Ringkatalysator

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Ringkatalysator, mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke, mit einem Umlenkbereich und mit einer zweiten ringförmigen Strömungsstrecke, wobei die rohr förmige Strömungsstrecke durch ein Innenrohr gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke zwischen dem Innenrohr und einem das Innenrohr umgebenden Außenrohr ausgebildet ist und der Umlenkbereich zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohr förmigen Strömungsstrecke in die ringförmige Strömungsstrecke topfförmig ausgebildet ist.

Stand der Technik

Sogenannte Ringkatalysatoren werden insbesondere dann zum Zwecke der Abgasnachbehandlung eingesetzt, wenn der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist und trotzdem eine möglichst lange Strömungsstrecke innerhalb des Katalysators erreicht werden soll .

Ein Ringkatalysator weist eine zentrale rohrförmige Strö mungsstrecke auf. Aus der rohrförmigen Strömungstrecke strömt das Abgas in eine Umlenkkammer ein, die eine Umlenkung des Abgases in radialer Richtung nach Außen erzeugt und schließlich das Abgas derart umlenkt, dass es um 180 Grad entgegengesetzt zur Strömungsrichtung in der rohrförmigen Strömungsstrecke durch eine ringförmige Strömungsstrecke strömt. Die rohrförmige Strömungsstrecke und die ringförmige Strömungsstrecke können dabei beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet sein. Die ringförmige Strömungsstrecke wird nach Innen durch die Wandung der rohrförmigen Strömungsstrecke begrenzt und nach Außen durch ein Außenrohr und/oder einen Mantel. Ringkatalysatoren werden insbesondere in turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren direkt hinter dem Turbolader eingesetzt. Für eine optimale Funktionsweise der in der ringförmigen Strö mungsstrecke angeordneten katalytisch aktiven Trägermatrizen ist eine möglichst hohe Konzentrations- und Strömungsgleich verteilung vorteilhaft.

Nachteilig an den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist insbesondere, dass keine optimale Strömungsgleichverteilung und Konzentrationsgleichverteilung an den katalytisch aktiven Trägermatrizen erreicht wird, wodurch die Abgasnachbehandlung nicht optimal ist.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ringkatalysator zu schaffen, welcher eine möglichst optimale Strömungsgleichverteilung am Einlassquerschnitt der katalytisch aktiven Matrizen erzeugt.

Die Aufgabe hinsichtlich des Ringkatalysators wird durch einen Ringkatalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Ringka talysator, mit einer ersten rohrförmigen Strömungsstrecke, mit einem Umlenkbereich und mit einer zweiten ringförmigen Strö mungsstrecke, wobei die rohrförmige Strömungsstrecke durch ein Innenrohr gebildet ist, wobei die ringförmige Strömungsstrecke zwischen dem Innenrohr und einem das Innenrohr umgebenden Außenrohr ausgebildet ist und der Umlenkbereich zur Umlenkung der Abgasströmung aus der rohrförmigen Strömungsstrecke in die ringförmige Strömungsstrecke topfförmig ausgebildet ist, wobei das Innenrohr und/oder das Außenrohr einen entlang der Strö mungsrichtung des Abgases sich erweiternden oder sich ver jüngenden konischen Querschnitt aufweist. Das Innenrohr und das Außenrohr können konzentrisch miteinander angeordnet sein oder zueinander versetzt. Die konzentrische Anordnung ist vorteilhaft, um entlang des Umfangs jeweils gleichbleibende Querschnitte insbesondere entlang der rohr förmigen Strömungsstrecke zu erzeugen.

Durch die Konizität des Innenrohrs und/oder des Außenrohrs können verschieden Kombinationen erzeugt werden, die beispielsweise zu einer sich in Strömungsrichtung des Abgases verjüngenden oder sich erweiternden rohrförmigen Strömungsstrecke führen. Auch kann die ringförmige Strömungsstrecke sich in Strömungsrichtung des Abgases verjüngen oder erweitern. In einer speziellen Konfiguration kann die ringförmige Strömungsstrecke auch trotz konischem Innenrohr und konischem Außenrohr einen gleich bleibenden Querschnitt aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Innenrohr einen in Strömungsrichtung des Abgases sich konisch erweiternden Querschnitt aufweist und das Außenrohr einen in Strömungs richtung des Abgases sich verjüngenden Querschnitt aufweist.

Durch das konische Erweitern des Innenrohrs kann insbesondere der Wirkungsgrad eines vorgeschalteten Turboladers verbessert werden, da durch die Querschnittsvergrößerung in Strömungs richtung dynamischer Druck in statischen Druck umgewandelt werden kann. Dies trägt zu einer verbesserten Wirkung des Turboladers bei, wodurch letztlich die Effizienz des den Turbolader antreibenden Verbrennungsmotors verbessert werden kann .

Die konische Ausführung des Außenrohrs ist vorteilhaft, um die Verhältnisse der Querschnittsflächen von der Gaseintrittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke zur Gasaustrittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke so anzupassen, dass Vorspan nungsunterschiede in der in der ringförmigen Strömungsstrecke angeordneten Matrix ausgleichen werden können. Dadurch können Zelldeformationen in der Matrix verhindert werden und weiterhin das unerwünschte Auftreten von Löchern oder Öffnungen in der Matrix. Insgesamt kann somit insbesondere die Langlebigkeit des Ringkatalysators deutlich verbessert werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das Innenrohr und/oder das Au ßenrohr einen ovalen oder einen elliptischen Querschnitt aufweist. Ovale oder elliptische Querschnitte können insbe sondere bei beengten Bauraumverhältnissen vorteilhaft sein. So kann bei geringem zur Verfügung stehenden Bauraum ein möglichst großes Volumen des Katalysators und insbesondere der katalytisch aktiven Matrizen erreicht werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr und das Außenrohr die Länge (L) aufweisen und die rohrförmige Strömungsstrecke eine Querschnittfläche (Dl) an ihrer Gaseintrittsseite aufweist und die ringförmige Strö mungsstrecke eine Querschnittsfläche (D2) an ihrer Gasaus trittsseite aufweist, wobei die rohrförmige Strömungsstrecke sich von ihrer Gaseintrittsseite zu ihrer Gasaustrittseite mit dem Winkel (al) konisch erweitert und die ringförmige Strö mungsstrecke sich von ihrer Gaseintrittsseite zu ihrer Gasaustrittsseite mit dem Winkel (a2) konisch verjüngt.

Dies erzeugt unter der Annahme von identischen Winkeln von al und a2 parallel zueinander verlaufende Wandungen des Innenrohrs und des Außenrohrs. Durch eine unterschiedliche Auslegung der Winkel al und a2 ergibt sich somit auch eine konisch zulaufende oder sich erweiternde ringförmige Strömungsstrecke.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn ein besonders bevorzugtes Größenverhältnis des Ringkatalysators durch die Formel definiert ist. Eine Auslegung des Ringkatalysators nach der vorstehenden Formel ergibt ein hinsichtlich der Vorspannungsverhältnisse im Ringkatalysator optimales Ergebnis, da ein sehr homogener Spannungszustand erreicht werden kann. Dies liegt insbesondere in den Größenverhältnissen der Querschnittsflächen, der Längen und der Zellgrößen der verwendeten Matrizen zueinander be gründet .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wert für den Winkel al in einem Bereich von 3 bis 10 Grad, besonders bevorzugt von 6 bis 8 Grad liegt. Hieraus ergeben sich besonders vorteilhafte Geometrien für den Ringkatalysator, wodurch ein besonders effizienter Betrieb möglich wird.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn in der ringförmigen Strömungsstrecke zumindest eine durch einen metallischen Wa benkörper gebildete Matrix angeordnet ist, wobei die Matrix einen dem Querschnittsverlauf der ringförmigen Strömungsstrecke folgenden Querschnittsverlauf aufweist. Je nach Anwendungsfall kann auch eine Mehrzahl von Matrizen vorgesehen sein, die unterschiedliche Beschichtungen aufweisen, um unterschiedliche Bestandteile des Abgases umzusetzen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der metallische Wabenkörper durch eine Vielzahl aufeinandergestapelter metallischer Folien gebildet ist, die zu dem Wabenkörper aufgewickelt sind, wobei zumindest einige Folien gewellt sind, wobei durch eine Variation der Wellhöhe und der Welldichte zwischen der Gaseintrittsseite und der Gasaustrittsseite der Matrix die Konizität des me tallischen Wabenkörpers und somit der Matrix entlang ihrer Durchströmungsrichtung beeinflusst werden kann. Metallische Wabenkörper können speziell angepasst werden, um sie an die räumlichen Gegebenheiten anzupassen. Insbesondere zur Ver meidung von ungewünschten Umströmungen um die Wabenkörper herum, ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper an die Geometrie der Strömungsstrecke angepasst ist und bündig mit den Wandungen der Strömungsstrecke abschließt. Das Erzeugen von konischen Wa- benkörpern ist bekannt und insbesondere über die oben genannten Maßnahmen erreichbar.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Umlenkbereich eine Kühlvor richtung aufweist. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung durch einen mit einem Kühlmittel durchströmbaren doppelwandigen Abschnitt des Umlenkbereichs gebildet ist. Dieser doppelwandige Abschnitt kann bereichsweise ausgebildet sein oder im gesamten Umlenkbereich. Es können beispielsweise auch doppelwandige Abschnitte durch in der Wandung des Umlenkbereichs ausgebildete Kanäle ausgebildet sein, die mit einem Kühlmittel durchströmbar sind. Die Durchströmung kann beispielsweise über ein Wastegte oder ein Bimetall reguliert werden.

Alternativ kann die Kühlvorrichtung durch eine an dem oder in dem Umlenkbereich angeordnete Kühlschlange gebildet sein. Eine Kühlschlange ist durch ein von einem Kühlmittel durchströmbares geschlossenes Volumen gebildet, beispielsweise einem Schlauch oder einem Rohr, und kann an den zu kühlenden Stellen angeordnet werden. Die Kühlvorrichtung kann zusätzlich Rippen aufweisen, welche in den Umlenkbereich hineinragen oder von dem Umlenk bereich nach Außen weg ragen.

Durch die Kühlung des Umlenkbereichs kann das Verbrennungs luftverhältnis von l = 1 länger gefahren werden und somit die Abgasemissionen gesenkt werden. Denn durch die Kühlung wird der Abgasmassenstrom vor der katalytisch aktiven Matrix gekühlt, so dass bei hohen Lastpunkten des Verbrennungsmotors länger der Betrieb mit l = 1 gefahren werden kann, ohne dass die Temperaturen des Abgases und der betroffenen Bauteile zu hoch wird und die strukturelle Integrität des Ringkatalysators gefährdet wird.

Weiterhin kann durch die Kühlung des Umlenkbereichs die Vis kosität des Abgasstroms im wandnahen Bereich reduziert werden. Durch eine Senkung der Viskosität und damit der entstehenden Reibung kann der beim Durchströmen entstehende Druckverlust verringert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Innenrohr an der Gasaustrittsseite der rohrförmigen Strömungsstrecke bezie hungsweise an der Gaseintrittsseite der ringförmigen Strö mungsstrecke ein Leitelement aufweist, durch welches der durch den Ringkatalysator strömende Abgasstrom abgelenkt wird. Durch ein Leitelement kann die Strömung, welche im Umlenkbereich nach dem Durchströmen der Gasaustrittsseite der rohrförmigen Strömungsstrecke und vor dem Durchströmen der Gaseintrittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke umgelenkt wird, in eine bestimmte Richtung gelenkt werden beziehungsweise kann die Durchmischung der Gasströmung beeinflusst werden. Ein Lei telement kann als zusätzliches Bauteil ausgeführt sein, welches an einer der Innenwandungen angeordnet ist, oder auch integraler Bestandteil einer der Wandungen sein.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das Leitelement durch ein wulstartiges Umbiegen des freien Endes des Innenrohrs radial nach Außen und in die ringförmige Strömungsstrecke hinein erzeugt ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden und die Herstellung so besonders einfach ist. Durch eine wulstartige Umbiegung werden insbesondere Biegungen mit besonders kleinem Radius vermieden, wodurch Abrisskanten erzeugt werden könnten, die die Strömung des Abgases ungünstig beeinflussen können.

Auch eine düsenförmige Verengung des Querschnitts amAustritt des Innenrohrs kann vorteilhaft sein, um eine optimierte Durch strömung zu erreichen. Die Düsenförmige Verengung kann auch dazu genutzt werden, um der Strömung aus dem Innenrohr heraus einen Richtungsvektor zu geben, und so gezielt die Umlenkung in den ringförmigen Bereich des Ringkatalysators zu verbessern.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn durch die Innenwandung des Umlenkbereichs in Verbindung mit dem Leitelement am Innenrohr eine optimierte Anströmung einer in der ringförmigen Strö mungsstrecke angeordneten Matrix erreicht wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um eine möglichst homogene Strö mungsverteilung und eine möglichst homogene Konzentrations verteilung über die Querschnittsfläche der katalytisch aktiven Matrix zu erreichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Innenrohrs und des

Außenrohrs eines Ringkatalysators zur Verdeutlichung der unterschiedlichen Querschnittsflächen und Winkel,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch den Ringka talysator wobei der Umlenkbereich doppelwandig ausgeführt ist und mit einem Kühlmittel durchströmbar ist, und

Fig. 3 eine Detailansicht des Umlenkbereichs und des am

Innenrohr ausgebildeten Leitelementes.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht des Innenrohrs 2, welches von dem Außenrohr 2 umgeben ist. Die beiden Rohre 1 und 2 sind konzentrisch um die Mittelachse 3 ausgerichtet. Die Querschnittsfläche Dl ist an der Gaseintrittsseite des In nenrohrs 1 gezeigt, während die Querschnittsfläche D3 an der Gasaustrittsseite des Innenrohrs 1 dargestellt ist. Die Querschnittsfläche D4 beziehungsweise die Differenzfläche A2 zwischen der Querschnittsfläche D3 und D4 ist an der Gasein trittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke gezeigt, welcher zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 2 gebildet ist. Die Differenzfläche Al zwischen den Querschnittsflächen Dl und D2 ist an der Gasaustrittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke gezeigt .

Das Innenrohr 1 erweitert sich von der Gaseintrittsseite hin zur Gasaustrittsseite um den Winkel al gegenüber der Mittelachse 3. Das Außenrohr erweitert sich von seiner Gasaustrittsseite hin zu seiner Gaseintrittsseite um den Winkel a2 gegenüber der Mit telachse .

Die Durchströmungsreihenfolge ist von der Gaseintrittsseite des Innenrohrs 1 hin zur Gasaustrittsseite des Innenrohrs 1, dort findet in dem in Figur 1 nicht gezeigten Umlenkbereich eine Umlenkung des Abgases in die Gaseintrittsseite des Außenrohrs 2 beziehungsweise der ringförmigen Strömungsstrecke statt. Von dort strömt das Abgas hin zur Gasaustrittsseite der ringförmigen Strömungsstrecke beziehungsweise des Außenrohrs 2.

Die Rohre 1, 2 besitzen eine Länge L, die im Ausführungsbeispiel der Figur 1 identisch für beide Rohre 1, 2 ist.

Eine Variation des Winkel al und a2 führt zu unterschiedlichen Geometrien für die rohrförmige Strömungsstrecke und die ringförmige Strömungsstrecke. Insbesondere die ringförmige Strömungsstrecke kann einen entlang der Strömungsrichtung gleichbleibenden Querschnitt aufweisen oder einen sich ver ändernden Querschnitt.

Figur 2 zeigt eine Ansicht der Gasaustrittsseite der rohrförmigen Strömungsstrecke und dem daran sich anschließenden Umlenkbereich 4. Der Umlenkbereich 4 ist durch eine topfförmige Wandung 5 gebildet, welche als Prallwand für das einströmende Abgas dient und schließlich für eine Umlenkung des Abgases in radialer Richtung nach Außen und schließlich in die ringförmige Strö mungsstrecke hinein sorgt.

Wie an den Pfeilen in der Figur 2 zu erkennen ist, ist die Strömungshauptrichtung in der rohrförmigen Strömungsstrecke entgegengesetzt zu der Strömungshauptrichtung in der ring förmigen Strömungsstrecke.

Weiterhin ist eine zweite Wandung 6 gezeigt, welche dem Verlauf der Innenwandung 5 folgt und somit einen durchströmbaren Bereich 7 ausbildet, beispielsweise einen Kanal oder ein anderweitiges geschlossenes durchströmbares Volumen. Dieses kann von einem Kühlmittel durchströmt werden und somit kann Wärmeenergie aus dem Abgas über die Innenwandung 5 abgeleitet werden.

Das freie Ende des Innenrohrs 1 weist zudem eine wulstartige Umbiegung radial nach Außen und in den ringförmigen Strö mungsstrecke hinein auf. Dadurch wird das Leitelement 10 erzeugt, welches die Abgasströmung im von dem Umlenkbereich 4 einge schlossenen Volumen 9 verbessern soll. Das Leitelement 10 ist in radiale Richtung vollständig umlaufend ausgebildet.

Figur 3 zeigte eine Detailansicht des Umlenkbereich 4 und insbesondere der Größenverhältnisse der Innenwandung 5 und dem Leitelement 10 im Vergleich zum Durchmesser D der rohrförmigen Strömungsstrecke an ihrem Gasaustritt. Ein Umlenkbereich 4 und ein Leitelement 10, welche Abmessungen innerhalb der in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Größenordnungen aufweisen ist besonders vorteilhaft, um eine möglichst homogene Strömung am Gaseintritt der ringförmigen Strömungsstrecke beziehungsweise der katalytisch aktiven Matrix 8 zu erzeugen.

Das freie Ende des Innenrohres ist dabei nach Außen umgebogen und kommt nicht wieder in Anlage zur Außenseite des Innenrohres. Die Bezugszeichen LI bis L15 geben dabei jeweils Längen einzelner Abschnitte an. Die Bezugszeichen RI bis R6 bezeichnen unter schiedliche Radien der Bauteile. Das Bezugszeichen D bezeichnet den Durchmesser des Innenrohrs an seiner Gasaustrittsseite und das Bezugszeichen D7 bezeichnet den Durchmesser des Außenrohres an seiner Gaseintrittsseite.

Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbei spiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Aus führungsbeispiele der Figuren 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.