DE2214772A1

DE2214772A1 - Verfahren zur reinigung der abgase von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2214772A1
Application number: DE2214772A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Chem Dr Rer N Storp
Original assignee: Laboratorium fuer Adsorptionstechnik GmbH
Current assignee: Laboratorium fuer Adsorptionstechnik GmbH
Priority date: 1972-03-25
Filing date: 1972-03-25
Publication date: 1973-09-27

Description

Verfahren zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung der Abgas von Brennkraftmaschinen durch Nachverbrennung mittels eines katalytischen Konverters, wobei die Abgase bis zur Erreichung oder bei Unterschreitung der Konverter temperatur, die zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffresten erforderlich ist, über Aktivkohle geleitet werden.
Die Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, sind ein wesentlicher Faktor der Luftverschmutzung. Sie enthalten außer Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff noch erhebliche Mengen von unverbrannten oder teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen oder Sohlenwasserstoffresten der als Treibstoff dienenden organischen Verbindungen. Daneben enthalten diese abgase auch Stickoxide und Kohlenmonoxid. Letztere Stoffe sind akut wirkende Gifte, während die im Abgas enthaltenen organischen Verbindungen zum Teil sehr gesundheitsschädlich sind oder cancerogene Eigenschaften besitzen.
Es sind schon zahlreiche Vorschläge zur Reinigung von Motorabgasen gemacht worden. Die meisten dieser Vorschläge betreffen eine katalytische Behandlung des Abgases bei erhöhter Temperatur. Die Reaktionstemperatur ist dabei automatisch durch die Temperatur des Abgases vorgegeben.
Nach diesen Vorschlägen werden vor allem organische Verbindungen und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Als Katalysatoren werden die Oxide von z.B.
Chrom, Eisen, Vanadin und Mangan verwendet (DT-OS 1 542 370, 1 442 518, DT-AS 1 299 604, 1 282 247). Es kommen aber auch Edelmetallkontakte in Frage, die bereits bei verhältnismäßig niedrigen Tempuraturen eine Umsetzung bewirken (DT-OS 1 953 o61, 2 o45 487, 2 o45 488). Dennoch werden auch diese Temperaturen nicht augenblicklich ereicht, sondern erfordern eine gewisse Anlaufzeit. Gerade beim Warmlaufen der Brennkrafemasclline, also bei niedrigen Abgastemperaturen, wird aber der größte Anteil an organischen Verunreinigunen emitiert.
Um diese Anlaufzeit zu verkürzen bzw. die Aufheizung zu beschleunigen, ist es neben zahlreichen anderen Vorschlägen u.a. bekannt, zumindestens einen Teil der zum katalytischen Konverter strömenden Abgase mit Aktivkohle oder dergleichen zur Reaktion zu bringen und sich dabei bildendes Kohlenmonoxid und Wasserstoff in den Konverter als zusätzlichen Brennstoff einzuführen (DT-OS 2 131 987). Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß ein merklicher Temperatureffekt im Konverter nur erzielt werden kann, wenn ein merklicher Umsatz zwischen Wasserdampf und Aktivkoiile stattfindet Damit ist aber zwangsweise ein hoher Verbrauch an Aktivkohle oder: dergleichen verbunden, der die Betriebskosten beträchtlich erhöht.
Neben den erwähnten einstufigen Verfahren sind auch zweistufige Verfahren zur Abgasreinigung entwickelt worden, bei welchen zuerst in reduzierender Atomosphäre die Stickoxide katalytisch zu elementarem Stickstoff reduziert werden und dann in einer zweiten Stufe nach Zugabe von Sauerstoff eine vollständige Verbrennung der übrigen Schadstoffe vorgenommen wird (DT-Q5 1 594 699, 2 o26 318).
Durch diese zweistufigen Verfahren können aber die vorerwähnten, dem einstufigen Verbrennungsverfahren anhaftenden Nachteile nicht vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist r diemJSn bekanntenVerfahren verbundenen Nachteile zÜ vermeiden, insbesondere ein Verfahren zu schaffen, das eine vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine unabhängige, einwandfreie Abgas reinigung gestattet und dennoch mit nur geringen Betiieksskosten verbunden ist Die Aufgabe wird gelöst, iidem das Verfahren zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen durch Nachverbrennung mittels eines katalytischen Konverters, wobei die Abgase bis zur Erreichung oder bei Unterschreitung der Konvertertemperatur, die zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und/ oder Kohlenwasserstoffresten erforderlich ist, über Aktivkohle geleitet werden, entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daS die Abgase über ein Bett von Aktivkohle mit hoher Zündtemperatur zur Adsorption unverbrannter Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffreste geleitet werden, der Konverter praktisch ausschließlich durch die fühlbare Wärme der das Aktivkohlebett verlassenden Abgase auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt wird, nach Erreichen dieser Temperatur im Aktivkohlebett adsorbierte Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffreste mit dem Abgasstrom desorbiert und dem Konverter zugeleitet werden und nach erfolgter Desorption der Abgasstrom dem Konverter unter Umgehung des Aktivkohlebettes direkt zugeleitet wird.
In der Anlaufphase, also unmittelbar nach dem Start oder nach Betriebspausen des Motors, passieren die Abgase zunächst ein Aktivkohlefi r. Bei der tiefen Temperatur werden Kohlenwasserstoffe nd Produkte ihrer teilweisen Verbrennung an der Aktivkohle adsorptiv zurückgehalten.
Die das Aktivkohlefilter verlassenden Gase gehen in gereinigtem Zustand über den zunächst noch nicht wirksamen katalytischen Konverter, Nit steigender Abgas temperatur wird der Konverter aufgeheizt, bis er schließlich oberhalb von 150 - 200°C wirksam wird. Das Aktivkohlebett ist dabei.
so zu dimensionieren, daß es bis zu diesem Zeitpunkt Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffreste adsorbiert und adsorbierte Kohlen@asserstoffe un@ Kohlenwasserstoffreste zur@@khält Sobald die Temperatur im Aktivkohlebett über 20c - 250°C angestiegen ist, werden die an der Aktivkohle festgehaltenen organischen Stoffe durch das heifle Abgas wieder desorbiert und im Konverter zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Bei Erreichen einer Temperatur von 3oo0C, vorzugsweise von 35o0C, wird das Aktivkohlefilter durch einen Bypass umgangen. Zu dieser Zweck befindet sich vor dem Aktivkohlefilter eine thermisch geschaltete Umschaltklappe, die bei 300 bzw. 350°C den anspricht und den Gas strom direkt/in Konverter leitet.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung einer Aktivkohle mit hohem Zündpunkt. Eine solche Aktivkohle wird erhalten-durch Imprägnierung mit anorganischen Verbindungei-l , insbesondere mit Natronwasserglas, das man in einer Menge von 2 - 15 Gew.% durch Tränken oder Besprühen der Aktivkohle aufbringen kann, und anschließende Wäsche mit verdünnter Säure bis zur Alkali freiheit sowie Nachspülung rnit Wasser.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung werden aus den Abgasen zunächst, d.h. vor Einleitung in das Aktivkohlebett oder - sofern das Abgas eine hinreichend hohe Temperatur für den katalytischen Konverter besitzt - vor Eingang in den Konverter Stickoxide entfernt.
Als Katalysatormassen für die Konverter zur Verbrennung von Kohlenwasserstoff und Kohlenwasserstoffresten sowie - in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung - für die Reduktion der Stickoxide werden die an sich bekannten Substanzen eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung besteht in der Kombination einer adsorptiven mit einer katalytischen Abgasreinigung. Sie hat den Vorteil, daß eine Entfernung der schädlichen organischen Bestandteile der Abgase sowohl in der Anlaufphase des Motors als auch im Dauerbetrieb bei erhöhter Temperatur gewällrleistet ist. Infolge der Verwendung von Aktivkohle mit hoher Zündtemperatur ist eine Schädigung der Aktivkohle durch die sonst unvermeidliche Wassergasreaktion,d.h. die Umsetzung mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, vermieden.
Die Erfindung wiril anhand der Abbildung in ihrer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
Die der Brennkraftmaschine nachgeschaltete Vorrichtung besteht aus einem katalysator 2 zur Entf@rnung des Stickoxids, einem Aktivkohlebett 5 sowie einem katalytischen Konverter 7. Katalysator 2 ist mit Aktivkohlebett 5 bzw.
katalytischem Konverter 7 über die Umschaltklappe 3 und Leitung 4 bzw. Leitung 8 verbunden. Leitung 6 bildet die Verbindung zwischen Aktivkohlebett 5 und katalytischem Konverter 7. 9 stellt das Verbindungsstück zum auspuff dar.
Aus der Brennkraftmaschine 1 gelangen die Abgase zunächst auf den Katalysator 2, in dem durch Reduktion die Entfernung der Stickoxide erfolgt. Bei Abgastemperaturen, die unterhalb der Arbeitstemperatur des katalytischen Konverters 7 liegen, gelangen die Abgase über Leitung 4 in das Aktivkohlefilter ; u??d vom Aktivkohlefilter über Leitung 6 in den Konverter 7. Bei Temperaturen unterhalb ca. 200°C werden die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffreste an der Aktivkohle adsorbiert. Sobald die Temperatur des Abgases auf höhere Werte steigt, erfolgt Desorption. Das Desorbat gelangt dann mit dem Abgas über Leitung 6 in den Konverter 7,in dem eine vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser erfolgt. Sobald das heise Gas eine Temperatur von ca.3oo -350°C erlangt hat und die Desorption heendet ist, schaltet die Klappe 3 automatisch um und leitet das Abgas unter Umgehung des Aktivkohlebettes 5 über Leitung 8 direkt in den Konverter 7 ein.
Patentansprüche -

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen durch Nachverbrennung mittels eines katalytischen Konverters, wobei die Abgase bis zur Erreichung oder bei Unterschre.4 tung der Konverter temperatur, die zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und/oder ScJhlenwass!erstoffresteal erforderlich ist,-über Aktivkohle geleitet werden, dadurch gekennzeichnet daß die Abgase über ein Bett (5) von Aktivkohle mit hoher Zündtemperatur zur Adsorption unverbrannter Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffreste geleitet werden, der Konverter (7) praktisch ausschließlich durch de fühlbare Wärme der das Aktivkohlebett(5) verlassenden Abgase auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt wird, nach Erreichen dieser Temperatur im Aktivkohlebett (5) adsorbierte Kohlenwasserstoffe und/ oder Kohlenwasserstoffreste mit dem Abgasstrom desorbiert und dem Konverter (7) zugeleitet werden und nach erfolgter Desorption der Abgasstrom dem Konverter (7) unter Umgehung des Aktivkohlebettes (5) direkt zugeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurc¼--ekennzeichnet, daß die Abgase bis zu Temperaturen von 300°C, vorzugsweise von 350°C, über das Aktivkohlebett (5) geleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase über ein Bett (5) geleitet werden, das aus einer mit SiO2 in Mengen von 2 - 15 Gew.% imprägnierten Aktivkohle besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abgasen vor Einleitung in das Aktivkohlebett (5) bzw. im Fall hinreichend hoher Temperaturen in den Konverter (7) katalytisch Stickoxide entfernt werden.