DE1476508B

DE1476508B - Device for the catalytic detoxification of the exhaust gases from internal combustion engines

Info

Publication number: DE1476508B
Authority: DE
Inventors: Gerhard 7301 Berkheim Gaysert
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG

Description

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gründe, eine Anordnung zur Entgiftung mittels Kata- erwähnten Bohrungen im Stufenkolben müssen im lysatoren aufzuzeigen, bei welcher die beschriebenen Querschnitt und in der Form so bemessen sein, daß Nachteile vermieden werden, d, h., die Entgiftung soll bei freigegebener Entlüftungsleitung der Druckabfall die Vorteile der bekannten Verfahren vereinen und zwischen der Stelle 13 in F i g. 1 und der Kammer bei hoher Betriebssicherheit sich selbst steuernd mit 5 größer ist als der Druckabfall in der anderen Enthohem Wirkungsgrad eine ausreichende Entgiftung lüftungsleitung zwischen der Kammer und der Stelle in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 14 der Entlüftungsleitung.reasons, an arrangement for detoxification by means of Kata- mentioned holes in the stepped piston must be in To show lysers, in which the described cross-section and in the form must be dimensioned so that Disadvantages are avoided, that is, the decontamination is to be carried out with the vent line released, the pressure drop combine the advantages of the known methods and between the point 13 in F i g. 1 and the Chamber with high operational safety self-controlling with 5 is greater than the pressure drop in the other Enthohem Efficiency of adequate detoxification ventilation duct between the chamber and the body in all operating areas of the internal combustion engine 14 of the vent line.

bewirken. Dabei soll insbesondere keine mechanische Die Anordnung der Katalysatoren erfolgt derart,cause. In particular, there should be no mechanical The catalytic converters are arranged in such a way that

Betätigung von außen für die Umschaltung der Kata- daß in der Bypassleitung ein Teillastkatalysator mitExternal actuation for switching over the catalytic converter with a partial load catalytic converter in the bypass line

lysatoren erforderlich sein. Dabei liegt der vorlie- io hohem Durchflußwiderstand und in der Hauptleitunganalyzers may be required. The existing high flow resistance is in the main line

genden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Vollastkatalysator mit geringstmöglichem Wider-The invention is based on the knowledge that a full-load catalytic converter with the lowest possible resistance

allein aus dem Abgasstrom selbst genügend Energie stand angeordnet ist und daß die Betätigung desalone from the exhaust gas flow itself was arranged enough energy and that the actuation of the

zur Steuerung einer Vorrichtung zur Entgiftung Staukörpers derart bemessen ist, daß sich dieser beito control a device for detoxification damming body is dimensioned such that it is at

herangezogen und daß durch eine wirksame Korn- Leerlauf in Schließstellung befindet und mit zuneh-used and that through an effective grain idle is in the closed position and with increasing

bination mit Katalysatoren eine optimale Entgiftung 15 mender Drehzahl immer weiter Öffnet. Dabei hat esCombination with catalytic converters for optimal detoxification. It has

bewirkt werden kann. sich als zweckmäßig erwiesen, daß der Vollastkataly-can be effected. proved to be expedient that the full-load catalytic converter

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- sator den Teillastkatalysator ringförmig umhüllt, wolöst, daß das Schaltelement als mit einem Stufen- bei gemäß einer Weiterführung der Vollastkatalysator kolben verbundener, vom Abgasstrom betätigter und der Teillastkatalysator eine gemeinsame Aus-Staukörper in der Hauptleitung ausgebildet ist. Durch ao tnttsleitung aufweisen.According to the invention, the task is thereby encased the part load catalytic converter in a ring shape, wolöst, that the switching element as with a step in accordance with a continuation of the full load catalyst Piston-connected, actuated by the exhaust gas flow, and the part-load catalytic converter share a common off-baffle is formed in the main line. Show through ao tnttsleitung.

diese .technisch einfache Anordnung wird erreicht, Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung~wird erdaß auf die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom reicht, daß bei^Tettlast der Stufenkolben den Durch-. Betriebszustand ein Gegendruck erzeugt wird, so daß fluß etwas öffnet, so daß der Abgasstrom aufgeteilt durch den hierdurch gegebenen Luftgewinn (Luft- wird. Ein kleiner Teilstrom fließt sodann direkt Überschuß λ > 1) bei mager eingestelltem Motor 2$ durch einen in bekannter Weise angeordneten Volleine Nachverbrennung der brennbaren Substanzen lastkataiysator, der mit geringstmöglichem Widerim Abgasstrom möglich ist. Es hat sich nämlich ge- stand ausgebildet ist, oder direkt in die Abgasleitung, zeigt, daß mittels der erfindungsgemäßen Anordnung während der Hauptstrom durch den — im Gegensatz λ-Werte von 1,1 ... 1,15 möglich sind. Das bedeutet zu den bekannten Ausführungen — einen hohen aber, daß noch etwa 10 ... 15% überschüssige Ver- 30 Durchflußwiderstand bildenden Teillastkatalysator brennungsluft im Abgas vorhanden ist. Gemäß der strömt. Die Aufteilung in einen Vollastkatalysator Erfindung soll diese Verbrennungsluft zur zusatz- und einen Teillastkatalysator der aufgezeigten Schallichen katalytischen Verbrennung verwendet werden. tung ergibt bei Anwendung der Vorrichtung kurze Bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- Aufheizzeiten des Teillastkatalysators und damit richtung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß 35 schnelles Anspringen und ermöglicht mit relativ gein der Bypassleitung eine Drossel angeordnet ist. ringem Gasdurchsatz infolge des hohen Durchfluß-Durch diese in der Bypassleitung angeordnete Widerstands des Teillastkatalysators eine kleine Kata-Drosselstelle fließt das zu reinigende Abgas zu dem lysatormasse und damit geringe Wärmekapazität, einen hohen Durchflußwiderstand bildenden Teil- Hierdurch kann wiederum der Vollastkatalysator lastkataiysator. Für die erfindungsgemäße Ausgestal- 40 ausschließlich auf die Verhältnisse im hohen Lasttung des Staukörpers hat sich als vorteilhaft erwiesen, bereich abgestimmt werden. Es ergibt sich somit eine daß dieser Staukörper einen kleineren Durchmesser optimale Lösung. Ferner ergibt sich durch die erfinals der Stufenkolben aufweist und in Schließstellung dungsgemäße Vorrichtung eine direkte Entgiftungseinen kleinen Ringspalt freiläßt. Hierdurch wird er- wirkung, so daß für den Katalysator selbst geringere reicht, daß in der Stellung des Stufenkolbens, in wel- 45 Mengen an nachzuverbrennenden Bestandteilen aufcher er auf dem Kammerboden aufsitzt, die Abgas- treten als bei den bekannten katalytischen Entleitung nicht völlig abgeschlossen wird, sondern ein giftungsanlagen, so daß sich ein Überhitzungsschutz enger Ringspalt für den Durchtritt des aufgestauten für den Katalysator erübrigt.
Abgases frei bleibt. An Hand der F i g. 1 und 2, die schematisch ver-This technically simple arrangement is achieved. With the device according to the invention, it is sufficient for the internal combustion engine that the stepped piston passes through at full load. Operating state a back pressure is generated, so that the flow opens somewhat, so that the exhaust gas flow is divided by the air gain (air. A small partial flow then flows directly excess λ > 1) with a lean engine 2 $ by an arranged in a known manner Complete afterburning of the combustible substances load catalyst, which is possible with the lowest possible resistance in the exhaust gas flow. This is because it has been designed, or directly into the exhaust pipe, shows that the arrangement according to the invention enables the main flow to flow through the - in contrast λ values of 1.1 ... 1.15. In relation to the known designs, this means a high level, but that there is still about 10 ... 15% excess combustion air in the exhaust gas which forms part-load catalytic converter which forms flow resistance. According to the flows. The division into a full-load catalyst invention, this combustion air is to be used for the additional and a part-load catalyst for the above-mentioned Schallichen catalytic combustion. In the design of the preheating times of the partial load catalytic converter and thus the direction according to the invention, it has proven to be expedient that a throttle is arranged for rapid start-up and with relatively gein the bypass line. ring gas throughput due to the high flow-through this resistance of the part-load catalytic converter arranged in the bypass line, a small catalytic throttle point, the exhaust gas to be cleaned flows to the analyzer mass and thus low heat capacity, a high flow resistance forming part- This in turn can load the full-load catalytic converter. For the embodiment according to the invention, it has been found to be advantageous to adapt the range exclusively to the conditions in the high loading of the bluff body. The result is an optimal solution for this bluff body to have a smaller diameter. Furthermore, the fact that the stepped piston has, and in the closed position, the device according to the invention results in a direct detoxification process, leaving a small annular gap free. This has the effect, so that less is sufficient for the catalytic converter itself, that in the position of the stepped piston, in which quantities of post-combustible constituents it is seated on the chamber floor, the exhaust gas is not completely closed off than with the known catalytic discharge is, but a poisoning system, so that an overheating protection narrow annular gap for the passage of the pent up for the catalyst is unnecessary.
Exhaust gas remains free. On the basis of FIG. 1 and 2, which are schematically

Dabei ist der Staukörper zweckmäßigerweise so 50 einfacht die Erfindung darstellen, soll die Funktion ausgebildet, daß die kleine Wirkfläche des Stufen- beschrieben werden. Dabei zeigt die F i g. 1 die erkolbens direkt vom Druck vor dem Staukörper und findungsgemäße Vorrichtung mit einem Stufenkolben die große Wirkfläche über den Kolbenspalt von die- und F i g. 2 die erfindungsgemäße Katalysatorsem Druck beaufschlagt wird, der hier aber mittels anordnung.In this case, the bluff body is expediently in such a simple way that the invention is intended to function designed so that the small effective area of the step can be described. The FIG. 1 the piston directly from the pressure in front of the bluff body and inventive device with a stepped piston the large effective area over the piston gap of die- and F i g. 2 the catalyst according to the invention Pressure is applied, but here by means of an arrangement.

eines mit der Umgebung in Verbindung stehenden 55 Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 besteht aus derone connected to the environment 55 The device according to FIG. 1 consists of the

Abflußventils abgesenkt werden kann. Dabei ist er- Abgasleitung 1, die an der Stelle 2 venturidüsenartigDrain valve can be lowered. It is exhaust pipe 1, which at point 2 is like a venturi nozzle

findungsgemäß das Abflußventil mit einem Stell- verengt ist. Vor dieser venturidüsenartigen Ver-according to the invention, the drain valve is narrowed with an adjusting device. In front of this venturi-like

kolben verbunden, der über Leitungen vom Druck engung 2 zweigt die Leitung 3 und an dieser Ver-connected to the piston, which branches from the pressure constriction 2 via lines to line 3 and at this constriction

vor bzw. an der engsten Stelle einer venturidüsen- engung die Leitung 4 ab, die den Stellkolben 5 gegen-in front of or at the narrowest point of a venturi constriction, the line 4, which opposes the actuating piston 5

förmigen Stelle beaufschlagt ist, die in der Abgas- 60 sinnig beaufschlagen. Dieser Stellkolben 5 ist mitshaped point is acted upon, which act sensibly in the exhaust gas 60. This actuating piston 5 is with

hauptleitung vor dem Staukörper ausgebildet ist. dem Abflußventil 6 verbunden, das die Entlüftungs-main line is formed in front of the bluff body. connected to the drain valve 6, which the vent

Hierdurch kann der entstehende Venturidruck zur leitung 7 entweder verschließen oder freigeben kann.As a result, the venturi pressure that occurs to the line 7 can either close or release.

Steuerung und Betätigung der Stauvorrichtung aus- Diese Entlüftungsleitung führt zu einer Kammer 8,Control and actuation of the damming device - This vent line leads to a chamber 8,

genutzt werden. in welcher der Stufenkolben 9 angeordnet ist. Beibe used. in which the stepped piston 9 is arranged. at

Der Stufenkolben kann aber auch über Bohrungen 65 der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung verschließt verfügen, durch welche der Durchtritt des Motor-- das Abflußventil 6 im Leerlauf die Entlüftungsabgases in die Kammer ermöglicht wird. Der er- leitung 7. Die Abgasmenge, die am Kolbenspalt 10 wähnte Spalt zwischen Kolben und Kammer bzw. die vorbeiströmt, füllt die Kammer 8 bis zum aufgestau-The stepped piston can, however, also close via bores 65 of the storage device according to the invention have, through which the passage of the engine-- the drain valve 6 in idle the vent exhaust gas into the chamber is made possible. The derivation 7. The amount of exhaust gas at the piston gap 10 imagined the gap between the piston and the chamber or that flows past, the chamber 8 fills up to the dammed-up

ten Druck Pg. Da nun die Fläche 9 a des Stufenkolbens 9 größer ist als die Fläche 9 b, auf beide Flächen aber der gleiche Druck Pg wirksam ist, wird der Kolben in der verlangten unteren Stellung verbleiben und nur den Ringspalt 11 freigeben. Mit zunehmender Motorleistung steigt der Venturidruck 12 und hebt über den Stellkolben 5 das Abflußventil 6 an, das dann die Kammer 8 entlüftet. Der Stufenkolben 9 wird aufwärts gedrückt und gibt somit dem Abgas größere Durchströmungsquerschnitte frei.th pressure Pg. Since the surface 9 a of the stepped piston 9 is larger than the surface 9 b, but the same pressure Pg is effective on both surfaces, the piston will remain in the required lower position and only release the annular gap 11. As the engine power increases, the Venturi pressure 12 rises and, via the actuating piston 5, lifts the drain valve 6, which then vents the chamber 8. The stepped piston 9 is pushed upwards and thus releases larger flow cross-sections for the exhaust gas.

An Stelle des Venturidrucks zur Betätigung des Stellkolbens z. B. kann auch der zur Zündverstellung benutzte Vergaserunterdruck verwendet werden.Instead of the Venturi pressure to actuate the actuating piston z. B. can also be used to advance the ignition used carburetor vacuum can be used.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Stellkolben über einen Schlepphebel von der Vergaserdrosselklappe aus zu betätigen.Another possibility is to remove the actuating piston from the carburetor throttle valve using a rocker arm to operate.

Gemäß F i g. 2 ist in der Abgasleitung 1, die vorstehend besprochene selbsttätig gesteuerte Stauvorrichtung 13 angeordnet. Vor dieser Stauvorrichtung zweigt eine Bypassleitung 14 mit einer Drossel 15 ab. An beliebiger-Stelle hinter der Stauvorrichtung erweitert sich die Abgasleitung 1 zu einer Kammer 16.According to FIG. 2 is in the exhaust pipe 1, the automatically controlled damming device discussed above 13 arranged. A bypass line 14 with a throttle 15 branches off in front of this dam device. The exhaust pipe 1 expands to a chamber 16 at any point behind the storage device.

Diese Kammer 16 wird von der Bypassleitung 14 durchdrungen. Im Bereich dieser Kammer ist in der Bypassleitung 14 der Teillastkatalysator 17 und um diesen ringförmig der Vollastkatalysator 18 angeordnet. Die die Abgasleitung 1 und die Bypassleitung 14 durchströmenden Motorabgase werden gesammelt und treten durch die Abgasleitung 19 aus. Bei dieser Anordnung ist erfindungsgemäß bei Leerlauf die Abgasstauvorrichtung 13 fast geschlossen, so daß das This chamber 16 is penetrated by the bypass line 14. In the area of this chamber is in the Bypass line 14 of the part-load catalytic converter 17 and the full-load catalytic converter 18 arranged in a ring around it. The engine exhaust gases flowing through the exhaust line 1 and the bypass line 14 are collected and exit through exhaust pipe 19. In this arrangement, according to the invention, the exhaust gas storage device 13 is almost closed when idling, so that the

ίο Abgas gezwungen wird, durch den Teillastkatalysator 17 zu strömen. Dieser Katalysator hat im Gegensatz zu den bisher gebauten Ausführungen erfindungsgemäß hohen Durchflußwiderstand. Bei Teillast wird die Stauvorrichtung etwas geöffnet, der Abgasstrom wird aufgeteilt. Ein kleiner Teilstrom fließt dann direkt durch den Vollastkatalysator 18, der mit geringstmöglichem Widerstand ausgebildet ist. Bei Vollast wird die Stauvorrichtung ganz geöffnet, das Abgas strömt dann direkt durch den Vollastkataly-ίο exhaust gas is forced through the part load catalytic converter 17 to stream. In contrast to the designs built up to now, this catalyst has according to the invention high flow resistance. At part load, the dam is opened a little, the exhaust gas flow is divided. A small partial flow then flows directly through the full-load catalytic converter 18, which is designed with the lowest possible resistance. at At full load, the dam is fully opened, the exhaust gas then flows directly through the full load catalytic converter.

ao satorl7.ao satorl7.

Die Fi g. 2 zeigt ferner die bauliche Zusammenfassung der beiden Katalysatoren.The Fi g. 2 also shows the structural summary of the two catalysts.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2. . 1. Detoxification using catalysts. Claims: 2. The detoxification by achieving the most complete possible combustion of the combustible

1. Device for the catalytic detoxification of the substances.

Exhaust gases from internal combustion engines, with one of the 5 These two methods can be combined.

Exhaust gas flow actuatable bypass switching element, The present invention relates to a

characterized in that the device for performing both the last

Switching element as a method referred to with a stepped piston (9) as well as a combination

bound, by the exhaust gas flow actuated bluff body of the two processes.

(9 c) is formed in the main line. io There are already procedures and facilities for

2. Apparatus according to claim 1, thereby reducing the proportions of the unburned and indicates that in the bypass line (14) a partially burned constituent in the exhaust gases of Throttle (15) is arranged. Internal combustion engines known. With such an arrangement

3. Apparatus according to claim 1 or 2, the exhaust side is due to the low part load characterized in that the bluff body is a 15 area of the engine with a load-dependent controlled smaller diameter than the stepped piston open-flap throttled, which creates a build-up of heat has and in the closed position a small ring should, which is to be adjusted with the lean gap in this area releases. loosing engine at A> 1 in the engine combustion chamber

4. Apparatus according to claim 3, characterized ge and strong combustion in the exhaust manifold or indicates that the smaller effective area (9 b) 20 post-combustion of the hydrocarbons * and of the stepped piston directly from the pressure in front of the carbon oxides ^ to result Jiat. Such a baffle and the large effective area (9a) over the direction is described, for example, in the Austrian patent specification of the piston gap (10) from this pressure 233,326. In this known arrangement, however, a valve (6) through which a constant current flows by means of a valve (6) which is connected to the environment is lowered by means of an eccentrically mounted flap with the opening. Moving coil over the magnet armature to the closing position

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the engine is idling indicates that the drain valve is being jammed with a.

Control piston (5) is connected, which throttles this load-dependently controlled throttle via lines (3 or 4) from the pressure before or at the narrowest 30 idle, always with increasing load Place a venturi-shaped place - less and at full load no more. This is suggested, which is in the main exhaust pipe (1) before measure, however, to carry out an after Bluff body is formed. ■ .. · ■.: ■; incineration not suitable, as neither a sufficient

6. The device according to claim 2, characterized in that the temperature still indicates the implementation, that in the bypass line (14) a 35 conducive chemical conditions to be achieved Part-load catalytic converter (17) with high flow rates are.

resistance and in the main line (1) a full In addition, it is disadvantageous that the known load catalyst (18) is costly to purchase with as little disorder as possible; further, stand is arranged and that the operation of the that it requires too much space for its installation, Bluff body is dimensioned such that this 40 of the not particularly in smaller motor vehicles is in the closed position when idling and is available with. Likewise, those who are increasing livelihoods fall Speed keeps opening. ':' cost weight.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in US Pat. No. 3,273,971 an indicator is that the full load catalytic converter is the order for detoxification by means of a catalytic converter - part load catalytic converter encased in a ring. 45 at. In this arrangement there are two catalysts

8. Apparatus according to claim 7, characterized in series and the first of the two indicates that the full-load catalytic converter and the catalytic converters are arranged in a common outlet through a bypass, which can flow around the partial-load catalytic converter. Since with this arrangement difficulties have line (19). .-. ■ · .: ·. y: ^ _:: ; -; - _; occur in order to ensure the effectiveness of the

50 sators required temperature to reach is before a combustion chamber to the catalytic converter section

The exhaust gases are heated to the reaction temperature. Also, a blower is required to : ..., if a certain temperature is exceeded this

The present invention relates to a Vorrich- 55 to lower by air admixture. The control of the

device for the catalytic detoxification of the exhaust gases from the inflow of the exhaust gas to the two or one of the

Internal combustion engines, with a catalytic converter from the exhaust gas flow, takes place via a two-way valve in waste

actuatable switching element. dependence of the temperature in the catalytic converters.

It is known that in internal combustion engines, this arrangement is extremely complex and as a result

incomplete combustion takes place, so that the control device is prone to failure. A special

Exhaust gas still contains flammable substances. However, the disadvantage of this known arrangement is

these ingredients both have a toxic effect in seeing that the effectiveness of the catalyst

have as well as an odor nuisance which is dependent on the operation of the combustion chamber and that

education have been striving for a long time, especially at the time when the

Gang, a detoxification of the exhaust gases at least up to 65 emission of pollutants is greatest, namely

to take a responsible measure. when starting the engine and when moving off, no

For the detoxification of the exhaust gases an internal combustion engine is capable of working.

machine, there are essentially two methods: The present invention is the object to-