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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatoreinrichtung und ihre Verwendung zur Abgasreinigung für Brennkraftmaschinen.
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Katalysatoreinrichtungen besitzen üblicherweise einen relativ eingeschränkten optimalen thermischen Arbeitsbereich zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung, der bei NOx-Speicherkatalysatoren beispielsweise zwischen etwa 190°C und 500°C liegt. Unterhalb dieses Bereiches sind sie noch nicht ausreichend katalytisch aktiv, um voll funktionsfähig zu sein und die im Abgas enthaltenen unerwünschten Schadstoffe wunschgemäß zu speichern und/oder in unschädliche Stoffe umzuwandeln, während oberhalb dieses Bereiches zunächst eine mit einer starken thermischen Alterung verbundene sehr starke Desaktivierung und schließlich sogar eine Katalysatorzerstörung durch Überhitzung erfolgt. Da die Katalysatortemperatur im wesentlichen durch die Temperatur des durchströmenden Abgases bestimmt wird, ist daher für den ordnungsgemäßen Betrieb von Abgaskatalysatoren die Steuerung, insbesondere die Begrenzung, der Abgastemperatur durch motorische Maßnahmen und/oder eine gezielte Abgaskühlung von besonderer Bedeutung. Nicht minder wichtig ist jedoch auch das thermische Verhalten der Abgaskatalysatoren selbst, die beispielsweise ein möglichst gutes Anspringverhalten aufweisen sollten, um möglichst schnell ihre volle katalytische Aktivität erlangen zu können, die sie dann zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung in möglichst allen Betriebsbereichen beibehalten sollten. Der speziellen Ausgestaltung der Katalysatoren und der richtigen Wahl des jeweils verwendeten Katalysatormaterials kommen hierbei im Hinblick auf die gewünschten thermischen Eigenschaften und ihre ordnungsgemäße Funktionsweise naturgemäß eine besondere Bedeutung zu.
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Abgaskatalysatoren bestehen üblicherweise aus einem Trägermaterial oder einem Trägerkörper mit einer aufgebrachten dünnen Edelmetallbeschichtung aus Palladium, Platin, Rhodium oder dergleichen, die je nach geplantem Anwendungszweck und gewünschter Funktionsweise des Katalysators in unterschiedlichen Mengen und Mischungsanteilen anwendungsspezifisch ausgewählt werden. Die katalytische Aktivität dieser Edelmetallbeschichtung wird hierbei durch Aufbringung einer Zwischenschicht oder eines sogenannten porösen Washcoats aus Aluminiumoxid mit aktivitätserhöhenden Zusätzen oder Promotoren noch erhöht.
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Als Trägerkörper für Katalysatoren dienen häufig wabenartig aufgebaute Keramikzylinder mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt. Alternativ werden jedoch auch Trägerkörper aus Metall verwendet, da diese, entsprechend den nachfolgenden Ausführungen, ein schnelleres Erreichen der Katalysator-Betriebstemperatur ermöglichen.
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Metall-Trägerkörper haben einerseits bei gleicher geometrischer Oberfläche und gleichem hydraulischen Durchmesser der Kanäle eine geringere Masse und eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität als Keramik-Trägerkörper, während sie andererseits eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese unterschiedlichen materialspezifischen Eigenschaften bewirken naturgemäß ein grundsätzlich stark unterschiedliches Aufheiz- und Abkühlverhalten entsprechender Katalysatoren im dynamischen Betrieb.
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Metallkatalysatoren sind insbesondere bei Lastsprüngen mit einem resultierenden Anstieg der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms in ihrem vorderen Bereich schneller aufzuheizen als Keramikkatalysatoren. Wegen der hohen axialen Wärmeleitfähigkeit wird ein Metallkatalysator insgesamt homogener durchwärmt als ein Keramikkatalysator. Ferner führt die höhere Wärmeabfuhr nach außen insgesamt zu einer Verlangsamung des Aufheizvorgangs. Ein lokales Aufheizen auf die Anspringtemperatur beim Metallkatalysator kann somit einen höheren Gesamtenergiebedarf (und damit Zeitbedarf) als beim Keramikkatalysator erfordern.
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Metallkatalysatoren erleiden jedoch andererseits einen deutlich höheren Wärmeverlust als Keramikkatalysatoren, der noch dadurch verstärkt wird, dass sie im Unterschied zu diesen beim Einbau üblicherweise nicht mit Blähmatten oder dergleichen isoliert werden müssen. Sie kühlen daher in Schub- und Leerlaufphasen merklich schneller und stärker aus als Keramikkatalysatoren, so dass bereits nach relativ kurzer Zeit weite Katalysatorbereiche und schließlich gar der gesamte Katalysator weit unter die erforderliche Anspringtemperatur von beispielsweise etwa 180°C für HC und etwa 170°C für CO bei Diesel-Oxidationskatalysatoren abgekühlt sind. Insbesondere zu Beginn einer nachfolgenden schadstoffintensiven Beschleunigungsphase ist daher zunächst noch keine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleistet, da der stark ausgekühlte Katalysator, um katalytisch aktiv sein zu können, durch das heiße Abgas erst wieder auf seine Anspringtemperatur erwärmt werden muss. Zu Beginn einer solchen Aufheizphase sind daher entsprechend hohe Schadstoffemissionen zu verzeichnen. Insgesamt kann mit Metallkatalysatoren wegen ihrer deutlich höheren Temperaturdynamik nicht unbedingt ein Vorteil gegenüber Keramikkatalysatoren erzielt werden.
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Auch Keramikkatalysatoren werden in Schub- und Leerlaufphasen mit hinreichend niedrigen Abgastemperaturen zunächst in ihrem vorderen Bereich allmählich weit unter ihre Anspringtemperatur ausgekühlt. Da aber die hinteren Katalysatorbereiche aufgrund der im Vergleich zu Metallkatalysatoren wesentlich höheren thermischen Trägheit infolge der höheren Wärmekapazität und der geringeren Wärmeleitfähigkeit deutlich länger die Wärme halten können, ist die Temperatur dort zumindest nach kürzeren Schub- und Leerlaufphasen noch ausreichend hoch, um bei Beginn einer nachfolgenden schadstoffintensiven Beschleunigungsphase dennoch eine Schadstoffumsetzung zu ermöglichen und die Schadstoffemission entsprechend zu verringern. Erst nach deutlich längeren Verweilzeiten im Schwachlastbereich als bei Metallkatalysatoren ist auch bei Keramikkatalysatoren von einer vollständigen Auskühlung auf Werte unterhalb ihrer Anspringtemperatur und dem damit verbundenen Verlust ihrer katalytischen Aktivität auszugehen. Dann ist der Energieeinsatz und damit auch die Zeitdauer zum Aufheizen auf die Anspringtemperatur infolge ihrer hohen spezifischen Wärmekapazität jedoch deutlich höher als bei einem Metallkatalysator.
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Die angesprochenen Probleme mit der Katalysatortemperatur treten insbesondere bei Dieselfahrzeugen und bei Fahrzeugen mit magerlauffähigen Ottomotoren auf, bei denen im untersten Lastbereich sehr niedrige Abgastemperaturen erzielt werden können. Die Temperatur eines unter dem Wagenboden angeordneten Hauptkatalysators bewegt sich daher – je nach Verbrennungskonzept und Abgaslauflänge – im Stadtfahrbereich überwiegend im Bereich der Anspringtemperatur, so dass in Schub- und Leerlaufphasen mit einem raschen Verlust der katalytischen Aktivität infolge einer starken Auskühlung unterhalb die Anspringtemperatur und in Beschleunigungsphasen mit einem durch das niedrige Abgastemperaturniveau bedingten relativ langsamen Aufheizen auszugehen ist.
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Aus der
EP 0705962 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen sich ein kleinerer Katalysator mit einem Metallträger vor einem Katalysator mit einem Keramikträger in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
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In der
DE 100 51 562 A1 wird ein beheizbarer Katalysator mit einem metallischen Trägerkörper vorgeschlagen, der zur Abgasreinigung einer Verbrennungskraftmaschine zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Zonen aufweist, die verschiedene Beschichtungen aufweisen.
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Schließlich schlägt die
DE 101 30 047 A1 eine Katalysatoreinrichtung und ein Abgasreinigungsverfahren vor, bei denen ein Trägerkörper und eine aufgebrachte katalytische Beschichtung vorgesehen sind. Der Trägerkörper weist dabei einen Keramik-Trägerkörper und einen Metall-Trägerkörper auf, der den Keramikträgerkörper in einem Abstand von weniger als 100 mm vorgeschaltet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines insbesondere für Dieselfahrzeuge und für Fahrzeuge mit magerlauffähigen Ottomotoren geeigneten katalytischen Abgasreinigungsverfahrens, das auch bei fahrzustandsbedingten Schub- und Leerlaufphasen mit entsprechend niedrigen Abgastemperaturen in möglichst weiten Betriebsbereichen zumindest lokal eine stets ausreichend hohe Katalysatortemperatur mit einer entsprechend hohen katalytischen Aktivität für eine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleistet. Die Aufgabe besteht auch in der Schaffung einer Katalysatoreinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die einerseits bei sinkenden Abgastemperaturen zumindest bereichsweise eine möglichst hohe thermische Trägheit bezüglich der Katalysatorabkühlung und andererseits bei steigenden Abgastemperaturen eine möglichst geringe thermische Trägheit bezüglich der Katalysatoraufheizung besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Katalysatoreinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei bevorzugte Varianten den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Katalysatoreinrichtung werden die Vorteile eines herkömmlichen Metallkatalysators und eines herkömmlichen Keramikkatalysators mit ihrer spezifischen Temperaturdynamik miteinander kombiniert. Statt eines herkömmlichen Metall- oder Keramikkatalysators wird zur katalytischen Umsetzung und/oder Speicherung von Abgasschadstoffen erfindungsgemäß ein spezielles Metall-Keramik-Hybridkatalysatorsystem verwendet, bei dem das Abgas durch einen katalytisch beschichteten Metall-Trägerkörper und einen unmittelbar nachgeschalteten katalytisch beschichteten Keramik-Trägerkörper geleitet wird, die maximal 100 mm, vorzugsweise weniger als 50 mm, insbesondere jedoch sogar weniger als 20 mm zueinander beabstandet angeordnet werden.
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Der Metall-Trägerkörper umfasst eine Beschichtung mit einem höheren spezifischen Edelmetallgehalt als der Keramik-Trägerkörper und dem Metall-Keramikhybridkatalysatorsystem ist zumindest ein Vorkatalysator vorgeschaltet. Ferner sind erfindungsgemäß der Metall-Trägerkörper und der Keramik-Trägerkörper über eine Verbindungseinrichtung miteinander verbunden.
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Das Volumenverhältnis von Metall-Trägerkörper zu Keramik-Trägerkörper wird hierbei vorzugsweise kleiner gleich 1, insbesondere jedoch zwischen etwa 1:8 und 1:1,5 gewählt. Vorteilhafterweise wird ein Durchmesserverhältnis von Metall-Trägerkörper zu Keramik-Trägerkörper von maximal etwa 75–125% und ein Zellzahlverhältnis von etwa 50–150% verwendet.
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Der relativ kleinvolumige Metall-Trägerkörper folgt fahrzustandsbedingten Schwankungen der Abgastemperatur mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung. Er kühlt in Schub- und Leerlaufphasen zwar sehr schnell unter seine Anspringtemperatur aus, er wird in abgasintensiven Beschleunigungsphasen jedoch auch sehr rasch wieder auf Temperaturen oberhalb der Anspringtemperatur erwärmt, so dass er seine volle katalytische Aktivität nach erfolgter Auskühlung sehr rasch wiedererlangt und die durchströmenden Abgasschadstoffe ordnungsgemäß katalytisch umsetzt und/oder einlagert. Der nachgeschaltete großvolumige Keramikkatalysator hingegen folgt einer Abkühlung des Abgases und einer anschließenden Wiedererwärmung mit viel größerer thermischer Trägheit, so dass er insbesondere in seinen hinteren Bereichen spürbar langsamer als der Metall-Trägerkörper anspringt dafür aber auch wesentlich langsamer auf Temperaturwerte unterhalb seiner Anspringtemperatur auskühlt. In sehr weiten Betriebsbereichen mit niedrigen Abgastemperaturen liegen daher entweder in dem Metall-Trägerkörper oder aber zumindest im hinteren Bereich des Keramik-Trägerkörpers Temperaturen oberhalb der (gegebenenfalls unterschiedlichen) jeweiligen Anspringtemperatur vor, so dass zumindest in diesen Bereichen des Metall-Keramik-Hybridkatalysatorsystems eine ordnungsgemäße Abgasreinigung mit entsprechend niedrigen Emissionswerten gewährleistet ist. Insbesondere bei Dieselmotoren mit nachgeschalteten Oxidationskatalysatoren und bei Dieselmotoren oder magerlaufenden Ottomotoren mit nachgeschalteten Dreiwege- und/oder NOx-Speicherkatalysatoren mit ihren typischerweise sehr niedrigen Abgastemperaturen lassen sich durch das erfindungsgemäße Abgasreinigungsverfahren beträchtliche Emissionsvorteile erreichen, die helfen können, künftige Emissionsvorschriften in abgasstrengen Märkten (ULEV, SULEV, EZEV, Euro IVff., Japan 200x ...) zu erfüllen.
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Bei üblicher Hochtemperaturbelastung an Ottomotoren wird die vergleichsweise kleinvolumige Metallträgerkörper überlaufen und weniger stark geschädigt als bei einem größervolumigeren Katalysator.
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Aus Stabilitätsgründen können die beiden Trägerkörper durch eine geeignete Verbindungseinrichtung, wie beispielsweise ein oder mehrere metallische Verbindungs- oder Stützstifte, miteinander verbunden und auf herkömmliche Art und Weise in einem schützenden Gehäuse untergebracht werden. Dieses kann beispielsweise aus zwei einzelnen Gehäusesegmenten oder Gehäuseteilen für je einen der beiden Trägerkörper gebildet werden, die einfach miteinander verschweißt oder auch auf sonstige geeignete Art und Weise miteinander verbunden werden.
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Vom Metall-Trägerkörper erfolgt hierbei keine direkte axiale Wärmeleitung in den Keramik-Trägerkörper. Dies gilt auch im Falle einer Verbindung der beiden Trägerkörper über Stütz- oder Verbindungsstifte, da eine direkte Wärmeleitung über diese Stifte im Vergleich zu der wesentlich höheren Energieübertragung durch das durchströmende heiße Abgas zu vernachlässigen ist.
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Die beiden Trägerkörper werden hierbei je nach gewünschter Funktionsweise und Anwendungszweck mit einer geeigneten katalytischen Beschichtung, wie z. B. eine herkömmliche Oxidationsbeschichtung, eine Dreiwegebeschichtung oder auch eine NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung, versehen. Es können hierbei sowohl gleich als auch unterschiedlich beschichtete Trägerkörper verwendet werden, wobei die letztgenannte Möglichkeit beispielsweise ganz gezielt dazu eingesetzt werden kann, den vorgeschalteten Metall-Katalysator für eine möglichst hohe Exothermieproduktion zum schnelleren Erwärmen des nachgeschalteten Keramik-Trägerkörpers zu verwenden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die dabei am Metallkatalysator erzeugte Wärmeenergie, im Unterschied zu herkömmlichen Vorkatalysatorsystemen, nahezu vollständig zur Aufheizung des nachgeschalteten Keramikkatalysators zur Verfügung steht, da zur Aufheizung des kleineren Metallkatalysators selbst naturgemäß nur eine relativ geringe Wärmemenge erforderlich ist und da praktisch keine zwischengeschaltete Rohrstrecke vorhanden ist, auf der die ansonsten unvermeidlichen Wärmeverluste an die beträchtlich kühlere Umgebung auftreten könnten. Im Unterschied hierzu wird auf dem Weg von einem herkömmlichen motornah angeordneten Vorkatalysator zu einem nachgeschalteten motorfernen Hauptkatalysator zunächst das zwischengeschaltete Abgasrohr erwärmt, das zudem naturgemäß auch noch eine relativ grolle Wärmemenge an die Umgebung abgibt, so dass lediglich eine entsprechend kleinere Restwärmemenge zur effektiven Erwärmung des Hauptkatalysators genutzt werden kann, die damit naturgemäß auch entsprechend langsamer und schwächer erfolgt als im vorliegenden Fall ohne solche Wärmeverluste. Die Beschichtungen der Trägerkörper werden hierbei insbesondere so gewählt, dass der Metall-Trägerkörper mit einer höheren spezifischen Edelmetallbeladung, insbesondere eine höhere spezifische Platin-Beladung, als der Keramik-Trägerkörper versehen ist.
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Ergänzend hierzu wird dem Metall-Keramik-Hybridkatalysatorsystem noch zumindest ein herkömmlicher Vorkatalysator aus Keramik oder Metall zur Verbesserung der Temperaturführung vorgeschaltet
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Eine erfindungsgemäße Katalysatoreinrichtung zur Durchführung dieses umfasst einen Keramik-Trägerkörper und einen vorgeschalteten Metall-Trägerkörper, die in einem Abstand von maximal 100 mm, vorzugsweise jedoch weniger als 50 mm, insbesondere sogar weniger als 20 mm, zueinander beabstandet angeordnet und jeweils mit einer geeigneten katalytischen Beschichtung versehen sind. Die beiden Der Metall-Trägerkörper umfasst eine katalytische Beschichtung mit einem höheren spezifischen Edelmetallgehalt, insbesondere eine höhere Platin-Beladung, als der Keramik-Trägerkörper.
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Aus den bereits erwähnten Gründen besitzt der Metall-Trägerkörper vorzugsweise ein kleineres Volumen als der Keramik-Trägerkörper, wobei bevorzugte Volumenverhältnisse zwischen etwa 1:8 und etwa 1:1,5 liegen. Der Durchmesser des Metall-Trägerkörpers beträgt hierbei insbesondere maximal etwa 75–125% des Durchmessers des Keramik-Trägerkörpers, während seine Zellzahl etwa 50–150% der Zellzahl des Keramik-Trägerkörpers beträgt.
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Der Metall-Trägerkörper und der Keramik-Trägerkörper sind über eine Verbindungseinrichtung, wie beispielsweise ein oder mehrere metallische Verbindungsstifte, miteinander verbunden und vorzugsweise in einem schützenden Gehäuse untergebracht, das beispielsweise aus zwei miteinander verschweißten oder auf andere geeignete Art und Weise miteinander verbundenen Gehäusesegmenten für je einen der beiden Trägerkörper bestehen kann.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. In den Zeichnungen, in denen entsprechende Kurven mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Katalysatoreinrichtung mit einem Metall-Keramik-Hybridkatalysator;
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2 den Temperaturverlauf in dem Metall-Keramik-Hybridkatalysator gemäß 1 bei einem kurzen Zwischenhalt in einer typischen Stadtfahrsituation;
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3 den Temperaturverlauf in einem herkömmlichen Metallkatalysator bei einem entsprechenden Zwischenhalt;
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4 den Temperaturverlauf in einem herkömmlichen Keramikkatalysator bei einem entsprechenden Zwischenhalt; und
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5 einen Vergleich der bei dem Zwischenhalt in den drei unterschiedlichen Katalysatoren gemäß den 2–4 jeweils auftretenden Maximaltemperaturen.
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1 zeigt einen Dieselmotor 10 eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs mit einer nachgeschalteten Abgasanlage 12, die eine Katalysatoreinrichtung 14, 16 zur katalytischen Abgasnachbehandlung der von dem Dieselmotor 10 emittierten Abgase umfasst. Die erfindungsgemäße Katalysatoreinrichtung 14, 16 besteht aus einem herkömmlichen Vorkatalysator 14 und einem als Hauptkatalysator dienenden, nachgeschalteten Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16.
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Bei dem Vorkatalysator 14 handelt es sich um einen kleinvolumigen üblichen Metall- oder Keramikkatalysator, der die Schadstoffkonvertierung insgesamt begünstigt Seine genaue Ausgestaltung und seine spezifische Funktionsweise ist für das Verständnis der folgenden Ausführungen nicht erforderlich, so dass sich nähere Angaben zu diesen Punkten an dieser Stelle erübrigen und stattdessen für entsprechende Informationen lediglich auf den bekannten Stand der Technik und das allgemeine Fachwissen eines Durchschnittsfachmanns verwiesen sei.
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Der Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16 umfasst einen zylinderförmigen Keramik-Trägerkörper 16a mit einer (in der Darstellung nicht erkennbaren) Oxidationsbeschichtung und einen entsprechend ausgebildeten und gestalteten vorgeschalteten Metall-Trägerkörper 16b mit je einen Durchmesser von 118 mm (4,66 Zoll). Die Länge des Metall-Trägerkörpers 16b beträgt 25 mm (0.98 Zoll), während der Keramik-Trägerkörper 16a eine Länge von 127 mm (5 Zoll) besitzt, so dass ihr Volumenverhältnis entsprechend ihrem Längenverhältnis etwa 1:5 beträgt. Die beiden Trägerkörper 16a, 16b sind in einem Abstand d von etwa 9,6 mm (0,38 Zoll) zueinander angeordnet und aus Stabilitätsgründen über mehrere Verbindungs- oder Stützstifte 18 aus Metall miteinander verbunden. Diese sind jedoch für die ordnungsgemäße Funktionsweise des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 nicht zwingend erforderlich und können daher gegebenenfalls auch entfallen. Aus Kostengründen wird idealerweise die Länge des Metall-Trägerkörpers 16b so gewählt, dass auch ohne Stützstifte 18 eine ausreichende Stabilität des Metall-Trägerkörpers 16b gewährleistet ist. Diese Mindestlänge ist unter anderem von der Zellzahl, der Folienstärke, dem max. Abgasmassenstrom und der max. Temperatur abhängig. Die Gesamtlänge des kombinierten Metall-Keramik-Trägerkörpers 16 beträgt somit etwa 161.6 mm (6,36 Zoll). Die beiden Trägerkörper 16a, 16b sind in je einem ringförmigen schützenden Gehäusesegment 20a, 20b angeordnet, die zu einem gemeinsamen Gehäuse 20 miteinander verschweißt sind.
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Das Temperaturverhalten dieses Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 ist in 2 anhand einer typischen Stadtfahrsituation mit einem verkehrsbedingten kurzen Zwischenhalt des Kraftfahrzeugs beispielhaft dargestellt. Die wichtigsten Parameter dieser Fahrsituation sind hierbei in Form eines Zeit-Temperatur-Geschwindigkeits-Diagramms aufgetragen, das sowohl die zeitliche Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit als auch die dadurch bedingte zeitliche Veränderung der Abgas- und Katalysatortemperatur zeigt. Die Zeit (in s) ist hierbei auf der Abszisse aufgetragen, während die Abgas- und Katalysatortemperatur (in °C) auf einer linken Ordinatenachse und die zugehörende Fahrgeschwindigkeit (in km/h) auf einer rechten Ordinatenachse angegeben sind.
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Wie aus der unteren Geschwindigkeitskurve 22 zu erkennen ist, wird das zunächst mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa 50 km/h fahrende Kraftfahrzeug bei dem beispielhaften Zwischenhalt nach einer Fahrzeit von etwa 520 s verkehrsbedingt innerhalb von etwa 10 s mit konstanter Verzögerung bis zum Stillstand abgebremst. Nach einer Leerlaufphase im Stillstand von etwa 30 s wird es in einem anschließenden Beschleunigungsvorgang mit drei klar erkennbaren kurzen Beschleunigungsstufen und zwei zwischengeschalteten kurzen Schaltvorgängen ohne merkliche Geschwindigkeitsänderung bei etwa 17 bzw. 37 km/h innerhalb von etwa 15 s wieder auf seine Ausgangsgeschwindigkeit von etwa 50 km/h beschleunigt, die anschließend konstant weitergefahren wird.
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Die Abgastemperatur vor dem Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16 beträgt entsprechend Kurve 24 bei der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit zunächst konstant etwa 210°C. Mit Beginn des Bremsmanövers fällt sie innerhalb von etwa 2 bis 3 s zunächst sehr rasch um nahezu 30°C auf etwa 183°C ab, um dann bis zur Beendigung des Bremsvorgangs auf etwa 172°C abzusinken. Während des Fahrzeugstillstandes erfolgt dann ein weiteres allmähliches Absinken auf einen Wert von etwa 155°C. Bei der nachfolgenden Beschleunigungsphase ist dann in den einzelnen Beschleunigungsstufen jeweils ein sehr starker Anstieg der Abgastemperatur zu verzeichnen unterbrochen von zwei dazwischenliegenden kurzen Abkühlphasen während der erwähnten Schaltvorgänge. Am Ende der Beschleunigungsphase erreicht die Abgastemperatur schließlich einen Maximalwert von etwas mehr als 260°C. Während der anschließenden Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit fällt die Abgastemperatur wieder exponentiell auf ihren Ausgangswert zu Beginn der dargestellten Fahrsituation von etwa 210°C ab.
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Die sich bei diesem Temperaturverlauf der Abgastemperatur ergebende Temperatur in dem Metall-Trägerkörper 16b des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 ist in Kurve 26 beispielhaft für eine axiale Tiefe von 15 mm gemessen von der Abgaseintritts- oder Vorderseite des Metall-Trägerkörpers 16b bzw. des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 aus dargestellt. Während der anfänglichen Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit ist diese Temperatur mit der Abgastemperatur gemäß Kurve 24 identisch. Sie liegt damit deutlich oberhalb der Anspringtemperatur für HC bzw. CO von etwa 170–180°C, so dass eine hinreichend hohe katalytische Aktivität und damit auch eine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleistet ist. Mit Beginn des Bremsvorganges bei 520 s erfolgt jedoch nahezu ohne erkennbare zeitliche Verzögerung bezüglich der stark abfallenden Abgastemperatur zunächst bis zu etwa 535 s ein sehr rasches Absinken auf das Niveau der Anspringtemperatur. Bis zur Beendigung der Leerlaufphase ist die Temperatur an der angegebenen Stelle im Katalysator 16 schließlich im wesentlichen mit der fallenden Abgastemperatur identisch. Sie liegt damit weit unterhalb der angegebenen Anspringtemperatur, so dass in diesem Katalysatorbereich infolge mangelnder katalytischer Aktivität keine ordnungsgemäße Abgasreinigung mehr gewährleistet ist. Während der anschließenden Beschleunigungsphase auf die Ausgangsfahrgeschwindigkeit von etwa 50 km/h folgt die Temperatur ohne merkliche zeitliche Verzögerung im wesentlichen dem Abgastemperaturverlauf gemäß Kurve 24, so dass die Anspringtemperatur sehr schnell wieder erreicht und überschritten wird. Die dabei entstehenden Temperaturmaxima sind jedoch etwas schwächer ausgebildet als bei der Abgastemperatur. Nach Beendigung der Beschleunigungsphase und der folgenden Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit folgt dann schließlich ebenfalls ein exponentielles Abklingen auf den Ausgangswert von etwa 210°C, wobei der Temperaturverlauf im wesentlichen mit dem Temperaturverlauf der Abgastemperatur gemäß Kurve 24 übereinstimmt.
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Die sich bei den angegebenen Fahrsituation in dem Keramik-Trägerkörper 16a des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 ergebende Temperatur ist in Kurve 28 beispielhaft für eine axiale Tiefe von 75 mm gemessen von der Abgaseintritts- oder Vorderseite des Metall-Trägerkörpers 16a bzw. des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 aus beispielhaft dargestellt. Bis zu Beginn des Bremsvorganges ist die Temperatur infolge der geringen Wärmeabfuhr nach außen wiederum mit der Abgastemperatur von etwa 210°C identisch. Infolge der merklich höheren Wärmekapazität und der wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeit des Keramik-Trägerkörpers 16a im Vergleich zu den entsprechenden Werten des Metall-Trägerkörpers 16b ist während des anschließenden Bremsvorgangs bis etwa zu Beginn der zweiten Beschleunigungsstufe ein nahezu lineares Absinken der Temperatur bis auf einen wert von etwa 175°C zu beobachten, der im Bereich der genannten Anspringtemperatur liegt. Infolge der nun bereits wieder stark ansteigenden Abgastemperatur erfolgt anschließend mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung ein allmähliches Ansteigen der Temperatur auf ein ausgeprägtes breites Maximum, das bei etwa 585 s einen Maximalwert von etwa 236°C erreicht. Nach Überschreiten dieses Maximums ist schließlich wiederum ein allmähliches exponentielles Absinken auf den Ausgangswert zu beobachten, der infolge der hohen Wärmekapazität und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Keramik-Trägerkörpers 16a innerhalb der angegebenen Zeitspanne von 640 s jedoch nicht ganz erreicht wird.
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Im Unterschied hierzu zeigt Kurve 30 den Temperaturverlauf in einer Tiefe von 135 mm gemessen von der Abgaseintrittsseite des Metall-Trägerkörpers 16a bzw. des Metall-Keramik-Hybridkatalysators 16 aus. Die Temperatur an dieser Stelle zeigt einen im wesentlichen vergleichbaren Verlauf, wobei jedoch der Abkühlvorgang und das anschließende Wiederaufheizen mit einer größeren zeitlichen Verzögerung erfolgen und zudem auch nicht so stark ausgeprägt sind. Die Temperatur sinkt hierbei etwa bis zum Ende der zweiten Beschleunigungsstufe auf einen Wert von etwa knapp 190°C ab und steigt anschließend lediglich auf ein schwach ausgeprägtes sehr breites Maximum bei etwa 225°C an, das nach etwa 590 s erreicht wird.
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Die angegebene Anspringtemperatur von etwa 170–180°C wird somit während der gesamten Schub- und Leerlaufphase zumindest in dem hinteren Bereich des Keramik-Trägerkörpers 16a zu keinem Zeitpunkt des beispielhaften Zwischenhalts unterschritten, so dass der Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16 zumindest in diesem Bereich praktisch während der gesamten fahrzustandsbedingten Verzögerungs- und Stillstandsphase, insbesondere jedoch auch während der anschließenden abgasintensiven Beschleunigungsphase, hinreichend heiß und damit auch hinreichend katalytisch aktiv ist, um eine ordnungsgemäße Abgasreinigung zu gewährleisten. Zudem wird er in dieser Beschleunigungsphase auch bereits nach kurzer Zeit wieder von dem während des Fahrzeugstillstandes ausgekühlten vorgeschalteten Metall-Katalysator 16b unterstützt, der infolge seiner geringen thermischen Trägheit durch die sich bei der Beschleunigung ergebenden hohen Abgastemperaturen sehr schnell wieder auf Temperaturwerte oberhalb seiner Anspringtemperatur aufgeheizt wird.
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Im Vergleich dazu zeigt 3 anhand einer vergleichbaren Darstellung das Verhalten eines herkömmlichen zylinderförmigen Metallkatalysators mit einem Durchmesser von 118 mm (4,66 Zoll) und einer Länge von 150 mm (6 Zoll) bei einem entsprechenden kurzfristigen Zwischenhalt. Die zeitlichen Abhängigkeiten der Fahrgeschwindigkeit gemäß Kurve 22 und der Abgastemperatur vor dem Metallkatalysator gemäß Kurve 24 und sind somit naturgemäß mit den entsprechenden Abhängigkeiten in 2 identisch. Entsprechendes gilt auch für den Temperaturverlauf in einer Tiefe von 15 mm in dem Metallkatalysator gemäß Kurve 26.
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Die Temperatur in einer Tiefe von 75 mm in dem Metall-Katalysator gemäß Kurve 28 Liegt während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit infolge der recht hohen Wärmeabfuhr an die Ungebungsluft jedoch konstant bei lediglich etwa 205°C und fällt dann mit absinkender Abgastemperatur in der folgenden Brems- und Stillstandsphase auf einen Wert von etwa 155°C ab. Dieser Wert liegt so weit unterhalb der Anspringtemperatur des Katalysators, dass im Unterschied zu dem Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16 gemäß 2 bereits in diesem Katalysatorbereich keine ausreichend hohe Katalysatoraktivität und damit auch keine ordnungsgemäße Abgasreinigung mehr gewährleistet ist. Bei dem folgenden Beschleunigungsvorgang folgt die Temperatur an der angegebenen Stelle der Abgastemperatur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung und infolge der relativ hohen Wärmeabfuhr nach außen auch in bereits stark abgeschwächter Form bis zu einem breiten Maximum bei etwa 240°C, das nach etwa knapp 580 s erreicht wird. Anschließend erfolgt ein exponentielles Absinken auf den Ausgangswert von etwa 205°C, wobei die Temperaturkurve jedoch stets unterhalb der den entsprechenden Kurven für die Abgastemperatur (Kurve 24) bzw. die Temperatur in einer Tiefe von 15 mm (Kurve 26) verläuft.
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Der Temperaturverlauf in einer Tiefe von 135 mm gemäß Kurve 30 entspricht in etwa dem beschriebenen Temperaturverlauf in einer Tiefe von 75 mm gemäß Kurve 28. Während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit wird in diesem Katalysatorbereich infolge der hohen Wärmeabfuhr an die Umgebung jedoch zunächst lediglich eine Temperatur von etwa 195°C erreicht, die dann etwa bis zum Ende der ersten Beschleunigungsstufe allmählich auf einen Wert von weniger als etwa 150°C absinkt. Während der anschließenden Beschleunigungsphase folgt sie dann mit einer gewissen größeren zeitlichen Verzögerung und in deutlich abgeschwächter Form dem Temperaturverlauf gemäß Kurve 28, wobei jedoch lediglich ein sehr schwach ausgeprägtenbreites Maximum von etwa 222°C erreicht wird.
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4 zeigt das Verhalten eines entsprechend bemessenen herkömmlichen zylinderförmigen Keramikkatalysators bei dem beispielhaften Zwischenhalt. Auch hier entsprechen die zeitlichen Abhängigkeiten der Fahrgeschwindigkeit und der Abgastemperatur gemäß Kurve 22 bzw. Kurve 24 naturgemäß den in den 2 und 3 gezeigten Abhängigkeiten.
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Die Temperatur in einer Tiefe von 15 mm in dem Keramikkatalysator gemessen von der Abgaseintrittseite aus ist gemäß Kurve 26 zunächst mit der Abgastemperatur von konstant etwa 210°C identisch. Während des anschließenden Bremsvorgangs und der Zeit des Fahrzeugstillstandes erfolgt ein exponentielles Absinken auf einen Wert von etwa 160°C, so dass auch der verwendete Keramikkatalysator in seinem vorderen Bereich weit unterhalb seine Anspringtemperatur auskühlt und dort damit auch seine erforderliche katalytische Aktivität verliert. in der anschließenden Beschleunigungsphase und der folgenden Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit folgt die Temperatur an der angegebenen Stelle der Abgastemperatur mit einer größeren zeitlichen Verzögerung als der entsprechende Metallkatalysator unter spürbarer Abschwächung bis zu einem Maximalwert von etwa 250°C. Anschließend erfolgt ein exponentielles Absinken auf den ursprünglichen Ausgangswert von etwa 210°C.
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Die Temperatur in einer Tiefe von 75 mm in dem Keramik-Trägerkörper zeigt gemäß Kurve 28 einen im wesentlichen entsprechenden Kurvenverlauf, wobei in der Bremsphase und der Zeit des Fahrzeugstillstandes jedoch ein deutlich schwächeres und etwas längeres Abkühlen bis zum Ende der ersten Beschleunigungsstufe auf einen Wert von etwas weniger als 180°C zu beobachten ist. Auch das anschließend Temperaturmaximum liegt zeitlich etwas später bei etwa 580 s und ist mit einer Temperatur von 230°C merklich schwächer ausgebildet.
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Auch die Temperatur in einer Tiefe von 135 mm zeigt gemäß Kurve 30 einen im wesentlichen vergleichbaren Temperaturverlauf mit einem schwächeren Abkühlen auf einen Wert von etwa 190°C und einem etwas längeren schwächeren anschließenden Aufheizen bei dem das Maximum bei etwa gut 220°C fast nicht mehr als solches ausgebildet ist. Zumindest an dieser Stelle des herkömmlichen Keramikkatalysators wird somit während der gesamten Fahrsituation die angegebene Anspringtemperatur nicht unterschritten, so dass im hinteren Katalysatorbereich im Unterschied zu dem gezeigten Metallkatalysator während der gesamten Schub- und Leerlaufphase eine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleistet ist.
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5 zeigt noch einmal zum Vergleich in einem etwas vergrößerten Temperaturmaßstab die bei dem beschriebenen Zwischenhalt auftretenden Maximaltemperaturen in den drei Katalysatoren gemäß den 2–4. Der Vollständigkeit halber zeigt 5 auch noch einmal den bereits dargestellten zeitlichen Verlauf der Fahrgeschwindigkeit gemäß Kurve 22 und die sich dabei ergebende Temperatur des jeweils in die Katalysator einströmenden Abgases gemäß Kurve 24.
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Die die Maximaltemperatur in dem Metallkatalysator repräsentierende Kurve 32 verdeutlicht noch einmal das schnelle Auskühlen dieser herkömmlichen Katalysatorart und die sich dabei ergebenden niedrigen Temperaturen während des Bremsvorgangs und der Zeit des Fahrzeugstillstandes, die den dabei herrschenden niedrigen Abgastemperaturen entsprechen, so dass dort in weiten Zeitbereichen keine ordnungsgemäße Abgasreinigung mehr gewährleistet ist. In der anschließenden abgasintensiven Beschleunigungsphase folgt der Metallkatalysator jedoch ohne merkliche zeitliche Verzögerung sehr rasch dem hohen Abgastemperaturen, so dass die erforderliche Anspringtemperatur innerhalb kurzer Zeit erreicht und überschritten wird.
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Die die Maximaltemperatur in dem Keramikkatalysator repräsentierende Kurve 34 verdeutlicht noch einmal das wesentlich langsamere und bei weitern nicht so starke Auskühlen des Keramikkatalysators bei niedrigen Abgastemperaturen und das erst mit einer deutlichen zeitliche Verzögerung erfolgende spürbar langsamere und schwächere Aufheizen als beim Metallkatalysator bei hohen Abgastemperaturen.
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Im Vergleich hierzu zeigt Kurve 36 die Maximaltemperaturen in dem Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16, die zunächst mit den hohe Temperaturen des Keramikkatalysators und später mit den Temperaturen des Metallkatalysators identisch sind. Der Metall-Keramik-Hybridkatalysator 16 vereint somit die Vorteile der beide Katalysatortypen in sich, d. h., dass er – zumindest bereichsweise – einerseits bei einem Absinken der Abgastemperatur nur sehr langsam auskühlt und andererseits dennoch ein schnelles Anspringverhalten bei einer Abgastemperaturerhöhung besitzt, so dass in wesentlich weiteren Betriebsbereichen als bei den beiden herkömmlichen Katalysatoren stets hinreichen hohe Katalysatortemperaturen zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung vorliegen.
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Der Einfachheit halber wurden die sich bei dem Zwischenhalt ergebenden beispielhaften Temperaturverläufe bei den obigen Ausführungen jeweils lediglich für die Längsachse des Katalysators, d. h. an der Stelle r = 0, angegeben und auf eine Diskussion der insbesondere bei einem Metall-Trägerkörper mit seiner relativ hohen Wärmeabfuhr an die Umgebung naturgemäß auch vorliegenden radialen Abhängigkeit der Katalysatortemperatur und damit auch der Katalysatoraktivität verzichtet, da diese Einflüsse an den gezeigten grundlegenden Abhängigkeiten nichts wesentliches ändern.
