DE2230663A1 - Katalytischer Konverter mit elektrisch vorerhitztem Katalysator - Google Patents

Katalytischer Konverter mit elektrisch vorerhitztem Katalysator

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Description

Katalytischer Konverter mit elektrisch vorerhitztem Katalysator
Gemäß der Erfindung wird Wärme von einer elektrischen Heizvorrichtung konduktiv durch einen monolithischen Träger auf einen auf den Oberflächen des monolithischen Trägers befindlichen Katalysator übertragen. Motorabgase, die durch den monolithischen Träger hindurchgehen, kontaktieren den erhitz ben Katalysator, was dazu beiträgt, unerwünschte Bestandteile der Abgase in weniger schädliche Bestandteile zu überführen. fErgänzungsluft wird den Abgasen·aus einem an dem Konvertereinlaß befindlichen ringförmigen Verteilungsraum zugeführt.
Durch kontinuierlich erweiterte Anti-Smog-Gesetzgebung werden zunehmende Beschränkungen bezüglich der Mengen verschiedener unerwünschter Bestandteile in den Abgasen von Kraftfahrzeugmotoren auferlegt. Die Gesetzgebung hat die Entwicklung geeigneter Katalysatoren und katalytischer Konverterkonstruktionen mit einer wirksamen Kombination von Ko-
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sten, physikalischer Größe und "wirksamer Lebensdauer für die Oxidation unerwünschter Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und zur Reduktion unerwünschter Stickstoffoxide angespornt.
Es wurden zahlreiche Verbesserungen hinsichtlich der Carburierung bzw. Vergasung, der Zündungszeit und anderer Eigenschaften sich hin- und herbewegender Motoren selbst entwickelt, um die Menge dieser unerwünschten Bestandteile in den die Verbrennungskammern verlassenden Abgasen herabzusetzen, jedoch begrenzt der von den Motoren geforderte weite Bereich von Arbeitsweisen und Bedingungen die Gesamtwirksamkeit derartiger Verbesserungen. Bestimmte vorgeschlagene Ausströmtestverfahren geben unter anderem Abgasemissionen bzw. -ausströmungen während des anfänglichen Motorstarts in einigen Fällen unter kalten Motorbedingungen an. Der Motor erfordert ein angereichertes Brennstoff-Luftgemisch während des anfänglichen Starts, und die während dieses Vorgangs erzeugten Abgase enthalten relativ hohe Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Wenn diese Eigenschaft mit der Tatsache verbunden wird, daß die zur Zeit zur Überführung derartiger.unerwünschter Stoffe zur Verfügung stehenden Katalysatoren bei niedrigen Temperaturen unwirksam sind, wird der Stoß der Startvorgänge auf die nach diesem Verfahren getestete Gesamtfahrzeugausströmungen offensichtlich.
Bei einigen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird versucht, elektrische Heizvorrichtungen anzuwenden, um die in den Konverter eintretenden Abgase zu erwärmen und dadurch die katalytische Wirksamkeit zu einem früheren Zeitpunkt einzuleiten. Derartige Erhitzungssysteme erfordern
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große Mengen an elektrischer Kraft und erzeugen relativ geringe Verbesserungen hinsichtlich des gesamten Konverterbetriebs .
Während bekannte Systeme in erster Linie auf die rasche Erhöhung der Abgastemperatur gerichtet sind, basiert die vorliegende Erfindung auf der Bedeutung der Erwärmung des Katalysators selbst auf eine relativ hohe Temperatur. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird gewöhnlich innerhalb weniger Sekunden nach dem Motorstart wirksam und erreicht dieses Ergebnis, indem der Katalysator selbst auf seinen wirksamen Temperaturbereich erhitzt wird, ohne sich auf die Temperatur der Abgase zur Erreichung dieser Erwärmung zu verlassen. Zu den Baubestandteilen dieser Vorrichtung gehören ein Gehäuse mit einem Einlaß zur Aufnahme der Abgase aus dem Motor und einem Auslaß^durch den die behandelten Abgase das Gehäuse verlassen können. Ein struktureller Träger legt einen Katalysator in dem Gehäuse fest, wo der Katalysator wenigstens einen Teil der durch das Gehäuse wandernden Abgase kontaktiert. Eine elektrische Heizvorrichtung ist in dem Gehäuse so angeordnet, daß der strukturelle Träger konduktiv beträchtliche Mengen Wärme von der Heizvorrichtung auf v/enigstens einen Teil, des Katalysators überträgt.
Wenn der Kraftfahrzeugmotor in Gang gesetzt wird, wird die elektrische Heizvorrichtung in Betrieb genommen, und die dadurch erzeugte Wärme wird rasch zu dem Katalysator geleitet, wodurch die Temperatur des Katalysators auf dessen wirksame Temperatur erhöht wird. Die katalytische Umwandlung beginnt^und die exothermen Umwandlungsreaktionen liefern zusätzliche Wärme, welche die Katalysatorwirksamkeit weiter
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verbessert und andere Teile des Katalysators auf Betriebstemperatur erhöhen. Gewöhnlich sind zu diesem Zeitpunkt auch die den Konverter erreichenden Abgase bei einer die wirksame Umwandlung fördernden Temperatur. Diese mehrfachen Faktoren stützen und ergänzen einander hinsichtlich der Erreichung einer hohen Umwandlungswirksamkeit kurz nachdem der Motor gestartet wird, wodurch die Gesamtmenge an unerwünschten Bestandteilen in den Motorabgasen während der ersten paar Betriebsminuten 'beträchtlich herabgesetzt wird.
Der Katalysator wird vorzugsweise auf den Oberflächen eines monoÜ/tMsehen Katalysatorträgers verteilt, der gegenüber den Abgasen hochporös ist. Derartige Katalysatorträger sind in typischer Weise aus keramischen Materialien mit relativ hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten gefertigt. Erhebliche Verbesserungen können erreicht werden, wenn die Katalysatorträger aus hochtemperaturbeständigen Metalllegierungen, wie beispielsweise rostfreier Stahl, Legierungen auf Nickelbasis und dergleichen, hergestellt sind. Der Katalysatorträger kann eine langgestreckte zylindrische Gestalt aufweisen, die gegenüber Abgasen, die praktisch parallel zu dessen Achse strömen, porös ist. Ein gegenüber Abgasen praktisch undurchlässiges rohrförmiges Bauteil befindet sich im Zentralteil des Katalysatorträgers, und eine aufgewickelte elektrische Heizvorrichtung ist innerhalb des rohrförmigen Bauteils angeordnet. Das rohrförmige Bauteil steht in innigem Wärmeleitkontakt mit dem Katalysatorträger, und Wärme, die auf das rohrförmige Bauteil von dem Heizelement übertragen wurde, fließt rasch nach außen auf den Katalysator. Verbesserte Ergebnisse werden erhalten, indem Kontakt zwischen den Heizspiralen und dem Inneren des rohrförmigen Bauteils während des Betriebs der Heiz-
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vorrichtimg erzeugt wird.
Konverter der Erfindung können entweder zur Reduktion von Stickstoffoxiden in den Abgasen oder zur Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid verwendet werden. Der Konverter ist wirksamer, wenn er zu Oxidationsreaktionen verwendet wird, da die zur Oxidation notwendige zusätzliche Luft den Wärmegehalt der Abgase verdünnt und dadurch den Beginn der katalytisehen Wirksamkeit weiter verzögert, wenn nur die Abgase zum Erwärmen des Katalysators eingesetzt werden. Diese Wirkung der Zusatzluft wird herabgesetzt, wenn der Katalysator im erfindungsgemäßen Konverter konduktiv erhitzt wird. Die Zusatzluft wird in einfacher Weise aus einem ringförmigen Luftverteilungsraum zugegeben, der sich in dem Einlaß zu dem Konverter befindet .
Die Zeichnung ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Konverters mit einem zylindrischen Katalysatorträger und einer zentral angeordneten Heizvorrichtung. Eine ringförmige Luftverteilungsleitung ist in dem Lufteinlaß zu dem Konverter enthalten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung umfaßt die Konvertervorrichtung der Erfindung ein rohrförmiges Gehäuse 10 mit einem konisch geformten Einlaß 12 an einem Ende und einem konisch geformten Auslaß 14 an dem anderen Ende. Der kleinere Durchmesser des Einlasses 12 ist mit einem Rohr 16 verbunden, das Motorabgase an den Einlaß abgibt. In ähnlicher Weise ist die kleinere öffnung des Auslasses 14 mit einem Rohr 18 verbunden, das die behandelten Abgase aus der Kon-
verteilvorrichtung abführt.
Eine zylindrische monolithische Katalysatorträgerstruktur ist innerhalb des rohrförmigen Gehäuses IO angeordnet. Die Trägerstruktur 20 besitzt eine Vielzahl kleiner rohrförmiger Durchgänge, die parallel zu ihren Achsen verlaufen und befähigt sind, Abgase aus dem Einlaß 12 zum Auslaß 14 zu führen. Die Oberflächen der Durchgänge enthalten fein zerteilten Katalysator, der sich zur Überführung unerwünschter Bestandteile in den Abgasen in weniger schädliche Bestandteile eignet.
Ein rohrförmiges Bauteil 24, das vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, befindet sich in dem Mittelteil der Trägerstruktur 20 und erstreckt sich durch die Trägerstruktur wie gezeigt. Das rohrförmige Bauteil 24 ist in typischer Weise aus einer Legierung auf Nickelbasis gefertigt, die 13 % Chrom und etwa 6 % Eisen enthält, und sein Äußeres steht in innigem wärmeleitendem Kontakt mit der Trägerstruktur. Ein Heizelement 26 aus elektrischem. Widerstandsdraht befindet sich 'innerhalb des rohrförmigen Bauteils 24. Das Heizelement 26 ist vorzugsweise als Wicklung oder Spirale ausgebildet und seine Wicklungen sind mit einer geeigneten Quelle elektrischer Energie, z.B. der Fahrzeugbatterie (nicht gezeigt) verbunden. Die Leitungen von dem Element sind innerhalb einer isolierten Leitung 28 angebracht, die sich durch die Wand des Einlasses 12 erstreckt.
Ein ringförmiges Bauteil 30 mit einem hutfömiigen Querschnitt ist am Äußeren des Einlasses 12 befestigt, um einen
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Raum 32 mit einem Teil der Wand des Einlasses zu begrenzen. Eine Mehrzahl von Öffnungen 34 ist rund um den Einlaß, 12 verteilt, und die öffnungen verbinden den Raum 32 mit dem Inneren des Einlasses. Ein Rohr 36 verbindet den Raum 32 mit einer geeigneten Druckluftquelle. Eine Isolierung 38 kann auf das Äußere des Gehäuses gegebenenfalls aufgebracht werden, um unangemessene Wärmeverluste während ungewöhnlichem oder ausgedehntem Betrieb zu verhindern.
Wenn der Motor in Betrieb gesetzt wird, verbindet ein Schalter (nicht gezeigt) die Fahrzeugbatterie mit elektrischen Heizelementen 26. Wärme wird von dem Element 26 zu dem rohrförmigen Bauteil 24 gestrahlt und dann durch Leitung durch die Wände der Trägerstruktur 20 auf die Katalysatorteilchen auf den Oberflächen der Durchgänge 22 übertragen. Innerhalb relativ weniger Sekunden erhöht sich die Temperatur des das rohrförmige Bauteil 24 unmittelbar umgebenden Katalysators auf etwa 5000C, wobei an diesem Punkt der Katalysator ausreichend aktiv ist, um seine Umwandlungsfunktion zu erfüllen.
Die katalytische Umwandlung beginnt und -die Wärme aus der exothermen Umwandlungsreaktion vereinigt sich mit der Wärme aus der Heizvorrichtung, um andere Teile des Katalysators in Aktion zu bringen. Die Temperatur der den Konverter erreichenden Abgase erhöht sich auch in der Zwischenzeit, so daß innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums der gesamte Katalysator wirksam wird und der gesamte Konverterbetrieb normale Wirksamkeit erreicht.
Ergänzungsluft zur Verwendung bei einer oxidativen Umwandlung kann dem Luftraum 32 unmittelbar nach dem Start des Mo-
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tors oder wenige Sekunden nachdem die Erwärmung des Katalysators durch die elektrische Heizeinrichtung einsetzt*. . zugeführt werden. Zurückhaltung der. Zusatzluft für einige Augenblicke beschleunigt die Katalysatorauf wärmung, jedoch rechtfertigt die geringfügige Verbesserung gewöhnlich nicht die zusätzlichen Kosten für die notwendige Kontrolleinrichtung. Öffnungen 34 können angeordnet sein, um den Hauptteil der Zusatzluft ,zu den durch die Peripherie der Trägerstruktur 20 strömenden Abgasen zu verteilen; die Zusatzluft stört dann nicht merklich die anfängliche Erwärmung des Katalysators angrenzend an das rohrförmige Bauteil 24, weil die durch die Umwandlungsreaktion, die durch den Katalysator angrenzend an das rohrförmige Bauteil katalysiert wird, erzeugte Wärme den Kühleffekt der Zusatzluft rasch beseitigt.
Nach wenigen Betriebsminuten werden die Wärme aus der Umwandlungsreaktion und die der erwärmten Abgase ausreichend, um den Katalysator bei einer wirksamen Betriebstemperatur zu halten, und die dem Heizelement 26 zugeführte elektrische Energie kann abgebrochen werden. Geeignete Temperaturfühleinrichtungen können eingeschlossen werden, um den Strom der elektrischen Energie zu dem Heizelement automatisch anzuhalten.
Verbesserte Ergebnisse Virerden erreicht, indem die Heizwicklung in Kontakt mit dem Inneren des rohrförmigen Bauteils gehalten wird, während elektrische Energie der Heizspirale zugeführt wird. Dies kann erfolgen, ohne daß die Konverteranordnung ernsthaft kompliziert wird, indem die Spirale und das rohrförmige Bauteil so ausgebildet werden, daß die anfängliche Wärmeausdehnung der Wicklung einen kleinen ra-
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dialen Spielraum, der "bei Raumtemperatur existiert, auslöscht.
Zu geeigneten Katalysatoren, die sich in einem oxidierenden Konverter eignen, gehören Platin, Palladium, Kupferoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid und zahlreiche andere Elemente und Zusammensetzungen. Verschiedene dieser Materialien kataysieren auch Stickstoffoxid-Reduktionsreaktionen.
Vergleichsversuche des erfindungsgemäßen Konverters mit einem ähnlichen Konverter,·jedoch ohne elektrische Heizvorrichtung zeigen Herabsetzungen an Kohlenmonoxid von fast 50 % während eines Testzeitraums von 3 Minuten. Die Heizvorrichtung wurde während der ersten 2 Minuten des Versuchs betrieben und ihr gesamter elektrischer Energiebedarf betrug 40 Wattstunden. Erhebliche Verminderungen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen wurden gleichfalls erreicht.
Die Erfindung liefert somit eine rasch wirksam werdende Vorrichtung zur Umwandlung unerwünschter Abgasbestandteile nach dem Motorstart. Durch konduktive Wärmeübertragung von einer elektrischen Heizvorrichtung auf den Katalysator selbst v/erden auch die elektrischen Energieerfordernisse herabgesetzt.
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Claims (7)

- ίο - Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Umwandlung unerwünschter Bestandteile von Abgasen aus einem Kraftfahrzeugmotor in weniger schädliche Bestandteile, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit einem Einlaß (12) zur Aufnahme von Abgasen aus dem Motor und einem Auslaß (14) zum Entfernen der Abgase aus dem Gehäuse, in dem Gehäuse angeordnete Katalysatoreinrichtungen (20, 24)j wo wenigstens ein Teil der durch das Gehäuse wandernden Abgase die Katalysatoreinrichtungen kontaktieren, wobei die Katalysatoreinrichtungen einen Katalysator zur Verbesserung der Umwandlung der unerwünschten Bestandteile in den Abgasen und elektrische Heizeinrichtungen zur konduktiven Wärmeübertragung auf wenigstens einen Teil des Katalysators unter Verbesserung der Wirksamkeit des Katalysators enthalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung ein gegenüber Abgasen poröses monolithisches Trägermittel (20) enthält und der Katalysator auf der Oberfläche des Trägermittels verteilt ist, wobei die Heizeinrichtungen in leitendem Kontakt mit dem Trägermittel stehen und über das Trägermittel auf den Katalysator konduktiv Wärme übertragen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung eine langgestreckte zylindrische Form aufweist, die gegenüber parallel zu ihrer Achse strömenden Abgasen porös ist und die Heizvorrichtung in dem Mittelteil der zylindrisch geformten Katalysator-
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- li -
einrichtung angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine zylindrische Form aufweist und sich im wesentlichen durch die Katalysatoreinrichtung erstreckt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein gegenüber Abgasen praktisch undurchlässiges rohrförmiges-Bauteil (24) in innigem wärmeleitendem Kontakt mit dem monolithischen Träger G>0), wobei das rohrförmige Bauteil aus Metall gefertigt ist,und ein innerhalb des rohrförmigen Bauteils angeordnetes elektrisches Heizelement (26) aufweist, wobei das Heizelement mit dem rohrförmigen Bauteil in Kontakt steht, wenn elektrische Energiedem Heizelement zugeführt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen die Katalysatoreinrichtung umgebenden rohrförmigen Teil und einen den Einlaß (12) für das Gehäuse bildenden konischen Teil aufweist, wobei der konisch geformte Teil mit seinem größeren Ende mit dem rohrförmigen Teil verbunden ist und Sekundärluft-Zufuhreinrichtungen zur Zuführung von Sekundärluft zu den durch den konischen Teil strömenden Abgasen aufweist, wobei die Sekundärluft-Zufuhreinrichtungen ein einen ringförmigen Raum (32) mit dem konisch.geformten Teil begrenzendes ringförmiges Bauteil (30), wobei der ringförmige Raum mit dem Inneren des konisch geformten Teils durch eine Mehrzahl von im Abstand befindlichen Öffnungen (34) in Verbindung steht, und Einrichtungen (36) zur Zuführung von Sekundärluft zu dem ringförmigen Raum enthält.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen ein gegenüber Abgasen praktisch undurchlässiges rohrförmiges Bauteil (24) in innigem wärmeleitenden Kontakt mit der Katalysatoreinrichtung, wobei das rohrförmige Bauteil aus Metall gefertigt ist,und ein innerhalb des rohrförmigen Bauteils angeordnetes elektrisches Heizelement (26) aufweist, wobei das Heizelement mit dem rohrförmigen Bauteil^ in Kontakt steht, wenn elektrische Energie zu dem Heizelement zugeführt wird.
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