DE2336540A1

DE2336540A1 - Vorrichtung zum vorwaermen der abgase beim kaltstart eines verbrennungsmotors unter verwendung katalytischer nachbrenner und/oder thermoreaktoren zur entgiftung der abgase

Info

Publication number: DE2336540A1
Application number: DE19732336540
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Lang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1973-07-18
Publication date: 1975-02-06

Description

E R ICH Z I PS E DIPL.-PHYSIKER 757 BADEN-BADEN

LESSINGSTRASSE 12 TELEFON C 072 21) 22487

Anmelder} LANG, Ludwig, Dipl.-Ing. 6l DABMSTADT
Zimmerstr. 10/12

Vorrichtung zum Vorwärmen der Abgase beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors unter Verwendung katalytischer Nachbrenner und/ oder Thermoreaktoren zur Entgiftung der Abgase.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorwärmen der Abgase beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors unter Verwendung katalytischer Nachbrenner und/oder Thermoreaktoren zur Entgiftung der Abgase, vorzugsweise zur Entfernung der Schadstoffanteile von CO, -CH und NO .

Zur Erfüllung der gesetzlichen Vorschriften für die Be-

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grenzung der Schadstoffanteile CO, -CH und NO im Abgas eines Verbrennungsmotors ist der Einsatz katalytischer Nachbrenner und/oder Thermoreaktoren erforderlich, wenn die motortechnischen Maßnahmen vor und nach dem Verbrennungsraum des Motors nicht zur Erfüllung dieser gesetzlichen Abgasvorschriften ausreichen.

So können katalytische Nachbrenner und Thermoreaktoren in folgenden Ausführungen und Kombinationen zum Einsatz gelangen:

1. ein katalytischer Zweikammer-Schalldämpfer, ggfls. in Verbindung mit einem nachgeschalteten Hochpassschalldämpfer ,

2. eine Tandem-Anordnung zweier katalytischer Nachbrenner mit verschiedenen katalytischen Einflüssen auf das Abgas und ausreichender akustischer Leistung als vollwertiger Schalldämpfer,

3· ein katalytischer Nachbrenner in Kombination mit einem Thermoreaktor mit verschiedenen katalytischen Einflüssen auf das Abgas.

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Bei allen vorstehend genannten Kombinationen wird zuerst die Reduktion des Schadstoffanteils NO angestrebt und hierzu eine geeignete sauerstoffarme Einstellung des Verbrennungsmotors mit einer Luftz'ahl von etwa 0,9 bis 1,0 vorgesehen. In der nachfolgenden Stufe erfolgt dann eine Oxydation der Schadstoffanteile CO und -CH, wobei auf geeignete Weise, gegebenenfalls mit einer Pumpe, vorzugsweise fahrtaktgesteuert, Frischluft der zweiten Stufe zugeführt wird.

Die Möglichkeiten für eine Abminderung der Schadstoffanteile CO, -CH und NO mittels der unter 1. bis 3. genannten Vorrichtungen und deren Kombinationen haben eine wesentliche Voraussetzung zur Erfüllung der gesetzlichen Abgasvorschriften gemeinsam, nämlich das Erreichen und Erhalten einer ausreichenden Temperatur in den Geräten, die zu einer katalytischen oder thermischen Reaktion erforderlich ist.

Bekanntlich hat das Abgas eines Verbrennungsmotors beim Austritt am Abgassammler im Leerlaufbereich des Motors eine Temperatur im Mittelwert von etwa 250 C. Bei schnelllaufenden, hochkomprimierten Motoren werden etwas höhere

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Leerlauftemperatüren erreicht. Bei katalytisch arbeitenden Abgasvorrichtungen besteht nun die Schwierigkeit darin, daß das Katalysatormaterial sowohl in Form als Schüttkatalysator als auch als Vabenkatalysator eine Anspringtemperatur zum Einleiten katalytischer Vorgänge von etwa 170 bis 200 C notwendig hat.

Die Vorrichtungen nach 1. bis 3·» die gleichzeitig vollwertige Schalldämpfer sind, haben aus ihrer Einbaulage unter dem Kraftfahrzeug einen Abstand zum Austritt des Abgases aus dem Abgassammler am Motor von z. B. einem Meter freier Abgasleitung des Auspuffsystems. Deshalb ist es erforderlich, eine Maßnahme zu ergreifen, wodurch die Austrittstemperatur des Abgases am Abgassammler bis zum Eintritt in den Nachbrenner zumindest erhalten bleibt. Dazu sind Vorrichtungen nötig, die zumindest die Wärmeabstrahlungsverluste auf der freien Rohrseite ausgleichen. Es kann auch vorgesehen werden, die Temperatur im Abgas anzuheben, so daß ein sofortiges Anspringen des Katalysatormaterials auch in der Kaltstartphase «ines Abgastestes gewährleistet wird.

»ine einfache Lösung zur Darstellung dieser Forderung

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ist die Anordnung eines katalytischen Einkammer-Gerätes oder Thermoreaktors unmittelbar im oder am AbgasSammler des Motors. Die dann bei der Oxydation der Schadstoffanteile CO und-CH freiwerdende exotherme Wärme kann bei richtiger Auslegung des Gerätes die notwendige Aufheizung des Abgases erzeugen. Die Durchführung dieser einfachen Lösung scheitert in der Praxis meist an dem fehlenden Einbauplatz im Bereich des Abgassammlers .

Desweiteren kommt noch beim kalten Motor hinzu, daß z. B. der erste Kaltstartzyklus beim Fahren des bisherigen 7-Zyklen-Kalifornia-Testes nur eine Laufzeit von 137 Sekunden hat. Die Wärmeableitung zu den kalten Motorteilen und Geräteteilen beim Entstehen einer exothermen Wärmebildung im Katalysatorbett bewirkt eher eine Temperaturerniedrigung. Die Wirkungen aus den katalytischen Reaktionen kommen für den Kaltstarttakt eines Abgasentgiftungstestes zu spät. Es ist daher erforderlich, die Abgasentgiftungsmaßnahmen im Hinblick auf den Kaltstart zu verbessern.

Es wurde daher schon vorgeschlagen, zusätzliche Wärmequellen zum Einsatz zu bringen, beispielsweise eine Gasflammenheizung des Abgasetromes vor dem Nachbrenner anzu-

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ordnen, die mit Fremdgas und Zündkerzen-Zündung arbeitet. Dabei muß eine Einrichtung ausgebildet werden, die beim Erreichen der notwendigen Anspringtemperatur und Anlaufen der katalytischen Reaktionen den Zusatzbrenner abschaltet. Auch elektrische Heizelemente sind hierfür schon vorgeschlagen worden. Aber auch bei diesen sind Einrichtungen notwendig, die ein Abschalten manuell durch einen Schalter am Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges oder automatisch beim Erreichen der erforderlichen Temperaturen im Katalysatorbett bewirken.

Derartige Lösungen des Kaltstartproblems sind relativ aufwendig und müssen manuell oder automatisch bedient werden, bringen daher neue Störquellen im Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit sich.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Vorwärmen der Abgase beim Kaltstart unter Verwendung katalytischer Nachbrenner und/oder Thermoreaktoren zur Entgiftung der Abgase zu schaffen_t welche die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist und welche ohne Regeleinrichtungen oder dgl. wartungsfrei arbeitet.

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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung der oben genannten Art vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen dem Abgassammler und dem katalytischen Nachbrenner und/oder Thermoreaktor ein katalytisch arbeitender Vorwärmer für das Abgas in der Abgasleitung angeordnet ist. Hierzu werden die Verweilzeiten des Abgases im Katalysatorbereich, die katalytische Reaktionen brauchen, in der Wertung für die Ausbildung eines katalytisch arbeitenden Vorwärmers herangezogen. Hierzu wird bei dem katalytischen Vorwärmer im wesentlichen nur die Wandströmung des Abgasstromes erfaßt, die gunstigerweise durch Abbremsung in der Grenzschicht verzögert wird.

Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit einer graphischen Darstellung der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigent

Fig. 1 eine graphische Darstellung eines Kalifornia-Testes in der alten Passung eines 7-Zyklen-Ablaufes und den

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Einfluß in den Zyklen auf die Schadstoffe im Abgas CO, -CH und NO ,

Fig. 2 eine gestrichelt dargestellte Kontur eines Kraftfahrzeuges mit gestrichelt eingezeichneter Auspuffanlage und Nachbrenner, sowie ausgezogen dargestellt die Lage eines katalytischen Vorwärmers,

Fig. 3 eine Ansicht des katalytischen Vorwärmers,

Fig. k einen Schnitt durch das Köpfende des katalytischen Vorwärmers,

Fig. 5 einen Schnitt im Mittelfeld des katalytischen Vorwärmers .

In der Fig. 1 wird der Einfluß der 7-Zyklen eines KaIifornia-Testes dargestellt. Es sind die Schadstoffkonzentrationen für CO, -CH und NO in den einzelnen Fahrzyklen aufgetragen, wie diese mit einem katalytischen Zweikammer-Schalldämpfer, mittig unter dem Testwagen angeordnet, erreicht wurden. Für den Schadstoffanteil CO wird deutlich, daß der Kaltstart den größten Einfluß auf den Endwert eines Abgasentgiftungsteetes hat, umsoraehr, da der Kaltstart mit etwa 18 % in die Wertung eingeht.

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Ohne Beherrschung des Kaltstarteinflusses auf die Abgaswerte eines Testes ist es für die Erfüllung

für
der amerikanischen Grenzwerte/1975/76 kaum von

Interesse, katalytische Nachbrenner einzusetzen.

In Fig. 2 ist der bevorzugte Einbauort des katalytischen Vorwärmers gemäß der Erfindung dargestellt. An der Unterseite des gestrichelt dargestellten Kraftfahrzeuges 1 ist die mit dem Abgassammler 2 verbundene Auspuffanlage angeordnet, die aus Rohrleitungen 3 und dem katalytischen Nachbrenner 4 besteht. Der katalytische Vorwärmer 5 gemäß der Erfindung ist in der Abgasleitung zwischen dem Nachbrenner 4 und dem Abgassammler 2 angeordnet.

Katalytische Nachbrenner, wie bei 4 dargestellt, können aufgrund ihrer flachen Bauweise etwa unter dem Schwerpunkt eines Kraftfahrzeuges angeordnet werden, mit dem Vorteil, daß die Schleudermomente um die Hochachse des Kraftfahrzeuges klein bleiben. Bei großen Kraftfahrzeugen, wie z. B. amerikanische PKW, kann es vorkommen, daß, am Abgassammler abgezweigt, zwei Auspuffsysteme angeordnet werden. In diesem Fall werden zwei Anlagen, wie in Fig. 2 angegeben, nebeneinander vorgesehen.

U 09Hß»i/06 5 U

Wie sich aus den Figuren 3-5 ergibt, besteht der katalytische Vorwärmer aus einem aus einem Rohr gefertigten Mittelteil 6, das vorzugsweise zwei symmetrische Kopfstücke 7 aufweist, die mit einem Befestigungsflansch 8 versehen sind. In der Mitte des Mittelteils 6 ist noch eine Arretierungsschraube 9 sichtbar.

Das Mittelteil 6 wird, wie sich aus Fig. 4 ergibt, aus einem Rohr 10 gebildet, das beiderseits mit einer Verschlußbüchse 11 verschlossen wird. Im Innern des Rohres 10 ist ein weiteres Rohr 12 angeordnet, das eine kürzere Länge als das Außenrohr 10 aufweist. Schließlich folgt in weiterem Abstand ein Rohr 13, das vorzugsweise aus einem Lochblech besteht und wiederum kurzer als das Rohr 12 ist. Der Innenraum Ik zwischen dem Lochblechrohr 13 und dem Vollblechrohr 12 dient der Füllung mit Katalysatortexlchen, die vorzugsweise edelmetallhaltige Oxydationskatalysatoren sind. Die Katalysatorteilchen können kugelige oder zylindrische Formen haben. Die Größe der stereometrischen Formen bestimmen die Lochgröße im Blechrohr 13 und damit den Freiheitsgrad im Lochblech. So kann z. B. ein Lochblech für eine Siebfraktion der Katalystorteilchen von > 2,5 mm 6 in den Maßen 2,3 mm 6 χ 3,0 mm gewählt werden mit einem maxmalen Freiheitsgrad der Fläche von F = 53,3 %·

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Der katalytische Wirkungsgrad kann auf der einen Seite von dem Freiheitsgrad in der Oberfläche des Innenrohres 13 beeinflußt werden. Auf der anderen Seite sind die Verweilzeiten des durchfließenden Abgasstromes im Katalysatorbereich bestimmend für die Länge des katalytischen Vorwärmers.

Während die konstruktive Auslegung eines katalytischen Nachbrenners 4 unter Wertung der Volumengeschwindig— keit im Katalysatorbett Nm /h/l bzw. der Strömungs-

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geschwindigkeit Nm /h/dm erfolgt, hat für die Auslegung eines katalytischen Vorwärmers allein die Kontaktzeit für eine katalytische Reaktion eine Bedeutung. Bei edelmetallhaltigen Katalysatoren (z. B. P₊ -haltig) kann eine notwendige Verweilzeit von l/40

Tb· *

bis i/50 Sekunde in Rechnung gestellt werden. Bei edelmetallfreien Katalysatoren beträgt die Verweilzeit höchstens 1/20 Sekunde.

In dem Zwischenraum zwischen den Vollblechrohren 10 und 12 wird eine Wärmeisolationsmasse 15 eingefüllt. Für diese Zwecke sind Isolationsmassen auf anorganischer Basis vorhanden, die Arbeitstemperaturen bis 1.100°C vertragen. Bei einer Schichtdicke von 9 hie 10 mm wird eine

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Wärmedämmung erreicht, so daß die Außentemperaturen am Mittelteil 6 (Fig. 3) nicht höher sind als die des Auspuffsystems.

Beim Aufbau des katalytischen Vorwärmers gemäß der Erfindung muß auf die auftretenden Wechseltemperaturen geachtet werden. Um jeden Verzug der Bauteile zueinander zu vermeiden, haben die innen liegenden Rohre

12 und 13 verschiedene Längen und sind verschieblich mit einem wählbaren Abstand zueinander auf den Verschlußbüchsen 11 gelagert. Um eine einseitige Verschiebung zu vermeiden, die teils unter dem Einfluß von Rüttelkräften im Betrieb des Kraftfahrzeuges durch Gewichtsverschiedenheiten bewirkt werden kann, ist mittig zum Mittelteil 6 eine Arretierungsschraube 9 angeordnet. In Fig. 5 ist im Schnitt die Lage der Arretierungsschraube angegeben. Diese reicht in ihrer Länge bis in den Innenraum des gelochten Rohres 13* Zur Aufnahme von Verschiebungskräften sind im Zwischenraum der Rohre 12 und

13 Ringe 16 angeordnet. Diese begrenzen eine Verschiebung auf der Länge der Rohre 12 und 13* so daß eine einseitige Verformung ausgeschlossen ist.

Der durch den katalytischen Vorwärmer gemäß der Erfindung durchfließend· Abgasstrom überstreicht in der

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gebremsten Grenzschicht die Freifläche des gelochten Innenrohres 13 und kommt auch in der Dicke der Katalysatorschicht Ik in Berührung mit den Katalysatorteilchen. Die auf die Verweilzeit abgestimmte Länge des katalytischen Vorwärmers bewirkt eine oxydative Reaktion für die Schadstoffanteile CO und -CH und unterstützt damit die Forderung einer Reduktion des Schadstoffanteils NO in dem ersten Katalysatorbett von Nachbrennern in den oben angeführten Anordnungen nach 1. und 3· für eine sauerstoffarme Zuführung im Abgasstrom.

Der aus dem Abgassammler 2 des Motors abfließende Abgasstrom wird im Bereich des katalytischen Vorwärmers k sofort aufgeheizt, da die erforderliche Anspringtemperatur der katalytischen Reaktionen im Katalysatorbett gewährleistet ist. Da dem katalytischen Vorwärmer der eigentliche Nachbrenner im direkten Anschluß nachgeschaltet ist, ist auch die Anspringtemperatur in den nachfolgenden Katalysatorbetten sowohl für die Reduktion des Schadstoffanteils NO wie auch für die Oxydation der Schadstoffanteile CO und -CH gewährleistet,

Wie aus Fig. 1 im Diagramm ersichtlich, muß die katalytische Wirkung auf den Schadstoffanteil im Abgas CO

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um mindestens 4o - 50 % gesenkt werden. Das wird mit der Vorschaltung eines katalytischen Vorwärmers gemäß der Erfindung erreicht. Ohne eine solche Maßnahme ist der Einsatz von katalytischen Nachbrennern oder Thermoreaktoren problematisch, da beim Kaltstart die Grenzwerte des amerikanischen Abgastestes für 1975/76 dann nicht erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt jedoch den Einsatz derartiger katalytischer Nachbrenner, wobei auch beim Kaltstart die gewünschten Werte erreicht werden.

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Claims

LANG, Ludwig, D ip X.-Ing -

Zimmerstr. 10/12

«Γ

PATENTANSPRÜCHE

ί.) Vorrichtung zum Erwärmen der Abgase beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors unter Anwendung katalytischer Nachbrenner und/oder Thermoreaktoren zur Entgiftung der Abgase, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgassammler (2) und dem katalytischen Nachbrenner und/oder Thermoreaktor (4) ein katalytisch arbeitender Vorwärmer (5) für das Abgas in der Abgasleitung angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der katalytisch arbeitende Vorwärmer aus einem aus einem Rohr (lO) bestehendem Mittelteil gebildet wird, welches über Verschlußbüchsen (ll) mit zwei, vorzugsweise symmetrischen Kopfstücken (7) verbunden ist, wobei in dem äußeren Rohr (lO) zwei weitere Rohre (12, 13) angeordnet sind, von denen das innerste Rohr (13) aus einem Lochblech besteht und im Zwischenraum zwischen den beiden Rohren (12, 13) Katalysatorteilchen angeordnet sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Rohr (lO) und mittleren Rohr (12) eine«Wärmeisolationsmasse (15) vorgesehen ist·
k. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Baulänge des katalytischen Vorwärmers (5) bestimmt wird durch die ktalytische, oxydative Reaktion in der Oberfläche des Innenrohres (13) mit dem wählbaren, auf die stereometrische Form der Katalysatorteilchen abgestimmten Freiheitsgrad des Lochbleches, wobei desweiteren die Baulänge noch durch die Wahl dos Katalyeatormaterials beeinflußt wird, das heißt ob dieses edelmetallfrei oder edelmetallhaltig» z. B. P, -haltig ist, so daß die Wandströmung des Abgasstromes eine Aufheizung, zumindest aber keinen Wärmeverlust bis zum Eintritt in den katalytischen Nachbrenner (k) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daßbei Verwendung von Lochblechen für das Innenrohr (13) des katalytischen Vorwärmers bei kugeligen oder zylindrischen Katalysatorteilchen von z. B. einer Siebfraktion > 2,5 mm /6 ein Lochblech von z. B. 2,3 mm jj χ 3 mm mit dem maximalen Freiheitsgrad von F « 5313 % gewählt wird.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß durch die Freifläche in der Oberfläche des Lochbleches des Innenrohres (13) auch die wählbare Dicke der Katalysatorschicht (l4) von der Wandströmung des Abgasstromes beaufschlagt wird und bei oxydativer Wirkung in der Katalysatorschicht zur erwünschten Sauerstoffverarmung im Abgasstrom beiträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (10, 12 und 13) des katalytischen Vorwärmers (5) von verschiedener Länge sind und die Rohre (12 und 13) auf den Verschlußbüchsen (ll) gelagert sind, die mit dem Rohr (1O) fest verbunden sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß zur begrenzt verschieblichen Lagerung der Rohre (12 und 13) auf den Verschlußbüchsen (ll) mittig zum Mittelteil (6) des katalytischen Vorwärmers (5) eine Arretierungsschraube (9) angeordnet ist, die in ihrer Länge bis in den Innenraum des gelochten Innenrohres (13) reicht und zur wählbaren Begrenzung einer gegenseitigen Verschiebung der Rohre (12) und (13) z« B. unter thermischen Einflüssen im Zwischenraum der Rohre (12 und 13) Ringe (l6) zur Aufnahme von Verschiebungskräften angeordnet sind.

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