DE2320838A1

DE2320838A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine und katalytischer umsetzer zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2320838A1
Application number: DE2320838A
Authority: DE
Inventors: Ted Vernon De Palma; Martin Wendel Perga
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1971-05-24
Filing date: 1973-04-25
Publication date: 1974-11-21
Also published as: US3729936A; FR2227768A5; DE2320838B2; DE2320838C3

Description

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PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 2320838

A 40 139 b
k - 153

24.4.73 Universal Oil Products
Company

Ten UOP Plaza-Algonquin
& Mt. Prospect Roads
. Des Piaines, 111. 600I6, U. S. A.

verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und katalytischer Umsetzer zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche Abgase mit schädlichen Bestandteilen wie Kohlenmonoxid. Kohlenwasserstoffe und Stickoxide erzeugt, die katalytisch in unschädliche Bestandteile umgewandelt werden, sowie einen katalytischen umsetzer zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere befasst sich die yorUegende Erfindung mit der kataiytischen Reduktion von Stickoxxden in einer ersten Zone eines katalytischen Umsetzers und mit der im wesentlichen vollständigen Oxidation von Kohlenmonoxid und restlichen Kohlenwasserstoffen in einer zweiten Zone des katalytischen Umsetzers. .

Der Wunsch nach der Entfernung oder Umsetzung schädlicher Bestandteile der Abgase von Fahrzeugen hat inzwischen weite Verbreitung gefunden. Die unvermeidliche unvollständige Verbrennung

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von kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen in einem Benzinoder Dieselmotor führt zur Erzeugung beträchtlicher Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, von Stickoxiden und von anderen unerwünschten Verbindungen, die als Abfallprodukte über den Auspuff in die Atmosphäre gelangen. Bei der ständig zunehmenden Konzentration von Kraftfahrzeugen, insbesondere im Stadtbereich, erreicht die daraus resultierende Anhäufung dieser unerwünschten Produkte in der Atmosphäre hohe Werte. Es ist bekannt, dass diese Verbrennungsprodukte mit den Gasen der Atmosphäre reagieren, wobei Smog bzw. eine Luftverschmutzung entsteht. Zu den unerwünschten Produkten gehören beispielsweise gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, aromatische Verbindungen, teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe wie Aldehyde, Ketone, Alkohole und Säuren, sowie Stick- und Schwefeloxide. Bei einer katalytischen Umsetzung werden die aus der Abgassammelleitung austretenden heissen Verbrennungsgase durch eine katalytische Kammer bzw. eine katalytische Umsetzungszone geleitet, die sich in einem Umsetzer befindet, um eine mehr oder weniger vollständige Umwandlung der Abfallprodukte in den Abgasen in unschädliche Stoffe zu erzielen. Eines der Probleme der bekannten Systeme bestand in deren Unfähigkeit, ein Umsetzersystem bereitzuhalten, in welchem sowohl die Stickoxide reduziert als auch die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid in dem Abgas oxidiert werden, um unschädliche Stoffe zu erhalten. Gemäss dem Schema der vorbekannten Einrichtungen wurden Systeme mit zwei Zonen verwendet, wobei entweder zwei Umsetzer verwendet wurden oder zwei Stufen von katalytischem Material in einem einzigen Gehäuse, um die Wirkung der zwei Konverter zu erzielen. Typischerweise werden gemäss dem vorbekannten Schema die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase zunächst durch ein Katalysatorbett geleitet, in welchem die Stickoxide in Anwesenheit von Kohlenmonoxid und in Anwesenheit eines reduzierenden Katalysators zu Stickstoff

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reduziert werden; danach wird den teilweise behandelten Gasen Sekundärluft beigemischt und schliesslich wird der gesamte Gasstrom durch ein zweites Katalysatorbett geleitet. In dem zweiten Katalysatorbett werden das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe in Anwesenheit eines oxidierenden Katalysators oxidiert. Dieses Schema hat sich jedoch im Entwurf als viel zu kompliziert erwiesen und damit als unrealistisch teuer. Darüber hinaus kann die Mischung von Luft und Abgasen unvollständig sein, wodurch die Wirksamkeit der Oxidation in dem zweiten Bett ungünstig beeinflusst wird.

Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen vorzuschlagen, mit welchem bzw. mit welcher es möglich ist, die Stickoxide (NOx) sowie das Kohlenmonoxid (CO) und die Kohlenwasserstoffe aus dem Abgasstrom zu entfernen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches durch die Kombination folgender Massnahmen gekennzeichnet ist:

(a) Die Brennkraftmaschine wird so betrieben, dass der Sauerstoffgehalt der Abgase im allgemeinen gering und der Kohlenmonoxidgehalt hoch ist,

(b) die Abgase v/erden durch ein einziges Bett von Katalysatormaterial geleitet, welches stromaufwärts eine Reduktionszone und stromabwärts eine Oxidationszone besitzt,

(c) in die Oxidationszone wird im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase Luft in ausreichender Menge eingeleitet, um die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid zu oxidieren.

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Zur Durchführung dieses Verfahrens hat sich ein katalytischer Umsetzer besonders bewährt, der durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet ist:

(a) Es ist ein äusseres Gehäuse vorgesehen, in dem sich ein Katalysatorbehalter befindet,

(b) mit dem Katalysatorbehalter sind Verteil- und Sammeleinrichtungen verbunden, um die Abgase hindurchzuleiten,

(c) in dem Katalysatorbehälter ist im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase ein mit einer Luftquelle verbundenes Belüftungsrohr so angeordnet, dass sich stromaufwärts eine Reduktionszone und stromabwärts eine Oxidationszone ergibt, und das Belüftungsrohr ist mit Austrittsöffnungen versehen, die so angeordnet sind, dass die Luft aus ihnen quer zur Strömungsrichtung der Abgase austritt.

Es ist ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung, dass die schädlichen Bestandteile der Abgase der Brennkraftmaschine katalytisch in im wesentlichen harmlose Bestandteile umgesetzt werden.

Des weiteren ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen vorschlägt, welches bzw. weiche mit einem einzigen Bett von Katalysatormaterial auskommt, in welches Luft im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase durch das Katalysatorbett eingeleitet wird.

Die vorliegende Erfindung arbeitet nach dem allgemeinen Prinzip, dass Stickoxide nach folgender Summenformel reduziert und entfernt werden können:

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2 CO + 2 NO > N₂" + 2

und das Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in Anwesenheit von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden können, und zwar entsprechend der folgenden Suiranenformel:

CH₄ + 2 O₂ > CO₂ + 2 H₂O

2 CO + O₂ > 2 CO₂

Die Erfindung befasst sich also grundsätzlich mit einem Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Brennkraftmaschine, bei welchem die schädlichen Bestandteile der Abgase wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide katalytisch in im wesentlichen harmlose Komponenten umgesetzt werden, und zwar in folgenden Schritten:

(a) Die Brennkraftmaschine wird in einer solchen Weise betrieben, dass der Sauerstoffgehalt in den unbehandelten Abgasen im wesentlichen niedrig und der Kohlenmonoxidgehalt im wesentlichen hoch ist;

(b) die unbehandelten Abgase der Brennkraftmaschine werden durch ein einziges Bett von Katalysatormaterial geleitet, wobei das Bett von Katalysatormaterial eine stromaufwärts gelegene Reduktionszone und eine stromabwärts gelegene Oxidationszone umfasst;

(c) in die Oxidationszone des Bettes von Katalysatormaterial wird Luft eingeleitet und zwar in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur Richtung der Strömung der Abgase ist, so dass die Stickoxide in den unbehandelten Abgasen von dem Kohlenmonoxid in der stromaufwärts gelegenen Zone des Bettes reduziert werden und so dass die Luft mit den Abgasen in ausreichenden Mengen gemischt wird, um die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid in der stromabwärts gelegenen Zone des Bettes zu oxidieren. _fi

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Um in den unbehandelten Abgasen im allgemeinen einen niedrigen Sauerstoffgehalt und einen hohen Kohlenmonoxidgehalt aufrechtzuerhalten, wird die Brennkraftmaschine vorzugsweise mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben, welches auf der reichen jeite des stöchiometrischen Verhältnisses liegt (reich entspricht einem Überschuss an Kraftstoff), was durch Regelung der Vergasereinstellung, durch Einstellung des Zündzeitpunktes, usw. erreicht werden kann. Es wird auch der Fall ins Auge gefasr.t, eine Kraftstoffeinspritzung oder andere übliche Einrichtungen vorzusehen, um die Brennkraftmaschine mit den erforderlichen Verhältnissen von Luft zu Kraftstoff zu versorgen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll die Formulierung "dass im allgemeinen der Sauerstoffgehalt der Abgase gering und der Kohlenmonoxidgehalt hoch ist" besagen, dass dies für den grösseren Teil der Betriebsweisen der Maschine gilt, da die gegenwärtige Technologie und wirtschaftliche Erwägungen die Möglichkeit beschränken, dieses Ziel für alle Betriebsarten zu lehren.

Das Katalysatormaterial, welches in der Oxidations- und in der Reduktionszone verwendet werden soll, ist vorzugsweise ein einziger Katalysator einer Zusammensetzung. Andererseits kann ein Katalysator, welcher grundsätzlich als Oxidationskatalysator wirkt, in der Oxidationszone verwendet werden, während ein Reduktionskatalysator in der Reduktionszone verwendet werden kann. Bei der Verwendung von zwei verschiedenen Arten von Katalysatoren in einem einzigen Bett können sich jedoch Probleme ergeben. Ein solches Problem ergibt sich beim Mischen der beiden Arten, welches eintreten kann, wenn ein Umsetzer an dem Automobil selbst installiert wird, insbesondere, wenn die Katalysatoren unterschiedliche Dichten haben.

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Eine grosse Anzahl von Metallen und Metalloxiden, welche entweder einzeln oder in Kombination verwendet v/erden können, haben sich als Katalysatoren für die Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden, wie sie in den Abgasen von Automobilen auftreten, als geeignet erwiesen. Diese Materialien können von einem hochfeuerfesten Trägermaterial aus einem anorganischen Oxid getragen werden. Insbesondere haben sich Kupferoxid bzw. Kupferoxid, welches mit einem anderen Metalloxid wie zum Beispiel Eisen-, Kobalt-, Chrom-, Magnesium-, Cer-, Vanadium- und Nickeloxid aktiviert wurde und welches von einem Tonerdeträger getragen wird, als Katalysatoren zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bewährt. Es versteht sich, dass nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf irgendeine Art von Katalysator zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung gestattet die Verwendung eines einzigen, relativ kleinen Umsetzers, um sowohl die Stickoxide zu reduzieren als auch das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe zu oxidieren. Ein oder mehrere Belüftungsrohre können in einem Katalysatorbett in einer Ebene angeordnet sein, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase verläuft, um in die Oxidationszone des Katalysatormaterials Luft einzuleiten. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren stehen ferner die Oxidations- und die Reduktionszone in direktem Wärmeaustausch miteinander, so dass in dem Bett aus Katalysatormaterial eine optimale Wärmespeicherung erfolgt.

In Weiterbildung der Erfindung wird, wie oben bereits angedeutet, ein katalytischer Umsetzer zur Behandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der in einem äusseren Gehäuse einen Katalysatorbehälter enthält, mit welchem Verteil- und Sammeleinrichtungen zum Hindurchleiten der Abgase durch den Katalysatorbehälter verbunden sind, wobei in dem Ka-

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talysatorbehälter mindestens ein Belüftungsrohr vorgesehen ist, welches in einer zur Strömungsrichtung der Abgase im wesentlichen quer verlaufenden Ebene liegt und welches räumlich ausserdem so angeordnet ist, dass sich ein stromaufwärts gelegener und ein stromabwärts gelegener Abschnitt ergibt. Jedes der Belüftungsrohre besitzt ferner eine Anzahl von Durchbrechungen, um die Luft quer zur Strömungsrichtung der Abgase in den stromabwärts gelegenen Bereich des Katalysatorbehälters einzuleiten, wobei die Belüftungsrohre bzw. das mindestens eine Belüftungsrohr mit Einrichtungen zum Zuführen von Luft verbunden sind bzw. ist.

In den meisten Fällen ergibt sich aufgrund der Grosse des Katalysatorbehälters die Notwendigkeit, mehrere Belüftungsrohre vorzusehen, die alle in der gleichen Ebene liegen, welche ihrerseits quer zur Strömungsrichtung der Abgase liegt. Die Durchbrechungen können durch öffnungen auf gegenüberliegenden Seiten der Belüftungsrohre gebildet werden, welche so angeordnet sind, dass sich eine Luftströmung quer zur Strömungsrichtung der Abgase durch den Umsetzer ergibt. Natürlich ist in dem Katalysatorgehäuse ein geeignetes Katalysatormaterial vorgesehen.

Das bei dem erfindungsgemässen Umsetzer zu verwendende Katalysatormaterial ist vorzugsweise eine einzige Katalysatormischung, die von einem hochfeuerfesten anorganischen Oxidträgermaterial getragen wird. Es ist natürlich nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf irgendeine Art von Katalysator zu beschränken.

An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die besondere, hier vorgeschlagene Anordnung zu einem einzigen Bett aus Katalysatormaterial führt, welches sowohl die Stickoxide reduziert als auch das Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe

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in den Abgasen oxidiert. Durch Einleiten von Luft mittels eines Belüftungsrohrs in den Katalysatorbehälter wird eine geeignete Durchmischung der Luft mit den Abgasen durchgeführt. Das Katalysatormaterial dient dazu, die Luft und die Abgase an der wichtigsten Stelle, dem Ort der Reaktion, wirksam zu mischen. In anderen Worten wird durch die Einleitung von Luft in das Katalysatormaterial selbst mit Hilfe der Belüftungsrohre eine geeignete Turbulenz erzeugt, um den Sauerstoff und die Abgase wirksam miteinander zu mischen, und es ergibt sich ausserdem eine optimale Wärmespeicherung, da die beiden Abschnitte oder Zonen in dem katalytischen Konverter in direktem Wärmeaustausch miteinander stehen und da ausserdem ein indirekter Wärmeaustausch zwischen den Belüftungsrohren und dem Katalysatormaterial vorhanden ist. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Perforationen bzw. Öffnungen in den Belüftungsrohren in unterschiedlichen Abständen angeordnet sein können, um eine günstige Einleitung der Luft in den Katalysatorbehälter zu fördern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Unteransprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines katalytischen Umsetzers zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens teilweise im Schnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Umsetzer gemäss Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Figur,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine abgewandelte Ausführungsform eines katalytischen Umsetzers zur Durchführung des

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erfindungsgemässen Verfahrens, dessen einzelne Teile konzentrisch zueinander angeordnet sind.

Betrachtet man zunächst die Fig. 1 und 2 der Zeichnung, so erkennt man, dass diese Figuren einen Umsetzer 1 zeigen, der ein äusseres Gehäuse 2 mit einer Einlassleitung 3 und einer Auslassleitung 4 umfasst. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Bezeichnung der Leitung 3 als Einlassleitung und die Bezeichnung der Leitung 4 als Auslassleitung keineswegs als eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden soll, da auch das Umgekehrte möglich ist. Ferner soll darauf hingewiesen werden, dass eine abwärts gerichtete Strömung durch den Umsetzer bevorzugt wird und insbesondere eine abwärts gerichtete Strömung der Abgase durch den Katalysatorbehälter, da sich auf diese Weise ein geringerer Abrieb ergibt. Der Umsetzer 1 umfasst'ferner ein Katalysatorgehäuse 5, welches durch Wandteile des äusseren Gehäuses und durch zwei perforierte Trennwände 10 und 11 gebildet wird. Bei dem betrachteten Umsetzer sind die Trennwände räumlich so angeordnet, dass sie ein Einlass- bzw. Verteilerfeld 7 mit sich änderndem Querschnitt und ein Auslass- bzw. Sammelfeld 8 mit sich ebenfalls änderndem Querschnitt definieren. Das Verteiler- und das Sammelfeld sowie die Anschlussleitungen dienen, als Verteil- und Sammeleinrichtungen zum Hindurchleiten der Abgase durch den Katalysatorbehälter 5. Der Umsetzer umfasst ferner Belüftungsrohre 15, die in dem Katalysatorbehälter 5 in einer Ebene liegen, die im wesentlichen quer zu der durch die Pfeile 17 angedeuteten Strömungsrichtung der Abgase durch den Umsetzer liegt. Die Belüftungsrohre 15 sind in dem Kätalysatorbehälter 5 im Abstand voneinander angeordnet und unterteilen diesen in eine stromaufwärts liegende Reduktionszone 20 und eine stromabwärts liegende Oxidationszone 21. Die

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Belüftungsrohre 15 besitzen Öffnungen 16 oder anderweitige Luftaustrittseinrichtungen/ um der stromabwärts liegenden Oxidationszone 21 des Katalysatorbehälters 5 Luft zuzuführen. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Öffnungen 16 bzw. die Luftaustrittseinrichtungen, wie dies Fig. 2 der Zeichnung zeigt, längs der Seiten der Belüftungsrohre 15 angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich in dem Katalysatorbehälter eine Hauptströmungsrichtung für die Luft, wie sie durch Pfeile 23 angedeutet ist. Die Enden der Belüftungsrohre 15 greifen durch die Stirnwand des äusseren Gehäuses 2 hindurch und besitzen nicht perforierte Endstücke 18, die mit einer nicht dargestellten Luftquelle verbunden werden können, welche den Belüftungsrohren Luft zuführt. Die Luftquelle kann von üblicher Art sein und beispielsweise durch eine Pumpe, einen Kompressor oder ein Venturi-System gebildet werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Es können Regeleinrichtungen vorgesehen sein, um den Luftstrom während der verschiedenen Betriebsarten der Brennkraftmaschine zu regeln. Natürlich hängt die Zahl der verwendeten Belüftungsrohre bei den einzelnen Ausführungsformen von der Grosse des verwendeten Umsetzers und von der Zusammensetzung und Strömungsgeschwindigkeit der Abgase ab. Ferner hängt die Anzahl der verwendeten Belüftungsrohre natürlich auch von der Art des in dem Umsetzer verwendeten Katalysatormaterials und von derjenigen Strömungsgeschwindigkeit ab, die ohne die Gefahr einer übermässigen Abkühlung noch zulässig ist. Der erfindungsgemässe Umsetzer kann also je nach den gegebenen Verhältnissen sowohl mit einem als auch mit mehreren Belüftungs^- rohren arbeiten.

In dem Katalysatorbehälter 5 befindet sich Katalysatormaterial 12. Bezüglich des speziellen Typs von Katalysatormaterial in dem Katalysatorbehälter 5 ist festzustellen, dass jeder geeignete Hochtemperaturkatalysator, verwendet werden kann, welcher ·

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die Stickoxide in Stickstoff und Kohlendioxid umwandelt und welcher die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid oxidiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignete Katalysatormaterialien sind in der Beschreibungseinleitung im einzelnen aufgeführt. Was die Form des Katalysatormaterials anbelangt, so ist festzustellen, dass das Katalysatormaterial in Form von Kugeln, Zylindern oder Pillen vorliegen kann, welche in dem umschlossenen Katalysatorbehälter zurückgehalten werden. Das Katalysatormaterial kann auch in Form von imprägnierten Fasern vorliegen, so dass sich ein mattenförmiges Bett von Katalysatormaterial ergibt. Wenn Kugeln oder Pillen verwendet werden, sollten sie ausreichend gross sein, um in dem perforierten Katalysatorbehälter zurückgehalten zu werden.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel fliessen die Abgase der Brennkraftmaschine über die Einlassleitung 3 in den Umsetzer und gelangen dort zunächst in das Einlass- bzw. Verteilerfeld 7 und von dort durch die perforierte Trennwand 10 in den Katalysatorbehälter 5. Vorzugsweise werden die Bedingungen für die Brennkraftmaschine so eingestellt, dass die unbehandelten Abgase einen niedrigen Sauerstoffgehalt und einen im allgemeinen hohen Kohlenmonoxidgehalt besitzen. Dies kann in üblicher Weise erreicht werden, beispielsweise indem man die Maschine mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der "reichen" Seite des stöchiometrischen Verhältnisses betreibt. Im Laufe von Versuchen hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Gewichtsverhältnis) zwischen etwa 13 und 14,8 liegt, und zwar bei den meisten Betriebsarten. Die Abgase treten in den Umsetzer ein und passieren einen einzigen Behälter 5 für Katalysatormaterial 12. Da der Katalysatorbehälter 5 eine stromaufwärts gelegene Reduktionszone 20 und eine stromabwärts gelegene Oxidationszone 21 besitzt, treten in dem Umsetzer unterschiedliche Reaktionen auf. In der Oxidationszone wird die richtige Sauerstoffmenge

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durch Einleiten von Luft in diese Zone über Belüftungsrohre 15 aufrechterhalten/ wobei die Luftströmung im wesentlichen quer, zur Strömungsrichtung der Abgase verläuft, was insbesondere mit Hilfe von an geeigneter Stelle angebrachten öffnungen 16 an den Belüftungsrohren erreicht wird. Ohne dass die Erfindung darauf beschränkt werden soll, soll hier festgestellt werden, dass die in das Katalysatorbett eintretende Luftmenge ohne weiteres in üblicher Weise errechenbar ist und im allgemeinen von der Menge der Kohlenv/asserstoffe sowie von der Menge des Kohlenmonoxids abhängig ist, welches in den Abgasen noch enthalten ist, wenn diese die Reduktionszone 20 verlassen. Natürlich wird üblicherweise überschüssige Luft zugeführt, um die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids sicherzustellen. Die Stickoxide werden in Anwesenheit von Kohlenmonoxid in der Reduktionszone 20 des Katalysatorbehälters reduziert und in die im allgemeinen harmlosen Gase Kohlendioxid und Stickstoff umgewandelt. Das restliche Kohlenmonoxid und die Kohlenwasserstoffe in den Abgasen werden in der stromabwärts gelegenen Oxidationszone 21 des Katalysatorbettes oxidiert. Da die Strömungsrichtung der Luft im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase ist, wird eine wirksame und schnelle Mischung von Sauerstoff und Abgasen in einem relativ kleinen Gebiet in der Nähe der Belüftungsrohre erreicht. Da das Katalysatormaterial den öffnungen 16 der Belüftungsrohre benachbart ist, erfolgt die Mischung von Sauerstoff und Abgasen praktisch sofort. Diese Tatsache ist einer der wesentlichen Vorteile bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und dem Einsatz des Umsetzers zur Durchführung desselben. Da ferner sowohl die Reduktion als auch die Oxidation der Bestandteile der Abgase in einem Reaktor und in einem Katalysatorbehälter erreicht v/erden", wird eine bessere Wärmeausnutzung ermöglicht, da die Reduktionsund die Oxidationszone in direktem Wärmeaustausch miteinander und mit der eintretenden Luft stehen. Natürlich verlassen die behandelten Abgase nach Umsetzung der schädlichen Komponenten in dem Katalysatorbehälter 5 letzteren durch die perforierte

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Trennwand 11 und gelangen in das Auslass- bzw. Sammelfeld, von wo sie den Umsetzer über die Auslassleitung 4 verlassen, die mit dem Auspuffrohr des Abgassystems verbunden ist.

Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 ein im wesentlichen flaches und rechteckiges Bett von Katalysatormaterial vorgesehen ist, sind auch andere Formen möglich und sollen als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen werden. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung könnte beispielsweise auch ohne weiteres unter Verwendung eines flachen, kreisförmigen bzw. pfannkuchenförmigen Katalysatorbehälters verwirklicht werden. Ferner können die Belüftungsrohre gerade oder gekrümmt sein.

Auch weitere Formen von katalytischen Umsetzern werden als unter die vorliegende Erfindung fallend angesehen. So zeigt beispielsweise Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Umsetzer 51 mit einem äusseren Gehäuse 52 und damit verbundenen Einlass- und Auslassleitungen (nicht dargestellt), bei welchem der im Inneren des äusseren Gehäuses 52 liegende Katalysatorbehälter 55 rohrförmig ausgebildet ist. Der innere Mantel des Katalysatorbehälters 55 wird dabei durch eine perforierte Trennwand 60 gebildet, die gleichzeitig die Einlassleitung 57 darstellt. Der äussere Mantel des Katalysatorbehälters 55 besteht aus einer weiteren perforierten Trennwand 61. Eine Einlassleitung bzw. ein Einlassfeld 58 wird dabei durch die Trennwand 61 und die Innenseite des äusseren Gehäuses 52 gebildet. Der Querschnitt lässt ferner vier Belüftungsrohre erkennen, die mit Lufteinlasseinrichtungen bzw. Öffnungen 66 versehen sind und die in dem Katalysatorbehälter 55 in einer Ebene bzw. längs einer Zylinderfläche angeordnet sind, welche quer zu der durch Pfeile 67 angedeuteten Strömungsrichtung der Abgase liegt und welche in dem Katalysatorhehälter 55 räumlich so angeordnet ist, dass sich eine stromaufwärts liegende Re-

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duktionszone 70 und eine stromabwärts liegende Oxidationszone 71 ergeben. Die Luftzufuhreinrichtungen bzw. Öffnungen 66 dienen der Zufuhr von Luft zu der stromabwärts gelegenen Oxidationszone 71 des Katalysatorbehälters, wobei die Strömungsrichtung der Luft durch Pfeile 73 angedeutet ist. Natürlich werden auch bei dem Umsetzer gemäss Fig. 3 in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtungen zum Zuführen der Luft zu den Belüftungsrohren benötigt. In dem Katalysatorbehälter 55 befindet sich Katalysatormaterial 62. Es versteht sich, dass die Arbeitsweise des Umsetzers gemäss Fig. 3 im Prinzip die gleiche ist wie die desjenigen gemäss Fig. 1 und dass auch der jetzt betrachtete Umsetzer in ähnlicher Weise arbeitet. Die Abgase der Brennkraftmaschine, welche vorzugsweise so betrieben wird, dass ein niedriger Sauerstoff- und ein hoher Kohlenmonoxidgehalt aufrechterhalten wird, werden durch das Katalysatormaterial 62 in einem einzigen Katalysatorbett bzw. Katalysatorgehäuse 55 geleitet, welches eine stromaufwärts gelegene Reduktionszone 70 und eine stromabwärts gelegene Oxidationszone 71 umfasst. Die Luft wird in die Oxidationszone 71 des Katalysatorbetts durch öffnungen 66 der Belüftungsrohre 65 eingeleitet, und zwar in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 67 der Abgase verläuft. In der Reduktionszone 70 werden die Stickoxide in Anwesenheit von überschüssigem Kohlenmonoxid in den Abgasen reduziert, während die Kohlenwasserstoffe und das restliche Kohlenmonoxid in der Oxidationszone oxidiert werden. Die einströmende Luft wird gleichförmig und wirksam mit den behandelten Abgasen aus der Reduktionszone 70 gemischt, um in der Oxidationszone 71 sehr wirksame Bedingungen für eine Oxidation zu erzielen. Wie bei dem Umsetzer gemäss Fig. 1 und 2, gestattet auch der Umsetzer gemäss Fig. 3 eine im wesentlichen vollständige Umsetzung der schädlichen Bestandteile wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in einem einzigen Bett von Katalysatormaterial, wobei eine beträchtliche Wärmespeicherung erfolgt und wobei ferner eine wirk-

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same Durchmischung von Luft und Abgasen stattfindet.

Es ist natürlich nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung lediglich auf die Formen und Ausführungsbeispiele zu beschränken, die in der Zeichnung gezeigt v/erden und die vorstehend beschrieben wurden, da für den Fachmann auch andere Formen und Konstruktionen auf der Hand liegen. Tatäschlich wird die jeweilige Form des Umsetzers weitgehend durch die Art der Brennkraftmaschine, den zur Verfügung stehenden Raum usw. vorgegeben.

Versuchsergebnisse

Ein dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 entsprechender Umsetzer mit einem KatalysatorbehSlter mit folgenden Abmessungen: ca. 5,08 χ 17,78 χ 35,56 cm wurde mit einer unter Last laufenden, feststehenden Brennkraftmaschine verbunden und es wurden die sieben Betriebsarten durchgefahren, welche von dem Motor Vehicle Pollution Control Board von Kalifornien, U.S.A., vorgeschrieben sind. Der in dem Umsetzer verwendete Katalysator bestand aus kugelförmigen Tonerdeträgern, die mit Kupferoxid und Eisenoxid imprägniert waren. Der Umsetzer besass zwei parallele Belüftungsrohre mit einem Innendurchmesser von 3/8 Zoll (1,02 cm), die etwa bei 2/3 des Abstandes zwischen der eingangsseitigen Trennwand und der ausgangsseitigen Trennwand angeordnet waren, so dass die Reduktionszone 2/3 des Katalysatorbehälters umfasste und die Oxidationszone 1/3. Längs der Seiten der Belüftungsrohre waren öffnungen vorgesehen, deren Grosse sich von dem stromaufwärts gelegenen Ende zu dem stromabwärts gelegenen Ende verringerte. Die Gesamtfläche der Öffnungen war annähernd gleich dem freien Querschnitt der Belüftungsrohre und die Maschine wurde mit einem reichen Gemisch betrieben.

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Der Umsetzer wurde zunächst ohne zusätzliche Luft betrieben, wobei folgende Ergebnisse erhalten wurden:

Prozentuale Umsetzung

Kohlenwasserstoffe 40%

Kohlenmonoxid 40%

Stickoxide 75%

Anschliessend wurde den Belüftungsrohren des Umsetzers kontinuierlich Sekundärluft zugeführt (zwischen etwa 28 und etwa 84 dm /min);es wurden folgende verbesserte Ergebnisse erhalten:

Prozentuale Umsetzung

Kohlenwasserstoffe 65%

Kohlenmonoxid 65%

Stickoxide 90%

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen klar die mit dem erfindungsgemassen Verfahren bzw. mit dem erfindungsgemassen katalytischen Umsetzer erzielbaren Verbesserungen.

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Claims

A 40 139 b - -18 - 24.4.73 .-..·■' Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, welche Abgase mit schädlichen Bestandteilen wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide erzeugt, die katalytisch in unschädliche Bestandteile umgewandelt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Massnahmen:

(a) die Brennkraftmaschine wird so betrieben, dass

im allgemeinen der Sauerstoffgehalt der Abgase gering und der Kohlenmonoxidgehalt hoch ist,

(b) die Abgase werden durch ein einziges Bett von Katalysatormaterial (12, 62) geleitet, welches stromaufwärts eine Reduktionszone (20, 70) und stromabwärts eine Qxidationszone (21, 71) besitzt, ·

(c) in die Oxidationszone (21, 71) wird im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase Luft in ausreichender Menge eingeleitet, um die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid zu oxidieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysatormaterial ein einziges reduzierendes und oxidierendes Katalysatormaterial verwendet v/ird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysatormaterial ein mit Kupferoxid und Eisenoxid imprägniertes Trägermaterial verwendet wird.

4. Katalytischer Umsetzer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

(a) es ist ein äusseres Gehäuse (2, 52) vorgesehen, in dem sich ein Katalysatorbehälter (5, 55) befindet,

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24.4.73

(b) mit dem Katalysatorbehälter (5_/ 55) sind Verteilund Sammelreinrichtungen (7, 57 bzw. 8, 58) verbunden, um die Abgase hindurchzuleiten,

(c) in dem Katalysatorbehälter (5, 55) ist im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Abgase mindestens ein mit einer Luftquelle verbundenes Belüftungsrohr (15, 65) so angeordnet, dass sich stromauf wärts eine Reduktionszone (20, 70) und stromabwärts eine Oxidationszone (21, 71) ergibt, und das mindestens eine Belüftungsrohr (15,65) ist mit Lufteinlasseinrichtungen (16, 66) versehen, die so angeordnet sind, dass die Luft aus ihnen quer zur Strömungsrichtung der Abgase austritt.

5. umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Belüftungsrohre (15, 65) vorgesehen sind.

6. Umsetzer nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorbehälter (5) im wesentlichen die Form eines flachen, rechteckigen Kastens besitzt.

7. Umsetzer nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorbehälter (55) rohrförmig ausgebildet ist.

8. Umsetzer nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des mindestens einen Belüftungsrohrs (15, 65) von der Einlaßseite des Katalysatorbehälters etwa 2/3 der gesamten Dicke des Katalysatorbettes beträgt, so dass die Tiefe der Reduktionszone doppelt so gross wie die Tiefe der Reduktionszone ist.

409847/-0 477

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