DE4242521A1 - Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine mit einem vorgeschalteten Brenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine mit einem vorgeschalteten Brenner, der der Stirnseite des eine Vielzahl von katalytisch be­ schichteten Abgaskanälen aufweisenden Trägerkörpers Zuge wandt ist, so daß die heißen Brennerabgase auf die Stirn­ seite des Trägerkörpers auftreffen.

Vorgesehen werden derartige Brenner, um den Abgaskataly­ sator nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine schnel­ ler auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Für eine er­ folgreiche Konvertierung schädlicher Abgasbestandteile benötigt ein Abgaskatalysator nämlich eine gewisse Mini­ maltemperatur, die mit Hilfe eines bedarfsweise betriebe­ nen Brenners schneller erreicht werden kann. Die heißen Brennerabgase führen dabei zu einer beschleunigten Erwär­ mung des Abgaskatalysators bzw. des mit der katalytischen Schicht versehenen Trägerkörpers. Besonders wirkungsvoll ist eine derartige Katalysatorbeheizung mittels eines se­ paraten Brenners dann, wenn dieser nahe der Stirnseite des Trägerkörpers angeordnet ist, so daß die heißen Bren­ nerabgase im wesentlichen direkt auf die Stirnseite des Trägerkörpers auftreffen können. Zum Einsatz kommen dabei meist sog. Punkt oder Strahlbrenner, bei denen ausgehend von einer quasi punktförmigen Brennstelle ein kon­ zentrierter Abgasstrahl austritt und durch ein geeignet gestaltetes Brennerrohr in Richtung auf die Stirnseite des Trägerkörpers geleitet wird. Allerdings hat sich ge­ zeigt, daß mit derartigen im Hinblick auf die Heizwirkung optimalen Brennern keine gleichmäßige Erwärmung über der Stirnfläche des Trägerkörpers möglich ist. Vielmehr wird das Zentrum der Stirnfläche wesentlich intensiver erwärmt als deren Randbereiche, die darüber hinaus einen Teil der zugeführten Wärmeenergie wiederum an das Gehäuse des Ab­ gaskatalysators und somit an die Umgebung abgeben. Selbst nachdem somit das Zentrum des katalytisch beschichteten Trägerkörpers seine Betriebstemperatur erreicht hat und somit in der Lage ist, Abgasschadstoffe zu konvertieren, gelangen weiterhin schädliche Abgasbestandteile in die Umgebung. Diese Abgasschadstoffe sind dabei in jenen Ab­ gasteilströmen enthalten, die den katalytischen Träger­ körper in seinen Randbereichen durchdringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, hier Abhilfemaßnahmen aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine im Strom der Bren­ nerabgase liegende Leiteinrichtung zur Erzielung einer über der Stirnfläche im wesentlichen gleichmäßigen Erwär­ mung des Trägerkörpers vorgesehen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der Unteran­ sprüche.

Erfindungsgemäß dient eine Leiteinrichtung für die Bren­ nerabgase dazu, die Brennerabgase derart über der Stirn­ fläche des zu erwärmenden Trägerkörpers zu verteilen, daß sich dieser Trägerkörper über der Stirnfläche betrachtet im wesentlichen gleichmäßig erwärmt. Ist dabei wie üblich der Brenner im wesentlichen mittig zur Stirnfläche ange­ ordnet, so dient die Leiteinrichtung dazu, gemäß den obi­ gen Erläuterungen einen vergrößerten Anteil der Bren­ nerabgase zum Rand des Trägerkörpers hin zu leiten. In Abhängigkeit von den jeweils vorliegenden geometrischen Verhältnissen kann die Leiteinrichtung im Hinblick auf die durch sie erzielte Wirkung unterschiedlich ausgelegt sowie positioniert werden. Die detaillierte konstruktive Auslegung bzw. Positionierung kann dabei anhand einer einfachen Versuchsreihe erfolgen. So können verschiedene Leiteinrichtungen vorbereitet werden, die dann an unter­ schiedlichen Stellen in den Brennerabgasstrom eingebracht werden, wonach jeweils die binnen einer gewissen Zeit­ spanne erzielte Erwärmung an verschiedenen Stellen der Stirnfläche des katalytisch beschichteten Trägerkörpers ermittelt wird.

Als Leiteinrichtung bewährt hat sich beispielsweise ein Prallblech, auf das die Brennerabgase im wesentlichen frontal auftreffen. Hierzu ist dieses Prallblech im we­ sentlichen parallel zur Stirnseite des Trägerkörpers an­ geordnet und weist bevorzugt mehrere Durchbrüche auf. Durch diese Durchbrüche kann ein Teil des auftreffenden Brennerabgasstromes im wesentlichen ungehindert das Prallblech durchdringen und somit weiterhin den im Schat­ ten des Prallbleches liegenden Stirnflächenbereich des Trägerkörpers erwärmen. Ein nicht unerheblicher Teil des Abgasstromes hingegen wird durch das Prallblech an diesem vorbei vermehrt zum Randbereich der Trägerkörper-Stirn­ fläche hin geleitet. Eine andere bewährte Ausführungsform einer erfindungsgemäße Leiteinrichtung stellt ein sog. Strömungsteiler dar. Ein derartiger Strömungsteiler wird bevorzugt im Auslaufbereich eines den Brennerabgasstrahl stabilisierenden und ausrichtenden Brennerrohres im we­ sentlichen zentral zu diesem angeordnet. Das Brennerrohr bildet dann gemeinsam mit dem zentral angeordneten Strö­ mungsteiler eine ringförmige Düse, die in Abhängigkeit von ihrer detaillierten Gestaltung den Brennerabgasstrom wie gewünscht zur Stirnfläche des Trägerkörpers leiten kann, so daß sich über dieser Stirnfläche eine im wesent­ lichen gleichmäßige Erwärmung einstellt.

Die Leiteinrichtung ist bevorzugt über strömungsgünstig ausgebildete Haltevorrichtungen am Katalysatorgehäuse oder am Brennerrohr befestigt. Diese Haltevorrichtungen, die beispielsweise strebenartig ausgebildet sein können, sollen dabei den Brennerabgasen einen möglichst geringen Strömungswiderstand bieten. Ebenso soll die Leiteinrich­ tung für die Abgase der Brennkraftmaschine, zu deren Rei­ nigung ein erfindungsgemäßer Abgaskatalysator überhaupt dient, keinen oder zumindest einen möglichst geringen Strömungswiderstand bilden. Daher empfiehlt es sich, daß die Brennkraftmaschinen-Abgase in Strömungsrichtung der Brennerabgase betrachtet stromab der Leiteinrichtung in das Katalysatorgehäuse münden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in Prin­ zipskizzen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß gestalteten Abgaskatalysator,

Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1, sowie

Fig. 3 einen der Fig. 1 vergleichbaren Teilschnitt ge­ mäß dem (internen) Stand der Technik.

In den Fig. 1 und 3 ist mit der Bezugsziffer 1 das Ge­ häuse eines Abgaskatalysators bezeichnet, innerhalb des­ sen wie bekannt zumindest ein Trägerkörper 2 für die ka­ talytische Schicht angeordnet ist. Aufgebracht ist diese katalytische Schicht, wie ebenfalls bekannt, auf den Wän­ den der den Trägerkörper 2 durchdringenden Abgaskanäle 3, von denen eine Vielzahl im Trägerkörper 2 vorgesehen sind. Über ein Zuführrohr 4a gelangen die Abgase einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine in das Gehäuse 1, durchdringen den bzw. die hintereinandergeschalteten Trä­ gerkörper 2 über die Vielzahl von Abgaskanälen 3 und ver­ lassen schließlich das Gehäuse 1 über ein Abführrohr 4b. Durch chemische Reaktionen unter Zuhilfenahme der kataly­ tischen Schicht werden dabei schädliche Abgasbestandteile in unschädliche Komponenten konvertiert.

Oberhalb der Einmündungsstelle 5 des durch einen Pfeil 6 gekennzeichneten Brennkraftmaschinen-Abgasstromes in das Katalysatorgehäuse 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 7 bezeichneter Brenner vorgesehen, dessen durch Strömungs­ pfeile 8 dargestellten Brennerabgase mehr oder weniger frontal auf die Stirnseite 9 des Trägerkörpers 2 auftref­ fen. Der Brenner 7 besitzt u. a. eine Brenngemisch-Zufuhr 10, sowie eine nicht näher dargestellte Brennkammer, in­ nerhalb derer dieses Gemisch - initiiert durch eine ge­ eignete Zündvorrichtung - verbrannt werden kann sowie desweiteren ein von der Brennkammer ausgehendes in Rich­ tung des Trägerkörpers 2 orientiertes Brennerrohr 11. Über dieses Brennerrohr 11 werden die Brennerabgase zur Stirnfläche 9 des Trägerkörpers 2 hingeleitet; der Bren­ ner 7 stellt somit einen Strahl-Brenner dar.

In Betrieb genommen wird der Brenner 7 dann, wenn ausge­ hend von einem Kaltstart der dem erfindungsgemäßen Abgas­ katalysator vorgeschalteten Brennkraftmaschine dieser Ab­ gaskatalysator beschleunigt auf seine Betriebstemperatur gebracht werden soll. Dabei tragen die heißen Brennerab­ gase zur beschleunigten Erwärmung des Trägerkörpers 2 bei. In Fig. 3 ist von der Stirnseite 9 des Trägerkörpers 2 ausgehend nach unten eine Temperaturverteilung aufge­ tragen, wie sie nach dem Stand der Technik bei diesem in Fig. 3 dargestellten Abgaskatalysator mit vorgeschalteten Brenner 7 nach einer gewissen Zeitspanne erreicht wird. Dargestellt ist dabei die relative Temperaturverteilung durch sich von der Stirnseite 9 in vertikaler Richtung nach unten erstreckende Balken 12. Man erkennt deutlich, daß mit der herkömmlichen Anordnung im Zentrum der Stirnfläche 9 deutlich höhere Temperaturen erreicht wer­ den, als im Randbereich der Stirnfläche 9. Dies ist je­ doch unerwünscht, da nach dieser Zeitspanne zwar der Zentralbereich des Trägerkörpers 2 ausreichend erwärmt ist, der Randbereich des Trägerkörpers 2 jedoch seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.

In einem erfindungsgemäßen Abgaskatalysator gemäß Fig. 1 ist daher im Strom der Brennerabgase 8 zumindest eine Leiteinrichtung 13 vorgesehen. In dieser Prinzipskizze 1 sind der Einfachheit halber zwei Leiteinrichtungen 13 ge­ zeigt und zwar im Detail ein Prallblech 13a sowie ein Strömungsteiler 13b. Diese Leiteinrichtung 13 bzw. diese Leiteinrichtungen 13a, 13b dient/dienen dazu, die Bren­ nerabgase 8 derart über der Stirnfläche 9 des Trägerkör­ pers 2 zu verteilen, daß sich - abermals ausgehend von einem Kaltstart - eine im wesentlichen gleichmäßige Er­ wärmung des Trägerkörpers einstellt. Eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung über der Stirnfläche ist gleichbe­ deutend mit einer im wesentlichen gleichmäßigem Tempera­ turverteilung, wie diese in Fig. 1 ebenfalls durch Tempe­ ratur-Balken 12 dargestellt ist.

Beiden Leiteinrichtungen 13a, 13b ist gemein, daß diese Leiteinrichtungen einen vergrößerten Anteil des Bren­ nerabgasstromes in Richtung der Randbereiche bzw. Außen­ bereiche des Trägerkörpers 2 leiten, wohingegen der Zen­ tralbereich/Mittenbereich der Stirnseite 9 mit einem ge­ genüber dem in Fig. 3 dargestellten Abgaskatalysator ver­ ringerten Brennerabgasstrom beaufschlagt wird.

Der Strömungsteiler 13b, der über geeignete Stege direkt mit dem Brennerrohr 11 verbunden sein kann, verwandelt den Auslaufbereich des Brennerrohes 9 sozusagen in eine Ringdüse, die - wie klar verständlich - ein gewünschtes Strömungsbild der Brennerabgase herstellt. In ähnlicher Weise wirkt das Prallblech 13a, das im übrigen mehrere Durchbrüche 14 aufweist, vgl. insbesondere die Darstel­ lung gemäß Fig. 2. Über diese Durchbrüche 14 kann wei­ terhin ein reduzierter Teil des Brennerabgasstromes in den Zentralbereich der Stirnseite 9 des Trägerkörpers 2 gelangen, andererseits stellt das Prallblech 13a einen nicht zu vernachlässigenden Strömungswiderstand für die Brennerabgase dar, so daß gegenüber dem Abgaskatalysator gemäß Fig. 3 ein vergrößerter Brennerabgasstrom in den Randbereich des Trägerkörpers 2 gelangt.

Fig. 2 zeigt weiterhin stiftartig ausgebildete Halter 15, über die das Prallblech 13a am Katalysator-Gehäuse 1 auf­ gehängt sein kann. Diese Halter 15 sollen dabei ebenso wie die zur Fixierung des Strömungsteilers 13b am Bren­ nerrohr 11 erforderlichen Stege für die Brennerabgase 8 einen möglichst geringen Strömungswiderstand darstellen. Fig. 2 zeigt weiterhin, daß das Prallblech 3 exzentrisch bezüglich des Trägerkörpers 2 angeordnet ist. Wie Fig. 1 zeigt, ist das Prallblech 13a zusätzlich nicht exakt pa­ rallel zur Stirnseite 9 des Trägerkörpers 2 ausgerichtet, sondern geringfügig abgebogen. Dies soll jedoch lediglich prinzipielle Anordnungsmöglichkeiten darstellen, die ent­ sprechend den jeweiligen konstruktiven Randbedingungen beispielsweise durch eine größere Versuchsreihe optimiert werden können. Stets ist es dabei ein Ziel, mit Hilfe der Leiteinrichtung 13 eine im wesentlichen gleichmäßige Tem­ peraturverteilung über der Stirnfläche 9 des Trägerkör­ pers 2 zu erzielen, wie dies durch die Temperatur-Balken 12 in Fig. 1 dargestellt ist.

Insgesamt führt die erfindungsgemäß vorgesehene Leitein­ richtung 13 beispielsweise in Form des Prallbleches 13a und/oder des Strömungsteilers 13b zu einer besseren Ver­ teilung des Energieangebotes des Brenners 7. Aufgrund der gleichmäßigeren Erwärmung kann gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Stand der Technik auch die Betriebs zeit des Brenners 7 verringert werden, wodurch sich effektiv eine Kraftstoffeinsparung ergibt. Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Effekt unabhängig von der detaillierten Gestaltung des Trägerkörpers 2, d. h. beim Trägerkörper 2 kann es sich um einen keramischen Monolithen oder auch um einen Metallträger handeln. Indem im übrigen die Brenn­ kraftmaschinen-Abgase 6 in Strömungsrichtung der Bren­ nerabgase 8 betrachtet stromab der Leiteinrichtung 13 in das Katalysatorgehäuse 1 münden, stellt diese Leitein­ richtung 13 erwünschtermaßen für die Brennkraftmaschinen- Abgase 6 kein Strömungshindernis dar. Jedoch kann dies sowie weitere Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ge­ staltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu ver­ lassen.

Claims (5)

1. Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine mit einem vorgeschalteten Brenner (7), der der Stirnseite (9) des eine Vielzahl von katalytisch beschichteten Ab­ gaskanälen (3) aufweisenden Trägerkörpers (2) zuge­ wandt ist, so daß die heißen Brennerabgase (8) auf die Stirnseite (9) des Trägerkörpers (2) auftreffen, gekennzeichnet durch eine im Strom der Brennerabgase (8) liegende Leiteinrichtung (13) zur Erzielung einer über der Stirnfläche (9) im wesentlichen gleichmäßigen Erwärmung des Trägerkörpers (2).

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (13) als ein im wesentlichen parallel zur Stirnseite (9) des Trägerkörpers (2) angeordnetes, mit mehreren Durchbrüchen (14) versehenes Prallblech (13a) ausge­ bildet ist.

3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (13) als ein im Auslaufbereich eines Brennerrohres (11) im wesentlichen zentral angeordneter Strömungsteiler (13b) ausgebildet ist.

4. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (13) über geeignete, strömungsgünstig ausgebildete Halter (15) am Katalysator-Gehäuse (1) oder am Brennerrohr (11) befestigt ist.

5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschinen- Abgase (6) in Strömungsrichtung der Brennerabgase (8) betrachtet stromab der Leiteinrichtung (13) in das Katalysator-Gehäuse (1) einmünden.