-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
-
Die
Erfindung betrifft eine Umwandlervorrichtung zur Anordnung in einem
Abgassystem für
einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 (z. B. WO 01/04466 A1).
-
In
den kommenden Jahren wird, zumindest in Europa, die Einführung von
zunehmend restriktiven Anforderungen bezüglich der Freisetzung von Emissionen
von dieselgetriebenen Fahrzeugen stattfinden und andere Arten von
Verbrennungsmotoren als Dieselmotoren werden auch zunehmend strengeren
Anforderungen für
eine effektive Abgasreinigung unterworfen. Um diese Emissionsanforderungen
einzuhalten, werden Abgassysteme von dieselgetriebenen Fahrzeugen
mit Katalysatoren, deren Wirkungen das Reduzieren der Menge an Stickoxiden
in Abgasen umfassen, und mit Partikelfiltern ausgerüstet, die die
Menge an Rußpartikeln
in Abgasen reduzieren.
-
Die
zunehmend restriktiven Stickoxid- und Rußpartikel-Freisetzungsanforderungen
werden schrittweise eingeführt,
während
gleichzeitig die akzeptierbaren Emissionsgrenzen für verbrennungsmotorgetriebene
Fahrzeuge zwischen unterschiedlichen Ländern deutlich variieren. Zusätzlich muss
die Kapazität
von Komponenten, die die Abgase reduzieren, der Art und der Größe des Verbrennungsmotors angepasst
werden. Dies bedeutet, dass prinzipiell jedes individuelle Fahrzeug
mit unterschiedlichen Kombinationen von Abgasreinigungskomponenten mit
unterschiedlichen Kapazitäten
versehen werden muss. Umwandlervorrichtungen, die Abgasreinigungskomponenten
aufweisen und andere notwendige Komponenten, wie zum Beispiel schalldämpfende,
müssen
demnach angepasst werden und im Wesentlichen individuell konstruiert
werden, so dass unterschiedliche Kombinationen von Abgasreinigungskomponenten
an unterschiedliche Kapazitäten
angepasst werden können.
Die Herstellungs- und Anpassungskosten für derartige Umwandlervorrichtungen sind
somit hoch.
-
ABRISS DER
ERFINDUNG
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Umwandlervorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die so konstruiert ist, dass sie das Anpassen von Abgasrei nigungskomponenten
wie etwa unter anderem Partikelfilter und Katalysatoren in verschiedenen
Kombinationen und verschiedenen Größen ermöglicht.
-
Das
oben genannte Ziel wird mit der in der Einleitung erwähnten Vorrichtung
erreicht, die durch das gekennzeichnet ist, was in dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 angegeben ist. Abgasreinigungskomponenten besitzen üblicherweise
eine Kapazität,
die mit dem durch die Komponente belegten Volumen in Beziehung steht.
Module verschiedener Größen, die
beispielsweise Abgasreinigungskomponenten aufweisen, zeigen demnach
gemäß der Erfindung
eine identische Querschnittsfläche
in einer Ebene, jedoch eine unterschiedliche Erstreckung in einer
Richtung senkrecht zu dieser Ebene. In derartigen Fällen bestimmt
die Erstreckung eines Moduls in einer Richtung senkrecht zu dieser
Ebene somit die Kapazität
der Abgasreinigungskomponente. Die Umwandlervorrichtung kann deshalb
einen Raum mit einer Querschnittsfläche in der Ebene umfassen,
die im Wesentlichen mit dem des Moduls korrespondiert. Der Raum
besitzt eine Erstreckung senkrecht zu der Ebene derart, dass ein
Modul mit maximaler Größe von dem
Raum aufgenommen werden kann. Module mit einer Größe, die
kleiner als die maximale Größe ist,
können
deshalb ebenso in dem Raum mit geeigneten Befestigungsmitteln eingepasst
werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung zeigen die verschiedenen Dimensionierungen des Moduls
ein Querschnittsprofil, das im Wesentlichen einer Fläche entspricht,
die sich in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse und dem rohrförmigen Körper in
der Ebene erstreckt. Vorteilhafterweise ist der rohrförmige Körper mittig
in der Umwandlervorrichtung angeordnet. Auf diese Weise kann das
Modul ein symmetrisches Querschnittsprofil aufweisen, das vorzugsweise
ringförmig
in der Ebene ist und in einen Raum um den ringförmigen Körper eingepasst werden kann.
In derartigen Fällen reinigt
ein Modul, das eine Abgasreinigungskomponente aufweist, Abgase,
die extern über
den rohrförmigen
Körper
strömen.
Alternativ weisen die verschiedenen Dimensionen der Module ein Querschnittsprofil
auf, das im Wesentlichen mit einer internen Fläche des ringförmigen Körpers in
der Ebene korrespondiert. Dies bedeutet, dass das Modul ein symmetrisches
Querschnittsprofil aufweisen kann, das vorzugsweise eine ringförmige Form
in der Ebene hat, so dass es in einen Raum innerhalb des ringförmigen Körpers eingepasst
werden kann. In diesem Fall reinigt ein Modul, das eine Abgasreinigungskomponente
aufweist, Abgase, die innerhalb des ringförmigen Körpers strömen. Das Modul kann eine Abgasreinigungskomponente
in der Form eines Partikelfilters aufweisen. Das Anordnen eines
Partikelfilters in einem Abgassystem eines Dieselmotors ist vielfach
notwendig, wenn die Menge an Rußpartikeln
in Abgasen auf einen akzeptierbaren Emissionsgrad redu ziert werden
muss. Das Modul kann eine Abgasreinigungskomponente in der Form
eines Katalysators aufweisen, um die Menge an Stickoxiden in den
Abgasen zu reduzieren. Vorteilhafterweise sind sowohl ein Modul
mit einem Partikelfilter als auch ein Modul mit einem Katalysator
in der Umwandlervorrichtung angeordnet. Vorteilhafterweise ist das
Modul, das den Partikelfilter aufweist, ganz außen angeordnet und das Modul,
das den Katalysator aufweist, ist innen angeordnet. Eine derartige
Positionierung hat mehrere Vorteile, zum Beispiel macht es das Anpassen
der einzelnen Module in dem Umwandler relativ einfach, es erleichtert
die Konstruktion eines Abgasweges, der eine effektive Schalldämpfung ermöglicht,
und es erleichtert die Anordnung eines beliebigen Brenners, der,
wenn er notwendig ist, zur Anhebung der Abgastemperatur vorgesehen
ist, bevor die Abgase den Partikelfilter erreichen. Damit Rußpartikel
in Abgasen zünden
und in dem Partikelfilter verbrennen, müssen die Abgase eine bestimmte
Temperatur erreicht haben. Ein Brenner kann einen innerhalb des
Partikelfilters in Richtung des Abgasstromes angeordneten oxidierenden Katalysator
ergänzen.
Ein derartiger oxidierender Katalysator wandelt verschiedene Arten
von Stickoxiden NOx zu Stickstoffdioxiden
NO2 um. Dies bedeutet, dass die Rußverbrennung
in dem Partikelfilter danach bei ungefähr 225°C starten kann.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Umwandlervorrichtung ein
Basismodul, das den ringförmigen
Körper
und wenigstens einen Teil des Gehäuses umfasst. Das Gehäuse und
der ringförmige Körper haben
vorbestimmte Dimensionen in der Querschnittsebene, so dass die verschiedenen
Dimensionierungen der Module um oder in dem ringförmigen Körper des
Basismoduls angeordnet werden können.
Das Modul kann beweglich in einem Raum des Basismoduls angeordnet
werden, so dass eine erste Seite des Moduls in Anlage mit einer
Anschlagfläche
kommt, gefolgt von einem Verriegelungsmittel, das so konstruiert
ist, dass es an der anderen Seite des Moduls angeordnet wird. Dies
bewirkt, dass das Modul leicht einzupassen und zu entfernen ist.
Ein derartiges Verriegelungsmittel kann eine Metalldichtung sein.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Modul eine schalldämpfende
Komponente auf, die einen helixförmigen
Strömungsweg
für Abgase
umfasst. Ein derartiger helixförmiger
Strömungsweg
ermöglicht
eine längere
Abgasstromdistanz als eine Gerade zwischen einem Einlass und einem
Auslass des Strömungsweges.
Das Modul, das die schalldämpfende
Komponente umfasst, ist vorzugsweise außerhalb um den rohrförmigen Körper herum
angeordnet. Da der rohrförmige
Körper üblicherweise
eine relativ große
Querschnittsfläche
zum Leiten der Abgase besitzt, ist das Ergebnis in diesem Fall ein helixförmiger Strömungsweg,
der wesentlich länger
als eine geradlinige Strecke zwischen einem Einlass und einem Auslass
des Strömungsweges
ist. Der helixförmige Strömungsweg
erstreckt sich zwischen einem ersten Raum und einem zweiten Raum
des Durchlasses und bietet aufgrund seiner Länge eine effektive Dämpfung des
niederfrequenten Motorschalls. Das Modul mit der schalldämpfenden
Komponente weist vorzugsweise zumindest ein helixförmiges Profil
auf, das eine radiale Erstreckung zwischen einer inneren Wandfläche, die
für eine
Anordnung um den rohrförmigen
Körper
vorgesehen ist, und einer äußeren Wandfläche, die
dazu vorgesehen ist, einen Teil des Gehäuses zu bilden. Dies bedeutet,
dass das gesamte Volumen der Umwandlervorrichtung außerhalb
um den rohrförmigen
Körper
herum zum Leiten der Abgase in dem Strömungsweg verwendet wird. In
vorteilhafter Weise wird der rohrförmige Körper mittig in der Umwandlervorrichtung
angeordnet, so dass der radiale Abstand zwischen dem Gehäuse und
dem rohrförmigen
Körper
entlang der Erstreckung des Strömungsweges
konstant ist.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Gehäuse wenigstens eine Endwand,
die entfernbar angebracht ist. Eine entfernbare Endwand erleichtert das Öffnen der
Umwandlervorrichtung, so dass die Module, die die schalldämpfende
Komponente umfassen, und die einzelnen Abgasreinigungskomponenten
leicht eingepasst und entfernt werden können. Es muss beispielsweise
möglich
sein, dass der Partikelfilter ein- oder zweimal im Jahr herausgenommen,
umgedreht und die Asche ausgeleert werden kann. Das Modul, das die
schalldämpfenden
Komponenten aufweist, und die Endwand sind beispielsweise entfernbar
mittels einer Spannlasche befestigt.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigt
eine Umwandlervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1;
-
3 zeigt
einen Einlass einer Umwandlervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt
eine kombinierte Einheit, die einen Partikelfilter und einen Katalysator
umfasst, in einer ersten Fertigungsstufe;
-
5 zeigt
die kombinierte Einheit bei einer späteren Fertigungsstufe; und
-
6 zeigt
eine Schnittansicht durch eine alternative Ausführungsform einer Umwandlervorrichtung.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
1 zeigt
eine Umwandlervorrichtung, die dazu vorgesehen ist, in einem Abgassystem
für ein dieselgetriebenes
Fahrzeug angeordnet zu werden. Die Umwandlervorrichtung umfasst
ein externes Gehäuse 1,
das im Wesentlichen zylindrische Form hat. In 2 ist
der Abschnitt des Gehäuses 1,
der dem Betrachter zugewandt ist, entfernt worden, um die innerhalb
des Gehäuses 1 angeordneten
Einzelheiten zu zeigen. Das Gehäuse 1 bildet
eine geschlossene äußere Oberfläche mit
Ausnahme der Stellen, an denen ein Einlass 2 und ein Auslass 3 für Abgase
angeordnet sind. Ein Rohr 4 mit kreisförmigen Querschnitt, das einen
kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Gehäuses 1 hat,
ist innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet,
so dass die zentralen Achsen durch das Gehäuse 1 und das Rohr 4 in
einer axialen Richtung zusammenfallen. Das Rohr 4 hat eine Länge, die
zu dem Gehäuse 1 korrespondiert,
und die Enden des Rohrs 4 liegen an der ersten bzw. der zweiten
Endwand 5 bzw. 6 des Gehäuses 1 an.
-
Die
Umwandlervorrichtung umfasst Abgasreinigungskomponenten, um die
Abgase zu reinigen, die durch einen Durchlass strömen, der
sich zwischen dem Einlass 2 und dem Auslass 3 erstreckt. Eine
erste Abgasreinigungskomponente in Form eines Partikelfilters 7 ist
außen
um das Rohr 4 herum angeordnet. 2 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2. In der
Ebene A, die in 2 veranschaulicht ist, ist der
Partikelfilter 7 als sich ringförmig um das Rohr 4 erstreckend
gezeigt. Der Partikelfilter 7 hat eine radiale Erstreckung,
so dass er vollständig
den radialen Raum zwischen dem Rohr 4 und dem Gehäuse 1 ausfüllt. Der
Partikelfilter 7 umfasst längliche Leitungen, die sich
in einer ersten Richtung 8 erstrecken. Die länglichen
Leitungen sollen die Abgase durch den Filter 7 leiten.
Der Partikelfilter hat in der Strömungsrichtung der Abgase eine konstante
Querschnittsform, die demzufolge im Wesentlichen in der ersten Richtung 8 durch
den Partikelfilter 7 geleitet werden. Der Partikelfilter 7 umfasst Anschlagflächen 9,
die an geeigneten Punkten entlang der Erstreckung der länglichen
Leitungen angeordnet sind. Die Anschlagflächen 9 bewirken, dass die
Abgase in benachbarte längliche
Kanäle
in dem Partikelfilter geleitet werden. Dabei werden Rußpartikel
gefangen und in dem Partikelfilter 7 verbrannt. Eine zweite
Abgasreinigungskomponente in der Form eines Katalysators 10 ist
innerhalb des Rohrs 4 angeordnet. Der Katalysator 10 ist
radial innerhalb des Partikelfilters 7 in der Ebene A,
abgebildet in 2, angeordnet. Der Katalysator 10 umfasst ebenfalls
längliche
Leitungen, die so ausgelegt sind, dass sie die Abgase in einer im
Wesentlichen zweiten Richtung 11 durch den Katalysator 10 leiten.
Der Katalysator 10 hat eine konstante Querschnittsform
in der Abgasstromrichtung 11. Der Katalysator 10 ist dazu
vorgesehen, eine katalytische Reinigung der Abgase zu bewirken,
insbesondere, um den Stickoxidgehalt der durchströmenden Abgase
zu reduzieren.
-
Ein
Grundprinzip zum Dämpfen
niederfrequenten Schalls besteht darin, eine lange Abgasstrecke
zwischen zwei Räumen
vorzusehen. Ein effektiver Dämpfer
für niederfrequenten
Schall, in dem eine derartige Abgasstrecke gerade ist, belegt viel
Raum. Niederfrequenter Schall ist der vorherrschende Anteil des
Schalls eines Verbrennungsmotors. Die Umwandlervorrichtung umfasst
schalldämpfende
Mittel, die gemäß diesem
Grundprinzip aufgebaut sind. Die Umwandlervorrichtung umfasst demnach
zwei längliche
profilierte Abschnitte 12a, b, die sich helixförmig um
das Rohr 4 erstrecken. Die Abschnitte 12a, b besitzen
eine radiale Erstreckung, so dass sie den radialen Raum zwischen
dem Rohr 4 und dem Gehäuse 1 ausfüllen. In
diesem Fall erstreckt sich jeder der Abschnitte 12a, b
um 600° um
das Rohr 4. Die zwei Abschnitte 12a, b, bilden
zwischen sich zwei helixförmige
parallele Strömungswege 13a,
b deren Einlass und Auslass um 180° zueinander versetzt sind. Die Strömungswege 13a,
b erstrecken sich demnach gleichermaßen helixförmig um das Rohr 4 in
dem radialen Raum, der von dem Gehäuse 1 und dem Rohr 4 eingeschlossen
wird. Die Abgase, die durch die helixförmigen Strömungswege 13a, b geleitet
werden, legen eine wesentlich längere
Distanz als die Länge einer
Gerade zwischen dem Einlass und dem Auslass der Strömungswege 13a,
b zurück.
Der Raum in dem Durchlass stromaufwärts der helixförmigen Strömungswege 13a,
b bildet einen ersten Raum und der Raum stromabwärts der Strömungswege zu dem Katalysator 10 bildet
einen zweiten Raum. Das Leiten der Abgase über die helixförmigen Strömungswege 13a,
b erzeugt eine lange Abgasstrecke, die keine lange Umwandlervorrichtung
benötigt,
um ein effektives Schalldämpfen
zu ermöglichen.
Die Umwandlervorrichtung, die sowohl Reinigungskomponenten als auch
schalldämpfende
Komponenten enthält,
kann demnach sehr kompakt gebaut werden und benötigt wenig Raum.
-
Ein
Brenner 14 ist in der Nähe
des Einlasses 2 in der Umwandlervorrichtung angeordnet.
Der Zweck des Brenners 14 besteht darin, wenn es notwendig
ist, die Abgase auf eine Temperatur zu erwärmen, dass Rußpartikel
in dem Partikelfilter 7 verbrannt werden können. Rußpartikel
zünden
normalerweise bei einer Temperatur von ungefähr 600°C, aber in den meisten Fällen ist
es schwierig, eine so hohe Abgastemperatur auch mit einem Hochleistungsbrenner 14 zu
garantieren. Die Zündtemperatur von
Rußpartikeln
muss demnach üblicherweise
erniedrigt werden. Dies kann durch ein Umwandeln der verschiedenen
vorkommenden Arten von Stickoxiden NOX in
Stickstoffdioxid NO2 erreicht werden. Es gibt
im Wesentlichen zwei Verfahren, um dies durchzuführen. Gemäß einem ersten Verfahren – CRT ("CRT = Continuous
Regeneration Trap"/kontinuierlicher
Regenerationsabscheider) – ist
zu diesem Zweck ein separater oxidierender Katalysator vor den Partikelfilter 7 in
der Abgasströmungsrichtung (siehe 6)
angeordnet. In dieser Situation zünden die Rußpartikel bei ungefähr 225°C in dem
Partikelfilter 7. Gemäß einem
zweiten Verfahren – CSF
("CSF = Catalytic
Soot Filter"/katalytischer
Rußfilter) – ist der
Partikelfilter 7 mit einem geeigneten Auskleidungsmaterial
ausgekleidet, so dass die oxidierende Katalyse von NOX zu
NO2 direkt an der Oberfläche des Partikelfilters 7 stattfindet.
In dieser Situation zünden
die Rußpartikel
bei ungefähr
250°C. Es
ist auch mittels verschiedener Additive in dem Brennstoff möglich, eine
niedrigere Zündtemperatur
von ungefähr
350°C in
einem konventionellen Partikelfilter 7 zu erreichen.
-
In
Fällen,
in denen ein Katalysator 10 betrieben wird, der mit SCR
("SCR = Selective
Catalytic Reduction"/selektive
katalytische Reduktion) arbeitet, sind Einspritzvorrichtungen 15 an
der Peripherie des Umwandlers 1 angeordnet, um eine Ammoniakträgersubstanz
hinzuzufügen,
zum Beispiel in der Form von Harnstoff. Wenn der Ammoniakträger hinzugefügt worden
ist, muss er richtig untergemischt werden, um das Leistungsverhalten
des Katalysators 10 bei einem Reduzieren des Ammoniak- und Stickoxidgehalts
der durchlaufenden Abgase zu Stickstoffgas und Wasser zu optimieren.
Mit den länglichen
Strömungswegen 13a,
b ist dies kein Problem.
-
Das
Rohr 4 umfasst an dem Ende, das an der zweiten Endwand 6 anliegt,
eine Vielzahl von Löchern 16,
die eine elliptische Form besitzen. Die Löcher 16 sind mit im
Wesentlichen konstanten Abständen
um die Peripherie des Rohrs 4 angeordnet. Die Löcher 16 sind
sowohl in der Anzahl als auch in der Größe wohlproportioniert. Die
Löcher 16 ermöglichen damit,
dass die Abgase in das Rohr 4 mit relativ geringen Strömungsverlusten
strömen.
Die Löcher
ermöglichen
ein Strömen
in den Durchlass von einer ersten Teilstrecke 17a, die
außerhalb
des Rohrs 4 angeordnet ist, zu einer zweiten Teilstrecke 17b,
die innerhalb des Rohrs 4 angeordnet ist.
-
Die
Abgase werden in die Umwandlervorrichtung über den Einlass 2 geleitet. 3 zeigt
eine Schnittansicht durch die Umwandlervorrichtung an dem Einlass 2.
Die Abgase werden von dem Einlass 2 in einen im Wesentlichen
ringförmigen
Raum der ersten Teilstrecke 17a geleitet, wobei sich der
ringförmige
Raum um das Rohr 4 in der Nähe der ersten Endwand 5 des
Gehäuses 1 erstreckt.
Der ringförmige
Raum der ersten Teilstrecke 17a bietet den einströmenden Abgasen
einen relativ geringen Strömungswiderstand
und verleiht den Abgasen eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung,
bevor sie in einer axialen Richtung relativ zu dem Rohr 4 in
den Partikelfilter 7 geleitet werden. Die einströmenden Abgase
werden nach Bedarf durch den Brenner 14 auf eine Temperatur
erwärmt,
die eine Zündung
und Verbrennung der Rußpartikel
in den Abgasen des Partikelfilters 7 garantiert. Die Abgase
werden in der ersten Richtung 8 durch die länglichen
Leitungen des Partikelfilters 7 geleitet. Anschlagflächen 9 sind
demnach an geeigneten Stellen entlang der länglichen Leitungen angeordnet
und zwingen die Abgase in benachbarte länglichen Leitungen in dem Partikelfilter 7.
In Abhängigkeit
von dem Regenerationssystem und der Temperatur werden die bei dieser
Stufe in dem Partikelfilter 7 gefangenen Rußpartikel
gezündet
und verbrennen. Die Abgase werden demnach dazu gezwungen, eine kurze
Entfernung seitlich abzuweichen, aber sie strömen hauptsächlich in der ersten Richtung 8 entlang
einer im Wesentlichen geraden Linie durch den Partikelfilter 7.
Die aus dem Filter 7 strömenden Abgase sind prinzipiell
von Rußpartikeln
befreit.
-
Die
Einspritzvorrichtungen 15 werden dazu verwendet, eine Substanz
in der Form eines Ammoniakträgers
den aus dem Partikelfilter 7 strömenden Abgasen hinzuzufügen, bevor
diese Abgase in den einen oder die zwei parallelen Strömungswege 13a, b
geleitet werden, die durch die helixförmigen Abschnitte 12a,
b gebildet werden, die sich um das Rohr 4 erstrecken. Die
zwei Strömungswege 13a,
b sind um 180° zueinander
versetzt, um eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Abgase
zwischen den beiden Strömungswegen 13a,
b zu erzielen. Die Abschnitte 12a, b besitzen eine radiale
Ausdehnung, so dass sie den Raum zwischen dem Rohr 4 und dem
Gehäuse 1 ausfüllen. Die
durch die helixförmigen
Strömungswege 13a,
b geleiteten Abgase durchlaufen eine beträchtlich größere Distanz als die Länge einer
Gerade zwischen dem Einlass und dem Auslass der Strömungswege 13a,
b. Es ergibt sich eine langgestreckte Abgasstrecke, die zwei Räume des
Durchlasses so verbindet, dass eine effektive Schalldämpfung von
niederfrequentem Schall von dem Dieselmotor entsteht. Die langgestreckten
Strömungswege 13a,
b bieten auch eine notwendi ge Mischdistanz für den Ammoniakträger, so
dass der letztere im Wesentlichen gleichförmig in den Abgasen verteilt
wird. Die Abgase werden relativ geringen Richtungswechseln unterworfen,
wenn sie die helixförmigen
Strömungswege 13a,
b durchlaufen, wodurch für
die Abgase ein relativ geringer Strömungswiderstand besteht. Die
aus den helixförmigen
Wegen strömenden
Abgase werden radial nach innen und in das Rohr 4 über die
Löcher 16 geleitet.
Die Löcher 16 definieren
einen Übergang
zwischen der ersten Teilstrecke 17a des Durchlasses außerhalb
um das Rohr 4 und der zweiten Teilstrecke des Durchlasses
innerhalb des Rohrs 4. Der Durchlass durch die Löcher 16 verändert die
Strömungsrichtung
der Abgase und leitet sie in Richtung des Katalysators 10. Wenn
die innerhalb des Rohr 4 strömenden Abgase den Katalysator 10 erreichen,
strömen
sie in die langgestreckten Leitungen des letzteren. Die langgestreckten
Leitungen ermöglichen,
dass die Abgase in der zweiten Strömungsrichtung 11 strömen, die
sich parallel zu der ersten Strömungsrichtung 8,
aber in der entgegengesetzten Richtung befindet. Danach strömen die
von Rußpartikeln
und Stickoxiden im Wesentlichen befreiten Abgase durch den Auslass 3 nach
außen.
Der Auslass 3 umfasst eine gleichmäßig gerundete, sich verjüngende Form,
die das Rohr 4 mit einem engeren Rohr des Abgassystems
verbindet. Das engere Rohr ist in den Zeichnungen nicht abgebildet.
Die Form des Auslasses 3 bewirkt, dass die Abgase hier
wiederum einem sehr geringen Strömungswiderstand
unterliegen.
-
Der
Partikelfilter 7 besitzt eine größere Querschnittsfläche als
der Katalysator 10 in der Ebene A, abgebildet in 2.
Dies bedeutet, dass die Abgase den Partikelfilter 7 mit
einer geringeren Geschwindigkeit als den Katalysator 10 durchlaufen.
Der Strömungswiderstand
für die
Abgase ist mit der Strömungsgeschwindigkeit
verknüpft.
Aufgrund der Anschlagflächen 9 ist
der Strömungswiderstand
für die Abgase
in dem Partikelfilter 7 normalerweise größer als
in dem Katalysator 10. Der gesamte Strömungswiderstand durch den Durchlass
kann durch ein Verringern der Strömungsgeschwindigkeit durch
den Partikelfilter 7 beträchtlich reduziert werden. Vorteilhafterweise
ist die Querschnittsfläche
des Partikelfilters 7 ungefähr zweimal so groß wie die
des Katalysators 10.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind der Partikelfilter 7 und der Katalysator 10 so
relativ zueinander in dem Gehäuse 1 positioniert,
dass zumindest eine Ebene A, senkrecht zu den parallelen ersten
und zweiten Richtungen 8 bzw. 11, sich durch sowohl
den Partikelfilter 7 als auch den Katalysator 10 erstreckt. Eine
derartige gegenseitig nahe Positionierung des Partikelfilters 7 und
des Katalysators 10 bedeutet, dass gemäß einer Alternative der vorliegenden
Erfindung sie in Form einer kombi nierten Einheit hergestellt werden
können.
Die 4 und 5 zeigen eine kombinierte Einheit,
die einen Partikelfilter 7 und einen Katalysator 10 umfasst,
bei einer ersten und einer zweiten Fertigungsstufe. Der Katalysator 10 umfasst
einen ersten langgestreckten streifenförmigen Materialabschnitt 18,
der ebene Flächen
umfasst, und einen zweiten Materialabschnitt 19, der gewellte Flächen umfasst.
Der zweite Materialabschnitt 19 wird auf dem ersten Materialabschnitt 18 angeordnet, danach
werden der erste und der zweite Materialabschnitt 18 bzw. 19 zusammen
in Richtung des Pfeils zusammengerollt. In diesem Fall wird der
erste Materialabschnitt 18 mit einem dritten Materialabschnitt 20 verbunden,
der dazu vorgesehen ist, eine äußere radiale
Dichtung zwischen dem radial außerhalb
angeordneten Partikelfilter 7 und dem Katalysator 10 zu bilden.
Der dritte Materialabschnitt 20 kann alternativ den ersten
Materialabschnitt 18 aufweisen, wobei in diesem Fall der
letztere länger
als der zweite Materialabschnitt 19 hergestellt wird. 5 zeigt
eine spätere
Stufe des Fertigungsprozesses. Hier wird ein vierter langgestreckter
streifenförmiger
Materialabschnitt 21 mit dem dritten Materialabschnitt 20 verbunden.
Ein Wulst aus zähflüssigem Material 22 wird danach
an dem vierten Materialabschnitt 21 angeordnet. Ein fünfter gewellter
Materialabschnitt 23 wird dann über dem vierten Materialabschnitt 23 und
dem Wulst aus zähflüssigem Material 22 angeordnet.
In dieser Stufe passt das zähflüssige Material 22 seine Form
der hohlen Form zwischen dem vierten und fünften Materialabschnitt 21 bzw. 23 an.
Ein zweiter Wulst aus zähflüssigem Material 22 wird
oberhalb dem gewellten fünften
Materialabschnitt 23 angeordnet. Danach wird der zylinderförmige gerollte
Körper weiter
in Richtung des Pfeils gerollt, so dass der vierte und der fünfte Materialabschnitt 21 bzw. 23 aufgerollt
werden und radial die Außenseite
des Katalysators 10 greifen. Die Wulste aus zähflüssigem Material 22 werden
fest und bilden Anschlagflächen 9 in
den langgestreckten Leitungen, die zwischen den ebenen Flächen des
vierten Materialabschnitts 21 und den gewellten Flächen des
fünften
Materialabschnitts 23 gebildet werden. Schließlich wird
ein Befestigungselement vorzugsweise an einer geeigneten Position angeordnet,
um ein Aufrollen der einzelnen Materialabschnitte zu verhindern.
Der dritte Materialabschnitt 20, der dazu vorgesehen ist,
eine feste radiale Dichtung zwischen dem Partikelfilter 7 und
dem Katalysator 10 zu bilden, kann so breit gemacht werden,
dass er das mittig angeordnete Rohr 4 in dem Umwandler 1 bildet.
Alternativ kann der dritte Materialabschnitt 20 in geeigneter
Weise mit den koaxial angeordneten Abschnitten des Rohrs 4 verbunden
werden.
-
6 zeigt
eine Umwandlervorrichtungskonstruktion, die das Anpassen der Abgasreinigungs-
und Schalldämpfungskomponenten
in Form von Modulen ermöglicht.
Bei der Herstellung von verbrennungsmotorgetriebenen Fahrzeugen
mit unterschiedli chen Leistungen und unterschiedlichen Emissionsfreisetzungsanforderungen
ist es von beträchtlichem
Vorteil, wenn die Umwandlervorrichtung aus einer begrenzten Anzahl
an Modulen unterschiedlicher Dimensionen hergestellt werden kann.
In diesem Fall umfasst die Umwandlervorrichtung ein Basismodul 24,
das ungefähr
die Hälfte
des zylinderförmigen
Gehäuses 1 umfasst,
wobei diese Hälfte
die erste Endwand 5 und das gesamte Rohr 4 mit
kreisförmigen Querschnitt
aufweist, das in diesem Fall fest an der ersten Endwand 5 befestigt
ist. Das Basismodul 24 umfasst somit einen ringförmigen Raum
zwischen dem Gehäuse 1 und
dem Rohr 4 sowie einen ringförmigen Raum innerhalb des Rohrs 4.
-
In
dem äußeren ringförmigen Raum
ist ein erstes Modul 25 angeordnet, das einen oxidierenden Katalysator
aufweist. Diesem folgt das Anordnen eines zweiten Moduls 26 in
dem ringförmigen
Raum, das einen Partikelfilter 7 aufweist. In dem ersten
Modul 25, das den Katalysator aufweist, werden die verschiedenen
Arten von Stickoxiden, die in den Abgasen enthalten sind, zu Stickstoffdioxid
umgewandelt, wodurch die Rußpartikelzündtemperatur
verringert wird. Normalerweise ist an dem ersten Modul 25,
das einen oxidierenden Katalysator aufweist, kein Brenner 14 erforderlich.
Das erste Modul 25 kann in den ringförmigen Raum bewegt werden,
bis eine erste Seite des Moduls 25 eine Anschlagsfläche 27 erreicht.
Danach wird eine Metalldichtung 28 oder ähnliches
an der äußeren Seite
des Moduls 25 befestigt, so dass die Dichtung an der gewünschten
Position gehalten wird. Danach wird das zweite Modul 26,
das den Partikelfilter 7 aufweist, entsprechend in dem ringförmigen Raum
angeordnet. In dieser Situation kann die Metalldichtung 28 des
ersten Moduls 25 als eine Anschlagfläche 27 für eine erste
Seite des zweiten Moduls 26 fungieren, danach wird eine
Metalldichtung 28 an der zweiten Seite des zweiten Moduls 26 angeordnet.
Die Kapazität
des Katalysators und des Partikelfilters 7 steht mit dem
Volumen der jeweiligen Komponenten in Bezug. Eine Anpassung an unterschiedliche
Emissionsanforderungen und Motorgrößen wird durch erste und zweite
Module 25 bzw. 26 ermöglicht, die demnach den Katalysator
und den Partikelfilter aufweisen, die in geeigneten Dimensionen
hergestellt wurden. Das erste und das zweite Modul 25 bzw. 26 weisen
eine identische Querschnittsfläche
in der Ebene A auf, aber eine unterschiedliche Erstreckung in einer
Richtung senkrecht zu der Ebene A. Der ringförmige Raum des Basismoduls 24 besitzt
eine Tiefe, die so angepasst ist, dass sie das erste und das zweite
Modul 25 bzw. 26 aufnimmt, die auf maximale Größen ausgelegt
sind.
-
Ein
drittes Modul 29, das einen Katalysator 10 zum
Reduzieren der Menge an Stickoxiden in den Abgasen zu Wasser und
Stickstoffgas mittels eines hinzugefügten Reduktionsmittels aufweist,
ist in dem kreisförmigen
Raum innerhalb des Rohrs 4 angeordnet. Auf eine der oben
beschriebenen entsprechenden Weise kann das dritte Modul 29 gleichermaßen in verschiedenen
Dimensionen hergestellt werden, die alle eine identische kreisförmige Querschnittsfläche in der
Ebene A, aber eine unterschiedliche Erstreckung in einer Richtung
senkrecht zu der Ebene A besitzen. Wenn es in das Rohr 4 eingepasst
wird, wird das dritte Modul 29 bis zu einer Anschlagfläche 27 eingeschoben,
gefolgt von einer Metalldichtung 28, die auf der anderen
Seite des dritten Moduls 29 angeordnet wird.
-
Danach
wird ein viertes Modul 30, das eine schalldämpfende
Komponente aufweist, die ein entsprechendes ringförmiges Querschnittsprofil
in der Ebene A besitzt, um das hervorstehende Rohr 4 des Basismoduls 24 angeordnet.
Das dritte Modul 30 umfasst zwei helixfömige profilierte Abschnitte 12a,
b, die zwei parallele Strömungswege 13a,
b für die
Abgase definieren, wobei sich die Strömungswege helixfömig um das
Rohr 4 erstrecken. Die Abschnitte 12a, b besitzen
zwischen sich eine radiale Erstreckung und sind in diesem Fall an
einer inneren Wand 31, die dazu vorgesehen ist, um das
Rohr 4 angeordnet zu werden, und an einer äußeren Wand 32 befestigt,
die dazu vorgesehen ist, einen Teil des Gehäuses 1 zu bilden.
Das vierte Modul 30, das demnach eine schalldämpfende
Komponente aufweist, kann auch gemäß verschiedener Parameter,
was beispielsweise die Anzahl, Länge
und Steigung der helixförmigen
Wege betrifft, gefertigt werden. Eine Verbindungsregion zwischen
dem Gehäuse 1 des
Basismoduls 24 und der äußeren Wand 32 des
vierten Moduls besitzt eine Form, die eine entfernbare Verbindung
mittels einer Spannlasche 33 ermöglicht. Schließlich ist
die zweite Endwand 6 entfernbar mit der äußeren Wand 32 des
vierten Moduls 30 mittels einer entsprechenden Spannlasche 33 verbunden. Die
Module 25, 26, 29, 30 können ebenfalls
andere Elemente als die erwähnten
Komponenten umfassen. Die Module können beispielsweise einen Rahmen
aufweisen, der die externen Dimensionen der Module festlegt und
die Komponenten aufnimmt. Die Module können auch Wandelemente aufweisen,
die eine dichtungsfüllende
Oberfläche
in der Ebene A in Fällen
zur Verfügung
stellen, in denen die verwendete Komponente nicht selbst eine ausreichende
Querschnittsfläche
besitzt, um den notwendigen Modulquerschnitt in der Ebene A zu füllen.
-
Eine
derartige Konstruktion der Umwandlervorrichtung mit entfernbaren
separaten Modulen erleichtert auch die Wartung der in den Modulen
umfassten Komponenten. Eine regelmäßig wiederkehrende Arbeit ist
ein oder zweimal pro Jahr das Leeren des Partikelfilters 7 von
Asche. Mit der Umwandlervorrichtung der 6 ist der
erste Schritt diesbezüglich
das Entfernen der Spannlasche 33, die die Endwand 6 am
Platz hält.
Dem folgt des Entfernen der Spannlasche 33, die das vierte
Modul 30 hält,
das die schalldämpfende
Komponente 28 und das Basismodul 24 aufweist.
Das vierte Modul kann dann aus dem Rohr 4 gezogen werden.
Das den Partikelfilter 7 aufweisende zweite Modul 26 ist
danach frei und kann herausgezogen und die Asche ausgeleert werden. Das
zweite Modul wird umgedreht und in den ringförmigen Raum des Basismoduls 24 erneut
eingesetzt. Danach werden das vierte Modul 30 und die zweite Endwand 6 mittels
der entsprechenden Spannlaschen 33 erneut eingepasst.
-
Die
Erfindung ist in keiner Weise auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern kann frei innerhalb der Geltungsbereiche der Ansprüche variiert
werden. Beispielsweise müssen die
Abgase in der Umwandlervorrichtung nicht durch sie in der beschriebenen
Richtung strömen.
Die Abgase können
alternativ zuerst in das Rohr 4 über einen Einlass geleitet
werden, bevor sie radial nach außen und in entgegengesetzter
Richtung auf der Außenseite
des Rohrs 4 zu einem Auslass geleitet werden. In einem
derartigen Fall wird der Partikelfilter 7 innerhalb des
Rohrs 4 und der Katalysator 10 außerhalb
des Rohrs 4 angeordnet. Das Gehäuse 1, die Abgasreinigungskomponenten 7, 10, 25 und
das Rohr 4 müssen
nicht notwendigerweise eine ringförmige Außenform in der Ebene A besitzen,
sondern können
im Wesentlichen von beliebiger funktioneller Form sein. In ähnlicher
Weise muss das Rohr 4 nicht mittig innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet
werden, sondern kann im Wesentlichen beliebig funktionell positioniert
werden.