DE2235568A1

DE2235568A1 - Einrichtung zur abgasreinigung durch katalytische umsetzung und abgasrueckfuehrung

Info

Publication number: DE2235568A1
Application number: DE2235568A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr Ing Koenig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1972-07-20
Filing date: 1972-07-20
Publication date: 1974-01-31
Also published as: JPS49108424A; US3879943A

Description

VOLKSWAGENWEBIC Aktiengesellschaft
316 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 1525
9709-We/m

Einrichtung zur Abgasreinigung durch katalytische Umsetzung und Abgasrückführung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abgasreinigung durch katalytisch^ Umsetzuag asö. AbgasTÜekführuag, insbesondere für Verbrennungskraftmaschine»₉ mit ®ia©si katalytischen Konverter, des in

eines Abgasführungskanalβ angeordnet ist; und mit Entnahmeatelle zur Bückführung eines Teils der Hbganenge in den

Aus Gründen der weltweiten Bestrebungen zvtx Relmh&ltwiig Luft werden zur Zeit große Anstrengungen. imten&oraQem,; Sie in den Abgasen insbesondere von YerbrszmungBkrafteaschißeis enthaltenen Schadstoffanteil© zu beseitigen« Bi@s@ Schadstoffanteile bestehen im wesentlichaa aas Kohleasono^iä_c

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unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden. Zur Beseitigung des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe wurden thermische und katalytisehe laohverbrennungsanlagen entwickelt. Auch die Stickoxid· können in einer katalytiechen Nachbehandlungsanlage beseitigt werden· Neben diesem Weg wird aber auch die Möglichkeit verfolgt, eine Verringerung der Stickoxid-•alssion durch Rückführung eines Teils der Verbrennungsabgas e in den Verbrennungsraum zu erreichen (Abgasrückführung). Durch die Rückführung eines Teils der im wesentlichen aus inerten Gasen bestehenden Abgase wird die Verbrennunfisepitzentemperatur in dem Hauptverbrennungsraum so herabgesetzt» daß die Emission von Stickoxiden entscheidend verringert wird. Für die Abgasrückführung werden im allgemeinen bis zu 15$ der gesamten Abgasmenge herangezogen» die an irgendeiner Stelle des Abgaskanal β entnommen werden.

Dl· katalytischon Konverter zur Reinigung der Abgase bestehen nun aus eine« Trägermaterial, das mit einer die oben!sehe Umsetzung der echädlxhen Gasbestandteile bewirkenden Katalysatormasβe überzogen ist. Dabei kann das trägermaterial entweder ein Schüttgut oder ein Festatoffkurper (Monolith) alt durchgehenden Kanälen sein. Bei elaea Schüttgutkatalysator tritt das die schädllohen Gasbestandteile mitführende Abgas zwischen den einzelnen, alt Katalysatorma»se überzogenen Schüttgutteilchen hindurch, während das Abgas bei einen Monolith-Katalysator durch die la Trägerkörper angeordneten durchgehenden Kanäle hindurchströat. Der Durchtritt des Abgases durch die Katalysatoren ist stets mit einem Druckverlust verbunden» welcher au einer Verminderung des thermodynamisehen Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine führt. Um nun

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den durch die Katalysatoren verursachten Bruckverlust möglichst gering zu halten, wird die Querschnittsfläche der · Katalysatoren wesentlich größer gewählt als die Querschnittßflache der das Abgas zu- und abführenden Rohrleitungen. Der übergang von den Bohrleitungen zu einem den Katalysatorkörper aufnehmenden Gehäuse Vird daher an der Zu- und Abströmseite des Abgases durch entsprechende Übergangsstücke gebildet. Die Abgaazu- und -ableitungen, das Gehäuse zur Aufnahme des Katalysatorkörpers und die Übergangsstücke können an eich jede beliebige Querschnittsform aufweisen, in der Hegel haben sie jedoch einen kreisförmigen Querschnitt.

Bei der Durchströmung eines derartigen Katalysators ergibt sich aufgrund der Querachnittsverhältnisse beim übergang von dem Abgaszuführungsrohr mit kleinem Durchmesser zu dem Katalysatorgehäuso mit größeren Durchmesser eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Dadurch entsteht in den diffusorartigen Erweiterungsteil des Abgasführungskanals ein Druckanstieg in Strömungsrichtung und die Gefahr einer Ablösung der Strömung von der Wand« Es bildet oich dann in diesem Übergangsstück ein torusförmiger Wirbel aus, der zu einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in den Katalysator führt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist dabei im mittleren Bereich des Katalysators asu größten und nimmt in etwa in dem Bereich des Katalysatoi*s nahezu sprunghaft ab, der sieb in Strömungßrichtung gesehen nicht mehr mit der Querschnittsfläche des Zuführrohree deckt. Besonders nachteilig wirkt sich dieee Geschwindigkeitsve^vrteilung bei mcnoli-· tischen Katalysatoren, aus, da deren durchgehende Kanäle nicht untereinander verbunden sind, εο daß das Genchwindigteltsprofii dee durch den Katalysator hindurchetrönenden

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Abgases über die gesamte Länge des Katalysators erhalten bleibt.

Ba nun die Geschwindigkeit des Abgases im mittleren Bereich des Katalysators wesentlich größer ict als in dessen Randbereich, tritt hier auch eine wesentlich größere Gasmenge und damit auch eine größere Menge an Schadstoff- ■ an te ilen hindurch. Damit werden aber die Randbereiche des Katalysators hinsichtlich der chemischen Umsetzung nur sehr schlecht ausgenutzt, was sich auf den Gesamtwirkungsgrad des Katalysators negativ auswirkt. Darüber ImauB erfolgt die Umwandlung der im Abgas herangeführten Schadstoffe in unschädliche Gasbestandteile exotherm, so daß die bei der Umwandlung frei werdende Wärme und damit die Wärmebelastung des Katalysators in seinem Mittelbereich um ein Vielfaches größer ist als in seinem Randbereich. Diese Wärmebelastung kann mitunter sogar so groß werden, daß der Katalysator in seinem Mittelbereich verbrennt und zerstört wird. Da aber gerade dieser Bereich die Hauptlast der chemischen Umsetzung der Schadstoffanteile tragt, kann dadurch die Wirksamkeit des gesamten Katalysators entscheidend beeinträchtigt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Einrichtung der obenbezeichneten Art zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln die Wirksamkeit ihrer Abgasreinigung wesentlich verbessert ist, bzw. die bei gleicher Reinigungsvirkung den Bau- und Kostenaufwand deutlich verringert. Insbesondere wird eine bessere Ausnutzung der Katalysatorfläche durch eine gleichmäßigere Gesobwindigkeitsbeaufschlagung, besonders bei monolithiechen Konvertern, und danit eino Verringerung der Gefahr der örtlichen überhitzung

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des Katalysators angestrebt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Entnahmeεteile für die Abgasrückführung im Bereich des sich erweiternden Abgasführungskanals, d.h. des Diffusorteils, angeordnet ist. Dazu sollen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Durchganga-'öffnungen in dem Mantel des Diffusorteils des Abgas- . ' führungskanals vorges.ehen sein, die durch eine gemein- ν same Leitung mit.einem vor dem Hauptverbrennungsraum liegenden Raum niedrigeren Druckes in Verbindung stehen.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung die für die Rückführung benötigte Abgasmenge durch Absaugung im Bereich des Diffusorteils des Abgasführungskanals entnommen wird, wird nun gleichzeitig eine Ablösung der Strömung in dem Diffusorteil wirksam verhindert. Die Strömung legt sich infolge der Grenzschichtabsaugung vollkommen an die Wand an, so daß die Geschwindigkeit über den. Querschnitt weitgehend konstant bleibt. Die Vergleicfaiaäßigung dea Geschwindigkeitsprofils der Gasströmung bewirkt nun eine gleichmäßig gute Ausnutzung der gesamten Katalysatoroberfläche für dem chemischen Umsatz _v so daß bei gleicher Wirksamkeit die Katalysatorbaulänge weseat» lieh verringert werden kanu» Gleieh^Itig wird durch die gleichmäßigere Beaufschlagung der Katalysatorfläche auch die Wärmebelastung gleichmäßiger, wodurch die Gefahr der örtlichen Überhitzung des Hatalysatonalttelteils verringert wird» Neben dieaen Vorteilen bewirkt die AlssaugUBg der wandnahen Strömungsschicht im Diffusor auch eise Verringerung des Druckverlustes und damit ©ine Verbesserung¹

- 6 dte GesaatvixkungsgradeB des Verbrennungsprozesses.

Zweckmäßigerweise werdon die Durchgangsöffnungen für die Grenzschichtabsaugung gleichmäßig über den Umfang aea Diffusormantels verteilt.

Besondere vorteilhaft erweist sich die erfindun^sgemäßo Einrichtung bei solchen Katalysatoren, die aus Monolithen bestehen.

Ein Ausführungebeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen Abgasführungskanal mit einem in einer Erweiterung des Kanals angeordneten monolithischen Katalysator.

Der Katalysator 1 weißt einen monolithischen Trägerkörper 2 auf, der in einem zylindrischen Gehäuse 5 angeordnet ist und mit über die gesamte Länge verlaufenden axialen Kanälen für den Durchtritt der Ab^asströmung versehen ißt. Die für das Abgas zugängliche Oberfläche des Trägerkörpere ist mit einer katalytischer! Masse, beispielsweise einer Edelnetallmasse überzogen, die durch eine katalytische Reaktion die Umwandlung der Schadetoffanteile des Abgases bewirkt. Das zylindrische Gehäuse 3 ist Teil eines AbgasiiUirungskanals, der im Übrigen aus einer Rohrleitung 6 für die Zuführung und einer Rohrleitung 7 für die Abführung des Abgases, sowie aus konusartigen Übergangsstücken 4 wd 5 zur stetigen Querschnittserweiterung des Abgasführungskanalβ ▼on den Rohrleitungen 6 und 7 auf den .größeren Querschnitt des Gehäueetoils } besteht.

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Unter Berücksichtigung der durch Pfeile 12 angedeuteten Strömungsrichtung des Abgases durch den Katalysator 1 stellt das Übergangsstück 4 einen Diffusor dar, in dem gemäß der Erfindung die Entnahme eines Teils der Gasmenge für die Rückführung in den Hauptverbrennungcraum erfolgen soll. Diese Entnahme geschieht durch Absaugung der Randströmung im Diffusor, in dem Durchgangsöffnun- gen 8 im Mantel des Diffusors 4 angebracht sind, die durch eine Ringleitung 10 miteinander in Verbindung stehen. Eine gemeinsame Rohrleitung 9 führt zu einem Raum vor dem Hauptverbrennungsraum, der gegenüber dem Diffusor einen niedrigeren Druck aufweist. Bei Verbren-Eungskraftinaschinsn ist dies vorzugsweise der Ansaugstutzen, in dem dieses Abgas der Verbrennungsluft zugemischt wird. /

Die ZuraiGchung von Abgas zu der Verbrennungsluft führt, wie schon oben ausgeführt wurde, zu einer Erniedrigung der Spitsentemperaturen bei der motorischen Verbrennung, so daß der Anfall an Stickoxiden im Abgas entscheidend verringert werden kann.

Die Absaugung des Abgases in dem Diffusortec.1 4 des Abgasführungskanale bewirkt dann die schon oben erwähnten Vorteile hinsichtlich der Vergleichmäßigung dee Geschwindigkeitsprofils der Gasströmung beim Eintritt in den Katalysator und dadurch eine gleichmäßige Ausnutzung der gesamten Katalysatorfläche sowie eine Verringerung der Gefahr einer örtlichen Überhitzung des Katalysators. Die D^irchbruche 0 werden dazu gleichmäßig über den Umfang verteilt und können aus Eohrungen, Schlitzen oder dergleichen bestehen.

Wenn auch in dem daxgestellten ÄuBführungsbeicpiel von einem kreisförmigen Querschnitt des-Abgasführungskanals ausgegangen ist, so ist doch klar, dcß auch andore, beispielsweise ellipsenförmige oder quadratische 'Querschnitte möglich sind. Die einzelnen Stücke den Abg?aführungr.-kanal3 können durch Schweißimg oder, wie durch 11 angedeutet wurde, durch Flansche verbunden sein.

Claims

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Ansprüche

A Einrichtung zur Abgasreinigung durch katalytische Umsetzung und Abgasrückführung, insbesondere für VerbrennungskraftEtaschineia,. mit einem katalytischen Konverter, der in einer Querschnittserweiterung eines Abgasführungskanals angeordnet ist, und mit einer Entnahmeκteile zur Rückführung eines Teils der Abgasmenge in den Hauptverbrennungsraum, dadurch- gekennzeichnet, daß die-Entnahmestelle für die Abgasrückführung im Bereich des sich erveiternden Abgasführungskanals (4) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Durchgangsöffnungen (8) in dem Mantel des Diffusorteils (4) des Abgasführungskanals vorgesehen sind, die durch eine gemeinsame Leitung (9) mit einem vor dem Hauptverbrennungsraum liegenden Baum niedrigeren Druckes in Verbindung stehen.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet„ daß die Durchgangaöffnungen (8) gleichmäßig über den Umfang des Diffusormantels verteilt sind.

4« Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytischer Konverter ein monolithischer Konverter vorgesehen ist.

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