DE102005020963A1

DE102005020963A1 - Abgaskatalysator für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005020963A1
Application number: DE102005020963A
Authority: DE
Inventors: Bodo Odendall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-05-07
Also published as: DE102005020963B4

Abstract

Bei einem Abgaskatalysator 1 für eine Brennkraftmaschine, der eine an seinem Gehäuse 2 angeordnete Aufnahme 7, 7' für eine Abgassonde 8, 8' und einen in seinem Gehäuse 2 gelagerten Trägerkörper 3 mit einer katalytischen Beschichtung 11 aufweist, wobei die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 einer inhomogenen Verteilung unterliegt, wird vorgeschlagen, dass die inhomogene Verteilung so ausgestaltet ist, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 in dem axial vor der Aufnahme 7, 7' für die Abgassonde 8, 8' liegenden Bereich des Trägerkörpers 3 geringer ausgeführt ist als in den übrigen Bereichen. Vorschlagsgemäß wird durch diese inhomogene Verteilung der katalytischen Beschichtung 11 erreicht, dass die im Bereich der Aufnahme 7, 7' für eine Abgassonde 8, 8' gemessene Konvertierung der im Zentrum des Abgaskatalysators 1 herrschenden Konvertierung entspricht oder dieser sogar vorauseilt, so dass Schadstoffdurchbrüche vermieden werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator für eine Brennkraftmaschine, der eine an seinem Gehäuse angeordnete Aufnahme für eine Abgassonde und einen in seinem Gehäuse gelagerten Trägerkörper mit einer katalytischen Beschichtung aufweist, wobei die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung einer inhomogenen Verteilung unterliegt.

Aus der Druckschrift DE 102 30 330 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum räumlich inhomogenen Beschichten eines Wabenkörpers sowie ein inhomogen beschichteter Wabenkörper bekannt, der insbesondere als katalytischer Konverter zur Abgasreinigung einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Indem bei dem so beschichteten Wabenkörper überflüssiges Beschichtungsmaterial an Stellen, wo es nicht erforderlich ist, eingespart wird, ist eine effiziente Katalyse sichergestellt.

In der Druckschrift DE 43 42 914 C1 ist ein Verfahren zum Imprägnieren der Strömungskanäle von Wabenkörpern mit definierten Konzentrationsprofilen beschrieben. Dazu wird die Imprägnierlösung mit Injektorkanülen direkt in den Strömungskanälen der Wabenkörper zerstäubt. Definierte Imprägnierprofile werden dort verwirklicht, indem Imprägnierlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen in verschiedenen Bereichen des Wabenkörpers aufgebracht werden oder indem sich die Injektorkanülen mit verändernden Geschwindigkeiten durch die Strömungskanäle bewegt werden.

Darüber hinaus ist in der Druckschrift DE 39 12 915 C1 ein wabenförmiger Katalysator für die Abgasreinigung geoffenbart, der einen inerten Monolithträger und eine darauf angeordnete Metalloxidschicht aufweist, wobei das Metalloxid eine katalytisch aktive Komponente aufweist, deren Konzentration von der Mittelachse des Trägers zu der Peripherie des Trägers hin ansteigt.

Ist nach einem Teilvolumen des Abgaskatalysators oder nach dem Gesamtvolumen des Abgaskatalysators eine randseitige Aufnahme für eine Abgassonde platziert, so stellt das von der Abgassonde gelieferte Ausgangssignal eine Aussage über das Konvertierungsverhalten des Abgaskatalysators dar. Die Abgassonde kann insbesondere erkennen, wann der Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators im randnahen Bereich der Aufnahme vollständig entleert oder vollständig befüllt ist, wobei ein damit verbundener Durchbruch von Kohlenwasserstoff bzw. Stickoxiden auftritt. Das bedeutet, dass die Abgassonde und die von dem Ausgangssignal der Abgassonde abhängige Steuerung der Brennkraftmaschine erst dann reagiert, wenn der Sauerstoffspeicher des Abgaskatalysators im zentralen Bereich bereits zu stark entleert oder zu stark befüllt ist und daher auch bereits unerwünschte Schadstoffe ausgetreten sind. Folglich wäre es ideal, wenn die Aufnahme für die Abgassonde nicht randseitig, sondern unmittelbar im Zentrum des Trägerkörpers positioniert wäre. Dies ist jedoch aus fertigungstechnischen Gründen sowie aus Kostengründen kaum realisierbar.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Abgaskatalysator bereitzustellen, der frühzeitig auf eine zu starke Entleerung oder Befüllung des Sauerstoffspeichers im Zentrum des Abgaskatalysators schließen lässt und somit keine Durchbrüche von schädlichen Stickoxiden und Kohlenwasserstoff mehr auftreten lässt. Zudem soll dieser verbesserte Abgaskatalysator kostengünstig realisierbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem die inhomogene Verteilung so ausgestaltet ist, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung in dem axial vor der Aufnahme für die Abgassonde liegenden Bereich des Trägerkörpers geringer ausgeführt ist als in den übrigen Bereichen. Indem bei einer Lambda-Modulation der Brennkraftmaschine die Abgaszusammensetzung zwischen Fett und Mager wechselt, wird der Sauerstoffspeicher proportional zum Massenstrom von Sauerstoff entleert oder mit Sauerstoff befüllt. Wird dabei der für eine optimale Schadstoffkonvertierung einzuhaltende Bereich von ca. 30 bis 70 % der maximalen Sauerstoffspeicherkapazität unterschritten bzw. überschritten, so tritt ein Durchbruch von Kohlenwasserstoff bzw. Stickoxiden auf. Dies hat zur Folge, dass die von der Abgassonde gemessene Abgaszusammensetzung quasi der im Zentrum des Abgaskatalysators herrschenden Abgaszusammensetzung vorauseilt. Dabei ist durch die geringere Sauerstoffspeicherkapazität in dem Bereich, der axial vor der Aufnahme für die Abgassonde liegt und der in der Regel den Randbereich darstellt auch kein störendes Auftreten von Schadstoffen zu befürchten. Denn das Zentrum des Abgaskatalysators wird prinzipiell am stärksten durchströmt, während der Randbereich des Abgaskatalysators kaum durchströmt wird. Somit gibt eine am Rand des Trägerkörpers befindliche oder sogar eine dem Trägerkörper nachgeschaltete Abgassonde an, welche Abgaszusammensetzung im Zentrum des Trägerkörpers herrscht und kann auf diese Art und Weise eine Einbauposition der Abgassonde im Zentrum des Trägerkörpers simuliert werden.

Vorteilhaft ist die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung auch in dem nahe der Aufnahme für die Abgassonde liegenden Bereich des Trägerkörpers geringer ausgeführt als in den übrigen Bereichen. Durch dieses Merkmal wird insbesondere die bei Trägerkörpern aus keramischem Material mögliche Diffusion des Abgasstroms zwischen unmittelbar benachbarten Bereichen der den Abgaskatalysator bzw. den Trägerkörper axial durchziehenden Strömungskanälen berücksichtigt.

Gemäß einer ersten Weiterbildung ist die inhomogene Verteilung so ausgestaltet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung radial zur Achse des Trägerkörpers abnimmt und im wesentlichen von der Geschwindigkeitsverteilung des den Abgaskatalysator durchströmenden Abgases abhängig ist, so dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung im zentrumnahen Bereich des Trägerkörpers größer ist als im randnahen Bereich des Trägerkörpers. Damit wird erreicht, dass das sich das zu konvertierende Abgas in den nicht axial vor der Aufnahme für die Abgassonde liegenden Bereichen des Abgaskatalysators entlang der Achse des Trägerkörpers als eine geschlossene Front mit jeweils gleicher Abgaszusammensetzung bewegt.

Und gemäß einer anderen Weiterbildung ist die inhomogene Verteilung so ausgestaltet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung entlang der Achse des Trägerkörpers abnimmt und im wesentlichen von der Temperaturverteilung des in den Abgaskatalysator einströmenden Abgases abhängig ist, so dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung im eingangsseitigen Bereich des Trägerkörpers größer ist als im ausgangsseitigen Bereich des Trägerkörpers. Dadurch wird verwirklicht, dass sich das zu konvertierende Abgas in den nicht axial vor der Aufnahme für die Abgassonde liegenden Bereichen des Abgaskatalysators entlang der Achse des Trägerkörpers als eine geschlossene Front mit jeweils linear abnehmender Abgaszusammensetzung bewegt.

Zweckmäßig ist die inhomogene Verteilung der Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung durch unterschiedliche Dicken der Beschichtung realisiert. Auf diese Weise kann die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung des Trägerkörpers am einfachsten variiert werden, wobei eine dicke Beschichtung eine große Sauerstoffspeicherkapazität und eine dünnere Beschichtung eine entsprechend kleinere Sauerstoffspeicherkapazität repräsentiert. Dadurch kann teure Edelmetalle enthaltendes Beschichtungsmaterial eingespart werden und können bei der Herstellung der Abgaskatalysatoren Kosten reduziert werden.

Alternativ kann die inhomogene Vereilung der Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung auch durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der Beschichtung realisiert sein. Dazu wird einfach der Anteil der katalytisch aktiven Komponente(n) an der gesamten Zusammensetzung der Beschichtung verändert, wobei zum Beispiel ein großer Anteil an Cer (Ce) oder Cer-Verbindungen eine große Sauerstoffspeicherkapazität und ein kleinerer Anteil an Cer (Ce) oder Cer-Verbindungen eine entsprechend kleinere Sauerstoffspeicherkapazität zur Folge hat.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine erste Darstellung eines Abgaskatalysators für eine Brennkraftmaschine mit einer homogenen Verteilung der katalytischen Beschichtung;
2 eine zweite Darstellung des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators mit einer radial inhomogenen Verteilung der katalytischen Beschichtung; und
3 eine dritte Darstellung des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators mit einer erfindungsgemäßen Verteilung der Beschichtung.
Der in 1, 2 und 3 gezeigte Abgaskatalysator 1 für eine Brennkraftmaschine umfasst ein metallisches Gehäuse 2 und einen keramischen oder metallischen Trägerkörper 3.
Das Gehäuse 2 weist einen im wesentlichen zylindrischen Mantel 4, einen sich konisch aufweitenden Einlass 5 und einen sich konisch verengenden Auslass 6 auf. Im Bereich des Mantels 4 oder des Auslasses 6 des Gehäuses 2 ist jeweils eine randseitige Aufnahme 7 oder 7' für eine Abgassonde 8 bzw. 8' vorgesehen. Damit ist die Abgassonde 8 oder 8' nach einem Teilvolumen des Trägerkörpers 3 oder alternativ nach dem Gesamtvolumen des Trägerkörpers 3 positioniert.
Als Abgassonden 8, 8' finden insbesondere Lambdasonden Verwendung.
Der Trägerkörper 3 ist zum Beispiel mittels einer Schwingungen kompensierenden Positionsmatte 9 innerhalb des Gehäuses 2 gelagert. Zur Konvertierung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen wie Stickoxiden und Kohlenwasserstoff besitzt der Trägerkörper 3 eine Vielzahl von in 1 angedeuteten feinen Kanälen 10, welche sich entlang der Achse A des Trägerkörpers 3 erstrecken. Diese Kanäle 10 sind an ihren Wandungen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 11 versehen.
Gemäß 1 ist die Verteilung der katalytischen Beschichtung 11 vollkommen homogen, so dass sich typischerweise eine von der durch die Pfeile angedeutete Strömungsgeschwindigkeit des Abgases innerhalb des Abgaskatalysators 1 abhängige Verteilung der Abgaszusammensetzung bzw. des Lambdawertes ausbildet. Zur Veranschaulichung ist dies durch die zum Auslass 6 des Abgaskatalysators 1 hin stark gewölbten Fronten F gleicher Abgaszusammensetzung bzw. gleicher Lambdawerte dargestellt.
Gemäß 2 ist die Verteilung der katalytischen Beschichtung 11 inhomogen, wobei die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 radial zur Achse A des Trägerkörpers 3 als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Abgaskatalysators 1 abnimmt, so dass sich jeweils gleiche Abgaszusammensetzungen innerhalb des Abgaskatalysators 1 in ebenen Fronten F senkrecht zu Achse A des Trägerkörpers 3 bewegen.
Nimmt die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 zudem auch entlang der Achse A des Trägerkörpers 3 als Funktion der Temperatur innerhalb des Abgaskatalysators 1 zu, so zeigt sich innerhalb des Trägerkörpers 3 auch eine annähernd lineare Konvertierung bzw. eine lineare Abnahme der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, was durch äquidistante Fronten F jeweils gleicher Abgaszusammensetzung angedeutet werden könnte.
Und gemäß 3 ist die Verteilung der katalytischen Beschichtung 11 schließlich erfindungsgemäß inhomogen, indem die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 nicht nur in den radial außen liegenden Bereichen des Trägerkörpers 3 geringer ist als in den radial innen liegenden Bereichen des Trägerkörpers 3, sondern indem die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 insbesondere in dem Bereich, der axial vor der Aufnahme 7, 7' für die Abgassonde 8 bzw. 8' liegt, erheblich geringer ist als in den übrigen Bereichen des Trägerkörpers 3. Dadurch wird erreicht, dass die Zeit vom Fettdurchbruch bis zum Magerdurchbruch bzw. umgekehrt verhältnismäßig kurz ist, so dass die von der dort positionierten Abgassonde 8 oder 8' erhaltene Aussage über die Abgaszusammensetzung bzw. über den Speicherinhalt des Abgaskatalysators 1 bzw. dem Zustand im Zentrum des Abgaskatalysators 1 entspricht oder diesem sogar vorauseilt, so dass eine zu starke Entleerung oder eine zu starke Befüllung insbesondere eines Sauerstoffspeichers des Abgaskatalysators 1 und ein damit verbundener Durchbruch von Schadstoffen, wie Stickoxide und Kohlenwasserstoff zuverlässig vermieden werden kann. Daher zeigen die in 3 gezeigten Fronten F gleicher Abgaszusammensetzung im Bereich der Aufnahme 7, 7' für die Abgassonde 8 bzw. 8' einen deutlichen Versatz zum Auslass 6 des Abgaskatalysators 1 hin.
Um die erfindungsgemäße inhomogene Verteilung der Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung 11 zu erreichen, ist die Dicke der Beschichtung 11 in dem Bereich, der axial von der Aufnahme 7, 7' für die Abgassonde 8 oder 8' liegt und gegebenenfalls auch in dem nahe der Aufnahme 7, 7' für die Abgassonde 8 bzw. 8' liegenden Bereich geringer ausgeführt, oder ist die chemische Zusammensetzung der Beschichtung 11 in diesen Bereichen, die axial vor oder nahe an der Aufnahme 7, 7' liegen und die chemische Zusammensetzung der Beschichtung 11 in den übrigen Bereichen verschieden gewählt.

1: Abgaskatalysator
2: Gehäuse
3: Trägerkörper
4: Mantel
5: Einlass
6: Auslass
7, 7': Aufnahme
8, 8': Abgassonde
9: Positionsmatte
10: Kanal
11: Beschichtung
A: Achse von 3
F: Front gleicher Abgaszusammensetzung

Claims

Abgaskatalysator für eine Brennkraftmaschine, der – eine an seinem Gehäuse angeordnete Aufnahme für eine Abgassonde und – einen in seinem Gehäuse gelagerten Trägerkörper mit einer katalytischen Beschichtung aufweist, wobei die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung einer inhomogenen Verteilung unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Verteilung so ausgestaltet ist, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) in dem axial vor der Aufnahme (7, 7') für die Abgassonde (8, 8') liegenden Bereich des Trägerkörpers (3) geringer ausgeführt ist als in den übrigen Bereichen.
Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) auch in dem nahe der Aufnahme (7, 7') für die Abgassonde (8, 8') liegenden Bereich des Trägerkörpers (3) gering ausgeführt ist.
Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Verteilung so ausgestaltet ist, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) zur Achse (A) des Trägerkörpers (3) radial ist und im wesentlichen von der Geschwindigkeitsverteilung des den Abgaskatalysator (1) durchströmenden Abgases abhängig ist, so dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) im zentrumnahen Bereich des Trägerkörpers (3) größer ist als im randnahen Bereich des Trägerkörpers (3).
Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Verteilung so ausgestaltet ist, dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) entlang der Achse (A) des Trägerkörpers (3) abnimmt und im wesentlichen von der Temperaturverteilung des in den Abgaskatalysator (1) einströmenden Abgases abhängig ist, so dass die Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) im eingangsseitigen Bereich des Trägerkörpers (3) größer ist als im ausgangsseitigen Bereich des Trägerkörpers (3).
Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Verteilung der Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) durch unterschiedliche Dicken der Beschichtung (11) realisiert ist.
Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Verteilung der Sauerstoffspeicherkapazität der Beschichtung (11) durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der Beschichtung (11) realisiert ist.