DE3337902A1

DE3337902A1 - Katalysatorbauteil

Info

Publication number: DE3337902A1
Application number: DE19833337902
Authority: DE
Inventors: Werner 7101 Flein Baum; Gerhard 7114 Windischenbach Reif
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-19
Filing date: 1983-10-19
Publication date: 1985-05-09

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Katalysatorbauteil zum Umwandeln von Schadstoffen in heißen Abgasen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein derartiges Katalysatorbauteil ist aus der DE-AS 21 59 774 bekannt. Der in Abgasströmungarichtung zunächst angeordnete reduzierende Katalysatorbereich dient dazu, Stickoxide NOx in heißen Abgasen von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Das Abgas enthält als Schadstoffe dann noch Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe HC. Um diese zu verbrennen, wird dem Abgas hinter dem reduzierenden Katalysatorbereich Luft zugeführt, und dann wird die Umwandlung in Kohlendioxid und Wasser in einem oxidierenden Katalysatorbereich vorgenommen. Der reduzierende Katalysatorbereich und der oxidierende Bereich sind aufeinanderfolgend parallel zum Abgasstrom angeordnet.
Die Katalysatormaterialien der beiden Bereiche sind erst ab einer gewissen Mindesttemperatur in der Lage, die Umwandlung von mit den Abgasen zugeführten Schadstoffen durchzuführen. Katalysatorbauteile, die im Abgasstrom von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren angeordnet sind, die häufig nur auf kurzen Stadtfahrten betrieben werden, erreichen diese Mindesttemperatur nur schwer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Katalysatorbauteil der aus der DE-AS 21 59 774 bekannten Art so auszubilden, daß es schon bei niedrigeren Abgastemperaturen als bisher die für den Betrieb erforderliche Mindesttemperatur erreicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Katalysatorbauteil zeichnetjsich dadurch aus, daß der reduzierende und der oxidierende Katalysatorbereich nicht mehr aufeinanderfolgend parallel zum Abgasstrom angeordnet sind, sondern daß der oxidierende Katalysatorbereich vom reduzierenden Bereich umschlossen ist. Dadurch steht der oxidierende Katalysatorbereich nicht mehr mit einer Halterung von Umgebungstemperatur in Berührung, sondern er ist innerhalb dem heißen reduzierenden Katalysatorbereich gelagert. Durch die geringeren Wärmeableitungsverluste eines erfindungsgemäßen Katalysatorbauteils gegenüber dem bekannten Bauteil erreicht der oxidierende Katalysatorbereich bereits bei niedrigeren Abgastemperaturen als bisher seine mindesterforderliche Betriebstemperatur.
Der erfindungsgemäße Aufbau hat weiterhin den Vorteil, daß die Luftzuführung, die ja. zwischen reduzierendem und oxidierendem Bereich angeordnet ist, mit zur Stütze der Katalysatormaterialien dient. Dadurch wird ein besonders kompakter und stabiler Aufbau erhalten.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist dann von besonderem Nutzen, wenn der oxidierende Katalysatorbereich als Katalysatorfilter zum Ausfiltern und Abbrennen von Rußteilchen ausgebildet ist. Solche Rußteilchen fallen zum Beispiel im Abgas von Dieselmotoren oder Hausbrandstellen an. Hier ist es besonders wichtig, daß die zum Abbrennen erforderliche Mindesttemperatur schon möglichst bald erreicht wird, nämlich bevor das Katalysatorfilter durch eine zu starke Rußschicht verstopft ist.
Um die genannte Verstopfungsgefahr durch eine Rußschicht noch weiter zu verringern, ist es von Vorteil, das Katalysatorfilter mit einer möglichst großen Oberfläche auszubilden. Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Katalysatorfilter zum Erreichen dieses Zweckes ein Sternfilter auf.
Luftröhrchen der Luftzuführung sind in den Vertiefungen des Sternfilters, von der Eingangsseite her gesehen, angeordnet.
Dieses Bauteil weist damit einen kompakten und stabilen Aufbau, bei großer Rußablagerungsfläche auf, das auf Grund der guten Isolierung des Filters die Abbrenntemperatur bei erheblich geringeren Abgastemperaturen erreicht als bisher.
Das Erreichen der unteren Betriebstemperatur mit kälteren Abgasen als bisher läßt sich noch dadurch verbessern, da das Bauteil eine Heizung zum Erhitzen der dem oxidierenden Katalysatorbereich zugeführten Luft aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Figur näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel eines in einem Gehäuse 10 angeordneten Katalysatorbauteils 11 im Querschnitt zeigt.
Konzentrisch zur Mittelachse des zylindrischen Gehäuses 10 sind ein innerer, ein mittlerer und ein äußerer Blechsiebzylinder 12.1, 12.2 bzw. 12.5 angeordnet. Zwischen dem äußeren Blechsiebzylinder 12.5 und dem mittleren Blechsiebzylinder 12.2 befinden sich weitmaschige Gitterkörper, die den reduzierenden Katalysatorbereich 13 darstellen, Die Gitterkörper sind mit einem Katalysator beschichtet, der die Reduktion von Stickoxiden NOx begünstigt. Hierzu sind verschiedene Edelmetalle, wie insbesondere Platin und'oder Palladium oder Raney-Kobalt-Pulver geeignet. Die Gitterkörper bestehen aus Edelstahl-Drahtgeflecht von einer solchen Maschenweite, daß zum Beispiel Rußteilchen 14 in wesentlichen ungehindert durch sie hindurchdringen können Von entsprechender Größe müssen im übrigen auch die Öffnungen im äußeren und mittleren Blechsiebzylinder 12.3 bzw. 12.2 beschaffen sein, Auf das Edelstahl-Drahtgeflecht sind die Edelmetalle aufgedampft oder das Raney-Kobalt-Pulver ist durch Flammspritzen aus einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme mit großem Wasserstoffüberschuß aufgebracht. Statt in Form mehrerer Gitterkörper kann das Drahtgeflecht auch gewickelt verwendet werden oder es kann jede andere Anordnung verwendet werden, die gewährleistet, daß Rußteilchen durchgelassen werden, aber doch eine gute katalytische T!Irkung im durchstreichenden Abgas auftritt.
Nach dem Durchdringen des reduzierenden Katalysatorbereichs 15, in dem Stickoxide NO in Stickstoff und Sauerstoff umgewandelt werden, gelangt das noch Rußteilchen14 enthaltende Gas in den Innenbereich des mittleren Blechsiebzylinders 12.2.
Zwischen diesem mittleren Blechsiebzylinder 12.2 und dem inneren Blechsiebzylinder 12.1 ist ein Sternfilter 15 angeordnet. Dieses dient dazu, Rußteilchen 14 aus dem Abgas abzufiltern, sowie dazu, den Ruß, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu oxidieren.
Das Sternfilter 15 besteht ebenfalls aus einem mit Edelmetallen beschichteten Edelstahl-Drahtgeflecht. Statt Edelmetallen können auch Metalloxide, vorzugsweise Eisenoxid, Fe11Fe211104, aufgebracht sein. Ein derartiger Katalysatorfilter ist aus der DE-OS 29 51 516 bekannt.
In den Vertiefungen des Sternfilters 15 sind an der Innenwand des mittleren Blechsiebzylinders 12.2 Luftröhrohen 16 angebracht. Diese stehen mit einer nicht dargestellten Luftzuführleitung in Verbindung. Sie weisen Öffnungen auf, die Luft in die Räume zwischen der Innenwand des mittleren Blechsiebzylinders 12.2 und der Oberfläche des Sternfilters 15 blasen. Im reduzierenden Katalysatorbereich 13 reduziertes Abgas durchdringt also den mittleren Blechsiebzylinder 12.2 von außen her, wird dann mit aus den Luftröhrchen 16 zugeführter Luft verengt, an der Oberfläche des Sternfilters 15 von Rußteilchen 14 befreit und durch das Katalysatormaterial des Sternfilters 15 einem Oxidations- prozeß unterworfen, indem Ruß, Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe HC in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden. Das so umgewandelte Abgas verläßt dann das Katalysatorbauteil 11 durch den Innenraum des inneren Blechsiebzylinders 12.1.
Die in den Aufbau integrierten Luftröhrchen 16 dienen zur Stabilisierung des Gesamtaufbaus des Katalysatorbauteils 11.
Sie können auch dazu dienen, den Sternfilter 15 in einer festen vorgegebenen Lage zu halten. Die Unterstützung des Sternfilters 15 durch die Luftröhrchen 16 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dieser Filter nicht, wie oben beschrieben, aus einem Drahtgeflecht gebildet ist, sondern aus einem Faservlies. In ein solches Faservlies sind die katalytisch wirksamen Substanzen, wie zum Beispiel Eisenoxid von Anfang an zugemischt, oder sie sind durch nachträgliches Eintauchen in eine Disperson des Katalysatormaterials in das Faservlies eingebracht. Ein Material , das als Faservlies geeignet ist, ist unter der Handelsbezeichnung "Cerablanket" und ein anderes unter der Bezeichnung "Cerachrome" von der Firma Manville, Frankreich erhältlich.
Diese Materialien sind hochtemperaturbeständig und sie eisnen sich gut dazu, Rußteilchen aus einem Abgas auszufiltern.
Dazu werden die Faservliese in einer Stärke von etwa 3 mm verwendet. Es können aber auch andere Fasermaterialien und andere Katalysatoren verwendet werden, wie sie z. B. aus der DE-OS 29 36 927 bekannt sind, in der auch Verfahren zum Herstellen von Faservliesen angegeben sind, in die Katalysatorpulver von Anfang oder durch Eintauchen eingearbeitet sind.
Durch die Anbringung des Sternfilters 15 oder eines entsprechenden oxidierend wirkenden Katalysatorbereiches im Inneren des Katalysatorbauteiles 11 ist gewährleistet, daß der oxidierende Katalysatorbereich mit keinem Bauteil in Verbindung steht, das von der Umgebungsluft gekühlt wird. Der oxidierende Bereich ist vielmehr wärmemäßig nach außen hin durch den ihn umgebenden heißen reduzierenden Katalysatorbereich 13 bestens abgeschirmt. Dadurch erreicht der oxidierende Bereich schon nach kürzerer Betriebsdauer oder bei niedrigeren Abgastemperaturen als bisher seine untere Betriebstemperatur.
Um das schnelle Erreichen der unteren Betriebstemperatur noch weiter zu begünstigen, ist es von Vorteil, die durch die Luftröhrchen 16 oder eine andere Luftzuführung zugeführte Luft durch eine Bauteil-Heizung zu erhitzen. Dieses Erhitzen erfolgt zum Beispiel durch Vorbeileiten der Luft an elektrisch beheizten Wendeln oder durch Vorbeileiten der Luft an den heißesten Stellen des Abgaserzeugers, also z. B. des Verbrennungsmotores oder der Hausbrandstelle.
Bei dem Katalysatorbauteil 11 gemäß der Figur und dem ihn umschließenden Gehäuse 10 ist eine Abgaszuführöffnung 17 eher schematisch dargestellt. Im praktischen Fall sind zum Beispiel die in Blickrichtung gesehenen Oberseiten aller Blechsiebzylinder und die Unterst ten des mittleren und des äußeren Blechsiebzylinders verschlossen. Das Abgas wird mit geringstmöglichem Strömungswiderstand zwischen der Innenseite des Gehäuses 10 und der Außenseite des äußeren Blechsiebzylinders 12.3 zugeführt. Die jeweilige Luftzuführung hängt aber vom konkreten Aufbau des Bauteiles ab, wobei zahlreiche Abänderungen gegenüber der dargestellten Ausführungsform möglich sind. Für alle Bauteile ist aber wesentlich, daß der oxidierende Katalysatorbereich im Inneren des reduzierenden Katalysatorbereichs angeordnet ist.

Claims

Katalysatorbauteil ANSPRÜCHE ½ Katalysatorbauteil (11) zum Umwandeln von Schadstoffen in heißen Abgasen, bei dem - ein reduzierender Katalysatorbereich (15), - eine Luftzuführung (16) und - ein oxidierender Katalysatorbereich (15) in Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - der oxidierende Katalysatorbereich (15) vom reduzierenden Katalysatorbereich (15) umschlossen ist.
2. Katalysatorbauteil nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der oxidierende Katalysatorbereich (15) als Katalysatorfilter zum Ausfiltern und Abbrennen von Ruß (14) ausgebildet ist.
3. Bauteil nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Katalysatorfilter als Sternfilter (15) ausgebildet ist, wobei Luftröhrchen (16) in den Vertiefungen des Sternfilters von der Eingangsseite her gesehen angeordnet sind.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine Heizung zum Erhitzen der zugeführten Luft.