EP1151184A1 - Abgassystem mit wenigstens einer leitfläche - Google Patents

Abgassystem mit wenigstens einer leitfläche

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EP1151184A1
EP1151184A1 EP00907462A EP00907462A EP1151184A1 EP 1151184 A1 EP1151184 A1 EP 1151184A1 EP 00907462 A EP00907462 A EP 00907462A EP 00907462 A EP00907462 A EP 00907462A EP 1151184 A1 EP1151184 A1 EP 1151184A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
guide surface
honeycomb body
exhaust gas
gas flows
exhaust
Prior art date
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Granted
Application number
EP00907462A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1151184B1 (de
Inventor
Wolfgang Maus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP1151184A1 publication Critical patent/EP1151184A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1151184B1 publication Critical patent/EP1151184B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2892—Exhaust flow directors or the like, e.g. upstream of catalytic device

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust system with a collector for merging exhaust gas flows from two or more cylinders of an internal combustion engine, the collector having an outlet cross section, behind which a jacket pipe connects, in which a honeycomb body is arranged. Furthermore, a collector, a honeycomb body and a method for the application of exhaust gas flows to a honeycomb body are dealt with.
  • the object of the present invention is to improve the emission behavior of an internal combustion engine, in particular in the cold start phase, in particular the service life of a honeycomb body used close to the engine to be extended.
  • the exhaust system according to the invention with a collector for merging exhaust gas flows from two or more cylinders of an internal combustion engine, the collector having an outlet cross section, behind which a jacket pipe connects, in which a honeycomb body is arranged, is characterized in that between the outlet cross section and the Honeycomb body is a space to be flowed through, in which at least one first guide surface is arranged for deflecting at least some of the exhaust gas flows.
  • Such a first guide surface delays the impact of the individual exhaust gas flows on the upstream end face of the honeycomb body.
  • the swirling of the exhaust gas streams leads to improved mixing of a total exhaust gas stream supplied to the honeycomb body, which in particular improves the subsequent catalytic reaction.
  • the measuring accuracy of a lambda probe for measuring the oxygen content is increased, since the somewhat uneven
  • Composition of the individual exhaust gas flows is at least partially compensated. Since the exhaust gas flows flow into the collector in the form of a pulsation flow, the first guide surface absorbs and reduces a pressure gradient.
  • the downstream honeycomb body is relieved of this pressure gradient. Damage due to the pulsation flow as it lasts for a long time
  • the first guide surface is designed such that the exhaust gas flows are deflected in front of the honeycomb body.
  • the deflection which means a substantial change in the original flow direction of the exhaust gas streams, in turn delays their impact on the honeycomb body, so that, in particular, there is already an interaction with the next exhaust gas pulse from another exhaust gas line in order to equalize the pressure.
  • a negative pressure after the pressure pulse is also established in the other cylinders.
  • Vortex formation leads to good mixing of the fluid flow.
  • a further development of the first guide surface provides that it is designed so that the exhaust gas flows flow back at least in part. This means that the exhaust gas flows are at least partially redirected in the direction from which they come in.
  • the first guide surface is preferably arranged such that it is at least partially opposite the exhaust gas flows flowing in the room.
  • the first guide surface is arranged so that a direct flow of the exhaust gas flows to the honeycomb body is at least partially blocked.
  • the first guide surface provides, for example, to use a guide plate for this.
  • the baffle must be able to absorb occurring temperature and pressure differences.
  • the first guide surface is designed such that it reduces the free cross section behind the outlet cross section, which is then followed by the free cross section of the casing tube.
  • the first guide surface is therefore preferably designed as a type of diaphragm.
  • Alternative and / or cumulative designs of a first guide surface provide that this is uniformly and / or unevenly, partially or completely distributed holes and / or cutouts on the lateral outer edge and / or at least one edge opening and / or at least one curvature on at least one of their surfaces having.
  • a vortex space is preferably formed as a reaction space. There is enough space in it to ensure, for example, that the individual exhaust gas flows can be mixed. Furthermore, this vortex space also serves in a certain way as a calming space for the total exhaust gas flow that finally occurs on the end face of the honeycomb body.
  • a suitable dimensioning of the swirl space can be used to set the manner in which mixing takes place after swirling through the guide surface.
  • the shape of the swirl chamber also determines the manner in which pressure gradients of the individual exhaust gas flows act against one another and can ultimately be equalized.
  • the swirl chamber also serves to form a uniform temperature distribution within the total exhaust gas flow ultimately striking the honeycomb body.
  • the first guide surface is arranged closer to the outlet cross section than to the honeycomb body.
  • the guide surface catches a pressure gradient much earlier.
  • the formation of back vortices behind the guide surface can interact with a corresponding design of the flow surface be avoided.
  • the collector according to the invention is characterized in that at least one first guide surface is part of the collector. If this is a casting, for example, the flow area is cast in one operation together with the other parts of the collector.
  • the honeycomb body according to the invention in a casing pipe for an exhaust system is characterized in that at least one first guide surface is part of the casing pipe. This can be done, for example, by appropriate crimping or the like during manufacture of the casing tube.
  • the guide surface for the exhaust system is arranged as an interchangeable component between the collector and the casing pipe. This can be installed, for example, as an insert in the collector or in the casing tube.
  • the guide surface between the collector and the jacket tube can also be flanged.
  • the inventive method for applying a honeycomb body with exhaust gas flows is characterized in that the exhaust gas streams are deflected by at least one first guide surface before they strike the honeycomb body so that they flow at least partially in a direction opposite to the exhaust gas streams and thus hit the honeycomb body with a delay.
  • the individual exhaust gas flows are deflected in such a way that they flow at least partially in the opposite direction, thereby mixing with one another and only then striking the honeycomb body.
  • This method is particularly preferred if the exhaust gas flows flow to the honeycomb body in a pressure-pulsating manner. The method is also very useful if the individual exhaust gas streams flow towards the honeycomb body at different times.
  • the exhaust gas streams deflected and swirled by the first guide surface flow through a second guide surface, whereby in addition to the described advantages, the entire end face of the honeycomb body in particular is evenly more uniform over its surface Cross-section is flown.
  • the drawing shows a preferred field of application of the invention.
  • the invention can also be used in particular where several individual fluid streams meet from different directions and immediately afterwards encounter a honeycomb body with a catalytically active coating, special features Advantages of the invention result for fluid streams which on the one hand have pressure gradients, staggered in time, in particular flow into one another, react chemically or have temperature gradients within the fluid flow or between fluid flows.
  • FIG. 1 shows an exhaust system with a collector and a directly connected honeycomb body in a perspective view
  • FIG. 2 shows a schematic view of the exhaust system according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a guide surface in the manner of an aperture
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a guide surface which is curved
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a guide surface which is curved and has a cutout at its edge
  • FIG. 6 shows a cross section through the guide surface according to FIG. 5.
  • an exhaust system 1 shows a preferred area of application of an exhaust system 1 with a collector 2 for merging exhaust gas flows from two or more cylinders of an internal combustion engine, not shown, in particular four exhaust gas flows of a four-cylinder engine.
  • a jacket tube 3 in which a honeycomb body 7 is arranged as a starting catalyst.
  • the exhaust system 1 is preferably constructed so that first flanges 4 each lead to the individual cylinders of the internal combustion engine, while a second flange 5 in the flow direction through the collector 2 behind the casing pipe 3 for connection, for example, to an exhaust line, not shown leads towards a silencer.
  • the exhaust system 1 forms a single component that can be installed as a whole in the exhaust line of the internal combustion engine. It is expedient if the exhaust system 1 has a parting plane 6, so that the collector 2 and the casing tube 3 can be separated from one another again, for example for exchanging the starting catalytic converter.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the exhaust system 1 from FIG. 1. Objects of the same type have the same reference numbers.
  • a first guide surface 8 is arranged in a space 10 to be flowed through.
  • the individual exhaust gas flows 11, 12, 13, 14 can lead to a selective application of an end face 16 of the honeycomb body 7.
  • the first guide surface 8 is arranged in the space 10 to be flowed through in such a way that the individual exhaust gas flows 11, 12, 13, 14 are at least partially swirled and deflected.
  • the first exhaust gas flow 11 partially rebounds from the first guide surface 8 and flows against the adjacent second exhaust gas flow 12. This results in the mixing of these two exhaust gas flows 11, 12.
  • This can be used in particular due to the pressure pulsations in the exhaust system 1 by the acting cylinder movements.
  • the mixing of the exhaust gas flows 11, 12, 13, 14 can be optimized in particular so that there is an increased dwell time in the space 10 to be flowed through for a wide load range of the engine.
  • the first exhaust gas stream 11 itself is mixed again due to the swirling, but at the same time mixing is also effected with the adjacent second exhaust gas stream 12. Because of this, reactions and conversions in the exhaust gas mixture that have not yet been carried out are excited, temperature differences are compensated for, and a uniform volume flow flows as a resultant gas flow onto the honeycomb body 7, causes. It is therefore preferred that the first guide surface 8 is at a greater distance from the end face 16 of the honeycomb body 7 than from the outlet cross section 9 of the collector 2.
  • the distance A between the end face 16 of the honeycomb body 7 and the outlet cross section 9 is chosen in particular so that a resulting Total exhaust gas flow 17, shown here as a fanning-out multiple arrow, at least largely flows onto the entire end face 16 of the honeycomb body 7.
  • Mixing due to swirling and backflow of the individual exhaust gas streams 11, 12, 13, 14 also reduces a selectively increased, thermally induced voltage of the honeycomb body 7 in the region of the end face 16, which in turn results in the conversion of previously unburned hydrocarbons to a yet to be carried out Uniformization of the temperature load of the honeycomb body 7 leads.
  • Fig. 3 shows a first exemplary embodiment of a guide surface 8, which has the shape of an annular aperture.
  • the aperture has an opening 18 in the middle, through which the total exhaust gas stream flows after mixing in the direction of the honeycomb body.
  • the guide surface 8 in the manner of an annular diaphragm is flush at its outer edge 19 with a casing tube of the honeycomb body, so that there is no flow through an exhaust gas stream.
  • An alternative to this provides that evenly and / or unevenly distributed cutouts 20, which are indicated by dashed lines in Fig. 3, also allow a flow along the outer edge 19 and / or that the guide surface 8, as in the right
  • a second such guide surface between the first guide surface and the honeycomb body can be arranged offset one behind the other and have different flow cross sections.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of a guide surface 8. This has a first surface 21 and a second surface 22. The first and the second
  • Surfaces 21, 22 are curved and have an opening 18 in approximately their center Flow.
  • the curvatures 23 support the deflection of the exhaust gas streams striking the surfaces 21, 22.
  • both surfaces 21, 22 each have a border 24 which is irregularly and differently curved.
  • This design supports the swirling of the exhaust gas flows among one another, which is not required by the fact that, for example, two such guide surfaces are staggered one behind the other.
  • the guide surface (s) is / are designed in such a way that the resulting total exhaust gas flow is again distributed after flow through, if possible without a separation flow, over a total cross section of the end face of the subsequent honeycomb body to be flown.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a guide surface 8.
  • This has a third surface 25 and fourth surface 26.
  • This has the effect that behind the surfaces 25, 26 there is no dead flow region. Rather, the flow through the edge opening 27 leads to the formation of a negative pressure area along the sides of the surfaces 25, 26 facing the honeycomb body.
  • This has the effect that the total exhaust gas flow when flowing through at least one or even two guide surfaces 8 according to FIG. 5 occurs again in a very short way distributed over the entire free flow cross section of the jacket tube.
  • Fig. 6 shows the guide surface 8 of FIG. 5 in cross section along the line VI-VI.
  • a material ring 28 can be seen, to which the third surface 25 and fourth surface 26 are attached. Furthermore, the respective curvature 23 of both surfaces 25, 26 for deflecting and backflow of the incident exhaust gas flows can be seen.
  • the guide surfaces 8 preferred according to the invention do not have to be annular as described. Partial segment-shaped guide surfaces can also be arranged, which do not have to be arranged with one another on the same level as an adjacent guide surface. Rather, as with the arrangement of a plurality of annular guide surfaces, these can be offset from one another and also each have a different design.
  • Jacket tube first flange, then second flange

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem (1) mit einem Sammler (2) zur Zusammenführung von Abgasströmen (11, 12, 13, 14) aus zwei oder mehr Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei der Sammler (2) einen Auslassquerschnitt (9) hat, hinter dem sich ein Mantelrohr (3) anschliesst, in dem ein Wabenkörper (7) angeordnet ist. Zwischen dem Auslassquerschnitt (15) und dem Wabenkörper (7) ist ein zu durchströmender Raum (10), in dem wenigstens eine erste Leitfläche (8) zur Umlenkung zumindest eines Teils der Abgasströme (11, 12, 13, 14) angeordnet ist. Weiterhin wird neben einem Sammler (2) und einem Wabenkörper (7) insbesondere ein Verfahren zur Beaufschlagung eines Wabenkörpers (7) mit Abgasströmen (11, 12, 13, 14), welche wenigstens teilweise aus unterschiedlichen Richtungen zum Wabenkörper (7) gelangen, zur Verfügung gestellt, wobei die Abgasströme (11, 12, 13, 14) vor ihrem Auftreffen auf den Wabenkörper (7) durch wenigstens eine erste Leitfläche (8) so umgelenkt werden, dass sie zumindest teilweise in eine zu den Abgasströmen (11, 12, 13, 14) entgegengesetzte Richtung strömen und so verzögert auf den Wabenkörper (7) auftreffen.

Description

Abgassystem mit wenigstens einer Leitfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem mit einem Sammler zur Zusammenführung von Abgasströmen aus zwei oder mehr Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei der Sammler einen Auslaßquerschnitt hat, hinter dem sich ein Mantelrohr anschließt, in dem ein Wabenkörper angeordnet ist. Weiterhin wird ein Sammler, ein Wabenkörper sowie ein Verfahren zur Beaufschlagung eines Wabenkörpers mit Abgasströmen behandelt.
Gesetzliche Auflagen erfordern es, daß das Kaltstartverhalten von Verbrennungsmotoren bezüglich ihrer Abgasemissionen verbessert wird. Dazu ist es bekannt, einen ersten Katalysator motornah, z.B. dicht hinter einem Krümmer vorzusehen. Aufgrund der hohen Temperaturen hinter dem Krümmer führt dieses zu einer schnellen Aufheizung des dahinter angeordneten Katalysators, allerdings ist er dort auch hohen thermischen und mechanischen Wechselbelastungen aufgrund der pulsierenden Abgasströme ausgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors, insbesondere in der Kaltstartphase zu verbessern, wobei insbesondere die Lebensdauer eines motornah eingesetzten Wabenkörpers verlängert werden soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgassystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch einen Sammler mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8, durch einen Wabenkörper mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Abgassystem mit einem Sammler zur Zusammenführung von Abgasströmen aus zwei oder mehr Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei der Sammler einen Auslaßquerschnitt hat, hinter dem sich ein Mantelrohr anschließt, in dem ein Wabenkörper angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen dem Auslaßquerschnitt und dem Wabenköφer ein zu durchströmender Raum ist, in dem wenigstens eine erste Leitfläche zur Umlenkung zumindest eines Teils der Abgasströme angeordnet ist.
Eine derartige erste Leitfläche verzögert das Auftreffen der einzelnen Abgasströme auf die anströmseitige Stirnfläche des Wabenkörpers. Dabei führt die Verwirbelung der Abgasströme zu einer verbesserten Durchmischung eines dem Wabenkörper zugeführten Gesamtabgasstromes, was insbesondere die nachfolgende katalytische Reaktion verbessert. Auch die Meßgenauigkeit einer in dem Sammelraum oder dahinter gegebenenfalls angeordneten Lambda-Sonde zur Messung des Sauerstoffgehaltes wird erhöht, da die etwas ungleichmäßige
Zusammensetzung der einzelnen Abgasströme zumindest teilweise ausgeglichen wird. Da die Abgasströme in Form einer Pulsationsströmung in den Sammler strömen, fängt die erste Leitfläche einen Druckgradienten auf und baut diesen ab.
Der nachgeordnete Wabenköφer wird um diesen Druckgradienten entlastet. Schädigungen aufgrund der Pulsationsströmung, wie sie über einen langen
Betriebszeitraum auftreten könnten, werden dadurch in vorteilhafter Weise vermieden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Leitfläche so ausgebildet ist, daß die Abgasströme vor dem Wabenköφer umgelenkt werden. Die Umlenkung, das bedeutet eine wesentliche Änderung der ursprünglichen Strömungsrichtung der Abgasströme, verzögert wiederum deren Auftreffen auf den Wabenköφer, so daß insbesondere schon eine Wechselwirkung mit dem nächsten Abgaspuls aus einer anderen Abgasleitung zur Vergleichmäßigung des Druckes erfolgt. Insbesondere stellt sich in vorteilhafter Weise ein Unterdruck nach Druckimpuls auch bei den anderen Zylindern ein. Zum anderen ermöglicht es, durch dabei auftretende Wirbelbildung wiederum zu einer guten Vermischung des Fluidstromes zu gelangen. Eine Weiterbildung der ersten Leitfläche sieht vor, daß diese so ausgebildet ist, daß die Abgasströme zumindest zum Teil zurückströmen. Das bedeutet, daß die Abgasströme zumindest teilweise wieder in diejenige Richtung gelenkt werden, aus der sie zugeströmt kommen. Bevorzugt wird die erste Leitfläche so angeordnet, daß sie den in dem Raum strömenden Abgasströmen zumindest teilweise gegenüberliegt. Eine Weiterbildung sieht vor, daß die erste Leitfläche so angeordnet ist, daß eine direkte Anströmung der Abgasströme zum Wabenköφer zumindest zum Teil versperrt ist.
Zum einen führt dieses dazu, daß eine geradlinige Beaufschlagung der Stirnfläche des Wabenköφers behindert ist, vorzugsweise sogar vollständig unterbunden ist. Dabei wird bei einer wenigstens teilweisen Versperrung des Strömungsweges der Druckgradient zumindest so weit abgebaut, daß eine gegebenenfalls auftretende Beschädigung des Wabenköφers über eine längere Betriebszeitdauer verhindert wird. Zudem kommt es zu Mischungseffekten zwischen den einzelnen Abgasströmen. Chemische Reaktionen können ebenso wie Temperaturangleichungen durch diese Durchmischung erzielt werden. Zeitversetzte Druckunterschiede in den einzelnen Abgasströmen können dadurch so ausgeglichen werden, daß nach erfolgter Verwirbelung derselben ein vergleichmäßigter Gesamtabgasstrom auf die Stirnfläche des Wabenköφers auftrifft.
Eine Ausgestaltung der ersten Leitfläche sieht vor, dafür beispielsweise ein Leitblech einzusetzen. Das Leitblech muß in der Lage sein, auftretende Temperaturdifferenzen wie auch Druckunterschiede auffangen zu können. Insbesondere ist die erste Leitfläche so ausgeführt, daß sie den freien Querschnitt hinter dem Auslaßquerschnitt verringert, woran sich wieder der freie Querschnitt des Mantelrohres anschließt. Bevorzugt ist die erste Leitfläche daher als eine Art Blende ausgebildet. Alternative und/oder kumulative Ausführungen einer ersten Leitfläche sehen vor, daß diese gleichmäßig und/oder ungleichmäßig, teilweise oder gänzlich verteilt Löcher und/oder am seitlichen äußeren Rand Ausschnitte und/oder wenigstens eine Randöffhung und/oder auf wenigstens einer ihrer Oberflächen wenigstens eine Wölbung aufweist.
Zwischen dem Auslaßquerschnitt und der ersten Leitfläche ist vorzugsweise ein Wirbelraum als Reaktionsraum ausgebildet. In diesem ist ausreichend Platz, um beispielsweise eine Mischung der einzelnen Abgasströme gewährleisten zu können. Weiterhin dient dieser Wirbelraum auch in einer gewissen Art als Beruhigungsraum für die auf die Stirnfläche des Wabenköφers schließlich auftretende Gesamtabgasströmung. Über eine geeignete Dimensionierung des Wirbelraumes ist einstellbar, in welcher Art und Weise eine Durchmischung nach Verwirbelung durch die Leitfläche sich vollzieht. Auch bestimmt die Gestalt des Wirbelraumes, in welcher Art und Weise Druckgradienten der einzelnen Abgasströme gegeneinander wirken und schließlich vergleichmäßigt werden können. Auch dient der Wirbelraum zur Ausbildung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der auf den Wabenköφer schließlich auftreffenden Gesamtabgasströmung.
Bevorzugt ist es, wenn die erste Leitfläche näher zum Auslaßquerschnitt als zum Wabenköφer angeordnet ist. Zum einen fängt die Leitfläche einen Druckgradienten dadurch sehr viel früher auf. Zum anderen gelingt es dadurch, eine aus verschiedenen aufeinandertreffenden Abgasströmen eine resultierende Gesamtströmung hinter der Führungsfläche wiederum soweit über den sich daran anschließenden freien Querschnitt des Mantelrohres zu verteilen, daß die gesamte Stirnfläche des Wabenköφers vergleichmäßigt über ihren Querschnitt angeströmt wird.
Insbesondere die Ausbildung von Hinterwirbelungen hinter der Leitfläche kann im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Gestaltung der Strömungsfläche vermieden werden. Gleiches gilt für die Vermeidung von Bereichen, in denen eine abgelöste Strömung und dadurch Gebiete entstehen, in denen Teile des Abgasstromes im Vergleich zur übrigen Strömung für einen gewissen Zeitraum verharren. Sofern eine Leitfläche zur Erzielung der beschriebenen Vorteile nicht ausreicht wird vorgeschlagen, im zu durchströmenden Raum zwischen der ersten Leitfläche und dem Wabenköφer eine zweite Leitfläche anzuordnen.
Der erfindungsgemäße Sammler zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens eine erste Leitfläche Bestandteil des Sammlers ist. Ist dieser beispielsweise ein Gußstück, so wird die Strömungsfläche zusammen mit den übrigen Teilen des Sammlers in einem Arbeitsgang gegossen.
Der erfindungsgemäße Wabenköφer in einem Mantelrohr für ein Abgassystem zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens eine erste Leitfläche Bestandteil des Mantelrohrs ist. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Einfalzung oder ähnliches bei Herstellung des Mantelrohres erfolgen.
Alternative Ausgestaltung sehen vor, daß die Leitfläche für das Abgassystem als ein auswechselbares Bauteil zwischen dem Sammler und dem Mantelrohr angeordnet ist. Diese ist beispielsweise als ein Einsatz in den Sammler oder in das Mantelrohr zu montieren. Auch kann die Leitfläche zwischen dem Sammler und das Mantelrohr zwischengeflanscht werden.
Dadurch die vorgeschlagenen Anordnungen wenigstens einer Leitfläche an einem Rand des Strömungsweges zum Wabenköφer gelingt es in vorteilhafter Weise, einen mittleren Querschnitt des zu durchströmenden Raums hinter der Leitfläche freizuhalten, gleichzeitig aber auch der Einströmung der Abgasströme eine entsprechende Gegenfläche zur Verwirbelung zu bieten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beaufschlagung eines Wabenköφers mit Abgasströmen, welche wenigstens teilweise aus unterschiedlichen Richtungen zum Wabenköφer gelangen, zeichnet sich dadurch aus, daß die Abgasströme vor ihrem Auftreffen auf den Wabenköφer durch wenigstens eine erste Leitfläche so umgelenkt werden, daß sie zumindest teilweise in eine zu den Abgasströmen entgegengesetzte Richtung strömen und so verzögert auf den Wabenköφer auftreffen. Die einzelnen Abgasströme werden vor einem Auftreffen auf den Wabenköφer so umgelenkt, daß sie zumindest teilweise in die entgegengesetzte Richtung strömen, dabei sich miteinander vermischen und anschließend erst auf den Wabenköφer auftreffen. Dieses Verfahren ist insbesondere bevorzugt, wenn die Abgasströme druckpulsierend auf den Wabenköφer zuströmen. Das Verfahren ist ebenfalls sehr zweckmäßig, wenn die einzelnen Abgasströme zeitversetzt zueinander auf den Wabenköφer zuströmen.
Zur weiteren Verbesserung des Emissionsverhalten eines Verbrennungsmotors, insbesondere in der Kaltstartphase, wird vorgeschlagen, daß die durch die erste Leitfläche umgelenkten und verwirbelten Abgasströme eine zweite Leitfläche durchströmen, wodurch neben den beschriebenen Vorteilen in vorteilhafter Weise insbesondere die gesamte Stirnfläche des Wabenköφers noch mehr vergleichmäßigt über ihren Querschnitt angeströmt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert, wobei diese untereinander und mit obigen angeführten Merkmalen kombiniert, zusätzliche vorteilhafte Weiterbildungen ergeben. Die Zeichnung gibt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung wieder. Neben dem Einsatz des Abgassystems, des Sammlers, des Wabenköφers und des Verfahrens in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors ist die Erfindung insbesondere auch dort einsetzbar, wo mehrere einzelne Fluidströme aus verschiedenen Richtungen aufeinandertreffen und unmittelbar anschließend auf einen Wabenköφer mit einer katalytisch aktiven Beschichtung auftreffen, wobei besondere Vorteile der Erfindung sich für Fluidströme ergeben, die einerseits über Druckgradienten verfügen, untereinander zeitversetzt, insbesondere ineinanderströmen, chemisch reagieren bzw. Temperaturgradienten innerhalb des Fluidstroms oder zwischen Fluidströme aufweisen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Abgassystem mit einem Sammler und einem unmittelbar angeschlossenen Wabenköφer in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Abgassystems nach Fig. 1 ;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leitfläche in der Art einer Blende;
Fig. 4 eine zweites Ausführungsbeispiel einer Leitfläche, die gewölbt ist;
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Leitfläche, die gewölbt und an ihrem Rand eine Aussparung aufweist; und
Fig. 6 einen Querschnitt durch die Leitfläche gemäß Fig. 5.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet eines Abgassystems 1 mit einem Sammler 2 zur Zusammenführung von Abgasströmen aus zwei oder mehr nicht dargestellten Zylindern eines Verbrennungsmotors, insbesondere von vier Abgasströmen eines Vierzylinder-Motors. Unmittelbar hinter dem Sammler 2 schließt sich ein Mantelrohr 3 an, in dem ein Wabenköφer 7 als Startkatalysator angeordnet ist. Wie aus dieser Figur hervorgeht, wird vorzugsweise das Abgassystem 1 so aufgebaut, daß erste Flansche 4 jeweils zu den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors führen, während ein zweiter Flansch 5 in Durchströmungsrichtung durch den Sammler 2 hinter dem Mantelrohr 3 zum Anschluß beispielsweise an einen nicht dargestellten Abgasstrang in Richtung zu einem Schalldämpfer führt. Das Abgassystem 1 bildet ein einziges Bauteil, das als ganzes in den Abgasstrang des Verbrennungsmotors eingebaut werden kann. Zweckmäßig ist, wenn das Abgassystem 1 eine Trennebene 6 aufweist, so daß der Sammler 2 und das Mantelrohr 3 beispielsweise zum Austausch des Startkatalysators wieder voneinander getrennt werden können.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Abgassystems 1 aus Fig. 1. Gleichartige Gegenstände haben hierbei gleiche Bezugsziffern. Zwischen dem Sammler 2 und dem Wabenköφer 7 als Startkatalysator ist eine erste Leitfläche 8 in einem zu durchströmenden Raum 10 angeordnet. Von den jeweiligen Einzelzylindern des Verbrennungsmotors gelangen ein erster Abgasstrom 11, ein zweiter Abgasstrom 12, ein dritter Abgasstrom 13 und ein vierter Abgasstrom 14, jeweils durch einen Pfeil angedeutet, über einen Auslaßquerschnitt 9 des Sammlers 2, hier gestrichelt in Fig. 2 angedeutet, in einen Wirbelraum 15. Die einzelnen Abgasströme 11, 12, 13, 14 können zu einer punktuellen Beaufschlagung einer Stirnfläche 16 des Wabenköφers 7 führen. Die erste Leitfläche 8 ist jedoch so in den zu durchströmenden Raum 10 angeordnet, daß die einzelnen Abgasströme 11 , 12, 13, 14 zumindest zum Teil verwirbelt und umgelenkt werden. Beispielsweise prallt der erste Abgasstrom 11 von der ersten Leitfläche 8 teilweise ab und strömt dem benachbarten zweiten Abgasstrom 12 entgegen. Dabei kommt es zur Durchmischung dieser beiden Abgasströme 11, 12. Dieses ist insbesondere aufgrund der Druckpulsationen im Abgassystem 1 durch die wirkenden Zylinderbewegungen ausnutzbar. Durch geeignete Anordnung und Ausgestaltung der ersten Leitfläche 8 im zu durchströmenden Raum 10 kann die Vermischung der Abgasströme 11, 12, 13, 14 insbesondere so optimiert werden, daß für einen breiten Lastbereich des Motors sich eine erhöhte Verweilzeit in dem zu durchströmenden Raum 10 ergibt. Das führt dazu, daß aufgrund der Verwirbelung beispielsweise zum einen der erste Abgasstrom 11 selbst nochmals durchmischt wird, gleichzeitig aber auch eine Durchmischung mit dem benachbarten zweite Abgasstrom 12 bewirkt wird. Aufgrund dessen werden bisher noch nicht vollzogene Reaktionen und Umsetzungen im Abgasgemisch angeregt, Temperaturunterschiede ausgeglichen sowie ein vergleichmäßigter Volumenstrom als resultierender Gasstrom auf den Wabenköφer 7 zuströmend, bewirkt. Bevorzugt ist es daher, daß die erste Leitfläche 8 einen größeren Abstand zur Stirnfläche 16 des Wabenköφers 7 aufweist als zum Auslaßquerschnitt 9 des Sammlers 2. Der Abstand A zwischen der Stirnfläche 16 des Wabenköφers 7 und dem Auslaßquerschnitt 9 wird insbesondere so gewählt, daß ein resultierender Gesamtabgasstrom 17, hier als sich auffächernder Mehrfachpfeil angezeigt, zumindest weitgehend die gesamte Stirnfläche 16 des Wabenköφers 7 anströmt. Durch die Vermischung aufgrund Verwirbelung und Rückströmung der einzelnen Abgasströme 11 , 12, 13, 14 wird ebenfalls eine punktuell erhöhte, thermisch induzierte Spannung des Wabenköφers 7 im Bereich der Stirnfläche 16 vermindert, was wiederum bei der noch zu vollziehenden Umsetzung von bisher unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu einer Vergleichmäßigung der Temperaturbelastung des Wabenköφers 7 fuhrt.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer Leitfläche 8, die die Form einer kreisringförmigen Blende hat. Die Blende weist in der Mitte eine Öffnung 18 auf, durch die der Gesamtabgasstrom nach Durchmischung in Richtung Wabenköφer hindurch strömt. Die Leitfläche 8 in Art einer kreisringförmigen Blende schließt an ihrem äußeren Rand 19 bündig mit einem Mantelrohr des Wabenköφers ab, so daß dort eine Durchströmung eines Abgasstromes verhindert ist. Eine Alternative hierzu sieht vor, daß gleichmäßig und/oder ungleichmäßig verteilt Ausschnitte 20, die in Fig. 3 gestrichelt angedeutet sind, auch eine Durchströmung entlang des äußeren Randes 19 ermöglichen und/oder daß die Leitfläche 8, wie in der rechten
Seite der Fig. 3 dargestellt, teilweise oder gänzlich gleichmäßig und/oder ungleichmäßig verteilt Löcher 29 aufweist, durch die Abgas durchströmen kann. Darüber hinaus kann eine zweite solche Leitfläche zwischen der ersten Leitfläche und dem Wabenköφer versetzt hintereinander angeordnet sein und unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leitfläche 8. Diese hat eine erste Oberfläche 21 und eine zweite Oberfläche 22. Die erste und die zweite
Oberfläche 21, 22 sind gewölbt und haben in etwa ihrer Mitte eine Öffnung 18 zur Durchströmung. Die Wölbungen 23 unterstützen die Umlenkung der auf die Oberflächen 21, 22 auftreffenden Abgasströme. Weiterhin weisen beide Oberflächen 21, 22 jeweils eine Berandung 24 auf, die unregelmäßig und unterschiedlich gewölbt ist. Diese Gestaltung unterstützt die Verwirbelung der Abgasströme untereinander, welche nicht dadurch gefordert wird, daß beispielsweise zwei solcher Leitflächen zueinander versetzt hintereinander angeordnet werden. Die Leitfläche(n) ist/sind dabei so ausgeführt, daß der resultierende Gesamtabgasstrom sich nach Durchströmung möglichst ohne Ablöseströmung auf einen Gesamtquerschnitt der anzuströmenden Stirnfläche des nachfolgenden Wabenköφers wieder verteilt.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Leitfläche 8. Diese hat eine dritte Oberfläche 25 und vierte Oberfläche 26. Neben einer in etwa mittig angeordneten Öffnung 18 befindet sich auch zwischen einem äußeren Rand 19 und der jeweiligen dritten Oberfläche 25 bzw. vierten Oberfläche 26 eine Randöffnung 27. Diese bewirkt, daß hinter den Oberflächen 25, 26 kein Totströmungsgebiet entsteht. Vielmehr führt die Durchströmung durch die Randöffnung 27 zur Ausbildung eines Unterdruckgebietes entlang der dem Wabenköφer zugekehrten Seiten der Oberflächen 25, 26. Dieses bewirkt, daß der Gesamtabgasstrom bei Durchströmung durch wenigstens eine oder auch zwei Leitflächen 8 nach Fig. 5 sich auf sehr kurzem Weg wieder über den gesamten freien Strömungsquerschnitt des Mantelrohres verteilt.
Fig. 6 zeigt die Leitfläche 8 nach Fig. 5 im Querschnitt entlang der Linie VI-VI. Zu erkennen ist ein Materialring 28, an dem die dritte Oberfläche 25 und vierte Oberfläche 26 befestigt sind. Weiterhin ist die jeweilige Wölbung 23 beider Oberflächen 25, 26 zur Umlenkung und Rückströmung der auftreffenden Abgasströme erkennbar.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäß bevorzugten Leitflächen 8 nicht wie beschrieben kreisringförmig ausgebildet sein müssen. Ebensogut können teilsegmentförmig ausgebildete Leitflächen angeordnet werden, welche untereinander nicht auf derselben Ebene wie eine benachbarte Leitfläche angeordnet sein müssen. Vielmehr können diese, wie bei der Anordnung mehrerer kreisringformiger Leitflächen, voneinander versetzt sowie auch jeweils unterschiedliche Gestaltung aufweisen.
Bezugszeichenliste
Abgassystem
Sammler
Mantelrohr erster Fl,ansch zweiter Flansch
Trennebene
Wabenköφer erste Leitfläche
Auslaßquerschnitt zu durchströmender Raum erster Abgasstrom zweiter Abgasstrom dritter Abgasstrom vierter Abgasstrom
Wirbelraum
Stirnfläche des Wabenköφers 7
Gesamtabgasstrom
Öffnung äußerer Rand
Ausschnitt erste Oberfläche zweite Oberfläche
Wölbung
Berandung dritte Oberfläche vierte Oberfläche
Randöffhung
Materialring Loch
Abstand zwischen Stirnfläche und Auslaßquerschnitt

Claims

Patentansprttche
1. Abgassystem (1) mit einem Sammler (2) zur Zusammenführung von Abgasströmen (11, 12, 13, 14) aus zwei oder mehr Zylindern eines
Verbrennungsmotors, wobei der Sammler (2) einen Auslaßquerschnitt (9) hat, hinter dem sich ein Mantelrohr (3) anschließt, in dem ein Wabenköφer (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaßquerschnitt (15) und dem Wabenköφer (7) ein zu durchströmender Raum (10) ist, in dem wenigstens eine erste Leitfläche
(8) zur Umlenkung zumindest eines Teils der Abgasströme (11, 12, 13, 14) angeordnet ist.
2. Abgassystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitfläche (8) so angeordnet ist, daß eine direkte Anströmung der
Abgasströme (11, 12, 13, 14) zum Wabenköφer (7) zumindest zum Teil versperrt ist.
3. Abgassystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitfläche (8), welche insbesondere als eine Art Blende ausgebildet ist, den freien Querschnitt hinter dem Auslaßquerschnitt (9) verringert, woran sich wieder der freie Querschnitt des Mantelrohres (3) anschließt.
4. Abgassystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitfläche (8) gleichmäßig und/oder ungleichmäßig, teilweise oder gänzlich verteilt Löcher (29) und/oder am seitlichen äußeren Rand (19) Ausschnitte (20) und/oder wenigstens eine Randöffhung (27) und/oder auf wenigstens einer ihrer Oberflächen (21 , 22, 25, 26) wenigstens eine Wölbung (23) aufweist.
5. Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaßquerschnitt (9) und der ersten Leitfläche (8) ein Wirbelraum (15) ausgebildet ist.
6. Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitfläche (8) näher zum Auslaßquerschnitt (9) als zum Wabenköφer (7) angeordnet ist.
7. Abgassystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zu durchströmenden Raum (10) zwischen der ersten Leitfläche (8) und dem Wabenköφer (7) eine zweite Leitfläche angeordnet ist.
8. Sammler (2) für ein Abgassystem (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste
Leitfläche (8) Bestandteil des Sammlers (2) ist.
9. Wabenköφer (7) in einem Mantelrohr (3) für ein Abgassystem (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste Leitfläche (8) Bestandteil des Mantelrohrs (3) ist.
10. Wabenköφer (7) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitfläche (8) insbesondere als eine Art Blende ausgebildet ist und in das Mantelrohr (3) mit einem Abstand (A) vor dem Wabenköφer (7) integriert ist.
11. Verfahren zur Beaufschlagung eines Wabenköφer (7) mit Abgasströmen (11, 12, 13, 14), welche wenigstens teilweise aus unterschiedlichen Richtungen zum Wabenköφer (7) gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströme (11, 12, 13, 14) vor ihrem Auftreffen auf den Wabenköφer (7) durch wenigstens eine erste Leitfläche (8) so umgelenkt werden, daß sie zumindest teilweise in eine zu den Abgasströmen (11, 12, 13, 14) entgegengesetzte Richtung strömen und so verzögert auf den Wabenköφer (7) auftreffen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströme (11, 12, 13, 14) druckpulsierend auf den Wabenköφer (7) zuströmen und durch die Umlenkung eine Glättung der Druckpulse erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströme (11, 12, 13, 14) zeitversetzt zueinander auf den Wabenköφer (7) zuströmen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die erste Leitfläche (8) umgelenkten Abgasströme (11, 12,
13, 14) eine zweite Leitfläche durchströmen.
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