DE3347919C1 - Soot afterburner for diesel engines - Google Patents

Soot afterburner for diesel engines

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Abstract

Soot afterburner for diesel engines having a catalyst which is provided with an active metal oxide coating on a porous oxide support material, the metal oxide coating containing lanthanum and cobalt as active metal components, the coating being formed by impregnation of the support body with a solution of lanthanum salts and cobalt salts which are readily thermally degradable and subsequent firing and the metal coating contains 1 part of cobalt and 1-3 parts, preferably 2 parts, of lanthanum, and - based on the sum of these materials - 2 to 20% by mass of cerium and a cyclone-shaped annular chamber having side inlet or outlet ports, in which a 90 DEG deflection of the gas stream is carried out in each case, is connected upstream or downstream of each axial-flow catalyst in the form of a honeycomb body or a multiplicity of sequentially arranged plates.

Description

Während in den bislang bekanntgewordenen Katalysatoren der gesamte Trägerkörper aus dem jeweiligen porösen oxidischen Material bestand, soll erfindungsgemäß ein Zweikomponententräger verwendet werden, der aus einem temperaturwechselbeständigen Grundkörper, vorzugsweise Cordierit, besteht, der mit einer porösen Beschichtung aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid versehen ist. Durch diesen Zweikomponententräger, wobei der Grundkörper nicht porös ist, wird vermieden, daß ein Großteil der Katalysatorsubstanz in das Innere der porösen Trägerkeramik gelangt, in der eine nennenswerte Umsetzung über haupt nicht mehr erfolgt. Man hat also die poröse Keramik mit ihrer katalytischen Oberflächenbeschichtung nur in Form einer dünnen Schicht auf dem Grundkörper, so daß tatsächlich eine sehr hohe Umsetzung der zu verbrennenden Bestandteile stattfinden kann, ohne den Anteil an Katalysatorsubstanz allzu hoch zu gestalten. While in the previously known catalysts the entire The carrier body consisted of the respective porous oxidic material, according to the invention a two-component carrier made of a temperature change resistant Base body, preferably cordierite, is made with a porous coating is provided from a mixture of aluminum oxide and magnesium oxide. Through this Two-component carrier, the base body not being porous, avoids that a large part of the catalyst substance gets into the interior of the porous carrier ceramic, in which a significant implementation no longer takes place at all. So you have that porous ceramic with its catalytic surface coating only in the form of a thin layer on the base body, so that actually a very high conversion of the components to be burned can take place without the proportion of to make too high of catalyst substance.

Darüber hinaus hat der Zweikomponententräger den Vorteil, daß die Bildung von Ruß tief im Inneren eines porösen Körpers vermieden wird, die zu einer Sprengung des Trägers führen könnte.In addition, the two-component carrier has the advantage that the Formation of soot deep inside a porous body is avoided leading to a Explosion of the carrier could result.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, sowie anhand der schematischen Zeichnung. Dabei zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rußnachverbrenner für Dieselmotoren und F i g. 2 einen Querschnitt durch den Rußnachverbrenner nach F i g. 1. Further advantages, features and details of the invention result from the following description of an exemplary embodiment, as well as based on the schematic drawing. F i g. 1 shows a longitudinal section through a Soot afterburners according to the invention for diesel engines and FIG. 2 a cross section through the soot afterburner according to FIG. 1.

In dem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 1 ist der eigentliche, eine Trennwand 2 durchsetzende Trägerkörper 3 angeordnet, der aus hintereinandergeschalteten Platten oder in Form eines stranggepreßten Wabenkörpers (Monolith) ausgebildet ist, wobei die Oberflächen der durchgehenden Kanäle mit der weiter oben beschriebenen Katalysatorsubstanz beschichtet ist. Der obere seitliche Einlaß 4, der an die Auspuffleitung vom Motor angeschlossen ist, mündet tangential in die obere Ringkammer 5 ein, während in gleicher Weise die Auslaßleitung 6 tangential aus der unteren Ringkammer 7 herausgeführt ist. Es hat sich tatsächlich gezeigt, daß durch die zyklonartige Abgasführung eine bessere Absetzung und Verbrennung der Rußbestandteile stattfindet. Die Anordnung der Ein- und Auslaßleitungen 4 und 6 könnte dabei auch vertauscht sein, so daß beispielsweise die Einlaßleitung unten ist. In the essentially cylindrical housing 1 is the actual, a partition 2 penetrating carrier body 3 is arranged, the series-connected from Plates or in the form of an extruded honeycomb body (monolith), the surfaces of the through channels being the same as that described above Catalyst substance is coated. The upper side inlet 4 that connects to the exhaust pipe is connected to the engine, opens tangentially into the upper annular chamber 5, while in the same way the outlet line 6 is led out tangentially from the lower annular chamber 7 is. It has actually been shown that the cyclone-like exhaust system a Better deposition and combustion of the soot components takes place. The order the inlet and outlet lines 4 and 6 could also be interchanged, so that, for example the inlet pipe is down.

Bei 8 und 9 sind schematisch Thermoelemente angedeutet, die zur Überwachung der Einlaß- und Auslaßtemperatur dienen. Am Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges ist dabei zweckmäßigerweise ein drei Anzeigenfelder umfassendes Temperaturanzeigeinstrument vorgesehen, wobei die Lage des Zeigers oder des sonstigen Anzeigeorgans im ersten Feld angibt, daß die Auslaßtemperatur kleiner als die Einlaßtemperatur ist. Dies bedeutet den Anfahrfall, in welchem der Katalysator noch nicht warm genug ist, um die Umsetzung und Nachverbrennung insbesondere der Rußbestandteile zu bewirken, die zu einer Erhöhung der Temperatur in der Auslaßkammer 7 gegenüber der Abgastemperatur in der Einlaßkammer 5 führen. Bei ordnungsgemäßer Funktion des Abgasnachverbrenners muß die Auslaßtemperatur in der Kammer 7 größer sein als die Einlaßtemperatur, was einer Zeigerstellung im zweiten (mittleren) Anzeigefeld entspricht. Das dritte Feld wiederum signalisiert den Fall, daß die Auslaßtemperatur sehr viel größer als die Einlaßtemperatur ist. Dies wiederum signalisiert, daß am Motor irgendetwas kaputt ist, daß beispielsweise ein Zylinder ausgefallen ist, so daß nicht nur geringe nachzuverbrennende Bestandteile im Abgas vorhanden sind, sondern ein Teil des Treibstoffes selbst, so daß eine übermäßige Erhitzung im Abgasnachverbrenner stattfindet. Die Stellung des Zeigers in diesem dritten Feld signalisiert also einen Motorschaden, der nicht nur im Interesse des Motors selbst, sondern auch zum Schutz des Nachverbrenners behoben werden muß. At 8 and 9 thermocouples are indicated schematically for monitoring serve for inlet and outlet temperatures. On the dashboard of the vehicle is here it is expedient to have a temperature display instrument comprising three display fields provided, with the position of the pointer or other display element in the first Field indicates that the outlet temperature is less than the inlet temperature. this means the start-up in which the catalytic converter is not yet warm enough to to effect the conversion and afterburning, in particular of the soot components, which leads to an increase in the temperature in the outlet chamber 7 compared to the exhaust gas temperature lead in the inlet chamber 5. If the exhaust gas afterburner is functioning properly the outlet temperature in the chamber 7 must be greater than the inlet temperature, what corresponds to a pointer position in the second (middle) display field. The third field again signals the case that the outlet temperature is much greater than that Inlet temperature is. This in turn signals that something is broken in the engine is that, for example, a cylinder has failed, so that not only minor afterburning Components are present in the exhaust gas, but part of the fuel itself, so that excessive heating takes place in the exhaust gas afterburner. The position of the pointer in this third field signals engine damage that is not only in the interest of the engine itself, but also to protect the afterburner needs to be fixed.

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Claims (6)

Patentansprüche: 1. Rußnachverbrenner für Dieselmotoren mit einem Katalysator, welcher auf porösem oxidischen Trägermaterial einen aktiven Metalloxidüberzug mit Kobalt und Cer aufweist, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Metalloxidüberzug durch Imprägnieren des Trägerkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Metallsalzen und anschließendes Brennen gebildet ist und der Metallüberzug ein Teil Kobalt und 1-3 Teile Lanthan, sowie - bezogen auf die Summe dieser Stoffe - 2 bis 20 Masse % Cer enthält und daß dem axial durchströmten Katalysator in Form eines Wabenkörpers oder einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Platten je eine zyklonförmige Ringkammer mit seitlichen Ein- bzw. Ausströmöffnungen vor- bzw. nachgeschaltet ist, in denen jeweils eine 900 Umlenkung des Gasstromes erfolgt. Claims: 1. Soot afterburners for diesel engines with a Catalyst which has an active metal oxide coating on a porous oxidic support material with cobalt and cerium, characterized in that the metal oxide coating by impregnating the carrier body with a solution of easily thermally decomposable Metal salts and subsequent firing is formed and the metal coating is a part Cobalt and 1-3 parts of lanthanum, and - based on the sum of these substances - 2 to Contains 20 mass% cerium and that the axially flowed through catalyst in the form of a Honeycomb body or a large number of panels connected in series, one cyclone-shaped each Annular chamber with side inlet and outlet openings is connected upstream or downstream, in each of which there is a 900 deflection of the gas flow. 2. Rußnachverbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalloxidüberzug 2 Teile Lanthan enthält. 2. Soot afterburner according to claim 1, characterized in that the metal oxide coating contains 2 parts of lanthanum. 3. Rußnachverbrenner nach Anspruch 1, bei dem der aktive Metalloxidüberzug auch Eisen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalloxidüberzug - bezogen auf den Gehalt an Kobalt und Lanthan - 2-20% Eisen enthält. 3. Soot afterburner according to claim 1, wherein the active metal oxide coating also contains iron, characterized in that the metal oxide coating - related on the content of cobalt and lanthanum - contains 2-20% iron. 4. Rußnachverbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen temperaturwechselbeständigen Grundkörper, vorzugsweise Cordierit, der mit einer porösen Beschichtung aus einem Gemisch von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid versehen ist. 4. Soot afterburner according to one of claims 1 to 3, characterized by a base body that is resistant to temperature changes, preferably cordierite, the with a porous coating made of a mixture of aluminum oxide and magnesium oxide is provided. 5. Rußnachverbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklonkammer unmittelbar hinter den Motorauslaßöffnungen angeordnet ist. 5. Soot afterburner according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the cyclone chamber is arranged immediately behind the engine outlet openings. 6. Rußnachverbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Thermofühler mit zugeordneten Anzeigevorrichtungen zur Überwachung der Einlaß- und Auslaßtemperatur des Abgases im Nachverbrenner. 6. Soot afterburner according to one of claims 1 to 5, characterized by means of thermal sensors with associated display devices for monitoring the inlet and the outlet temperature of the exhaust gas in the afterburner. Die Erfindung bezieht sich auf einen Rußnachverbrenner für Dieselmotoren mit einem Katalysator, welcher auf porösem oxidischen Trägermaterial einen aktiven Metalloxidüberzug mit Kobalt und Cer aufweist. The invention relates to a soot afterburner for diesel engines with a catalyst which has an active on a porous oxidic support material Has metal oxide coating with cobalt and cerium. Die Verbrennungsvorgänge bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen führen bislang stets nur zu einer unvollständigen Verbrennung und Umsetzung, wodurch sich Probleme mit Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und anderen Schadstoffen, wie beispielsweise Stickoxiden, ergeben. Wegen der Belastung der Umwelt durch die unverbrannten Bestandteile, insbesondere auch im Hinblick auf eine Gesundheitsgefährdung bei Menschen, ist für Benzinverbrennungsmotoren die Einführung von entsprechenden Katalysatoren vorgesehen, während Dieselmotoren bislang allgemein als besonders umweltfreundlich gelten. The combustion processes involved in the conversion of hydrocarbons so far only lead to incomplete combustion and implementation, whereby problems with carbon monoxide, unburned hydrocarbons, soot, and others Pollutants such as nitrogen oxides result. Because of the burden on the environment due to the unburned components, especially with regard to a health hazard in humans, the introduction of gasoline engines is appropriate Catalytic converters are provided, while diesel engines have so far been generally considered to be special apply environmentally friendly. Dabei wird allerdings die Gefahr des bei Dieselmotoren in erheblichem Umfang auftretenden unverbrannten Rußes verkannt, da der Ruß - insbesondere im Hinblick auf die an ihm absorbierten Schadstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe - besondere Gefahren für die menschliche Gesundheit mit sich bringt.In doing so, however, the risk of diesel engines is considerable The amount of unburned soot that occurs is misunderstood because the soot - especially with regard to on the pollutants absorbed on it, especially hydrocarbons - special Poses threats to human health. Bei einem aus der deutschen Offenlegungsschrift 30 24 491 bekanntgewordenen Katalysator für Verbrennungsmotoren der eingangs beschriebenen Art ist ein sehr weites Spektrum an Metallen aufgeführt worden, welche einzeln bzw. in Kombination miteinander den Metalloxidüberzug bilden können, wobei hinsichtlich der mengenmäßigen Zusammensetzungen keine speziellen Angaben gemacht worden sind. Umfangreiche, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden, Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß es sehr darauf ankommt, welche Materialien verwendet werden und in welchen Verhältnissen sie eingesetzt werden, da ansonsten neben der geringen katalytischen Wirkung eine erhebliche Gefahr von Selbstvergiftung gegeben ist. In one of the German Offenlegungsschrift 30 24 491 known Catalyst for internal combustion engines of the type described above is a very A wide range of metals have been listed, which individually or in combination can form the metal oxide coating with one another, with regard to the quantitative Compositions no specific information has been given. Extensive, the Investigations underlying the present invention have shown that it very much depends on what materials are used and in what proportions they are used because otherwise, in addition to the low catalytic effect, a there is a significant risk of self-poisoning. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rußnachverbrenner für Dieselmotoren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er bei einfachem Aufbau auch bei hohen Temperaturen nicht zu einer Selbstvergiftung des Katalysators neigt. The invention is therefore based on the object of a soot afterburner to be designed for diesel engines of the type mentioned so that he is with simple Build-up does not result in self-poisoning of the catalyst even at high temperatures tends. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Metalloxidüberzug durch Imprägnieren des Trägerkörpers mit einer Lösung aus thermisch leicht zersetzbaren Metallsalzen und anschließendes Brennen gebildet ist und der Metallüberzug ein Teil Kobalt und 1-3 Teile Lanthan, sowie - bezogen auf die Summe dieser Stoffe - 2 bis 20 Masse % Cer enthält und daß dem axial durchströmten Katalysator in Form eines Wabenkörpers oder einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Platten je eine zyklonförmige Ringkammer mit seitlichen Ein- bzw. Ausströmöffnungen vor- bzw. nachgeschaltet ist, in denen jeweils eine 900 Umlenkung des Gasstromes erfolgt. To solve this problem, the invention provides that the Metal oxide coating by impregnating the carrier body with a solution of thermal easily decomposable metal salts and subsequent firing is formed and the Metal coating one part cobalt and 1-3 parts lanthanum, as well as - based on the total of these substances - contains 2 to 20 mass% cerium and that the axially flowed through catalyst in the form of a honeycomb body or a large number of plates connected in series a cyclone-shaped ring chamber with lateral inlet and outlet openings in front of each or is connected downstream, in each of which a 900 deflection of the gas flow takes place. Die besondere Zusammensetzung des Metalloxidüberzuges ergibt überraschenderweise einen Katalysator, der so temperaturbeständig ist, daß er je nach Gaszusammensetzung und Aufgabe in reduzierender Atmosphäre bis zu ca. 10000C und in oxidierender Atmosphäre sogar bis zu 12000C eingesetzt werden kann. Gerade dadurch ist sein Einsatz in einem Nachverbrenner für Dieselmotoren möglich, wobei der Katalysator wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit unmittelbar nach dem Motor im Bereich der höchsten Abgastemperatur eingesetzt werden kann, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Rußumwandlung möglichst hoch zu gestalten. The special composition of the metal oxide coating surprisingly results a catalyst that is so temperature-resistant that it can, depending on the gas composition and task in a reducing atmosphere up to approx. 10000C and in an oxidizing atmosphere can even be used up to 12000C. Precisely because of this, its use is in one Afterburners for diesel engines possible, the catalyst because of its high Temperature resistance immediately after the engine in the area of the highest exhaust gas temperature can be used to reduce the rate of reaction of the carbon black conversion as possible design high. Dabei hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn der Metalloxidüberzug - bezogen auf den Gehalt an Kobalt und Lanthan - zusätzlich etwa 2-20% Eisen enthält. It has also proven to be advantageous if the Metal oxide coating - based on the content of cobalt and lanthanum - an additional approx Contains 2-20% iron.
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