DE3112796A1 - CHARGED INTERNAL COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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Description
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Anmelder; JOHNSON, MATTHEY & CO. LIMITED, Applicant ; JOHNSON, MATTHEY & CO. LIMITED,
43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England43 Hatton Garden, London, ECIN 8EE, England
Bezeichnung der Erfindung: Aufgeladene Brennkraftmaschine Beschreibung Title of the invention : Supercharged internal combustion engine description
Die Erfindung bezieht sich auf die Verringerung des Gehaltes an Rauch und anderen schädlichen Bestandteilen, wie sie in den Abgasen von aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung enthalten sind.The invention relates to reducing the content of smoke and other harmful components, as contained in the exhaust gases of supercharged internal combustion engines.
Die Abgase von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung und Turboaufladung enthalten oft feinverteilte Partikel von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoff und anderen Feststoffen, die die Brennkraftmaschine in der Form von Rauch verlassen.The exhaust gases from internal combustion engines with internal combustion and turbocharging often contain finely divided particles of hydrocarbons, carbon and other solids that enter the internal combustion engine in the form of smoke leaving.
Die Abgase von Dieselmotoren beispielsweise bestehen aus Feststoffpartikeln, die von einer Flüssigkeitsschicht umhüllt sind, aus fest verketteten Aggregationen, in denen sphärische Partikel mit Durchmessern zwischen 100 undThe exhaust gases from diesel engines, for example, consist of solid particles surrounded by a layer of liquid are made up of tightly chained aggregations in which spherical particles with diameters between 100 and
—1 O
800 10 m miteinander verbunden sind, aus flüssigen-1 O
800 10 m connected to each other, from liquid
Sulphaten, flüssigen Kohlenwasserstoffen und gasförmigen 30.3.1981 - 2 -Sulphates, liquid hydrocarbons and gaseous 30.3.1981 - 2 -
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Kohlenwasserstoffen. Die fest/flüssigen Partikel enthalten im allgemeinen Kohlenstoffpartikel mit adsorbierten flüssigen Kohlenwasserstoffen, während die fest verketteten Aggregationen im allgemeinen aus organischen Verbindungen mit hohem Molekulargewicht und/oder anorganischen Sulphaten bestehen.Hydrocarbons. The solid / liquid particles generally contain carbon particles with adsorbed liquid hydrocarbons, while the tightly chained aggregations generally consist of organic compounds consist of high molecular weight and / or inorganic sulphates.
Wird eine Brennkraftmaschine erstmals angelassen, so entsteht weißer Rauch, was mit der Kondensation von Wasserdampf auf den im Abgas enthaltenen Peststoffpartikeln zu erklären ist und wodurch ein feiner Nebel gebildet wird. Schwarzer Rauch entsteht bei Dieselmotoren, wenn die Brennkraftmaschine warmgelaufen ist und er enthält einen relativ hohen Anteil an Kohlenstoffteilchen. Im Blaurauch ist etwas Kohlenstoff, vor allem aber ein relativ hoher Anteil an gasförmigen organischen Verbindungen, wie Aldehyden, enthalten, über 90/2 der diesen Rauch bildenden Partikel haben eine maximale Abmessung von weniger als l/u, was im Bereich der einatembaren Partikelgröße liegt, die restlichen 10$ der den Rauch bildenden Partikel haben eine Partikelgröße von weniger als 4 Ax. When an internal combustion engine is started for the first time, white smoke is produced, which can be explained by the condensation of water vapor on the pesticide particles contained in the exhaust gas, which forms a fine mist. Black smoke is produced in diesel engines when the internal combustion engine has warmed up and it contains a relatively high proportion of carbon particles. The blue smoke contains some carbon, but above all a relatively high proportion of gaseous organic compounds such as aldehydes, over 90/2 of the particles forming this smoke have a maximum dimension of less than 1 / u, which is in the range of the inhalable particle size , the remaining 10 $ of the particles forming the smoke have a particle size of less than 4 ax.
Die Schmutzstoffe schließen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide und Oxide von Stickstoff ein, die von der Brenn-The pollutants include hydrocarbons, carbon monoxides and oxides of nitrogen, which are produced by the fuel
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kraftmaschine mit innerer Verbrennung gebildet werden und ferner die Rauch bildenden Partikel gemäß den obigen Ausführungen.internal combustion engine and further the smoke-forming particles according to the above Executions.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Menge der schädlichen Bestandteile der Abgase von mit Turboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung zu verringern.The object of the invention is to reduce the amount of harmful constituents of the exhaust gases from supercharged turbochargers To reduce internal combustion engines with internal combustion.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und Turboaufladung eine Kammer mit einem Katalysator vorgesehen ist, mit dem die Schad- bzw. Schmutzstoffe der Motorabgase durch katalytische Oxidation der Verunreinigungen beseitigt werden, ehe die Abgase die Brennkraftmaschine verlassen.According to a first aspect of the invention, this object is achieved in that in an internal combustion engine with internal Combustion and turbocharging a chamber with a catalytic converter is provided, with which the pollutants or pollutants the engine exhaust gases are eliminated by catalytic oxidation of the contaminants before the exhaust gases die Leave internal combustion engine.
Vorzugweise ist der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ein mehrstückiges Substrat im Strömungsweg der Abgase zugeordnet, um in diesen eine Turbulenz zu erzeugen.The turbocharged internal combustion engine is preferably a multi-part substrate in the Associated flow path of the exhaust gases in order to generate turbulence in these.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Verringerung der Abgasverunreinigungen bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit innerer VerbrennungAccording to a second aspect of the invention there is provided a method for reducing exhaust gas pollution in turbocharged engines Internal combustion engines
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30.3.1981 - 4 -3/30/1981 - 4 -
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vorgeschlagen, bei dem die Abgase nach dem Verlassen der Motorzylinder durch eine Kammer mit einem Katalysator geleitet werden, mit dem die in den Abgasen vorhandenen Schmutzstoffe in Berührung kommen, sodaß zumindest ein Teil der Schmutzstoffe einer katalytischen Oxidation unterworfenproposed in which the exhaust gases after leaving the engine cylinder through a chamber with a catalyst are passed, with which the pollutants present in the exhaust gases come into contact, so that at least a part the contaminants are subjected to catalytic oxidation
Die katalytische Oxidation von Kohlenstoffpartikeln erfolgt bei etwa 400°C, während die normale Verbrennungstemperatur dieser Partikel bei 700 - 800°C liegt. Die katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffpartikeln erfolgt bei etwa 2000C. Da in Gegenwart eines Katalysators die Oxidation der Rauch bildenden Partikel in einem Gas bei einer Temperatur erfolgt, die niedriger als die übliche Verbrennungstemperatur ist, ist keine oder allenfalls eine geringe Aufheizung der Abgase von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung notwendig, wenn die katalytische Oxidation jeglicher Rauch bildender Partikel im Gas gewünscht wird. Da beispielsweise bei einem Dieselmotor bei mittlerer oder voller Leistung die Betriebstemperatur 400°C beträgt, ist keine zusätzliche Aufheizung der vom Motor abgegebenen Abgase notwendig, ehe diese über den Katalysator geführt werden.The catalytic oxidation of carbon particles takes place at around 400 ° C, while the normal combustion temperature of these particles is 700 - 800 ° C. The catalytic oxidation of hydrocarbon particles takes place at about 200 ° C. Since, in the presence of a catalyst, the smoke-forming particles are oxidized in a gas at a temperature that is lower than the usual combustion temperature, there is little or no heating of the exhaust gases from internal combustion engines with internal combustion necessary if the catalytic oxidation of any smoke-forming particles in the gas is desired. Since, for example, the operating temperature of a diesel engine at medium or full power is 400 ° C., no additional heating of the exhaust gases emitted by the engine is necessary before they are passed over the catalytic converter.
Um für die Abgase eine maximale Kontaktmöglichkeit zu bieten, soll ein metallisches Drahtsubstrat entsprechend angeordnetIn order to offer maximum contact for the exhaust gases, a metallic wire substrate should be arranged accordingly
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3O.3.198I - 5 -3O.3.198I - 5 -
130066/0685130066/0685
\.::.:"'.:- .:. 3112798 \. ::. : "'.: -.:. 3112798
sein. Der Draht ist vorzugweise flach, und er wird üblicherweise entsprechend gewalzt, ehe eine Zwischenschicht und katalytisches Material aufgetragen werden. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine bei Luft- oder Sauerstoffüberschuß in der Brennkammer gewährleistet ein solcher Kontakt, daß ein wesentlicher Teil der Schmutzstoffe in der oben beschriebenen Weise der katalytischen Oxidation unterliegt.be. The wire is preferably flat and it is usually appropriately rolled before an intermediate layer and catalytic Material to be applied. During operation of the internal combustion engine with excess air or oxygen In the combustion chamber, such contact ensures that a substantial part of the contaminants in the above-described Way of catalytic oxidation.
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung als Beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigenIn the following, some embodiments of the present application are referred to as examples of the invention described on the accompanying drawing. Show in the drawing
Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei der die Katalysatorkammer nahe den Auslaßöffnungen des Zylinders einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,Fig. 1 shows a first embodiment in which the catalyst chamber is arranged near the outlet openings of the cylinder of an internal combustion engine,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, bei der eine andere Ausführung der Katalysatorkammer zur Anwendung
kommt,
Fig. 2A eine dritte Ausführungsform mit einer wiederum anderen Katalysatorkammer,2 shows a second embodiment in which another embodiment of the catalyst chamber is used,
2A shows a third embodiment with yet another catalyst chamber,
Fig. 3 ein anderes als bei den vorhergehenden Ausführungsformen verwendetes Mittel zur Sicherung des Katalysatorträgers gegen das Zusammenfallen nach innen, Fig. H ein alternatives Mittel zu dem Mittel gemäß Fig. 3, Fig. 5 eine vierte Ausführungsform zur Anordnung nahe dem Turbolader,3 shows a different means than in the previous embodiments for securing the catalyst carrier against collapsing inward, FIG. H shows an alternative means to the means according to FIG. 3, FIG. 5 shows a fourth embodiment for arrangement near the turbocharger,
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - 6 -3/30/1981 - 6 -
130066/0685130066/0685
Pig. 6 eine andere Ausführungsform zur Anordnung nahePig. 6 shows another embodiment for arrangement near
dem Turbolader und
Fig. 7 die Anordnung mehrerer Katalysatorkammern.the turbocharger and
7 shows the arrangement of several catalyst chambers.
Bei der Lösung gemäß Fig. 1 ist ein Katalysator in einem Reaktionsrohr angeordnet, das im wesentlichen zentrisch in einer Abgaskammer angeordnet ist. Eine Außenwand 1 der Abgaskammer ist mit öffnungen 7 bis 10 versehen, die nahe den und angrenzend an die Auslaßöffnungen der Zylinder einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung angeordnet sind. Ein Auslaß 12 ist nahe der Auslaßleitung 11 angeordnet. Das Reaktionsrohr 2 ist in der Kammer 1 mit Streben 5 und 6 abgestützt und nimmt den gestützten Katalysator 3 auf. Das Reaktionsrohr ist so angeordnet, daß die von den Zylindern kommenden Auspuffgase beim Eintritt in die Auspuffkammer durch das Reaktionsrohr hindurchtreten müssen und dabei in intensiven und kontinuierlichen Kontakt mit dem Katalysator kommen, ehe sie aus der Auspuffkammer austreten, um in die Auspuffleitung 11 zu gelangen. Die Strömung der Auspuffgase durch die Auspuffkammer ist durch Pfeile F1 bis Fg gekennzeichnet. Die Verbrennungsgase gelangen aus den Zylinderauslässen durch die Öffnungen 7 bis 10 in die Auspuffkammer und strömen entlang dem Reaktionsrohr 2, um dann durch den Auslaß 12 in die Auspuffleitung 11 zu gelangen. Über demIn the solution according to FIG. 1, a catalyst is arranged in a reaction tube which is arranged essentially centrally in an exhaust gas chamber. An outer wall 1 of the exhaust chamber is provided with openings 7 to 10 which are arranged near and adjacent to the outlet openings of the cylinders of an internal combustion engine. An outlet 12 is arranged near the outlet line 11. The reaction tube 2 is supported in the chamber 1 with struts 5 and 6 and receives the supported catalyst 3. The reaction tube is arranged in such a way that the exhaust gases coming from the cylinders must pass through the reaction tube when they enter the exhaust chamber and come into intensive and continuous contact with the catalyst before they exit the exhaust chamber to reach the exhaust line 11. The flow of exhaust gases through the exhaust chamber is indicated by arrows F 1 to Fg. The combustion gases pass from the cylinder outlets through the openings 7 to 10 into the exhaust chamber and flow along the reaction tube 2 in order to then pass through the outlet 12 into the exhaust line 11. Above that
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - 7 -3/30/1981 - 7 -
130Ö66/G685130Ö66 / G685
- JT - β- JT - β
Querschnitt des Auslasses 12 erstreckt sich eine Rückhalteplatte 4, um zu verhindern, daß der Katalysator 3 aus dem Reaktionsrohr herausrutscht.Cross-section of the outlet 12 extends a retaining plate 4 to prevent the catalytic converter 3 slips out of the reaction tube.
Der Katalysator ist als katalytische Schicht auf einem Katalysatorträger aufgetragen, der seinerseits ein gestricktes Drahtgewebe ist. Der Katalysatorträger kann dabei ein einstückiger Block (Monolith) sein oder er kann aus mehreren scheibenförmigen Abschnitten zusammengesetzt sein. Beim Aufbau des Trägers aus einzelnen Scheiben ist jede Scheibe mit einer Zwischenschicht und einer katalytischen Schicht versehen, wobei die Auftragung der Zwischenschicht und der katalytischen Schicht vor oder nach dem Zusammensetzen der Scheiben zum Träger erfolgen kann. Schließlich können Zwischenschicht und katalytische Schicht auch erst aufgetragen werden, nachdem die einzelnen Scheiben innerhalb des Reaktionsrohres angeordnet und miteinander verbunden worden sind.The catalyst is applied as a catalytic layer on a catalyst carrier, which in turn is a knitted one Wire mesh is. The catalyst support can be a one-piece block (monolith) or it can be composed of several disc-shaped sections. When building the carrier from individual disks is each disc is provided with an intermediate layer and a catalytic layer, the application of the intermediate layer and the catalytic layer can take place before or after the disks are assembled to form the carrier. In the end Intermediate layer and catalytic layer can also only be applied after the individual panes are inside of the reaction tube have been arranged and connected to one another.
Bei der Lösung nach Fig. 2 ist die Außenwand 21 der Katalysatorkammer mit öffnungen 27 bis 30 versehen, die sich nahe den und angrenzend an die Auslaßöffnungen der Zylinder der Brennkraftmaschine befinden, über einen Auslaß 32 ist die Verbindung zur Auslaßöffnung 31 hergestellt. Der Katalysator 23 besteht aus einem Träger, einerIn the solution according to FIG. 2, the outer wall 21 of the catalyst chamber is provided with openings 27 to 30 which are close to and adjacent to the exhaust ports of the cylinders of the internal combustion engine, via a Outlet 32 the connection to the outlet opening 31 is established. The catalyst 23 consists of a carrier, one
J 21 P 280J 21 P 280
3O.3.I98I - 8 -3O.3.I98I - 8 -
130066/0685130066/0685
Zwischenschicht und einem katalytischen Metall. Er ist so angeordnet , daß das Auspuffgas beim Eintritt in die Katalysatorkammer gezwungen wird, durch die Zwischenräume des Katalysators hindurchzutreten, ehe es die Kammer verläßt und anschließend in die Auspuffleitung eintritt. Der Gaseintritt in die Katalysatorkammer erfolgt durch Einlaßöffnungen P1J1 bis Fjjip dann durchströmt das Gas den Katalysator und dann gelangt es in das Auslaßrohr gemäß dem Pfeil F1. ^.Intermediate layer and a catalytic metal. It is arranged in such a way that the exhaust gas, when entering the catalyst chamber, is forced to pass through the interstices of the catalyst before it leaves the chamber and then enters the exhaust line. The gas enters the catalyst chamber through inlet openings P 1 J 1 to F 1, then the gas flows through the catalyst and then it enters the outlet pipe according to the arrow F 1 . ^.
Bei dieser Lösung ist der Träger des Katalysators vorzugsweise ein gestrickter Draht, und er kann einstückig als eine Einheit oder in einzelnen Abschnitten hergestellt sein. Ist er aus einzelnen Abschnitten hergestellt, die beispielsweise die Porm von Ringröhren haben, so sollten diese miteinander verbunden" werden, ehe der Träger in der Katalysatorkammer angeordnet wird. Der gestützte Katalysator ist dadurch in der Katalysatorkammer gehalten, daß seinen Enden Deckscheiben 25 und 26 zugeordnet sind, die an den Außenwänden der Katalysatorkammer gehalten sind. Um sicherzustellen, daß der Träger nicht nach innen zusammenfällt, ist ein zylindrisches, perforiertes Auslaßrohr 22 in der Katalysatorkammer angeordnet, durch das die Abgase in das Auspuffrohr 31 gelangen können. Das Rohr 22 kann beispielsweise aus einem Drahtgewebe bestehen oder ein gelochtes Rohr sein, dessen Löcher rund oder längliche Schlitze sein können.In this solution, the support of the catalyst is preferably a knitted wire, and it can be made in one piece as be manufactured as a unit or in individual sections. Is it made of individual sections, for example have the shape of annular tubes, these should be connected to one another before the carrier is in the catalyst chamber is arranged. The supported catalyst is thereby held in the catalyst chamber that its ends Cover disks 25 and 26 are assigned, which are held on the outer walls of the catalyst chamber. To ensure, that the support does not collapse inwardly, is a cylindrical, perforated outlet tube 22 in the catalyst chamber arranged through which the exhaust gases can get into the exhaust pipe 31. The tube 22 can, for example consist of a wire mesh or a perforated tube, the holes of which are round or elongated slots can.
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - 9 -3/30/1981 - 9 -
130066/0685130066/0685
- B -45 - B -45
Die alternative Anordnung gemäß Fig. 3 weist an der Stelle des perforierten Auslaß- und Stützrohres in der Katalysatorkammer fünf starre Stangen 100, 200, 300, 400 und 500 auf, die sich in Längsrichtung der Kammer erstrecken. Die Stangen haben in Umfangsrichtung der Kammer einen vorgegebenen Abstand voneinander und halten den gestützten Katalysator starr an seinem Platz innerhalb der Katalysatorkammer durch die Verwendung von Abstandsplatten 600. Jede Platte jedes Paares der Abstandsplatten 600 verbindet drei der fünf Stangen miteinander, und die beiden Abstandsplatten jedes Paares schließen einen rechten Winkel ein und liegen so auf Durchmessern des zentralen zylindrischen Auslaßrohres. Es können zwei oder mehr Paare der Abstandsplatten verwendet werden, wobei sie unabhängig von ihrer Anzahl zweckmäßigerweise in regelmäßigen Abständen auf die Kammerlänge verteilt sind. Bei Verwendung solcher Abstandsplatten können diese gegebenenfalls auch ohne die Stangen verwendet werden, wobei sie sich jedoch über die ganze Länge der Katalysatorkammer erstrecken, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Abstandsplatten und die gegebenenfalls vorgesehenen Stangen müssen aus einem Material bestehen, das bei Temperaturen bis zu 8000C oxidatxonsresistent ist.The alternative arrangement according to FIG. 3 has five rigid rods 100, 200, 300, 400 and 500 at the location of the perforated outlet and support tube in the catalyst chamber, which rods extend in the longitudinal direction of the chamber. The rods are spaced a predetermined distance from one another in the circumferential direction of the chamber and hold the supported catalyst rigidly in place within the catalyst chamber through the use of spacer plates 600. Each plate of each pair of spacer plates 600 connects three of the five rods together, and the two spacer plates of each pair enclose a right angle and so lie on the diameter of the central cylindrical outlet pipe. Two or more pairs of spacer plates can be used, and regardless of their number, they are expediently distributed over the length of the chamber at regular intervals. If such spacer plates are used, they can optionally also be used without the rods, but in which case they extend over the entire length of the catalyst chamber, as is shown in FIG. The spacer plates and the optionally provided rods must consist of a material which up to 800 0 C is oxidatxonsresistent at temperatures.
Eine andere Lösung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2A beschrieben, wobei der Einfachheit halber nur zweiAnother solution is described below with reference to FIG. 2A, with only two for the sake of simplicity
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - 10 -3/30/1981 - 10 -
130066/0685130066/0685
Auslaßöffnungen dargestellt sind. Die Außenwand 100 der Katalysatorkammer ist mit öffnungen 101 und 102 versehen, die den Auslaßöffnungen der Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet sind und sich an diese anschließen. Ein Auslaß 103 liegt der Auspuffleitung der Brennkraftmaschine gegenüber. Der Katalysator 104 weist ein stützendes Substrat, eine aufgeschlämmte Zwischenschicht und das katalytische Metall auf. Er ist so angeordnet, daß die Auspuffgase der Brennkraftmaschine durch den Katalysator hindurchströmen müssen, ehe sie die Katalysatorkammer verlassen. Der Halterung des Katalysators in der Katalysatorkammer dienen Abstandsplatten 105. Die Abstandsplatten sind mit einem Ende an der Kammerwand 100 befestigt, während dem anderen Ende der Abstandsplatten eine Scheibe oder Platte 108 zugeordnet ist, um sicherzustellen, daß keine Auspuffgase die Katalysator· kammer verlassen können, ohne durch den Katalysator hindurchgelangt zu sein. Die Auspuffgase gelangen durch die Öffnungen 101 und 102 in die Kammer und strömen durch Hülsen 106 und 107 in den Innenraum 110, der durch die Abstandsplatten gebildet ist. Die Auspuffgase strömen dann weiterhin durch den Katalysator nach außen und verlassen die Katalysatorkammer durch den Auslaß 103. In Fig. 2A ist die Strömung der Auspuffgase durch Pfeile P„o bis P10Q dargestellt.Outlet openings are shown. The outer wall 100 of the catalyst chamber is provided with openings 101 and 102, which are assigned to the outlet openings of the cylinders of the internal combustion engine and adjoin them. An outlet 103 is opposite the exhaust line of the internal combustion engine. The catalyst 104 includes a supporting substrate, a slurry interlayer, and the catalytic metal. It is arranged so that the exhaust gases from the internal combustion engine must flow through the catalytic converter before they leave the catalytic converter chamber. Spacer plates 105 are used to hold the catalyst in the catalyst chamber. One end of the spacer plates is attached to the chamber wall 100, while the other end of the spacer plates is assigned a disk or plate 108 to ensure that no exhaust gases can leave the catalyst chamber. without having passed through the catalyst. The exhaust gases enter the chamber through the openings 101 and 102 and flow through sleeves 106 and 107 into the interior 110 which is formed by the spacer plates. The exhaust gases then flow continues through the catalyst to the outside and to leave the catalyst chamber through the outlet 103. In FIG. 2A, the flow of the exhaust gases by arrows P "o to P 10 is illustrated Q.
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - 11 -3/30/1981 - 11 -
130066/0686130066/0686
Das stützende Substrat des Katalysators ist vorzugsweise ein gestrickter Draht, der in vier Abschnitten oder drei Einheiten hergestellt wird. Ist das Substrat aus Sektionen zusammengesetzt, die beispielsweise die Form von Ringröhren haben, so werden sie miteinander verbunden, ehe sie in die Katalysatorkammer eingesetzt werden.The supporting substrate of the catalyst is preferably a knitted wire that comes in four sections or three Units is manufactured. The substrate is composed of sections, for example in the form of annular tubes they are connected to one another before they are inserted into the catalyst chamber.
Eine weitere Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschrieben. Eine Katalysatorkammer weist eine Außenwand 51 mit öffnungen 52 und 53 auf. Ein Katalysator 64 weist einen Stützträger, eine Zwischenschicht und ein katalytisch aktives Metall auf. Er ist so angeordnet , daß die Auspuffgase durch den Katalysator hindurchtreten müssen, ehe sie die Kammer verlassen. Der Träger besteht vorzugsweise aus gestricktem Draht und er kann einstückig sein oder aus einer Anzahl von einzelnen Elementen bestehen, die beispielsweise die Form von Ringröhren haben können und normalerweise miteinander verbunden werden, ehe der Träger in der Kammer angeordnet wird. Innerhalb der Kammer ist der Katalysator durch die Verwendung einer Reihe von Abstandsplatten 66 gehalten. Ein Ende der Abstandsplatten 66 ist der Kammerwand zugeordnet und am anderen Ende ist eine Scheibe oder Metallplatte vorgesehen, um zu verhindern, daß die Auspuffgase die Kammer verlassen, ohne durch den Katalysator gelangt zu sein.Another embodiment is described below with reference to Figs. A catalyst chamber has an outer wall 51 with openings 52 and 53. A Catalyst 64 has a support carrier, an intermediate layer and a catalytically active metal. He is so arranged that the exhaust gases pass through the catalytic converter must before they leave the chamber. The carrier is preferably made of knitted wire and it can be in one piece or consist of a number of individual elements, for example in the form of annular tubes and usually bonded together before the carrier is placed in the chamber. Within the The catalyst chamber is held in place by the use of a series of spacer plates 66. One end of the spacer plates 66 is assigned to the chamber wall and at the other end a disc or metal plate is provided to prevent that the exhaust gases leave the chamber without having passed through the catalytic converter.
J 21 P 280J 21 P 280
3O.3.I98I - 12 -3O.3.I98I - 12 -
130066/068S130066 / 068S
Die Katalysatorkammer kann zwischen dem Turbolader und dem Auspuffrohr angeordnet sein. Die öffnung 52 kann gegenüber dem Auslaß des Turboladers, den Auslaß fortsetzend, angeordnet sein, während die öffnung 53 die dem Auspuffrohr zugeordnete Auslaßöffnung sein kann. Die Strömung des Auspuffgases durch die Katalysatorkammer ist von außen nach innen gerichtet, wie es durch die Pfeile P1-. bis Fgg dargestellt ist (Fig. 5).The catalyst chamber can be arranged between the turbocharger and the exhaust pipe. The opening 52 can be arranged opposite the outlet of the turbocharger, continuing the outlet, while the opening 53 can be the outlet opening assigned to the exhaust pipe. The flow of the exhaust gas through the catalyst chamber is directed from the outside inwards, as indicated by the arrows P 1 -. to Fgg is shown (Fig. 5).
Die Katalysatorkammer kann auch so angeordnet sein, daß die öffnung 53 dem Auslaß des Turboladers zugeordnet ist und diesen Auslaß fortsetzt, während die Öffnung 52 dem Auspuffrohr zugeordnet ist und sich in diesem fortsetzt, so daß der Auspuffgasstrom von innen nach außen gerichtet ist, wie es in Fig. 6 durch die Pfeile F71 bis Fog dargestellt ist.The catalyst chamber can also be arranged so that the opening 53 is assigned to the outlet of the turbocharger and continues this outlet, while the opening 52 is assigned to and continues in the exhaust pipe, so that the exhaust gas flow is directed from the inside to the outside, as it is in Fig. 6 by the arrows F 71 to Fog.
Ist die Katalysatorkammer einer Brennkraftmaschine mit großem Hubraum zugeordnet, so können gemäß Fig. 7 in einer entsprechend großen Katalysatorkammer mehrere Katalysatoren angeordnet werden. Entsprechend den obigen Ausführungen ausgebildete gestützte Katalysatoren 203 bis 205 sind unter Verwendung von Abstandsplatten 206 bis 208 gehalten. Ein Ende der Abstandsplatten 212 ist der Kammerwand zugeordnetIf the catalyst chamber is assigned to an internal combustion engine with a large cubic capacity, then according to FIG correspondingly large catalyst chamber several catalysts are arranged. Trained in accordance with the above statements supported catalysts 203-205 are held using spacer plates 206-208. A The end of the spacer plates 212 is assigned to the chamber wall
J 21 P 280J 21 P 280
3O.3.198I - 13 -3O.3.198I - 13 -
130066/0885130066/0885
und Metallscheiben oder -platten 209 bis 211 sind dem anderen Ende zugeordnet. Die Auspuffgasströmung durch dieand metal disks or plates 209 to 211 are assigned to the other end. The exhaust gas flow through the
Kammer ist durch Pfeile F2Ol ^s P246 in Fig* ^ Sekenn~ zeichnet.Chamber is indicated by arrows F 2 Ol ^ s P 246 in Fig * ^ S ekenn ~.
Eine 2000 cnr Mehrzylindermaschine eines im Handel erhältlichen Kraftfahrzeuges mit Antrieb durch einen turboaufgeladenen Dieselmotor j wurde so abgewandelt, daß die Ergebnisse demonstriert werden konnten, die bei Anwendung der Erfindung erzielbar sind. Eine Katalysatorkammer gemäß den obigen Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 wurde zwischen dem Auslaß des Turboladers und dem Auspuffrohr angeordnet .A 2000 cnr multi-cylinder engine of a commercially available one Motor vehicle powered by a turbo-charged diesel engine j has been modified so that the Results could be demonstrated which can be achieved using the invention. A catalyst chamber according to the above embodiments of Figures 5 and 6 was placed between the outlet of the turbocharger and the exhaust pipe .
Die Ergebnisse einer Katalysatorkammer A wurden durch Messungen am Auspuffgas ermittelt, das vom zentralen Strömungskanal der Kammer nach außen gemäß Fig. 6 strömte, während für eine Katalysatorkammer B die Messungen an dem Auspuffgas vorgenommen wurden, das durch den Katalysator zum zentralen Strömungskanal gemäß Fig. 5 strömte.The results of a catalyst chamber A were determined by measurements on the exhaust gas coming from the central flow channel the chamber flowed to the outside according to FIG. 6, while for a catalyst chamber B the measurements on the exhaust gas were made, which flowed through the catalyst to the central flow channel according to FIG.
J 21 P 280J 21 P 280
3O.3.I98I - 14 -3O.3.I98I - 14 -
130066/0685130066/0685
Das Substrat des Katalysators wurde aus einem gestrickten 310 rostfreiem Stahldraht von 0,254 mm Durchmesser hergestellt, der vorher einen flachen Rechteckquerschnitt erhielt. Auf dieses Substrat wurde eine erste Schicht aufgeschlämmt, \ die Aluminiumoxid, Bariumoxid und Ceriumoxid enthielt, wobei die Beladung 0,34 gg~ Draht betrug. Der mit dieser Zwischenschicht beschichtete Träger wurde mit 5,7% Rh, 94,5$ Pt imprägniert, wobei die Beladung 918 g cnr betrug. Das verwendete Drahtvolumen betrug 2114.6 cm . Die Messungen wurden nach einer Fahrtstrecke von 250 Meilen vorgenommen.The catalyst substrate was made from a knitted 310 stainless steel wire 0.254 mm in diameter, which was previously given a flat rectangular cross-section. On this substrate a first layer was slurried \ aluminum oxide, barium oxide and cerium oxide contained, wherein the loading was 0.34 gg ~ wire. The carrier coated with this intermediate layer was impregnated with 5.7% Rh, 94.5 $ Pt, the loading being 918 g cnr. The wire volume used was 2114.6 cm. Measurements were taken after driving 250 miles.
Die Resultate wurden durch den Antrieb des Fahrzeuges durch· den LA4 Diesel-Zyklus erhalten. Der LA4 Zyklus (Los Angeles Zyklus) ist durch die Environmental Protection Agency (EPA) der USA festgelegt und ist ein Standardtest zum Simulieren des Fahrzeugbetriebes unter den Verkehrsbedingungen von Los Angeles. Er ist darüberhinaus ein Test, der dazu verwendet wird, um die Effektivität oder anderweitige Wirksamkeit der Abgasreinigungseinheit eines Kraftfahrzeuges darzutun. Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide und Feststoffpartikel der Abgasemissionen werden in g Meile gemessen. Grundlagenmessungen wurden im Hinblick auf den Gehalt der Abgase an Verunreinigungen, ehe sie durch die Katalysatorkammer gelangten, durchgeführt.The results were obtained by driving the vehicle through Obtain the LA4 Diesel cycle. The LA4 cycle (Los Angeles cycle) is approved by the Environmental Protection Agency (EPA) of the USA and is a standard test for simulating vehicle operation under the traffic conditions of Los Angeles. It is also a test that is used to determine the effectiveness or other effectiveness of the Demonstrate exhaust gas cleaning unit of a motor vehicle. Hydrocarbons, Carbon monoxide, nitrogen oxides and particulate matter from exhaust emissions are measured in g miles. Basic measurements with regard to the level of impurities in the exhaust gases before they passed through the catalytic converter chamber, carried out.
J 21 P 280J 21 P 280
3O.3.I98I - 15 -3O.3.I98I - 15 -
130066/0685130066/0685
- 15 -- 15 -
prozentualer
UnterschiedMax.
percentage
difference
ACatalytic
A.
Batorkammer
B.
g Meile
prozentuale
VeränderungPests
g mile
percentage
change
prozentualer
UnterschiedMin.
percentage
difference
22.50.31
22.5
20O.32
20th
prozentuale
VeränderungNOX g mile " 1
percentage
change
-14.32
-14.3
-202.1
-20
prozentuale
VeränderungCO g mile " 1
percentage
change
840.2
84
630.46
63
prozentuale
VeränderungHCs g mile " 1
percentage
change
650.07
65
450.11
45
Nm"2 Back pressure
Nm " 2
-62.522011
-62.5
-67.522688
-67.5
-304402
-30
-304402
-30
J 21 P 280 3O.3.I98IJ 21 P 280 3O.3.I98I
- 16 -- 16 -
130066/0685130066/0685
«Si«Si
Ein im Handel erhältliches Fahrzeug mit einem turboaufgeladenen 2,2 Liter Dieselmotor wurde mit einer Katalysatorkammer ausgerüstet, die gemäß Fig. 5 nach dem Turbolader angeordnet wurde. Das Katalysatormaterial wurde von einem Substrat aus gestricktem Draht aus 304 rostfreiem Stahl eines Drahtdurchmessers von 0,254 und 0,127 vor seinem Umformen in Flachdraht gestützt. Das aus dem dünneren Draht gefertigte Strickmaterial wurde zur Herstellung eines Innenkörpers verwendet, der von einem Außenkörper aus dem Strickmaterial aus dem dickeren Draht umgeben wurde. Eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid mit Bariumoxid und Cerdioxid wurde dem Substrat zugeordnet mit einer Beladung von 0,22 gg Draht. Das verwendete katalytische Metall bestand aus 7 1/2 QeTn.% Rh, 92 1/2 Gew.% Pt bei einer Beladung von 0,09 Gew./2. Das gesamte Katalysatorvolumen betrug 2,6 Liter.A commercially available vehicle with a turbocharged 2.2 liter diesel engine was equipped with a catalyst chamber which, as shown in FIG. 5, was arranged after the turbocharger. The catalyst material was supported on a substrate of knitted 304 stainless steel wire 0.254 and 0.127 in diameter prior to being formed into flat wire. The knitted material made from the thinner wire was used to produce an inner body, which was surrounded by an outer body made from the knitted material made from the thicker wire. An intermediate layer of aluminum oxide with barium oxide and ceria was assigned to the substrate with a loading of 0.22 pg wire. The catalytic metal used consisted of 7 1/2 QeTn.% Rh, 92 1/2 wt. % Pt with a loading of 0.09 wt./2. The total catalyst volume was 2.6 liters.
Bei im LA4 Zyklus betriebenem Fahrzeug ergaben die Basismessungen einen Feststoffanteil von 0,4 g Meile . Nachdem die Auspuffgase durch die Katalysatorkammer geführt worden waren, betrug der Feststoffanteil 0,19 g Meile , was eine Reduktion um 52,5/5 bedeutete. Der maximale Rückdruck über das gesamte System betrug 135^5 NmWhen the vehicle was operated in the LA4 cycle, the basic measurements showed a solids content of 0.4 g mile. After this the exhaust gases had been passed through the catalyst chamber, the solids content was 0.19 g mile, which is a Reduction by 52.5 / 5 meant. The maximum back pressure over the entire system was 135 ^ 5 Nm
J 21 P 280J 21 P 280
30.3.1981 - η - 3/30/1981 - η -
13 0066/068513 0066/0685
- yf -- yf -
Unter Verwendung eines auf 1,6 Bar turboaufgeladenen Dieselmotors mit 14748 cm-5 wurden mehrere Tests durchgeführt. In einer Entfernung von 1,22 m vom Turbolader wurde eine Katalysatorkammer mit neun Katalysatoren in Reihen gemäß Fig. 7 angeordnet. Das Volumen des verwendeten Katalysators betrug 213003 cnr5. Substrat, Zwischenschicht und katalytische Metalle waren dem Beispiel 2 gleich.Using a turbocharged 1.6 bar diesel engine with 14748 cm 5 more tests were conducted. At a distance of 1.22 m from the turbocharger, a catalyst chamber with nine catalysts was arranged in rows as shown in FIG. The volume of catalyst used was 213003 cnr. 5 The substrate, intermediate layer and catalytic metals were the same as in Example 2.
Der Motor wurde einem EPA I98O neuen Schwingungszyklustest gemäß EPA in den USA unterworfen. Die Messungen des Feststoffgehaltes im Auspuffgas nach der Katalysatorkammer wurden im Abstand von fünf Stunden durchgeführt. Die Resultate sind in der Tabelle 2 aufgetragen.The engine passed an EPA I98O new vibration cycle test subject to US EPA. The measurements of the solids content in the exhaust gas after the catalyst chamber were carried out every five hours. The results are shown in Table 2.
Feststoffe in g MeilenSolids in g miles
-1-1
J 21 P 280 3O.3.I98IJ 21 P 280 3O.3.I98I
Katalysator
kammerafter
catalyst
chamber
Veränderungpercentage
change
130Ö66/068S130Ö66 / 068S
- 18 -- 18 -
Der Kohlenwasserstoffgehalt im Auspuffgas wurde in der Katalysatorkammer von 600 ppm auf 12 ppm verringert. Die Höchsttemperatur der durch die Kammer geführten Auspuffgase betrug 3880C. Der maximale Rückdruck der Kammer betrug 249 Nm"2.The hydrocarbon content in the exhaust gas was reduced from 600 ppm to 12 ppm in the catalyst chamber. The maximum temperature of the exhaust gases passed through the chamber was 388 ° C. The maximum back pressure of the chamber was 249 Nm " 2 .
Die Beispiele zeigen die Effektivität der erfindungsgemäßen Katalysatorkammer, um Feststoffe und andere Schmutzanteile aus den Auspuffgasen zu entfernen, wie sie von Dieselmotoren mit innerer Verbrennung ausgestoßen werden, selbst wenn die Kammer in einiger Entfernung von der Brennkraftmaschine angeordnet ist und bei niedriger Temperatur arbeitet.The examples show the effectiveness of the catalyst chamber according to the invention in removing solids and other contaminants from exhaust gases such as those emitted by internal combustion diesel engines, even if the Chamber is located some distance from the internal combustion engine and operates at a low temperature.
Die bei diesen Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung verwendeten Katalysatoren enthalten als erfindungswesentlich: The catalysts used in these internal combustion engines contain as essential to the invention:
a) ein unterteiltes Substrat im Strömungsbereich der Auspuffgase, um in diesen eine Turbulenz zu erzeugen,a) a subdivided substrate in the flow area of the exhaust gases in order to generate turbulence in them,
b) eine Zwischenschicht aus haftendem feuerfestem Metalloxid auf der Substratoberfläche,b) an intermediate layer of adhering refractory metal oxide on the substrate surface,
c) Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Pe, Co, Ni, V, Cr, Mo, W, Y, Ce, Legierungen davon und intermetallische Verbindungen, die zumindest 20 Gew.% von einem oder mehreren der genannten Metalle enthalten, auf der Substratoberfläche bzw. mittels der Zwischenschicht aus feuerfestem Metalloxid.c) Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Pe, Co, Ni, V, Cr, Mo, W, Y, Ce, alloys thereof, and intermetallic compounds which contain at least 20 wt.% of one or more of said metals , on the substrate surface or by means of the intermediate layer of refractory metal oxide.
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Die Zwischenschicht aus feuerfestem Metalloxid enthält in der Form ihrer Oxide eines oder mehrere von Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, die Lanthanide, Ti, Zr, Hf, Th, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, B, Al, Si und Sn.The refractory metal oxide intermediate layer contains, in the form of its oxides, one or more of Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, the lanthanides, Ti, Zr, Hf, Th, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, B, Al, Si and Sn.
Bevorzugte Zwischenschichtsmaterialien sind Al2O, und Aluminium oxidhydrate, ein stabilisierendes Oxid wie BaO und Oxide als Promotoren für die katalytische Aktivität wie TiOp, ZrOp, HfO2, ThO2, Cr2O3 und NiO.Preferred interlayer materials are Al 2 O and aluminum oxide hydrates, a stabilizing oxide such as BaO and oxides as promoters for the catalytic activity such as TiOp, ZrOp, HfO 2 , ThO 2 , Cr 2 O 3 and NiO.
Eine Form des Katalysatorsubstrates kann eine aus gewebtem oder gestricktem Draht hergestellte Struktur sein und eine besonders bevorzugte Form ist eine Struktur, die aus einem gewebten oder gestrickten Draht besteht, der vor dem Weben oder Stricken in eine flache Querschnittsform gewalzt worden ist. Geeignete Legierungen für die Herstellung des Drahtes sind korrosionsresistente und insbesondere oxidationsresistente Basismetall-Legierungen.A shape of the catalyst substrate may be a structure made of woven or knitted wire and a a particularly preferred shape is a structure consisting of a woven or knitted wire that is pre-woven or knitting has been rolled into a flat cross-sectional shape. Suitable alloys for the manufacture of the wire are corrosion-resistant and, in particular, oxidation-resistant base metal alloys.
Beispiele für solche Basismetall-Legierungen sind eine Nickel-Chromlegierung mit einem Ni und Cr-Zuschlag von mehr als 20 Gew.? und eine Eisenlegierung mit zumindest einem der folgenden Bestandteile: Chrom 3-40 Gew.%> Aluminium 1-10 Gew.#, Kobalt Spur - 5 Gew.%, Nickel Spur -72 Gew.? und Kohlenstoff Spur -0,5 Gew.?. Solche Substrate sind an sich aus der DE-OS 24 50 664 bekannt.Examples of such base metal alloys are a nickel-chromium alloy with a Ni and Cr addition of more than 20 wt. and an iron alloy with at least one of the following components: chromium 3-40% by weight > aluminum 1-10% by weight, cobalt trace - 5% by weight, nickel trace -72% by weight? and carbon trace -0.5 wt. Such substrates are known per se from DE-OS 24 50 664.
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Andere Beispiele für Basismetall-Legierungen, die den zu erwartenden harten Einsatzbedingungen gerecht werden können, sind Eisen-Aluminium-Chrom-Legierungen mit folgenden Bestandteilen: 0,5-12 Gew.% Al, 0,1-3,0 Gew.% Y, 0-20 Gew.% Cr und Rest Eisen. Solche Legierungen sind an sich aus der US-PS 3 027 252 bekannt.Other examples of base metal alloys which can meet the severe operating conditions to be expected, are iron-aluminum-chromium alloys having the following ingredients: 0.5-12 wt% Al, 0.1-3.0% Y.. , 0-20 wt.% Cr and the remainder iron. Such alloys are known per se from US Pat. No. 3,027,252.
Alternativ können die Basismetall-Legierungen auch weniger korrosionsresxstent sein, z.B. Flußstahl, wobei dann jedoch eine das Substrat abdeckende Beschichtung aus entsprechend korrosionsresistentem Material vorgesehen sein muß, wie es in der GB-Patentanmeldung 7903817 vom 2.2.79 der gleichen . Anmelderin beschrieben ist (veröffentlicht unter der Nr. GB 2 012 517 A).Alternatively, the base metal alloys can also be less resistant to corrosion, e.g. mild steel, in which case, however a coating covering the substrate made of a correspondingly corrosion-resistant material must be provided, as is the case in GB patent application 7903817 dated 02/02/79 of the same. Applicant is described (published under the number GB 2 012 517 A).
Der Herstellung des Substrates sollte insbesondere ein Draht mit einer Dicke von 0,0254 bis 0,508 mm und mehr, vorzugsweise 0,0254 bis 0,305 mm dienen.In particular, a wire with a thickness of 0.0254 to 0.508 mm and more should preferably be used for the manufacture of the substrate 0.0254 to 0.305 mm are used.
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