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DE19938038A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender Zelldichte - Google Patents

Abgasbehandlungsvorrichtung mit variierender Zelldichte

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DE19938038A1
DE19938038A1 DE19938038A DE19938038A DE19938038A1 DE 19938038 A1 DE19938038 A1 DE 19938038A1 DE 19938038 A DE19938038 A DE 19938038A DE 19938038 A DE19938038 A DE 19938038A DE 19938038 A1 DE19938038 A1 DE 19938038A1
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Seha Son
Jeong Yeol Kim
Peter Li
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Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem aktiven Abschnitt, einem Substrat variierender Zelldichte 20, wobei die Dichten der Zellgruppen (20A, 20B, 20C) so angeordnet sind, daß ein gleichmäßiger Fluß durch das gesamte Substrat (20, 22) gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge. Sie be­ zieht sich also auf die Behandlung von Automobilabgasen, um verschiedene gesteuerte Emissionskomponenten zu entfernen.
Automobilabgas-Emissionssteuerungsgesetze werden immer strenger, wobei die Kraftfahrzeughersteller versuchen, die Wirksamkeit von Abgasemissionssteuerungskonvertern zu verbessern. In dieser Anmeldung wird die Bezeichnung "Konverter" für einen konventionellen oxidierenden Katalysator (COC), einen Dreiwegekatalysator (TWC), eine NOx-Falle, einen thermischen Reaktor oder einen anderen Typ Vorrichtungen venrvendet, die allgemein axiale Flußpassagen in einem extrudierten Keramikmonolithen oder einer anderen Konstruktion besitzen.
Erfindungsgemäß ist bestimmt worden, daß die Flußcharakteristika durch konventionell hergestellte keramische Monolithen keinen effizienten Betrieb eines Katalysators fördern, da Flußfehlleitung in vielen Konvertern auftritt: Beispielsweise besitzt ein Konverter nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 5 dargestellt, eine einheitliche Zelldichte (s. Fig. 4) von etwa 62 Zellen/cm2 (400 Zellen/inch2), wobei die Flußfehlleitung wie in Fig. 6 und 7 dargestellt, auftritt. Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht des Konverters der Fig. 5 und zeigt, daß der Hauptfluß im unteren Bereich des Substrats stattfindet; Fig. 7 zeigt, daß der Hauptfluß ferner auf die Außenkanten des Substrats begrenzt ist, wobei lediglich ein geringer Teil des Flusses durch den Mittelabschnitt des Substrats verläuft. Demzufolge wird ein großer Anteil des Substrats nicht ausreichend genutzt. Der in den Fig. 6 und 7 dargestellte Fluß stammt teilweise aus der 90°-Biegung, die die Gase beim Eintritt in den Konverter der Fig. 5 durchlaufen.
Falls der Konverter einen geraden Flußeintritt aufweist, wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, treten ähnliche Resultate auf. Die Höchstfließgeschwindigkeiten treten im Zentrum auf und fallen zu den Seiten ab. So tritt wieder eine Fehl­ leitung des Flusses durch den Konverter auf.
Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Konverter zu schaffen, der die Nachteile der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäß konstruierter Konverter löst die oben genannten Probleme, indem eine gleichmäßigere Ausnutzung des katalytischen Materials durch den Abgasfluß erzielt wird, um die Konversionseffizienz zu erhöhen, während sich der Abgassystemrückdruck erniedrigt, wodurch ein besseres Fahrzeugverhalten unterstützt wird.
Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung umfaßt ein Einlaß­ rohr sowie einen Diffuserabschnitt, um Abgas vom Motor zum aktiven Ab­ schnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen und einen Auslaßabschnitt, um behandeltes Abgas aus dem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrich­ tung zum stromabwärts gelegenen Abschnitt eines Abgassystems zu führen.
Ein aktiver Abschnitt umfaßt ein zellvariantes Substrat mit darauf abge­ schiedenem aktiven "Washcoat", das mehrere parallele Flußpfade aufweist, wobei die Pfade mindestens eine erste Gruppe Zellen mit einer höheren Dichte und eine zweite Gruppe Zellen mit einer niedrigeren Dichte aufweist.
Die ersten und zweiten Zellgruppen sind im Substrat so angeordnet, daß die erste Gruppe Zellen höherer Dichte dem Abgas, das mit relativ höherer Ge­ schwindigkeit fließt, ausgesetzt sind, während die zweite Gruppe Zellen niedrigerer Dichte Abgas mit relativ niedrigerer Geschwindigkeit ausgesetzt ist.
Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung kann ferner einen aktiven Abschnitt mit einem zellvarianten Substrat variabler Zelldichte auf­ weisen, gefolgt durch ein zweites Substrat mit invarianter Zelldichte.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß eine erfindungsgemäße Abgasbehand­ lungsvorrichtung überlegenen Behandlungsfähigkeiten aufgrund der Anpas­ sung der Abgasfließgeschwindigkeiten an die Zelldichte schafft, während ein niedrigerer Abgassystemrückdruck ermöglicht wird.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß ein erfindungsgemäß herge­ stellter Abagskonverter in ein Gehäuse geringeren Volumens aufgrund er­ höhter Effizienz gepackt werden kann.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die erfindungsgemäß konstru­ ierte Vorrichtung mit weniger Edelmetallbeladung bei niedrigeren Kosten hergestellt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich dem Fach­ mann aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand be­ vorzugter Ausführungsbeispiele, auf die sie keinesfalls begrenzt ist, erläutert wird. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer zellvarianten mololithischen Substratstruktur gemäß Erfindung;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem zellvarianten mololithischen Substrat;
Fig. 4 ein zellinvariantes mololithisches Substrat gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach dem Stand der Technik mit einem zellinvarianten ersten aktiven Abschnitt;
Fig. 6 und 7 Fließmuster innerhalb der Vorrichtung nach dem Stand der Technik der Fig. 5;
Fig. 8 und 9 Fließmuster durch eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik ähnlich der Fig. 5, die jedoch einen geraden Einlaß anstelle eines gebogenen Einlasses aufweist; und
Fig. 10 und 11 erläutern den Fluß durch einen gemäß Fig. 1 konstruierten Konverter.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung ein Einlaßrohr 12, gefolgt durch einen Diffuser 14. Nach Fluß durch den Diffuser 14 passiert Abgas das zellvariante Substrat 20 mit dem chemisch aktiven Washcoat darauf. Substrat 20 ist mit drei Zellgruppen mit unterschiedlichen Dichten dargestellt; wie speziell in Fig. 2 gezeigt, ist eine erste Gruppe mit höchster Dichte in der Nähe des Zentrums der Substrats 22 angeordnet. Diese Gruppe, die als 20A bezeichnet wird, besitzt eine Dichte von etwa 93 Zellen/cm2 (600 Zellen/inch2). Unmittelbar umgibt diese die Gruppe 20B mit einer Dichte von etwa 62 Zellen/cm2 (400 Zellen/inch2).
Schließlich besitzt die Gruppe 20C, die den Rest des Substrats 20 bildet, eine Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 (200 Zellen/Inch2).
Das Substrat 20 wird vom Substrat 22 mit invarianter Zellenkonstruktion gefolgt. Es ist bestimmt worden, daß der Fluß durch das erste Substrat 20 sich begradigt und den Fluß ausreichend ausgleicht, so daß im Substrat 22 keine zellvariante Konstruktion benötigt wird. Die Wirkung der zellvarianten Konstruktion des Substrats 20 ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Wie aus diesen Figur ersichtlich, ist der resultierende Fluß konsistenter über das Substrat als die Flüsse durch die Substrate nach dem Stand der Technik, die in den Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Derart ist die Abgasbehand­ lungsfähigkeit verbessert, da der Fluß durch verschiedene Abschnitte des Katalysators konsistenter ist. Ferner kann der Abgassystemrückdruck da­ durch reduziert werden, indem, die Dichte sich bis zu einem Punkt erniedri­ gen kann, an dem eine akzeptable Konversion erreicht wird, aber bei niedri­ gerem Flußwiderstand.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines zellvarianten Substrats gemäß der Endung zu Einsatz mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung ohne die 90°-Einlaß­ krümmung, wie in Fig. 1 gezeigt. Bemerkenswerterweise sind die Zonen von 93, 62 und 31 Zellen/cm2 stärker um das geometrische Zentrum des Substrats zentriert.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrie­ ben gezeigt wurde, ist es dem Fachmann offensichtlich, daß mannigfaltige Abwandlungen und Modifikationen möglich sind, ohne sich dem Schutzum­ fang der Ansprüche zu entfernen. 12 Einlaßrohr
14 Diffuser
20 zellvariantes Substrat (erstes Substrat)
20A 93 Zellen/cm2
20B 62 Zellen/cm2
20C 31 Zellen/cm2
22 Substrat, nicht zellvariant (zweites Substrat)
24 geometrisches Zentrum von 22

Claims (13)

1. Abgasbehandlungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit:
einem Einlaßrohr (12) und Diffuserabschnitt (14), um Abgas vom Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgases vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit darauf abgeschiedenem aktivem Washcoat, das mehrere parallele Flußwege aufweist, von denen min­ destens eine erste Zeligruppe eine höhere Dichte (20A) und eine zweite Zeligruppe (20C) eine niedrigere Dichte aufweisen.
2. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen katalytischen Konverter aufweist.
3. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen thermischen Reaktor aufweist.
4. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasbehandlungsvorrichtung eine NOx-Falle aufweist.
5. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Zellgruppe (20A, 20C) innerhalb des Substrats (20) so angeordnet sind, daß die erste Zellgruppe höherer Dichte (20A) dem Abgasstrom mit relativ höherer Geschwindigkeit und die zweite Zellgruppe niedrigerer Dichte (20C) dem Abgasstrom relativ niedrigerer Geschwindigkeit ausgesetzt ist.
6. Die Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) als Zylinder mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, wobei die Zellen höherer Dichte (20A) um eine Mittelachse des Substrats (20) und die Zellen niedrigerer Dichte (20C) an der Peripherie des Substrats (20) angeordnet sind.
7. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) als Zylinder allgemein elliptischen Querschnitts konfiguriert ist, wobei Zellen höherer Dichte um eine Mittelachse des Substrats (20) und diejenigen niedrigerer Dichte um die Peripherie des Substrats (22) angeordnet sind.
8. Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:
einem Einlaßrohr (12), einem Diffuserabschnitt (14), um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einem Austrittsabschnitt um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt des Abgassystems zu führen; und
einem aktiven Abschnitt mit einem Substrat (20) mit mehreren parallelen Flußwegen, wobei die Flußwege eine erste Zellgruppe mit einer Dichte von mindestens 62 Zellen/cm2 und eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweisen, wobei die erste Gruppe Zellen so angeordnet ist, daß sie einen Abgasfluß mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweite Gruppe Zellen so angeordnet sind, daß sie einen Abgasfluß mit niedrigerer Geschwindigkeit empfängt.
9. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) einen keramischen Monolithen aufweist.
10. Abgasbehandlungsvorrichtung, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) einen extrudierten keramischen Monolithen aufweist.
11. Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit:
einem Einlaßrohr (12) und einem Diffuserabschnitt, (14) um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt um Abgas von einem Motor zu einem aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zu führen;
einen Austrittsabschnitt, um behandeltes Abgas vom aktiven Abschnitt der Behandlungsvorrichtung zum stromabwärtigen Abschnitt eines Abgassystems zu leiten; und
einen aktiven Abschnitt mit einem zellvarianten Substrat (20), das mehrere sich axial erstreckende parallele Flußwege aufweist, wobei die Flußwege eine erste Zellgtruppe mit einer Dichte von etwa 93 Zellen/cm2, eine zweite Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 62 Zellen/cm2 und eine dritte Gruppe Zellen mit einer Dichte von etwa 31 Zellen/cm2 aufweist, wobei die erste Zellgruppe so angeordnet ist, daß sie Abgas mit einer höheren Geschwindigkeit empfängt und die zweiten und dritten Gruppen Zellen so angeordnet sind, daß sie Abgas mit progressiv niedrigeren Geschwindigkeiten auffangen.
12. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abschnitt ferner ein zweites Substrat (22) mit einem nicht chemisch aktiven Washcoat invarianter Zelldichte aufweist, das stromabwärts des zellvarianten Substrats (20) angeordnet ist.
13. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abschnitt ferner einen auf dem Substrat aufgebrachten chemisch aktiven Washcoat aufweist.
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