DE10143806B4

DE10143806B4 - Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10143806B4
Application number: DE10143806A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Ing. Dürr (FH); Joachim Dipl.-Ing. Karwath (FH); Gerd Dipl.-Ing. Tiefenbacher
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: FR2829182A1; US6698193B2; US20030061806A1; DE10143806A1; FR2829182B1

Abstract

Abgasreinigungsanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Katalysatorgehäuse (2) mit zugeordnetem Abgaskatalysator (3) und einer Einlassöffnung (4a, 4b) zum Anschluss einer Abgasrohrleitung (5a, 5b), dadurch gekennzeichnet, dass ein Drosselelement (6) im Katalysatorgehäuse (2) derart angeordnet ist, dass durch das Drosselelement (6) eine zwischen Drosselelement (6) und Einlassöffnung (4a, 4b) liegende erste Reaktionskammer (7) und eine zwischen Drosselelement (6) und Abgaskatalysator (3) liegende zweite Reaktionskammer (8) gebildet ist, wobei das Drosselelement (6) als Blende mit einer gleichmäßigen Perforation gestaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 31 20 212 A1 ist eine von Gas durchströmte Vorrichtung mit einem Eingangstrichter mit einander gegenüberliegenden Eindellungen bekannt. Die Eindellungen dienen zur Vergleichmäßigung der Strömung oder zur Erzielung einer gewünschten Strömungsverteilung über den Gaseinlaufquerschnitt ohne dass dabei nennenswerte Verluste auftreten. Als von Gas durchströmte Vorrichtung kommen hauptsächlich Filter oder katalytische Behandlungsvorrichtungen bzw. Abgaskatalysatoren in Frage. Daneben sind Diffusoren verschiedenster Art bekannt, welche ebenfalls unter Vermeidung eines nennenswerten Druckabfalls zur Vergleichmäßigung von Gasströmungen eingesetzt werden.
Abgaskatalysatoren in Kraftfahrzeugen sind einerseits insbesondere bei motornahem Einbau besonderen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, sollen andererseits aber auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen seitens des Motors, wie z.B. bei niedrigen Abgastemperaturen, eine hohe Wirksamkeit besitzen. Insbesondere bei hoher Last weisen die Motorabgase eine hohe Temperatur auf und können eine unerwünschte Katalysatoralterung bewirken. Unter diesen Bedingungen enthalten die Motorabgase zudem aufgrund einer Gemischanfettung unvollständig verbrannte Bestandteile und auf Grund einer unvollständigen Verbrennung einen gewissen Restsauerstoffanteil. Somit ergibt sich eine Reaktivität des Abgases, was das Ablaufen von exothermen Nachreaktionen im Katalysator, insbesondere in dessen Eintrittsbereich, zur Folge haben kann. Die damit verbundene Wärmefreisetzung verstärkt die thermische Belastung des Katalysators und kann dessen Zerstörung verursachen. Bei motornahem Einbau werden Abgaskatalysatoren bei hohen Gasgeschwindigkeiten ferner durch Gasstöße mechanisch belastet. Diese Gasstöße sind Folge von Ladungswechselvorgängen des Motors und üben eine erodierende und abrasive Wirkung auf die katalytische Beschichtung des Abgaskatalysators aus, was dessen Lebensdauer ebenfalls verringert. Für eine gute Wirkung bei ungünstigen Betriebsbedingungen, wie z.B. bei Motorkaltstart oder Motorwarmlauf ist außerdem eine hohe Katalysatorwirksamkeit gefordert, weshalb eine möglichst gute Katalysatorausnutzung bzw. Gleichverteilung der Abgasströmung auf die Katalysatoreintrittsfläche gegeben sein sollte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsanlage anzugeben, mit der ein verbesserter und sichererer Betrieb des zugeordneten Katalysators ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist im Katalysatorgehäuse der Abgasreinigungsanlage ein Drosselelement derart angeordnet, dass durch das Drosselelement eine zwischen Drosselelement und Einlassöffnung des Katalysatorgehäuses liegende erste Reaktionskammer und eine zwischen Drosselelement und Abgaskatalysator liegende zweite Reaktionskammer gebildet ist, wobei das Drosselelement als Blende mit einer gleichmäßigen Perforation gestaltet ist. In diesen Reaktionskammern können Nachreaktionen von unvollständig verbrannten Kraftstoffbestandteilen mit Restsauerstoffanteilen im Abgas ablaufen. Im Unterschied zu einem Diffusor wird durch das Drosselelement einerseits eine gewisse Aufstauung des Gasstromes stromaufwärts des Drosselelementes in der ersten Reaktionskammer bewirkt, und zum anderen eine Vermischung und Ver wirbelung des Gasstromes stromabwärts in der zweiten Reaktionskammer bewirkt. Durch die Gestaltung des Drosselelementes als Blende mit einer gleichmäßigen Perforation wird eine gleichmäßige Vermischung des Abgases in der zweiten Reaktionskammer erzielt, was den Ablauf von Nachreaktionen verbessert, eine Gleichverteilung der Gasströmung auf die Katalysatoreingangsfläche und ein gleichmäßiges Abfangen von Gasstößen bewirkt.
In Ausgestaltung der Erfindung weist das Drosselelement eine entgegen der Strömungsrichtung gewölbte Wandung auf. Dadurch wird zum einen eine erhöhte mechanische Stabilität erreicht und zum anderen können die durch die Temperaturbelastung unvermeidbaren Wärmedehnungen in vorteilhafter Weise aufgenommen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Drosselelement als Lochblech aus hochtemperaturbeständigem und/oder oder katalytisch wirksamem Metall gestaltet. Die Ausführung des Drosselelementes als Lochblech ist aus fertigungstechnischen Gründen besonders vorteilhaft. Wegen der hohen Temperaturbelastung des hauptsächlich im motornahen Bereich eingesetzten Katalysatorgehäuses ist das Lochblech z.B aus einem hochlegierter Stahl gefertigt. Hochlegierte Stähle weisen häufig katalytische Eigenschaften auf, wodurch das Ablaufen von Nachreaktionen an der Oberfläche des Lochbleches gefördert wird. Durch eine geeignete Wahl des Metallwerkstoffes können dessen katalytischen Eigenschaften in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Drosselelement als thermische Abschirmung zwischen der Einlassöffnung des Katalysatorgehäuses und dem Katalysator gestaltet. Durch die Abtrennung zwischen erster und zweiter Reaktionskammer wirkt das Drosselelemnt als Abschirmung vor der in der ersten Reaktionskammer durch Nachreaktionen verursachten Wärmefreisetzung. Die freigesetzte Wärme wird über das Drosselelement an die Wandung des Katalysatorgehäuses abgeführt und zudem die direkte Einwirkung von Wärmestrahlung, welche von der ersten Reaktionskammer ausgeht, auf den Katalysator vermieden.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt in einer Skizze die beispielhafte Ausführung einer Abgasanlage.
Eine Abgasreinigungsanlage 1 weist ein Katalysatorgehäuse 2 auf, welches in der Figur teilweise aufgeschnitten skizziert ist. Die von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgase werden von zwei Abgaskrümmern 10a, 10b aufgenommen und von Abgasrohrleitungen 5a, 5b weitergeleitet. Über die Abgasrohrleitungen wird das Abgas weiter über zwei Einlassöffnungen 4a, 4b dem Katalysatorgehäuse 2 und einem darin angeordneten Abgaskatalysator 3 zugeführt. Nach durchströmen des Katalysators 3 werden die Abgase über einen Auslassrohrstutzen 9 aus dem Katalysatorgehäuse 2 abgeleitet.
Der Katalysator 3 ist hier als Wabenkörper ausgeführt und dient als Startkatalysator bzw. Vorkatalysator in einer Abgasanlage 1, die nachgeschaltet hier ebenfalls nicht dargestellte weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen beinhalten kann. Entsprechend dieser Funktion ist die Abgasreinigungsanlage 1 relativ motornah angeordnet, weshalb Wärmeverluste über die entsprechend kurzen Zuleitungen 10a, 10b, 5a, 5b zum Katalysatorgehäuse 2 gering sind. Dies ist einerseits wichtig, um z.B. bei einem Motorwarmlauf mit relativ kaltem Abgas ein weiteres Abkühlen zu vermeiden und somit ein frühes Ansprechen des Katalysators 3 zu erzielen. Aus demselben Grund sollte eine möglichst vollständige Ausnutzung des Katalysators 3, das heißt eine möglichst gute Gleichverteilung des Abgasstromes auf seine Eintrittsfläche gewährleistet sein. Andererseits bedingt der motornahe Einbau des Katalysators, insbesondere bei hoher Motorlast, eine hohe thermische Belastung. Bei Vollast können die Abgasaustrittstemperaturen 1000° C und mehr erreichen. Mit zunehmender Temperaturbelastung treten jedoch vermehrt Alterungserscheinungen des Katalysators 3 bzw. der katalytischen Beschichtung auf. Diese bestehen z.B. in einer Sinterung mit Verringerung der geometrischen Oberfläche und einer damit einhergehenden Verringerung der katalytischen Aktivität. Enthält das in den Katalysator 3 eintretende Abgas reaktionsfähige Komponenten, so laufen im Katalysator die entsprechenden Reaktionen als Nachreaktionen ab. Im Falle einer Volllastanreicherung des Motors enthält das Abgas größere Mengen an unvollständig verbrannten Kraftstoffbestandteilen und/oder anderen Produkten einer unvollständigen Verbrennung. Ist gleichzeitig noch ein gewisser Restsauerstoffanteil im Abgas enthalten, sind die Nachreaktionen bzw. Nachverbrennungen mit einer mehr oder großen Wärmefreisetzung verbunden. Diese kann bei der ohnehin unter den genannten Bedingungen vorhandenen starken Temperaturbelastung des Kastalysators 3 diesen lokal überhitzen oder sogar gänzlich zerstören.
Bei hohen Motorlasten liegt außerdem ein entsprechend großer Abgasmassenstrom bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit, und somit eine hohe Impulshaltigkeit des Abgases vor. Durch Ladungswechselvorgänge des Motors verursachte Gasstöße verstärken die damit verbundene mechanische Belastung des Katalysators 3 weiter. Wirken die Gasstöße direkt auf den Katalysator 3 ein, so tritt eine Erosion der Katalysatorbeschichtung dahingehend ein, dass diese abgetragen wird, was einen entsprechenden Verlust an katalytischer Wirksamkeit zur Folge hat.
Im Katalysatorgehäuse 2 ist deshalb erfindungsgemäß in Strömungsrichtung gesehen vor dem Abgaskatalysator 3 ein als Lochblech gestaltetes Drosselelement 6 angeordnet, so dass eine erste Reaktionskammer 7 und eine zweite Reaktionskammer 8 gebildet wird.
Durch die Anwesenheit des Lochbleches 6 selbst und die damit erzielte Ausbildung der Reaktionskammern 7, 8 werden zusätzliche Möglichkeiten zum Ablauf der oben genannten Nachreaktionen bzw. Nachverbrennungen geschaffen. Bewirkt wird dies in der ersten Reaktionskammer 7 durch den mit Hilfe des Lochbleches 6 erreichten Aufstaueffekt mit entsprechender Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeiten und Verbesserung der Kontaktmöglichkeiten der Abgaskomponenten untereinander.
Daneben wird durch das Lochblech 6 eine Verwirbelung und Vermischung des Abgases in der zweiten Reaktionskammer 8 durch Strömungsabriß an der blendenartig wirkenden Perforation erreicht. Dies begünstigt das Ablaufen weiterer Nachreaktionen in der zweiten Reaktionskammer 8. Schließlich besitzt das Lochblech selbst eine thermische Abschirmwirkung und verbessert gleichzeitig eine Wärmeableitung an das Katalysatorgehäuse 2.
Die durch das Lochblech 6 erzielte Verwirbelung und Vermischung des Abgases in der zweiten Reaktionskammer 8 hat außerdem zur Folge, das eine Gleichverteilung des Abgasstromes auf die Oberflache des Katalysators 3 erreicht wird.
Das in Strömungsrichtung vor dem Katalysator 3 angeordnete Lochblech 6 gleicht somit nicht nur eine im Eingangsbereich des Katalysatorgehäuses 2 vorliegende Ungleichverteilung der Abgasströmung aus, sondern wirkt zusätzlich als Abschirmung vor Gasstoßimpulsen, die andernfalls ungebremst und gerichtet auf die Oberfläche des Katalysators 3 treffen würden.
Die genannten Wirkungen des Lochbleches 6 werden in vorteilhafter Weise erhalten, wenn dieses eine entgegen der Gasströmungsrichtung leicht gewölbte Wandung bzw. Oberfläche, mit gleichmäßiger Perforation aufweist. Diese Formgebung ist einerseits aus strömungstechnischer Sicht vorteilhaft, andererseits können Wärmespannungen bzw. Wärmedehnungen günstig abgefangen werden. Daneben trägt diese Formgebung zur Erhöunhg der mechanischen Stabilität generell bei. Die die Perforation bildenden Löcher sind vorzugsweise rund, können jedoch auch schlitzförmig, oval oder eine andere strömungstechnisch günstige Form aufweisen, mit welcher die oben genannten Effekte erzielt werden können. Der Anteil der Lochfläche an der gesamten Lochblechoberfläche beträgt zweckmäßig etwa 40 % bis 90 %. Damit ist einerseits eine ausreichende mechanische Stabilität und andererseits ein günstiger strömungstechnischer Effekt gegeben.
Je nach Größe des Katalysatorgehäuses 2 bzw. des Katalysators 3 wird das Lochblech 6 im Abstand von 10 mm bis 100 mm vor der Oberfläche des Katalysators 3 im Gehäuse 2 angeordnet und z.B. mittels Verschweißung geometrisch fixiert. Die Materialstärke des Lochbleches 6 richtet sich hauptsächlich nach den Eigenschaften des vorzugsweise hochtemperaturfesten Metalls und beträgt vorzugsweise 0,8 mm bis 3,0 mm. Vorzugsweise findet ein hochlegierter Stahl Verwendung. Insbesondere Nickel-haltige Stähle können mit Vorteil eingesetzt werden, da sie häufig katalytisch wirken. Dadurch werden nach einem heterogenen Mechanismus ablaufende Nachreaktionen an der durch das Lochblech 6 gebildeten Kontaktfläche gefördert. Durch geeignete Materialauswahl oder zusätzliche Beschichtung des Lochbleches 6 kann dieser Effekt zusätzlich verstärkt werden.
Insgesamt dient somit das Lochblech 6 einem sichereren und zuverlässigeren Betrieb des Katalysators 3 und erhöht somit dessen Lebensdauer. Dies nicht nur durch Verminderung dessen thermischer Belastung auf Grund der Reaktionskammern 7, 8, in welche die Nachreaktionen bzw. Nachverbrennungen vorverlagert und somit vom Katalysator 3 ferngehalten werden. Das Lochblech 6 wirkt ferner, wie geschildert, als thermische und mechanische Abschirmung. Insbesondere durch die letztgenannte Eigenschaft werden die abrasiven und erodierenden Beanspruchungen des Katalysators 3 vermindert.

Claims

Abgasreinigungsanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Katalysatorgehäuse (2) mit zugeordnetem Abgaskatalysator (3) und einer Einlassöffnung (4a, 4b) zum Anschluss einer Abgasrohrleitung (5a, 5b), dadurch gekennzeichnet, dass ein Drosselelement (6) im Katalysatorgehäuse (2) derart angeordnet ist, dass durch das Drosselelement (6) eine zwischen Drosselelement (6) und Einlassöffnung (4a, 4b) liegende erste Reaktionskammer (7) und eine zwischen Drosselelement (6) und Abgaskatalysator (3) liegende zweite Reaktionskammer (8) gebildet ist, wobei das Drosselelement (6) als Blende mit einer gleichmäßigen Perforation gestaltet ist.
Abgasreinigungsanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (6) eine entgegen der Strömungsrichtung gewölbte Wandung aufweist.
Abgasreinigungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (6) als Lochblech aus einem hochtemperaturbeständigen und/oder katalytisch wirksamen Metall gestaltet ist.
Abgasreinigungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (6) als thermische Abschirmung zwischen Einlassöffnung (4a, 4b) und Katalysator (3) gestaltet ist.