WO1999010634A1 - Abgassystem - Google Patents

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WO1999010634A1
WO1999010634A1 PCT/EP1998/005022 EP9805022W WO9910634A1 WO 1999010634 A1 WO1999010634 A1 WO 1999010634A1 EP 9805022 W EP9805022 W EP 9805022W WO 9910634 A1 WO9910634 A1 WO 9910634A1
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channels
mixer
plastic foam
foam
catalyst
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PCT/EP1998/005022
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Manfred Becker
Bernhard Hoffschmidt
Josef Meurer
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Ford Global Technologies, Inc., A Subsidiary Of Ford Motor Company
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    • F23M2900/13002—Energy recovery by heat storage elements arranged in the combustion chamber
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S264/48—Processes of making filters

Definitions

  • the invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine, in particular for vehicles.
  • Exhaust systems for internal combustion engines have a collector in which the manifold pipes coming from the individual combustion chambers are brought together to form an exhaust pipe.
  • the exhaust pipe is generally routed to the rear under the floor assembly of the vehicle.
  • a catalytic converter with one or more catalytic converter elements is arranged in the exhaust pipe under the floor assembly of the vehicle.
  • the catalytic effect of a coating provided on the catalyst element only occurs from a relatively high operating temperature. If the distance between the collector and the catalytic converter is relatively large, the operating temperature of the catalytic converter is only reached some time after the start of the internal combustion engine (for example after two minutes). Since many vehicles are primarily used for short journeys, the catalytic converter did not reach the required operating temperature during a considerable part of its operating time.
  • additional heaters such as inductive heating of the catalytic converter or heating of the exhaust gas stream by gas or gasoline burners or by heat stores shortly before the catalytic converter are used.
  • additional heaters By using additional heaters, the weight of the
  • the catalyst can be arranged as close as possible to the collector become.
  • the required operating temperature can be reached very shortly after the internal combustion engine has started.
  • unburned combustion gas mixtures can precipitate in the catalyst and ignite there.
  • the resulting high combustion temperatures and the sudden pressure increase can damage the catalytic converter.
  • Pressure fluctuations in the exhaust gas flow which occur in the vicinity of the collector and which are caused by the time intervals between the exhaust cycles of the combustion chambers lead to a deterioration in the efficiency of the catalytic converter.
  • the flow distribution over the cross section of the exhaust pipe in the flow direction just behind the collector is highly inhomogeneous. Due to the inhomogeneity of the flow, local overstressing occurs in the catalytic converter, which can destroy it.
  • the object of the invention is to provide an exhaust system in which the catalytic converter can be arranged near the collector and damage to the catalytic converter is avoided.
  • a mixer made of porous, temperature-resistant material is arranged between the collector and the catalyst.
  • the flow distribution is homogenized by the mixer over the cross section of the exhaust pipe, so that local overstresses caused thereby are excluded.
  • the mixer also causes pressure fluctuations caused by the different opening times of the exhaust valves be balanced.
  • the mixer due to its porous structure, the mixer also serves as a filter in which the unburned combustion mixture is deposited. The precipitation is burned in the mixer, so that the catalytic converter cannot be destroyed or damaged as a result. Due to the temperature resistance of the mixer, burning the precipitates will not damage the mixer.
  • the mixer preferably consists of a ceramic foam body. Ceramic foam bodies are porous and also have a high temperature resistance.
  • the mixer can have a number of first channels which are arranged at an angle to the flow direction.
  • the mixer preferably also has a number of second channels which are both at an angle to the first channels and at an angle to the direction of flow.
  • the mixer can be arranged at the outlet of the collector and within the exhaust pipe between the collector and the catalyst.
  • the mixer is preferably arranged directly upstream of the catalytic converter or within the catalytic converter housing.
  • Flexible plastic foam bodies that are wetted with wetting material can be used to produce porous, temperature-resistant mixers.
  • wetting material for example ceramic slip.
  • the wetting material is then cured. To the Curing the wetted plastic foam body is heated so much that the plastic foam material is removed by burning.
  • the following method is proposed as a particularly advantageous production method, in which at least one plastic foam body with an upper side and a lower side is produced from a flexible plastic foam material, the foam body being sheared by a shear angle in a first direction by it is subjected to a first shear force, first channels are introduced into the plastic foam body sheared in this way from the top and / or the underside, namely at an angle different from the first shear angle to the normal to the top and / or the underside and the first shear force is removed again , whereby the plastic foam body resets.
  • the process is based on the core idea of first introducing these channels through a flexible foam structure.
  • these channels run obliquely to the axial extent of the body. You could introduce these inclined channels at an angle of not equal to 90 ° to the top or bottom of the foam structure or the foam body. However, this complicates the manufacturing process, which is due in particular to the flexible structure of the foam body.
  • shear the foam body ie to have shear forces act on the foam body.
  • the channels can be introduced at an angle of in particular 90 ° to the top or bottom of the sheared foam body. If the shear force acting on the foam body is then canceled so that the foam body is in its relaxed state, the channels running through the foam body run obliquely.
  • first channels running in a first direction can be introduced into the plastic foam body. If the plastic foam body is sheared in another direction after the introduction of the first channels, which direction is preferably opposite to the effective direction of the previously applied shear force, second channels can be introduced into the foam body, which run through the foam body in a direction different from the first channels.
  • the plastic foam body is thus crossed by two groups of channels that have different orientations.
  • differently inclined channels can be introduced into a plastic foam body.
  • the orientation of the channels depends not least on the angle at which they are introduced into the sheared foam body.
  • the process steps of shearing the plastic foam body and introducing channels can also be carried out simultaneously.
  • a punching tool can be placed on the top or bottom of the undeformed foam body, on which no shear forces are yet acting. As soon as the punching tool touches one side of the foam body, it is displaced with respect to the opposite side of the plastic foam body, so that shear forces act on the foam body.
  • the punching process is carried out either after the desired shear angle has been reached or during the shearing process. It is therefore sufficient that To move the punch during the punching process with respect to the opposite side of the foam body, so that shear forces act on the foam body.
  • the foam body can be strongly compressed and compressed during or before the punching.
  • the channels are introduced into a foam body without this being sheared.
  • first channels are first introduced into an outer surface of a foam body.
  • the foam body is then cut, its cut surface running at an acute angle to the longitudinal extent of the first channels.
  • Such a trimmed foam body can be processed further until a sheet material is obtained, the bottom or The upper sides run parallel to one another, one side being determined by the cut surface.
  • second channels can be introduced into the cut surface, whereupon the plastic foam body is then cut again in such a way that this cut surface runs at an acute angle to all the channels. If the plastic foam body trimmed in this way is further processed so that sheet material or foam blocks are formed, there is a foam structure which is crossed by channels which run at an angle to one another and which have mutually parallel upper and lower sides, at least one of which is determined by the (second) cut surface .
  • this advantageous production process creates a foam structure which is crossed by obliquely running channels, wherein these channels run parallel to one another in groups and can be divided into several groups of channels running differently from one another.
  • foam bodies serve, for example, as semi-finished products for the production of ceramic foams; these materials and their process processes based on the foam bodies will be discussed further below.
  • a plurality of foam bodies produced in this way are arranged one above the other, so that in this way a body through which a fluid can flow can be produced with mixer properties, without any length restrictions due to the manufacturing process.
  • the individual foam bodies are preferably produced as any geometrical sheet material with top and bottom sides parallel to one another.
  • the channels are preferably introduced into the foam body by punching.
  • a punch has two pressing parts, which abut with friction on the top and bottom of the foam body. After these two pressing parts have been brought into frictional engagement with the plastic foam body, at least one pressing part is moved relative to the other, so that the plastic foam body arranged between them is sheared. Now the punching tool can be inserted into the plastic foam body. It is advisable to compress the sheared plastic foam body by moving the pressure parts towards one another to such an extent that the holes can be made using punching tools.
  • the pressure parts are perforated so that the punching tools through the holes can be brought into the plastic foam body. In the state in which the plastic foam body is punched, the holes of the two pressure parts should be aligned with one another.
  • the method can thus be used to produce a porous body through which a fluid can flow and which either has a plastic foam body or a plurality of plastic foam bodies arranged one above the other, each of which has one or more channels which run obliquely by a common angle or different angles. Due to the porous structure of the plastic foam material, these channels are interconnected.
  • a plastic foam body or a plurality of plastic foam bodies arranged one above the other, each of which has one or more channels which run obliquely by a common angle or different angles. Due to the porous structure of the plastic foam material, these channels are interconnected.
  • the plastic foam material is expediently an open-cell or closed-cell material.
  • polyurethane is used as the plastic foam material.
  • Rigid foams in particular ceramic foams
  • Rigid foams can be produced on the basis of the foam bodies produced according to the above method by wetting the plastic foam body or the plurality of plastic foam bodies lying against one another with wetting material.
  • wetting in such a way that the entire surface of the structure of each plastic foam body is provided with the wetting material.
  • Slurry is preferably used as the wetting material. It is fundamentally important that the wetting material cures so that a self-supporting, wettable plastic foam body, its inherent shape stability and self-bearing capacity, is created after curing is given by the wetting material.
  • the wetting is advantageously carried out by impregnating the plastic foam body or the plastic foam body arrangement with the wetting material. These procedures are basically known from the production of ceramic foams.
  • the ceramic slip is hardened by firing.
  • the plastic material is also removed by evaporation.
  • plastic foam bodies are provided side by side with wetting material, it is advisable to use the Connect plastic foam bodies to each other before wetting. Here it makes sense to weld the plastic foam bodies together by heating their contact surfaces.
  • An alternative to this connection is to implement the coupling of adjacent plastic foam bodies through the hardened wetting material.
  • plastic foam material body or the arrangement of successive plastic foam material bodies is still flexible when the wetting material has not yet hardened, it can be inserted in curved or otherwise shaped shapes (for example elbow molds or the like), and then in these shapes, for example harden by burning. This gives the finished product a shape that enables space-saving installation in a mixer system or a pipeline of such a mixer system.
  • the usual manufacturing processes for foams can be used to manufacture the plastic foam material bodies.
  • the foams which are usually produced in the form of blocks, only have to be processed into sheet material, which is then sheared according to the invention in order to introduce the channels.
  • the production of block foam is quite inexpensive, so that, overall, the rigid bodies through which fluid can flow can also be produced relatively inexpensively by the process according to the invention, with particular reference to the well-controlled technology of foam production.
  • no special molds are required for foam production.
  • the Further process steps, in particular the inclined channels are introduced according to the invention in a simple and cost-effective manner.
  • This process is based on the core idea of first inserting these channels through a flexible foam structure.
  • the insert parts can have a structure which changes in all three dimensions, so that ultimately not only straight-line but also curvilinear channels are produced can.
  • the plastic foam material is flexible so that the insert parts can be pulled out of the plastic foam material.
  • a plastic foam body remains, which is traversed by one or more straight or curvilinear channels, the channels being interconnected due to the porous structure of the plastic foam material.
  • the plastic foam material is expediently either open-cell or closed-cell material. In particular, polyurethane is used as the plastic foam material.
  • the plastic foam body is wetted with a wetting material.
  • a wetting material One has to imagine this wetting in such a way that the entire surface of the structure of the plastic foam body is provided with the wetting material.
  • Slurry is preferably used as the wetting material. Basically, it is important that the wetting material cures so that after the wetting material has hardened, an independently loadable wetted plastic foam body is formed, the inherent stability and inherent strength of which is given by the wetting material. In the porous body created in this way there are therefore the channels on the one hand, the inner walls of which are wetted by the wetting material, and on the other hand the connections between adjacent channels. Subsequently, this plastic foam body wetted by hardened wetting material is heated so strongly that the plastic foam material is removed by combustion.
  • Such a body can also be used as a catalyst by applying, for example, a catalytically active layer. With or without this additional layer, it can in any case be used as a chemical mixer, which makes a flow through a fluid mixture uniform and thereby mixes the fluids.
  • a chemical mixer which makes a flow through a fluid mixture uniform and thereby mixes the fluids.
  • the advantage of such a mixer is also that its flow resistance is only low. It would certainly be possible to achieve a fluid throughput even with a porous body, but with the creation of a significantly higher flow resistance than is the case with the porous body produced by one of the above methods.
  • the mixer of the exhaust system can be produced by producing a corrugated flexible mat made of plastic foam material, winding the mat into a plastic foam body, wetting the surface of the plastic foam body with a curable wetting material and - the plastic foam material with the wetting material wetted plastic foam body is removed by heating the same, so that a fluid-permeable, porous body consisting of the wetting material is formed.
  • a wavy, flexible mat is produced from open-cell or closed-cell plastic foam material, which is then wound up into a (winding) body.
  • the plastic foam material body created in this way is criss-crossed by channels that lie between the valleys and mountains. bart windings of the wavy flexible mat arise.
  • the winding body maintains its winding structure by using an adhesive.
  • the insert parts can be rigid or preferably flexible and / or inflatable. After the plastic foam body has been produced, the insert parts which have been inflated up to that point can be vented or relaxed, in order then to be removed from the plastic foam body. If the insert parts are not inflatable but flexible, they can also be easily pulled out of the foam due to their flexibility.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an exhaust system with a mixer arranged within a catalyst housing
  • Fig. 2 to 6 schematically show the individual production steps for producing a plastic foam material body with diagonal channels
  • FIGS. 2 to 6 show a section through one of several according to FIGS. 2 to 6 produced plastic foam material - bodies of built-up foam bodies
  • FIG. 8 is a perspective view of a plastic foam body, partially broken away,
  • Fig. 9 to 12 schematically show the individual manufacturing steps for producing a plastic foam material body with diagonal channels according to an alternative embodiment of the manufacturing process
  • Fig. 13 to 17 the individual production steps for producing the plastic foam material body with channels, according to a further exemplary embodiment
  • Fig. 18 and 19 show the molds or insert parts required for the production of a flexible plastic foam material body with these channels running through them, in accordance with a further exemplary embodiment and
  • FIGS. 20 and 21 the manufacture of a flexible plastic foam material body with these pulling channels according to a further embodiment, namely in winding technology.
  • An exhaust system for an internal combustion engine has four curved tubes 1 in an internal combustion engine with four cylinders, which are led into a collector 2.
  • the collector 2 is connected to an exhaust pipe 3 through which the exhaust gases are removed from the collector 2.
  • all the exhaust gases passed through the curved tube 1 are thus brought together and passed into a single exhaust pipe 3.
  • a collector is then connected to the intermediate collectors, in which the pipes coming from the intermediate collectors are brought together.
  • the exhaust pipe 3 is connected to a catalytic converter 4, so that the exhaust gases are passed through the exhaust pipe 3 into the catalytic converter 4.
  • the outlet of the catalytic converter 4 is connected to an end pipe of the exhaust system 5, from which the exhaust gases exit or are passed into so-called mufflers.
  • the catalytic converter 4 has a catalytic converter housing 6, in which a mixer 7 and two catalytic converter elements 8 are arranged. Through the mixer 7, which extends over the entire cross section of the cylindrical catalyst housing
  • the mixer 7 brings about an equalization of the pressure curve over time, which fluctuates as a function of the different opening times of the exhaust valves.
  • the pressure curve is over the cross section of the catalyst housing 6 and homogenized in time.
  • the mixer 7 acts as a filter that filters out unburned combustion mixtures from the exhaust gas stream.
  • the catalyst elements 8 are therefore supplied with an exhaust gas stream that is free of unburned combustion mixtures and is cross-sectional and homogeneous over time. The catalyst elements 8 are therefore not damaged and are highly efficient if the catalyst 4 is arranged directly behind the collector 2.
  • the exhaust gas stream is homogenized in that the diameter of the inlet opening at which the feed pipe 3 opens into the catalyst housing 6 is smaller than the diameter of the catalyst housing 6 in the flow direction directly after the inlet opening. Because of this abrupt increase in diameter, the exhaust gas flow enters the catalyst 4 as a free jet and spreads there as a free jet until the mixer 7 is reached. Free jet is understood to mean a flow that is not caused by pipe walls or the like. is limited and can therefore spread freely in the radial direction.
  • foam is used in each case, which is produced as a block in its usual production sizes (for example 60 mx 1.5 mx 0.8 m).
  • This foam is, in particular, a closed-cell material that is in one the second conventional method is processed by means of a controlled pressure wave or explosion, so that the closed cells of the foam are opened. This creates a block of open-cell foam.
  • This foam block is cut into, for example, 25 mm thick foam mats 10 (also referred to above as foam bodies or plastic foam material bodies) (sheet material).
  • foam mats 10 also referred to above as foam bodies or plastic foam material bodies
  • sheet material foam material
  • Each of these mats 10 is in the method according to FIGS. 2 to 6 inserted into a tool 12 which has two pressure or contact perforated plates 14, 16 which are parallel to one another and can be moved towards and away from one another.
  • the upper perforated plate 14 abuts the top 18 of the foam mat 10, while the lower perforated plate 16 abuts the underside 20 of the foam mat 10. This situation is shown in Fig. 2.
  • the foam mat 10 according to FIG. 3 is sheared by moving at least one of the two perforated plates 14, 16 in the plane of its extent. For this it is necessary that the plates 14, 16 rest against the foam mat 10 with a certain static friction. For example, it is possible for the plates 14, 16 to have spikes or similar projections which dip into the top or bottom 18, 20 and get caught there.
  • the holes 22 made in the upper plate 14 are aligned with the holes 24 which are arranged in the lower plate 16.
  • the plates 14, 16 are then moved towards one another, so that the foam mat 10 arranged therebetween is compensated for in the sheared state by elastic deformation (not included in FIGS. 2 to 12).
  • a punching tool 26 can now be driven through the aligned holes 22, 24 and the foam mat 10 arranged between them become.
  • the punching tool 26 has a holding plate 28 with in particular tubular cutting or punching elements 30 which protrude from the holding plate 28 in accordance with the pattern and the arrangement of the holes 22 and 24, respectively. With these cutting or punching elements 30, first channels 32 can be introduced into the sheared foam mat 10 according to FIG. 3.
  • the two pressure plates 14, 16 are moved back to their starting position, so that the foam mat 10 returns to its original shape (relaxed state).
  • the channels 32 introduced into the normal to the top and bottom 18, 20 of the sheared foam mat 10 now run obliquely, the angle depending on the shear previously applied to the mat 10 .
  • the process described above thus takes place in such a way that the foam mat 10 is first compressed to a greater or lesser extent by the pressure plates 14, 16 and then sheared in a trapezoidal shape.
  • the punching process is then carried out in the normal direction to the top and bottom of the foam mat 10.
  • the channels 32 are located therein, the channels of which are oriented at an angle to the normal top and bottom sides of the foam mat 10.
  • a first group of first channels 32 arranged in a plurality of first rows 34 is introduced into the foam mat 10.
  • a plurality of second channel rows 36 with second channels 38 oriented opposite to the previous channel rows 34 are produced in that the foam mat 10 is sheared between the pressure plates 14, 16 in the opposite direction to the previous method step and the channels 32 after compression of the foam mat 10 then by means of of the punching tool 26, which is moved transversely to the movement of the pressure plate 14 or 16, are introduced (FIG. 5).
  • the foam mat 10 can thus be pushed through with a multiplicity of adjacent rows 34, 36 of channels 32, 38, the first channels 32 of one and the same row each running parallel to one another and the second channels 38 of adjacent rows 36 being oriented opposite one another.
  • Pieces are cut from the foam mats 10 produced according to the method described above, the shape of which corresponds to the cross section of the body to be produced, through which fluid is to flow.
  • 10 cylinder pieces 40 can be cut out of the foam mats (FIG. 8).
  • a plurality of such cylinder pieces 40 are placed against one another in the axial direction according to FIG. 7, so that the resulting cylinder piece arrangement 42 is traversed by channels which in sections are zigzag and thus run in opposite directions.
  • the entire structure 42 is wetted with slip, which then hardens.
  • the individual cylinder pieces 40 are connected to one another via the hardened slip and form a single unit, namely the porous body.
  • the slip is burned out, so that a body is formed which consists of ceramic foam. This body no longer has any plastic material because it evaporates when it burns.
  • first channels 32 are introduced into one of its outer surfaces 46.
  • This Channels 32 run essentially at right angles to the extent of the outer surface 46 into which they are introduced.
  • the block foam 44 is then cut along the line 48. After the block foam 44 cut in this way in the direction of the arrow 50 in FIG. 9, the situation according to FIG. 10 results in which the cut surface 52 defined by the cutting line 48 is arranged at the top and extends at an acute angle to the extent of the first channels 32 .
  • second channels 38 are now introduced into this cut surface 52, which in turn run essentially at right angles to the cut surface 52.
  • the block foam 44 which is traversed by first and second channels 32, 38, is cut along the line 54.
  • the situation according to FIG. 12 results, in which the cut surface 58 resulting along the cutting line 54 is arranged at the top.
  • the foam mat 10 is formed by appropriate cutting and is crossed by intersecting first and second channels 32, 38.
  • Fig. 13 shows a longitudinal section through a cylindrical shape 11 ', which consists of a sleeve 12' and a bottom part 14 'which closes one of the two ends.
  • a multiplicity of serpentine-shaped, essentially cylindrical ones protrude from the base part 14 '
  • Thickenings 16 ' which, as can be seen in particular from FIG. 14, are arranged side by side in a plurality of parallel rows 18'.
  • the serpentine-shaped thickenings 16 'of each row 18' are connected to one another by thin connecting webs 20 '.
  • These thin connecting webs 20 ' extend like the thickenings 16' over the entire axial length of the mold
  • cavities 24 ' are formed between adjacent rows 18' of thickened portions 16 'and connecting webs 20'.
  • This plastic foam material 26 ' remains flexible even after it has hardened, so that the entire insert part 22' can be pulled out of the mold 11 ', which is shown in FIG. 17.
  • a PU molded body 28 ' is formed which has channels 30' running through it, the course of which is determined by the course of the thickenings 16 '. '
  • the plastic foam material 26 ' together with the insert parts 22' still embedded in it, is removed from the sleeve 12 'in order to only then remove the insert parts 22' from the plastic foam material 26 '.
  • it can additionally be advantageous to form the sleeve 12 'in two parts in order to facilitate the removal process of the plastic foam material 26', if necessary together with the insert parts 22 '.
  • This PU molded body 28 ' is then removed from the sleeve 12' of the mold 11 'and impregnated with a ceramic slip. After the ceramic slip has hardened, the ceramic body is heated so that the plastic foam material is removed by evaporation. The final product then represents a ceramic mixer, which is traversed by individual channels 30, which are connected to one another are fluidly connected due to the porous structure of the ceramic mixer.
  • the individual serpentine-shaped thickened portions 16" can be connected to one another by continuous webs, although this is not absolutely necessary.
  • the individual strip-shaped insert parts 14 "lie close together and in this way fill the entire cross section of the sleeve 12" of the shape 11 ".
  • the procedure for producing a ceramic foam body using the mold 11 "of FIGS. 18 and 19 is analogous to the production process described in connection with FIGS. 13 to 17. After the plastic foam material has cured, which is still flexible, the individual insert parts 24 become “pulled out. The plastic foam body formed in this way is then wetted with ceramic slip, specifically by soaking, in order to be heated after curing to remove the plastic foam material.
  • Figs. 20 and 21 show a further alternative for a method of manufacturing a ceramic foam body.
  • This production variant initially sees the production of a corrugated mat 60 made of flexible plastic foam material before.
  • This mat 60 has angled rectilinear depressions 62 or elevations 64.
  • a winding body 66 By winding up the mat 60 to form a winding body 66 (see FIG. 21), a structure made of plastic foam material is created, which is axially extended through a plurality of channels 68.
  • the winding body 66 is held together in its shape in particular by adhesive material and wetted with ceramic slip.
  • the ceramic foam created after curing is heated to remove the plastic material by evaporation.

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Abstract

Bei einem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine sind mehrere Krümmungsrohre (1) in einem Sammler (2) zusammengeführt. Das aus dem Sammler (2) führende Rohr dient als Zuführrohr (3) zu einem Katalysator (4). Um den Katalysator (4) möglichst nahe an dem Sammler (2) anordnen zu können, ist erfindungsgemäß in einem Gehäuse (6) des Katalysators (4) ein Mischer (7) vorgesehen. Durch den Mischer (7) wird der durch das Zuführrohr (3) in den Katalysator (4) gelangende Abgasstrom geometrisch und zeitlich homogenisiert. Durch das Vorsehen des Mischers (7) ist ein Beschädigen von Katalysatorelementen (8) durch inhomogene Abgasströmung verhindert. Ferner dient der Mischer (7) dazu, daß sich unverbrannte Verbrennungsgasgemische in dem Mischer (7) niederschlagen und in diesem und nicht in den Katalysatorelementen (8) verbrennen. Dadurch ist eine Beschädigung der Katalysatorelemente (8) durch schlagartig verbrennende Niederschläge verhindert.

Description

AbgasSystem
Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für Fahrzeuge.
Abgassysteme für Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Sammler auf, in dem die von den einzelnen Verbrennungs- kammern kommenden Krümmerrohre zu einem Abgasrohr zusammengeführt sind. Das Abgasrohr ist im allgemeinen unter der Bodenbaugruppe des Fahrzeugs nach hinten geführt. Zur Abgasreinigung ist in dem Abgasrohr unter der Bodenbaugruppe des Fahrzeugs ein Katalysator mit einem oder mehreren Katalysatorelementen angeordnet .
Die katalytische Wirkung einer auf dem Katalysatorelement vorgesehenen Beschichtung tritt erst ab einer relativ hohen Betriebstemperatur ein. Wenn der Abstand zwischen dem Sammler und dem Katalysator relativ groß ist, wird die Betriebstemperatur des Katalysators erst einige Zeit nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine erreicht (z. B. nach zwei Minuten) . Da viele Fahrzeuge in erster Linie für Kurzstreckenfahrten verwendet werden, hat der Katalysator bei einem beträchtlichen Teil seiner Betriebszeit die erforderliche Betriebstemperatur nicht erreicht .
Um die Aufwärmzeit des Katalysators, d. h. die Zeit bis zum Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur zu verkürzen, werden Zusatzheizungen wie beispielsweise eine induktive Beheizung des Katalysators oder eine Erwärmung des Abgasstroms durch Gas- oder Benzinbrenner oder durch Wärmespeicher kurz vor dem Katalysator eingesetzt. Durch das Einsetzen von Zusatzheizungen werden das Gewicht, der
Raumbedarf und die Kosten erhöht .
Um die Aufwärmzeit des Katalysators zu verringern, kann der Katalysator möglichst nahe am Sammler angeordnet werden. Durch eine derartige Anordnung des Katalysators kann die erforderliche Betriebstemperatur sehr kurz nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden. Bei dieser Anordnung des Katalysators in der Nähe des Sammlers können sich jedoch unverbrannte Verbrennungs- gasgemische in dem Katalysator niederschlagen und sich dort entzünden. Die dabei entstehenden hohen Verbrennungs- temperaturen sowie die schlagartige Druckerhöhung können zu einer Beschädigung des Katalysators führen. In der Nähe des Sammlers auftretende Druckschwankungen im Abgasstrom, die durch die zeitlichen Abstände zwischen den Auslaßtakten der Verbrennungskammern hervorgerufen werden, führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Katalysators. Ferner ist die Strömungsverteilung über den Querschnitt des Abgasrohrε in Strömungsrichtung kurz hinter dem Sammler stark inhomogen. Aufgrund der Inhomogenität der Strömung treten im Katalysator lokale Überbeanspruchungen auf, durch die er zerstört werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgassystem zu schaffen, bei dem der Katalysator nahe dem Sammler angeordnet werden kann und ein Beschädigen des Katalysators vermieden is .
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine ist zwischen dem Sammler und dem Katalysator ein Mischer aus porösem, temperaturbeständigem Material angeordnet. Durch den Mischer wird die Strömungsverteilung über den Querschnitt des Abgasrohrs homogenisiert, so daß dadurch hervorgerufene lokale Überbeanspruchungen ausgeschlossen sind. Ebenso werden durch den Mischer Druckschwankungen, die durch die unterschiedlichen Öffnungszeitpunkte der Auslaßventile hervorgerufen werden, ausgeglichen. Ferner dient der Mischer aufgrund seiner porösen Struktur auch als Filter in dem sich unverbranntes Verbrennungsgemisch niederschlägt . Das Verbrennen der Niederschläge findet im Mischer statt, so daß eine hierdurch hervorgerufene Zerstörung oder Beschädigung des Katalysators ausgeschlossen ist . Aufgrund der Temperaturbeständigkeit des Mischers wird durch das Verbrennen der Niederschläge der Mischer nicht beschädigt .
Vorzugsweise besteht der Mischer aus einem keramischen Schaumkörper. Keramische Schaumkörper sind porös und weisen ferner eine hohe Temperaturbeständigkeit auf .
Um einen zu großen Rückstau des Abgasstroms aufgrund des Mischers zu vermeiden und um die Homogenität der Strömungsverteilung über den Querschnitt des Abgasrohrs zu verbessern, kann der Mischer eine Anzahl von ersten Kanälen aufweisen, die in einem Winkel zur Durchströmungs- richtung angeordnet sind. Vorzugsweise weist der Mischer ferner eine Anzahl von zweiten Kanälen auf, die sowohl einen Winkel zu den ersten Kanälen als auch einen Winkel zur Strömungsrichtung aufweisen.
Der Mischer kann am Ausgang des Sammlers und innerhalb des Abgasrohrs zwischen dem Sammler und dem Katalysator angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Mischer unmittelbar vor dem Katalysator oder innerhalb des Katalysatorgehäuses angeordnet .
Zur Herstellung von porösen, temperaturbeständigen Mischern können flexible Kunststoffschaumkörper verwendet werden, die mit Benetzungsmaterial benetzt werden. Durch die Benetzung wird die gesamte Oberfläche der Struktur des Kunststoffschaumkörpers mit dem Benetzungsmaterial, beispielsweise keramischem Schlicker versehen. Anschließend wird das Benetzungsmaterial ausgehärtet . Zum Aushärten wird der benetzte Kunststoffschaumkorper so stark erhitzt, daß das Kunststoffschaummaterial durch Verbrennen entfernt wird.
Zur Herstellung eines in dem Abgassystem verwendbaren Mischers ist folgendes Verfahren als besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Kunststoffschaumkorper mit einer Oberseite und einer Unterseite aus einem flexiblen Kunst - stoffschaummaterial erzeugt wird, der Schaumkörper um einen Scherwinkel in eine erste Richtung geschert wird, indem er einer ersten Scherkraft ausgesetzt wird, in den so gescherten Kunststoffschaumkorper von der Oberseite und/oder der Unterseite erste Kanäle eingebracht werden, und zwar in einem vom ersten Scherwinkel verschiedenen Winkel zur Normalen der Oberseite und/oder der Unterseite und die erste Scherkraft wieder aufgehoben wird, wobei sich der Kunststoffschaumkorper wieder zurückstellt.
Das Verfahren beruht auf dem Kerngedanken, in eine flexible Schaumstruktur zunächst diese durchziehende Kanäle einzubringen. Diese Kanäle verlaufen zwecks verbesserter Durchmischung des den Körper durchströmenden Fluids schräg zur axialen Erstreckung des Körpers . Man könnte diese schrägverlaufenden Kanäle unter einem Winkel von ungleich 90° zur Ober- bzw. Unterseite der Schaumstruktur bzw. des Schaumkörpers einbringen. Dies erschwert jedoch den Fertigungsprozeß, was insbesondere in der flexiblen Struktur des Schaumkörpers begründet ist. Bei einer ersten Variante wird daher vorgeschlagen, den Schaumkörper zu scheren, d. h. auf den Schaumkörper Scherkräfte einwirken zu lassen. Jetzt können die Kanäle unter einem Winkel von insbesondere 90° zur Ober- bzw. Unterseite des gescherten Schaumkörpers eingebracht werden. Wird danach die auf den Schaumkörper wirkende Scherkraft aufgehoben, so daß sich der Schaumkörper in seinem entspannten Zustand befindet, so verlaufen die den Schaumkörper durchziehenden Kanäle schräg.
Auf die zuvor beschriebene Weise lassen sich in einer ersten Richtung verlaufende erste Kanäle in den Kunststoffschaumkorper einbringen. Wird der Kunststoffschaumkorper nach Einbringung der ersten Kanäle in einer anderen Richtung geschert, die vorzugsweise entgegengesetzt zur Wirkrichtung der zuvor aufgebrachten Scherkraft gerichtet ist, so lassen sich zweite Kanäle in den Schaumkörper einbringen, die in einer zu den ersten Kanälen verschiedenen Richtung durch den Schaumkörper verlaufen. Der Kunststoff- schaumkorper ist damit von zwei Gruppen von Kanälen durchzogen, die unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
In Abhängigkeit von der Größe der Scherkräfte und deren Wirkrichtungen lassen sich unterschiedlich stark geneigt verlaufende Kanäle in einen Kunststoffschaumkorper einbringen. Die Ausrichtung der Kanäle hängt nicht zuletzt auch davon ab, unter welchem Winkel sie in den gescherten Schaumkörper eingebracht werden.
Die Verfahrensschritte des Scherens des Kunststoffschaum- körpers und des Einbringens von Kanälen können auch gleichzeitig durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise ein Stanzwerkzeug auf die Ober- oder Unterseite des unverformten Schaumkörpers, auf den noch keine Scherkräfte wirken, aufgesetzt werden. Sobald das Stanzwerkzeug eine Seite des Schaumkörpers berührt, wird es bezüglich der gegenüberliegenden Seite des Kunststoffschaumkörpers verschoben, so daß auf den Schaumkörper Scherkräfte wirken. Der Stanzvorgang wird entweder nach Erreichen des gewünschten Scherwinkels oder bereits während des Schervorgangs durchgeführt. Es ist somit ausreichend, das Stanzwerkzeug während des Stanzvorgangs bezüglich der gegenüberliegenden Seite des Schaumkörpers zu verschieben, so daß auf den Schaumkörper Scherkräfte wirken.
Damit die in den Schaumkörper gestanzten Kanäle einen möglichst kreisrunden Querschnitt haben, kann der Schaumkörper vor oder während dem Stanzen stark zusammengedrückt und dabei komprimiert werden.
Bei einer Variante des Verfahrens werden die Kanäle in einen Schaumkörper eingebracht, ohne daß dieser geschert wird. Bei dieser Variante werden zunächst erste Kanäle in eine Außenfläche eines Schaumkörpers eingebracht . Anschließend wird der Schaumkörper geschnitten, wobei seine Schnittfläche unter einem spitzen Winkel zur Längserstreckung der ersten Kanäle verläuft. Ein derart beschnittener Schaumkörper kann weiterverarbeitet werden, bis sich ein Tafelmaterial einstellt, dessen Unter- 'bzw. Oberseiten parallel zueinander verlaufen, wobei eine Seite durch die Schnittfläche bestimmt ist.
Bei der zuvor beschriebenen Variante können nach dem Schneiden des Kunststoffschaumkörpers in die Schnittfläche zweite Kanäle eingebracht werden, woraufhin der Kunst - stoffschaumkorper anschließend nochmals geschnitten wird, und zwar derart, daß diese Schnittfläche unter einem spitzen Winkel zu sämtlichen Kanälen verläuft. Wird auch der so beschnittene Kunststoffschaumkorper weiterverarbeitet, so daß Tafelmaterial oder Schaumstoffblocke entstehen, liegt eine Schaumstruktur vor, die von schräg zueinander verlaufenden Kanälen durchzogen ist und zueinander parallele Ober- bzw. Unterseiten aufweist, von denen mindestens eine durch die (zweite) Schnittfläche bestimmt ist. In der allgemeinsten Form wird durch dieses vorteilhafte Herstellungsverfahren eine Schaumstruktur geschaffen, die von schräg verlaufenden Kanälen durchzogen ist, wobei diese Kanäle gruppenweise parallel zueinander verlaufen und in mehrere Gruppen von zueinander unterschiedlich verlaufenden Kanälen unterteilt werden kann. Derartige Schaumstoffkörper dienen beispielsweise als Halbzeuge zur Herstellung keramischer Schäume, auf diese Materialien und deren auf die Schaumkörper aufbauenden Verfahrensprozesse wird weiter unten noch eingegangen werden.
Zweckmäßigerweise werden mehrere derartig hergestellte Schaumkörper übereinanderliegend angeordnet, so daß auf diese Weise ein von einem Fluid durchströmbarer Körper mit Mischereigenschaften erzeugt werden kann, und zwar ohne durch den Herstellungsprozeß bedingte Längenbeschränkungen. Die einzelnen Schaumkörper werden vorzugsweise als geometrisch beliebiges Tafelmaterial mit zueinander parallelen Ober- und Unterseiten erzeugt .
Die Einbringung der Kanäle in den Schaumkörper erfolgt vorzugsweise durch Stanzen. Eine derartige Stanze weist zwei Andrückteile auf, die mit Reibung an der Ober- und Unterseite des Schaumkörpers anliegen. Nachdem diese beiden Andrückteile in Reibschluß mit dem Kunststoffschaumkörper gebracht worden sind, wird zumindest das eine Andrückteil relativ zum anderen bewegt, so daß der dazwischen angeordnete Kunststoffschaumkorper geschert wird. Nun kann das Stanzwerkzeug in den Kunststoffschaum- körper eingefahren werden. Dabei bietet es sich an, den gescherten Kunststoffschaumkorper durch Aufeinanderzu- bewegen der Andrückteile so weit zu komprimieren, daß sich die Löcher mittels Stanzwerkzeugen einbringen lassen.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn die Andrückteile gelocht sind, so daß die Stanzwerkzeuqe durch die Löcher hindurch in den Kunststoffschaumkorper hineingebracht werden können. In demjenigen Zustand, in dem der Kunststoffschaumkörper gestanzt wird, sollten die Löcher der beiden Andrückteile miteinander fluchten.
Mit dem Verfahren läßt sich also ein von einem Fluid durchströmbarer poröser Körper herstellen, der entweder einen Kunststoffschaumkorper oder mehrere übereinander angeordnete Kunststoffschaumkorper aufweist, der bzw. von denen jeder ein oder mehrere um einen gemeinsamen Winkel oder unterschiedliche Winkel schräg verlaufende Kanäle aufweist. Aufgrund der porösen Struktur des Kunststoff- schaummaterials sind diese Kanäle untereinander verbunden. Bei Verwendung mehrerer Kunststoffschaumkorper ist es zweckmäßig, wenn die Ausrichtung der aneinander grenzenden Kanäle benachbarter Schaumkörper jeweils unterschiedlich, insbesondere gegensinnig ist .
Bei dem Kunststoffschaummaterial handelt es sich zweck- mäßigerweise um ein offenzelliges oder geschlossenzelliges Material. Insbesondere wird als Kunststoffschaummaterial Polyurethan eingesetzt .
Auf der Basis der gemäß obigem Verfahren hergestellten Schaumkörper lassen sich starre Schäume, insbesondere keramische Schäume herstellen, indem der Kunststoffschaumkorper bzw. die mehreren aneinanderliegenden Kunststoffschaumkörper mit Benetzungsmaterial benetzt wird bzw. werden. Diese Benetzung muß man sich derart vorstellen, daß die gesamte Oberfläche der Struktur jedes Kunststoff- schaumkörpers mit dem Benetzungsmaterial versehen ist. Vorzugsweise wird als Benetzungsmaterial Schlicker eingesetzt. Grundsätzlich ist es wichtig, daß das Benetzungsmaterial aushärtet, so daß nach dem Aushärten ein selb- ständig tragfähiger benetzter Kunststoffschaumkorper entsteht, dessen Eigenformstabilität und Eigentragfähigkeit durch das Benetzungsmaterial gegeben ist. In dem so erstellten porösen Körper befinden sich also zum einen die Kanäle, deren Innenwände von dem Benetzungsmaterial benetzt sind, und zum anderen die Verbindungen zwischen benachbarten Kanälen, die ebenfalls an ihren Innenwänden benetzt sind. Anschließend wird dieser von ausgehärtetem Benetzungsmaterial benetzte Schaumkörper so stark erhitzt, daß das Kunststoffschaummaterial durch Verbrennung entfernt wird. Eine alternative Methode der Entfernung des KunststoffSchaummaterials besteht in einer Verflüchtigung in Folge beispielsweise einer chemischen Reaktion mit einem entsprechenden Behandlungsgas .
Auf die oben beschriebene Weise lassen sich mit Kanälen versehene poröse Körper beliebiger Länge herstellen, und zwar auch dann, wenn die Kanäle Hinterschneidungen oder dergleichen dreidimensional sich verändernde Verläufe aufweisen. Der Vorteil eines derartigen Mischers (poröser Körper mit diesen durchziehenden Kanälen) besteht auch darin, daß sein Strömungswiderstand nur gering ist. Sicherlich würde man auch bei einem porösen Körper einen Fluiddurchsatz erzielen können, allerdings unter Entstehung eines wesentlich höheren Strömungswiderstandes, als dies bei dem nach vorstehendem Verfahren hergestellten porösen Körper der Fall ist.
In vorteilhafter Weise erfolgt das Benetzen durch Tränken des Kunststoffschaumkörpers bzw. der Kunststoffschaum- körperanordnung mit dem Benetzungsmaterial. Diese Ver- fahrensweisen sind grundsätzlich von der Herstellung keramischer Schäume her bekannt. Der keramische Schlicker wird durch Brennen ausgehärtet. Hierbei wird gleichzeitig auch das Kunststoffmaterial durch Verdampfen entfernt .
Werden mehrere Kunststoffschaumkorper aneinanderliegend mit Benetzungsmaterial versehen, so ist es zweckmäßig, die Kunststoffschaumkorper vor der Benetzung untereinander zu verbinden. Hier bietet es sich an, die Kunststoffschaumkorper durch Erhitzung ihrer Anlageflächen miteinander zu verschweißen. Eine Alternative zu dieser Verbindung besteht darin, die Kopplung benachbarter Kunststoffschaumkorper durch das ausgehärtete Benetzungsmaterial zu realisieren.
Da der Kunststoffschaummaterialkörper bzw. die Anordnung aufeinanderfolgender Kunststoffschaummaterialkörper bei noch nicht ausgehärtetem Benetzungsmaterial noch flexibel ist, läßt er bzw. sie sich in gekrümmte oder in sonstiger Weise geformte Formen einlegen (beispielsweise Krümmer- Formen oder dergleichen) , um dann in diesen Formen bei- spielsweise durch Brennen auszuhärten. Damit wird dem fertigen Produkt eine Form verliehen, die den platzsparenden Einbau in einer Mischeranlage oder einer Rohrleitung einer solchen Mischeranlage ermöglicht.
Bei dem Verfahren ist als besonders vorteilhaft herauszustellen, daß zur Herstellung der Kunststoffschaummaterialkörper auf die üblichen Herstellungsprozesse für Schäume zurückgegriffen werden kann. Die zumeist in Form von Blöcken hergestellten Schäume müssen lediglich zu Tafelmaterial verarbeitet werden, was dann erfindungsgemäß geschert wird, um die Kanäle einzubringen. Die Herstellung von Blockschaum ist recht kostengünstig, so daß insgesamt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die starren von Fluid durchströmbaren Körper verhältnismäßig kostengünstig hergestellt werden können, wobei man insbesondere auf die wohlbeherrschte Technologie der Schaumherstellung zurückgreifen kann. Es sind insbesondere keine besonderen Formen für die Schaumherstellung erforderlich. Man greift also im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auf ein Halbzeug, nämlich Kunststoffschaum-Tafelmaterial zurück, was extrem kostengünstig angeboten wird. Auch die weiteren Verfahrensschritte, insbesondere die Einbringung der schrägverlaufenden Kanäle erfolgt erfindungsgemäß auf einfache und produktionstechnisch kostengünstige Art und Weise.
Zur Herstellung des in dem Abgassystem verwendbaren
Mischers mit diesen durchziehenden Kanälen ist ferner ein weiteres vorteilhaftes Verfahren vorgeschlagen, bei dem in eine Form mindestens ein den Verlauf und die Form- gebung mindestens eines Kanals definierendes Einsatz- teil eingesetzt wird, in die Form ein Kunststoffschaummaterial eingebracht wird, so daß das mindestens eine Einsatzteil in dem nach Aushärtung flexiblen Kunststoffschaumkorper ein- gebettet ist, der Kunststoffschaumkorper aus der Form und das mindestens eine Einsatzteil aus dem Kunststoffschaumkörper entnommen werden, die Oberfläche des Kunststoffschaumkörpers mit einem aushärtbaren Benetzungsmaterial benetzt wird und das Kunststoffschaummaterial des mit Benetzungsmaterial benetzten Kunststoffschaumkörpers durch Erhitzen desselben entfernt wird, so daß ein von Fluid durchströmbarer, poröser, aus dem Benetzungsmaterial bestehender Körper entsteht.
Dieses Verfahren beruht auf dem Kerngedanken, in eine flexible Schaumstruktur zunächst diese durchziehende Kanäle einzubringen. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß ein den Verlauf des späteren Kanals darstellendes Einsatzteil von einem Kunststoffschaummaterial umschäumt und in dieses eingebettet wird. Alternativ können mehrere derartige Einsatzteile verwendet werden. Die Einsatzteile können eine sich in allen drei Dimensionen verändernde Struktur aufweisen, so daß letztendlich nicht nur geradlinige sondern auch krummlinige Kanäle erzeugt werden können. Das Kunststoffschaummaterial ist nach seiner Aushärtung flexibel, so daß die Einsatzteile aus dem Kunststoffschaummaterial herausgezogen werden können. Danach verbleibt also ein Kunststoffschaumkorper, der von ein oder mehreren geradlinig oder krummlinig verlaufenden Kanälen durchzogen ist, wobei die Kanäle aufgrund der porösen Struktur des Kunststoffschaummaterials untereinander verbunden sind. Bei dem Kunststoffschaummaterial handelt es sich zweckmäßigerweise entweder um offen- zelliges oder geschlossenzelliges Material. Insbesondere wird als Kunststoffschaummaterial Polyurethan eingesetzt.
Nachdem das oder die Einsatzteile aus dem Kunststoffschaumkörper herausgezogen worden sind, wird der Kunst- stoffschaumkorper mit einem Benetzungsmaterial benetzt. Diese Benetzung muß man sich derart vorstellen, daß die gesamte Oberfläche der Struktur des Kunststoff- schaumkörpers mit dem Benetzungsmaterial versehen ist . Vorzugsweise wird als Benetzungsmaterial Schlicker ein- gesetzt. Grundsätzlich ist es wichtig, daß das Benetzungsmaterial aushärtet, so daß nach dem Aushärten des Benetzungsmaterials ein selbständig tragfähiger benetzter Kunststoffschaumkorper entsteht, dessen Eigenformstabilität und Eigentragfähigkeit durch das Benetzungs- material gegeben ist. In dem so erstellten porösen Körper befinden sich also zum einen die Kanäle, deren Innenwände von dem Benetzungsmaterial benetzt sind, und zum anderen die Verbindungen zwischen benachbarten Kanälen. Anschließend wird dieser von ausgehärtetem Benetzungs- material benetzter Kunststoffschaumkorper so stark erhitzt, daß das Kunststoffschaummaterial durch Verbrennung entfernt wird.
Auf die oben beschriebene Weise lassen sich mit Kanälen versehene poröse Körper beliebiger Länge herstellen, und zwar auch dann, wenn die Kanäle Hinterschneidungen oder dergleichen dreidimensional sich verändernde Verläufe aufweisen. Ein derartiger Körper kann durch Aufbringen einer beispielsweise katalytisch wirkenden Schicht auch als Katalysator eingesetzt werden. Mit bzw. ohne diese zusätz- liehe Schicht läßt er sich in jedem Fall als chemischer Mischer einsetzen, der eine ihn durchziehende Strömung aus einem Fluidgemisch vergleichmäßigt und dadurch die Fluide vermischt . Der Vorteil eines derartigen Mischers (poröser Körper mit diesen durchziehenden Kanälen) besteht auch darin, daß sein Strömungswiderstand nur gering ist. Sicherlich würde man auch bei einem porösen Körper einen Fluiddurchsatz erzielen können, allerdings unter Entstehung eines wesentlich höheren Strömungswiderstandes, als dies bei dem nach einem der vorstehenden Verfahren hergestellten porösen Körper der Fall ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante kann der Mischer des Abgassystems hergestellt werden, indem eine wellenförmige flexible Matte aus Kunεtstoff- schaummaterial hergestellt wird, die Matte zu einem Kunststoffschaumkorper aufgewickelt wird, die Oberfläche des Kunststoffschaumkörpers mit einem aushärtbaren Benetzungsmaterial benetzt wird und - das Kunststoffschaummaterial des mit Benetzungsmaterial benetzten Kunststoffschaumkörpers durch Erhitzen desselben entfernt wird, so daß ein von Fluid durchströmbarer, poröser, aus dem Benetzungsmaterial bestehender Körper entsteht .
Bei dieser Herstellungsvariante wird eine wellenförmige flexible Matte aus offen- bzw. geschlossenzelligem Kunststoffschaummaterial erzeugt, die anschließend zu einem (Wickel-) Körper aufgewickelt wird. Der auf diese Weise entstandene Kunststoffschaummaterialkörper ist von Kanälen durchzogen, die zwischen den Tälern und Bergen benach- barter Wicklungen der wellenförmigen flexiblen Matte entstehen. Der Wickelkörper behält beispielsweise seine Wickelstruktur durch Einsatz eines Klebemittels bei.
Die Einsatzteile können starr oder vorzugsweise flexibel und/oder aufblasbar sein. Nachdem der Kunststoffschaumkorper hergestellt ist, können die bis dahin aufgeblasenen Einsatzteile entlüftet bzw. entspannt werden, um alsdann aus dem Kunststoffschaumkorper entfernt zu werden. Sofern die Einsatzteile nicht aufblasbar, jedoch flexibel sind, lassen sie sich auch infolge ihrer Flexibilität bequem aus dem Schaumstoff herausziehen.
Nach Herstellung dieses Wickelkörpers erfolgt wiederum die Benetzung mit Benetzungsmaterial, das anschließend aushärtet. Danach wird der so erstellte Körper erhitzt, um das Kunststoffschaummaterial zu entfernen. Die mit dem nach dieser Variante hergestellten porösen Körper erziel- baren Vorteile sind identisch zu den im Zusammenhang mit der ersten erfindungsgemäßen Variante beschriebenen Vorteilen. Zusätzlich kommt bei der zweiten Herstellungsvariante noch hinzu, daß das Herstellungsverfahren einfacher ist, da keinerlei Einsatzteile in Kunststoff- schaummaterial eingebettet werden und anschließend aus dem ausgehärteten und noch flexiblen Kunststoffschaummaterial herausgezogen werden müssen.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgassystems sowie mehrere Verfahren zur Herstellung des in dem Abgassystem angeordneten Mischers näher erläutert . Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgassystems mit innerhalb eines Katalysatorgehäuses angeordnetem Mischer, Fign . 2 bis 6 schematisch die einzelnen Herstellungsschritte zur Erzeugung eines von schrägverlaufenden Kanälen durchzogenen KunststoffSchaummaterialkörpers ,
Fig. 7 einen Schnitt durch einen aus mehreren gemäß den Fign. 2 bis 6 erzeugten Kunststoffschaummaterial - körpern aufgebauten Schaumkörper,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Kunststoff - schaumkörpers, teilweise aufgebrochen,
Fign. 9 bis 12 schematisch die einzelnen Herstellungsschritte zur Erzeugung eines von schrägverlaufenden Kanälen durchzogenen Kunststoffschaummaterialkörpers gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens,
Fign. 13 bis 17 die einzelnen Herstellungschritte zur Erzeugung des von Kanälen durchzogenen Kunststoffschaummaterialkörpers gemäß einem weiteren Ausführungs- beispiel ,
Fign. 18 und 19 die für die Herstellung eines flexiblen Kunststoffschaummaterialkörpers mit diesen durchziehenden Kanälen erforderlichen Formen bzw. Einsatzteile gemäß einem weiteren Ausführungs- beispiel und
Fign. 20 und 21 die Herstellung eines flexiblen Kunst- Stoffschaummaterialkörpers mit diesen durch- ziehenden Kanälen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel , nämlich in Wickeltechnik.
Ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine (Fig. 1) weist bei einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern vier Krummungsröhre 1 auf, die in einen Sammler 2 geführt sind. Der Sammler 2 ist mit einem Abgasrohr 3 verbunden durch das die Abgase aus dem Sammler 2 abgeführt werden. Mittels des Sammlers 2 werden somit sämtliche durch die Krummungsröhre 1 geleiteten Abgase zusammengeführt und in ein einziges Abgasrohr 3 geleitet. Bei mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschinen ist es ebenfalls bekannt, anstatt eines Sammlers, in den sämtliche Krummungsröhre geführt werden, mehrere Zwischen- sammler vorzusehen, in die beispielsweise jeweils zwei Krummungsröhre geführt sind. An die Zwischensammler ist sodann ein Sammler angeschlossen, in dem die aus den Zwischensammlern kommenden Rohre zusammengeführt werden.
Das Abgasrohr 3 ist mit einem Katalysator 4 verbunden, so daß die Abgase durch das Abgasrohr 3 in den Katalysator 4 geleitet werden. Der Auslaß des Katalysators 4 ist mit einem Endrohr des Abgassystems 5 verbunden, aus dem die Abgase austreten oder in sog. Auspufftopfe geleitet werden.
Der Katalysator 4 weist ein Katalysatorgehäuse 6 auf, in dem ein Mischer 7 und zwei Katalysatorelemente 8 angeordnet sind. Durch den Mischer 7, der sich über den gesamten Querschnitt des zylindrischen Katalysatorgehäuses
6 erstreckt, werden die in den Katalysator 4 aus dem Abgaskanal 3 einströmenden Verbrennungsgase gemischt . Ferner bewirkt der Mischer 7 eine Vergleichmäßigung des zeitlichen Druckverlaufs, der in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Öffnungszeitpunkten der Auslaßventile schwankt . Durch den Mischer 7 ist der Druckverlauf über den Querschnitt des Katalysatorgehäuses 6 und zeitlich homogenisiert. Zusätzlich wirkt der Mischer 7 als Filter, der unverbrannte Verbrennungsgemische aus dem Abgasstrom ausfiltert. Den Katalysatorelementen 8 wird daher ein über den Querschnitt und zeitlich homogensierter und von unverbrannten Verbrennungsgemischen freier Abgasstrom zugeführt . Die Katalysatorelemente 8 werden somit auch dann nicht beschädigt und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, wenn der Katalysator 4 direkt hinter dem Sammler 2 angeordnet ist .
Zusätzlich wird der Abgasstrom dadurch homogenisiert, daß der Durchmesser der Eintrittsöffnung, an der das Zuführrohr 3 in das Katalysatorgehäuse 6 mündet, kleiner ist als der Durchmesser des Katalysatorgehäuses 6 in Strömungs- richtung direkt nach der Eintrittsöffnung. Aufgrund dieser sprungartigen Durchmesservergrößerung tritt der Abgasstrom als Freistrahl in den Katalysator 4 ein und breitet sich in diesem bis zum Erreichen des Mischers 7 als Freistrahl aus. Unter Freistrahl wird eine Strömung verstanden, die nicht durch Rohrwände o. dgl . begrenzt ist und sich insofern in radialer Richtung frei ausbreiten kann.
Aufgrund des Vorsehens des Mischers 7 ist es auch möglich, den Sammler 2 und den Katalysator 4 zu einer Einheit zusammenzufassen .
Anhand der nachfolgenden Figuren werden unterschiedliche Herstellungsverfahren für den Mischer 7 aus porösem temperaturbeständigem Material beschrieben:
Für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren wird jeweils Schaum verwendet, der in seinen üblichen Produktionsgrößen (beispielsweise 60 m x 1 , 5 m x 0 , 8 m) als Block her- gestellt wird. Bei diesem Schaum handelt es sich insbesondere um geschlossenzelliges Material, das in einem zweiten an sich gängigen Verfahren mittels kontrollierter Druckwelle bzw. Explosion bearbeitet wird, so daß die geschlossenen Zellen des Schaums geöffnet werden. Auf diese Weise entsteht ein Block aus offenporigem Schaum.
Dieser Schaumblock wird in beispielsweise 25 mm dicke Schaummatten 10 (oben auch mit Schaumkörper oder Kunststoffschaummaterialkörper bezeichnet) geschnitten (Tafel- material) . Jede dieser Matten 10 wird bei dem Verfahren gemäß Fign. 2 bis 6 in ein Werkzeug 12 eingelegt, das zwei zueinander parallele und aufeinander zu sowie voneinander weg verfahrbare Andrück- bzw. Anlage-Lochplatten 14,16 aufweist. Die obere Lochplatte 14 liegt an der Oberseite 18 der Schaummatte 10 an, während die untere Lochplatte 16 an der Unterseite 20 der Schaummatte 10 anliegt. Diese Situation ist in Fig. 2 gezeigt.
Durch Bewegen mindestens einer der beiden Lochplatten 14,16 in der Ebene ihrer Erstreckung wird die Schaummatte 10 gemäß Fig. 3 geschert. Hierzu ist es erforderlich, daß die Platten 14,16 mit einer gewissen Haftreibung an der Schaummatte 10 anliegen. Beispielsweise ist es möglich, daß die Platten 14,16 Dorne oder dergleichen Vorsprünge aufweisen, die in die Ober- bzw. Unterseite 18,20 eintauchen und sich dort verhaken.
Nach dem Relativ-Verfahren der beiden Platten 14,16 fluchten die in der oberen Platte 14 eingebrachten Löcher 22 mit den Löchern 24, die in der unteren Platte 16 angeordnet sind. Anschließend werden die Platten 14,16 aufeinanderzubewegt, so daß die dazwischen angeordnete Schaummatte 10 im gescherten Zustand durch elastische Verformung kompensiert wird (in den Fign. 2 bis 12 nicht enthalten) . Jetzt kann ein Stanzwerkzeug 26 durch die miteinander fluchtenden Löcher 22,24 und der zwischen diesen angeordnete Schaummatte 10 hindurchgetrieben werden. Das Stanzwerkzeug 26 weist eine Halteplatte 28 mit insbesondere rohrförmigen Schneid- bzw. Stanzelemente 30 auf, die von der Halteplatte 28 entsprechend dem Muster und der Anordnung der Löcher 22 bzw. 24 abstehen. Mit diesen Schneid- bzw. Stanzelementen 30 lassen sich gemäß Fig. 3 erste Kanäle 32 in die gescherte Schaummatte 10 einbringen.
Nach diesem Vorgang werden die beiden Andrückplatten 14 , 16 wieder in ihre Ausgangsposition zurückbewegt, so daß die Schaummatte 10 wieder ihre ursprüngliche Form (entspannter Zustand) annimmt. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, laufen die in Richtung der Normalen zu der Ober- und Unterseite 18,20 der gescherten Schaummatte 10 in diese eingebrachten Kanäle 32 nun schräg, wobei der Winkel abhängig von der zuvor auf die Matte 10 aufgebrachten Scherung ist.
Der oben beschriebene Vorgang geschieht also in der Weise, daß die Schaummatte 10 zunächst von den Andrückplatten 14,16 mehr oder weniger stark zusammengedrückt und dann in Trapezform geschert wird. Danach wird der Stanzvorgang in Normalrichtung zur Ober- und Unterseite der Schaummatte 10 ausgeführt. Nach Zurückfahren des Stanzwerkzeuges 26 und nach Entspannen der Schaummatte 10 befinden sich in dieser die Kanäle 32, deren Ausrichtung im Winkel zur normalen der Ober- und Unterseiten der Schaummatte 10 verlaufen.
Nach dem obigen Verfahren wird eine erste Gruppe von in mehreren ersten Reihen 34 angeordneten ersten Kanälen 32 in die Schaummatte 10 eingebracht. Mehrere zweite Kanalreihen 36 mit zu den vorherigen Kanalreihen 34 jeweils entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Kanälen 38 werden dadurch erzeugt, daß die Schaummatte 10 zwischen den Andrückplatten 14,16 in zum vorherigen Verfahrensschritt entgegengesetzter Richtung geschert und die Kanäle 32 nach Komprimierung der Schaummatte 10 dann anschließend mittels des Stanzwerkzeuges 26, das quer zur Bewegung der Andrückplatte 14 bzw. 16 verfahren wird, eingebracht werden (Fig. 5) . So läßt sich die Schaummatte 10 mit einer Vielzahl von benachbarten Reihen 34,36 von Kanälen 32,38 durchsetzen, wobei die ersten Kanäle 32 ein und derselben Reihe jeweils parallel zueinander verlaufen und die zweiten Kanäle 38 benachbarter Reihen 36 entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind.
Aus den gemäß oben beschriebenen Verfahren hergestellten Schaummatten 10 werden Stücke ausgeschnitten, deren Form den Querschnitt des herzustellenden von Fluid zu durchströmenden Körpers entsprechen. Beispielsweise lassen sich aus den Schaummatten 10 Zylinderstücke 40 ausschneiden (Fig. 8) . Mehrere derartige Zylinderstücke 40 werden gemäß Fig. 7 in axialer Richtung aneinander gesetzt, so daß die so entstehende Zylinderstückanordnung 42 von Kanälen durchzogen ist, die abschnittsweise zickzackförmig und damit gegenläufig verlaufen.
In einem weiteren Schritt wird die gesamte Struktur 42 mit Schlicker benetzt, der anschließend aushärtet. Über den ausgehärteten Schlicker sind die einzelnen Zylinderstücke 40 miteinander verbunden und bilden eine einzige Einheit, nämlich den porösen Körper. Der Schlicker wird ausgebrannt, so daß ein Körper entsteht, der aus keramischem Schaum besteht. Dieser Körper weist keinerlei Kunststoffmaterial mehr auf, da dieses beim Brennen verdampft .
Ein alternatives Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines Schaumkörpers 10' mit diesen durchsetzenden ersten und zweiten Kanälen 32,38 wird nachfolgend anhand der Schema- Darstellungen gemäß den Fign. 9 bis 12 erläutert. Aus- gehend von einem Blockschaummaterial 44 werden in eine von dessen Außenflächen 46 erste Kanäle 32 eingebracht. Diese Kanäle 32 verlaufen im wesentlichen rechtwinklig zur Erstreckung der Außenfläche 46, in die sie eingebracht sind. Anschließend wird der Blockschaum 44 entlang der Linie 48 geschnitten. Nach Drehung des so geschnittenen Blockschaums 44 in Richtung des Pfeils 50 der Fig. 9 ergibt sich die Situation gemäß Fig. 10, in der die durch die Schnittlinie 48 definierte Schnittfläche 52 oben angeordnet ist und in einem spitzen Winkel zur Erstreckung der ersten Kanäle 32 verläuft.
In diese Schnittfläche 52 werden nun gemäß Fig. 11 zweite Kanäle 38 eingebracht, die wiederum im wesentlichen rechtwinklig zur Schnittfläche 52 verlaufen. Danach wird der derart von ersten und zweiten Kanälen 32,38 durchzogene Blockschaum 44 entlang der Linie 54 geschnitten. Nach Drehung des so geschnittenen Blockschaums 44 in Richtung des Pfeils 56 ergibt sich die Situation gemäß Fig. 12, in der die sich entlang der Schnittlinie 54 ergebende Schnittfläche 58 oben angeordnet ist. Durch entsprechendes Zuschneiden entsteht die Schaumstoffmatte 10', die von sich kreuzenden ersten und zweiten Kanälen 32,38 durchzogen ist.
Fig. 13 zeigt einen Längsschnitt durch eine zylindrische Form 11', die aus einer Hülse 12' und einem eines der beiden stirnseitigen Enden verschließenden Bodenteil 14' besteht. Vom Bodenteil 14' ragen eine Vielzahl von schlangenlinienförmigen, im wesentlichen zylindrischen
Verdickungen 16' auf, die, wie insbesondere anhand von Fig. 14 deutlich wird, in mehreren parallelen Reihen 18' nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die schlangenlinien- förmigen Verdickungen 16' einer jeder Reihe 18' sind durch dünne Verbindungsstege 20' miteinander verbunden. Diese dünnen Verbindungsstege 20' erstrecken sich wie die Verdickungen 16' über die gesamte axiale Länge der Form
11'. Diese dünnen Verbindungsstege 20' erstrecken sich auch von den der Hülse 12' jeweils benachbarten Verdickungen 16' bis zur Innenwand der Hülse 12'. Die Bodenplatte 14' mit den aufragenden Verdickungen 16' und den Verbindungsstegen 20' bildet ein Einsatzteil 22' zum Einsetzen in die Hülse 12' der Form 11' .
Wie insbesondere anhand von Fig. 14 zu erkennen ist, bilden sich zwischen benachbarten Reihen 18' von Verdickungen 16' und Verbindungsstegen 20' Hohlräume 24' . Diese Hohlräume 24' sind in dem in Fig. 15 bildlich dargestellten Schritt mit einem PU-Kunststoffschaummaterial 26' ausgefüllt. Dieses Kunststoffschaummaterial 26' bleibt auch nach seiner Aushärtung flexibel, so daß das gesamte Einsatzteil 22' aus der Form 11' herausgezogen werden kann, was in Fig. 17 dargestellt ist. Es entsteht auf diese Weise also ein PU-Formkörper 28', der diesen durchziehende Kanäle 30' aufweist, deren Verlauf durch den Verlauf der Verdickungen 16' bestimmt ist. '
Alternativ kann vorgesehen sein, daß das Kunststoffschaummaterial 26' zusammen mit den in diesem noch eingebetteten Einsatzteilen 22' aus der Hülse 12' herausgenommen wird, um erst danach die Einsatzteile 22' aus dem Kunststoff- schaummaterial 26' zu entnehmen. Grundsätzlich kann es zusätzlich von Vorteil sein, die Hülse 12' zweiteilig auszubilden, um den Entnahmevorgang des Kunststoffschaum- materials 26' ggf. zusammen mit den Einsatzteilen 22' zu erleichtern.
Anschließend wird dieser PU-Formkörper 28' aus der Hülse 12' der Form 11' entnommen und mit Keramikschlicker getränkt. Nach Aushärtung des Keramikschlickers wird der Keramikkörper erhitzt, so daß das Kunststoffschaummaterial durch Verdampfung entfernt wird. Das endgültige Produkt stellt dann einen keramischen Mischer dar, der von einzelnen Kanälen 30 durchzogen ist, die untereinander aufgrund der porösen Struktur des keramischen Mischers fluidmäßig verbunden sind.
In den Fign. 18 und 19 ist eine zur Form 11' alternative Form 11" gezeigt, die eine zylindrische Wandung 12' aufweist. Von einem der beiden stirnseitigen Enden aus sind in die Form 11" mehrere Einsatzteile 24" eingesetzt, die ein geradliniges schmales leistenförmiges Bodenteil 14" mit mehreren von diesem aufragenden schlangenlinien- förmigen und im Querschnitt im wesentlichen zylindrischen Verdickungen 16" aufweisen. Die einzelnen schlangenlinien- förmigen Verdickungen 16" können untereinander durch durchgehende Stege verbunden sein, wobei dies allerdings nicht zwingend erforderlich ist. Wie in der Darstellung gemäß Fig. 19 zu erkennen ist, liegen die einzelnen leistenförmigen Einsatzteile 14" dicht aneinander und füllen auf diese Weise den gesamten Querschnitt der Hülse 12" der Form 11" aus.
Die Verfahrensweise zur Herstellung eines keramischen Schaumkörpers unter Verwendung der Form 11" der Fign. 18 und 19 erfolgt analog dem im Zusammenhang mit den Fign. 13 bis 17 beschriebenen Herstellungsverfahren. Nach der Aushärtung des Kunststoffschaummaterials, das weiterhin flexibel ist, werden die einzelnen Einsatzteile 24" herausgezogen. Der auf diese Weise entstehende Kunststoff- schaumkorper wird dann mit keramischem Schlicker benetzt, und zwar durch Tränken, um nach Aushärtung zum Entfernen des Kunststoffschaummaterials erhitzt zu werden.
In den Fign. 20 und 21 ist eine weitere Alternative für ein Herstellungsverfahren eines keramischen Schaumkörpers dargestellt .
Diese Herstellungsvariante sieht zunächst die Herstellung einer gewellten Matte 60 aus flexiblem Kunststoff- schaummaterial vor. Diese Matte 60 weist winklig verlaufende geradlinige Vertiefungen 62 bzw. Erhebungen 64 auf. Durch Aufwickeln der Matte 60 zu einem Wickelkörper 66 (siehe Fig. 21) entsteht ein Gebilde aus Kunst- stoffschaummaterial, das in axialer Erstreckung von mehreren Kanälen 68 durchzogen ist. Der Wickelkörper 66 wird insbesondere durch Klebematerial in seiner Form zusammengehalten und mit keramischem Schlicker benetzt. Der nach Aushärtung so entstandene keramische Schaum wird erhitzt, um das Kunststoffmaterial durch Verdampfen zu entfernen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Sammler (2) , einem in Durchströmrichtung hinter dem Sammler (2) angeordnetes Katalysatorelement (8) und einem zwischen dem Sammler (2) und dem
Katalysatorelement (8) angeordneten Mischer (7) aus porösem, temperaturbeständigem Material.
2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) aus einem keramischen Schaumkörper besteht .
3. Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) eine Anzahl von ersten Kanälen (32) aufweist, die in einem Winkel zur Durchströmrichtung angeordnet sind.
4. Abgassystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) eine Anzahl von zweiten Kanälen
(38) aufweist, die sowohl in einem Winkel zu den ersten Kanälen (32) als auch in einem Winkel zur Durchströmrichtung angeordnet sind.
5. Abgassystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten bzw. zweiten Kanäle (32,38) jeweils in mindestens einer Reihe (34,36) angeordnet sind, wobei die Kanalreihen alternierend nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind.
6. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) zylindrisch ist und sich die Kanäle von einer Oberseite bis zu einer Unterseite des Mischers (7) erstrecken.
7. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) unmittelbar vor dem Katalysator (4) angeordnet ist.
8. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) innerhalb eines Katalysatorgehäuses (6) angeordnet ist.
9. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (7) und der Katalysator (4) unmittelbar hinter dem Sammler (2) angeordnet sind.
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