DE3024491A1

DE3024491A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3024491A1
Application number: DE19803024491
Authority: DE
Inventors: Stephen Leslie Cutmore; Bernard Edvard Enga; Edward Rigby Middleton
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1981-01-29
Also published as: SE8004632L; GB2054402A; LU82550A1; IT1136188B; DK155541C; DK279280A; IT8012584A0; IE49846B1; CA1165247A; FR2460388A1; NL8003699A; FR2460388B1; GB2054402B; DK155541B; IE801344L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Reduktion von Rauch und anderen schädlichen Bestandteilen in Gasen und im Besonderen in Abgasen.

Gase aus Siedekesseln und Verbrennungsmotoren enthalten oft fein verteilte Partikel von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohle oder einem anderen festen Stoff, der sich in Form von Rauch zeigt. Der Rauch aus einem Dieselmotor ist aus festen/ flüssigen Partikeln (d.h. feste Partikel, die eine flüssige äußere Umhüllungsschicht haben), festen Kettenaggregaten, in denen sphärische Partikel von 100 - 800 8 Durchmesser zusammengekoppelt sind, flüssigen Sulfaten, flüssigen Kohlenwasserstoffen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt. Die festen/flüssigen Partikel enthalten im allgemeinen Kohlepartikel mit adsorbierten flüssigen Kohlenwasserstoffen, und die festen Kettenaggregate sind im allgemeinen aus organischen Verbindungen mit hohem Molekulargewicht und/ oder anorganischen Sulfaten zusammengesetzt.

Weißer Rauch wird produziert, wenn die Maschine zum erstenmal startet, und rührt von der Kondensation von Wasserdampf auf Partikeln her, die in den Abgasen enthalten sind, so daß sich

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ein feiner Nebel bildet. Schwarzer Rauch, wie er von Dieselmotoren produziert wird, bildet sich, wenn die Maschine erwärmt ist, und enthält einen relativ hohen Anteil an Kohlepartikeln. Im blauen Rauch ist etwas Kohle vorhanden, aber auch ein relativ hoher Anteil gasförmiger organischer Verbindungen wie Aldehyden. Etwa 90 % dieser rauchbildenden Partikel haben maximale Ausmaße von weniger als einem Mikron, was innerhalb der einatembaren Partikelgröße liegt, und das maximale Ausmaß der verbleibenden 10 % dieser rauchbildenden Partikel ist weniger als vier Mikron.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Menge an Rauch wenigstens zu vermindern, die in Abgasen enthalten ist, indem die den Rauch in solchen Gasen bildenden Partikel katalytisch oxidiert werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Menge an schädlichen Gasen und Partikeln zu vermindern, die im Abgas eines Verbrennungsmotors vorhanden sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen modifizierten mit Dieselkraftstoff oder Benzin betriebenen Verbrennungsmotor zu entwickeln in der Weise, daß eine beträchtlich reduzierte Menge an schädlichen Gasen und Partikeln produziert wird.

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Im Zusammenhang mit der Erfindung soll der Ausdruck "Schmutzstoffe" ("pollutants") umfassen: Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Oxide des Stickstoffes, die vom Verbrennungsmotor gebildet werden, auch rauchbildende Partikel, wie oben beschrieben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verbrennungsmotor einen Apparat für die Reduktion von Schmutzstoffen, die in Auspuffgasen enthalten sind, die aus dem Motor ausgestoßen werden, der mindestens eine Auslaßöffnung hat, wobei der Apparat ein Gehäuse enthält, das eine einen Katalysator enthaltende Kammer begrenzt, wobei der Katalysator ein Substrat enthält, das aus fadenförmigem metallischen Material in maschenbildender, gewobener oder zerklüfteter Form gemacht ist, eine erste Schicht aus feuerfesten Metalloxiden, die auf dem Substrat befestigt sind, und einer zweiten Schicht eines katalytischen Materiales, das auf der ersten Schicht befestigt ist, wobei die Kammer einen Einlaß in Verbindung mit der erwähnten Auslaßöffnung hat, über die das Auspuffgas, das vom Motor ausgestoßen wird, in die Kammer geführt wird und durch den Katalysator geleitet wird, ehe es durch ein Auslaßsystem ins Freie gelangt.

Üblicherweise findet die katalytisch^ Oxidation von Kohlepartikeln bei etwa 400° C statt, wohingegen die normalen

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Temperaturen der Verbrennung von solchen Partikeln 700 800° C beträgt. Für Kohlenwasserstoffpartikel wird die katalytische Oxidation bei Temepraturen um 200 C stattfinden. Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde die Auswirkung eines Katalysators auf die Temperatur, bei der die katalytische Oxidation von Partikeln, die im Auspuffgasstrom eines Dieselmotors mitgerissen wurden, stattfand, untersucht. Hierzu wurde eine Anzahl von Probekatalysatoren vorbereitet. Die Katalysatoren umfassten ein Substrat, das aus 310 rostfreiem Stahldraht mit einem Durchmesser von 0.010 Inch, der zu einem Band von 0.004 Inch Dicke gewalzt worden war, hergestellt wurde, eine Schicht aus Aluminiumoxid und eine Schicht aus einem oder mehreren Metall(en) der Platingruppe mit einer Ladung von 2.46 mg/g Aluminiumoxid. Ein Teil ummantelten Drahtes wurde aus einem Katalysator geschnitten und zusammen mit einer aus dem Auspuffgasstrom eines Dieselmotors entnommenen Probe erhitzt, wobei man die Temperatur graduell erhöhte, und zwar in der Probenschale eines Differential-Scan-Kolorimeters (ein DSC) bei einer Atmosphäre von 1 % Sauerstoff in Argon. Es wurden dabei Proben der Atmosphäre über der Probenschale über eine erhitzte Kapillarrohre für ein Massenspektrometer entnommen. Vier Massezahlen wurden festgestellt: Kohlenmonoxid (44), doppelt geladenes Argon (20), Sauerstoff (32) und Wasser (18) oder Stickstoff und Kohlenmonoxid (28). Die Temperatur, bei der der Differentialanschlag

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des DSC reagierte, wurde als die Temperatur angenommen, bei der die Verbrennung der Partikel stattfand. Diese Temperatur kann als Entflammungs-Temperatur betrachtet werden. Die Ergebnisse sind unten angegeben:

Aluminiumoxid-Ladung Katalytische(s) Entflammungs-(g/g des Drahtes) Metall(e) temperatur ( C)

0.33 5.7 % Rh 94.3 % Pt' 235

0.28 67 % Pt 33 % Pd 207

0.30 Pd 265

0.28 Pt 220

Die Entflammungstemperatur von Partikeln aus dem Auspuffgasstrom eines Dieselmotors, 207 - 265° C, ist beträchtlich niedriger als die Temperatur für die Verbrennung, die stattfinden soll, wenn kein Katalysator vorhanden ist.

Nachdem es die Anwesenheit eines Katalysators ermöglicht, daß die Oxidation der rauchbildenden Partikel des Gases bei einer niedrigeren Temperatur als der üblichen Verbrennungstemperatur erfolgt, ist für die katalytische Oxidation jeglicher rauchbildender Partikel der Abgase von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung keine oder allenfalls eine geringe Temperaturerhöhung notwendig.

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Das ist so wegen der Tatsache, daß, wenn ein Dieselmotor bei mittlerer oder voller Belastung betrieben wird, seine Betriebstemperatur bei etwa 400° C liegt, so daß kein Vorheizen des Auspuffgases, das aus dem Motor kommt, erforderlich ist, bevor das erwähnte Auspuffgas über einen Katalysator geleitet wird.

Das fadenförmige metallische Substrat kann in Form von Draht vorliegen und ist in der Weise angeordnet, daß ein maximaler Kontakt des katalytischen Metalles mit den erwähnten Auspuffgasen gewährleistet ist. Vorzugsweise liegt der Draht in einer flachgedrückten Form vor, die zweckmäßigerweise vor dem Anbringen einer Aufschlämmung (washcoat) und des katalytischen Metalles durch Walzen erzeugt wird. Beim Arbeiten eines Diesel- oder ähnlichen Motors, in dem ein Überschuß an Luft oder Sauerstoff im Brennraum vorhanden ist, sichert ein solcher katalytischer Kontakt, daß ein wesentlicher Anteil der Schmutzstoffe, wie oben beschrieben, der katalytischen Oxidation unterliegt.

Eine bevorzugte Anordnung des metallischen Drahtsubstrates innerhalb des Brennraumes ist so, daß eine Turbulenz im ausströmenden Gas hervorgerufen wird.

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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt diese ein Verfahren für die Reduktion von Verschmutzungen des Auspuffgases von Verbrennungsmotoren durch das überführen des erwähnten Auspuffgases aus den Zylindern des Motors in eine Kammer, in der ein Katalysator auf einem Träger so angeordnet ist, daß Turbulenz entsteht und die Schmutzstoffe, die im Auspuffgas vorhanden sind, in Kontakt mit dem erwähnten Katalysator kommen und wenigstens ein Teil der erwähnten schädlichen Bestandteile und Partikel einer katalytischen Oxidation unterliegen. Vorzugsweise ist der erwähnte Motor ein Dieselmotor.

Ein Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung weist unter anderem auf:

1. eine Kammer mit einer Vielzahl von Einlaßöffnungen

in der Kammerwand, die mit den Auslaßventilen des erwähnten Motors in Verbindung stehen und mit einer zur Auspuffleitung führenden Auslaßöffnung; und

2. einen gestützten Katalysator, der so angeordnet ist,

daß das in die Kammer gelangende Auspuffgas den erwähnten Katalysator passieren muß, der außerdem so angeordnet ist, daß der Auspuffgasstrom turbulent ist, wenigstens während das erwähnte Gas in Kontakt mit dem erwähnten Katalysator ist.

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Vorzugsweise umfaßt der Katalysator, der in den erwähnten Verbrennungsmotoren verwendet wird:

a) ein gegliedertes Substrat, das im Gasstrom so angeordnet ist, daß es Turbulenz im Auspuffgasstrom hervorruft ;

b) eine haftende Aufschlämmung aus feuerfestem Metalloxid, das auf der Oberfläche des Substrates gelegen ist; und

c) ein katalytisches Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, V, Cr, Mo, W, Y, Ce, deren Legierungen und intermetallischen Verbindungen, aie wenigstens 20 Gew.% eines oder mehrerer der erwähnten Metalle enthalten, die auf der Oberfläche der Aufschlämmung aus feuerfestem Metalloxid aufgetragen oder in diese inkorporiert ist.

Die Aufschlämmung aus feuerfestem Metalloxid enthält vorzugsweise in der Form ihrer Oxide eines oder mehrere Mitglieder der Gruppe, die besteht aus: Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, Th, Ta, V, Cr, Mn, Co, Ni, B, Al, Si und Sn.

Ein bevorzugtes Material für die Aufschlämmung ist Al₂O-, und Aluminiumoxidhydrate, es können aber auch stabilisierende

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Oxide wie BaO und Oxide mit die katalytische Aktivität beschleunigender Wirkung, wie TiO-, ZrO₃, HfO-, ThO₃, Cr₃O₃ und NiO, vorhanden sein.

Eine bevorzugte Form des katalytischen Substrates enthält eine Struktur, die aus gewobenem oder maschenbildendem Draht hergestellt ist, und eine noch mehr bevorzugte Form ist gewobener oder maschenbildender Draht, der vor der Verarbeitung zu der gewobenen oder maschenbildenden Form in eine flache Form gewalzt wurde. Geeignete Legierungen, die bei der Herstellung des Drahtes verwendet werden können, sind korrosionsbeständige und besonders oxidationsbeständige Basismetall-Legierungen .

Beispiele für solche Basismetallegierungen sind Nickel- und Chromlegierungen, die einen zusammengenommenen Ni plus Cr-Gehalt größer als 20 Gew.% haben, und Legierungen des Eisens, die wenigstens eines der Elemente Chrom (3-40 Gew.%), Aluminium (1-10 Gew.%), Kobalt (Spuren - 5 Gew.%), Nickel (Spuren - 72 Gew.%) und Kohle (Spuren - 0.5 Gew.%) enthalten. Solche Substrate sind in der Deutschen Offenlegungsschrift 24 50 664 beschrieben.

Andere Beispiele von Basismetallegierungen für die zu erwartenden rauhen Einsatzbedingungen sind Eisen-Aluminium-

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Chromlegierungen, die auch Yttrium enthalten können. Die letzteren Legierungen können 0.5 - 12 Gew.% Al, 0.1 3.0 Gew.% Y, O - 20 Gew.% Cr und den Rest Fe enthalten. Diese sind im US-Patent No. 3 298 826 beschrieben. Eine andere Reihe von Fe-Cr-Al-Y-Legierungen enthält 0.5-4 Gew.% Al, 0.5 - 3.0 Gew.% Y, 20.0 - 95 Gew.% Cr und den Rest Fe, und diese sind im US-Patent No. 3 027 252 beschrieben.

Alternativ können die Basismetallegierungen weniger Korrosionsfestigkeit haben, z.B. Flußstahl, aber gut geeignet sein, eine die Oberfläche des Substrates bedeckende Beschichtung zu ergeben, wie sie in der Britischen Patentanmeldung No. 7903817 vom 2. Februar 1979 (nicht GB 2012317A) beschrieben sind.

Wo Draht als Substrat verwendet wird, beträgt seine Dicke vorzugsweise zwischen 0.001 und 0.02 Inch und noch besser zwischen 0.001 und 0.012 Inch.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Katalysator in einer Reaktionsröhre enthalten, die im wesentlichen zentral in einer Auspuffkammer gelegen ist. Diese Ausführungsform wird nachfolgend mit Bezug auf Figur beschrieben.

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Die äußere Wand 1 der Auspuffkammer hat Einlaßöffnungen 7, 8,9 und 10, die an die Auslaßöffnungen der Brennkraftmaschine anschließen und eine Auslaßöffnung 12, die zur Auspuffleitung 11 führt. Die Reaktionsröhre 2, die in der Kammer auf Stützen 5 und 6 aufliegt, enthält den gestützten Katalysator 3. Die Reaktionsröhre ist so gelegen, daß das Auspuffgas beim Eintritt in die Auspuffkammer die Reaktionsröhre passieren muß und so in engem und ständigem Kontakt mit dem Katalysator kommt, bevor es die Auspuffkammer verläßt und in die Auspuffleitung eintritt. Der Auspuffgasstrom durch die Auspuffkammer wird im allgemeinen durch die markierten Pfeile P₁, P„, F₃, F₄, F₅ und F, angezeigt. Verbranntes Gas strömt aus den Motorzylindern durch die öffnungen 7, 8, 9 und 10, entlang der Reaktionsröhre 2 und in die Auspuffleitung 11. Eine Rückhaltestange 4 ist gegenüber dem Ausgang der Reaktionsröhre plaziert, um sicherzustellen, daß der Katalysator in seiner Lage bleibt.

Die Katalysatorstütze besteht vorzugsweise aus maschenbildendem Drahtgeflecht. Dieses kann zu einem einzelnen Monolithen verarbeitet sein, oder es kann in ringförmigen Teilen aufgemacht sein.

Die aufgeschlämmte Schicht und die katalytisch^ Schicht können auf einzelne Abschnitte gesondert aufgebracht sein,

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oder aber nachdem diese Abschnitte miteinander verbunden wurden. Alternativ können die aufgeschlämmte und die katalytische Schicht auf der Stütze, die in Teilen oder einstückig vorliegt, angebracht sein, nachdem die Stütze in der Reaktionsröhre plaziert wurde.

Eine weitere Ausführungsform wird mit Bezug auf Figur 2 beschrieben.

Die äußere Wand 21 der Katalysatorkämme.r hat die Öffnungen 27, 28, 29 und 30, die an die Auslaßöffnur_den der Zylinder der Brennkraftmaschine anschließen url einen Auslaß 32 zu der Auspuffleitung 31. Der Kataxyprcor 23, der eine Stütze, eine aufgeschlämmte Schicht und ein katalytisches Metall enthält, ist so angeordnet, daß das Auspuffgas beim Eintritt in die Katalysatorkammer gezwungen wird, die Zwischenräume des erwähnten Katalysators zu passieren, bevor es die Kammer verläßt und in die Auspuffleitung eintritt. Das Auspuffgas strömt durch die Katalysatorkammer gemäß den markierten Pfeilen F₄₁ , F₄₉, F.^, F.. und F₄₁-. Das Gas strömt aus den Auslaßöffnungen der Brennkraftmaschine ein gemäß den Pfeilen F₄₁, F ₄_, F₄, und F₄₄ und dann durch den Katalysator in die Auspuffleitung 22 gemäß dem Pfeil ^F ₄₅·

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In dieser Ausführung besteht die Stütze für den Katalysator vorzugsweise aus maschenbildendem Draht, der in Teile aufgeteilt sein kann, oder einstückig vorliegen kann. Liegt er in Teilen vor, z.B. mit Ringröhrenkonfiguration, so werden diese normalerweise miteinander verbunden, bevor die Stütze in der Kammer angebracht wird. Ein Ende der Stütze wird durch die Anbringung, z.B. Anschweißen einer Scheibe 26 geschlossen, und eine ringförmige Scheibe 25 hält auf der anderen Seite die Stütze in ihrer Lage. Der gestützte Katalysator ist in der Katalysatorkammer gelagert, wie in Figur 2 gezeigt, durch die Befestigung der von den Scheiben 25 und 26 geschlossenen Enden an den äußeren Wänden der Kammer. Um sicherzustellen, daß die Stütze nicht herausfällt, gestattet eine zylindrische und perforierte Ausgangsröhre 22, die in der Katalysatorkammer gelagert ist, den Gasdurchtritt und die anschließende Passage zur Auspuffleitung 31. Die Röhre 22 kann aus einem Drahtgeflecht bestehen, oder sie kann eine perforierte Metallröhre sein, die Löcher und Schlitze hat.

Figur 3 schildert eine alternative Ausführungsform, in der anstelle einer perforierten Ausgangsröhre in der Katalysatorkammer, eine Reihe von 5 starren Stangen 100 - 500 verwendet werden, die die Länge der Kammer entlanglaufen. Diese werden in fixierter räumlicher Beziehung zueinander gehalten in der Weise, daß der gestützte Katalysator starr an seiner Stelle

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innerhalb der Kammer durch die Verwendung von Abstandsplatten 600 gehalten wird. Die paarweise vorgesehenen Abstandsplatten verbinden drei oder fünf Stangen miteinander und sind gewöhnlich im rechten Winkel zueinander in Radialebenen der zylindrischen Ausgangsröhre angeordnet. Zwei oder mehr Paare von Abstandsplatten können verwendet werden, und sie sind gewöhnlich in regelmäßigen Abständen entlang der Länge der Kammer gelegen. Die Abstandsplatten können anstelle von Stäben verwendet werden, wo sie gleichmäßig über die Länge der Kammer verteilt angeordnet sein können (Fig. 4). Stäbe und Abstandsplatten müssen aus einem Material bestehen, das gegen Oxidation bis zu mindestens 800° C resistent ist.

Eine weitere Ausführungsform wird mit Bezug auf Figur 2A beschrieben, in der aus Gründen der Einfachheit nur zwei Auslaßöffnungen gezeigt werden. Die äußere Wand 100 der Katalysatorkammer hat die öffnungen 101 und 102, die an die Auslaßöffnungen der Zylinder einer Brennkraftmaschine anschließen und eine Auslaßöffnung 103 zur Auspuffleitung. Der Katalysator 104, der eine Stütze, eine Aufschlämmung und ein katalytisches Metall enthält, ist so gelegen, daß das Auspuffgas den Katalysator passieren muß, bevor es die Kammer verläßt. Der Katalysator ist in der Kammer durch die Verwendung von Abstandsplatten 105 gelagert, wie oben beschrieben. Ein Ende der Abstandsplatten 109 ist an der Kammer-

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wand 100 befestigt, und eine Scheibe oder Metallplatte ist am anderen Ende der Abstandsplatten angebracht, um sicherzustellen, daß kein Auspuffgas die Kammer verlassen kann, ohne den Katalysator zu passieren. Das Auspuffgas strömt in die Kammer durch die Öffnungen 101 und 102 und hinunter durch die Hülsen 106 und 107 in den inneren Raum 110, der durch die Abstandsplatten 105 gebildet wird. Das Auspuffgas strömt dann durch den Katalysator auswärts und dann durch den Ausgang 103. Die Strömung des Auspuffgases wird durch die markierten Pfeile F_go - F₁_„ angezeigt.

Die Stütze für den Katalysator ist vorzugsweise aus maschenbildendem Draht, der in vier Teile oder drei Aggregate aufgeteilt sein kann. Wenn die Stütze in Teilen, z.B. mit Ringröhrenkonfiguration, vorliegt, werden diese normalerweise miteinander verbunden, bevor die Stütze in der Kammer plaziert wird.

Beispiel 1

Der Mehrzylindermotor mit 2000 cc Zylinderinhalt eines kommerziell lieferbaren dieselbetriebenen Automobile wurde modifiziert, um die Ergebnisse zu demonstrieren, die beim Arbeiten mit der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.

Eine Katalysatorkammer, wie sie in der ersten Ausführungsform (Fig. 1) der Erfindung, wie oben beschrieben, ausgeführt ist,

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wurde dem Motor eingepaßt. Eine Katalysatorstütze aus maschenbildendem Geflecht wurde aus Draht hergestellt, der folgende Zusammensetzung hatte:

Gew.%

Cr 15

Al 4

Y 0.3

Fe als Rest

Niedergeschlagen auf dieser Stütze war eine Aufschlämmung, die aus Gamma-Aluminiumoxid, stabilisiert mit 5 Gew.% BaO und einer katalytischen Metallschicht, zusammengesetzt aus Platin und Palladium, bestand. Die Pt/Pd Ladung betrug 2.5 g insgesamt (Pt:Pd-Quotient 1:1) auf ein Gesamtkatalysatorvolumen von 84 Inch . Die Ergebnisse wurden erhalten, indem man das Automobil durch den LA4 Takt-Dieselmotor betrieb.

Die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide und die Partikel, die im Auspuffgasausstrom vorhanden sind, wurden in g/mile gemessen. Basismessungen wurden zuerst ohne Katalysator in der Kammer ausgeführt, aber mit einem Rückdruck, der auf den gleichen Wert wie mit dem Katalysator eingestellt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben:

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Tabelle 1

HC g/mile CO g/mile NOx g/mile Partikel g/mile

Basiszahlen 1.54 1.93 1.53 0.85

Modifiz ierter

Motor 0.214 1.892 0.979 0.44

Der Auspuffdruck wurde als zu hoch befunden.

Beispiel 1A

Weitere Versuche wurden ausgeführt, wobei man den gleichen Katalysator wie in Beispiel 1 oben verwendete. Basispartikelemissionen, die den gleichen Träger benutzten, wurden in vier Tests als g/mile-Zahlen bestimmt. Die Tests wurden ausgedehnt, um thermogravimetrisehe Bestimmungen des Prozentsatzes an Kohle und leichtflüchtigen Stoffen, die in den Partikeln enthalten sind, und den g/mile Sulfat, die in den Partikeln enthalten sind, einzuschließen. Die erhaltenen Ergebnisse sind wie folgt:

	Basiszahlen	% Kohle	% leichtflüchtige Stoffe	Sulfate g/mile
Test No.	Partikel g/mile	62.5	37.5	0.015
1	0.582	58.0	42.0	0.011
2	0.512	59.6	40.4	0.012
3	0.509	61.8	38.2	0.012
4	0.482

Anmerkung: Alle oben angeführten Messungen wurden auf einem LA4-Takt Motor mit Warmstart ausgeführt.

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Die vollen Basisemissionen, festgestellt für HC, Co und NOx wurden auch festgestellt, die Ergebnisse waren wie folgt:

Test No.	HC	g/mile	CO	g/mile	NOx	g/mile
1	0.	350	1 .	564	1 .	775
2	0.	339	1.	529	1 .	803
3	0.	354	1 .	561	1 .	786

Eine Katalysatorkammer wurde innerhalb der Fahrzeugumgrenzung ohne irgendeine Änderung an der Motorraumform angeordnet. Das resultierte in ein Katalysatorvolumen von 0.9 Litern, was als unzureichend angesehen wurde, aber mit Rücksicht auf die Vollständigkeit der Tests trotzdem berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Test No. Partikel % Kohlen % leichtflüchtige Sulfate

	g/mile	79.4	Stoffe	g/mile
1	0.494	76.4	20.6	0.036
2	0.441	75.3	23.6	0.037
3	0.444	67.3	24.7	0.035
4	0.515	63.4	32.7	0.055
5	0.466	76.1	36.6	0.064
6	0.492	23.9	0.051

Anmerkung: Das Fahrzeug war vor dem ersten Start 500 Landstraßenmeilen gefahren und die gesamte Periode des Tests wurde unter simulierten Stadtverkehrsbedingungen fortgesetzt, wobei man einen LA4-Takt Motor verwendete.

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Die erhaltenen Ergebnisse für die HC, Co und NOx-Emissionen waren wie folgt:

Test No.	HC	0	g/itiile	CO	g/mile	NOx	g/mile
1	0	.224	0	.979	1	.892
2	0	.238	1	.073	1	.874
3	.215	0	.981	2	.014

Beispiel 2

Eine zweite Katalysatorkairuner, wie sie in der zweiten Ausführungsform {Fig. 2) beschrieben wurde, wurde dem Motor eingepasst. Eine verwobene Maschenstütze, die aus dem gleichen Draht, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde, hergestellt wurde, wurde wieder mit einer Aufschlämmung aus Gamma-Aluminiumoxid umgeben. Die katalytische Metallschicht umfaßt 7 1/2 Gew.% Rhodium und 92 1/2 Gew.% Platin. Das gesamte Katalysatorvolumen betrug 110 Inch . Das Gewicht der verwendeten Stütze betrug annähernd 1.6 kg; 5 g Aufschlämmung, Aluminiumoxid und 2.9 g der katalytischen Metalle Rh und Pt im oben erwähnten Verhältnis wurden auf der Stütze angebracht. Basismessungen wurden ohne Anwesenheit eines Katalysators in der dem Motor zugefügten Kammer vorgenommen. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 2 angegeben, wobei das Auto durch einen LA4-Takt-Motor mit einem Warmstart betrieben wurde.

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Tabelle 2

HC g/mile CO g/itiile NOx g/mile Partikel

g/mile

Basiszahlen	0.	35	1 .	55	1	.8	0.	57
Modifizierter
Motor	O.	2	0.	5	2	.1	0.	31

Der Rückdruck betrug 2.4 Inch Quecksilbersäule, ohne daß ein Katalysator in der Kammer vorhanden war und 3.5 Inch Quecksilbersäule, wenn der Katalysator in der Kammer vorhanden war. Das C/H atomare Verhältnis der Partikel, die im Auspuffgas vorhanden waren, wurd? vor und nach der Passage durch die Katalysatorkammer gemessen und ist unten in Tabelle angegeben mit einem Warmtest des Motors:

Tabelle 3
C/H Verhältnis der Partikel, die im Auspuffgas vorhanden sind

Vor dem Katalysator Nach dem Katalysator 63 80

37 20

Das ist eine Messung der Reduktion des Gehalts an organischen Verbindungen der Auspuffgase. Die Konzentration des in den

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Auspuffgasen vorhandenen Sulfats wurde vor und nach dem Katalysator gemessen und unverändert gefunden.

Weitere erhaltene Ergebnisse sind unten in Tabelle 4 angegeben mit einem Kaltstart des Motors.

Tabelle 4

HC g/mile CO g/mile NOx g/mile Partikel

g/mile

Basiszahlen	0.	41	1	.3	1	.9	0.	62
Modifizierter Motor	0.	242	0	.274	1	.86	0.	42
Modifizierter Motor	0.	218	0	.252	1	.86	0.	4

Die Zusammensetzung der Partikel, die im Auspuffgas vorhanden sind, ist unten in Tabelle 5 angegeben mit einem Kaltstart des Motors.

Tabelle 5

Sulfatgehalt Kohle Adsorbierte HC

g/mile g/mile g/mile

Basiszahlen 0.11 0.34 0.165

Modifizierter

Motor 0.11 0.28 0.025

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Die Ergebnisse in den Tabellen 2,3,4 und 5 wurden erhalten, indem man ein kommerziell lieferbares Dieselmotor-betriebenes Automobil verwendete. Der Motor wurde mit einer Katalysatorkammer wie vorher beschrieben modifiziert. Das Automobil hatte 500 Meilen auf einer Teststrecke zurückgelegt, ehe es durch den Taxicycle mit einer Höchstgeschwindigkeit von 25 mph gefahren wurde.

Weitere Tests wurden unter Benutzung eines kommerziell lieferbaren Dieselmotor-betriebenen Automobils durchgeführt. Eine Katalysatorkammer, wie sie in der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde und in Fig. 2 abgebildet ist, wurde in den Motor eingebaut. Eine Stütze wurde aus 310 rostfreiem Stahldraht mit 0.01 Inch Durchmesser, der vor der Verknüpfung auf 0.004 Inch in Querrichtung zusammengewalzt wurde, hergestellt. Die Stütze wurde mit einer Aufschlämmung von Gamma-Aluminiumoxid umgeben. Die katalytische Metallschicht umfaßt 5.7 % Rhodium und 94.3 % Platin mit einer Ladung von 25 g/ft . Das Gewicht des verwendeten Drahtes betrug 3.200 g mit 1.200 g Aufschlämmung. Das Gesamtvolumen des verwendeten Katalysators betrug 217 Inch .

Das Gewicht der im Auspuffgas vorhandenen Partikel wurde durch das Hindurchleiten eines bekannten Volumens an Auspuffgas durch ein Verdünnungstunnel gemessen, wo es mit einem fest-

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gesetzten Volumen Luft verdünnt wurde, um zu verhindern, daß sich die Feststoffteilchen absetzen, bevor das Gas durch ein Filterfutter geleitet wurde. Das Gewicht der Partikel ermöglicht die Berechnung des Wertes für die Partikel in g/hr. Die im Auspuffgas vorhandenen Partikel wurden weiter analysiert, um das thermogravimetrische Gewicht und das Gewicht von leichtflüchtigen Bestandteilen, Kohlenwasserstoffen, Kohle und Sulfat anzugeben. Bei der Verwendung der obenstehenden Methode wurde eine Reihe von Filterfuttern für die Analyse erhalten. Das Gewicht des Sulfates in den Partikeln wurde durch nasse chemische Analyse der Partikel gemessen. Eine andere Probe wurde auf eine thermogravimetrische Waage gelegt, wo die Probe in inerter Atmosphäre auf eine Temperatur von 78O°C gebracht wurde, bis das Gewicht konstant war. Der Gewichtsverlust zwischen dem anfänglichen Gewicht und dem neuen ergab das Gewicht der vorhandenen leichtflüchtigen Stoffe. Es wurde Luft zugeführt und das Erhitzen fortgesetzt, bis das Gewicht wieder konstant war. Die Differenz zwischen diesem Gewicht und dem Wert für das frühere konstante Gewicht ergab das Gewicht der vorhandenen Kohlebestandteile. Der Rest bestand aus Asche und nicht brennbaren Materialien wie Eisen.

Basismessungen wurden mit einem mit dem Motor verbundenen Verteiler anstelle der den Katalysator enthaltenden Kammer

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3024Λ91

durchgeführt. Messungen wurden mit dem Automobil durchgeführt, das durch einen LA4-Takt-Kaltstart-Dieselmotor betrieben wurde, und sind in Tabelle 6 unten angegeben; die Ergebnisse des LA4-Warmstartdieselmotors sind unten in Tabelle 7 angegeben, und die Ergebnisse der Autobahnfahrttests sind unten in Tabelle 8 angegeben. Der angewendete Autobahntest war der Standarttestcyclus, der in den USA für Prüfungen des Brennstoffverbrauches angewendet wird.

Die Ergebnisse, die in den Tabellen 6 und 7 angegeben sind, sind in graphischer Form in den Fig. 5-9, LA4-Taktmotor mit Kaltstart, und in den Fig. 10-14 für den LA4-Takt-Motor mit Warmstart gezeigt (Basiszahlen punktierte Linie und modifizierter Motor durchgezogene Linie).

Die Reduktion der Partikelkonzentration (gemessen in g/mile) in einem IC-Motor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Spalte 3 gezeigt. Die Reduktion der adsorbierten Kohlewasserstoffe und Kohle, die in den Partikeln vorhanden sind, sind in den Spalten 7 bzw. 9 gezeigt. Die Sulfatzahlen zeigen in manchen Fällen einen Anstieg, aber der absolute Spiegel der Emission bleibt niedrig.

Rückdruckmessungen wurden durchgeführt. Das ist die Differenz des Gasdruckes beim Verlassen der Auslaßöffnungen und beim

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Verlassen der Kammer. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 für das Automobil angegeben, das durch den LA4-Taktmotor betrieben wurde, und in Tabelle 10 für den Autobahnfahrttest.

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g/Meile I %

g/Meiit

0.636

0.00¹J

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g/v,:'

0.388

O Cü

CD O

* O CD

cn

d O

p CD
CO

600

1200

1800

3000

3600

4200

4900

5100

5500 6100 8500

12500

Modifizierter Motor

0.286 ' -55.0

0.340
0.221
0.314
0.418
0.364
0.279

-46. 5 -65.3

-34.3 -42.8 -56.1

Basis

0.692

Modifizierter Motor

0.264 .-61.9 0.316 ₍ -54.3 0.306 ; -55.8

0.00994

+■ 44
- OS.6
-34.5
r 10.4
+158.9
+633.3
+121.1
+ 11.1

0.04?

0.0537

0.0722

0.0316

0.06Vi

0.1323

0.0380

0.0522

-77.6 -69.9 -86.6 -72.8 -44.9 -84.2 -78.3

0.2038

0.0139
0.0375
0.0152

- 4n.3 O.U487 -76.1 +- 44.ο O.u>677 -6b.es

- 41 .3 u.0439 -In.-·

0.234

0.2117

0.2557

0.179=

0.225-

0.2199

.^014

Basis

0.649

0.201

Modifizierter Motor

o. 309

-52.4

0.0192 .; - ib.9 ^: 0.0491

-75.6

J.

0. -IA '

-4-.4

43. j 21.1

•4.

Tabelle 7 (Warmstart LA4)

«eilen k ¹	Basis	Gesamt anfall I I g/Meile	Unter schied	Sulphat g/Meile	Unter schied	Aufgen. Kohlen wasser stoffe g/toeile	Unter- J Kehlen- ; Unter schied Istoff RCllltti t , 1 · I * % :g/Meile ' ^a	-81.3 -84.3 -84.1 -85.7 -73.6 -69.3 -88.2 -86.8	0.214 '-35.9 0.1714 -48.7 0.1942 -4L ι 0.1628 -51 0.2152 -35.M 0.1927 ι-42.3 ' 0.233 -30.2 ^! i 0.218 -34.7 j	-83.3	0.238	-46.7 : -39.0 i -30.9
0	Modifizierter Motor	0.572		O.OO8O2		0.230	io.334 ■		0.3332	-19.(.
0 600 1200 1800 ! 3000 3600 4200 4900 ■	Basis	0.264 0.215 0.238 0.205 0.311 0.304 0.283 0.263	-53.8 -62.4 -58.4 -64.2 -45.6 -46.9 -50.5 -54.0	0.0066 0.0075 0.00729 0.00944 0.035 0.041 0.0229 0.0146	- 17.7 - 6.5 - 9.1 + 17.7 +336.4 +411.2 +185.5 + 82.0	0.043 0.0362 0.0365 0.0328 0.0608 0.0705 0.0272 0.0304	-84.5 -86.7 -84.7	0.1775 0.203 0.23
5100	Modifizierter Motor	0.548		0.0193		0.1955	0.296
5500 6100 8500	Basis	0.227 0.266 0.278	-58.6 -51.5 -49.3	0.0191 0.037 0.0182	- 1.0 + 91.7 - 5.7	0.0304 0.026 0.0299
ί 12500	Modifizierter Motor	0.521		0.0165		0.209
S	0.286	-45.1	0.013 I	- 21.2	0.0349

Tabelle 8 (Überlandfahrt)

Meilen

Gesamt- Unter- Sulphat : Unter- Aufgen. ! Unter- Kohlen- Unteranfall schied schied Kohlen- ; schied stoff ι schied

wasser- |

	Basis	g/Meile %	g/Meile %	Stoffe g/Meile	-62.0	g/Meile %
O	Modifizierter Motor	0.532	0.0169 ι	0.206	_; 0.309
1800	0.355 -33.3	0.0557 ^; +229.6	0.0782	0.221 -28.5

'

§ ο ^{: 610}° V_n u>

S i

er»

cn '"

6100

Basis

0.0176

0.1693

0.306

Modifizierter Motor 0.898 +82.1 0.129 +633.0 0.0227 -86.6 ■ 0.746 +143.8

8500

Basis

i 0.0285

0.2234 i

; 0.3641 ;

u> ' 8500 Modifizierter Motor i 0.554 ,-10.1 0.0351 +23.2 0.0995 -55.5 ' 0.419 +15.1

12500 ■ Basis

0.031

0.2301

' 0.3639

12500 j Modifizierter Motor

0.373 -40.3 0.042 +35.5 0.0981

.-57.4 I 0.232 i !

TABELLE

"ückdruck in Tnch Ilg-Säule

Strecke in Meilen Basis Ί-ich Katalysatorkarmer

Max. Durchschnitt

	Max.	U-irch-
		schnitt
	Warmstart
O	3.12	0.63
1800
4 200
4 900
5500
6100	2.42	0.65
8500
12500

2.88	0.75
3.42	1 .C)
3.8	0.93
3.67	O.91
5.35	1 .9
4.58	1 .43
3.31	0.96
2.38	0.85

Kaltstart

0	2	.64 0.48	3.54	0.86
1800			3.15	1 .15
4200			4.6	0.96
4900			4.5	0.95
5500			4.86	1 .65
6100	4	.84⁺ 0.61	4.62	1 .38
8500			3.28	0.96
12500			2.5	0.83

Hohe Werte könnten auf Versottung zurückgehen

0 30065/0763 BAD ORIGINAL

2LlLJL-- ^T- ^T ■'1°

Strecke in "ieii .::

P.ück druck in Inch IH-;"'-iu" e

-2.-LLi ^ri'l^!l ^L³

M-ax. Durc/- '''1^- I'Jir sohn τ tt

13OO 6100 8 500

2.

1.1

3.34 1.98 4.05 j .9 3.12 .1.0

TABELLE 11

Rückdruck in Inch Hg-.'JSule Strecke in Meilen Basis Nach Katalysatorkanmer

Max. Durch- Max. Durchschnitt schnitt

0
8500

2.88 0.56 4.48 0.61

3.20 0.80 4.62 1.38

030065/0763
BAD ORIGINAL

e e r s e 11 e

Claims

Ir 1 .1 Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung für die Reduktion von in den Auspuffgasen des Motors enthaltenen Verunreinigungen mit einem Gehäuse, das eine Kammer mit einem Katalysator umschließt, wobei der Katalysator ein Substrat aus fadenförmigem, metallischen aaterial in maschenbildender, gewobener oder zerklüfteter Form, eine erste Schicht aus feuerfestem Metalloxid, das auf dem Substrat befestigt ist, und eine zweite Schicht aus einem katalytischen Material, das auf der ersten Schicht befestigt ist, aufweist und wobei der Einlaß der Kammer in Verbindung mit dem Gasauslaß des Motors, der Auslaß der Kammer über ein Auslaßsystem mit der Motorumgebung in Verbindung steht.

2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Anzahl von Einlassen enthält, die der Anzahl von Auslaßöffnungen des Motors entspricht.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Motor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung neben den Auslaßöffnungen des Motors angeordnet ist.

4. Motor gemäß einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat so angeordnet ist, daß ein maximaler Kontakt zwischen dem katalytischen Material und dem Auspuffgas entsteht.

5. Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material ein Metall oder eine Metallegierung oder eine Zusammensetzung ist, die zwei oder mehrere Metalle und/oder ihre Oxide enthält.

6. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat in Form eines Bandes vorliegt mit wenigstens zwei im wesentlichen flachen einander gegenüber liegenden Oberflächen.

7. Motor gemäß Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige metallische Material in Form von Draht vorliegt.

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8. Motor gemäß einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat Turbulenz im die Kammer verlassenden Auspuffgas hervorruft.

9. Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Metalloxidschicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, den Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, Th, Ta, V, Cr, Mn, Co, Ni, B, Al, Si und Sn.

10. Motor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus Al_?0,, Aluminiumoxidhydraten, BaO, TiO_, ZrO₂, HfO₂, ThO₃ oder Cr₃O₃ hergestellt ist.

11. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einer korrosionsbeständigen Legierung besteht, die ein Basismetall enthält.

12. Motor gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einer Legierung besteht, die Nickel und Chrom enthält, wobei der Gesamtgehalt an Nickel und Chrom größer als 20 Gew.% ist.

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13. Motor gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einer Eisenlegierung besteht, die wenigstens eines der Elemente enthält: Chrom (bis 40 Gew.%), Aluminium (1 bis 10 Gew.%), Kobalt (Spuren bis 5 Gew.%), Nickel (Spuren bis 72 Gew.%) und Kohle (Spuren bis 0.5 Gew.%).

14. Motor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Basismetallegierung 0.1 bis 3.0 Gew.% Yttrium enthält.

15. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem metallischen Material hergestellt ist, das eine Dicke hat, die in die Größenordnung von 0.001 und 0.02 Inch fällt.

16. Motor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial ein Metall ist, das aus der Gruppe stammt, die besteht aus:

Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, V, Cr, Mo, W, Y, Ce, Legierungen, die wenigstens eines der erwähnten Metalle enthalten, und intermetallischen Verbindungen, die wenigstens 20 Gew.% von einem oder mehreren der erwähnten Metalle enthalten.

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17. Verbrennungsmotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Dieselmotor zu betreiben ist.

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O3006S/O763