Vorrichtung zum Schutz eines Katalysators vor thermischer Überlastung

Abstract

 Eine Vorrichtung zur Reinigung der von einer Brennkraftmaschine stammenden Abgase weist einen Katalysator (10) und einen sich stromaufwärts des Katalysators befindlichen Sammelraum (20) auf. In den Sammelraum (20) münden wenigstens zwei Abgaszuleitungen (31, 32, 33, 34). Zur Aufweitung wenigstens eines Abgasstroms ist im Sammelraum (20) wenigstens ein Strömungsleitelement (40) angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung der von einer Brennkraftmaschine stammenden Abgase nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Moderne Kraftfahrzeuge verfügen in der Regel über wenigstens zwei Abgaskatalysatoren, wobei sich ein sogenannter Vorkatalysator häufig unmittelbar an den Abgaskrümmer anschließt. Je nach Geometrie des Abgaskrümmers kann es hierbei vorkommen, dass das aus einer Abgaszuleitung kommende Abgas im wesentlichen unverwirbelt auf die vordere Stimfläche des Vorkatalysators auftrifft. Man spricht hier von sogenannten "Schusskanälen".

[0003] Bei sehr hohen Katalysatortemperaturen und hohen Abgasmassenströmen kann die Ausbildung eines oder mehrerer solcher Schusskanäle zu Problemen führen. Die Ausbildung eines solchen Schusskanals führt dazu, dass das Abgas eines ausschiebenden Zylinders nur durch einen sehr kleinen Teil des Katalysators geleitet wird. Dadurch nimmt in der betroffenen Katalysatorzone die thermische Belastung, z.B. bei einer Vollast-Schub-Wechselbelastung, und die katalytische Umsetzung gegenüber dem Rest des Katalysators sehr stark zu und es kann zu einem lokalen Versagen der Katalysatormatrix kommen. Insbesondere bei sogenannten Metallkatalysatoren besteht die Gefahr, dass sich die Fügung der Folien untereinander auflöst, oder Washcoat- oder Trägermaterial ausbricht. Auch eine Umformung des Trägermaterials ist hierbei möglich.

[0004] Durch Wahl einer geeigneten Abgaskrümmergeometrie können diese Probleme grundsätzlich vermieden werden. Aus Bauraumgründen ist eine derartige Ausgestaltung des Abgaskrümmers jedoch nicht immer möglich.

[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass auch bei beliebiger Geometrie des Abgaskrümmers eine Überlastung einzelner Katalysatorzonen vermieden wird.

[0006] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wie im Stand der Technik münden die von den einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine kommenden Abgaszuleitungen in einen Sammelraum, an welchen sich der Katalysator anschließt. Innerhalb des Sammelraums ist nun wenigstens ein Strömungsleitelement angeordnet, welches den von einer Abgaszuleitung kommenden Abgasstrom aufweitet, bevor er auf der vorderen Stirnfläche des Katalysators auftrifft.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.

[0008] Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Figur 2

einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Figur 3

einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Figur 4

einen Querschnitt durch eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik.

[0009] Zur Verdeutlichung des vorliegenden Problems wird zunächst kurz auf den Stand der Technik eingegangen, wie er in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.

[0010] Vier Abgaszuleitungen 31,32,33,34 münden in den Sammelraum 20, an welchen sich der Katalysator 10 anschließt. Die Abgaszuleitungen und der Sammelraum 20 bilden zusammen den sogenannten Krümmer. Im vorliegenden Beispiel strömt das Abgas aus dem dritten Zylinder über die dritte Abgaszuleitung 33 im wesentlichen unverwirbelt durch den Sammelraum 20 auf die vordere Stirnfläche 10A des Katalysators 10. Durch den Sammelraum 20 strömt das Abgas in Form eines Schusskanals S. Hierdurch trifft das vom dritten Zylinder stammende Abgas innerhalb einer relativ kleinen Zone höchster Belastung Z auf den Katalysator 10 auf und unter ungünstigen Bedingungen kann es zu den oben beschriebenen Problemen, also zu einer lokalen Überlastung des Katalysators kommen. In ungünstigen Fällen können hierbei irreversible Schäden entstehen. Es kann auch vorkommen, dass die Abgase mehrerer Abgaszuleitungen solche hier beschriebenen Schusskanäle bilden; hierbei kommt es auf die Geometrie der gesamten Abgaszuleitung an.

[0011] Die Lösung des Problems ist in den Figuren 1 und 2 aufgezeigt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Krümmergeometrie der entspricht, welche in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Im konkreten Beispiel geht es also darum zu verhindern, dass das aus der dritten Abgaszuleitung 33 stammende Abgas die oben dargestellte katalysatorschädliche Wirkung ausübt.

[0012] Zwischen der Mündung der dritten Abgaszuleitung 33 und der vorderen Stirnfläche 10A des Katalysators 10 ist im Sammelraum 20 ein Strömungsleitelement 40 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement 40 ein länglicher Ovalkörper mit elliptischem Querschnitt. Das Strömungsleitelement 40 ist mittels Stegen 42 an der Wand 20A des Sammelraums 20 befestigt.

[0013] Der aus der dritten Abgaszuleitung 33 kommende Abgasstrom wird von dem Strömungsleitelement 40 aufgeweitet, so dass die Fläche A, auf der der Abgasstrom auf der Stirnfläche 10A des Katalysators 10 auftrifft, gegenüber dem Zustand ohne Strömungsleitelement wesentlich vergrößert ist. Dadurch wird die lokale thermische Belastung des Katalysators verringert und eine Beschädigung desselben kann vermieden werden.

[0014] Die ideale Ausgestaltung des Strömungsleitelements ist in Abhängigkeit der Geometrie des Krümmers zu wählen. Es sind hierbei beispielsweise auch flügelartige Vorrichtungen denkbar, die in sich verdreht sein können und eine Strömungsablenkung zumindest eines Teils des Abgases ermöglichen. Ein Strömungsleitelement mit einem runden Querschnitt ist ebenfalls geeignet.

[0015] Die Wahl der Größe und der Lage des Strömungsleitelements 40 innerhalb des Sammelraums 20 stellt stets einen Kompromiss zwischen einer erstrebten maximalen Aufweitung des Abgasstromes und einem andererseits ebenfalls erstrebten minimalen Strömungswiderstand dar, da das Einbringen von Hindernissen in den Abgasstrom grundsätzlich die Motorleistung negativ beeinflussen. Die im folgenden angegebenen Dimensionierungen haben sich als vorteilhaft herausgestellt:

[0016] Der Sammelraum hat vorzugsweise ein Volumen, welches kleiner als 0,8 I, insbesondere kleiner als 0,5 I ist. Die Oberfläche des Strömungsleitelements ist vorzugsweise kleiner als 1000 mm², insbesondere kleiner als 500 mm², insbesondere kleiner als 350 mm² zu wählen. Der Abstand a des Strömungsleitelements 40 von der vorderen Stimfläche 10A des Katalysators 10 sollte kleiner als das 0,5-fache des Durchmessers d des zylindrischen Katalysators gewählt werden. Besonders vorzugsweise sollte der Abstand a zwischen dem 0,1-fachen und dem 0,25-fachen des Durchmessers des Katalysators 10 gewählt werden.

[0017] Es versteht sich von selbst, dass auch Fälle denkbar sind, in denen der Einsatz mehrerer Strömungsleitelemente sinnvoll sein kann. Dies ist insbesondere dann angezeigt, wenn die Geometrie des Abgaskrümmers derart beschaffen ist, dass die Abgase von mehr als einem Zylinder jeweils einen der oben dargestellten Schusskanäle ausbilden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0018] 

10

Katalysator

10A

vordere Stirnfläche

20

Sammelraum

20A

Wand

31

erste Agbaszuleitung

32

zweite Abgaszuleitung

33

dritte Abgaszuleitung

34

vierte Abgaszuleitung

40

Strömungsleitelement

42

Steg

S

Schusskanal des dritten Zylinders

Z

Zone höchster Belastung

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Reinigung der von einer Brennkraftmaschine stammenden Abgase mit einem Katalysator (10), einem sich stromaufwärts des Katalysators befindlichen Sammelraum (20), in den wenigstens zwei Abgaszuleitungen (31, 32, 33, 34) münden, dadurch gekennzeichnet, dass im Sammelraum (20) wenigstens ein Strömungsleitelement (40) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Sammelraumes (40) kleiner oder gleich 0,8 Liter ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abgaszuleitungen größer oder gleich 4 ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (40) einen im wesentlichen kreisförmigen oder ellipsoiden Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Strömungsleitelements (40) kleiner als 1000 mm², insbesondere kleiner als 500 mm², insbesondere kleiner als 350 mm² ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (10) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und dass der Abstand (a) des Strömungsleitelements (40) zur ihm zugewandten Stimfläche (10A) des Katalysators (10) weniger als das 0,5-fache des Durchmessers (d) der Stirnfläche (10A) des Katalysators (10) beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) kleiner als das 0,25-fache aber größer als das 0,1-fache des Durchmessers (d) der Stirnseite (10A) des Katalysators (10) ist.

Zeichnung