DE3007866C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen katalytischen Konverter für Brenn­ kraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher Konverter ist beispielsweise durch die US-PS 37 71 969 bekannt. Hier besitzt das der Nachbrennluft-Zufuhr dienende Rohr einen gleichmäßigen Durchmesser und erstreckt sich quer zum Abgasstrom. Die Nachbrennluft-Löcher sind in einer Reihe angeordnet. Dabei wurde festgestellt, daß eine ungleichmäßige Zuteilung der Nachbrennluft zu den Abgasen ein­ tritt. Zur einwandfreien Reinigung des Abgases ist aber eine weit­ gehend homogene Mischung der Abgase mit der Nachbrennluft anzu­ streben, damit eine vollständige Nachverbrennung erreicht wird.

Weiter ist aus DE-OS 22 01 996 eine Vorrichtung zur katalytischen Umwandlung zur Entfernung giftiger Verunreinigungen aus Auspuffgasen bekannt, bei der ein Rohr zur Zuführung von Nachbrennluft in Querrichtung zu dem Abgasstrom durch die Vorrichtung hindurch gelegt ist, das an eine Druckluftquelle anschließbar und mit einer Anzahl von Öffnungen versehen ist, um Nachbrennluft in den zweiten Teil der Wandlereinrichtung einzuleiten. Aus Fig. 2 ist andeutungsweise zu entnehmen (zwei Bezugsstriche bei 64), daß zwei Reihen von Nachbrennluft-Öffnungen vorgesehen sind.

Um die Verteilung der Nachbrennluft in dem oxidierenden Abschnitt des Katalysator-Wandlers zu verbessern, ist es aus DE-PS 26 08 843 bekannt, einen Ringkanal vorzusehen, aus dem heraus die einge­ blasene Nachbrennluft dem Zwischenraum zwischen den beiden Kataly­ satorabschnitten aus einer Vielzahl von ringförmig angeordneten Öffnungen zugeleitet wird, und zwar ist die Verteilung der Öffnungen dadurch etwa der Abgasverteilung angepaßt, daß die Querschnittsform des Ringkanals mit einem kurzen, sich verengenden Abschnitt und einem langen, sich erweiternden Abschnitt versehen ist und die Öffnungen, die hier auch Schlitze sein können, der Abgasverteilung in dem oxidierenden Katalysatorabschnitt entsprechend angepaßt werden. Die Bestimmung, wie die Luftdosierung festgelegt werden muß, wird hier in einem besonderen Versuch getroffen.

Der Erfindung liegt, ausgehend von einem Stand der Technik gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1, die Aufgabe zugrunde, eine besonders gleichmäßige Vermischung der zugeleiteten Nach­ brennluft mit den durch den katalytischen Konverter hindurch ge­ leiteten Abgasen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst. Durch das Einblasen der Luft entsteht in dem dem geschlossenen Ende des Rohres zu liegenden Abschnitt ein höherer Rückstau-Druck als in dem einblasseitigen Abschnitt des Rohres; durch die besondere Anordnung der Löcher in der dem Abgasstrom entgegengesetzten Richtung und die beiden Lochreihen quer zum Abgasstrom sowie durch die unterschiedliche Ausströmung aus den Loch­ reihen ist auf diese Weise eine gute und gleichmäßige Vermischung der Abgase mit der eingeblasenen Nachbrennluft gesichert.

Durch die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 2 wird eine besonders innige Vermischung der Abgase mit der Nachbrennluft erreicht, da das frühe Eintreten des Anteils der Nachbrennluft, der der Strömungsrichtung entgegengesetzt einströmt, bereits eine hohe Wirksamkeit der Oxidierung in den Anfangsbereichen des oxidierenden Konverterabschnittes bewirkt, und die quer zur Strömungsrichtung austretende Luft sich ebenfalls von Anfang an mit den den Wänden des Konverters entlang streichenden Abgasen vermischt.

Schließlich ergibt die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 3 ohne Einbuße der Mischungswirkung eine besonders einfache Her­ stellung des erfindungsgemäßen katalytischen Konverters.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt; es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen katalytischen Konverter,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 1, mit vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach Linie 5-7 in Fig. 3, und

Fig. 6 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung des Konverters.

Der Konverter enthält zwei monolithische Kata­ lysatorelemente 10 und 12, die hintereinander mit Abstand voneinander in einem Gehäuse 13 aus Metallblech angeordnet sind, und deren Stirnflächen 14 und 15 einander gegenüberliegen. Das Gehäuse 13 besteht aus zwei Schalen 16 und 18, die an ihren Enden Halbstutzen 20, 21 und 22, 23 aufweisen, die zu­ sammenpassen, so daß die Halbstutzen 20 und 22 eine zy­ lindrische Öffnung 24 zu einem sich erweiternden Kanal 25 bilden, der sich über die volle vordere Stirnfläche 26 des Katalysatorelementes 10 erstreckt. Die Halbstutzen 21 und 23 bilden eine zylindrische Öffnung 27 am anderen Ende des Ge­ häuses, von der ein sich erweiternder Kanal 28 zur hinteren Stirnfläche 29 des Katalysatorelements 12 sich erstreckt. Die Schalen 16 und 18 passen an ihren Längskanten mit abgewin­ kelten Flanschen 32, 33 und 34, 35 zusammen, die durch Schweiß­ nähte 36 und 37 dicht miteinander verbunden sind.

Zur Erleichterung des Einbaus des Konverters unterhalb der Bodenplatte eines Kraftfahrzeugs sind die Öffnungen 24 und 27 gemäß Fig. 1 etwas nach unten geneigt, sowie die Öffnung 27 gemäß Fig. 2 auch etwas seitlich geneigt. Ferner liegen die die Schalen verbindenden Flansche unterhalb der Mittellinie CL des Konverters (Fig. 1). Die untere Schale 18 ist somit flacher als die obere Schale 16. Dadurch liegen die tiefsten Punkte der Öffnungen etwas oberhalb des tiefsten Punktes des Konverters, während die obersten Punkte der Öffnungen beträchtlich unter dem höchsten Punkt des Konverters liegen. Die Öffnungen 24 und 27 nehmen Abgasrohre 38 bzw. 39 auf, die abgedichtet durch Schweißnähte 40 bzw. 41 verbunden sind und die Eingliederung des Konverters in die Abgasanlage ermöglichen, so daß die Abgase den Konverter vom Einlaß über das Katalysator­ element 10 und das Katalysatorelement 12 zum Auslaß durch­ strömen.

Die die Abgase behandelnden Katalysatorelemente 10 und 12 bestehen aus zerbrechlichem Werkstoff, beispielsweise Keramik, und weisen einen honigwabenartigen Querschnitt 42 auf mit elliptischem Umfang 43, so daß sich eine flache Bauart des Konverters ergibt, die seinen Einbau unterhalb der Bodenplatte des Fahrzeugs erleichtert, wo bekanntlich wenig Raumhöhe zur Verfügung steht. Die Katalysatorelemente 10 und 12 sind mit insgesamt dreifach wirkendem Katalysator bekleidet, durch den die das Gehäuse durchströmenden Abgase durch Reduktion und Oxi­ dation in bekannter Weise gereinigt werden.

Die Zufuhr der Nachbrennluft erfolgt durch ein Luftrohr 80 kreisförmigen Quer­ schnitts, das zwischen den Flanschen der Schalen 16 und 18 in den Bereich zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12 reicht. In den Flanschen 33 und 35 sind halbkreisförmige Aussparungen 82 und 84 gebildet, die eine kreisförmige Öffnung 85 (Fig. 3 und 4) zu dem Raum 86 innerhalb des Gehäuses zwischen den beiden Katalysator­ elementen 10 und 12 begrenzen. Gegenüber der Öffnung 85 ist im oberen Flansch 32 eine Aussparung 88 zur Aufnahme des Rohres 80 gebildet (Fig. 3 und 5), die drei Wände und einen ebenen Boden im Bereich der Berührungsfläche zwischen den Flanschen 32 und 34 aufweist.

Das Rohr 80 besteht wie die Schalen aus rost­ freiem Stahl oder einem anderen hochwärmefesten und korrosions­ festen Werkstoff. Es ist mit seiner offenen Mündung 90 in der Öffnung 85 befestigt und erstreckt sich durch den Raum 86 zwischen den beiden Katalysatorelementen 10 und 12, und sein geschlossenes Ende 92 wird in der Aussparung 88 abge­ stützt. Das Rohr 80 enthält über seine Länge verteilt Löcher 94 zur Zufuhr von Nachbrennluft in die Abgase. Um eine gleich­ mäßige Zuteilung der Luft zu den Abgasen zu erhalten, ist trotz der versetzten Trennebene der Schalen das Rohr 80 in die Mittelebene CL des Konverters gelegt. Die Öffnung 85 ist daher etwas nach oben geneigt und nimmt einen entsprechend abgewinkelten Teil 97 des Rohres 80 auf, der in der Mittelebene CL in einen horizontalen Teil 98 übergeht (Bogen 96).

Die Mündung 100 des Rohres 80 ist etwas erweitert und nimmt ein nicht dargestelltes Speiserohr für die Nachbrennluft auf. Der Rand 101 der Mündung liegt an den Rändern der Flansche 33 und 35 im Bereich der Öffnung 85, wo eine feste Verbindung durch eine Schweißnaht 104 hergestellt ist.

Das andere Ende 92 des Rohres 80 ist zusammenge­ quetscht und ist mit rechteckigem Querschnitt in der Aussparung 88 auf dem Boden abgestützt, wobei in Querrichtung ein Spiel 105 zur Seitenwand vorgesehen ist. Da die abge­ flachte Form nach unten versetzt am Rohr gebildet ist, ist der Versatz zur Trennebene zwischen den Schalen ausgeglichen.

Damit ist das Rohr 80 fest mit dem Gehäuse 13 ver­ bunden, ohne letzteres zu schwächen, andererseits gestattet das geschlossene Ende des Rohres, Wärmedehnungen auszugleichen, ohne die Dichtigkeit zu gefährden. Andererseits kann sich aber auch das Gehäuse im Bereich der Abstützung des Rohres 80 aus­ dehnen, um Wärmespannungen zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Zusammenbau des Konverters erleichtert ist, wie dies Fig. 6 veranschaulicht. Eine besondere Halterung des Rohres 80 ist beim Zusammenbau entbehrlich, wenn der Konverter bei der Montage mit seiner Unterseite nach oben zusammengebaut wird.

Bei derartig aufgebauten Konvertern hat man fest­ gestellt, daß Anordnung und Größe der Löcher im Luftrohr von ausschlaggebender Bedeutung für die Güte der Abgasreinigung sind, da es hierzu auf eine möglichst homogene Mischung der Luft mit den Abgasen ankommt.

Es sind daher die Löcher 94 in drei geraden, längs des Rohres 80 verlaufenden Reihen 110, 112 und 114 angeordnet, die in Umfangsrichtung Abstand voneinander haben. Die Löcher 94 T in den Reihen 110 und 112 haben axialen Abstand voneinander, der gleich groß ist, liegen diametral einander gegenüber und münden in Querrichtung des Konverters, also senkrecht zum Abgasstrom an beiden Seiten des Rohres 80. Die Löcher 94 U der Reihe 114 münden entgegengesetzt zum Abgasstrom und liegen in axialer Richtung zwischen den Löchern 94 T in den Reihen 112 und 114.

In derartigen kurzen und geraden Rohren folgt die Luft dem Weg des geringsten Widerstands. Der Druck im Rohr nimmt in Richtung auf das geschlossene Ende des Rohres 80 zu. Um eine gleichmäßige Verteilung der austretenden Luft zu erhalten, sind die Löcher in den Reihen entsprechend ihrer axialen Lage im Rohr mit unterschiedlichem Querschnitt ausgebildet, damit jeweils gleiche Durchsatzmengen erreicht werden. In Richtung des zunehmenden Drucks im Rohr ist daher fortschreitend ein kleinerer Querschnitt erforderlich. Dies allein wurde jedoch als noch nicht ausreichend erkannt. Es ist daher auch eine Abstimmung der Größe der Löcher 94 U zu den Löchern 94 T wesentlich, und zwar in dem Sinne, daß die Luftmenge durch die Löcher 94 U wesentlich geringer zu wählen ist als die durch die in Querrichtung mündenden Löcher 94 T. Bei einem Luftdurchsatz durch den Konverter von 184,05 bis 283,16 l/min wurde eine zufrieden­ stellende Mischung zwischen Luft und Abgas erreicht, wenn 10 bis 20% der Luft gleichmäßig durch die entgegen dem Ab­ gasstrom gerichteten Löcher 94 U zugeleitet wird, und die restliche Luft gleichmäßig durch die Löcher 94 T. Bei einem Konverter waren zehn Löcher 94 T _1-10 in jeder Reihe 110 und 112 gebildet, während die Reihe 114 neun Löcher 94 U _1-9 enthielt (Fig. 3). Beste Ergebnisse wurden bei einer Luftzufuhr von 15% durch die Löcher 94 U und von 85% durch die Löcher 94 T erzielt.

Die Durchmesser der Löcher waren hierbei gemäß der nach­ stehenden Tafel gewählt. Abweichend von der beschriebenen Bauart wurden allerdings Gruppen von Löchern mit gleichem Durchmesser verwendet.

Die nachstehenden Werte geben Aufschluß über den Durchfluß durch die einzelnen Löcher. Bei einem Durchsatz von 226,5 l/min treten in jedem Loch 94 T _1-10 etwa 9,911 l/min und in den Löchern 94 U _1-9 etwa 3,398 l/min Luft aus.

Ferner wurde festgestellt, daß zum vollständigen Vermischen von Luft und Abgasen vor dem Eintritt in das zweite Katalysatorelement 12 ein Mindestabstand des Rohres 80 von jenem einzuhalten ist. Dieser wurde mit etwa 19,05 mm ermittelt, so daß unter Umständen das Rohr näher zum vorderen Katalysatorelement 10 anzuordnen ist.

Die Anordnung der Reihen 110 und 112 läßt zu, daß ihre Löcher in einem Arbeitsgang durchgebohrt werden. Die im letzten Beispiel erwähnten Gruppen von Löchern gleichen Durchmessers verringern die Zahl der benötigten unterschiedlichen Werkzeuge.

Claims (3)

1. Katalytischer Konverter für Brennkraftmaschinenabgase mit einem oxidierenden Katalysator, der in einem Gehäuse untergebracht ist, durch das sich ein im wesentlichen gerades, einseitig geschlossenes Rohr zur Zufuhr von Nachbrennluft durch in Längsrichtung des Rohres mit Abstand voneinander angeordnete Löcher zumindest annähernd quer zum Abgasstrom erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (80) drei in Längsrichtung des Rohres ver­ laufende Lochreihen (110, 112, 114) aufweist, wobei die Löcher (94 U) der einen Lochreihe (114) in der Richtung entgegengesetzt dem Abgasstrom münden, und die Löcher (94 T) der beiden anderen, diametral zueinander liegenden Reihen (110, 112) senkrecht zum Abgasstrom münden, und daß die Löcher der drei Reihen in Richtung auf das geschlossene Ende (92) des Rohres fortschreitend geringeren Querschnitt aufweisen, und die Löcher der Reihen so aufeinander abgestimmt sind, daß in den beiden Reihen mit den senkrecht zum Abgasstrom mündenden Löchern im wesentlichen gleiche, aber größere Luftmengen als aus der Reihe mit den gegen den Abgasstrom mündenden Löchern austreten.

2. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Löcher (94 U, 94 T) der Reihen (114, 110, 112) im wesentlichen im gleichen Abstand voneinander längs des Rohrs (80) angeordnet sind und die Reihen (110, 112) mit den senkrecht zum Abgasstrom mündenden Löchern (94 T) 80 bis 90% und die andere Reihe (114) 20 bis 10% der Gesamtluftmenge durchlassen.

3. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reihen aus Gruppen von Löchern gleichen Querschnitts bestehen, und der Querschnitt der Löcher gruppenweise in Richtung auf das geschlossene Ende (92) des Rohres (80) abnimmt.