DE2146084A1

DE2146084A1 - Vorrichtung zum entgiften von abgasen, insbesondere aus verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2146084A1
Application number: DE2146084A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Lang
Original assignee: AEROLYT VERTRIEBSGESELLSCHAFT
Current assignee: AEROLYT VERTRIEBSGESELLSCHAFT
Priority date: 1971-09-15
Filing date: 1971-09-15
Publication date: 1973-03-29

Description

Vorrichtung zum Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrernngsmotoren, Zusatz zu Patent 1 253 955

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1 476 515.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren, durch Nachverbrennung und/oder katalytisehe Oxydation, wobei den Abgasen auf dem Weg zu einer Oxydationskatalysatoren enthaltenden gaamer, vorzugsweise im Bereich einer eine Luftkammer bildenden Venturidüse, Umgebungsluft zugeführt wird und bei der in einer Abgasleitung, die eine Abgas-Prischluft-Mischvorrichtung enthält, hintereinander eine Einheit mit einer Mischvorrichtung und/oder eine Einheit mit einem Eatalyyatorkörper nachgeschaltet sind, die jeweils eine Strömumgsbeschleunigungsvorrichtung enthalten nach Patent 1 259 955

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Patent 1 476 515.
Die Notwendigkeit der Zuführung von Susatzluft bei katalytisch wirkenden Nachbrennern im Bereich der Oxydationsstufe für die Anteile CO und CH im Abgasstrom ergibt sich aus folgenden Zusammenhang: Die Abgasentgiftung bei Kraftfahrzeugen ist in einigen Ländern Gesetzt In den USA verschärfen sich laufend die gesetzlichen Bestimmunren für eine Abgasentgiftung bei Kraftfahrzeugene So sollen bis 1975 folgende Emissionswerte im Abgas erreicht werden: CO 11g/Meile, CII 0,5 gATeile , NOx 0,9 g/Meile, sowie an Peststoffen 0,1 g/Meile.
tisch ist bei Otto-Motoren der geforderte niedrige N-Anteil im Abgas, der mit motorischen Mitteln in diesem Ausmaß nicht gesenkt worden kann, Der Einsatz katalytisch wirkender Nachbrenner insbesondere in der Ausführung als vollwer-tiger Schalldämpfer, hat dadurch erhöhte Bedeutung gewonnen, Die Anwendung der hetrogenen Katalyse für eine Nachverbrennung von Abgasen bei Kraftfahrzeugen hat gegenläufige Reaktionsbedingungen für eine Oxydation der CO- und CH- Anteile und für die Reduktion der N0x - Anteile. Bei der reduktiven Reaktion für die NOx-- An-teile ist von Bedeutung, daß hierbei der Anteil an freiem Sauerstoff 02 gering sein muß, da freier Sauerstoff phlegmatisierend auf den Reduktionsvorgang wirkt Obgleich die Reaktionsabläufe bei einer heterogenen Katalyse wissenschaftlich noch nicht völlig geklärt sind, können jedoch die chemischen Reaktionen in einem Katalysatorbett eines Nachbrenners wie folgt verlaufen: 1.Oxydation von CO (ab ca. 2500 C) CO + H20 = CO2 + H2 dann als Kettenreaktion verlaufend: H2 + 02 = 2 (OH) OH + CO = C02 + H H + 02+CO = C02 + OH oder H2 + 1,5 02 + 2 CO = C02 1 H2O 2. Oxydation von CH (ab ca. 3800 C)

CmHn + ( m + ) 02 a m C02 O '1120

Die Umsetzung der Fohlenwasselsstoffe liefert gunstigerweise auch H20, da ohne Wasserdampf die CO-Reaktion sehr träge verläuft.
3.Reduktion von NOx CO + H20 = CO2 + 112

n

CmHn + 2 H20 = m CO2 + ( 2m + 7 ) H2

wenn m= 1 , n = in bis 2m + 2 dann

2DJO + 2 H2= N2 + 2 1120

Das Stickoxyd NO kann weiterhin unter thermischen Einwirkungen zerfallen, wenn die Temperaturen im Katalysatorbett ansteigen auf tK = 700° C.
Zerfall nach: 2 NO = N2 + °2 + 43,2 kcal.
Aus den vorstehenden Reaktionsabläufen für eine oxydative, reduktive heterogene Katalyse im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors wird ein Wechselspiel deutlich, das dazu zwingt, in einem Z;eikammersystem bei einem katalytisch wirkenden ITachbrenner zu arbeiten.
Bei einem Zweikammer-Nachbrenner erfolgt die Reduktionsstufe für die NOx Anteile im Abgasstrom in der ersten Kammer0Die Begrvindung ergibt sich aus den vorstehenden Gleichungen 1 bis 30 Wie aus Gleichung 3 zu ersehen, muß der ersten Kammer CO für die Reduktion von NOX zufließen.Dieser Anteil an CO soll mindestens 1,0 Vol % betragen und den Wert von 1,5 bis 2,0 Vol% möglichst nicht übersteigen, wobei der mert im Leerlauf des Motors gemessen wird0 Motorisch gesehen heißt diese Bedingung des Angebots von CO in der ersten rammer eines Zweikammer-Nachbrenners, daß der Motor nahe beim stöchiometrischen Mischungsverhältnis Luft/ Kraftstoff betrieben werden nuß, aber noch im Buftmangelbetrieb 2 l,0o Die vergaserseitig vorgenommenen Einstellung des Motors in Richtung eines luftunterschusses im Gemisch Luft/Kraftstoff hat den Vorteil, daß der ersten Kammer ein geringer Sauerstoffanteil 02 zufließt, wodurch der Reduktionsvorgang fü NOx nicht phlegmatisiert wird.
Da je nach Wahl des Katalysatormaterials in der ersten Rammer neben der Reduktion von NOx durch die Sauerstoffknappheit eine mehr oder weniger starke Oxydation von 00- und CH Anteilen parallel verläuft, ist für die nachfolgende Oxydationsstufe in der reiten Kammer des Nachbrenners nicht ausreichend Sauerstoff 02 vorhanden.
Dazu wurde neuerdings festgestellt, daß bei starker Reduktion von NOx sich beiläufig noch Ammoniak N113 bilden kann.
Diese unerwünschte Nebenreaktion der Bildung von N113 kann niir oxydativ ausgeglichen werden. Der Zerfall von Ammoniak ist temperaturabhängig. Zur Wirkung können folgende Reaktionsabläufe kommen: 4 NI13 + 3 02 = 4 NO + 6 H20 Temperaturbereich : 500 bis 7000 C oder 4 NH3 + 2 02 = 2 N2 + 6 H20 Temperaturbereich : >- 7000 C.
Bei Auftreten dieser unerwijnschten Nebenreaktion wird wieder Sauerstoff 02 benötigt.
Da aus der ersten Harter ein sauerstoffarmer, vorentgifteter Abstrom der zweiten Kammer zufließt, muß für die darin ablaufenden starken Gxydreaktionen Zusatzluft zugegeben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Vorrichtungen der eingangs erviähnten Art so zu gestalten, daß jederzeit das gesetzliche Maß für die NOx - Anteile im entgifteten Abgasstrom beim Verlassen des Auspuffsystems eines Kraftfahrzeuges erreicht, für die Beseitigung evtl. auftretender MHx- Anteile Sorge getragen wird und daß die Oxydation der CO- und CH- Anteile auf ein vorgeschriebenes Maß möglich ist und hierbei gleichzeitig die eingangs erwähnten Vorrichtungen baulich so verbessert und in ihrer Wirkung unterstützt werden, daß auch der übliche innere Widerstand eines Schalldämpfergerätes nicht überschritten und die Durchströmung durch den Katalysator verbessert wird0 Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei Vorrichtungen der eingangs erwähnten Arten in der zwischen einer Nachverbrennungseinheit B und einer Katalysatoreneinheit C angeordneten Venturidüse um die Abgasleitung eine Ringdüse mit einer Düsenkammer als Durchströmbehälter für durch Injektorwirkung der Abgasleitung angesaugte Umgebungsluft vorgesehen isto Die erfindlntsemäße Vorrichtung zur Einführung von Zusatzluft in die zweite Kammer eines katalytisch wirkenden Nachbrenners wird an einem Ausführtingsbeispiel schematisch erläutert, wobei der Nachbrenner gleichzeltig als vollwertiger 5 challdämpfer ausgebildet ist hierbei zeigen: Fig. 1 in Draufsicht einen Schnitt durch eine erfindungsgemä ße Vorrichtung, Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit nach Fig0l, Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie III- III der Fig.2 Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht von außenauf eine Vorrichtung nach der Erfindung.
folie in Fig. 1 ersichtlich, bietet die strömungstechnisch durchgebildete Form der Katalysatorbehälter 11 und 18 der Katalysator einheiten B und C die Möglichkeit, in dem mittigen, vorzugsweise konischen Innenkanal 107 des Katalysatorbehälters 11 der Katalysatoreinheit 3 eine Treibstrom bildende Rohrleitung 55 anzuordnenODiese Rohrleitung mündet in eine Ringdüse 71, wobei sich der Querschnitt der Rohrleitung 55 bis zur wählbaren Austrittsfläche 58 düsenartig verjüngt.Die Ringdüse 71 is-t durch einen Flansch 81 mit Schlitzen 82 mit der Düsenkammer 73 verbunden, die mittels des Abdeckbleches 83 zum Katalysatorbehälter 11 gebildet ist.Diese als Saugdüse wirkenden Einbauteile werden vorzugsweise in Baueinheit mit dem Katalysatorbehälter 11 hergestellt.Die Düsenkammer 73 ist durch kanäle 70, die vorzugsweiseaus von augen einschraubbare Hohlschrauben bestehen, mit der Luftkaiiuner 35 verbunden.Die Luftkammer 35 wird durch die Venturidüse 15, die zwischen den Katalysatoreinheiten B und C angeordnet ist, mit der äußeren Gehäusewandung 110 des Nachbrenners gebildet.Auf der Gehäusewandung 110 sind hutzenartige, vorzugsweise lösbare Kanäle 132 bildende Formbleche 130 angebracht.Zum Inneren der Luftkammer 35 hin sind in der Oberfläche der Gehäusewandung 110 Lochungen oder Lochbleche 131 vorgesehen, deren Frei flächen größer sind als die Lufteintrittsquerschnitte 132 der hutzenartigen Formbleche 130 mit der äußeren Gehäusewandung 110 des Nachbrenners.
Die Sauzirkung der düsenartigen Vorrichtung wird dadurch erreicht,daß die den Treibstrom fiihrende Rohrleitung 55 im Bereich dc Ringdüse 71 sich im Querschnitt düsenartig verkleinert bis 57 zu einem Austrittsquerschnitt 58, der sich zum Querschnitt der Rohrleitung 55 wie 1 : 7 bis 1 : 12 verjügt, In an sich bekannter Weise wird die Ringdüse 71 mit einem zylindrischen Fortsatzstück 74 verlängert und in einen Diffusor 56 auslaufen lassen. Die Bau länge der Teile 74 und 56 bewirken ein Eintauchen in den Innenkanal 104 des Katalysatorbehälters 18 der Katalysatoreinheit C Die den Treibstrom führende Rohrleitung 55 reicht mit ihrem Eintrittsquerschnitt 57 für den Treibstromanteil des Abgases vorzugsweise bis an den Eintrittsquerschnitt 108 des Innenkanals 107 des Katalysatorbehälters 11 der Katalysatoreinheit B O Die Querschnittsflächen des Eintrittsquerschnittes 57 und 108 verhalten sich wie 1 : 15 bis 1 : 25

Claims

P a t e n t a n s n r ü c h e zuin norm Entgiften von Abgasen, insbesondere aus Verbrennungsmotoren, durch Nachverbrennung und/oder katalytische Oxydation bei iiachbrennern mit den Werkmalen nach Patent 1 253 955 und Zusatzpatent 1 476 515, wobei in Abiängigkeit der Durchströmgeschwindigkeit der Abgase durch den Nachbrenner im Betriebsbereich des Motors durch ör-tlich bewirkte Unterdruckbildung der eine Oxydationskatalysator enthaltenden Katalysatoreinheit Außenluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mittigen, vorzugsweise konischen Innenkanal (107) des Katalysatorbehälters (11) der Katalysatoreinheit (B) eine den Treibstrom aus dem Abgas bildende Rohrleitung (55) angeordnet ist, die düsenartig mit einer in der Querschnittsfläche wählbaren Mündung (58) in eine Ringdüse (71) mit der Düsenkanuner (75) ragt, vorzugsweise in einer Bau einheit mit dem Katalysatorbehälter (11) hergestellt, und die durch Kanäle (70) mit einer Luftkamner (35), die durch die Venturidüse (15) mit der äußeren Gehäusewandung (110) des Nachbrenners gebildet wird, verbunden ist und die tuftk-mmer über Kanäle (132), die durch hutzenartige,vorzugseise lösbare Formbleche (130) zur äußeren Gehäusewandung (110) des Nachbrenners gebildet sind,mit der Außenluft verbunden ist,die unter dem Einfluß des Staudruckfeldes des fahrenden KraCtCahrzeuges steht 2o Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein zylindrisches Fortsatzstück (74) an der Ringdüse (71) angeordnet ist, das in einen Diffusor (56) ausläuft, der in dem mittigen, vorzugsweise konischen Innenkanal (104) des Katalysatorbehälter s (18) der Katsalysator eizUleit (C) ragt0 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 + dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (71) durch einen mit Schlitzen (82) versehenen Flansch (81) zur zentrisch angeordneten,den Treibstrom führenden Rohrleitung (55) abgestützt ist und mittels der Schlitze eine Verbindung zur Düsenkammer (73) herstellt, die durch ein Abdeckformblech (83) zum Katalysatorbehälter (11) gebildet ist0 4 Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dal3 die Düsenkammer (73) durch Kanäle (70) mit der Luftkammer (35) verbunden ist, wobei die Kanäle vorzugsweise aus von außen einschraubbaren lIohlschraubèn bestehen.

So Vorrichtung na ch Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkammer (35) über Kanäle (132) mit der Außenluft verbunden ist, wobei in der Oberfläche der Gehäusewandung (110) des Nachbrenners in der Größe der hutzenartigen, vorzugsweise lösbaren Formbleche (130) Lochungen oder Lochbleche (131) angeordnet sind, deren Freiflächen größer sind, als die Kanäle (132)o 6o Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Treibstrom aus dem Abgas führende Rohrleitung (55) im Bereich der Ringdüse (71) sich düsenartig verkleinert, wobei der Austrittsquerschnitt (58) zum Querschniti zuder Rohrleitung (55) sich in einem Verhältnis 1 : 7 bis 1 : 12 verjüngt.

7O Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche' der Rohrleitung (55) sich zu dem Eintrittsqucrschnitt (108) des Innenkanals (107) des Katalysatorbehälters (11) der Katalysatoreinheit (B) wie 1 : 15 bis 1 : 25 verhält.