DE4440160A1 - Katalysator-Diffusor - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Personenkraft­ wagen und Lastkraftwagen mit einem Schnorchel an einem Ein­ laß eines katalytischen Konverters, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben ist. Insbesondere betrifft die Er­ findung eine Abgasanlage, in der ein Diffusor in einen Schnorchel eines Katalysatorgehäuses eingesetzt ist.

Diffusoren sind im Stand der Technik gut bekannt. Ein Diffu­ sor ist eine Vorrichtung, um die Geschwindigkeit eines durch diesen strömenden Fluids zu verringern und dessen statischen Druck zu erhöhen, wie es in Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge der Fall ist.

Diffusoren dieser Art haben einen Einlaß-Strömungsquer­ schnitt, der kleiner als der Auslaß-Strömungsquerschnitt ist und werden oft zu dem Zweck verwendet, die Geschwindigkeit des Fluids zu verringern oder den Fluiddruck zu erhöhen.

Die Verwendung eines Diffusors kann jedoch auch einfach durch die physikalischen Erfordernisse der Abgasanlage vorge­ geben sein, beispielsweise wenn eine Vergrößerung des Strö­ mungsquerschnitts eines Kanals erforderlich ist, um Abschnit­ te von unterschiedlichen Querschnittsflächen miteinander zu verbinden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Abgas­ rohr mit einem kleinen Durchmesser mit einem Gehäuse für einen Katalysator mit einem größeren Durchmesser verbunden werden soll.

Solche Diffusionen, deren Form und Größe durch die physikali­ sche Verbindung zwischen Rohren unterschiedlicher Größen be­ stimmt ist, erlauben jedoch nicht notwendigerweise eine ge­ naue Steuerung der Fluidgeschwindigkeit und des Fluiddrucks, um eine optimale Leistung der Brennkraftmaschine oder des katalytischen Konverters zu erreichen.

Ein katalytischer Konverter wird in Kraftfahrzeugen verwen­ det, um die Abgasemissionen zu verringern, indem Kohlenmon­ oxid, Stickstoffoxide und nicht verbrannte Kohlenwasserstof­ fe, die in dem Abgas vorhanden sind, in unschädlichere Kompo­ nenten umgewandelt werden. Der katalytische Konverter um­ faßt ein Substrat, das einen Katalysator trägt, um die Abgas­ emissionen umzuwandeln. Geeignete Katalysatoren sind Fach­ leuten bekannt und umfassen beispielsweise Platin enthalten­ de Zusammensetzungen.

Für Platin enthaltende Zusammensetzungen oder Zusammenset­ zungen, die andere teure Metalle enthalten, ist es wichtig, daß der katalytische Konverter in der effektivsten Weise ver­ wendet wird. Somit ist es wichtig, die Strömungscharakteri­ stiken des Abgases entsprechend einzustellen, um eine gleich­ förmige Geschwindigkeitsverteilung über den Substratquer­ schnitt zu liefern, so daß der teure Katalysator die Emissio­ nen umwandeln kann und dabei die kleinstmögliche Menge des auf dem Substrat vorgesehenen Katalysators verwendet.

Die gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung des Abgases an der Substrateinlaßfläche ist auch wünschenswert, weil diese zu den geringsten Druckverlusten über den Konverter bei einer vorgegebenen Substratgeometrie und vorgegebener Motor­ strömung führt. Hohe Druckverluste führen direkt zu einem erhöhten Motorgegendruck, der zu einer verringerten Motorlei­ stung bei einer hohen Belastung und höherem Brennstoffver­ brauch führt.

Das Substrat des katalytischen Konverters wird normalerweise durch ein Gehäuse gehalten, das einen Querschnittsbereich hat, der im wesentlichen größer ist als der des Abgasrohrs, das von der Brennkraftmaschine zu dem katalytischen Konver­ ter läuft. Entsprechend sind katalytische Konverter oft so aufgebaut, daß sie einen Konvertereinlaßschnorchel haben. Ein solcher Schnorchel hat an seinem einen Ende, an dem er mit dem das Substrat umgebenden Gehäuse verbunden ist, eine große Querschnittsfläche und einen kleineren Durchmesser an seinem anderen Ende, an dem der Schnorchel mit dem von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasrohr verbunden ist. Der Schnorchel kann eine Vielzahl von Formen haben, und sein Querschnitt kann kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig oder anders geformt sein.

Obwohl der Schnorchel des katalytischen Konverters in einem sehr weiten Sinn ein Diffusor ist, sind die Abmessungen des Schnorchels allein durch die physikalischen Erfordernisse der Verbindung des Gehäuses für den katalytischen Konverter, das den größeren Querschnitt hat, an dem Abgasrohr, das von der Brennkraftmaschine kommt und den kleineren Durchmesser hat, definiert. Somit definiert der Schnorchel nicht notwen­ digerweise einen Diffusor, der den Anforderungen einer aus­ reichend gleichförmigen Konvertereinlaßgeschwindigkeitsver­ teilung des Abgases und damit der größten und gleichmäßig­ sten Verbleibungszeit des Abgases in dem Konverter genügt, um die Abgasemissionen unter Verwendung der geringsten Menge von teurem Katalysatormetall, welches auf dem Keramiksub­ strat getragen wird, umzuwandeln.

Eine Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem Kennzeichnungsteil von Anspruch 1 angegeben sind.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Stan­ des der Technik und schafft ein einzigartiges Verfahren, bei dem ein katalytischer Konverter mit einem Konverterschnor­ chel verwendet wird und gleichzeitig ein Diffusor mit spezi­ fischen Abmessungen vorgesehen ist, um die gewünschten Ab­ gas-Strömungscharakteristiken zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem katalytischen Konverter, der ein Sub­ strat mit einem beträchtlichen Oberflächenbereich hat, wel­ cher eine Katalysatorzusammensetzung trägt. Das Substrat ist in einem Gehäuse gehalten, das sich entlang der Länge des Substrats erstreckt und dem Außenflächenbereich des Sub­ strats entsprechend ausgebildet ist.

Ein Schnorchel ist an dem Gehäuse befestigt. Der Schnorchel hat ein Ende mit einem relativ großen Querschnitt, der zu dem Querschnitt des Katalysatorgehäuses paßt, und ein zwei­ tes Ende mit einem kleineren Querschnitt, der zu dem Durch­ messer eines Abgasrohrs paßt, das von einem Kraftfahrzeugmo­ tor kommt.

Ein Abgasrohr mit einem ersten Bereich von im wesentlichen konstantem Durchmesser erstreckt sich in den Schnorchel. Ein zweiter Bereich des Abgasrohrs definiert einen Diffusor, dessen Einlaß-Strömungsquerschnitt kleiner ist als dessen Auslaß-Strömungsquerschnitt.

Der Diffusorbereich endet kurz vor dem Substrat und er­ streckt sich nicht über die gesamte Länge des Schnorchels. Somit wird ein abrupter Expansionsbereich zwischen dem Ende des Diffusors und dem Ende des Schnorchels sehr nahe dem Sub­ strat gebildet.

Der kurze, leicht gewinkelte Diffusor, der in dem Schnorchel ausgebildet ist, erlaubt eine stabile und nicht getrennte Strömungsexpansion des Abgases, wodurch der gesamte Konver­ terdruckverlust und eine schlechte Strömungsverteilung be­ trächtlich verringert werden. Die abrupte Expansion des Ab­ gases, die an dem Ausgangsende des Diffusors auftritt, er­ laubt weiterhin einen Übergang zu größeren Substraten und mi­ nimiert gleichzeitig den Endkonus und die gesamte Konverter­ länge.

Die Verringerung der Konverterbeschränkung hinsichtlich des Abgasstroms wird zu Verbesserungen in der Fahrzeugleistung und dem Brennstoffverbrauch führen.

Die Verbesserung der Abgas-Strömungsverteilung in dem Konver­ ter führt zu einer verbesserten Emissionsleistung eines älte­ ren Konverters.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfin­ dung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Be­ schreibung einer Ausführungsform einer Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, in der Abgasemis­ sionen von dem Motor durch einen Auspuffkrüm­ mer, einen katalytischen Konverter, einen Auspufftopf und ein Auspuffrohr strömen; und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der in Fig. 1 gezeigten Abgasanla­ ge einschließlich einem Gehäuse für ein einen Katalysator tragendes Substrat mit einem Schnorchel und einem Diffusorabgas­ rohr, das in den Schnorchel eingesetzt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Eine Kraftfahrzeugabgasanlage gemäß der vorliegenden Erfin­ dung umfaßt eine Brennkraftmaschine 10, die mit einem ver­ brennbaren Treibstoff wie Benzin, Gas und/oder Alkohol oder einem ähnlichen brennbaren Treibstoff, wie er allgemein bekannt ist, arbeitet. Abgas von der Brennkraftmaschine 10 wird durch einen Auspuffkrümmer 12 in ein Abgasrohr 14 gelei­ tet, das mit einem katalytischen Konverter 16 verbunden ist. Das Abgas strömt von dem katalytischen Konverter 16 in einen Auspufftopf 18 und von dort durch ein Auspuffrohr 20 aus der Abgasanlage.

Der katalytische Konverter 16 umfaßt ein Substrat 22 mit einem beträchtlichen Oberflächenbereich, das eine Katalysa­ torzusammensetzung trägt. Die Katalysatorzusammensetzung kann eine Vielzahl von Formen annehmen, aber umfaßt häufig ein Metall wie beispielsweise Platin.

Das Substrat 22 des katalytischen Konverters 16 ist in einem Gehäuse 24 gehalten, das der Außenfläche des Substrats 22 entspricht. Ein Befestigungsmaterial 40 ist zwischen dem Substrat 22 und einer Innenwandung des Gehäuses 24 angeord­ net. Ein Konverterschnorchel bzw. Schnorchel 26 ist an dem Gehäuse 24 befestigt. Der Schnorchel 26 kann eine Vielzahl von Formen haben, so daß sein Querschnitt kreisförmig, ellip­ senförmig, rechteckig oder anders sein kann.

Ein erstes Ende 28 des Schnorchels 26, das an dem Gehäuse 24 befestigt ist, hat eine Größe und Form, die im wesentlichen zu der Größe und Form des Gehäuses 24 passen. Ein zweites Ende 30 des Schnorchels 26 hat einen Durchmesser, der im wesentlichen zu dem Außendurchmesser des Abgasrohrs 14, wel­ ches von dem Motor 10 kommt, paßt. Typischerweise wird ein konisch geformter Schnorchel 26 gemäß der vorliegenden Erfin­ dung einen Durchmesser von etwa 50,8 mm (zwei Inches) an dem zweiten Ende 30 und einen Durchmesser von etwa 127 mm (fünf Inches) an dem ersten Ende 28 haben, wenn ein rundes Sub­ strat 22 verwendet wird.

Das erste Ende 28 des Schnorchels 26 ist bei 31 an dem Abgas­ rohr 14 angeschweißt. Alternativ kann es mit dem Abgas­ rohr 14 in einer anderen, Fachleuten bekannten Weise verbun­ den, beispielsweise angeflanscht, sein.

Ein erster Bereich 32 des Abgasrohrs 14, der einen im wesent­ lichen konstanten Durchmesser hat, erstreckt sich in den Schnorchel 26. Ein Diffusor 34 ist mit dem ersten Be­ reich 32 des Abgasrohrs 14 verbunden und hat einen Einlaß- Querschnittsbereich an einem Punkt A, der kleiner ist als ein Auslaß-Querschnittsbereich an einem Punkt B. Die Diffu­ sorwandungen sind gerade (oder flach).

Ein Diffusorhalbwinkel theta (Θ) wird durch den Winkel defi­ niert, der zwischen einer parallel zu dem ersten Bereich 32 verlaufenden Linie des Abgasrohrs 14 und einer parallel zu der Diffusorwandung verlaufenden Linie definiert ist. Vor­ zugsweise liegt der Diffusorhalbwinkel Θ in einem Bereich von 1° bis etwa 20°. Der Diffusor 34 hat eine Länge N und einen Einlaßdurchmesser D 1, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Für eine verbesserte Leistung, das heißt eine maximale Motor­ leistung und einen geringen Brennstoffbedarf, werden die Ab­ messungen D 1, Θ und N durch die Beziehung Θ 14 (N/D 1)^-0,54 definiert.

Ein plötzlicher Expansionsbereich zwischen dem Diffusoraus­ laß und dem Schnorchel 26 ist zwischen den Punkten B und C vorgesehen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Ein Halbwinkel beta (β) des Schnorchels 26 liegt in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 60° und ist im wesentlichen größer als der Halb­ winkel Θ des Diffusors 34. Somit ist eine Außenfläche des Diffusors 34 von der Wandung des Schnorchels 26 mit einem wesentlichen Abstand beabstandet.

Ein Auslaßende 36 des Diffusors 34 ist mit einem Abstand von dem Substrat 22 angeordnet, der in einem Bereich von 15 mm bis etwa 40 mm liegt.

Das Abgas strömt durch einen Querschnittsbereich von etwa 1935,5 mm² (drei Inches²) an einem Einlaßende des Diffu­ sors 34, das mit dem ersten Bereich 32 des Abgasrohrs 14 von im wesentlichen konstantem Durchmesser verbunden ist, einen Querschnittsbereich von etwa 4526,1 mm² (sieben Inches²) an dem Auslaßende des Diffusors 34 und einen Querschnittsbe­ reich von etwa 12903,2 mm² (zwanzig Inches²) in dem plötzli­ chen Expansionsbereich, der dem Durchmesser des Katalysator- Substratgehäuses 24 entspricht.

Das Gehäuse 24 des katalytischen Konverters 16 und der Schnorchel 26 können aus einem einzigen Materialstück wie beispielsweise einem nichtrostenden Stahl hergestellt sein. In einem solchen Fall kann das einzige Metallstück um das Abgasrohr 14 spiralförmig gewunden und entlang einer Längs­ achse geschweißt sein, um das Gehäuse 24 und den Schnor­ chel 26 zu definieren.

Der Schnorchel 26 kann an einem Ende an dem Abgasrohr 14 an­ geschweißt sein oder an diesem durch Flansche oder andere Fachleuten bekannte Mittel befestigt sein.

Auf die Offenbarung in der US-Patentanmeldung Nr. 161,110, deren Priorität diese Anmeldung beansprucht, wird hierin ausdrücklich Bezug genommen. Dargestellt und beschrieben ist ein Abgasrohr 14, das einen ersten Bereich 32 von im wesentlichen konstantem Durchmesser besitzt, der sich in ei­ nen Schnorchel 26 eines Gehäuses 24 eines katalytischen Konverters 16 erstreckt. Ein zweiter Bereich des Abgas­ rohrs 14 definiert einen Diffusor 34, dessen Einlaß-Strö­ mungsquerschnitt kleiner als sein Auslaß-Strömungsquer­ schnitt ist. Der Diffusorbereich endet kurz vor einem Sub­ strat 22 des katalytischen Konverters 16 und erstreckt sich nicht über die gesamte Länge des Schnorchels 26 des Gehäuses 24 des katalytischen Konverters 16. Somit ist ein abrupter Expansionsbereich zwischen einem Auslaßen­ de 36 des Diffusors 34 und dem Ende des Schnorchels 26 des Gehäuses 24 sehr nahe dem Substrat 22 vorgesehen.

Claims (7)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem kataly­ tischen Konverter (16), der ein Substrat (22) aufweist, welches einen Katalysator trägt, einem Gehäuse (24), wel­ ches das Substrat (22) trägt und im wesentlichen der Außenfläche des Substrats (22) entsprechend ausgebildet ist, und einem Schnorchel (26), der an seinem einen Ende (28) mit dem Gehäuse (24) und an seinem anderen Ende (30) mit einem Abgasrohr (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (14) sich in den Schnorchel (26) er­ streckt und einen ersten Bereich (32) von einem im we­ sentlichen konstanten Durchmesser und einen zweiten Be­ reich, der einen Diffusor (34) bildet, dessen Einlaß- Querschnittsbereich kleiner als dessen Auslaß-Quer­ schnittsbereich ist, aufweist, daß der zweite Bereich gleichmäßige feste und kontinuierliche Wandungen hat, die den Diffusor (34) definieren, und daß der Diffu­ sor (34) ein Auslaßende (36) hat, das von dem Sub­ strat (22) des katalytischen Konverters (16) beabstandet ist, so daß ein Abgasströmungsbereich zwischen dem Aus­ laßende (36) des Diffusors (34) und dem Ende des Schnor­ chels (26), welches mit dem Gehäuse (24) des Sub­ strats (16) verbunden ist, definiert wird, in dem eine abrupte Expansion auftritt.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (34) eine Länge N, einen Halbwinkel e und einen Einlaßdurchmesser D 1 hat, die durch die Bezie­ hung Θ 14 (N/D 1) ^-0,54 definiert sind.

3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbwinkel Θ in dem Bereich von 1° bis 20° liegt.

4. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des Schnorchels (26) unter einem Halb­ winkel β gegenüber dem ersten Bereich (32) des Abgas­ rohrs (14) geneigt ist und daß der Halbwinkel β in einem Bereich von 30° bis weniger als 90° liegt.

5. Abgasanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des Schnorchels (26) unter einem Halb­ winkel β, der in einem Bereich von 30° bis weniger als 90° liegt, gegenüber dem ersten Bereich (32) des Abgas­ rohrs (14) geneigt ist und daß der Halbwinkel β größer als der Halbwinkel Θ ist.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftraum zwischen einer Außenwandung des Diffu­ sors (34) und einer Innenwandung des Schnorchels (26) vorgesehen ist.

7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (34) und der Schnorchel (26) separate Bauteile sind, die beide mit dem Abgasrohr (14) verbunden sind.