EP1342889A1 - Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, mit einem katalytischen Abgaskonverter - Google Patents

Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, mit einem katalytischen Abgaskonverter Download PDF

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EP1342889A1
EP1342889A1 EP02026118A EP02026118A EP1342889A1 EP 1342889 A1 EP1342889 A1 EP 1342889A1 EP 02026118 A EP02026118 A EP 02026118A EP 02026118 A EP02026118 A EP 02026118A EP 1342889 A1 EP1342889 A1 EP 1342889A1
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EP
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exhaust system
catalyst body
exhaust gas
catalyst
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Gerd Dr. Gaiser
Peter Dr. Zacke
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust system for internal combustion engines, comprising a catalytic exhaust gas converter with a housing, a catalyst body supported in the housing, and a supply pipe.
  • the invention is based on the technical problem of making an exhaust system of the type mentioned available, in which the exhaust gas converter has a better combination of fast light-off behavior and nevertheless good aging behavior compared to the previously usual.
  • the exhaust system is characterized in that that in the inlet pipe of the exhaust gas converter, a swirl generator is arranged, which leaves a central flow path free; and that the catalyst body, viewed in the axial direction of view, has an inner area and an outer area, the cell density of the flow channels being greater in the inner area than in the outer area.
  • Catalyst bodies are particularly common in two technical designs: ceramic monolith having a large number of longitudinal flow channels, and metal catalyst bodies also having a large number of longitudinal flow channels, these flow channels being due to the mating of a corrugated sheet made with a flat sheet and spirally winding this pairing. Often they are called the Flow channels, when viewed in the axial direction, "cells”, and the term “cell density” refers to the number of cells per unit area in the end view of the catalyst body.
  • the indication of the cell density naturally also means an indication of the flow cross-section of each individual cell or of each individual flow channel, with the additional wall thickness entering between adjacent flow channels.
  • Catalytically active material is deposited on the walls of the flow channels.
  • the standard technique is to apply a so-called washcoat as a liquid suspension, the washcoat in particular being a suspension of fine ceramic particles (typically aluminum oxide) in a suspension liquid. After drying the washcoat has a porous, strongly surface-enhancing coating on the walls of the flow channels.
  • the actual catalyst particles typically the noble metals platinum, palladium and rhodium in particular, are either finally deposited on the washcoat or applied in the form contained in the washcoat suspension.
  • the most important parameters of the exhaust gas flow of an internal combustion engine are its mass flow (for example in kg / s), its temperature and its flow velocity. These parameters are not all independent. From a given mass flow at a given temperature results in a (mean) flow velocity (at a considered flow cross-section). If the temperature increases or decreases with the mass flow kept constant, the flow velocity increases or decreases due to the concomitant change in the density of the exhaust gas.
  • a swirl generator is arranged in the inlet pipe of the exhaust gas converter, which leaves a central flow path free.
  • the swirl generator can be designed so that at a low portion of the occurring flow velocities (one could also say: “at a low portion of the occurring mass flows” or “at a low portion of the occurring exhaust gas temperatures", wherein the mutual The dependence of the mentioned parameters is to be considered) the exhaust gas predominantly or even almost completely flows only through the free central flow path in the inlet pipe and from there into the end face of the inner region.
  • This flow behavior of the catalyst body is combined in the invention with the measure to provide a higher cell density in an inner region of the catalyst body than in an outer region of the catalyst body.
  • the higher cell density goes hand in hand with a larger, catalytically active surface, so that catalytic exhaust conversion is inherently more perfect in the interior of the catalyst body than in the exterior (albeit at the cost of higher flow resistance and a higher production price due to greater amount of noble metal).
  • the achievement of an operating point is referred to, in which the conversion of the exhaust components to be converted is widely used.
  • the light-off temperature can be influenced by the choice of parameters associated with the washcoat, see more detailed below.
  • Of particular influence is the number of so-called catalytically “active centers” of the coating of the flow channels.
  • the larger cell density according to the invention both indoors and out, there is, in principle, a larger number of active centers compared to the situation without increasing the cell density.
  • the invention in its first aspect, provides an exhaust system in which the exhaust gas converter is preferably flowed in its interior, when the flow rate of the exhaust gas in a low portion of the occurring flow velocities is (particularly typical: idling, but also with operation low speeds, especially at not widely opened throttle).
  • the interior region of the catalyst body which is primarily flowed through heats up much faster than if the entire catalyst body had to be heated. The light-off temperature is reached more quickly indoors.
  • the larger cell density favors the exhaust gas conversion in this "warming-up state" of the exhaust system. In particular, the behavior after a cold start of the internal combustion engine is significantly improved.
  • the above-mentioned technical problem is solved in that the exhaust system of the type mentioned characterized that in the inlet pipe, a swirl generator is arranged, which leaves a central flow path free; and that the catalyst body, viewed in the axial direction of view, has an inner area and an outer area, the inner area being designed with greater catalyst activity than the outer area.
  • the greater catalyst activity in the inner region means that in the described states with primary throughflow of the inner region, the exhaust gas conversion is favored, compared to the situation without increasing the catalyst activity. In the situation of the primary flow of the outside area, the interior area is spared.
  • the measure "wherein the interior area with greater catalyst activity than the outside area” can be realized as a preferred feature also in the first aspect of the invention, so that one works both with increased cell density and with greater catalyst activity indoors.
  • the inner area of larger cell density is geometrically identical with the inner area of larger catalyst activity (as well as the outer area), it should be understood that basically, the inner area of greater cell density may be formed smaller or larger face than the interior with greater catalyst activity (as well as the exterior).
  • the invention is not limited to the fact that the catalyst body in only two sub-areas, as they have been described as indoor and outdoor, has. Embodiments are also possible in which it is possible to distinguish more than two subregions which differ with regard to cell density and / or catalyst activity.
  • the housing of the exhaust gas converter has an extension section adjoining the local end of the inlet pipe, so that the total inlet end face of the catalyst body is significantly larger than the flow cross section of the inlet pipe at its end. In many cases, the catalyst bodies require such a larger upstream end. In addition, the extension of the flow cross section for the formation of the vortex flow described above is favorable.
  • the exhaust gas converter is designed so that at least 40%, more preferably at least 50% and most preferably at least 60% of the incoming exhaust gas flow through the interior of the catalyst body, when the exhaust gas flow rate in a lower portion of the operating in the exhaust system has occurring range of flow velocities.
  • Said lower subregion preferably comprises 0 to 10%, very particularly preferably 0 to 20% and most preferably 0 to 30%, of the total range of the flow velocities occurring.
  • the exhaust gas converter is configured such that at least 80%, more preferably at least 90%, of the incoming exhaust stream flow through the exterior of the catalyst body when the exhaust stream has a flow rate in an upper portion of the range of flow rates encountered in operation in the exhaust system.
  • Said upper subregion comprises preferably 80 to 100%, particularly preferably 70 to 100%, of the total range of the flow velocities occurring.
  • the area size of the end face of the inside portion of the catalyst body it is preferable that this area size be in the range starting with the cross-sectional area of the free central flow path up to the total flow area of the downstream end of the feed pipe. But it is also possible to make the end face of the interior even larger.
  • the swirl generator is attached with its outer side to the inside of the inlet pipe, particularly preferably welded. That way is one outside flow around the swirl generator excluded.
  • the swirl generator has been produced integrally with the feed pipe, in particular by casting or by high pressure forming.
  • the swirl generator has an annular ring of vanes.
  • the swirl generator has at least one helically along the inlet pipe extending flow guide; the expression "along the inlet pipe” is not intended to mean “along the entire inlet pipe", but merely to reproduce the longitudinal orientation of the flow-guiding element.
  • the swirl generator provided according to the invention that virtually no or only little swirl is produced at relatively low flow velocities of the exhaust gas (or mass flows or temperatures), while at relatively high flow velocities (or mass flows or temperatures) much Twist is generated.
  • It can be designed for virtually complete "flow switching", ie below a first threshold value of the flow rate practically 100% for the flow of the interior and virtually 0% for the flow of the outside, and above a second threshold value of the flow rate practically 0% to the flow of the interior and practically 100% to the flow of the outdoor area.
  • the number of guide vanes or the flow guide elements has a considerable influence on the uniformity of the generated centrifugal field. A larger number causes a uniform centrifugal field. On the other hand, the pressure loss of the swirl generator increases with the number.
  • the swirl generator is designed with overlapping vanes, even at low flow velocities, one has a tangible flow resistance in the swirl generator; the outflow is particularly pronounced only to the inner region of the catalyst body. On the other hand, one has at high flow velocities a relatively high flow resistance.
  • the angle of attack of the guide vanes or of the flow guide element has a particularly great influence on the strength of the generated twist. Strongly fitted guide vanes lead, e.g. even at average flow velocities to such a strong swirl that the part of the exhaust gas flow to the flow of the inner region of the catalyst body is very small. At particularly high centrifugal forces of the swirl flow, the pressure in the core region of the flow, i. through the free central flow path, so small that an outflow to the inner region of the catalyst body can be largely avoided.
  • the angle of attack is measured relative to the axial direction of the inlet pipe.
  • the height of the guide vanes or of the flow-guiding element in particular in relation to the total diameter of the feed pipe, has a particular influence on the proportion of the flow which is to flow to the inner region of the catalyst body at low flow velocities. With a relatively small height of the guide vanes or the flow guide element and thus a large diameter of the free central flow path, a larger part of the flow will flow to the inner region of the catalyst body.
  • the tendency is generally such that, with a greater length, a stronger twist is also produced in the free central flow path.
  • the pressure loss of the swirl generator increases.
  • increasing angle of attack of the guide vanes or of the flow guide and along the swirl generator increasing height of the guide vanes or the Strömungsleitelements reduce the pressure loss of the exhaust gas converter in comparison to swirl generators without these measures.
  • the distance between the swirl generator and the end face of the inner portion of the catalyst body has considerable influence. The larger this distance, the more the outside flow is favored.
  • the inner region of the catalyst body has an end face which occupies at most 20% of the total end face of the catalyst body, more preferably at most 15% of the total end face, and most preferably at most 10%.
  • the selected for a specific product percentage of the total end face is a compromise between the most secure flow predominantly only the interior especially when warming up the engine, on the one hand, and the best possible protection of the interior at high load conditions of the engine and / or high exhaust gas temperatures, on the other.
  • the area-related cell density in the interior area is at least 1.2 times the cell density in the outer area, particularly preferably at least 1.5 times, and very particularly preferably at least 1.7 times. This is an optimal compromise between improving conversion, especially when warming up the internal combustion engine, on the one hand, and avoiding undue increase in flow resistance and production costs due to larger precious metal consumption, on the other hand.
  • a larger noble metal loading is provided for the greater catalyst activity in the interior of the catalyst body, more preferably at least 20% greater precious metal loading, and most preferably at least 30% greater noble metal loading than in the exterior. This is an optimal compromise between increased conversion of exhaust gas indoors, on the one hand, and limiting the increase in production costs through higher use of precious metals, on the other hand.
  • a finer noble metal dispersion is provided for the larger catalyst activity in the interior of the catalyst body, particularly preferably at least 20% finer noble metal dispersion and most preferably at least 30% finer noble metal dispersion than in the outer area. This is about a good compromise between good exhaust gas conversion when warming up the internal combustion engine, on the one hand, and limiting the aging of the catalyst body.
  • the finer the noble metal dispersion used the greater the risk of aging due to sintering of the active centers at high exhaust gas temperatures.
  • a different noble metal composition is provided as in the outer area. This is about a good compromise between exhaust conversion when warming up the internal combustion engine, on the one hand, and limiting production costs by choosing the lowest possible noble metal compositions and aging resistance, on the other hand.
  • the interior of the catalyst body is only on a partial length
  • a particularly suitable method for applying the washcoat over a partial length of the inner region is to place the catalyst body on top of a pipe section and to feed the suspension from below through the pipe until it has reached a certain height in the interior of the catalyst body. Subsequently, the excess suspension is blown down.
  • This manufacturing method is an invention, and it is expressly emphasized that this invention is also independent of the other exhaust system features according to the first aspect and second aspect of the invention described above.
  • the coating of the catalyst body with the washcoat suspension can be carried out successively in a dipping operation with subsequent blowing or in several dipping operations with subsequent blowing, wherein in the latter case the coating is built up in several steps.
  • the inlet pipe preferably has a circular cross-section in the interest of effective generation of the swirling flow.
  • a circular cross-section is also preferred for the exhaust converter housing as a whole, because this provides the best flow conditions for a spiral flow.
  • a substantially elliptical configuration of the housing cross-section is preferred.
  • a substantially elliptical cross-sectional configuration is with mufflers, which are mounted under the floor of motor vehicles, quite common. As with mufflers, the lower overall height in the exhaust gas converter is to be emphasized as an advantage compared to a cross-sectionally identical exhaust gas converter with a circular cross section.
  • a targeted increase in the flow resistance for the interior training favors a flow towards the outer region of the catalyst body (as is the case in principle in the measure "greater cell density in the interior” the case) and vice versa.
  • Targeted flow resistance enhancing designs are a highly effective means to achieve virtually perfect switching acuity at the swirler / free central flow path, in which case more freedom has been gained in designing the swirler.
  • an inner tube piece in front of the front side of the inner area of the catalyst body, which preferably has substantially the same diameter as the inner area.
  • the inner tube piece favors inflow to the interior at low flow rates.
  • Exhaust system for internal combustion engines comprising a catalytic exhaust gas converter with a housing, a catalyst body supported in the housing, and a supply pipe, characterized, that in the inlet pipe, a swirl generator is arranged, which leaves a central flow path free; and that in the catalyst body, a parameter affecting catalyst efficiency varies across the direction of the flow path.
  • an exhaust system 2 for an internal combustion engine of a vehicle is shown with its essential components. Advancing from the upstream end to the downstream end, there are the following components: manifold 4, which is screwed to the cylinder head of the internal combustion engine and merges the exhaust gases from the cylinders of the internal combustion engine in a common pipe section 6; catalytic exhaust gas converter 12; Middle silencer 14; Pipe section 16, which leads around the rear axle of the motor vehicle; End silencer 18.
  • an inventive exhaust gas converter 12 is shown. It can be seen a feed pipe 22 having a circular cross-section, a housing 24 having a cone-shaped extension portion 24a, a peripheral wall 24b and a conical tapered portion 24c, and a drain pipe 26 having a circular cross-section. Shortly before the right in Fig. 2 end of the inlet pipe 22, where it merges into the extension portion 24 a, a swirl generator 40 is arranged in the inlet pipe 22.
  • the swirl generator 40 consists of a circumferentially distributed ring of vanes 46, which are shown schematically in Fig. 2 as an inclined surface and in Fig. 3 are somewhat more clearly seen.
  • the vanes 46 are welded at their radially outer edge to the inside of the feed pipe 22 and have a radial height 48, see FIG. 3.
  • the vanes leave with their inner edges a central flow path 50 free, the diameter in the illustrated embodiment about 60% the inner diameter of the inlet pipe 22 is.
  • the diameter of the central flow path is indicated by two dotted lines 52.
  • a catalyst body 60 is supported, e.g. is constructed as a ceramic monolith with a plurality of longitudinally extending through flow channels 62.
  • the catalyst body 60 has an interior region 64 and an exterior region 66.
  • the inner region 64 has a longitudinal center axis which coincides with the longitudinal central axis 68 of the entire catalyst body 60.
  • the area size of the end face 70 of the inner region 64 is slightly larger than the cross section of the free central flow path 50.
  • An exhaust gas stream flowing through the exhaust system 2 during operation of the internal combustion engine is drawn with arrows 80 as far as the inlet pipe 22 before the swirl generator 40 is concerned.
  • the exhaust gas stream 80 there has a certain mass flow at a certain operating state of the internal combustion engine, a specific flow rate (averaged over the flow cross-section) and a temperature (averaged over the flow cross-section).
  • the swirl generator 40 represents a flow resistance, so that the flow passes predominantly through the central flow path 50.
  • the flow-mechanical influence of the vanes 46 on the flow is relatively low, because the vanes 46 are designed for flow control at higher flow rates.
  • the flow leaving the section where the swirl generator 40 is located flows almost 100% into the end face 70 of the inner region 64.
  • a small part of the incoming exhaust gas stream 60 flows into the end face 72 of the outer region 66 at a low flow velocity. All of these relationships are illustrated in FIG. 2 with arrows, which are presented as an illustration of the flow rate or as an illustration of the mass flow.
  • the swirl generator 40 is operative (especially since the incoming exhaust gas flow 80 is less likely to flow into the central flow path 50 almost entirely, because a strong nozzle-like acceleration would have to take place); the swirl flow impressed when flowing through the swirl generator 40 exerts centrifugal forces on the flow, as a result of which the flow in the area of the expansion section 24a goes radially outward.
  • FIG. 5 shows that the inner region 64 has a considerably greater cell density than the outer region 66.
  • the individual cells are designated by 82.
  • the modification is illustrated in which the catalyst body 60 as a whole has a substantially elliptical cross section.
  • the inner region 64 still has a circular cross-section.
  • the modification is illustrated that the inner region 64 has a square cross-section.
  • a square cross-section can be exploited more perfectly with square-sectioned cells 82.
  • Fig. 8 is shown in front view of the end face 84 and in cross section of a second embodiment of an exhaust gas converter 8 and a catalyst body 60; that one can run the flow channels 62 of the catalyst body 60 in the interior region 64 with increased catalyst activity, illustrated by darker coloring.
  • This may be higher noble metal loading, finer precious metal dispersion, other noble metal composition, or several of these measures.
  • the cell density in the inner region 64 is equal to the cell density in the outer region 66. However, one could also, as in the first embodiment, work with a higher cell density in the inner region 64.
  • FIG. 8 there are circular cross sections as in FIG. 5.
  • FIG. 9 the modification is drawn that the total catalyst body 60 is substantially elliptical, analogous to FIG. 6.
  • FIG. 10 shows a third embodiment in which an inner area 64 with a greater cell density is placed eccentrically to the longitudinal central axis 68 of the catalyst body 60. In the fourth embodiment shown in FIG. 11, this is drawn analogously for an interior region 64 with increased catalyst activity.
  • FIG. 12 shows a fifth embodiment in which the inner region 64 of the catalyst body 60 is embodied only in an upstream partial length 86 with increased catalyst activity.
  • the partial length is about 50% of the total length of the catalyst body 60th
  • FIG. 13 an embodiment is shown in which the swirl generator 40 is realized by a helically extending flow guide 88 instead of vanes 46.
  • the flow guide 88 has a radial height 48. Instead of providing only a helical flow guide 88 (which should be at least 360 ° long), as shown in FIG start offset by 180 ° (or 90 °, 72 °, etc.).
  • the flow-mechanical effect of the flow-guiding element 88 is analogous to the effect which has been described above in connection with the guide vanes 46.
  • the flow guide 88 is welded with its outer edge on the inside of the inlet pipe 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, welche einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper und einem Zulaufrohr aufweist, in welchem ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt, wobei der Katalysatorkörper- in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich hat und die Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich größer als in dem Außenbereich ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, aufweisend einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper, und einem Zulaufrohr.
  • Derartige Abgasanlagen mit Abgaskonverter sind in vielfältigen Ausführungen bekannt.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, bei welcher der Abgaskonverter eine im Vergleich zu dem bisher Üblichen eine bessere Kombination von schnellem Anspringverhalten und dennoch gutem Alterungsverhalten hat.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Abgasanlage dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem Zulaufrohr des Abgaskonverters ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt;
    und dass der Katalysatorkörper - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich hat, wobei die Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich größer als in dem Außenbereich ist.
  • Katalysatorkörper sind ganz besonders in zwei technischen Ausführungen gängig: Keramikmonolith, der eine große Anzahl von längs verlaufenden Strömungskanälen aufweist, und Metall-Katalysatorkörper, bei dem ebenfalls eine große Anzahl von längs verlaufenden Strömungskanälen vorhanden, ist, wobei diese Strömungskanäle durch die Paarung eines gewellten Blechs mit einem ebenen Blech und spiralartiges Aufwickeln dieser Paarung hergestellt sind. Häufig nennt man die Strömungskanäle, bei Betrachtung in Axialrichtung, "Zellen", und der Begriff "Zelldichte" bezeichnet die Anzahl von Zellen pro Flächeneinheit in der Stirnansicht des Katalysatorkörpers. Somit bedeutet die Angabe der Zelldichte naturgemäß auch eine Angabe über den Strömungsquerschnitt jeder einzelnen Zelle bzw. jedes einzelnen Strömungskanals, wobei zusätzlich die Wanddicke zwischen benachbarten Strömungskanälen eingeht.
  • Katalytisch wirksames Material ist auf den Wänden der Strömungskanäle abgelagert. Die Standardtechnik besteht darin, dass man einen sogenannten Washcoat als flüssige Suspension aufbringt, wobei der Washcoat insbesondere eine Suspension von feinen Keramikteilchen (typisch Aluminiumoxid) in einer Suspensionsflüssigkeit ist. Nach dem Trocknen des Washcoats hat man eine poröse, stark Oberflächen vergrößernde Beschichtung auf den Wänden der Strömungskanäle. Die eigentlichen Katalysatorpartikel, im typischen Fall insbesondere die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium, werden entweder abschließend auf dem Washcoat abgelagert oder in in der Washcoat-Suspension enthaltener Form aufgebracht.
  • Die wichtigsten Parameter des Abgasstroms eines Verbrennungsmotors sind sein Massenstrom (z.B. in kg/s), seine Temperatur und seine Strömungsgeschwindigkeit. Diese Parameter sind nicht alle unabhängig voneinander. Aus einem gegebenen Massenstrom mit gegebener Temperatur resultiert eine (mittlere) Strömungsgeschwindigkeit (bei einem betrachteten Strömungsquerschnitt). Wenn sich bei konstant gehaltenem Massenstrom die Temperatur erhöht oder erniedrigt, erhöht sich wegen der damit einher gehenden Dichteänderung des Abgases die Strömungsgeschwindigkeit oder erniedrigt sich.
  • Bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist in dem Zulaufrohr des Abgaskonverters ein Drallerzeuger angeordnet, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt. Der Drallerzeuger lässt sich so auslegen, dass bei einem niedrigen Teilbereich der vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten (man könnte auch sagen: "bei einem niedrigen Teilbereich der vorkommenden Massenströme" oder "bei einem niedrigen Teilbereich der vorkommenden Abgastemperaturen", wobei die gegenseitige Abhängigkeit der genannten Parameter zu berücksichtigen ist) das Abgas überwiegend oder sogar nahezu vollständig nur durch den freien zentralen Strömungsweg im Zulaufrohr und von dort in die Stirnfläche des Innenbereichs strömt. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten in einem oberen Teilbereich der vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten (man könnte auch sagen: "Bei höheren Massenströmen" oder "Bei höheren Abgastemperaturen", wobei die gegenseitige Abhängigkeit dieser Parameter zu berücksichtigen ist) durchströmt hingegen ein sehr erheblicher Teil des Abgasstroms den Drallerzeuger und verlässt diesen als Drallströmung mit erheblicher Komponente in Umfangsrichtung. Bei kräftiger Drallströmung wird wegen der Zähigkeitskräfte im Abgas auch dem durch den freien zentralen Strömungsweg strömenden Teil des Abgases ein Drall aufgeprägt. Auf Grund der in der Gasamt-Drallströmung vorhandenen Zentrifugalkräfte wird die Strömung nach Verlassen des Zulaufrohrs überwiegend oder sogar nahezu vollständig nach außen zu der Stirnfläche des Außenbereichs des Katalysatorkörpers strömen. - Bei mittleren Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Massenströmen bzw. Abgastemperaturen werden hingegen sowohl der Innenbereich als auch der Außenbereich des Katalysatorkörpers durchströmt.
  • Dieses Durchströmungsverhalten des Katalysatorkörpers ist bei der Erfindung kombiniert mit der Maßnahme, in einem Innenbereich des Katalysatorkörpers eine höhere Zelldichte als in einem Außenbereich des Katalysatorkörpers vorzusehen. Die höhere Zelldichte geht einher mit einer größeren, katalytisch aktiven Oberfläche, so dass die katalytische Abgaskonversion vom Grundsatz her in dem Innenbereich des Katalysatorkörpers perfekter abläuft als in dem Außenbereich (wenn auch um den Preis eines höheren Strömungswiderstands und eines höheren Herstellungspreises wegen größerer Edelmetallmenge).
  • Als "Anspringen" eines Katalysatorkörpers wird die Erreichung eines Betriebspunkts bezeichnet, bei welchem die Konversion der umzuwandelnden Abgasbestandteile in breitem Umfang einsetzt. Zum Anspringen ist primär die Erreichung der Anspringtemperatur erforderlich. Die Anspringtemperatur lässt sich durch Wahl von Parametern, die mit dem Washcoat zusammenhängen, beeinflussen, vergleiche detailliertere Ausführungen weiter unten. Von besonderem Einfluss ist die Zahl der sogenannten katalytisch "aktiven Zentren" der Beschichtung der Strömungskanäle. Bei der erfindungsgemäßen größeren Zelldichte im Innenbereich als im Außenbereich ergibt sich, im Grundsatz, eine größere Anzahl von aktiven Zentren, verglichen mit der Situation ohne Vergrößerung der Zelldichte.
  • Alles in allem schafft die Erfindung, mit ihrem ersten Aspekt, eine Abgasanlage, bei welcher der Abgaskonverter bevorzugt in seinem Innenbereich angeströmt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in einem niedrigen Teilbereich der vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten ist (besonders typisch: Leerlauf, aber auch Betrieb mit ziemlich niedrigen Drehzahlen, ganz besonders bei nicht weit geöffneter Drosselklappe). Der primär durchströmte Innenbereich des Katalysatorkörpers heizt sich sehr viel rascher auf als wenn der gesamte Katalysatorkörper erwärmt werden müsste. Die Anspringtemperatur wird im Innenbereich rascher erreicht. Die größere Zelldichte begünstigt die Abgaskonversion in diesem "Warmwerdungszustand" der Abgasanlage. Insbesondere das Verhalten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wird erheblich verbessert.
  • Wenn hingegen eine Strömungsgeschwindigkeit in einem oberen Teilbereich der vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten herrscht (ganz besonders typisch: höhere Drehzahlen, ganz besonders wenn die Drosselklappe weit geöffnet ist und/oder wenn bei warmem Verbrennungsmotor höhere Abgastemperaturen herrschen) wird hingegen primär der Außenbereich des Katalysatorkörpers angeströmt. Wegen der kleineren Zelldichte und der größeren Anström-Stirnfläche läuft die Durchströmung des Katalysatorkörpers mit geringerem Druckverlust ab. Die innere Aufheizung des Katalysatorkörpers durch exotherme Reaktionen verteilt sich auf ein größeres Volumen.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das weiter vorn genannte technische Problem dadurch gelöst, dass die Abgasanlage der eingangs genannten Art
    dadurch gekennzeichnet ist,
    dass in dem Zulaufrohr ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt;
    und dass der Katalysatorkörper - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich hat, wobei der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich.
  • Hinsichtlich der Funktion des Drallerzeugers gilt das weiter vorn im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung Gesagte auch für den zweiten Aspekt der Erfindung. Die größere Katalysatoraktivität in dem Innenbereich führt dazu, dass bei den geschilderten Zuständen mit primärer Durchströmung des Innenbereichs die Abgaskonversion, im Vergleich zur Situation ohne Erhöhung der Katalysatoraktivität, begünstigt wird. Bei der Situation der primären Durchströmung des Außenbereichs wird der Innenbereich geschont.
  • Es wird betont, dass die Maßnahme "wobei der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich" als Vorzugsmerkmal auch bei dem ersten Aspekt der Erfindung verwirklicht werden kann, so dass man sowohl mit vergrößerter Zelldichte als auch mit größerer Katalysatoraktivität im Innenbereich arbeitet. Obwohl es bevorzugt ist, dass, in diesem Fall, der Innenbereich mit größerer Zelldichte geometrisch mit dem Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität identisch ist (ebenso der Außenbereich), wird darauf hingewiesen, dass man grundsätzlich auch so ausbilden kann, dass der Innenbereich mit größerer Zelldichte eine kleinere oder eine größere Stirnfläche als der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität hat (ebenso der Außenbereich).
  • Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass der Katalysatorkörper in nur zwei Teilbereiche, wie sie bisher als Innenbereich und Außenbereich geschildert worden sind, aufweist. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen man mehr als zwei Teilbereiche unterscheiden kann, die sich hinsichtlich Zelldichte und/oder Katalysatoraktivität unterscheiden.
  • In aller Regel bildet man so aus, dass die Stirnfläche des Innenbereichs auf den freien zentralen Strömungsweg des Zulaufrohrs ausgerichtet ist. Dies bedeutet nicht zwingend, dass die Längsmittelachse des Innenbereichs mit der Längsmittelachse des gesamten Katalysatorkörpers zusammenfällt, wie weiter untern noch deutlicher werden wird. In aller Regel, aber nicht zwingend, besitzt das Gehäuse des Abgaskonverters einen an das dortige Ende des Zulaufrohrs anschließenden Erweiterungsabschnitt, so dass die Gesamt-Zuströmstirnseite des Katalysatorkörpers deutlich größer ist als der Strömungsquerschnitt des Zulaufrohrs an seinem Ende. In vielen Fällen erfordern die Katalysatorkörper eine derartige größere Zuströmstirnseite. Außerdem ist die Erweiterung des Strömungsquerschnitts für die Ausbildung der weiter vorn beschriebenen Drallströmung günstig.
  • Vorzugsweise ist der Abgaskonverter so ausgelegt, dass mindestens 40%, besonders bevorzugt mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt mindestens 60%, des zuströmenden Abgasstroms durch den Innenbereich des Katalysatorkörpers strömen, wenn der Abgasstrom eine Strömungsgeschwindigkeit in einem unteren Teilbereich des beim Betrieb in der Abgasanlage auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten hat. Der genannte untere Teilbereich umfasst vorzugsweise 0 bis 10%, ganz besonders bevorzugt 0 bis 20% und höchst bevorzugt 0 bis 30%, des Gesamtbereichs der auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten.
  • Vorzugsweise ist der Abgaskonverter so ausgelegt, dass mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 90%, des zuströmenden Abgasstroms durch den Außenbereich des Katalysatorkörpers strömen, wenn der Abgasstrom eine Strömungsgeschwindigkeit in einem oberen Teilbereich des beim Betrieb in der Abgasanlage auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten hat. Der genannte obere Teilbereich umfasst vorzugsweise 80 bis 100%, besonders bevorzugt 70 bis 100%, des Gesamtbereichs der auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten. Was die Flächengröße der Stirnfläche des Innenbereichs des Katalysatorkörpers anlangt, ist es bevorzugt, wenn diese Flächengröße in dem Bereich liegt, der mit der Querschnittsfläche des freien zentralen Strömungswegs beginnt bis zu dem Gesamtströmungsquerschnitt des stromabwärtigen Endes des Zulaufrohrs geht. Es ist aber auch möglich, die Stirnfläche des Innenbereichs noch größer zu machen.
  • Vorzugsweise ist der Drallerzeuger mit seiner Außenseite an der Innenseite des Zulaufrohrs befestigt, besonders bevorzugt angeschweißt. Auf diese Weise ist eine äußere Umströmung des Drallerzeugers ausgeschlossen. Alternativ ist bevorzugt, dass der Drallerzeuger integral mit dem Zulaufrohr hergestellt worden ist, insbesondere durch Gießen oder durch Hochdruckumformung.
  • Zur konkreten technischen Verwirklichung des Drallerzeugers gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Nach einer ersten bevorzugten Möglichkeit weist der Drallerzeuger einen ringförmigen Kranz von Leitschaufeln auf. Nach einer zweiten bevorzugten Möglichkeit weist der Drallerzeuger mindestens ein wendelförmig längs des Zulaufrohrs verlaufendes Strömungsleitelement auf; die Ausdrucksweise "längs des Zulaufrohrs" soll nicht etwa "längs des gesamten Zulaufrohrs" bedeuten, sondern lediglich die Längsausrichtung des Strömungsleitelements wiedergeben.
  • Funktional kommt es bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Drallerzeuger darauf an, dass bei relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases (bzw. Massenströmen bzw. Temperaturen) praktisch überhaupt kein oder nur wenig Drall erzeugt wird, während bei relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten (bzw. Massenströmen bzw. Temperaturen) viel Drall erzeugt wird. Dabei kann auf praktisch vollständige "Strömungsumschaltung" ausgelegt werden, also unterhalb eines ersten Schwellenwerts der Strömungsgeschwindigkeit praktisch 100% für die Anströmung des Innenbereichs und praktisch 0% für die Anströmung des Außenbereichs, und oberhalb eines zweiten Schwellenwerts der Strömungsgeschwindigkeit praktisch 0% zur Anströmung des Innenbereichs und praktisch 100% zur Anströmung des Außenbereichs. Alternativ kann man aber die Auslegung mit weniger scharfer Strömungsumschaltung machen, also z.B. nie weniger als 20% (vorzugsweise nie weniger als 10%) zur Anströmung des Innenbereichs oder nie weniger als 30% (vorzugsweise nie weniger als 20%) zur Anströmung des Außenbereichs.
  • Außerdem kann man durch Auslegung des Drallerzeugers bestimmen, wann das Umschalten deutlich einsetzt und wann das Umschalten deutlich aufhört.
  • Folgende Geometrieparameter, welche die Auslegung beeinflussen, seien genannt:
    • Anzahl der Leitschaufeln für den Umfang;
    • Anzahl der wendelförmigen Strömungsleitelemente, die umfangsmäßig versetzt vorgesehen sind;
    • Überlappung der Leitschaufeln in axialer Blickrichtung;
    • Anstellwinkel der Leitschaufeln oder des wendelförmigen Strömungsleitelements ("Steigung");
    • Höhe der Leitschaufeln oder des Strömungsleitelements und dadurch bestimmt der Durchmesser des freien zentralen Strömungswegs;
    • Länge der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements in Axialrichtung;
    • Position des Drallerzeugers in axialer Hinsicht in dem Zulaufrohr (axialer Abstand zum Ende des Zulaufrohrs oder axialer Überstand über das Ende des Zulaufrohrs hinaus);
    • zunehmender Anstellwinkel der Leitschaufeln (d.h. gekrümmte Leitschaufeln) oder zunehmender Anstellwinkel des Strömungsleitelements (d.h. abnehmende Steigung) längs des Drallerzeugers;
    • zunehmende Höhe der Leitschaufeln oder des Strömungsleitelements längs des Drallerzeugers;
    • Durchmesser des Zulaufrohrs;
    • Durchmesser bzw. Flächengröße der Stirnseite des Katalysatorkörpers;
    • Winkel der Erweiterung bei dem Erweiterungsabschnitt;
    • axialer Abstand zwischen dem Drallerzeuger und der Stirnseite des Katalysatorkörpers.
  • Die Anzahl der Leitschaufeln bzw. der Strömungsleitelemente hat einen erheblichen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit des erzeugten Zentrifugalfeldes. Eine größere Anzahl bewirkt ein gleichmäßiges Zentrifugalfeld. Andererseits nimmt der Druckverlust des Drallerzeugers mit der Anzahl zu.
  • Wenn der Drallerzeuger mit überlappenden Leitschaufeln ausgelegt wird, hat man schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten einen fühlbaren Strömungswiderstand im Drallerzeuger; die Abströmung erfolgt besonders ausgeprägt nur zu dem Innenbereich des Katalysatorkörpers. Andererseits hat man bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten einen relativ hohen Strömungswiderstand.
  • Der Anstellwinkel der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements hat einen besonders großen Einfluss auf die Stärke des erzeugten Dralls. Stark angestellte Leitschaufeln führen z.B. schon bei mittleren Strömungsgeschwindigkeiten zu einem so starken Drall, dass der Teil des Abgasstroms zur Anströmung des Innenbereichs des Katalysatorkörpers sehr klein wird. Bei besonders hohen Zentrifugalkräften der Drallströmung wird der Druck im Kernbereich der Strömung, d.h. durch den freien zentralen Strömungsweg, so klein, dass ein Abströmen zu dem Innenbereich des Katalysatorkörpers weitgehend vermieden werden kann. Der Anstellwinkel wird relativ zur Axialrichtung des Zulaufrohrs gemessen.
  • Die Höhe der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements, besonders in Relation zu dem Gesamtdurchmesser des Zulaufrohrs, hat besonders Einfluss auf den Anteil der Strömung, der bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten zu dem Innenbereich des Katalysatorkörpers strömen soll. Bei relativ geringer Höhe der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements und damit einem großen Durchmesser des freien zentralen Strömungswegs wird ein größerer Teil der Strömung zu dem Innenbereich des Katalysatorkörpers strömen.
  • Bei der axialen Länge der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements ist die Tendenz grundsätzlich so, dass bei einer größeren Länge ein stärkerer Drall auch im freien zentralen Strömungsweg erzeugt wird. Mit zunehmender Länge nimmt der Druckverlust des Drallerzeugers zu. Längs des Drallerzeugers zunehmender Anstellwinkel der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements und längs des Drallerzeugers zunehmende Höhe der Leitschaufeln bzw. des Strömungsleitelements reduzieren den Druckverlust des Abgaskonverters im Vergleich zu Drallerzeugern ohne diese Maßnahmen.
  • Auch der Abstand zwischen dem Drallerzeuger und der Stirnfläche des Innenbereichs des Katalysatorkörpers hat beträchtlichen Einfluss. Je größer dieser Abstand ist, desto mehr wird die Anströmung des Außenbereichs begünstigt.
  • Die Leitschaufeln können verwunden (= Anstellwinkel, der sich beim Fortschreiten längs des Radius ändert) sein oder nicht.
  • Vorzugsweise hat der Innenbereich des Katalysatorkörpers eine Stirnfläche, die höchstens 20% der Gesamtstirnfläche des Katalysatorkörpers einnimmt, besonders bevorzugt höchstens 15% der Gesamtstirnfläche und ganz besonders bevorzugt höchstens 10%. Der für ein konkretes Produkt gewählte Prozentsatz der Gesamtstirnfläche ist ein Kompromiss zwischen der möglichst sicheren Anströmung überwiegend nur des Innenbereichs ganz besonders beim Warmfahren des Verbrennungsmotors, einerseits, und möglichst guter Schonung des Innenbereichs bei hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors und/oder hohen Abgastemperaturen, andererseits.
  • Vorzugsweise beträgt die flächenbezogene Zelldichte im Innenbereich mindestens das 1,2-fache der Zelldichte im Außenbereich, besonders bevorzugt mindestens das 1,5-fache und ganz besonders bevorzugt mindestens das 1,7-fache. Hier geht es um einen optimalen Kompromiss zwischen Verbesserung der Konversion insbesondere beim Warmfahren des Verbrennungsmotors, einerseits, und Vermeidung ungebührlicher Erhöhung des Strömungswiderstands und der Produktionskosten auf Grund größeren Edelmetallverbrauchs, andererseits.
  • Vorzugsweise ist für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine größere Edelmetallbeladung vorgesehen, besonders bevorzugt eine mindestens 20% größere Edelmetallbeladung und ganz besonders bevorzugt eine mindestens 30% größere Edelmetallbeladung als im Außenbereich. Hier geht es um einen optimalen Kompromiss zwischen erhöhter Abgaskonversion im Innenbereich, einerseits, und Begrenzung der Erhöhung der Produktionskosten durch höheren Edelmetalleinsatz, andererseits.
  • Vorzugsweise ist für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine feinere Edelmetalldispersion vorgesehen, besonders bevorzugt eine mindestens 20% feinere Edelmetalldispersion und ganz besonders bevorzugt eine mindestens 30% feinere Edelmetalldispersion als im Außenbereich. Hier geht es um einen guten Kompromiss zwischen guter Abgaskonversion beim Warmfahren des Verbrennungsmotors, einerseits, und Begrenzung der Alterung des Katalysatorkörpers. Je feiner die eingesetzte Edelmetalldispersion ist, desto größer ist die Gefahr der Alterung durch Sintern der aktiven Zentren bei hohen Abgastemperaturen.
  • Vorzugsweise ist für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine andere Edelmetallzusammensetzung vorgesehen als im Außenbereich. Hier geht es um einen guten Kompromiss zwischen Abgaskonversion beim Warmfahren des Verbrennungsmotors, einerseits, und Begrenzung der Produktionskosten durch Wahl möglichst preiswerter Edelmetallzusammensetzungen sowie Alterungsbeständigkeit, andererseits.
  • Die in den vorangehenden Absätzen angesprochenen konkreten technischen Möglichkeiten zur Erhöhung der Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers im Vergleich zu dessen Außenbereich führen alle dazu, dass - verglichen mit einer Situation ohne vorgenommene Erhöhung der Katalysatoraktivität-die Anspringtemperatur des Innenbereichs sinkt und dass selbst nach gewisser Alterung des Katalysatorkörpers (was normalerweise mit einer Erhöhung der Anspringtemperatur einhergeht) noch ausreichend Reserven für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Abgaskonversion bestehen. Die mit der Erhöhung der Katalysatoraktivität einhergehenden Nachteile, wie Erhöhung der Produktionskosten und Erhöung der Anfälligkeit für Altern, werden dadurch in Grenzen gehalten, dass bei höheren Lastzuständen des Verbrennungsmotors der Innenbereich des Katalysatorkörpers im Wesentlichen nicht mehr oder zumindest reduziert durchströmt wird.
  • Vorzugsweise ist der Innenbereich des Katalysatorkörpers nur auf einer Teillänge der Ausführungsfälle kann es nämlich günstiger sein, den Innenbereich in seinem Querschnitt größer zu machen als man es bei Nutzung seiner gesamten Länge mit größerer Katalysatoraktivität tun müsste, und stattdessen nur eine Teillänge des Innenbereichs mit größerer Katalysatoraktivität auszuführen. Ein besonders geeignetes Verfahren zur Aufbringung des Washcoats auf einer Teillänge des Innenbereichs besteht darin, dass man den Katalysatorkörper oben auf ein Rohrstück stellt und die Suspension von unten her durch das Rohr so lange zuführt, bis sie eine bestimmte Höhe im Innenbereich des Katalysatorkörpers erreicht hat. Anschließend wird die überschüssige Suspension nach unten ausgeblasen. Dieses Herstellungsverfahren stellt eine Erfindung dar, und es wird ausdrücklich betont, dass diese Erfindung hiermit auch unabhängig von den anderen Abgasanlagen-Merkmalen gemäß erstem Aspekt und zweitem Aspekt der weiter vorn geschilderten Erfindung ist.
  • Die Beschichtung des Katalysatorkörpers mit der Washcoat-Suspension kann in einem Tauchvorgang mit anschließendem Ausblasen oder in mehreren Tauchvorgängen mit anschließendem Ausblasen nacheinander durchgeführt werden, wobei im letztgenannten Fall die Beschichtung in mehreren Schritten aufgebaut wird. Bei dem Innenbereich des Katalysatorkörpers kann man entweder, aufbauend auf einen Washcoat gleich dem im Außenbereich aufgebrachten Washcoat, einen oder mehrere Washcoatlagen insbesondere zur Erzeugung der größeren Katalysatoraktivität aufbringen. Alternativ ist es möglich, den Innenbereich und den Außenbereich in separaten Beschichtungsgängen separat zu beschichten. Auch hier kann man für den Innenbereich mit einem aufgesetzten Zuführrohr arbeiten und bei der Beschichtung des Außenbereichs mit einer Abdeckung der Stirnseite des Innenbereichs.
  • Das Zulaufrohr hat im Interesse einer effektiven Erzeugung der Drallströmung vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt. Ein kreisrunder Querschnitt ist auch für das Abgaskonverter-Gehäuse insgesamt bevorzugt, weil dies für eine spiralförmige Durchströmung die besten Strömungsvoraussetzungen bietet. Alternativ ist jedoch eine im Wesentlichen elliptische Konfiguration des Gehäusequerschnitts bevorzugt. Eine im Wesentlichen elliptische Querschnittskonfiguration ist bei Schalldämpfern, die unter dem Boden von Kraftfahrzeugen angebracht sind, recht häufig anzutreffen. Wie bei Schalldämpfern ist bei dem Abgaskonverter die geringere Bauhöhe im Vergleich zu einem querschnittsgleichen Abgaskonverter mit kreisrundem Querschnitt als Vorteil hervorzuheben.
  • Es gibt Ausführungsformen, bei denen es günstig ist, die Längsmittelachse des Innenbereichs des Katalysatorkörpers gegenüber der Längsmittelachse des Gesamt-Katalysatorkörpers versetzt anzuordnen. Als typische Beispiele hierfür seien nicht-zentrale Positionierung des Zulaufrohrs und schräge Einmündung des Zulaufrohrs in das Gehäuse genannt. Die Stirnseite des Innenbereichs des Katalysatorkörpers soll so positioniert sein, dass der durch den freien zentralen Strömungsweg strömende Abgasstrom bzw. der nicht von der Drallströmung erfasste Teil des Abgasstroms innerhalb der Stirnseite des Innenbereichs auf den Katalysatorkörper trifft.
  • Es gibt die Möglichkeit, gezielt für den Innenbereich oder gezielt für den Außenbereich des Katalysatorkörpers, d.h. vor der vorderen Stirnseite, in dem Katalysatorkörper oder hinter der hinteren Stirnseite, eine gezielt den Strömungswiderstand erhöhende Ausbildung vorzusehen, insbesondere in Form einer lokalen Verengung des Strömungsquerschnitts oder in Form von lokalen Strömungsbremsen. Eine den Strömungswiderstand für den Innenbereich gezielt erhöhende Ausbildung begünstigt ein Strömen hin zu dem Außenbereich des Katalysatorkörpers (wie es im Prinzip bei der Maßnahme "größere Zelldichte in dem Innenbereich" der Fall ist) und umgekehrt. Gezielt den Strömungswiderstand erhöhende Ausbildungen sind ein äußerst wirksames Mittel, um praktisch perfekte Umschaltschärfe bei dem Drallerzeuger/freier zentraler Strömungsweg zu erreichen, wobei man in diesem Fall bei der Auslegung des Drallerzeugers mehr Freiheit gewonnen hat.
  • Es ist möglich, vor die Frontseite des Innenbereichs des Katalysatorkörpers ein Innenrohrstück zu positionieren, welches vorzugsweise im Wesentlichen gleichen Durchmesser wie der Innenbereich hat. Das Innenrohrstück begünstigt das Zuströmen zu dem Innenbereich bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten.
  • Wenn in der vorliegenden Anmeldung von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur des durch das Zulaufrohr zuströmenden Abgasstroms gesprochen wird, wird ein Strömungsquerschnitt vor dem Drallerzeuger betrachtet. Da Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur über den Querschnitt nicht konstant sind, sind über den Querschnitt gemittelte Werte gemeint. Angesichts der Abgaspulsationen sind für geeignete kurze Zeitintervalle zeitlich gemittelte Werte gemeint. Insgesamt könnte man alternativ den Massenstrom betrachten, insbesondere weil hier die Querschnittsmittelung nicht erforderlich ist. Konstante Abgastemperatur betrachtet, hängt die mittlere Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar mit dem Massenstrom zusammen. Konstanten Massenstrom betrachtet, hängt die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar mit der Abgastemperatur zusammen. Statt mit dem Begriff "Strömungsgeschwindigkeit" könnte man die Aussagen in der vorliegenden Anmeldung auch mit dem Begriff "temperaturnormierter Massenstrom" verknüpfen.
  • Es wird ausdrücklich betont, dass der Gegenstand der Erfindung, in umfassendster Ausdrucksweise, Folgendes ist:
  • Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, aufweisend einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper, und einem Zulaufrohr,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem Zulaufrohr ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei läßt;
    und dass bei dem Katalysatorkörper ein die Katalysatorwirksamkeit beeinflussender Parameter quer zur Richtung des Strömungswegs variiert.
  • Die vorstehend beschriebenen Merkmale "Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich des Katalysatorkörpers größer als in dem Außenbereich" und "Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität als der Außenbereich" stellen speziellere Fälle des Merkmals "ein die Katalysatorwirksamkeit beeinflussender Parameter variiert quer zur Richtung des Strömungswegs" dar.
  • Es wird betont, dass nicht nur die bisher angesprochene Abgasanlage Gegenstand der Erfindung ist, sondern auch der angesprochene Abgaskonverter, und zwar sowohl gemäß erstem Aspekt der Erfindung als auch gemäß zweitem Aspekt der Erfindung, für sich ein Gegenstand der Erfindung ist. Alle offenbarten Vorzugsausbildungen gelten nicht nur für die Abgasanlage insgesamt, sondern auch für deren, die Erfindung verkörpernden Bestandteil "Abgaskonverter".
  • Aus dem Dokument WO 00/12879 ist ein katalytischer Abgaskonverter mit einem zugeordneten Zulaufrohr bekannt, in dem ein Drallerzeuger, der einen zentralen Strömungsweg durch das Zulaufrohr frei lässt, angeordnet ist. Dort ist jedoch die Ausbildung so, dass eine gleichmäßige Anströmung der vorderen Stirnseite des Katalysatorkörpers erreicht werden soll.
  • Die Erfindung und bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine Abgasanlage in Seitenansicht, sozusagen einbaufertig zum Einbau von unten an ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor;
    • Fig. 2 einen katalytischen Abgaskonverter im Längsschnitt;
    • Fig. 3 den Abgaskonverter von Fig. 2 in der geschnittenen Stirnansicht gemäß III-III in Fig. 2;
    • Fig. 4 den Abgaskonverter von Fig. 2, jedoch in einem anderen Durchströmungszustand, im Längsschnitt;
    • Fig. 5 einen Querschnitt des Abgaskonverters von Fig. 2 gemäß V-V in Fig. 2;
    • Fig. 6 in einem Querschnitt analog Fig. 5 einen abgewandelten Abgaskonverter;
    • Fig. 7 in einem Querschnitt analog Fig. 5 einen abgewandelten Abgaskonverter;
    • Fig. 8 in einem Querschnitt analog Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines Abgaskonverters;
    • Fig. 9 in einem Querschnitt analog Fig. 5 und Fig. 8 einen abgewandelten Abgaskonverter der zweiten Ausführungsform;
    • Fig. 10 in einem Querschnitt analog Fig. 2 eine dritte Ausführungsform eines Abgaskonverters;
    • Fig. 11 in einem Querschnitt analog Fig. 2 bzw. Fig. 10 eine vierte Ausführungsform eines Abgaskonverters;
    • Fig. 12 in einem Längsschnitt analog Fig. 2 eine fünfte Ausführungsform eines Abgaskonverters;
    • Fig. 13 einen Teil eines Abgaskonverters im Längsschnitt, wobei ein Drallerzeuger alternativer Ausführungsform vorgesehen ist.
  • In Fig. 1 ist eine Abgasanlage 2 für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs mit ihren wesentlichsten Komponenten dargestellt. Fortschreitend vom stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende hat man die folgenden Komponenten: Krümmer 4, der an den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeschraubt wird und die Abgase aus den Zylindern des Verbrennungsmotors in einen gemeinsamen Rohrabschnitt 6 zusammenführt; katalytischer Abgaskonverter 12; Mittelschalldämpfer 14; Rohrabschnitt 16, der um die Hinterachse des Kraftfahrzeugs herumführt; Endschalldämpfer 18.
  • In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Abgaskonverter 12 dargestellt. Man erkennt ein Zulaufrohr 22 mit kreisförmigem Querschnitt, ein Gehäuse 24 mit einem konusförmigen Erweiterungsabschnitt 24a, einer Umfangswand 24b und einem konusförmigen Verjüngungsabschnitt 24c, und ein Ablaufrohr 26 mit kreisförmigem Querschnitt. Kurz vor dem in Fig. 2 rechten Ende des Zulaufrohrs 22, wo es in den Erweiterungsabschnitt 24a übergeht, ist in dem Zulaufrohr 22 ein Drallerzeuger 40 angeordnet.
  • Der Drallerzeuger 40 besteht aus einem umfangsmäßig verteilten Kranz von Leitschaufeln 46, die in Fig. 2 schematisiert als schräg gestellte Fläche dargestellt sind und in Fig. 3 etwas anschaulicher zu sehen sind. Die Leitschaufeln 46 sind an ihrem radial äußeren Rand an der Innenseite des Zulaufrohrs 22 angeschweißt und haben eine radiale Höhe 48, siehe Fig. 3. Die Leitschaufeln lassen mit ihren inneren Rändern einen zentralen Strömungsweg 50 frei, dessen Durchmesser bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel etwa 60% des Innendurchmessers des Zulaufrohrs 22 beträgt. In Fig. 2 ist der Durchmesser des zentralen Strömungswegs mit zwei gepunkteten Linien 52 angedeutet.
  • In dem Gehäuse 24 ist ein Katalysatorkörper 60 gehaltert, der z.B. als Keramikmonolith mit einer Vielzahl von längs durch ihn verlaufenden Strömungskanälen 62 aufgebaut ist. Der Katalysatorkörper 60 weist einen Innenbereich 64 und einen Außenbereich 66 auf. Der Innenbereich 64 hat eine Längsmittelachse, die mit der Längsmittelachse 68 des gesamten Katalysatorkörpers 60 zusammenfällt. Der Innenbereich 64 hat in Fig. 2 links eine Stirnseite 70 (= Zuströmseite), und der Außenbereich 66 hat in Fig. 2 links eine Stirnseite 72 (= Zuströmseite). Die Flächengröße der Stirnseite 70 des Innenbereichs 64 ist etwas größer als der Querschnitt des freien zentralen Strömungswegs 50.
  • Anhand der Figuren 2 und 4 werden zwei unterschiedliche Durchströmungszustände des Abgaskonverters 8 veranschaulicht.
  • Ein beim Betrieb des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage 2 strömender Abgasstrom ist, was das Zulaufrohr 22 vor dem Drallerzeuger 40 anlangt, mit Pfeilen 80 gezeichnet. Der dortige Abgasstrom 80 hat bei einem bestimmten Betriebszustand des Verbrennungsmotors einen bestimmten Massenstrom, eine daraus resultierende bestimmte (über den Strömungsquerschnitt gemittelte) Strömungsgeschwindigkeit und eine (über den Strömungsquerschnitt gemittelte) Temperatur.
  • Bei Strömungsgeschwindigkeiten, die in einem unteren Teilbereich des beim Betrieb der Abgasanlage 2 auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten sind, hat das Vorhandensein des Drallerzeugers nur geringen Einfluss auf die Strömung. Der Drallerzeuger 40 stellt einen Strömungswiderstand dar, so dass die Strömung weit überwiegend durch den zentralen Strömungsweg 50 geht. Außerdem ist der strömungsmechanische Einfluss der Leitschaufeln 46 auf die Strömung relativ gering, weil die Leitschaufeln 46 auf Strömungsbeeinflussung bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten ausgelegt sind. Infolge der geschilderten Verhältnisse strömt die den Abschnitt, wo sich der Drallerzeuger 40 befindet, verlassende Strömung zu nahezu 100% in die Stirnseite 70 des Innenbereichs 64. In die Stirnseite 72 des Außenbereichs 66 strömt ein kleiner Teil des zuströmenden Abgasstroms 60 mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit. All diese Verhältnisse sind in Fig. 2 mit Pfeilen veranschaulicht, die man sich als Veranschaulichung der Strömungsgeschwindigkeit oder auch als Veranschaulichung des Massenstroms vorstellen kann.
  • Wenn hingegen die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms 80 in einem oberen Teilbereich des beim Betrieb in der Abgasanalage 2 auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten ist, ist der Drallerzeuger 40 in Funktion (zumal der zuströmende Abgasstrom 80 nicht mehr so leicht nahezu insgesamt in den zentralen Strömungsweg 50 einströmen kann, weil eine starke düsenartige Beschleunigung stattfinden müsste); die beim Durchströmen des Drallerzeugers 40 aufgeprägte Drallströmung übt Zentrifugalkräfte auf die Strömung aus, wodurch die Strömung im Bereich des Erweiterungsabschnitts 24a radial nach außen geht. Im Bereich des Drallerzeugers 40 und im Bereich zwischen dem Drallerzeuger 40 und der Zuströmseite 70 des Innenbereichs 64 übt die äußere Drallströmung Zähigkeitskräfte auf den durch den zentralen Strömungsweg 50 strömenden Teil des Abgasstroms 80 aus und prägt weitgehend diesem Teil des Abgasstroms auch eine Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit auf. Als Ergebnis zeigt sich, dass bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein weit überwiegender Teil des Gesamt-Abgasstroms 80, bei geeigneter Auslegung sogar ein nahe 100% liegender Teil des Abgasstroms 80, zu der Stirnseite 72 des Außenbereichs 66 strömt. All diese Verhältnisse sind in Fig. 4 veranschaulicht.
  • Zwischen den beiden beschriebenen Extremen gibt es einen mittleren Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen ein erster, merklicher Teil des Gesamt-Abgasstroms 80 durch den Innenbereich 64 strömt und ein zweiter, merklicher Teil des Gesamt-Abgasstroms durch den Außenbereich 66 strömt.
  • In Fig. 5 erkennt man, dass der Innenbereich 64 eine erheblich größere Zelldichte als der Außenbereich 66 hat. Die einzelnen Zellen sind mit 82 bezeichnet. Außerdem erkennt man in Fig. 5 die Ausführungsmöglichkeit, dass der Innenbereich 64 einen kreisrunden Querschnitt hat, der gesamte Katalysatorkörper 60 einen kreisrunden Querschnitt hat und der Außenbereich 66 einen kreisringförmigen Querschnitt hat.
  • Mittels Fig. 6 ist die Abwandlung veranschaulicht, dass der Katalysatorkörper 60 insgesamt einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt hat. Der Innenbereich 64 hat nach wie vor einen kreisrunden Querschnitt.
  • Mittels Fig. 7 wird die Abwandlung veranschaulicht, dass der Innenbereich 64 einen quadratischen Querschnitt hat. Ein quadratischer Querschnitt lässt sich perfekter mit im Querschnitt quadratischen Zellen 82 ausnutzen.
  • In Fig. 8 ist in Stirnansicht auf die Stirnseite 84 bzw. im Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Abgaskonverters 8 bzw. eines Katalysatorkörpers 60 gezeigt; dass man die Strömungskanäle 62 des Katalysatorkörpers 60 im Innenbereich 64 mit erhöhter Katalysatoraktivität ausführen kann, zeichnerisch veranschaulicht durch dunklere Färbung. Dabei kann es sich um höhere Edelmetallbeladung, um feinere Edelmetalldispersion, um andere Edelmetallzusammensetzung oder um mehrere dieser Maßnahmen handeln. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Zelldichte im Innenbereich 64 gleich der Zelldichte im Außenbereich 66. Man könnte aber auch, wie bei der ersten Ausführungsform, mit einer höheren Zelldichte im Innenbereich 64 arbeiten.
  • Bei Fig. 8 hat man kreisrunde Querschnitte wie bei Fig. 5. In Fig. 9 ist die Abwandlung gezeichnet, dass der Gesamt-Katalysatorkörper 60 im Wesentlichen elliptisch ist, analog zu Fig. 6.
    In Fig. 10 ist eine dritte Ausführungsform gezeichnet, bei der ein Innenbereich 64 mit größerer Zelldichte exzentrisch zur Längsmittelachse 68 des Katalysatorkörpers 60 platziert ist. Bei der in Fig. 11 gezeichneten, vierten Ausführungsform ist dies analog für einen Innenbereich 64 mit erhöhter Katalysatoraktivität gezeichnet.
  • In Fig. 12 ist eine fünfte Ausführungsform gezeichnet, bei welcher der Innenbereich 64 des Katalysatorkörpers 60 nur in einer stromaufwärtigen Teillänge 86 mit erhöhter Katalysatoraktivität ausgeführt ist. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel beträgt die Teillänge etwa 50% der Gesamtlänge des Katalysatorkörpers 60.
  • In Fig. 13 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Drallerzeuger 40 durch ein wendelförmig verlaufendes Strömungsleitelement 88 statt durch Leitschaufeln 46 verwirklicht ist. Das Strömungsleitelement 88 hat eine radiale Höhe 48. Statt nur ein wendelförmiges Strömungsleitelement 88 (welches mindestens eine 360°-Windung lang sein sollte) vorzusehen, wie in Fig. 13 gezeichnet, kann man auch zwei (oder noch mehr) Strömungsleitelemente 88 vorsehen, die um 180° (bzw. 90°, 72° etc.) versetzt beginnen. Der strömungsmechanische Effekt des Strömungsleitelements 88 ist analog dem Effekt, der vorstehend im Zusammenhang mit den Leitschaufeln 46 beschrieben worden ist. Das Strömungsleitelement 88 ist mit seinem Außenrand an der Innenseite des Zulaufrohrs 22 angeschweißt.

Claims (20)

  1. Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, aufweisend einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper, und einem Zulaufrohr,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem Zulaufrohr ein Drallerzeuger angeordnet ist, der einen zentralen Strömungsweg frei lässt;
    und dass der Katalysatorkörper - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich hat, wobei die Zelldichte der Strömungskanäle in dem Innenbereich größer als in dem Außenbereich ist.
  2. Abgasanlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich.
  3. Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, aufweisend einen katalytischen Abgaskonverter mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse gehalterten Katalysatorkörper, und einem Zulaufrohr,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem Zulaufrohr ein Drallerzeuger angeordnet ist, der eine zentralen Strömungsweg frei lässt;
    und dass der Katalysatorkörper - in axialer Blickrichtung betrachtet - einen Innenbereich und einen Außenbereich hat, wobei der Innenbereich mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich.
  4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskonverter so ausgelegt ist, dass mindestens 40% des zuströmenden Abgasstroms durch den Innenbereich des Katalysatorkörpers strömen, wenn der Abgasstrom eine Strömungsgeschwindigkeit in einem unteren Teilbereich des beim Betrieb der Abgasanlage auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten hat.
  5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskonverter so ausgelegt ist, dass mindestens 80% des zuströmenden Abgasstroms durch den Außenbereich des Katalysatorkörpers strömen, wenn der Abgasstrom eine Strömungsgeschwindigkeit in einem oberen Teilbereich des beim Betrieb in der Abgasanlage auftretenden Bereichs von Strömungsgeschwindigkeiten hat.
  6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich des Katalysatorkörpers eine Stirnfläche hat, die ihrer Größe nach in dem Bereich von dem Querschnitt des freien zentralen Strömungswegs bis zu dem Querschnitt des stromabwärtigen Endes des Zulaufrohrs ist.
  7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger in dem Zulaufrohr befestigt ist, vorzugsweise angeschweißt ist.
  8. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger integral mit dem Zulaufrohr hergestellt worden ist.
  9. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger einen ringförmigen Kranz von Leitschaufeln aufweist.
  10. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger mindestens ein wendelförmig längs des Zulaufrohrs verlaufendes Strömungsleitelement aufweist.
  11. Abgasanlage nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Leitschaufeln oder des Strömungsleitelements längs des Zulaufrohrs zunimmt.
  12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Höhe der Leitschaufeln oder des Strömungsleitelements längs des Zulaufrohrs zunimmt.
  13. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich des Katalysatorkörpers eine Stirnfläche hat, die höchstens 20% der Gesamtstirnfläche des Katalysatorkörpers einnimmt.
  14. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass die flächenbezogene Zelldichte im Innenbereich mindestens doppelt so groß wie im Außenbereich ist.
  15. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine größere Edelmetallbeladung vorgesehen ist, vorzugsweise eine mindestens 20% größere Edelmetallbeladung als im Außenbereich.
  16. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine feinere Edelmetalldispersion vorgesehen ist, vorzugsweise eine mindestens 20% feinere Edelmetalldispersion als im Außenbereich.
  17. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass für die größere Katalysatoraktivität im Innenbereich des Katalysatorkörpers eine andere Edelmetallzusammensetzung vorgesehen ist als im Außenbereich.
  18. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich des Katalysatorkörpers nur auf einer Teillänge mit größerer Katalysatoraktivität ausgeführt ist als der Außenbereich.
  19. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskonverter einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt hat.
  20. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachse des Innenbereichs des Katalysatorkörpers gegenüber der Längsmittelachse des Katalysatorkörpers versetzt ist.
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