DE1476633C3 - Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit zwei hintereinandergeschalteten Behältern, in denen ein durchlässiges Gasströmrohr von Katalysatormasse umhüllt ist.

Abreinigungsvorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt. So offenbart z. B. die DT-PS 697 012 eine Vorrichtung zur Unschädlichmachung der Abgase von Kraftfahrzeugmotoren, bei der das Gasströmrohr beiderseits offen ist. Ferner ist durch die DT-PS 631 368 gleichzeitiges Anströmen und Durchströmen der Katalysatormasse bekannt. Gemeinsamer Nachteil der bekannten Abgasreinigungsvorrichtungen ist, daß, wenn sie zu einem einigermaßen vertretbaren Preis herstellbar sind, ihre Lebensdauer sehr kurz ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine relativ billige Abgasreinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art von langer Lebensdauer und großer Wirksamkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gasströmrohr in jeweils bekannter Weise im ersten Behälter beiderseits offen und im zweiten Behälter endseitig geschlossen ist, so daß die Katalysatormasse im ersten Behälter im wesentlichen angeströmt und im zweiten Behälter durchströmt wird.

Durch diese Lösung wird in überraschender Weise erreicht, daß der erste Behälter, dessen Katalysatormasse nur angeströmt wird, eine Schutzeinrichtung darstellt, die eine Überhitzung und Zerstörung des zweiten Behälters, vor allem dessen Katalysatormasse, verhindert. Die eintretende Schutzwirkung ist dadurch erklärbar, daß in den Auspuffgasen auftretende CO- und OH-Spitzenwerte in ersten Behälter herabgesetzt werden und somit der zweite Behälter keiner Spitzenbelastung bzw. keiner Überhitzung unterworfen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 teilweise schematisch und teilweise im Schnitt eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der F i g. 1 und

F i g. 3 bis 7 weitere Ausführungsformen der Erfindung.

In F i g. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 andeutungsweise dargestellt. Von deren Auspuffsammeirohr 3 gelangen die Abgase über ein Abgasrohr 5 zunächst in einen ersten Behälter 17 der Abgasreinigungsvorrichtung, dessen mit Katalysatormasse umhülltes Gasströmrohr 29 beiderseits offen ist, und dann in einen zweiten Behälter 77, dessen von Katalysatormasse umhülltes Gasströmrohr 83 endseitig geschlossen ist. Die Verbindung zwischen den Behältern 17 und 77 stellt ein Rohr 9 her. Mittels eines Gebläses 15 wird Zusatzluft in das Auspuffsammeirohr 3 eingeleitet.
Der Behälter 17, der mit einer Isolation aus Asbestschichten 19 versehen ist, weist einstückig ausgeführte Einlaß- und Auslaßstutzen 21, 23 an den Enden für die Verbindung mit den Rohren 5 und 9 auf. Der Übergang von den Stutzen 21, 23 auf den vollen Behälterdurchmesser erfolgt über Einlaß- und Auslaßkammern 25,27, die mittels des Gasströmrohrs 29 in Verbindung stehen. Die gegenüberliegenden Enden des Gasströmrohrs 29 werden in ringförmigen Hälsen 31 und 33 getragen, die in Stirnwänden 35 und 37 ausgebildet sind. Diese weisen ringförmige Umfangsflansche 39 und 41 auf, die an den Enden eines inneren rohrförmigen Gehäuses 43 punktverschweißt sind. Das Gehäuse 43 verläuft koaxial und in gleicher Länge zum Gasströmrohr 29. Der Behälter 17 weist relativ kurze und schmale sich nach

ao innen erstreckende Vorsprünge 45 und 47 am Einlaßende sowie entsprechende Vorsprünge 49,51 am Auslaßende auf, die mit det*~äuß_eren Enden des inneren Gehäuses 43 im Eingriff stehen und einen ringförmigen Kanal 53 begrenzen. Die zwischen den Vorsprüngen gebildeten Umfangsräume, wie z. B. die Räume 55 und 57 (s. F i g. 2) zwischen den Vorsprüngen 45 und 47 am Einlaßende, ermöglichen einen freien Gasfluß zwischen der Einlaßkammer 45 und der Auslaßkammer 27 längs des äußeren Kanals 53. Die angegebenen vier Vor-Sprünge sind mit dem Gehäuse 43 und den Umfangsflanschen 39 und 41 punktverschweißt. Es können zusätzliche tragende Vorsprünge 59 und 61 im Behälter 17 an einer mittleren Stelle zur Abstützung des Gehäuses 43 ausgebildet sein, die jedoch nicht in dem inneren Gehäuse punktverschweißt sind.

Das Gasströmrohr 29 und das Gehäuse 43 sind in ihrer Wandung mit Öffnungen versehen, die sich über etwa 35% der Mantelfläche erstrecken. Es handelt sich hierbei um längliche Schlitze 63 und 65 im Gasströmrohr 29 bzw. im Gehäuse 43, die in der gezeigten Weise ausgerichtet sind. Die Schlitze sind einheitlich im Abstand zueinander in den Wandflächen des Rohrs 29 und des Gehäuses 43 angeordnet, können jedoch auch anders angeordnet sein, wenn andere Strömungsverhältnisse erreicht werden sollen. Die Kammer 67 zwischen dem Gasströmrohr 29 und dem Gehäuse 43 ist mit Katalysatormasse gefüllt. Das so gebildete Katalysatorbett sollte etwa eine Dicke von 1,27 bis 2,22 cm, vorzugsweise etwa 1,90 cm, aufweisen und wenigstens 30,48 cm lang sein. Es könnte jedoch auch 2- bis 3mal so lang ausgeführt sein. Bei einem Durchmesser des Gasströmrohrs 29 von 3,81 cm kann das äußere Gehäuse 43 einen Durchmesser von 10,16 cm aufweisen.
Der Aufbau des soweit beschriebenen Vorrichtungsteils 7 ist der gleiche, wie er für den Vorrichtungsteil T in F. i g. 6 gezeigt ist, und stellt eine Nebenfluß-Vorrichtung dar, in der das in die Vorrichtung eintretende Gas in eine Einlaßkammer 25 geleitet wird, so daß ein Teil desselben durch das Gasströmrohr 29 und ein Teil durch den äußeren Kanal 53 fließt Auf diesen Wegen kommt das Gas in Berührung mit den Oberflächen der Katalysatormasse, die durch die Schlitze 63 und 65 über die volle Länge des Betts anströmbar ist. Dabei erfolgt eine gewisse Umwandlung der nicht verbrannten Bestandteile, jedoch wird im Inneren des Katalysatorbetts 67 nicht sehr viel chemische Wärme frei, so daß keine Gefahr des Überhitzens besteht.

Um die Reinigungswirkung der Vorrichtung 7 zu er-

höhen, ist vorgesehen, einen Teil des Gases durch das Katalysatorbett 67 von einem Gaskanal zum anderen Gaskanal zu führen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, daß im Gasströmrohr 29 Verengungen 69, 71 und 73 mit Öffnungen 75 von jeweils kleinerem Durchmesser vorgesehen werden, so daß ein gewisser Gasfluß vom Rohr 29 aus durch die Katalysatormasse tritt. Das Ausmaß dieses Gasflusses kann durch das Maß der Verengung gesteuert werden.

Aus dem ersten Behälter 17 gelangt das bereits teilweise gereinigte Abgas über das Rohr 9 in das am Ende 85 verschlossene Gasströmrohr 83 des zweiten Behälters 77, der an seinen Enden einen Einlaßstutzen 79 und einen Auslaßstutzen 81 für den Anschluß des Rohrs 9 bzw. eines Rohrs 13 aufweist. Das Gasströmrohr 83 ist mit dem Einlaßstutzen 79 über ein kurzes Rohrstück 82 verbunden und von einem koaxialen inneren Gehäuse 87 umgeben. Am Einlaßende des Gehäuses 87 ist ein Bauteil 89 vorgesehen, das einen Innen- und einen Außenflansch aufweist. Der Außenflansch ist mit dem Gehäuse 87-und der Innenflansch mit dem Rohrstück 82 punktverschweißt, in dem das Gasströmrohr 83 gleitbar sitzt. Am Auslaßende des Gehäuses 87 befindet sich ein Bauteil 91, dessen äußere und innere Flanschen mit dem Gehäuse 87 bzw. dem Gasströmrohr 83 punktverschweißt sind. Der Raum zwischen dem Gasströmrohr 83 und dem Gehäuse 87, der durch die Bauteile 89,

91 stirnseitig verschlossen ist, ist mit Katalysatormasse

92 gefüllt. Ein Paar zusätzlicher, durchlöcherter Unterteilungsringe 93 und 95 sind mit äußeren Flanschen mit dem Gehäuse 87 verschweißt, während ihre inneren Flanschen auf dem Gasströmrohr 83 gleitbar ruhen, das sich somit in Längsrichtung relativ gegenüber allen inneren Bauteilen ausdehnen kann. Das Gasströmrohr 83 und das Gehäuse 87 sind durchlöchert, und zwar mit länglichen Schlitzen 97 und 99. Die Schlitze können einheitlich über die Wandflächen des Gasströmrohrs und des Gehäuses verteilt oder so in Mustern angeordnet sein, daß sich ein gleichmäßiger Gasfluß durch die Katalysatormasse 92 ergibt. Um den gleichmäßigen Fluß zu fördern, kann das Gasströmrohr 83 mit einer Reihe von Blenden oder Verengungen 101 versehen sein, die in Strömungsrichtung des Gases Öffnungen 103 mit kleiner werdendem Durchmesser aufweisen, z. B. von 4,13, 3,81, 3,65, 3,33, 3,02 cm für ein Gasströmrohr mit einem Durchmesser von 5,08 cm. Der Behälter 77 weist drei um den Umfang im Abstand zueinander angeordnete und sich nach innen erstreckende Vorsprünge 105 auf, die an längsseitigen Abschnitten angeordnet sind und die mit dem inneren Gehäuse 87 punktverschweißt sind. Durch den ringförmigen Raum 107 zwischen dem Gehäuse 87 und der Wand des Behälters 77 strömt das gereinigte Gas zum Auslaßstutzen 81 und gelangt von hier aus durch das Endrohr 13 zur Außenluft. Der Behälter 77 weist keine Wärmeisolation auf, um die Warmeabstrahlung zu unterstützen. Die Isolation des ersten Behälters 17 ist dagegen zur Unterstützung des Wärmeaufbaus erforderlich.

Die beiden Behälter 17 und 77 können gegebenenfalls zusammengefaßt werden, gegebenenfalls kann ein Bleiabscheider 111 (Fig. 1) zum Entfernen von Bleidampf aus den Abgasen, bevor dieselben mit dem Katalysator in Berührung kommen, im Rohr 5 angeordnet werden. Hierdurch wird eine Bleiablagerung auf der Katalysatormasse herabgesetzt oder vollständig verhindert, wodurch die Lebensdauer des Katalysators wesentlich verlängert wird. Zu diesem Zweck kann ein Filter oder ein gesinterter Pfropfen aus Fuilererde vorgesehen sein, um einen übermäßigen Gegendruck zu vermeiden.

Die F i g. 3 zeigt eine geringfügig abgewandelte Ausführungsform des in F i g. 1 dargestellten zweiten Behälters 77. Bei dieser Ausführungsform hat die Katalysatormasse ein wesentlich größeres Volumen bei praktisch den gleichen Gesamtabmessungen des Behälters. Der Behälter 123 ist an den Enden unter Ausbildung eines Einlaßstutzens 125 und eines Auslaßstutzens 127 verjüngt. Ein inneres Gehäuse 129 wird von einer Ringsicke 131 und Vorsprüngen 132 koaxial im Behälter gehalten. Die Ringsicke 131 und die Vorsprünge 132 sind im Behälter 123 eingedrückt und mit dem inneren Gehäuse 129 und den äußeren Flanschen von Stirnwänden 133 und 135 des inneren Gehäuses und einer Querwand 137 verschweißt. Zwei weitere Querwände 139 und 141 weisen äußere und innere Flanschen auf, von denen nur die äußeren mit dem inneren Gehäuse 129 punktverschweißt sind. Das Gasströmrohr 143 ist an seinem Ende 145 verschlossen und dort mit dem stirnseitigen Bauteil 135 punktverschweißt. ^:~

Das GasströmroffM43 weist Schlitze 147 und das innere Gehäuse 129 Schlitze 149 auf, so daß das Gas radial vom Gasströmrohr 143 durch die Katalysatormasse enthaltende Kammer 151 zum äußeren Kanal 153 zwischen der Innenwand des Behälters 123 und dem inneren Gehäuse 129 fließen kann. Das vordere Ende des Kanals 153 ist in Strömungsrichtung der Gase durch den Ring 131 verschlossen, der in den Behälter 123 eingedrückt ist; jedoch ist das hintere Ende des Behälters 123 zwischen den Vorsprüngen 132 offen, so daß das gereinigte Gas in den Auslaßstutzen 127 gelangen kann.

Der innere Durchmesser der Flanschen an den Querwänden im Inneren des Behälters 123 ist wesentlich größer ausgeführt als der des Gasströmrohrs 143, so daß die Katalysatormasse sich in der Kammer 151 verteilen kann. Durch ein Füllrohr 155, das normalerweise an seinem äußeren Ende geschlossen ist, kann die Kammer 151 mit frischer Katalysatormasse gefüllt werden.

Die F i g. 4 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei der ein Teil des Abgases die Katalysatormasse durchströmt. Diese Vorrichtung weist einen Behälter 163 auf, der an den Enden verjüngt ist oder in anderer Weise mit einem Einlaßstutzen 165 und einem Auslaßstutzen 167 versehen ist. Die Stutzen sind eng an die gegenüberliegenden Enden des Gasströmrohrs 169 angepaßt und mit diesen punktverschweißt. Das Gasströmrohr 169 weist am vorderen Ende Schlitze 171 und am hinteren Ende Schlitze 173 auf. Dazwischen ist das Rohr nicht durchlöchert. Die Schlitze öffnen sich in eine ringförmige Kammer 175, die durch das Rohr 169 und die Wand des Behälters 163 begrenzt und mit Katalysatormasse gefüllt ist. Im Gasströmrohr 169 ist eine keilförmige Einbuchtung 177 ausgebildet, wodurch sich ein Venturi-Effekt ergibt. Die Schlitze 173 verlaufen hinter der Einbuchtung in Strömungsrichtung. Durch den Venturi-Effekt wird ein Teil des Gases zum Durchströmen der Katalysatormasse veranlaßt. Nach dem Austreten durch die Schlitze 173 tritt eine Vermischung auf Grund der Turbulenz mit dem Gas ein, das geradlinig durch das Gasströmrohr 169 hindurchgetreten ist. Durch eine bestimmte Wahl der Fläche der Schlitzöffnungen und der Länge des Betts kann der Prozentsatz der durch die Katalysatormasse hindurchtretenden Strömung und damit die Maximaltemperatur auf einem sicheren Wert gehalten werden. Der Aufbau der Vorrichtung wird so getroffen, daß eine erhebliche Küh^:

lung durch Abstrahlung und Abziehen der Wärme durch die geradlinig durch das Rohr 169 hindurchströmenden Gase erfolgt. Eine am Rohr 169 angeordnete Ablenkplatte 179 verhindert eine Kurzschlußströmung zwischen den Schlitzen 171 und 173; ein lösbarer Stopfen 181 dient für das Füllen der Katalysatorkammer mit frischer Katalysatormasse.

Die F i g. 5 zeigt eine einfache katalytisch arbeitende Abgasreinigungsverdichtung 191, bei der die Katalysatormasse angeströmt wird. Ein Gasströmrohr 195 ist geradlinig durch den Behälter 193 geführt. Der Behälter 193 ist an den Stellen 197, 199 und 201 nach innen eingezogen und dort mit dem Gasströmrohr punktverschweißt. An den Enden des Behälters können in der gezeigten Weise Einlaß- und Auslaßstutzen 205 und 207 ausgebildet sein. Diese können aber auch von den Enden des Gasströmrohrs gebildet werden. Der Behälter 193 und das Gasströmrohr 195 schließen drei Kammern 209, die mit Katalysatormasse gefüllt sind, zwischen sich ein. Die Kammern können gleiche oder unterschiedliche Länge und Größe aufweisen. Das Gasströmrohr weist Schlitze oder Öffnungen 211 auf, die über die gesamte Länge jeder Kammer 209 ausgebildet sind. Somit kommt das durch das Rohr 195 strömende Gas in Berührung mit der inneren Oberfläche der in as den Kammern 209 angeordneten Katalysatormasse, wobei das Gas pulsierend durch die Schlitze 211 in die Kammern 209 eintritt. Dabei erfolgt eine begrenzte Reinigung des Abgases, bei der nur geringe Wärmemengen frei werden.

F ig. 6 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung 7', die mit der Vorrichtung 7 gemäß F i g. 1 mit der Ausnahme identisch ist, daß hier die dort vorgesehenen Verengungen 69, 71 und 73 des Gasströmrohrs nicht vorgesehen sind; das Gas strömt also die beiden Oberflächen der Katalysatormasse an.

F i g. 7 zeigt schematisch eine Abgasreinigungsvorrichtung hoher Leistungsfähigkeit, wobei alle der beschriebenen Arten von Vorrichtungen mit Ausnahme der eine 100%ige Durchströmung aufweisenden Vorrichtung Anwendung finden. Diese Vorrichtung ist sicher, weil darin keine extremen Temperaturen auftreten. In dieser Vorrichtung stellt eine Batterie von bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Anström-Vorrichtungen 191 den ersten Abschnitt der Gesamtvorrichtung dar, der das Gas aus dem Abgasrohr aufnimmt. Ein Rohr 303 verbindet die Vorrichtungen 191 mit einer doppelflächigen Anström-Vorrichtung 7', die über ein Rohr 305 mit einer mit An- und Durchströmung arbeitenden Vorrichtung 7 verbunden ist. Ein Rohr 307 verbindet die Vorrichtung 7 mit einer Reihe mit Teildurchströmung arbeitenden Vorrichtungen 161, die das Gas in das Endrohr 309 abgeben. In dieser Vorrichtung sind die kühleren, d. h. mit geringerer Leistungsfähigkeit arbeitenden Vorrichtungen Λ9\~Ψ in StrömungsrichtUTrg^voHie angeordnet und verringern in sicherer Weise den Anteil an schädlichen Abgasen so weit, daß die mit hoher Leistungsfähigkeit und bei hohen Temperaturen arbeitenden Vorrichtungen 7 und 161 die verbleibenden schädlichen Abgase verarbeiten können, ohne daß extreme Temperaturen auftreten. Hierdurch ergibt sich, daß aus mehreren Vorrichtungen erstellte Kombinationen möglich sind, so daß Motoren, die geringe, mittelmäßige oder hohe Mengen an schädlichen Abgasen abgeben, auf die zugelassenen Abgaswerte ohne Anwendung von besonderen Steuerungsvorrichtungen gebracht werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Abgasreinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit zwei hintereinandergeschalteten Behältern, in denen ein durchlässiges Gasströmrohr von Katalysatormasse umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasströmrohr (29 bzw. 83) in jeweils bekannter Weise im ersten Behälter (17) beiderseits offen und im zweiten Behälter (77) endseitig geschlossen ist, so daß die Katalysatormasse (67 bzw. 92) im ersten Behälter im wesentlichen angeströmt und im zweiten Behälter durchströmt wird.