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DE29808813U1 - Abgaskatalysator für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren - Google Patents

Abgaskatalysator für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren

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DE29808813U1
DE29808813U1 DE29808813U DE29808813U DE29808813U1 DE 29808813 U1 DE29808813 U1 DE 29808813U1 DE 29808813 U DE29808813 U DE 29808813U DE 29808813 U DE29808813 U DE 29808813U DE 29808813 U1 DE29808813 U1 DE 29808813U1
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WOLFGANG MERTNER INH ING KURT
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
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Description

DE 7521 "..·.. ·· Patentanwalt
Diplom-Physiker
Reinfried Frhr. v. Schorlemer
Karthäuserstr. 5A 34117 Kassel Allemagne
Telefon/Telephone (0561) 15335
(0561)780031
Telefax/Telecopier (0561)780032
Firma Ing. Wolfgang Mertner Inh. Ing. Kurt Kirscht, 37318 Wahlhausen Abgaskatalysator für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren
Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
In Kraftfahrzeugen mit Ottomotoren werden heute überwiegend Abgaskatalysatoren verwendet, die als Träger für eine katalytisch wirksame Schicht sogenannte Monolithe, d.h. aus einem Stück bestehende, wabenförmige, aus Metall oder Keramik hergestellte Körper aufweisen. Zur Erzielung einer ausreichend großen Oberfläche, was für eine gute Abgasentgiftung unerläßlich ist, weisen diese Körper eine Vielzahl von in Durchströmungsrichtung erstreckten Kanälen mit einer Dichte von z.B. bis zu 100 Kanälen pro cm2 auf, die mit einer hoch porösen Aluminiumoxidschicht belegt sind. Derartige Körper sind nicht nur schwierig herzustellen, sondern müssen auch innerhalb eines Katalysatorgehäuses elastisch gelagert werden, da sich andernfalls Beschädigungen aufgrund der beim Betrieb auftretenden Schwingungen ergeben können.
Daneben sind Filtereinrichtungen zum Entfernen von Ruß aus rußhaltigen Gasen, insbesondere den Abgasen von Diesel-Brennkraftmaschinen bekannt (DE 40 33 019 Al, DE 42 44 511 Al, DE 44 47 314 Al, DE 195 05 211 Al), in denen faserartige Filtriermaterialien verwendet werden, die ca. 65 bis. 95 Gew. % Al2O3 mit Siliciumdioxid (SiO2) oder Siliciumdioxid und geringen Mengen an Zirconiumdioxid (ZrO2) als Rest enthalten und hervorragend als Filtermaterial für Ruß und andere Partikel enthaltende Abgase geeignet sind. Um eine für Filterzwecke ausreichend große Oberfläche zu erhalten, besteht ein Gehäuse der Filtereinrichtung aus einem Hohlzylinder, bei dem das Abgas axial zugeführt
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und dann radial durch eine im Hohlzylinder untergebrachte Füllung aus dem genannten Filtermaterial geleitet wird. Außerdem wurde in diesen Dokumenten bereits vorgeschlagen, die Füllung mit einer katalytisch aktiven Beschichtung aus z.B. Platin, Palladium oder dgl. zu versehen, um im Abgas enthaltene Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Stickoxide (NOx) durch katalytische Reaktionen zu oxidieren bzw. zu reduzieren. Die bekannten Filtereinrichtungen stellen daher zwar im Prinzip und theoretisch auch Abgaskatalysatoren dar. Ihre katalytische Wirkung ist jedoch in der Praxis erheblich eingeschränkt, da einerseits die katalytisch aktive Beschichtung nach kurzer Gebrauchsdauer von Rußpartikeln abgedeckt und dadurch unbrauchbar wird und andererseits die Filtereinrichtung insgesamt eine solche Größe erhalten muß, daß sie bei Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, nicht oder nur mit Schwierigkeiten in unmittelbarer Nähe des Motors angebracht werden könnte, wie es für die volle Ausnutzung der in den Abgasen gespeicherten, für die katalytischen Prozesse notwendigen Wärme erwünscht ist. Daher ist die Anwendung von faserartigen Materialien als Trägermaterial von Abgaskatalysatoren für Ottomotoren bisher von der Fachwelt nicht in Betracht gezogen worden. Dies gilt um so mehr, als Versuche ergeben haben, daß das genannte Filtermaterial nicht ausreichend stabil gegenüber den beim Betrieb (z.B. in einem Kraftfahrzeug) auftretenden Vibrationen und Schwingungen ist und nach verhältnismäßig kurzer Betriebsdauer zu einer nahezu staubförmigen, für Katalysatorzwecke praktisch unbrauchbaren Masse zerfällt.
Demgegenüber liegt der Erfindimg die Aufgabe zugrunde, den Abgaskatalysator der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß er sehr klein gebaut werden kann und daher bevorzugt für eine Anwendung bei Ottomotoren und insbesondere bei mit Ottomotoren ausgerüsteten Personenkraftwagen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Untersansprüchen. 30
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt in teilweise auseinandergezogener Darstellung durch einen erfmdungsgemäßen Abgaskatalysator;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Abgaskatalysator nach Fig. 1 und 5
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite, in einen Abschnitt einer Auspuffleitung eingebaute Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Abgaskatalysators.
Nach Fig. 1 und 2 enthält ein erfindungsgemäßer Abgaskatalysator einen Einlaß 1, einen Auslaß 2 und eine zwischen beiden angeordnete, im wesentlichen aus kristallinem Aluminiumoxid in Faserform bestehende Füllung 3. Die Füllung 3 ist in fein verteilter Form mit einer gegenüber Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Stickoxiden (NOJ aktiven Beschichtung versehen, die z.B. aus Platin, Palladium, Rhodium od. dgl. besteht. Im Ausführungsbeispiel ist die Füllung 3 in einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse 4 untergebracht, das eine Mittelachse 5 aufweist und in Richtung dieser Achse 5 (vgl. Pfeil v) vom Abgas durchströmt wird. Dabei wird der Einlaß 1 durch das in Strömungsrichtung vor der Füllung 3 Hegende Gehäuseende und der Auslaß 2 durch das in Strömungsrichtung hinter der Füllung 3 liegende Gehäuseende gebildet. Das Gehäuse 4 ist im Bereich des Einlasses 1 mit einer Stirnwand 6 und im Bereich des Auslasses 2 mit einer Stirnwand 7 versehen, wobei beide Stirnwände 6, 7 vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse 5 angeordnet sind. Außerdem sind beide Stirnwände 6, 7 gasdurchlässig, aus einer Lochplatte, einem Drahtgewebe oder dgl. hergestellt und zu dem Zweck vorhanden, die Füllung 3 unverlierbar und mechanisch stabil, d.h. auch bei auftretenden Schwingungen oder Vibrationen im wesentlichen unverschiebbar im Gehäuse 4 zu halten. Im übrigen ist das Gehäuse 4 allseitig gasdicht abgeschlossen.
Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, ist die Füllung 3 vorzugsweise aus einer Mehrzahl von übereinander gestapelten Scheiben 8 zusammengesetzt, die parallel zu den Stirnwänden 6, 7 und senkrecht zur Mittelachse 5 und daher wie die Stirnwände 6, 7 koaxial im Gehäuse 4 angeordnet sind. Jede dieser Scheiben 8 besteht aus kristallinem Aluminiumoxid in Faserform und wird z.B. durch Ausschneiden, Stanzen oder dgl. aus einer entsprechenden Fasermatte bzw. -platte erhalten.
09-06-96
Die Füllung 3 bzw. der aus den Scheiben 8 gebildete Stapel besitzt einen Außenquerschnitt, der gleich oder vorzugsweise etwas größer ist, als dem Innenquerschnitt des Gehäuses 4 entspricht. Dadurch schmiegen sich die Scheiben 5 bei der Montage dicht der Innenwand des Gehäuses 4 an, wodurch Kriechwege für das Gas längs der Grenzflächen zwischen den Scheiben 8 und der Gehäuseinnenwand weitgehend vermieden werden. Zusätzliche könnte vorgesehen sein, die Scheiben 8 an ihrem Umfang mit einem hitzebeständigen Kleber fest an der Gehäuseinnenwand zu befestigen. Außerdem ist die Füllung 3 bzw. der Stapel von Scheiben 8 vorzugsweise auch parallel zur Mittelachse 5 mit einer vorgewählten Vorspannung im Gehäuse 4 angeordnet, um eine mechanisch feste Konstruktion und eine kurze Baulänge zu erhalten. Zu diesem Zweck werden z.B. die beiden Stirnwände 6 und 7 mit einem Abstand im Gehäuse 4 montiert, der etwas kleiner ist, als der Höhe des Scheibenstapels im unbelasteten Zustand entspricht.
Gemäß Fig. 1 können ausgewählte Scheiben 8a mit parallel oder schräg zur Mittelachse 5 angeordneten Kanälen 9 versehen sein, die Strömungspfade für das durchströmende Gas bilden und je nach den im Einzelfall vorliegenden Gegebenheiten den Strömungswiderstand des Abgaskatalysators reduzieren bzw. klein halten können. Da der Träger der aktiven Beschichtung aus kristallinem Aluminiumoxid in Faserform besteht, besitzt er eine sehr große und durch die Zahl und Größe der verwendeten Scheiben 8, 8a festlegbare, mit dem durchströmenden Abgas wechselwirkende Oberfläche, so daß die Scheiben 8, 8a teils mit ihren die Kanäle 9 umgebenden Wandungen und teils mit allen innerhalb der Schichtdicke gebildeten Oberflächen zur Reduktion bzw. Oxidation der im durchströmenden Abgas enthaltenen Schadstoffe beitragen können. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, im Scheibenstapel hintereinander abwechselnd Scheiben 8a mit Kanälen 9 und Scheiben 8 ohne die Kanäle 9 anzuordnen.
Die Montage der Stirnwände 6, 7 kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß diese mit stegartigen Abstandhaltern 10, 11 an je einem mit dem Gehäuse 4 zu verbindenden Deckel 12, 14 befestigt sind. Wie im oberen Bereich der Fig. 1 angedeutet ist, werden die Deckel 12, 14 jeweils mit den nach vorn vorstehenden Stirnwänden 6 bzw. 7 voran dem Gehäuse 4 angenähert, bis die betreffende Stirnwand 7 im Gehäuse 4 angeordnet ist und sich der betreffende Deckel 12, 14 auf einen zugeordneten Umfangsflansch 15, 16 des Gehäuses 4 auflegt. Die eigentliche Verbindung kann durch Schweißen, Schrauben oder irgendeine
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andere Befestigungsart erfolgen, die den beim Betrieb herrschenden hohen Temperaturen (z.B. 7000C) standhält.
Im unteren Bereich der Fig. 1 sind der Deckel 14 und die Stirnwand 7 im bereits montierten Zustand dargestellt. Dabei sind die Verhältnisses so gewählt, daß bei der Montage auch des in Fig. 1 oberen Deckels 12 automatisch die erwähnte Vorspannung innerhalb des Scheibenstapels erhalten wird.
Der Abgaskatalysator nach Fig. 1 und 2 eignet sich zum Anschluß an eine von einem Ottomotor kommende Auspuffleitung. Die Deckel 12, 14 weisen daher je eine durchgehende Öffnung auf, an die ein z.B. als Rohrstutzen ausgebildeter Anschluß 17 bzw. 18 angeschlossen ist, wobei der in Strömungsrichtung vor dem Einlaß 1 liegende Anschluß z.B. an die Auspuffleitung des Motors angeschlossen wird, während der in Strömungsrichtung hinter dem Auslaß 2 liegende Anschluß 18 entweder selbst als Endrohr ausgebildet oder mit einem zusätzlich vorgesehenen Endrohr verbunden wird. Die Verbindungen können dabei auf irgendeine, bei Kraftfahrzeugen bekannte Weise hergestellt werden.
Bei der aus Fig. 3 ersichtlichen Ausführungsform der Erfindung wird das Gehäuse durch eine Auspuffleitung bzw. einen vorgewählten Abschnitt 20 davon gebildet, d.h. die aus der Füllung 3 und den Stirnwänden 6 und 7 gebildete Einheit ist in die Auspuffleitung selbst eingebaut. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Abgaskatalysator in Strömungsrichtung des Abgases unmittelbar hinter einem mit einem Motorgehäuse verbundenen Krümmer bzw. Hosenrohr 21 anzuordnen, wodurch ohne zusätzlichen Raumbedarf eine optimale Ausnutzung der Abgaswärme möglich ist. In diesem Fall werden die Stirnwände 6, 7 z.B. unmittelbar mit dem Abschnitt 20 der Auspuffleitung verschweißt. Der Querschnitt des Abschnitts 20 entspricht zweckmäßig dem Querschnitt der übrigen Auspuffleitung.
Die beschriebenen Abgaskatalysatoren, insbesondere in der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2, sind mit besonderem Vorteil gleichzeitig als Schalldämpfer eingerichtet. Versuche haben bewiesen, daß das verwendete kristalline Aluminiumoxid in Faserform ein ausgezeichnetes Schallschluckmittel darstellt und die Schallenergie durch Reibung an den Fasern wirksam absorbiert wird. Durch entsprechende Bemessung der Füllungsmenge kann daher
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dafur gesorgt werden, daß der Abgaskatalysator als Ganzes ausreichend schalldämpfend wirkt und die Anwendung eines zusätzlichen, bei Kraftfahrzeugen mit Ottomotoren allgemein üblichen Schalldämpfers vermeidbar ist. Zu diesem Zweck können bei Bedarf auch zusätzliche Scheiben 8, 8a vorgesehen werden, die ausschließlich schalldämpfend wirken und keine zusätzliche, katalytisch wirkende Beschichtung enthalten.
Als besonders gut geeignetes Material für die Scheiben 8, 8a haben sich solche Aluminiumoxidfasermatten erwiesen, die von der Firma Rath GmbH, D-40223 Düsseldorf, unter der Bezeichnung "Altra Mat 80" in Dichten von 60 bis 140 kg/m3 und in Stärken von ca.
12,5 mm und 25 mm angeboten werden. Nach dem zugehörigen Datenblatt enthält dieses Material 80 Gew. % Al2O3 und 20 Gew. % SiO2, und die Dauerbetriebstemperatur des Fasermaterials beträgt 1600 0C. Tests haben überraschend gezeigt, daß dieses Material mechanisch äußerst stabil ist und auch beim Dauerbetrieb nicht zerfällt oder zerbröselt. Dagegen bestehen das Gehäuse 4 und die Stirnwände 6, 7 vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Edelstahl.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators bestehen unabhängig von der im Einzelfall vorgesehenen Schalldämpfung darin, daß er einen sehr geringen Staudruck aufbaut, daher nahezu ohne Druck- bzw. Leistungsverlust arbeitet und bereits nach wenigen Sekunden (z.B. bereits nach 3 bis 5 Sekunden) katalytisch wirksam wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere ist die Querschnittsform des Gehäuses 4 in beiden Grenzen variabel, wobei vor allem kreisrunde und ovale Querschnitte bevorzugt werden und die Bezeichnung "Rohr" bzw. "rohrförmig" auch topfförmige und ähnlich geformte Gehäuse umfassen soll. Weiterhin ist die Größe der Füllung nicht auf ein bestimmtes Volumen beschränkt, sondern anhand der im Einzelfall erforderlichen Katalysatorwirkung und Motorleistung zu bemessen. Weiterhin wäre es denkbar, zwischen den einzelnen Scheiben 8, 8a weitere Scheiben mit speziellen Eigenschaften und zusätzliche, aus Lochblechen, Drahtgeweben oder dgl. bestehende Zwischenwände zwischen den Scheiben 8, 8a vorzusehen, sofern durch diese keine unerwünschte Verringerung des Strömungswiderstandes herbeigeführt wird. Auch die Anwendung anderer Gehäuseformen ist möglich, um dadurch z.B. andere Strömungsverhältnisse zu schaffen,
obwohl sich die beschriebenen Gehäuseformen durch ihre Einfachheit, die leichte Montage und die geringen Kosten auszeichnen. Weiterhin ist es möglich, eine Füllung 3 aus kristallinem Aluminiumoxid mit gerichteter oder ungerichteter Faserform zu verwenden, wobei in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 22 beispielsweise eine quer zur Strömungsrichtung ausgerichtete Faserform angedeutet ist. Die jeweilige Ausrichtung ist in Abhängigkeit vom Einzelfall anhand der gewünschten Katalysatorwirkung festzulegen, wobei auch zweckmäßig sein kann, eine völlig ungeordnete Faserform vorzusehen.
Die Anwendung des beschriebenen Katalysators umfaßt insbesondere Zwei- oder Viertakt-Ottomotoren und alle mit Ottokraftstoffen betriebenen Brennkraftmaschinen. Dabei ist insbesondere an mit Ottomotoren ausgerüstete Personenkraftwagen, Motorräder oder dgl. gedacht. Allerdings läßt sich die Erfindung z.B. auch auf mit Dieselkraftstoffen betriebene Brennkraftmaschinen anwenden, wenn diese vorgeschaltete Rußfilter aufweisen, die so wirkungsvoll arbeiten, daß die katalytischen Beschichtungen nicht durch die Ablagerung von Ruß beeinträchtigt werden können. Außerdem umfaßt die Erfindung alle Arten von Abgaskatalysatoren, d.h. insbesondere Ein- oder Mehrwegekatalysatoren, was insbesondere von der Art der aufgebrachten katalytischen Beschichtung abhängig ist, sowie geregelte und ungeregelte Systeme. Schließlich versteht sich, daß die einzelnen Merkmale der Erfindung auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.

Claims (11)

Ansprüche
1. Abgaskatalysator für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, mit einem Einlaß (1), einem Auslaß (2) und einem zwischen dem Einlaß (1) und dem Auslaß (2) angeordnetem, mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehenen, vom Abgas zu durchströmenden Träger, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einer im wesentlichen aus kristallinem Aluminiumoxid in Faserform hergestellten Füllung (3) besteht, die in einem vom Abgas zu durchströmenden Gehäuse (4) untergebracht ist, das zwei gasdurchlässige, dem Einlaß (1) und dem Auslaß (2) zugeordnete, in Strömungsrichtung vor bzw. hinter der Füllung (3) angeordnete Stirnwände (6, 7) aufweist.
2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (3) eine Mehrzahl von aus kristallinem Aluminiumoxid in Faserform bestehenden Scheiben (8, 8a) enthält, die in Durchströmungsrichtung des Gases koaxial hintereinander angeordnet sind.
3. Abgaskatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (3) mit einer vorgewählten Vorspannung zwischen den beiden Stirnwänden (6, 7) und/oder innerhalb der sie umgebenden Gehäusewand angeordnet sind.
4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Abschnitt (20) einer Auspuffleitung (21) besteht und im wesentlichen denselben Querschnitt wie diese aufweist.
5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) ein mit einer Auspuffleitung zu verbindendes Rohr ist, in dem die Stirnwände (6, 7) und die Füllung (3) koaxial hintereinander angeordnet sind.
6. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Scheiben (8a) mit in Strömungsrichtung durchgehenden, den Strömungswiderstand reduzierenden Kanälen (9) versehen sind.
-9-
7. Abgaskatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung abwechselnd Scheiben (8a) mit Kanälen (9) und Scheiben (8) ohne Kanäle (9) angeordnet sind.
8. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) in Strömungsrichtung vor dem Einlaß (1) mit einem Anschluß (17) für die Auspuffleitung versehen ist.
9. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) in Strömungsrichtung hinter dem Auslaß (2) mit einem Endrohr oder einem Anschluß (18) für ein Endrohr versehen ist.
10. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er gleichzeitig als Schalldämpfer eingerichtet ist, in dem das Aluminiumoxid in Faserform als schallabsorbierendes Material wirksam sind.
11. Abgaskatalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mit zusätzlichen, ausschließlich der Schalldämpfung dienenden Scheiben bzw. Füllungsabschnitten versehen ist.
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