DE1451881B - Vorrichtung zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bestehend aus zwei je für sich funktionsfähigen, in der Abgasleitung hintereinander angeordneten, jeweils einen Teil der gesamten Katalysatormasse enthaltenden Untereinheiten. Eine solche Anordnung ist für das Nachverbrennen von Dieselabgasen bekannt (Zeitschrift »The Engineer« vom 27. Mai 1960, S. 893, F i g. 10). Hierbei sind zwei gleich große Katalysatoreinheiten in gleich großem Abstand vom Motor örtlich nebeneinander angeordnet. Durch eine Umschaltklappe können sie entweder in der einen oder in der anderen Reihenfolge hintereinandergeschaltet werden, wobei die jeweils zweite Einheit infolge eines in der Verbindungsleitung angeordneten besonderen Ölbrenners aufgeheizt wird.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich dagegen um folgendes: Es ist von entscheidender Bedeutung, daß die katalytische Nachverbrennung der Abgase innerhalb ganz kurzer Zeit nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine voll einsetzt, weil gerade in den ersten Minuten nach dem Anlassen, wenn die Maschine noch verhältnismäßig kühl ist, besonders viel gesundheitsschädliche Bestandteile in den Abgasen enthalten sind.

Da die Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung jedoch einen verhältnismäßig großen Raum im Kraftfahrzeug beansprucht, ist es in der Regel nicht möglich, sie nahe an der Fahrzeugantriebsmaschine unterzubringen. Dies bedingt verhältnismäßig lange Abgasleitungen zwischen der Antriebsmaschine und der Vorrichtung zum Nachverbrennen ihrer Abgase.

Dadurch kühlen sich die Abgase auf ihrem Weg von der Maschine zur Nachbrennvorrichtung erheblich ab, und es vergeht verhältnismäßig viel Zeit, bis die Nachbrennvorrichtung so weit erhitzt ist, daß die in ihr enthaltene Katalysatormasse voll wirksam wird. Dieser Mangel wird durch die Erfindung beseitigt.

Gemäß der Erfindung unterscheiden sich die beiden Katalysator-Untereinheiten in ihrer Größe wesentlich voneinander, wobei die kleinere Einheit möglichst nahe an der Brennkraftmaschine und die größere weiter von der Brennkraftmaschine entfernt an einer anderen geeigneten Stelle des Fahrzeuges angeordnet ist. Im einzelnen wird vorgeschlagen, daß die kleinere Einheit (Voreinheit) etwa ein Vierteil bis ein Fünftel, die größere Einheit (Haupteinheit) etwa drei Viertel bis vier Fünftel der gesamten benötigten Katalysatormasse enthält.

Zweckmäßig sind sowohl an der kleineren als auch an der größeren Einheit in an sich bekannter Weise (österreichische Patentschrift 227 031; USA.-Patentschrift 3 097 074) Umgehungsleitungen mit Umlenkklappen angebracht, so daß die Abgase nach Belieben um jede der beiden Untereinheiten herumgeleitet werden können. Hierdurch soll erreicht werden, daß einerseits der Strömungswiderstand der gesamten Nachbrennvorrichtung dem Luftdurchsatz in den verschiedenen Motor-Betriebszuständen angepaßt werden kann und andererseits die Katalysatorsubstanz in der Vor- und Haupteinheit vor Übertemperaturen geschützt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es bedeutet 1 eine in einem Kraftfahrzeug als Antriebsmaschine für dieses angeordnete Brennkraftmaschine, 2 die Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1 und 3 bzw. 4 je eine Vorrichtung an sich bekannter Art zur katalytischen Nachverbrennung der durch die Leitung 2 austretenden Abgase. Die Vorrichtungen 3, 4 sind in der Abgasleitung 2 hintereinander angeordnet, und zwar die Vorrichtung 3 unmittelbar an der Brennkraftmaschine 1, die Vorrichtung 4 an einer anderen geeigneten Stelle des Fahrzeugs, beispielsweise in einer Ausbuchtung des Fahrzeugbodens, unter den Sitzen od. dgl. Außerdem können die Einheiten 3 und 4, gegebenenfalls unter Zuschaltung von Resonanzvolumina, die Rolle der Auspuff-Schalldämpfung übernehmen.

Die beiden Teile 3, 4 bilden Untereinheiten der gesamten Vorrichtung zum Nachverbrennen der Abgase. Jede dieser Untereinheiten ist in bekannter Weise mit einer die Nachverbrennung der schädlichen Bestandteile der Abgase fördernden Katalysatormasse (Katalysatorträger + Katalysatorsubstanz) gefüllt und mit hier nicht dargestellten Einrichtungen zum Einführen von Zusatzluft versehen. Die Aufteilung der gesamten Vorrichtung in die beiden Untereinheiten erfolgt so, daß die Voreinheit 3 etwa ein Viertel bis ein Fünftel, die Haupteinheit 4 etwa drei Viertel bis vier Fünftel der gesamten benötigten Katalysatormasse aufnimmt. Sowohl an der Voreinheit 3 als auch an der Haupteinheit 4 sind Umgehungsleitungen 5, 6 vorgesehen, die durch Umlenkklappen 7, 8 nach Bedarf geöffnet und geschlossen werden können. Die Steuerung der Klappen wird durch einen geeigneten Mechanismus in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand und von der Temperatur der Katalysatormasse in den Untereinheiten bewirkt.

Die Steuerung der Klappen 7, 8 erfolgt so, daß bei Inbetriebnahme der kalten Brennkraftmaschine 1 zunächst beide Umgehungsleitungen 5,6 durch die Klappen 7, 8 geschlossen sind. Die Abgase durchströmen dann zunächst die Untereinheit 3. Sie erwärmen dabei die in dieser enthaltene Katalysatormasse bis zu ihrer Ansprechtemperatur, beispielsweise bis auf 250 bis 300°C, was verhältnismäßig schnell erfolgt, da die Abgase an dieser Stelle auch bei gedrosselt laufender Maschine noch eine ausreichend hohe Temperatur haben und die Katalysatormenge in der Voreinheit 3 verhältnismäßig gering ist. Gegebenenfalls können Vor- und Haupteinheit sowie die Verbindungsleitung 2 mit einer geeigneten Wärmeisolierung umgeben werden.

Angenommen, die Brennkraftmaschine 1 habe eine Nennleistung von 100 PS und werde nach der Inbetriebnahme mit einer Anfahrleistung von etwa 20 PS warmgefahren, wie es im Großstadtverkehr gewöhnlieh der Fall ist, dann kann mit einer Abgasmenge von 1 m³ je Minute (bezogen auf 2O⁰C) und einer Auspufftemperatur von 450° C gerechnet werden. Nimmt man ferner einen Temperaturabfall der Abgase von 250° C in der Voreinheit 3 an, so ergibt sich zur Aufheizung der in dieser enthaltenen Katalysatormenge ein Wärmeanfall von:

= 0,25 -^-^-j · 1300 -Ji- · 250 Grad = 81 — gr · Grad _mj_{n m}in

I 451 881

In der Voreinheit 3 sollen sich etwa 0,8 kg Katalysatormasse mit einer spezifischen

Wärme von = 0,23

cal

gr · Grad

befinden. Dann wird zur Erreichung der Ansprechtemperatur des Katalysators von z. B. 300⁰C bei einer Ausgangstemperatur von 20⁰C eine Wärmemenge von

(?kat = 0,23 · 800 · 280 = 51 kcal

benötigt.

Die gleiche Rechnung ergibt für das den Katalysator enthaltende Blechgehäuse, das ebenfalls auf 300⁰C aufgeheizt wird und dessen Gewicht mit 0,7 kg angenommen sei, eine Wärmemenge von

öse = 0,1 · 700 · 280 = 20 kcal.

Zur Aufheizung der Voreinheit 3 benötigt man also etwa 51 + 20 = 71 kcal. Da, wie oben festgestellt, minütlich etwa 81 kcal während des Warmfahrens der Maschine durch die heißen Abgase angeliefert werden,

kann die Voreinheit 3 also in etwa -^r- min = 52 see

öl

auf die Ansprechtemperatur des Katalysators angewärmt werden. Wird die Motorleistung dann erhöht, so erwärmt sich die Katalysatormasse in der Voreinheit 3 sowohl durch die steigende Abgastemperatur als auch durch die bei der katalytischen Reaktion entstehende Verbrennungswärme.

Die nachverbrannten Abgase haben, da beide Effekte zusammenwirken, dann hinter der Voreinheit 3 eine so hohe Temperatur, daß sie trotz der langen Verbindungsleitung zwischen den beiden Untereinheiten 3, 4 in verhältnismäßig kurzer Zeit auch die in der Haupteinheit 4 enthaltene Katalysatormasse von etwa 4 kg und deren Gehäuse auf die Ansprechtemperatur des Katalysators aufheizen. Die Haupteinheit 4 ist von da ab in der Lage, die Nachverbrennung für die gesamte, auch bei erhöhter Leistung der Maschine 1 anfallende Abgasmenge weitgehend allein durchzuführen. Infolgedessen wird, sobald die Katalysatormasse in der Haupteinheit 4 ihre Ansprechtemperatur erreicht, die Umlenkklappe 7 so umgeschaltet, daß sie dem größten Teil der Abgase den Weg um die Voreinheit 3 herum durch die Umgehungsleitung 5 hindurch freigibt. Dadurch wird die in der Voreinheit 3 befindliche Katalysatormasse vor zu früher Erschöpfung bzw. Vergiftung (z. B. durch den Bleigehalt des Kraftstoffs) und Übertemperaturen bewahrt. Übertemperaturen sind insbesondere dann zu erwarten,

ίο wenn z. B. eine Zündkerze aussetzt und demzufolge große Mengen unverbrannten Kraftstoffs im Katalysator umgesetzt werden.

Die beschriebene Aufteilung der Nachbrennvorrichtung in eine Vor- und eine Haupteinheit bietet zusätzlieh noch den Vorteil, daß nur für das Gehäuse der thermisch stärker beanspruchten Voreinheit teurere, hochwertige Stahlbleche verwendet werden müssen, während für die Haupteinheit übliche Stahlsorten benutzt werden können. Dies ist wichtig, um den Preis der Nachbrennvorrichtung in tragbaren Grenzen gegenüber den Gestehungskosten des Fahrzeugs selbst halten zu können.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum katalytischen Nachverbrennen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bestehend aus zwei je für sich funktionsfähigen, in der Abgasleitung hintereinander angeordneten, jeweils einen Teil der gesamten Katalysatormasse enthaltenden Untereinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Untereinheiten (3, 4) in ihrer Größe wesentlich voneinander unterscheiden und daß die kleinere Einheit (3) möglichst nahe an der Brennkraftmaschine (1) und die größere (4) weiter von der Brennkraftmaschine (1) entfernt an einer anderen geeigneten Stelle des Fahrzeugs angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Einheit (Voreinheit3) etwa ein Viertel bis ein Fünftel, die größere Einheit (Haupteinheit 4) etwa drei Viertel bis vier Fünfte der gesamten benötigten Katalysatormasse enthält

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen