DE4431971A1

DE4431971A1 - IC engine exhaust catalyser

Info

Publication number: DE4431971A1
Application number: DE19944431971
Authority: DE
Inventors: Harro Dipl Ing Muendler
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1996-03-14

Abstract

The catalyser body is located in an annular manner round an aperture (3), closable or opened by a flap (6) swivelable about an axis (7). The flap is movable by the exhaust pressure, without any separate control members, against a spring force. Pref. the flap axis is so fitted that the exhaust pressure on the flap generates a torque, while at least one spring (12) opposes the torque force. The spring may be so rated that the exhaust pressure generated torque is greater than the spring counter force at a preset partial load of the IC engine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskatalysator für Brennkraftmaschinen mit den im Oberbegriff des Patentan spruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to an exhaust gas catalytic converter for Internal combustion engines with those in the preamble of the patent pronounced 1 characteristics.

Es sind diverse Einrichtungen bekannt, um eine möglichst vollständige katalytische Reinigung der Abgase zu errei chen. Insbesondere sind Probleme zu bewältigen, die dar aus resultieren, daß ein Katalysator nur in einem festge legten Temperaturbereich optimal arbeitet. Bei Kraftfahr zeugen soll die Betriebstemperatur eines Abgaskatalysa tors möglichst schnell erreicht und dann annähernd kon stant gehalten werden. Mit diversen, sehr aufwendigen Vorrichtungen versucht man, die Probleme zu lösen. Bei spielsweise sind verschiedenartige Startkatalysatoren (DE-OS 39 07 776) oder Heizeinrichtungen für Katalysato ren bekannt.Various facilities are known to make one possible to achieve complete catalytic purification of the exhaust gases chen. In particular, problems have to be overcome that represent result from that a catalyst in only one festge temperature range works optimally. When driving The operating temperature of an exhaust gas catalytic converter is said to testify tors reached as quickly as possible and then approximately con be kept constant. With diverse, very elaborate Devices are tried to solve the problems. At for example, various types of starting catalysts (DE-OS 39 07 776) or heaters for catalytic converters ren known.

Ein vergleichsweise einfacher Lösungsansatz besteht darin, daß Bereiche eines Katalysators variabel nutzbar sind. Bei kaltem Motor bzw. bei nur gering anfallenden Abgasmengen wird nur ein Teil des katalytischen Materials beaufschlagt, welches sich somit schneller erwärmt, als dies der Fall wäre bei Nutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Materials. Eine Lösung ist in der DE-PS 39 03 803 aufgezeigt. Hier wird ein temperaturabhängig arbei tendes Strömungsleitelement genutzt, um eine Veränderbar keit der durchströmten Querschnittsfläche zu erreichen. Verschiedene Ausführungen sind bei Betreiben eines rela tiv hohen Aufwandes zu schaffen.A comparatively simple solution exists in that areas of a catalyst can be used variably are. When the engine is cold or when the engine is low Exhaust gas amounts become only part of the catalytic material applied, which thus heats up faster than this would be the case when using the entire available standing material. A solution is in DE-PS 39 03 803 shown. Here is a temperature dependent work flow control element used to be changeable speed of the cross-sectional area flowed through. Different versions are available when operating a rela tiv high effort to create.

Eine andere Variante zur Regelung der angeströmten Kata lysatorfläche ist in der DE-OS 42 22 162 gezeigt und be schrieben, wobei auch hier ein Aufwand an Stellmitteln betrieben ist, der unverhältnismäßig hoch erscheint. In Abhängigkeit von der Abgastemperatur soll ein Flächenre gelsystem arbeiten, welches aus einem Schieber, der über einen Steuerkreis und Stellmittel bewegt wird, besteht.Another variant for regulating the flow of Kata lysatorfläche is shown in DE-OS 42 22 162 and be wrote, although here too an effort in setting up operated that appears disproportionately high. In Depending on the exhaust gas temperature, an area should be gel system work, which consists of a slide that over a control circuit and actuating means is moved.

Einfacher und vorteilhafter gegenüber den genannten Vari anten ist die Lösung nach der DE-OS 28 51 675. Ein ring förmiger Katalysatorkörper weist einen zentralen Durchlaß auf, in dem eine Klappe angeordnet ist. Bei geschlossener Klappe wird der ringförmige Katalysatorkörper vom Abgas durchströmt. Dieser kann sich schnell erwärmen, da rela tiv wenig katalytisches Material enthalten ist. Ist die Klappe teilweise oder ganz geöffnet, strömt ein wesentli cher Anteil des Abgases durch den Durchlaß und wird an schließend in einer zweiten Kammer entgiftet. Die zweite Kammer ist voluminöser als die Ringkammer. Die Klappe ist um eine Achse verschwenkbar und wird über eine Schubein richtung drehzahlabhängig oder geschwindigkeitsabhängig bewegt. Eine Klappenwelle muß die Ringkammer durchdrin gen, um die genannte Schubeinrichtung anschließen zu kön nen. Dies führt zu Strömungswiderständen, zu Montagepro blemen, und ein hoher Aufwand ist für die Abdichtung des Katalysators sowie die Steuerung der Klappenbewegung von nöten.Easier and more advantageous compared to the Vari anten is the solution according to DE-OS 28 51 675. A ring shaped catalyst body has a central passage on, in which a flap is arranged. When closed The flap becomes the annular catalytic converter body from the exhaust gas flows through. This can warm up quickly because rela tiv little catalytic material is included. Is the The flap is partially or fully open, a lot flows portion of the exhaust gas through the passage and is on finally detoxifies in a second chamber. The second Chamber is more voluminous than the ring chamber. The flap is can be swiveled around an axis and is moved over a drawer Direction depending on speed or speed emotional. A valve shaft must penetrate the annular chamber conditions in order to be able to connect the above-mentioned pushing device nen. This leads to flow resistance, to assembly pro blemen, and a lot of effort is required to seal the Catalyst and the control of the flap movement of need.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Abgaskatalysator zu schaffen, bei dem es möglich ist, variable Räume eines Katalysatorkörpers mit Abgas zu beaufschlagen. Es soll dabei ein allen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschi ne gerecht werdendes Steuerungskonzept, bei Betreiben ei nes nur geringen Aufwandes, zur Anwendung kommen.It is an object of the invention to provide an exhaust gas catalytic converter create where it is possible to create variable spaces one To apply catalytic converter body with exhaust gas. It should thereby all operating states of an internal combustion engine ne appropriate control concept, when operating a with little effort.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich der erfindungsge mäße Abgaskatalysator durch die im Patentanspruch 1 ange gebenen Merkmale aus. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7.To solve this problem is the fiction, ge moderate exhaust gas catalytic converter by the in claim 1 output characteristics. Further details emerge from claims 2 to 7.

Der Abgaskatalysator weist eine Ringkammer und einen dar in angeordneten Durchlaß auf. Der Durchlaß kann eine kreisförmige oder vorzugsweise eine quadratische bzw. rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen. In dem Durchlaß ist eine Klappe um eine Achse verschwenkbar ge lagert, wobei die Klappe sich ausschließlich durch den Druck des Abgases selbsttätig öffnen kann und damit den Durchlaß teilweise oder ganz freigibt. Es sind keinerlei separate Steuerungsmittel vorgesehen. Die Klappe wird durch eine Feder mit einer Federkraft beaufschlagt, wel che entgegen einer Öffnungsbewegung der Klappe wirkt. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine bewirkt der Abgas druck, daß Kräfte auf die Klappe wirken, die ein Dreh moment um ihre Achse erzeugen, welches dem aus der Feder kraft resultierenden Drehmoment entgegenwirkt. Im unteren Lastbereich ist das in Schließrichtung wirkende Drehmo ment der Feder größer als das aus dem Abgasdruck resul tierende Moment. Die Klappe bleibt geschlossen und das Abgas durchströmt die Ringkammer (geringer Abgasvolumen- Strom). Bei größer werdender Motorlast (noch im Teillast bereich) wird ein Punkt erreicht, bei dem der Abgasdruck derart hoch wird, daß sich die Klappe entgegen der Feder kraft verschwenkt und den Durchlaß teilweise freigibt. Bei Vollast der Brennkraftmaschine verschwenkt die Klappe in eine Position, in der der Durchlaß durch die Ringkam mer maximal freigegeben ist. Ein wesentlicher Anteil des Abgases durchströmt den Durchlaß und wird in stromab an geordneten Katalysatorräumen entgiftet.The catalytic converter has an annular chamber and one in arranged passage. The passage can be a circular or preferably a square or have rectangular cross-sectional area. By doing Passage is a flap ge pivotable about an axis stores, the flap is only through the Pressure of the exhaust gas can open automatically and thus Passage partially or completely released. There are none separate control means are provided. The flap will acted upon by a spring with a spring force, wel che counteracts an opening movement of the flap. When operating an internal combustion engine, the exhaust gas causes pressure that forces act on the flap, which a rotation Generate moment about its axis, which is from the spring counteracts the resulting torque. At the bottom The load range is the torque acting in the closing direction ment of the spring is greater than that resulting from the exhaust gas pressure moment. The flap remains closed and that Exhaust gas flows through the annular chamber (low exhaust gas volume Electricity). When the engine load increases (still at partial load range) a point is reached at which the exhaust gas pressure is so high that the flap against the spring pivoted force and partially releases the passage. The flap swivels at full load of the internal combustion engine in a position in which the passage through the ring came maximum is released. An essential part of the Exhaust gas flows through the passage and is turned on downstream orderly catalyst rooms detoxified.

Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Lösung nach der DE-OS 28 51 675 (aus der Motordrehzahl oder der Fahr geschwindigkeit sind keine Rückschlüsse auf die Motorlast zu ziehen) handelt es sich hier um eine echt lastabhän gige Katalysatorsteuerung, für deren Realisierung nur ein sehr geringer Aufwand zu betreiben ist.In contrast to the solution described above DE-OS 28 51 675 (from the engine speed or driving speed are no conclusions about the engine load pull) this is a real load-dependent Valid catalyst control, for the implementation of only one very little effort to operate.

Die Achse der Klappe wird derart außermittig angeordnet, daß durch die Wirkung des auftreffenden Abgasstromes ein Drehmoment um die Achse erzeugt wird. Die Achse selbst muß weder die Ringkammer noch ein Katalysatorgehäuse vollständig durchdringen. Eine temperaturbeständige Feder erzeugt das Drehmoment in Schließrichtung. Es kann zumin dest ein Anschlag für die Klappe vorgesehen werden, der ihre Schließstellung exakt definiert. Gleichfalls kann ein Anschlag vorgesehen sein, an dem die maximal geöff nete Klappe anliegt.The axis of the flap is arranged off-center in such a way that by the effect of the incident exhaust gas flow Torque is generated around the axis. The axis itself neither the ring chamber nor a catalyst housing penetrate completely. A temperature-resistant spring generates the torque in the closing direction. It can at least least a stop for the flap be provided, the their closed position is precisely defined. Likewise, can a stop may be provided at which the maximum opening nete flap is applied.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Klappe ein Flü gelprofil aufweist. Bei geöffneter Klappe werden so Strö mungswiderstände minimiert und ein Flattern wird vermie den.It is particularly advantageous if the flap is a flü has gel profile. When the flap is open, currents resistance is minimized and flutter is avoided the.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an hand eines Ausführungsbeispiels. Die einzige zugehörige Figur zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Abgaska talysators nach der Erfindung in schematischer Darstel lungsweise, wobei verschiedene Stellungen einer Klappe gezeigt sind.The detailed description of the invention follows hand of an embodiment. The only related one Figure shows a section through part of an Abgaska Talysators according to the invention in a schematic representation way, with different positions of a flap are shown.

In einem Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Katalysatorkörper 2 untergebracht. Ein zentraler Durchlaß 3 wird von Wan dungen 4 des Katalysatorkörpers 2 begrenzt. Der Durchlaß 3 hat vorzugsweise einen Querschnitt in Rechteckform mit abgerundeten Ecken. Der Katalysator wird mit Abgasen ei ner Brennkraftmaschine beaufschlagt, die in Richtung der Pfeile 5 strömen. An annular catalytic converter body 2 is accommodated in a housing 1 . A central passage 3 is limited by Wan applications 4 of the catalyst body 2 . The passage 3 preferably has a cross section in a rectangular shape with rounded corners. The catalytic converter is subjected to exhaust gases from an internal combustion engine which flow in the direction of the arrows 5 .

In dem Durchlaß 3 ist eine Klappe 6 um eine Achse 7 ver schwenkbar gelagert. Es sind drei Stellungen der Klappe 6 gezeigt. In der mit durchgehenden Linien gezeigten Stel lung verschließt die Klappe 6 den Durchlaß 3. Mit strich punktierten Linien ist eine teilweise geöffnete Position gezeigt, und die mit gestrichelten Linien gezeigte Klappe 6 ist maximal geöffnet. Aus der geschlossenen Position ist die Klappe 6 zur Überführung in die anderen Stellun gen um den Winkel α bzw. β zu verschwenken. Die Achse 7 ist derart angeordnet, daß die auf die Klappe 6 auftref fenden Abgase ein Drehmoment um die Achse 7 bewirken. Die Kräfte auf den links der Achse 7 liegenden Teil der Klap pe 6 sind größer als die auf den rechts der Achse 7 lie genden Teil, so daß das resultierende Drehmoment gegen die Uhrzeigerrichtung wirkt.In the passage 3 , a flap 6 is pivotally mounted about an axis 7 ver. Three positions of the flap 6 are shown. In the position shown with solid lines, the flap 6 closes the passage 3rd A partially open position is shown with dash-dotted lines, and the flap 6 shown with dashed lines is open to the maximum. From the closed position, the flap 6 is to be transferred to the other positions by pivoting the angle α or β. The axis 7 is arranged such that the exhaust gases impinging on the flap 6 cause a torque about the axis 7 . The forces on the left of the axis 7 part of the flap pe 6 are greater than the part lying on the right of the axis 7 , so that the resulting torque acts counterclockwise.

Die Klappe 6 ist über zwei Zapfen 8 in den Wandungen 4 des Katalysatorkörpers 2 gelagert, wobei die Zapfen 8 koaxial zu der Achse 7 angeordnet sind. Die Klappe 6 könnte auch am Gehäuse 1 des Katalysators gelagert sein. An den Zapfen 8 ist ein Anschlag 9 angebracht, der zwei Anschlagflächen 10, 11 aufweist. Der Anschlag 9 bewegt sich bei Verschwenkung der Klappe 6 in Ausnehmungen der Wandungen 4, wobei diese Beweglichkeit und damit die Ver schwenkbarkeit der Klappe 6 in beide Richtungen begrenzt ist. Die Gegenanschläge sind in der Figur nicht gezeigt. Die Anschlagfläche 10 liegt an einem solchen Gegenan schlag, wenn die Klappe 6 den Durchlaß 3 verschließt. Die Anschlagfläche 11 liegt an einer anderen Gegenanschlag fläche an, wenn die Klappe 6 maximal geöffnet ist. Letz tere Gegenanschlagfläche für die Anschlagfläche 11 kann gegebenenfalls auch entfallen wegen eines Klappenselbst stabilisierungseffektes im Abgasstrom.The flap 6 is mounted in the walls 4 of the catalyst body 2 via two pins 8 , the pins 8 being arranged coaxially with the axis 7 . The flap 6 could also be mounted on the housing 1 of the catalyst. A stop 9 is attached to the pin 8 and has two stop surfaces 10 , 11 . The stop 9 moves when the flap 6 is pivoted into recesses in the walls 4 , this mobility and thus the pivotability of the flap 6 being limited in both directions. The counter stops are not shown in the figure. The abutment surface 10 is against such a strike when the flap 6 closes the passage 3 . The stop surface 11 rests on another counter stop surface when the flap 6 is opened to the maximum. The latter counter-abutment surface for the abutment surface 11 can optionally also be omitted because of a flap self-stabilizing effect in the exhaust gas flow.

Um eine exakt reproduzierbare Bewegung der Klappe 6 bei Betrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist des weiteren zumindest eine Feder 12 zwischen der Klappe 6 und den Wandungen 4 des Katalysatorkörpers 2 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist eine Torsionsfeder 12 mit ei nem Befestigungsauge 13 in der Wandung 4 zu haltern (was nicht verdeutlicht ist) und mit einem weiteren Befesti gungsauge 14 an der Klappe 6 festzulegen. Das Befesti gungsauge 14 verschwenkt gleichzeitig mit der Klappe 6 (Winkel α; β), wobei die Feder 12 je nach Schwenkrichtung gespannt oder entspannt wird. Die Federkraft bewirkt ein Drehmoment der Klappe 6 um die Achse 7 in Uhrzeigerrich tung. Damit ist die Klappe 6 bestrebt, sich in die ge schlossene Position zu bewegen.In order to enable a precisely reproducible movement of the flap 6 when the internal combustion engine is operating, at least one spring 12 is furthermore arranged between the flap 6 and the walls 4 of the catalytic converter body 2 . In the exemplary embodiment, a torsion spring 12 with egg nem mounting eye 13 in the wall 4 to hold (which is not illustrated) and with a further fastening supply eye 14 to fix the flap 6 . The fastening supply eye 14 pivots simultaneously with the flap 6 (angle α; β), the spring 12 being tensioned or relaxed depending on the pivoting direction. The spring force causes a torque of the flap 6 around the axis 7 in the clockwise direction. So that the flap 6 strives to move into the closed position ge.

Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Teil lastbereich bleibt die Klappe 6 geschlossen. Die aus dem Abgasdruck resultierenden Kräfte auf die Klappe 6 sind zu gering, um die Federkraft zu überwinden. Das Abgas strömt durch das katalytische Material des ringförmigen Kataly satorkörpers 2. Hier sind nur relativ geringe Mengen ka talytischen Materials angeordnet, die sich beim Kaltstart des Motors sehr schnell erwärmen und ausreichen, um die im unteren Teillastbetrieb anfallenden Abgasmengen zu reinigen.When the internal combustion engine is operating in the lower load range, the flap 6 remains closed. The forces on the flap 6 resulting from the exhaust gas pressure are too low to overcome the spring force. The exhaust gas flows through the catalytic material of the annular catalyst body 2 . Only relatively small amounts of catalytic material are arranged here, which heat up very quickly when the engine is cold started and are sufficient to clean the exhaust gas quantities generated in the lower part-load operation.

Bei einem durch die Dimensionierung der Feder 12 festge legten Teillastzustand der Brennkraftmaschine ist der Druck des Abgases so groß, daß die Klappe 6 beginnt sich selbsttätig entgegen Federkraft zu öffnen. Der Durchlaß 3 wird teilweise freigegeben (strichpunktierte Stellung), und Abgase strömen sowohl durch den Katalysatorkörper 2 als auch durch den Durchlaß 3. Das Volumen des Katalysa torkörpers 2 reicht nicht mehr aus, um den gesamten Ab gasvolumenstrom zu entgiften. Stromab des gezeigten Teils des Abgaskatalysators ist zumindest ein weiterer großvo lumigerer Katalysatorkörper angeordnet, der in der Figur nicht gezeigt ist.In a festge by the dimensioning of the spring 12 part load state of the internal combustion engine, the pressure of the exhaust gas is so great that the flap 6 begins to open automatically against spring force. The passage 3 is partially opened (dash-dotted position), and exhaust gases flow through both the catalyst body 2 and through the passage 3rd The volume of the catalyst body 2 is no longer sufficient to detoxify the entire gas volume flow. Downstream of the part of the exhaust gas catalytic converter shown, at least one further large-volume catalyst body is arranged, which is not shown in the figure.

Bei weiterer Laststeigerung bis zur Vollast öffnet sich die Klappe 6 vollständig (gestrichelt gezeichnete Positi on). Ein wesentlicher Anteil der Abgase passiert den Durchlaß 3. Im Normalfall werden hier die Brennkraftma schine und der Abgaskatalysator bereits Betriebstempera tur erreicht haben, da es unüblich ist, daß ein kalter Motor unter Vollast betrieben wird.With a further increase in load up to full load, the flap 6 opens completely (dashed position). A significant proportion of the exhaust gases passes through the passage 3 . In the normal case, the internal combustion engine and the catalytic converter have already reached operating temperature, since it is unusual for a cold engine to be operated at full load.

Die Klappe 6 selbst bildet keinen wesentlichen Strömungs widerstand für die Abgase. Sie ist flügelförmig gestal tet, um eine selbsttätige Stabilisierung zu erreichen und die Strömungsverhältnisse im Durchlaß 3 in gewünschter Weise zu beeinflussen. Ein Flattern der geöffneten Klappe 6 wird so verhindert. Wird die Motorlast verringert, schließt sich die Klappe 6 wieder selbsttätig, und es wird immer nur das jeweils erforderliche Katalysatorvolu men direkt mit Abgasen beaufschlagt.The flap 6 itself forms no substantial flow resistance for the exhaust gases. It is wing-shaped gestal to achieve automatic stabilization and to influence the flow conditions in the passage 3 in the desired manner. Fluttering of the open flap 6 is prevented. If the engine load is reduced, the flap 6 closes again automatically, and only the catalyst volume required in each case is directly charged with exhaust gases.

Von besonderem Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Klappenanordnung, daß keine separaten Stellmittel für die Klappe 6 erforderlich sind und die Klappenlagerung weder eine Durchdringung des Katalysatorkörpers 2 (Strömungswi derstand) noch des Gehäuses 1 (Dichtheit) erforderlich macht. Diese nach außen hin gasdichte Konstruktion wird zur Erfüllung zukünftiger "On Board"-Diagnosesysteme ge fordert.It is of particular advantage in the valve arrangement according to the invention that no separate adjusting means are required for the valve 6 and the valve mounting neither requires penetration of the catalyst body 2 (resistance to flow) nor of the housing 1 (tightness). This externally gas-tight construction is required to meet future "on board" diagnostic systems.

Claims

1. Exhaust gas catalytic converter for an internal combustion engine with egg nem catalyst body ( 2 ) which is arranged in a ring around a passage ( 3 ) and with a be around an axis ( 7 ) pivotable flap ( 6 ), the passage ( 3 ) depending on their position ver closes or opens, characterized in that the flap ( 6 ) without the presence of separate control means under pressure of the exhaust gas against spring force about the axis ( 7 ) is pivotable.

2. Exhaust gas catalytic converter according to claim 1, characterized in that the axis ( 7 ) is arranged such that the pressure of the exhaust gas on the flap ( 6 ) generates a torque about the axis ( 7 ) and at least one spring ( 12 ) is arranged so that its force counteracts the torque.

3. Exhaust gas catalytic converter according to claims 1 and 2, characterized in that the spring ( 12 ) is measured such that the pressure of the exhaust gas generates a torque at a specified part-load state of the internal combustion engine, which torque is greater than that resulting from the spring force, opposite torque.

4. Exhaust gas catalytic converter according to claims 1 to 3, characterized in that the flap ( 6 ) the through ( 3 ) releases maximum at a full load state of the internal combustion engine.

5. catalytic converter according to claims 1 to 4, characterized in that the flap ( 6 ) about the axis ( 7 ) is pivotally mounted without a Ge housing ( 1 ) of the catalyst to completely penetrate gene.

6. Exhaust gas catalytic converter according to claims 1 to 5, characterized in that at least one stop ( 9 ) which limits the pivotability of the flap ( 6 ) about the axis ( 7 ) is present.

7. catalytic converter according to claims 1 to 6, characterized in that the flap ( 6 ) has a wing profile.