DE2256315A1 - Katalysatortraeger, insbesondere fuer einrichtungen zur beseitigung von kohlenmonoxyd aus den auspuffgasen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Katalysatortraeger, insbesondere fuer einrichtungen zur beseitigung von kohlenmonoxyd aus den auspuffgasen von brennkraftmaschinen

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Description

DR. BERG DIFL.-ING. STAPF
PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 80. MAUERKIRCHERSTR. 48 2256315
Anwaltsakte 23 151 " fß s^-·
OSTKAVSKO-KARVINSKB DOLY
Ostrava 1, Tschechoslowakei
Katalysatorträger, insbesondere für Einrichtungen zur Beseitigung von Kohlenmonoxyd aus den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysatorträger, insbesondere für Einrichtungen zur Beseitigung von Kohlenmonoxyd aus den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen. ^ .
Bisher bekannte Katalysatorträger, die zur Beseitigung von aus den Auspuffgasen von Brennkraftmasciiinen stammendem CO dienen, bestehen aus verschiedenen Werkstoffen, wie z.B.· Kieselgur, Asbest, inerten Silika-
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VI/ Ga ^
ten, insbesondere Aliminiumsilikat oder aus Aluminiunisilikat enthaltendem Attapulgit oder auch Sepiolit (Meerschaum aus vlagnesiumsilikat), ferner aus verschiedenen Arten von Lehm oder schwammartigem, granulierten Bimsstein oder anderen Trägern, die die Gestalt von Kugeln mit entsprechenden, Durchmessern haben, wobei in der Mehrzahl der Fälle Kugeln von 4 — ö1 mm Durchmesser verwendet werden. Diese und andere Werkstoffe zur Herstellung von Katalysatorträgern sind jedoch schon infolge ihres Eigengewichtes schwer, denn zur Beseitigung eines bestimmten Prozentanteiles von CO aus den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen benötigt man eine dem Volumen sowie dem Gewicht nach große Menge von Trägern, so daß die meisten Erfindungen, die die Beseitigung von CO aus den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen zum Gegenstand haben, schon im vorhinein zu Mißerfolg verurteilt sind, weil sie kaum verwirklicht werden können.
Ferner darf ein solcher Träger keine lösende oder polymerisierende Wirkung auf Kohlenwasserstoffe oder auf andere schädliche Stoffe ausüben, wie NOp, SOp, SO,, NO, NpO,, HpS 0., Hp und kondensierende Komponenten in der abgedampften Phase, wie unverbrannten Brennstoff, 01, Wasser, organische und anorganische Säuren, Olefine, Aldehyde, Ketone, Polykondensationsprodukte, Russ und Asche. Insofern Katalysatorträger in der Form von
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Kugeln, beispielsweise Glaskugeln, verwendet wurden, konnten niciit inaner die erwarteten Wirkungen erzielt werden, da hier die Möglichkeit- "besteht, daß bei ununterbrochener Berührung der Kugeln Tiiteinander bei verhältnismäßig hohem Druck der Auspuffgase aus den Brennkraftmaschinen der aufgetragene Katalysator abgerieben wird, wodurch die Füllung des Filters oder einer anderen zur Lagerung des Katalysatorträgers dienenden .Einrichtung nach kurzer Zeit unwirksam wird. Verschiedene Arten des bekannten sogenannten Verbrennungsprozesses haben sich gleichfalls nicht bewährt, insbesondere, wegen der Größe der erforderlichen Einrichtung und des hohen Volumengewichts.
Alle angeführten Arten von bekannten Katalysatorträgern verringern jedoch in jedem Falle die Leistung der Brennkraftmaschinen, da sie dem Abfluß der Auspuffgase aus den Brennkraftmaschinen einen bedeutenden Widerstand entgegensetzen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verminderung der oben angeführten Nachteile. Das Wesen der Erfindung beruht darin, daß der Katalysatorträger von einem hitzebeständigen, mit mindestens .einem Durchgangskanal versehenen Körper gebildet wird, dessen äußere wie auch innere Oberfläche porös und einem fest anhaftenden Katalysator bedeckt ist.
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Die Bildung eines Durchgangskanals in den Körpern ist deshalb vorteilhaft, weil bei einer Anhäufung der Körper aufeinander in einem Filter, Dämpfer oder einer anderen zur Verringerung des CO-Gehaltes dienenden Einrichtung die Gefanr, daß der Katalysator von den Körpern abgerieben wird (wie dies bei den bekannten Kugeln u. dgl. der Fall ist), weitgehend verringert wird, da der Katalysator in den Durchgangskanälen gegen eine Abreibung durch die eigenen Wände des Trägers gesichert ist. Dabei wird gleichzeitig die zur Oxydation von CO auf COp dienende Fläche vergrößert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, daß der Widerstand gegen den Durchtritt der Auspuffgase gering ist.
Die poröse Oberfläche der Körper bietet den Vorteil, daß der aufgetragene Katalysator an der Oberfläche des Körpers vollkommen anhaftet, was seiner Abreibung von der Außenfläche entgegenwirkt; hauptsächlich wird jedoch jegliche Abreibung im Inneren des Kanals, wo keine mechanischen Abreibkräfte einwirken, verhindert. Der Körper kann entweder in seiner ganzen Masse oder nur an seiner Oberfläche porös sein.
Der Werkstoff, aus dem die Körper hergestellt sind, muß hitzebeständig und mechanisch fest sein, um nicht nur den hohen Temperaturen, sondern auch den Stößen der Auspuffgase und ferner auch den Erschütterungen bei dar Fahrt der Maschine standzuhalten.
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Einen derartigen Werkstoff stellt eine keramische Masse dar, die nicht nur hitzebeständig ist, sondern auch die für die eigentliche Oxydation erforderliche Wärme aufnimmt, speichert und dank ihrer wärmeisolierenden Eigenschaften diese Wärme behält· Ferner ist das Gewicht einer keramischen Masse gering, so daß ein mit den erfindungsgemäßen Körpern gefüllter Dämpfer oder Filter verhältnismäßig leicht ist. Die Körper können jedoch, falls erforderlich, auch aus einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt und gegebenenfalls mit einer porösen, vorzugsweise keramischen Masse überzogen werden·
Erfindungsgemäß wird einem Körper von zylindrischer Gestalt der Vorzug gegeben. Solche Körper werden in eine Kammer im Dämpfer oder Filter lose geschüttet, so daß ihre Iängsachsen nach allen Richtungen orientiert sind. Die gegenseitige Berührung der Körper erfolgt auf einer möglichst geringen Fläche, wodurch die größtmögliche wirksame Fläche für den Kontakt der Abgase mit dem auf den inneren und äußeren Oberflächen der Körper aufgetragenen Katalysator erzielt wird.
Eine zylindrische Fläche ist zweckmäßiger als eine anders geformte Fläche, z. B, eine prismatische, da Prismen mit ihren ganzen Flächen aufeinander zu liegen kommen könnten, wodurch die wirksame Fläche des Katalysators verringert würde· Bei Kugeln besteht die
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Gefahr, daß eine Kugel den Kanal einer anderen Kugel verstopfen könnte, abgesehen davon, daß die aktive äußere Oberfläche einer Kugel im Verhältnis zur Innenoberfläche des Kanals größer als bei einem Zylinder ist, so daß eine größere Abriebgefahr besteht· Ein weiterer Nachteil der Kugeln beruht darin, daß sie sicn beim Aufschütten regelmäßig lagern und dadurch die Durchlaßfähigkeit der Füllung verringern.
Eine keramische Masse ist geeigneter als beispielsweise Glas oder andere glatte Werkstoffe, auf denen der Katalysator nicht so gut haftet.
In dem Körper kann nicht nur ein einziger sondern auch mehrere Kanäle angeordnet werden. Die Kanäle können verschiedene Gestalt aufweisen, und es kann z.B. ein zylindrischer Kanal vorgesehen werden, der mit der Außenoberfläche des zylindrischen Körpers gleichachsig ist. Palis erwünscht, kann außer einem derartigen Kanal noch ein weiterer oder mehrere Querkanäle oder mehrere Längskanäle mit z.B. wabenförmigem Querschnitt vorgesehen werden.
Die Körper müssen womöglich dünnwandig sein, d.h. daß nicht nur die Außenwand des Körpers möglichst dünn sein soll, sondern auch die bei der Anordnung von mehreren Kanälen in dem Körper gebildeten
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Querwände sollen die geringste Dicke aufweisen. Die minimale Wanddicke ist durch die geforderte mechanische Festigkeit gegeben. Die Wanddicke soll höchstens dem Durchmesser des Durchgangskanals gleichen, pflegt jedoch in der Hegel geringer zu sein.
Die lange des Körpers beeinflußt gleichfalls den Wirkungsgrad der Katalyse. Die Körper sollen nicht zu lang sein, damit sie sich beim Aufschütten nicht regelmäßig aufeinanderlegen, wodurch die wirksame Fläche verringert würde. Die Länge des Körpers soll kleiner als etwa das Dreifache des Außendurchmessers' sein, und am zweckmäßigsten wird eine dem Außendurchmesser gleiche länge gewählt.
Die erfindungsgemäßen Körper können entweder unmittelbar in einem Auspuff dämpf er gelagert oder in einem Filter^verwendet werden, der vorzugsweise in der Auspuffleitung möglichst nahe der Brennkraftmaschine angebracht wird, damit auf die Körper eine möglichst hohe Temperatur der Auspuffgase übertragen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform ies erfj.ndungsgemäßen Körpers,
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Fig. 2 den entsprechenden Grundriß,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform,
Fig· 4 den entsprechenden Grundriß,
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen die erfindungsgemäßen Körper enthaltenden Auspuffdämpfer und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Filters in der Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine.
Der erfindungsgemäße Katalysatorträger besteht aus einem dünnwandigen zylindrischen Körper 1, wie in Fig. 1 bis dargestellt ist. In der Ausführung gemäß Fig. 1 und ist dieser Körper 1 mit einem Durchgangskanal 2 versehen, der mit der Außenfläche des Körpers 1 gleichachsig ist. Es ist selbstverständlich, daß der Kanal nicht genau zylindrisch sein muß, sondern sich z.B. nach einer oder der anderen Seite verjüngen kann.
Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Körpers 1, welcher außer mit dem Kanal 2 noch mit einem Querkanal 3 versehen ist.
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Der Katalysatorträger besteht vorzugsweise aus dünnwandigen, nicht glasierten keramischen Körpern 1 mit Durchgangskanälen 2 oder 3, und als Werkstoff hat sich als am besten Steatit oder ein hartes, nicht glasiertes elektrotechnisches Porzellan erwiesen· Es können jedoch auch andere, ähnliche Werkstoffe verwendet werden.
Die Körper 1 haben vorzugsweise einen Außendurchmesser von 2,7 mm und mehr, der Durchgangskanal 2 hat einen Durchmesser von 1,4 mm und mehr.
Der Katalysatorträger wird zunächst von Feuchtigkeit befreit, vorzugsweise wird er vor der Verwendung bei einer Temperatur von etwa 1200C getrocknet und dann in eine Schale mit einer vorbereiteten Katalysatorlösung geschüttet. Der Katalysator besteht z.B. aus einem Gemisch von Karbonaten wie MnC(K + CuCO, · Cu (OH)p. Diese werden mittels konzentrierter Salpetersäure zersetzt und in Nitrate umgewandelt. Dann wird die die Körper 1 enthaltende Lösung gründlich gemischt, so daß jeder den Katalysatorträger bildende Körper 1 mit dem Durchgangskanal 2 oder 3 von dem Katalysator sowohl an seiner Oberfläche als auch im Innern umhüllt wird. Die Körper werden dann zum Trocknen bei einer Temperatur von 120 bis 1500C gelegt, worauf nach der Trocknung die Temperatur über 300 C erhöht wird, was zur Zersetzung der Nitrate erforderlich ist; diese Temperatur ist
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auch zur Sauerstoffzufuhr zwecks Erhöhung der Oxydationsfähigkeit der Atmosphäre geeignet. Die in einer Dicke von 0,001 mm und darüber aufgetragene Katalysatormasse haftet fest an den Körpern 1 und bildet eine Schicht 4 auf der ganzen Innen- und Oberfläche der Körper 1.
Der Katalysator ist nicht nur gegen Abrieb und Stöße der Abgase aus der Brennkraftmaschine widerstandsfähig, sondern erfüllt durch sein Haftvermögen und seine Härte die an einen solchen Katalysator gestellten Forderungen. Das hohe Haftvermögen des Katalysators am Körper ist durch die Porosität der Außen- und Innenfläche des Körpers 1 gegeben.
Außer anderen durch die Verwendung von dünnwandigen, unglasierten, porösen, keramischen Körpern erzielten Vorteilen, besteht ein weiterer großer Vorteil darin, daß eine eventuelle geringfügige Verminderung der aufgetragenen Katalysatormenge an der Oberfläche des Körpers 1 ganz vernachlässigbar ist, da der im Durchgangskanal 2 oder 3 des Körpers 1 aufgetragene Katalysator stets unberührt bleibt· Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Katalysators am erfindungsgeniäeen Träger zu mehr als 90 Prozent aufrechterhalten·
Palis der Wirkungsgrad des Katalysators am Träger um
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mehr als 10 Prozent herabsinlet, was durch regelmäßige Kontrollentnahmen von Abgasen zwecks Feststellung ihres CO-Gehaltes ermittelt werden kann, muß eine solche 10$ige Verminderung des Wirkungsgrades als ein Signal zur Abhilfe betrachtet werden. Eine solche Abhilfe kann bei Dieselmotoren meistens durch bloße Reinigung der Katalysatoroberflache von den anhaftenden Kohlenansätzen geschaffen werden. Die Reinigung erfolgt beispielsweise durch Waschen in einem Benzolbad, Abbrennen und Durchspülen der Träger in warmem Wasser und allmähliche Trocknung des Trägers bei einer Temperatur bis zu 120°C. Der Träger mit aufgetragenem Katalysator ist dann wiederum mit vollem Wirkungsgrad betriebsfähig.
Bei Benzinmotoren ist in den meisten Fällen der Wirkungsgrad des Katalysators, z.B. durch die Anwesenheit von bleihaltigen oder anderen Stoffen verringert. In derartigen Fällen wird am besten der ganze Katalysator gegen einen neuen ausgetauscht.
Zur Feststellung der Menge des Katalysatorträgers entweder im Filter oder im Dampfer oder in einer anderen Einrichtung muß zunächst der bisher gebildete Kohlenmonoxydxnhalt in den Abgasen in Prozenten ermittelt und aufgrund einer laboranalyse eine optimale
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Gewichtsmenge des Katalysatorträgers mit aufgetragenem Katalysator festgestellt werden.
Aufgrund der durchgeführten Lafcoranalysen der entnommenen Proben von Abgasen aus Brennkraftmaschinen nach dem Einmontieren eines mit der erfindungsgemäßen Füllung versehenen Dämpfers oder Filters oder einer anderen Einrichtung wurde eindeutig festgestellt, daß bei der Beseitigung von CO aus diesen Gasen sehr gute Ergebnisse mit einem Katalysatorträger erzielt werden, der aus dünnwandigen keramischen nicht glasierten porösen Körpern 1 gemäß der vorliegenden Erfindung besteht.
Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Körper in einem Auspuffdämpfer.
Im Innenraum des Dämpferkörpers 5 ist eine Kammer 6 gebildet, die durch zwei perforierte Wände 7,7 begrenzt ist. Die Kammer 6 ist mit den erfindu^ngsgemäßen Körpern 1 ausgefüllt. Die Abgase treten in der Richtung des Pfeils A in den Dämpfer ein, strömen durch die Kammer 6, wo die Umwandlung von CO in C0„ erfolgt, und entweichen in der Richtung des Pfeiles B.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung,
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bei welcher die Körper 1 einen Filter bilden. In der Auspuffleitung 8 einer Brennkraftmaschine 9 ist möglichst nahe derselben ein Filter 10 vorgesehen, der eine Kammer U enthält, die durch perforierte oder andere durchlässige Wände 12, 12, wie z.B. durch ein viel· maschiges Netz, begrenzt ist. Die Kammer U ist mit den erfindungsgemäßen den Katalysator 4 tragenden Körpern gefüllt. Die Abgase treten durch die Kammer hindurch, in der eine besondere günstige Umwandlung von CO in C0? erfolgt im Hinblick darauf, daß die Abgase an dieser Stelle die höchste '.Temperatur aufweisen, so daß sie die Körper 1 stark erhitzen.
Bei Benzinmotoren muß im Filter oder Dämpfer dem Kata-~ lysatorträger Sauerstoff zur vollkommenen Umwandlung von CO in CO2 zugeführt werden.
Falls erwünscht, kann natürlich auf die "erfindungs-* gernäßen Körper 1 auch ein anderer erforderlicher aktiver Stoff zur Beseitigung auch anderer schädlicher Substanzen aus den Abgasen aufgetragen werden.
Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt ist darin zu erblicken, daß die erfindungsgemäßen, mit einem oder mehreren Kanälen versehenen Körper vorzüglich zur Auftragung eines Katalysators geeignet sind. Wenn
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sie in einen Teil oder in den ganzen Filter, Dämpfer oder eine andere Einrichtung lose geschüttet werden, weisen sie gegenüber allen bisher bekannten Trägern die größte Wirksamkeit und längste Lebensdauer auf, verleihen dem Katalysator eine besonders hohe Abriebfestigkeit und setzen dem Durchgang der Abgase einen geringen Widerstand entgegen, wobei sie auch wesentlich den durch die Abgase verursachten Lärm mildern. All dies trägt zu einer beträchtlichen Verringerung des CO-Gehaltes der Abgase bei Brennkraftmaschinen, wie z.B. an Personen- und Lastkraftwagen, Grubenlokomotiven, Grubenladern und anderen Transportmitteln, bei, die entweder mit Benzin- oder mit Dieselmotoren ausgestattet sind.
- Patentansprüche -
- I5 -
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Claims (5)

  1. Patentansprüche :
    Katalysatorträger, insbesondere für Einrichtungen zur Beseitigung von Kohlenmonoxyd aus den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorträger von einem Hitzebeständigen, mit mindestens einem inneren Durchgangskanal (2 oder 3) versehenen Körper (1) gebildet wird, dessen äußere wie auch innere Oberfläche porös und mit einen fest anhaftenden Katalysator (4) bedeckt ist.
  2. 2. Katalysatorträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus einer keramischen Masse besteht·
  3. 3. Katalysatorträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) eine zylindrische Gestalt aufweist.
  4. 4. Katalysatorträger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Körpers (1) höchstens dem Durchmesser des axialen Durehgangskanals (2) gleich ist.
  5. 5. Katalysatorträger nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die länge des Körpers (1) kleiner
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    als das Dreifache seines Außendurchmessers ist, vorzugsweise dem Außendurchmesser gleicht.
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    Leerseite
DE2256315A 1971-11-22 1972-11-16 Katalysatortraeger, insbesondere fuer einrichtungen zur beseitigung von kohlenmonoxyd aus den auspuffgasen von brennkraftmaschinen Pending DE2256315A1 (de)

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