DE2434871A1

DE2434871A1 - Reaktor zur reinigung der abgase von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2434871A1
Application number: DE2434871A
Authority: DE
Inventors: Franco Cocchiara; Remo Del Grosso
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1975-02-06
Also published as: SE7409454L; CA1021950A; JPS5751527B2; SE404947B; FR2238038B1; US3986840A; GB1481217A; JPS5070726A; FR2238038A1; IT991990B

Description

Exxon Research and Engineering Company, Linden, N.J. / USA

Reaktor zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor zur Verwendung bei der Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine.

Das Problem der Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, z.B. Motorfahrzeugen, sowohl von stickstoffhaltigen Komponenten, hauptsächlich NO, und den unverbrannten und teilweise verbrannten Komponenten (CO, HC, usw.) hat bis heute ständig wachsende Bedeutung aufgrund der grösseren Aufmerksamkeit, die den Untersuchungen und der Vermeidung der Hauptgründe der Verschmutzung der Atmosphäre und der Verpflichtung geschenkt wird, mehr oder weniger strenge Gesetze zu erfüllen, die in den meisten Ländern in

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Kraft gesetzt sind oder werden.

Das Ergebnis dieser wachsenden Wichtigkeit sind fortlaufende Anstrengungen, die von der Industrie gemacht werden, um dieses Problem durch den Entwurf und die Verwendung von Vorrichtungen verschiedener Art zum Reinigen von Abgasen von Brennkraftmaschinen von Motorfahrzeugen zu lösen.

Unter diesen Vorrichtungen wurde besonderer Erfolg insbesondere durch Vorrichtungen erzielt, in denen nacheinander Katalysatoren mit die Reduktion und die Oxydation fördernden Eigenschaften verwendet werden.

Die Ausfuhrungsformen, die gegenwärtig für diese letzteren Arten von Vorrichtungen vorgeschlagen werden,umfassen unter anderem katalytische Reaktoren mit zwei Katalysatorbetten und entweder a) axialer Strömung in beiden Betten und axialen Ausstoss aus denselben oder andere b) Reaktoren der sogenannten "gegabelten" Art, mit gemischter axialer und radialer Strömung,wie es z.B. in der Druckschrift ASME paper Nr. 71o29 beschrieben ist.

Beide Reaktorarten zeigen nichtsdestoweniger Nachteile, die ihre Wirksamkeit bei der Umwandlung der unverbrannten Materialien beschränken, z.B. im ersten Fall (a) die ungenügend zufriedenstellende Kompaktheit aufgrund der vorhandenen geometrischen Ausbildung des Reaktors, oder die Verzögerung in beiden Fällen(a), (b) des Betriebsbeginnzeitpunktes des Reaktors, die sich aus der übermässigen Zeit ergibt, die aufgrund der relativ grossen Abmessungen und grossen Oberflächenabschnitte des Reaktors gebraucht werden, um die Arbeitstemperatur zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu

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beseitigen oder stark zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine erste, einen reduzierenden Katalysator enthaltende, ringförmige Kammer 'ind eine zweite, einen oxydierenden Katalysator enthaltende, ringförmige Kammer und Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Abgase zwingen, zunächst vom Innern der ersten Kammer im wesentlichen radial nach aussen zu strömen und dann unter oxydationsfördernden Bedingungen vom Innern der zweiten Kammer im wesentlichen radial nach aussen zu strömen.

Bei der erfindungsgemässen Lösung f liessoi der Gasstrom durch die zwei Katalysatorbetten des Reaktors und das aus dem Reaktor ausgestossene Gas radial. Tatsächlich verbessert die Anordnung der Katalysatorbetten gemäss der Erfindung die Kompaktheit,während das sich ergebende verringerte Gewicht die thermische Anfangsträgheit verringert.

Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen geschaffen, bei welchem so vorgegangen wird, dass das Gas unter redukfcionsfördernden Bedingungen vom Innern im wesentlichen radial auswärts zur Aussenseite eines ringförmigen Bettes eines Katalysators strömen gelassen wird und das Gas vom ersten Bett dann unter oxydationsfordernden Bedingungen vom Innern eines zweiten, ringförmigen Bettes eines Katalysatrosim wesentlichen radial nach aussen zur Aussenseite strömen gelassen wird.

Weiter wird durch die Erfindung ein Reaktor zur Reinigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen geschaffen, der so aufgebaut ist, dass zwei im wesentlichen zylindrische Kammern mit einander zugewandten Enden angeordnet sind, wobei die einander benachbarten Enden mit Abstand zueinander angeordnet sind und von

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einer seitlichen Wand zylindrischer Form umgeben sind, die mit Abstand zu den Aussenwänden der Kammern angeordnet ist, dass die Kammern abgasdurchlässig sind, dass ein Einlass für Abgas koaxial relativ zur seitlichen Wand an einem Ende des Reaktors,angrenzend an die erste Kammer und so angeordnet ist, dass das Abgas ins Innere der ersten Kammer gerichtet ist, wodurch das Gas durch die erste Kammer in den Raum zwischen der ersten Kammer und der seitlichen Wand im wesentlichen radial hindurchtritt, dass eine Trennwand zum Richten des Abgases vom Zwischenraum zum Innern der zweiten Kammer vorgesehen ist, wodurch das Abgas durch diese Kammer im wesentlichen radial in den Raum zwischen der zweiten Kammer und der seitlichen Wand hindurchtritt, und dass eine Ausstossöffnung für Abgas in der seitlichen Wand, angrenzend an das andere Ende des Reaktors, angeordnet ist, welcher mit dem Zwischenraum zwischen der zweiten Kammer und derseitlichen Wand zum Ausstossen des Abgases aus dem Reaktor verbunden ist.

Gegenüber den zwei Arten von Reaktoren, die gegenwärtig in der Technik benutzt werden, namentlich gegenüber denen, die Reaktoren mit einem vollständig axialen Fluss und denen, die Reaktoren mit gemischtem axialen und radialen Fluss vorsehen, hat der erfindungsgemässe Reaktor beträchtliche Vorteile.

Zu diesen Vorteilen gehören: Im Vergleich mit der ersten der zwei bekannten Reaktortypen (Axialstromreaktor) ermöglicht es der erfindungsgemässe Reaktor, mit im wesentlichen vollständig radialem Gasstrom durch jede der Kammern die Ausbreitung des zu reinigenden Gasstromes über einen grossen Bereich des Katalysators in jeder Kammer, so dass die Gase bei einer gegebenen Verweilzeit in Kontakt mit den Katalysatoren niedrigere Geschwindigkeiten durch die Katalysatorbetten aufweisen. Dieses Merkmal stellt eine bessere Verteilung des Stromes und einen

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leichteren und wirksameren Kontakt mit der Oberfläche des Katalysators sicher. Darüber hinaus findet bei gleichen Volumina des Katalysators im früheren Axialstromreaktor und im erfindungsgemässen Reaktor die Erwärmung jeder der zwei Betten in erfindungsgemässem Reaktor in kürzerer Zeit statt, weil die Katalysatormasse der zwei Betten durch den Strom des austretenden und die Betten umgebenden Gases von der Aussenwand des Reaktors thermisch isoliert ist.

Aufgrund der verringerten Geschwindigkeit des Gases in jeder Kammer ergibt sich darüber hinaus eine geringere Beschädigung der Katalysatoren, insbesondere der pelletisierten Katalysatoren, durch die Reibung zwischen den Katalysatorpartikeln und ein geringerer Druckabfall in jedem der zwei Betten.

Schliesslich wird eine gleichmässigere Temperaturverteilung in beiden Betten erreicht

Im Vergleich mit dem zweiten bekannten Reaktor (Gabelstromreaktor) wird bei dem erfindungsgemässen Reaktor der Vorteil einer kürzeren Zeit erreicht, bevor jedes der Katalysatorbetten seine entsprechende wirksame Arbeitstemperatur erreicht.

Ausserdem ist der Aufbau des erfindungsgemässen Reaktors einfacher und daher weniger kostspielig als der der bisher vorgeschlagenen, mit zwei Katalysatoren arbeitenden Reaktoren.

Andere Vorteile bestehen in der leichteren Inspektion der beiden Katalysatorbetten und verbesserten Vielseitigkeit, weil es möglich ist, die Katalysatoren in jeder Form zu verwenden (z.B. als Pellets, als Drahtgitter, oder als Monolithen usw.). Es muss auch hinzugefügt werden, dass der erfindungsgemässe katalytische

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Reaktor ihm eigene Vorteile von hervorragendem Wort aufweist.

In erster Linie ist eis leichter, die Vermischung der Sekundärluft mit dem aus dem ersten Katalysatorbett (Reduktionsbett) austretenden Gas zu /erbessern. In der Praxis wird dies so durchgeführt, wie es unten näher erläutert werden v/ird, indem die Bewegungsrichtung des Stromes der Sekundärluft so eingestellt wird, dass Rückmischerscheinungen im reduzier enden Bett vermieden v/erden, und indem unmittelbar oberhalb des Hauptmischabschnitts, der z.B. zwischen dem anströmseitigen, axialen Ende der zweiten Kammer und einer Trennwand zum .iicuten des Abgases in die Kammer begrenzt ist, eine Reihe konzentrischer Bohrungen vorgesehen wird, die sich durch die Trennv/and erstrecken, wodurch ein Teil der Sekundärluft rechtv/inkeiig in den Gasstrom aus der ersten Kammer eingeblasen wird, und eine stark turbulente Vormischung zwischen der Trennwand und dem benachbarten axialen Ende der ersten Kammer durch Vorsehen dieser Bohrungen oder Öffnungen in der Trennwand induziert wird.

Darüber hinaus ermöglicht es die unten beschriebene Geometrie der Anordnung des Bereiches des Reaktors, welcher das zweite Bett enthält, im wesentlichen jeden Verlust an Gleichförmigkeit der Druckverteilung in diesem Bereich zu vermeiden oder zu verringern, und dadurch im wesentlichen die Erzeugung bevorzugter Strömungswege zu vermeiden. Darüber hinaus ist es iiu erfindungsgemässen Reaktor möglich, das Volumen jeder der zwei Katalysatorbetten zu ändern, ohne dadurch das äussere Gehäuse ändern zu müssen. Dieses Merkmal ermöglicht es, den gleichen Reaktor für Fahrzeuge mit Motoren verschiedener Hubräume zu '^

Schliessiich bietet die Wirks iiak=-it des er f indnngs.jeiu issen , katalytischen Peak te rs liest immte Verbesserungen dar Erwäi f.uncjszait und ei .is Gegendrucks beim Ausblasen, v/ia durch Libige Versuche gezeigt v/urüe. Tatsächlic-i hat sich herausgentellt, dnss

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der Druckabfall beim typischen, erfindungsgemassen Reaktor nur 76 bis lol cm Wassersäule (3o"-4o") vom Beginn des US-Federal Test 1975 betrug, gegenüber 457 bis 5o8 cm Wassersäule (18o" - 2oo") beim Gabelstromreaktor bei gleichen Betriebsbedingungen. Es wurde gefunden, dass der vorige Druckabfall im wesentlichen mit dem identisch ist, der ohne Reaktor, d.h. bei ursprünglichen Ausstossbedingungen, gefunden wird, während bekannterweise bei einem katalytischen Axialstromreaktor eine Steigerung des Rückdrucks im Abgassystem vorhanden ist, der nicht unbeträchtlich ist.Mehr im einzelnen ist der erfindungsgemässe Reaktor zum Arbeiten als katalytischer Reaktor mit insgesamt radialem Gasstrom durch die Katalysatoren zum Reinigen des Abgases von Brennkraftmaschinen, d.h. von Motorfahrzeugen geeignet und umfasst ein Reaktorgehäuse in Form eines Zylinderstumpfes, der an einem Ende (dem anströmseitigen Ende) mit einer Eintrittsöffnung für das Motorabgas versehen ist, die im wesentlichen axial angeordnet ist. Ferner weist er eine Auslassöffnung für das gereinigte Gas auf, die in der seitlichen Fläche des zylindrischen Gehäuses in der Nähe des anderen Endes ausgebildet ist. Das andere Ende i.st im wesentlichen durch die abströmseitige Wand geschlossen. Das Innere des zylindrischen Gehäuses ist in zwei zylindrische Räume geteilt, die durch eine axiale Öffnung miteinander verbunden sind. Jeder zylindrische Raum ist zur Aufnahme eines entsprechenden Katalysatorbettes geeignet. Das erste Katalysatorbett ist anströmseitig in Form eines hohlzylindrischen Körpers angeordnet, der mit der Reaktorachse ausgerichtet und an der Deckplatte des Reaktors befestigt ist, sowie" innen durch einen Boden verschlossen ist. Der darin angeordnete oder anzuordnende Katalysator ist ein reduzierender Katalysator. Der zweite oder abströmseitige Raum enthält einen Hohlzylinder, der so angeordnet ist, dass der Widerstand des abströmenden Gases an

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seiner Seitenfläche im wesentlichen gleichförmig ist. Er nimmt ein oxydierendes Katalysatorbett auf. Ferner sind Einrichtungen zur Zufuhr von Sekundärluft in eine Zone der Reaktorkammer zwischen den zwei Katalysatorbetten vorgesehen, d.h. zwei diametral gegenüberliegende Luftzuführrohre reichen in diesem Bereich.

Im folgenden wird eine Erläuterung der Schwierigkeiten und der bemerkenswerteren Merkmale gegeben, durch die diese Schwierigkeiten im erfindungsgemassen Reaktor gelöst werden, wobei insbesondere auf einige bauliche Merkmale des Reaktors Bezug genommen wird. Besonders wichtig ist die Auswahl der Geometrie des Abschnittes des Auslasses aus dem zweiten hohlzylindrischen Körper, welcher das oxydierende katalytische Bett enthält. Wenn einmal ein radialer Austrittsweg durch die Kammern zur Erreichung eines kompakteren Aufbaues des Reaktors mit den zuvor erwähnten Vorteilen ausgewählt wurde, tritt das Problem der ungleichförmigen Verteilung des Gasstromes im oxydierenden Katalysatorbett auf, wenn dieses mit seiner Achse koaxial zum Reaktorgehäuse angeordnet ist. In einem solchen Fall hat sich tatsächlich herausgestellt, dass bei konstanter Zufuhr beträchtliche Änderungen in den Druckwerten im Raum zwischen der zweiten Katalysatorkammer und dem umgebenden seitlichen Gehäuse auftreten, z.B. von 159 mm H-O an Punkten sehr dicht an der Abgasausstossöffnung bis 188 mm H_0 an 9o° von der öffnung entfernten Punkten, bis zu Werten in der Grössenordnung von 2oo mm H^O in dem Teil des Raumes, der der Ausstromöffnung diametral gegenüberliegt. Um diesen Kachteil zu vermeiden und gleichzeitig die der Anwendung radialer Strömung des Abgases durch das Bett inhärenten Vorteile beizubehalten, ist es eine bevorzugte Massnahme, die Breite des Raumes zwischen der zweiten Reaktorkammer und der umgebenden seitlichen Wand so zu änderen, dass die Breite entfernt von der Ausstossöffnung am kleinsten ist und progressiv in Richtung der Ausstossöffnung anwächst, so dass in jedem

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Bereich der Geschwindigkeitswert des durchströmenden Gases im wesentlichen der gleiche ist. Dieses führt zu einem im wesentlichen konstanten Druckabfall zwischen dem Punkt, an welchem das Gas in das zweite Katalysatorbett eintritt,und jedem Punkt des Abgasabschnittes, so dass die Bildung bevorzugter Strömungswege vermieden und die im wesentlichen radiale Strömung des Gases durch das Bett gefördert werden.

In diesem Zusammenhang hat die Entfernung S in cm zwischen der Aussenseite der Seitenwand der oxydierenden Kammer und der Innenseite der seitlichen Wand des -Reaktors bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Wert, der sich als Funktion der Winkelstellung ändert und durch folgendes Verhältnis ausgedrückt werden kann:

S = o,5 + 1.3 ( oC /I80),

wobei '5O der Winkel zwischen der Radius ist, gegenüber welchem S gemessen wird und der des Radius gegenüber der Gasausstossöffnung.

Mehr im allgemeinen wird die Entfernung d zwischen der zweiten Kammer und der umgebenden seitlichen Wand bei einem Winkel oC von einem Radius zur Ausstossöffnung ausgedrückt durch:

d = a + b (oc/l8o),

wobei a die minimale Entfernung zwischen dem Umfang der Kammer und der seitlichen Wand ist und b die Versetzung oder exzentrische Entfernung zwischen den Achsen der Kammer und dem Reaktor ist.

- Io -

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- Io -

Anstatt einer exzentrischen Anordnung relativ zur Reaktorachse kann das oxydierende Bett jedoch auch koaxial angeordnet werden, während doch die oben beschriebenen Nachteile vermieden und so die Gleichförmigkeit des radialen Austritts des Gases von der Seitenwand des oxydierenden Bettes gewährleistet wird, vorausgesetzt, dass Löcher verschiedener Grosse in der Seitenoder Umfangswand der Kammer vorgesehen werden, wobei die kleineren Löcher der Ausstossöffnung benachbart sind und die grösseren Löcher diametral gegenüberliegend angeordnet sind, und sich die Abmessungen der Löcher zwischen diesen zwei Extremstellungen stetig ändern. Wenn es die Art des Katalysators nicht erlaubt

eine angemessene Grosse der erforderlichen Verteilung verschieden grosser Löcher zu verwenden, ist es möglich, in der Seitenoder Umfangswand Löcher im wesentlichen gleichförmiger Grosse vorzusehen, die in der Nähe der Ausstossöffnung weiter voneinander entfernt sind und in der Lage diametral gegenüber der Ausstossöffnung weniger weit voneinander entfernt sind.

Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und der axialen Länge jeder Kammer oder jedes Bettes ist ein wichtiger Faktor, um die beste Kombination von Druckabfall, Verweilzeit und gleichmassiger Verteilung des Gasstromes in den Kataiysatorbetten zu erreichen. Beim oxydierenden Bett kann das Verhältnis zwischen Innendurchmesser und axialer Länge zwischen o,5 und 2,ο schwanken und beträgt vorzugsweise ungefähr o,9. Beim reduzierenden Bett kann dieses Verhältnis zwischen o,5 und 2 liegen und beträgt vorzugsweise 1,7. Wenn eine oxydierende Kammer mit Löchern gleicher Grosse in der Seiten- oder umfangswand verwendet wird, kann die Exzentrizität des Reaktors durch folgenden Ausdruck bestimmt werden:

S = o, 5 + 1,3 (od,/18o) .

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Ein weiteres bauliches Merkmal des erfindungsgemässen Reaktors ist seine Anpassungsfähigkeit an die Verwendung jeder Art von Katalysator, ob er in Pellets, monolithischen Blöcken oder in Form eines Drahtgitters vorliegt, und die Leichtigkeit, mit der er zur Inspektion auseinandergenommen werden kann, Katalysator oder Bauteile ersetzt werden können oder eine Reparatur durchgeführt werden kann.

im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugmotors, der mit einem erfindungsgemässen Reaktor ausgerüstet ist,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, teilweise entlang einer Axialebene des Reaktors der Fig. 1 geschnitten, in grösserem Masstab, und

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung der Pfeile A-A des Reaktors der Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Benzinmotor mit vier in einer Reihe angeordneten Zylindern herkömmlicher Auslegung dargestellt, welcher ein Luftfilter loo, einen mit einer Venturianordnung versehenen Vergaser lol, der von einer oder mehreren Düsen Io2 versorgt wird, eine Drosselklappe Io3, ein Ansaugverteilerrohr Io4, einen Zylinderblock Io5, ein Abgassammelrohr Io6, einen erfindungsgemässen Reaktor 1, ein Abgasrohr 3o7,einen Schalldämpfer Io8 und ein Auspuffrohr Io9 aufweist.

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Eine Abgasrezirkulationsleitung llo ist mit einem Ende zwischen dem Reaktor 1 und dem Schalldämpfer Io8 an das Abgasrohr Io7 angeschlossen und mit dem anderen Ende an die Ansaugleitung zwischen dem Vergaser lol und der Drosselklappe Io3, so dass Abgas verwendet werden kann, um die. durch den Motor strömende Brennstoffladung zu schwächen. Ein Ventil 111 ist in der Abgasrezirkulationsleitung llo vorgesehen, um die Rezirkulation des Abgases zu steuern und die Steuerung des Ventils 111 kann zum Beispiel von der Drosselklappenstellung abhängig sein (wie durch die gestrichelte Linie 112 angedeutet ist), entweder direkt durch mechanische oder äquivalente Verbindungen oder indirekt, so dass Abgas nur rezirkuliert wird, wenn der Motor in einer Betriebsweise zwischen niedriger Leistung (z.B. Leerlauf) und hoher Leistung läuft.

Der Motor dreht in herkömmlicher Weise eine nicht dargestellte Kurbelwelle,und eine von dieser angetriebene Riemenscheibe wird zur Übertragung der Drehbewegung über einen Riemen 114 auf eine Riemenscheibe 115 einer Luftpumpe 116 verwendet. Die Luftpumpe 116 führt Sekundärluft zur Verbrennung des brennbaren Materials in den Abgasen über das Rohr 117 zu, das mit dem Reaktor 1 verbunden ist, wie es im folgenden erläutert werden wird.

Im folgenden wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen und in Fig. 2 ist der katalytische Reaktor 1 zu sehen, dessen Seitenwand die Form eines Zylinderstumpfes aufweist, der am oberen und unteren axialen Ende über die Deckplatte 2 bzw. die Bodenplatte 3 verschlossen ist. Die Deckplatte 2 ist mit einer axialen Mündung 4 zum Eintritt des vom Motor ausgestossenen Abgases versehen. Das Innere des Gehäuses des Reaktors ist durch eine Trennwand in zwei ringförmige Kammern A und B geteilt, die entsprechende Betten eines reduzierenden Katalysators

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5 und eines oxydierenden Katalysators 6 aufnehmen. Zwischen den zwei Kammern A und B ist ein Spalt 7 angeordnet, in welchen Sekundärluft von zwei diametral gegenüberliegenden Rohren 8 eingeblasen wird, die mit dem sekundärluftzuführenden Rohr 117 der Fig. 1 verbunden sind. Darüber hinaus sind unmittelbar über dem Spalt 7 zwei Reihen konzentrischer Löcher 9 und Io in der Trennwand ausgebildet, so dass die Sekundärluft in den Gasstrom oberhalb der Trennwand, rechtwinkelig zu dessen Strömungsrichturg eintritt. Das Bett des reduzierenden Katalysators A hat die Form eines hohlzylindrischen Körpers in Form eines Metallgitterkatalysators, z.B. eines Drahtgitters aus einer Nickel-Kupfer-Legierung, der am Boden durch eine Platte 12 verschlossen ist und am oberen Ende an der Deckplatte 2 des Reaktors mit Gewindestiften 13 befestigt ist, die sich zwischen den Platten 12 und 2 erstrecken. Das Bett des zweiten, des oxydierenden Katalysators

6 ist ebenfalls in Form eines hohlzylindrischen Körpers 14 in der Kammer B des Reaktors angeordnet, die am oberen Ende durch Schweissen an eine ringförmige Platte 15 fixiert ist und am unteren Ende bei 16 durch die Bodenplatte 3 des Gehäuses des Reaktors 1 verschlossen ist. Der beschriebene hohlzylindrische Körper 11 ist aussermittig in bezug auf die Achse des Reaktors angeordnet. Wie klar aus Fig. 3 zu erkennen ist, gibt diese Anordnung einen Anstieg der Ausflussräume D,um den hohlzylindrischen Körper 14 mit verschiedenen Breiten, welche mit abnehmender Entfernung von einer radialen Ausstossöffnung 17 in der Seitenfläche des Gehäuses 1 des Reaktors anv/achsen. Fig. 2 zeigt die Mittelachse O des kreisförmigen Schnittes des Gehäuses des Reaktors 1 um die Mittelachse O des hohlzylindrischen Körpers 14 des Bettes des oxydierenden Katalysators 6. Wie schon erläutert wurde, führt diese UngleichEörmigkeit der Ausflussbreite um den hohzylindrischen Körper 14 bei konstanter Gasdurchflussmenge im wesentlichen zu gleichen Werten der Geschwindigkeitsvektoren in jedem Abschnitt des Katalysatorbettes,

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so dass die Bildung bevorzugter Wege oder eines Kurzschlusses durch das Bett des Katalysators 6 im wesentlichen verhindert werden. .

Die Arbeitsweise des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Reaktors ist einfach und wirksam: Das Abgas vom Motor (Pfeil d in Fig.2) dringt in das Innere des reduzierenden Katalysators im hohlzylindrischen Körper 11 ein und tritt radial (Pfeil e, Fig. 2) aus und strömt nach dem Mischen mit der Sekundärluft bei 7,

9 und Io (Pfeil f in Fig. 2) in den zweiten hohlzylindrischen Körper 14 mit dem oxydierenden Katalysator 6, um anschliessend gereinigt durch den Ausflussabschnitt oder -bereich (D in Fig. 3) mit veränderlicher Fläche und gleichen Geschwindigkeiten (Pfeile g in Fig. 3) auszutreten und wird (Pfeil a in Fig. 2) vom Reaktor durch die Ausstossöffnung 17 ausgestossen.

Bei einem mit einem erfindungsgemassen katalytischen Reaktor, mit einem Fahrzeug der 9o6 kg-Klasse (2ooo lb-Klasse), wie sie durch die US Federal Procedure of 1975 definiert ist, durchgeführten Versuch bestand der reduzierende Katalysator aus einem Drahtgitter aus verstärkter Kupfer-Mickel-Legierung, die auch als Monel-Legierung bezeichnet wird, und der oxydierende Katalysator bestand aus warmfesten Kügelchen, in '.-.-* ichen und auf welchen Platin abgelagert war, und es wurden die folgenden Emissionsv/erte erhalten, indem das Motorfahrzeug de..» 197b US Federal Procedure unterzogen wurde:

g/km ig/ißile) Standardv/arte i-al i ;/6 «.//r... ■;·,\.a.le Cü 1. ,Jo5 l.lv) 2,11z i_._ iν

\f o,lL2 i-.-ifi) o,25v (o, IL)

10 c-, 1 1 ti Ο.Γ-)) o,249 (o.4o)

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O f. 8 8 6 / I O *

Es ist zu bemerken, dass die Emissionszahlen der ersten Säule wesentlich niedriger als die programmässigen Werte für 1976 liegen. So kann gezeigt werden, dass die durch den erfindungsgemässen Reaktor erhaltenen Emissionszahlen nicht wesentlich von den von den Kraftfahrzeugherstellern angestrebten abweichen, die 5o % der obligatorsichen Standardwerte betragen. Der bei dem Beispiel verwendete Reaktor hat folgende Abmessungen:

Abmessungen (mm) Oxydierendes Bett

Innendurchmesser 6o

Aussendurchmesser 14o

Länge 65

Exzentrizität 7

Reduzierendes Bett

Innendurchmesser 84

Aussendurchmesser 14o

Länge 5o

Reaktor

Aussendurchmesser 193

Länge 13 7

Das Verhältnis des Volumens des Reaktors zum Hubraum des Motors liegt vorzugsweise im Bereich von 3,4 : 1 bis 1:1.

Bei Motoren mit Hubräumen bis zu 1,6 Liter, liegt die Grosse des Reaktors bei Verwendung von Katalysatoren mit 9o % oder mehr Umwandlung bis zu Raumgeschwindigkeiten von loo.ooo Volumeneinheiten des Gases / Volumeneinheiten des Katalysators /Stunde

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im allgemeinen im Bereich von 2,5 bis 4,5 Liter vorzugsweise bei ungefähr 5 Litern,und für Motoren mit Hubräumen von 1,6 bis 3,ο Liter liegt das Reaktorvolumen im allgemeinen im Bereich zwischen 3 und 6 Litern, vorzugsweise bei 5,5 Litern. Diese Reaktorvolumina sind das Gesamtvolumen des Reaktorgehäuses und innerhalb des Gehäuses ist Spielraum zur Veränderung der Grosse jedes der zwei Betten und zur Änderung des Katalysators in jedem Bett.

Wenn die Zylinder eines Motors in zwei oder mehr Reihen (z.B. bei einem V-Motor) angeordnet sind, wird vorzugsweise für jede Reihe ein Reaktor vorgesehen, obwohl es in einigen Fällen bequem sein kann, einen einzigen Reaktor zur Aufnahme der Abgase von beiden (oder allen) Reihen vorzusehen.

Die Erfindung wurde unter besonderer Bezugnahme auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass Abwandlungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne dadurch vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

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Claims

Patentansprüche

( 1J Reaktor zur Verwendung bei der Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, einen reduzierenden Katalysator (5) enthaltende, ringförmige Kammer (11) und eine zweite, einen oxydierenden Katalysator (S) enthaltend®, ringförmige Kammer (14) und Einrichtungen (7 _e 12, 15) vorgesehen sind, welche die Abgase zwingen _B zunächst vom Innern der ersten Kammer im wesentlichen radial nach aussen su strömen und dann unter oxydationsfördernden Bedingungen vom Innern der zweiten Kammer im wesentlichen radial nach aussen su strömen_β
2. Verfahren zum Reinigen von Abgasen von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet _B dass das Gas unter reduktionsfördernden Bedingungen vom Innern im we-

. sentlichen radial'auswärts 2«r Aussenseite eines ringförmigen Bettes eines Katalysators strömen gelassen wird und das Gas vom ersten Bett dann unter oxydationsförderaden Bedingungen vom Innern eines zweiten, ringförmigen Bettes eines Katalysators im wesentlichen radial nach aussen ^ur Äussenseite strömen gelassen wird.
3. Reaktor zur Verwendung bsi der Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, dadurch g' e Ic e η η ζ e i c hn e t , dass zwei im wesentlichen zylindrische Kammern (11, 14) miteinander zugewandten Enden angeordnet sind, wobei die einander benachbarten Enden mit Abstand zueinander angeordnet sind und von einer seitlichen Wand zylindrischer Form umgeben sind, die mit Abstand zu den Aussenwänden der Kammern angeordnet ist, dass

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die Kammern abgasdurchlässig sind, dass ein Einlass für Abgas koaxial relativ zur seitlichen Wand an einea Ende des Reaktors (1) angrenzend an" die erste Kamms r (11) und so angeordnet ist, dass das Abgas ins Innere der ersten KaiEser gerichtet ist, wodurch das Gas durch die erste Kammer in den Raus zwischen der ersten Kammer und der seitlichen Wand im wesentlichen radial hindurchtritt, dass eine Trennwand (15} zua Richten des Abgases vom Zwischenraum zum Innern de- zweiten Kaminsr (14) vorgesehen ist, wodurch das Abgas durch disss '-'sraier im wesentlichen radial in den Raum -zwischen der zweiten. Kammer und der seitlichen Wand hindu.rchtr.itt, und dass eins Ausstosscffnung (17) für Abgas in der seitlichen Wand, angrenzend an das andere^#Ende des Reaktors, angeordnet ist, welcher mit dem Zwischenraum zwischen der zweiten Kanuner und der seitlichen Wand zum Ausstosssn des Abgases aus dem Reaktor verbunden ist»
4. Reaktor nash Anspruch 2_e .a&ciureh gekennzeichnet, dass das Er*äe jeder Ksimer (11,14) entfernt vom Abgaseinlass geschlossen ist, um einen Gasstrom durch die Kammer parallel zur Achse des Reaktors zu verhindern.
5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Kammern (11, 14} ringförmig sind, und dass Abgas in jede Kammer vom zylindrischen Zwischenraum, der durch die ringförmige Kammer umgeben ist, eintritt.
6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des lenendurchmessers zur axialen Länge bei der oder jeder ringförmigen Kammer (11, 14) im Bereich zwischen o,5 und 2,ο liegt.

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7. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Kammer (14) so angeordnet und aufgebaut ist, dass der Strömungswiderstand beim Durchfluss durch dieselbe im wesentlichen gleichförmig ist.
8. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der zweiten Kammer (14) gegenüber der Achse des Reaktors von der Ausstossöffnung (17) für das Abgas weg versetzt ist, und dass die die zweite Kammer bildenden Wände gleiche Durchlässigkeit für den Gasstrom aufweisen.
9. Reaktor, nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichne t, dass' die Entfernung d vom Umfang der zweiten Kammer zur umgebenden seitlichen Wand durch folgende Formel gegeben ist: d = a + b ( oC /18o) wobei a die minimale Entfernung zwischen dem Umfang der Kammer und der seitlichen Wand an Stellen entfernt von der Ausstossöffnung ist, b die Grosse der Versetzung zwischen der Achse der Kammer (14) und der Achse der seitlichen Wand, und oi der Winkel zwischen einem Radius zum Punkt, an welchem die Entfernung d gemessen wird, und einem Radius /ur Mitte der Ausstossöffnung für das Abgas ist.
10. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Kammer (11) im wesentlichen koaxial zum Reaktor (1) angeordnet ist.
11. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis Io, dadurch gekennzeichnet , dass eine Einrichtung (8) zum Zuführen von Luft zu einem Mischspalt zwischen der Trennwand und dem zweiten Reaktor vorgesehen ist.

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12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführeinrichtung mindestens eine Leitung (8) aufweist, die in einem Mischraum zwischen der Trennplatte und dem angrenzenden Ende der zweiten Kammer (14) endet, und dass sich die Leitung parallel zur Reaktorachse zwischen der ersten Kammer (11) und der seitlichen Wand erstreckt.
13. Reaktor nach Anspruch 11 oder IZ^ dadurch gekennzeichnet , dass die Trennwand im wesentlichen ringförmig ist und sich von der seitlichen Wand nach innen erstreckt, dass die zentrale Öffnung (7) der Trennwand zum Richten des Abgases in die zweite Kammer (14) dient und eine Mehrzahl von die zentrale Öffnung umgebenden Öffnungen (9, Io) zum Durchlass von Luft vom Mischraum zu einem Raum zwischen der Trennplatte und dem angrenzenden axialen Ende der ersten Kammer (11) aufweist.
14. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Kammer ein Drahtgitter oder Netz aus katalytischem Material enthält, das zur Reduktion von NO aktiv ist.
15. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

in Verbindung mit einer Brenkraftmaschine, dadurch g e k e n η-zeichnet, dass er zur Aufnahme von Abgas vom Motor an denselben angeschlossen ist, und dass eine Luftzuführeinrichtung (116, 117) zum Zuführen von Luft zum Reaktor zwischen der ersten und zweiten Kammer (11 bzw. 14) angeschlossen ist.
16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass das Verhältnis des Volumens des Reaktors zum Hubraum des Motors im Bereich zwischen 4,5 und l,o liegt.

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17.- Reaktor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e kennzeichnet, dass eine Abgasrezirkulationsleitung (llo) mit einem Ende zur Aufnahme eines Teiles des Abgases von der Abgasleitung (Io7) des Reaktors (1) und mit dem anderen Ende an die Luftansaugleitung des Motors angeschlossen ist, und dass eine zur Regulierung der Strömung des Abgases durch die Abgasrezirkulatxonsleitung,entsprechend den Arbeitsbedingungen des Motors arbeitende Einrichtung (111) vorgesehen ist.

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