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Dokumentenidentifikation DE10009124B4 23.10.2008
Titel Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine
Anmelder Volkswagen AG, 38440 Wolfsburg, DE
Erfinder Heckmann, Michael, 34134 Kassel, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10179 Berlin
DE-Anmeldedatum 26.02.2000
DE-Aktenzeichen 10009124
Offenlegungstag 30.08.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.10.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.10.2008
IPC-Hauptklasse F01N 3/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Um ein bei einem Verbrennungsprozess in einer Verbrennungskraftmaschine erzeugtes Abgas zu reinigen, ist es bekannt, Katalysatoren in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Diese sind im Wesentlichen aus einem Katalysatorgehäuse aufgebaut, welches beidseitig mit dem Abgaskanal verbindbar ist und einen Katalysatorträger beherbergt. Als Trägermaterial kommen heute meist keramische oder metallische Monolithe zum Einsatz. Der Katalysatorträger bildet eine Vielzahl von Kanälen aus, die von dem zu reinigenden Abgas durchströmt werden. Eine Oberfläche des Trägers ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen, welche eine katalytisch aktive Substanz, häufig ein Edelmetall (Pt, Rh, Pd), enthält. Die aktive Beschichtung unterstützt die Umsetzung von Schadstoffen des Abgases in weniger umweltrelevante Produkte, so dass ein von einer Verbrennungskraftmaschine kommendes Abgas an der Oberfläche des Katalysatorträgers gereinigt wird.

Aus Gründen einer Bauraumbeschränkung haben Katalysatoren häufig einen gekrümmten Einlassstutzen. Dieser führt zu einer sehr ungleichmäßigen Strömungsverteilung des Abgases auf eine Anströmfläche des Katalysatorträgers, so dass dieser mit örtlich stark variierenden Strömungsgeschwindigkeiten vom Abgas durchströmt wird. Eine ungleichmäßige Strömungsverteilung setzt jedoch einen Wirkungsgrad des Katalysators hinsichtlich der Schadstoffkonvertierung herab.

Aus der WO 98/07967 (DE 196 33 563 A1) ist eine Leitvorrichtung bekannt, welche in einem im Strömungsverlauf längeren Außenabschnitt des gekrümmten Einströmstutzens angeordnet ist. Diese insbesondere als eingedrückter Gehäuseabschnitt ausgebildete Leitvorrichtung erzeugt eine Abrisskante für den Abgasstrom und verbessert somit zwar die Gleichmäßigkeit der Anströmung des Katalysatorträgers, indem sie für eine verstärkte Anströmung des im Krümmungsbereich innenliegenden Abschnittes sorgt. Insgesamt ist das Strömungsprofil jedoch noch immer inhomogen. Ferner bewirkt die Ausgestaltung der Leitvorrichtung eine örtliche Verringerung des Strömungsquerschnittes und sorgt somit für eine unerwünschte Erhöhung des Abgasgegendrucks und für Turbulenzen.

JP 60-169 619 A offenbart eine Mehrzahl von äquidistant und parallel zueinander im Einlassbereich eines Abgaskatalysators angeordneten Strömungselementen in Form von Rippen, welche die Leistung des Katalysators erhöhen sollen. Eine ähnliche Anordnung ist aus CH 679 236 A5 bekannt, wo ein Abgas einer stationären Gasturbine durch in einem Umlenkkrümmer angeordneten Schaufelgitter, die gleichmäßig zueinander beabstandet sind, geleitet wird, bevor es einem nachgeschalteten Katalysator zugeführt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Katalysator der gattungsgemäßen Art mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen, der die Nachteile des beschriebenen Technikstandes überwindet. Insbesondere soll die Anströmung des Katalysators noch weiter homogenisiert werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Katalysator mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Indem in einem Krümmungsbereich eines Einleitstutzens wenigstens ein Strömungselement derart angeordnet ist, dass Leitflächen des wenigstens einen Strömungselementes und eine Wandung des Einleitstutzens Strömungskanäle ausbilden, die ein Abgas auf eine Anströmfläche des Katalysatorträgers leiten, wird eine gleichmäßige Strömungsverteilung des Abgases auf den Katalysatorträger und somit ein erhöhter Wirkungsgrad des Katalysators erreicht. Auf diese Weise lässt sich herstellungstechnisch sehr einfach eine Emission nicht konvertierter Schadstoffe senken, ohne die grundsätzliche Gestaltgebung des Katalysators zu verändern. Ferner fördert die spezielle Anordnung des wenigstens einen Leitelementes einen laminaren Stromfluss und führt zu praktisch keiner Erhöhung des Abgasgegendrucks. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass ein Strömungsquerschnitt eines in einem Außenabschnitt des Krümmungsbereiches des Einleitstutzens angeordneten Strömungskanals sich relativ zu einem Strömungsquerschnitt eines in einem Innenabschnitt des Krümmungsbereiches angeordneten Strömungskanals in Strömungsrichtung stärker erweitert. Durch diese Maßnahme wird eine Strömungsgeschwindigkeit in einem innenliegenden Strömungskanal gegenüber einem außenliegenden Strömungskanal erhöht, so dass das Strömungsprofil hinsichtlich einer möglichst gleichmäßigen Durchströmung des Katalysatorträgers noch weiter optimiert wird.

In einer stark bevorzugten Ausgestaltung erweitern sich die Strömungskanäle in Strömungsrichtung des Abgases konisch. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Strömungskanäle in dem sich konisch in Richtung des Katalysatorträgers erweiternden Einleitstutzen Strömungswiderstände aufbauen, welche die Strömungsgeschwindigkeit absenken würden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Katalysators weist das wenigstens eine Strömungselement eine lamellenartige Gestaltung auf, wobei zwei Längsseiten des Strömungselementes mit der Wandung des Einleitstutzens abschließen.

In einer abweichenden Ausführungsvariante ist das wenigstens eine Strömungselement röhrenförmig ausgestaltet. Dabei kann, wenn mehr als ein Strömungselement vorgesehen ist, ihre Anordnung parallel nebeneinander oder koaxial ineinanderliegend erfolgen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform endet das wenigstens eine Strömungselement berührungslos vor der Anströmfläche des Katalysatorträgers, so dass ein Aufbau einer mechanischen Spannung zwischen Strömungselement und Katalysatorträger aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine unerwünschte Geräuschentwicklung vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Katalysator ist herstellungstechnisch sehr einfach realisierbar. Beispielsweise kann das wenigstens eine Strömungselement mit der Wandung des Einleitstutzens durch einfache Verschweißung verbunden werden. Abweichende Verbindungstechniken sind selbstverständlich ebenso denkbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Katalysators mit zwei lamellenartigen Strömungselementen in einem Längsschnitt;

2 eine Anordnung der zwei lamellenartigen Strömungselemente im Katalysator aus 1 in zwei unterschiedlichen Querschnittsansichten;

3 eine Prinzipdarstellung einer Herstellung eines erfindungsgemäßen Einleitstutzens und

4 eine Prinzipdarstellung einer Herstellung eines Einleitstutzens gemäß einer abweichenden Ausführung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnittes eines erfindungsgemäßen Katalysators 10. Der Katalysator 10 umfasst einen in einem Katalysatorgehäuse 12 angeordneten Katalysatorträger 14, einen motorseitig angeordneten, hier insgesamt mit 16 bezeichneten Einleitstutzen sowie einen auslassseitig angeordneten Auslassstutzen 18. Um den Abgasgegendruck durch den Katalysatorträger 14 nicht zu stark zu erhöhen, ist ein Durchmesser des Katalysatorgehäuses 12 gegenüber einem Durchmesser des hier nicht weiter dargestellten Abgaskanals erweitert. Infolgedessen weisen Einleit- und Auslassstutzen 16, 18 eine trichterförmige, sich in Richtung des Katalysatorträgers 14 erweiternde Gestaltung auf. Der Einleitstutzen 16 mündet motorseitig in ein Abgasrohr 20, dessen Längsachse 22 um einen Krümmungswinkel &agr; gegenüber einer Längsachse 24 des Katalysatorträgers 14 geneigt angeordnet ist. Der Krümmungswinkel &agr; kann eine Größe zwischen 90° und 180° einnehmen.

Die gekrümmte Gestaltung des Einleitstutzens 16 ist strömungstechnisch äußerst nachteilig, da ein von einer Verbrennungskraftmaschine kommendes Abgas den Katalysatorträger 14 sehr ungleichmäßig durchströmt. So ergibt eine Strömungsverteilungsmessung an einem konventionellen Katalysator in einem in der 1 unten dargestellten Bereich des Katalysatorträgers 14 eine 10- bis 20fach höhere Strömungsgeschwindigkeit als im oberen Bereich des Katalysatorträgers 14. Infolgedessen wird der obere Bereich des Katalysators praktisch kaum zur Abgaskonvertierung genutzt, während im unteren Bereich aufgrund der kurzen Verweildauer des Abgases eine Wirksamkeit des Katalysators herabgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil überwunden, indem wenigstens ein Strömungselement 28 in dem Krümmungsbereich des Einleitstutzens 16 angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel sind dies zwei lamellenartig ausgestaltete Strömungselemente 28. In diesem Fall werden zwischen den Leitflächen 30 der Strömungselemente 28 und der Wandung des Einleitstutzens 16 drei Strömungskanäle ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung konisch erweitern. Die Strömungselemente 28 bewirken eine gleichmäßigere Verteilung des Abgasstroms auf die Anströmfläche 26 des Katalysatorträgers 14. Ein Strömungsquerschnitt des an einen – auf den Strömungsverlauf bezogen – längeren Außenabschnitt 32 des Krümmungsbereiches des Einleitstutzens 16 angeordneten Strömungskanals erweitert sich im Verhältnis zu dem Strömungsquerschnitt des an einen kürzeren Innenabschnitt 34 angeordneten Strömungskanals stärker. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem innenliegenden Strömungskanal gegenüber dem außenliegenden Strömungskanal weiter erhöht und eine noch homogenere Strömungsverteilung auf die Anströmfläche 26 erzielt werden.

2 zeigt zwei Querschnittsansichten der in 1 gezeigten Anordnung entlang der Schnittebenen a–a' und b–b'. Dabei befindet sich die Ebene a–a' in einem motornahen Bereich des Einleitstutzens mit einem geringen Strömungsquerschnitt und die Ebene b–b an einer motorfernen Position mit erweitertem Querschnitt. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet und sollen hier im Einzelnen nicht noch einmal erwähnt werden. An der motornahen Position (Schnittebene a–a') weisen die drei Strömungskanäle, die zwischen den Leitflächen 30 der Strömungselemente 28 und der Wandung des Einleitstutzens 16 ausgebildet werden, annähernd gleiche Querschnittsflächen auf. In Strömungsrichtung eines Abgasstroms erweitern sich die Strömungskanäle konisch. Dabei zeigt die Querschnittsansicht der motorfernen Schnittebene b–b' die verhältnismäßig stärkere Aufweitung des in dem längeren Außenabschnitt 32 angeordneten Strömungskanals gegenüber dem in dem kürzeren Innenabschnitt 34 angeordneten Strömungskanal. Wie bereits oben erläutert wurde, können durch diese Anordnung der Strömungselemente 28 die Strömungsverhältnisse im Sinne einer homogenen Geschwindigkeitsverteilung optimiert werden. Die optimale Anordnung und Form der Strömungselemente 28 kann theoretisch durch CFD-Berechnungen oder empirisch durch Strömungsverteilungsmessungen ermittelt werden.

Ein Einleitstutzen 16 für einen erfindungsgemäßen Katalysator 10 kann mit an sich bekannten Bearbeitungsverfahren, beispielsweise in Tiefziehtechnik oder durch Innenhochdruckumformung, hergestellt werden. Ein besonders einfacher Herstellungsprozess ergibt sich, wenn der Einleitstutzen 16 aus einer oberen und unteren Schale zusammengesetzt wird. 3 zeigt das Prinzip der Herstellung eines Einleitstutzens 16 mit einem lamellenartigen Strömungselement 28 in einer Strömungsquerschnittsansicht. Beim Zusammenbau des Einleitstutzens 16 wird das Strömungselement 28 zwischen eine Oberschale 36 und eine Unterschale 38 gelegt und an den beiden Längsseiten des Strömungselementes 28 in einem Arbeitsgang verschweißt. Die Positionen der Schweißnähte sind in 3 durch Pfeile gekennzeichnet.

Ein abweichendes Herstellungsverfahren des Einleitstutzens 16 ist in 4 dargestellt. Gemäß dieser Ausführung ist die Oberschale 36 und das Strömungselement 28 einteilig ausgebildet. Diese einteilige Oberschale lässt sich beispielsweise durch Innenhochdruckumformen aus einem trichterförmigen Rohrelement herstellen, wobei durch eine einseitige Abflachung des Rohrelementes das Strömungselement 28ausgebildet wird. Die Unterschale 38 wird im nachfolgenden Schritt an den mit Pfeilen gekennzeichneten Positionen mit der einteiligen Oberschale 36 verschweißt. Grundsätzlich können sowohl die Oberschale 36 als auch die Unterschale 38 den Außenabschnitt 32 oder den Innenabschnitt 34 des Einleitstutzens 16 ausbilden.

Insgesamt bewirkt die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung eine homogene Strömungsverteilung des Abgasstromes auf den Katalysatorträger 14. Infolgedessen wird ein deutlich besserer Wirkungsgrad des Katalysators hinsichtlich der Schadstoffkonvertierung gegenüber einem Katalysator gemäß dem Stand der Technik erreicht. Somit kann das Katalysatorvolumen bei konstanter Konvertierungsleistung reduziert werden. Auf diese Weise können nicht nur Materialkosten, insbesondere die des Edelmetalls, sondern auch Bauraum eingespart werden. Auf der anderen Seite kann, bei konstantem Katalysatorvolumen, die Schadstoffemission durch die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung auf einfach zu realisierende Weise vermindert werden.

10
Katalysator
12
Katalysatorgehäuse
14
Katalysatorträger
16
Einleitstutzen
18
Auslassstutzen
20
Abgasrohr
22
Längsachse des Abgasrohres
24
Längsachse des Katalysatorträgers
26
Anströmfläche
28
Strömungselement
30
Leitfläche
32
Außenabschnitt
34
Innenabschnitt
36
Oberschale
38
Unterschale
&agr;
Krümmungswinkel
a–a'
motornahe Schnittebene
b–b'
motorferne Schnittebene


Anspruch[de]
Katalysator (10) zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine mit einem in einem Katalysatorgehäuse (12) angeordneten Katalysatorträger (14), einem stromauf des Katalysatorträgers (14) angeordneten, sich in Strömungsrichtung erweiternden Einleitstutzen (16), der ein mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbares Abgasrohr (20) umfasst, wobei eine Längsachse (22) des Abgasrohres (20) gegenüber einer Längsachse (24) des Katalysatorträgers (14) um einen Krümmungswinkel (&agr;) geneigt ist und wobei in einem Krümmungsbereich des Einleitstutzens (16) wenigstens ein Strömungselement (28) derart angeordnet ist, dass Leitflächen (30) des wenigstens einen Strömungselementes (28) und eine Wandung des Einleitstutzens (16) Strömungskanäle ausbilden, die ein Abgas auf eine Anströmfläche (26) des Katalysatorträgers (14) gleichmäßig verteilen, und wobei wenigstens ein Teil der Strömungskanäle sich in Strömungsrichtung erweitert und ein Strömungsquerschnitt eines in einem Außenabschnitt (32) des Krümmungsbereiches des Einleitstutzens (16) angeordneten Strömungskanals relativ zu einem Strömungsquerschnitt eines in einem Innenabschnitt (34) angeordneten Strömungskanals in Strömungsrichtung stärker erweitert. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Strömungskanäle sich in Strömungsrichtung konisch erweitert. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungselement (28) lamellenartig ausgestaltet ist. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungselement (28) röhrenförmig ausgestaltet ist. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungselement (28) berührungslos vor der Anströmfläche (26) des Katalysatorträgers (14) endet. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (28) mit der Wandung des Einleitstutzens (16) verschweißt ist.






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