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Einrichtung zur katalytischen Abgasreinigung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen,
insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem in der Abgasleitung eingeschalteten Gehäuse
zur Halterung eines monolithischen Katalysators, dessen Querschnitt gegenüber dem
Abgasleitungsquerschnitt vergrößert ist.
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Um die in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren,
enthaltenen Schadstoffe zu beseitigen, ist es bereits bekannt, der Brennkraftmaschine
eine katalytisch wirksame Nachverbrennungsanlage nachzuschalten. Bei einer derartigen
Anlage werden die in den Abgasen enthaltenen, im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd,
unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxyden bestehenden Schadstoffe in Anwesenheit
von die Verbrennungsreaktion fördernden und aufrecht erhaltenden Katalysatormassen
verbrannt. Diese, beispielsweise aus Edelmetallen der
Platingruppe
bestehenden Katalysatormassen sind dabei im allgemeinen als Überzüge auf einem keramischen
Tragermaterial angeordnet. Dabei kann das Trägermaterial in Porm von Schüttgut oder
als Feststoffkörper (Monolith) mit durchgehenden Kanälen ausgebildet sein. Während
bei einem Schüttgutkatalysator das die schädlichen Gasbestandteile mitführende Abgas
zwischen den einzelnen, mit Katalysatormasse überzogenen SchuEgutteilchen hindurchtritt,
strömt das Abgas bei einem Monolith-Katalysator durch die im Trägerkörper angeordneten
durchgehenden Kanäle. Der Durchtritt des Abgases durch die Katalysatoren ist stets
mit einem Druckverlust verbunden, der zu einer Verminderung des thermodynamischen
Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt. Um nun den durch die Katalysatoren
verursachten Druckverlust möglichst gering zu halten, wird die Querschnittsfläche
der Katalysatoren wesentlich größer gewählt als die Querschnittsfläche der das Abgas
zu-und abführenden Rohrieitungen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß für die Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen,
insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, mit Vorteil monolithische Katalysatoren verwendet
werden. Diese monolithischen Katalysatoren sind bei bekannten Abgasreinigungsanlagen
in einem zylindrischen Gehäuse gehalten, das in einer das Abgas führenden Leitung
eingeschaltet ist. Dabei weist das Katalysatorgehäuse ein zylindrisches, den Monolith-Katalysator
umgebendes Mittelteil sowie an den Stirnseiten jeweils ein kegelstumpfförmig ausgebildetes
Übergangsstück zu den mit fluchtenden Achsen angeordneten Abgaszu- und -ableitungen
auf.
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Bei der Durchströmung eines derartigen Katalysatorgehäuses ergibt
sich aufgrund der Querschnittsverhältnisse beim Übergang von dem Abgaszuführungsrohr
mit kleinem Durchmesser zu dem Gehäusemittelteil mit größerem Durchmesser eine Verminderung
de" Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Dadurch entsteht in dem diffusorartigen
Übergangsstück ein Druckanstieg in Strömungsríchtung
und die Gefahr
einer Ablösung der Strömung von der Wand.
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Es bildet sich dann in diesem Übergangs stück ein torusförmiger Wirbel
aus, der zu einer ungleichmäßigen Gecnwindigkeitsverteilung am Eintritt in den Katalysator
führt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist dabei im mittleren Bereich des
Katalysators am größten und nimmt In etwa in dem Bereich des Katalysators nahezu
sprunghaft ab, der sich in Strömungsrichtung gesehen nicht mehr mit der Querschnittsfläche
der Abgaszuleitung deckt.
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Besonders nachteilig wirkt sich diese Geschwindigkeitsverteilung bei
monolithischen Katalysatoren aus, da deren durchgehende Kanäle nicht untereinander
verbunden sind, so da3 das Geschwindigkeitsprofil des den Katalysator durchströmenden
Abgases über die gesamte Länge des Katalysators erhalten bleibt. Da die Geschwindigkeit
des Abgases im mittleren Bereich des Katalysators wesentlich großer ist als in dessen
Randbereich, tritt in der Mitte auch eine wesentlich größere Gasmenge und damit
eine größere Menge an zu verbrennenden Schadstoffanteilen hindurch. Dadurch werden
die Randbereiche des Katalysators hinsichtlich der chemischen Umsetzung nur schlecht
genutzt, was sich auf den Gesamtwirkungsgrad des Katalysators negativ auswirkt.
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Darüber hinaus erfolgt die Umwandlung der im Abgas herangeführten
Schadstoffe in unschädliche Gasbestandteile exotherm, so daB die bei der Umwandlung
frei werdende Wärme und damit auch die Wärmebelastung des Katalysators in seinem
Mittelbereich um ein Vielfaches größer ist als in seinen Randzonen.
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Dabei ist zu berücksichtigen, daß im Mittelbereich des Katalysators
anders als in dessen Randzonen keine Möglichkeiten zur Abfuhr der dort entstehenden
Wärme gegeben sind, so daß sich dort so hohe Temperaturen einstellen können, daß
die katalytisch wirksamen Schichten beschädigt oder zumindest durch thermische Überlastung
unwirksam werden. Da aber gerade dieser Bereich die Hauptlast der chemischen Umsetzung
der
Schadstoffanteile trägt, wird dadurch die Wirksamkeit der gesamten
Abgasreinigungsanlage entscheidend beeinträchtigt.
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Nun ist es zwar möglich, die sich aus der unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilung
in dem diffusorartigen Übergangsstück ergebenden Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden,
daß der Kegelwinkel des ditfusorartigen Übergangsstückes genügend klein gewählt
wird. Bei einem gegebenen Querschnittsverhältnis zwischen der Abgasleitung und dem
Katalysator würde sich damit jedoch eine Vergrößerung der axialen Länge des Katalysatorgehäuses
ergeben, die wegen der besonders beengten Raumverhältnisse an den Kraftfahrzeugen
nicht tragbar ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
Einrichtung der eingangs bezeichneten Art zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen
zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln die Reinigungswirkung verbessert wird,
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die bei gleicher Reinigungswirkung den Bau- und Kostenaufwand deutlich
verringert. Insbesondere wird eine bessere Ausnutzung des gesamten Querschnitts
des monolithischen Katalysators durch eine günstigere Geschwindigkeitsbeaufschlagung
unter gleichzeitiger erringerung der Gefahr der örtlichen Überhitzung des Katalysators
angestrebt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
die das Abgas dem Katalysator zuführende Abgasleitung in der Weise unter einem Winkel
und versetzt zu der Gehäuseachse in eine dem Katalysator vorgeschaltete Eintrittskammer
des Gehäuses einmündet, daß eine die Außenzonen des Katalysators bevorzugt beaufschlagende
Drallströmung in der Eintrittskammer erzeugt wird. Das Bestreben der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung der Abgaszuströmung zu dem Katalysator geht also dahin, den Mittelbereich
des monolithischen Katalysators, der verhältnismäßig schlecht gekühlt werden kann,
vor einem allzu großen Gasdurchsatz
zu bewahren und dafür mehr
die Außenzonen des Katalysators mit Abgas zu beaufschlagen. In diesen Außenzonen
kann die entstehende Wärme durch Wärmeübergang und vlLrmestrahlung an die umgebende
Gehäusewand abgegeben werden, so daß dort die Gefahr der Überhitzung und Schädigung
der katalytisch wirksamen Schichten nicht so sehr gegeben ist.
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Dadurch kann die Standzeit des monolithischen Katalysators sowie die
Flächennutzung auf verhältnismaßig einfache Weise und ohne Inkaufnahme größerer
Druckverluste vergrößert werden. Durch die Vergrößerung des für die Umsetzung wirksamen
Querschnitts des Katalysators ergibt sich zudem die Möglichkeit, diesen bei gleicher
Gesamtwirkung zu verkleinern, so daß, da auch die Abgaszuführung mit einer extrem
kurzen axialen Baulänge auskommt, auch Vorteile hinsichtlich der 3aulnge und Baugröße
gegenüber den herkömmlichen Ausführungen von Abgasreinigungsanlagen erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll die abgaszuführende
Leitung im wesentlichen tangential in die zylindrisch, kegelig oder kugelförmig
ausgebildete Eintritts--ammer des Gehäuses einmünden. Eine tangentiale Einmündung
der Abgaszuführungsleitung in Abgasreinigungsanlagen ist zwar ansich schon bekannt.
Diese Ausbildung war jedoch bisher im wesentlichen deshalb gewählt worden, um eine
bessere Verwirbelung und Aufbereitung des gegebenenfalls mit Sekundär--uft versehenen
Gemische zu erreichen. In anderen Fällen ist eine tangentiale Abgaseinführung in
den äußeren, konzentrisch um das Gehäuse einer Abgasreinigungsanlage angeordneten
Mantel vorgesehen, um durch einen besonders guten Wärmeübergang das innere Gehäuse
gut aufzuheizen. In keinem dieser Fälle dient die tangentiale Abgaszuführung dazu,
die Querschnittsausnutzung des gegenüber der Abgasleitung im Querschnitt größeren
sonolithischen Katalysators zu verbessern und insbesondere die radial äußeren Zonen
des Katalysators mit Abgas zu beaufschlagen.
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Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der findung sind in
der nachfolgenden Beschreibung ent.dlten, die die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellungsweise Figur
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgenäße Abgasreinigungseinrichtung mit
einem durchgehend zylindrischen Katalysatorgehäuse, Figur 2 einen Querschnitt durch
die Peinigungseinrichtung nach Figur 1 gemäß den Schnittlinien II-II, Figur 3 eine
andere Ausführung des Gehauses einer Pbgasreinigungseinrichtung, bei der die Eintritts-
und Austrittskammern des Gehäuses kegelstumpfformig ausgebildet sind und Figur 4
eine Einrichtung, bei der die Eintrittskaemer des Gehäuses die Form einer Kugelkalotte
aufweist.
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In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind für die gleichen Teile
gleiche Bezugsziffern verwendet. So ist mit 1 ein Katalysatorgehäuse bezeichnet,
bei dem in einem kreiszylindrischen Gehäuseteil 3 ein ebenfalls kreiszylindrischer
monolithischer Katalysator 2 gehalten ist. Das rohrförmige Gehäuse ) ist über die
Enden des Katalysators 2 hinaus verlängert und mit scheibenförmigen Deckel 10 an
den Stirnseiten abgeschlossen In der durch die Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung
des Abgases gesehen vor und hinter dem Katalysator 2 sind dadurch eine Eintrittskammer
4 und eine Austrittskammer 5 gebildet, die eine kreiszylindrische Form aufweisen.
In diese Kammern wänden die das Abgas zu- bzw. abführenden Abgasleitungen, wobei
eine Abgaszuführungsleitung mit 6 und eine Abgasabführungs'eitlng mit 7 zeichnet
ist (Figur 1).
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Im Gegensatz zu den bisher üblichen Ausführungen von Abgasreinigungsanlagen
münden diese Abgasleitungen 6 und 7 nun nicht zentral in das Katalysatorgehäuse
1 sondern sind unter einem Winkel gegenüber der Achse 8 des Katalysatorgehäuses
an dieses herangeführt. In der in der Figur 1 gezeigten Ausführung bildet die Achse
9 der Abgaszuführungsleitung 6 gegenüber der Achse 8 des Katalysatorgehäuses 1 einen
rechten Winkel, während bei den Ausführungen nach den Figuren 3 und 4 dieser Winkel
kleiner als 90 ist. Darüber hinaus verläuft die Abgaszuführungsleitung 6, wie aus
der Figur 2 hervorgeht, etwas außermittig, das heißt die Achse 9 der Abgaszuführungsleitung
6 trifft nicht die Achse 8 des Katalysatorgehäuses 1. Dadurch entsteht eine im wesentlichen
tangentiale, drallerzeugende Zuströmung in der Eintrittskammer 4 des Katalysatorgehäuses,
durch die die mittleren Bereiche des monolithischen Katalysators 2 entlastet und
die radial äußeren Zonen bevorzugt beaufschlagt werden. Da diese äußeren Zonen des
monolithischen Katalysators besser in der Lage sind, die bei der katalytischen Reaktion
entstehende Wärme durch die Gehäusewand 3 abzuführen, wird dadurch die Gefahr der
Beschädigung und die Ausfalls von Teilen des Katalysatorquerschnitts wesentlich
herabgesetzt.
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Die durch die gezeigte Ausführung erreichte Zustömung des Abgases
zu dem Katalysator ergibt außerdem eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung
über den Gesamtquerschnitt des Katalysators, so daß dieser einen besseren Ausnutzungsgrad
aufweist.
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Wie in der Figur 1 gezeigt ist, kann auch die Abgasabführungsleitung
7 in ähnlicher Weise wie das Abgaszuführungsrohr an dem Katalysatorgehäuse 1 angebracht
sein. Es ist jedoch auch möglich, diese für die Strömung im Katalysator 2 weniger
entscheidende Abgasabführung in anderer Weise auszugestalten, beispielsweise so,
wie dies in der Figur 3 gezeigt ist. Dort verläuft die Abgasabführungsleitung 7
zentrisch zu dem Katalysatorgehäuse 1', also entsprechend den bisher üblichen Ausführungen.
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Bei dem in der Figur 3 gezeigten Katalysatorgehäuse 1' ist im Gegensatz
zu der Ausführungsform nach Figur 1 der mittlere, zylindrische Teil 3' etwa nur
so lang wie der monolithische Katalysator 2. An dieses Mittelteil 3' schließen sich
kegelstumpfförmige Gehäuseteile 11 an, so daß eine kegelstumpfförmige Eintrittskammer
4' und eine ebensolche Austrittskammer 5' gebildet wird. Die Eintrittskammer 4'
ist durch einen scheibenförmigen Deckel 10' abgeschlossen und die Gaszuführungsleitung
6 mündet unter einem Winkel gegenüber der Achse 8 des Katalysatorgehäuses in diese
Eintrittskammer 4'. Auch hier soll, wie schon bei der Ausführung nach Figur 1, die
Abgaszuführungsleitung etwas außermittig zu dem Katalysatorgehäuse 1' gerichtet
sein, so daß durch eine im wesentlichen tangentiale Zuströmung des Abgases ein Drall
in der Eintrittskammer 4' erzeugt wird, der zu einer bevorzugten Beaufschlagung
der radial äußeren Zonen des monolithischen Katalysators2führt.
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In der Figur 4 schließlich ist eine Ausbildung gezeigt, bei der an
dem kreiszylindrischen Mittelteil 3' des Katalysatorgehäuses 1" eine kalottenförmige
Kappe 12 aufgesetzt ist, die eine halbkugelförmige Eintrittskammer 4'' bildet. Die
Zuströmung des Abgases über die Abgaszuführungsleitung 6 erfolgt ähnlich wie bei
der Figur 3 unter einem Winkel gegenüber der Achse 8 des Katalysatorgehäuse i",
der kleiner als 900 ist. Auch hier ist vorgesehen, daß die Abgaszuführungsleitung
6 außermittig ausgerichtet an das Katalysatorgehäuse 1 " herangeführt ist. Für die
Ausbildung der Austrittskammer dieses Katalysatorgehäuses 1 " ergeben sich nun viele
Möglichkeiten. So kann die Austrittskammer entsprechend der Eintrittskammer 4 "
ausgebildet sein; sie kann aber auch eine der Austrittskammer 5' der Ausführung
nach Figur 3 entsprechende Form aufweisen.
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Wie sich auch aus den Zeichnungen ergibt, besteht also das wesentliche
Merkmal der Erfindung darin, daß von einer zenraten Zuführung des Abgases in das
Katalysatorgehäuse abgegangen wird und daß die Abgaszuführungsleitung so in eine
dem onolithischen Katalysator vorgeschaltete Eintrittskammer einmündet, daß in dieser
eine Drallstrcmung entsteht, die bevcrzugt die radial äußeren Zonen des Katalysators
beaufschlagt.