DE102005008579B4

DE102005008579B4 - Beschleunigen einer katalytischen Umwandlung

Info

Publication number: DE102005008579B4
Application number: DE102005008579A
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Flint Bolander; Jeffrey J. Brighton Allen; Alexander J. Rochester Roberts
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: US7210287B2; DE102005008579A1; US20050210865A1

Abstract

Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung (100) eines Fahrzeugs, wobei die Katalysatorvorrichtung zumindest einen Katalysator-Wabenkörper (126) umfasst, der innerhalb eines Gehäuses (108) angeordnet ist, um einen Raum (158, 162) um den Katalysator-Wabenkörper (126) herum vorzusehen, wobei das Verfahren umfasst:
dass Abgas derart geleitet wird, dass es den Katalysator-Wabenkörper (126) zumindest einmal durchströmt, und
dass Abgas nach Abströmung von dem Katalysator-Wabenkörper (126) umgeleitet wird, um zumindest einmal um den Katalysator-Wabenkörper (126) außen herum so durch den Raum (158, 162) zu strömen, dass ausschließlich der Katalysator-Wabenkörper (126) von dem Abgas umströmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung sowie eine Katalysatorvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine katalytische Umwandlung von Abgas aus dem Kraftstoffverbrauch in Motoren und insbesondere die Beschleunigung des Einsetzens einer katalytischen Umwandlung.
Benzinbetriebene Kraftfahrzeuge zur Verwendung im Straßenverkehr sind im Allgemeinen mit Katalysatoren ausgerüstet, die Abgasemissionen behandeln. Ungefähr ein Drittel der gesamten Abgasemissionen aus Fahrzeugen wird während der ersten dreißig Sekunden des Betriebes nach dem Motorstart erzeugt. Da katalytisches Material innerhalb des Katalysators erwärmt wird, wird die Umwandlung von Abgasen beschleunigt und der Wert an Emissionen nimmt ab.

Die DE 199 32 778 A1 offenbart eine Vorrichtung zur katalytischen Reinigung von Abgasen aus einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem vom Abgas in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchströmte Katalysatoren angeordnet sind. Bei einer Richtungsänderung der Abgase innerhalb des Gehäuses wird ein sich in Verlängerung einer Abgaszuleitung erstreckender erster Katalysator in einer ersten Richtung und ein mit der Abgasableitung koaxialer zweiter Katalysator in einer zweiten Richtung durchströmt.

Die DE 24 01 204 A offenbart einen katalytischen Abgasreaktor für Verbrennungsmotoren. Der Abgasreaktor weist parallel Kanäle für eine aufzuwärmende Frischluft und eine Abgasluftmischung auf. Auf dem Weg durch die ersten Kanäle wird die Frischluft mittels der Abgasluftmischung aufgeheizt. Das Abgas wird mit der vorgewärmten Frischluft gemischt und die Abgasluftmischung strömt durch die zweiten Kanäle.

Die DE 102 02 005 A1 offenbart eine Filtereinrichtung zum Entfernen von Ruß und Aschepartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine. Der Abgasstrom wird an einer Stirnseite eines Wabenfilters umgelenkt, so dass ein Einlass und ein Auslass für den Abgasstrom unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Die JP 2003 – 328 736 A beschreibt eine Abgassteuervorrichtung, bei der in einem Abgasrohr ein Katalysator angeordnet ist, um das Abgas eines Motors zu reinigen. Innerhalb des Abgasrohrs ist ein in Richtung Unterstrom geschlossenes Wärmespeicherrohr angeordnet, welches seinerseits den Katalysator umgibt. Das Wärmespeicherrohr umgibt dabei jedoch nicht nur den Katalysator, sondern erstreckt sich vielmehr sehr weit in Richtung Oberstrom, so dass ein Abgas, welches zunächst den Katalysator durchströmt, zurück in Richtung Oberstrom geleitet wird, und zwar infolge der Ausdehnung des Wärmespeicherrohrs so weit von dem Katalysator weg, dass es auf dieser Strecke deutlich abkühlen wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen der Katalysator schneller erwärmt wird, um Abgasemissionen zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft in einer Ausführungsform ein Verfahren zur Reduktion von Abgasemissionen aus einer Katalysatorvorrichtung eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung zumindest einen Katalysator um fasst, wobei jeder einen innerhalb einer vordefinierten Länge des Fahrzeugs angeordneten Katalysator-Wabenkörper aufweist. Das Verfahren umfasst, dass Abgas derart geleitet wird, dass es die vordefinierte Länge durch zumindest einen von dem zumindest einen Katalysator-Wabenkörper mehr als einmal durchströmt.

Die Erfindung betrifft in einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung mit einem Katalysator, der einen Katalysatoroberflächenbereich aufweist, dem das Abgas ausgesetzt ist, während es die Vorrichtung durchströmt. Das Verfahren umfasst, dass eine Übertragung von Wärme, die in dem Abgas verbleibt, nachdem es dem Katalysatoroberflächenbereich ausgesetzt war, zu dem Katalysatoroberflächenbereich bewirkt wird.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Katalysatorvorrichtung in einem Kraftfahrzeug zumindest einen Katalysator, wobei jeder von dem zumindest einen Katalysator einen innerhalb einer vordefinierten Länge des Fahrzeugs angeordneten Katalysator-Wabenkörper aufweist. Die Vorrichtung umfasst auch zumindest ein Leitelelement, welches Abgas aus dem Motor derart leitet, dass es mehr als einmal die vordefinierte Länge durch zumindest einen von dem zumindest einen Katalysator-Wabenkörper durchströmt.

In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Katalysatorvorrichtung einen Katalysator mit einem Katalysatoroberflächenbereich, dem Abgas ausgesetzt ist, während es die Vorrichtung durchströmt. Die Vorrichtung umfasst auch zumindest ein Leitelement, das eine Übertragung von Wärme, die in dem Abgas nach dem Ausgesetztsein gegenüber dem Katalysatoroberflächenbereich verbleibt, zu dem Katalysatoroberflächenbereich bewirkt.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 eine Längsschnittansicht einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine graphische Darstellung, die Abgasströmungs- und Temperaturmuster in Bezug auf eine Ausführungsform einer Katalysatorvorrichtung veranschaulicht;
3 eine Längsschnittansicht einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
4A eine perspektivische Ansicht einer Hülse einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
4B eine perspektivische Ansicht einer Schale einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
5 eine Längsschnittansicht einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
6 eine Längsschnittansicht einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
Die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsform/en der vorliegenden Erfindung ist rein beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen einschränken. Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Unterboden-Katalysatorvorrichtung eines Kraftfahrzeuges beschrieben sind, sollte einzusehen sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Erfindung kann in Verbindung mit einem oder mehreren Katalysator/en an verschiedenen Positionen in einem Fahrzeug mit (einem) motornahen Katalysator/en, (einem) Katalysator/en unter der Motorraumrückwand und (einem) an der Rückseite angeordnete/n Katalysatoren realisiert werden, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Es wird auch in Erwägung gezogen, eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeug mit einem oder mehreren Katalysator/en zusätzlich zu einer solchen Ausführungsform zu realisieren.
Eine Ausführungsform einer Katalysatorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug wird allgemein durch die Bezugsziffer 100 in 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Katalysator 104 mit einem äußeren Gehäuse 108. Das Gehäuse 108 weist einen Einlass 112 und einen Auslass 114 auf. Eine gasundurchlässige Dichtung 118 verbindet den Gehäuseeinlass 112 mit einem Eintragsrohr (nicht gezeigt), das Abgas von dem Fahrzeugmotor in die Katalysatorvorrichtung 100 hinein trägt. Eine Dichtung 122 verbindet den Gehäuseauslass 114 mit einem Rohr (nicht gezeigt), das Abgas von der Katalysatorvorrichtung 100 zum letztendlichen Austrag in die Luft trägt.
In dem Gehäuse 108 befindet sich ein Katalysator-Wabenkörper 126, eine honigwabenartige Struktur mit einer Vielzahl von Durchgängen und Flächen (nicht gezeigt) und mit einem oder mehreren Katalysatoren wie z. B. Platin und/oder (einem) anderen solchen Katalysator/en, der/die im Stand der Technik bekannt ist/sind, beschichtet. Der Katalysator-Wabenkörper 126 ist zum Beispiel für eine Drei-Wege-Umwandlung, d. h. zur Reduktion von Kohlenstoffmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Stickoxidemissionen aufgebaut. Ein oberstromiger Abschnitt 130 des Katalysator-Wabenkörpers 126 ist mit einem Reduktionskatalysator beschichtet und ein unterstromiger Abschnitt 134 des Katalysator-Wabenkörpers 126 ist mit einem Oxidationskatalysator beschichtet, wie im Stand der Technik bekannt. Der Katalysator-Wabenkörper 126 ist in ein metallisches, z. B. Edelstahl-Fasergewebe 138 gehüllt und ist lose (was eine Bewegung zulässt) mit dem Gehäuseeinlass 112 verbunden.
Eine Metallschale 142 ist durch Bügel 146 über einem unterstromigen Ende 150 und einer Seitenwand 154 des Katalysator-Wabenkörpers 126 angeordnet. Die Schale 142 umgibt den Katalysator-Wabenkörper 126, wobei Raum 158 zwischen dem Katalysator-Wabenkörper 126 und der Schale 142 frei bleibt, und wobei Raum 162 zwischen der Schale 142 und dem Gehäuse 108 freibleibt. Eine Seitenwand 166 der Schale 142 endet derart relativ zu einer Stirnwand 170 des Gehäuses 108, dass die Räume 158 und 162 kontinuierlich sind. Ein optionaler Ring 174 umgibt einen Hals 180 des Katalysators und trifft auf das Gehäuse 108, um die Abgasströmung zu leiten wie unten stehend weiter beschrieben.
In Betrieb strömt Abgas von dem Fahrzeug durch den Einlass 112, tritt in den Katalysator-Wabenkörper 126 ein und wird dem/den Katalysatoren, mit dem/denen der Katalysator-Wabenkörper 126 beschichtet ist, ausgesetzt. Der Abgasstrom bewegt sich im Allgemeinen in einer unterstromigen Richtung und tritt aus dem Katalysator-Wabenkörper aus. Die Schale 142 leitet den Abgasstrom derart, dass er außerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 126 in einer im Allgemeinen oberstromigen Richtung entlang des Katalysator-Wabenkörpers 126 und innerhalb der Schale 142 zurück strömt. Abgas, das auf die vorstehende Art und Weise oberstromig umgelenkt wird, wird neuerlich zum Beispiel durch den Ring 174 und/oder eine Stirnwand des Gehäuses 108 umgelenkt. Der umgelenkte Abgasstrom bewegt sich im Allgemeinen in der unterstromigen Richtung, entlang und zwischen der Schale 142 und dem Gehäuse 108. Der Abgasstrom tritt dann aus dem Gehäuse 108 über den Auslass 114 aus.
2 veranschaulicht ein Strömungs- und Temperaturmuster 200 von Abgas, das zum Beispiel die Katalysatorvorrichtung 100 durchströmt. Es sollte allgemein angemerkt werden, dass 2 nicht nur die in 1 gezeigte Ausführungsform darstellt, sondern auch weitere Ausführungsformen wie weiter unten beschrieben darstellt. Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1 und 2 kann Abgas, das sich im Allgemeinen unterstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 126 bewegt, als sich innerhalb eines zentralen Kerns 204 bewegend dargestellt werden und ist sehr heiß im Vergleich mit dem Abgas, das sich durch andere Abschnitte der Katalysatorvorrichtung 100 bewegt. Abgas, das sich im Allgemeinen oberstromig innerhalb der Schale 142 bewegt, kann so gesehen werden, dass es in einem inneren Ring 208 um den Kern 204 strömt. Abgas, das sich in dem Ring 208 bewegt, neigt dazu, eine beträchtliche Menge an Wärme zu tragen. Abgas, das sich im Allgemeinen unterstromig außerhalb der Schale 142 bewegt, strömt in einem äußeren Ring 212. Abgas in dem äußeren Ring 212 ist kühler als Abgas, das sich in dem zentralen Kern 204 und dem inneren Ring 208 bewegt, neigt aber immer noch dazu, Wärme zu tragen, von der zumindest etwas dazu neigt, zu dem inneren Ring 208 über die Metallschale 142 übertragen zu werden.
Der innere Ring 208 und der äußere Ring 212 neigen dazu, zu Wärme in dem zentralen Kern 204 beizutragen und diese zu erhalten. Es kann beobachtet werden, dass Wärme, die durch Abgas in den inneren und äußeren Ringen 208 und 212 getragen wird, in Richtung des Kerns 204 strahlt, wodurch die in dem Kern 204 ablaufende Katalyse beschleunigt wird.
Eine weitere Ausführungsform einer Katalysatorvorrichtung ist allgemein durch die Bezugsziffer 300 in 3 bezeichnet. Die Vorrichtung 300 umfasst einen Katalysator 304 mit einem äußeren Gehäuse 308. Das Gehäuse 308 weist einen Einlass 312 und einen Auslass 314 auf. Eine gasundurchlässige Dichtung 318 verbindet den Gehäuseeinlass 312 mit einem Eintragsrohr (nicht gezeigt), das Abgas von dem Fahrzeugmotor in die Katalysatorvorrichtung 300 hinein trägt. Eine Dichtung 322 verbindet den Gehäuseauslass 314 mit einem Rohr (nicht gezeigt), das Abgas von der Katalysatorvorrichtung 300 zum letztendlichen Austrag in die Luft trägt.
In dem Gehäuse 308 befindet sich ein Katalysator-Wabenkörper 326 mit einer Vielzahl von Durchgängen und Flächen (nicht gezeigt), die mit einem oder mehreren Katalysator/en wie z. B. Platin und/oder (einem) anderen solchen Katalysator/en beschichtet sind. Der Katalysator-Wabenkörper 326 ist für eine Drei-Wege-Umwandlung in einer bidirektionalen Abgasströmung aufgebaut. Im Speziellen ist ein oberstromiger Abschnitt 330 des Katalysator-Wabenkörpers mit einem Reduktionskatalysator beschichtet, ein mittlerer Abschnitt 332 ist mit einem Oxidationskatalysator beschichtet, und ein unterstromiger Abschnitt 334 ist ebenfalls mit einem Reduktionskatalysator beschichtet. Der Katalysator-Wabenkörper 326 ist in ein Metall-, z. B. Edelstahl-Fasergewebe 338 eingehüllt. Eine hohle kegelstumpfförmige Metallhülse 340 verbindet den Gehäuseeinlass 312 fluidmäßig mit dem Katalysator-Wabenkörper 326. Ein oberer Rand 342 der Hülse 340 ist zu dem Gehäuse 308 hin abgedichtet, so dass das gesamte durch den Einlass 312 strömende Abgas in den Katalysator-Wabenkörper 326 hinein strömt. Ein unterer Rand 344 der Hülse 340 ist auf das Drahtgewebe 338 über ein oberstromiges Ende 346 des Katalysator-Wabenkörpers 326 geschweißt. Die Hülse 340 leitet den Abgasstrom in Richtung eines Querschnittsbereiches 348 innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326. Wie ersichtlich, ist die Größe eines solchen Querschnittsbereiches durch die Größe und Form der Hülse 340 bestimmt, die den Eintritt des Abgasstroms in den Katalysator-Wabenkörper 326 hinein beeinflussen und somit das/die Muster der Abgasströmung innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326 beeinflussen können.
Eine Metallschale 350 ist auf das Drahtgewebe 338 über ein unterstromiges Ende 352 des Katalysator-Wabenkörpers 326 geschweißt. Die Schale 350 bedeckt das gesamte unterstromige Ende 352, obwohl weitere Ausführungsformen betrachtet werden, in denen die Schale 350 das unterstromige Ende 352 nur teilweise bedeckt.
In Betrieb durchströmt Abgas von dem Fahrzeug den Einlass 312 und die Hülse 340, tritt in den Katalysator-Wabenkörper 326 ein und wird dem/den Katalysator/en, der/die den Katalysator-Wabenkörper 326 bedeckt/bedecken, ausgesetzt. Der Abgasstrom bewegt sich im Allgemeinen in einer unterstromigen Richtung in Richtung der Schale 350. Die Schale 350 leitet den Abgasstrom innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326 zurück, wo sich der Abgasstrom im Allgemeinen in einer oberstromigen Richtung bewegt und wieder dem/den Katalysator/en ausgesetzt ist. Abgas, das auf die vorstehende Art und Weise oberstromig umgelenkt wurde, tritt aus dem Katalysator-Wabenkörper 326 durch das oberstromige Ende 346 des Katalysator-Wabenkörpers um den unteren Rand 344 der Hülse 340 herum aus. Die Hülse 340 und eine Stirnwand 354 des Gehäuses 308 leiten den Abgasstrom im Allgemeinen in der unterstromigen Richtung entlang des Gehäuses 308. Das Abgas tritt dann aus dem Gehäuse 308 über den Auslass 314 aus.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 kann der relativ heiße zentrale Kern 204 so verstanden werden, dass er Abgas darstellt, das sich im Allgemeinen unterstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326 bewegt. In der vorliegenden Ausführungsform neigt der Kern 204 dazu, im Querschnittsbereich flächengleich mit dem zum Beispiel durch die Größe und Form der Hülse 340 wie oben beschrieben bestimmten Querschnittsbereich 348 zu sein. Der innere Ring 208 kann so verstanden werden, dass er Abgas darstellt, das sich im Allgemeinen oberstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326 bewegt und den durch den zentralen Kern 204 dargestellten Abgasstrom umgibt. Der äußere Ring 212 kann so verstanden werden, dass er Abgas darstellt, das sich im Allgemeinen unterstromig außerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 326 bewegt. Abgas in dem äußeren Ring 212 ist kühler als Abgas, das sich in dem zentralen Kern 204 und dem Ring 208 bewegt, trägt aber noch immer Wärme, von der zumindest etwas zu dem inneren Ring 208 übertragen werden kann.
Es kann beobachtet werden, dass Wärme, die durch Abgas in dem äußeren Ring 212 und dem inneren Ring 208 getragen wird, in Richtung des zentralen Kerns 204 strahlt, wodurch die in dem Kern 204 ablaufende Katalyse beschleunigt wird. Wärme von dem äußeren Ring 212 wird zu dem inneren Ring 208 übertragen, wodurch die in dem inneren Ring 208 und dem zentralen Kern 204 ablaufende Katalyse beschleunigt wird. Die Metallhülse 340 und die Schale 350 neigen auch dazu, zu der Übertragung von Wärme zu dem zentralen Kern 204 beizutragen.
Eine weitere Ausführungsform einer Hülse ist in 4A allgemein durch die Bezugsziffer 400 bezeichnet. Die Hülse 400 weist eine angefederte Klappe 404 auf, die in Ansprechen auf einen Abgasdruck öffnet oder schließt. Somit kann sich die Klappe 404 zum Beispiel öffnen, um einen Abgasgegendruck abzulassen. Eine weitere Ausführungsform einer Schale ist allgemein durch die Bezugsziffer 450 in 4B bezeichnet. Die Schale 450 weist eine angefederte Klappe 454 auf, die in Ansprechen auf einen Abgasdruck öffnet oder schließt und sich somit öffnen kann, um einen Abgasgegendruck abzulassen.
Eine weitere Ausführungsform einer Katalysatorvorrichtung ist in 5 allgemein durch die Bezugsziffer 500 bezeichnet. Die Vorrichtung 500 umfasst einen Katalysator 504 mit einem äußeren Gehäuse 508. Das Gehäuse 508 weist einen Einlass 512 und einen Auslass 514 auf. Eine gasundurchlässige Dichtung 518 verbindet den Gehäuseeinlass 512 mit einem Eintragsrohr (nicht gezeigt), das Abgas von dem Fahrzeugmotor in die Katalysatorvorrichtung 500 hinein trägt. Eine Dichtung 522 verbindet den Gehäuseauslass 514 mit einem Rohr (nicht gezeigt), das Abgas von der Katalysatorvorrichtung 500 zum letztendlichen Austrag in die Luft trägt.
Im Inneren des Gehäuses 508 befindet sich ein Katalysator-Wabenkörper 526 mit einer Vielzahl von Durchgängen und Flächen (nicht gezeigt), die mit einem oder mehreren Katalysator/en wie z. B. Platin und/oder (einem) anderen solchen Katalysator/en, beschichtet sind. Der/die Katalysatoren ist/sind zum Beispiel wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben angeordnet. Der Katalysator-Wabenkörper 526 ist in ein Metall-, z. B. Edelstahl-Fasergewebe 536 eingehüllt und ist bündig mit oder nahe an einer Innenwand 538 des Gehäuses 508 angeordnet.
Eine hohle zylinderförmige Metallhülse 540 verbindet den Gehäuseeinlass 512 fluidmäßig mit dem Katalysator-Wabenkörper 526. Ein oberer Rand 542 der Hülse 540 ist zu dem Gehäuse 508 hin abgedichtet, so dass sich das gesamte durch den Einlass 512 strömende Abgas in den Katalysator-Wabenkörper 526 hinein bewegt. Ein unteres Ende 544 der Hülse 540 ist an das Drahtgewebe 536 über ein oberstromiges Ende 546 des Katalysator-Wabenkörpers 526 geschweißt. Die Hülse 540 leitet den Abgasstrom in Richtung eines Querschnittsbereiches 548 innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526. Es ist allgemein anzumerken, dass verschiedene Ausführungsformen Hülsen umfassen können, die Formen und Abmessungen aufweisen, welche sich von den hierin beispielhaft dargestellten unterscheiden.
Eine Metallschale 550 ist an einem unterstromigen Ende 552 des Katalysator-Wabenkörpers 526 durch Metallbügel 554 angebracht oder kann an das Drahtgewebe 536 über ein unterstromiges Ende 556 des Katalysator-Wabenkörpers 526 geschweißt sein. Die Schale 550 bedeckt teilweise das unterstromige Ende 556 des Katalysator-Wabenkörpers. Es ist einzuse hen, dass die Schale 550 auf vielerlei Art und Weise dimensioniert und/oder geformt sein kann und dadurch den Strom von Abgas wie nachstehend beschrieben beeinflusst.
In Betrieb strömt Abgas von dem Fahrzeug durch den Einlass 512 und die Hülse 540, tritt in den Katalysator-Wabenkörper 526 ein und wird dem/den Katalysator/en, mit dem/denen der Katalysator-Wabenkörper 526 beschichtet ist, ausgesetzt. Das Abgas bewegt sich im Allgemeinen in einer unterstromigen Richtung zu der Schale 550 hin, die Abgas innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526 zurück leitet. Das Abgas bewegt sich im Allgemeinen in einer oberstromigen Richtung und wird noch einmal dem/den Katalysator/en ausgesetzt. Abgas, das oberstromig in der vorstehend beschriebenen Art und Weise umgelenkt wurde, verlässt den Katalysator-Wabenkörper 526 durch das oberstromige Ende 546 des Katalysator-Wabenkörpers und um den unteren Rand 544 der Hülse 540 herum. Die Hülse 540 und eine Stirnwand 560 des Gehäuses 508 leiten das Abgas im Allgemeinen unterstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526. Dann tritt das Abgas aus dem Katalysator-Wabenkörper 526 um die Schale 550 herum aus und tritt über den Auslass 514 aus dem Gehäuse 508 aus. Somit wird in der vorliegenden Ausführungsform Abgas dreimal dem/den Katalysator/en ausgesetzt, bevor es aus der Vorrichtung 500 austritt.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 5 kann der relativ heiße zentrale Kern 204 so verstanden werden, dass er Abgas darstellt, das sich im Allgemeinen unterstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526 durch den Querschnittsbereich 548 bewegt. Der innere Ring 208 stellt Abgas dar, das sich im Allgemeinen oberstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526 bewegt und den durch den zentralen Kern 204 dargestellten Abgasstrom umgibt. Der äußere Ring 212 stellt Abgas dar, das sich im Allgemeinen unterstromig innerhalb des Katalysator-Wabenkörpers 526 um das durch den inneren Ring 208 dargestellte Abgas herum bewegt.
Abgas, das sich in dem den Kern 204 umgebenden inneren Ring 208 und äußeren Ring 212 bewegt, neigt dazu, Wärme in dem Kern 204 zu bewahren, wodurch die in dem Kern 204 und dem inneren Ring 208 ablaufende Katalyse beschleunigt wird. Die Metallhülse 540 und die -schale 550 neigen auch dazu, zu der Übertragung von Wärme zu dem zentralen Kern 204 beizutragen.
Eine noch weitere Ausführungsform einer Katalysatorvorrichtung ist allgemein in 6 durch die Bezugsziffer 600 bezeichnet. Die Vorrichtung 600 umfasst mehrere, z. B. zwei Katalysatoren 604 und 608. Der Katalysator 604 umfasst ein äußeres Gehäuse 612 mit einem Einlass 614 und einem Auslass 616. Ein Einlassrohr 618 verbindet den Einlass 614 mit einer Reihe von Zylindern (nicht gezeigt) des Fahrzeugmotors. Ein Auslassrohr 620 trägt Abgas von dem Gehäuse 612 zum letztendlichen Austrag in die Luft.
Der Katalysator 608 umfasst ein äußeres Gehäuse 632 mit einem Einlass 634 und einem Auslass 636. Ein Einlassrohr 638 verbindet den Einlass 634 mit einer Reihe von Zylindern (nicht gezeigt) des Fahrzeugmotors. Ein Auslassrohr 640 trägt Abgas von dem Gehäuse 632 zum letztendlichen Austrag in die Luft. Ein jeder von den Katalysator-Wabenkörpern 644 in den Gehäusen 604 und 608 weist eine Vielzahl von Durchgängen und Flächen (nicht gezeigt) auf, die mit einem oder mehreren Katalysatoren wie z. B. Platin und/oder (einem) anderen solchen Katalysator/en, z. B. wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, beschichtet sind.
Die Einlassrohre 618 und 638 sind durch ein oberstromiges Bypass-Rohr 650 verbunden. Ein unterstromiges Bypass-Rohr 654 verbindet das Auslassrohr 620 mit dem Einlassrohr 638 unterstromig des oberstromigen Bypass-Rohres 650. Ein Ventil 660 in dem Auslassrohr 620 ist unterstromig von dort angeordnet, wo das Auslassrohr 620 mit dem unterstromigen Bypass-Rohr 654 verbunden ist. Ein Ventil 664 in dem Einlassrohr 638 ist unterstromig von dort, wo das Einlassrohr 638 mit dem oberstromigen Bypass-Rohr 650 verbunden ist, und oberstromig von dort, wo das unterstromige Bypass-Rohr 654 mit dem Einlassrohr 638 verbunden ist, angeordnet. Ein Ventil 668 in dem unterstromigen Bypass-Rohr 654 ist unterstromig des Ventils 664 angeordnet. Die Ventile 660, 664 und/oder 668 können zum Beispiel solenoidbetätigte und/oder unterdruckgesteuerte Ventile wie im Stand der Technik bekannt sein.
Die Ventile 660, 664 und/oder 668 sind zum Beispiel durch ein Motorsteuergerät (nicht gezeigt) gesteuert, um die Katalysatoren 604 und 608 zwischen parallelem Betrieb und Reihenbetrieb zu schalten. Im Speziellen werden für den parallelen Betrieb die Ventile 660 und 664 in eine offene Stellung geschaltet, während das Ventil 668 geschlossen geschaltet wird. Abgas strömt dann von den Motorreihen in parallelen Strömungsflüssen durch die zugehörigen Katalysatoren 604 und 608. Für einen Reihenbetrieb sind die Ventile 660 und 664 geschlossen geschaltet und das Ventil 668 ist in eine offene Stellung geschaltet. Abgas, das durch das Einlassrohr 638 strömt, wird dann durch das oberstromige Bypass-Rohr 650 und in den Katalysator 604 hinein geleitet. Das Abgas strömt durch das unterstromige Bypass-Rohr 654, durch den Katalysator 608 und durch das Auslassrohr 640.
Die oben stehende Schaltanordnung kann zum Beispiel in Ansprechen auf unterschiedliche Motorlastzustände, Motordrehzahlen, Luftansaugung und/oder andere Zustände in Bezug z. B. auf Abgasdruck und/oder Katalysatortemperatur aktiviert werden. Zum Beispiel neigt/neigen der/die Katalysator/en in den Katalysatoren 604 und 608 dazu, während eines Kaltstarts kalt zu sein, und der Abgasdruck neigt dazu, im Vergleich mit einem Abgasdruck während eines stationären Motorbetriebes niedrig zu sein. Somit werden in einer Ausführungsform die Ventile 660, 664 und/oder 668 für eine vorbestimmte Zeit, z. B. für etwa sechzig Sekunden, nach dem Motorstart auf Reihenbetrieb geschaltet. Abgas strömt von beiden den Katalysatoren 604 und 608 zugehörigen Motorreihen in den Katalysator 604 hinein. Es ist einzusehen, dass der Betrieb der Katalysatoren 604 und 608 in Reihe etwa das doppelte Abgasvolumen in den Katalysator 604 hinein zulässt, bei etwa der doppelten Geschwindigkeit, wie es während eines parallelen Betriebes der Katalysatoren 604 und 608 der Fall wäre. Es ist auch einzusehen, dass Wärme von dem Abgas bewirkt, dass der/die Katalysator/en in dem Katalysator 604 rascher erwärmt wird/werden, als dies während eines parallelen Betriebes der Katalysatoren 604 und 608 der Fall wäre.
Wenn z. B. der Motor warm gelaufen ist, ist/sind der/die Katalysatoren relativ heißer und der Motorabgasdruck ist höher als während eines Kaltstarts. Die Katalysatoren 604 und 608 können dann über die Schaltanordnung auf parallelen Betrieb geschaltet werden wie vorstehend beschrieben.
Jede der Katalysatorvorrichtungen 100, 300, 500 und 600 kann als beispielhafte Veranschaulichung eines Verfahrens zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung eines Fahrzeugs angesehen werden. Jeder Katalysator der vorstehenden Katalysatorvorrichtung weist einen Katalysator-Wabenkörper auf, der innerhalb einer vordefinierten Länge des Fahrzeugs angeordnet ist. Solch ein Verfahren umfasst das derartige Leiten von Abgas, dass es die vordefinierte Länge durch zumindest einen von dem/den Katalysator-Wabenkörper/n mehr als einmal durchströmt.
Die oben beschriebene Katalysatorvorrichtung kann die Geschwindigkeit der Gaspartikel-Umwandlungsreaktionen beschleunigen und somit in einem sehr raschen Anspringen des Katalysatorsystems resultieren. Da die Gase dem Oberflächenbereich des Katalysatormaterials für längere Zeitspannen ausgesetzt sind als in Katalysatoren nach dem Stand der Technik, wird die Wärmeübertragung zu dem Katalysatormaterial erhöht. Diese Wärme wäre bisher durch ein Abgasrohr des Fahrzeuges verloren gegangen.
Wenn eine Ausführungsform der obigen Katalysatorvorrichtung als ein Unterboden-Katalysator verwendet wird, kann eine Notwendigkeit für einen oder zwei motornahe Katalysator/en eliminiert werden. Somit wird der Rückströmungsdruck verringert, und die Kosten für in solchen Katalysatoren verwendete wertvolle Metalle können eingespart werden. Einfache Abwandlungen können an vielen bestehenden Katalysatoren vorgenommen werden, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung eines Fahrzeuges, wobei die Vorrichtung zumindest einen Katalysator umfasst, wobei jeder von dem zumindest einen Katalysator einen innerhalb einer vordefinierten Länge des Fahrzeuges angeordneten Katalysator-Wabenkörper aufweist. Das Verfahren umfasst, dass Abgas derart geleitet wird, dass es die vordefinierte Länge durch zumindest einen von dem zumindest einen Katalysator-Wabenkörper mehr als einmal durchströmt. Die Katalysatorvorrich tung kann die Katalysator-Umwandlungsreaktionen beschleunigen und somit das Anspringen des Katalysatorsystems beschleunigen.

Claims

Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung (100) eines Fahrzeugs, wobei die Katalysatorvorrichtung zumindest einen Katalysator-Wabenkörper (126) umfasst, der innerhalb eines Gehäuses (108) angeordnet ist, um einen Raum (158, 162) um den Katalysator-Wabenkörper (126) herum vorzusehen, wobei das Verfahren umfasst: dass Abgas derart geleitet wird, dass es den Katalysator-Wabenkörper (126) zumindest einmal durchströmt, und dass Abgas nach Abströmung von dem Katalysator-Wabenkörper (126) umgeleitet wird, um zumindest einmal um den Katalysator-Wabenkörper (126) außen herum so durch den Raum (158, 162) zu strömen, dass ausschließlich der Katalysator-Wabenkörper (126) von dem Abgas umströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest durchgeführt wird, während das Abgas einen geringen Abgasdruck aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Wabenkörper (126) zumindest einen Katalysator umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass eine Übertragung von Wärme, die in Abgas, das um den Katalysator- Wabenkörper (126) herum strömt, verbleibt, zu dem zumindest einen Katalysator bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewirken einer Übertragung von Wärme umfasst, dass Abgas derart geleitet wird, dass es zwischen dem Katalysator-Wabenkörper (126) und einer Gehäusewand des zumindest einen Katalysators strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas derart geleitet wird, dass es zumindest zweimal den Katalysator-Wabenkörper (126) durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorvorrichtung (100) eine Vielzahl parallel geschalteter Katalysatoren (644) zum Aufnehmen des Abgases umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass das Abgas durch eine Reihenschaltung der Katalysatoren (644) für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Starten des Fahrzeugs geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zeitspanne die Reihenschaltung geschlossen und die Parallelschaltung geöffnet wird.
Verfahren zur Reduktion von Abgasemission aus einer Katalysatorvorrichtung (100) mit einem Katalysator-Wabenkörper (126), der einen Katalysatoroberflächenbereich aufweist, dem das Abgas ausgesetzt ist, während es die Katalysatorvorrichtung (100) durchströmt, wobei das Verfahren umfasst, dass das Abgas nach Abströmung von dem Katalysator-Wabenkörper (126) umgeleitet wird, um zumindest einmal um den Katalysator-Wabenkörper (126) außen herum durch einen Raum zu strömen, der um den Katalysator-Wabenkörper (126) herum definiert ist, und eine Übertragung von Wärme, die in dem Abgas verbleibt, nachdem es dem Katalysatoroberflächenbereich ausgesetzt war, zu dem Katalysatoroberflächenbereich bewirkt wird, wobei das Umleiten des Abgases so erfolgt, dass ausschließlich der Katalysator-Wabenkörper (126) von dem Abgas umströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst, dass der Katalysatoroberflächenbereich auf weniger als einen Gesamtoberflächenbereich, dem das Abgas während des Durchströmens der Vorrichtung ausgesetzt ist, begrenzt wird; und eine Übertragung von Wärme von dem Gesamtoberflächenbereich zu dem begrenzten Katalysatoroberflächenbereich bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewirken einer Übertragung von Wärme von dem Gesamtoberflächenbereich umfasst, dass eine Übertragung von Wärme von zumindest einem von einer Gehäusewand und einem den begrenzten Katalysatoroberflächenbereich des Katalysator-Wabenkörpers (126) umgebenden Ring des Katalysatoroberflächenbereiches bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewirken einer Übertragung von Wärme erfolgt, während das Abgas das Durchströmen beendet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest durchgeführt wird, während das Abgas einen geringen Abgasdruck aufweist.
Katalysatorvorrichtung (100) in einem Kraftfahrzeug, wobei die Katalysatorvorrichtung (100) umfasst: ein Gehäuse (108); und einen Katalysator-Wabenkörper (126) innerhalb des Gehäuses (108); wobei eine Schale (142, 350) das Abgas aus dem Katalysator-Wabenkörper (126) derart leitet, so dass es zumindest einmal um den Katalysator-Wabenkörper (126) außen herum strömt und dass ausschließlich der Katalysator-Wabenkörper (126) von dem Abgas umströmt wird.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) eine Übertragung von Wärme von dem Abgas zu dem Katalysator-Wabenkörper (126) bewirkt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Wabenkörper zumindest eine Hülse (400) umfasst, die einen Einlass zu dem Katalysator-Wabenkörper (126) bildet und das Abgas in Richtung zumindest eines Abschnitts des zumindest einen Querschnittsbereiches leitet.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (400) eine Klappe umfasst, die in Ansprechen auf einen Druck des Abgases öffnet oder schließt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (400) zumindest eine von einer zylindrischen Form und einer Kegelstumpfform umfasst.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) zumindest teilweise über einem Auslass des Katalysator-Wabenkörpers befestigt ist.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator-Wabenkörper (126) zumindest einen Querschnittsbereich umfasst und die Schale (142, 350) das Abgas in Richtung zumindest eines Abschnitts des zumindest einen Querschnittsbereiches leitet.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) das Abgas derart leitet, dass es entlang des Katalysator-Wabenkörpers (126) strömt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) eine Klappe (404, 454) umfasst, die in Ansprechen auf einen Druck des Abgases öffnet oder schließt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (108) der Katalysator-Wabenkörper (126) befestigt ist, wobei ein Leitelement zumindest eine Stirnwand des Gehäuses (108) umfasst.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorvorrichtung (100) eine Vielzahl parallel geschalteter Katalysatoren (644) umfasst, wobei zumindest ein Leitelement eine Schaltanordnung umfasst, die die Schaltung der Katalysatoren (644) zwischen der Parallelschaltung und einer Reihenschaltung der Katalysatoren alterniert.
Katalysatorvorrichtung (100), umfassend: einen Katalysator-Wabenkörper (126) mit einem Katalysatoroberflächenbereich, dem das Abgas ausgesetzt ist, während es die Katalysatorvorrichtung durchströmt; eine Schale (142, 350), die das Abgas von dem Katalysator-Wabenkörper (126) um den Katalysator-Wabenkörper (126) außen herum so umleitet, dass ausschließlich der Katalysator-Wabenkörper (126) von dem Abgas umströmt wird, um eine Übertragung von Wärme, die in dem Abgas verbleibt, nachdem es dem Katalysatoroberflächenbereich ausgesetzt war, zu dem Katalysatoroberflächenbereich zu bewirken.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) das Abgas derart leitet, dass es innerhalb der Katalysatorvorrichtung eine Distanz zusätzlich zu einer Länge des Katalysator-Wabenkörpers (126) strömt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (400) einen Einlass zu dem Katalysator-Wabenkörper (126) bildet und das Abgas in Richtung zumindest eines Abschnitts eines Querschnittsbereiches des Katalysator-Wabenkörpers (126) leitet.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (400) zumindest eine von einer zylindrischen Form und einer Kegelstumpfform umfasst.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (400) eine Klappe (404) umfasst, die in Ansprechen auf einen Druck des Abgases öffnet oder schließt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) zumindest teilweise über einem Auslass des Katalysator-Wabenkörpers (126) befestigt ist.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) das Abgas in Richtung zumindest eines Abschnitts eines Querschnittsbereiches des Katalysator-Wabenkörpers (126) leitet.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) das Abgas derart leitet, dass es entlang des Katalysator-Wabenkörpers (126) strömt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale eine Klappe (454) umfasst, die in Ansprechen auf einen Druck des Abgases öffnet oder schließt.
Katalysatorvorrichtung (100) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (142, 350) zumindest eine Stirnwand des Gehäuses (108) umfasst.