DE2320838B2 - Verfahren und konverter zur katalytischen abgasentgiftung - Google Patents

Verfahren und konverter zur katalytischen abgasentgiftung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Abgasentgiftung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem die Abgase zuerst durch eine Reduktionszone und dann durch eine in de Abgas-Durchströmungsrichtung dahinterliegende Oxidationszone eines einzigen reduzierenden und oxidierenden Katalysatormaterials geleitet werden, wobei den Abgasen vor ihrem Eintreten in die Oxidationszone Zusatzluft in für die Oxidation ausreichender Menge beigemischt
wird sowie einen Konverter zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren zur katalytischen Abgasentgiftung und ein entsprechender Konverter sind aus der US-PS 3 228746 bekannt. Bei dem bekannten Konverter erfolgt die Zuführung der Zusatzlutv im Bereich einer zwischen der Reduktionszone und der Oxidationszone liegenden Mischkammer, wobei gegebenenfalls in der Mischkammer noch ein Wärme-ίο austauscher vorgesehen ist, mit dessen Hiife die Temperatur des der Oxidationszone zugeführten Abgasgemisches verringert wird.
Das Vorhandensein einer besonderen Mischkammer zwischen der Reduktionszone und der Oxidationszone hat sich insofern als ungünstig erwiesen, als hierdurch insgesamt der Raumbedarf des Konverters erhöht und gleichzeitig ein unerwünschter Wärmeverlust herbeigeführt wird.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs be-JiO zeichneten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die Einhaltung der für das Verfahren nötigen Abgaszusammensetzung zu sorgen und einen optimalen Wärmeaustausch zwischen der Oxidationszone und der Reduktionszone herbeizuführen.
;i5 Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art durch die Verwirklichung folgender Merkmale gelöst:
a) die Brennkraftmaschine wird unter normalen Betriebsbedingungen mit einem Luft-Kraft-
:jo stoff-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 13 und
14,8 betrieben;
b) man läßt die Reduktionszon«. und die Oxidationszone in einem einzigen Bett aus Katalysatormaterial unmittelbar aneinanderstoßen, indem man die Zusatzluft unmittelbar in das Bett, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase, einleitet.
Das Arbeiten mit einem Luft-Kraftstoff-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 13 und 14,8, d. h. mit einem unter normalen Betriebsbedingungen fetten Gemisch, führt dazu, daß die unbehandelten Abgase einen niedrigen Sauerstoffgehalt und einen im allgemeinen hohen Kohlenmonoxidgehalt besitzen, so daß sich die Stickoxide und das Kohlenmonoxid, wie dies an sich aus »Motortechnische Zeitschrift« 1972, Seiten 63 bis 64, 208 und 212 bis 213 bekannt ist, mit Hilfe eines reduzierenden Katalysators abbauen lassen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ein Konverter mit einem einzigen Katalysatorbehälter besonders bewährt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Katalysatorbehälter im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase mindestens ein mit einer Luftquelle verbundenes Belüftungsrohr angeordnet ist, das derart mit Öffnungen versehen ist, daß die Zusatzluft quer zur Strömungsrichtung der Abgase in das Bett eintritt.
Die Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen derselben werden nachstehend an Hand einer Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Konverters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Konverter gemaß Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Figur,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Konverters zur Durchführung des erfindungsge-
( 3 4
mäßen Verfahrens. Querschnitt ringförmig ausgebildeter Katalysatorbeuer Konverter gemäß Fig. 1 und 2 besitzt ein Ge- halter 55 angeordnet ist. Der innere Mantel des Kata, häuse 2 mit einer Einlaßleitung 3 und einer Auslaß- lysatorbehälters 55 ist durch eine perforierte Trennleitung 4. Die durch die Bezeichnung der Leitungen 3 wand gebildet, die gleichzeitig eine Einlaßleitung 57 und 4 angegebene Strömungsrichtung ist insofern 5 darstellt. Der äußere Mantel des Katalysatorbehälters günstig, als sich bei ihr ein besonders geringer Abrieb 55 besteht aus einer weiteren perforierten Trennwand ergibt. Ferner ist ein einziger Katalysatorbehälter 5 61. Von der äußeren Trennwand 61 und der Innenvorgesehen, welcher durch Wandteile des äußeren scite des äußeren Gehäuses 52 wird ein Auslaßfeld Gehäuses 2 und durch zwei perforierte Trennwände 58 begrenzt. Der Querschnitt gemäß Fig. 3 läßt ferner 10 und 11 gebildet ist. Die Trennwände 10 und 11 10 vier Belüftungsrohre 65 erkennen, die mit öffnungen sind so angeordnet, daß sie eine Einlaßkammer 7 und 66 versehen und in dem Katalysatorbehälter 55 auf eine Auslaßkammer 8 mit sich änderndem Quer- einer gemeinsamen Zylinderfläche angeordnet sind, schnitt begrenzen. Der Konverter besitzt ferner meh- welche quer zu der durch Pfeile 67 angedeuteten Strörere Belüftungsrohre 15, die in dem Katalysatorbe- mungsrichtung der Abgase liegt und in dem Katalysahälter 5 in einer Ebene liegen, die im wesentlichen 15 torbehälter 55 räumlich so angeordnet ist, daß sich quer zu der durch Pfeile 17 angedeuteten Strömungs- eine stromaufwärts liegende Reduktionszone 70 und richtung der Abgase durch den Konverter liegt. Die eine stromabwärts liegende Oxidationszone 71 erge-Belüftungsrohre 15 sind in dem Katalysatorbehälter 5 ben. Die öffnungen 66 dienen der Zufuhr von Zuim Abstand voneinander angeordnet und unterteilen satzluft zu der stromabwärts gelegenen Oxidationsdiesen in eine stromaufwärts liegende Reduktions- 20 zone 71 des Katalysatorbehälters, wobei die Strözone 20 und eine stromabwärts liegende Oxidations- mungsrichtung der Zusatzluft durch Pfeile 73 zone 21. Die Belüftungsrohre 15 besitzen öffnungen angedeutet ist. Auch bei dem Konverter gemäß Fig. 3 16, um der Oxidationszone 21 Zusatzluft zuzuführen. sind wieder in der Zeichnung nicht dargestellte Ein-Die öffnungen 16 sind, wie dies Fig. 2 zeigt, in richtungen zum Zuführen der Zusatzluft zu den BeLängsrichtung der Belüftungsrohre 15 derart ange- 25 lüftungsrohren erforderlich.
ordnet, daß sich in dem Katalysatorbehälter 5 eine In dem Katalysatorbehälter 55 befindet sich Kata-
durch Pfeile 23 angedeutete Hauptströmungsebene lysatormaterial 62. Die über die öffnungen 66 zuge-
für die Zusatzluft ergibt. Die Belüftungsrohre 15 führte Zusatzluft wird wieder im wesentlichen quer
durchgreifen die Stirnwand des äußeien Gehäuses 2 zur Strömungsrichtung der Abgase in das Katalysa-
und besitzen nicht perforierte Endstücke 18, die mit 30 tormaterial eingeleitet und gleichmäßig mit den be-
einer Luftquelle (nicht dargestellt) verbunden sind. handelten Abgasen aus der Reduktionszone 70 ge-
Die Luftquelle kann beispielsweise eine Pumpe, ein mischt, so daß in der Oxidationszone 71 eine sehr
Kompressor oder ein Venturi-System sein. Ferner wirksame Oxidation erreicht wird,
können Regeleinrichtungen vorgesehen sein, um den
Luftstrom während der verschiedenen Betriebsarten 35 Versuchsergebnisse
der Brennkraftmaschine zu regeln. Die Zahl der ver- Ein dem Ausführungsbeispiel gerräß Fig. 1 und 2 wendeten Belüftungsrohre ist von der Größe des ver- entsprechender Konverter mit einem Katalysatorbewendeten Umsetzers und von der Zusammensetzung halter mit folgenden Abmessungen: ca. 5,08 x 17,78 und Strömungsgeschwindigkeit der Abgase abhängig X 35,56 cm wurde mit einer unter Last laufenden, sowie von der Art des verwendeten Katalysatormate- 40 stationären Brennkraftmaschine verbunden, und es rials und von derjenigen Strömungsgeschwindigkeit, wurden die sieben Betriebsarten durchgefahren, weldie ohne die Gefahr einer übermäßigen Abkühlung ehe von dem Motor Vehicle Pollution Control Board noch zulässig ist. Gegebenenfalls kann auch nur ein von Kalifornien, USA, vorgeschrieben sind. Der in einziges Belüftungsrohr vorgesehen sein. dem Konverter verwendete Katalysator bestand aus In dem Katalysatorbehälter 5 befindet sich Kataly- 45 kugelförmigen Tonerdeträgern, die mit Kupferoxid satormaterial 12. Als Katalysator kann jeder Hoch- und Eisenoxid imprägniert waren. Der Umsetzer betemperaturkatalysator verwendet werden, -welcher saß zwei parallele Belüftungsrohre mit einem Innengeeignet ist, in Gegenwart von Kohlenmonoxid Stick- durchmesser von 1,02 cm, die etwa bei 2/3 des Abstanoxide in Stickstoff und Kohlendioxid umzuwandeln des zwischen der eingangsseitigen Trennwand und der und welcher bei entsprechendem Sauerstoff Überschuß 50 ausgangsseitigen Trennwand angeordnet waren, so zur Oxidierung von Kohlenwasserstoffen und Koh- daß die Reduktionszone 2/3 der Dicke des Katalysalenmonoxid geeignet ist. Als Katalysatormaterial ha- torbehälters bzw. des Katalysatorbettes und die ben sich insbesondere Kupferoxid bzw. Kupferoxid, Oxidationszone V3 des Katalysatorbehälters bzw. des welches mit einem anderen Metalloxid, wie z. B. Katalysatorbettes umfaßte. Längs der Seiten der BeEisen-, Kobalt-, Chrom-, Magnesium-, Zer-, Vana- 55 lüftungsrohre waren Öffnungen vorgesehen, deren dium- oder Nickeloxid aktiviert wurde und welches Größe sich von dem stromaufwärts gelegenen Ende von einem hochfeuerfesten Trägermaterial, insbeson- zu dem stromabwärts gelegenen Ende verringerte. Die dere Tonerde, getragen wird, für die Durchführung Gesamtfläche der öffnungen war annähernd gleich des erfindungsgemäßen Verfahrens bewährt. Das Ka- dem freien Querschnitt der Belüftungsrohre, und die talysatormaterial kann in Form von Kugeln, Zylindern 60 Bunnkraftmaschine wurde mit einem fetten Gemisch oder Pillen vorliegen, welche in dem Katalysatorbe- betrieben.
halter eingeschlossen werden. Das Katalysatormate- Der Konverter wurde zunächst ohne Zusatzluft be-
rial kann auch in Form von imprägnierten Fasern vor- trieben, wobei folgende Ergebnisse erhalten wurden: liegen, so daß sich ein mattenförmiges Bett von
Katalysatormaterial ergibt. 65 Prozentuale Umsetzung
Der in Fig. 3 gezeigte Konverter 51 besitzt ein au- Kohlenwasserstoffe 40%
ßeres Gehäuse 52 und damit verbundene Einlaß- und Kohlenmonoxid 40%
Auslaßleitungen (nicht dargestellt), in dem ein im Stickoxide 75%
Anschließend wurde den Belüftungsrohren des iverters kontinuierlich Sekundärluft zugeführt ischen etwa 28 und etwa 84 dmVmin); es wurden sende verbesserte Ergebnisse erhalten:
Prozentuale Umsetzung
Kohlenwasserstoffe 65%
Kohlenmonoxid
Stickoxide
65% 90%
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen klar die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit dem erfindungsgemäßen katalytischen Konverter erzielbaren Verbesserungen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur katalytischen Abgasentgiftung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem die Abgase zuerst durch eine Reduktionszone und dann durch eine in der Abgas-Durchströmungsrichtung dahinterliegende Oxidationszone eines einzigen reduzierenden und oxidierenden Katalysatormaterials geleitet werden, wobei den Abgase·! vor ihrem Eintreten in die Oxidationszone Zusatzluft in für die Oxidation ausreichender Menge beigemischt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die Brennkraftmaschine wird unter normalen Betriebsbedingungen mit einem Luft-Kraftstoff-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 13 und 14,8 betrieben;
b) man läßt die Reduktionszone und die Oxidationszone in einem einzigen Bett aus Katalysatormaterial unmittelbar aneinanderstoßen, indem man die Zusatzluft unmittelbar in das Bett, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase, einleitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysatormaterial Kupferoxid und Eisenoxid auf einem Träger verwendet wird.
3. Konverter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem einzigen Katalysatorbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Katalysatorbehälter (5, 55) im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase mindestens ein mit einer Luftquelle verbundenes Belüftungsrohr (15, 65) angeordnet ist, das derart mit öffnungen (16, 66) versehen ist, daß die Zusatzluft quer zur Strömungsrichtung der Abgase in das Bett eintritt.
4. Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Belüftungsrohre (15, 65) vorgesehen sind.
5. Konverter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorbehälter (55) im Querschnitt ringförmig ausgebildet und für radiale Abgas-Durchströmung vorgesehen ist.
6. Konverter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des mindestens einen Belüftungsrohrs (15,65) von deir Abgaseinlaßseite des Katalysatorbehälters etwa 2/3 der gesamten Dicke des Katalysatorbettes beträgt.
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