DE2164292A1

DE2164292A1 - Katalytischer Wandler für Motorabgassysteme

Info

Publication number: DE2164292A1
Application number: DE19712164292
Authority: DE
Inventors: Takeji; Nagumo Shin-ichi; Nakajima Yasuo; Yokosuka Oguri (Japan). M
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1971-04-17
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1972-11-02
Also published as: FR2136301A5

Description

PATENTANWALTS BÜPO ThOMSEN - TlEDTKE - BüHLING 2164292

TEL. (0811) 53 0211 -TELEX: 5-24 303 top«

530212

PATENTANWÄLTE Manchen: Frankfurt/M.:

Dipl.-Chem. Dr. D. Thomsen Dipl.-fng. W. Weinkauff Dipl.-Ing. H. Tledtke (Fuchshohl 71)

Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kaiser-Ludwig-Platz6 23.Dezember 1971

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Katalytischer Wandler für Motorabgassysteme

Die Erfindung besieht sich auf Abgassysteme von Kraftfahrzeugen und insbesondere auf einen katalytischen Wandler zur Verwendung bei solchen Abgassystemen.

Der katalytische Wandler, wie er im Abgassystem des Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann giftige Bestandteile der Motorabgase mit Hilfe der Luft eines geeignet gewählten Katalysators in harmlose Verbindungen umwandeln. Die herkömmlichen katalytischen Wandler benutzen gewöhnlich einen Granulatkatalysator. Ein solcher Wandler ist jedoch nicht voll befriedigend, da die Teilchen dee Granulatkatalysators, die gewöhnlich in einem maschigen oder porösen Gehäuse untergebracht sind, infolge Stößen ,und Vibrationen zu Pulver verkleinert werden und sich beim Einsatz des Wandlers verlieren} sie sind ferner nicht

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befriedigend, weil sie eine erheblich große Wärmekapazität besitzen, die zu verschlechteter Motoraufwärraung führt. Es sind Verbesserungen dahingehend vorgeschlagen worden, den Katalysator in seiner Gesamtkeit an ein geeignetes Trägermaterial zu binden. Ein typisches Beispiel eines solchen verbesserten Wandlers ist ein Katalysatorbett, das aus flachen und gewellten .Platten besteht, die übereinanderliegen· und einen geeigneten Katalysator auf den Oberflächen der Platten tragen.

Der Wandler dieser Art befriedigt auch nicht die praktischen Erwartungen in seinem Aufbau und seiner Leistung, insbesondere mit Rücksicht auf seine großen Abmessungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen katalytischen Wandler zur Verwendung im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, das diese Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe ist gelöst durch einen Behälter mit

|f Ein- und Auslaßöffnungen, die jeweils mit der stromauf bzw. stromab gelegenen Seite des Abgassystems verbunden sind, durch ein in dem Behälter untergebrachtes Katalysatorbett, das eine Kammer begrenzt, die einen Einlaß aufweist, durch den Sekundärluft eingeführt wird und die wenigstens einen ersten Kanal aufweist, der ein offenes Ende aufweist, das mit der Einlaßöffnung in Verbindung steht und ein weiteres Ende hat, das mit der Kammer in Verbindung steht, wobei die Kammer wenigstens einen zweiten Kanal aufweist, der sich mit dem ersten Kanal eine gemeinsame Wand teilt und der ein mit der Kammer verbundenes offenes Ende und ein wei-

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teres offenes Ende hat, das mit der Austrittsöffnung in Verbindung steht, wobei der erste und der zweite Kanal ein Katalysatormaterial auf ihrer Innenwandoberfläche tragen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Pig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung eines

Katalysatorbetts, das einen Teil eines erfindungsgemäßen Wandlers bildet;

Fig. 2 und 3 sind Schnittansichten bevorzugter Ausführungsformen des das Katalysatorbett nach Fig. verwendenden Wandlers;

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung, die teilweise in Blockform eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers verdeutlicht;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Ventils, das einen Teil einer Luftumwälzanordnung des Wandlers nach Fig. ¹J bildet.

In der Fig. 1 ist das Katalysatorbett des erfindungsgemäßen katalytischen Wandlers mit 10 bezeichnet und allgemein blockförmig gestaltet; es besitzt eine Vielzahl von ebenen und gewellten Platten 12 bzw. 14, die alternierend übereinanderliegen. Die gewellten Platten I¹J haben Wellungen, die sich in alternierend kreuzenden Richtungen erstrecken, die durch die

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Pfeile d., und dp angedeutet sind. Bei diesem Aufbau werden zwischen den flachen und gewellten Platten 12 und 14 zwei Gruppen von Kanälen gebildet, von denen eine aus den Kanälen 16a besteht, die sich in Richtung des Pfeils d^ erstrecken, während die andere Gruppe aus den Kanälen 16b besteht, die sich in Richtung des Pfeils dp erstrecken. Jede der Platten 12 und 14 ist auf ihrer Oberfläche mit einem geeigneten Katalysatormaterial beschichtet.

Wird der so aufgebaute katalytische Wandler im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs installiert, werden die Abgase durch die Kanäle 16a und 16b geschickt, wodurch die giftigen Bestandteile der Abgase, wie Stickstoffoxyde, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde, mit Hilfe des von den Platten 12 und 1Ί getragenen Katalysatormaterials in harmlose Verbindungen umgewandelt werden.

Die Platten 12 und lH können aus keramischem Material bestehen, wobei sie beim Herstellungsvorgang z. B, durch Wärmefc behandlung fest miteinander verbunden werden.

Die Fig. 2 verdeutlicht eine bevorzugte AusfUhrungsform des katalytischen Wandlers 10, der das Katalysatorbett gemäß Fig. 1 verwendet, Der katalytische Wandler, der allgemein mit 18 bezeichnet ist, sitzt zwischen der stromauf und stromab gelegenen Seite eines Abgasrohrs des Abgassystems. Man sollte jedoch berücksichtigen, daß der katalytische Wandler irgendwo im Abgassystem untergebracht werden kann.

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Der katalytische Wandler 18 hat einen Behälter 22 mit einer Einlaßöffnung 24a, die von der stromauf gelegenen Seite 20a des Abgasrohrs kommt, sowie eine Austrittsöffnung 24b, die zur stromab gelegenen Seite des Abgasrohrs führt. Das Katalysatorbett 10 ist in dem Behälter 20 so untergebracht, daß es eine Kammer 26 an einem dem Abgasrohr abgewandten Endabschnitt des Behälters begrenzt. Die Kammer 26 steht durch die erste Gruppe von Kanälen l6a mit der Eintrittsöffnung 24a und durch die zweite Gruppe von Kanälen 16b mit der Austrittsöffnung 24b in Verbindung. Die Kammer 26 steht durch eine öffnung 28 mit einer Luftquelle zur Lieferung von Sekundärluft in Verbindung.

Beim Einsatz wandern die durch die stromauf gelegene Seite 20a des Abgasrohrs wandernden Abgase durch die Eintrittsöffnung 24a in den katalytischen Wandler 18. Die eintretenden Abgase gehen durch die erste Gruppe von Kanälen 16a gemäß Pfeil a in die Kammer 26. Da in diesem Fall die Oberflächenabschnitte, die die erste Gruppe von Kanälen l6a begrenzen, einen reduzierenden Katalysator, z. B. eine Platinverbindung, tragen, werden gemäß der folgenden Reaktion die Stickstoffoxyde reduziert.

NO + CO > CO₂ + N2 (1)

(Endotherm)

Die auf diese Weise durch die erste Gruppe von Kanälen 16a geführten Abgase werden über die Kammer 26 auf die zweite Gruppe von Kanälen 16b gerichtet. Beim Vorrücken werden die Abgase mit der durch die öffnung 28 gelieferten Sekundärluft vermischt. Das sich ergebende Gemisch aus Abgasen und Sekundärluft wandert durch die zweite Gruppe von Kanälen l6b. Durch Aufbringen eines oxydie-

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renden Katalysators auf den Oberflächenabschnitten der Kanäle 16b werden die Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffoxyde der Abgase gemäß' den folgenden Reaktionen oxydiert:

HC + O₂ s- H₂O + CO₂ (2)

(Exotherm)

CO + O₂ > CO₂ (3)

(Exotherm)

Die durch die zweite Gruppe von Kanälen 16b wandernden Abgase ^ verlassen diese Kanäle durch die Öffnung 2¹Ib und gelangen in

ein Endrohr (nicht gezeigt) des Abgassystems.

Im vorliegenden Fall ist die Reaktion (1) endotherm, während die Reaktionen (2) und (3) exotherm sind. Da die erste und die zweite Gruppe von Kanälen 16a und 16b einander durch die ebenen Platten 12 überlagern, wird die durch die Reaktionen (2) und (3) in der zweiten Gruppe von Kanälen 16b erzeugte Wärmeenergi durch diese ebenen Platten übertragen und im Laufe der Reaktion (1 in der ersten Gruppe von Kanälen l6a verbraucht. Auf diese V/eise " werden die Reduktions- und Oxydationsreaktionen in diesem Wandler in Richtung auf wirkungsvollen Ablauf gefördert. Ferner ist hervorzuheben, daß der Wandler genügend kleine Abmessung hat und dennoch sowohl reduzierende als auch oxydierende Wirkungen auf die Abgase ausüben kann.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers. Dieser Wandler hat denselben Aufbau wie der Wandler nach Fig. 2, ist jedoch in einem geraden Abschnitt des Abgasrohrs untergebracht.

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Da die Wandler der Figuren 2 und 3 die Reduktionsreaktion in den Abgasen in der ersten Gruppe von Kanälen ohne Zufuhr von Sekundärluft unterstützen, setzen sich unverbrannte Kohlenstoffe der Abgase auf den Reduktionskatalysator ab, der durch die Oberflächenwände der flachen und gewellten Platten getragen wird. Es kann daher die Aktivität des Reduktionskatalysators allmählich abnehmen. Die Fig. M zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen katalytischen Y.'andlers, der dieses Problem löst.

Der katalytische Wandler gemäß Fig. ¹J hat den Aufbau wie der Wandler nach den Fig. 2 oder 3 und besitzt wie dieser entsprechende Elemente, die auch entsprechend bezeichnet sind. Es ist wichtig, daß das Katalysatorbett 10 über die Wandflächen der Platten mit einem solchen Katalysatormaterial beschichtet sind, das nicht nur als Reduktionskatalysator in reduzierender Atmosphäre sondern als oxydierender Katalysator in einer oxydierenden Atmosphäre wirkt. Eine bestimmte Platinverbindung kann als ein solches Katalysatormaterial dienen. Der katalytische Wandler besitzt ferner ein Steuerventil 30 mit einer Austrittsöffnung 32, die über eine Leitung 3^ mit der Öffnung 2 8 der Kammer 2 6 in Verbindung steht, sowie eine weitere Austrittsöffnung 36, die über eine Leitung 38 mit dem Eintrittsrohr 20a verbunden ist.

Läuft der Motor im Schwerlastbereich und/oder mit hohen Temperaturen, enthalten die Abgase Stickstoffoxyde in relativ großer Menge, während diese in vernachlässigbarer Menge vorhanden sind, wenn der Motor unter geringer Belastung und/oder unter niedriger Temperatur betrieben wird. Es ist daher nicht notwendig, die Reduktionsreaktion der Abgase zu f rdern, während

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der Motor unter geringer Belastung oder bei niedriger Temperatur läuft. Das Steuerventil 30 ist daher so angeordnet, daß es z. B. durch einen Hydraulikdruck betätigt wird, der durch den Ansaugleitungsunterdruck modifiziert wird, so daß die Eintrittsöffnung 40 selektiv an die Austrittsöffnung 36 angeschlossen wird, wenn der Motor unter geringer Belastung und/oder bei niedriger Temperatur betrieben wird. In diesem Fall wird die Sekundärluft der Sekundärluftquelle (nicht gezeigt) zu der Leitung 38 geführt und mit den Abgasen auf der stromauf gelegenen Seite 2oa des Abgas-

' rohrs vermischt. Das sich ergebende Gemisch aus Abgasen und Sekundärluft geht dann in die erste Gruppe von Kanälen 16a des Wandlerbetts 10. Da die Abgase eine genügende Menge an Oxyden enthalten, ist der Katalysator für die Oxydation geeignet, wobei in der ersten Gruppe von Kanälen 16a die Oxydationsreaktionen (2) und (3) stattfinden, so daß die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde oxydiert werden. In diesem Falle werden die sich auf dem Katalysator absetzenden unverbrannten Kohlenstoffe infolge der durch die Oxydationsreaktion erzeugten Wärme verbrannt, wo-

fe durch der Katalysator regeneriert, dessen Aktivität beeinträchtigt worden war. Die durch die erste Gruppe von Kanälen 16a des Viandlerelements 10 gehende.n Abgase wandern dann durch die Kammer 26 zur zweiten Gruppe von Kanälen l6b. Beim Durchgang durch diese Kanäle 16b werden die Abgase für ein zweites mal der Oxydatiohsreaktion unterworfen. Anschließend entweichen die Abgase durch das Austrittsrohr 20b auf der stromab gelegenen Seite des Abgasrohrs .

Arbeitet der Motor unter schwerer Belastung und/oder

hoher Temperatur, w³·¹*⁰*^Q^f^K^fPt^-l so eingestellt, daß es

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eine Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung Ί0 und der Austrittsöffnung 32 herstellt, so daß der V/andler in der selben Weise arbeitet, wie es in der Fig. 2 oder 3 gezeigt ist. Die Sekundärluft geht zur Leitung 34 und gelangt durch die öffnung 28 in die Kammer 26. Die durch die stromauf gelegene Seite 20a des Abgasrohrs kommenden Abgase gehenden durch die Kanäle des Katalysatorbetts 10, ohne daß sie mit der Sekundärluft gemischt werden, so daß die in den Abgasen enthaltenen Stickstoffoxyde durch die Reaktion (1) reduziert werden. Die durch die erste Gruppe von Kanälen 16a gehenden Abgase wandern durch die Kammer 26 in die zweite Gruppe von Kanälen l6b. Beim übertreten werden die Abgase mit der Sekundärluft vermischt. Wandern die Abgase durch die zweite Gruppe von Kanälen l6b, werden die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde durch die Reaktionen (2) und (3) oxydiert. Die Abgase treten dann durch die Austrittsöffnung 2¹Ib in das Abgasrohr.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Steuerventils 30, das ein Gehäuse mit einer Bohrung 42 besitzt. Die Bohrung 42 ist mit einer Eintrittsöffnung 40, zwei Austrittsöffnungen 34 und 36 und einer öffnung 44 versehen, die mit der Ansaugleitung in Verbindung steht. In der Bohrung 42 befindet sich ein im Gleichgewicht stehendes Ventilelement 46 mit zwei im Abstand stehenden Schultern 48 und 50, die den Austrittsöffnungen 34 bzw. 36 zugeordnet sind, wobei zwischen diesen Schultern sich eine Nut 52 befindet. Eine Vorspannfeder 50 beansprucht das Ventilelement 46 in eine Richtung gegen den Ansaugleitungsunterdruck, der über die öffnung 44 Zutritt hat. Die Schultern

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48 und 50 sind so angeordnet, daß sie eine Verbindung zwischen der Eintrittsöffnung 40 und der Austrittsöffnung 34 herstellen,, wenn das Ventilelement 40 durch die Aktion der Feder verschoben wird, die die Gegenkraft infolge des auf die Bohrung 42 wirkenden Unterdrucks überwindet. Wird an die Bohrung 42 ein erhöhter Unterdruck angelegt, wird das Ventilelement 46 gegen die Wirkung der Feder 54 verschoben, so daß die Verbindung zwischen den öffnungen 40 und 34 unterbrochen und die Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 36 und 40 hergestellt wird.

Das Ventil 40 kann mit anderen Betriebsvariablen, z. B, der Motorgeschwindigkeit oder der Motortemperatur, gesteuert werden.

Es können zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden.

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Claims

- 11 Patentansprüche

Π) Katalytischer Wandler für ein Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch einen Behälter (22) mit Einlaß- und Auslaßöffnungen (2¹Ia; 2^b), die jeweils mit der stromauf und der stromab gelegenen Seite (20a; 20b) des Abgassystems in Verbindung stehen, durch ein Katalysatorbett (10), das in dem Behälter untergebracht ist und eine Kammer (26) begrenzt, die einen Einlaß (28) hat, durch den Sekundärluft eingeführt wird und das wenigstens einen ersten KanaL (16a) aufweist, der ein mit der Einlaßöffnung verbundenes offenes Ende und ein mit der Kammer verbundenes Ende hat und das wenigstens einen zweiten Kanal (l6b) hat, der mit dem ersten Kanal eine gemeinsame Wand hat und der ein mit der Kammer verbundenes offenes Ende und ein weiteres offenes Ende besitzt, das mit der Austrittsöffnung verbunden ist, wobei jeder der ersten und zweiten Kanäle auf seiner inneren Oberfläche ein Katalysatormaterial trägt.

2, Katalytischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (10) aus wenigstens einem den ersten Kanal begrenzenden Teil und wenigstens einem den zweiten Kanal begrenzenden Teil besteht, das auf dem ersten Teil angeordnet ist.

3. Katalytischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile flache und gewellte Platten (12; 14) sind, die auf ihrer Oberfläche einen

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Katalysator tragen, wobei die ersten und zweiten Teile überein-, anderliegen.

4. Katalytischer Wandler nach Anspruch 1 bis 3, g-ekennzeichnet durch eine erste Leitung, die mit einem Ende mit dem Einlaß der Kammer verbunden ist, durch eine zweite Leitung, die mit einem Ende mit der Eintrittsöffnung verbunden ist, durch ein Ventil (30), das die anderen Enden der ersten und zweiten Leitung

^ verbindet, um selektiv in Abhängigkeit vom Motorzustand eine der ersten und zweiten Leitungen mit einer dritten Leitung zu verbinden, durch die Sekundärluft eingeführt wird.

5. Katalytischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kanal dasselbe Katalysatormaterial tragen, das in einer reduzierenden Atmosphäre als reduzierender Katalysator und in einer oxydierenden Atmosphäre als oxydierender Katalysator wirkt.

6. Katalytischer Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Gehäuse mit drei Öffnungen (44; 36; 34;) und einem Ventilelement (46) aufweist, das zwei im Abstand stehende Schultern (48, 50) aufweist, die zwei der drei Öffnungen zugeordnet sind, wobei der Ventilkörper in Abhängigkeit vom Ansaugleitungsunterdruck verschoben wird, um die verbleibende Öffnung mit einer der beiden anderen in Verbindung zu bringen.

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