DE3738538A1 - Katalysatoreinrichtung zur abgasreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoreinrichtung zur Abgas­ reinigung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Katalysatoren zur Abgasreinigung benötigen für die katalytische Umsetzung eine bestimmte Temperatur, die sich während des Betriebes im Katalysatorkörper durch das durchströmende heiße Abgas und durch die Wärmeentwicklung bei der katalytischen Umsetzung einstellt. Der Wirkungsgrad für die katalytische Umsetzung ist daher je nach Temperatur verschieden. Im Anfahr­ zustand eines Motors, wenn also die Abgasleitung und der Kata­ lysator noch relativ kalt sind, ist die katalytische Umsetzung schlecht, sie wird erst beim Erreichen bestimmter Temperaturen besser.

Man hat daher auch schon vorgesehen (DE-OS 36 29 945), zwei Ka­ talysatoren unterschiedlichen Durchmessers konzentrisch in­ einander zu bauen und den hinter dem Katalysator liegenden Be­ reich der Abgasführung in zwei Wege aufzuteilen, von denen der eine an den inneren zylindrischen Katalysatorkörper und der äu­ ßere an den diesen umgebenden, ringförmigen Katalysatorkörper angeschlossen ist. Durch Öffnen oder Schließen der nachgeschal­ teten Abgaswege kann der durchströmte Querschnitt verändert werden, so daß der Katalysator auch im Anfahrzustand oder bei Teillast die notwendigen Temperaturen schnell erreicht bzw. beibehält. Ein gewisser Nachteil jener Bauart ist der Herstel­ lungsaufwand für den zweiteiligen Wabenkörper des Katalysators und die Anordnung einer zweiten Abgasleitung, die zwangsläufig im Ringraum der größeren Abgasleitung verlaufen muß und die Durchströmung des gesamten Katalysators ungleichförmig beein­ flussen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Katalysa­ toreinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Änderung des Durchströmungsquerschnittes ohne Eingriff in die Strömungssymmetrie und ohne zusätzlichen Herstellungsauf­ wand für den Katalysatorkörper möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Axialverschiebung eines dem Katalysator vorgeschalteten Rohr­ stückes kann das Abgas zum Beispiel beim Start des Motors un­ mittelbar einem Teilquerschnitt des Katalysatorkörpers zugelei­ tet werden. Dieser Teilquerschnitt kann sich schneller erhitzen und erreicht daher schneller die gewünschte Wirkung. Mit zuneh­ menden Temperaturen kann das Rohr zurückgefahren werden, so daß ein größerer Eintrittsquerschnitt des Katalysators beaufschlagt wird. Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6 umreißen eine besonders einfache und leicht zu verwirklichende Ausführungsform der neuen Katalysatoreinrichtung mit einem verschiebbaren Rohr.

Anhand eines Ausführungsbeispieles ist die Erfindung in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Eintritts­ bereich eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kataly­ sators in der Stellung bei Vollast und

Fig. 2 den Katalysator der Fig. 1 in der Stellung beim Kalt­ start der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Katalysatoreinrichtung gezeigt, die aus einem mit Katalysatormaterial beschichteten katalyti­ schen Reaktor (1) in bekannter Wabenform und aus diesem vorge­ schalteten Strömungsführungselementen besteht. Der katalytische Reaktor kann dabei aus einem Keramikkörper, aber auch aus einem aus Metallbändern gewickelten oder gefalteten Trägerkörper be­ stehen, der mit katalytischem Material beschichtet ist. Beim Ausführungsbeispiel ist ein zylinderförmiger katalytischer Re­ aktor (1) vorgesehen, dessen stirnseitigem Eintrittsquerschnitt (F _E ) ein Strömungsführungsgehäuse (4) vorgeschaltet ist, das seinerseits an eine von einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor kommende Abgasleitung (3) angeschlossen ist. Das Strömungsfüh­ rungsgehäuse (4) ist in der Art eines sich konisch erweiternden Trichters ausgeführt und ist mit seinem erweiterten Teil dicht mit dem katalytischen Reaktor (1) verbunden, beispielsweise mit dem Mantel (15) des katalytischen Reaktors (1) verschweißt. Das Strömungsführungsgehäuse (4) geht in einen zylindrischen Teil (6) über, der mit einem Anschlußstutzen der Abgasleitung (3) in nicht näher dargestellter Art und Weise verbunden ist. Der zy­ lindrische Teil (6) des Strömungsführungsgehäuses (4) besitzt auf seiner Unterseite einen nach außen offenen Schlitz (14), der in eine nutartige Führung (16) einer Gleitführung (8) mün­ det, die als ein U-Profil ausgebildet sein kann, das mit sei­ nen freien Schenkeln fest am Strömungsführungsgehäuse (4) und an dessen Teil (6) sowie an dem Anschlußteil der Abgasleitung (3) angeschweißt ist. Von der nutartigen Gleitführung (16) aus führt eine zylindrische Bohrung (17) nach außen. In dieser Boh­ rung ist längsverschiebbar eine Verstellstange (7) geführt. Die Verstellstange (7) ist mit einem abgewinkelten Ende (7 a) fest mit einem Rohrstück (5) verbunden, das so ausgebildet ist, daß sein Innendurchmesser dem Durchmesser der Abgasleitung (3) ent­ spricht und daß sein Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Teiles (6) des Strömungsfüh­ rungsgehäuses (4). Das Rohrstück (5) kann auf diese Weise axial verschiebbar in dem zylindrischen Teil (6) des Strömungsfüh­ rungsgehäuses (4) gehalten werden. Es läßt sich durch Axialver­ schiebung der Verstellstange (7) aus der in der Fig. 1 gezeigten Position in Richtung der Achse (9) des Strömungsführungsgehäuses (4) bis in die in der Fig. 2 dargestellte Lage verschieben, wo seine rechte Stirnfläche unmittelbar an den Eintrittsquerschnitt (F _E ) des katalytischen Reaktors (1) anschließt. Die Länge (L) des Rohrstückes (5) ist zu diesem Zweck so ausgelegt, daß sie der Höhe (h) des kegelförmigen Teiles des Strömungsführungsge­ häuses (4) entspricht.

Die Lage der Verstellstange (7) und damit des Rohrstückes (5) wird durch einen Verstellantrieb (10) bestimmt, der beispiels­ weise als eine Unterdruckdose, aber auch als hydraulischer Zylinder ausgebildet sein kann, der die Längsverschiebung der Verstellstange (7), aber auch deren Arretierung in jeder Zwi­ schenlage sicherstellen kann.

Aus der Fig. 1 wird deutlich, daß die neue Katalysatoreinrich­ tung bei Vollast des nicht gezeigten Verbrennungsmotors der Funktion bekannter Katalysatoreinrichtungen entspricht. Das aus der Abgasleitung (3) kommende Abgas tritt im Sinne der Pfeile (20) in den Diffusorraum vor dem katalytischen Reaktor (1) ein und beaufschlagt dann den gesamten Strömungsquerschnitt des katalytischen Reaktors. Unter der Annahme, daß in diesem an allen Stellen eine genügend hohe Temperatur herrscht, findet die optimale Konvertierung von Abgasbestandteilen statt.

Fig. 2 zeigt, daß beim Kaltstart des nicht gezeigten Ver­ brennungsmotors, d.h. also dann, wenn auch der katalytische Reaktor (1) noch nicht aufgeheizt ist, die Abgase parallel zu der Achse (9) des Strömungsführungsgehäuses (4) und des zylindrischen Reaktors (1) in Richtung der Pfeile (18) dem Reaktor zugeführt werden. Die Abgase haben in dieser Stellung keine Möglichkeit, sich in dem Diffusorgehäuse auch auf die äußeren Bereiche des katalytischen Reaktors (1) zu verteilen. Da sie ausschließlich dem mittleren Bereich des Reaktors (1) zugeführt werden, kann dort eine wesentlich schnellere Auf­ heizung erfolgen, so daß die Konvertierung in wesentlich kürzerer Zeit eintreten kann, als das der Fall wäre, wenn der gesamte Querschnitt des Reaktors (1) durchströmt wird und sich nur wesentlich langsamer erwärmen würde.

Das Rohrstück (5) kann natürlich auch in jeder Zwischenlage zwischen den beiden in den Fig. 1 und 2 gezeigten Endlagen ge­ halten werden, wenn dies vom Verstellantrieb (10) veranlaßt wird. Der dann jeweils vom Abgas beaufschlagte Querschnitt wird kleiner sein als der gesamte Eintrittsquerschnitt (F _E ) des katalytischen Reaktors (1). Auch in Zwischenlagen kann so für eine möglichst gute Beheizung des Katalysators gesorgt werden. Das kann im Teillastbetrieb dazu ausgenutzt werden, um die Temperatur mindestens in Teilbereichen des Reaktors nicht unter Werte absinken zu lassen, bei denen keine Umsetzung von Abgas­ bestandteilen mehr eintritt.

Die Steuerung kann über Temperaturfühler veranlaßt werden, die im Bereich des katalytischen Reaktors (1), insbesondere im Bereich innerhalb des Mantels (15) angeordnet werden. Je mehr sich diese Temperaturen den für die Konvertierung notwendigen Temperaturen nähern, um so mehr kann das Rohrstück (5) aus der in der Fig. 2 gezeigten Anfangslage zurückgezogen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, Temperaturfühler am Mantel (15) vorzusehen. Auch die dort auftretenden Temperaturen können als Maß für die Aufheizung des katalytischen Reaktors (1) dienen. Denkbar wäre es auch, die Steuerung des Rohrstückes (5) in Abhängigkeit von einer bestimmten Zeitspanne zu steuern, die nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors liegt. Es lassen sich Erfahrungswerte aufstellen, wie lange ein katalytischer Reaktor bestimmter Bauart braucht, um sich nach dem Start eines Verbrennungsmotors auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen. Diese Zeit kann als Maß für die Steuerung des Rohrstückes (5) dienen.

Claims (6)

1. Katalysatoreinrichtung zur Abgasreinigung, insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit vom Abgas axial durchströmten, mit katalytischem Material beschichteten Wabenkörpern (1, 2, 2′), deren Durchlaßquerschnitt größer ist als der Querschnitt der vorgeschalteten Abgasleitung (3), und bei der dem Eintrittsquer­ schnitt ein auf der Achse des Wabenkörpers (1) angeordnetes, sich konisch vom Querschnitt der Abgasleitung (3) zum Eintritts­ querschnitt (F _E ) erweiterndes Strömungsführungsgehäuse (4) vor­ geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsfüh­ rungsgehäuse (4) ein Rohrstück (5) axial verschiebbar angeordnet ist, dessen lichter Querschnitt dem der Abgasleitung angepaßt ist und dessen Länge (L) etwas größer als die axial gemessene Höhe (h) des Strömungsführungsgehäuses (4) ist.

2. Katalysatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohrstück (5) in einem zylindrischen Teil (6) des Strömungsführungsgehäuses (4) geführt ist.

3. Katalysatoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (5) mit einer Verstell­ stange (7) verbunden ist, die seitlich am Rohrstück (5) angreift und in einer dem Strömungsführungsgehäuse (4) zugeordneten ab­ gedichteten Gleitführung (8) nach außen geführt ist.

4. Katalysatoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellstange (7) parallel zur Achse (9) des Strömungsführungsgehäuses (5) verläuft.

5. Katalysatoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstellstange (7) mit einem Verstellantrieb (10) verbunden ist, der in jeder Zwischenstellung arretierbar ist.

6. Katalysatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verstellantrieb (10) mit einem Temperaturfüh­ ler im Bereich des Wabenkörpers (1, 2, 2′) in Verbindung steht.