DE2166191A1 - Catalytic exhaust gas afterburner - divided into several sections with the smallest preheated alone during cold start - Google Patents

Catalytic exhaust gas afterburner - divided into several sections with the smallest preheated alone during cold start

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Abstract

A catalytic afterburner for the exhaust gases of internal combustion engines is divided into a smaller and a bigger catalytic section, with separate inlets but a common manifold at the outlet. During the starting period, a flap valve keeps the inlet to the larger section closed. The smaller section quickly reaches its working temperature, and then the larger section via the common manifold, before the flap valve opens the access to both inlets. This utilizes the catalytic volume better than when a small unit is used just for starting and is then cut off. Purified exhaust gases are emitted very shortly after every cold start.

Description

Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung der Abgase von Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung der Abgase von Brennkraftmaschinen unter Verwendung von aus mehreren, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Katalysatoreinheiten und von Schaltventilen, durch die der Zutritt der Abgase zu den einzelnen Katalysatoreinheiten steuerbar ist. Device for catalytic post-combustion of exhaust gases from internal combustion engines The invention relates to a device for catalytic post-combustion the exhaust gases from internal combustion engines using from several, in a common Housing arranged catalyst units and switching valves through which the Admission of the exhaust gases to the individual catalyst units is controllable.

Bei der katalytischen Verbrennung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe bereitet es insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen besondere Schwnerìgkeitens diese Schadstoffe während der Anfahrphase, wenn die Brennkraftmaschine noch kalt ist und im Interesse der Zündfähigkeit des Kräftstoff-Luftgemisches mit einem Überschuß an Kraftstoff betrieben wird, wirksam zu eliminieren. Dies ist darin begründet, daß der Katalysator in dieser Betriebsphast noch nicht die für seine Wirksamkeit erforderliche Temperatur hat. In diesem Betriebszustand ist der Gehalt der Abgase -an Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen besonders hoch, während der Anteil an Stickoxyden verhältnismäßig niedrig ist, den man im übrigen durch Abgasrückführung in den Ansaugkanal und der damit-erreichten Gemischverdünnung leichtnoch senken kann. In der Anfahrphase kommt es daher in erster Linie darauf an, möglichst schnell eine gute Verbrennung des Kohlenmonoxydes und der Kohlenwasserstoffe zu erreichen.Dieses Ziel ist durch katalytische Verbrennung zu erreichen vorausgesetzt daß es gelingt, den Katalysator schnell auf seine sogenannte Anspringtemperatur zu bringen, nach deren Erreichen er erst wirksam ist.During the catalytic combustion of the pollutants contained in the exhaust gases it prepares particular difficulties in the case of externally ignited internal combustion engines these Pollutants during the start-up phase when the internal combustion engine is still cold and in the interest of the ignitability of the fuel-air mixture with an excess is operated on fuel to effectively eliminate. This is due to that the catalyst in this operating phase is not yet sufficient for its effectiveness required temperature. The exhaust gas content is in this operating state -an carbon monoxide and hydrocarbons are particularly high, while the proportion of Nitrogen oxides is relatively low, which is otherwise by exhaust gas recirculation slightly lower into the intake duct and the resulting mixture dilution can. In the start-up phase, the most important thing is to do it as quickly as possible to achieve good combustion of carbon monoxide and hydrocarbons The goal is to be achieved by catalytic combustion provided that it succeeds to bring the catalytic converter quickly to its so-called light-off temperature the achievement of which it is only effective.

Um eine schnelle Aufheizung des Katalysators auf seine Anspringtemperatur, ab der dieser wirksam ist, zu erreichen, ist es beispielsweise durch die US-Patentschrift 3 297 400 bekannt, zwei in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Katalysatoren in Reihe zu schalten. Durch thermostatisch gesteuerte Klappenventile ist es möglich, die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase entweder durch jeweils einen der beiden Katalysatoren zu leiten und den anderen zu umgehen. Dabei ist vorgesehen, den in bezug auf die ankommenden Abgase vorderen Katalysator während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine zu verwenden. Dieser Katalysator ist aufgrund seines relativ kleinen Volumens einerseits durch die fühlbare Wärme der Abgase schnell aufheizbar und entwickelt andererseits aufgrund seiner hohen katalytischen Wirksamkeit frühzeitig Nachverbrennungswärme. Auf die Weise wird sichergestellt, daß sehr frühzeitig nach einem Kaltstart die Abgasreinigung einsetzt.To quickly heat up the catalytic converter to its light-off temperature, from which this is effective can be achieved, for example, by the US patent 3 297 400 known, two catalysts arranged in a common housing in To switch in series. With thermostatically controlled flap valves it is possible the exhaust gases emerging from the internal combustion engine either through each a of the two catalysts and bypassing the other. It is provided that the front catalytic converter with regard to the incoming exhaust gases during the cold start phase to use the internal combustion engine. This catalyst is relative because of its Small volume on the one hand can be heated up quickly by the sensible heat of the exhaust gases and on the other hand develops early due to its high catalytic effectiveness Afterburning heat. That way it is ensured that very early after exhaust gas cleaning starts after a cold start.

Sobald der nachgeschaltete Katalysator für den normalen Betrieb seine vorgeschriebene Temperatur hat, wird der Abgasstrom derart umgeleitet, daß der erste hochwirksame Katalysator umgangen wird und die Abgase ausschließlich den Hauptkatalysator beaufschlagen. Als ein großer Nachteil dieser bekannten Abgasreinigungsanlage muß es angesehen werden, daß nach Erreichen des normalen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine bzw. des Katalysators eine Katalysatoreinheit stillgelegt wird und sozusagen nur für die nächste Kaltstart-Anfahrphase zur Verfügung gehalten wird. Eine solche Betriebsweise ist gleichbedeutend mit einer schlechten Ausnutzung des installierten Katalysatormaterials und macht die Anlage größer, was insbesondere bei dem begrenzten Raum, der bei Kraftfahrzeugen zur Verfügung steht, besonders ins Gewicht fällt.As soon as the downstream catalytic converter is ready for normal operation Has prescribed temperature, the exhaust gas flow is diverted so that the first highly effective catalytic converter is bypassed and the exhaust gases exclusively the main catalytic converter apply. As a major disadvantage of this known exhaust gas cleaning system must it can be considered that after reaching the normal operating state of the internal combustion engine or the catalyst a catalyst unit is shut down and so to speak only is kept available for the next cold start start-up phase. Such a mode of operation is synonymous with poor utilization of the installed catalyst material and makes the system larger, especially given the limited space that is found in automobiles is available, is particularly important.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Anlage zur katalytischen Reinigung der Abgase vorzustellen, die bei raumsparender Bauweise und voller Ausnutzung der gesamten Katalysatormasse ein schnelles Wirksamwerden der Abgasreinigung nach einem Kaltstart gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Katalysatoreinheiten einen gemeinsamen Sammelraum aufweisen und daß ihre voneinander getrennten Vorräume mittels Einzelleitungen an einen Verteiler angeschlossen sind, in dem die Schaltvent-ile für die Steuerung des Zutritts der Abgase zu den einzelnen Katalysatoreinheiten erst freigegeben wird, nachdem diese ihre Mindesttemperatur erreicht haben.The invention has therefore set itself the task of a system to the catalytic purification of the exhaust gases, with space-saving construction and full utilization of the entire mass of the catalyst means that it becomes effective quickly the exhaust gas cleaning after a cold start. To solve this problem it is proposed according to the invention that the catalyst units share a common Have collecting space and that their separate vestibules by means of individual lines are connected to a distributor in which the switching valves for the control the access of the exhaust gases to the individual catalytic converter units is only released, after they have reached their minimum temperature.

Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist die erste Katalysatoreinheit von den Abgasen beaufschlagt. Wegen ihrer geringen Masse und des hohen Durchsatzes an Abgasen erhitzt sich diese Katalysatoreinheit sehr schnell auf ihre Anspringtemperatur und wird wirksam. Nach Durchströmen der ersten Katalysatoreinheit treten die Abgase in den Sammelraum aus, von wo aus die später zuzuschaltenden weiteren Katalysatoreinheiten aufgeheizt werden. Mit dem Zuschalten der letzten, der Auspuffleitung aus dem Sammelraum gegenüberliegenden Katalysatoreinheit ist die gesamte Katalysatormasse von Abgasen beaufschlagt und wird gleichmaßig zur Abgasreinigung herangezogen. Dies bedingt bei einem bestimmten Durchsatz von Abgasen durch den Katalysator die niedrigst mögliche Belastung der einzelnen Katalysatoreinheiten, so daß die Gefahr der Überhitzung herabgesetzt wird.The first catalytic converter unit is after the internal combustion engine has been cold started acted upon by the exhaust gases. Because of their low mass and high throughput This catalytic converter unit heats up very quickly to its light-off temperature in the presence of exhaust gases and takes effect. After flowing through the first catalytic converter unit, the exhaust gases emerge into the collecting space, from where the further catalyst units to be switched on later be heated. With the connection of the last, the exhaust line from the collecting area opposite catalyst unit is the total catalyst mass of exhaust gases applied and is used uniformly for exhaust gas cleaning. This requires the lowest possible for a certain throughput of exhaust gases through the catalytic converter Loading of the individual catalyst units, so that there is a risk of overheating is reduced.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und sind im folgenden näher beschrieben.Two embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below.

Es zeigen: Fig. 1 einen Katalysator mit zwei Katalysatoreinheiten im Längs schnitt und Fig. 2 einen Katalysator mit drei Katalysatoreinheiten im Längsschnitt.The figures show: FIG. 1 a catalyst with two catalyst units in longitudinal section and Fig. 2 shows a catalyst with three catalyst units in longitudinal section.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 30 angedeutet, aus der durch die Leitung 31 Abgase ausströmen, die in dem nachgeschalteten Katalysator gereinigt werden. In der Leitung 31 ist ein Verteiler 32 eingebaut, der ein thermisch gesteuertes Klappenventil 33 hat, so daß sich die Leitung 31 in eine Nebenleitung 34 und eine Hauptleitung 39 teilt.In Fig. 1, an internal combustion engine 30 is indicated from which by the line 31 exhaust gases that are purified in the downstream catalytic converter will. In the line 31, a manifold 32 is installed, which is a thermally controlled Flap valve 33 has so that the line 31 in a secondary line 34 and a Main line 39 divides.

Der eine geeignete Katalysatormasse enthaltende Behälter 35, in den die beiden Abgaskanäle 34 und 39 münden, ist durch eine Trennwand 42 so unterteilt, daß zwei Vorräume 40 und 41 entstehen und auch die Katalysatormasse 36, 38 durch die Trennwand 42 geteilt ist, während sich ein gemeinsamer Sammelraum 37 für die Abgase unter den beiden Katalysatormassen erstreckt. Es entsteht somit ein Katalysator mit zwei Stufen.The container 35 containing a suitable catalyst mass, into the the two exhaust ducts 34 and 39 open, is divided by a partition 42 so that that two vestibules 40 and 41 arise and also the catalyst mass 36, 38 through the partition wall 42 is divided, while a common plenum 37 for the Exhaust extends under the two catalyst masses. This creates a catalyst with two levels.

Die Größe der Stufe I ist so bemessen, daß die mit etwn 900 bis 10000C aus dem Kanal 34 einströmende Abgasmenge beim Durchgang durch die Katalysatormasse 36 der ersten Stufe diese kleinere Katalysatormasse in kürzester Zeit auf Betriebstemperatur bringt und die Größe der Stufe II ist so bemessen, daß sie zusammen mit Stufe I die Gesamtmenge der Abgase verarbeiten kann.The size of stage I is dimensioned so that those with etwn 900 to 10000C Amount of exhaust gas flowing in from channel 34 when passing through the catalyst mass 36 the first stage this smaller catalyst mass in the shortest Time brings to operating temperature and the size of stage II is such that together with stage I, it can process the total amount of exhaust gases.

Wenn in der Anfahrphase der Brennkraftmaschine das Ventil 33 die Hauptleitung 39 geschlossen hält, strömen die Abgase durch die Nebenleitung 34 in den Vorraum 40 und durchdringen von'hier aus ausschließlich die Katalysatormasse 36, welche sie durch die in ihnen enthaltene Wärme sehr schnell aufheizen. Beim Verlassen der Katalysatormasse 36 treten die Abgase in den Sammelraum 37 ein und strömen unter der Katalysatormasse 38 in Richtung auf die Auslaßleitung 43 und von dort in die Atmosphäre.When in the start-up phase of the internal combustion engine, the valve 33 is the main line 39 holds closed, the exhaust gases flow through the secondary line 34 into the anteroom 40 and from here penetrate exclusively the catalyst mass 36, which they heat up very quickly due to the heat they contain. When leaving the Catalyst mass 36, the exhaust gases enter the collecting space 37 and flow under it the catalyst mass 38 in the direction of the outlet line 43 and from there into the The atmosphere.

Beim Durchströmen des Sammelraumes 37 stehen die noch sehL heißen Abgase auf einem langen Weg mit der Katalysatormasse 38 in Wärmeaustausch, so daß bei diesem Vorgang auch die Katalysatormasse 38 schnell auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht wird.When flowing through the collecting space 37, they are still very hot Exhaust gases on a long way with the catalyst mass 38 in heat exchange, so that During this process, the catalyst mass 38 also quickly reaches the required operating temperature is brought.

Sobald auch die Katalysatormasse 38 ihre Betriebstemperatur erreicht hat, öffnet das Ventil 33 den Kanal 39 und die Abgase können sowohl durch Nebenleitung 34 in den Vorraum 40 als auch durch llauptleitung 39 und den Vorraum 41 die gesamte Katalysatormasse 36, 38 durchströmen.As soon as the catalyst mass 38 also reaches its operating temperature has, the valve 33 opens the channel 39 and the exhaust gases can both through secondary line 34 into the vestibule 40 as well as through main line 39 and the vestibule 41 the entire Flow through catalyst mass 36, 38.

Es ist leicht einzusehen, daß sich die Wirkung der geschilderten stufenweisen Inbetriebnahme eines Katalysators mit geringen Mitteln noch verstärken läßt, indem man, wie in Fig. 2 veranschaulicht, drei- oder mehrstufige Katalysatoren der in Fig. 1 veranschaulichten Konstruktion verwendet.It is easy to see that the effects of what has been described are gradual Commissioning a catalytic converter with limited resources can be strengthened by one, as illustrated in Fig. 2, three- or multi-stage catalysts of the in Fig. 1 is used.

In Fig. 2 kommen die Abgase der Brennkraftmaschine durch eine Leitung 51 in einen Verteiler 52, von dem Leitungen 53, 54, 55 abgehen. In dem Verteiler 52 befinden sich zwei thermisch gesteuerte Ventile 56, 57, welche bei kalter Maschine in der Anfahrphase die Leitungen 54, 55 absperren, so daß alle Abgase durch den Kanal 53 in den Vorraum 58a der Stufe I eintreten und beim Durchgang durch die Katalysatormasse 59 diese schnell aufheizen und zur Wirkung bringen. Die Vorräume der Stufen II und III sind mit 58b und 58c bezeichnet. Aus der Katalysatormasse 59 austretend, durchströmen die Abgase dann den Sammelraum 60 und erwärmen die in den Stufen II und III be3-indlichen Katalysatormassen 61, 62.In Fig. 2, the exhaust gases from the internal combustion engine come through a line 51 into a distributor 52, from which lines 53, 54, 55 branch off. In the distributor 52 there are two thermally controlled valves 56, 57, which when the machine is cold in the start-up phase shut off the lines 54, 55 so that all exhaust gases through the Channel 53 enter the anteroom 58a of stage I and when passing through the catalyst mass 59 heat it up quickly and bring it to effect. The vestibules of levels II and III are denoted by 58b and 58c. Exiting from the catalyst mass 59, flow through the exhaust gases then enter the collecting space 60 and heat those located in stages II and III Catalyst masses 61, 62.

Sobald die Katalysatormasse 61 der Stufe II ihre Betriebstemperatur erreicht hat, öffnet das Ventil 56 die Leitung 54 und die Stufe II mit der Katalysatormasse 61 nimmt an der Reinigung der Abgase teil. In gleicher Weise nimmt dann nach kurzer Zeit durch Öffnen des Ventiles 57 auch die Stufe III den Betrieb auf.As soon as the catalyst mass 61 of stage II reaches its operating temperature has reached, the valve 56 opens the line 54 and stage II with the catalyst mass 61 takes part in the cleaning of the exhaust gases. In the same way then increases after a short time Time by opening the valve 57 also the stage III the operation.

Patentansprßche Claims

Claims (3)

Patentanspruche P 21 66 191.6 1. Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung der Abgase von Brennkraftmaschinen mit einem Katalysator, der aus mehreren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Katalysatoreinheiten besteht, und mit Schaltventilen, durch die der Zutritt der Abgase zu den einzelnen Katalysatoreinheiten steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinheiten (36 und 38; 59, 61 und 62) einen gemeinsamen Sammelraum (37 und 60) aufweisen und daß ihre soneinander getrennten Vorräume (40 und 41; 58a, 58b d 58c) mittels Sinzelleitungen (34 und 39; 53, 54 und 55) an einen Verteiler (32 und 52) angeschlossen sind, in dem die Schaltventile +33; 56 und 57) für die Steuerung des Zutritts der Abgase zu den einzelnen Katalysatoreinheiten so eingebaut sind, daß der Zutritt der Abgase zu den zuzuschaltenden Katalysatoreinheiten (38; 61 und 62) crst freigegeben wird, nachdem diese ihre Mindesttemperatur erreicht haben.Claims P 21 66 191.6 1. Device for catalytic afterburning the exhaust gases from internal combustion engines with a catalytic converter, which consists of several in one common housing arranged catalytic converter units, and with switching valves, through which the access of the exhaust gases to the individual catalytic converter units can be controlled is, characterized in that the catalyst units (36 and 38; 59, 61 and 62) have a common collecting space (37 and 60) and that their mutually separate vestibules (40 and 41; 58a, 58b d 58c) by means of single lines (34 and 39; 53, 54 and 55) are connected to a distributor (32 and 52) in which the Switching valves +33; 56 and 57) for controlling the access of the exhaust gases to the individual Catalyst units are installed so that the access of the exhaust gases to the to be switched on Catalyst units (38; 61 and 62) crst is released after they reach their minimum temperature achieved. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Steuerung der Schaltventile (33; 56 und 57), daß eine erste Katalysatormasse (36 und 59) in allen Betriebszuständen von Abgasen der Brennkraftmaschine (30) beaufschlagt ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized by such a control the switching valves (33; 56 and 57) that a first catalyst mass (36 and 59) in all operating states of exhaust gases from the internal combustion engine (30) are applied. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sammelraum (37 und 60) der Katalysatoreinheiten (36 und 38; 59, 61 und 62) anschneidende Auslaßleitungen (43) etwa im Bereich der zuletzt zugeschalteten Katalysatoreinheit (38 und 62) angeordnet ist.3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the collecting space (37 and 60) of the catalyst units (36 and 38; 59, 61 and 62) cutting outlet lines (43) approximately in the area of the catalyst unit that was switched on last (38 and 62) is arranged. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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