DE10048518A1 - Catalyst arrangement used for post treating I.C. engine exhaust gases comprises a housing through which exhaust gas can pass, a solid material support with a catalytic active material - Google Patents
Catalyst arrangement used for post treating I.C. engine exhaust gases comprises a housing through which exhaust gas can pass, a solid material support with a catalytic active materialInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatorvorrichtung zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, durch das das Abgas geleitet wird; einer in dem Gehäuse vorgesehenen Trägereinrichtung, welche vom Abgas durchströmbar ist und an ihrer dem Abgas zugewandten Oberfläche mit einem katalytischen Wirkstoff versehen ist; und einer Latentwärmespeichereinrichtung zum Speichern der im Abgas vorhandenen Wärme.The present invention relates to a catalytic device for catalytic Aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine with a housing through which the exhaust gas is directed; a support device provided in the housing, which can be flowed through by the exhaust gas and on its surface facing the exhaust gas is provided with a catalytic agent; and a latent heat storage device for storing the heat present in the exhaust gas.
Die Schadstoffemission von Ottomotoren kann durch eine katalytische Nachbehandlung wirksam vermindert werden. Dabei geht es im wesentlichen darum, den noch nicht vollständig verbrannten Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Ein Katalysator fördert die Nachverbrennung von reaktiven CO und HC zu ungefährlichem Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) und reduziert gleichzeitig im Abgas vorkommende Stickoxide (NOx) zu neutralem Stickstoff (N2).The emission of pollutants from gasoline engines can be effectively reduced by a catalytic aftertreatment. It is essentially a matter of completely burning the fuel that has not yet been completely burned. A catalyst promotes the afterburning of reactive CO and HC to harmless carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) and at the same time reduces nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas to neutral nitrogen (N 2 ).
Üblich ist beispielsweise der Dreiwege-Katalysator, der alle drei Schadstoffe CO, HC und NOx gleichzeitig abbaut. Er hat ein Röhrengerüst aus einer Keramik oder Metall als Trägereinrichtung, die mit Edelmetallen, vorzugsweise mit Platin, Palladium oder Rhodium beschichtet ist, wobei letztere den chemischen Abbau der Schadstoffe beschleunigen.The three-way catalytic converter, for example, which breaks down all three pollutants CO, HC and NO x simultaneously, is common. It has a tube structure made of a ceramic or metal as a carrier device, which is coated with precious metals, preferably with platinum, palladium or rhodium, the latter accelerating the chemical degradation of the pollutants.
Als nachteilhaft bei den bekannten Katalysatorvorrichtungen hat sich herausgestellt, daß sie erst bei einer bestimmten Betriebstemperatur von typischerweise 300°C ihre volle Wirksamkeit entwickeln.A disadvantage of the known catalyst devices has been found that they only become full at a certain operating temperature of typically 300 ° C Develop effectiveness.
Ein großes Potential zur Senkung der unerwünschten Abgasemission liegt also darin, die Anspringzeit bzw. Aufwärmzeit des Katalysators zu reduzieren. So there is great potential for reducing undesirable exhaust emissions To reduce the light-off time or warm-up time of the catalyst.
Eine erste Gruppe bekannter Systeme löst diese Aufgabe durch eine Elektroheizung. Durch die hohe erforderliche elektrische Leistung und bauartbedingt verursachen diese Systeme hohe mittelbare und unmittelbare Kosten.A first group of known systems solves this problem with an electric heater. Due to the high electrical power required and the design, they cause Systems high indirect and direct costs.
Eine weitere Gruppe bekannter Systeme beruht auf dem Prinzip, die im Abgas vorhandene Wärme in einem Latentwärmespeicher zu konservieren und beim Kaltstart zur Erwärmung des Katalysators wieder freizugeben. Solche Systeme sehen die Anordnung eines Latentwärmespeichers um das Gehäuse eines bekannten Katalysators vor. Insbesondere wird ein System mit BaSO4 verwendet, das bei einer Betriebstemperatur von ca. 300°C einen Phasenübergang zwischen fest und flüssig erleidet und eine effektive Wärmespeicherzeit von ca. 1 Woche aufweist.Another group of known systems is based on the principle of conserving the heat present in the exhaust gas in a latent heat store and releasing it again during the cold start for heating the catalytic converter. Such systems provide for the arrangement of a latent heat storage around the housing of a known catalyst. In particular, a system with BaSO 4 is used which undergoes a phase transition between solid and liquid at an operating temperature of approx. 300 ° C and has an effective heat storage time of approx. 1 week.
Von einer solchen Anordnung gehen einerseits erhebliche thermische Probleme bei hohen Lasten aus, da die überschüsige Wärme nicht hinreichend nach außen abführbar ist. Andererseits liegt infolge der begrenzten Wärmeaustauschfläche ein Problem in der Übertragung der erforderlichen Wärmeleistung auf den Katalysator beim Kaltstart.On the one hand, such an arrangement causes considerable thermal problems at high levels Loads because the excess heat cannot be sufficiently dissipated to the outside. On the other hand, due to the limited heat exchange area, there is a problem in that Transfer of the required heat output to the catalytic converter during a cold start.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Katalysatorvorrichtung der eingangs genannten Art derart anzugeben, daß die Wärmeübertragung und -speicherung verbessert sind.An object of the present invention is to provide a catalytic device Specify the type mentioned in such a way that the heat transfer and storage are improved.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß die Trägereinrichtung selbst ein Feststoffmaterial aufweist bzw. daraus besteht, das als die Latentwärmespeichereinrichtung wirkt. D. h. entweder ist die Trägereinrichtung mit einem entsprechenden Material beschichtet oder daraus gebildet. Dabei sind die mechanischen Eigenschaften, die Beschichtbarkeit und die Temperaturfestigkeit zweckmäßigerweise gleich wie beim bekannten Trägermaterial. The present invention is based on the idea that the carrier device itself Has solid material or consists of that as the Latent heat storage device acts. I.e. either the carrier device is with a appropriate material coated or formed therefrom. The mechanical ones Properties, coatability and temperature resistance are expedient same as with the known carrier material.
Die Katalysatorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß die Aufwärmzeit stark reduziert ist und daher die Abgasemission drastisch reduzierbar ist. Die Wärmeaustauschfläche entspricht der katalytisch aktiven Fläche.The catalyst device with the features of claim 1 has the advantage that the warm-up time is greatly reduced and therefore the exhaust gas emissions can be drastically reduced is. The heat exchange surface corresponds to the catalytically active surface.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung.Advantageous further developments and improvements of the Invention.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung geht das Feststoffmaterial zur Latentwärmespeicherung eine reversible chemische oder eine physikalische Reaktion unter Wärmeeinfluß ein, wobei es seinen Aggregatzustand beibehält.According to a preferred development, the solid material is added Latent heat storage is a reversible chemical or physical reaction under the influence of heat, while maintaining its physical state.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfaßt das Feststoffmaterial
gebrannten Kalk (CaO). Die stark exotherme Reaktion des gebrannten Kalks mit Wasser
(Kalklöschen)
According to a further preferred development, the solid material comprises burnt lime (CaO). The strongly exothermic reaction of the burnt lime with water (lime quenching)
CaO + H2O → Ca(OH)2
CaO + H 2 O → Ca (OH) 2
wobei sich Calciumhydroxid bildet, eignet sich besonders zur Katalysatorerwärmung, da die Reaktion bei 447°C umkehrbar ist.where calcium hydroxide forms, is particularly suitable for heating the catalyst, since the reaction is reversible at 447 ° C.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung agiert das Feststoffmaterial als der katalytische Wirkstoff. Dies hat den Vorteil, daß die Beschichtung entfallen kann.According to a further preferred development, the solid material acts as the catalytic agent. This has the advantage that the coating can be omitted.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Feststoffmaterial mit dem katalytischen Wirkstoff beschichtet. Vorzugsweise werden Rhodium oder Platin, Palladium zur Beschichtung verwendet.According to a further preferred development, the solid material is with the coated catalytic active ingredient. Rhodium or platinum, palladium are preferred used for coating.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Wärmekapazität des Röhrengerüsts und die darin gespeicherte Wärmemenge derart abgestimmt, daß eine Temperatur von mindestens 300°C erreichbar ist. Dies entspricht einer üblichen Betriebstemperatur.According to a further preferred development, the heat capacity of the Tube structure and the amount of heat stored in it adjusted so that a Temperature of at least 300 ° C is achievable. This corresponds to a common one Operating temperatur.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Reaktionsrichtung extern steuerbar oder regelbar. Dies hat den Vorteil, daß die Katalysatortemperatur extern beeinflußbar und genau einstellbar ist. Als Steuerungsmöglichkeit könnte z. B. auch ein elektromagnetisches Feld bei einem Material mit entsprechenden Eigenschaften dienen.According to a further preferred development, the reaction direction is external controllable or regulable. This has the advantage that the catalyst temperature is external can be influenced and precisely adjusted. As a control option, e.g. B. also a serve electromagnetic field with a material with appropriate properties.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Trägereinrichtung eine Röhrenstruktur auf, die unterschiedliche Röhren für Abgas und ein Reaktionsmedium aufweist.According to a further preferred development, the carrier device has a Tubular structure, the different tubes for exhaust gas and a reaction medium having.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Trägereinrichtung eine Röhrenstruktur auf, die Röhren für Abgas aufweist, welche unter Zwischensetzen von Abstandshaltern miteinander verbunden sind, wobei ein Reaktionsmedium durch den Zwischenraum zwischen den Röhren leitbar ist.According to a further preferred development, the carrier device has a Tubular structure, which has tubes for exhaust gas, which with the interposition of Spacers are interconnected, with a reaction medium through the Gap between the tubes is conductive.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Reaktionsmedium Wasser.According to a further preferred development, the reaction medium is water.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings and in the following description explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of a catalyst device according to a preferred embodiment of the present invention.
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Röhrengerüsts der Katalysatorvorrichtung nach Fig. 1; und FIG. 2 shows an enlarged detail of the tubular frame of the catalyst device according to FIG. 1; and
Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung des Röhrengerüsts einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 is an enlarged detail of the tube mill of a catalytic device according to another preferred embodiment of the present invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate the same or functionally the same Elements.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 ist eine Ausschnittsvergrößerung des Röhrengerüsts der Katalysatorvorrichtung nach Fig. 1. Fig. 1 is a schematic representation of a catalytic device according to a preferred embodiment of the present invention, and Fig. 2 is an enlarged detail of the tube skeleton of the catalytic system according to Fig. 1.
Die Katalysatorvorrichtung zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine gemäß dieser Ausführungsform hat ein Gehäuse 3, durch das das Abgas in Pfeilrichtung P geleitet wird. 4 bezeichnet ein eingangsseitiges Sieb.The catalyst device for the catalytic aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine according to this embodiment has a housing 3 through which the exhaust gas is passed in the direction of arrow P. 4 denotes an input side sieve.
In dem Gehäuse 3 vorgesehen ist ein hexagonales wabenförmiges Röhrengerüst 1, das aus CaO hergestellt ist, welches vom Abgas durchströmbar ist und an seiner dem Abgas zugewandten Oberfläche mit einem katalytischen Wirkstoff 10 (hier Pt) versehen ist.Provided in the housing 3 is a hexagonal honeycomb-shaped tubular frame 1 , which is made of CaO, through which the exhaust gas can flow and which is provided with a catalytic active substance 10 (here Pt) on its surface facing the exhaust gas.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Röhrengerüst 1 aus gepresstem oder gesinterten
CaO als Feststoffmaterial 100 hergestellt, das zur Latentwärmespeicherung eine
reversible chemische Reaktion unter dem Wärmeeinfluß des Abgases eingeht, wobei es
seinen Aggregatzustand beibehält. Die chemische Reaktion ist in diesem Fall die stark
exotherme Reaktion des gebrannten Kalks mit Wasser (Kalklöschen)
According to this embodiment, the tubular frame 1 is made of pressed or sintered CaO as solid material 100 , which undergoes a reversible chemical reaction under the influence of heat from the exhaust gas for the purpose of storing latent heat, while maintaining its physical state. The chemical reaction in this case is the highly exothermic reaction of the quicklime with water (lime quenching)
CaO + H2O → Ca(OH)2
CaO + H 2 O → Ca (OH) 2
wobei sich Calciumhydroxid bildet. Sie eignet sich besonders zur Katalysatorerwärmung, da die Reaktion bei 447°C umkehrbar ist.where calcium hydroxide forms. It is particularly suitable for heating the catalyst, since the reaction is reversible at 447 ° C.
Das Feststoffmaterial 100 ist weiterhin mit dem katalytischen Wirkstoff 10 in Form von Platin beschichtet, wobei Wasser an bestimmten Stellen an das CaO herantreten kann und davon bei entsprechender Erwärmung entweichen kann. Die Wärmekapazität des Röhrengerüsts 1 und die darin gespeicherte Wärmemenge sind derart abgestimmt, daß eine Temperatur von 300°C erreichbar ist.The solid material 100 is also coated with the catalytic active substance 10 in the form of platinum, water being able to approach the CaO at certain points and escape therefrom when heated accordingly. The heat capacity of the tubular frame 1 and the amount of heat stored therein are matched in such a way that a temperature of 300 ° C. can be reached.
Zweckmäßig in dieser Hinsicht ist die Doppelröhrenstruktur gemäß Fig. 2, d. h. das Röhrengerüst 1 weist Abgasröhren und Wasserröhren auf, welche z. B. gemeinsame Wandbereiche haben oder nur nebeneinanderliegen. Solch eine Doppelröhrenstruktur hat zudem den Vorteil, daß die Konkurrenzreaktion mit CO2 zu CaCO3 besser kontrollierbar bzw. verhinderbar ist.The double tube structure according to FIG. 2 is expedient in this respect, ie the tube frame 1 has exhaust gas tubes and water tubes, which, for. B. have common wall areas or just next to each other. Such a double tube structure also has the advantage that the competition reaction with CO 2 to CaCO 3 can be better controlled or prevented.
Der Betrieb der so aufgebauten Katalysatorvorrichtung ist folgender. Beim Kaltstart wird in das Gehäuse mit einer entsprechenden Zuleitung Wasser geleitet und damit das Röhrengerüst derart benetzt, daß es zu obiger Reaktion kommt.The operation of the catalyst device thus constructed is as follows. On cold start in the housing with a corresponding supply line water and thus the Tube structure wetted in such a way that the above reaction occurs.
Durch die exotherme Reaktion mit 3,97 GJ/m3 wird die Katalysatoreinrichtung in kurzer Zeit auf ihre Anspringtemperatur erwärmt. Dann wird der Motor gestartet. Im weiteren Verlauf erwärmt die Abgaswärme die Katalysatorvorrichtung weiter, so daß schließlich bei 447°C die Umkehrreaktion einsetzt und das Wasser wieder abgegeben wird.Due to the exothermic reaction with 3.97 GJ / m 3 , the catalyst device is heated to its light-off temperature in a short time. Then the engine is started. In the further course, the exhaust gas heat continues to heat the catalyst device, so that the reverse reaction finally begins at 447 ° C. and the water is released again.
Beim nächsten Kaltstart erfolgt derselbe Vorgang von neuem.At the next cold start, the same process takes place again.
Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des Röhrengerüsts einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 shows an enlarged detail of the tube frame of a catalyst device according to a further preferred embodiment of the present invention.
Bei dieser Ausführungsform sind einzelne rechteckige Röhren vorgesehen, die aus gepresstem oder gesinterten CaO als Feststoffmaterial 100 hergestellt sind. Diese Röhren sind unter Zwischensetzen von Abstandshaltern 150 miteinander zu einem Röhrengerüst 1 verbunden.In this embodiment, individual rectangular tubes are provided which are made of pressed or sintered CaO as solid material 100 . These tubes are connected to one another to form a tube frame 1 with the interposition of spacers 150 .
Das Feststoffmaterial 100 ist im Röhreninneren mit dem katalytischen Wirkstoff 10 in Form von Platin beschichtet, wo diese mit dem Abgas in Berührung treten. In den Zwischenräumen des Röhrengerüsts 1 kann Wasser an das CaO herantreten und davon bei entsprechender Erwärmung entweichen kann.The solid material 100 is coated inside the tube with the catalytic agent 10 in the form of platinum, where these come into contact with the exhaust gas. In the spaces between the tube frame 1 , water can approach the CaO and can escape from it when heated accordingly.
Ansonsten ist die Funktionsweise gleich wie bei der obigen ersten Ausführungsform. Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Otherwise, the mode of operation is the same as in the above first embodiment. Although the present invention is based on preferred exemplary embodiments described, it is not limited to this, but in a variety of ways modifiable.
Insbesondere wäre es möglich, die Reaktionsrichtung extern steuerbar oder regelbar zu gestalten, um somit aktiv einen Einfluß auf die Katalysatortemperatur auszuüben. Auch ist die Erfindung nicht auf das vorgeschlagene Material CaO beschränkt, sondern auch mit anderen geeigneten Feststoffen umsetzbar.In particular, it would be possible to control or regulate the reaction direction externally design, so as to actively influence the catalyst temperature. Is too the invention is not limited to the proposed material CaO, but also with other suitable solids can be implemented.
Claims (10)
einem Gehäuse (3), durch das das Abgas geleitet wird;
einer in dem Gehäuse (3) vorgesehenen Trägereinrichtung (1), welche vom Abgas durchströmbar ist und an ihrer dem Abgas zugewandten Oberfläche mit einem katalytischen Wirkstoff versehen ist; und
einer Latentwärmespeichereinrichtung zum Speichern der im Abgas vorhandenen Wärme;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trägereinrichtung (1) ein Feststoffmaterial aufweist, das als die Latentwärmespeichereinrichtung wirkt.1. Catalyst device for the catalytic aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine with:
a housing ( 3 ) through which the exhaust gas is passed;
a carrier device ( 1 ) provided in the housing ( 3 ), through which the exhaust gas can flow and which is provided with a catalytic active substance on its surface facing the exhaust gas; and
a latent heat storage device for storing the heat present in the exhaust gas;
characterized in that
the carrier device ( 1 ) has a solid material which acts as the latent heat storage device.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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