DE1289537B - Verfahren zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen durch katalytische Oxydation - Google Patents

Description

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Durch die in zunehmendem Maße an Bedeutung betten von unterschiedlicher Aktivität geleitet wird,

und Verbreitung gewinnende Anwendung von Ver- erfindungsgemäß die Sekundärluft bei Erreichen einer

brennungskraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahr- durch die Thermpinstabilität des verwendeten Kata-

zeugen, rückt die dauernd dringender werdende Rei- lysators begrenzten Temperatur des ersten, aktiveren

nigung der mit den während des Verbrennungs- 5 Katalysatorbettes vor dem zweiten Katalysatorbett

Vorganges anfallenden Abgasen durchsetzten Um- den Abgasen zugemischt oder in das zweite Kataly-

gebungsatmosphäre immer mehr in den Vordergrund satorbett eingeleitet wird.

und macht Verbesserungen der bisher bekannten Auf diese Weise ist es möglich, bei einer vorher-

Reinigungsverfahren, welche den heutigen Anforde- bestimmten Temperatur des einen oder des anderen

rangen infolge der Zunahme an Verbrennungskraft- io Katalysatorbettes — sobald die Temperaturen weiter

maschinen nicht mehr gerecht werden, erforderlich. ansteigen — schließlich die größere Menge der

Die Aufgabe besteht darin, die beim Betrieb von Sekundärluft vom ersten Bett abzulenken und direkt Verbrennungskraftmasehinen, insbesondere von Kraft- in das zweite Katalysatorbett strömen zu lassen. Diefahrzeugen, austretenden schädlichen Verbrennungs- ser Vorgang kann durch ein regelbares Ventilsystem produkte, welche insbesondere Kohlenmonoxyd und 15 kontinuierlich ablaufen, in dem je nach der auftreten-Kohlenwasserstoff in erheblichen Mengen enthalten, den Temperatur eine geringere oder größere Menge vor dem Austritt in die Atmosphäre bereits weit- an Sekundärluft das Katalysatorsystem durchströmt gehend unschädlich zu machen. Dies geschieht nach oder vollständig umgeht. Es ist aber auch möglich, bekannten Verfahren durch eine Nachverbrennung, Sekundärluft im Überschuß zuzuleiten und auf diese indem die Abgase durch entsprechende Kontakt- 20 Weise eine Kühlwirkung zu erzielen, wobei man sich betten geleitet werden, in welche ein oder mehrere einer automatischen oder halbautomatischen Regelung Katalysatoren enthaltende Kontakte, z. B. in körniger durch Absperrelemente bedienen kann. Form, angeordnet sind, wobei dem Abgasstrom zu- Ein derartiges Katalysatorsystem gestattet mittels sätzlich Luft zugeführt und die entstandene Mischung Regelung der Sekundärluftzufuhr mit einem Katalyeiner Oxydation an Katalysatoren in einem oder 25 sator von verhältnismäßig hoher Aktivität, welcher mehreren Behältern unterworfen wird, um die schäd- fähig ist, im ersten Bett eine Temperatur von 1000° C liehen brennbaren Materialien in dem Auspuffgas- im Auspuffgasstrom eines normal laufenden Motors strom zu zerstören. Bei einem solchen System, in zu entwickeln, Temperaturen zwischen 300 und welchem z. B. zwei Katalysatorbetten oder -kammern 700° C im ersten Katalysatorbett einzuhalten, verwendet werden, ist es von Vorteil, im ersten Bett 30 Das zuvor beschriebene Katalysatorsystem bezieht einen aktiven Katalysator und im zweiten Bett einen sich auf den normal laufenden Motor, um den Schutz weniger aktiven vorliegen zu haben. Dies garantiert vor Störungen infolge zu hoher Temperaturen innerwährend der »Kaltstartperiode« des Anlaufens des halb des ersten Katalysatorbettes sicherzustellen. Es Fahrzeuges eine rasche katalytische Oxydation und treten jedoch Motorbedingungen auf, bei welchen schnelle Erwärmung des zweiten Bettes auf Grund 35 Luft und teil- bzw. unverbranntes Treibstoffgemisch der exothermischen Reaktion im ersten Bett. Das übermäßig hohe Auspuffgastemperaturen verursachen erste Bett ist jedoch zwangläufig nicht groß genug, können, wie z. B. langes Laufen mit gezogener Starum eine vollständige Oxydation durchzuführen. Zur terklappe oder Fehlzündungen eines oder mehrerer Vollendung der Oxydation verläßt man sich daher Zylinder, so daß eine Abschaltung des Katalysatorsoweit als möglich auf das erwärmte zweite Bett. So- 40 systems oder ein Umleiten der Verbrennungsgase weit das zweite Bett auch aktiv ist, ist eine weit- erforderlich wird. Es ist deshalb auch eine Reguliegehende Oxydation zu erwünschen, da mit einem rung des Abgasstromes mittels an sich bekannter hochaktiven Katalysator Temperaturen entstehen temperaturgesteuerter Absperrelemente vorgesehen, können, die hoch genug sind, um diesen zu beschä- um übermäßig heiße Gase entweder vom ersten oder digen. 45 von beiden Katalysatorbetten abzuleiten.

Der Erfindung lag daher die Aufgabenstellung zu- Ferner kann auch in dem Katalysatorsystem zugrunde, ein Katalysatorsystem zu schaffen, welches sätzlich zu den Katalysatorbetten ein Auspufftopf einerseits den Gehalt an brennbaren Bestandteilen, oder Schalldämpfer zugeordnet sein, so daß — falls wie z. B. Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe, Auspuffgase das Katalysatorbett vollständig umgehen in den dem Auspuff des Kraftfahrzeuges ausströmen- 50 und die dämpfende Wirkung der Katalysatorbetten den Abgasen unter zuverlässiger Funktion des Kata- nicht mehr besteht — eine übermäßige Geräuschlysatorsystems wesentlich herabzusetzen in der Lage entwicklung vermieden wird. Eine geeignete Ausfühist und welches andererseits eine hohe Lebensdauer rungsweise besteht z. B. darin, die Gase am Katalybesitzt, so daß es den Anforderungen insbesondere satorsystem vorbeizuleiten, so daß sie in den Raum bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen genügt. 55 zwischen Katalysatorbett und Gehäusewand gelan-Unter »zuverlässiger Funktion« ist hierbei zu ver- gen, wobei innerhalb dieses Raumes eine oder mehstehen, daß durch geeignete Mittel oder Anordnung rere Schichten aus dämpfenden Materialien unterdes Systems der störende Einfluß einer überhöhten gebracht sind, welche zweckmäßigerweise das Kata-Temperaturentwicklung innerhalb des Katalysator- lysatorbett — bei mehreren Schichten z. B. in Form systems vermieden wird. 60 ineinander gesteckter Hohlzylinder — umgeben. Ge-

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gebenenfalls kann an der anderen, der dem Kataly-

wird dadurch gelöst, daß bei der Reinigung der Ab- satorbett abgewandten Seite des Gasstromes im Be-

gase durch katalytische Oxydation deren teil- bzw. reich der Gehäusewand noch ein weiterer aus Kata-

unverbrannten Bestandteile, indem die Abgase durch lysatormaterial bestehender Hohlzylinder vorgesehen

ein im Auspuff angeordnetes Katalysatorsystem ge- 65 sein. Durch diese Anordnung wird der vom Kataly-

leitet werden, wobei der Abgasstrom zusammen mit satorbett abgeleitete Abgasstrom durch eine oder

zur Oxydation erforderlicher Sekundärluft durch mehrere Lagen schalldämpfenden Materials geleitet,

mindestens zwei voneinander getrennte Katalysator- wobei der Abgasstrom an seiner einen Seite die

äußeren Oberflächen des Katalysatorbettes und an seiner anderen Seite die Gehäusewand oder die dort vorgesehene zweite Katalysatorschicht berührt. Hierdurch wird einerseits eine Geräuschdämpfung bewirkt und andererseits eine gewisse Nachverbrennung durch Kontakt mit den Randgebieten des Katalysatorsystems ohne übermäßige Erhitzung des Katalysatormaterials aufrechterhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Reinigungsanlage für Abgase von Verbrennungsmotoren im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Reinigungsanlage für Abgase von Kraftfahrzeugmotoren im Längsschnitt,

Fig. 3 eine Reinigungsanlage im Querschnitt längs der Linie A-A der F i g. 2.

Man erkennt in F i g. 1 ein Gehäuse 1, in welchem ein Katalysatorbettsystem 2 vorzugsweise zentrisch angeordnet ist. Das Katalysatorbettsystem 2 besteht aus einem ersten Katalysatorbett 21 mit Katalysatorträgern 212 von relativ hoher Aktivität und einem zweiten Katalysatorbett 22 mit Katalysatorträgern 222 geringerer Aktivität. In das erste Katalysatorbett 21 mündet eine — von einem nicht gezeigten Motor kommende — Abgaszuführungsleitung 3 ein, welche eine Abzweigleitung 31 aufweist, die außerhalb des Katalysatorbettes 21 in den Raum zwischen dem Katalysatorsystem 2 und dem Gehäuse 1 einmündet. Zwischen der Abzweigung der Abzweigleitung 31 von der Abgaszuführungsleitung 3 und deren Einmündung in das Katalysatorbett 21 befindet sich ein regulier- und steuerbares Ventil 33, welches mit einem in der Abzweigleitung 31 angeordneten weiteren Ventil 32 z. B. über eine Steuervorrichtung 34 in Wirkungsverbindung steht. Innerhalb der Abgaszuführungsleitung 3 vor oder nach dem Ventil 33 ist ein Temperaturfühler (Thermoelement) 35 angeordnet, welcher die Ventile 32,33 betätigt.

In die Abgaszuführungsleitung 3 mündet eine Sekundärluftzuführung 4 ein, welche eine Abzweigleitung 41 zum zweiten Katalysatorbett 22 aufweist. In dieser Abzweigleitung 41 ist ein Ventil 43 vorgesehen, welches mit einem anderen in der Sekundärluftzuführung 4 angeordneten weiteren Ventil 42 über eine von einem im ersten Katalysatorbett 21 befindlichen Thermoelement 45 betätigte Steuervorrichtung 44 in Wirkverbindung steht. Dieses Ventil 42 kann gegebenenfalls von einer Überwegleitung 46 geringeren Durchmessers als die Sekundärluftzuführung 4 überbrückt sein. Innerhalb der Katalysatorbetten 21, 22 befinden sich die Katalysatorträger 212,222 verschiedener Aktivität. Die Pfeile I, II und III zeigen den Weg an, welchen der Abgas-Sekundärluft-Strom durch das Katalysatorsystem nimmt.

Die F i g. 2 läßt im wesentlichen die gleichen Elemente wie in der F i g. 1 erkennen. Die Katalysatorbetten 21, 22 sind ebenfalls hintereinander im Gehäuse 1, jedoch derartig angeordnet, daß das Gehäuse 1 der Länge nach in einen oberen Raum 11 und einen unteren Raum 12 unterteilt wird. Das Katalysatorbett 21 enthält die Katalysatorträger 212 mit hoher Aktivität und das Katalysatorbett 22 die Katalysatorträger 222 mit geringerer Aktivität. Beide Katalysatorbetten 21, 22 sind durch eine Trennwand 5, welche noch den unteren Raum 12 in einen vorderen Abschnitt 122 und einen Ausströmabschnitt 121, der den Abgasauslaßstutzen 13 trägt, unterteilt, voneinander getrennt. Die Trennwand 5 nimmt in ihrem im unteren Raum 12 gelegenen Teil das Ventil 32 zur Umleitung der Abgase vom Katalysatorbettsystem 2 (vgl. auch Fig. 1) auf, welches durch die Steuervorrichtung 34 geöffnet und geschlossen werden kann. Die Steuervorrichtung 34 bekommt ihren Impuls auch hier durch das Thermoelement 35, welches in der Abgaszuführungsleitung 3 angeordnet ist. In der Sekundärluftzuführung 4 sind die Ventile 42, 43 so angebracht, daß das Ventil 43 der Sekundärluft den Weg zum oberen Raum 11 freigibt oder versperrt und das Ventil 42 die Sekundärluftzufuhr zum Abgasstrahl in der Abgaszuführungsleitung 3 regelt. Die Einstellung der Luftzufuhr wird über die Steuervorrichtung 44 über das im Katalysatorbett 21 gelegene Thermoelement 45 gesteuert.

In F i g. 3 erkennt man das Gehäuse 1 im Querschnitt längs der Linie A-A, wobei auch hier die gleichen Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren gelten. Das Ventil 32 ist in geöffneter Stellung ge-

ao zeigt.

Der Reinigungsvorgang kann (F i g. 2) derartig erfolgen, daß die heißen Abgase in den vorderen Abschnitt 122 des unteren Raumes 12 eintreten und bei geöffnetem Ventil 42 und geschlossenem Ventil 43 mit Sekundärluft vermischt werden. Der Abgas-Luft-Strom gelangt durch die öffnungen 211 in das Katalysatorbett 21, wobei die Abgase katalytisch weiterverbrannt werden, gelangen dann über den oberen Raum 11 durch die Öffnung 221 des zweiten Katalysatorbettes 22, wobei noch nicht verbrannte Anteile nochmals weiterverbrannt werden, und treten über den Ausströmabschnitt 121 im Stutzen 13 in die Umgebung hauptsächlich als Kohlendioxyd und Wasserdampf aus.

Bei steigender Temperatur im Katalysatorbett 21 über einen vorgegebenen Wert hinaus schaltet durch das Thermoelement 45 das Ventil 42 ab und das Ventil 43 ein, so daß die Sekundärluft über den Raum 11 durch das Katalysatorbett 22 geleitet wird und durch den Stutzen 13 in Pfeilrichtung III austritt. Es ist auch in besonderen Fällen, welche sich nach der Größe der Anlage und der Natur der Verbrennungsgase richten, möglich, die Sekundärluft durch Regulierung des Ventils 42 zu verstärken, so daß eine Kühlwirkung im Katalysatorbett 21 erzielt wird. Für den Fall, daß die Abgase eine zu hohe Temperatur aufweisen, wird durch das in der Abgaszuführungsleitung 3 angeordnete Thermoelement 35 das Ventil 32 geöffnet und die Abgase direkt durch den Auslaßstutzen 13 ausgestoßen, wobei sie nur in beschränktem Umfang mit den Katalysatorbetten 21, 22 in Berührung gelangen.

Durch Anordnung von in den Zeichnungen übersichtshalber nicht gezeigten, hohlzylinder- oder schalenförmigen geräuschdämmenden Elementen, welche gegebenenfalls im Bereich der Gehäusewand 1 noch von einer Schicht katalysatorhaltigen Materials begrenzt sein können, kann bei Leerlauf des Motors der durch Umgehung der Katalysatorbetten 21, 22 in seiner Lärmwirkung nicht mehr gedämpfte Abgasstrom durch die geräuschdämmenden Elemente gedämpft und durch die äußere Katalysatorschicht wenigstens teilweise weiterverbrannt werden.
In der Anordnung nach Fig. 1 bevorzugt man zweckmäßigerweise hohlzylinderförmige geräuschdämmende Elemente und in der Anordnung nach F i g. 2 im unteren Raum 12 gelegene schalenförmige Elemente.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Reinigung der Abgase von VerbrennungskraftmaschinenjinsbesonderevonKraftfahrzeugen, durch katalytische Oxydation deren teil- bzw. unverbrannten Bestandteile, indem die Abgase durch ein im Auspuff angeordnetes Katalysatorbettsystem geleitet werden, wobei der Abgasstrom zusammen mit zur Oxydation erforderlicher Sekundärluft durch mindestens zwei voneinander getrennte Katalysatorbetten von unterschiedlicher Aktivität geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft bei Erreichen einer durch die Thermostabilität des verwendeten Katalysators begrenzten Temperatur des ersten, aktiveren Katalysatorbettes vor dem zweiten Katalysatorbett den Abgasen zugemischt oder in das zweite Katalysatorbett eingeleitet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen