DE2220545A1 - Katalytischer Mehrfachbettkonverter - Google Patents

Katalytischer Mehrfachbettkonverter

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DE2220545A1
DE2220545A1 DE19722220545 DE2220545A DE2220545A1 DE 2220545 A1 DE2220545 A1 DE 2220545A1 DE 19722220545 DE19722220545 DE 19722220545 DE 2220545 A DE2220545 A DE 2220545A DE 2220545 A1 DE2220545 A1 DE 2220545A1
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Charles R. Dearborn; Schock Donald N. Fiat Rock; Mich. Lang (V.StA.). P
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Ford-Werke AG, 5000 Köln
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Description

US-242 - S/DE
Ford-Werke AG.,
Köln-Deutz, Ottoplatz 2
Katalytischer Mebrfachbettkonverter
Gemäß der'Erfindung werden Abgase dem Zentralteil eines zylindrischen Gehäuses zugeführt und axial durch ein
erstes katalytisches Bett geleitet, das Stickstoffoxide reduziert. Diese Gase strömen dann radial nach außen in Räume, die durch die Seitenwände des zylindrischen Gehäuses begrenzt sind und wandern schließlich axial nach innen durch ein zweites katalytisches Bett, welches unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert. Zusätzliche Luft wird so zugeführt, daß ein gutes Vermischen gefördert wird und ein Rückströmen herabgesetzt wird
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Kürzliche gesetzliche Abgabestandards für Kraftfahrzeuge fordern beträchtliche Herabsetzung der Mengen an unerwünschten Bestandteilen, und Bemühungen zur Erfüllung dieser Standardvorschriften erfolgten auf verschiedenen Gebieten, von denen eine die Entwicklung katalytischer Konverter ist. Wirksame katalytische Umwandlung erfordert nicht nur die chemische Reduktion von Stickstoffoxiden, die sich in den Auspuffgasen finden, sondern auch die chemische Oxidation anderer Abgaskomponenten, wie beispielsweise unverbrannte oder teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid.
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Mehrfachbettkonverter, der eine Mehrzahl von Katalysatoren innerhalb eines einzigen kompakten Gehäuses aufweist. Für Fahrzeugzwecke ist der erste Katalysator in typischer Weise ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden, und der zweite Katalysator ist in typischer Weise ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Der Konverter erhöht den Fließbereich beider Katalysatorbetten mit der Gesamtpackungsgröße und liefert inhärent eine höhere und gleichmäßigere Betriebstemperatur für das reduzierende Katalysatorbett. Die Baubestandteile des Konverters umfassen ein 'äußeres Gehäuse mit einem in dessen Zentralteil angeordneten Verteilungsgehäuse. Ein Abgaseinlaß steht in Verbindung mit dem Verteilungsgehäuse und ein Abgasauslaß ist in dem äußeren Gehäuse gebildet. Ein Reduktionskatalysator befindet sich angrenzend an das Verteilungsgehäuse, wo hereinkommende Abgase anfangs durch den Reduktionskatalysator strömen. Das Bett des Reduktionskatalysators erstreckt sich gegen das äußere Gehäuse hin, ist jedoch davon durch einen engen offenen Raum getrennt.
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Ein Oxidationskatalysator verbindet den engen Raum mit dem Abgasauslaß. Geeignete Rohre führen dem engen Raum luft oder irgendein anderes saueratoffhaltiges Material zur Verwendung bei den Oxidationsreaktionen zu.
Das äußere Gehäuse besitzt vorzugsweise eine praktisch zylindrische Porm, die an beiden Enden durch kreisförmige Stirnwände geschlossen ist, und das Verteilungsgehäuse ist dann ein kleinerer Zylinder, der sich in dem Mittelteil des äußeren Gehäuses im Abstand befindet.
f. .
Flansche erstrecken sich axial nach außen auf beiden Seiten des inneren Gehäuses, enden jedoch kurz vor den Stirnwänden des äußeren Gehäuses unter Belassung radialer Strömungsräume angrenzend an diese Stirnwände. Zylindrische oder scheibenförmige Reduktionskatalysatorbetten sind radial innerhalb der Plansche angeordnet, und ringförmige Oxidationskatalysatorbetten sind radial außerhalb der Plansche angeordnet. Die Abgase wandern in das Verteilungsgehäuse, strömen axial nach außen durch die Reduktionsbetten, wandern radial durch die Endräume, wo zusätzliche Luft damit vermischt wird, s"trömen axial nach innen durch die Oxidationsbetten und gehen schließlich durch den Abgasauslaß heraus.
Zusätzliche Luft tritt vorzugsweise in die Endräume durch kleine Öffnungen ein, die sich etwa auf den radialen Höhen der Plansche befinden. Die Öffnungen gehen radial nach aussen, so daß wenigstens teilweise die Strömung der zusätzlichen luft eine radial nach auswärts gerichtete Komponente aufweist, wenn sie in die Endräume eintritt. Diese radial nach auswärts gerichtete Komponente verläuft parallel zu der Strömung der Abgase an dem Punkt, wo die Ergänzungsluft in die Endräume eintritt. Eine Rückströmung wird auf ein Minimum herabgesetzt und ein Vermischen der Ergänzungs-
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luft und der Abgase wird durch diese Anordnung verbess.ert.
Im folgenden werden die Zeichnungen beschrieben.
Pig. 1 ist eine Schnittansicht eines katalytischen Konverters der Erfindung mit einem praktisch zylindrischen äußeren Gehäuse. Die Pigur zeigt die axial vorspringenden Plansche des inneren Gehäuses, die Gasstro'mungsräume angrenzend an jede Seitenwand des äußeren Gehäuses und das zweite Luftzufuhrsystem.
Pig. Z ist eine Schnittansicht radial durch den Konverter längs der Linie 2-2 der Pigur 1, um die ringförmige bzw. wulstartige Struktur der Oxidationskatalysatorbetten und deren Beziehung zu den zentral angeordneten zylindrischen Betten des Reduktionskatalysators zu zeigen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen umfaßt der katalytische Konverter ein zylindrisches äußeres Gehäuse 10, das durch Seitenwände 12 und 13 geschlossen ist. Die Seitenwände 12 und 13 sind an den mit 14 und 15 bezeichneten äußersten Enden nach außen gekrümmt oder aufgebläht. Eine Einlaßöffnung 16 befindet sich etwa im Mittelpunkt des zylindrischen Teils des äußeren Gehäuses 10, und ein Auslaß 18 befindet sich in dem zylindrischen Teil diametral gegenüber der Einlaßöffnung 16.
Ein zylindrisches inneres Gehäuse 20 befindet sich zentral innerhalb des äußeren Gehäuses 10. Ein Einlaßrolir 22 steht in Verbindung mit dem Inneren des inneren Gehäuses 20 und
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erstreckt sich durch die Einlaßöffnung 16 des-äußeren Gehäuses 10. Die Seitenwände 24 und 26 des inneren Gehäuses 20 sind gegenüber Gasströmung porös und können aus Drahtnetz, expandiertem Metall oder anderen geeigneten Materialien gefertigt sein. Zylindrische Plansche 28 und 30 erstrecken sich von den entsprechenden Seiten des inneren Gehäuses 20 axial nach außen, so daß die Plansche die entsprechenden Seitenwände 24 und 26 umgeben. ,
Die Plansche 28 und 30 enden in einem kurzen Abstand von · den Seitenwänden 12 und 13 des äußeren Gehäuses und radial außerhalb der inneren Enden der aufgeblähten Abschnitte 14 und 15· Kreisförmige Blatten 32 und 34, die gegenüber Abgasströmung porös sind, erstrecken sich quer über die Enden der entsprechenden Plansche 28 und 30 und enden gegen den zylindrischen Teil des äußeren Gehäuses 10. Die Platten 32 und 34 sind in einem kurzen Abstand innerhalb der entsprechenden Seitenwände"12 und 13 des äußeren Gehäuses im Abstand angeordnet, um enge GasstrÖ-mungsräume 36 und 38 dadurch zu begrenzen. Expandiertes Metall, Drahtsieb oder ähnliche Materialien können zur Herstellung der Platten 32 und 34 verwendet werden.
Ein scheibenförmiges Bett 40 aus Reduktionskatalysator ist auf der linken Seite des inneren Gehäuses 20 angeordnet, wo das Katalysatorbett axial durch die Seitenwand 24 und die Platte 32 und radial durch den Plansch 28 beibehalten wird. In gleicher Weise befindet sich ein scheibenförmiges Bett 42 aus Reduktionskatalysator auf der rechten Seite des inneren Gehäuses 20, wo es axial durch die Seitenwand 26 und die Platte 34 und radial durch den Plansch 30 beibehalten wird.
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Radial auswärts des Planschs 28 befindet sich ein ringförmiges Bett 44 aus einem Oxidationskatalysator. Bett 44 wird radial durch Plansch 28 und einen zylindrischen . Teil des äußeren Gehäuses 10 gehalten. Die poröse Platte 32 begrenzt die axiale äußere Pläche des Bettes 44, und eine ringförmige poröse Platte 45, die in der Ebene der Seitenwand 24 angeordnet ist, begrenzt seine axiale innere Pläche. In gleicher Weise begrenzt der Plansch 30 die radiale innere Oberfläche eines zweiten ringförmigen oder toroidförmigen Bettes 46 aus Oxidationskatalysator, das axial durch die poröse Platte 34 und eine ringförmige poröse Platte 47 begrenzt ist.
Eine Platte 48 ist angrenzend an das Äußere des ebenen Teils der Seitenwand 12 angeordnet, um einen lufträum
49 damit zu begrenzen. In gleicher Weise ist eine Platte
50 angrenzend an das Äußere des ebenen Teils der Seitenwand 13 angeordnet, um einen lufträum 51 damit zu begrenzen. Die Platten 48 und 50 bilden luftdichte Dichtungen, wo die Platten entsprechende ballonartig aufgeblähte Teile 14 und 15 durchschneiden. Ein Rohr 52 steht in Verbindung mit dem Mittelteil der Platte 48, und ein ähnliches Rohr 53 steht in Verbindung mit dem Mittelteil der Platte 50. Die Rohre' 52 und 53 werden in einem Y-Abschnitt 54 zusammengebracht, dem durch eine motorbetriebene luftpumpe (nicht gezeigt) Luft zugeführt wird.
In den aufgeblähten Teilen 14 und 15 etwa in der radialen Höhe der Plansche 28 und 30 ist eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen ausgebildet, um die lufträume 49 und 51 mit entsprechenden Gasströmungsräumen 36 und 38 zu verbinden. Die Achsen der Öffnungen 56 verlaufen vorzugsweise praktisch parallel zu den Radien der ebenen Teile der Stirnwände 12
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und 13, sie können jedoch gegebenenfalls zu einem beträchtlichen Ausmaß nach innen gerichtet verlaufen. · Die Bildung der öffnungen wird vereinfacht, wenn die Öffnungen senkrecht zu den aufgeblähten Teilen 14 und 15 verlaufen, und dadurch werden zufriedenstellende Ergebnisse erhalten.
Der Betrieb des Konverters erfolgt in folgender Weise. Heiße Abgase aus dem Motor treten durch die Einlaßleitung 22 in den Konverter und werden über den Oberflächenbereich der reduzierenden Katalysatoren 40 und 42 durch das innere Gehäuse 20 verteilt. Die Abgase strömen durch die reduzierenden Betten 40 und 42, wo alle Stickstoffoxide zu weniger schädlichen Bestandteilen reduziert werden^axial nach außen. Die aus den reduzierenden Betten ausströmenden Gase strömen radial nach außen in die Räume 36 und 38.
Wenn die Gase die Ränder der Flansche 28 und 30 passieren, vermischen sie sich mit Ergänzungsluft, die durch die Öffnungen 56 zugeführt wird. Die Sekundärluft hat eine Strömungskomponente parallel zu den Gasen, wenn sie in die Räume 3.6 und 38 eintritt, wodurch eine Rückströmung sowohl der luft als auch der Gase verhindert wird und ein gleichmäßiges glattes Vermischen gefördert wird* Das Gemisch wandert axial durch die Oxidationsbetten 44 und 46, wo die zusätzliche luft zur Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe oder von Kohlenmonoxid zu weniger schädlichen Komponenten verwendet wird. Die behandelten Gase wandern aus den Betten 44 und 46 in den ringförmigen, durch die Gehäuse 10 und 20 und die Platten 45 und 47 begrenzten Raum und strömen schließlich aus der Auslaßöffnung 18.
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Die zentrale Anordnung der reduzierenden Betten 40 und 42 setzt die Wärmeverluste aufgrund von Wärmeleitung auf ein Minimum herab, wodurch sichergestellt wird, daß die Betten rasch auf Betriebstemperatur erhitzt werden und bei Betriebstemperatur gehalten werden. Pie Oxidationsbetten 44 und 46 arbeiten im allgemeinen bei etwas niedrigeren Temperaturen, obgleich entsprechende Isolierung auf das Äußere des äußeren Gehäuses 10 aufgebracht werden kann, um richtige Arbeitstempera türen, falls notwendig, sicherzustellen.
Es können gemäß der Erfindung verschiedene Arten von Katalysatoren und Katalysatorbettkonstruktionen verwendet werden. Bei strukturell integralen oder monolithischen Katalysatorbetten können die Platten 32, 34, 45 und 47 weggelassen werden. Bei derartigen Katalysatorbetten mögen auch die Seitenwände 24 und 26 unnötig sein, obgleich die Seitenwände 24 und 26 zur Verteilung der Abgase über den Oberflächenbereich der Betten 40 und 42 beitragen und aus diesem Grund beibehalten werden. Das Bett 42 kann einen abweichenden Katalysator von Bett 40 enthalten, und Bett 46 kann einen abweichenden Katalysator von Bett 44 enthalten. Ferner können sämtliche vier Betten die gleiche Oxidations- oder Reduktionsfunktion auf verschiedene Komponenten des Abgasstroms ausüben. Ein Teil der Zusatzluft oder die gesamte Zusatzluft kann den in Rohr 22 eintretenden Abgasen zugeführt werden, jedoch setzt die erhaltene Verdünnung die Wirksamkeit der Reduktionsbetten herab.
Die Erfindung liefert somit einen katalytischen Konverter der Mehrfachkatalysatorbetten in einem einheitlichen kom-
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pakten einfach konstruierten Gehäuse enthält. Der Konverter besitzt mehrere Gasströmungswege, so daß eine Verstopfung oder ein schlechtes Funktionieren eines Weges nicht den gesamten Betrieb unfähig macht.
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Claims (14)

  1. -,10 Patentansprüche
    (VT)Katalytischer Mehrfachbettkonverter zur katalytischen Umwandlung von Abgasbestandteilen, gekennzeichnet durch
    ein äußeres Gehäuse (10) mit einem Abgasauslaß. (18), ein im Mittelteil des äußeren Gehäuses angeordnetes Yerteilungsgehäuse (20), das mit einem Abgaseinlaß (22) verbunden ist, ein angrenzend <an das Verteilungsgehäuse angeordneter erster Katalysator, der sich gegen das äußere Gehäuse hin erstreckt, jedoch davon durch einen engen Raum (36, 38) getrennt ist, einen zweiten Katalysator, der den engen Raum mit dem Abgasauslaß verbindet und mit dem engen Raum in Verbindung stehende Luftzufuhreinrichtungen zur Zufuhr von luft zu den in den zweiten Katalysator eintretenden Abgasen.
  2. 2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse (10) praktisch zylindrisch ist und das Verteilungsgehäuse (20) sich im Mittelteil des äußeren Gehäuses befindet, wobei das äußere Gehäuse durch Stirnwände (12, 13) umschlossen ist.
  3. 3- Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilungsgehäuse (20) praktisch zylindrisch ist und an jeder Seite des Verteilungsgehäuses befestigte vorspringende Plansche (28, 30) aufweist, die in einem kurzen Abstand von der jeweiligen Stirnwand (12, 13) des äußeren Gehäuses (10) enden, wobei der erste Katalysator ein scheibenförmiges Katalysatorbett (40,42) umfaßt, das sich axial innerhalb jedes Flansches auf jeder Seite des Verteilungsgehäuses befindet, wobei jedes Bett von den Stirnwänden des äußeren Gehäuses durch enge
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    Räume (36, 38) getrennt ist.
  4. 4. Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator ein ringförmiges Katalysatorbett (44, 46) umfaßt, das sich axial außerhalb des jeweiligen Flansches (28, 30) befindet, so daß die aus den ersten Katalysatorbetten ausströmenden Gase durch die engen Räume (36, 38) in die zweiten Katalysatorbetten strömen. ;
  5. 5. Konverter nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator, ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden ist.
  6. 6. Konverter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation anderer Komponenten der Abgase let.
  7. 7. Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhreinrichtungen eine angrenzend an jede Stirnwand (12, 13) des äußeren Gehäuses (10) angeordnete Platte (48, 50) umfaßt, um damit einen luftzufuhrdurchgang (51) zu begrenzen, wobei die Stirnwände des äußeren Gehäuses eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisen, welche die luftzufuhrwege mit den engen Räumen (36, 38) verbinden.
  8. 8. Konverter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnwand (12,13) des äußeren Gehäuses (10) einen nach außen gekrümmten Teil (14, 15) an seinem radialen äußersten Ende außerhalb eines ebenen Teils aufweist und jede Platte (48, 50) dem ebenen Teil benachbart ist, wobei die Platten die inneren Oberflächen der gekrümmten Teile durchschneiden und die Öffnungen (56) innerhalb der gekrümmten Teile angeordnet sind.
  9. 9. Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Öffnungen (56) praktisch parallel zu den Radien der Stirnwände (12, 13) des äußeren Gehäuses (10) verlaufen und die Öffnungen etwa den radialen
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    Stellungen der Plansche (28, 30) benachbart sind.
  10. 10. Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhreinrichtungen eine jeder Stirnwand (12, 13) des äußeren Gehäuses (10) benachbarte Platte (48, 50) aufweisen, um damit einen Luftzufuhrdurchgang (51) zu begrenzen, wobei die Stirnwände des äußeren Gehäuses eine Mehrzahl von Öffnungen aufweisen, welche die Luftzufuhrwege mit den engen Räumen (36, 38) verbinden.
  11. 11. Konverter nach'Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnwand ('12, 13) des äußeren Gehäuses (10) einen nach außen gekrümmten Teil (14, 15) an seinem radialen äußersten Ende außerhalb eines ebenen Teils aufweist und jede Platte (48, 50) dem ebenen Teil benachbart ist, wobei die Platten die inneren Oberflächen der gekrümmten Teile durchschneiden und die Öffnungen (56) sich in den.gekrümmten Teilen befinden.
  12. 12. Konverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Öffnungen (56) praktisch parallel zu den Radien der Stirnwände (12, 13) des äußeren Gehäuses (10) verlaufen und die Öffnungen den radialen Stellungen der Flansche (28, 30) etwa benachbart sind.
  13. 13. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von Stickstoffoxiden ist.
  14. 14. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation anderer Abgasbestandteile ist.
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