DE2230663B2 - Vorrichtung zur katalytischer^ Umwandlung von Bestandteilen der Abgase aus einem Kraftfahrzeugmotor - Google Patents

Vorrichtung zur katalytischer^ Umwandlung von Bestandteilen der Abgase aus einem Kraftfahrzeugmotor

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Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur fcatalytisehen Umwandlung von Bestandteilen der \bgase aus einem Kraftfahrzeugmotor in eine wenige1' 1 ■ Schädliche Art. mit einem innerhalb eines Gehäuse· von den Abgasen durchströmten Katalysator und einem elektrischen Heizelement /ur kondukliv-en Wärmeübertragung auf wenigstens einen Teil des Katalysators, die dadurch gekennzeichnet ist. daß der Katalysa- .(<. tor auf der Oberfläche eines gegenüber Abgasen porösen monolithischen Trägers von langgestreckter zylindrischer Form verteilt ist und daß mittig im Katalysator träger ein gegenüber Abgasen undurchlässiges Rohr mit darin befindlichem elektrischem Heizelement an- v· geordnet ist.
Gemäß der Erfindung wird Wärme von einem elektrischen Heizelement konduktiv durch einen monolithischen Träger auf einen auf den Oberflächen des monolithischen Trägers befindlichen Katalysator übertragen, ss Motorabgase, die durch den monolithischen Träger hindurchgehen, berühren den erhitzten Katalysator, was dazu beiträgt, unerwünschte Bestandteile der Abgase in weniger schädliche Bestandteile zu überführen. Ergänzungsluft wird den Abgasen aus einem am Einlaß <>o der Umwandlungsvorrichtung befindlichen ringförmigen Verteilungsraum zugeführt.
Bei einigen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird versucht, elektrische Heizvorrichtungen anzuwenden, um die in die Umwandlungsvorrichtung einlre- <>s tcndcn Abgase zu erwärmen und dadurch die katalytische Wirksamkeit zu einem früheren Zeitpunkt einzuleiten. Derartige Erhitzungscinrichtungen, die nicht die erfindungsgemäße Kombination von Katalysatorträger und in einem gegenüber Abgasen praktisch undurcnlässigen Rohr angeordneter elektrischer Heizvorrichtung aufweisen, erfordern große Mengen an elektrischer Kraft und erzeugen relativ geringe Verbesserungen hinsichtlich des gesamten Betriebs der Umwandlungsvorrichtung. Dagegen wird durch die erfindungsgemäße konstruktive Anordnung auf Grund des engen Wärmeleitkontakts zwischen Rohr und Katalysator ein rascher Wärmeübergang erreicht; somit werden die Wirksamkeit und Lebensdauer der Vorrichtung erhöht.
Während bekannte Einrichtungen in erster Linie auf die rasche Erhöhung der Abgastemperatur gerichtet vind. basiert die vorliegende Erfindung auf der Erwärnvjn'g 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 wi-^-m.-n Temperaturbereich erhitzt wird, ohne sich auf die Temperatur d-.'r Abiiase /ur Erreichung dieser Erwärmung zu verlassen. Zu den Baubeslandteilen dieser Vorrichtung gehören ein Gehäuse mit einem Einlaß zur Aufnahme der Abgase aus dem Motor und einem Auslaß durch den diJ behandelten Abgase das Gehäuse verlassen können. Ein Träger legt einen Katalysator im Gehäuse fest, wo der Kataiysaor mit wenigstens einem Teil der durch das Gehäuse wandernden Abgase in Berührung kommt. Ein elektrisches Heizelement ist im Gehäuse s> > angeordnet, daß der Träger konduktiv beträchtliche Mcntnn Wärme vom Heizelement auf wenigstens einen Teil des Katalysators überträgt.
Wenn der Kraftfahrzeugmotor in Gang gesetzt wird, wird das elektrische Heizelement in Betrieb genommen und die dadurch erzeugte Wärme wird rasch zum Katalysator geleitet, wodurch dessen Temperatur bis /ur Wirksamkeit erhöht wird. Die kiiUiKtische Umwandlung beginnt und die exothermen Umwandlungsreaktionen liefern zusätzliche Wanne, w..iche die Katalysatorwirksamkeit weiter verbessert und andere Teile des Katalvsaiors auf Betriebstemperatur erhöht. Gewöhnlich befinden sich zu diesem Zeitpunkt auch die die Umwundlungsvorrichtung 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 wahrend der ersten paar Betriebsminuten beträchtlich herabgesetzt wird.
Der Katalysator wird vorzugsweise auf den Oberflächen eines monolithischen Katalysatorträgers verteilt, der gegenüber den Abgasen hochporös ist. [Derartige Katalysatorträger sind aus keramischem Material mit relativ hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten gefertigt. Erhebliehe Verbesserungen können erreicht werden, wenn die Katalysatorträger aus hochtemperaturbeständigen Metallegierungen, wie beispielsweise rusifreiem Stahl, Legierungen auf Nickelbasis u. dgl., 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 Rohr befindet sich im Zeniraltcil des Katalysatorträgers und eine aufgewickelte elektrische Heizvorrichtung ist innerhalb des Rohrs angeordnet. Das Rohr
steht in innigem Wärmeleitkoniaki mn dem Katalysatorträger und Wärme, die aul das Ki ihr ν ι in dem Heizelement übertragen wurde, fließt rasch nach aulk·η aiii den Katalysator. Verbesserte Ergebnisse werden erhalten, indem Kontakt /wischen den I lei/spiralen und s dem Inneren des Rohrs während des Betriebs der Heizvorrichtung erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße llmwandlungsvorrichiung kann entweder zur Reduktion von Stickstoffoxiden in den Abgasen oder zur Oxidation unverbrannter KoIi- n> lenWasserstoffe und Kohlenmonoxid verwendet werden; sie wird wirksamer zu Oxidationsreaktionen verwendet, da die zur Oxidation notwendige zusätzliche Luft den Wärmegehalt der Abgase verdünnt und dadurch den Beginn der katulytischen Wirksamkeit \er- is zögert, wenn nur die Abgase zum Erwärmen des Katalysators eingesetzt werden. [Diese Wirkung tier Zusatzluft wird herabgesetzt, wenn der Katalysator erfindungsgemäß konduktiv erhitzt wird. Die Zusatzluft u ird in einfacher Weise aus einem ringförmigen Lull- :■-, verteilungsraum zugegeben, der sich im l.inlaß der t :mw .ι nd lungs vorrichtung befindet.
Die Zeichnung ist eine Schnittansichi einer ei fm dungsgemäßen I'mwandlungsvorrichtung mit einem zylindrischen Katalysatorträger und einer zentral an- >geordneten Heizvorrichtung. Hine ringlörmige l.ufiverteilungsleitung lsi im Luiieinlaß /υ Jicser Umwandlungsvorrichtting en ι ha Il en.
I Inter Bezugnahme auf die Zeichnung umfaßt die llniwyndlungsvorrichtung der Erfindung ein rohriorim- ;.. ges Gehäuse 10 mit einem konisch erweiterten Euüaß 12 an einem Ende und einem konisch verengten Λιγ·ι;ιΙ.Ϊ 14 am anderen Ende. Der kleinere Durchmesser tics 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 I :mw and Iu ng s vor rieh tu ng abführt.
Innerhalb des rohrförmigen Gehäuses IO :-; cn z\- iindnsche. monolithischer Katalysatorträger 20 .in- .j· geordnet, der eine Vielzahl kleiner rohrfömnger Durchgänge 22 aufweist, die parallel zur Gehanseachse verlaufen und Abgase aus dem Einlaß 12 zum Auslaß 14 fuhren. Die Oberfläche der Durchgänge enthalten einen fein verteilten Katalysator, der sich zur Uberlührung von unerwünschten Bestandieilen der Abgase in eine weniger .schädliche Art eignet.
Hin Rohr 24. das vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist. erstreckt sich durch den Trager 20 und steht in innigem wärmeleiien- >o dem Kontakt mit diesem. Es besteht aus einer Legierung von Nickel. 13% Chrom und etwa 6% Eisen. Ein mit einer Quelle elektrischer Energie, z. B. tier Fahrzeugbatterie (nicht gezeigt) verbundenes Heizelement 26 aus elektrischem Widerstandsdraht befindet sich in- ^ nerhalb des Rohrs 24. Eis ist vorzugsweise als Wicklung oder Spirale ausgebildet. Die Zuleitungen des Elements Sinti innerhalb einer isolierten Leitung 28 angebracht, tlie sich durch die Wand ties Einlasses 12 erstreckt.
Em ringförmiges Bauteil 10 !unförmigen Querschnitts ist am Einlaß 12 außen so befestigt, daß ein Ringraum 12 mit einem Teil der Wand des Einlasses begrenzt wird. An dieser Stelle ist rund um den Einlaß 12 eine Mehrzahl von öffnungen 34 verteilt, die den Raum 32 mit dem Inneren des Einlasses verbinden. Ein Rohr 36 verbindet den Raum 32 mit einer Druckluftquelle. Eine Isolierung 38 kann gegebenenfalls aul das Äußere des Gehäuses aufgebracht werden, um Wärmeverluste zu vermindern.
Wenn im Betrieb des Motors ein Schulter (nicht gezeigt) die Fahrzeugbatterie mit dem elektrischen Heizelement 26 verbindet, wird Wärme von diesem /um Rohr 24 gestrahlt und dann durch die Wände des Trägers 20 auf die Katalysatorteilchen auf den Oberflächen der Durchgänge 22 geleitet. Innerhalb relativ weniger Sekunden erhöht sich die Temperatur des das Rohr 24 unmittelbar umgebenden Katalvsators auf etwa 500 C. der damit ausreichend aktiv ist, um seine Umwandlungsfunkiion zu erfüllen.
Die vVarmc aus der exothermen l!mw jndlungsre.ikiiiin vereinigt sich mit der Warme aus der Heizvorrichtung, wodurch andere Teile des Katalysators in Ak'mii gebracht werden. In der Zwischenzeit hat ich auch die Temperatur der der Umwandlungsvorrichtung zuströmenden Abgase erhöht, so daß innerhalb eine1- sehr kurzen Zeitraums der gesamte Kaialvsator wirksam wird.
Zusatzluft fur eine oxidative Umwandlung kann dem Luftraum 32 unmittelbar nach ι1<·ιη Siari des Motors oder wenige Sekunden, nachdem die Erwärmung des Katalysators durch die elektrische Heizeinrichtung ein •setzt, zugeführt werden. Zurückhaltung der Zusat/liil; IVir einige Augenblicke beschleunigt die Katalvsatonuil w,irmiing. jedoch rechtfertigt die geringfügige Verbesserung gewöhnlich nicht die zusätzlichen Kosten für die notwendige Steuereinrichtung. !Die Öffnungen 34 können so ,ingeordnet sein, daß der llaiiptteil tier Zusatzluft /w Jen Randbereichen ties Träger., 20 strömt: die Zusatzluft stört dann nicht merklich die anlängliche Erwärmung ties Katalysators nahe dem Rohr 24. weil hier die durch die Umwandlungsreakiion erzeugte Wärme den Kühleffekt tier Zusatzluft risch beseitigt.
Nach wenigen Betriebsminuten ist die Wärme aus der Uniw andlungsreaktion und tier Abgase ausreichend, um den Katalysator auf einer wirksamen Betriebstemperatur zu halten, so daß dem 1 leizelement 26 keine elektrische Energie mehr zugeführt werden muH. Geeignete Temperaturfühler können die Zufuhr elektrischer Energie zum Heizelement abschalten.
Verbesserle Ergebnisse werden erreicht, indem die Heizwicklung in Kontakt mit dem Inneren des Rohrs 24 gehalten wird, während ihr elektrische Energie /\i geführt wird. Dies kann in einfacher Weise dadurch errcicii! werden, '.laß zwischen Heizwicklung und Rohr bei Raumtemperatur ein kleiner radialer Spalt besteht, tier bei tier anfänglichen Wärmeaiisdehnung tier Wick lung verschwi ,del.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur katalytischer! Umwandlung von Bestandteilen der Abgase aus einem Kraftfahrzeugmoior in eine weniger schädliche Art, mit einem innerhalb eines Gehäuses von den Abgasen durchströmten Katalysator und einem elektrischen Heizelement zur konduktiven Wärmeübertragung auf wenigstens einen Teil des Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator auf der Oberfläche eines gegenüber Abgasen porösen monolithischen Trägers von langgestreckter zylindrischer Form verteilt ist und daß mitiig im Katalysatorträger ein gegenüber Abgasen undurchlässiges Rohr (24) mit darin befindlichem elektrischem Heizelement (26) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenr. zeichnet, daß das Rohr (24) aus Metali besteht und daß in ihm da·- spiralförmig ausgebildete Hcizeie- n. ment (26) mit einem solchen Radialspalt angeordnci ist. daß er bei Betriebstemperatur \erschv> indei.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurjh gekennzeichnet, daß das Gehäuse in bekannter Weise einen den Katalysator umgebenden rohrlor- ;* migcn Teil und einen den Abgaseinlaß bildende,; konisch erweiterten Teil (12) und einen den Abgasauslaß bildenden konisch verengten Teil (14) aufweist, wobei der Abgaseinlaß Durchtriitsöffnungen (34) und ein dice umhüllendes ringförmiges Bauteil i; (30) !unförmigen Querschnitts aufweist, das zur Zufuhr von Zusatzluft mit einem R -hr (36) verbunden ist.
DE2230663A 1971-06-22 1972-06-22 Vorrichtung zur katalytischen Umwandlung von Bestandteilen der Abgase aus einem Kraftfahrzeugmotor Expired DE2230663C3 (de)

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