DE2311812A1

DE2311812A1 - Katalytische auspuffanlage

Info

Publication number: DE2311812A1
Application number: DE19732311812
Authority: DE
Inventors: Rives Junction Balluff
Original assignee: Tenneco Inc
Current assignee: Tenneco Inc
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1973-09-13
Also published as: CA968970A; GB1419136A

Description

Pc oniar.wälte

Dr. Ing! H.Negondank: Df pi. Ing. H. Hair:: - Cici "hys. VV. Schmitz Dipl. Ing. E Gra*i."s - D;pi. irg. V/. Wahnert

! 8 Miinchoa 2, iÄassätf^faSe 25

IDENNECO INC. Tetefon 5380586

1201 Michigan Boulevard 9. März 1973

Bacine, Wisconsin 53^02, USA. Anwaltsakte M-2535

Katalytische Auspuffanlage

Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer AuspuffSammelleitung und mit einem Ausbuffrohr, das mit der Auspuffsammelleitung verbunden ist, um aus jäieser Gas abzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirkungsvolle Anordnung von jporösen monolithischen Katalysatorelementen in einer Auspuffanla-

ge einer Verbrennungskraftmaschine vorzusehen. Dies wird durch die

|Lm Anspnch 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage ist zu diesem Zweck eine Anzahl von monolithischen Katalysatorelementen innerhalb eines Auspuffrohres einer Auspuffanlage angeordnet. Dies hat mehrere Vorteile. JDie großen Behälter werden beseitigt, die normalerweise für den |Catalysatorteil einer Auspuffanlage verwendet werden, wodurch für das Auspuffrohr ein doppelter Nutzen entsteht und wodurch das Unterbringen der Anlage erleichtert wird. Da die Katalysatorelemente

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jüber die Länge der Auspuffanlage verteilt sind, ist die Wärmebelastung für jedes einzelne Element geringer, als sie für ein einzige .!Element wäre, wobei die Hitzeabs trahlung an die nahe Umgebung, die jTeile eines Automobils einschließen kann, verringert wird. Bei der !Verwendung ein*· Anzahl kleiner Katalysatorelemente anstelle eines !großen Elementes hat jedes eine niedrige Wärmekapazität und ein !schnelles Aufwärmen, so daß es schneller Verfahrenstemperatur erjreieht, als eine große Einheit. Zusätzlich kann das erste Katajlysatorelement nahe des Eintritts des Auspuffrohres angebracht !werden, d.h. nahe der Verbrennungskraftmaschine, wobei es zur Umswandlung von Reaktionswärme in führlbare Wärme ausgebildet ist, um

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jdie Auspuffgas temperatur zu erhöhen, damit ein schnelleres Anwärmeil des verbleibenden, weiter stromabwärts angeordneten Katalysatorelementen bewirkt wird.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 _r eine teils perspektivische, teils kurvenförmige An-

sieht einer mit zwei Eintritten versehenen Auspuffanlage, die die Erfindung enthält,

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt entsprechend der Linife 2-2 der Fig. 1, ... ' j

Fig. 3 eiimvergrößerten Querschnitt längs der Linie.3-3 von; Fig. 1.

Eine Verbrennungskraftmaschine 1 vom V-Typ besitzt ein Paar von

Auspuffsammelleitungen 3 und 5, die Auspuffgas in eine Auspuff an- j lage 7 entspannen. Die Auspuffanlage 7 weist eine Rohrgabel auf, d\.e

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ein Paar von Auspuffleitungen 9 und 11 einschließt, die jeweils mit den Auspuffsammeileitungen 3 und 5 durch entsprechende Gasdichte Verbindungselemente 13 bzw. 15 verbunden sind. Die Rohrabschnitte 9 und 11 sind durch ein entsprechendes Hosenstück 17 mijfc einer einzelnen Auspuffleitung 19 verbunden, die das Gas in einen Auspuffschalldämpfer 21 weiterleitet, wobei selbstverständlich in |

einer typischen Installation der Auspufftopf 21 in ein nicht gezeigtes Endrohr mündet, welches das schallgedmäpfte Gas in die J

Atmosphäre weiterführt.

Gemäß dieser Erfindung sind eine Vielzahl von relativ kurzen porösen, monolithischen Katalysatorelementen (wie z.B. wabenförmige Elemente) innerhalb der Rohrabschnitte 9 und 11 und vorzugsweise : auch in dem Abschnitt I9 wie dargestellt angebracht. ^:

Wabenförmige, monolithische Katalysatorelemente zum Zweck des Entfernens unerwünschter Bestandteile im Auspuffgas einer Ver- . : brennungskraftmaschine sind in der Technik bekannt unäein Typ in Einzelheiten im US Patent 3 441 381 beschrieben.

Im allgemeinen und bezüglich der Figuren 2 und 3 weist ein Katalysatorelement einen wabenförmigen Träger 23 aus einem feuerfesten Material auf, der so hergestellt ist, daß er eine Vielzahl von Kanälen oder Passagen 25 enthält, wodurch das Gas der Länge nach durch den Träger 23 hindurchströmen kann. Das gewünschte katalytische Material wird durch ein passendes Verfahren auf die Wände der Zellen oder Kanäle 25 aufgebracht, so daß das Auspuffgas mit dem Katalysator in Berührung kommt, wenn es durch den Träger 23

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!hindurchströmt. Der zur Anlagerung auf die Passagenwände verwendet^

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katalysator kann 'so ausgewählt werden, daß er Stickstoffoxyde (d.h. ein reduzierender Katalysator) und/oder daß er Kohlenmonoxyd^ jsowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe beseitigt (d.h. ein oxydierender Katalysator).

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JDa der poröse feuerfeste Träger 23 relativ brüchig oder brechbar list und einen anderen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die metallischen Auspuffrohrabschnitte 9,11,19, ist er vorzugsweise örtlich im Inneren der Rohrabschnitte durch einen nicht metallisehen, elastischen, faserförmigen Ring 27 festgehalten, der den ganzen äußeren Umfang des Körpers 23 umgibt und der ein federndes Einbaumittel für den Körper im Rohrinneren bildet. Vorzugsweise list die faserförmige Hülle mit einer entsprechenden Flüssigkeit [getränkt, die als Bindemittel, Aushärter,und Kleber dient und die verschieden aufgebracht wird, so daß sie durch Trocknen die faser-_; jförmige Hülle nach innen und zum Rohr hin abbindet und abdichtet, ; lohne dabei die Geschmeidigkeit und die' wärmeisolierenden sowie stoßidämpfenden Eigenschaften der Hülle zu zerstören. Diese Art des Ein-f

foaus ist in der schwebenden US-Anmeldung von Hubert H. Nowak mit

dem Titel "Katalysatorumformer mit monolithischen Elementen", : Seriennummer 2o7 794, eingereicht am 14. Dezember 1971· ;

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine Reihe von wabenförmigen' JKatalysatorlementen vom gerade beschriebenen Typ innerhalb des \

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!Rohrabschnitt es 9 eingebaut und'durch die Nummern 29 _a 31 und 33 gekennzeichnet. Eine Reihe von parallelen und identischen Katalysatorelementen sind innerhalb des Rohrabschnittes 11 eingebaut und

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durch die Nummern 35*37 und 39 gekennzeichnet. Vorzugsweise sind die Katalysatorlemente 41 und 43 des beschriebenen Typs innerhalb des Rohrabschnittes 19 eingebaut. Somit tritt Auspuffgas von der Sammelleitung 3 in den Auspuffrohrabschnitt 9 ein und durchströmt !zuerst das monolitische Element 29* das nahe des Eintritts des !Rohrabschnittes 9 angeordnet ist. Weiter stromabwärts trifft das ;Gas auf das Element 31 und danach auf das Element 33* bevor es idas Hosenstück 17 erreicht, um in die Einzelauspuffleitung 19 zu

!fließen. Desgleichen trifft das Gas von der AuspuffSammelleitung

!zuerst auf das Element 35* das nahe am Eintritt des Abschnitts 11 ! angeordnet ist und durchströmt dann die Elemente 37 und 39» bevor es das Hosenstück 17 erreicht, um sich mit dem Gas aus dem Ab- j schnitt 9 zu vereinigen und um durch die Elemente 41 und 43 in dem;

iAuspuffleitungsabschnitt 19 zu fließen. Zweitlufteintrittsöffnun- j gen 40 sind vorzugsweise in den Rohren 9 und 11 stromaufwärts der

'ersten Elemente 29 und 35 ausgebildet, vorausgesetzt daß diese

[oxydierende Katalysatoren sind.

Man kann beobachten, daß Jedes der verschiedenen Katalysatorelemenj-

te in einem geraden Rohrabschnitt angebracht ist und daß ein Teil j

i 45 die Elemente 29 und 31 und ein gebogener Abschnitt 47 die Elemente 35 und 37 abtrennt und daß weiterhin in dem Rohrabschnitt 19 das gebogene Teilstück 49 die Katalysatorelemente 41 und 43 voneinander trennt. Dank des elastischen Einbaus eines jeden Katalysatoiö-ementes ist es möglich, sie prtlich im Rohr festzuleigen, solange dies gerade ist, und danach das Rohr zu biegen, um die verschiedenen Bögen 45, 47 und 49 zu bilden, ohne dabei die zerbrechlichen Träger 23 zu zerstören.

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JDie elastische Einbauhülle 27 ist für jeden hitzebeständigen Support 23 vorzugsweise ungefähr 6 mm stark. Folglich sollte man ungefähr 12 mm zum Durchmesser der Auspuffrohrabschnitte 9 und 11 hinzurechnen sowie einen Faktor, um den Druckverlust aufgrund der verschiedenen Elemente, zu kompensieren. Würde z.B. eine Leitung mit Nennweite 80 ein Element mit dem Durchmesser 63 mm er- !mögliehen, wobei in etwa hitzebeständige Träger 23 mit einer Gesamtlänge von 508 mm vorhanden sind, so würde dies in etwa einem leeren Rohr von 49 mm Durchmesser entsprechen. Solch ein Rohr würde dazu dienen, das Auspuffgas relativ großer Kraftmaschinen lohne einen wesentlichen Anstieg des Druckverlustes wirkungsvoll zu behandeln.

Die Katalysatorelemente in den Rohrabschnitt en 9 und 11 sind wie dargestellt in den Rohren ausschließlich mittels der faserförmigenj

Hüllen 27 eingebaut, so daß kein Metall mit dem hitzebeständigen !

Träger 23 in Berührung ist. Es können jedoch ausdrücklich Befestigungsmittel, falls sie gewünscht sind, verwendet werden, und zwei Arten davon sind in Verbindung mit den Elementen 41 und 43 dargestellt. An den gegenüberliegenden Enden des Elementes 42 sind U-förmige Flansche 5I und 53 in der Rohrwandung des Abschnitts

I ·

19 mit einer Tiefe ausgebildet, die ungefähr der Dicke der Hülle j 27 entspricht. In Verbindung mit dem Element 43 liegen die Ringe j 55 und 57i deren Breite ungefähr der Dicke der Hülle 27 entspricht: an den außen liegenden Enden der Hülle an und werden durch Einkerbungen 59 und 6l in der Rohrwandung des Rohr I9 örtlich festgelegt. Es ist zu beachten, daß die Flansche 5I und 53 sowie die

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Einkerbungen 59 und 61 leicht in der Rohrwandung ausgebildet werden können, und daß sie auch zusammen mit den Ringen 55 und 57 zusammenwirken, um die Enden der Hüllen 27 mechanisch abzudichten. Die Innendurchmesser dieser Elemente sind groß genug ausgebildet, I so daß sie eine Mindestanzahl von Kanälen 25 in dem hitzebeständigen Träger 23 beinhalten. Während bei zwei Flanschen diese vorzugsweise an den entgegengesetzten Enden der Hüllen 27 angeordnet isind, kann auch nur einer verwendet werden, und in diesem Fall

ist es vorzuziehen, ihn in Strömungsrichtung am Austrittsende der I Hülle anzuordnen.

Bei Verwendung unter der Voraussetzung, daß, wie vorzuziehen ist, die ersten Elemente 29 und 35 addierende Katalysatoren sind, werden diese ersten Elemente, da sie klein und nahe der Maschine ^: !angebracht sind, schnell durch die Wärme der Maschine aufgeheizt sowie durch die Wärme, die durch die Verbrennung von Kohlenmonoxyd und einiger Kohlenwasserstoffe beim Durchströmen des Gases durch : diese Elemente frei wird. Die frei gewordenen Wärme hebt die Temperatur des Gases an, um das Anwärmen der verbleibenden strom- : abwärts angeordneten Elemente zu beschleunigen. Zweitlufteintritte wie die öffnungen 40 können in den Rohren, wenn es als nötig erachtet wird, angeordnet werden. Bestimmte Elemente, vorzugsweise eines oder mehrere, der zwischen den ersten Elementen 29 und 35 unt dem letzten Element 43 angeordneten, können, wenn gewünscht, vom reduzierenden Typ sein, um Stickstoffoxyde zu beseitigen. Der Einsatz einer Vielzahl von Elementen verteilt die Wärmebelastung über, die ganze Anlage und die faserförmigen Hüllen 27 dienen als Isolierungsmittel, um übermäßige oder örtlich konzentrierte Hitze zu

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vermindern. Die gesamte Länge und/oder die Anzahl der Elemente und ahre Verteilung (in dem nach der Auslegung der Anlage möglichen !umfang) sind so gewählt, um die prozentualen Anteile an uner-

!wünschten Gasen auf die gewollte Höhe herabzusetzen, wobei ihre !umformung in der wirkungsvollsten Weise durchgeführt wird. Die
Benutzung von Rohren als Behälter für die Elemente vermindert die Kosten der Anlage und erleichtert ihre Handhabung. Abänderungen jkönnen gemacht werden, ohne jedoch von der Grundidee und dem
!Rahmen der Erfindung abzugehen.

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Claims

Patentanwälte

Dr. Ing. H. Negendank

Dipl. Ina. H. H^uc'c - Dip! Phys. W. SchrH?z

Dipl. Ing. E. Gr isfis- CIpI. Ing. W. Wehnelt

S MOncftan 2, Kesitftstrae· 23

Telefon 5380586
iTenneco Inc.

12ol Michigan Boulevard

kacine, Wisconsin 534o2 9. März 1973

Akte M- 25 35

Patentan sprüche

Auspuffanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer j

j Auspuff Sammelleitung und mit einem Auspiffrohr, das mit der ' AuspuffSammelleitung verbunden ist, um aus ihr Gas abzuführen, ' dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Auspuffrohr (7) eine

; Mehrzahl monolithischer Katalysator-Elemente .(29 * 35,41,43) '.

j angebracht und über die Rohrlänge voneinander getrennt verteilt

j sind, daß das Auspuffrohr eine fortlaufende Rohrwand und Befestigungsmittel zur Halterung jedes der Elemente im Rohrinnerer an der Rohrwand aufweist.

|2. Auspuffanlage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das

j Auspuffrohr (7) gerade Abschnitte und einen gebogenen aufweist

und daß die Elemente in den geraden Abschnitten angebracht sind

3. Auspuffanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ; daß die Befestigungsmittel elastische, nichtmetallische Hüllen ! (27) aufweisen, die mit der Rohrwandung und dem Außenumfang

der Elemente verbunden sind. -2-

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*f. Auspuffanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Eintrittsöffnungen (¹Io) enthält, die

der Zuführung von Zweitluft zu dieser Anlage dienen. I

5. Auspuffanlage nach einem der vorhergehenden Anspruches dadurch j gekennzeichnet, daß die Kataly sat or elemente in geraden Abschnit-

ten der Verrohrung angebracht sind, wobei diese Verrohrung eine^i

- I Bogen (45,H7,49) aufweist, der zwischen den Elementen angebrachjt

ist. ' !

6. Verfahren zur Herstellung eines Auspuffrohres für eine Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von brüchigen Katalysatorelemen-ta elastisch in einem geraden Rohrstück eingebaut sind und daß das Rohr anschließend gebogen wird,'um einen dauerhaften Rohrbogen auszubilden, der von den ι Elementen entfernt in der Rohrführung angeordnet ist.

7. Verrohrungsteil für eine Auspuffanlage einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil ein monolithi- |

i sches, poröses, hitzebeständiges Katalysatorelement enthält, ! wobei dieses Rohrteil als Behälter für das Katalysatorelement dient, daß eine faserförmige Hülle (27) mit der Außenseite der monolithischen Elemente und mit der Innenwand des Rohrteiles verbunden ist, um das Katalysatorelement elastisch in diesem Rohrteil zu halten, und daß das Kataly sator element Halte-L vorrichtungen aufweist, die eine im Inneren des Rohrteils sich ■

I erstreckende Schulter enthalten und die mit einem Ende der

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Hülle in Eingriff stehen.

8. Verrohrungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter einen U-f5rmigen Flansch (51,53) aufweist, der in' der Rohrwandung der Verrohrung ausgebildet ist.

,9. Verrohrungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter einen Ring (55,57) aufweist, der mit einem Ende

: der Hülle im Eingriff steht sowie eine ringförmige Einkerbung (59,61) in der Verrohrung, die mit dem Ring im Eingriff steht und diesen festhält.

Io. Verrohrungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtungen in Strömungsrichtung am Austrittsende der Hülle angebracht sind.

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