DE2550658A1 - Abgassammler fuer einen verbrennungsmotor mit eingebautem katalysatorbehaelter - Google Patents

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IEDTKE - DÜHLING " ΙΥΙΝΝΕ Dipl.-Ing. Tiedtke

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. - 11. November 1975

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TOY(DTA JIDOSHA KOGYO 'KABUSHIKI KAISHA' ■ TOYOTA CITY / JAPAN.

Abgassammler für einen Verbrennungsmotor mit eingebautem Katalysatorbehälter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage und insbesondere auf einen Katalysatorbehälter, der in einen Abgassammler bzw. Auspuffkrümmer eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist.

Es ist bekannt, die Abgase des Motors eines Kraftfahrzeugs durch einen Katalysatorbehälter zu leiten, damit die drei giftigen Bestandteile des Motorabgases, nämlich die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, gleichzeitig durch thermische chemische Reaktionen aus dem Abgas beseitigt werden. Bei einem solchen System sollte

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der Katalysatorbehälter vorzugsweise nahe dem Abgassammler des Motors angeordnet sein, da dann das Abgas den thermischen chemischen Reaktionen in Gegenwart des Katalysators unmittelbar nach seLner Erzeugung und, während es noch eine hohe . ' Temperatur hat, ausgesetzt ist,.so daß dann eine geringere Katalysatormenge benötigt wird, um eine höhere Reinigungsleistung bzw. einen höheren Reinigungswirkungs'grad zu erzielen, als wenh der Katalysatorbehälter weiter entfernt vom Abgassammler des Motors montiert ist. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren- ist jedoch der Katalysatorbehälter in der Regel im oder am Schalldämpfer montiert, der in gewisser Entfernung vom Abgassammler des Motors liegt, so daß der Katalysator bei der Reinigung des Abgases nur einen niedrigen Wirkungsgrad erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Abgasreiniger zu schaffen, bei dem ein zylindrischer Katalysatorbehälter■in den Abgassammler des Motors eingebaut ist, damit die Nachteile der herkömmlichen Abgasreinigungsanlagen vermieden werden.

Erfindungsgemäße Abgassammler, durch die diese Aufgabe gelöst wird, sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Abgasreinigers, bei dem ein zylindrischer
Katalysatorbehälter in den Abgassammler des Motors eingebaut ist und mit einem Katalysator gefüllt ist, der die
drei giftigen Bestandteile des Abgases, nämlich die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, gleichzeitig verarbeiten kann, sofern ein Gemisch mit ungefähr stöchiometrischem Verhältnis benutzt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ■sind ein .Sauerstoffkonzentrationsfühler, der sich im'Abgasstrom unmittelbar stromab des AbgasSammlers befindet, sowie ein elektronischer Kraftstoffeihspritzer
mit einem Rechner vorgesehen, der eine Regelung in Abhängigkeit .von -einem vom Sauerstoffkonzentrationsfühler
gelieferten Signal in der Weise durchführen kann, daß der Kraftstoff dem Ansaugsystem des Motors automatisch so zugeführt wird, daß ein. stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung

eines neuen Abgasreinö.gers', bei dem ein zylindrischer
Katalysatorbehälter vorgesehen ist, dessen Radien sich um 20 bis 30 mm unterscheiden. Dadurch werden unter normalen Betriebsbedingungen die Oxidationsreaktionen beschleunigt. Gleichzeitig wird dadurch verhindert, daß der Katalysatorbehälter durch plötzliche und heftige Reaktionen unverbrannter Gase im Katalysatorbett aufgrund von Fehlzündungen be-

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schädigt wird.. Zu· diesem Zweck ist außerdem eine. Sekundärluftpumpe vorgesehen, die in den oder die Auslässe des . Motors oder stromauf des Katalysatorbehälters während des Betriebs des Motors Luft einblasen kann.

Ein weiteres■Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Abgasreinigers mit einem zylindrischen Katalysatorbehälter, bei dem der Katalysator in einen Raum zwischen einem inneren Zylinder und einem äußeren Zylinder eingefüllt ist. Der innere Zylinder und der äußere Zylinder sind an ihren entgegengesetzten Enden durch ringförmige Stirnplatten bzw. Deckel miteinander verbunden, in denen sich keine öffnungen befinden. Der innere und der äußere Zylinder umfassen jeweils einen unteren Wandabschnitt mit zahlreichen öffnungen sowie einen oberen Wandabschnitt ohne öffnungen. ■

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Abgasreinigers, bei dem der Abgassammler des Verbrennungsmotors ein oberes und ein unteres Gehäuse, eine Auskleidung aus hitzebeständigem Stahl, die innerhalb des oberen und des unteren Gehäuses mit gewissem Abstand von diesen angeordnet ist, sowie einen zylindrischen Katalysatorbehälter umfaßt, der austauschbar innerhalb der Auskleidung montiert ist und einen Deckel, der in das obere Gehäuse paßt, sowie ein Auslaßende umfaßt, das mit

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dem Auslaß des Abgassammlers ausgerichtet ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter.Bezugnahme auf. die Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine

Ausfuhrüngsform der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt gemäß E-E in Fig, I;

Fig. 3 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform; . - ■ Fig. 4 einen Schnitt gemäß A-A in Fig. 2; ·. Fig. 5 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, des erfindungsgemäßen zylindrischen Katalysatorbehälters; Fig. 6 ein Diagramm, das den Reinigungsgrad der unverbrannten Abgasbestandteile in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder des zylindrischen Katalysatorbehälters zeigt; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 ein Diagramm, das zur Erläuterung des Einflusses der Einblasung von Sekundärluft die Temperatur des Katalysatorbetts zeigt; und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

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Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 und 2 eingegangen. Darin ist ein .Abgassammler bzw. Auspuffkrümmer 100 für einen Verbrennungsmotor dargestellt, der in ein oberes Gehäuse 101 und ein unteres Gehäuse 102 unterteilt " ist und mit einer dünnen, wärmeabschirmenden Auskleidung 103 aus hitzebeständigem Stahl versehen ist, die die Innenflächen des oberen und unteren- Gehäuses in geeignetem Abstand überdeckt. Das obere Gehäuse 101 und das untere Gehäuse. 102 sowie die wärmeabschirmende Auskleidung 103 ergeben somit einen doppelwandigen Abgassammler 100. Ferner ist in die Gehäuse ein Katalysatorbehälter 1 eingesetzt. Der"Katalysatorbehälter 1, der ausführlicher in Fig. 5 dargestellt ist, weist einen Raum auf, der von einem. Deckel 2 für einen ' äußeren Zylinder, einem Deckel 3 für einen inneren Zylinder und einem oberen, ringförmigen Deckel 4 begrenzt wird. In diesem Raum ist ein Vorrat aus körnigem Katalysator untergebracht. Der Katalysator 6 ist in einen Ringraum-zwischen einem porösen bzw. mit Löchern versehenen äußeren Zylinder 8 und einem porösen bzw. mit Löchern versehenen inneren Zylinder 7 eingefüllt. Der äußere Zylinder 8 und der innere Zylinder 7 werden beispielsweise aus einem mit Schlitzen versehenen Blech oder dergleichen hergestellt. Wenn der ■ Katalysator infolge der katalytischen Reaktion Volumen verliert, wird durch ein Anzahl kleiner Öffnungen 5, die durch den ringförmigen Deckel 4 hindurchgehen, aus dem Katalysatorvorrat Katalysator nachgefüllt. Das untere Ende des Ring-

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raumes zwischen dem inneren Zylinder 7 und dem äußeren Zylinder 8, der mit dem Katalysator gefüllt ist, wird von einem unteren, ringförmigen Deckel 10 verschlossen. In Radialrichtung haben der innere Zylinder 7 und der äußere Zylinder 8 einen Abstand von 20mm bis 30mm voneinander, damit verhindert wird,, daß der Katalysatorbehälter bei einer heftigen Reaktion unverbrannter Gase im Katalysatorbett aufgrund einer Fehlzündung beschädigt wird, und damit gleichzeitig Katalysatorverluste durch Schmelzen verhindert werden. Dazu zeigt Fig. 6 in einem Diagramm das Verhältnis zwischen dem wirksamen Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder einerseits und dem Reinigungsgrad der unverbrannten Abgasbestandteile andererseits. Sowohl der innere Zylinder 7 als auch der äußere Zylinder 8 hat einen oberen Wandabschnitt ohne Löcher, der sich über eine Strecke von einigen zehn mm vom oberen Ende am oberen ringförmigen Deckel 4 erstreckt. Ferner weist sowohl der innere Zylinder 7 als auch der äußere Zylinder 8 einen durchlöcherten unteren Wandabschnit.t auf, in dem zahlreiche Öffnungen ausgebildet sind und.der vom oberen Wandabschnitt bis zum unteren, ringförmigen Deckel 10 geht, so daß die Abgase durch die Öffnungen im äußeren Zylinder 8 in Kontakt mit dem Katalysator 6 treten und mit diesem reagieren können, so daß sie gereinigt werden. Danach gelangen sie durch die Öffnungen im inneren Zylinder in .den Hohlraum im Inneren des inneren Zylinders. Wie bereits erwähnt wurde, befinden sich jeweils

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im oberen Wandabschnitt des inneren und des äußeren Zylinders keine Löcher oder öffnungen. Der Grund dafür liegt darin, daß andernfalls durch einen ungefüllten Raum über dem Katalysator .zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Abgas strömen könnte, ohne daß es chemisch rea- ■ giert, wenn das Volumen des Katalysators um ein bestimmtes Maß abgenommen hat.

Im folgenden wird speziell auf die Fig. 3 und 4 eingegangen. Das untere Ende des Katalysatorbehälters 1 ist verschiebbar oder fest in einen Flansch 104 am Auslaßende des Abgassammlers' eingesetzt. Ein kreisförmiger Deckel 106 schließt den Abgassammler, wobei ein Spalt 105 freibleibt, damit Wärmedehnungen möglich sind. Die Passung zwischen kreisförmigem Deckel 106 und der Wand des Abgassammlers ist eine Spielpassung. Damit' der Katalysatorbehälter 1 ausgetauscht werden kann, kann der Deckel 106 abgenommen werden. Zur Beschleunigung der Oxidationsreaktionen zum Entfernen der giftigen Abgasbestandteile, beispielsweise von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, wird von''" einer Sekundärluftpumpe 200, die getrennt am Motor angebracht ist, durch eine Einblasöffnung 107 und einen Kanal 108 für Sekundärluft, die im oberen Gehäuse 101 ausgebildet sind, Sekundärluft eingespeist und zum Auslaß 110 des Motors oder stromauf des Katalysatorbehälters 1 eingeblasen. Im Inneren des Auslasses 110 befindet sich eine Auslaßbüchse 109,

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durch die die Abgase aus dem Motor in die wärmeisolierende Auskleidung 103 im Abgassammler 100 strömen.

Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Im zylindrischen Katalysatorbehälter 1 befindet sich dabei ein Oxidationskatalysator 6', der hauptsächlich zur Beseitigung -von giftigen Äbgasbestandteilen wie' Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid dient. Die Konstruktion des Katalysatorbehälters 1 und die Verbindung des Katalysatorbehälters 1 mit dem Abgassammler bzw. dem AbgasSammlerreaktor sind die gleichen wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Zur Beschleunigung der Oxidationsreaktionen unter normalen Betriebsbedingungen des Motors und außerdem,um zu -verhindern, daß der Katalysatorbehälter 1 und der Katalysator 6' durch heftige Reaktionen unverbrannter Abgase, die aufgrund von Fehlzündungen im Katalysatorbett auftreten können, angegriffen werden, sind der innere Zylinder 7 und der äußere Zylinder 8 des zylindrischen Katalysatorbehälters so konstruiert, daß sich ihre Radien um 20mm bis 30mm unterscheiden. Außerdem wird von einer Sekundärluftpumpe 200, die am Motor montiert ist> durch ein Rückschlagventil 202 Sekundärluft geliefert, die durch ein Lufteinblasrohr zum Auslaß 110 des Motors oder stromauf des Katalysatorbehälters 1 während des Betriebes des Motors eingeblasen wird. Fig. 8

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ist ein Diagramm, das· den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Katalysatorbetts mit und ohne Einspritzung von Sekundärluft zeigt. Darin gilt die ausgezogene Kurve A für die. Einspritzung von Luft, die gestrichelte Kurve B ohne Ein-· spritzung von Sekundärluft, und'die strichpunktierte Linie gibt den Temperaturgrenzwert bei Dauerbelastung des Katalysatorbehälters 1 wieder. Sowohl die Kurve A als aueh die Kurve B verläuft bei konstanter Temperatur, während der Motor unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet. Wenn jedoch keine Sekundärluft eingeblasen wird und es dann zu einer Fehlzündung in einem der Zylinder.des Motors kommt, steigt die Temperatur des Katalysatorbetts über den kritischen Temperaturgrenzwert C an, wie Kurve B zeigt. Im Gegensatz dazu führt das Einblasen von Sekundärluft zu einer Verminderung der Temperatur des Katalysatorbetts auf einen sicheren Wert, wie Kurve A zeigt.

Fig. 9 zeigt schematisch eine weitere .Ausführungsform der Erfindung, die mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung arbeitet. Der Katalysatorbehä'lter 1 ist mit einem Katalysator 114 gefüllt, der gleichzeitig die Anteile an den drei giftigen Abgasbestandteilen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide vermindern kann, sofern das Gemisch ein ungefähr stöchiometrisches Verhältnis hat. Am Auslaßende des Abgassammlers ist stromab des Flansches 104

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ein Sauerstoffkonzentrationsfühler 111 montiert.· Die Ausgangssignale des Sauerstoffkonzentrationsfühlers 111 werden auf einen Rechner 112 gegeben, der dafür sorgt, daß der von einem.elektronischen Kraftstoffeinspritzer 113 in das Ansaugsystem des.Motors eingespeiste Kraftstoff automatisch auf ein stöchiometrisches Gemischverhältnis geregelt wird. Die giftigen,■unverbrannten Abgasbestandteile des Abgases aus dem stöchiometrischen Gemisch, die.durch den Auslaß 110 austreten, durchlaufen in Gegenwart des Katalysators Oxidations- und Reduktionsreaktiönen. Dabei ist der Katalysator 114 für alle drei giftigen Bestandteile' wirksam. Dies hat zur Folge, daß die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid· oxidiert werden, während die Stickoxide zu harmlosen Verbindungen reduziert werden. Im Katalysatorbehälter 1 befindet sich ferner ein Temperaturfühler 115, der ungewöhnliche oder gefährliche Zustände feststellen· kann, die im Katalysatorbett infolge plötzlicher thermischer Reaktionen bei ungewöhnlichen Betriebsbedingungen des Motors auftreten könnten. Wenn einer solcher Zustand festgestellt wird, wird von einer Sekundärluftpumpe 200 durch ein Rückschlagventil 201 und ein Einblasrohr 202 für Sekundärluft zum Auslaß 110 oder stromauf des Katalysatorbehälters 1 Sekundärluft eingeblasen, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird. Ferner ist ein Schalldämpfer 116 vorgesehen.

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Erfindungsgemäß befindet sich im Abgassammler des Motors ein eingebauter Katalysatorbehälter zum Reinigender Abgase des Motors, so daß es möglich wird, eine höhere Abgasreinigungsleistung mit einer geringeren Katalysatormenge zu erreichen. Da ferner am Motor eine Sekundärluftpumpe vorgesehen ist, die dazu dient, unter normalen oder bestimmten Betriebsbedingungen des Motors Luft in den oder die Auslässe des Motors oder stromauf des Katalysatorbehälters einzublasen, werden die Oxidationsreaktionen beim Reinigen des Abgases unterstützt bzw. beschleunigt, während gleichzeitig Beschädigungen des Katalysatorbehälters oder Verlust des Katalysators verhindert werden, was andernfalls durch Fehlzündungen des Motors hervorgerufen werden könnte.'

Es versteht sich, daß die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in erster Linie der Erläuterung der Erfindung dient. Erfindungsgemäß wird somit ein Abgassammler für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, in den ein zylindrischer Katalysatorbehälter eingebaut ist, der einen zylindrischen inneren Zylinder, einen zylindrischen äußeren Zylinder und ringförmige Deckel, die auf die entgegengesetzten Enden der Zylinder passen, umfaßt sowie mit einem zum Reinigen der Abgase des Motors·geeigneten Katalysator gefüllt ist.

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Ferner wird erfindungsgemäß eine Abgasreinigungsvorrichtung vorgeschlagen, in die der Abgassammler einbezogen ist und die einen Sauerstoffkonzentfationsfühler in der Abgasströmung sowie einen elektronischen Kraftstoffeinspritzer umfaßt, der durch ein Signal vom Sauerstoffkonzentrationsfühler so gesteuert wird, daß ein geschlossener Regelkreis besteht.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Abgassammler für .einen Verbrennungsmotor mit einem eingebauten, ' zylindrischen Katalysatorbehälter, dadurch gekenn-zeichnet, daß der zylindrische Katalysatorbehälter (.1) mit einem Katalysator (6,6', 114) gefüllt ist, der zum Reinigen der Abgase des Motors geeignet ist, daß der zylindrische Katalysatorbehälter einen." inneren Zylinder (7), einen äußeren Zylinder. (8), wobei diese Zylinder konzentrisch zueinander sind, sowie ringförmige Deckel (4, 10) umfaßt, die an den entgegengesetzten Enden des inneren und des äußeren Zylinders sitzen, so daß dazwischen ein Ringraum besteht, der mit dem Katalysator gefüllt werden kann, und daß der innere und der äußere Zylinder jeweils einen oberen Wandabschnitt ohne öffnungen, der sich vom jeweiligen oberen Ende ausgehend über eine bestimmte Strecke erstreckt, sowie einen unteren Wandabschnitt mit zahlreichen Löchern bzw. öffnungen umfassen, der sich unmittelbar an den oberen Wandabschnitt anschließt und von dort bis zum jeweiligen unteren Ende des Zylinders reicht, so daß das Abgas des Motors durch die öffnungen im äußeren Zylinder in den Ringraum eingeleitet wird, dort den Reinigungsreaktionen ausgesetzt ist und dann durch die öffnungen im inneren Zylinder des zylindrischen Katalysatorbehälters zum Auslaß des Abgassammlers abgeleitet wird.

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2. Abgassammler nach'Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein oberes Gehäuse (101) und ein unteres Gehäuse (102), eine .wärmeabschirmende Auskleidung (103) aus hitzebeständigem Material, die sich innerhalb des oberen und unteren Gehäuses in gewissem Abstand von.diesen befindet, und einen zylindrischen Katalysatorbehälter (1), der austauschbar innerhalb der wärmeabschirmenden Auskleidung montiert ist und in seinem oberen Bereich einen Deckel (2) aufweist, der in das obere Gehäuse eingesetzt werden kann, sowie einen unteren Abschnitt umfaßt, der mit dem Auslaß des Abgassammlers ausgerichtet angeordnet ist.

3. Abgassammler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine im Abgassammler (100) an einer Stelle nahe dem zylindrischen Katalysatorbehälter (1) vorgesehene Lufteinblasöffnung (107, 202) zum Einblasen von Sekundärluft während des Betriebes des Motors, die von einer Sekundärluftpumpe

(200) geliefert wird, die getrennt am Motor angebracht ist.

4. Abgassammler für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen Katalysatorbehälter (1), der mit einem zum Reinigen des Abgases geeigneten Katalysator (114) gefüllt ist, einen Sauerstoffkonzentrationsfühler (111), der die Sauerstoffkonzentration in einer Abgasströmung nahe dem Auslaßende des Abgassammlers feststellen kann, und einen elektronischen Kraftstoffeinspritzer (112, 113) mit einem

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Rechner, der an den Sauerstoffkonzentrationsfühler angeschlossen ist und mittels dessen die Kraftstoffeinspritzung in das Ansaugsystem des Motors so geregelt wird, daß das Gemisch ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff - Verhältnis hat. . . "

5. Abgassammler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Radien des zylindrischen Katalysatorbehälters (1) sich um 20 bis 30 mm unterscheiden.

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