DE2307215A1

DE2307215A1 - Einrichtung zur katalytischen abgasreigigung

Info

Publication number: DE2307215A1
Application number: DE19732307215
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl-Ing Joehren; Peter Maennel; Joachim Neumann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1974-08-22
Also published as: JPS49113025A

Description

Einrichtung zur katalytischen Bbgasreinigung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines monolithischen Katalyaators, wobei auf der Zu- und Abströmseite des Gehäuses kammerartige Erweiterungen bildende Übergangsstücke zum Anschluß an eine im Querschnitt kleinere Abgasleitung vorgesehen sind.
Um die in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von giraftfahrzeugmotoren, enthaltenen Schadstoffezu beseitigen, ist es seit langem bekannt, der Brennkraftmåschine eine katalytisch wirksame Nachverbrennungsanlage nachzuschalten.
Bei einer derartigen Anlage werden die in den Abgasen enthaltenen, im wesentlichen aus Kohlenmonoxyd, unverbrannten Eohlenwasserstoffen und Stickoxyden bestehenden Schadstoffe in Anwesenheit von die Verbrennungsreaktion fördernden und aufrechterhaltenden Katalysatormassen verbrannt. Diese, beispielsweise aus Edelmetallen der Platingruppe bestehenden Katalysatormassen sind im allgemeinen als Überzüge auf einem keramischen Trägermaterial angeordnet, wobei das Trägermaterial in Form von Schüttgut oder als Feststoffkörper (Monolith) mit durchgehenden Kanälen ausgebildet sein kann. Während bei einem Schüttgutkatalysator das die schädlichen Gasbestandteile mitführende Abgas zwischen den einzelnen, mit Katalysatormasse überzogenen Schüttgutteilchen hindurchtritt, strömt das Abgas bei einem Monolith-Katalysator durch die im Trägerkörper angeordneten, durchgehenden Kanäle. Der Durchtritt des Abgases ist dabei stets mit einem Druckverlust verbunden, der zu einer V-erminderung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt. Um nun den durch die Katalysatoren verursachten Druckverlust möglichst gering zu halten, wird die Querschnittsfläche der Katalysatoren wesentlich größer gewählt als die Querschnittsfläche der das Abgas zu- und abführenden Rohrleitungen.
Es hat sich nun gezeigt, daß für die Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, mit Vorteil monolithische Katalysatoren verwendet werden. Diese monolithischen Katalysatoren sind bei bekannten Abgasreinigunsanlagen in einem zylindrischen Gehäuse gehalten, das in einer das Abgas führenden Leitung eingeschaltet ist und ein zylindrisches, den Monolith-Katalysator umgebendes Mittelteil sowie an der Zu- und Abströmseite jeweils ein kegelstumpfförmig ausgebildetes Übergangsstück zu den mit fluchtenden Achsen angeordneten Abgaszu- und -ableitungen aufweist.
Bei der Durchströmung eines derartigen Katalysatorgehäuses ergibt sich aufgrund der Querschnittsverhältnisse bim Ubergang.von dem Abgaszuführungsrohr mit kleinem Durchmesser zu dem Katalysator mit größerem Durchmesser in dem zuströmseitigen Ubergangsstück eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Durch die Geschwindigkeitsverringerung wird in dem diffusorartigen Übergangs stück ein Druckanstieg in Strömung richtung erzeugt, der die Gefahr einer Ablösung der Strömung von der Wand hervorruft. Es bildet-sich dann in dem Ubergangsstück ein torusförmiger Wirbel aus, der zu einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung am Eintritt in den Katalysator führt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist dabei im mittleren Bereich des Katalysators am größten und nimmt in etwa in dem radial äußeren Bereich des Katalysators nahezu sprunghaft ab, der sich in Strömungsrichtung gesehen nicht mehr mit der Querschnittsfläche der Abgaszuleitung deckt.
Besonders nachteilig wirkt sich diese Geschwindigkeitsverteilung bei monolithischen Katalysatoren aus, da deren durchgehende Kanäle nicht untereinander verbunden sind, so daß das Geschwindigkeitsprofil des dem Katalysator zuströmenden Abgases über die gesamte Länge des Katalysators erhalten bleibt. Da also die Geschwindigkeit des Abgases im mittleren Bereich des Katalysators wesentlich größer ist als in dessen Randbereich, tritt in der Mitte auch eine wesentlich größere Gasmenge und damit eine größere Menge an zu verbrennenden Schadstoffanteilen hindurch.
Dadurch werden die Randbereiche des Katalysators hinsichtlich der chemischen Umsetzung nur schlecht genutzt, was sich auf den Gesamtwirkungsgrad des gatalysators negativ auswirkt.
Darüber hinaus erfolgt die Umwandlung der im Abgas herangeführten Schadstoffe in unschädliche Gasbestandteile exotherm, so daß die bei der Umwandlung freiwerdende Wärme und damit auch die Wärmebelastung des Katalysators in seinem Mittelbereich um ein Vielfaches größer ist als in seinen Randzonen. Da aber im Mittelbereich des Katalysators, anders als in dessen Ranizonankaum Möglichkeiten zur Abfuhr der dort entstehenden Wärme gegeben sind, können sich im achsnahen Bereich des Katalysators so hohe Temperaturen einstellen, daß die katalytisch wirksamen Schichten beschädigt oder zumindest durch thermische Uberbelastung unwirksam gemacht werden. Somit wird die Wirksamkeit der gesamten Abgasreinigungsanlage entscheidend beeinträchtigt, zumal gerade dieser Bereich des Katalysators die Hauptlast der chemischen Umsetzung der Schadstoffanteile trägt.
Wegen der besonders beengten Raumverhältnisse in Kraftfahrzeugen ist es auch nicht möglich, die aus der unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilung in dem Übergangs stück herrührenden Schwierigkeiten durch eine Verkleinerung des Steigungswinkels des diffusorartigen Ubergangsstückes zu beheben, da mit einer derartigen Maßnahme eine nicht tragbare Vergrößerung der axialen Länge des Katalysatorgehäuses verbunden wäre.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Einrichtung der eingangs bezeichneten Art zur Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugmotoren, zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln die vorstehend genannten Schwierigkeiten beseitigt werden. Insbesondere wird eine bessere Ausnutzung des gesamten Querschnitts des monolithischen Katalysators durch eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsbeaufschlagung unter gleichzeitiger Verringerung der Gefahr der örtlichen Überhitzung des Katalysators angestrebt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß ein die kammerartige Erweiterung auf der Zuströmseite des Gehäuses unterteilender, mit Abstand zu dem Katalysator angeordneter Einsatz vorgesehen ist, der bis auf einen radial inneren Bereich mit Durchbrüchen zum Durchtritt des Abgases versehen ist. Durch die von der Erfindung vorgeschlagene Anordnung eines mit Durchbrüchen versehenen Einsatzes, dessen radial innerer, geschlossener Bereich vorzugsweise wenigstens 30 % der Fläche des Abgasleitungsquerschnitts einnimmt, und der die kammerartige Erweiterung auf der Zuströmseite des Gehäuses in zwei annähernd gleichgroße Kammern unterteilen soll, wird nun erreicht, daß der Katalysator von einem Abgasstrom beaufschlagt wird, dessen Geschwindigkeitsprofil über den Durchmesser nahezu konstant ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung soll der Einsatz ein koaxial in das Übergangsstück hineinreichendes, kegelstumpfförmig ausgebildetes Lochblechteil aufweisen, das mit seinem radial äußeren Ende an dem Gehäuse befestigt ist und an dessen radial innerem Ende sich eine geschlossene, konvex gekrümmte Kappe anschließt. Dabei soll zweckmäßigerweise der Steigungswinkel des kegelstumpfförmigen Lochbechteils größer als der des Übergangsstückes sein. Diese Ausbildung des in das konische Übergangsstück hineinreichenden Einsatzes bewirkt nun, daß der aus dem Abgaszuführungsrohr in das Übergangs stück des Katalysatorgehäuses austretende Abgasstrahl so abgelenkt und unter Ausnutzung des gesamten in der ersten Kammer zur Verfügung stehenden Raumes verbreitert wird, daß er nach dem Durchtritt durch die in dem kegelstumpfförmigen Lochblechteil vorgesehenen Durchbrüche und der Mischung in der zweiten Eammer eine gleichmäßige Energieverteilung über die gesamte Katalysatorstirnfläche bewirkt. Besonders wenn der Außendurchmesser des kegelstumpfförmigen Lochblechteils noch größer als der des monolithischen Katalysators gewählt ist, ergeben sich auch in den radial äußersten Kanälen des monolithischen Katalysators noch im wesentlichen die gleichen Abgasgeschwindigkeiten, die auch in den achsnahen Kanälen des Katalysators anzutreffen sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß am radial äußeren Ende des kegelstumpfförmigen Lochblechteils ein an der Innenkontur des Gehäuses anliegendes zylindrisches Führungsteil vorgesehen ist. Dieses zylindrische Führungsteil am radial äußeren Umfang des Einsatzes kann als Zentrierelement bei der Fertigung des zylindrischen Mittelteils des Katalysatorgehäuses mit Vorteil verwendet werden. Dieses zylindrische.Führungsteilkann außerdem einen radial nach innen gerichteten Kragen aufweisen, der zur Halterung und als Wärmeschutz für die bei derartigen Abgasreinigungsanlagen zwischen dem Katalysator und dem Katälysatorgehäuse angeordneten elastischen Einlagen dient.
Schließlich kann es auch von Vorteil sein, wenn ein weiterer Einsatz in der kammerartigen Erweiterung auf der Abströmseite des Gehäuses vorgesehen ist.
Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Längsschnitt durch eine katalytische Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen. Dabei ist mit 1 ein Katalysatorgehäuse von beispielsweise kreisförmigem Querschnitt gezeigt, das aus einem zylindrischen Mittelteil 2 zur Aufnahme eines von einer elastischen, beispielsweise aus einem keramischen Fasermateriai bestehenden Ummantelung umgebenen monolithischen Katalysators 3 sowie aus sich konisch verjungenden Übergangsstücken 5 und 6 besteht. An den Stirnseiten des Gehäuses 1 sind jeweils Flansche 7 vorgesehen, mittels derer die auch als Konverter bezeichnete katalytische Abgasreinigungsanlage an eine mit Flanschen 9 versehene Abgasleitung 8 einer Brennkraftmaschine angescnlossen werden kann.
Die durch das konische Übergangsstück 5 gebildete Eintrittskammer des Katalysatorgehäuses 1 ist durch einen mit Abstand zu dem Katalysator 3 angeordneten Einsatz 10 in zwei annähernd gleichgroße Rammern 16 und 17 aufgeteilt, wobei die Rammer 16 als Mischkammer und die Kammer 17 als Verteilungskammer bezeichnet werden soll. Der Einsatz 10 zeigt ein kegelstumpfförmig ausgebildetes Lochblechteil 11, das gleichmäßig über die Fläche verteilt Durchbrüche 12 zum Durchtritt des in Richtung der Pfeile 20 strömenden Abgases aufweist. In dem radial inneren, also achsnahen Bereich, geht das kegelstumpfförmige Lochblechteil 11 in eine konvex gekrümmte Kappe 13 mit einer geschlossenen Oberfläche über. Diese geschlossene, beispielsweise kugelschalenförmig ausgebildete Kappe soll etwa 30 bis 40 % der Querschnittsfläche der Abgaszuführungsleitung 8 abdeoken und einen direkten, ungehinderten Durchtritt dieses Teils des Abgasstrahles verhindern. An seinem radial äußeren Ende geht das kegelstumpfförmig ausgebildete Lochblechteil 11 in ein an dem zylindrischen Gehäuseteil 2 anliegendes zylindrisches Führungsteil 14 über, das an seiner der Strömung abgewendeten Seite einen radial nach innen gerichteten Kragen 15 aufweist.
Der von der Erfindung vorgesehene, mit einer stumpfen Kappe versehene kegelförmige Einsatz 10, dessen Eegelwinkel größer als der des gbergangsstückes 5 ist, teilt nun den aus der Abgaszuführungsleitung 8 in das tibergangsstück 5 des Katalysatorgehäuses 1 eintretenden Abgasstrahl auf und drängt ihn in die radial äußeren Zonen des diffusorartigen tlbergangsstückes 5, wodurch eine Ablösung von der Wand verhindert wird. Aus der Verteilungskammer 17 tritt das Abgas dann durch die große Zahl der in dem Lochblech 11 angeordneten Durchbrüche 12 in Form kleiner Einzelstrahlen in die Mischkammer 16 ein, wo sie nach ihrer Mischung eine gleichmäßige Energieverteilung der Abgasströmung über den gesamten Katalysatorquerschnitt ergeben. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, sollte der Einsatz 10 einen ausreichend großen Abstand von der Katalysatorstirnfläche aufweisen und der äußere Durchmesser des kegelförmigen Lochblechteiles 11 sollte größer als der Durchmesser des Katalysators sein, damit sich die erwünschte gleichmäßige Energieverteilung der Abgasströmung auch in den radial äußeren Zonen des Katalysators 3 einstellt.
In dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch in der kammerartigen Einschnürung 6 auf der Abströmseite des Gehäuses 1 ein derartiger Einsatz 10 vorgesehen, der zwei Teils kammern 18 und 19 ausbildet. Diese Anordnung eines zweiten Einsatzes auf der Abströmseite kann eine weitere Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils in dem Katalysator 3 bewirken; jedoch sind auch ohne diesen zweiten Einsatz günstige Ergebnisse erzielbar. So hat sich bei der erfindungsgemäßen Ausführung einer Abgasreinigungsanlage gezeigt, daß durch den Einbau eines derartigen Einsatzes auf der Zuströmseite die Geschwindigkeit in den durchgehenden Kanälen des Katalysators über den gesamten Querschnitt im wesentlichen gleich groß war. Bei dieser Anlage hatte die Abgaszuführungsleitung einen Durchmesser von 51 mm, während der Katalysator 103 mm und das Katalysatorgehäuse 116 mm im Durchmesser maßen. Der Kegelwinkel des aus einem genormten 3 mm - Lochblech bestehenden Einsatzes betrug 450 gegenüber 300 des Übergangsstückes und die innere, geschlossene Kappe des Einsatzes hatte einen Durchmesser von 30 mm. Bei diesen Verhältnissen ergab sich bei einer Versuchsmessung mit Luft und einer Durchsatzmenge von 200 m3/h ein Druckverlust von weniger als 30 mm WS, also ein verhältnismäßig niedriger und durchaus tragbarer Wert.
Obwohl die in der Zeichnung gezeigte Ausführung des Katalysatorgehäuses einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen soll, ist es ohne weiteres möglich, den erfindungsgemäßen Einsatz auch bei anderen Querschnittsformen vorzusehen. Auch in diesen Fällen kann ein derartiger Einsatz, dessen Querschnitt dann der Querschnittsform des Katalysatorgehäuses angepaßt sein müßte, dazu dienen, den durch eine Abgaszuführungsleitung zugeführten Abgasstrahl gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt des Katalysators zu verteilen.
Durch eine derartige, mit der Erfindung erzielbare Vergleichmäßigung der Geschwindigkeits- und Energieverteilung der Abgasströmung über den Querschnitt des Katalysators wird nun erreicht, daß die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des Eatalysators ausgenutzt wird, so daß ein sehr hoher Wirkungsgrad entsteht. Darüber hinaus werden die eingangs beschriebenen Gefahren einer örtlichen Überhitzung der Katalysatormitte vermieden, ohne daß die Baulänge der katalytischen Abgasreinigungsanlage vergrößert werden müßte.

Claims

Ansprüche

0 Einrichtung zur katalytischen Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem.Gehäuse zur Aufnahme eines monolithischen Kata lysators, wobei auf der Zu- und Abströmseite des Gehäuses kammerartige Erweiterungen bzw. Einschnürungen bildende Übergangsstücke zum Anschluß an eine im Querschnitt kleinere Abgasleitung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein die kammerartige Erweiterung auf der Zuströmseite des Gehäuses (i) unterteilender, mit Abstand zu dem Katalysator (3) angeordneter Einsatz (10) vorgesehen ist, der bis auf einen inneren Bereich mit Durchbrüchen (12) zum Durchtritt des Abgases versehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere, geschlossene Bereich des Einsatzes (10) wenigstens 30 % der Querschnittsfläche der Abgasleitung (8) einnimmt.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kammerartige Erweiterung auf der Zuströmseite des Gehäuses (1) durch den Einsatz (10) in zwei annähernd gleichgroße Kammern (16, 17) unterteilt ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (10) ein in das Übergangsstück (5) hineinreichendes, kegelstumpfförmig ausgebildetes Lochblechteil (11) aufweist, das mit seinem radial Beren Ende an dem Gehäuse befestigt ist und an dessen radial innerem Ende sich eine geschlossene, konvex gekrümmte Kappe (13) anschließt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel des kegelstumpfförmigen Lochblechteils (11) gröBer als der des Übergangsstückes (5) ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des kegelstumpfförmigen Lochblechteils (11) größer als der des monolithischen Katalysators (3) ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am radial äußeren Ende des kegelstumpfförmigen Lochblechteils (11) ein an der Innenkontur des Gehäuses anliegendes zylindrisches Führungsteil (14) vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zylindrischen Führungsteil (14) ein radial nach innen gerichteter Kragen (15) angeordnet rist.
9. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Einsatz (10) in der kammerartigen Einschnürung auf der Abströmseite des Gehäuses vorgesehen ist.

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