DE4002774A1

DE4002774A1 - Auspuff fuer verbrennungsmotoren mit katalysator

Info

Publication number: DE4002774A1
Application number: DE19904002774
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Duemmel
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-08-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Auspuff für Verbrennungs motoren, insbesondere Kleinmotoren, mit einem von den Verbrennungsgasen des Motors durchsetzten Katalysator, welcher im Strömungsweg der Verbrennungsgase zwischen Einlaß und Auslaß einer geschlossenen Kammer angeordnet und an seinem Umfang zwischen seinen voneinander abge wandten Stirnseiten gegenüber der Kammerwand abgedichtet ist.

Um den Anteil von Schadstoffen innerhalb der in die Atmosphäre abgeleiteten Verbrennungsgase von Verbrennungs motoren möglichst gering zu halten, ist es bekannt und üblich, die Verbrennungsgase durch einen Katalysator zu leiten, um die Schadstoffe möglichst weitgehend kataly tisch in weitestgehend unbedenkliche Stoffe zu zerlegen.

Auch wenn die Menge der Verbrennungsgase bei Kleinmotoren relativ gering ist, ist eine katalytische Zerlegung der Schadstoffe ebenfalls erwünscht.

Um nun zu erreichen, daß die Durchsatzgeschwindigkeit der Verbrennungsgase innerhalb des Katalysators einen optimalen Wert hat, sind relativ kleine durchströmte Querschnitte erwünscht. Darüber hinaus muß eine hinreichende Verweilzeit der Verbrennungsgase innerhalb des Katalysators erreicht werden, um die katalytische Zerlegung der Schadstoffe zu gewährleisten. Dies führt dazu, daß die Strömungswege der Verbrennungsgase innerhalb des Katalysators eine größere Länge haben müssen. Insgesamt ergibt sich also die Forderung, innerhalb des Katalysators einen relativ langen Strömungsweg mit geringem Querschnitt zu schaffen. Wenn jedoch Katalysa toren mit großer Länge und geringem Querschnitt eingesetzt werden, ergeben sich aufgrund der Brüchigkeit des Träger materials des Katalysators Schwierigkeiten bei der Herstellung des Auspuffes sowie beim Betrieb des Motors, welcher praktisch unvermeidlich im Auspuff Schwingungen bzw. Vibrationen erregt.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Auspuff mit Kata lysator zu schaffen, welcher sich auch dann durch hohe Stabi lität und Belastbarkeit auszeichnet, wenn die Verbrennungs gase den Katalysator auf einem Strömungsweg durchsetzen, welcher einen besonders kleinen Querschnitt und gleichwohl eine relativ große Länge hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Auspuff der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß Einlaß und Auslaß der Katalysatorkammer vor der einen Stirnseite des Katalysators voneinander abgetrennt angeordnet sind und innerhalb der Kammer zwischen der anderen Stirnseite des Katalysators und dem gegenüberliegenden Bereich der Kammerwand ein Freiraum verbleibt, so daß der Katalysator im Bereich seines dem Einlaß zugeordneten Querschnittes vom Einlaß zum Freiraum hin und im Bereich seines dem Auslaß zugeordneten Querschnittes vom Freiraum zum Auslaß hin durchströmbar ist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Katalysator mit kurzer Länge und relativ großem Querschnitt zu verwenden und die Verbrennungsgase den Katalysator zunächst in einem Teilbereich des Querschnittes in der einen Richtung und sodann im verbleibenden Teilbereich des Querschnittes in der anderen Richtung durchströmen zu lassen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Verbrennungsgase innerhalb des Katalysators eine hinreichend große Verweilzeit haben und den Katalysator mit der wünschenswerten Geschwindig keit durchsetzen.

Gleichzeitig wird dadurch der Vorteil erzielt, daß der Körper des Katalysators eine kompakte Form besitzt und dementspre chend mechanisch stark belastbar ist.

Durch die Umkehr der Strömungsrichtung im Freiraum an der vom Einlaß und Auslaß der Katalysatorkammer abgewandten Stirnseite des Katalysators wird einerseits die Geräusch dämpfung begünstigt, andererseits werden die vom Einlaß der Katalysatorkammer kommenden Verbrennungsgase, welche den Katalysator bereits in der einen Richtung einmal durchsetzt haben, intensiv vermengt, bevor sie den dem Auslaß der Kata lysatorkammer zugeordneten Querschnitt des Katalysators in der anderen Richtung durchsetzen. Dies trägt zu einer guten Ausnutzung des Katalysatorvolumens bei, d. h. das Katalysator material wird praktisch überall innerhalb des Katalysator körpers in gleicher Weise von den Verbrennungsgasen beauf schlagt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung ist vorgesehen, daß die Katalysatorkammer ein gesonder tes Gehäuseteil bildet, welches innerhalb einer Auspuffkammer, beispielsweise der Eingangskammer des Auspuffes, angeordnet ist, wobei diese Auspuffkammer nur über die Katalysatorkammer mit einer im Strömungsweg der Verbrennungsgase nachfolgenden Auspuffkammer bzw. der Ausgangsöffnung des Auspuffes verbunden ist. Mit dieser Bauweise wird der Tatsache Rechnung getragen, daß der Katalysator bei Kleinmotoren im Vergleich zum Auspuff bzw. zur Eingangskammer des Auspuffes wegen der relativ ge ringen Abgasmengen recht kleine Abmessungen hat. Gleichzeitig ist vorteilhaft, daß die Katalysatorkammer gegen Wärmeabstrah lung gut geschützt wird und der Katalysator dementsprechend von den Verbrennungsgasen schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Gleichzeitig erübrigt sich aufgrund dieser Bauweise eine doppelwandige Ausbildung des die Kata lysatorkammer bildenden Gehäuses.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Beschrei bung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Auspuffes,

Fig. 2 einen Querschnitt des Auspuffes gemäß der Schnittebene II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt des die Katalysatorkammer bildenden Gehäuses gemäß der Schnittebene III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Stirnansicht der Katalysatorkammer entsprechend dem Pfeil IV in Fig. 3 und

Fig. 5 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform.

Der erfindungsgemäße Auspuff besitzt eine erste Auspuff kammer 1, die von zwei ein kastenähnliches Gehäuse bildenden Schalenteilen 2 und 3 umschlossen wird. Das unmittelbar am Zylinder eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors angeordnete Schalenteil 2 besitzt eine Eingangsöffnung 4, durch die die Verbrennungsgase des Motors in die Auspuffkammer 1 einströmen.

Eine weitere, kleinere Auspuffkammer 5 wird gegenüber der Auspuffkammer 1 durch ein Schalenteil 6 abgeschlossen, welches innenseitig des Schalenteiles 3 angeordnet ist. Innerhalb des vom Schalenteil 6 umgrenzten Bereiches ist im Schalenteil 3 eine große Öffnung 7 angeordnet, welche auf der Außenseite des Schalenteiles 3 durch eine die Ausgangsöffnung des Auspuffes bildende Hutze 8 überdeckt wird. Die Hutze 8 wird von Abschirmblechen 9 und 10 umman telt, welche auf der Außenseite des Schalenteiles 3 mit Abstand von der Hutze 8 angeordnet sind, und zwar derart, daß an die nach außen führende Öffnung 8′ der Hutze 8 ein vom Abschirmblech 10 ummantelter Kanal 11 anschließt, welcher im Vergleich zur Öffnung 8′ einen großen Querschnitt aufweist und eine schlitzförmige Öffnung 11′ zwischen den Abschirmblechen 9 und 10 sowie eine sehr große Öffnung 11′′ an den von der Öffnung 11′ abgewandten Rand des Abschirm bleches 10 aufweist.

Beim Betrieb des Motors strömen die Verbrennungsgase durch die Öffnung 8′ der Hutze 8 mit relativ großer Geschwindig keit in den Kanal 11 ein, wobei die umgebende Luft mitge rissen wird, so daß ständig Frischluft durch die schlitz förmige Öffnung 11′ des Kanales 11 zur Kühlung der Ver brennungsgase einströmt und mit den Verbrennungsgasen vermischt aus der Öffnung 11′′ des Kanales 11 ausströmt. Durch ein an der Öffnung 11′′ auf der Außenseite des Schalen teiles 3 angeordnetes Leitblech 12 wird das mit geringer Temperatur ausströmende Gemisch aus Luft und Verbrennungs gasen vom Gehäuse des Auspuffes weggeleitet.

Die Auspuffkammern 1 und 5 sind untereinander nur über den Innenraum eines Gehäuses 13 sowie ein daran anschließendes und in die Auspuffkammer 5 durch eine Öffnung im Schalenteil 6 einmündendes Rohr 14 verbunden. Dieses Gehäuse 13 dient zur Aufnahme eines zur katalytischen Zerlegung der Schad stoffe der Abgase dienenden Katalysators 15, welcher vorzugs weise einen Trägerkörper aus Metall besitzt.

Der Mittelabschnitt des Gehäuses 13 wird durch ein den Tragkörper des Katalysators 15 dicht ummantelndes Rohrstück 16 gebildet, dessen in Fig. 3 unteres Stirnende durch ein glockenartiges Bodenteil 17 abgeschlossen wird, wobei inner halb des Bodenteiles 17 ein über den gesamten Querschnitt der in Fig. 3 unteren Stirnseite des Katalysators 15 erstreckter Raum 18 verbleibt. Das Bodenteil 17 ist mittels eines laschenförmigen Flansches 19 am Schalenteil 3 gehaltert.

Die in Fig. 3 obere Stirnseite des Katalysators 15 liegt etwa zur Hälfte frei, wie auch aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die andere Hälfte der genannten Stirnseite des Katalysators 15 wird von einem glockenartigen Teil 20 mit etwa halbkreis förmigem Querschnitt abgedeckt, welches auf der zugewandten Stirnseite des Katalysators 15 mit seinem unteren Rand dicht aufliegt und mit dem benachbarten Rand des Rohrstückes 16 längs eines halbkreisförmigen Bogens dicht und fest verbun den ist. Der vom glockenartigen Teil 20 umschlossene Innen raum 21 ist über das in das glockenartige Teil 20 dicht eingesetzte Rohr 14 mit der Auspuffkammer 5 verbunden. Im übrigen ist das glockenartige Teil 20 mittels eines weiteren laschenförmigen Flansches 22 an der Innenseite des Schalenteiles 3 befestigt.

Durch die Flansche 19 und 22 sowie das Rohrstück 16 wird also das Gehäuse 13 innerhalb der Auspuffkammer 1 mit Abstand von den Innenseiten der Schalenteile 2 und 3 gehaltert.

Der dargestellte Auspuff funktioniert wie folgt:

Beim Betrieb des Motors strömen die Verbrennungsgase durch die Eingangsöffnung 4 in die Auspuffkammer 1 ein und ver mischen bzw. vermengen sich durch Verwirbelung. Dabei kann der einströmende Gasstrom den Katalysator 15 im Gehäuse 13 nicht unmittelbar beaufschlagen, weil der freiliegende Bereich der in Fig. 3 oberen Stirnseite des Katalysators 15 gegenüber der Eingangsöffnung 4 durch das glockenartige Teil 20 sowie das Rohr 14 abgeschattet wird. Darüber hinaus trägt auch der Flansch 22 zur Abschirmung bei.

Nach Verwirbelung und Vermengung durchsetzt nun das in die Auspuffkammer 1 eingeströmte Verbrennungsgas den Katalysator 15 in Richtung des vom Bodenteil 17 umschlossenen Freiraumes 18. Dabei wird der Katalysator 15 in dieser Strömungsrichtung nur innerhalb des Bereiches durchsetzt, welcher in Fig. 3 unterhalb des Bereiches der oberen Stirnfläche des Katalysa tors 15 neben dem glockenartigen Teil 20 liegt.

Sobald die Verbrennungsgase in den vom Bodenteil 17 umschlosse nen Raum 18 gelangen, kehrt sich die Strömungsrichtung um, und die Verbrennungsgase durchsetzen nun den unterhalb des glockenartigen Teiles 20 liegenden Bereich des Katalysators 15 in umgekehrter Richtung, so daß die Verbrennungsgase nachfolgend in das glockenartige Teil 20 und damit in das Rohr 14 einströmen.

Über das Rohr 14 gelangen die Verbrennungsgase dann in die Auspuffkammer 5, von wo sie über die Hutze 8 nach außen ausströmen, wie oben bereits erläutert wurde.

Bei der Erfindung ist also vorgesehen, daß der Katalysator 15 innerhalb eines Teilbereiches seines Querschnittes, in der Regel innerhalb der einen Hälfte seines Querschnittes, in der einen Richtung, in Fig. 3 von oben nach unten, durch strömt wird. Der andere Teil des Querschnittes bzw. die andere Hälfte des Katalysators 15 werden in entgegengesetzter Richtung, in Fig. 3 von unten nach oben, von den Verbrennungs gasen durchsetzt.

Insgesamt werden also die Verbrennungsgase zweimal hinter einander durch unterschiedliche Bereiche des Katalysators 15 geführt. Dabei bildet der Raum 18 im Bodenteil 15 eine Mischzone, in der sich die Verbrennungsgase nach dem ersten Durchtritt durch den Katalysator 15 nochmals intensiv ver mengen können. Des weiteren wird durch den Raum 18 gewähr leistet, daß auch die andere Hälfte des Katalysators 15 beim zweiten Durchtritt der Verbrennungsgase sehr gleich mäßig beaufschlagt wird.

Durch die Struktur des Tragkörpers des Katalysators 15 ist gewährleistet, daß die Verbrennungsgase den Katalysator 15 in Fig. 3 nur von oben nach unten bzw. von unten nach oben durchströmen können. Quer dazu ist praktisch kein Gasdurch satz möglich.

Obwohl also Eingang E und Auslaß A des Gehäuses 13 des Katalysators 15 auf der gleichen Stirnseite des Katalysators 15 angeordnet sind, ist gewährleistet, daß der Katalysator 15 nur senkrecht zu seinen Stirnseiten vom Verbrennungsgas durchsetzt wird.

Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß der Katalysator 15 schnell seine Betriebstemperatur erreicht, denn das Gehäuse 13 wird allseitig von heißen Verbrennungs gasen umspült. Dementsprechend vermag das Gehäuse 13 prak tisch keine Wärme abzustrahlen. Damit erübrigt sich eine doppelwandige Ausbildung des Gehäuses 13.

Alle Blech- bzw. Schalenteile des Auspuffes können durch Gasnitrieren in einfacher Weise gegen Korrosion geschützt werden.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform ähnelt weitgehend dem vorangehend beschriebenen Auspuff. Der wesentliche Unterschied dazu besteht in einer anderen Einbaulage des Katalysatorgehäuses 13 innerhalb der Auspuffkammer 1 sowie im Wegfall der weiteren Auspuffkammer 5 und des Schalen teiles 6.

Nach Fig. 5 ist das Gehäuse 13 mit seinem geschlossenen Bodenteil 17 der die Eingangsöffnung 4 aufweisenden Seite der Auspuffkammer 1 zugewandt. Die andere Seite des Gehäuses 13 mit dem Einlaß E besitzt von der benachbarten Seite der Kammer 1 einen hinreichenden Abstand, so daß die Verbrennungs gase aus der Kammer 1 in den Einlaß E eintreten können.

Der Auslaß A des Gehäuses 13 wird durch eine Hutze 23 gebil det, die mit einer seitlichen Auslaßöffnung 23′ direkt in den Kanal 11 einmündet. Die Hutze 23 durchsetzt das Schalen teil 3 und ist in einer Öffnung desselben dicht eingesetzt. Im übrigen dient die Hutze 23, zusätzlich zu einem Flansch 24, zur Halterung des Gehäuses 13 in der Kammer 1 bzw. am Schalen teil 3.

Claims

1. Auspuff für Verbrennungsmotoren, insbesondere Klein motoren, mit einem von den Verbrennungsgasen des Motors durchsetzten Katalysator, welcher im Strömungsweg der Verbrennungsgase zwischen Einlaß und Auslaß einer geschlossenen Kammer angeordnet und an seinem Umfang zwischen seinen voneinander abgewandten Stirnseiten gegenüber der Kammerwand abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (E) und Auslaß (A) der Katalysatorkammer (Gehäuse 13) vor der einen Stirnseite des Katalysators (15) voneinander abgetrennt angeordnet sind und innerhalb der Kammer (13) zwischen der anderen Stirnseite des Katalysators (15) und dem gegenüberliegenden Bereich (17) der Kammerwand ein Freiraum (18) verbleibt, so daß der Katalysator (15) im Bereich seines dem Einlaß (E) zuge ordneten Querschnittes vom Einlaß (E) zum Freiraum (18) hin und im Bereich seines dem Auslaß (A) zugeordneten Querschnittes vom Freiraum (18) zum Auslaß (A) hin durchströmbar ist.

2. Auspuff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) einen monolithischen Träger besitzt, der im wesentlichen nur quer zu zwei voneinan der abgewandten Stirnseiten vom Abgas durchströmbar ist.

3. Auspuff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß (E) und Auslaß (A) gleiche Querschnitte, etwa entsprechend der Hälfte der einen Stirnseite des Katalysators (15), besitzen.

4. Auspuff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsebene des Einlasses (E) zumindest annähernd in der Ebene der einen Stirnseite des Katalysators (15) liegt.

5. Auspuff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorkammer ein gesondertes Gehäuseteil (13) bildet, welches innerhalb einer Auspuffkammer (1) angeordnet ist, die nur über die Katalysatorkammer mit einer im Strömungsweg der Verbrennungsgase nachfolgenden Auspuffkammer (5) bzw. der Auslaßöffnung (8′) des Auspuffes verbunden ist.

6. Auspuff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (E) des in der Eingangskammer (1) des Auspuffes angeordneten Katalysa torgehäuses (13) gegenüber der Eingangsöffnung (4) der Eingangskammer (1) abgeschirmt angeordnet ist.

7. Auspuff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (E) durch ein den Auslaß (A) bildendes rohrartiges Teil (14, 20) gegenüber der Einlaßöffnung (4) der Eingangskammer (1) abgeschattet ist.

8. Auspuff nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gesonderte Gehäuseteil (13) allseitig von der Wandung der Auspuffkammer (1) beabstandet ist.

9. Auspuff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Blech- bzw. Eisenteile (2, 3, 6, 8, 9, 10, 13, 14, 19, 22) eine durch Gasnitrieren gegen Korrosion geschützte Oberfläche besitzen.