DE1301337B - Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren, durch Nachverbrennung und/oder katalytische Oxydation, wobei einer eine Frischluft-Ansaug- und Abgas-Frischluft-Mischdüse enthaltenden Einheit in einem Schutzgehäuse hintereinander eine Einheit mit einer Mischvorrichtung und/oder eine Einheit mit einem Katalysator nachgeschaltet ist, die jeweils eine Strömungsbeschleunigungsvorrichtung enthalten, nach Patent 1253 955. Bei bekannten Geräten werden mit Hilfe von Katalysatoren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxyd bei Temperaturen von etwa 260 bis 600° C oxydiert. Da die Reaktion im Katalysator exotherm abläuft, steigt die Temperatur im Bereich des Katalysators bis etwa 870° C an, und es können sich sogar Temperaturen bis über 1Ö00° C einstellen, insbesondere bei Ausfall einer Zündkerze und/oder z. B. bei zu fetter Gemischeinstellung am Vergaser. Die Schwierigkeiten beiAnwendungvonKatalysatoren liegen einerseits in der Aktivierung des Katalysators bei tiefen Temperaturen, andererseits in der Erhaltung der notwendigen Betriebstemperaturen sowie in der Verhinderung einer überhitzung im Katalysatorbereich.
• Bei anderen bekannten Geräten sind Nachbrennkammern vorgesehen, in denen eine offene Flamme oder sonstige strahlende Wärmequellen zur direkten Oxydation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenoxyds verwendet werden. Durch die stark wechselnden Belastungen, sehr unterschiedliche Abgastemperaturen und Abgasumsetzungen bedingt, konnte jedoch ein einsatzfähiges Gerät dieser Art bisher noch nicht geschaffen werden.
• Insbesondere die Motoren europäischer Kraftfahrzeuge haben in der Mehrzahl einen kleinen Hubraum und sind auf einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch abgestellt. Diese sparsame Einstellung bedingt relativ kleine Abgasmengen und damit kleine Anteile an unverbranntem Kohlenwasserstoff und Kohlenoxyd. Ein marktfähiges Entgiftungsgerät kann gleichzeitig als Schalldämpfer wirken und dann wie dieser einen Verlust von 2 bis 5% der Motorleistung ergeben. Jedes Entgiftungsgerät, sei es als Katalysator oder als Brennkammer mit offener Flamme ausgebildet, bringt eine Erhöhung des inneren Widerstands mit sich. Eine Erhöhung des Rückstaus in der Abgasleitung wirkt sich bis in die Zylinderräume aus. ergibt einen fühlbaren Leistungsabfall und eine Veränderung der Kennlinien des Motors über dessen Betriebsbereich. Die Erfindungsaufgabe besteht darin, die Entgiftungsvorrichtung so auszubilden, daß die Durchströmung durch den Katalysator verbessert und an die jeweiligen Verhältnisse angepaßt werden kann, wobei der übliche innere Widerstand eines Schalldämpfaeräts nicht überschritten wird.
• V Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Katalysatorkörper von einem vorzugsweise konisch verenten Strömungskanal umhüllt ist (Umlaufströmung) und in seiner Mitte einen ebenfalls vorzugsweise konisch verengten und am Ende mit einer Blende versehenen Strömungskanal aufweist; diese Blende dient dazu, die Durchflußgeschwindigkeiten durch den Katalysator, der vorzugsweise aus Körpern wählbarer Form mit aufgebrachter Katalysatormasse besteht, auf deren Reaktionsfähigkeit und Reaktionszeit abzustimmen. Durch diese besonders ausgebildete Zweikammeranordnung im Sinn hintereinandergeschalteter Resonatoren in Verbindung mit der dazwischenliegenden Venturidüse ergibt sich in der nachfolgenden Einheit durch die thermischen Vorgänge eine Düsenwirkung, die den Widerstand der Entgiftungsvorrichtung etwa ausgleicht.
• Der Katalysatorkörper hat vorzugsweise konische Außen- und Innenwandungen mit entgegengesetzter Konizität, wodurch sich unterschiedliche Schichtdicken des Katalysatormaterials über die Länge des Katalysatorkörpers ergeben. Der innere Strömungskanal mit abnehmendem Durchmesser zum Abgasaustritt hin ist am Ende mit einer vorzugsweise auswechselbaren Blende ausgestattet. Der Blendendurchmesser stellt ein Regulativ für den erforderlichen Wirkdruck und damit für die Durchströmgeschwindigkeit des zu entgiftenden Abgasanteils dar, die mit Rücksicht auf die notwendige Verweilzeit des durchströmenden Abgasanteils im Katalysatormaterial gegeben ist. Der durch die Blende abströmende Abgasanteil, der nicht oder nur teilentgiftet ist - z. B. befreit vom giftigen CO-Anteil, dessen Oxydation schon bei etwa 200 bis 300° C eintritt -, wirkt gewissermaßen als Strahlpumpe auf den Ab-Gasanteil, der den Katalysatorkörper umströmt und gegebenenfalls auch nur teilentgiftet ist.
• Bei der Oxydation der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenoxyds im Katalysator treten Dauertemperaturen auf, die, bedingt durch die exothermen Umsetzungsvorgänge, zwischen 800 und 900° C liegen. Der heiße Katalysatorkörper hat als Wärmestrahlungsquelle auf jeden Fall ein erhöhtes Temperaturgefälle zur ersten Kammer, so daß auch die zweite Kammer nach Düsengesetzen ausgebildet ist. Der öffnungswinkel der zweiten Kammer, die in ihren Abmessungen wenigstens angenähert gleich der ersten Kammer ist, beträgt deshalb ebenfalls etwa 50 bis 60°, vorzugsweise 57°. Dadurch wird ein Rückstau im Abgasstrom durch die thermisch bedingte Ausdehnung des Abgasgemisches im Katalysatorbereich ebenfalls auf ein Minimum reduziert, und es tritt eine Beschleunigungswirkung zum Abgasaustritt hin ein. Diese wirkt dem inneren Widerstand im Katalysator entgegen. Durch die mögliche Umströmung des Katalysatorkörpers und die Durchströmung der Blende durch Teilströme ist vorteilhaft für einen widerstandsarmen Durchfluß gesorgt. Der notwendigen Zufuhr von Frischluft ist unter Berücksichtigung der Gefahr, daß z. B. bei zu fettem Gemisch die Katalysatortemperatur auf etwa l.000° C und mehr ansteigen kann, erfindungsgemäß wie folgt Rechnung getragen: Durch vorteilhafte strömungstechnische Führung des Abgas-Luft-Gemisches, weitgehend ohne örtlichen Wärmestau, wird die Temperatur des Mischgases so eingestellt, daß sich keine übertemperatur über die normale Reaktionstemperatur in der Um-,ebung des Katalysators einstellen kann. Der unvermeidliche Anstieg der Temperaturen beim exothermen Katalysationsvorgang wird durch den Sekundärstrom aus Abgas und Frischluft, der das Katalysatormaterial nicht durchströmt, auf den Katalysatorkörper beschränkt.
• Am Beispiel einer zeichnerisch dargestellten Entgiftungsvorrichtung, wie sie vorzugsweise für Personenkraftfahrzeuge mit den dabei gegebenen Einbaubedingungen, besonders als austauschfähiges Teil für bereits im Gebrauch befindliche Kraftfahrzeuge verwendet wird, werden weitere Einzelheiten näher erläutert. In dieser Darstellung zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und F i g. 2 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, gemäß F i g. 1.
• Die Gehäusehalbschalen 41 und 42 bilden mit den Teilen 15 und 46 die vordere Einheit B mit Beschleunigungsvorrichtung. Teil 15 ist eine Venturidüse und Teil 46 ein Aufhängebeschlag. In der Kammer 11 dieser Einheit B ist insbesondere bei Verwendung als Entgiftungsgerät für Verbrennungsmotoren von Personenkraftwagen ein Wärmespeicher in Form eines strömungsgünstig profilierten, mit Durchbrechungen 13 versehenen, eine Mischkammer einschließenden Einsatzes 12 vorgesehen, der durch die Stege 51 und 52 zu den Gehäusehalbschalen 41,42 hin wärmeisoliert gehalten wird. Eine Frischluftleitung 53 ragt in diese Mischkammer hinein.
• Die ankommenden heißen Gase werden durch die Querschnittserweiterung entspannt. Sie durchströmen zum größten Teil die zahlreichen Schlitze 13 des Einsatzes 12 und vermischen sich mit der zuströmenden Frischluft. Der restliche Abgasteil umfließt den Einsatz und strömt an den Stegen 51, 52 vorbei zur Venturidüse 15. Durch die Wärmeisolation heizt sich der Einsatz 12 auf und gewährleistet eine entsprechende Aufheizung des Abgas-Frischluft-Gemisches. Zur Verhinderung eines Vorstaus haben die Gehäusehalbschalen 41, 42 einen bffnungswinkel x zwischen 50 und 60°, vorzugsweise 57°. Zur zweiten Kammer hin werden die Gase wieder beschleunigt, und zwar durch die angestaute Druckenergie in der Vorwärmkammer 11, verstärkt durch das dort in Form des aufgeheizten Einsatzes 12 vorhandene Wärmepotential. Diese Geschwindigkeitserhöhung ist für die Überwindung der nachfolgenden Widerstände vorteilhaft. Der im Betrieb aufgeheizte Einsatz 12 wirkt durch seine Wärmekapazität außerdem temperaturhaltend für die Abgase, was sich besonders bei kurzzeitigem Fahren mit geringer Motorleistung günstig auf die Einhaltung der notwendigen Temperatur in der Katalysatorkammer auswirkt.
• Für große Entgiftervorrichtungen, insbesondere für Lastkraftwagen, ist in der vorbeschriebenen Einheit B anstatt des im Beispiel gezeigten Wärmespeichers eine offene Flamme als Heizquelle vorgesehen. Besonders bei Dieselmotoren können Ölbrenner an sich bekannter Art eingebaut werden. Es kann aber auch eine Propangasflamme verwendet werden. Bei Dieselmotoren ist eine offene Flamme insofern vorteilhaft, als hierdurch örtlich hohe Temperaturen erzielbar sind, die eine gute Nachverbrennung der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenstoffs gewährleisten. Beim Abströmen dieser Abgase durch die nachgeschaltete Katalysatorkammer wird der noch verbleibende Rest oxydiert, ebenso der noch gering verbleibende Gehalt an CO-Gas bei Dieselmotoren.
• Bei kleineren Motoren ist die Verwendung einer offenen Flamme nicht erforderlich, da die nachgeschaltete Katalysatorkammer die Entgiftung voll übernimmt; es genügt hierfür die Anordnung des bereits erwähnten, sich im Betrieb aufheizenden Blecheinsatzes 12.
• Die Gehäusehalbschalen 63, 64 bilden die Katalysatorkammer 17, die mit eingebautem Katalysatorkörper 18 die hintere Einheit C darstellt. Der Katalysatorkörper 18 ist mit strömungsgünstig geformten Kappen 180,181 versehen. Der Teil 181 weist eine Anzahl Schlitze auf, die zum Abzug der im Katalysatorkörper befindlichen Abgase dienen und einen Wärmestau verhindern.
• Die aus der Venturidüse 15 der vorderen Einheit B ausströmenden Mischgase gelangen zum größten Teil in die mittige Öffnung der Kappe 180, während der kleinere Teil der Abgase seitlich vorbei- und den Katalysatorkörper 18 umströmt, wobei je nach dem Grad der Frischluftüberschußmenge eine gewisse Temperaturregelung möglich ist. Die notwendige Betriebstemperatur der Katalysatormasse beträgt etwa 600° C. Die sich gegebenenfalls einstellende Temperaturerhöhung aus der beim Oxydationsvorgang frei gewordenen exothermen Wärme wird durch den Nebenstrom abgeschirmt. Der Mischgasanteil, der in den Innenkanal 183 des Katalysatorkörpers 18 einströmt, wird durch eine am Austritt angeordnete Blende 190 abgebremst. Der Hauptanteil dieses Gasstroms durchströmt durch den Wirkdruck aus der Stauung die Katalysatormasse, während durch die Blende 190 ein kleiner Teilstrom un- bzw. teilentgiftet abfließt und dabei gleichzeitig als Richt- und Saugstrahl für die aus den Schlitzen und dem Umströmungskanal 182 abströmende Gasmenge wirkt.
• Die Oxydation im Katalysator erzeugt Temperaturen, die auf jeden Fall ein Temperaturpotential zu den Temperaturen in der ersten Einheit B haben, so daß sich in der Einheit C eine Volumenzunahme der Mischgase ergibt. Aus diesem Grund erhält auch die zweite Kammer 17 einen Öffnungswinkel x zwischen 50 und 60°, vorzugsweise 57°. Diese Volumenzunahme ergibt wieder eine zusätzliche Beschleunigungswirkung zum Gasaustritt hin und begünstigt die widerstandsarme Umströmung des Katalysatorkörpers 18 als Temperatur-Regulativ zur Verhinderung von Übertemperaturen, falls z. B. der Vergaser auf zu reiches Gemisch eingestellt sein sollte. Die vorbeschriebene Vorrichtung erhält zur Wärmeisolation eine geeignete Ummantelung. Die gegebenenfalls als Halbschalen ausgebildeten Formteile 47, 48, 49 und 50 ergeben Hohlräume zur Aufnahme geeigneter Wärmedämmstoffe 54.
• Die Halbschalen der Kammern 11 und 17, nämlich die Teile 41,42 und 63,64 können auf beiden Seiten durch U-Profil-Schienen entsprechender innerer Weite zusammengefügt und verschraubt sein.
• Diese Bauweise ergibt eine einfache Demontage zur Reinigung und zum Auswechseln erschöpfter Katalysatormassen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren, durch Nachverbrennung und/oder katalytische Oxydation, wobei einer eine Frischluft-Ansaug- und Abgas-Frischluft-Mischdüse enthaltenden Einheit in einem Schutzgehäuse hintereinander eine Einheit mit einer Mischvorrichtung und/oder eine Einheit mit einem Katalysator nachgeschaltet ist, die jeweils eine Strömungsbeschleunigungsvorrichtung enthalten, nach Patent 1253955, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkörper (18) von einem vorzugsweise konisch verengten Strömungskanal (182) umhüllt ist und in seiner Mitte einen ebenfalls vorzugsweise konisch verengten und am Ende mit einer Blende (190) versehenen Strömungskanal (183) aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende auswechselbar ist.