bezugszahl 300 bezeichnet ist. Der
Diffusor hat eine Achse 302, einen zylindrischen
Einlaßdurchlaß 304 und einen Diffusorabschnitt 306. Der
Diffusorabschnittseinlaß ist mit der Bezugszahl 308 bezeichnet,
und der Auslaß ist mit der Bezugszahl 310 bezeichnet. Ein
stromaufwärtiger Teil 316 des Diffusorabschnitts 306 ist
einfach eine gekrümmte Rotationsfläche um die Achse 302,
die zu der Wand 314 an dem Einlaß 308 tangential ist. Der
übrige stromabwärtige Teil 318 ist eine gewellte Oberfläche
mit umfangsmäßig beabstandeten, aneinander angrenzenden
Senken und Rücken 320 bzw. 322, die jeweils an dem
stromabwärtigen Ende des stromaufwärtigen Diffusorteils 316
beginnen und gleichmäßig in dasselbe übergehen und sich
stromabwärts bis zu dem Auslaß 310 erstrecken. Die Senken und
Rücken nehmen allmählich in der Tiefe bzw. Höhe von null auf
ein Maximum an dem Auslaß 310 zu. In dieser Ausführungsform
sind die Seitenwände 323 jeder Senke parallel zueinander.
Die effektive Diffusorauslaßgrenzlinie ist mit der
Bezugszahl 324 bezeichnet, welche einen Kreis bildet, der
dieselbe Querschnittsfläche wie die Querschnittsfläche des
Diffusors an dem Auslaß 310 hat. Der effektive
Diffusionswinkel E ist in Fig. 5 gezeigt.
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Unter der Annahme, daß keine Grenzschichtablösung längs der
Oberfläche des stromaufwärtigen Teils 316 des Diffusors
auftritt, gestatten die Senken und Rücken nach der
vorliegenden Erfindung eine größere Diffusion als sie andernfalls
bei derselben axialen Diffusorlänge, aber unter Verwendung
eines Diffusors des Standes der Technik möglich wäre, wie
wenn der stromabwärtige Teil 318 des Diffusors ein
Abschnitt eines Kegels oder irgendeiner anderen
Rotationsfläche um die Achse 302 wäre.
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Zum Zwecke des Dimensionierens und Beabstandens der Rinnen
und Rücken von axialsymmetrischen Diffusoren unter
Verwendung der hier angegebenen Richtlinien für den
zweidimensionalen
Diffusor nach den Fig. 1 und 2 wird die
Wellenamplitude Z für die axialsymmetrischen Diffusoren längs einer
radialen Linie gemessen, und die Wellenlänge X wird ein
Mittelwert der radial äußersten
Scheitel-Scheitel-Bogenlänge und der radial innersten Scheitel-Scheitel-Bogenlänge
sein.
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In den Fig. 7 und 8, auf die nun Bezug genommen wird, ist
ein ringförmiger, axialsymmetrischer Diffusor dargestellt
und insgesamt mit der Bezugszahl 400 bezeichnet. Die Ebene
des Diffusoreinlasses ist mit der Bezugszahl 402
bezeichnet, und die Ebene des Auslasses ist mit der Bezugszahl 404
bezeichnet. Konzentrische, zylindrische innere und äußere
Wandoberflächen 408, 410 stromaufwärts der
Diffusoreinlaßebene 402 bilden einen ringförmigen Strömungsdurchlaß 409,
der Fluid in den Diffusor leitet. Die innere Wand 412 des
Diffusors ist eine Rotationsfläche um die Achse 411. Die
äußere Wand 414 des Diffusors weist einen stromaufwärtigen
Teil 416 und einen stromabwärtigen Teil 418 auf. Der
stromaufwärtige Teil 416 ist eine Rotationsfläche um die Achse
411. Der stromabwärtige Teil 418 ist eine gewellte
Oberfläche, die sich stromabwärts erstreckende, abwechselnde
Rücken 420 und Senken 422 aufweist, welche jeweils einen im
wesentlichen U-förmigen Querschnitt rechtwinkelig zu der
Hauptströmungsrichtung haben. Die Wände der Senken und
Rücken gehen über der Länge gleichmäßig ineinander über, um
eine gleichmäßig gewellte Oberfläche um die gesamte
Umfangsausdehnung des Diffusors zu erzeugen. Die gleichmäßige
Wellenform der äußeren Wand 414 an dem Diffusorauslaß 404
ist in Fig. 8 zu erkennen.
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In der Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 leitet ein
Durchlaß 498 konstanten Durchmessers Fluid zu einem
Diffusor 500, der einen Einlaß 502 (in einer Ebene 503) und
einen Auslaß 504 (in einer Ebene 505) hat. Der Einlaß 502
hat einen ersten Durchmesser, und der Auslaß 504 hat einen
zweiten Durchmesser, welcher größer als der erste
Durchmesser ist. Eine stufenweise Änderung in dem
Durchlaßquerschnitt
erfolgt in der Ebene 506; und der Durchlaß
anschließend nimmt im Durchmesser bis zu dem Auslaß 504
weiter zu. Der Durchmesser bleibt stromabwärts der Ebene 505
konstant. Die Diffusorwand 508 stromaufwärts der Ebene 506
hat eine Vielzahl von U-förmigen, umfangsmäßig
beabstandeten Senken und Rücken 510 bzw. 512, die in ihr gebildet
sind, sich in stromabwärtiger Richtung erstrecken und in
Tiefe und Höhe bis zu einer maximalen "Amplitude" Z in der
Ebene 506 zunehmen. Die Senken sind für vollständige
Durchströmung ausgelegt. Die Strömung bleibt dadurch an den
Wänden 508 bis zu der Ebene 506 haften. Es werden zwar einige
Verluste in der Ebene 506 und für eine kurze Strecke
stromabwärts derselben aufgrund der Diskontinuität
auftreten, die Senken und Rücken erzeugen jedoch ein
Strömungsprofil unmittelbar stromabwärts der Ebene 506, das solche
Verluste beträchtlich reduziert, wahrscheinlich durch
Leiten des Fluids radial nach außen auf schnellere Weise, als
es andernfalls an solch einer Diskontinuität möglich wäre.
Die Strömung legt sich dann wieder an die Diffusorwand 514
(die einen flachen Diffusionswinkel hat) eine kurze Strecke
stromabwärts der Diskontinuität an und bleibt an dem
Diffusorauslaß 504 haften.
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Gemäß der Erläuterung in der EP-A-0 273 850 wird
angenommen, daß jede Senke einen einzelnen, großformatigen axialen
Wirbel von jeder Seitenwandoberfläche derselben aus an dem
Senkenauslaß erzeugt. Mit "großformatig" ist gemeint, daß
die Wirbel einen Durchmesser haben, der etwa gleich der
Größe der gesamten Senkentiefe ist. Diese beiden Wirbel
(einer von jeder Seitenwand) drehen sich in
entgegengesetzten Richtungen und erzeugen ein Strömungsfeld, welches
bestrebt ist, Fluid aus der Senke und außerdem aus dem
nahegelegenen Hauptfluid zu veranlassen, sich radial nach außen
in die "Ecke" zu bewegen, die durch die Stufenänderung in
der Durchlaßquerschnittsfläche erzeugt wird. Die
Gesamtauswirkung dieser Erscheinung besteht darin, daß die Größe des
Gebiets niedrigen Druckes oder die Stagnationszone in der
Ecke reduziert wird. Die Strömung legt sich daher selbst
wieder an die Wand 514 in einer kürzeren Entfernung
stromabwärts von der Ebene 506 an, als es sonst der Fall
wäre, wenn z. B. der Diffusorabschnitt zwischen den Ebenen
503 und 506 einfach glattwandig und kegelstumpfförmig wäre.
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Damit der Wirbel, der ab dem Seitenrand eines Auslasses
erzeugt wird, nicht durch einen gegenläufig rotierenden
Wirbel gestört wird, welcher ab dem Seitenrand der nächsten
benachbarten Senke erzeugt wird, ist es notwendig, daß die
Seitenränder von benachbarten Senkenauslässen eine
ausreichende Strecke voneinander entfernt sind. Allgemein sollte
die stromabwärtige Projektion des Querschnitts des massiven
Materials zwischen den Seitenrändern von benachbarten
Senken wenigstens etwa ein Viertel (1/4) des stromabwärtigen
projizierten Auslaßquerschnitts einer Senke sein.
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Es wird weiter angenommen, daß beste Ergebnisse erzielt
werden, wenn die Seitenwandoberflächen an dem Auslaß steil
sind. Vorzugsweise sollten in einem Querschnitt, der zu der
stromabwärtigen Richtung rechtwinkelig ist, bei der es sich
um die Richtung der Senkenlänge handelt, Tangenten an die
steilsten Punkte längs der Seitenränder einen
eingeschlossenen Winkel C (für Bezugszwecke in Fig. 2 gezeigt) von
nicht mehr als etwa 120º bilden. Je näher der Winkel C bei
null Grad ist, um so besser. Bei den Ausführungsformen nach
den Fig. 6, 8 und 10 sowie bei der Ausführungsform nach
Fig. 14 beträgt der eingeschlossene Winkel im wesentlichen
null Grad.
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Ein zweidimensionaler, abgestufter Diffusor, der die
Merkmale des axialsymmetrischen abgestuften Diffusors nach den
Fig. 9 und 10 aufweist, wurde in einem Gerät getestet, das
schematisch in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Die Tests
wurden mit Luft als Arbeitsfluid ausgeführt. Die
Hauptströmungsrichtung oder stromabwärtige Richtung ist durch die
Pfeile 700 dargestellt. Gewellte Diffusionsabschnitte 702
wurden in der Kanalwand vorgesehen und hatten ihre Auslässe
in der Ebene 704 einer Diskontinuität, die sich dort
befindet,
wo die Kanalhöhenabmessung plötzlich zunahm. Die
Scheitel 706 der Rücken waren parallel zu der
stromabwärtigen Richtung 700 und mit den Eingangsabschnittswänden 707
ausgerichtet. Die Sohlen 708 der Senken bildeten einen
Winkel von 20 Grad mit der stromabwärtigen Richtung. Die
Scheitel-Scheitel-Wellenamplitude T betrug 25,4 mm (1.0
Zoll). Die Wellenlänge Q betrug 27,9 mm( 1.1 Zoll). Der
Senkenradius R&sub1; betrug 8,2 mm (0.325 Zoll), und der
Rückenradius R&sub2; betrug 4,4 mm (0.175 Zoll). Die Senkenseitenwände
waren zueinander parallel.
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In diesem Test wurde die Höhe J des rechteckigen Kanalteils
stromabwärts der Ebene 704 zwischen 190,5 mm (7.5 Zoll) und
241,3 mm (9.5 Zoll) verändert. Die Höhe H des
Eingangsabschnitts wurde mit 136,5 mm (5.375 Zoll) festgelegt. Die
Breite V des Kanals war eine Konstante und betrug 535,9 mm
(21.1 Zoll) über seiner gesamten Länge. Die Länge K des
gewellten Diffusionsabschnitts betrug 94,7 mm (3.73 Zoll).
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Für Vergleichszwecke wurde das Gerät auch ohne
Übergangsdiffusionsabschnitt stromaufwärts der Ebene 704 der
Diskontinuität betrieben. Diese Testkonfiguration ist in den Fig.
15 und 16 gezeigt. Außerdem wurden gemäß der Darstellung in
den Fig. 17 und 18 die Tests mit einem einfachen ebenen
oder geraden Diffusorwandabschnitt unmittelbar
stromaufwärts der Ebene 704 durchgeführt. Dieser gerade
Diffusorabschnitt hatte einen Diffusionshalbwinkel von 20 Grad und
eine Länge K, die gleich der des gewellten Abschnitts war.
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Für jede Höhenabmessung J, bei der ein Test durchgeführt
wurde, wurde die Distanz stromabwärts der Ebene 704
gemessen, wo sich die Strömung selbst wieder an die Kanalwand
anlegte. Diese Strecke ist mit G'' für die
Testkonfiguration nach Fig. 13 bezeichnet; mit G für die in Fig. 15
gezeigte Testkonfiguration; und mit G' für die in Fig. 17
gezeigte Testkonfiguration. Die Daten für diese Messungen
können verglichen werden, indem auf die folgende Tabelle
Bezug genommen wird, in welcher alle Eintragungen in mm
(Zoll) angegeben sind:
TABELLE: STRÖMUNGSWIEDERANLEGUNGSMESSUNGEN
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Die Größen G und G'' wurden durch Beobachten der
Strömungsrichtungen von Büscheln bestimmt, die an den Diffusorwänden
befestigt waren, und wurden zur Bestzeit aufgezeichnet. Die
Eintragungen G' sind Schätzwerte, die nach den Tests
erzielt worden sind, und zwar auf der Basis von
Nutzeffektdaten und der Wiedererlangung von Büschelströmungsmustern.
Die Tabelle zeigt, daß die gewellte Konfiguration
(G''-Daten) das kürzeste Ablösungsgebiet erzeugte und deshalb die
Diffusorströmungsprofile relativ zu den Konfigurationen
entweder nach Fig. 15 und 16 oder nach Fig. 17 und 18
verbesserte.
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Es wurden auch Messungen während dieser Tests gemacht, um
das Berechnen des Nutzeffekts Cp für jede unterschiedliche
Kanalhöhe J zu ermöglichen. Diese Daten sind in den
Diagrammen
in den Fig. 23-25 dargestellt, wo die vertikale
Achse den Nutzeffekt und die horizontale Achse das
Verhältnis von Auslaßquerschnitt zu Einlaßquerschnitt (J/H)
darstellt. Das Diagramm in Fig. 23 zeigt Ergebnisse, die 2H
stromabwärts der Ebene 704 gemessen worden sind; das
Diagramm in Fig. 24 zeigt Ergebnisse 3H stromabwärts der Ebene
704; und Fig. 25 zeigt Ergebnisse, die 4,6H stromabwärts
gemessen worden sind. Die Ergebnisse für jede
Wandkonfiguration (d. h. ohne Diffusorabschnitt stromaufwärts der Ebene
704 oder Konfiguration A; geradwandiger Diffusorabschnitt
oder Konfiguration B; und gewellter Diffusorabschnitt oder
Konfiguration C) sind in jedem Diagramm gezeigt.
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Die am schlechtesten arbeitende Konfiguration ist in allen
Fällen die Konfiguration A (Fig. 15 und 16). Die nächste
besser arbeitende Konfiguration ist der Diffusorabschnitt
mit gerader Wand (Konfiguration B), der in den Fig. 17 und
18 gezeigt ist. Die am besten arbeitende Konfiguration ist
in allen Fällen die gewellte Konstruktion, die in den Fig.
13 und 14 gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß sich bei 4,6H
stromabwärts (Fig. 25) alle Konfigurationen ihrem maximalen
Cp näherten. An dieser Stelle und in Abhängigkeit von dem
Verhältnis von Auslaß- zu Einlaßquerschnitt lag die
prozentuale Verbesserung von Cp in einem Bereich zwischen etwa 17
96 und 38% relativ zu der Konfiguration A (kein Diffusor)
und zwischen etwa 13% und 19% relativ zu der
Konfiguration B (geradwandiger Diffusor).
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Die Fig. 20-22 zeigen ein katalytisches Konvertersystem,
zum Beispiel für ein Kraftfahrzeug, bei dem die vorliegende
Erfindung benutzt wird. Das Konvertersystem ist insgesamt
mit der Bezugszahl 800 bezeichnet. Das Konvertersystem 800
hat einen zylindrischen Gaszuführkanal 802, einen
elliptischen Gasempfangskanal 804 und einen Diffusor 806, der
einen Übergangskanal zwischen ihnen bildet. Der Diffusor
806 erstreckt sich von dem kreisförmigen Auslaß 808 des
Zuführkanals zu dem elliptischen Einlaß 810 des
Empfangskanals. Der Empfangskanal enthält das Katalysatorbett. Das
Katalysatorbett ist ein Monolith aus Wabenmaterial, wobei
die Wabenmaterialzellen parallel zu der stromabwärtigen
Richtung sind. Die Einlaßstirnseite des Monoliths ist an
dem Einlaß 810; sie könnte jedoch weiter stromabwärts
bewegt werden, um eine zusätzliche Diffusionsstrecke zwischen
den Senkenauslässen und dem Katalysator zu gestatten.
Katalysatoren für katalytische Konverter sind in der Technik
bestens bekannt. Die Konfiguration des Katalysatorbettes
wird nicht als ein Teil der vorliegenden Erfindung
betrachtet.
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Gemäß der Darstellung in Fig. 22 erfolgt in dieser
Ausführungsform die Diffusion nur in der Richtung der großen
Achse der Ellipse. Die kleine Achse der Ellipse bleibt eine
konstante Länge äquivalent dem Durchmesser des
Zuführkanalauslasses 808. In gewissem Sinn ist der Diffusor 806 dieser
Ausführungsform effektiv ein zweidimensionaler Diffusor. Es
gibt eine Stufenänderung in der Diffusorquerschnittsfläche
an der Ebene 812. Die Diffusorwand 814 stromaufwärts der
Ebene 812 hat eine Vielzahl von U-förmigen, sich
stromabwärts erstreckenden, aneinander angrenzenden, abwechselnden
Senken 816 und Rücken 818, die darin gebildet sind und eine
gleichmäßig gewellte Oberfläche bilden. Die Senken beginnen
in der Ebene des Auslasses 808 mit der Tiefe null und
nehmen in der Tiefe allmählich bis auf eine maximale Tiefe an
ihren Auslässen in der Ebene 812 zu, wodurch ein
wellenförmiger Rand in der Ebene 812 gebildet wird, wie es am besten
in Fig. 22 gezeigt ist. Die Scheitel 818 sind zu der
stromabwärtigen Richtung parallel und mit der inneren
Oberfläche des Zuführkanals im wesentlichen ausgerichtet,
obgleich das nicht eine Forderung der vorliegenden Erfindung
ist. Da die Diffusion nur in der Richtung der großen Achse
820 des elliptischen Einlasses 810 erfolgt, wird die
Tiefenabmessung der Senken im wesentlichen parallel zu dieser
Achse gemacht. Die Kontur und die Größe der Senken und
Scheitel werden so gewählt, daß jedwede zweidimensionale
Grenzschichtablösung an ihrer Oberfläche vermieden wird.
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Gemäß der Erläuterung in dem Einleitungsteil der
Beschreibung ist ein grundlegendes Problem, das bei bekannten
katalytischen Konvertern für Kraftfahrzeuge auftrat, die
Forderung gewesen, ein großes Ausmaß an Diffusion auf einer
kurzen Strecke zu erzielen. Es ist jedoch bekannt, daß die
Strömung nicht an einem glattwandigen Diffusor mit
Halbwinkeln, die viel größer als etwa 6º sind, haften bleiben
kann. Unter Verwendung der in den Fig. 11 und 12 gezeigten
Geräte haben Tests die Möglichkeit gezeigt, die
zweidimensionale Grenzschichtablösung bis zu einer Senkenneigung (S
in Fig. 11) von etwa 22º zu vermeiden, was in der
Testkonfiguration dem Halbwinkel eines glattwandigen Diffusors
(d. h. einem effektiven Diffusionswinkel) von etwa 8,0º
äquivalent war. Es wird angenommen, daß unter geeigneten
Bedingungen die Senkenneigung sogar noch mehr vergrößert
werden kann, ohne daß es zur Grenzschichtablösung kommt;
der effektive Diffusionswinkel kann jedoch wahrscheinlich
nicht auf viel mehr als etwa 10º vergrößert werden. In dem
Fall des katalytischen Konverters werden Senkenneigungen
von weniger als etwa 5º wahrscheinlich nicht in der Lage
sein, Wirbel von ausreichender Stärke zu erzeugen, um
zusätzliche Diffusion stromabwärts der Senkenauslässe
nennenswert zu beeinflussen.
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Im Fall dieses katalytischen Konverters schafft die
stufenweise Erhöhung der Querschnittsfläche in der
Senkenauslaßebene 812 Volumen für die Auslaßströmung zum
Hineindiffundieren vor dem Erreichen der Stirnseite des Katalysators,
der sich in dieser Ausführungsform an dem Auslaß 810
befindet. Die Strecke zwischen den Senkenauslässen und der
Katalysatorstirnseite wird eine wichtige Rolle beim
Bestimmen der Ausdehnung der Diffusion der Abgase zu der Zeit, zu
der sie den Katalysator erreichen, spielen; die beste
Strecke wird jedoch von vielen Faktoren einschließlich
selbstauferlegten Systemzwängen abhängen. Es wird etwas
Experimentieren erforderlich sein, um optimale Ergebnisse zu
erzielen. In jedem Fall sollte es die vorliegende Erfindung
möglich machen, die Gesamtmenge an Katalysator zu
reduzieren, die zum Ausführen der Arbeit erforderlich ist.
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In dieser Ausführungsform hat die äußere Wand 824 des
Diffusors stromabwärts der Senkenauslässe einen zunehmenden
Durchflußquerschnitt. Es würde wahrscheinlich wenig
Unterschied machen, wenn die Wand 824 einen konstanten
elliptischen Durchflußquerschnitt äquivalent ihrem maximalen
Auslaßdurchflußquerschnitt hätte, da nahe der großen Achse der
Ellipse wahrscheinlich kein Wiederanlegen der Strömung an
die Wandoberfläche selbst in der gezeigten Konfiguration
erfolgen wird. Eine solche Wandkonfiguration mit konstantem
Querschnitt ist durch die strichpunktierten Linien 826
dargestellt. In diesem Fall würde der Diffusor 806 als ein
Diffusor betrachtet werden, der unmittelbar stromabwärts
der Ebene der Senkenauslässe 812 aufgehört hat; die
Katalysatorstirnseite ist jedoch noch mit Abstand stromabwärts
von den Senkenauslässen angeordnet, um den Abgasen zu
gestatten, weiter zu diffundieren, bevor sie in das
Katalysatorbett eintreten.
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In dem katalytischen Konvertersystem nach den Fig. 20-22
ist der Abgaszuführkanal im Querschnitt kreisförmig, und
der Empfangskanal 804 elliptisch, weil es das ist, was
gegenwärtig in der Automobilindustrie benutzt wird. Es ist
klar, daß sie beide im Querschnitt kreisförmig sein
könnten; und das Konvertersystem würde mehr wie das
Diffusorsystem aussehen, das in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist. Die
besonderen Formen des Zuführ- und des Empfangskanals sollen
die vorliegende Erfindung nicht beschränken. In der
gezeigten Ausführungsform hat der Zuführkanal 802 einen
Durchmesser von 50,8 mm (2.0 Zoll); die Länge des Diffusors 806
beträgt 81,2 mm (3.2 Zoll); die Senkenneigung 0 beträgt 20º;
die stromabwärtige Länge der Senke beträgt 40,6 mm (1.6
Zoll); und die Neigung der Wand 824 in dem Schnitt, der die
Hauptachse 820 der Ellipse enthält, beträgt 38º. Jede Senke
816 hat eine Tiefe d von etwa 14,7 mm (0.58 Zoll) an ihrem
Auslaß und eine im wesentlichen konstante Breite w von 6,35
mm (0.25 Zoll) auf ihrer Länge. Benachbarte Senken haben
einen gegenseitigen Abstand b von 12,7 mm (0.5 Zoll) an
ihren Auslässen. Der Abstand von den Senkenauslässen bis zu
der Katalysatorstirnseite an dem Diffusorauslaß 810 beträgt
40,6 mm (1.6 Zoll).
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In der Ausführungsform, die in den Fig. 20-22 gezeigt ist,
ist der Diffusor zwar als ein Kanal dargestellt, der aus
einem einzelnen Stück Blech hergestellt ist, er könnte
jedoch auf andere Weise hergestellt werden. Zum Beispiel
könnte ein Adapter zu Verwendung bei bekannten
katalytischen Konvertern hergestellt werden, der einen
Diffusorabschnitt mit glatter Wand hat. Der Adapter würde in den
bekannten Diffusorabschnitt eingesetzt werden, um dessen
innere Strömungsoberfläche so zu verwandeln, daß sie exakt
wie die Strömungsoberfläche aussieht, die in den Fig. 20-22
gezeigt ist. Ein katalytisches Konvertersystem 900 mit
einem solchen Adapter 902 ist im Querschnitt in Fig. 26
gezeigt.