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Die Erfindung bezieht sich auf einen Trägerkörper mit einem Adsorbermaterial zum Adsorbieren von Stickoxiden eines Abgases, das in wenigstens einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird. Derartige Trägerkörper werden bevorzugt in Abgasanlagen mobiler Kraftfahrzeuge eingesetzt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine einen solchen Trägerkörper aufweisende Abgasanlage sowie eine Betriebsweise dieser Abgasanlage.
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Während bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzten Brennstoffes lediglich die unschädlichen Stoffe Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) entstehen, enthalten Abgase von Verbrennungskraftmaschinen zusätzliche Produkte aus unvollständiger Oxidation wie beispielsweise Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) oder teilverbrannte oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HmCn). Außerdem enthält das Abgas die Oxidationsprodukte des Stickstoffs NO und NO2. Da Stickoxide bereits in sehr geringen Mengen (ppb-Bereich) beispielsweise die Bildung von bodennahem Ozon verstärken, muss eine Stickoxid-Emission vermieden werden.
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Neben den Präventivmaßnahmen zur Reduzierung der Stickoxidkonzentration mit Hilfe eines geeigneten Motormanagements ist es bekannt, das erzeugte Abgas einer Reinigungsprozedur zu unterziehen. Hierzu wird beispielsweise ein Dreiwege-Katalysator verwendet, der die drei wichtigsten Schadstoffe (Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff, Stickoxid) aus den Abgasen oxidativ entfernt. Dabei werden die Kohlenmonoxide und die unverbrannten Reste von Kohlenwasserstoff durch Stickoxid und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Die Stickoxide werden dabei zu Stickstoff reduziert. Derartige Katalysatoren ermöglichen zwar einen beschleunigten Ablauf dieser Reaktionen, sorgen jedoch nicht für eine vollständige Umsetzung. Dies ist unter anderem darin begründet, dass während bestimmter Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine die Verweildauer des Abgases in dem Katalysator so gering ist, dass die oben beschriebenen Reaktionen nicht vollständig ablaufen können. Eine effektive Reduktion der Stickoxide ist nur in Anwesenheit einer bestimmten Menge Wasserstoff oder Kohlenmonoxid im Abgas möglich, während sich nennenswerte Sauerstoffkonzentrationen verbieten. Dies bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine bevorzugt im fetten Bereich (Lamda < 1) betrieben werden müsste, was jedoch insbesondere im Hinblich auf den Kraftstoffverbrauch nicht erwünscht ist.
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Aus der Patentschrift
US 5,795,553 ist ein Trägersubstrat mit einer Beschichtung bekannt, welcher eine Adsorption von Stickoxiden in einer sauerstoffreichhaltigen Umgebung ermöglicht. Dieses Substrat desorbiert das gespeicherte Stickoxid zu dem Zeitpunkt, wenn eine ausreichende Menge von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff im Abgas vorhanden ist. Dazu weist die Beschichtung chemische Verbindungen von einem Alkalimetall mit Kupfer und Hydrozirkonoxid auf. Als Alkalimetall wird bevorzugt Natrium oder Kalium verwendet. Dieses Trägersubstrat erlaubt die Speicherung von Stickoxiden bei Sauerstoffüberschuss und gewährleistet eine Desorption der Stickoxide, wenn eine katalytische Umsetzung durch einen Katalysator möglich ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 196 36 041 A1 ein wabenförmiges Trägersubstrat mit einer Adsorptionsschicht zur Speicherung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden bekannt. Dieses Trägersubstrat mit einer Adsorptionsschicht speichert die Stickoxide, wenn bestimmte Betriebsbedingungen in der Abgasanlage herrschen, wie beispielsweise nettooxidierende Bedingungen (λ > 1 und T > 150°C), wobei es diese Stickoxide bei veränderten Betriebsbedingungen, insbesondere einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und erhöhten Temperaturen, wieder freigibt. Zur Umsetzung der temporär gespeicherten Stickoxide wird ein nachgeschalteter katalytischer Konverter vorgeschlagen, der bei Temperaturen oberhalb von 230°C mindestens 50% der im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxide in Stickstoffdioxide umsetzt.
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Bei einer Auslegung der Speicherkapazität eines derartigen Trägersubstrates ist zusätzlich auf das Anspringverhalten eines nachgeschalteten Katalysators abzustellen. Die Verwendung von relativ großvolumigen Stickoxid-Speichern hat zur Folge, dass dem Abgas in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine sehr viel thermische Energie entzogen wird. Dies hat eine verzögerte Erwärmung des Katalysators zur Folge, der erst ab einer Temperatur von ca. 250°C mit einer katalytischen Umsetzung der Schadstoffe im Abgas beginnt. Ist die Speicherkapazität des Stickoxid-Speichers zu gering, kann es zu Stickoxid-Emissionen und folglich zu einer Verschmutzung der Umwelt kommen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägerkörper mit einem Adsorbermaterial zum Adsorbieren von Stickoxiden eines Abgases anzugeben, dessen Speicherkapazität so gestaltet ist, dass das Kaltstartverhalten der Abgasanlage nicht wesentlich beeinflusst wird. Folglich soll weiterhin eine entsprechende Abgasanlage sowie eine geeignete Betriebsweise der Abgasanlage abgegeben werden, die eine Emission von Stickoxiden in die Umgebung deutlich reduziert, wobei insbesondere sichergestellt werden soll, dass eine rechtzeitige Regenerierung des Adsorbermaterial gewährleistet ist und somit stets Speicherkapazität zur Adsorption von Stickoxiden zur Verfügung steht.
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Die Aufgaben werd durch einen Trägerkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruches 8 sowie einer Betriebsweise mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und besonders bevorzugte Ausgestaltungen, sind in den jeweils abhängigen Ansprüche beschrieben, wobei die jeweiligen Merkmale der Ansprüche auch miteinander kombiniert werden können.
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Der erfindungsgemäße Trägerkörper mit einem Adsorbermaterial zum Adsorbieren von Stickoxiden eines Abgases weist ein Adsorbervolumen auf. Hierbei schließt das Adsorbervolumen auch eventuelle Hohlräume oder Kanäle des Trägerkörpers ein. Das Abgas wird in wenigstens einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt. In der Brennkammer wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt und das Abgas generiert. Bekannte Verbrennungskraftmaschinen weisen vorzugsweise 4, 6 oder 8 derartige Brennkammern auf. Alle Brennkammern zusammen haben ein bestimmtes Brennkammervolumen. Für übliche Personenkraftwagen liegen die Brennkammervolumina beispielsweise zwischen 1,2 und 4,2 Liter. Bei Motorrädern liegt das Brennkammervolumen bei etwa 0,25 bis 1,5 Liter. Der hier vorgeschlagene Trägerkörper zeichnet sich dadurch aus, dass das Adsorbervolumen kleiner als 75%, insbesondere kleiner 45% und bevorzugt sogar kleiner als 5% des Brennkammervolumens ausgeführt ist. Soll eine motornahe Anordnung der Trägerkörpers erfolgen, kann das Adsorbervolumen auch kleiner als 1% oder sogar kleiner 0,5% des Brennkammervolumens ausgeführt sein.
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Dabei haben Untersuchungen überraschenderweise ergeben, dass ein Stickoxid-Adsorber mit einem so kleinen Volumen ausgestaltet werden kann. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinen Ansicht, dass aufgrund der überwiegend mageren (sauerstoffreichen) Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine mit einer deutlichen Erhöhung der Stickoxid-Emission zu rechnen ist. Ein derartig kleinvolumiger Adsorber stellt eine relativ kleine thermische Masse dar, wodurch dem Abgas in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine nur sehr wenig Wärme entzogen wird. Dies erlaubt beispielsweise ein sehr schnelles Aufheizen eines nachgeschalteten Katalysators, wodurch nach bereits einem sehr kurzen Zeitraum die Anspringtemperatur zur Reduktion ankommender Stickoxide erreicht wird. Dies hat ebenfalls zur Folge, dass der Trägerkörper mit dem Adsorbermaterial aufgrund des geringeren Zeitraumes weniger Stickoxide adsorbieren muss. Der erfindungsgemäße Trägerkörper gewährleistet somit eine effektive Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (insbesondere Magermotoren, Dieselmotoren), wobei selbst geringste Emissionen im ppb-Bereich („parts per billion”) vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Trägerkörper eine über einen Querschnitt verteilte Anzahl für das Abgas durchströmbare Kanäle auf, wobei die mittlere Kanaldichte über den Querschnitt zwischen 400 und 1200 cpsi („cells per square inch”) beträgt. Bei der Auslegung der Kanaldichte sind natürlich auch das jeweils gewählte Adsorbervolumen und der Abstand des Adsorbers zur Verbrennungskraftmaschine zu berücksichtigen. Bei sehr kleinen Adsorbervolumen (insbesondere kleiner 20% des Brennkammervolumens) und/oder einem motornahen Einsatzort (beispielsweise in einem Abstand kleiner 30 cm) sind hier Kanaldichten bis etwa 600 cpsi einsetzbar, wobei diese unter Umständen auch noch weiter reduziert werden müssen (vorzugsweise in einem Bereich von 200 cpsi bis 400 cpsi). Diese Ausführung einer relativ geringen Kanaldichte hat zur Folge, dass einerseits ein zu großer Druckabfall des Abgasstroms über den Adsorber vermieden wird, andererseits wird beispielsweise auch gewährleistet, dass eine thermische Überbeanspruchung nicht stattfindet. Bei einem größeren Adsorbervolumen und/oder einem größeren Abstand von der Verbrennungskraftmaschine werden bevorzugt Adsorber mit höheren Kanaldichten verwendet. Diese haben nun beispielsweise eine Kanaldichte, die mindestens 700 cpsi, vorzugsweise größer 1000 cpsi und insbesondere größer 1600 cpsi beträgt. Eine so hohe Anzahl an Kanälen stellt eine große Oberfläche mit Adsorbermaterial zur Verfügung. Dies gewährleistet einen intensiven Kontakt des Abgases mit dem Adsorbermaterial und verbessert die volumenspezifische Speicherkapazität des Trägerkörpers.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerkörper Blechlagen auf, die zumindest teilweise so strukturiert sind, dass diese für ein Abgas durchströmbare Kanäle bilden. Ein Trägerkörper mit Blechlagen hat den Vorteil, dass dieser bei gleichem Volumen eine größere Oberfläche und einen geringen Druckverlust gegenüber beispielsweise einem Trägerkörper aus Keramik aufweist. Die Blechlagen sind dabei vorzugsweise mit Blechen ausgeführt, welche eine Dicke von 0,012 mm bis 0,08 mm haben, insbesondere kleiner als 0,03 mm. Dies hat eine geringe oberflächenspezifische Wärmekapazität zur Folge, wodurch der Entzug von thermischer Energie aus dem Abgas weiter reduziert wird.
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Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist das Adsorbermaterial eine Zeolithstruktur und/oder Kaliumoxidbestandteile auf. Die geometrische Eigenschaft der Zeolithstruktur gewährleistet eine sehr große Speicherkapazität. Die Oxide von Alkalimetallen, insbesondere Kaliumoxid, unterstützen besonders effektiv die Adsorption von Stickoxiden. Dabei haben Untersuchungen gezeigt, dass insbesondere eine Kombination von Kaliumoxidbestandteilen mit einem metallischen Trägerkörper eine dauerhafte und sehr effektive Speicherung von Stickoxiden gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Trägerkörper eine katalytisch aktive Beschichtung zur Reduktion von Stickoxiden aufweist. Auf diese Weise ist bei entsprechenden Betriebsbedingungen die sofortige Reduktion der desorbierten oder gerade ankommenden Stickoxide gewährleistet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das Adsorbermaterial in einer ersten Zone angeordnet ist, wobei der Trägerkörper in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgend eine zweite Zone mit der katalytisch aktiven Beschichtung aufweist. Eine derartige axiale Unterteilung des Trägerkörpers in eine erste Zone zum Adsorbieren und eine zweite Zone zum Reduzieren der Stickoxide zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus und verhindert beispielsweise gegenläufige chemische Reaktionen aufgrund des Adsorptionsvorgangs einerseits und der katalytischen Umsetzung andererseits. Dabei ist es stets gewährleistet, dass die desorbierten Stickoxide nachfolgend mit einer katalytisch aktiven Beschichtung in Kontakt treten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die zumindest eine Abgasleitung umfasst, welche die mindestens eine Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine mit der Umgebung verbindet, und in der Komponenten zur Umsetzung im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Schadstoffen angeordnet sind. Dabei ist der erfindungsgemäße Trägerkörper in Strömungsrichtung des Abgases gesehen direkt der Verbrennungskraftmaschine nachgeschaltet. Gerade bei einer solchen Anordnung des Trägerkörpers kann des Adsorbervolumen extrem reduziert werden. Hier kann das Adsorbervolumen auch kleiner als 1% oder sogar kleiner 0,5% des Brennkammervolumens ausgeführt sein. Dies hängt insbesondere mit den dort herrschenden hohen Temperaturen zusammen, die eine Regenerierung des Adsorbermaterials begünstigen.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Trägerkörper in einem Abstand zur mindestens einen Brennkammer angeordnet ist, der kleiner als 80 cm ist, insbesondere sogar kleiner als 30 cm oder sogar 5 cm. Hierzu bietet sich beispielsweise eine Anordnung im Inneren eines Abgaskrümmers und bevorzugt vor einem Turbolader an. Bei der Ausgestaltung, dass der Trägerkörper im Inneren eines Abgaskrümmers angeordnet ist, befindet sich selbstverständlich in jedem Krümmer, der zu einer einzelnen Brennkammer führt, auch jeweils ein solcher Trägerkörper. Bei entsprechender Ausgestaltung des Adsorbers ist es sogar möglich, diesen direkt in den Auslasskanal der Brennkammer des Verbrennungsmotors einzubauen. Das Adsorbervolumen bezieht sich dann sogar vorzugsweise auf ein Gesamtadsorbervolumen der mehreren Trägerkörper. Die Anordnung noch vor einem Turbolader verhindert, dass dem Abgas bereits viel thermische Energie entzogen wird, bevor dieses auf den Trägerkörper trifft, wobei eine schnelle und effektive Regenerierung des Adsorbermaterials sichergestellt ist.
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Weiterhin wird eine Betriebsweise der Abgasanlage vorgeschlagen, bei der eine diskontinuierliche Regenerierung des ein Adsorbermaterial zum Adsorbieren von Stickoxiden aufweisenden Trägerkörpers innerhalb von einem Zeitraum kleiner als 5 s, insbesondere kleiner 1 s erfolgt. Ein so kurzer Zeitraum bzw. eine solch dynamische Regenerierung erlaubt eine weitere Reduktion des zur Speicherung der Stickoxide notwendigen Adsorbervolumens. Vorteilhafterweise kann dieser Zeitraum noch in einen Bereich kleiner 0,5 s oder 0,1 s verkürzt werden, wobei dann lediglich sehr geringe Mengen von Stickoxiden noch gespeichert werden müssten. Allerdings ist es in diesem extremen Fall unter Umständen erforderlich, einen separaten Adsorber vorzusehen, der eine Speicherung von Stickoxiden kurz nach dem Kaltstart und nur vorrübergehend sicherstellt, bis die notwendigen Temperaturen des Abgases erreicht sind.
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Weist die Verbrennungskraftmaschine bzw. die Abgasanlage eine Motorsteuerung zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in der Verbrennungskraftmaschine auf, so wird eine Betriebsweise der Abgasanlage vorgeschlagen, bei der eine Regenerierung durch eine Veränderung des Kraftstoff-Gemisches durch die Motorsteuerung bewirkt wird, wobei, insbesondere der Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Abgas erhöht wird. Das bedeutet beispielsweise, dass Betriebszyklen der Verbrennungskraftmaschine mit einem erhöhten Kraftstoffanteil betreffend das Kraftstoffgemisch vorgesehen werden, in denen infolge der „fetten” Gemischzubereitung ein erhöhter Anteil von ungesättigten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid produziert wird. Der erhöhte Anteil von ungesättigten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid hat in Verbindung mit den herrschenden Temperaturen eine Reduktion von Stickoxiden zu reinem Stickstoff zur Folge, da die Sauerstoffaffinität der ungesättigten Kohlenwasserstoffen und des Kohlenmonoxid größer sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Betriebsweise, wird die Regeneration mittels einer separaten Kraftstoff-Gemisch-Veränderung bei einer einzelnen Brennkammer bewirkt, wobei mehrere Brennkammern abwechselnd einen erhöhten Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Abgas erzeugen. Besonders bevorzugt erfolgt dies abwechselnd in jeweils einer Brennkammer der mehreren Brennkammern. Das bedeutet beispielsweise, dass jeweils nur eine Brennkammer mit einem „fetten” Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird, wobei die restlichen Brennkammern im „mageren” Bereich betreiben werden. Dies hat trotz der häufigen Regeneration durch Einspritzung von einem erhöhten Kraftstoffanteil dennoch einen sehr geringen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine zur Folge. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass zwischen den erfindungsgemäßen sehr kleine Trägerkörpern keine weitere Komponente zur chemischen Umsetzung angeordnet ist. Üblicherweise wurde bislang ein relativ großvolumiger Oxidationskatalysator dem Adsorber vorgeschaltet. Dies hat allerdings zur Folge, dass eine Anhebung der Kraftstoffeinspritzung über ein Maß hinaus erfolgen muss, dass zur Regeneration des Adsorbers ausreichend wäre, da ein Teil der erzeugten ungesättigten Kohlenwasserstoffen und des Kohlenmonoxid bereits in dem vorgeschalteten Oxidationskatalysator umgesetzt werden wird. Die direkte, motornahe Anordnung des erfindungsgemäßen Trägerkörpers erlaubt eine sehr exakte und genau kalkulierbare Zuführung einer sehr geringen Kraftstoffmenge, die gerade zur Regenerierung ausreicht.
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Weitere vorteilhafte und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Trägermatrix werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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1 Schematisch ein Automobil mit Verbrennungskraftmaschine und Abgasanlage;
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2 schematisch und perspektivisch den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trägermatrix;
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3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trägerkörpers;
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4 schematisch eine erste Detailansicht,
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5 eine zweite Detailansicht einer Ausführungsform eines Trägerkörpers, und
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6 schematisch den Aufbau einer Abgasanlage mit motornahem Einbau eines Trägerkörpers.
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1 zeigt schematisch ein Automobil 21 mit einer Verbrennungskraftmaschine 4. Die Verbrennungskraftmaschine 4 weist eine Motorsteuerung 25 auf, welche die Verbrennungsvorgänge in den vier Brennkammern 3 steuert. Die vier Brennkammern 3 haben ein Brennkammervolumen 5, welches sich aus den einzelnen Teilvolumina der Brennkammern 3 zusammensetzt. In den Brennkammern 3 wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt, und das hierbei erzeugte Abgas wird anschließend durch die Abgasanlage geführt. Dabei wird das Abgas gereinigt und anschließend an die Umgebung abgegeben. Die der Verbrennungskraftmaschine 4 nachgeschaltete Abgasanlage 20 weist eine Abgasleitung 26 auf, in der in Strömungsrichtung (nicht dargestellt) ein Vorkatalysator 24, ein erfindungsgemäßer Trägerkörper 1, ein Hauptkatalysator 23 und ein Schalldämpfer 22 angeordnet sind. Der Vorkatalysator 24 ist beispielsweise elektrisch beheizbar ausgeführt, wodurch bereits nach einem sehr kurzen Zeitraum nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 4 eine katalytische Umsetzung von Schadstoffen im Abgas möglich ist. Stromabwärts ist ein Trägerkörper 1 mit einem Adsorbermaterial 2 (nicht dargestellt) zum Adsorbieren von Stickoxiden des Abgases angeordnet. Der Trägerkörper 1 weist hierbei ein Adsorbervolumen 6 (nicht dargestellt) auf, welches 0,5% bis 75% des Brennkammervolumens 5 der Verbrennungskraftmaschine 4 beträgt. Der Trägerkörper 1 adsorbiert die Stickoxide während bestimmter Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine 4 oder der Abgasanlagen 20. Bei geeigneten Betriebszuständen desorbieren die Stickoxide aus dem Trägerkörper 1 und werden in dem nachfolgenden Hauptkatalysator 23 zu Stickstoff reduziert. Die aufgrund der explosionsartigen Verbrennung entstehenden Druckschwankungen des Abgasstromes werden in dem Schalldämpfer 22 reduziert, wodurch die Geräuschemission des Automobils reduziert wird.
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2 zeigt schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform eines Trägerkörpers 1 mit seinem Adsorbervolumen 6. Der Trägerkörper 1 weist axial 27 in Strömungsrichtung 17 hintereinander angeordnet eine erste Zone 16 und eine zweite Zone 18 auf. Die erste Zone 16 weist ein Adsorbermaterial 2 (nicht dargestellt) zum Adsorbieren von Stickoxiden auf, während die zweite Zone 18 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 15 (nicht dargestellt) zur Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Das Abgas durchströmt den Trägerkörper 1 durch eine Vielzahl von Kanälen 8, welche im wesentlichen parallel zur Achse 27 verlaufen. Der Trägerkörper 1 ist hierbei mit einem Mantelrohr 19 ausgeführt, welches beispielsweise zur Fixierung des Trägerkörpers 1 in einer Abgasanlage 20 dient.
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3 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trägerkörpers mit einem Mantelrohr 19. Der Trägerkörper 1 weist dabei Blechlagen 9 auf, die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß diese für das Abgas durchströmbar sind. Die Blechlagen 9 weisen dazu gewellte Bleche 11 und glatte Bleche 10 auf, die für das Abgas durchströmbare Kanäle 8 begrenzen. Die gemittelte Anzahl der Kanäle 8 über den Querschnitt 7 des Trägerkörpers 1 beträgt hier beispielsweise 800 cpsi („cells per square inch”).
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4 zeigt schematisch und in einer Detailansicht das Adsorbermaterial 2 zum Adsorbieren von Stickoxiden des Abgases in der ersten Zone 16. Der Trägerkörper 1 ist hier mit glatten 10 und gewellten Blechen 11 gebildet, die eine Dicke 12 von 0,012 mm bis 0,08 mm haben. Die derart begrenzten Kanäle 8 sind mit dem Adsorbermaterial 2 beschichtet, wobei daß Adsorbermaterial 2 eine Zeolithstruktur 13 und Kaliumoxidbestandteile 14 aufweist. Dies gewährleistet eine besonders hohe Speicherkapazität für Stickoxide.
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5 zeigt schematisch und in einer Detailansicht einen Kanal 8 des Trägerkörpers 1 in der zweiten Zone 16. Die glatten 10 und gewellten Bleche 11 des Trägerkörpers 1 weisen eine katalytisch aktive Beschichtung 15 zur Reduktion der bereits desorbierten Stickoxide auf.
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6 zeigt schematisch den Aufbau einer Abgasanlage 20 einer Verbrennungskraftmaschine 4, die hier insbesondere als Dieselmotor ausgeführt ist. Die Abgasanlage 20 umfassend eine Abgasleitung 26, welche die mindestens eine Brennkammer 3 (nicht dargestellt) der Verbrennungskraftmaschine 4 mit der Umgebung verbindet, und in der Komponenten 1, 23, 28, 32 zur Umsetzung im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 4 enthaltenen Schadstoffen angeordnet sind. Die Abgasanlage 20 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Trägerkörper 1 in Strömungsrichtung 17 des Abgases gesehen direkt der Verbrennungskraftmaschine 4 nachgeschaltet ist. Dabei ist der Trägerkörper 1 in einem Abstand 31 zur mindestens einen Brennkammer angeordnet ist, der kleiner als 80 cm ist, insbesondere sogar im Inneren eines Abgaskrümmers 30 und bevorzugt vor einem Turbolader 28. Dem Trägerkörper 1 können beispielsweise zusätzlich ein Oxidationskatalysator 23 und ein Filter 32 nachgeschaltet sein.
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Die Betriebsweise der Abgasanlage 20 erfolgt mit einer diskontinuierliche Regenerierung des ein Adsorbermaterial 2 (nicht dargestellt) zum Adsorbieren von Stickoxiden aufweisenden Trägerkörpers 1 innerhalb von einem Zeitraum kleiner als 5 s. Insbesondere ist eine Motorsteuerung 29 zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in der Verbrennungskraftmaschine 4 vorgesehen, die eine Regenerierung durch eine Veränderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Motorsteuerung 29 bewirkt, wobei insbesondere der Anteil an Kohlenmonoxid im erzeugten Abgas erhöht wird. Die Regenerierung erfolgt dabei vorzugsweise in einer Einzel-Brennkammer-Regeneration, bei der jede Brennkammer abwechselnd mit einem fetten Gemisch versorgt wird.
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Die Erfindung beschreibt somit einen Trägerkörper mit einem Adsorbermaterial zum Adsorbieren von Stickoxiden eines Abgases, das in wenigstens einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird, sowie eine Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine mit einer einen solchen Trägerkörper aufweisenden Abgasanlage. Alle Brennkammern der Verbrennungskraftmaschine weisen zusammen insgesamt ein Brennkammervolumen und der Trägerkörper ein Adsorbervolumen auf, wobei das Adsorbervolumen kleiner als 75%, insbesondere kleiner 45% und bevorzugt sogar kleiner als 5% des Brennkammervolumens ausgeführt ist. Ein solcher Trägerkörper gewährleistet einerseits ein gutes Kaltstartverhalten der Abgasanlage und vermeidet andererseits den Ausstoß von Stickoxiden, insbesondere bei Verwendung des vorgeschlagenen Betriebsweise der Abgasanlage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerkörper
- 2
- Adsorbermaterial
- 3
- Brennkammer
- 4
- Verbrennungskraftmaschine
- 5
- Brennkammervolumen
- 6
- Adsorbervolumen
- 7
- Querschnitt
- 8
- Kanal
- 9
- Blechlage
- 10
- glattes Blech
- 11
- gewelltes Blech
- 12
- Dicke
- 13
- Zeolithstruktur
- 14
- Kaliumoxidbestandteile
- 15
- katalytisch aktive Beschichtung
- 16
- erste Zone
- 17
- Strömungsrichtung
- 18
- zweite Zone
- 19
- Mantelrohr
- 20
- Abgasanlage
- 21
- Automobil
- 22
- Schalldämpfer
- 23
- Hauptkatalysator
- 24
- Vorkatalysator
- 25
- Motorsteuerung
- 26
- Abgasleitung
- 27
- Achse
- 28
- Turbolader
- 29
- Motorsteuerung
- 30
- Abgaskrümmer
- 31
- Abstand
- 32
- Filter
