DE2201996B2 - Katarytische Behandlungsvorrichtung für Auspuffgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine katalytische Behandlungsvorrichtung für Auspuffgase von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige katalytische Behandlungsvorrichtung bo ist aus der US-PS 30 90 677 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist die Umwandlungskammer zwischen zwei längs durch den Mantel verlaufenden, mit ihren Längsrändern an der Mantelwand anliegenden perforierten Platten gebildet, welche mit den Gasstut- b5 zen in Strömungsverbindung stehen, so daß die Umwandlungskammer und der darin befindliche Katalysator von den Auspuffgasen quer zur Längsrichtung des Mantels durchströmt werden. Hierdurch fet jedoch eine verhältnismäßig geringe Verweslzeit der Auspuffgase in der Umwandlungskammer gegeben und ferner besteht das Problem, die Auspuffgase über die gesamte Länge der perforierten Platten hin für eine möglichst gleichmäßige Verteilung auf die ganze Länge der Umwandlungskammer zu verteilen. Außerdem verläuft bei der bekannten Vorrichtung der Umgehungskanal als Rohr axial zum Mantel durch die Umwandlungskammer oder in Form zweier Ellipsenabschnitte kleinen Querschnitts entlang der Umwandlungskammer, so daß der Durchströmquerschnitt des Umgehungskanals entsprechend klein ist und dadurch ein entsprechend hoher Auspuffgas-Gegendruck für die Brennkraftmaschine vorhanden ist Überdies kann bei einem derartigen Umgehungskanal, der an ein verhältnismäßig geringes Volumen der Umwandlungskammer und des darin aufgenommenen Katalysators angrenzt, die Umwandlungskammer nicht durch den Wärmeaustausch mit den durch den Umgehungskanal strömenden Auspuffgasen rasch und wirksam auf Betriebstemperatur gebracht bzw. gehauen werden, so daß entsprechend der Umwandlungswirkungsgrad beeinträchtigt ist

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst bei Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattung besonders kleine Zuströmkanalvolumina für die Umwandlungskammer zu erreichen, um die dadurch gewonnenen Volumina für einen reichlich bemessenen Umgehungskanal vorsehen zu können, welcher der Brennkraftmaschine einen entsprechend niedrigen Auspuffgas-Gegendruck bietet und andererseits durch die weitgehende Umschließung der Umwandlungskammer diese wirksam auf Betriebstemperatur bringt bzw. hält wobei trotz der weitgehenden Umschließung der Umwandlungskammer durch den Umgehungskanal die Umwandlungskammer betriebssicher abgestützt werden soll.

Dies wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung erreicht.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, die Umwandlungskammer axial von den Auspuffgasen durchströmen zu lassen, ist einerseits deren Verweilzeit in der Umwandlungskammer verhältnismäßig groß, andererseits das Zuströmvolumen für die Umwandlungskammer verhältnismäßig klein, wobei am Umfang der Umwandlungskammer Raum für einen im Durchströmquerschnitt reichlich bemessenen Umgehungskanal gewonnen ist, welcher die Umwandlungskammer am gesamten Umfang umschließt Hierdurch ist eine entsprechend große Wärmeaustauschfläche zwischen dem Umgehungskanal und der Umwandlungskammer für die Wärmezufuhr aus den im Umgehungskanal strömenden Auspuffgasen zum Katalysator in der Umwandlungskammer vorhanden, so daß diese rasch und wirksam auf Betriebstemperatur gebracht bzw. gehalten werden kann. Gleichwohl ist durch die Abstützung der die Umwandlungskammer begrenzenden Hülse an einem perforierten Stützring und die Abstützung des Einlaß-Gasstutzens an der Endkappe der Umwandlungskammer am Einlaßende derselben die Umwandlungskammer betriebssicher in dem Vorrichtungsmantel gehalten. Zusätzlich bietet der erfindungsgemäße Aufbau der Behandlungsvorrichtung den Vorteil, mehrere nacheinander durchströmte Katalysatorbetten, wie einen reduzierenden und einen oxidierenden Katalysator, in der Umwandlungskammer unterbringen zu können.

Aus der eingangs genannten US-PS 30 90 677 ist es an

sich zwar bekannt, daß das eine Ende der Umwandlungskammer durch eine nicht perforierte Endkappe zwischen der Endplatte und der Verschlußkappe am Ende des Mantels verschlossen ist und daß ein Gasstutzen durch die Endkappe am Ende der Kammer hindurchgeführt und an dieser Endkappe abgestützt ist und innerhalb der Umwandlungskammer endet Dabei handelt ist sich jedoch um das Auslaßende der Umwandlungskammer und den Auslaß-Gasstutzen. Ferner ist aus der Zeitschrift »Erdöl und Kohle, Erdgas, ic Petrochemie« 1965, Nr. 12, S. 971 bis 972 auch schon das Merkmal an sich bekannt, daß die Endplatten an den Enden der Umwandlungskammer für den Gasdurchtritt perforiert sind, wobei die Umwandlungskammer von einer undurchlässigen Hülse gebildet ist und einen zentral verlaufenden Umgehungskanal aufweist Außerdem ist es aus der GB-PS10 22 402 an sich bekannt, daß der gesamte Umfang der Hülse unter Ausbildung des Umgehungskanals im Abstand vom Mantel verläuft, so daß der Umgehungskanal die Umwandlungskammer vollständig umschließt Jedoch ist hier die Umwandlungskammer auf dem Einlaß-Gasstutzen fliegend gelagert, so daß das Problem einer betriebssicheren Abstützung der Umwandlungskammer nicht gelöst ist, weil die fliegende Abstützung der Umwandlungskammer nicht sehr fest und insbesondere äußerst schwingungsempfindlich ist

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten jo Ausführungsbcispiclcn näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen waagrechten Längsschnitt durch eine katalytische Behandlungsvorrichtung für Auspuffgase j? von Brennkraftmaschinen,

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. I.

Fig.3 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab entlang der Linie 3-3 in F i g. 1,

Fig.4 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab entlang der Linie 4-4 in F i g. 1,

Fig.5 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab entlang der Linie 5-5 in F i g. 1,

F i g. 6 einen Längsschnitt ähnlich dem in F i g. 1 durch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung

F i g. 7 einen Längsschnitt ähnlich dem in F i g. 1 durch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung und

F i g. 8 einen Längsschnitt ähnlich dem in F i g. 1 durch eine vierte Ausführungsform der Behandlungsvorrichtung.

Die giftigen Verunreinigungen im Auspuffsyiztem von Kraftfahrzeugen können im allgemeinen in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: die Gruppe der oxidierbaren Verunreinigungen — die giftigen Kohlen-Wasserstoffe und Kohlenmonoxid — und die Gruppe der reduzierbaren Verunreinigungen — die Stickstoffoxide. Verunreinigungen können am wirkungsvollsten aus den Abgasen entfernt werden, wenn sie mit den für die jeweilige Gruppe geeigneten Katalysatoren zur wi Reaktion gebracht werden und wenn die günstigsten Reaktionsbedingungen gegeben sind. Mit den heute verfügbaren Katalysatoren ist die wirkungsvollste Entfernung der Verunreinigung dann erzielbar, wenn die Auspuffgase mit Katalysatoren, die für Stickstoffoxide geeignet sind, in einer reduzierenden oder nichtoxidierenden Atmosphäre zur Reaktion gebracht werden, während für Kohlenmonoxid und giftige Kohlenwasserstoffe geeignete Katalysatoren am wirkungsvollsten mit den Auspuffgasen in einer oxidierenden Atmosphäre reagieren. Durch die im folgenden beschriebene Vorrichtung ist neben der Möglichkeit die Auspuffgase unter Umgehung der Katalysatoren an diesen vorbeizuleiten, wahlweise auch eine selektive Behandlung der Auspuffgase möglich.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 5 weist die Vorrichtung einen länglichen Mantel 10 auf, der an seinen Enden mit zwei Verschlußkappen 12 und 13 fest verschlossen ist, beispielsweise verschweißt ist Innerhalb des Mantels 10 ist eine Hülse 16 im Abstand vom Mantel angebracht, deren entgegengesetzten Enden von den Verschlußkappen 12 und 13 einwärts versetzt angeordnet sind. Die Hülse ist im Inneren des Mantels 10 auf einer Anzahl von Stützringen 18 gelagert die in Längsrichtung im Abstand voneinander liegen. In jedem der Stützringe 18 ist eine Anzahl von öffnungen 20 ausgebildet, so daß der Raum zwischen dem Mantel und der Hülse einen ringförmigen Umgehungskanal 22 bildet

Nach F i g. 1 und 2 sind quer in der Hülse 16 vier Platten 25, 26, 27 und 28 angebracht, die in Längsrichtung einen bestimmten Abstand voneinander haben. Die Platten 25 und 26 bilden zusammen mit dem dazwischenliegenden Teil der Hülse 16 eine erste Lmwandlungskammer. Die Platten 27 und 28 bilden mit dem dazwischenliegenden Teil der Hülse eine zweite Umwandlungskammer 30, die in Längsrichtung von der ersten Kammer 29 im Abstand liegt Jede der Platten 25 und 28 weist eine Anzahl von schiitzartigen Durchbrüchen 32 auf, so daß das Auspuffgas in Längsrichtung durch die Kammern 23 und 30 strömen kann.

Die Kammern 29 und 30 dienen der Aufnahme eines ausgewählten Katalysators oder von Katalysatoren, die eine Umwandlung der giftigen Verunreinigungen in den Auspuffgasen zu ungiftigen Bestandteilen bewirken. Die Katalysatoren liegen in Form kleiner Kügelchen vor und werden vor der Montage der Platten 25,26,27,28 in die Kammern gefüllt Um die Umwandlungskammern nachzufüllen oder sie nach dem Zusammenbau zu füllen, sind vorteilhaft Füllstutzen 34 in dem Mantel 10 angebracht die in die Kammern 29 und 30 hineinragen. Die Füllstutzen 34 sind mit Verschlußschrauben 36 verschließbar.

Die Abgase, welche mit dem oder den Katalysatoren zur Reaktion gebracht werden sollen, werden in die Behandlungsvorrichtung durch einen Einlaß-Gasstutzen 40 eingeführt, der in einer öffnung 41 mit schulterartigem Rand in der Verschlußkappe 12 gelagert ist. Das innere Ende des Gasstutzens ist in einer öffnung 42 mit schulterartigem Rand in einer Endkappe 44 der Hülse 16 gelagert Der Gasstutzen bildet einen Gaseinlaß für die Umwandlungskammern 29 und 30. Um die Gasströmung gleichmäßig über die Platte 25, welche den Einlaß der Umwandlungskammer 29 bildet, zu verteilen, ist in der Hülse 16 zwischen der Platte 25 und der Endkappe 44 eine Zwischenplatte 46 angebracht, die eine Anzahl von Verteilöffnungen 47 aufweist. Nachdem die Auspuffgase die Umwandlungskammern 29 und 30 nacheinander durchströmt haben, verlassen sie durch einen Auslaß-Gasstutzen 48 die Behandlungsvorrichtung. Das innere Ende des Auslaß-Gasstutzens 48 ist in einer Öffnung 50 mit schulterartigem Rand in einer Endkappe 51 gelagert, die an dem der Verschlußkappe 13 benachbarten Ende der Hülse 16 befestigt ist. Der Gasstutzen 48 ragt durch die Verschlußkappe 13 und ist in einer daran befindlichen Öffnung 52 mit schuHerarti-

gem Rand gelagert. Auf diese Weise wird ein Gasauslaß für die Umwandlungskammern 29 und 30 gebildet.

Nach Fig. 1 ist in der Verschlußkappe 12 in einer darin befindlichen Öffnung 56 mit schulterartigem Rand ein Abzweigrohr 55 des Einlaß-Gasstutzens 40 angebracht. In der gleichen Art ist ein Abzweigrohr 57 des Auslaß-Gasstutzens in der Verschlußkappe 13 in einer Öffnung 58 mit schulterartigem Rand angebracht. Zwischen den inneren Enden der Abzweigrohre 55 und 57 und dem Innenraum der Behandlungsvorrichtung außerhalb der Endkappen 44 und 51 besteht eine offene Verbindung, so daß für den Umgehungskanal 22 ein Gaseinlaß und ein Gasauslaß geschaffen sind. Die in die Vorrichtung durch das Abzweigrohr 55 eintretenden Gase umströmen daher in dem Umgehungskanal 22 die Hülse 16 und verlassen die Vorrichtung durch das Abzweigrohr 57, ohne eine der Kammern 29 oder 30 zu durchströmen. Ebenso wie die Gasstutzen 40 und 48 sind die Abzweigrohre 55 und 57 in Längsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet.

Nach Fig. 1 sind der Einlaß-Gasstutzen 40 und sein Abzweigrohr 55 an der Abzweigstelle 60 verbunden und mit dem in Strömungsrichtuiig davor liegenden Teil an eine Abgasquelle (nicht gezeigt) anschließbar. An der Abzweigstelle 60 ist eine Ventileinrichtung 61 in Form einer Klappe angeordnet, die zwischen der mit durchgehenden Linien gezeichneten Lage, in der die Auspuffgase durch die Kammern 29 und 30 geleitet werden, und der gestrichelt gezeichnete Lage schwenkbar ist, in welcher die Gase durch den Umgehungskanal 22 geleitet werden. Entsprechend sind der Auslaß-Gasstutzen 48 und sein Abzweigrohr 57 an einer Abzweigstelle 62 miteinander verbunden. Sie sind dann an einer stromab davon liegenden Stelle an ein Auspuffrohr (nicht gezeigt) anschließbar. An der Abzweigstelle 62 kann ein ähnliches Ventil wie die Ventileinrichtung 61 angebracht werden, um den Gasstrom durch die Vorrichtung zu steuern. Ein solches Ventil am Auslaß der Vorrichtung kann zusätzlich zu der Ventileinrichtung 61 oder anstelle derselben «o verwendet werden.

Damit in der Umwandlungskammer 29 eine nichtoxidierende Atmosphäre und in der Umwandlungskammer 30 eine oxidierende Atmosphäre herrschen, ragt vorteilhaft ein Rohr 63 mit einer Anzahl von Austrittsöffnungen 64 quer durch die Hülse 16 zwischen die Kammern 29 und 30. Das eine Ende des Rohres ist in einer Verstrebung 65, die an der Hülse zwischen den Platten 26 und 27 befestigt ist, gelagert Das andere Ende des Rohrs ragt aus den fluchtenden Öffnungen 66 und 67 in der Hülse und im Mantel und ist an eine Druckluftquelle anschließbar. Der Auspuffgasstrom von der Kammer 29 zur Kammer 30 nimmt die mittels des Rohres 63 eingeblasene Luft mit in die Kammer 30, so daß sich der darin enthaltene Katalysator in einer oxidierenden Atmosphäre befindet, während der Katalysator in der Kammer 29 in einer nichtoxidierenden Atmosphäre verbleibt

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist ebenfalls in einem länglichen Mantel 70, der an seinen Enden mit zwei Verschlußkappen 71 und 72 fest verbunden ist, in Stützringen 82, die mit Öffnungen 83 versehen sind, eine Hülse 76 zur Ausbildung einer Umwandlungskammer abgestützt, welche zwischen zwei perforierten Endplatten 78 und 79 gebildet ist Dadurch ist zwischen der Hülse und dem Mantel ein die Umwandlungskammer 74 umschließender Umgehungskanal 85 geschaffen. Die Hülse 76 ist mit zwei Endkappen 87 und 88 verschlossen und in der Hülse 76 befindet sich vorteilhaft zwischen der Platte 78 und der Endkappe 87 eine mit Verteilöffnungen versehene Zwisohenplatte 90, um den Gasstrom vor dem Eintreten in die Umwandlungskammer 74 gleichmäßig zu verteilen.

In einer Öffnung 93 der Verschlußkappe 71 ist der Einlaß-Gasstutzeii 92 abgestützt, dessen inneres Ende durch eine Öffnung 94 in der Endkappe 87 ragt. Der Auslaß-Gasstutzen 96 ist in einer Öffnung 98 der Verschlußkappe 72 abgestützt und mit seinem inneren Ende in einer Öffnung 100 in der Endkappe 88 gelagert. Der Gaseinlaß für den Umgehungskanal 85 wird durch eine Öffnung 102 in der Endkappe 87 gebildet, während der Gasauslaß für den Umgehungskanal von einem in einer öffnung 106 der Verschlußkappe 72 abgestützten Abzweigrohr 104' des Auslaß-Gasstutzens 96 gebildet ist An der Verzweigungsstelle 110 ist eine Ventileinrichtung 112 angebracht die zwischen der in Fig.6 in durchgehender Linie gezeichneten Stellung, in der das Abzweigrohr versperrt ist und der gestrichelt dargestellten Stellung, in der der Gasauslaß aus der Umwandlungskammer versperrt ist schwenkbar ist.

Die Ausführungsform nach Fig.7 entspricht der Ausführungsform nach Fig.6 mit der Ausnahme der Anordnung von Gaseinlaß und Gasauslaß. In dem Mantel 115 der Vorrichtung nach Fig.7 ist die Umwandlungskammer 120 in der Hülse 122 ebenfalls im Abstand von den Verschlußkappen 117 und 118 des Mantels 115 angeordnet und von der perforierten Endplatten 123 und 124 begrenzt wobei die Endplatte 123 das Einlaßende und die Endplatte 124 das Auslaßende der Umwandlungskammer bildet. Durch die Abstützung der Hülse 122 auf mit Löchern 126 versehenen Stützringen 125 ist zwischen der Hülse und dem Mantel der Umgehungskanal 128 gebildet. Zwischen der Einlaß-Endkappe 130 der Hülse und der perforierten Endplatte 123 der Umwandlungskammer 120 ist auch nach F i g. 7 eine perforierte Zwischenplatte 133 zur Verteilung des eintretenden Auspuffstromes angeordnet

In einer Öffnung 136 der Verschlußkappe 117 ist ein Einlaß-Gasstutzen 135 gelagert, dessen inneres Ende durch eine Öffnung 137 in der Endkappe 130 ragt. In den fluchtenden Öffnungen 141 und 142 in der Verschlußkappe 118 bzw. der Endkappe 131 ist ein Auslaß-Gasstutzen 140 gelagert dessen inneres Ende zwischen der Endkappe 131 und der Endplatte 124 in der Hülse mündet Der Gaseinlaß für den Umgehungskanal 128 wird durch das Abzweigrohr 144 gebildet welches in einer Öffnung 146 in der Verschlußkappe 117 gelagert ist und mit seinem inneren Ende zwischen der Verschlußkappe und der Endkappe 130 mündet Der Gasauslaß für den: Umgehungskanal 128 wird von einer Öffnung 148 in der Endkappe 131 gebildet An der Verzweigungssteile 150 von Einlaß-Gasstutzen 135 und Abzweigrohr 144 ist eine Ventileinrichtung 152 zur wahlweisen Einleitung des Gasstromes in die Umwandlungskammer 12[I oder den Umgehungskanal 128 angeordnet

Bei der Ausfühningsform nach Fi g. 8 ist eine weitere Abwandlung der Anordnung von Gaseinlaß und Gasauslaß -vorhanden. In dem von zwei Verschlußkappen 157 und 158 verschlossenen länglichen Mantel 155 ist die Umwandlungskammer 160 zur Aufnahme des Katalysators in der Hülse 162 zwischen den perforierten Endplatten 163 und 164 gebildet, wobei die Endplatte 163 das Einlaßende und die Endplatte 164 das Auslaßende der Umwandlungskammer bildet Die Hülse

ist im Inneren des Mantels auf einer Anzahl von mit öffnungen 167 versehenen Stützringen 166 abgestützt, so daß zwischen der Hülse und dem Mantel der Umgehungskanal 170 ausgebildet ist.

Die Hülse 162 ist am Einlaßende von einer nicht perforierten Endkappe 172 verschlossen, zwischen welcher und der benachbarten Endplatte 163 eine perforierte Zwischenplatte 174 zur Verteilung des Gasstromes angeordnet ist. In zwei fluchtenden öffnungen 178 und 179 in der Verschlußkappe 157 bzw. der Endkappe 172 ist ein Einlaß-Gasstutzen 176 für die Umwandlungskammer 160 gelagert, während der

Einlaß für den Umgehungskanal 170 durch ein an der Verzweigungsstelle 188 vom Einlaß-Gasstutzen 176 abgezweigtes, an der Verzweigungsstelle mit einer Ventileinrichtung 190 versehenes Abzweigrohr 180 gebildet ist, welches in einer öffnung 182 der Verschlußkappe 157 gelagert ist. Die Umwandlungskammer 160 und der Umgehungskanai 170 haben einen gemeinsamen Auslaß-Gasstutzen 185, welcher in einer öffnung 187 in der Verschlußkappe 158 abgestützt ist, wobei das innere Ende des Gasstutzens 185 zwischen der Verschlußkappe 158 und der perforierten Endplatte 164 der Umwandlungskammer 160 endet.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Katalytische Behandlungsvorrichtung für Auspuffgase von Brennkraftmaschinen, mit einem länglichen Mantel, dessen entgegengesetzte Enden durch Verschlußkappen verschlossen sind, durch welche einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß bildende Gasstutzen hindurchgeführt sind, einer Umwandlungskammer mit Endplatten an ihren den Verschlußkappen benachbarten Enden zur Auf nahme von katalytischem Material, mit dem die Gasstutzen über perforierte Platten in Strömungsverbindung stehen, einem gegen die Umwandlungskammer abgeschlossenen Umgehungskanal, der mit den Gasstutzen in Strömungsverbindung steht und unter Umgehung der Umwaridlungskammer zwische.1 deren Außenseite und dem Mantel entlang diesem verläuft, und einer Ventileinrichtung in wenigstens einem der Gasstutzen, wobei von diesem Gasstutzen ein Abzweigrohr abgezweigt ist, das in Strömungsverbindung mit dem Umgehungskanal steht, so daß eine Steuerung des Gasstromes durch die Umwandlungskammer und den Umgehungskanal ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (25; 78, 79; 123,124; 163, 164) die perforierten Platten bilden, daß das Einlaßende der Umwandlungskammer (29, 74, 120, 160) durch eine nicht perforierte Endkappe (44, 87, 130,172) zwischen der Endplatte und der Verschlußkappe (12,71,117,157) am Einlaßende des Mantels jo abgeschlossen, ist, daß der Einlaß-Gasstutzen (40,92, 135, 176) durch die Endkappe (44, 87, 130, 172) am Einlaßende der Urnwandlungskarnrncr hindurchgeführt und an dieser Endkappe abgestützt ist und innerhalb der Umwandlungskammer endet, und daß v> die Umwap.dlungskammer zwischen ihren Enden von einer undurchlässigen Hülsp (16, 76, 122, 162) gebildet ist, die in mindestens einem perforierten Stützring (18,82,125,166) so abgestützt ist, daß der gesamte Umfang der Hülse unter Ausbildung des Umgehungskanals (22,85,128,170) im Abstand vom Mantel verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungskammer (29,74,120, 160) eine perforierte Zwischenplatte (46, 90, 133, 174) aufweist, die zwischen der Endkappe (44, 87, 130,172) und der perforierten Endplatte (25,78,123, 163) am Einlaßende der Umwandlungskammer angeordnet ist, wobei der Einlaß-Gasstutzen zwischen der Endkappe und der perforierten Zwischenplatte endet.