DE3903803C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse eines Abgaskataly­ sators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Abgaskatalysatoren benötigen zur erfolgreichen Konver­ tierung schädlicher Abgasbestandteile eine gewisse Minimaltemperatur, welche zu Betriebsbeginn, also beispielsweise nach dem Start einer dem Abgaskatalysator vorgeschalteten Brennkraftmaschine, noch nicht vorliegt. Die Erwärmung des Abgaskatalysators erfolgt dabei durch den zugeführten Abgasstrom, wobei die Zeitdauer bis zum Erreichen der sog. Anspringtemperatur sowohl von der Temperatur und Größe des Abgasstromes, als auch von der Größe bzw. Masse des Katalysatorkörpers abhängt.

Um diese benötigte Zeitdauer möglichst gering zu halten, schlägt die DE-OS 36 29 945 vor, den Katalysator­ körper zweiteilig auszuführen, wobei ein zylindrisches Innenteil konzentrisch zu einem ringförmigen Außenteil angeordnet ist. Das Innen- sowie das Außenteil sind mit separaten den jeweiligen Abgasstrom abführenden Abgas­ leitungen versehen, welche jeweils durch eine Klappe absperrbar sind. Nach einem Start der dem Abgaskataly­ sator vorgeschalteten Brennkraftmaschine ist zunächst die Abgasleitung des größeren Außenteiles abgesperrt, so daß der gesamte Abgasmassenstrom das kleinere Innenteil durchströmt. Dieses erreicht aufgrund seiner geringeren Masse somit seine Anspringtemperatur frühzeitiger, als wenn der gesamte Katalysatorkörper, bestehend aus dem Innenteil und dem Außenteil, durchströmt würde. Im Stationärbetrieb hingegen gilt es, mögliche Überhitzun­ gen des Katalysatorkörpers zu vermeiden und dabei den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten. Nach Erreichen der Anspringtemperatur wird somit auch die dem Außenkörper zugeordnete Abgasleitung geöffnet, so daß nunmehr der gesamte Abgaskatalysator von Abgas beauf­ schlagt wird.

Vom Grundgedanken her vermag diese Lösung zwar zu überzeugen, in der technischen Ausführung jedoch sind durchaus Verbesserungen wünschenswert. Zum einen be­ nötigt auch diese Lösung noch eine unverhältnismäßig lange Zeit bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des gesamten Katalysatorkörpers, zum anderen verschlechtert die in der Abgasleitung des Außenteiles vorhandene Sperrklappe in geschlossenem Zustand die Strömungsdy­ namik und somit auch die Gaswechseldynamik der vorge­ schalteten Brennkraftmaschine erheblich.

Weiteren Stand der Technik bildet die DE-OS 23 21 578. Hier ist ein Stauelement vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysatorkörpers diesen zumindest partiell vor einem allzu heißen Abgasstrom schützen soll. Die Abgasströmung läßt sich hiermit jedoch nicht effektiv in der Weise beeinflussen, daß die Zeitdauer bis zum Erreichen der Katalysator-Anspringtemperatur verkürzt wird. Eine in diesem Sinne effektive Lösung hingegen beschreibt die ältere, nicht vorveröffentlichte Anmeldung P 37 38 538.0. Hier ist ein verschiebbares Strömungs-Leitelement vorgesehen, das rohrförmig ausgebildet ist und in Abhängigkeit von seiner aktuellen Stellung den Abgasstrom lediglich durch einen Teilquerschnitt des Katalysatorkörpers leitet oder dessen vollständige Querschnittsfläche freigibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom bekannten Stand der Technik an einem Gehäuse eines Abgaskatalysators der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer die Dynamik der Abgasströmung unabhängig von der jeweils aktuell beaufschlagten Querschnittsfläche des Katalysatorkörpers verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst; Anspruch 3 beschreibt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.

Ein stromauf des Katalysatorkörpers vorgesehenes Strömungs- Leitelement verursacht keine wesentlichen Störungen in der Strömungsdynamik und erlaubt dennoch aufgrund seiner Verschiebbarkeit bzw. Beweglichkeit eine Beaufschlagung verschieden­ artiger Querschnittsflächen des Katalysatorkörpers. Vorteilhafterweise ermöglicht es ein derartiges Leit­ element abweichend vom bekannten Stand der Technik auch, die durchströmte Querschnittsfläche kontinuierlich zu verändern. Direkt anschließend an einen Betriebsstart wird somit lediglich eine minimale Querschnittsfläche durchströmt, ohne andere Teile des Katalysatorkörpers, wie beispielsweise das bekannte Außenteil, auch nur zu beaufschlagen. Somit wird die Anspringtemperatur dieses Minimalquerschnittes noch frühzeitiger erreicht. Ver­ kürzt wird aber auch die Zeitdauer bis zum Anspringen des gesamten Katalysatorkörpers, da unter Einfluß des Leitelementes ein kontinuierlich wachsender Querschnitt von heißem Abgas durchströmt wird, während bei der aus der oben genannten DE-OS 36 29 945 bekannten Lösung die Erwärmung des Außenteiles zunächst vorrangig durch Wärmeabgabe des Innenteiles erfolgt.

Im Sinne einer Optimierung der Strömungsdynamik bietet sich eine diffusorförmige Gestaltung des Leitelementes an, wobei der durchströmte Katalysatorkörper-Querschnitt auf einfache Weise durch eine Verschiebebewegung des Leitelementes in Strömungsrichtung veränderbar ist. Noch exakter ist der durchströmte Katalysator-Querschnitt einstellbar, wenn der Abströmwinkel bzw. Diffusorwinkel des Leitelementes veränderbar ist. Dazu kann dieses beispielsweise schwenkbar angeordnet sein; es ist aber auch möglich, das Leitelement quasi fächerförmig auf­ zuweiten.

Während die den Durchströmquerschnitt verändernde Bewegung des Leitelementes mit Hilfe beliebiger Stell­ organe (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch), gesteuert oder geregelt unter Berücksichtigung aktueller Tem­ peraturverhältnisse, erfolgen kann, ist es daneben auch möglich, das Leitelement selbst aus einem unter Tempera­ tureinfluß seine Form verändernden Material zu fertigen. Gedacht ist hierbei insbesondere an Bimetall oder an sog. Memory-Legierungen. Vorteilhafterweise nimmt hiermit das Leitelement in Abhängigkeit von den aktuel­ len Temperaturverhältnissen selbsttätig die den jeweils relevanten Durchströmquerschnitt bestimmende Form bzw. Position an bzw. ein. Insbesondere bietet es sich hierbei an, die den Diffusor gestaltenden Zungen in Bimetall auszubilden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevorzug­ ter, lediglich prinzipiell dargestellter Ausführungs­ beispiele näher beschrieben. Die einzige Figurendar­ stellung zeigt ein kreiszylindrisches Katalysatorgehäuse mit einem kreiszylindrischen Katalysatorkörper, wobei unter Berücksichtigung der Rotationssymmetrie in der oberen sowie der unteren Bildhälfte verschiedenartige Leitelemente dargestellt sind.

Das Gehäuse 1 eines Abgaskatalysators wird gemäß Pfeil­ richtung 2 von Abgas durchströmt und durchdringt dabei einen kreiszylindrischen Katalysatorkörper 3, welcher in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von Längskanälen aufweist, welche mit katalytischem Material beschichtet sind. Stromauf des Katalysatorkörpers 3 ist innerhalb des sog. Einlauftrichters 4 ein bewegliches Leitelement 5 angeordnet, wobei in der oberen Bildhälfte ein erstes Ausführungsbeispiel (5a) dargestellt ist, während die untere Bildhälfte ein weiteres Ausführungsbeispiel (5b) zeigt. Stets mündet dabei das Eintrittsende 6 des Leitelementes 5 im Eintrittsstutzen 7 des Katalysator- Gehäuses 1.

Das Leitelement 5a ist als ein mit einem Austritts­ diffusor 8 versehenes Rohrstück ausgebildet, welches innerhalb des Eintrittsstutzens 7 in bzw. gegen Pfeil­ richtung 2 längsverschieblich geführt ist. Befindet sich das Leitelement 5a in der gezeigten Position, so wird im wesentlichen nur die mit 9 bezeichnete Querschnitts­ fläche des Katalysatorkörpers 3 von dem aus dem Aus­ trittsdiffusor 8 austretenden Abgas beaufschlagt. Wie bereits oben erläutert erwärmt sich diese Teil-Quer­ schnittsfläche 9 nach einem Betriebsstart des Abgas­ katalysators schneller, als wenn die gesamte Quer­ schnittsfläche des Katalysatorkörpers 3 durchströmt würde. Nach Erreichen der Anspringtemperatur innerhalb dieser Querschnittsfläche 9 wird das Leitelement 5a kontinuierlich gegen Pfeilrichtung 2 bewegt. Die vom austretenden Abgasstrom beaufschlagte Querschnittsfläche wächst somit solange kontinuierlich an, bis nach Anlie­ gen des Austrittsdiffusors 8 an der inneren Wand des Einlauftrichters 4 der Katalysatorkörper 3 vollständig von Abgas durchströmt wird. Wie bereits ebenfalls oben erläutert wird auf diese Weise unter Gewährleistung optimaler Strömungsverhältnisse innerhalb des Kataly­ satorgehäuses sowie des gesamten Abgasstranges die Anspringdauer des gesamten Katalysators verkürzt sowie dessen Überhitzung vermieden.

Die gleichen Effekte lassen sich mit dem Leitelement 5b erzielen. Dieses besteht aus mehreren ringförmig ange­ ordneten, im wesentlichen in Pfeilrichtung 2 ausgerich­ teten Zungen 10, welche in der dargestellten Form in sich gebogen sind und somit ebenfalls einen Austritts­ diffusor 8 mit einem Diffusorwinkel α bilden. Die Zungen 10 sind dabei aus Bimetall gefertigt, so daß sich mit verschiedenartigen Temperaturverhältnissen verschie­ denartige Diffusorwinkel α einstellen. Die Auslegung ist dabei so getroffen, daß bei kaltem Katalysator-Ge­ häuse 1 und somit auch kaltem Katalysatorkörper 3 sowie kaltem Leitelement 5b ein geringerer Diffusorwinkel einstellt als in vollständig erwärmtem Zustand. Wie klar ersichtlich ist, wird somit bei niedrigeren Temperaturen ebenfalls lediglich eine Teil-Querschnittsfläche 9 des Katalysatorkörpers 3 von Abgas beaufschlagt, während bei höheren Temperaturen (nach Erreichen der Anspringtem­ peratur) unter kontinuierlicher Vergrößerung der Quer­ schnittsfläche 9 der gesamte Katalysatorkörper 3 von Abgas durchströmt wird.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen lediglich Prinzipskizzen dar. Nicht gezeigt sind beispielsweise Betätigungselemente zum Verschieben des Leitelementes 5a, oder die detaillierte Einspannung der Zungen 10 des Leitelementes 5b im Eintrittsstutzen 7. Daneben sind aber auch andere Ausbildungen eines beweglichen Leit­ elementes möglich, welches stromauf des Katalysator­ körpers angeordnet, die in ihrer Größe veränderbare durchströmte Querschnittsfläche 9 bestimmt.

Claims (3)

1. Gehäuse eines Abgaskatalysators mit einem Kataly­ satorkörper (3), dessen durchströmte Querschnittsfläche (9) in ihrer Größe veränderbar ist, gekennzeichnet durch ein stromauf des Katalysatorkörpers (3) vorgesehenes, in Strömungsrichtung (2) verschiebbares, diffusorförmig ausgebildetes Strömungs-Leitelement (5), welches die durchströmte Querschnittsfläche (9) bestimmt.

2. Gehäuse eines Abgaskatalysators mit einem Katalysatorkörper (3), dessen durchströmte Querschnittsfläche (9) in ihrer Größe veränderbar ist, gekennzeichnet durch mehrere stromauf des Katalysatorkörpers (3) ringförmig angeordnete, in Strömungsrichtung (2) ausgerichtete verformbare Zungen (10), die ein Strömungs-Leitelement (5) in Form eines Diffusors mit veränderbarem Abströmwinkel/Diffusorwinkel (α) bilden.

3. Katalysatorgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement aus einem Werkstoff gefertigt ist, der mit seiner Erwärmung eine Bewegung des Leitelementes im Sinne einer Vergrößerung der durchströmten Querschnittsfläche hervorruft.