DE3439891A1 - Vorrichtung zur abgasreinigung - Google Patents

Vorrichtung zur abgasreinigung

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Description

  • Vorrichtung zur Abgasreinigung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Nachrüstsatz zum Einbau in Kraftfahrzeugen, die noch nicht mit Katalysatoren ausgerüstet sind. Die Vorrichtung eignet sich jedoch auch zum eventuellen Schutz bereits vorhandener Katalysatoren.
  • Die ökologischen Aspekte zwingen heute dazu, gerade in der Übergangsphase, in der noch nicht sichergestellt ist, daß sämtliche Kraftfahrzeuge mit Katalysatoren ausgerüstet sind und andererseits verbleites und unverbleites Benzin in einem noch nicht absehbaren Zeitraum parallel verkauft wird , jegliche Vorsichtsmaßnahme zu treffen, um eine wirkungsvolle Abgasentgiftung durchführen zu können. Im Rahmen dieses Problemes sind augenblicklich grundsätzlich drei verschiedene Problemkreise mit zu berücksichtigen.
  • Dies sind nach gegenwärtigem Stand die mit Verbrennungskraftmaschinen betriebenen Fahrzeuge, welche nur mit verbleitem Kraftstoff nach DIN 51600 betrieben werden können. Des weiteren sind dies Kraftfahrzeuge, die zwar jetzt schon mit unverbleitem Kraftstoff betreibbar sind, die jedoch noch nicht mit einem Katalysator ausgerüstet sind. Diese Kraftfahrzeuge werden normalerweise zur Zeit mit verbleitem Kraftstoff betrieben. Weiterhin umfaßt der gesamte Problemkreis auch die Fahrzeuge, die zwar mit einem Katalysatorsystem mit oder ohne Lambdasonden-Steuerung ausgerüstet sind. Diese letztgenannten Fahrzeuge sollten zwar mit unverbleitem Kraftstoff betrieben werden. In einer Übergangsphase, in der das Angebot an unverbleitem Kraftstoff relativ rar ist, sollten diese letztgenannten Kraftfahrzeuge jedoch auch mit verbleitem Kraftstoff betreibar sein, wie es insbesondere beim grenzüberschreitenden Verkehr sehr wahrscheinlich über einen längeren Zeitraum noch erforderlich ist.
  • Um die Abgasreinigung bei den vorgenannten Kraftfahrzeugtypen raschestmöglich und wirkungsvoll durchführen zu können, wäre es wünschenswert, einen Abgasreiniger zu haben, der sowohl Schutzfunktion gegenüber nachgeschalteten Katalysatoren vor deren Vergiftung übernehmen kann, der aber auch als ein sich selbst schützender Katalysator besonders geeignet ist.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein entsprechendes Verfahren ist bereits in der DE 31 46 004 A1 beschrieben.
  • Ein ähnliches Verfahren geht auch aus der DE 31 49 960 Al hervor. Diese bekannten Katalysatoren bzw. Verfahren stellen zwar einen Schritt in die richtige Richtung dar, wodurch die Standzeiten bei Katalysatoren für verbleites Benzin erhöht werden können. Dieser Stand der Technik führt also einen wenn auch unzulänglichen Schutz der eingesetzten Katalysatoren vor Vergiftungsstoffen wie Blei, Schwefel etc. herbei. Die dadurch erreichte Standzeitverlängerung für Katalysatoren reicht jedoch bei weitem noch nicht aus, um mit größtmöglicher Sicherheit eine Betriebsdauer der Katalysatoren für unverbleites Benzin über eine Fahrstrecke von ca. 80.000 bis 100.000 km zu gewährleisten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Abgasreinigung zu schaffen, die eine nahezu universelle Einsatzmöglichkeit mit oder ohne zusätzlichen Katalysator eröffnet, wobei vor allen Dingen die Standzeit eines herkömmlichen Katalysators, der zur Schadstoffverringerung bzw. Beseitigung in Abgasen aus unverbleitem Benzin bestimmt ist, wesentlich verlängert wird.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.
  • Ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit der Vorrichtung zur Abgasreinigung eine kombinatorische bzw. synergetische Wirkung von katalytisch, chemisch und physikalisch wirkenden Komponenten erzielt wird, wobei diese einzeln hintereinander oder zusammen die Aktivität der Vorrichtung auch während des Betreibens mit verbleitem Kraftstoff bis annähernd zu den gesetzlich vorgeschriebenen Standzeiten oder Betriebskilometern von ca 80.000, erhalten Diese besonders vorteilhafte Wirkung wird dadurch erzielt, daß durch Querschnittskontinuität bei kleiner werdenden Strömungskanälen und mit oder ohne inneren Querverbindungen bei geringstmöglichem Druckverlust eine höchstmögliche Eigenaktivierung erreicht wird, und außerdem eine mehrstufige Filtrationswirkung für Feststoffpartikel, z.B. Ruß, Blei etc.,bei der ein Verstopfen weitestgehend verhindert wird, besteht.
  • Die vorteilhafte Wirkung der Vorrichtung, insbesondere in katalytisch-chemischer Sicht, beruht vor allen Dingen auf dem Zusammenspiel von Metalloxiden, vorzugsweise Aluminiumoxid und Chromoxid mit einem Phosphat. Die hierzu kombinatorische Wirkung der physikalischen Verstärkung der Eigenaktivität beruht auf der Wirbelablösung an Querkanälen und den Übergängen von verschieden großen Strömungskanälen, wobei der Druckverlust jedoch gegenüber herkömmlichen Monolithen nicht oder nur unwesentlich ansteigt.
  • Vorteilhafterweise besteht die Vorrichtung aus einem hitzebeständigen keramischen oder metallischen Material, wobei die Vorrichtung selbst mit katalytisch wirksamen Materialien beschichtet sein kann oder derartige Materialien enthält. Hierdurch wird die Temperaturbeständigkeit der Vorrichtung zur Abgasreinigung gegenüber den durch sie hindurchgeführten heißen Abgasen von Verbrennungsmotoren ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, daß durch die Kombination der Eigenaktivierung mit einem katalytisch wirksamen Material ein gesteigerter Reinigungseffekt erzielt wird und außerdem die Standzeit bei Betrieb mit verbleitem Kraftstoff gegenüber bisher bekannten Verfahren um ein Mehrfaches gesteigert wird. In einfachster Weise kann die Vorrichtung durch wickeln oder laminieren von netzartigen Geweben oder gespleißten Fäden, insbe-.
  • sondere Kunststoffen, z.B. Polyethylen, Polypropylen, hergestellt werden. In Form und Funktion kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgelegt werden, daß sie für jeden Kraftfahrzeugtyp auch als Nachrüstvorrichtung geeignet ist. Gerade in der Übergangsphase, in der auch noch mit dem Betrieb mittels verbleitem Kraftstoff gerechnet werden muß, ist es besonders zweckmäßig, diese Vorrichtung zum Schutz von in das Kraftfahrzeug eingebauten Lambdasonden zu verwenden, damit deren volle Funktionstüchtigkeit im Hinblick auf die Schadstoffreduzierung des eigentlichen Katalysators erhalten bleibt.
  • Bei der Beschichtung oder anderweitigen Integration von katalytisch wirksamen Materialien in die Vorrichtung können die hinreichend bekannten Katalysatormaterialien verwendet werden, wobei die Vorrichtung selbst zusätzlich oder funktionsselbständig als Einzelaggregat zur Umsetzung der Schadstoffe wie NOX, CO, C H oder SO, n m geeignet ist.
  • Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise blockartig aufgebaut, z.B. in Art einer Austauschpatrone, wie es z.B.
  • bei Ölfiltern bekannt ist. Das die Vorrichtung aufnehmende Gehäuse ist daher so konzipiert, daß es leicht entweder in Längsrichtung oder in radialer Richtung geöffnet werden kann, um einen Austausch der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen.
  • Auch ist es möglich, die Vorrichtung selbst in mehrere funktionsmäßig hintereinander geschaltete Körper zu unterteilen, wobei unterschiedliche Wirkungsquerschnitte der Strömungskanäle in Längsrichtung wie in Querrichtung vorgesehen sein können. Abhängig vom verwendeten Material, kann z.B. allein die Ausbildung der Strömungskanäle in Längsrichtung, d.h. in Strömungsrichtung der Abgase, bei einer entsprechenden Porosität des verwendeten Materials ausreichen.
  • Um die Partikel-Adsorption oder die Absorption von Schadstoffen bzw. deren Umwandlung zu verbessern, kann eine zusätzliche Luftzufuhr in die von den Abgasen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu durchlaufenden Strecke eingebaut sein. Zweckmäßigerweise geschieht dies in Art eines Ringkanales, der in die einzelnen Körper oder zwischen die Körper geführt werden kann, wobei eine Temperaturregelung und Temperaturbegrenzung gegebenenfalls auch für den nachgeschalteten eigentlichen Katalysator vorgesehen sein kann. Zur optimalen Anströmung und Umströmung der Strömungskanäle der Vorrichtung wird geeigneterweise am Eintrittskanal der Abgase in diese Vorrichtung ein Strömungsteiler vorgesehen. Der Strömungsteiler ist zweckmäßigerweise aerodynamisch in Art eines Ellipsoiden gestaltet,wobei der Anströmquerschnitt etwas größer gehalten wird als der Querschnitt des Strömungsteilers benachbart zur esgentlichen Vorrichtung. Die Vorrichtung ist auch im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung zur Stickoxidverminderung als Oxidationskatalysator oder zum Schutz eines vorhandenen Katalysatorsystems einsetzbar.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt eine Vorrichtung, die in ein Wechselgehäuse eingebracht ist, wobei die Gesamtvorrichtung in Durchströmungsrichtung der Abgase geschnitten ist.
  • Die Vorrichtung 1 zur Abgasreinigung besteht im Beispiel aus unterschiedlichen Strömungskanälen 2, die in radialer Richtung etwa durchgehende Querverbindungen aufweisen. Andererseits ist exemplarisch ein Teil der Vorrichtung im Auströmungsbereich allein mit in Längsrichtung verlaufenden Strömungskanälen 7 dargestellt, die abhängig von der Porosität und dem verwendeten Material der Vorrichtung die volle Funktion erfüllen können.
  • Im Beispiel ist die Vorrichtung 1 in das Gehäuse 3 derart eingesetzt, daß am zylindrischen Außenmantel ein temperaturbeständiges, keramisches Gewebe 8 vorgesehen ist. Dieses Gewebe 8 hat sowohl eine Dicht~ funktion gegenüber der Innenwandung des Gehäuses als auch eine Ausgleichsfunktion im Hinblick auf Dimensionsunterschiede, so daß die Vorrichtung relativ paßgenau in das Gehäuse einsetzbar ist.
  • Da das Gehäuse mit einem Schnellschlußsystem 4 ausgelegt ist, läßt sich auch ein leichter Austausch der Vorrichtung ermöglichen. Das Schnellschlußsystem ist in etwa in Art eines den anderen Teil des Gehäuses mindestens teilweise übergreifenden Zylinderbereichs ausgelegt. In diesen Zylinderbereich sind flanschartig nach radial außen stehende Vorsprünge vorgesehen, die z.B. mit einem in Umfangsrichtung spannbaren Klemmring radial wie axial festgelegt werden können.
  • Ähnlich wie bei den bekannten Katalysatorgehäusen zur Schadstoffreduzierung in Abgasen, ist das Gehäuse der Vorrichtung etwa rotationssymmetrisch aufgebaut, wobei einströmseitig wie ausströmseitig eine konische Erweiterung bzw. Reduzierung zum Übergang in die angeschlossene Abgasleitung vorgesehen ist. Die eigentliche Vorrichtung 1 sitzt dabei im Bereich mit maximalem radialem Durchmesser.
  • Sofern eine zusätzliche Lufteinspeisung zur Reduzierung der Schadstoffe beabsichtigt ist, wird dies in Art eines am Umfangsbereich der Vorrichtung radial umlaufenden Ringkanales ermöglicht. Von diesem Ringkanal gehen radial zur Achse der Vorrichtung einzelne Kanäle.
  • Der äußere Ringkanal steht dabei über eine volumenmäßige Vergrößerung des Gehäuses mit einer Ausbauchung nach außen und entsprechenden Anschlußstutzen 5 in Verbindung. Im zylindrischen Mantelbereich der Vorrichtung kann eine dauerelastische Halterung 6 vorgesehen sein, die z.B. aus einem Drahtgewebe besteht. Ebenso kann eine Abdichtung aus keramischem Gewebe ergänzend oder alternativ mitintegriert bzw. eingebaut sein.
  • Im Einströmungsbereich der Vorrichtung lsc vorteilhafterweise ein Strömungsteiler 9 vorgesehen, der für eine gleichmäßige Beaufschlagung der nachgeschalteten Vorrichtung 1 sorgt Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorzugsweise derart erfolgen, daß Kunststoffnetze unterschiedlicher Fadenstärke so gewickelt oder so aufeinander geschichtet werden, daß die gewünschte Endgröße und Endform nach dem Einschlämmen mit einer Mischung aus den entsprechenden Komponenten und nachfolgendem Trocknen derselben entsteht. Während des Härtungs-und Brennvorganges selbst entstehen dann die Strömungskanäle.
  • Wesentlich ist dabei, daß die Strömungskanäle zwar untereinander verbunden sind, trotzdem aber ein durchgehender,gerader Strömungsverlauf vorherrscht.
  • Die Filtrationswirkung wird bei der Vorrichtung dadurch erreicht, daß unterschiedliche Partikelgrößen in den enger werdenden Strömungskanälen und Querverbindungen abgefangen werden, aber trotzdem ein Verstopfen während der Betriebszeit weitestgehend vermieden wird.
  • Durch die Möglichkeit, die Vorrichtung zur Abgasreinigung mit jedem katalytisch wirksamen Material, vorzugsweise mit Edelmetallen, zu beschichten oder anderweitig diese darin zu integrieren, ist ein Einsatz als Reduktions-, Oxidations- oder Dreiwegkatalysator gegeben. Ohne Edelmetall-Beschichtung kann die Vorrichtung zum Schutz eines vorhandenen Katalysators zur Schadstoffreduzierung oder auch einer Lambda-Sonde gegen negative Beeinträchtigung durch z.B. bleihaltige Abgase in Art einer Vergiftung vorgesehen werden. Die Unterbringung der Vorrichtung vorzugsweise in einem Gehäuse mit Schnellverschluß bietet den Vorteil eines preisgünstigen Austausches im Falle der Erneuerung.
  • Die Vorrichtung kann aus einem Körper bestehen,dem mehrere Funktionen gleichzeitig zugeordnet sind.
  • Sie kann auch für den entsprechenden Einsatzzweck ein System von einzelnen Körpern funktionsmäßig hintereinander geschaltet aufweisen, die in der Gesamtwirkung die volle Funktion der Vorrichtung übernehmen.
  • Bei der Verwendung der Vorrichtung als Oxidationskatalysator kann eine zusätzliche Abgasrückführung die Stickoxidbeseitigung begünstigen, während durch Zusatzlufteinspeisung die katalytische Verbrennung von CO und C H begünstigt wird. Eine gleichzeitig mögliche Temperaturregelung kann zum Schutz gegen Überhitzung dienen oder aber auch bewirken, daß die Vorrichtung in günstigeren Temperaturbereichen gefahren wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher sowohl zur Erstausrüstung von mit Verbrennungsmotoren versehenen Kraftfahrzeugen, wie auch zur Nachrüstung derselben. Der besondere Vorteil der Vorrichtung liegt in der universellen Einsatzmöglichkeit sowohl beim Fahren mit verbleitem wie unverbleitem Benzin, wobei insbesondere bei nachgeschalteten Katalysatoren deren Lebensdauer erheblich über den bisher bekannten Standzeitbereich hinaus erhöht wird.
  • - Leerseite -

Claims (15)

  1. Patentansprüche Vorrichtung zur Abgasreinigung für mit verbleitem und/oder unverbleitem Kraftstoff betriebene Verbrennungskraftmaschinen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Querschnittskontinuität bei kleiner werdenden Strömungskanälen, (2,7) und gegebenenfalls innere Querverbindungen vorgesehen sind, womit bei geringstmöglichem Druckverlust eine höchstmögliche Eigenaktivierung der Vorrichtung erreichbar ist, und daß ein Mehrstufenfilter für Feststoffpartikel, z.B. Ruß, Blei usw., bei dem ein Verstopfen weitestgehend verhinderbar ist, vorgesehen ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Vorrichtung aus hitzebeständigem keramischem oder metallischem Material besteht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Beschichtung mit katalytisch wirksamen Materialien, Materialgemischen oder Zusammensetzungen vorgesehen ist und/oder daß die Vorrichtung diese katalytisch wirksamen Materialien enthält.
  4. 44 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge ken n ze ich no t, daß sie auch organische Verbindungen aufweist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Abgasreiniger einem Abgaskatalysator vorgeschaltet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strömungskanäle (2,7) mittels wickeln oder laminieren von Netzen herstellbar sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wechselbehälter als Gehäuse (3) zur Aufnahme der Vorrichtung vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie aus einem oder mehreren hintereinander geschalteten Körpern aufgebaut ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringkanal (5) als Luftzusatzeinspeisung in oder vor dem bzw. den Körpern der Vorrichtung mit oder ohne automatischer Temperaturregelung und Temperaturbegrenzung, vorgesehen ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß ein Strömungsteiler (9) im Eintrittsbereich vor den Körpern vorgesehen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beschichtungen alle auf einem einzigen Körper (Mehrstufenkatalysator) angeordnet sind.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils für eine vorgegebene Funktion eine entsprechende Beschichtung (Oxidations-Katalysator) vorgesehen ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie durch entsprechende katalytische Beschichtung zur Umsetzung von NOx, CO, CnHm, SO2 geeignet ist und diese Beschichtungen alle auf einem Körper (Mehrfunktionskatalysator) oder daß einzelne Beschichtungen für jeweils ein Funktion (Oxidationskatalysator) aufgebracht sind.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sie aus einem Körper oder aus mehreren Körpern hintereinander aufgebaut sein kann und ein Körper mehrere oder bei mehreren Körpern jeder die gleiche oder jeweils eine andere Beschichtung hat.
  15. 15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Standzeitverlängerung bei mit verbleitem Kraftstoff beaufschlagten Abgasreinigungskatalysatoren, insbesondere als Nachrüstvorrichtung und/oder zum Schutz einer in Kraftfahrzeugen eingebauten Lambdasonde und/oder zur Umsetzung von NOx, CO, CnHm, 502 aufgrund der entsprechenden katalytischen Beschichtung der Vorrichtung.
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