DE69315034T2 - Exhaust device for internal combustion engines - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine, mit welcher insbesondere ein Kraftfahrzeug ausgerüstet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase durch katalytische Wandlung.The present invention relates to an exhaust device for cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine, with which in particular a motor vehicle is equipped. In particular, the invention relates to a device for cleaning the exhaust gases by catalytic conversion.
Die Vorschriften betreffend die Verschmutzung durch Brennkraftmaschinen, mit denen Kraftfahrzeuge ausgerüstet sind, verschärfen sich täglich zunehmend in sämtlichen industrialisierten Ländern. Die Kraftfahrzeugindustrie ist deshalb heutzutage stark damit beschäftigt, technische Lösungen zu finden, um auf diese Beschränkungen zu reagieren, und dies, ohne das Leistungsvermögen der Maschinen und deren Gestehungspreis stark zu beeinträchtigen.Regulations on pollution caused by internal combustion engines fitted to motor vehicles are becoming more and more stringent every day in all industrialised countries. The motor vehicle industry is therefore currently working hard to find technical solutions to meet these restrictions without significantly affecting the performance of the machines and their cost price.
Zur Bekämpfung der Emission umweltverschmutzender Gase hat die Kraftfahrzeugindustrie den Gebrauch von Abgasvorrichtungen angewendet, welche die schädlichen Bestandteile der Abgase durch katalytische Wandlung behandeln. Diese Vorrichtungen, die auch als Katalysatoren bezeichnet werden, erlauben tatsächlich die Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe (KW) und von Kohlenmonoxid (CO) sowie die Reduktion der Stickstoffoxide (Nox). Diese Reaktionen werden durch die Anwesenheit eines Katalysators derart stark beschleunigt, daß sie während der kurzen Durchlaufzeiten der Abgase zustandekommen können.To combat the emission of polluting gases, the motor vehicle industry has resorted to the use of exhaust devices that treat the harmful components of exhaust gases through catalytic conversion. These devices, also known as catalysts, actually allow the oxidation of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) and the reduction of nitrogen oxides (NOx). These reactions are accelerated by the presence of a catalyst to such an extent that they can take place during the short transit times of the exhaust gases.
Gemäß der Druckschrift US-A-4 072 471 ist ein Katalysator durch ein ein abgeschlossenes Volumen begrenzendes Gehäuse gebildet, das in die Abgasleitung eingesetzt ist. Dieses Gehäuse weist in der Strömungsrichtung der Abgase ein Einlaßende in auseinanderlaufender Kegelstumpfform auf, einen zylindrischen oder ovalen Körper, in welchem eine Behandlungsstruktur für die Gase bzw. mehrere derartige Strukturen angeordnet sind, die durch einen metallischen keramischen Reaktor gebildet ist bzw sind, der auch als Monolith bezeichnet wird und mehrere axiale Kanäle aufweist, die bienenwabenförmig angeordnet und mit katalytischen Substanzen beschichtet sind, und ein Auslaßende in auseinanderlaufender Kegelstumpfform.According to the document US-A-4 072 471, a catalyst is formed by a housing which defines a closed volume and is inserted into the exhaust line. This housing has an inlet end in the direction of flow of the exhaust gases in a diverging A truncated cone-shaped reactor, a cylindrical or oval body in which a gas treatment structure or several such structures are arranged, which is or are formed by a metallic ceramic reactor, also called a monolith, having several axial channels arranged in a honeycomb shape and coated with catalytic substances, and an outlet end in a diverging truncated cone-shaped form.
Die bloße Anwesenheit eines am Einlaß des Monolithen angeordneten einfachen Zerstreuungsmittels erlaubt es nicht, eine Verteilung des Abgasstroms über den gesamten Einlaßquerschnitt des Monolithen zu erzeugen. Daraus folgt, daß lediglich ein Teil der Kanäle tatsächlich bzw. wirksam durch den Abgasstrom der Maschine versorgt wird. Dies führt, um den Querschnittsverlust zu kompensieren, zu einer Überdimensionierung des Monolithen, indem er verlängert wird, um die Gesamtheit der Abgase geeignet behandeln zu können.The mere presence of a simple dispersing means arranged at the inlet of the monolith does not allow the exhaust gas flow to be distributed over the entire inlet cross-section of the monolith. It follows that only a portion of the channels are actually or effectively supplied by the exhaust gas flow from the machine. This leads to an over-dimensioning of the monolith in order to compensate for the loss of cross-section, by lengthening it in order to be able to treat all the exhaust gases properly.
Die Druckschrift DE-A-2 428 964 beschreibt einen perfektionierten Katalysator, der einen Monolithen angepaßter Form (der in der Mitte länger ist als an den Enden) aufweist, um die Aufteilung der Abgase über den gesamten Einlaßquerschnitt des Monolithen zu begünstigen. Eine Ausführungsvariante dieses Monolithen wird durch den Zusammenbau mehrerer zylindrischer Monolithen mit axial und radial erweiterten Abmessungen erhalten. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, schwer realisierbar zu sein und zu erhöhten Kosten zu führen.Document DE-A-2 428 964 describes a perfected catalyst comprising a monolith of adapted shape (longer in the middle than at the ends) to promote the distribution of the exhaust gases over the entire inlet cross-section of the monolith. A variant of this monolith is obtained by assembling several cylindrical monoliths with axially and radially enlarged dimensions. However, these solutions have the disadvantage of being difficult to implement and leading to increased costs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein einfaches und wirtschaftliches System vorzuschlagen, das es erlaubt, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, indem eine hervorragende Verteilung der Abgase über den gesamten Querschnitt des Monolithen sichergestellt wird, der zur katalytischen Reinigung der Abgase dient. Diese Aufgabe wird durch die Abgasvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.The object of the present invention is therefore to propose a simple and economical system that makes it possible to overcome the disadvantages of the prior art by ensuring an excellent distribution of the exhaust gases over the entire cross-section of the monolith used to catalytic purification of the exhaust gases. This object is achieved by the exhaust device according to claim 1.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Abgasvorrichtung sind zwei Behandlungsmonolithen stromab von den Diffusormitteln angeordnet.According to a further preferred feature of the exhaust device according to the invention, two treatment monoliths are arranged downstream of the diffuser means.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Abgasvorrichtung beträgt die axiale Abmessung des Diffusormonolithen zwischen 10 und 50 mm.According to a further preferred feature of the exhaust device according to the invention, the axial dimension of the diffuser monolith is between 10 and 50 mm.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Abgasvorrichtung ist der Diffusormonolith mit Katalysatorsubstanzen beschichtet und an der Gasbehandlung beteiligt.According to a further preferred feature of the exhaust device according to the invention, the diffuser monolith is coated with catalyst substances and participates in the gas treatment.
Die Ziele, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung verstehen, die beispielhaft und nicht beschränkend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erfolgt; es zeigt:The objects, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the following description of an embodiment of the invention, which is given by way of example and not by way of limitation with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Katalysators.Fig. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a catalyst according to the invention.
Die Abgasvorrichtung 1, welche ein katalytisches Reinigungsmittel für die Abgase einer Brennkraftmaschine aufweist, weist, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Gehäuse auf, das in herkömmlicher Weise einen zylindrischen Körper 2 mit kreisförmigem (oder ovalem) Querschnitt festlegt, der von einem divergierenden kegelstumpfförmigen Einlaßende 3 und einem konvergierenden kegelstumpfförmigen Auslaßende 4 eingeschlossen ist. Die Zuführleitung 5 bildet einen integralen Teil des kegelstumpfförmigen Endes 3 und die Auslaßleitung 6 bildet einen integralen Teil des kegelstumpfförmigen Endes 4. Die Leitungen 5 und 6 erlauben die Verbindung der Vorrichtung 1 mit der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine.The exhaust device 1, which comprises a catalytic purifier for the exhaust gases of an internal combustion engine, comprises, as shown in Fig. 1, a housing which defines in a conventional manner a cylindrical body 2 of circular (or oval) cross-section, which is enclosed by a diverging frustoconical inlet end 3 and a converging frustoconical outlet end 4. The supply line 5 forms an integral part of the frustoconical end 3 and the outlet line 6 forms an integral part of the frustoconical end 4. The lines 5 and 6 allow the connection of the device 1 to the exhaust pipe of an internal combustion engine.
Im Innern des Körpers 2 sind hintereinander drei Monolithen 7, 8 und 9 untergebracht. Diese Monolithen, die auch unter der Bezeichnung Bienenwabenkörper bekannt sind, bestehen aus zylindrischen Blöcken, beispielsweise aus einer porösen Keramik, die mehrere Strömungskanäle quadratischen oder trapezförmigen Querschnitts aufweisen, die sich axial erstrecken und in denen die Abgase strömen.Inside the body 2, three monoliths 7, 8 and 9 are housed one after the other. These monoliths, which are also known as honeycomb bodies, consist of cylindrical blocks, for example made of a porous ceramic, which have several flow channels with a square or trapezoidal cross-section that extend axially and in which the exhaust gases flow.
Der am Einlaß des Körpers 2 in der Gasströmungsrichtung angeordnete Monolith 7 weist eine axiale Länge auf, die in Bezug auf die Monolithen 8 und 9 beschränkt ist. Diese Länge kann zwischen 10 und 50 mm bei einem Durchmesser von 100 mm variieren. Der Monolith 8 ist hinter dem Monolithen 7 mit einem Abstand zwischen 10 und 50 mm derart angeordnet, daß zwischen diesem Monolithen ein leerer Hohlraum 10 verbleibt. Der Monolith 8 erstreckt sich selbst über eine Länge zwischen 50 und 200 mm. Der Monolith 9 ist folgend auf den Monolithen 8 unter Zwischenschaltung eines freien Hohlraums 11 angeordnet. Die Abmessungen des Monolithen 9 entsprechen im wesentlichen denjenigen des Monolithen 8.The monolith 7, arranged at the inlet of the body 2 in the gas flow direction, has an axial length that is limited with respect to the monoliths 8 and 9. This length can vary between 10 and 50 mm for a diameter of 100 mm. The monolith 8 is arranged behind the monolith 7 at a distance of between 10 and 50 mm in such a way that an empty cavity 10 remains between this monolith. The monolith 8 itself extends over a length of between 50 and 200 mm. The monolith 9 is arranged following the monolith 8 with the interposition of a free cavity 11. The dimensions of the monolith 9 correspond essentially to those of the monolith 8.
Die axiale Länge des Monolithen 7 ist bevorzugt kleiner als ¼ der axialen Gesamtlänge der unterschiedlichen Monolithen gewählt, die im Innern des Körpers 2 vorhanden sind.The axial length of the monolith 7 is preferably selected to be less than ¼ of the total axial length of the different monoliths that are present inside the body 2.
Die Monolithen 8 und 9, die insbesondere zur Behandlung der Abgase bestimmt sind, sind mit aktiven katalytischen Substanzen beschichtet, die in ähnlicher Weise zur Oxidation oder zur Reduktion oder für beide Funktionen dienen können, oder bevorzugt mit katalytischen Substanzen unterschiedlicher Arten, wobei ein erste Substanz beispielsweise zur Oxidation und eine zweite zur Reduktion dienen kann. Der Zerstreuungsmonolith 7 (im folgenden Diffusormonolith genannt) selbst kann mit einem Katalysator zur Oxidation oder zur Reduktion oder für beide Funktionen beschichtet oder unbeschichtet sein.The monoliths 8 and 9, which are intended in particular for the treatment of exhaust gases, are coated with active catalytic substances which can serve in a similar way for oxidation or reduction or both functions, or preferably with catalytic substances of different types, a first substance for oxidation and a the second can serve for reduction. The diffusion monolith 7 (hereinafter referred to as diffuser monolith) itself can be coated with a catalyst for oxidation or reduction or for both functions, or it can be uncoated.
Der Monolith 7 geringer Stärke bzw. Dicke und der benachbarte freie Hohlraum 10 bilden Zerstreuungs- bzw. Diffusormittel, die es erlauben, die Verteilung der Abgase über den gesamten Querschnitt des zylindrischen Körpers 2 und damit des Monolithen 8 beträchtlich zu verbessern, wobei die Verteilung durch das auseinanderlaufende kegelstumpfförmige Einlaßende 3 eingeleitet wird.The low-thickness monolith 7 and the adjacent free cavity 10 form diffusion means which allow the distribution of the exhaust gases over the entire cross-section of the cylindrical body 2 and thus of the monolith 8 to be considerably improved, the distribution being initiated by the diverging frustoconical inlet end 3.
Diese Verteilung der Abgase hat die Wirkung, daß diese in die Gesamtheit oder nahezu in die Gesamtheit der Strömungskanäle für die Gase eindringen, die in dem Monolithen 8 gebildet sind. Dadurch werden die Behandlungsmonolithen 8 und 9 in optimaler Weise gebraucht. Die Vergrößerung der Nutzfläche dieser Monolithen erlaubt es, die Behandlung der Abgase zu verbessern und äquivalent ihre Behandlungsabmessungen zu verringern oder die Lebensdauer des Katalysators mit äquivalenten Abmessungen zu vergrößern.This distribution of the exhaust gases has the effect of causing them to penetrate into all or almost all of the gas flow channels formed in the monolith 8. As a result, the treatment monoliths 8 and 9 are used in an optimal manner. Increasing the useful surface area of these monoliths makes it possible to improve the treatment of the exhaust gases and, equivalently, to reduce their treatment dimensions or to increase the service life of the catalyst of equivalent dimensions.
Darüber hinaus erlaubt die Verwendung eines Diffusormonolithen 7, der mit einem Katalysator beschichtet ist, die Einleitung katalytischer Reaktionen, die daraufhin in dem Behandlungsmonolithen 8 schneller ablaufen, wodurch der Wirkungsgrad der Katalysatoren 8 und 9 zusätzlich verbessert wird.In addition, the use of a diffuser monolith 7 coated with a catalyst allows the initiation of catalytic reactions which then proceed more rapidly in the treatment monolith 8, thereby further improving the efficiency of the catalysts 8 and 9.
Schließlich ist es möglich, eine lösbare Montage des Diffusormonolithen 7 im Körper 2 vorzusehen, wobei eine derartige Montage den leichten Austausch dieses Diffusormonolithen erlaubt. Tatsächlich verstopft die stromaufwartige Seite der Monolithen im Laufe der Zeit mit Feststoffen, die durch die Abnutzung der Maschine oder durch die Verbrennungsvorgänge ausgetragen werden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden diese Partikel durch den Diffusor-Monolith 7 eingefangen und beeinträchtigen dadurch nicht den Behandlungsmonolithen 8. Es ist deshalb möglich, einen großen Wirkungsgrad für die Abgasvorrichtung zugunsten mäßiger Wartungskosten beizubehalten, weil lediglich ein Katalysatorelement mäßiger Größe ausgetauscht werden muß.Finally, it is possible to provide a removable assembly of the diffuser monolith 7 in the body 2, such assembly allowing the easy replacement of this diffuser monolith. In fact, over time, the upstream side of the monoliths becomes clogged with solids caused by the wear of the machine or by the combustion processes. In the device according to the invention, these particles are captured by the diffuser monolith 7 and thus do not affect the treatment monolith 8. It is therefore possible to maintain a high efficiency for the exhaust device at a moderate maintenance cost because only a moderately sized catalyst element needs to be replaced.
Die Abmessungen des Monolithen 7 und des Hohlraums 10 werden an jede Abgasleitung durch eine Reihe von Maßnahmen auf Prüfständen angepaßt, damit sie die bestmögliche Diffusion bzw. Zerstreuung für Abgasraten bieten, die durch die Abgasvorrichtung zirkulieren.The dimensions of the monolith 7 and the cavity 10 are adapted to each exhaust line through a series of measures on test benches in order to provide the best possible diffusion or dispersion for exhaust gas rates circulating through the exhaust device.
Die erfindungsgemäße Abgasvorrichtung betrifft ebenso keramische Monolithen wie metallische Monolithen.The exhaust device according to the invention relates to ceramic monoliths as well as metallic monoliths.
Die erfindungsgemäße Abgasvorrichtung kann einen Diffusor-Monolithen 7 und einen Behandlungsmonolithen aufweisen, wobei letzterer die Rolle der zwei vorstehend angeführten Behandlungsmonolithen 8 und 9 spielt.The exhaust device according to the invention can comprise a diffuser monolith 7 and a treatment monolith, the latter playing the role of the two treatment monoliths 8 and 9 mentioned above.
Außerdem kann die Verwendung mehrerer einzelner Diffusor-Monolithen 7 vorgesehen sein, die stromauf von dem Behandlungsmonolithen oder den Behandlungsmonolithen 8 und 9 angeordnet sind.In addition, the use of several individual diffuser monoliths 7 arranged upstream of the treatment monolith or monoliths 8 and 9 may be provided.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8331 | Complete revocation |