DE2206954B2 - Verfahren zum Umsetzen der Abgase von Brennkraftmaschinen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Umsetzen oxidierbarer Bestandteile der Abgase von Brennkraftmaschinen, wobei die Abgase und eine mindestens stöchiometrische Luftmenge durch ein nahe an der Abgassammelleitung montiertes Katalysatorbett geleitet werden, dessen Katalysator eine Wärmekapazität von weniger als 0,23 kcal/" C aufweist.

Ein derartiges Verfahren b;:w. eine Vorrichtung zu seiner Durchführung ist in der US-PS 34 40817 beschrieben, die sich mit einem katalytischen Umsetzersystem mit zwei Konverteranordnungen befaßt. Eine der beiden Konverteranordnungen ist dabei relativ klein, so daß es nach einem Kaltstart durch die Abgase sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird und während dieser Betriebsphase für die Umsetzung der schädlichen Bestandteile im Abgasstrom sorgt. Da diese kleine Konverteranordnung jedoch bei größeren Abgasmengen und höheren Austrittstemperaturen der Abgase infolge ihrer geringen Kapazität überlastet und schließlich zerstört würde, ist zusätzlich eine große Konverteranordnung vorgesehen, in welcher die Umsetzung der Abgase nach Beendigung der Startphase der Brennkraftmaschine erfolgt. Die bekannte Anordnung ist verhältnismäßig kompliziert, da temperaturabhängig gesteuerte Ventile verwendet werden müssen, um die Abgasströme dem einen oder dem anderen Konverter zuzuführen oder gegebenenfalls auch beiden oder keinem von ihnen, beispielsweise bei hohen Geschwindigkeiten und beim Ausfall von Zündkerzen, wo große Abgasmengen mit einer hohen Temperatur anfallen, wobei infolge größerer Mengen verbrannter Treibstoffreste die Konverteranordnungen auf Grund der bei der Umsetzung der schädlichen Bestandteile entstehenden zusätzlichen Wärmeenergie zerstört werden könnten.

Aus der DT-OS 14 42 667 ist lerner ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators bekannt, mit dessen Hilfe monolithische Keramik-Katalysatoren herstellba sind, welche für hohe Raumgeschwindigkeiten in de Größenordnung von S.5 Millionen geeignet sind und eine scheinbare Dichte von etwa 0,54 g/cm^J besitzen. E hat sich gezeigt, daß derartige monolithische Keramik Katalysatoren unter den rauhen Betriebsbedingunge wie sie beispielsweise beini Einsatz an Automobiler! angetroffen werden, mechanisch leicht zerstört werde und in ihrer Wirkungsweise durch eine falsch. Einstellung des Vergasers und/oder der Zündung starl beeinträchtigt werden können. Demgegenüber erweis sich ein Katalysatormaterial in Form von Kugeln ode Pellets als biNiger, robuster und innerhalb gewisse Grenzen leichter regenerierbar, wobei noch de zusätzliche Vorteil zu beachten ist, daß die Kugeln ohn< größere Mühe ausgewechselt werden können, wahrem ein monolithischer Keramik-Katalysator einschließlicl seines Gehäuses ersetzt oder jedenfalls ausgebau werden muß.

Schließlich ist es aus der Druckschrift »Chemiker-Kalender« (1956). Seite 50/51 auch bereits bekannt. daC Aluminiumoxid, welches als Träger für die katalytisch aktiven Substanzen des Katalysatormaterials verwen det werden kann (vergleiche DT-OS 14 42 667), eine| mittlere Dichte von etwa 3,5 besitzt.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stancj der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum kontinuierlichen Umsetzen oxidier-| barer Bestandteile der Abgase von Brennkraftmaschi nen vorzuschlagen, welches unter rauhen Betriebsbe-I dingungen bei kurzfristiger Erwärmung des Katalysa] tormaterials auf Betriebstemperatur eine hohe Raumge schwindigkeit ermöglicht und unter allen Betriebsbedin-j gungen der Brennkraftmaschine befriedigend arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist. daß das Abgas-Luft-Gemisch mit einer Raumgeschwindigkeit von zwischen 50 000 und 1 000 000 durch ein etwa 1,3 bis 6,4 cm tiefes Katalysatorbett geleitet wird.

Zur Durchführung des Verfahrens hat sich ein Abgaskonvertersystem mit einem nahe an der Abgassammelleitung montierten Katalysatorbett besonders bewährt, dessen Katalysatormaterial eine Wärmekapazität von weniger als 0,23 kcal/°C aufweist und dem die Abgase und eine mindestens stöchiometrische Luftmenge zuleitbar sind und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Katalysatorbett eine Tiefe von etwa 1,3 bis 6,4 cm besitzt und für eine Raumgeschwindigkeit zwischen 50 000 und 1 000 000 ausgelegt ist.

Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das Katalysatormaterial des Katalysatorbetts eine mittlere Schüttdichte zwischen etwa 015 und 0,5 g/cm* besitzt.

Als besonders günstig hat es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei dem Konvertersystem zu seiner Durchführung erwiesen, wenn die zugeführte Luftmenge etwa zwischen dem eineinhalbfachen und dreifachen stöchiometrischen Bedarf für die Verbrennung der oxidierbaren Komponenten liegt, wobei ein Katalysatormaterial bevorzugt wird, daß etwa 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Platin auf einem Träger aufweist, der aus Tonerde besteht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung noch näher erläutert. I η der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Konvertersystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens teilweise im Schnitt,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Temperatur-

Verlaufs in dem Katalysatorbett des Konvertersystems gemäß Fig.1 sowie den Temperaturverlauf am Eingang des Konvertersystems und

Fig.3 und 4 graphische Darstellungen für die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe bzw. des Kohlenmonoxyds in einem erfindungsgemäßen Konvertersysiem.

Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahret; verwendete Katalysator kann aus einer großen Anzahl von Metallen und Metalloxyden ausgewählt werden, welche einzeln oder in Kombination und wenn sie von einem Trägermaterial getragen werden, die Fähigkeit haben, bei der Umsetzung von Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxyden in den Abgasen einer Brennkraftmaschine als Katalysatoren zu wirken. Der i* Katalysator sollte jedoch keine unzulässig große Wärmekapazität besitzen, so daß er zusammen mit den Wärmekapazitäten der anderen Teile des Konvertersystems nicht zu einer Überschreitung der erfindungsgemäßen Grenze für die Wärmekapazität führt.

Kupferoxyd oder Kupieroxyd, welches durch ein oder mehrere weitere Metalloxyde, einschließlich der Oxyde von Eisen, Nickel. Kobalt und Vanadium, oder durch einen anderen Aktivator aktiviert ist. hat sich als Katalysator für die gewünschten Umsetzungen bewährt. Etwa 2 bis 30 Gewichtsprozent Kupferoxyd und etwa 2 bis 30 Gewichtsprozent Eisenoxyde auf einem Tonerdeträger bilden einen günstigen Katalysator für die Umsetzung von Abgasen. Bevorzugt wird jedoch ein Katalysator, der einen Edelmetallbestandteil enthält, beispielsweise Platin. Palladium, Ruthenium. Rhodium, Osmium oder Iridium. Insbesondere wird cm Katalysator mit etwa 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Platin auf Tonerde als Trägermaterial bevorzugt. Vorteilhafterweise wird zur Begrenzung der Wärmekapazität des Konvertersystems ein Katalysator mit einer mittleren Schüttdichte von etwa 0,15 bis 0,5 g/cm¹ verwendet.

Das Konvertersystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist von bemerkenswerter Einfachheit sowie von außerordentlicher Wirksamkeit bei der Behandlung von Abgasen. Das Konvertersystem iu hinsichtlich seiner Wärmekapazität definiert, und bei der Bestimmung dieser Wärmekapazität ist davon auszugehen, daß das Konvertersystem aus einem Katalysatorbett, aus stromaufwärtsliegenden Haltegittern und aus stromaufwärtsgelegenen Leitungsteilen besteht, die dazu dienen, die heißen Abgase von der Sammelleitung für die Abgase dem Katalysatorbett zuzuführen. Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur des Konvertersystems, die erforderlich ist, um die Trmperatur des Konvertersystems um 1° anzuheben. Die Einheit der Wärmekapazität ist kcal/°C.

Die Wärmekapazität des Konvertersystems ist, wie oben bereits erwähnt, auf Werte unterhalb von 0,23 kcal/°C beschränkt. Zusätzlich zu dieser Beschränkung des Katalysatorbetts durch die Begrenzung der Wärmekapazität ist das Katalysatorbett bezüglich seines Gesamtvolumens beschränkt, d. h. das Volumen muß so gewählt werden, daß die reziproke Raumgcschwindigkeit des mit dem Katalysator in Kontakt stehenden, reagierenden Gasstroms während des Betriebs der Brennkraftmaschine zwischen etwa 50 000 und 1 000 000 liegt.

Katalysatorbetten von nur etwa 1,3 bis 6,4 cm Tiefe haben sich bei Konvertersystemen gemäß vorliegender Erfindung dis notwendig erwiesen.

Das Konvertersystem erreicht die Katalysator-Zündtemperatur im wesentlichen sofort nach einem Kaltstart durch Ausnützen der Wärme in den Abgasen, die bei typischen Brennkraftmaschinen bei etwa 0,504 kcal/sec liegt. Infeige der relativ niedrigen Wärmekapazität des Konvertersystems und wegen des begrenzten Volumens des Katalysators wird bei dem erfindungsgemäßen Konvertersystem praktisch unmittelbar im Anschluß an einen Kaltstart eine sehr gute Umsetzung der Abgase erreicht, und überraschenderweise läßt sich die hohe Qualität der Umsetzung auch während eines längeren Betriebs der Brennkraftmaschine aufrechterhalten. Mit einem Konvertersystem gemäß vorliegender Erfindung ist es nunmehr möglich, ein Kraftfahrzeug so zu betreiben, daß sich pro Kilometer eine Emission ergibt, die unter 2.92 g Kohlenmonoxyd und unter 0.29 g Kohlenwasserstoffe liegt.

Im Hinblick auf die erfindungsgemäß geforderte beschränkte Wärmekapazität wird das Konvertersystem so nahe an der Abgassammelleitung montiert, wie dies der zur Verfügung stehende Raum zuläßt. Das Konvertersystem kann relativ klein gebaut werden und kann daher direkt an die Abgassammelleitung angeschlossen werden. Das Konvertersystem sollte in der Abgasleitung dicht bei der Abgassammelleitung installiert werden, so daß das bei längerem Betrieb der Brennkraftmaschine in das Katalysatorbett eintretende Gas mindestens eine Temperatur von 482°C aufweist und vorzugsweise heißer ist als etwa 538°C. Das Konvertersystem kann so ausgebildet sein, daß das Gas direkt durch das Katalysatorbett hindurchströmt, daß sich eine Querstromung ergibt oder daß sich eine radiale Strömung ergibt.

tin Konvertersystem, welches eine Wärmekapazität von weniger als etwa 0,137 kcal/"C aufweist, wird bei Motoren mit einem Hubraum von 5,7 I oder weniger bevorzugt.

Die erforderliche Luft kann unverbrauchte Luft sein, die in den Abgasen bereits vorhanden ist, die aus der Abgassammellcitung austreten, wie dies der Fall ist, wenn die Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch läuft, oder sie kann sekundäre Luft sein, die den Abgasen beigemischt wird, um eine vorgegebene Zusammensetzung zu erhalten, beispielsweise, wenn die Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch läuft. Obwohl die Sekundärluft während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine beigemischt werden kann, wird Sekundärluft vorzugsweise nur während des Starts der Brennkraftmaschine zugeführt, solange diese mit einem fetten Gemisch arbeitet.

Das erfindungsgemäße Konvertersystem ist ungewöhnlich wirksam bei der Steuerung der oxidierbaren Bestandteile der Abgase, insbesondere des Kohlenmonoxyds und der Kohlenwasserstoffe, und zwar nicht nur während des Starts der Brennkraftmaschine, sondern auch während eines längeren Betriebes derselben.

Das Abgaskonvertersystem, das nachstehend beschrieben wird, wurde in Übereinstimmung mit den Regelungen geprüft, welche in »the 1370 second test procedure« (veröffentlicht von der Regierung der Vereinigten Staaten), Band 35, No. 219 vom 10. November 1970, abgedruckt sind. Das Konvertersystem gemäß der Erfindung wurde ferner an einem V8-Motor der rirma Ford mit einem Hubraum von 4,95 I erprobt. In der Zeichnung zeigt Fig.1 ein katalytisch arbeitendes Konvertersystem 5, wie es für die Versuche benutzt wurde. Das Konvertersystem 5 besitzt eine Abgaseinlaßleitung 1, ein Haltegitter 6 für den Katalysator und ein Katalysatorbett 2. Mit Hilfe eines

Flansches 3 an der Abgaseinlaßleitung 1 wurde jeweils ein Konvertersystem 5 gemäß Fig. I mit den beiden Abgassammelleitungen des V8-Motors direkt verbunden. Wie Fig. I zeigt, ist am Auslaßende des Konvertersyslems 5 eine Abgasauslaßleitung 4 vorgesehen. Das Gehäuse des Konvertersystems bestand im wesentlichen aus 1,6 mm dickem, rostfreiem Stahl. Der Katalysator in dem Katalysatorbett 2 bestand aus einem Platinkatalysator auf Tonerde als Basismateria! in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von 3,2 mm und enthielt etwa 1 Gewichtsprozent Platin. Der Katalysator hatte eine mittlere Schüttdichte von etwa 0,5 g/cm· und besaß zusammen mit den übrigen Bestandteilen des Konvertersystems 5 eine Wärmekapazität von etwa 0.11kcal/°C

Die Abgaseinlaßleitung 1 besaß einen Durchmesser von etwa 5 cm. Die Menge des verwendeten Katalysatormaterials lag bei etwa 0,42 I, und das Katalysatorbett, welches etwa 3,8 cm tief war, besaß einen Durchmesser von etwa 12,1 cm. Den Abgasen wurde etwa die doppelte der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge beigefügt, und die Mischung wurde durch das Katalysatorbett 2 geleitet, und zwar mit einer reziproken Raumgeschwindigkeit von etwa 50 000 bis etwa 1 000 000.

Aus Fig. 2, in welcher die Einlaßtemperatur des Konvertersystems sowie die Temperatur des Katalysatorbettes über der Zeit aufgetragen sind, erkennt man, daß der Katalysator praktisch sofort nach dem Kaltstart auf die Zündtemperatur kam bzw. aktiv wurde. Im einzelnen läßt die Darstellung der F i g. 2 erkennen, daß die Temperatur des Katalysatorbettes innerhalb von 120 Sekunden nach einem Kaltstart auf etwa 899°C anstieg.

Aus F i g. 3 wird deutlich, daß praktisch unmittelbar nach einem Kaltstart eine sehr weit gehende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe in Abgasen erfolgte.

F i g. 3 zeigt die Kohlenwasserstoffkonzentration in den Abgasen am Konvertereingang und am Konverterausgang während der ersten 140 Sekunden des Betriebs des Motors. Die gesamte Versuchsdauer betrug 1230 Sekunden, und es ergab sich, daß während des gesamten

ίο Betriebes günstige Werte für die Umsetzung erreicht wurden, wobei nach Ende des Choke-Betriebes des Motors eine allgemeine Verbesserung zu beobachten war.

Fig.4 zeigt für die ersten 140 Sekunden des Versuches den Kohlenmonoxydgehalt am Eingang und am Ausgang des erfindungsgemäßen Konvertersystems. Man erkennt, daß auch der Kohlenmonoxydgehalt des Abgases entscheidend verringert werden konnte. Im übrigen ergab sich auch hier während der gesamten Versuchsdauer eine günstige Umsetzung, wobei nach Ende des Choke-Betriebes wiederum eine Verbesserung eintrat.

Unter Beachtung der Prüfbedingungen der obenerwähnten Vorschriften wurden die Abgase mit Luft verdünnt, und ein Teil der Abgase wurde während des ganzen Versuches geprüft. Die Analyse der Abgase ergab, daß pro gefahrenen Kilometer 2,23 g Kohlenwasserstoffe und 55,3 g Kohlenmonoxyd in das Konvertersystem eingeleitet wurden und daß davon pro gefahrenen Kilometer nur 0,060 g Kohlenwasserstoffe und 0,90 g Kohlenmonoxyd das Konvertersystem wieder verließen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Umsetzen oxidierbarer Bestandteile der Abgase von Brennkraftmaschinen, wobei die Abgase und eine mindestens stöchiometrische Luftmenge durch ein nahe an der Abgassammelleitung montiertes Katalysatorbett geleitet werden, dessen Katalysator eine Wärmekapazität von weniger als 0.23 kcal/''C aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas-Luft-Gemisch mit einer Raumgeschwindigkeit zwischen 50 000 und 1 000 000 durch ein etwa 1,3 bis 6,4 cm tiefes Katalysatorbett geleitet wird.

2. Abgaskonvertersystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem nahe an der AbgassammeJJeilung montierten Katalysatorbett. dessen Katalysatormaterial eine Wärmekapazität von weniger als O„23kcal/°C aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett eine Tiefe von etwa 1,3 bis 6,4 cm besitzt und für eine Raumgeschwindigkeit zwischen 50 000 und 1 000 000 ausgelegt ist.

3. Abgaskonvertersystem nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial des Katalysatorbetts eine mittlere Schüttdichte zwischen 0.15 und 0,5 g/cm' besitzt.