DE2320838C3 - 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 katalytischcn Abgasentgiftung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem die Abgase zuerst durch eine Reduktions/one und dann durch eine in der Abgas-Durchströmungsrichtiing dahinterliegcnde Oxidationszone eines einzigen reduzierenden und oxidierenden Kalalysalormaterials geleitel werden, wobei den Abgasen vor ihrem Eintreten in die Oxidations/one Zusatzluft in für (.lic Oxidation ausreichender Menge heigemischt wird sowie einen Konverter zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren zur kalalytischen Abgasentgiftung und ein entsprechender Konverter sind aus der US-PS 3 228 746 bekannt. Bei dem bekannten Konverter erfolgt die Zuführung üer Zusatzluft im Bereich einer zwischen der Reduktionszone und der Oxidationszone liegenden Mischkammer, wobei gegebenenfalls in der Mischkammer noch ein Vvärmeaustauscher vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Temperatur des der Oxidationszone zugelührten Abgasgcmischcs verringert wird.
Das Vorhandensein einer besonderen Mischkammer zwischen der Redüktionszone und der Oxidati'inszone hat sich insofern als ungünstig erwiesen, als hierdurch insgesamt der Raumbedarf des Konverters erhöht und gleichzeitig ein unerwünschter Wärmever-Iust herbeigeführt wird.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs bczeichneten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die Einhaltung der für das Verfahren nötigen Abgaszüsammensetzung zu sorgen und einen optimalen Wärmeaustausch zwischen der Oxidationszone und der Reduktionszone herbeizuführen.
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-Kraftsloff-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 13 und 14,8 betrieben;
b) man läßt die Reduktionszone und die Oxidationszone in einem einzigen Bett aus Katalysatormatcrial unmittelbar aneinanderstoßen, indem man die Zusatzluft unmittelbar in das Bett, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase, einleitet.
Das Arbeiten mit einem Luft-Kraftstoff-Gcwichtsverhältnis zwischen etwa 13 und 14. H. 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« I '.172, 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 Slrömungsrichtung 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. I eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Konverters zur Durchführung des erfindungsgemüßcn Verfahrens, teilweise im Schnitt.
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Konverter gemaß Fig. I längs der Linie 2-2 in dieser Figur,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine abgewandelte Ausführungsform eines Konverters zur Durchführung ties erlindungsge-
malten Verfahrens.
Der Konverter gemäß Fig. I und 2 besitzt ein Gehäuse 2 mit einer Einlaßlcilung 3 und einer Auslaßleitung 4. Die durch die Bezeichnung der Leitungen 3 und 4 angegebene Strömungsrichtung ist insofern günstig, als sich hei ihr ein besonders geringer Abrieb ergibt. Ferner ist ein einziger Katalysatorbehälter 5 vorgesehen, welcher durch Wandteile des äußeren Gehäuses 2 un·! durch zwei perforierte Trennwände 10 und 11 gebildet ist. Die Trennwände 10 und 11 sind so angeordnet, daß sie eine Einlaßkammer 7 und eine Auslußkummcr 8 mit sich änderndem Querschnitt begrenzen. Der Konverter besitzt ferner mehrere Belüftungsrohre 15, die in dem Katalysatorbehälter 5 in einer Ebene liegen, die im wesentlichen quer zu der durch Pfeile 17 angedeuteten Strömungsrichtung der Abgase durch den Konverter liegt. Die Belüflungsrohre 15sind indem Katalysatorbehälter 5 im Abstand voneinander angeordnet und unterteilen diesen in eine stromaufwärts liegende Reduktionszone 2G und eine stromabwärts liegende Oxidationszone 21. Die Belüftungsrohre 15 besitzen öffnungen 16, um der Oxidationszone 21 Zusatzluft zuzuführen. Die Öffnungen 16 sind, wie dies Fig. 2 zeigt, in Längsrichtung der Belüftungsrohre 15 derart angeordnet, daß sich in dem Katalysatorbehälter 5 eine durch Pfeile 23 angedeutete Hauptströmungsebene für die Zusatzluft ergibt. Die Belüftungsrohre 15 durchgreifen die Stirnwand des äußeren Gehäuses 2 und besitzen nicht perforierte Endstücke 18, die mit einer Luftquelle (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Luftquelle kann beispielsweise eine Pumpe, ein Kompressor oder ein Venturi-System sein. Ferner können Regeleinrichtungen vorgesehen sein, um den Luftstrom während der verschiedenen Betriebsarten der Brennkraftmaschine zu regeln. Die Zahl der verwendeten Belüftungsrohre ist von der Größe des verwendeten Umsetzers und von der Zusammensetzung und Strömungsgeschwindigkeit der Abgase abhängig sowie vnnd.r Art des verwendeten Katalysatormaterials und von derjenigen Strömungsgeschwindigkeit, die ohne die Gefahr einer übermäßigen Abkühlung noch zulässig ist. Gegebenenfalls kann auch nur ein einziges Belüftungsrohr vorgesehen sein.
In dem Katalysatorbeliälter 5 befindet sich Kutalysatormaterjal 12. Als Katalysator Uann jeder Hochtemperaturkatalysator verwendet werden, welcher geeignet ist, in Gegenwart von Kohlenmonoxid Stickoxide in Stickstoff und Kohlendioxid umzuwandeln und welcher bei entsprechendem Sauerstoff Überschuß zur Oxidierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid geeignet ist. Als Katalysatormatcrial haben sich insbesondere Kupferoxid bzw. Kupferoxid, welches mit einem anderen Metalloxid, wie /.. B. Eisen-, Kobalt-, Chrom-, Magnesium-, Zer-, Vanadium- oder Nickeloxid aktiviert wurde und welches von einem hochfeuerfesten Trägermaterial, insbesondere Tonerde, getragen wird, für die Durchführung deserfindungsgemäßen Verfahrens bewährt. Das Katalysatormaterial kann in Form von Kugeln, Zylindern oder Pillen vorliegen, welche in dem Katalysatorbeliälter eingeschlossen werden. Das Katalysatormaterial kann auch in Form von imprägnierten Fasern vorliegen, so daß sich ein mattenförmiges Bett von Katalysatormatcriul ergibt.
Der in Fig. 3 gezeigte Konverter 51 besitzt ein äußeres Gehäuse 52 und Γ .-,mit verbundene Hinlaß- und Auslaßleitungen (nicht dargestellt), in dem ein im Querschnitt ringförmig ausgebildeter Katalysatorbehälter 55 angeordnet ist. Der innere Mantel des Ka\alysatorhehälters 55 ist durch eine perforierte Trennwand gebildet, die gleichzeitig eine Einlaßleitung 57
S darstellt. Der äußere Mantel des Katalysatorbehälters 55 besteht aus einer weiteren perforierten Trennwand 61. Von der äußeren Trennwand 61 und der Innenseite des äußeren Gehäuses 52 wird ein Auslaßfeld 58hegrenzt. Der Querschnitt gemäß Fig. 3 läßt ferner
ίο vier Belüftungsrohre 65 erkennen, die mit Öffnungen 66 versehen und in dem Katalysatorbehälter 55 auf einer gemeinsamen Zylinderfläche angeordnet sind, welche quer zu der durch Pfeile 67 angedeuteten Strömungsrichtung der Abgase liegt und in dem Katalysatorbehälter 55 räumlich so angeordnet ist, daß sich eine stromaufwärts liegende Reduktionszone 70 und eine stromabwärts liegende Oxidationszone 71 ergeben. Die Öffnungen 66 dienen der Zufuhr von Zusatzluft zu der .stromabwärts gelegenen Oxidationszone 71 des Katalysatorbehä'ters wobei die Strömungsrichtung der Zusatzluft üurrh Pfeile 73 angedeutet ist. Auch bei dem Konverter gemäß Fig. 3 sind wieder in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtungen zum Zuführen der Zusatzluft zu den Belüftung^rohren erforderlich.
In dem Katalysatorbehälter 55 befindet sich Katalysatormaterial 62. Die über die Öffnungen 66 zugeführte Zusatzluft wird wieder im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase in das Katalysatormaterial eingeleitet und gleichmäßig mit den behandelten Abgasen aus der Reduktionszone 70 gemischt, so daß in der Oxidationszone 71 eine sehr wirksame Oxidation erreicht wird.
Versuchsurgebnisse
Ein dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. I und 2 entsprechender Konverter mit einem Katalysatorbehälter mit folgenden Abmessungen: ca. 5 08 X 17,7K x 35,56 cm wurde mit einer unter Last laufenden, stationären Brennkraftmaschine verbunden, und es wurden die sieben Betriebsarten durchgefahren, welche von dem Motor Vehicle Pollution Control Board von Kalifornien, USA, vorgeschrieben sind. Der in dem Konverter verwendete Katalysator bestand aus kugelförmigen Tonerdeträgern, die mit Kupieroxid und Eisenoxid imprägniert waren. Der Umsetzer besaß zwei parallele Belüftungsrohre mit einem Innendurchmesser von 1.02 cm, die etwa bei -/, des Abstandes zwischen der eiiigangsseitigen Trennwand und der ausgangsseitigen Trennwand angeordnet waren, so daß die Reduktionszone :/, der Dicke des Katalysatorbehälters bzw. des Katalysatorbettes und die Oxidationszone V, des Katalysatorbehälters bzw. des Katalysatorbettes umfaßte. Längs der Seiten der Bc-
lüftungsrohre waren Öffnungen vorgesehen, deren Grüße sich von dem stromaufwärts gelegenen Ende zudem stromabwärts gelegenen Ende verringerte. Die Gesamtfläche der Öffnungen war annähernd gleich dem f-eien Quers.hnitt der Belüftungsrohre, und die Brennkraftmaschine wurde mit einem fetten Gemisch lie trie hen.
Der Konverter wurde zunächst ohne Zusatzluft betrieben, wobei folgende Ergehnisse erhalten wurden:
Prozentuale Umsetzung
Kohlenwasserstoffe 40%
Kohlenmonoxid 40%<
Stickoxide 75%
5 6
Anschließend wurde ilen Ik'lulUingsrohien des Kohlenmonoxid ii.Vr
koinerters kontinuierlich Sekundärluft /iigeluhrl Stickoxide l)(|'! (/wische·) etwa 2X unil elvva S4 dm' min): es wurden
folgende \erhesscrtc Krgehnisse erhallen: Die Mirstehendei) f:r»ehnisse /eigen klar ilie mil
, dem erfindiingsgemaßen Verfahren h/sv. mil dem ei ■
l'ro/entuHle lJmset/ιιημ liinlimgsgeiniilk-n kalalytischen Konverter er/ielbii-
KohlemvassLisloffe f>5'f reu \ erbesseruimen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnunfcn

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur katalytischcn Abgasentgiftung bei einer Brennkraftmaschine, bei Jem 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 Abgasen 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 ein^m Luft-Krafistoff-Gewichtsverhültnis zwischen etwa 13 und 14,X betrieben;
I)) man läßt die Reduktionszone und die Oxbdationsz <u;e in einem einzigen Bett aus Katalysittorm.ifcrial 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 Katalysatormatcrial Kupferoxid und Eisenoxid auf einem Träger verwendet wird.
3. Konverter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I oder 2 mit einem einzigen Katalysatorbehiilt'T, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Katalysatorbehälter (S, 55) im wesentlichen quer zur Striimungsriciitung <icr Abgase mindestens ein mit einer Luftqueil·: verbundenes Belüftungsrohr (15, 65) angeordnet it. das derart mit Öffnungen (16, 66) versehen ist, daß die Zusatzluft quer zur Strömungsrichiung der Abgase in das Bett eintritt.
4. Konverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Belüftungsrohr (15, 65) vorgesehen sind.
5. Konverter nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorbchälter (55) im Querschnitt ringförmig ausgebildet und für radiale Abgas-Durchströmung vorgesehen isl.
6. Konverter nach einem der Ansprüche 3 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Absland des mindestens einen Belüftungsrohrs (15.65) von der Abgaseinlaßseite des Katalysatorbehälters etwa ', der gesamten Dicke des Katalysatorbettes beiriigt.
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