DE1271462B - Verfahren zum katalytischen Oxydieren von Brennkraftmaschinenabgasen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^gTV^ PATENTAMT

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BOId

Deutsche Kl.: 46 c6-6/02

1 271462
P 12 71 462.4-43
3. November 1961
27.Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum katalytischen Oxydieren von Brennkraftmaschinenabgasen durch aufeinanderfolgendes Hindurchleiten der Abgase durch zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysatorschichten.

Es ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem in zwei in Strömungsrichtung hintereinander befindlichen Filterschichten Katalysatorkörner angeordnet sind, deren Korngröße in Strömungsrichtung zunimmt. Außerdem nimmt der Querschnitt der Filterschichten in Strömungsrichtung zu. Derartige Verfahren dienen zur Abgasreinigung auf katalytischem Wege, um Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige organische Verbindungen, Kohlenmonoxyd od. dgl. aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von mit Benzin betriebenen Motoren, zu entfernen. Insbesondere bei Blei enthaltenden Brennstoffen nimmt die Wirkung der Katalysatoren im Laufe der Benutzungsdauer sehr stark ab. Diese Abnahme ist insbesondere im niederen Temperaturbereich sehr stark, so daß es praktisch nicht möglich ist, beim Starten des Motors die gewünschte Betriebstemperatur schnell zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Produktivität eines derartigen Verfahrens auf einfache Weise zu verbessern. Dabei sollen keine besonders aufwendigen Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren erforderlich sein. Die Wirksamkeit des katalytischen Oxydierens der Abgase soll insbesondere bei Blei enthaltenden Kraftstoffen vergrößert werden, ohne daß die Lebensdauer der in den Katalysatorschichten verwendeten Katalysatorwerkstoffe vermindert wird.

Die Erfindung besteht darin, daß die den Abgasen zuerst ausgesetzte Katalysatorschicht aus solchen Katalysatorkörnern von einer durchschnittlichen Korngröße zwischen etwa 0,075 und 0,135 cm anschließend in der zweiten Katalysatorschicht wiederverwendet wird.

Es ist zwar bekannt, bei Abgasreinigungsverfahren die in Strömungsrichtung nebeneinander angeordneten Einzelfilter, d. h. die gruppenweise in Strömungsrichtung nebeneinander angeordneten Einzelfilter, auszutauschen, da die Strömung durch die in der Mitte der Filtergruppe befindlichen Einzelfilter größer ist als die durch die am Rand der Filtergruppe angeordneten Einzelfilter. Dort soll jedoch lediglich ein einigermaßen gleichmäßiger Verbrauch der Katalysatorkörner erfolgen, nicht jedoch die obengenannte Aufgabe gelöst werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, daß die Nachteile der bisher bekannten Verfahren der obenge-Verf ahren zum katalytischen Oxydieren von
Brennkraftmaschinenabgasen

Anmelder:
Oxy-Catalyst, Inc.,
Berwyn, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr.-Ing. R. Poschenrieder,

Patentanwalt,

8000 München 8, Lucile-Grahn-Str. 38

Als Erfinder benannt:
Eugene Jules Houdry,
Ardmore, Pa. (V. St. A.)

nannten Gattung vermieden werden können. Die Wirkung von Oxydationskatalysatoren für Brennkraftmaschinen kann erfindungsgemäß selbst bei längerer Benutzungsdauer in den Bereich der niedrigen Anlaßtemperaturen erweitert werden. Es wird ein außerordentlich rationelles Verfahren erreicht, und es ist möglich, trotz guter Abgasreinigung in einem relativ großen Betriebstemperaturbereich die Katalysatoren, die verhältnismäßig teuer sind, praktisch vollständig auszunutzen.

Da in der ersten Katalysatorschicht, durch die die Brennkraftmaschinenabgase zuerst hindurchtreten, praktisch immer frische Katalysatoren verfügbar sind, die auch in verhältnismäßig niedrigen Temperaturbereichen zwischen etwa 290 und 400° C stark wirksam sind, dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasreinigung in praktisch dem gesamten in Frage kommenden Betriebstemperaturbereich, da die zweite Katalysatorschicht, die vor allem bei Temperaturen zwischen 480 und 73O⁰C sich durch lange Lebensdauer auszeichnet, für das normale Arbeiten der Brennkraftmaschinen, d. h. ausreichend lange Zeit nach dem Anlassen, zur Verfügung steht. Der normale Betriebstemperaturbereich des Abgasreinigers ist daher schnell erreichbar, so daß insgesamt eine durchschnittlich bessere Gesamtwirkung erzielt wird.

809 567/461

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es besonders zweckmäßig, daß die Wiederverwendung von bis ungefähr 3000 bis 19000 Fahrtkilometern verwendete Katalysatorkörnern der ersten Katalysatorschicht in der zweiten Katalysatorschicht erfolgt und diese dort etwa zwischen 18 000 bis 29 000 Fahrtkilometern verbleiben, wenn es sich um ein Brennkraftmaschinenfahrzeug handelt. Dabei werden etwa 8 bis 66 % der Gesamtgewichtsmenge an Katalysator in der ersten Katalysatorschicht verwendet.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Wiederverwendung des Katalysators in der zweiten Katalysatorschicht die Ausnutzung des Katalysators für eine viel längere Zeit ermöglicht als dies bisher

wärtsbewegung und die Rippe 18 das unterste Gitter 24 gegen Abwärtsbewegung ab.

Gemäß F i g. 2 bis 4 sind in jedem Gitter 24 Abschnitte 36 ausgestanzt, die längs dessen Seiten Schlitze 38 und 40 für den Durchgang der Abgase bilden. Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß sich bei dem obersten Gitter 24 die Abschnitte 36 nach unten erstrecken, während sich bei den anderen zwei Gittern 24 die Abschnitte 36 nach oben erstrecken.

ο Gemäß Fig. 1 hat das Gehäuse2 einen als Vorratsbehälter dienenden Stirnabschnitt 44, der mit Flanschen 46 und 48 für die gleitende Abstützung des obersten Gitters 24 versehen ist, so daß sich dieses ausdehnen und zusammenziehen kann. Der Vor

der Fall war. Der Katalysator kann daher verhältnis- 15 ratsabschnitt 44 wird in zwei getrennte Abteile durch mäßig lange benutzt werden, ehe er verworfen wer- eine Wand 50 geteilt, die an ihrem unteren Ende zwei den muß. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Verminderung der Katalysatorkosten. Dies wirkt sich be

sonders bei Abgasreinigern aus, die für Kraftfahr-

Flansche 52 und 54 aufweist, die einen Schlitz als Abstützung für das mittlere Gitter 24 bilden, so daß sich dieses ausdehnen und zusammenziehen kann.

zeuge verwendet werden. 20 Der Vorratsbehälter 44 ist auch mit Flanschen 56

An Hand des in F i g. 1 bis 7 dargestellten Abgas- und 58 versehen, die einen Schlitz für eine gleitende

reinigers ist die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. Der dargestellte Abgasreiniger eignet sich besonders vorteilhaft zur Durchführung des erfin-

Abgasreinigers;

F i g. 2 ist eine Draufsicht auf ein Gitter im unteren Bett des Abgasreinigers;

Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt längs Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3;

F i g. 5 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 1;

Fig. 6 ist ein senkrechter Schnitt längs der Linie 6-6 von F i g. 1 und

Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt längs der Linie7-7 in Fig. 1.

Abstützung des unteren Gitters 24 bilden, damit sich dieses ausdehnen und zusammenziehen kann. Der Zugang zum oberen Teil des Vorratsbehälters 44 dungsgemäßen Verfahrens. 25 wird durch einen Gewindestopfen 60 und der Zugang

F i g. 1 ist ein Teilschnitt einer Seitenansicht des zum unteren Teil wird durch einen Gewindestopfen

62 gebildet. Der Entleerungsabschnitt 66 des Gehäuses 2 hat Flansche 68 und 70, die einen Schlitz für die gleitende Abstützung des oberen Gitters 24 der 30 bilden. Eine Wand 72 trennt den Entleerungsabschnitt 66 in einen oberen und unteren Teil. Die Wand 72 hat Flansche 74 und 76 für die gleitende Abstützung des mittleren Gitters 24. Der Stirnabschnitt 66 hat auch Flansche 78 und 80, die einen Schlitz für die gleitende Abstützung des unteren Gitters 24 bilden. Der obere Teil des Abschnittes 66 ist mit einem Gewindestopfen 82 für das Entfernen des Katalysators versehen, während der untere Teil ähnlich mit dem Gewindestopfen 84 versehen ist. Zwischen dem obe-

Der Abgasreiniger weist ein Gehäuse 2 mit einem 40 ren und mittleren Gitter 24 befindet sich eine obere langgestreckten Oberteil 4 und einem langgestreckten Schicht 86 aus Oxydationskatalysatorkörnern 87. Eine Unterteil 6 auf. Der Oberteil 4 ist mit Flanschen 8 untere Schicht 88 aus Oxydationskatalysatorkörnern und 10 versehen, die an die Flansche 12 bzw. 14 befindet sich zwischen dem mittleren und unteren des Unterteiles 6 angeschweißt sind. Der Oberteil 4 Gitter 24. Die Abgase treten aus dem Abgasreiniger ist mit einer langgestreckten Rippe 16 und der Unter- 45 durch eine Öffnung 90 im Boden desselben aus.
teil 6 mit einer langgestreckten Rippe 18 versehen; Im Betrieb wird gemäß F i g. 1 dem Abgasreini-

diese Rippen verlaufen im wesentlichen zentral zum ger eine Mischung aus Luft und Abgasen in der üb-Gehäuse 2 und zum Inneren des Gehäuses. An jeder liehen Art durch eine Leitung 92 zugeführt, die mit Seite des Oberteiles 4 befindet sich eine z. B. an das dem Venturi 94 verbunden ist. Dieser ist mit periGehäuse geschweißte Klammer 20. Mit jedem Bügel 50 pheren Lufteinlässen 96 und einem nicht entfernba-20 ist ein zweiter Bügel 22 verbunden, so daß die ren, aber gleitend an der Außenseite des Venturi 94 Bügel 20 und 22 einen Schlitz für einen Gleitsitz befestigten Ring 98 versehen. Dieser ist so bewegbar, eines Gitters 24 bilden, um dieses Gitter 24 zu tra- daß er die Öffnungen 96 teilweise abdeckt, um die gen. Das Gitter 24 kann sich ausdehnen und zusam- zugeführte Luftmenge zu regulieren. Die Abgase menziehen, wenn es erhitzt und abgekühlt wird. An 55 werden dem Venturi 94 vom Auspufftopf eines nicht dem Bügel 22 sind Zapfen 26 und 28 angeschweißt, gezeigten Verbrennungsmotors zugeführt. Die Abdie auf jeder Seite des oberen Teiles 4 Schlitze für gase kommen durch den Venturi 94, der das Ansaueinen Gleitsitz eines Gitters 24 bilden, um dieses gen von genügend Luft bewirkt, um den erforder-Gitter 24 zu tragen. Dieses kann sich bei Temperatur- liehen Sauerstoff für die nachfolgende katalytische änderungen ebenfalls ausdehnen bzw. zusammen- 60 Oxydation der brennbaren Bestandteile der Abgase ziehen. zu liefern, aus dem Motor. Die Mischung aus Luft

An jeder Seite des Unterteiles 6 des Gehäuses sind und Abgasen strömt durch die Leitung 92 in das GeBügel 30 und 32 beispielsweise angeschweißt. Diese häuse 2 über das obere Gitter 24. Die Gase werden bilden wiederum Schlitze für einen Gleitsitz eines über die Oberfläche des Gitters 24 verteilt und gelan-Gitters 24 und somit eine Stütze für dieses Gitter 24. 65 gen durch die obere Schicht des Oxydationskatalysa-Auch dieses Gitter kann sich ausdehnen und zusam- tors und dann durch die untere Schicht des Oxymenziehen, wenn es erhitzt und abgekühlt wird. Die dationskatalysators. Schließlich strömen sie unter das Rippe 16 stützt das äußerste Gitter 24 gegen Auf- untere Gitter 24 und durch die Öffnung 90 hinaus.

5 6

Die oxydierbaren Bestandteile in den Abgasen wer- durchschnittlich 15,8 1 Benzin pro 100 km benötigt,

den von den Katalysatorkörnern 87 katalytisch oxy- das 0,53 g Blei pro 11 enthält. Dabei wird ein kata-

diert. Die aus dieser Oxydation frei werdende Wärme lyrischer Abgasreiniger verwendet, der 7 kg Kataly-

und die in den Abgasen befindliche Wärme halten die sator (ungefähr 6600 cm³ Katalysatorvolumen) verSchicht der Katalysatorkörner 87 auf erhöhter Tem- 5 wendet. Ein Wagen, der z. B. 20 Gewichtsprozent Ka-

peratur, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 490 talysator in der ersten Schicht verwendet und der

bis 730° C, wenn einmal der wirksame Betrieb ein- 58 000 km gefahren wurde, kann z. B. in der ersten

gesetzt hat. Unter diesen Bedingungen enthalten die Schicht den Katalysator nach je 10 000 km austau-

durch die Katalysatorschicht hindurchgehenden Gase sehen, wobei 8 kg Katalysator benötigt werden, und nur einen genügend geringen Anteil ihrer Ursprung- io der Katalysator in der zweiten Schicht kann alle

liehen Konzentration an oxydierbaren Verunreini- 29 000 m ausgetauscht werden, wodurch 11 kg Kata-

gungen. Die Hauptmenge dieser Verunreinigungen ist lysator oder eine Gesamtsumme von 19 kg Kataly-

katalytisch zu Kohlendioxyd und Wasserdampf oxy- sator erforderlich sind. Wenn der gleiche Wagen die

diert. gleiche Entfernung gefahren wurde und ein Abgas-

Nach einem Ausführungsbeispiel wird der Abgas- 15 reiniger angewendet wurde, der 50 Gewichtsprozent

reiniger eines Kraftwagens ungefähr für 10 000 Fahrt- des Katalysators in der ersten Schicht verwendete und

kilometer verwendet. Dann wird die obere Kataly- der Katalysatoraustausch in den gleichen Zeitabstän-

satorschicht entfernt und dort frischer Katalysator den durchgeführt wurde, so erfordert die erste Schicht

verwendet. Dieser Vorgang wird in Zeitabschnitten im ganzen 20 kg Katalysator und die zweite Schicht

von 10 000 km wiederholt. Das Volumen der oberen 20 im ganzen 7 kg Katalysator oder eine Gesamtmenge

Schicht beträgt 20 % des Gesamtvolumens der zwei von 27 kg Katalysator. In beiden Fällen tritt eine

Schichten. Nach 38 000 km Fahrt wurde eine genü- wesentliche Ersparnis an Katalysator ein gegenüber

gende Katalysatormenge aus der ersten Schicht ent- einem Reiniger, der eine einzige Katalysatorschicht

fernt und in der zweiten Schicht wiederverwendet. verwendet, die 7 kg Katalysator enthält, der nach je

Mit diesem kann man noch 22 000 bis 29 000 km 25 10 000 km ersetzt werden muß und daher im ganzen

weiterfahren. Der Abgasreiniger ergibt auf diese er- 41 kg Katalysator für 58 000 km Fahrt erfordert,

findungsgemäße Betriebsweise einen sehr wirksamen Vorzugsweise wird der Katalysator aus der ersten

Betrieb und eine überraschende Verringerung der Schicht vom Bleistaub befreit, bevor er in der zweiten

Katalysatorkosten. Bei einem Abgasreiniger mit einer Schicht verwendet wird.

einzigen Katalysatorschicht müßte der Katalysator 30 Zweckmäßigerweise werden im wesentlichen runde

nach 19 000 km vollständig ersetzt werden. Oxydationskatalysatorkörnchen mit einem Durch-

Vorzugsweise wird bei der ersten der hintereinan- messer im Bereich von etwa 0,75 bis etwa 1,35 mm derliegenden Katalysatorschichten der Katalysator verwendet. Die Breite des Schlitzes in dem Gitter nach ungefähr 3000 bis 19 000 km, vorzugsweise un- ist daher etwas kleiner als der Durchmesser der Katagefähr 3000 bis 13 000 km, Fahrt ersetzt und in der 35 lysatorkörner, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis folgenden Schicht wiederverwendet. Die Katalysator- 0,75 mm. Die Gesamtdicke beider Schichten von menge in der ersten Schicht beträgt etwa 8 bis un- Körnern beträgt vorzugsweise 2,5 bis 5 cm.
gefähr 66 Gewichtsprozent, z. B. 14 bis 30 Gewichts- Wie aus Fig. 1 ersichtlich, hat der Weg des Gasprozent, der Gesamtmenge. Der Rest befindet sich in stromes über dem oberen Gitter 24 eine abnehmende der zweiten Schicht. Der in der zweiten Katalysator- 40 Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung schicht wiederverwendete Katalysator wird nach und ist gegen das obere Gitter 24, das Einlaßgitter, etwa 18 000 bis etwa 29 000 km Fahrt ersetzt. Die gerichtet, so daß eine wesentliche Geschwindigkeits-Zahl der Kilometer zwischen Erneuerung in der zwei- komponente senkrecht zu der Ebene des Einlaßgitters ten Schicht beträgt mindestens das l,5fache der Zahl auftritt. Dadurch wird der Druck über der Katalyder Kilometer zwischen Erneuerung in der ersten 45 satorschicht in den Flächen, die der Eingangsstelle Schicht. der Gase am nächsten liegen, erhöht, und es ergibt

Die besten Verhältnisse in bezug auf schnelles sich ein im wesentlichen gleichmäßiger Druckabfall Starten und Wirksamkeit der Entfernung der schäd- durch die Katalysatorschichten,
liehen Bestandteile aus den Motorabgasen bei ver- Die Querschnittsfläche der Katalysatorschichten nünftigen Kosten wird erreicht, wenn die erste Ka- 5° variiert natürlich sehr stark abhängig von dem Motor, talysatorschicht etwa 25 bis etwa 55 Gewichtspro- bei dem der Abgasreiniger verwendet wird. Ganz allzent des Gesamtkatalysators im Abgasreiniger ent- gemein befindet sich die Querschnittsfläche rechthält, winklig zu den Strömungslinien durch die Katalysa-

Wenn eine Wirksamkeit um 85 bis 90 % genügt, torschicht im Bereich von 0,97 bis 20,6 m² pro

braucht der Katalysator in der ersten Schicht nach 55 0,45 kg pro Minute durch den Motor verbrauchten

annähernd 10 000 km Fahrt erneuert zu werden. In Brennstoff unter den Betriebsbedingungen, die der

diesem Fall kann das erste Katalysatorbett in der geringsten Gesamtenergie der Gase entsprechen, die

Größenordnung von 25 Gewichtsprozent des Gesamt- in die Katalysatorschicht eintreten; Gesamtenergie

katalysators im Abgasreiniger sein. Die anfängliche bedeutet hier die fühlbare Wärme der Gase zuzüglich

Charge von Katalysator in der zweiten Schicht wird 60 der Wärme, die durch die Oxydation der brennbaren

nach 29 000 km Fahrt durch den Katalysator ersetzt, Stoffe in den Gasen erzeugt werden kann. Die Quer-

der bereits in der ersten Schicht verwendet wurde. schnittsfläche einer Schicht beträgt im allgemeinen

Dieser Ersatz wird nach 29 000 km Fahrt selbst wie- 0,4 bis 1 cm²/cm³ Hubraum, insbesondere 0,52 bis

der ersetzt. Durch die Tatsache, daß er vorher 0,8 cm²/cm³. Das Volumen der Schicht beträgt im

10 000 km in der ersten Schicht benutzt wurde, wird 65 allgemeinen 1,8 bis 4,6 cm³/cm³ Hubraum. Die geo-

er für 39 000 km Gesamtfahrt verwendet. Unter metrische Oberfläche, die durch die Katalysatorkör-

»Fahrt« werden durchschnittliche Fahrtbedingungen ner gebildet wird, ist im allgemeinen ungefähr 46 bis

verstanden, d. h. die Fahrt eines Kraftwagens, der 86 cm²/cm³ Hubraum, insbesondere zwischen 56 und

72 cm²/cm³ Hubraum und dabei vorzugsweise mehr als 66 cm^ä/cm³ Hubraum.

Wenn man eine maximale Zugabe von Luft zu den Abgasen in den Volumenverhältnissen von 1 Teil zugeführter Luft auf 4 Teile Abgase annimmt, so sind die Betriebsbereiche der Katalysatorschicht im allgemeinen zwischen 490 bis 730° C. Diese Temperaturen entsprechen der wirksamen Abtrennung von Kohlenwasserstoffen und anderer Zusatzprodukte, die sich aus der teilweisen Oxydation des Brennstoffes ergeben. 730° C ist eine vernünftige Betriebstemperatur für die angewendeten Metalle, die den Katalysator enthalten. Die Wirksamkeit des Katalysators beginnt bei ungefähr 260° C, dies entspricht der Oxydation von Wasserstoff. Die Oxydation von Kohlenmonoxyd und kohlenstoffhaltigen Verbindungen beginnt wenig darüber, d. h. bei 290 bis 315° C. Die Abtrennungsrate bei dieser Anfangstemperatur ist bei normalen Betriebsbedingungen jedoch ziemlich niedrig. Die Abtrennung in der Größenordnung von 90% und mehr wird im Temperaturbereich von 490 bis, 700° C erreicht. Die durch die Oxydation von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd erzeugte Wärme erhöht die Temperatur bis zu dem Bereich, der für die volle Aktivität für die Oxydation von Kohlenwasserstoffen und anderen Abbauprodukten notwendig ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kataly tischen Oxydieren von Brennkraftmaschinenabgasen durch aufeinanderfolgendes Hindurchleiten der Abgase durch zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysatorschichten, dadurch gekennzeichnet, daß die den Abgasen zuerst ausgesetzte Katalysatorschicht aus frischen Katalysatorkörnern von einer durchschnittlichen Korngröße zwischen etwa 0,075 und 0,135 cm anschließend in der zweiten Katalysatorschicht wiederverwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederverwendung von bis ungefähr 3000 bis 19 000 Fahrtkilometer verwendeten Katalysatorkörnern der ungefähr 8 bis 66% der Gesamtgewichtsmenge an Katalysator ausmachenden ersten Katalysatorschicht in der zweiten Katalysatorschicht noch ungefähr 18 000 bis 29000 Fahrtkilometer eines Brennkraftmaschinenfahrzeugs erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 231072, 564265,
630414, 644734;
britische Patentschrift Nr. 435 650.

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