DE1294396B

DE1294396B - Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung des Abgases von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1294396B
Application number: DEB75713A
Authority: DE
Inventors: Kretschmer Alfred
Original assignee: Benteler Deustchland GmbH
Current assignee: Benteler Deustchland GmbH
Priority date: 1964-03-04
Filing date: 1964-03-04
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB1071984A; CH440845A; DE1293793B; FR1434438A; BE660627A; SE310289B; US3445195A; NL6502710A; AT256560B

Description

So werden die vom Motor kommenden Abgase ίο Katalytbereich so gering wie möglich gehalten wird, durch eine Wärmeaustauschkammer geführt, wobei Die bei der katalytischen Nachverbrennung der Abgase frei werdende Wärmemenge wird fast vollständig zur Aufheizung der zu verbrennenden Abgase aus-

genutzt, um die Temperatur derselben in etwa an die

die von der Brennkammer kommenden Gase diese Brennkammer aufheizen. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Kreuzungsstrecke

relativ kurz und der Effekt demzufolge außerordent- 15 Reaktionstemperatur im Katalytbereich heranzu-

lich gering ist. führen.

Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Damit ist zugleich erreicht, daß die erfindungs-

vor einem Katalysatorfilter die Gase in einen Be- gemäße Vorrichtung bei jedem beliebigen Betriebs-

hälter geführt werden, in dem expandieren müssen, zustand funktionsfähig ist, also auch dann noch,

wobei dieser Behälter an seiner Mantelfläche durch 20 wenn die nutzbare Wärmeenergie im Abgas, vornehm-

die abgeführten Gase erwärmt wird. Der wesentliche Nachteil dieser Vorrichtung besteht aber darin, daß die zuströmenden Auspuffgase zunächst in dem Behälter expandieren müssen und demzufolge sehr stark abkühlen. Dieser Wärmeverlust wird zwar etwas durch die Aufheizung der Mantelfläche des Behälters wieder ausgeglichen, jedoch kann dies nur in relativ geringem Maß geschehen, da die Aufheizung nur an der Randzone erfolgt und die Aufheizstrecke sehr

lieh bestimmt durch dessen CO-Gehalt, gering ist, wie z. B. bei zügiger Fahrt und gut eingestelltem Motor.

Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht ferner darin, daß ohne Einwirkung des Fahrzeugführers die neue Vorrichtung sich äußerst kurzfristig an den wechselnden Fahrbetrieb anpaßt.

Die der Brennkammer zufließenden Abgase

klein ist. Bei dieser Vorrichtung wird somit praktisch 30 können entweder im Gegenstrom oder im Gleichstrom expandiertes Abgas zum Katalyten geführt, so daß geführt werden.

relativ kühles Abgas zum Katalytfilter gelangt. Dabei In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der

muß berücksichtigt werden, daß die Katalyten bei Erfindung dargestellt. Es zeigt
geringer Temperatur keine genügende Wirkung Fig. 1 eine Vorrichtung in der Draufsicht

haben, so daß die Gesamtvorrichtung durch die 35 mit ineindergreifender doppelspiraliger Leitungsfüh-Vorordnung einer Expansionskammer auf einem sehr rung,
niedrigen Wirkungsgrad gehalten wird. F i g. 2 das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 im

Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, die mit einem Querschnitt,

besonderen Katalysator arbeitet, bei dem es not- F i g. 3 einen Ausschnitt eines Schnitts entspre-

wendig ist, Sauerstoff zuzuführen, so daß eine be- 40 chend der F i g. 2, jedoch mit unterschiedlichen Aus

führungsbeispielen,

F i g. 4 die Draufsicht auf eine Stauscheibe, F i g. 5 und 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel

eines Abgasnachverbrennungsgeräts im Längs- und

sondere Luftzuführung vorgesehen ist. Die aus dem
Motor kommenden Brenngase werden mit Sauerstoff
dadurch versetzt, daß man Luft im Verhältnis zu
deren Volumen beimischt, welches von der Geschwindigkeit des Motors abhängt. Die Außenluft 45 Querschnitt,
muß aber in vorgewärmtem Zustand mit den Brenn- Die Vorrichtung zur katalytischen Nachvergasen vermischt werden, wozu elektrische Wider- brennung von Brennkraftmaschinen-Abgasen besteht stände, Lichtbögen od. dgl. eingesetzt sind. Um den beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 zunächst aus Katalysator vor Überhitzung zu schützen, wird die einem topfartigen Gehäuse 1, mit einer ineinander-Wärme von der katalytischen Zone durch die Wan- 50 greifenden doppelspiraligen Kanalführung. Die vom dung des Behälters abgeführt und zweckmäßig der
eintretenden Luft oder den eintretenden Brenngasen
oder dem Gemisch der beiden übermittelt. Auch hier
ist der Wärmeaustausch nur auf ganz kurzer Strecke
vorhanden.

Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die zuströmenden Abgase den Katalytraum umfließen, um dann von unten in ihn einzudringen. Der wesentliehe Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß d Kl lb i W i

Motor kommenden Abgase werden zunächst in an sich bekannter Weise durch ein Abgasrohr, das nicht dargestellt ist, z. B. zum rückwärtigen Teil des Fahrzeugs geleitet, wobei in diesem Abgasrohr eine Luft-S5 zuführung eingebaut ist, die ebenfalls nicht dargestellt ist. Die Luftzufuhr kann regelbar sein und es ist völlig gleichgültig, wie lang das Abgasrohr ist und zu welcher Stelle des Fahrzeugs es geleitet ist. An einem baulich günstigen Ort wird das Abgasnach-

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der Katalytraum selbst einen Wärmeentzug erleidet. 60 Verbrennungsgerät angeordnet und am Abgasrohr, D id i i l 2 bfi dß d

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in den abfließenden Gasen vorhandene Wärme zur Aufheizung der zufließenden Abgase zu nutzen, nicht aber die Wärme des Katalytraumes selbst, wenn auch di Käl d Kl Eil i

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z. B. mittels eines Flansches 2, befestigt, so daß das Gasluftgemisch in die spirallinienartige Kanalführung in Pfeilrichtung A eintreten kann. Der Weg des Gasluftgemisches ist mit gestrichelten Pfeilen in der F i 1 i I ili h l

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die Kanäle den Katalytraum zur Erzielung einer ge- 65 F i g. 1 angezeigt. In spiralartiger Führung gelangt

drängten Bauweise umschließen sollen.

Die Erfindung besteht darin, daß die Katalysatorkammer innerhalb eines Gehäuses von den auf ihrer

das Gemisch in das Innere des topfartigen Gehäuses 1, durchquert unter Umlenkung in Achsrichtung den für den Katalysator vorgesehenen

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Raum 3, in dem die Verbrennung stattfindet, und Glühkerze ab, der nicht vom Hauptstrom des Abdurchläuft die zweite spiralige Kanalführung 5. Der gases durchflossen wird und damit keinen merklichen Weg ist mit ausgezogenen Pfeilen bezeichnet. Durch Wärmeentzug erleidet. Dadurch wird gleichzeitig mit die doppelspiralige Kanalführung erfolgt ein Wärme- der Anordnung der Glühkerze in dieser zentrischen austausch zwischen den zufließenden Abgasen und 5 Form eine Keimzelle für die Einleitung der katalyden aus der Brennkammer abfließenden Abgasen, da tischen Reaktion geschaffen und gleichzeitig ein die Kanäle lediglich durch wärmeleitende Trenn- Glühkegel erhalten, der in seiner Temperatur nicht wände 6 voneinander abgeschieden sind. Der Eintritt ohne weiteres unter die katalytische Reaktionsdes Gasluftgemisches erfolgt somit durch einen temperatur absinkt. Die Durchbrüche in der Stauspiralförmigen Kanal, der mit 4 bezeichnet ist; der io scheibe, nämlich die Durchtrittsöffnungen 18, beAustritt der nach erfolgter Verbrennung im Katalyt- wirken einen Nebenstrom, durch den ein geringer bereich verbrannten Gase erfolgt durch einen eben- Teil des motorseitigen Abgases zufließt, dessen CO-falls spiralig geführten Kanal 5. Ob an der Austritts- bzw. der brennbare Anteil verbrannt wird und somit seite noch ein Stück Rohr angeflanscht ist, so daß der Wärme erzeugt, die zur Deckung des Wärme-Rohransatz 7 für den Gasaustritt verlängert ist, ist 15 abflusses zum umliegenden Katalyten ausreicht,
gleichgültig. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel In den F i g. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel in ist dafür noch ein Flansch 8 vorgesehen. einfachster Konstruktion gezeigt. Das Gehäuse 1 ist

Zur Vermeidung eines Wärmestaus und einer Ab- etwa rohrartig ausgebildet. Es weist einen Eingangsstrahlung zur Karosserie ist das topfartige Gehäuse 1 stutzen 19 auf, durch den das zu verbrennende Gasbeim dargestellten Ausführungsbeispiel noch mit 20 luftgemisch in Pfeilrichtung 20 eintritt. Auf der einer Glocke 9 versehen, die das Gehäuse nicht nur gegenüberliegenden Seite liegt der Austrittsstutzen auf der Seite seines Außenmantels abdeckt, sondern 21, durch den in den Pfeilrichtungen 22 das vernoch eine Stirnseite ganz oder teilweise abdecken brannte Gas austritt,
kann. Im Inneren des Gehäuses 1 befindet sich der

In der F i g. 3 sind verschiedene Ausführungs- 25 Katalytraum 3, der im vorderen Bereich eine Wand

beispiele für die Ausbildung der Trennwände 6 dar- 23 aufweist. Die eintretenden Gase haben lediglich

gestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß auf die ver- die Möglichkeit, durch abgeschottete Eingangs-

schiedenste Art und Weise eine Wandflächenver- kanäle 4, die durch ein etwa wellblechartiges Zwi-

größerung erzielt werden kann. Die Figur ist nicht so schenblech 24 gebildet werden, hindurchzuströmen,

zu verstehen, daß sämtliche drei Ausführungsbei- 30 wobei jeder zweite Kanal nur den Eintritt ermöglicht,

spiele an den Trennwänden einer Ausführungsform Das eintretende Abgas wird gezwungen, in axialer

verwirklicht werden sollen, sondern die F i g. 3 zeigt Richtung durch die Kanäle 4 hindurchzufließen. Die

lediglich verschiedene Ausführungen. Selbstverständ- Kanäle 4 münden auf der Ausgangsseite in Rohre 25,

lieh sind auch Kombinationen für die Trennwände die die zu verbrennenden Gase vom oberen Bereich

möglich. Im oberen Teil der Figur sind auf die Wand 35 der Vorrichtung in den unteren führen und sie hier in

Rippen 10 nach beiden Seiten gehend aufgesetzt bzw. untere Kanäle 4' abgeben, die jedoch in Richtung auf

eingesetzt, im Mittelteil der Figur ist eine Trennwand den Katalytraum 3 offen sind. Die Pfeile 26 deuten

dargestellt, die in gleichmäßigen Abständen ab- die Bewegungsrichtung an. Um eine einwandfreie

gekantet ist, während im unteren Teil der Figur ein Durchströmung der Kanäle 4 zu gewährleisten, ist der

Wellblech als Trennwand eingesetzt ist. Diese Aus- 40 Katalytraum 3 von den Kanälen 4 durch ein Sieb 27

führungsbeispiele sollen lediglich zeigen, daß es zur getrennt, welches das Eindringen des Katalyt-

Erzielung eines besseren Wärmeaustausches ohne granulats od. dgl. in die Kanäle verhindert, aber

technisch aufwendige Mittel möglich ist, die Wand- einen Eintritt der Abgase in den Pfeilrichtungen 26

flächen zu vergrößern. in den Katalytraum 3 in keiner Weise behindert.

In F i g. 2 ist die Ausbildung des Nachver- 45 Damit sind die Abgase gezwungen, den Katalytbrennungsgeräts gut ersichtlich, insbesondere die raum 3 zu durchqueren. Im oberen Bereich durchMöglichkeit des Einsatzes eines mit siebartigem queren sie erneut ein Sieb 28 und gelangen in die Boden oder Siebeinsatz versehenen Behältnisses 11 Gegenkanäle 5 zu den Einlaufkanälen 4, die als Ausmit Katalyten, der sich im Katalytraum 3 befindet. Iaufkanäle5 dienen. Die Pfeile 29 geben ihre Be-Die Glühkerze 13 mit Glühspirale 14 ist vornehmlich 50 wegungsrichtung an. Die Verbrennung hat inzwischen zentrisch angeordnet, während der zentrale Ver- stattgefunden und die Abgase, die durch die Verbrennungsraum zusätzlich durch einen Finger 15 brennung aufgeheizt sind, durchströmen im Gleicheines Wärmefühlers 16 abgetastet werden kann. Mit strom zu den unverbrannten Abgasen die Kanäle 5 diesem Wärmefühler, insbesondere einem Thermo- und gelangen, wie die Pfeile 22 anzeigen, in den element, kann einerseits die Luftzufuhr, andererseits 55 Austrittsstutzen 21. Hier erfolgt ein Kreuzstrom zu irgendwelche Abgasführungsklappen, aber auch die den in den Rohren 25 geführten zugeführten AbZündkerze hinsichtlich ihrer Ein- und Ausschaltung gasen.

gesteuert werden, je nachdem wie es gewünscht wird Bei diesem Ausführungsbeispiel sind, ähnlich wie und welche Steuerungselemente für die Gewähr- beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2, Glühleistung einer gleichmäßigen Verbrennung für die 60 kerze 13 mit Spirale 14 und Wärmefühler 16 mit verwandte Konstruktion notwendig sind. Finger 15 dargestellt, wobei der Wärmefühler auch

In der F i g. 4 ist eine Scheibe dargestellt, die als fehlen kann. Auch die Glühkerze 13 kann eine Stauscheibe 17 bezeichnet ist und Durchtritts- andere Ausbildung erfahren als die hier dargestellte, öffnungen 18 aufweist. Diese Stauscheibe 17 kann Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Ausbeliebige Durchtrittsöffnungen haben, wiederum je- 65 bildung der Trennwände 6 zwischen den Einströmweils der Konstruktion angepaßt. kanälen 4 und Ausströmkanälen 5 zu vergrößern,

Aus F i g. 2 ist die Placierung dieser Stauscheibe jedoch zeigt das dargestellte Ausführungsbeispiel mit

17 ersichtlich, und zwar schirmt sie den Raum um die dem wellblechartigen Zwischenblech 24 eine be-

sonders preiswerte Ausführungsform. Es muß noch erwähnt werden, daß die unteren Einströmkanäle 4' lediglich auf der Ausströmseite offen sind, und zwar in direkter Verbindung mit den Rohren 25, während sie an der Einströmseite durch Wände 30 abgeschlossen sind. Im oberen Bereich sind lediglich die Einströmkanäle 4 auf der Einströmseite offen, während der Schnitt in Fig. 5 durch einen Ausströmkanal 5 verläuft, so daß eine Abschlußwand 31 im Schnitt zu sehen ist. Jeder zweite Kanal ist somit auf der Einströmseite geschlossen, und zwar die nach unten in Richtung auf das Sieb 28 geöffneten Kanäle 5.

Selbstverständlich ist der Gedanke der Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt; wesentlich ist lediglich, daß die bei der katalytischen Nachverbrennung der Abgase frei werdende Wärmemenge zur Aufheizung der zu verbrennenden Abgase ausgenutzt wird, um die Temperatur der zu verbrennenden Abgase an den Bereich der Reaktionstemperatur im Katalytbereich heranzuführen. Dabei können die Einström- und die Ausströmkanäle im Wärmeaustauschbereich gleiche oder unterschiedliche Querschnitte haben, wobei aber gleiche Querschnitte hinsichtlich der unterschiedliehen Geschwindigkeiten der Gasströme zueinander einen Vorteil hinsichtlich des besseren Wärmeaustausches aufweisen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist also ganz bewußt gleicher Querschnitt der Ein- und Austrittskanäle gewählt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung des Abgases von Brennkraftmaschinen mit einer vom Abgas durchströmten, einen Katalysator enthaltenden Kammer und je einem Abgaszufuhr- und -abfuhrkanal, die streckenweise so aneinander anliegen, daß Wärmetausch eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorkammer (3) innerhalb eines Gehäuses (1) von den auf ihrer gesamten Länge aneinander anliegenden Abgaszufuhr- und -abfuhrkanälen (4 bzw. 5) umhüllt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zufuhrkanal (4) und Abfuhrkanal (5) tangential außen an das Gehäuse (1) von kreisförmigem Querschnitt anschließen, innerhalb des Gehäuses spiralig und gegebenenfalls mehrlagig geführt sind -und in den Eintrittsraum (33) bzw. Austrittsraum (34) der axial durchströmten Katalysatorkammer (3) münden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (4, 5) über ihre gesamte Länge gleichbleibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) durch einen glockenförmigen Mantel (9) mit allseitigem Abstand seitlich und teilweise auch an einer Stirnseite umhüllt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen