DE69830898T2

DE69830898T2 - System zur Schalldämpfung und katalytischen Behandlung

Info

Publication number: DE69830898T2
Application number: DE1998630898
Authority: DE
Inventors: Gregory Thomas Rochester Hills Garr; Martin Robert Rochester Hills Jenkins; Alan Michael Royal Oak Statetzny
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 1998-05-02
Filing date: 1998-05-02
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2018-05-03
Also published as: EP0953740A1; DE69830898D1; EP0953740B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeuge in breiter Vielfalt, darunter Automobile, private LKW, Motorräder und Mopeds, entwickelten sich rasch zur weltweit populärsten Form des Alltagstransports und werden heute in immer größeren Mengen hergestellt und verkauft. Die Popularität des privaten Fahrzeugs hängt direkt mit seinem Antriebssystem, dem Verbrennungsmotor, zusammen, der Leistung relativ rationell und billig liefert. Mit der Beherrschung und Handhabung dieser Leistung gehen aber auch nachteilige Auswirkungen einher. Als Ergebnis jeder leistungserzeugenden Explosion im Verbrennungsmotor steht Abgas, was sowohl Lärmbelästigung als auch Luftverschmutzung in erheblicher Kombination beinhaltet. Bemühungen um die Beseitigung oder Minimierung der umweltbelastenden Wirkungen von Verbrennungsmotoren nach Verbrennung sind mittlerweile genauso wichtig wie Anstrengungen zur Maximierung der Kraftausbeute, die diese Motoren erzeugen.
Herkömmlich kommen in heutigen Automobilen zwei getrennte Einheiten, ein Schalldämpfer und ein Katalysator, zum Einsatz, um Lärmemission bzw. Luftverschmutzung an zwei separaten Stufen des Abgasstroms zu minimieren. Normalerweise gestaltet man Schalldämpfer auf einem von drei Wegen: (a) mit versetzten Prallblechen (Kulissendämpfer); (b) mit schallschluckender Abwinkelung; oder (c) mit Glasfaserpackung. In der Automobilindustrie sind Schalldämpfer mit versetzten Prallblechen am weitesten verbreitet, da sie rationell, billig und leicht herzustellen sind.
Andererseits gestaltet man Katalysatoren normalerweise auf zwei Wegen: (a) mit einem Wabenmaterial; oder (b) mit Perlen. Sowohl das Wabenmaterial als auch die Perlen sind mit einem katalytischen Stoff beschichtet, der bewirkt, daß die unerwünschten und schädlichen Verbindungen im Abgasemissions strom in einer vorbestimmten katalytischen Reaktion in unschädliche Komponenten umgewandelt werden.
Daher wird die Behandlung von Lärmemission und Luftverschmutzung in einem Abgasemissionsstrom herkömmlich durch diese beiden getrennten Vorrichtungen erreicht, die jeweils unabhängig voneinander wirken. Somit dämpft der herkömmliche Katalysator nicht wesentlich den Lärm von Abgasemissionen, und durch den herkömmlichen Schalldämpfer erfolgt keine katalytische Behandlung von Abgasemissionen.
Die Notwendigkeit, sowohl Lärm- als auch Schadstoffemissionen gleichzeitig zu reduzieren, ist von besonderer Bedeutung für Hersteller kleiner Verbrennungsmotoren, z.B. für Traktoren, Rasenpflege- und Kehrtechnik, Mopeds, Motorroller, Schneefräsen und Laubgebläse sowie andere Antriebstechnik, bei der zunehmender Bedarf an der Reduzierung von Emissionen und Lärmpegeln besteht. Zumeist sind solche Kleinmotoren mit einem kleinen Schalldämpfer ausgestattet, um Lärmpegel einzudämmen. Da Hersteller vorhandener Kleinmotoren die Schalldämpferkonstruktion nicht ändern wollen, zeichnet sich eine typische Gestaltung für eine solche Einheit dadurch aus, daß sie einen kleinen Metallträgerkatalysator zum Mindern schädlicher Emissionen im vorhandenen Schalldämpfer aufweist. In diesem Fall sind der Schalldämpfer und Katalysator nicht voneinander unabhängig.
Die EP-A-831211 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, in der ein katalytische Metalle tragendes Stahl-Dünnblech im wesentlichen am Mittelabschnitt eines Querschnitts eines Abgasrohrs angeordnet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in den Ansprüchen festgelegt und betrifft eine Vorrichtung für einen Verbrennungsmotor, besonders einen Kleinmotor dieser Art und speziell einen Zweitaktmotor, die gleichzeitig sowohl Auspufflärm reduzieren als auch Schadstoffemissionen in einer einzelnen Einheit katalytisch mindern kann. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Topf, der mindestens eine perforierte und katalytisch beschichtete Vorrichtung nutzt, um gleichzeitig Lärm- und Schadstoffemissionen zu reduzieren, die mit dem Abgasemissionsstrom aus Benzin- oder Dieselmotoren zusammenhängen.
Die Erfindung verwendet mehrere katalytisch beschichtete Hohlteile, die in einem Auspufftopf angeordnet sind, um die Parallelströmung des eintretenden Abgasstroms zu unterbrechen, wodurch sie eine reduzierte Geschwindigkeit und eine Dämpfung des Schallpegels erzwingen. In der Erfindung sind die Hohlteile Röhren, d.h. gerade Hohlzylinder, die einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt haben können. Allerdings kann die Querschnittkonfiguration jede zweckmäßige Form haben. Vorzugsweise sind die Röhren aus einem Metall hergestellt, können aber auch aus eine Nichtmetall, z.B. einem Keramikmaterial, durch herkömmliche Herstellungstechniken gefertigt sein.
Die katalytische Beschichtung auf der Oberfläche dieser Röhren sorgt für die Katalysatorwechselwirkung, die zur Senkung des Schadstoffgehalts im Abgasstrom notwendig ist. Jede Art von bekannter katalytischer Beschichtung, die zur Umwandlung der schädlichen Verbindungen in Abgasströmen geeignet ist, kann hierzu verwendet werden. Beispiele für solche Katalysatoren sind weithin bekannt; verwiesen sei z.B. auf die US-A-5496788 (Domesle et al.) und US-A-5516494 (Degussa AG). Die Röhren können regellos oder in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Dadurch werden sowohl Lärmemissionen als auch Schadstoffe in derselben Einheit und durch dieselbe Vorrichtung behandelt, wodurch sich zwei unterschiedliche Arten von Vorrichtungen erübrigen.
Vorzugsweise sind die Röhren im Topf regellos angeordnet, um nicht parallele und turbulente Abgasströmung zu fördern. Diese Art von Abgasströmung führt Schalldämpfungseffekte herbei und unterstützt zudem die Katalysator/Emissions-Wechselwirkung.
Somit ist ein Merkmal der Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zur katalytischen Behandlung und Lärmminderung eines Abgasemissionsstroms aus einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur katalytischen Behand lung und Lärmminderung eines Abgasemissionsstroms aus einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung besser verständlich.
1 ist eine schematische Ansicht der Innenanordnung mehrerer röhrenförmiger Vorrichtungen in einer schalldämpfenden und katalytisch behandelnden Topfeinheit.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Tritt das Verbrennungsverfahren in einem Motor auf, wird der Abgasemissionsstrom in ein Einlaßrohr 20 und danach in einen Auspufftopf 10 geleitet. Das Einlaßrohr 20 und ein Auslaßrohr 70 können in einer Reihe oder gemäß 1 versetzt angeordnet sein. Im Auspufftopf 10 wird die Strömung des Abgasemissionsstroms (in 1 durch Pfeile dargestellt) gezwungen, Richtungen infolge von mehreren Röhren 30 häufig zu ändern, die im Auspufftopf 10 angeordnet sind. Darstellungsgemäß ist eine Röhre 30 ein gerader Hohlzylinder, d.h. mit kreisförmigem Querschnitt. Die Röhre ist aus einer zylindrischen Wand gebildet und hat vorzugsweise eine Folge von durchgehend hergestellten Perforationen. Diese Röhren 30 zwingen den Abgasemissionsstrom, turbulente Strömung zu erfahren, und erzeugen dadurch einen schalldämpfenden Effekt. Die Anordnung der Röhren 30 im Topf kann versetzte, ausgerichtete oder abgewinkelte Orientierungen sowie jede Kombination daraus aufweisen. 1 zeigt die Röhren 30 in einer Orientierung, die versetzte 40, ausgerichtete 50 und abgewinkelte 60 Paare von Röhren 30 kombiniert.
Neben der Verwendung zum Aufprall des Abgasemissionsstroms behandeln die Röhren 30 im Auspufftopf 10 den Abgasemissionsstrom auch auf Schadstoffe. Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Röhren 30 auf ihren Innen- und/oder Außenflächen mit einem beliebigen geeigneten Katalysator beschichtet, der bekannt ist und/oder in der Emissionsbehandlung in Automobilen herkömmlich verwendet wird, um z.B. schädliche Abgase in Kohlendioxid und Wasser katalytisch umzuwandeln. Somit senkt die Wechselwirkung zwischen dem Emissionsstrom und den Röhren 30 den Schadstoffgehalt im Emissionsstrom infolge der Katalysatorbeschichtung auf den Röhren 30 und verringert zugleich den Lärmpegel infolge der durch die Röhren 30 erzeugten turbulenten Strömung und des Druckabfalls über den Topf 10.
Die Perforationen entlang dem Umfang der Röhren 30 tragen dazu bei, turbulente Ströme im Topf 10 zu erzeugen, und verstärken die Wechselwirkung zwischen dem Emissionsstrom und der katalytischen Beschichtung.
Nach Kontakt mit den Röhren 30 im Auspufftopf 10 treten die Abgase nach Behandlung und Schalldämpfung aus dem Auspufftopf 10 durch das Abgasauslaßrohr 70 aus.
Die Vielfalt, spezifische Anordnung und die Maße der Röhren im Schalldämpfer sind vorzugsweise alle regellos, um turbulente Strömung weiter zu fördern, und je nach gewünschter Verwendung, gewünschtem Grad der Lärmminderung/Schadstoffbehandlung sowie Art und Größe des Motors variabel.
In einer bevorzugten Abwandlung sind die Röhren in jeder zweckmäßigen Form in einem regellosen oder regelmäßigen Muster perforiert, um turbulente Strömung im Auspufftopf weiter zu fördern. Somit tritt das Abgas in das Röhrenelement ein, und mindestens ein Teil des Gasstroms tritt aus den Perforationen in der Röhrenwand aus, um so turbulente Strömung zu erhöhen. Ein Prallblech 80 kann an einem Ende einer Röhre 30 angepaßt sein, um den Fluß des Abgasstroms durch die Perforationen zu erhöhen. Vorzugsweise sind die Maße und die Anordnung der Perforationen an jeder Röhre ebenfalls regellos und gemäß den vorstehenden Faktoren variabel.
Somit verwendet ein erfindungsgemäßer Auspufftopf Röhren mit gleichem oder ungleichem Durchmesser, die in einer versetzten, ausgerichteten und/oder abgewinkelten Beziehung (von 45° bis 180° relativ zueinander) orientiert sind, und jede einzelne Röhre hat ähnliche oder verschiedenartige Perforationsmuster.
Befestigt sind die Röhren im Schalldämpfer durch Verschweißen der Röhren mit dem Auspufftopf und/oder durch Verschweißen der Röhren miteinander, durch Packen der Röhren in einem geschlossenen Topf oder durch jedes dem Fachmann bekannte herkömmliche Verfahren.
In einer bevorzugten Topfanordnung sind Röhren mit einer Höhe und Länge, die gleich den Innenmaßen des Topfes sind, gepackt und darin abgedichtet. Eine solche Anordnung sorgt für eine kompakte ausgerichtete, endweise Orientierung der Röhren. Dies zwingt Abgas durch die Röhren und nicht um sie herum, was sowohl die katalytische Wechselwirkung als auch den notwendigen Schalldämpfungseffekt beeinflußt. Der Topf selbst kann aus jedem zweckmäßigen Metall ausgebildet sein und kann eine kreisförmige, rechtwinklige oder jede andere Querschnittform haben. Für die Erfindung können in der Technik bekannte Topfgestaltungen zum Einsatz kommen.
Ferner lassen sich die Schwingungsauswirkungen auf die Röhren verringern, indem ein nicht entflammbares Material, z.B. Vermiculit oder Keramik, auf einem beliebigen Abschnitt der Innenwände des Topfes verwendet wird.
Außerdem kann ein Isolator auf den Innenwänden plaziert sein, um Topfwärme zu reduzieren.
Somit sorgt eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung für den schalldämpfenden Effekt eines herkömmlichen Kleinmotor-Schalldämpfers sowie für die Schadstoffbehandlungsaspekte eines herkömmlichen Katalysators in einer einzelnen Einheit.
Verständlich sollte sein, daß die hier beschriebene Ausführungsform lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Dem Fachmann werden Varianten und Abwandlungen der hier beschriebenen Erfindung klar sein, darunter eine Änderung der mehreren Röhren oder der Gebrauch nicht röhrenförmiger Elemente, die durch die beigefügten Ansprüche erfaßt sein sollen.

Claims

Vorrichtung zur katalytischen Behandlung und Lärmminderung eines Abgasemissionsstroms aus einem Verbrennungsmotor mit: einem Topf (10) mit einem Einlaß (20) und einem Auslaß (70); und mehreren perforierten Röhren (30), die mit einem Emissionskatalysator beschichtet und im Inneren des Topfes (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierten Röhren (30) aus einer einzelnen zylindrischen Wand ausgebildet sind und in einer parallelen ausgerichteten Beziehung (50), einer parallelen versetzten Beziehung (40) oder einer abgewinkelten Beziehung (60) zueinander oder in jeder Kombination daraus angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Einlaß (20) und der Auslaß (70) des Topfes (10) in einer Reihe sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Einlaß (20) und der Auslaß (70) des Topfes (10) versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner mit: einem Prallblechteil (80), das an einem Ende der Röhren (30) in Eingriff gebracht ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur katalytischen Behandlung und Lärmminderung eines Abgasemissionsstroms aus einem Verbrennungsmotor.