DE2216392A1 - Verfahren zur Verminderung der Verun reinigung in Verbrennungskraftmaschinen und hierfür geeignete Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Verminderung der Verun reinigung in Verbrennungskraftmaschinen und hierfür geeignete Vorrichtung

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DE2216392A1
DE2216392A1 DE19722216392 DE2216392A DE2216392A1 DE 2216392 A1 DE2216392 A1 DE 2216392A1 DE 19722216392 DE19722216392 DE 19722216392 DE 2216392 A DE2216392 A DE 2216392A DE 2216392 A1 DE2216392 A1 DE 2216392A1
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Description

Verfahren:zur Verminderung-der Verunreinigungen in Verbrennungskraftmaschinen und hierfür geeignete
Vorrichtung
Die Erfindung^ betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Minimalisierung der Luftverschmutzung, die auf die Emis-r sion von S tickst off oxideia, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenviasserstoffen in den Abgasen zurückzuführen, sind, die von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise von Automobilen freigesetzt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere katalytische Abgasbehandlungssysteme, bei v/eichen Luft zu dem Abgasstrom gegeben wird' und das
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resultierende Gemisch durch ein Katalysator-Bett oder -Betten geleitet wird, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid katalytisch zu oxidieren und Stickstoffoxide in unschädliche Produkte zu reduzieren, wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf.
Das von Verbrennungskraftmaschinen abgegebene Abgas stellt eine ernste Quelle der Luftverschmutzung, insbesondere in städtischen Gegenden dar. In manchen Gegenden wird aufgrund von atmosphärischen Inversionen · und Akkumulationen solcher Abgase in der Atmosphäre der sogenannte Smog gebildet. Zur Verhinderung der Luftverschmutzung durch Automobil-Abgase sind schön viele Anstrengungen und viele finanzielle Mittel aufgewandt worden, indem entweder die Bauart der Maschine modifiziert wurde oder indem Vorrichtungen entwickelt wurden, um das Abgas zu behandeln. Trotz der seit langem bestehenden Erkenntnis dieses Problems liegt die Menge der gebildeten Luftverschmutzung (je Meile, die von Automobilen gefahren werden) immer noch oberhalb annehmbarer Werte.
Dieses Problem ist so akut geworden, daß der Kongreß der Vereinigten Staaten im Jahre 197° durch Gesetze die Menge der Luftverschmutzung von Automobilen praktisch vermindert hat. Diese Gesetzgebung wurde heftig angegriffen, und zwar zumindest teilweise deswegen, weil keine operativen Maßnahmen bekannt waren, um diese Ziele, insbesondere im Hinblick auf Stickstoffoxide, zu erreichen.
Aufgrund der neueren Gesetzgebung hat die "Environmental Protection Agency (USA)" im Federal Register (of the United States) vom 2. Juli 1971 progressiv verminderte Maximalmengen von Luftverschmutzungsstoffen bestimmt und veröffentlicht, die bei neuen Automobilen vom Modell 1976
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an zulässig sind. Die Beschränkungen für Automobile von 1976 sind streng. Sie stellen eine Verminderung von 9o % oder mehr der Verschmutzungsstoffe dar, die durch Automobile des ModellJahres 197o gebildet werden. Im Hinblick auf Stickoxide, die hierin manchmal a.ls NO bezeichnet werden, ist die Begrenzung einschneidender als bislang von der Industrie erkannt war, weil die Stickoxide von den Abgasen schwierig zu entfernen sind.
Hinsichtlich Katalysatoren und katalytischer Vorrich- · tungen zur Behandlung von Abgasen sind bereits viele Patentschriften und Publikationen bekannt. Am Ende der Beschreibung wird eine Liste der U.S,-Patente gegeben werden. Es wird davon ausgegangen, daß in keiner dieser beschriebenen Druckschriften die besondere Kombination von Verfahrensstufen gemäß der Erfindung beschrieben oder nahegelegt wird.
Die erfindungsge.mäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren haben sieh als dahingehend ausreichend erwiesen, um den maximalen Verschmutzungs-Spezifikationen für 1976er Automobile zu genügen, wenn sie in einem Automobil mit einer herkömmlichen 35o Cubic-inch, V-8-Maschine eingebaut wurden und gemäß dem Federal Register vom 2. Juli 1971 untersucht wurden. Der Versuch wurde auf einem automatisierten Computer geleiteten Teststand vor-; genommen, der im Technical Center in Warren, Michigan (TJSA) der General Motors Corporation befindlich".war* Nachstehend sind die Spezifikationen von 1976 und die erhaltenen Test-■ ergebnisse angegeben; ■'.
TABELLE I
Verschrautzungsstoffe in den behandelten Abgasen, Gramm/Meile
N0„ CO Kohlenwasserstoffe
Maximalmengen für
Automobile von I976 ' u u h
gemäß der U.S. Federal °'^° -^ °'^
Specification
Maschine., die mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen war bei oc.r , ΚΩ/- ,,-,-einer inerten Belastung Ο'29β X'596 °'ΐ6β von 4ooo lbs.
Dieser Test wird in Beispiel 4 und in Tabelle X weiterhin beschrieben.
Die Konzentration der Verschmutzungsstoffe, insbesondere der Stickoxide in den behandelten Abgasen war niedrig.
Die Erfindung ergibt allgemein ein integriertes Kontrollsystem für Maschinenabgas-Emission, das während aller Pha-• sen des Maschinenbetriebs-Zyklus mit einem hohen Wirksamkeitsgrad arbeitet.
Somit wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Verminderung der Verunreinigungen in Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung gestellt, bei welchem Abgas aus einem Maschinen-Auspuffrohr in elm erste katalytische Zone geleitet wird, die einen Katalysator für die Reduktion von Stickoxiden durch Kohlenmonoxid in einer Redox-Atmosphäre enthält, Üie behandelten Gase in eine zweiten Katalysatorzone geleitet werden, die einen Katalysator für die Oxida-
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tion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in einer oxidierenden Atmosphäre enthält und hei welchem ein Sauerstoff enthaltendes Gas entweder in das Auspuffrohr oder die zweite Katalysator-Zone oder in beide eingeleitet wird., wobei die Einführung des Sauerstoffs in das Auspuffrohr und die zweite Zone in Antwort auf eine bestimmte Variante kontrolliert, welche einen Minimalwert hat, bei welcher Sauerstoff in die zweite Zone eingeleitet wird, wobei Sauerstoff in das Auspuffrohr eingeleitet wird, wenn die Variante unterhalb dieses Wertes liegt und in die zweite Zone eingeleitet wird, wenn die Variante über diesen Wert hinausgeht und wobei die Menge des Sauerstoffs, die in die zweite Zone eingeleitet wird, über diejenigen Mengen hinausgeht, die stöchiometrisch-erforderlich sind, um das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe die in diese Zone eintreten, zu oxidieren»
Gemäß der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, das durch erste und zweite Katalysator-Zonen gekennzeichnet ist, wobei die erste Zone mit einem Auspuffrohr der Maschine verbunden ist und,einen Katalysator enthält, der dazu imstande ist, Stickstoffoxide durch Kohlenmonoxid, wenn die Atmosphäre eine Redox-Atmosphäre ist, zu reduzieren, wobei die zweite Zone in Reihe mit der ersten Zone, angeordnet ist und einen Katalysator enthält, der die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen durch Sauerstoff katalysiert, wenn die Atmosphäre darin eine oxidierende Atmosphäre ist, mindestens eine Zuführung für ein Sauerstoff enthaltendes Gas, einen variablen Sensor, der so angepaßt ist, daß mindestens eine vorgewählte Variable
abgefühlt wird, und eine Fließkontroll-Programmiereinrichtung, die durch den Sensor betrieben wird und welche die Zuführung des Sauerstoff enthaltenden Gases in das Auspuffrohr gestattet, wenn die Variable geringer ist als der vorgewählte Wert, mit welcher der Sauerstoff in die zweite Zone zugeführt werden sollte und welche, wenn dieser Wert überschritten wird, im Überschuß über die Menge des stöchiometriseh für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erforderlichen Sauerstoffs die Zuführung eines Sauerstoff enthaltenden Gases gestattet.
Die Art der Maschine, auf welche die Erfindung besonders anwendbar ist, ist eine Verbrennungskraftmaschine des in Automobilen herkömmlicherweise verwendeten Typs. Normalerweise besitzt eine solche Maschine eine Vielzahl von Verbrennungskammern, die in Reihe oder in einem V-Block angeordnet sind. Eine solche Maschine kann aber auch aus nur einer einzigen Verbrennungskammer bestehen. Die hierin verwendete Bezeichnung "Verbrennungskammern" soll eine oder eine Vielzahl von Kammern umfassen. Eine solche Maschine kann auch eine Drehmaschine sein, beispielsweise eine sogenannte Wankelmaschine.
Die Maschinen haben einen Vergaser zur Vermischung eines Treibstoffs (Benzin) mit primärer Luft und zur Einführung des Gemisches in die Verbrennungskammern. Das theoretische Verhältnis der Primärluft zu Treibstoff, das zu Verbrennung des gesamten Benzins erforderlich ist, beträgt etwa 14,7 j 1 (Gewicht). Die Aufrechterhaltung dieses Wertes ist hinsichtlich des Betriebs der Maschine nicht kritisch, obgleich das tatsächlich verwendete Verhältnis einen gewissen Einfluß auf die Menge von schädlichen Bestandteilen ausübt, die durch die Maschine gebildet werden.
Typischerweise sind die Maschinen so ausgebildet, daß sie mit einem Verhältnis Primärluft zu Brennstoff im Bereich von etwa 12-17 : 1. arbeiten.
Der Vergaser ist mit einem Chok versehen, beispielsweise mit einem Drosselventil, das im wesentlichen geschlossen ist, wenn die Maschinentemperaturen relativniedrig sind, d.h. unterhalb etwa lo,o°C. Das Schließen des Choks vermindert das Verhältnis Luft zu Treibstoff. Hierdurch wird das Starten unterstützt und die ursprüngliche Aufrechterhaltung des Betriebs des Motors bei niedrigen Temperaturen. Häufig ist der Betrieb des Choks automatisch und der Chok Öffnet sich in Beantwortung der Steigerung der Temperatur des Kühlwassers der Maschine oder des Metalls im Motorblock.
Das Gemisch von Brennstoff und Primärluft gelangt von dem Vergaser in einen Einlaßverteiler und hierauf in die Verbrennungskammern. Ein Funken bewirkt die Verbrennung des Gemisches in den Kammern,.wodurch Energie gebildet und das Auspuffgas gebildet wird. Das Gas enthält unschädliche Komponenten wie Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und geringe Mengen von Sauerstoff und Wasserstoff. Es enthält auch Luftversehmutzungsstoffe, hauptsächlich Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und unverbrannte. Kohlenwasserstoffe. Die Variationen der Zusammensetzung des Gases werden später diskutiert werden.
Eine Verbrennungskraftmaschine kann auch für eine Brennstoffinjektion eingerichtet sein, wie es z.B. bei Dieselmotoren und den sogenannten Schichtungs-Belädungs-Motoren der Fall ist.
Das Abgas tritt von den Kammern durch Ablaßöffnungen in ein oder mehrere Auspuffrohre ein, die als Kanal für den
Abgasstrom wirken. Das Abgas wird an die Atmosphäre entlassen. Die hierin verwendete Bezeichnung "Auspuffrohr" soll sowohl die Einzahl aus auch die Mehrzahl bedeuten. Wenn nichts anderes angegeben ist, dann wird nur auf das Auspuffrohr Bezug genommen.
In einer herkömmlichen Maschinenzusammenstellung wird das Abgas von dem Auspuffrohr durch ein Motorenrohr und durch einen akustischen Schalldämpfer und hierauf an die Atmosphäre geleitet. Die Durchleitung durch das Auspuff-Maschinenrohr und den Schalldämpfer vermindert den Gehalt an schädlichen Bestandteilen des Abgases nicht signifikant.
'Eine wichtige Schwierigkeit bei der Behandlung von Maschinenabgasen ist die große Variation der Menge der Zusammensetzung der Temperatur des Abgases. Dies trifft insbesondere für die ersten mehreren Minuten nach Starten der kalten Maschine, d.h. einer Maschine von Umgebungstemperatur, zu.
Die Konzentration d-er Verschmutzungsstoffe und der anderen Gase (z.B. Sauerstoff und Wasserstoff) variiert stark mit der Art des Maschinenbetriebs (Leerlauf, Beschleunigung, Schalten, Abbremsen) mit der Maschinentemperatur und mit Variationen des ursprünglichen Verhältnisses Primärluft zu Brennstoff, Nach dem Starten einer kalten Maschine sind die Konzentrationen des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in dem Abgas sehr hoch. Der Gehalt an Stickoxiden ist niedrig, doch nimmt die Konzentration rasch zu, wenn die Wände der Verbrennungskammer ihre Temperatur erhöhen und/oder wenn die Maschine unter Belastung betrieben--wird. Die Konzentration des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe nimmt mit
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steigender Maschinentemperatur nach dem Start ab. An-* dererseits steigt selbst bei einer heißen Maschine die Konzentration von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen· rasch nach Beschleunigung oder Auferlegung einer schweren Last zu (was beispielsweise beim Bergaufwärtsfahren bei hoher Geschwindigkeit der Pail ist) und weiterhin, was fast pervers anmutet, bei einer raschen Geschwindigkeitsabschwächung. Bei der Abnahme des Verhältnisses' Primärluft zu Treibstoff steigt die Konzentration des Kohlenmonoxids und. der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in dem Abgas. Eine Zunahme dieses Verhältnisses besitzt den umgekehrten Effekt, Die Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas verändert sich irn allgemeinen in einer Richtung, die gegenüber der Veränderung der Kohlenmonoxid-Konzentration umgekehrt ist. Die Geschwindigkeit und die Menge des Kohlenmonoxids, die in einem. Auspuffrohr thermisch oxidiert werden, verändern sich mit der Temperatur des Gases, das aus den Verbrennungskammern abgelassen wird. Die katalytisch^ Umwandlung des Kohlenmonoxids, unverbrannten Kohlenwasserstoffe und der Stickstoffoxide hängt.von der Temperatur der Katalysatorzonen und der •Raumgeschwindigkeit des Gases hierdurch ab. Während alle., diese illustrativ angegebenen Variationen stattfinden, variiert die Gesamtmenge des Gases über etwa den ■ 5—fachen bis 1 o-fachen"-.:■ Bereich,der ungefähr der Geschwindigkeit (Upmf'&är Maschine proportional ist. Umgekehrt variiert die^ ..R-aümgeschwindig-keit des Gases, die durch ein Katalysator-Bett strömt;, mit der Menge des emittierten Abgases. ". ·' " : ·...'"
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Die vorstehenden Überlegungen sollen keine definitive Beschreibung sämtlicher Variationen bilden, sondern lediglich die Komplexheit der Materie beschreiben» Aufgrund dieses Umständes muß ein Abgasbehandlungs-Prozeß, der dazu'
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wirksam ist, um Verschmutzungsstoffe auf die niedrigen Werte der Automobile von 1975 bis 1976 zu senken, dazu imstande sein, dynamische Prozeßbedingungen einzustellen anstelle lediglich statischen Bedingungen. Es ist auch notwendig ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen zu beschxsLben, die den dynamischen Prozeßvariationen ent~ sprechen.
Gemäß der Erfindung wird nun. eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen in zusammenarbeitender Assoziierung mit einer Verbrennungskraftmaschine verwendet., die ihr ..Auspuffrohr und das Maschinenrohr einschließt. Die Vorrichtung umfaßt eine Quelle für ein Sauerstoff enthaltendes Gas, um der Vorrichtung Sauerstoff zuzuführen, was zum Zwecke der Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen geschieht. Wie hierin später verwendet, bezieht sich das Wort "Luft" auf die Luft, die für solche Zwecke verwendet wird und die manchmal als "Sekundärluft" im Gegensatz zu der Primärluft bezeichnet wird, welche letztere mit dem Treibstoff in dem Vergaser vermengt wird. Mögliche andere Sauerstoff enthaltende Gase sind reiner gasförmiger Sauerstoff oder andere molekularen Sauerstoff enthaltende Gase. Der Einfachheit halber wird aber Luft bevorzugt. Die Luftzuf übungseinrichtung kann eine Luftpumpe oder ein Gebläse oder einen Behälter von Luft unter hohem Druck umfassen.
Es werden zwei Katalysator-Zonen verwendet, wobei jede Zone einen Katalysator enthält. Der Katalysator in der ersten Zone ist durch seine Fähigkeit der Katalysierung der Reduktion von Stickoxiden durch Kohlenmonoxid unter Redox-Bedingungen charakterisiert. Der Katalysator in der zweiten Zone ist dadurch charakterisiert, daß er die Fähigkeit hat, die Oxidation von Kohlenmonoxid und unver-
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brannten Kohlenwasserstoffen unter .oxidierenden Bedingungen zu katalysieren. Es wird bevorzugt, daß der. Katalysator der ersten Zone auch die gleiche; Fähigkeit besitzt. Solche Bedingungen werden später erläutert. . ·
Eine Zuführung für die Auspuffluft, beispielsweise ein Schlauch oder eine Röhre ist vorgesehen, um die Einführung von Luft in das Auspuffrohr an einem oder mehreren Punkten in enger Nähe der AblaßÖffnungen zu ermöglichen. Die Luft sollte genügend eng an .einem oder mehreren Ablaßöffnungen eingeführt werden, um die Vermischung der Luft mit dem abzulassenden Gas zu gestatten, bevor die. Temperatur des Gases unterhalb diejenige abfallt, die für eine Oxidation eines Teils des Kohlenmoiioxids, bevor der Gasstrom in die erste Katalysatorzone eintritt, erforderlich ist. Die Luft. kann in das Auspuffrohr kontinuierlich an allen Stellen oder intermittierend in Beziehung zu dem Öffnen und Schließen der Ablaßöffnungen zugeführt werden.
Eine Luftzuführung in der zweiten Zone, beispielsweise ein Schlauch oder eine Rohre ist vorgesehen, um die Einführung von Luft in die zweite Katalysatörzone zu ermöglichen. ._- \- .
Die Zuführungen der Luft von der Luftpumpe.zu dsm Auspuffrohr und zu der zweiten- Katalysator-Zone besitzen Ventile, did zur Kontrolle des Luftstroms manipuliert werden, wie es nachstehend beschrieben ist.
Ein variabler Sensor ist Vorgesehen, um mindestens eine vorbestimmte Variable abzufühlexu Eine programmierte :Fließkontrolleinrichtung ist .vorgesehen, um in kontrol-
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lierter Sequenzund in Beantwortung zu dem Abfühlen von mindestens einer solchen Variable, die Einführung von Luft in das Auspuffrohr und später in die zweite Katalysatorzone zu programmieren und vorzugsweise auch die Einführung eines Teils des behandelten Abgases, das aus der zweiten Katalysatorzone ausgetragen worden ist, in die Charge der Maschine, und zwar im allgemeinen auf dem Wege über den Primärlufteinlaß des Vergasers. Die abgefühlte Variable ist vorzugsweise die Temperatur der Katalysatorzone.
Eine Fließkontrolle ist vorgesehen, welche gegenüber der Aufrechterhaltung oder des Auftretens von ein oder mehreren vorgewählten Werten der abgefühlten Variablen empfindlich sind. Die Selektion der vorgewählten Werte wird nachstehend beschrieben. Die Fließkontrolle fördert die Luft vorzugsweise im wesentlichen nur so lange in das Auspuffrohr wie die abgefühlte Variable geringer ist als der vorgewählteMinimalwert oberhalb dessen eine Luftzuführung in die zweite Zone besteht. Die Menge der dem Auspuffrohr so zugeführten Luft ist ausreichend, um thermisch einen Teil des Kohlenmonoxids in dem Auspuffrohr zu oxidieren. Wenn ein solches Minimum erreicht oder überschritten wird, dann wird die Fließkon teileinrichtung betrieben, um den Durchtritt auf dem Wege über die Luftzuführung der zweiten Zone der Luft zu der zweiten Katalysatorzone zu gestatten,. Die Menge der auf diese Weise zugeführten Luft liegt im Überschuß über die stöchiometrischzur Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe in dem in die zweite Katalysatorzone eintretenden Gasstromes erforderlich ist. Sie reicht aus, um eine oxidierende Atmosphäre (oder Bedingungen) darin zu bilden. Im allgemeinen wird ein erheblicher Luftüberschuß etwa von J>o% verwendet.
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Dei» Ausdruck "vorgewählter Minimalwert der Luftzuführung in die zweite Zone" oder "vorgewählter Minimalwert, bei welchem eine Luftzuführung in die zweite Zone stattfindet" bezieht sich auf einen vorgewählten Wert einer abgefühlten Variable und nicht auf den* Ort der Abfühlung der Variable. Wie in den vor den Beispielen stehenden Abschnitten erläutert werden wird, ist die abgefühlte Variable vorzugsweise die Temperatur, die an eineij-Stelle in einer der Katalysatorzonen oder an anderen Stellen abgefühlt werden kann. Die abgefühlte Variable kann alternativ die Konzentration der Bestandteile in dem Gasstrom oder die Zeit oder eine andere Variable sein«, -
Wenn die abgefühlte Variable einen vorgewählten Minimalwert für die Zuführung der Auspuff; rohr luft überschreitet p_ dann ist die Pließkontrolle so ausgebildet, daß der Durchtritt der Luft in das Auspuffrohr auf eine Menge verringert wird, die genügend ist|- um die kontinuierliche thermische Oxidation in dem Auspuffrohr eines Teils d@s Kohlenmonoxids zu gestatten, die aber nicht ausreicht^ die Bi Idling und die Auf recht erhaltung einer Redox»Atmos phäre (oder Bedingung) %n der ersten Katalysatorzone zn verhindern» In der ersten Zone wenden bei' Rödox-^Bediiagu gen Stickstoffoxide chemisch dureÄ Kohlenmonoxid xmä/oüs Wasserstoff reduziert. (Hierin wifd später die reaktion im Hinblick auf Kohlenmonoxid als ausgedrückt, wobei aberzu beaehierj! istp daß Wasserstoff als bekanntes Reduktionsmittel iniäem Gasstrom "-vorhanden sein kann, der^ie erste Zone eint|i»itt und der sich mit den Stickstoffoxiden umsetzt). EiijJL solcher Wsrfc kann davon abweichen, ist aber im allgemeineijl· der gleiche wiQ üq& ■ oben genannte vorgewählte Minimalifert der Luftzuführung in die zweite Zone*
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Die Vorrichtung umfaßt vorzugsweise eine Abgas-Zurückführung, welche gegenüber dem variablen Sensor empfindlich ist. Eine derartige Zurückführung ist ausgestaltet, um die Einführung eines geringen Teils des behandelten Gases zu gestatten, welches von der zweiten Katalysatorzone ausgetragen wird, in die Charge zu der Maschine, wenn eine abgefühlte Variable über einen vorgelegten Minimalwert der Abgas-Zurückführung hinausgeht. Dieser Wert kann der gleiche wie die vorstehend angegebenen vorgewählten Minimalwerte sein oder davon verschieden sein. Der Ausdruck "Einleitung eines Teils der behandelten Abgase in die Maschine" schließt die Einführung eines Teils in die Primärluft-Aufnahmeeinrichtung oberhalb der Vergaserdrossel mit Einschluß in den Luftfilter und auch an einer Stelle unterhalb der Vergaserdrossel ein. Die Abgas-Zurückführungseinrichtung umfaßt eine Leitung mit ein oder zwei Ventilen, die von dem Abgasrohr zu der Luftaufnahme der Maschine, dem Vergaser oder zu dem Treibstoffaufnahme-Verteiler führt.
Die Vorrichtung umfaßt gewünschterweise eine Katalysator-Ubertemperaturkontrolle. Dies ist vorgesehen, um den Katalysator in dem Fall zu schützen, daß die Temperatur In der Katalysatorzone Über den normalen Betriebsbereich ansteigt und den Katalysator verschlechtern oder zerstören würde. Diese Einrichtung ist gegenüber der Temperaturfühleinrichtung empfindlich, die die Temperatur in mindestens einer der Katalysatorzonen abfühlt. Die Ubertemperaturkonferöl!einrichtung ist ausgebildet, um das Abkühlen des Abgasstromes vor dem Durchtritt in die erste Katalysatorzone zu bewirken, wenn die in der Katalysatorzone abgefühlte Temperatur über eine vorgewählte Kühlkontrolle-Maximaltempetfatur hinausgeht. Die Einrichtung kann auch
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so ausgebildet sein, um die Kühlung des Stroms abzustellen, wenn die abgefühlte Temperatur unter eine vorgewählte Minimaltemperatur absinkt, welche niedriger ist als die oben angegebene Kühlungskontrolle-Maximaltemperatur.
Die Übertemperaturkontrolle umfaßt vorzugsweise eine gedehnte Rohrschleife, deren beide Enden mit dem Masehinenrohr an getrennten Punkten zwischen dem Abgas-Auspuff-rohr und der ersten Katalysatorzone verbunden sind. Ein oder mehrere Ventile in der Schleife oder dem Masehinenrohr bewirken, daß der Abgasstrom durch die Rohrschleife in Antwort auf die Fließkontrolleinrichtung und die Temperaturabfülleinrichtung abgelenkt wird. Der Abgasstrom wird abgekühlt, indem er durch die Rphrschleife mit indirekten Wärmeaustausch mit der Atmosphäre geleitet wird.
Ein weiteres Merkmal der Vorrichtung umfaßt eine Luftablenkung, um die gesamte Luffc von dem System abzulenken, indem die Luftzufuhr abgestoppt wird oder indem die Luft in die Atmosphäre abgelassen wird, wenn die Temperatur in einem der Katalysator-Betten über ein vorgewähltes Sicherhsitskontroll-Maximum z.B. 9270C hinausgeht0 Dieses Merkmal schützt die Integrität der Vorrichtung und die Sicherheit der Automobile und der Passagiere im Falle einer extremen Überhitzung des Katalysators. D'ies kann vorkommen, wenn die Menge des von der Maschine abgegebenen Kohlenmonoxids hoch ist, was auf schwere Maschinenlastbedingungen zurückzuführen ist. Dies kann auch gelegentlich aufgrund von überschüssigen Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen stattfinden, die in die Katalysator-Betten als Ergebnis eines schlecht funktionierenden Funkens oder Auspuffventils eintreten. Diese Vorrichtung kann auch so aus-
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gebildet sein, um die Ablenkung der Luft weiterzuführen, bis die abgefühlte Temperatur unter ein vorgewähltes Minimum abfällt, welches niedriger als die Sicherheitskontroll-Maximaltemperatur ist.
Eine einfache Luftablenkungseinrichtung umfaßt ein druckempfindliches Entspannungsventil, das an die Atmosphäre abläßt und das mit der Luftzuführungseinrichtung verbunden ist, sowie ein Ventil, das nahe an der Luftzuführung angeordnet ist und das sich schließt und später wieder öffnet entsprechend der Abfühlung der Temperatur.
Im breiteren Sinne stellt die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen durch eine koordinierte programmierte Sequenz von Prozeßstufen zur Verfügung, die entsprechend der Abfühlung von ein oder mehreren vorgewählten Variablen durchgeführt werden. Bei dem Verfahren wird ein Strom des Abgases aus dem Auspuffrohr in Kontakt mit einem ersten Katalysator in eineijersten Katalysatorzone und hierauf in Kontakt mit einem zweiten Katalysator in einer zweiten Katalysatorzone gebracht. Der erste Katalysator ist durch seine Fähigkeit charakterisiert, die Reduktion von Stickoxiden durch Kohlenmonoxid, wenn die Atmosphäre in der ersten Zone eine Redox-Atmosphäre ist, zu katalysieren. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist er auch durch die Fähigkeit charakterisiert, die Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgasstrom, wenn.die Atmosphäre in der ersten Katalysatorzone eine oxidierende Atmosphäre ist, zu katalysieren. Der zweite Katalysator ist durch die Fähigkeit charakterisiert, ' die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen zu katalysieren. Beide Katalysatoren haben vorzugsweise
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niedrige Initial-Aktivierungstemperaturen für die Katalysierung von solchen Reaktionen.
Das Verfahren umfaßt die Abfühlung von mindestens einer , vorgewählten Variablen, beispielsweise der Temperatur in einem Katalysator-Bett oder der Zeit, die seit dem Beginn des Betriebs der Maschine verstrichen ist. Wenn eine abgefühlte Variable weniger als ein vorgewählter Minimal-Zuführungsstrom der zweiten Zone ist, dann wird Luft in den Auspuff in einer genügenden Menge eingeleitet, daß ein Teil des Gesamt-Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in dem Abgasstrom vor der Einführung des Stroms in die erste Katalysator-Zone oxidiert wird. Die Menge der Luft, die in das Auspuffrohr eingeleitet wird, ist weiterhin genügend, um in der ersten Katalysatorzone eine oxidierende Atmosphäre auszubilden. Wenn eine solche Variable über einen vorgewählten Minimalwert hinausgeht, dann wird Luft in den Gasstrom zwischen der ersten und zweiten Katalysatorzone■oder in die zweite Zone in einer genügenden Menge eingeleitet, um in der.zweiten Zone eine oxidierende Atmosphäre auszü« bilden. .
Wenn eine abgefühlte Variable Über einen vorgewählten Minimalwert'-der Auspuffluft-Zuführung hinausgeht, der der gleiche oder größer wie der vorgewählte Minimal-Zuführungswert der Luft der zweiten Zone sein kann, dann wird die Menge der in den Auspuff eingeführten Luft auf eine Menge beschränkt, die genügend ista um in dem Auspuff die thermische Oxidation mindestens eines Teils des Kohlenmonoxids zu oxidieren, das in den Auspuff eintritt, wobei diese Menge jedoch ungenügend ist, um unter Bezug-=
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nähme auf alle beliebigen Hilfs-Reduktionsmittel, die verwendet werden können, die Ausbildung und Aufrechterhaltung einer Redox-Atmosphäre in der ersten Katalysatorzone zu verhindern.
Bei dem Verfahren ist fernerhin gewünschterweise eine Zurückführung eines Teils des Abgasstromes, der von der zweiten Katalysatorzone abgegeben wird, in die Charge zu der Maschine vorgesehen, wenn eine abgefühlte Variable über einen vorgewählten Abgas-Zurückführungs-Minimalwert hinausgeht. Die Menge des behandelten Gases, das so zurückgeführt wird, ist genügend, um die Bildung von Stickoxiden in der Maschine mindestens zum Teil zu unterdrücken. Das zurückgeführte Abgas kann direkt in die Verbrennungskammern auf dem Wege über den Einlaß-.verteiler oder· vorzugsweise indirekt auf dem Wege über den Luftaufnahmeteil des Luftfilters geschehen.
Das Verfahren kann auch die Kühlung des Abgasstromes vor dem Eintritt in die erste Katalysatorzone umfassen. Die Abkühlungszone wird in Abfühlung der Temperatur in einer Katalysatorzone im Überschuß über die vorgewählte Übertemperaturkontrolle-Maximaltemperatur begonnen und wird beendigt* wenn eine solche Temperatur unterhalb einer vorgewählten Minimaltemperatur liegt. Ein solches Minimum kann die gleiche oder eine niedrigere Temperatur sein als die Übertemperaturkontroll-Maximaltemperatur.
Schließlich schließt das Verfahren vorteilhafterweise im' wesentlichen die Reduzierung oder Beendigung der Menge der Luft ein, die in die Katalysatorzonen eingeführt wird und vorzugsweise in den Auspuff, wenn die Temperatur in einer Katalysatorzone über eine vorgewählte Sicherheits-Maximumtemperatur hinausgeht und eine Wiederherstel-
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lung des Luftstroms, wenn eine solche Temperatur unterhalb'einer vorgex'/ählteri'Öicherheits-Minimumtemperatur. abfällt. Ein derartiges Minimum kann die gleiche oder eine niedrigere Temperatur sein als die Sicherheitskontroll-Maximaltemperatur.
Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wurde bestimmt, daß verbesserte Ergebnisse beim Betrieb eines zweistufigen katalytisehen Maschinenabgas-Emissions-Kontrollsystems erhalten w erden können, wenn man eine programmierte Injektion der Luft in das Abgas bei verschiedenen Punkten im Abgasstrom-Fluß-rKreislauf und den variierenden Mengen während verschiedener Perioden (Stufen) des Maschinenbetriebszykiuses durchführt. Die Injektion von Luft in das Maschinenabgas, wie es in den Abgasauspuff aufgetragen wird, dient dazu, um in den Auspuff einen Teil der "Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids, die darin enthalten sind, zu oxidieren, wodurch zwei wichtige Ergebnisse erzielt werden, nämlich ein Teil dieser schädlichen und nachteiligen Komponenten aus dem Abgas eliminiert wird, und wodurch weiterhin das Abgas hinsichtlich seiner Temperatur rascher erhöht wird, was auf die exotherme Oxidationswärme zurückzuführen ist Λχηά auf eine geeignete Betriebstemperatur für die nachfolgende Katalyse geschieht. Hierdurch wird auch eine Oxidierende Atmosphäre in der ersten Zone ausgebildet. Wenn eine betriebbare erhöhte Temperatur erreicht wird, dann verringert oder beendigt die programmierte Einführung der Luft den Luftstrom in den Initial-Abgasstrom, der Von der Maschine abgegeben wird und leitet mindestens einen Teil der Luft in den Abgas-* strom zwischen der ersten Katalysatorzoiie.und der zweiten Katalysatorzone. Bei normalen BetriebsBedingungen setzt sich das resultierende Gemisch von Luft und Abgas in dem zweiten Katalysator-Bett um und im wesentlichen sämtliche . : restlichen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonöxide in dem
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Abgas werden katalytische zu unschädlichen Oxidationsprodukten wie Kohlendioxid und Wasserdampf katalytisch oxidiert.
Die katalytischen Reaktionen sind exotherm, insbesondere die Oxidationen. Es ist bestimmt worden, daß verbesserte Ergebnisse durch ein Verfahren und eine Vorrichtung erhalten werden, die angepaßt sind, um absichtlich das Abgas vor dem Eintritt in das erste Katalysator-Bett während Intervallen abzukühlen, wenn die Konzentration der oxidierbaren schädlichen Komponenten in dem Abgas zunimmt. Diese Intervalle können während des Anlassens der Maschine, wenn die Katalysator-Betten noch heiß sind, während Beschleunigung oder unter schwerer Belastung, beispielsweise bei Durchfahrt eines steilen Grads auftreten. Zusätzlich können längere Intervalle mit einer hohen Konzentration an schädlichen Komponenten in dem Abgas aufgrund von Verschleißerscheinungen der Maschine oder von Misfunktionen von Maschinenteilen, wie des Vergasers oder von einer falschen Anwendungs des Choks, auftreten. Bei solchen Bedingungen kann in den Katalysator-Betten ein stark nachteiliger Anstieg der Temperatur auftreten, der eine Verminderung der- Katalysator-Aktivität bewirkt und die umliegenden Beschläge beschädigt. Diese nachteiligen Effekte können beschnitten oder vermindert werden, wenn man die Temperatur in einer der Katalysator-Betten mißt und wenn man beim Auftreten von überschüssigen Temperaturen den Abgasstrom durch ein Rohr in indirektem Wärmeaustausch mit der umgebenden Atmosphäre umleitet, so daß das Abgas vor dem Eintritt des Abgasstromes in das erste Katalysator-Bett absichtlich abgekühlt wird.
Bei einigen Maschinenbetriebs-Bedingungen, beispielsweise einer hohen Kraftabgabe oder einer hohen Maschinengeschwin-
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digkeit oder einer Beschleunigung oder einer Misfunktion des Funkensteckers kann die Temperatur des Abgases, das von den Abgasöffnungen herrührt, einen überschüssig hohen Wert erreichen, der das Maschinenzubehör, die Katalysatorbetten und die Beschläge beschädigen könnte. Bei solchen Bedingungen sieht das Luftprogramm die Beendigung des Sekundärluftstromes vor.
Die Erfindung bringt viele Vorteile mit sich..Die Oxidation von schädlichen Komponenten in dem Maschinenabgas, beispielsweise von Kohlenwasserstoff-Dämpfen undvon Kohlenmonoxid wird im allgemeinen wirksamer durchgeführt und schneller erzielt. Gewöhnlich wird eine vollständigere Oxidation dieser schädlichen Komponenten in unschädliche Oxidationsprodukte erzielt. Ein weiterer Vorteil ist der, daß das Abgas rascher auf Betriebstemperaturwerte für die Katalyse erhitzt wird und daß so durch die katalytisch© Aktivität der Maschinen-Emissions-Kontrollkatalysator-Betten rascher und innerhalb eines kürzeren Zeitraums nach Anlassen der Maschine erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist der, daß nachteilige Effekte von hohen Temperaturen auf das Katalysator-Bett und auf die andere Einrichtung im allgemeinen wirksam während Intervallen verhindert wird, wenn die Konzentration der oxidierbaren schädlichen Komponenten in dem Abgas hohe Werte erreicht. Ein weiterer Vorteil ist derjenige, daß eine Überhitzung des Emissions-Kontrollsystems die auf überschüssigen Temperaturanstieg des Abgases, bewirkt durch hohe Maschinenbelastungen, zurückzuführen ist-, gewöhnlich verhindert oder beschnitten werden kann, indem eine Ausdehnung des Luftprogramms unter solchen Bedingungen erfolgt, daß die Beendigung des Luftstroms und falls verwendet, gegebenenfalls auch der Abgas-Zurückführung bewirkt wird. Ein v/eiterer Vorteil ist der, daß das System und
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die Vorrichtung leicht hergestellt und installiert werden kann und daß keine manuelle Operation erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist derjenige, daü das System billig ist. Das System der vorliegenden Erfindung ist im Betrieb billig, kompakt in der Größe, niedrig in den Anfangskosten und niedrig in der V/artung. Das System kann auch Katalysator-Zusammensetzungen verwenden, die aus nicht-Edelmetallen bestehen und die nicht als Verschmutzungsstoffe einklassifiziert sind oder dem Leben gegenüber schädlich sind.
Vielleicht der am meisten wichtigste Vorteil der Erfindung ist derjenige, daß eine praktische Einrichtung zur Reduzierung der Luftverschmutzungsstoffe in dem Abgas zur Verfügung gestellt wird, wodurch es möglich gemacht wird, den Richtlinien im Federal Register vom 2. Juli I97I zu genügen, wobei besonders auf die Modelljahr-Automobile von I976 Bezug genommen wird. Zur gleichen Zeit wird es ermöglicht, die derzeit hoch raffinierte Ausgestaltung von Verbrennungskraftmaschinen, die derzeit zum Antrieb von Automobilen verwendet werden, im wesentlichen intakt zu lassen.
Die Systemkomponenten umfassen vorzugsweise eine Luftpumpe oder -pumpen, die durch den Ventilator,-Riemen der Maschinenkurbelwelle angetrieben werden, ein Verteilungs-Luftinjektionsrohr von einer Luftpumpe zur Injizierung der Luft in die Ablaßöffnungen oder den Auspuff der Maschine, eine Übertemperatur-Abkühlungsschleife mit einem Umgehungsrohr und einem Ventil, einen katalytischen Converter mit Einschluß eines ersten Bettes, eines Katalysators, der dazu imstande ist, Stickoxide zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser durch Umsetzung mit reduzierenden Gaskomponenten mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff umzuwandeln, die in der Maschine bei geeigneten Verhältnissen
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Luft zu Treibstoffen gebildet werden, Luftinjektions-. kanälen, um überschüssige Luft einem zweiten Katalysator-Bett zuzuführen, wobei das zweite Katalysator-Bett dazu imstande ist. Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Wasserdampf und Kohlendioxid zu oxidieren, ein Umgehungsventil für die Schaltung eines Teils des behandelten Abgases zu dem Luftfilter oder zu dem Aufnahmeverteiler und Ternperaturkontroll-Einrichtungen, wie Thermopaare in den Betten, um das System und den Abgasstrom während verschiedener Stufen des Betriebszyklus zu kontrollieren.
Die hierin gebrauchte Bezeichnung "Redox-Atmosphäre" (oder Bedingung), ist als eine solche definiert, wo signifikante Mengen, die größer als 1 bis 2 Volumen-^ von reduzierenden Gasen, z.B. Kohlenmonoxid und Wassserstoff) und auch von Sauerstoff vorhanden sind und wo die Konzentration von Sauerstoff ungenügend ist, um die Reduktion von Stickstoffoxiden durch Wasserstoff und/ oder Kohlenmonoxid zu verhindern. Normalerweise verzögert eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas im Überschuß über etwa 2% die Reduktionsgeschwindigkeit der Stickoxide auf einen nicht zufriedenstellenden niedrigen Wert. In einer solchen Redox-Atmosphäre kann ein stöchiometrischer Überschuß von reduzierenden Gasen vorliegen oder nicht. Ein stöchiometrischer Überschuß von reduzierenden Gasen soll bedeuten, daß die Menge der reduzierenden Bestandteile (z.B. Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe) in dem Abgas über die Menge hinausgeht, die stöchiometrisch zur Umsetzung mit dem Sauerstoff und dem Stickstoffoxid erforderlich ist. .
Die hierin gebrauchte Bezeichnung "oxidierende Atmosphäre" (oder Bedingung) ist eine solche, wo ein erheblicher Überschuß im allgemeinen von etwa 2% oder mehr
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Sauerstoff im Überschuß über die Sauerstoffmenge vorliegt., die zusammen mit vorhandenen Stickoxiden stöchiometrisch erforderlich ist, um die oxidierbaren Bestandteile zu oxidieren, z.B. Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und teilweise oxidierte Kohlenwasserstoffe.
Die Definition der Redox-Atmosphäre umfaßi^aie Tatsache, daß während des Betriebs nachdem die Menge der Luft, die eingeführt wurde in Beantwortung zu dem System, das über den Auspuff-Luftzuführungs-Minimalwert hinausgeht, das Gas, das in die erste Zone eintritt, etwa Sauerstoff enthalten kann, was vorzugsweise der Fall ist, und daß die Menge des Sauerstoffs ausreichend ist, um einen stöchiometrischen Mangel an reduzierenden Gasen zu bewirken. Bei Verwendung der -Katalysatortypen der Beispiele 1, 2 und 4 und wahrscheinlich bei anderen Katalysatortypen setzt sich ein Teil des Sauerstoffs, der in die erste Zone während einer solchen Betriebsweise eintritt mit dem Kohlenmonoxid um, während in der gleichen Zone vermutlich andere Kohlenmonoxid-Moleküle sich mit den Stickoxiden umsetzen und diese chemisch reduzieren. Die Gegenwart von etwa Sauerstoff in der ersten Zone scheint die Menge von Stickstoffoxiden in dem behandelten Abgas, das aus dem System abgelassen wird, zu vermindern. Die Konzentration des Sauerstoffs sollte jedoch begrenzt werden, da vermutlich überschüssige Sauerstoff-Konzentrationen die Geschwindigkeit der Um- ■ Setzung von Stickoxiden auf einen unzufriedenstellend niedrigen Wert vermindern.
Es ist vorzuziehen, Luft nicht in die zweite Katalysator-Zone einzuleiten bis der vorgewählte Zufuhr-Minirnalwert für die zweite Zone erzielt worden ist, v/eil eine vor-
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zeitige Einführung von Luft die Geschwindigkeit der Zunahme der Temperatur des Katalysators in der zweiten Zone verlängert, was auf den Abkühlungseffekt der Luft zurückzuführen ist. Es liegt jedoch im Rahmen dieser Erfindung,in die zweite Zone vor der Erreichung des Minimal-Zuführungswertes für die zweite Zone einen geringeren Teil der Luftmenge, die durch dieses System eingeführt worden ist, in die zweite Zone einzuleiten, nachdem ein solcher Wert erzielt worden ist. Gleichermaßen ist es nicht vorzuziehen, die Zurüekführung des behandelten Auspuffgases zu beginnen, bis der Zurückführ ungs -Minimalwert des Abgases erzielt worden ist, da ' eine derartige Verfahrensweise dazu neigt, die Menge von Kohlenmonoxid zu erhöhen, welche durch die Maschine ge-' bildet wird und die Temperatur der Gase, die von der Maschine abgegeben werden/ zu erniedrigen. Es würde jedoch im -Rahmen der Erfindung liegen, vor der Erzielung- des Zurückführungs-Minimalwertes des Abgases einen geringeren Teil (z.B.. einen Anzapfstrom) derjenigen Menge zurückzuführen, die durch das System zurüekgeführt wird, nachdem ein solcher Wert erzielt worden ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Pig.. IA ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Luft in den Auspuff und in die zweite Katalysatorzone in einer kooperativ programmierten Sequenz eingeführt wird und bei welcher das System gegenüber der Tem-' peratur antwortet, die in der zweiten Katalysatorzone abgefühlt wird.
Pig. IB ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Vergasers im Aufriß. ·"■ .
Fig. 1 C ein schematisches Diagramm einer weiteren Aus-
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führungsform der Erfindung, bei welcher eine kooperativ programmierte Sequenz von Luft in den Auspuff und in eine zweite Katalysatorzone eingeführt wird und das behandelte Abgas in den Aufnahmefilter für die Primärluft eingeführt wird, wobei das System gegenüber der Temperatur empfindlich ist, die in zwei Katalysator-.zonen abgefühlt wird.
Fig. ID ein schematisches Diagramm eines elektrischen Kontrollkreises für die Vorrichtung der Fig. IC.
Fig. 2A ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2B ein sehematisches Diagramm eines Kontrollkreises für die Vorrichtung der Fig. 2A.
Fig. 2C ein schematisches Diagramm eines derzeit bevorzugten pneumatischen elektrischen Kontrollkreises für eine Modifikation der Vorrichtung der S1Ig. 2A, und
Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehungen der Aktivität der zwei Katalysatoren gemessen durch die prozentuale Umwandlung der schädlichen Bestandteile als Funktion der Temperatur angibt und das auch die Wirkung auf die Umwandlung von verschiedenen Raumgeschwindigkeiten zeigt.
Eine Ausführungsform der Erfindung, die die programmierte Einführung von Luft in die Vorrichtung vorsieht, ist in Fig. IA aufgezeigt. Die Vorrichtung ist zur Verwendung für eine Verbrennungskraftmaschine lol bestimmt. Diese Maschine kann stationär sein oder auf einem bewegenden Vehikel, wie einem Automobil, einem Bus oder einem Lastwagen montiert sein. Typischerweise ist die Maschine lol eine benzinverbrennende Verbrennungskraftmaschine, die
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auf ein Automobil-Chassis montiert ist.
Die Maschine lol ist mit einem Luftfilter Io2 mit einem Einlaß Io3 für die Primärluft, einem Vergaser Io4 zum Vermischen von Treibstoff und Primärluft, Treibstoffzuführungseinrichtungen für die Einführung des Treibstoffs in den Vergaser durch die Treibstofflinie Io5 und ein oder mehr (nicht gezeigten) Verbrennungskammern und (nicht gezeigten) Abgasöffnungen versehen, die mit den Verbrennungskammern verbunden sind und durch welche das Abgas austritt. Die Maschine besitzt auch mindestens einen Auspuff I06, der für^Öi-e Sammlung des Abgases von den Abgasöffnungen angepaßt ist.
Zwischen dem Luftfilter Io2 und dem (nicht gezeigten) Einlaßverteiler der Verbrennungskammern der Maschine lol ist ein Vergaser Io4 vorgesehen. Die Leitung Io7 verbindet das Luftfilter Io2 mit dem Vergaser Io4. Die Leitung Io8 verbindet den Vergaser mit dem Einlaßverteiler.
Die Fig. IB zeigt einen Vergaser Io4, der eine Venturi-Zone Io9, ein Nadelventil Ho, das in der Treibstoffeinlaßleitung Io5 vorgesehen ist, ein Vergaser-Chokventil 111, eine Umgehungsleitung 112, um den Durchtritt einer beschränkten Menge von Luft, um den Chok 111 zu ermöglichen, und ein Drosselventil 115 umfaßt.
Beim Betrieb saugt die Venturi-Zone Io9 ües Vergasers Treibstoff durch die Leitung Io5 und ein Nadelventil Ho an und'vermischt den Treibstoff mit Primärluft, die durch die Leitung Io7 angezogen wird. Der Vergaser-Chok Io4 ist mit Chokeinrichtungen 111 versehen, urn den Durchtritt der Luft in den Vergaser teilweise zu beschränken, wodurch ein reicheres (d.h. niedrigeres) Verhältnis von Primärluft-
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zu Treibstoff erzielt wird, wenn die Maschine angelassen wird. Der Chok ist typischerweise gegenüber der Temperatur des Kühlwassers der Maschine oder dem Metall des Maschinenblocks oder der Temperatur des Abgases empfindlich und wird völlig geöffnet, wenn die Temperatur auf ein vorgewähltes Minimum ansteigt. Um die Emission aus dem System von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu ainimalisieren ist es erwünscht, daß sich der Chok so rasch wie möglich nach Start der Maschine öffnet. Ein Drosselventil 112 wird verwendet, um die Menge der Primärluft und des Treibstoffs, die in die Maschine eingeführt wird, zu kontrollieren und auf diese Weise die durch die Maschine entwickelte Kraft zu kontrollieren.
Die Konstruktion einer solchen Maschine und der angeschlossenen Teile ist an sich bekannt. Das gleiche gilt für ihre Wirkungsweise.
Wenn die erste Katalysatorzone bei Redox-Bedingungen arbeitet, dann sollte die Verbrennungskraftmaschine derart betrieben werden, daß das Abgas von den Verbrennungskammern stöehiometriseh eine reduzierende Atmosphäre darstellt. Bei einem herkömmlichen Automobilmotor sollte das normale Verhältnis (d.h. bei offenem Chok)von Primärluft zu Treibstoff der Maschine nicht über etwa 15 bis 16 hinausgehen und beispielsweise im Bereich von etwa 12 bis 15 und vorzugsweise im Bereich von etwa 12 bis 14 1/2 liegen. Diese Verhältnisse sind nach Berücksichtigung des Effekts der Menge, wenn vorhanden, unter Zusammensetzung des Abgases, das in die Maschine zurückgeführt wird. Dies ist deswegen, weil das Abgas von einer Maschine bei einer normalen Betriebstemperatur, aber einem höheren Verhältnis von Primärluft zu Treibstoff, einen derartigen Prozentgehalt von gasförmigem Sauerstoff besitzt, daß eine
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Re'dox-Atmosphäre in einer hierin beschriebenen ersten Katalysatorzone nicht ausgebildet und aufrechterhalten werden kann.
Als Alternative zur Einstellung des Verhältnisses Primär luft zu Treibstoff in dem oben angegebenen Bereich kann in den Abgasstrom vor der ersten Katalysatorzone ein HiIfs-Reduktionsmittel eingeführt werden! In einem solchen Falle kann das Verhältnis oberhalb eines solchen Bereichs z.B. von 17 bis 18 : 1 liegen, wie es typischerweise für Dieselmotoren verwendet wird«, Das Reduktionsmittel kann ein Kohlenwasserstoff (z.B. Pro-' pan oder Benzin) oder Kohlenmonoxid sein. Die auf diese Weise eingeführte Menge ist mindestens ausreichend, um · in der ersten Zone eine Redox-Atmosphäre auszubilden.
Die in Fig. IA abgebildete Vorrichtung umfaßt eine Luftzuführungs-Einrichtung 114, die eine positive Verschiebungsluftpumpe 1.15 einschließt, welche eine Lufteinlaßleitung 116 besitzt und die die Luft durch den Auslaß 117 abgibt. Die Luftpumpe 115 wird von der Kurbelwelle der Maschine lol durch ein Riemenscheiben- und Riemensystem angetrieben, das demjenigen ähnlich istfl das zum Antrieb der typischen elektrischen Generatoren in solchen Maschinen lol verwendet wird*
Die Vorrichtung schließt weiterhin, eine erste Katalysatorzone 118 ein, die mit einem ersten Katalysator II9"beschickt ist. Eine zweite Katalysaforzone 12o enthält den ■-,-'-zweiten Katalysator 121. Die Katalysatoren 119 und 121 \ werden an anderer Stelle hierin beschrieben« Diese Katalysatoren sind in ihren jeweiligen Zonen II8 und 12o in einer solchen Weise angeordnet«, daß das Abgas den Katalysator berührt. Die Katalysatorzonen HS und 12o können in getrennten Behältern die manchmal katalytische Reaktoren
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genannt werden, enthalten sein oder sie können beide in den Grenzen eines einzigen Reaktors enthalten sein.
Die Masse des Katalysators in einer oder in beiden Zonen 118 und 12o kann in der Form von dreidimensionalen geradlinigen Gestalten vorliegen, wobei die Achse der kürzesten Abmessung vertikal horizontal oder gegen die Horizontale geneigt sein kann. Alternativ können die Katalysator-Betten auch in Form von zylindrischen oder konischen Ringräumen vorliegen. Eine bevorzugte Anordnung besteht aus zwei ringförmigen Katalysator-Betten, die konzentrisch angeordnet sind, wobei das zweite Bett nach außen gelagert ist und sich mit dem ersten Katalysator-Bett mindestens teilweise überlappt.
Das Maschinenrohr 122 verbindet das Auspuffrohr I06 mit der ersten Zone 1-18 beim Einlaß 12j5. Zur Minimalisierung eines Wärmeverlustes, wenn die Katalysatoren kalt sind, sollten die Katalysatorzonen 118 und 12o nahe an dem Auspuff Io6 angeordnet sein, so daß die Auspuffarme Io6a, Io6b und das Maschinen-rohr 122 kurz sein sollte.
Die Katalysatorzonen 118 und 12o sind durch einen Kanal 124, 125 miteinander verbunden. Eine Abgabeleitung 126 leitet das behandelte Abgas von der zweiten Katalysatorzone 12o in die Atmosphäre.
Eine Luftverteiler-Zuführungseinrichtung umfaßt eine Verteiler-Luftleitung 127 mit einem Verteiler-Luftventil 128, das Luft Jn den Auspuff Io6 durch die Auspuff-Luftleitungsarme 127a, 127b leitet. Die Leitungsarme 127a, 127b sind so ausgebildet, um Luft in den Auspuff an einem oder mehreren Punkten genügend nahe an den Abgasöffnungen der Verbrennungskammern einzuführen.» um die Vermischung
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der Luft mit den abgelassenen Gasen von den Öffnungen zu gestatten, bevor die Temperatur des Gases unterhalb die Temperatur absinkt, die für die Oxidation eines Teils des gesamten Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe erforderlich ist, welche in dem Gas vor dem Eintritt in die erste Katalysatorzone enthalten sind, Kormalerweise leiten die Leitungsarrae 127a, 127b die Luft in den Auspuff direkt gegenüber den einzelnen AbgasoTfnungen ein. Alternativ können die Leitungsarme 127a, 127b in den Auspuff Io6 vorspringen und direkt angrenzend an jede Abgasöffnung enden. Bei einer weiteren Alternativ-Ausführungsform können die Leitungsarme 127 a» 127b Luftkanäle umfassen, die im Inneren des Mofcorblocks angeordnet sind und die angrenzend an die Abgasöffnungen enden.
Eine LuftZuführungs-Einrichtung für die zweite Zone schließt eine Leitung 129 ein.» welche den Luftpumpenauslaß 117 mit dem Kanal 124,125 an der Stelle 13o verbindet. Das Luftzuführungsventil IJl für die zweite Zone ' ist in deyljuftzuführungsleitung 129 angeordnet„
Bei den in Pig. IA dargestellten Ausführungsform umfaßt eine variable Abfühlungseinrichtung I32 eine Temperaturabfühlungseinrichtung 133 beispielsweise ein -Thermopaar 13^ä das in dem zweiten Katalysator-Bett 121 angeordnet ist. Das Thermopaar 13^ übermittelt ein elektrisches Signal durch Drähte 135 zu einer Ventil-Kontrolleinrichtung 136, die ihrerseits Signale durch die Leitung 137 zn einem Luftzuführungsventil I3I für die zweite Zone und durch die Leitung I38 zu dem Luftzuführungsventil 128 für den Verteiler übermittelt»
Die variablen Abfühlungseinriehtungen 132 umfassen ge-
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gebenenfalls Indikatoreinrichtungen 139.» beispielsweise ein Thermometer 14ο, das auf dem Instrumentenbrett eines Automobils angeordnet sein kann.
Die Vorrichtung kann weiterhin gegebenenfalls eine Druckminderungseinrichtung l4l einschließen, die pneumatisch mit dem Luftpumpenauslaß 117 verbunden ist. Sie umfaßt ein Druckminderungsventil l42^ das mit einem Druckmess-Diaphragrna l4j5j das mit einer Feder beladen ist und einer Auslaßleitung 144 verbunden ist. Die Druckminderungseinrichtung 1hl halt das Druckminderungsveritil l42 während des gesamten normalen Betriebs des Systems geschlossen und öffnet das Ventil 142 irn Falle des Durchtritts von Luft durch die Verteilerleitung 127 und der Blockierung der Luftzuführungsleitung 129 für die zweite Zone.
Nachfolgend wird der Betrieb der Maschine und der angeschlossenen Vorrichtung beschrieben. V/enn die Maschine lol ihren Betrieb beginnt, dann wird primäre Verbrennungsluft durch den Einlaß lop und das Luftfilter Io2 und den Vergaser loh angesaugt. Die Luft fließt nach unten von dem Filter Ioj5 durch den Vergaser Io4, wo sie sich mit dem Treibstoff von der Leitung Io5 vermischt. Das resultierende verbrennbare Gemisch strömt in den Maschinenaufnähmeverteiler, der nicht gezeigt ist, und hierauf in die Verbrennungszylinder. Die Verbrennung des Treibstoffs in den Maschinenzylindern bildet verwertbare Energie und einen Abgasstrom, der schädliche Komponenten mit Einschluß von Stickstoffoxiden,unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid enthält. Das von den Verbrennungszylindern durch die Abgasöffnungen abgegebene Gas wird In dem Auspuff Io6 gesammelt.
Der Abgasstrom strömt durch die Av.spuffarme Io6a, Io6b in das Maschinenrohr 122 und hierauf nacheinander in der
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Zone Il8 durch das Katalysator-Bett II9 durch den Kanal 124, 125 in die Zone 12o durch das Katalysator-Bett 121 und tritt aus dem System durch die Abgabeleitung 126 aus.
Vor dem Start der Maschine ist die Ventil-Kontrolleinrichtung 136 inaktiv und das Luftzuführungsventil 128 für den Verteiler und das Luftzuführungs-Ventil I3I für die zweite Zone sind geöffnet. Die Ventil-Kontrolleinrichtung 136 wird aktiviert, wenn die Maschine ihren Betrieb beginnt.
Wenn die Maschine gestartet wird und die durch das Thermopaar 134 in der zweiten Katalysatorzone abgefühlte Temperatur unterhalb eines vorgewählten Zuführungswertes für die Luft in die zweite Zone liegt, dann bewirkt die Ventil-Kontrolleinrichtiung I36 , daß das Zuführungs-Ventil 131 für die Luft in die zweite Zone schließt.
Eine Luftpumpe II5 beginnt gleichfalls ihren Betrieb, wenn die Maschine ihren Betrieb beginnt. Luft, die in die Luftpumpe II5 eingeführt wird, wird durch den Auslaß 117 abgegeben. Während des Anfangsbetriebs der Maschine bei niedrigen Abgastemperaturen strömt die gesamte Luft durch die Verteiler-Luftleitung 127 durch das vollkommen offene Ventil 128 und die Leitungsarme 127a, 127b' in den Auspuff Io6. Ein abwechselnder Luftstrom während der Anfangsstufe des Maschinenbetriebs durch die Leitung 129 wird·verhindert, indem das Ventil I3I geschlossen wird und das Abblasen der Luft wird dur*ch eine Druckmesseinrichtung 143 vermieden, die das Entspannungsventil 142. bei einem niedrigen Luftdruckwert schließt, -der während des normalen Betriebs des Systems vorherrscht.
Die Menge der Luft, die in den Auspuff I06 eingeführt wird,
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wenn das Ventil 13>1 geschlossen ist, geht vorzugsweise nicht über diejenige stöchiometrisehe Menge hinaus, die erforderlich ist, um das gesamte Kohlenmonoxid und die gesamten unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, die in den Auspuff eintreten.
Der Zweck ist drei-fach: Einen Teil der Verschrautzuncsstoffe durch thermische Oxidation zu eliminieren, eine weitere Wärmemenge von der exothermen Oxidationsreaktion für das rasche Erhitzen der Katalysatoren 119 in der ersten Zone auf die Aktivierungstemper*atur zu erhalten und genügend Sauerstoff zur Verfügung zu haben, um in der ersten Zone 118 eine oxidierende Atmosphäre auszubilden, so daß wenn der Teil des ersten Katalysator.1 119 in dem Vorderteil der Zone HO seine Anfangsaktivierungsternperatur erreicht, er die Oxidation von mehr Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen katalysiert, wodurch diese Verschmutzungsstoffe v/eiter eliminiert werden und mehr Wärme gebildet wird, um das Erhitzen des gesamten Bettes des Katalysators 119 und des zweiten Katalysators 121 zu der vorgewählten Minimaltemperatur für die Luftzuführung in die zweite Zone zu erhitzen. Obgleich der Durchtritt des Abgasstromes ohne eine thermische Oxidation durch das Maschinenrohr und durch die Katalysatorzonen zu einem Anstieg der Temperatur der Katalysatoren II9 und 121 und der Struktur, die die Zonen HS und 121 enthält, führt, wird die Zeit nach dem Start der Maschine bis zur Erreichung der Initial-Akt ivierungste/nperaturen der Katalysatoren durch die weitere Wärmemenge reduziert, die durch die exotherme Oxidation erhalten wird, welche stattfindet, bevor der Gasstrom in die Zone II8 eintritt.
Als Alternative kann Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichertes Gas mit Vorteil anstelle der Luft für die 209844/0780
Einführung in den Auspuff während des Anfangsbetriebs der Haselline verwendet werden, bevor die Luft in die zweite Zone eingeführt wird.
Wenn die Temperatur, die durch das Therrnopaar Ij4 ab~ pjefühlt wird, einen vorgewählten Minimalwert für die Luftzuführung in die zweite Zone erreicht, dann bewirkt die Ventilkontrolleinrichtung I3O die Öffnung des Luftzuführungs-Ventils Ij51 in die zweite Zone, wodurch die Einführung von Luft durch die Leitung 129 und den Kanal 12^,125 in die Zone 12o gestattet wird*. Das \?"erteiler-Luft2uführungs-Ventil 128 bleibt offen. Hierdurch wird der Bruchteil der Luft vermindert, die durch die Pumpe 115 zugeführt wird und die in den Auspuff I06 eingeführt wird.
Die Menge der in die zvfeite Zone 12o eingeführten Luft liegt im Überschuß über die stöchiometrische Menge, die zur Oxidation.des gesamten Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die in die Zone 12o ' eintreten, erforderlich ist. Sie-liegt vorzugsweise erheblich im Überschuß z.B. um J>o% vor. Die Menge der Luft, die nun dem Auspuff Ιοβ zugeführt wird, ist ausreichend, um einen Teil des gesamten Kohlenmonoxids und/ler Kohlenwasserstoffe, die in den Auspuff eintreten zu oxidieren, ist aber nicht genügend, um nach dem eine thermische Oxidation vor der Zone II8 stattgefunden hat, genügend Sauerstoff zur Verfugung zu stellen, um die Ausbildung und die Aufrechterhaltung einer. Redox-Atmosphäre· in der Zone,, zu verhindern, wodurch di,e katalysierte .Reduktion von Stickstoffoxiden, die in die Zone II8 eintreten, durch Kohlenmonoxid gestattet wird. Diesen Bedingungen wird genügt, wenn das Verhältnis der,Luft, die in die zweite Zone 12o eingeführt wird, zu der Luft, die in den Auspuff 106 ein-
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geführt wird im Bereich von Jo : J>o bis 95 '· 5* vorzugsweise von etwa 8o : 2o bis 9° J Io liegt« Die Maschine sollte bei einem solchen Verhältnis von Primärluft au Treibstoff betrieben werden, das an Treibstoff genügend reich ist, daß ein Abgas produziert wird, welches eine reduzierende Atmosphäre ist. Für diesen Zweck ist ein Verhältnis Primärluft zu Treibstoff im Bereich von etwa 12 bis 15, vorzugsweise etwa 13 bis 14, geeignet. Alternativ, wenn ein sauberes Verhältnis verwendet werden soll, kann in die erste Zone ein Hilfs-Reduktionsmittel wie Kohlenmonoxid eingeführt werden, um eine Redox-Atmosphäre zu gewährleisten.
Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen wird die relative Verhältnismenge der Luft in den Auspuff Io6 und in die zweite Katalysatorzone 12o nach den bekannten Prinzipien von Gasströmungs-Erscheinungen bestimmt. Diese umfassen im weiten Sinne die Geschwindigkeit der jeweils zugeführten Luft, die Konfiguration der Leitungen, durch welche die Luft strömt und insbesondere die Druclcunterschiede zwischen (a) dem Luftpurnpenaus laß 117 und dem Auspuff Io6 und der Zone 12o und insbesondere irgendwelchen Einschnürungen in solchen Leitungen, z.B. in den Ventilen 128 und IJl und (b) den Auslaßenden der Leitungen 127a, 127b und 129. Die Einrichtung kann so ausgebildet sein, daß jede beliebige gewünschte Gesamtaufteilung der Luft in den Auspuff undin.die zweite Katalysatorzone erhalten wird, wobei die Tatsache in Betracht gezogen wird, daß die Betriebsbedingungen einer Maschine stark variieren, daß es nicht notwendig ist, daß die Luftzuführung konstant zu allen Zeitpunkten bleibt, wenn Luft sowohl zu dem Auspuff Io6 als auch zu der zweiten Katalysatorzone 12o geführt wird. Weiterhin können zwei getrennte Quellen von Luft für den
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Auspuff und die zweite Zone verwendet werden, z.B. zv/ei Luftpumpen, wobei die eine Luft nur in den Auspuff einführt und die andere" die Luft nur in die zweite Zone einführt. Dies gestattet eine präzisere Kontrolle der Luftmenge, die in jede Stelle eingeführt wird, ist aber teurer.
In dem Pail, daß die Maschine gestartet wird, wenn die Temperatur in der Katalysatorzone 12o, die durch das Thermopaar Ij5^ abgefühlt wird, über den oben angegebenen vorgelegten Minimalwert hinausgeht, öffnet die. Ventil-Kontrolleinrichtung' 1J>6 das .Luftzuführungsventil ' 128 für den Auspuff wie zuvor bei einer kalten Maschine, betätigt aber in dieser Situation gleichfalls die Öffnung des Luftzuführungsventils I3I für die zweite Zone. Somit werden, sobald der Maschinenbetrieb begonnen worden ist, wenn das zweite Katalysator-Bett heiß ist, etwa 2o$ der Luft in den Auspuff I06 eingeführt und etwa 80% werden durch die Leitung 129 in die zweite Katalysatorzone 12o eingeleitet.
Die Pig. IC zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist derjenigen der Fig. IA ähnlich und unterscheidet sich davon, daß eine Temperatur- Abfühlungs einrichtung eingeschlossen ist, die in dem Katalysator-Bett in der ersten Katalysatorzone angeordnet ist und daß Einrichtungen eingeschlossen sind, um einen Teil des behandelten Abgases zu der Luftaufnahme-Einrichtung der Maschine in einer kooperativ programmierten Beziehung zu der Temperatur des ersten Katalysator-Bettes zurückzuführen.
Die Einrichtung l45 zur Zurückführung des Abgases umfaßt eine Abgas-Zurückführungsleitung 146, die an einem Ende
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mit der Abgabeleitung 126 für das behandelte Gas und an dem anderen Ende mit dem Luftfilter Io2 verbunden ist. Das Zurückführungs-Ventil 147 für das Abgas ist in einer Leitung 146 angeordnet und ist so ausgebildet, daß es wenn es offen ist, den Durchtritt eines Teils des behandelten Gases, das aus der Zone 12o durch die Leitung 146 abgegeben worden ist, in die Aufnahme des Vergasers Io4 gestattet.
Bei dieser Ausfuhrungsform umfaßt die variable Abfühlungseinrichtung ein Thermopaar 1Λ8, das in dem Katalysator-Bett 119 in der Zone 118 angeordnet ist. Das Thermopaar 148 übermittelt ein elektrisches Signal durch die Leitungsdrähte 149 zu der Ventil-Kontrolleinrichtung 15o, um das Abgas-Zurückführungsventil 14? durch die Signalleitung I5I in Beantwortung einer Temperatur im Überschuß über das vorgewählte Minimum zu kontrollieren, welche dux"ch das Thermopaar 148 abgefühlt wird. In dieser Ausführungsform umfaßt die Ventil-Kontrolleinrichtung 150 zwei Monosatz-Punkt-Thermopaar-Relais, wie sie im Zusammenhang mit Pig. ID besprochen wurden. Ein (nicht gezeigtes, aber dem Element l4o ähnliches) Temperaturanzeige-Element kann gegebenenfalls mit den Thermopaar-Leitungsdrähten 149 elektrisch verbunden sein.
In der Abgabeleitung 126 für · das behandelte Gas ist ein herkömmlicher Resonator I52 angeordnet. Er dient dazu, um-einen gewissen Rückdruck auf das behandelte Gas in der Abgabeleitung 126 aufrecht zu erhalten. Die Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines gewissen Rückdrucks ist willkürlich.
Der Betrieb der in Fig. IC dargestellten Ausführungsform ist ähnlich desjenigen der Vorrichtung gemäß Fig. IA,
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aber mit den folgenden Unterschieden* Wenn man eine Situation annimmt, bei welcher die Katalysatoren in den Zonen Il8 und 12o unterhalb den vorgewählten Minimalternperaturen für die Katalysator-Betten in ■ jeder Zone (d4h, die Minimaltemperatur für die Luft-Zuführung in die zweite Zone anwendbar and as Thermopaar 1;>4 in der zweiten Zone und die vorgewählte Minimaltemperatur für die Zurückführung des Abgases anwendbar an das Thermopaar 148 in der Zone 118) liegt, dann wird, wenn der Betrieb der Haschine beginnt, das Zurückführungsventil 147 geschlossen. Wie zuvor wird das Luft zuführungsvent11 128 für den Auspuff geöffnet und das Luftzuführungsventil IJl für die zweite Zone wird geschlossen. Die öffnung des Luftzuführungsventils 131 für die zweite Zone und der Luftstrom zu dem Auspuff I06 und der zweiten Katalysatorzone 12o in1 Beantwortung der Temperatur, die durch das Thermopaar : 134 abgefühlt wird, ist die gleiche wie im Hinblick auf Pig. IA beschrieben. Zusätzlich und weiterhin in Zusammenhang" mit Pig. ID beschrieben, wirkt, wem die Temperatur, die in der zweiten Zone 12o durch ein Therrnopatir 1^4 abgefühlt wird, eine vorgewählte Luft zuführungs-Minimalteinperatur für den Auspuff erreicht, die. höher ist als das Zuführungsminimum für die Luft in die zweite Zone die Ventil-Kontrolleinrichtung 15o, um das Zuführungs-Ventil 128 für die Luft in den Auspuff zu schließen. Durch eine geeignete Gestaltung kann das Ventil einen gewissen Durchtritt der Luft gestatten, selbst wenn es vollkommen geschlossen ist. Somit wird die Menge der Luft zu dem Auspuff Ιοβ weiter reduziert. * , ' '-
Wenn die durch das Thermopaar 148 abgefühlte Temperatur:.-die vorgewählte Abgas-Zurückführungs-Minimaltemperatur. erreicht und übersteigt, dann öffnet .das Thermopaar-Relais
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das Ventil l47> indem ein Signal durch die Leitung 151 übermittelt wird. Dies gestattet den Durchtritt durch die Leitung l4o eines Teils des behandelten Zurückführungsgases, das von der zweiten Zone 12o durch die Leitimg 126 strömt. Die Zur-üekführungs-Gas-Einrichtung 145 ist so ausgebildet, um, wenn das Ventil l47 offen ist, den Durchtritt von genügend behandeltem Abgas zu gestatten, das mindestens teilweise d.ie Bildung von Stickstoffoxiden in den Verbrennungskammern der Maschine unterdrückt wird. Typischerweise liegt die Menge im Dereich von etwa 5 bis etwa 2c$, vorzugsweise etwa lo'fo (Volumen) des kombinierten zurückgeführten Abgases und der Primärluft, die in die Maschine durch das Luftfilter Io2 eingeleitet wird. Ein Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß eine geringere Abgaszurückführung erforderlich ist, im Verhältnis zu anderen Systemen, um die Menge (ausgedrückt als Gramm je gefahrener Meile) von Stickstoffoxiden in dem behandelten Gas, das an die Atmosphäre durch die Leitung abgegeben wird, auf annehmbare Mengen zu vermindern.
Es ist vorteilhaft, das zurückgeführte Abgas in die Charge zu der Maschine an einer Stelle oberhalb der Drosselplatte des Vergasers, wie in Fig. IC gezeigt, einzuführen. Wenn es in das Luftfilter eingeführt wird, dann verdrängt 1 Volumen des zurückgeführten Abgases 1 Volumen von Primärluft. Das zurückgeführte Abgas kann jedoch an einer Stelle unterhalb der Drosselplatte, z.B. in den Aufnahmeverteiler, eingeleitet v/erden. Dies erfordert eine kompliziertere Einrichtung zur Kontrolle über die Menge der Abgas-Zurückführung, was auf den Einfluß des Aufnähmeverteiler-Vakuums, insbesondere im Leerlauf der Maschine, zurückzuführen ist.
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Die Ausbildung der Abgas-Zurückführungseinrichtung um den Durchtritt der gewünschten Menge des behandelten Abgases zu gestatten, kann durch Routineversuche bestimmt oder nach den bekannten Ingenieurmethoden berechnet werden, wobei die Geschwindigkeit des zurückgeführten behandelten Abgases,der Durchmesser und die Länge der Leitung 146, Einschnürung in den Leitungen wie das Ventil 147- und der Druckunterschied zwischen der Abgabeleitung 126 und dem Eintritt in das Luftfilter in Betracht gezogen i/erden.
Im Falle, daß die Maschine gestartet wird, wenn." die Temperatur in der ersten Katalysatorzone oberhalb der vorgewählten Abgas-Zurückführungs-Minimaltemperatur liegt, und wenn die Temperatur in der zweiten Katalysatorzone 12o oberhalb der vorgewählten' Minimal-Luftsuführungstemperatur in die zweite Zone liegt, dann öffnen konkurrieren sich beim Start des Betriebs das Zurüekführungs-Ventil l4rf und das Zuführungsventil Ij31 für die zweite- Zone, sowie Auspuff-Luftzuführungs-Ventil 128.
Es kann eine Situation auftreten, bei welcher- die Temperatur des Katalysators 119 in der Zone Il8 unterhalb der vorgewählten minimalen Abgas-Zurückführungstemperatur liegt, v/ob ei aber die Temperatur der Zone 12o oberhalb der vorgewählten Luftzuführungstemperatur für die zweite Zone liegt. Diese Situation kann auftreten, wenn die Maschine und die angeschlossene Vorrichtung- mehrere Stunden lang gestanden sind, wenn jedoch die Katalysator-Betten noch nicht Umgebungstemperaturen erreicht haben. In einer solchen Situation öffnen sich die Ventile 128 und 131 zusammen mit dem Start der Maschine und das Zurüekführungs ventil l47 öffnet sich, nachdem die Temperatur, die durch das Thermopaar 148 und der Katalysatorzone 118 abgefühlt worden ist über die vorgewählte Abgas-Zu-
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rückführungs-Minimaltemperatur hinausgeht.
Eine umgekehrte Situation kann auftreten, wenn die Temperatur, die durch das Thermopaar l43 abgefühlt wird, oberhalb der Abgas-Zurückfülirungs-Minimaltemperatur liegt, während die Temperaturen der zweiten Zone 12o unterhalb der vorgewählten Minimal-Luftzuführungstemperatur für die zweite Zone liegt. Dies kann auftreten, wenn die Maschine nur wenige Minuten vor dem Abschalten betrieben wird, wobei die Zone 118, aber nicht die Zone 12o sich erhitzen gelassen wird und wenn hierauf kurz danach wiederum gestartet wird. Diese Situation kann auch in dem Fall vorkommen, daß die vorgewählte Abgas-Zurückführungs-Minimaltemperatur unterhalb der vorgewählten Luft-Zuführungs-Minimalternperatur für die zweite Zone liegt. In jedem Falle werden in einer solchen Situation das Auspuff-Luftzuführungs-Ventil 128 und das Zurückfuhrungs-Ventil 14-7 gleichzeitig mit dem Start des Betriebs der Maschine geöffnet und das Ventil IJl wird geöffnet, nachdem die Temperatur, die durch das Thermopaar 13>4 abgefühlt worden ist, über die vorgewählte Minimaltemperatur für die Luftzuführung in die zweite Zone hinausgeht.
Das in Fig. IC abgebildete Abgas-Zurückführungsmerkmal kann mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die nur eine einzige Temperatur-Abfühlungseinrichtung enthält, und zwar entweder ein Thermopaar Ij54, angeordnet in der zweiten Zone 121O oder ein Thermopaar 148, angeordnet in der Zone 119. Bei einer solchen alternativen Ausführungsform werden, wenn das Ventil aus einem Monosatz-Punkt-Therrnopaar-Relais, das eine Kapazität hat, um in Beantwortung auf nur einen einzigen vorgewählten Minimaltenipora-
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tür Schnittpunkt zu viirken, umfaßt, die Ventile 131 und 147 gleichzeitig geöffnet, wenn die durch das Thermopaar abgefühlte Temperatur über die vorgewählte Minimaltemperatür hinausgeht. In dieser Situation ist die vorgewählte Luftzuführungstemperatur für die zweite Zone und die Abgaß-Zurüclcführungs-Hinimalteir.peratur nicht notwendigerweise gleich.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Ventilkoritrolleinriehtungen ein DoppeIsatz-Punkt-Therniopaar-]-elais umfassen, das die Kapazität hat, um in Beantwortung von zwei verschiedenen' Minimaltemperatursätzen zu antworten. Bei dieser Alternative kann das Öffnen des Luftzuführungs-Ventils I3I für die zweite Zone in Beantwortung der Temperatur ausgebildet sein, die von dem Thermopaax1 abgefühlt wird und die über die · untere der zwei vorgelegten Minimaltemperatur-Schnitt- punkte hinausgeht und das Öffnen des Zurüeinführungs-Ventils 147 kann in Beantwortung der abgefühlten Temperatur sein, die über die höhere, der zwei \rorge wählt en Minirnalteniperatui'fcii hinausgeht, oder umgekehrt. In einem Sinne ergibt so.'uit diese alternative Ausführungsform eine Bauart, die zwischen der simpleren Bauart des vorstehenden Paragraphen und .der komplexeren Bauart der Fig. IC steht. Diese Alternative ergibt die Möglichkeit, die Luft und die Abgas-Zurückführungs-Ströme in Beantwortung von ζ v/ei verschiedenen Temperaturen in einer einzigen Katalysatorz.one anstelle von nur einer Temperatur zu programmieren.
In Fig. ID ist ein schematise!.! elektrischer Kontrollkreis zur Verwendung bei der Vorrichtung der Fig. IC gezeigt. Die Leitungen 153j 154 führen elektrische Energie von, einerKraftquelle wie einer Batterie zu. In der Leitung befindet sich eine Schmelzsieherung 155· Ein Brennschalter 156 schließt, den Kreis zu der Ventil-Kontrolleinriehtung 157*
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wenn die Verbrennung angeschaltet wird.. Die Verbrennungskreis-Leitung 158 führt zu einem herkömmlichen Kreislauf zur Kontrolle des Befeuerns der Funkelstöpsel der Maschine.
Die Ventil-Kontrolleinrichtung 157 schließt ein Einzel-Punkt-Thermopaar-Relais 159 ein, das mit dem Thermo-paar 148· in der ersten Katalysatorzone durch die Leitung 1^9 verbunden ist. Ein Zwei-Punkt-Thermopaar-Relais I60 ist mit dem Thermopaar 1^1 in der zweiten Zone durch die Leitung 135 verbunden. Solche Relais sind'bekannt. Ein geeignetes Relais wird unter dem Warenzeichen "Magsense" von Pioneer-Standard Electronics., Inc., Cleveland, Ohio vertrieben. Diese Thermopaar-Relais sind elektrische Kreise, die die elektromotive Kraft eines Thermopaars verstärken und die als Relais in Beantwortung einer Abfühlung eines vorgewählten Wertes einer elektrornotiven Kraft v/irken.
Das Zwei-Punkt-Relais I60 besitzt eine untere Temperatur-Grenzbeantwortungs-Einrichtung und eine Hochtemperatur-Grenzeinrichtung 162. Das Einzelsatz-Punkt-Relais I59 hat eine einzige Ternperatur-Grenz-Beantwortungs-Einrichtuag I6j5.
Das Auspuffventil 128, das Luftzuführungs-Ventil für die zweite Zone und das Abgas-Zurückführungs-Ventil 147 sind mit Spulen 164, I65 und 166 versehen und durch die Signalleitungen I38, 127 und 151 mit der Ventil-Kontrolleinrichtung 157 verbunden.
Wenn der Zündschalter I56 geschlossen ist, dann wirken die Relais I59, I60, um die Ventile 1^1 und 147 zu schließen, indem die Spulen I65 und 166 mit Energie versehen werden, nicht aber die Spule 164, wodurch das
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Ventil 128 offen gelassen wird. Wenn die Temperatur, die durch das Thermopaar Ij54 abgefühlt wird/ über die vorgewählte-Luftzuführungs-Minimaltemperatur der 'zweiten Zone hinausgeht, dann betätigt die Niedertemperatur-Beantwortungseinrichtung l6l die Spule 165, wodurch ' das Ventil Ij51 geöffnet wird. VJenn eine solche Temperatur über die Auspuff~Luftzuführung's--Minimaltemperatur hinausgeht, dann betätigt die Hochtemperatur-Beantwortungseinrichtung 162 die Spule 164, indem das Ventil 128 teilweise geschlossen oder geschlossen und die Luft, die dem Auspuff I06 zugeführt wird," weiter eingeschränkt" wird. Wenn die durch das Thermopaar 148 abgefühlte Temperatur über die vorgewählte Abgas-Zurückführungs-Minimaltemperatur hinausgeht, dann betätigt.die iCinzel-Grenz-Beantwortungseinrichtung I63 die Spule I66, wodurch das Ventil l47 geöffnet wird. Die Reihenfolge der Stufen kann je nach der Temperatur der gewählten Punkte und der Betriebsreife der Maschine geändert werden, mit der Ausnahme, daß der Betrieb der Spule 165 normalerweise dem Betrieb der Spule 164 vorangeht.
Die Fig. 2A zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, die die verschiedenen oben beschriebenen Merlanale benutzt, Die Fig. 2B zeigt die damit verbundenen Fließ-Kontrolleinrichtungen. Diese Ausführüngsform wurde dazu verwendet, um die V/er te der Tabellen I und X zu erhalten.
Die Vorrichtung ist mit einem Auspuff-Luftzuführungs-Ventil 2ol, einem Luftzuführungs-Ventil 2o2 für die -zweite Zone, einem Abgas-Zurückführungs-Ventil 2oj5 und einem Drei-Weg Schleifen-Umgehungsventil 2o4 versehen. Die Ventile 2ol, 2o2 und 2o3 sind sämtliche Diaphragma-Ventile des Typs, wie er oftmals in den Wasserleitungen von Automobll-Iieizern verwendet wird. Die Ventile 2o2 und 2oj>
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haben die selben Funktionen wie die Ventile 1J51 und 147 der Fig. IC. Das Ventil 2ol ist nicht mit dein Ventil-Kontrollkreislauf verbunden und bleibt an jedem Zeitpunkt offen. Das Ventil 2o4 dient dazu, um den Abgasstrom durch die Übertemperatur-Kontrollschleife 2o4 in Beantwortung der Abfühlung einer Temperatur in einer Katalysatorzone umzuleiten, welche über eine vorgewählte Übertemperatur-Kon tr oll-MaximaltemperEitur hinausgeht. Hierdurch wird der Abgasstrom.durch indirekten Wärmeaustausch mit der Atmosphäre abgekühlt. Die Ventile 2o2, 2oJ und 2o4 werden durch Fließ-Kontrolleinrichtungen 2o5, die im Detail in Fig. 2B gezeigt werden, kontrolliert. Die Verbindungen dazwischen sind in Fig. 2A als gestrichelte Linien gezeigt.
In der Fig. 2B führen die elektrischen Leitungen 155,. von einer Batterie (nicht gezeigt) weg. Die Leitung schließt eine Schmelzsicherung 155 und einen Brennoder Zündschalter I56 ein. Die Leitung I58 führt zu dem Rest des herkömmlichen Zündkreises. Der Thermopaar-Relaiskreis 2o6 umfaßt ein Zweisatz-Punkt-Thermopaar-Relais 2o7 und ein Einsatz-Punkt-Thermopaar-Relais 2o8. Die elektrische Leitung 155 ist mit den Thermopaar-Relais 2o7 und 2o8 gezeigt, und zwar beispielsweise an den Punkten 2o9 und 2I0. Das Rela.is 2o8 ist auf dem Wege über Leitungsdrähte l49 mit dem Thermopaar 148 in der ersten Katalysatorzone 119 verbunden. Das Relais 2o7 ist auf dem i/eg über Leitungsdrähte 135 mit dem Thormopaar 134 in einer zweiten Zone 12o verbunden.
Das Relais 2o8 ist so angesetzt, daß es auf eine Temperatur von 24j5°c, abgefühlt in der ersten Zone, als vorgewählte Minimaltemperatur für die Zuführung der Luft in die zweite Zone und auf die vorgewählte Abgus-Zurückführun^n-Miiiimaltemperatur antwortet. Der Niederton;per:itui'{jCii.i.*.-rui:kt
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2o7a des zwei-fach Relais 2o7 ist so angesetzt, daß es auf eine Temperatur von 84j5°C in der zweiten Zone als vorgewählte Über temper atur-Kontroll-Mazimalteniperatur antwortet. Der Hochtemperatursatz-Punkt 2o7b des doppelten Relais 2o7 ist angesetzt, um auf 927°C in der. zweiten Zone als vorgewählte Sieherheits-Kontroll-Maximaltemperatur zu beantworten.
Die Leitung 211 verbindet den Maschineneinlaß-Verteiler (in Pig, 2B nicht gezeigt) mit dem Vakuum-Resonator 212. Der Zweck dieses Resonators ist es, den Effekt auf die Ventile von Fluktationen in dem Vakuum in dem Einlaß-Verteiler zu !!animalisieren. Die Vakuumleitung 213 leitet zu Ventilen 2o2 und 2oj5 auf dem Wege über eine Valmum-Verzv/eigungsleitLing .214 und zu dem Ventil 2o4 auf dem über"eine Vakuum-Verzweigungsleitung 215. Die Verzweigun- ' gen 214 und 215 haben Spulenventile 216 und 217 3 die durch die Spulen 218 und 219 betätigt werden.
Die Relais 2o7 und 2o8 und ihre angeschlossenen Kreise funktionieren wie folgt. Das Schließen des Zündschalters I56 zum Start der Maschine vervollständigt den Kreis zu den Relais 2o7 und 2o8. Wenn die Temperatur, die durch das Thermopaar 148 abgefühlt wird, weniger als 31IJ0C ist, dann bewirkt das Relais 2o8 den Schluß eines Einpol-Relais 222, wodurch der Kreis zu der Spule 218 durch die Leitungen 223, 224 geschlossen wird und das Ventil 216 in der Vakuumleitung 214 geöffnet wird. Das Vakuum schließt das Luftauführungs-Ventil 2o2 und das Abgas-Zurückführungs-Ventil 2o3 sobald der Betrieb der Maschine beginnt als Ergebnis eines Vakuums, das in dem Einlaß-Verteiler ausgebildet wird. Zur gleichen Zeit, wenn die Temperatur, die durch das Thermopaar 1^4 abgefühlt wird, weniger als 84j3°C ist, wird kein Signal zu den Einzelpol-Relais 225 und
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übermittelt, die elektrisch an die Nieder- und Hochsatz-Punkte 2o7a und 2o7b angeschlossen sind. Auf diese V/eise bleiben die Relais 225, 226 offen.
Wenn die Temperatur in der ersten Zone 118 34j5°C erreicht, dann stoppt das elektrische Signal zu dem Relais 222, das Relais öffnet sich unter Entenergisierung der Spule 218 und das Ventil 216 wird geschlossen und die Ventile 2o2 und 2o^ werden geöffnet.
Wenn die in der zweiten Zone abgefühlte Temperatur 84j5°C erreicht, dann bewirkt das Relais 2o7 den Schluß des Relais 225, wodurch der Kreis zu der Spule 219 durch die Leitungen 227, 228 vervollständigt wird. Die Spule 219 öffnet das Ventil 217, wodurch der gesamte Abgasstrom durch die Schleife 2o4a abgeleitet wird. Wenn die Temperatur unter 84;5OC abfällt, dann öffnet sich das Relais 225, die Spule 219 wird entenergisiert und das Ventil 217 schließt sich. Das Ventil 2ο4 wird bewegt, um den gesamten Gasstrom durch das Maschinenrohr 122 zu leiten.
Wenn die Temperatur, die durch das Thermopaar 1J54 abgefühlt .wird, 927 C erreicht, dann schließt der Hochtemperatursatz-Punkt 2,07b das .Einpol-Relais 226, wodurch der Kreis zu der Spule 218 durch die Leitungen 229, und 224 geschlossen wird. Dies bewirkt das Schließen der Ventile 2o2 und 2o3 wie es oben beschrieben wurde. Das Ventil 2ol bleibt offen, wodurch die Luft weiterhin in den Auspuff I06 hineinströmt. Als Sicherheitsmaßnahme ist eine Luftdruckrninderungs-Einrichtung vorgesehen, in dem Fall, daß unabsichtlich die Ventile 2ol und 2o2 geschlossen werden, ohne daß eine Blockierung der Leitungen 127 und 129 erfolgt.
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Die von den Relais 2o7 und 2o8 and die Relais 222, 225 und 226 übermittelten Signale sind zu schwach, um letzteres zu betätigen. Daher wird die notwendige" Betriebsenergie durch die Leitungen 2j5o, 2J51 und 232 zugeführt.
Die Fig. 2G zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung und der Fließ-Kontrolleinrichtung zur Durch- ■ führung der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist zum Gebrauch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 2A vorgesehen, wobei sie in der Weise modifiziert wurde, daß sie Einrichtungen aufweist, um das Auspuff-Luftzuführungs-Ventil 2ol zu schließen und'zwei Ventile in Reihe in jeder der Luftzuführungsleitungen 129 für die zweite Zone und eine Abgas-Zurüclcführungsleitung 146 aufweist. Diese Modifikationen werden aus Fig. 2C ersichtlich, welche einen großen Teil der gleichen Hilfsvorrichtung (z.B. einen Vakuum-Resonator 212) zeigt, wie er in Fig. 2B gezeigt ist.
Die Fließ-Kontrolleinrichtung 25o schließt zwei Zweisatz-Punkt-Thermopaar-Relais 251, 252 ein. Diese sind getrennt gegenüber den Temperaturen beantwortend, welche durch die Thermopaare 134 und 148 abgefühlt werden. Jedes Relais besitzt einen Niedertemperatursatζ-Punkt 251a und 252a und einen Hochtemperatursatz-Punkt 251b und 252b. Die Satz-Punkte 251a und 251b-werden gesetzt, um auf die Temperaturen 227 bzw. 8710C in der zweiten Katalysatorzone zu antworten. Die Satz-Punkte 252a und 252b werden gesetzt, um auf ■ Temperaturen von 25430C und 7880C in der ersten Katalysatorzone 118 zu antworten.
Einzelpol-Relais 255, 256, 257 und 258' sind Signale von ■* den Satz-Punkten 25.1a, 251b, 252a und 252b antwortend.
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Elektrische Leitungen 259* 26o führen Energie für die Verstärkung der Signale zu, um die Einzelpol-Relais zu betätigen.
Die Auspuff-Luftzuführungsleitung 127 umfaßt ein Ventil 2ol wie in Fig. 2A, das hler aber geschlossen ist. Die Luftzuführungsleitung 129 für die zweite Zone schließt wiederum ein Ventil 2o2 ein, aber weiterhin ein anderes Ventil 253· Die Abgas-Zurückführungsleitung 146 schließt wiederum ein Ventil 2o3., aber auch ein Ventil 254 ein.
Die Vakuumleitung 213 führt zu den Ventilen 253, 2ol und 254 auf dem Weg über eine Vakuum-Verzweigungsleitung 26I, zu dem Ventil 2o2 durch eine Vakuum-Verzweigungsleitung 262, zu dem Ventil 2o4 durch eine Vakuum-Verzweigungsleitung 263 und zu dem Ventil 2o3 durch die Verzweigung 264.
Spulen-Ventile 265, 266, 267 und 268, die durch die Spulen 269 und 270, 27I und 272 betrieben v/erden, sind in den Vakuum-Verzweigungsleitungen angeordnet.
Die Relais 251 und 252 und ihre angeschlossenen Kreise wirken wie folgt. Wenn der Zündschalter I56 geöffnet wird, dann"wird keine der Spulen unter Energie gesetzt und die Ventile 2ol, 2o2, 253 und 254 sind geöffnet. Das Ventil 2o4 ist angeordnet, um den Abgasstrom durch das Maschinenrohr 122 strömen zu lassen. Das Schließen des Zündschalters 156 zum Start der Maschine vervollständigt den Kreis zu den Relais. Wenn die/n den beiden Katalysatorzonen abgefühlten Temperaturen unterhalb 227°C liegen, dann werden daraufhin die Ventile 2o2 und 2o3 geschlossen. Der Niedersatz-Punkt 251a schickt ein elektrisches Signal zu
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dem Relais 255* wodurch dieses geschlossen wird und der Kreis zu der Spule 27o geschlossen wird, welche das Ventil 266 öffnet, wobei das Vakuum in der Abzweigung 262 das Schließen des Ventils 2o2 bewirkt. In gleicher Weise schließt der Niedersatz-Punkt 252a das Relais 257* wodurch eine Spule 272 mit Energie versehen wird und das Ventil. 268 geöffnet und das Ventil 2o3 geschlossen wird. Die Relais 256 und 258 bleiben offen.
Wenn die Temperatur in der ersten Zone IIS 3430C erreicht, Vias im allgemeinen der Fall ist, bevor die zweite Zone 227 C erreicht, dann stoppt das elektrische Signal zu dem Relais 257» das Relais öffnet sich, die Spule 272 wird entenergisiert, das Ventil 268 wird geschlossen und das Ventil 2oj5 wird geöffnet. In ähnlicher Weise, wenn das zweite Katalysator-Bett die Luftzuführungs-Minimaltemperatur für die zweite Zone von 227°C erreicht, stoppt das Signal von dem Setz-Punkt 251a zu dem Relais 255» wodurch die Spule 266 von Energie befreit wird und das Ventil 2o2 geöffnet wird.
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Im Falle einer Überhitzung, wenn die erste Zone 7880C erreicht, dann schließt das Signal von dem Setzpunkt 252b das Relais 258, wodurch bewirkt wird, daß das Ventil 204 das Abgas durch die Schleife 204a ableitet. Wenn eine weitere überhitzung auftritt und die Sicherheitskontrollmaximaltemperatur von 871°C in der zweiten Zone erreicht wird, dann schließt der Setzpunkt 251b das Relais 256, wodurch dieSpule 269 unter Energie gesetzt wird, die das Ventil 265 öffnet. Dies bewirkt, daß das Vakuum in der Verzweigungsleitung I6l gleichzeitig die Ventile 201, 253 und 25^ schließt, wodurch der Luftstrom zu dem Auspuff I06 an der zweiten Zone 120 beendet wird und die Zurückführung des Abgases beendet wird. Die Luft von der Pumpe II5 wird durch die Druckminderungseinrlchtung I1U abgelassen. Die beschriebenen Kontrolleinrichtungen sind einfache an-ab-Typen, die die Temperatur abfühlen. Alternative Fließkontrolleinrichtungen können verwendet werden, die eine Computerprogrammierte Kontrolle des Fließens der Luft und des zurückgeführten Abgases vornehmen. Diese sind aber wahrscheinlich teuerer. Eine solche Anordnung kann vorteilhafterweise mit einer geeigneten 'analytischen Instrumentierung verbunden sein, um die Konzentration der Bestandteile in dem Abgasstrom oder die Verändeitngsgeschwindigkeit einer abgefühlten Variable zu analysieren.
Katalysatorauswahl und Untersuchung
Hierin werden genauer die charakteristischen Eigenschaften beschrieben, die füi- Katalysatoren, die mit Erfolg für die Erfindung verwendet werden sollen, gewünscht sind, sowie geeig-' nete Laboratoriums-Siebversuche, durch welche die Auswahl der
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Katalysatoren erfolgen kann.
■Wie bereits zum Ausdruck gebracht, sollte der Katalysator für die erste Zone und vorteilhafterweise auch der Katalysator für die zweite Zone eine niedrige Initialaktivierungstemperatur für die Oxidation von Sauerstoff durch Kohlenmonoxid besitzen. Der Katalysator in der ersten Zone sollte eine niedrige Initialaktivierungstemperatur für die Reduktion der Stickstoffoxide durch Kohlenmonoxid und vor-' zugsweise auch durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe besitzen. Die Bezeichnung "Initialaktivierungstemperatur" bezieht sich auf die Temperatur., bei welcher der Ksfcalysator genügend aktiv ist, um die gewünschte Reaktion mindestens zum Teil zu katalysieren.
Die Aktivität eines Katalysators für eine bestimmte Reaktion bei variierenden Temperaturen kann nach bekannten Methoden bestimmt werden. Eine Methode besteht darin, daß man einen Gasstrom einer bekannten und konstanten Zusammensetzung der der umzusetzenden Bestandteil enthält und der für einen zu behandelnden Gasstrom repräsentativ ist, mit dem Katalysator bei einer spezifischen und bekannten Temperatur und Raumtemperatur in Berührung bringt, und daß man den Bruchteil der Reaktionsteilnehmer mißt, die in das gewünschte Produkt umgewandelt worden sind, z.B. das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid. Eine Reihe von Versuchen wird bei verschiedenen Temperaturen vorgenommen. Bei einer solchen Versuchsreihe wird die Raumgeschwindigkeit mit welcher der Gasstrom durch den Katalysator strömt (das Gasvolumen je Stunde je Massenvolumen des Katalysators) konstant gehalten. Dies ist deswegen, weil das Ausmaß der katalytischen Reaktion auch von der Raurageschwindigkeit abhängig ist.
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Die durch eine solche Versuchsreihe erhältlichen Vierte können graphisch abgebildet v/erden, wie es beispielsweise bei der Kurve 301 der Pig. 3 als prozentuale Umwandlung eines Reaktionsteilnehmers gegen die Katalysatortemperatur der Pail ist. Die Fig. 3 ist illustrativ und baut sich nicht auf spezifischen Laborwerten auf.
Zu Diskussionszwecken soll die Temperatur innerhalb des Katalysatorbettes als nahezu konstant angenommen werden, d.h. die in Fig. 3 gezeigten Temperaturen sind ideale isotherme Bettemperaturen. Auf grund dsr hohen Wärmeverluste in kleindimensionierten Einrichtungen sind die isothermen Bedingungen schwierig zu erzielen. Die bei verschiedenen Maßstäben erhaltenen Werte sind daher nicht immer vergleichbar.
Da das Ausmaß der Reaktion von der Raurngeschvfindigkeit abhängt, ist es zweckmäßig, eine Reihe von Laborversuchen durchzuführen, wobei jede Reihe mit verschiedener aber konstanter Raumgeschwindigkeit durchgeführt wird. Die Vierte bilden bei der graphischen Abbildung eine Familie von Kurven ^01, 302 und 303 in der Fig. 3> wobei die Raumgeschwindigkeit der Parameter ist. Die Kurve 3Q3 entspricht der niedrigsten Raumgeschwindigkeit und die Kurve 3OI der höchsten Raumgeschviindigkeit. V/ie in Fig. 3 abgebildet, sind die Kurven einer solchen Familie häufig in der Gestalt sehr ähnlich und sie sind nahezu parallel, was aber nicht immer der Fall ist. Aufgrund der Variierung im Gasvolumen, das durch die erste und durch die zweite iScalysatorzone strömt und aufgrund der Raumgeschwindigkeit durch die Katalysatorbetten in diesen besteht ein direkter Bezug zu dem Volumen des Gases, so daß diese Katalysatoren bevorzugt werden, die durch Variationen der Raumgeschviindigkeit
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nicht abnorm beeinflußt werden, d.h. daß die Temperaturdifferenz (in Fig. 3 horizontal gemessen) zwischen den Kurven JOl, 303, 3Ö3 nicht groß ist.
Die Temperaturen der Initialaktivität, d.h. die Temperatur, bei welcher eine genügende Umwandlung stattfindet, daß sie mit der verfügbaren analytischen Einrichtung bestimmt werden kann, ist das untere Ende der Kurven in der Fig. 3. Typischerweise steigt die Affinität längsam an> wenn die Temperatur des Katalysators erhöht wird und be-ginnt dann rascher anzusteigen, wie es durch den Punkt 304 an der unteren Biegung (oder dem Knie) der Kurve 3Olangezeigt wird und beginnt sich dann an der oberen Biegung, d.h. dem Punkt 305 abzuflachen/ wenn die Umwandlung IQO % erreicht und zwar manchmal sehr eng bei höheren Katälysatortemperatüren.
Je weniger Wärmeenergie erforderlich ist, um die Temperatur eines Bettes eines Katalysators auf eine angegebene Initialaktivierungstemperatur zu bringen, des» erwünschter ist es, daß der Katalysator und alle anderen charakteristischen Eigenschaften gleich sind. Normalerweise ist eine niedrige spezifische Wärme je Einheit des Massenvolumens des Katalysators für diese charakteristische Eigenschaft indikativ. Dies ist deswegen der Fall, weil eine niedrige spezifische Wärme je Einheit des Massenvolumens es gestattet, daß der Katalysator in einer kürzeren Zeit die wirksame Betriebstemperatur erreicht.;
Ein Katalysator der bei der Erfindung verwendet werden soll, sollte vorzugsweise auch eine rasche Akti'vitätszunahme haben, wenn die Reaktionstemperatür ansteigt. Eine solche
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rasche Aktivitätszunahme wird durch eine relativ geringe Temperaturzunahme angezeigt, die oberhalb"der Temperatur erforderlich ist, bei welcher eine erhebliche Menge der Reaktion stattfindet, um eine 90 bis 99 $lge Umwandlung zu erzielen, d.h, eine relativ geringe Temperaturzunahme zwischen den Punkten 306 und ^G? auf der Ordinate der Fig..3*
Wie ersichtlich wird, sollte jeder verwendete Katalysator -dazu im Stande sein, eine hochprozentige Umwandlung, die an 100 % hinkommt, bei der normalen Betriebsreaktionstemperatur in der Katalysatorzone zu katalysieren. Im all* gemeinen sind die Katalysatorzonen so ausgebildet-, daß sie von etwa 4300C bis zu etwa 650 bis YOO0C tätig sind. Bei diesen Temperaturen kann ein Katalysator, der eine zufriedenstellende niedrige Initialaktivierungstemperatur und eine rasche Aktivitätszunähme bei steigender Temperatur hat, Umwandlungen oberhalb 90 % und oftmals von 98 bis 99 % selbst bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten erzielen.
Die Kurve 308 der Pig. ^ zeigt einen Katalysator, der Eigenschaften hat, die sohlechter sind als diejenigen des Katalysators der Kurve 2501 bei der gleichen Raumgeschwindigkeit. Obgleich die Initialaktivierungstemperaturen für die beiden gleich sind, hat der schlechtere Katalysator eine geringere Aktivitätszunahme bei steigender Temperatur und . kommt bei der gleichen Temperatur wie der Katalysator der Kurve 303 nicht so eng an eine 100 #ige Umwandlung heran.
Eine geeignete Vorrichtung, im kleinen Maßstab zur Bestimmung der Aktivitätseigenschaften von Katalysatoren ist bekannt. Eine AusfUhrungsform wird hierin beschrieben. Sie umfaßt einen rohrförmigen keramischen Reaktor , normalerweise
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mit 2V5'eni innendurchmesser, der elektrisch beheizt1 wird. Normalerweise werden jjö bis 50 ml Katalysator untersucht.. Das Einlaßende des Reaktors enthält eine inerte Packung .und wird gleichfalls,elektrisch beheizt. 0er Reaktor ist vertikal angeordnet, wobei das Gas nach oben strömt. Thermopaare messen die Temperatur des Gases am Einlaßende (untere Kante) des Katalysatorbettes und an dem Auslaß (oberes Ende).
Der simulierte Abgasstrom wird durch ein handelsübliches Dosierungsmeter gleichzeitig während der Versuche aus Gasen, die inHochdruckzylindern gelagert sind, zusammen gemischt. Das Volumen des simulierten Gases wird durch ein Rotameter gemessen. Nach dem Verlassen des Rotarneters teilt sich die Gasleitung, Ein Zweig führt direkt zu einem Wasser- sättiger, der bei etwa 4j5,;3oC: gehalten wird, während der zweite Zweig zu einem Hexansättiger führt,· worin der Gasstrom über die Oberfläche von N-Hexan strömt und worauf der zweite Zweig zu einem Wassersättiger führt. Eine Schlauchklemme reguliert den relativen Gasstrom zwischen den Zweigen .Von dem Wassersättiger wird das Gas in den Reaktor eingeführt und dort erhitzt, indem es über eine inerte Packung geleitet wird, bevor es mit dem Katalysator in Berührung kommt.
Zusätzlich zu den oben angegebenen katalytischen Eigenschaften ist es zweckmäßig und es wird nach dem Stand .'der Technik erkannt, daß die Katalysatoren bestimmte andere diemische und physikalische Eigenschaften besitzen. Unter diesen sind die Gestalt und Zwischen -Hohlräume die zu einem niedrigen Druckabfall des Gasstromes führen, wenn dieser durch die Katalysatorbetten strömt, die Beständigkeit gegenüber einem Brechen oder Abschälen aufgrund von raschen Temperaturveränderungen oder mechanischen Beanspruchungen
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und die Beständigkeit gegenüber sogenannten Katalysatorgiften beispielsweise Verbindungen, die Bleihalogene oder Schwefel enthalten und gegenüber Wasserdampf.
Es ist eine große Anzahl von Katalysatoren sowie Katalyse der Oxidation von Kohlenmonoxid und von Kohlenwasserstoffen und für die Bildung von Stickstoffoxiden bekannt. Spezifische Katalysatoren können für die Verwendung gernäß der Erfindung ausgewählt werden und zwar nach den oben angegebenen Kriterien,
Vorteilhafte Katalysatoren für die Reduktionsreaktion sind diejenigen, die Nickel, Kobalt, Mangan oder Kupfer oder deren Gemische abgeschieden auf einen geeigneten Träger, wie Aluminiumoxid, Kaolin, Siliziumdioxid und dergleichen enthalten. Die aktiven metallischen Bestandteile können am Anfang bei der Katalysatorformulierung in metallischen Zustand als Oxide oder als reduzierte Oxide oder als Salze vorhanden sein. Die exakten Valenzzustände der katalytischen Metalle während des Betriebs sind nicht bekannt. Geeigneterweise sind sie beim Beginn des Betriebs Oxide. Die Hochternperatur-Oxidationsbedingungen in der zweiten Katalysatorζone wandeln normalerweise die metallischen Bestandteile in Oxide um, selbst wenn sie bei der anfänglichen Herstellung keine Oxide sind und in die zweite Katalysatorzone eingesetzt werden. Sie können von der metallischen Form in einer hochreduzierenden Atmosphäre bis zu einer vollständig oxidierten Form in einer oxidierenden Atmosphäre, wie sie in der zweiten Katalysatorzone vorkommt, variieren.
• Viele dieser Katalysatoren sind auch dazu wirksam, um die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen zu katalysieren. Sie sind relativ billig.
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Ein weiterer geeigneter Katalysator umfaßt eine geringe Menge, etwa von 0,5 $ Platin auf Aluminiumoxid. Diese Katalysatoren sind für die Reformierung von Petroüeumnaphtha bekannt» Bas Aluminiumoxid liegt gewöhnlich in der Eta- oder Gammaform vor. Aufgrund des Eüdelmetallgehalts ist dieser Katalysätortyp teuer.
Katalysatoren,die ein oder mehrere. Metalle des oben genannten Typs, umfassen Und die auf ein feuerfestes Oxid oder Silikat abgeschieden oder darin imprägniert sind, können gleichfalls verwendet werden. Ein Beispiel für die Geaalt ist eine sogenannte "Bienenwaben1'-Gestalt. .
Der Katalysator der ersten Zone kann der gleiche wie der in der zweiten Katalysatorζone oder ein verschiedener sein. So kann beispielsweise ein Katalysator aus Kobalt* Kupfer und Mangan auf Aluminiumoxid in der ersten Zone und ein Katalysator auf Platin oder einem anderen Edelmetall auf Aluminiumoxid in der zweiten Zone verwendet werden. Weiterhin kann ein Gemisch von Katalysatoren In den einzelnen Zonen verwendet werden, z.B. in der ersten Zone ein Katalysator mit einer ausnehmend niedrigen Initialaktivierungstemperatur zur Oxidation von Kohlenmonoxid, aber mit einer relativ niedrigeren Fähigkeit, zur Katalysierung der Reduktion von Stickstoffoxiden im physikalischen Gemisch mit einem Katalysator der überlegene Eigenschaften für die Reduktion von Stickstoffoxiden auf eine höhere Initialaktivierungstemperatur als der erstgenannte Katalysator für die Katalysierung der Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist, verwendet werden, ■ \ _■-"■"."■ -"..."'■■- ,- ;r-._ '--"-■'
Wenn Aluminiumoxid als Träger vervi-endet wird, (oder als
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Substrat) dann kann es in Alphaform mit einer niedrigen Oberfläche oder als Übagangsaluminiumoxid beispielsweise in der Eta- oder in der Gammaform mit hoher Oberfläche verwendet werden. Ein Übergangsaluminiumoxid wird bevorzugt, da daraus hergestellte Katalysatoren eine niedrigere Dichte und offenbar eine niedrigere spezifische Wärme je Massenvolumen der entsprechenden Teilchengestalten hat,
Vorgewählte Minimalwerte und abgefühlte Variable
Die Auswahl des vorgewählten Minimalwerts der abgefühlten Variablen, bei welcher Luft zuerst in die zweite Katalysatorzone eingeleitet wird und des Minimalwerts der Variablen, bei welchem das zurückgeführte Abgas in die Maschine eingeführt wird, hängt von der abgefühlten Variablen und der Bauart des spezifisch verwendeten Prozeßsystems ab. Die maximal zulässigen Verschmutzungsspezifikationen , denen genügt werden muß und die charakteristischen Eigenschaften der spezifischen Katalysatoren und des Systems (d.h. derMaschine, der Gestalten der Wärmekapazitätdes Auspuffs, des Maschinenrohrs und des Reaktors sowie der Stelle und der Beantwortungseigenschaften dec variablen Sensors) sind für die Auswahl von solchen vorbestimmten Vierten wichtig. Obgleich gleichförmig anwendbare numerische Werte nicht formuliert werden können, können diese Werte ohne weiteres durch eine ein- · fache Reihe von Maschinentestversuchen bestimmt v/erden, wobei eine bestimmte Kombination der Maschine des Katalysators und der Struktur verwendet wird. Illustrative Kriterien sind unten angegeben.
Wenn die Temperatur in jeder einzelnen Katalysatorzone abgefühlt werden soll, dann ist es vorteilhaft, die
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Temperatur in der ersten Zone zur Kontrolle der Zurückführung des Abgases und die Temperatur in der zweiten Zone zur Kontrolle der Einführung der Luft darin zu verwenden. Diese Ausführungsform ist im Zusammenhang mit Fig. 20 beschrieben. Die Temperatur ist die bevorzugte Variable/" die" äbgefühlt wird, da es diese gestattet, die emitierten Verschmutzungsstoffe ungeachtet der Betriebsweise einer Maschine und unabhängig von willkürlich definierten Betriebszyklen zu minimalisieren, die zur Gewährleistung der Gleichförmigkeit der Versuchsergebnisse angenommen werden.'
Die Katalysatortemperatur ist eine fundamentale Variable, die wiedergibt, Vielehe Reaktinen ein spezifischer Katalysator an jedem beliebigen spezifischen Zeitpunkt katalysieren kann.
Die Minimaltemperatur der Luftzuführung in die zweite Zone ist auf der Fähigkeit des Katalysators in der zweiten Zone aufgebaut, die Oxidation von Kohlenmonoxid zu katalysieren, was von der Temperatur und der entsprechenden Aktivität des Katalysators abhängt. Die Geschwindigkeit", mit welcher die Temperatur in der zweiten Zone zunimmt, hängt von der Natur des Katalysators und der Temperatur des Abgasstrornes ab, der in die zweite Zone eintritt. Dieser hängt seinerseits von der Menge der Kohlenmonoxidoxidation, die bislang stattgefunden hat, soviie von der Betriebsweise der Maschine und der Menge des strukturellen Metalls, die erhitzt werden muß, ab. Die vorgewählte Minimaltemperatur sollte genügend hoch angesetzt werden und der Temperatursensor sollte geeignet angeordnet-werden, daß gewährleistet wird, daß mindestens ein Einlaßteil des Katalysators in der zweiten Zone heiß genug ist, um das Kohlenmonoxid zu oxidieren. Es ist zweckmäßig, die Luft in die zweite Zone
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sobald wie möglich nach dem Start der Maschine einzuführen, damit die Menge der Luft, die in den Auspuff eingeleitet wird, vermindert werden kann, wodurch gestattet wird, daß die erste Katalysatorzone bei den Redoxbedingungen betrieben werden kann, die für die chemische Reduktion von Stickstoffoxiden notwendig sind. Daher sollte die Sekundärluft-Schalttemperatur so niedrig wie möglich im Einklang mit den vorstehenden Ausführungen sein, d.h. etwa 50 bis 1000F oberhalb der Initalaktivierungstemperatur des Katalysators in der zweiten Zone liegen.
Die Auswahl der Abgaszurüekführungsminimaltemperatur erfordert einen Kompromiß zwischen der Zerstörung des Kohlenrnonoxids und der Stickstoffoxide. Die Menge der Stickstoffoxide, die durch eine Maschine nach dem Kaltstarten gebildet wird, ist am Anfang zwar niedrig, nimmt aber rasch während des Leerlaufs zu und wird groß, wenn die Fahrt beginnt. Es würde daher vorteilhaft sein, die Abgaszurüekführung sehr bald nach dem Start der Maschine zu beginnen. Eine Abgaszurüekführung steigert jedoch die Kohlenmonoxidmenge, die von der Maschine ausgestoßen wird. Da Kohlenmonoxid in dem Auspuff verbrannt wird, jedoch nicht bis mindestens eine der Katalysatorzone die Betriebstemperatur erreicht hat, ist es möglich, einen zufriedenstellenden Bruchteil des Kohlennionoxids, das durch die Maschine gebildet wird, zu zerstören. Es wird demgemäß bevorzugt, den Abgaszurückführungsminitrialtetnperaturwert bei einer solchen Größe zu halten, wo der Katalysator in der ersten Zone (der sich schneller als der Katalysator in der zweite Zone erwärmt) hoch genug ist, um eine hochprozentuale Oxidation des Kohlenmonoxids zu gewährleisten, z.B. bei Temperaturen von mindestens etwa 1000F oberhalb der Initialaktivierungstemperatur des Katalysators, um eine etwas höhere Emission der Stickstoffoxide vorzunehmen, um eine niedrigere Emission von Kohlenmonoxid zu erzielen.
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■ ■■- β? -
Wenn auf der anderen Seite die Menge der aus einem spezifischen System (Maschine, Katalysator, Konfiguration und Wärmekapazität der strukturellen Elemente etc.) freigesetzten Stickstoffoxide vom Standpunkt der Verschmutzungsspezifizie-; rungen kritischer ist als die Menge des freigesetzten Kohlenmonoxids, dann könnte der Abgaszurückführungsminimaltempera turwert auf eine niedrigere Temperatur verringert werden, wodurch weiteres Kohlenmonoxid anstelle der Stickstoffoxide ausgestoßen wird. .
Wenn die Temperatur in der ersten Katalysatorzone· nur zum Zwecke der Kontrolle der Abgas zurü einführung und auch zur Einführung der Luft in die zweite Zone gemessen wird, dann können die vorgevrählten Minimaltemperaturen für die Luftzuführung in die zweite Zone un~d die Abgaszurückführung die gleichen sein wie es im Zusammenhang mit Fig. 2B beschrieben wurde. Die Temperatur kann aufgrund der vorstehend angegebenen Kriterien ausgewählt werden, modifiziert durch Versuche bei der gegebenen Kombination der Maschine des Katalysators und der Struktur der Temperatur, die in der ersten Katalysatorzone erforderlich ist, um die Temperatur in der zweiten Kataljrsatorzone genügend hoch zu halten, ura eine Oxidation des Kohlenmonoxids in der zweiten Zone zu gewährleisten. Das programmierte Kontrollsystem der Fig. 2C ist mehr anzustreben als dasjenige der Fig. 2B, weil letzteres nicht die Einführung von Luft in die zweite Katalysatorζone gestattet, . was auf die in dieser Zone auftretenden Ereignisse zurückzuführen ist. .
Als allgemeine Regel zur Programmierung eines Systems, um den Verschmutzungsspezifikationen, die für Automobile von I976 aufgestellt worden sind zu genügen, wird es bevor-
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zugt, den programmierten Temperaturschnittpunkt für die Sekundärluft in eine systemgemäß dem Typ der Fig. 2C auf . der Basis der Fähigkeit eines Katalysators zur Katalysierung der Oxidation von Kohlenmonoxid anstelle der inverbrannten Kohlenwasserstoffe auszubilden. Dies 1st darauf zurückzuführen, daß die Menge des Kohlenmonoxids in dem Abgas im allgemeinen erheblich größer ist als die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, daß die Katalysatoren auf Metallgrundlage des in den Ausführungsbeispielen angegebenen Typs eine größere Aktivität bei jeder beliebigen Temperatur oberhalb der Initialaktivierungstemperatur zeigen, um Kohlenmonoxid zu oxidieren und dass die Verschmutzungsspezifikationen für 1976 hinsichtlich des Kohlenmonoxids schärfer sind als hinsichtlich der Kohlenwasserstoffe. Jedoch kann ein solcher Temperaturschnittpunkt auch auf der Basis der Fähigkeit des Katalysators Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, wenn es gewünscht wird, ausgewählt werden.
Die Stellen, bei welchen die Temperatur abgefühlt wird, können in dem Gasstrom gerade vor dem Einlaß in die erste Katalysatorzone, zwischen den zwei Katalysatorzonen und an dem Austrag^ungsauslaß^er zweiten Zone anstelle in den Kutalysatorbetten sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann sich die Kontrolle der Zurückführung des Abgases und die Einführung der Luft in die zweite Zone nicht auf die Größe der Temperatur stützen, sondern auf die Differenz zwischen den Temperaturen, die an zwei angrenzenden Abfühlungspunkten gemessen werden. Wenn eine kalte Maschine am Anfang gestartet wird, dann würde die Temperatur zwischen den Katalysatorzonen geringer sein als die Temperatur des Gasstromes, der in die erste Zone
-65-
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eintritt und die Temperatur in dem Strom der von der zweiten Zone ausgetragen würde, würde die gleiche oder geringer sein als die Temperatur zwischen den Zonen. Dies ist darauf -zurück-. zuführen, daß sie sensible Wärme in dem Gasstrom in den Katalysator und in die unterstützende Struktur überführt wird. Eine Temperatur des Gasstromes, gemessen an einem Punkt zwischen den Zonen, die größer ist als die Temperatur des Stroms, der in die erste Zone eintritt, zeigt an, daß der Katalysator darin genügend heißt ist, um mindestens einen Teil der exothermen Reaktion zu katalysieren. Eine derartige positive Tempera,-turdifferenz oder eine positive Differenz einer vorgewählten Größe kann dazu verwendet werden, um den Beginn der Zurück- i führung des Abgases zu kontrollieren. Dies steht im Gegensatz zu einer Verwendung einer vorgewählten Minimaltemperatur in dem ersten J3ett für einen solchen Zweck.
Die Temperaturdifferenz über die zweite Zone kann verwendet werden, um die Einführung von Luft in die zweite Zone ; zu kontrollieren. Es wird angenommen, daß es eine weniger ,' erwünschte Methode ist, als die direkte.Abfühlung der Tempe- ,; ratur der zweiten Zone. -
Es können auch andere vorgewählte Variablen als die Temperatur verwendet werden. Die Konzentration des Kohlenmonoxids und des Stickstoffoxids in dem Gasstrom kann durch ;. •geeignete Analyseneinrichtungen bestimmt werden. Die Konzentrationen von solchen Verschmutzungsstoffen würden in der Nähe des Einlasses der'ersteh Zone, zwischen den zwei Zonen und nach der Austragung1aus der zweiten Zone gemessen werden. Die Zurückführung des Abgases kann begonnen werden* sobald als die Differenz der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Gas vor und nach der ersten Zone: zeigt, daß der Katalysator heiß genug^geworden ist, um das' Kohlenmonoxid έ'ϋ
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oxidieren. Der vorgewählte Zuführungsminimalwert für die Luft in die zweite Zone würde sich auf der Differenz der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Gas vor und nach der zweiten Zone aufbauen. Die Kontrolle des Systems bezogen auf die abgefühlten Konzentrationen der Bestandteile in dem Gasstrom wird nicht so gut erachtet wie die Abkühlung der Temperatur in einem oder beiden Katalysatorzonen, Die Konzentration der Verschmutzungsstoffe in dem Gas verändert sich rasch, insbesondere nach dem Starten einer kalten Maschine und während verschiedener Arten des Maschinenbetriebs. Ein rasch antwortbares Konzentrationssystem könnte die Sekundärluft m4 die Abgas zurückführung vorzeitig oder zu oft anschalten. Im Gegensatz dazu sind die Veränderungen der Temperaturen der Katalysatorbetten niedriger. Im Effekt mittelt ein Temperaturabfühlungssystetn Frequenz- und/oder geringe Amplitudenvariationen des Zustands des Systems im Inneren.
Der Zeitraum der seit dem Start des Maschinenbetriebs verstrichen ist, kann als vorgewählte Variable verwendet werden. Im Gegensatz zir Messung der Temperatur in einer Katalysatorzone oder der Konzentration des Kohlenmonoxids oder der Stickstoffoxide hat die Zeit keine fundamentale Beziehung zu der Chemie und zu den r.eaktionskinetischen Verhältnissen des Systems. Für eine gegebene Kombination eines Maschinenmodells der verwendeten Katalysatoren, der strukturellen Konfiguration der Vorrichtung und der spezifizierte Antriebszyklus beispielsweise angegeben in dem Federal Register vom 2. Juli 1971 ist der Zeitraum nach dem Starten der kalten Maschine, der dazu erforderlich ist, um katalytisch wirksame Temperaturen in den Katalysatorzonen zu erzielen, relativ konstant. In einem solchen System sollte die Abgaszurückführung begonnen und die Luft in die zweite
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Zone eingeführt werden, nachdem eine vorgewählte Zeitperiode oder Perioden nach dem Starten der Maschine verstrichen sind. ,Bei einer geeigneten Untersuchung könnte es möglich sein, die Mengen von Verschmutzungsstoffen auf unterhalb die Maximalwerte gemäß der Richtlinien für die Automobile des Modelljahres .1976 zu erniedrigen.
Mit den in den Beispielen 2 bis 4 beschriebenen Katalysatoren und der Maschine und bei Verwendung des angegebenen Antriebszyklus wurden vernünftige Ergebnisse erhalten, wenn der vorgewählte Abgaszurückführungsminimalwert etwa 1 1/2 bis 2 Minuten nach dem Start der Maschine liegt und wenn der vorgewählte Minimalwert für die Luftzuführung in die zweite Zone etwa 3 Minuten nach dem Start der Maschine ist. Dies ist eine etwa zufällige Situation. Bei einer oben angegebenen "gegebenen Kombination" , wenn diese nicht anwendbar wäre, beispielsweise bei einer normalen und sehr variierten Weise cfes Betriebs einer Automobilmaschine würde ein zeitgefühltes System weniger wirksam sein als eines, das sich auf der Abkühlung der Temperatur der Konzentration von einem oder mehreren der Verschmutzungsstoffen aufbaut.
Die programmierte Einführung von Luft und der Beginn der Abgaszurückführung könnte auch mindestens nach dem Starten einer kalten Maschine bewirkt vier den, indem marx die ...-.;·..· kumulierte Masse.(Gewicht) des Abgases, das von der Machine, gebildet wird, abfühlt. . . ;.
'-6O-
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Beispiel 1
In zwei Ansätzen wurde eine katalytische Masse nach einem Doppelirnprägnierungsverfahren hergestellt. Das A Iu miniumcocidsubstrat lag in Form von Zylindern mit 4,76 mm vor. Es stammte von der Firma Girdler Division of the Chemetron Corporation. Das Aluminiumoxid wurde als Girdler grade T-708 gekauft und hatte eine Oberfläche von etwa 10 m /g. Somit handelte es sich um Alphaaluminiumoxid.
Aus den in Tabelle 2 angegebenen Bestandteilen wurde eine Imprägnierungslösung hergestellt.
Tabelle 2 kg B 1 C 1
A kg 11,4 kg 7,6 kg
8,5 1 kg 15,0 kg 6,8 kg
11,8 kg 4,5 kg 2,3 kg
3,6 ml 1,8 kg 0,9 kg
1,8 ml 1,1 ml 1,1 ml
1,1 75 35 ml
15 15
. 30
Wasser Cu(NO7).3H0O
y ' 2
Co (NO,)2.6H2O 50 i$-ige wässrige Lösung von Mn(NO,)2
NHi1NO, 4 3
HNO7(als 70^-ige Lösung) NHhOH Lösung
Dieser Katalysator wurde nach folgender standardisierter Allgemeinmethode hergestellt.
Das Wasser wurde auf etwa 65,6 bis 71,1°C erhitzt und di.e Bestandteile wurden darin aufgelöst. Die Lösung wurde auf 65,6 bis 71,I0C wieder erhitzt. 7,7 kg Aluminiumoxid T-708 wurden in die Lösung gegossen. Die Lösungstemperatur wurde auf 71,1 bis 82,20C erhitzt und dabei eine Stunde lang gehalten. Das Erhitzen würde unterbrochen und die Lösung wurde auf nahezu Raum-
;" P & L
temperatur durch indirekten Wärmeaustausch mit Leitungswasser abgekühlt. Die überstehende Flüssigkeit wurde von den Feststoffen abfiltriert und für den späteren Gebrauch beiseite gestellt. Die auf diese Weise imprägnierten nassen Aluminiumteilchen wurden in einen kalten Ofen gebracht. Die Ofentemperatur wurde auf etwa 220 bis 23O0C erhöht und die Teilchen wurden über Nacht kalziniert (etwa 16 Stunden).
Am nächsten Morgen wurden die Aluminiumoxidteilchen abgekühlt und sodann in die restliche überstehende Flüssigkeit gegossen, die auf etwa I70 bis 18O°C erhitzt worden war. Die Imprägnierung und die Kalzinierung, wie vorstehend beschrieben, wurde wiederholt. Der katalytische zusammengesetzte Körper war dann zum Gebrauch wie nachstehend beschrieben bereit. ,
Da die Katalysatorherstellungsmaßnahmen, wie sie oben und in den Beispielen 2 und 4 beschrieben werden, standardisiert und routinemäßig durchgeführt worden sind, können geringere Abweichungen hinsichtlich der Zeit und der Temperatur von den angegebenen Werten aufgetreten sein.
Nach der vorstehenden" Arbeitsweise wurden zunächst vier Ansätze des Katalysators hergestellt. Die Analyse und die Zusammensetzung der Ansätze 1,2 und 3 wird in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3 Ansatz 1 2 3 1-3 4
cuo, % 11,43 11,14 i5,o 12,52 10,85
Co2O3, % 3,04 1,01 2,18 . 2,08 2,32 MnO2, % 0,93 1,83 1,47 1,41 0,92
Bruchfestigkeit
kg 20,0 24,9
Schüttdichte,
g cm3,locker ge- 1,15 1,33
Packfc ■ . 2098U/0780 -70-
Es wurde angenommen, daß der Katalysator des Ansatzes bei der Vorrichtung bei dem Testlauf der Maschine,beschrieben in diesem Beispiel 1 verwendet wurde. Es ist jedoch möglich, daß auch ein gewisser Teil der Ansätze 1,2 und/oder 3 gleichfalls verwendet worden war. Daher sind auch die Werte hinsichtlich dieser Bäder angegeben.
Die verwendete Maschine war eine 350 cu. in. Delta 88 Oldsmobile Maschine des Modells 1971· Sie hatte folgende Parameter:
Verschiebung 350 cu. in.
Kompressionsverhältnis 8,1/1
Lufttreibstoffverhältnis
bei 30 mph 14,2
Verbrennungs-Timing bei
1100 Upm 10° BTC
Treibstoff Trägheit, kein TEL
Maschinentyp V-8
Automatische Transmission Funkenkontrolle
Die Maschine war mit einem Vier-Barrel-Vergaser mit einem choke versehen, der geöffnet wurde, sobald die Maschine schnell startete.
Die Vorrichtung umfaßte zwei Katalysefcorzonen. Das erste Katalysatorbett war 22,8 cm χ 7,30 cm χ 6,35 cm dick (in Richtung des Gasstromes). Es hatte ein Volumen von etwa II90 ml und enthielt I7OO g des vorstehenden Katalysators. Die zweite Katalysatorzone umfaßte 2 Unterzonen in Reihe. Die vordere Unterzone war im Inneren des gleichen Reaktorgehäuses als erstes Katalysatorbett. Das Katalysatorbett der ersten Unterzone war 27,9 cm χ 73*0 cm χ 63,5 cm dick. Es hatte eine Volumen von etwa 1430 ml und enthielt 2θ4θ g des vorstehenden Katalysators.
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Die hintere Unterzone war in einem getrennten Reaktor. Das darin enthaltene Katalysatorbett war kreisförmig und 6,35 cm tief χ 30,5 cm Durchmesser. Es hatte ein Volumen von etwa 2860 ml und enthielt 4o8O g des vorstehenden Katalysators. Schläuche wurden verwendet, um Sekundärluft in das Auspuffrohr, den Einlaß in die erste Katalysatorzone und in die zweite Katalysatorzone einzuleiten. Diese Ausführungsform fühlte die Zeit vom Starten der Maschine als Variable ab. Die Ventile, die die untere Grenze der Sekundärluft kontrollierten wurden manuell in Empfindlichkeit gegenüber dem Zeitraum seit Starten der Maschine betrieben. Es wurde keine Abgaszurückführung verwendet.
Das Verfahren und die Vorrichtung wurden in Verbindung mit der oben beschriebenen Maschine untersucht. Die Maschinenart des Betriebs entsprach dem 7/7-Modus des californischen Zyklus.
Drei Maschinentests wurden aneinanderfolgenöen Tagen durchgeführt, bei Vielehen das programmierte Timing und die Stelle der Einführung der Sekundärluft variiert wurden. Die Bedingungen der Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle zusammengestellt.
Tabelle 4
Versuchs Nr.
Zeit der Sekundärluft, Sekunden:
1) Zu dem Auspuffrohr
2) Zu dem Einlaß der ersten Katalysatorzone
1-1
O-262
263-399
1-2
0-262
263-399
1-3
0-1116
Versuchs Nr. 1-1 1-2 1-3
3) Zu dem Einlaß der
zweiten Katalysator- 400-980 4OO~98O 537-1116 zone
Verschmutzungsstoffe in dem behandelten Gas g/feLle
co 4,77 4,90 4,84 22
ΝΟχ 0,38 0,38 0,36
HC 0,79 0,82 0,83
Verschmutzungsstoffe im
Durchschnitt berechnet
CO, Vol.% 0,22 0,22 0,22
Ν0χ, ppm 126,9 123,0 . 118,2
HC, ppm 67,9 70,4 71,2
Inertiallast 0 0 0
Straßen - PS bei 50 mph 22 23,2
Beispiel 2
Dieses Beispiel beschreibt die Erfindung bei Verwendung einer Vorrichtung, die auf einem Automobil montiert worden war, die im wesentlichen nach der Arbeitsweise untersucht wurde, die im Federal Register vom 10. November 1970 veröffentlicht worden ist. Es wurde jedoch entsprechende, unten angegebene Modifikationen gernäß der Arbeitsweise,beschrieben in Federal Register vom 2. Juli 1971,vorgenommen.
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330 2bö
3,039 3,170
0,887 ο, 889
1,13 1,13
70,81 71,96
0,798 0,81
0,833 0,84
6,58 9,8
97 113
Es wurde ein Katalysator in drei ungefähr 9,07 kg Ansätzen hergestellt. Als Substrat wurde Aluminiumoxid mit hoher Oberfläche, hergestellt von Kaiser.Aluminum Company unter der Bezeichnung K-250, verwendet. Die Analyse war nach den Angaben des Herstellers wie folgt:
Tabelle 5
P AB
Spezifische Oberfläche m /g wahre Dichte, g/cnr Teilchendichte, g/cm Schüttdichte, g/cm^ Porosität fo+ . Gesamtporenvolumen crcr/g Massenhohlraum cnrycnr Bruchfestigkeit kg mittlerer Porendurchmesser S
Die Porosität und das Gesamtporenvolumen waren nach den Angaben des Herstellers aus der wahren Dichte und der Teilchendichte errechnet worden.
Dieses Aluminiumoxid ist als Übergangsaluminiumoxid zu verstehen. Das Aluminiumoxid hatte einen Güte verlust von kfo bei 85O0C. Die Teilchen lagen in einer Gestalt.als Kugeln mit 0,32 cm vor.
Aus den Bestandteilen der Spalte B der Tabelle 2 wurde eine Imprägnierungslösung hergestellt.
Die Lösung wurde auf etwa 65,6 bis 7I,1°C erhitzt. 9>O7 kg der Kugeln wurden in die Lösung gegossen. Die Temperatur
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Der Lösung wurde auf 76,7 bis 82,2°C erhitzt und dabei eine Stunde gehalten. Das Erhitzen wurde unterbrochen und die lösung wurde auf nahezu Raumtemperatur durch indirekten Wärmeaustausch mit Leitungswasser abgekühlt. Die überstehende Flüssigkeit wurde von den Feststoffen durch'Filtrieren abgetrennt und für den weiterenGebrauch beiseite belegt. Die auf diese V/eise imprägnierten Kugeln wurden in einen kalten Ofen gebracht und die Temperatur wurde auf 110 bis 13O0C erhöht, um diese zu trocknen. Nach etwa 4 Stunden war die Ofentemperatur auf 250 bis 35O0C erhöht worden und der katalytische zusammengesetzte Körper wurde über Nacht (etwa l6 Stunden lang) kalziniert.
Auf die gleiche Weise wurde ein zweiter Ansatz des Katalysators hergestellt.
Ein dritter Ansatz des Katalysators wurde hergestellt, indem die überstehende Flüssigkeit von den zwei früheren Ansätzen kombiniert wurden und in dem damit 9,07 kg Aluminiumoxidkugeln behandelt wurden.
• Es wurden folgende Vierte erhalten:
Ansatz Nr.
Schüttdichte g/crn
Bruchfestigkeit, kg
CuO, Gew.-%
Tabelle 6 <-l 2
0,67 -
3 . 11,1 -
kg 16,71 15,16
3,57 3,40
Für den dritten Ansatz oder für den zusammengesetzten Körper der drei Ansätze oder für den Mangangehalt ist keine chemische Analyse verfügbar.
-75-209844/0780
Ein zusammengesetzter Körper aus den drei Ansätzen hatte eine Bruchfestigkeit von 11,8 kg und eine Schrumpfung von 1J> .-?* nach 2-stündigem Erhitzen auf 800°C.
Die einzelnen Ansätze wurden auf die Aktivität unter- ■ sucht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt. Die angelegte Feldgeschwindigkeit betrug 11 000 V/h/V. Ausnahmen wurden spezifisch angegeben. Das Beschickungsgas enthielt etwa 0,1 bis 0,2 Vol.-^Stickstoffoxide.
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■ -76=
ppm 1 Tabelle 7 012 1 2 1 - 2 3. 3 1 3 I
Sf 		G"»
Ansatz Nr. ppm - 1 2 527 ,261 1 ,505 - - ,397
NO Beschickungsgas, ppm -' 1,335 - 250 83 23 - - 1 198
NO Austrittsgas, 1,203 39 345 340 ,206 1,001 1 ,055 1 ,164
Hexan, Beschickung, 497 1,177 1, 410 998 920' 81 ,109
Hexan, Ausstrora, ppm 255 . 1,177 11,8 200 200 350 200
n> Einlaßtemperatur, 0C 350 215 4,0 11,8 36O 3OO 410 355
ü ί? Auslaßtemperatur, 0C 355 1,65 4,0
jf* Beschickungsgas 11,8 0,1 1,65 13,0 11,8 11,8 13,0
O Np plus VoI-$ 4,0 13,0 0,1 0,8 4,0 4,0 0,8
°2 1,65 0,8 2,4 1,65 1,65 2,4
CO 0,1 2,4 - 0,1 0,1 -
NO ungefähr -
Der Katalysator wurde in einer Vorrichtung verwendet, die mit einer Maschine verbunden war, die auf einem gewöhnlichen Oldsmobile. Delta 88 des Modells 1971 montiert war. Die Maschine hatte dieselben Parameter wie diejenige in Beispiel 1. Es handelte sieh jedoch um eine andere Probe dieser Maschine. Der choke wurde bei Temperaturen im Bereich von 20,0 bis 30,00C geöffnet und bei 4,4 bis 10,00C und niedrigere Temperaturen geschlossen.
Die Äusführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die verwendet wurde, war die gleiche wie in den Fig. 2a, 2b gezeigt mit Einschluß der gleichen Kontrolltemperaturen auf die bei ihrer Beschreibung hingewiesen wurde. '
Die beiden Katalysatorzonen waren in einem einzigen Reaktor eingeschlossen. Die Abgasstromzurückführung war so ausgebildet, daß es sich um etwa 10 fo des Gasstroms handelte, der aus der zweiten Katalysatorzone ausgetragen worden war. Das erste Katalysatorbett war ein konischer Ringraum mit einer Länge von 27,9 cm und mit einem Ringradius von 5,08 cm. Das zweite Katalysatorbett war ein konischer Ringraum mit einer Länge von 14,6 cm und einem Ringradius von 5,08 cm. Es war mit dem ersten Bett konzentrisch. Jedes. Bett hatte eine Verjüngung von 5,5°. Das zweite Katalysatorbett überläppte sich teilweise (14,6 cm) mit dem ersten Bett, wobei die Ebene des einen Endes des zweiten Betts wesentlich in der gleichen Ebene wie das eine Ende des ersten Betts war.
Das erste Katalysatorbett hatte ein Volumen von etwa 4520 ml. Das zweite Katalysatorbett hatte ein Volumen von etwa 5400 ml. Jedes Bett enthielt den in diesem Beispiel . beschriebenen Katalysator.
. -78-
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Die Luftpumpe war eine positive Verdrängungs-Flügelpumpe erhältlich von der Saginaw Gear Division of General Motors Corporation. Dieser ΐνρ von Luftpumpe wurde in sämtlichen Maschinentests der Beispiele 1 bis 4 verwendet. Die folgenden Werte sind für ihr Verhalten und die relativen Fraktionen der Luft, die in den Auspuff und die zweite Katalysatorzone bei verschiedenen Arten des Maxhinenbetriebs eingeführt wurden anzeigend. Diese Werte wurden nicht während der Maschinentests erhalten, die in den Arbeitsbeispielen beschrieben wurden. Sie sind jedoch vermutlich für das Verhalten von Luftpumpen während solcher Tests, wie sie in den Beispielen 2, 3 und 4 beschrieben v/erden, repräsentativ, da die Anzahl und die Art der Ventile, die in der Auspuffluftzuführung und in den Leitungen für die Luftzuführung in die zweite Zone angebracht waren, im wesentlichen die gleichen waren wie in diesen Beispielen.
-χ
Sekundärluft, nr/rnin
Maschinenbetrieb Zu dem Auspuff Zu der zweiten Zone
Leerlauf, kalt 0,17 0
Leerlauf, heiß 0,028 0,142
30 mph, kalt 0,34 0
30 mph, heiß 0,045 0,29
50 mph, kalt 0,425 0
50 mph, heiß 0,036 0,384
Mit einem Fahrzeug, das mit der beschriebenen Vorrichtung und dem Katalysator versehen war, wurde ein Kaltstart-Abgäsemissionstest vorgenommen. Dies geschah nach der Arbeitsweise in Control of Air Pullution from New Motor Vehicles and New Motor Vehicle Engines, veröffentlicht in dem Federal Register, Band 35, Nr. 219 vom 10. November 1970, jedoch mit
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-den folgenden Ausnahmen: .
(1). Das Abgas wurde die ersten 505 Sekunden des Antriebszyklus gesammelt und im Beutel A wurde das behandelte Abgas für die Analyse gelagert. .
(2) Das behandelte Abgas von 505 Sekunden bis 1375 Sekunden wurde gesammelt und das behandelte Abgas wurde- im-Beutel B für die"Analyse gesammelt, wobei die Maschine bei I369 Sekunden, nach dem Initialanlassen abgeschaltet wurde.
(3) Das Fahrzeug wurde mit geschlossener Haube und mit abgeschaltetem Abkühlungsventilator stehengelassen,, wobei das' Abgasrohr von dem konstanten Probensammler abgeschaltet wurde,
(4) Der Antri-ebszyklus wurde erneut 11 Minuten nach Abstellen der Maschine begonnen. Die behandelten Abgase wurden für 505 Sekunden gesammelt, wobei die Abgasprobe in dem Beutel 7 für die Analyse gelagert wurde. Die vorstehenden Ausnahmen wurden gemacht, um dem Testverfahren näherzukommen^ das in dem Federal Register vom 2. Juli 1971 für Automobile des ModellJahres 1976 angegeben ist. .
Die für die Probenbeutel A, B und C die Verdünnungsluftreferenzbeutel verwendete Instrumentierung umfaßte eine 0 bis JOGG ppm Beckmann CO Analyzer (NDIR), einen Beckman Modell 300 Kohlenwasserstoff-Analyzer (FID) und einen TECO-Stlckoxid-Analyzer (Chemoluminiszenz)." Zur Sammlung der Probe wurde ein .Probennehmer mit konstantem Volumen vom Scott-brand Modell 301 der bei 300 CFM verwendet wurde,-eingesetzt. Die Probetemperatur -betrug 48,90C. Die Instrumentenkonfiguration entsprach den Erfordernissen und Arbeitsweisen des Federal Register vom 10.11.197O1 aber nicht denjenigen des Federal Register vom 2. Juli 1971·
• · -80-
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Das System wurde nach einem geeigneten 12 Stunden Stehenlassen bei Umgebungstemperatur untersucht. Als Treibstoff wurde nichtverbleites Benzin des Indolen-Namens verwendet. Die Dynamome te rinertialbe lastung betrug 2θ4θ kg. Die auf dem Dynamometer gemessene Straßenlast PS-Zahl betrug 12,7 bei der Äquivalenz einer Geschwindigkeit von 50 mph.
Die erhaltenen Testergebnisse sind in Tabelle 8 zusammengestellt.
Tabelle 8
Emitierte Verschmutzungsstoffe g/t-Telle Beutel Beschreibung HC CO NO
A 0-505 Sekunden, 0,234 2,343 0,130 kalt
B 505-I3575 Sekunden, Ο,ΟΟβ 0,000 0,219 kalt
C Ο-5Ο5 Sekunden, 0,024 0,313 0,537 hei 13
X O-I373 Sekunden 0,240 2,343 0,349 Y (siehe unten) 0,120 1,185 0,467
In Tabelle 8 stellen die Vierte für den Beutel X die Summe der Verschmutzungsstoffe der Beutel A und B dar. Dies ist die V/eise, in welcher die Vierte gemäß der Arbeitsweise im Federal Register vom 10. November I97O angegeben werden. Die Werte für den Beutel Y repräsentieren eine Zusammensetzung von 0,43 Beutel A plus 1,00 Beutel B plus Qj57 Beutel C. Dies,entspricht der Berechnungsweise, die im Federal Register vom 2. Juli I97I gefordert wird.
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Beispiel 3
Dieses Beispiel beschreibt die Verwendung eines Katalysators auf Platinbasis.
Als Katalysator wurde der Katalysator Grade J5G verwendet, der von der Houdry Division of Air Products & Chemicals, Inc., Philadelphia, Pa. vertrieben wird. Nach Angaben des Herstellers enthält er 0,5 % Platin. Weitere Angaben des Herstellers finden sich in Tabelle 9.
Tabelle 9 ■
Glühverlust 2 Stunden bei 7600C Gew.-^ 1,7
Dichte kg/1 0,85
Bruchfestigkeit kg " " · 6,35
Spezifische Oberfläche m2/g 225
Handelsübliche Lastdichte g/cm3 0*75-0,78
Der Katalysator lag in der Gestalt eines Extrudats mit einem Durchmesser von 0,3,6 cm und einer länge von etwa 0,32 cm bis 1,27 cm vor. ■ . .
Dieser Katalysatorgrad wird beim Naphthareformierungsverfahren verwendet. Er wurde wie hierin beschrieben, ohne eine Behandlung uhd ohne Siebteste verwendet, um die Aktivität oder andere katalytische Eigenschaften zu bestimmen.
Die Katalysatorbetten hatten dieselben Ausmaße wie in Beispiel 2 beschrieben. Das erste Bett hatte ein Volumen von etwa 4520 ml und enthielt j5888gKatalysator. Das zweite Bett hatte ein Volumen von etwa 5400 ml und enthielt 4684-g Kata-. lysator.
-82-
20 9844/0780
Die Maschine war die gleiche wie in Beispiel l beschrieben. Der choke wurde bei 20,0 bis J5O,O°C betrieben.
Das verwendete Apparatesystem war das gleiche wie im Zusammenhang mit den Fig. 2A-2B beschrieben. Sekundärluft wurde in die zweite Katalysatorzone eingeführt und die Abgaszurückführung wurde in Antwort auf die Abkühlung einer Temperatur von ^kJt0C in dem ersten Katalysatorbett begonnen.
Der Rest wurde auf einem Dynamometer durchgeführt. Nach der.Arbeitsweise im Federal Register vom 2. Juli 1972 wurden die Mengen an Verschmutzungsstoffen, die abgegeben wurden, bestimmt. Die Inertialbelastung betrug 2O2I-O kg. Die entwickelte Straßen-PS-Zahl bei 50 mph betrug 12,7.
Die aus dem System ausgetragenen Verschmutzungsstoffe waren wie folgt:
g/Meile
CO 1,9^
NOx 0,472
HC 0,085
Dieses Beispiel zeigt, daß die Erfindung anwendbar ist, wenn ein Katalysator verwendet wird, der ausgeprägt verschieden ist von den Kupfer-Kobalt-Mangan-Katalysatoren, die in den Beispielen 1 und 2 beschrieben wurden. Das Beispiel zeigt auch, daß das System ohne weiteres an verschiedene Katalysatoren anpaßbar ist. Der in diesem Beispiel beschriebene Test war nur der zweite Versuch unter Verwendung des Platin auf Aluminiumoxidkatalysators. Der erste Versuch ergab relativ
209844/0780
schlechtere Ergebnisse, weil der Betriebsmann für die Maschine die Maschine am Start des Versuchs abdrosseln ließ. Mit der Maschine der Vorrichtung oder den Bedingungen, bei welchen die Sekundärluft zunächst in die zweite K£alysatorzone für die Testzwecke eingeleitet wurde, wurden keine speziellen Modifizierungen gemacht.
Beispiel 4 . ' ■
Dieses Beispiel beschreibt den Test gemäß Beispiel
Ein weiterer Katalysator wurde in drei Ansätzen hergestellt. Das Aluminiumoxid war das des gleichen Typs, wie in Beispiel 2. Die Analyse des Lieferers ist unter B in Tabelle 5 angegeben. Das Aluminiumoxid hatte einen Glühverlust von 2,2 % bei 95O°C und eine Schüttdichte von 0,49 g/cm-5.
Eine Imprägnierungslösung wurde aus den Bestandteilen der Spalte C der Tabelle 2 hergestellt. Ein erster Ansatz wurde unter Verwendung von 6,8 kg Aluminiumoxidkugeln nach den basischen Arbeitsweisen des Beispiels 2 hergestellt. Der zweite Ansatz wurde in der gleichen Weise hergestellt. Der dritte Ansatz wurde hergestellt, indem 6,80 kg Aluminium» oxidkugeln in die überstehende Flüssigkeit eingetaucht wurden, welche von der Herstellung der ersten zwei Ansätze übrigblieben.
Die chemische Analyse des zusammengesetzten Körpers der drei Ansätze zeigte 14,38 % CuO, 3,50 % Co2O und 1,23 ^ MnO0. Die Schüttdichten der drei Ansätze lagen im Bereich
C. -r
von etwa 0,67 bis 0,68 g/cm . Die Bruchfestigkeit betrug 9,07 bis 9,53 kg.
209844/0780
Die Maschine und das Automobil waren wie in Beispiel Der choke wurde bei 20,0 bis 30,00C geöffnet.
Das System und die verwendete Vorrichtung entsprachen den Fig. 2A-2B. Der Minimalwert für die Zuführung der Sekundärluft und der Minimalwert für die Zurückführung des Abgases waren gleich, nämlich 3430C. Die Katalysatorzonen waren in
■ einem einzigen Reaktor mit den Abmessungen 35,5 cm lang und einem Außendurchmesser von 30,5 cm angeordnet, welcher unter
*der Haube des Oldsmobil ohne Modifizierung des Maschinenabteils angeordnet war. Die Katalysatorbetten waren konisch (3*5° Verjüngung), ringförmig konzentrisch und überlappend und 5,08 cm dick. Das erste Bett war 30,48 cm lang. Es hatte ein Volumen von etwa 478Ö ml und enthielt 3490 g Katalysator. Das zweite Bett war 17*1 cm lang. Es hatte ein Volumen von etwa 6320 ml und enthielt 4613 g Katalysator.
Die Tabelle 1 gibt die Gesamtergebnisse des Tests wieder, welche den geschäftlichen Spezifikationen der Automibile von I976 genügen. Es wurde nach den Angaben im Federal Register vom 2. Juli I97I gearbeitet. Die Rohwerte der Analyseninstrumente wurde in einen Computer eingespeist, der die Berechnungen gefordert vom Federal Register zur Bestimmung der Verschmutzungsmenge in g/Meile durchführte.
Die Werte in Tabelle 1 sind die Beutelwerte, was die offiziell genehmigte Art und V/eise der Berichterstattung ist, welche im Federal Register vom 2. Juli I97I gefordert wird. Die Tabelle 10 gibt die detaillierten Testergebnisse an. Tabelle 10 ist eine Überschreibung der Teile, die als maßgebend vom Computer angesehen wurden. Die Testbedingungen ■waren wie folgt:
-85-
209844/0780
Beobachtetes Barometer 29,53
NaßkugeT temperatür · 62,79
Trockenkugeltemperatur 71*79
Wahres Barometer, naß 29,41
wahres Barometer, trocken 28,93 Feuchtigskeitskörner 4
NO -Korrektionsfaktor 0,987
209844/0780
οο
■-3
I		 Betriebsführung Zeit
(Sek.)		 Tabelle 10 mittlere Ge
schwindig		 mittlere Be
schleunigung		 Beobachtete Konzentra
tion ppm		 CC\ Mn • CO
Massen-Emissionszyklus keit (mph) (FPS 2) wc V/V NOx
Zyklus Nr. 1 Abstand
(Meilen)		 7943.
4367.
1403.
245.		 26.
292.
337.
ISO.
Leerlauf
Beschleunigung
Fahrt
Geschwindigkeits-
abschwächung		 20
11
84
10		 0,00
12,54
25,17
17,02		 0,00
2,89
0,17
-4,32		 225.
602.
197.
90.		 50.
3144.
I663.
687-		 58!
89.
21.
Zyklus Nr. 2
Leerlauf ■"
Bes chleunigung
Fahrt
Geschwindigkeits-
abschwächung		 38
42
95
33		 0,00
25,50
52,67
29,76		 MO MO
MO OAO
MVoJVoJ O		 19.
116.
73-
4.		 N)
GD
ro
ο		 Zyklus Nr. 3 0,000
0,038
0,587
0,047		 723.
940.
792
774.		 10.
33.
71.
28.		 CO
CO
9844/07* Leerlauf
Beschleunigung
Fahrt
Geschwindigkeits-
abschwächung		 13
20
17
14		 0,000
0,297
1,389
0,272		 0,00
21,33
35,67
20,87		 0,00
2,53
0,12
-3,45		 2.
18.
9-
2.
W
ο		 Zyklus Nr. 4 30.
303.
83.		 Ig.
28.
35.
Leerlauf
Beschleunigung
Geschwindigkeits-
abschwächung		 5
3 		0,000
0,118
0,168
0,081		 0,00
17,27
20,24		 0,00
3,38
-2,95		 0.
24.
4.		 -
0,000
0,062
0,078
•«4 CO
Betriebsführuna
: Zyklus Nr. 5
, Leerlauf
Beschleunigung
Fahrt ■ ;
• ,Geschwindigltfeits-
.abschwächung
(Ende des Beutels
Zyklus Nr. β
Leerlauf
,Beschleunigung
Fahrt
Ges chwindigkeitsabschwächung
Zyklus Nr. 7
Leerlauf
Beschleunigung
Fahrt
Geschwindigkeitsabs chwächung
Zyklus Nr. 8
Leerlauf
Beschleunigung
Geschwindigkeitsabs chwächung "
zeit (Sek.)
18 17 27 14
5 9
35 9
25 15 20
Abstand (Meilen)
0,000 0,105 0,265 0,077
0,000 0,071
0,098
0,039
0,000 0,022 0,1.90
0,039
0,000 0,061 0,107
mittlere Geschwinaigkeit (rnph)
0,00
22,31
35,
19>86
0,00
13,59
25,22 15,75
0,00
10,05 19,58
15,93
0,00
14,64 19,34
mittlere Beschleunigung CFPS 2)
0,00 3,07
-0,08 %5ö
Beobachtete Konzentration ppm
0>00 1,89 0,01 -3,53
0,00 3,11 0,39 -3,91
;0,00 ■2,47 -1,73
HC
0. 26.
, ■ -0.
CO
49.
488.
58. 46.
0. 44
1. 53
1. 53
0. 49
0. 46
-1. 52
1. 55
2. 58
0. 42
2. • 51
1. 50
NOx
9 33. 64. 26.
10. I
22. co
31. ι
16.
7 27. 12. 22.
13. 22. 17
CD Ca)
CO
Betriebsfuhrung Zeit
(Sek.)		 Abstand
(Meilen)		 mittlere Ge
schwindig		 mittlere Be
schleunigung		 Beobachtete Konzentra
tion ppm ■		 ro ΤνΓΠ K)
K)
keit (mph) (FPS 2) PT1 Wv./
51!
48.		 NOx
8.
21.
12.		 co
co
Zyklus Nr. 9
Leerlauf
Be s chleunigung
Geschwindigkeits
abs chwächung		 13
22
12		 0,000
0,089
0,043		 0,00
14,65
13,15		 0,00
1,55
-2,61		 -0.
2.
0.
Zyklus Nr. 10 52.
46.		 12.
O Beschleunigung
Geschwindigkeits-
abschwächung		 18
21		 0,084
0,105		 16,89
18,08		 2,23
-1,94		 2.
0,
co Zyklus Nr. 11 5'6.
49
47. .		 17.
18.
9.
O Beschleuni gung
Fahrt
Geschwindigkeits
abs chwächung		 17
163
11		 0,084
1,228
0,046		 17,89
27,13
15,33		 2,44
-0,03
-3,35		 5.
0.
-0.
OO Zyklus Nr. 12 72.
52.
50.		 17.
5·
Beschleuni gung
• Fahrt
Geschwindigkeits
abs chwächung		 18
16		 0,075
0,220
0,079		 15,08
24,76
17,90		 2,28
-0,12
-2,24		 5.
1.
-0.
Zyklus Nr. 13 47.
55-
51.		 9.
21.
10.
Leerlauf
Bes chleunigung
Geschwind!gkeitsab-
schwächung		 29
18
30		 0,000
0,088
0,119		 0,00
17,79
14,29		 0,00
2,27 ·
-1,33		 1
•ί» ·
0.
-0.
I
CO
VO
I
Betriebsführung
Zeit (Sek.)
Ν»
CD·.
OO
OO
O
Zyklus Nr. 14
Beschleunigung 22 Fahrt':· 19
Geschwindigkeits- 12
absohwäehung
Zyklus Nr. 15
Leerlauf "' 15
Beschleunigung 9
Geschwindigkeits- 10 abschwächung
Zyklus Nr. 16
Leerlauf 9
Beschleunigung 20
Fahrt 17
Geschwindigkeits- ■ H abschwächung
Zyklus Nr. 17
Leerlauf 12
Beschleunigung 23
Fahrt 23
Geschwindigkeits- 11 abschwächung
Zyklus Nr.' 18
Leerlauf 24
Beschleunigung , 14
Geschwindigkeits- 16
abschwächüng
Fahrt - 5
(Ende· des Beutels B)
Abstand (Meilen)
0,088 0,138 0,051
0,000 0,029 0,038
0,000 O,O66
0,099 0,032
0,001 0,078 0,160 0,053
0,000
0,053 0,071
0,000
mattiere Geschwindigkeit (mph)
14,48 26,16 15,46
0,00
11,80
13,96
0,00
11,91 21,04 10,60
0,33 12,21
25,09. 17,39
0,00
13,87 15,99
0,00
mittlere Beschleunigung
(FFS 2)
1,63
0,07
■3,01
0,00
3,74
■3,41
0,00
1,57
-0,17
-2,57
0,12
1,47
0,28
■3,66
0,00
2,31
-1.82
0,00
Beobachtete Konzentration ppm
HC
0.
0.
-0.
■1.
1.
-0.
-1.
0.
-0.
-0.
-1.
0.
-0.
-0.
-1. -Oi -0..
-0.
CO
51. 55. 49.
•51. 54.
56.
50. 54. 54. 53.
55. 57. 56. 54.
53.
58.
55.
56.
NO.
14.
13-2.
8.
19. 2.
6.
15. 17. 12.
14. 24. 26. 16.
14. N) 22.N)
1^S
Beginn des Beutels C
Betriebsführung Zeit
(Sek.)		 Abstand
(Meilen)		 mittlere Ge
schwindigkeit		 mittlere Be
schleunigung		 Beobachtete Konzentra
tion ppm		 PO —— 1
0
(mph) (FPS 2) WP 8.
22.
7.
3.		 I
Zyklus Nr. 1 542.
525.
511.
486.
Leerlauf
Beschleunigung
Fahrt
Geschwindigkeits-
abschwächung		 20
11
10		 0,000
0,038
0,587
0,047		 0,00
12,54
25,17
17,02		 0,00
2,89
0,17
-4,p2		 161.
22.
11.
Ii.		 17.
20.
75.
14.
Zyklus Nr. 2 27.
377.
59.
34.		 N)
N)
V
Leerlauf
Bes chleunigung
Fahrt
Geschwindigkeits-
abschwächung		 38
42
95
33		 0,000
0,297
1,389
0,272		 0,00
25,50
52,67
29,76		 0,00
1,63
0,03
-2,11		 -0.
18.
6.
-0.		 11.
25.
23.
15.		 [6392
Zyklus Nr. 3 36.
39-
39.
37.
Leerlauf
Be s chieuni gung
Fahrt
Geschwindigkeits
abs chwächung		 13
20
17
14		 0,000 '
0,118
0,168
0,081		 0,00
21,33
35,67
20,87		 0,00
■ 2,53
0,12
-3,45		 1
^ JU «
0.
-0.
-0.		 14.
22.
14.
Zyklus Nr. 4 41.
161
47.
Leerlauf
Beschleunigung
Geschwindigkeits
abs chwächung		 5
13
14		 0,000
0,062
0,078		 0,00
17,27
20,24		 0,00
3,38
-2,95		 1
^ JU «
9.
0.
Betriebsführung Zeit
(Sek.)		 Abstand
(Meilen)		 mittlere Ge
schwindigkeit		 mittlere Be
schleunigung'		 • Beobachtete Konzentra
tion ppm		 ΡΛ 1Vf C\
(mph) (FPS 2) PT w w XN w w
Zyklus Nr. 5 XaU 38. ;.' τ.
117» 14
42. , 14.
3β· 4.
Leerlauf
Beschleunigung
. Fahrt,
.Geschwindigkeits
äbschwächung		 18
17
27
14		 0,000
0,105
0,265
0,077		 0,00
22,31
35,41
19,86		 0,00
3,07
-0,08
-3,50		 -1.
8.
-0.
-1.
ro
ο		 (Ende des Beutels C)
to
co
QBLQj
VD
ro. ι
(T) CO CD
Die Dynamometerinertiallast betrug l8lO kg. Die mit dem Dynamometer gemessene Straßenlast-PS-Zahl betrug 11 bei einer Geschwindigkeit von 50 mph.
Am folgenden Tag wurde das gleiche Automobil und die gleiche Vorrichtung erneut auf dem Versuchsstand untersucht, mit der Ausnahme, daß die Inertiallast 2O4o kg und die PS-Zahl 12,7 betrug. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten, trotzdem die Betriebsperson die Maschine während des Startens abwürgte und diese erneut starten mußte:
Kohlenmonoxid 3*210 g/Meile Kohlenwasserstoffe 0,211 g/Meile und Stickoxide 0,394 g/Meile
Einem der Erfinder wurde mitgeteilt, daß Analysen der während des Versuchs freigesetzten Ammoniakmengen gemacht wurden. Diese Vierte wurden mündlich als 0,005 g/Meile Ammoniak für den Versuch der Tabellen 1 und 10 und 0,002 g/Meile für den Versuch des nächsten Tages mitgeteilt. Die Schwellenverläßlichkeit der Ammoniakanalysenmethode liegt nach den Angaben im Bereich von 0,005 bis 0,01 g/Meile Ammoniak. Es wurde ferner mitgeteilt, daß das Ammoniak, das durch ein normales in der Fabrik hergestelltes Auto emitiert wird und das keine Emissionskontrollvorrichtung besitzt, im Bereich von 0,005 bis 0,01 g/Meile liegt. Die derzeitigen geschäftlichen Bestimmungen liegen keine Beschränkungen hinsichtlich der maximalen zulässigen Emissions von Ammoniak auf. Die hierin angegebenen Vierte sind von Interesse, weil einige Emissionskontrollsysteme unerwünschte" Mengen von Ammoniak freisetzen sollen.
09844/0780
Nach den Angaben der Angestellten der Versuchsanlage hatten die Automobile Pahreigenschaften, die den üblichen Automobilen der Produktion entsprachen.
Es sind bereits zahlreiche Katalysatoren, katalytische Vorrichtungen und Dämpfer-Behandlungssysteme vorgeschlagen worden, um die Abgase von Maschinen zu behandeln, um die Abgabe an schädlichen Bestandteilen an die Atmosphäre zu verhindern.
Nachstehend wird eine Anzahl von US-Patentschriften angegeben, die sich damit befassen: ·
3 050 935 * 3 316 057
3 053 773 - 3 325 256
3 o6l 416 3 380 '810
3 066 755 3 386 241
3 086 839 3 397 154
3 146 073 3 398 101
3 168 8θ6 3 406 515
3 169 836 3 429 656
3 172 738 3 441 381
3 176 461 3 445 195
3 186 8θ6 3 447 893
3 197 287 3 465 736
3 222 14ο 3 466 159
3 228 746 3 476 508
3 255 123 3 493 325
3 294 073 3 503 715
3 303 003 3 503 716
3 yi o 366 3 544 264
3 186 806
-94-
209844/0780
Von Interesse ist auch noch ein Artikel mit dem Titel "Loy/ Emission Concept Vehicles" von R.M. Campau in der Publikation SP-36I von Inter-Industry Emission Control (IIEC) program of papers presented at the Automotive Engineering Congress held at Detroit, Michigan, January 11-15,1971.
-95-
2098U/0780

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Verminderung von Verunreinigungen in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen,, bei welchem das Abgas von einem Maschinenauspuffrohr durch Katalysatoren für Stickoxide, Kohle n-■ monoxide und Kohlenwasserstoffe geleitet wird, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß man das Gas in eine erste Katalysatorzone leitet, die einen Katalysator~für die Reduktion der Stickoxide durch Kohlenmonoxid in einer Hedox-Atmosphäre enthält, die behandelten Gase in eine zweite Katalysatorzone leitet, die einen Katalysator für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen durch Sauerstoff in einer oxidierenden Atmosphäre enthält und daß man ein Sauerstoff enthaltendes Gas entweder in das Auspuffrohr oder in die zweite Katalysatorzone oder in beide einleitet, wobei man die Einführung des Sauerstoffs in das Auspuffrohr und die zweite Zone in Antwort auf eine vorbestimmte Variable kontrolliert, welche einen Minimalwert hat, bei weicher Sauerstoff in die zweite Zone eingeleitet wii-ä, wobei Sauerstoff in das Auspuffrohr eingeleitet wird, wenn die Variable unterhalb dieses Viertes liegt und in die zweite Zone eingeleitet wird, wenn die Variable über diesen Wert hinausgeht und wobei die Menge des Sauerstoffs, die in die zweite Zone eingeleitet wird, über diejenigen Mengen hinausgeht, die stöchiometrisch erforderlich sind, um das Kohlenmonoxid und die Köhlenwasserstoffe, die in diese Zone eintreten, zu oxidieren.
    - 96 -
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variable die Temperatur der zweiten Zone ist und daß der Minimalwert eine Temperatur oberhalb der Initial-Aktivierungstemperatur des Katalysators in der zweiten Zone für die Oxidation von Kohlenmonoxid ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gek e η η ζ e i c h net, daß man, wenn die Variable über einen vorgewählten V/ert- hinausgeht, einen Teil des Gases von der zweiten Zone in die Aufnahme der Maschine zurückführt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3., dadurch gekennzeichnet, daß man nachdem die Variable über einen vorgewählten V/ert für die Zuführung des'Sauerstoffes in das Auspuffrohr überschritten hat, die Einführung des Sauerstoffs in das Auspuffrohr fortführt, um einen Teil des Kohlennionoxids,.. das in das Auspuffrohr eintritt, zu oxidieren und um in der ersten Zone eine Redox-Atmosphäre aufrecht zu erhalten.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ze lehn et", daß die relativen Mengen der Luft zu der zweiten Zone und zu dem Auspuffrohr im Verhältnis von Jo .· 3d bis 90 : 5 sind.
    6» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da-• · durch g-e:;k'e η η ζ eic h net , : daß, wenn ■•eine Temperatur in mindestens einer der Katalysatorzonen über-ein vorgewähltes Übertemperatur-Maximum hinausgeht, den Gasstrom in die erste Zone abkühlt.
    BAD OE:£!a
    2098U7(??80
    - Q7 -
    7» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , . daß der Katalysator in der ersten Zone das Kohlenmonoxid durch Sauerstoff, wenn die Atmosphäre oxidierend istj. oxidiert.
    8. Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch erste und zweite Katalysatorzonen, Wobei die erste Zone mit einem Auspuffrohr der Maschine verbunden ist und einen Katalysator enthält, der' dazu imstande ist, Stickstoffoxide durch Kohlenmonoxid, wenn die Atmosphäre eine Redox-Atmosphäre ist, zu reduzieren, wobei die zweite Zone in Reihe mit der ersten Zone angeordnet ist und einen Katalysator enthält, der die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen durch Sauerstoff katalysiert, x*/enn die Atmosphäre darin eine oxidierende Atmosphäre ist, mindestens eine Zuführung für ein Sauerstoff enthaltendes Gas, einen Sensor für die Variable, der so angepaßt ist, daß mindestens eine vorgewählte Variable abgefühlt wird, und eine Fließkontroll-Programmiereinrichtung, die durch den Sensor betrieben wird und welche die Zuführung des Sauerstoff enthaltenden Gases in das Auspuffrohr ge-, sta^tetj, wenn die Variable geringer ist als der vorgewählte Wert, mit welcher der Sauerstoff in die zweite Zone zugeführt werden sollte und Vielehe, wenn dieser Wert überschritten w|rd, die Zuführung eines Sauerstoff enthaltenden Gases im:.Überschuß, über die Menge des stöehiometrisch für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erforderlichen
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    Sauerstoffs gestattet.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e Ic e η η zeichnet, daß der Sensor eine Temperaturmeßeinrichtung und daß die "Variable die Temperatur ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der zweiten Katalysatorzone abgefühlt wird und daß der V/ert der Temperatur oberhalb der Initial-Aktivierungstemperatur des Katalysators für die Oxidation von Kohlenmonoxid ist.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in den Auspuff durch eine Vielzahl von Einlassen direkt gegenüber oder unmittelbar anschließend an mindestens einen Teil der Abgasöffnungen in der Maschine eingeführt wird.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennz ei chne't , daß weiterhin eine Abgas zurückführung vorgesehen ist, Vielehe gegenüber einem Zurüekführungs-Sensor antwortet, um die .Zurückführung eines Teils des Gases von dem Auslaß '■■ der zweiten Zone in den Einlaß der Maschinen-Charge " zu gestatten, wenn die Variable, die durch den Zurückfuhr ungs- Sena or abgefühlt wird, eine vorgewählte Zu-·; rückführungsgrenze überschreitet.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η- * " zeichnet, daß die Zurückführung an einem
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    Punkt vor dem Vergaser der Maschine- erfolgt.
    -4.. , Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Y^, dadurch g e k. e η η ζ c ,i c Ii η e t , daß die Zurüekführung so eingestellt ist, daß ein Volumen des Abgases geleitet wird, das Io Volumen-^ des gesamten zurückgeführten Gases und der Primärluft^ die in die Mas chine eingeführt wird* gleich ist,
    15. - .Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis lh, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die. .Variable, für den Betrieb· der Zurückführung . eine. Temperatur in der ersten Zone ist und daß. der Wert mindestens loo° oberhalb der Initital-Aktivierungs-",-temperatur des Katalysators -für die Katalysierung der Oxidation von Kohlenmonoxid, ist,
    l6,- . Vorrichtung nach einem der. Ansprüche .8 bis 15* : dadurch g e k e η η ζ e i c h n-, e t ,.".- daß die Zuführung für das Sauerstoff enthaltende. Gas kontrollierbar "istrf um eine abnehmende Menge eines Gases zu. dem Auspuff rohr zu leiten,, nachdem die: ; Variable einen vorgewählten Auspuffv/ert überschritten hat. , . . .. r. ;.--.-
    17. . Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche - 8 bis 161 dadurch ge .,k e.n ή ze. i c h n.e t,
    : υ- .. . daß ;d'ie Kontrolle, des Sauerstoff enthaltenden Gases .eingestellt ist, wodurch, ::wenn Sauerstoff in die zweite Zone eingeleitet, viird, das relative, Verhältnis von Sauerstoff in die zweite Zone und zu dem Ά .,.., Auspuff im Bereiah von .70 ;. 3.o:· bis 95 : 5.liegt»
    18. Vorrichtung nach einem derAnsprüche 8 bis 17* cia-
    ■ durch gekennzeiehne t , daß eine Über-
    BAD ORIQINAl,
    temperatur-Kontrolleinrichtung vorgesehen ißt, Vielehe einen Temperatur-Sensor und eine Kontrolleinrichtung umfaßt, die gegenüber dem Sensor antwortet und die so angepaßt ist, daß das Abgas durch einen Kühler zwischen dem Auspuffrohr und. der ersten Katalysatorzone geleitet wird, wenn die durch den ·. Sensor abgefühlte Temperatur über einen vorgewählten Wert hinausgeht.
    19· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18,. dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Zonen in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind,.-worin die Betton ringförmig und konzentrisch sind und wobei sich das zweite Bett außerhalb des ersten Bettes befindet.
    20. Verfahren nach einem der/Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren
    - eine niedrige spezifische Wärme je Einheit des Mas« senvolumens haben.
    21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 2o, dadurch ge k e η η ζ e i ohne t , daß-der Katalysator in der ersten Zone auch dazu imstande ist, Kohlenmonoxid ,durch Sauerstoff zu katalysieren, wenn die Atmosphäre eine oxidierende Atmosphäre ist.
    22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator eine Initial-Aktivierungstemperatur für die Oxidation von Kohlenmonoxid von weniger als 2o4°C besitzt.
    23· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in der ersten Zone ein Gemisch von ver-
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    sehiedenen katattischen Materialien darstellt.
    24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 Ms 2;5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator ein Edelmetall umfaßt und daß der erste Katalysator ein aktives katalytisches Mittel umfaßtj welches abgeschieden auf einen-Träger Kobalt, Kupfer, Mangan oder deren Gemische enthält.
    25.. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24,
    dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Einlaß für ein Hilfs-Reduktionsmittel in Nähe des Einlasses für die erste Katalysatorzone vorgesehen ist'. ■
    26. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze i chne t , daß ein Sensor für die Temperatur in mindestens einer der Zonen vorgesehen ist, welcher die Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Gases sowohl zu dem Auspuffrohr als auch zu der zweiten Zone abschneidet, wenn eine ■ Temperatur im Überschuß über den vorgewählten Wert festgestellt wird. .
    27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurchgekennzeichnet, daß mindestens ein Sauerstoff enthaltendes Gas Luft ist.
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