DE102005031068A1

DE102005031068A1 - Katalysatorvorrichtung zur Gasreinigung und Verfahren zur Temperierung einer Katalysatorstruktur

Info

Publication number: DE102005031068A1
Application number: DE102005031068A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Gräf; Werner Foppe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Um eine Katalysatorvorrichtung zur Gasreinigung, mit einer Katalysatorstruktur aus katalytisch aktivem Material, zu der zu reinigendes Gas zuführbar ist und von der zu reinigendes Gas abführbar ist, bereitzustellen, welche eine hohe Reinigungseffektivität aufweist, wird vorgeschlagen, daß mindestens ein Wärmespeicher in thermischem Kontakt mit der Katalysatorstruktur steht, wobei vom Wärmespeicher Wärme aus dem Gas aufnehmbar ist und von dem Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatorvorrichtung zur Gasreinigung, mit einer Katalysatorstruktur aus katalytisch aktivem Material, der zu reinigendes Gas zuführbar ist und von der gereinigtes Gas abführbar ist.
Die Erfidung betrifft ferner ein Verfahren zur Temperierung einer Katalysatorstruktur zur Gasreinigung.

Katalysatorvorrichtungen zur Gasreinigung werden beispielsweise zur Abgasreinigung in mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katalysatorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine hohe Reinigungseffektivität aufweist.

Diese Aufgabe wird bei der Katalysatorvorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Wärmespeicher in thermischem Kontakt mit der Katalysatorvorrichtung steht, wobei vom Wärmespeicher Wärme aus dem Gas aufnehmbar ist und vom Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgebbar ist.

Herkömmliche Katalysatorstrukturen haben eine optimale Reinigungswirkung in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich. Wenn dieser optimale Temperaturbereich noch nicht erreicht ist, dann ist die Gasreinigungswirkung verschlechtert. Beispielsweise tritt eine verschlechterte Abgasreinigung bei einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenes Kraftfahrzeug nach einem Kaltstart auf.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Wärmespeicher vorgesehen, welcher während des Betriebs der Katalysatorvorrichtung thermisch geladen werden kann. Der Wärmespeicher nimmt durch das zu reinigende Gas sowieso zur Verfügung stehende Wärme auf und speichert diese. Wenn kein Gas mehr gereinigt werden muß (beispielsweise nach Abstellen des Fahrzeugs), dann kann der Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgeben. Diese kühlt dadurch langsamer aus, das heißt sie wird länger in ihrem optimalen Betriebstemperaturbereich gehalten. Dadurch ist die Reinigungswirkung nach einem erneuten Start (wenn nicht zu viel Zeit nach dem Abstellen vergangen ist) verbessert, das heißt die mit einem Kaltstart verbundenen Probleme sind verringert.

Durch das Vorsehen eines Wärmespeichers läßt sich auch die Katalysatorstruktur selber schützen; diese erfährt geringere mechanische Belastungen über Temperaturzyklen, da die Zyklusdauer erhöht wird. An der Katalysatorstruktur herrschen "stabilere" Temperaturbedingungen, so daß geringere mechanische Spannungen und Verformungen auftreten, die die Lebensdauer der Katalysatorstruktur erhöhen.

Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich auf vorteilhafte Weise beispielsweise in einem Hybridfahrzeug einsetzen, welches einen Verbrennungsmotor und einen Antriebs-Elektromotor umfaßt. Auch während Stillstandszeiten des Verbrennungsmotors, in denen das Fahrzeug durch den Elektromotor angetrieben wird, wird eine Auskühlung der Katalysatorstruktur stark verlangsamt.

Die Katalysatorvorrichtung der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich auf einfache platzsparende und kostengünstige Weise ausbilden. Insbesondere lassen sich auch vorhandene Systeme nachrüsten. Die Auskühlung der Katalysatorstruktur läßt sich stark verlangsamen, ohne daß eine externe Energiezufuhr notwendig ist. (Eine externe Energiezufuhr kann zusätzlich vorgesehen sein, um beispielsweise bei sehr langen Nichtbetriebszeiten und/oder bei sehr niedrigen Außentemperaturen eine Katalysatorstruktur-Vorheizung durchführen zu können.)

Es ist grundsätzlich möglich, daß das zu reinigende/gereinigte Gas direkt Wärme an den Wärmespeicher abgibt. Dazu ist eine entsprechende Leitungsführung des Gases notwendig. Vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Wärmespeicher so angeordnet und ausgebildet ist, daß Wärme über die Katalysatorstruktur aufnehmbar ist. Da das Gas sowieso die Katalysatorstruktur durch Kanäle durchströmen muß, kann dann auf einfache Weise eine Wärmeübertragung von dem Gas über die Katalysatorstruktur auf den Wärmespeicher erfolgen. Beispielsweise kann dann eine vorhandene Katalysatorstruktur an einen Wärmespeicher gekoppelt werden, der Wärme aus der Katalysatorstruktur aufnehmen kann und auch Wärme an diese abgeben kann.

Insbesondere ist der mindestens eine Wärmespeicher ein passiver Wärmespeicher, das heißt er wird nicht aktiv beheizt. Es ist dabei grundsätzlich möglich, daß zusätzlich eine aktive Beheizung vorhanden ist. Es handelt sich dabei jedoch um eine Zusatzfunktion, die nicht unbedingt notwendig ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Wärmespeicher in einem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine kompakte Katalysatorvorrichtung bereitstellen, welche als Ganzes montierbar ist. Durch das Gehäuse ist der mindestens eine Wärmespeicher mechanisch und thermisch geschützt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Gehäuse wärmeisolierend ausgebildet ist. Dadurch läßt sich die Wärme für einen längeren Zeitraum in dem Wärmespeicher und damit in der Katalysatorstruktur halten, so daß für einen längeren Zeitraum nach einem Stop der Gaszuführung zu der Katalysatorstruktur der optimale Betriebstemperaturbereich erhalten werden kann.

Insbesondere ist die Katalysatorstruktur in dem (gleichen) Gehäuse angeordnet. Dadurch läßt sich eine kompakte Katalysatorvorrichtung bereitstellen, wobei der Wärmetransport nach außen verringert ist.

Günstig ist es, wenn zwischen dem mindestens einen Wärmespeicher und Wänden des Gehäuses ein Freiraum liegt. Dadurch wird der Wärmetransport von dem Wärmespeicher zu dem Gehäuse verschlechtert, so daß die Wärmeabgabe der Katalysatorvorrichtung als Ganzes verschlechtert wird. Dies wiederum führt dazu, daß Wärme über einen längeren Zeitraum in der Katalysatorvorrichtung gehalten werden kann.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn ein Innenraum des Gehäuses unter Unterdruck steht. Insbesondere herrschen im Innenraum Vakuumbedingungen. Dadurch ist der Wärmetransport im Innenraum des Gehäuses und damit von dem Wärmespeicher zu dem Gehäuse und von der Katalysatorstruktur zu dem Gehäuse stark verringert.

Vorteilhafterweise weist das Gehäuse mindestens einen Anschluß zur Einkopplung von zu reinigendem Gas auf. Dadurch läßt sich durch das Gehäuse zu reinigendes Gas der Katalysatorstruktur zuführen. Bevorzugt ist ein einziger Anschluß vorgesehen, um den Wärmetransport nach außen möglichst gering zu halten.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das Gehäuse mindestens einen Anschluß zur Auskopplung von gereinigtem Gas aufweist.

Günstig ist es, wenn das Gehäuse eine zylindrische Form hat. Bei einer zylindrischen Form ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner als beispielsweise bei einem Quader mit dem gleichen Volumen. Die Oberfläche bestimmt die Wärmeabgabe an die Umgebung; je kleiner die Oberfläche, desto geringer die Wärmeabgabe nach außen. Ein bestimmtes Volumen ist notwendig, um die Katalysatorstruktur mit entsprechender Zuführung für Gas und Abführung von Gas in dem Gehäuse aufnehmen zu können.

Günstig ist es, wenn Wände des Gehäuses aus einem Material mit wärmeisolierenden Eigenschaften hergestellt sind.

Beispielsweise sind Wände des Gehäuses aus einem pyrogenen Metalloxid umfassendem Material hergestellt. Ein Beispiel eines solchen pyrogenen Metalloxids ist pyrogenes Aluminiumoxid.

Günstig ist es, wenn dem Gehäuse eine Leckschutzeinrichtung zugeordnet ist. Die Leckschutzeinrichtung ist beispielsweise als Beschichtung auf und/oder in dem Gehäuse angeordnet. Wenn das Gehäuse aufgerissen wird, kann die Leckschutzeinrichtung ein Leck abdichten (wenn es nicht zu groß ist), um insbesondere heißes Speichermedium gegenüber der Umgebung zu isolieren. Ein Beispiel eines Materials für eine Leckschutzeinrichtung ist Blähcarbon. Es ist auch möglich, daß das Gehäuse eine Innenbeschichtung als Leckschutzeinrichtung aufweist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn an einer Zuführungsleitung für zu reinigendes Gas zur Katalysatorstruktur mindestens ein Sperrventil angeordnet ist. Durch das Sperrventil, welches gesteuert aktivierbar ist, läßt sich diese Zuführungsleitung absperren. Bei abgesperrter Zuführungsleitung ist die Abführung von Konvektionswärme von dem Wärmespeicher (welcher in thermischem Kontakt mit der Katalysatorstruktur steht) bzw. von der Katalysatorstruktur stark vermindert, so daß sich über einen längeren Zeitraum Wärme speichern läßt. Wenn Gas zu reinigen ist, ist das Sperrventil offen, um die Zuführung von Gas zur Katalysatorstruktur nicht zu behindern.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das mindestens eine Sperrventil einen wärmeisolierend ausgebildeten Schließkörper aufweist. Dadurch ist bei geschlossenem Sperrventil der Wärmetransport von der Katalysatorstruktur weg und von dem Wärmespeicher weg verringert.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Sperrventil innerhalb eines Gehäuses positioniert ist, in welchem der mindestens eine Wärmespeicher sitzt. Dadurch ist der Wärmetransport nach außen verringert.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn einer Abführungsleitung für gereinigtes Gas von der Katalysatorstruktur mindestens ein Sperrventil angeordnet ist.

Insbesondere ist es dann günstig, wenn das mindestens eine Sperrventil einen wärmeisolierenden Schließkörper aufweist.

Ebenfalls ist es günstig, wenn das mindestens eine Sperrventil innerhalb eines Gehäuses positioniert ist, in welchem der mindestens eine Wärmespeicher sitzt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmespeicher an der Katalysatorstruktur angeordnet ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise (insbesondere über mechanischen Kontakt) der thermische Kontakt zwischen dem mindestens einen Wärmespeicher und der Katalysatorstruktur herstellen.

Günstigerweise weist der mindestens eine Wärmespeicher einen Speichermediumbereich auf. In diesem Speichermediumbereich ist ein Speichermedium angeordnet, welches Wärme speichern kann.

Ein vorteilhaftes Speichermedium ist Kohlenstoff, beispielsweise in der Form von Graphit oder als andere Kohlenstoffmodifikation. Beispielsweise wird das Speichermedium aus Pech gemischt und erhitzt. Mit Kohlenstoff als Speichermedium wird eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht. Graphit ist beispielsweise bis über 2 000 °C temperaturbeständig. Das Speichermedium Kohlenstoff steht kostengünstig zur Verfügung, hat eine hohe Energiedichte, kann schnell aufgeladen werden, hat eine hohe Zyklenfestigkeit und einen hohen Speicherwirkungsgrad. Entsprechende Wärmespeicher mit Kohlenstoff und insbesondere Graphit als Wärmespeicher werden auch als Carbon-Super-Akku bezeichnet.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Wärmespeicher mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Die Wärmeisolierung kann mehrstufig bzw. mehrschichtig ausgebildet sein. Über die Wärmeisolierung wird die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert.

Insbesondere umfaßt die Wärmeisolierung eine Strahlungsschildeinrichtung, welche beispielsweise durch eine oder mehrere Graphitfolien gebildet ist. Über die Strahlungsschildeinrichtung wird die Abgabe von Strahlungswärme verringert.

Ferner ist es günstig, wenn die Wärmeisolierung eine Hochtemperaturisolierung umfaßt. Dazu sind beispielsweise eine oder mehrere Perlrußisolierungsschichten vorgesehen.

Bei einer Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmespeicher mindestens teilweise um die Katalysatorstruktur herum angeordnet. Es läßt sich dadurch auf einfache Weise ein Wärmespeicher in thermischen Kontakt mit der Katalysatorstruktur bringen. Weiterhin wird, ausgehend von einer zur Verfügung stehenden Katalysatorstruktur, eine große Wärmeübergangsfläche bereitgestellt. Die Katalysatorstruktur ist dann Träger des mindestens einen Wärmespeichers.

Insbesondere steht der mindestens eine Wärmespeicher in mechanischem Kontakt mit der Katalysatorstruktur.

Es kann auch vorgesehen sein, daß der mindestens eine Wärmespeicher und die Katalysatorstruktur ineinander integriert sind. Beispielsweise bildet das Speichermedium des Wärmespeichers dann den Träger für die Katalysatorstruktur. Die Katalysatorstruktur ist beispielsweise über Beschichtungen mit einem katalytisch aktiven Material hergestellt. Durch die Integration der Katalysatorstruktur in den Wärmespeicher läßt sich auf effektive Weise eine thermische Ankopplung zwischen der Katalysatorstruktur und dem Wärmespeicher erreichen. Weiterhin läßt sich ein hoher Volumenbereich mit Speichermedium befüllen, so daß ein hoher thermischer Energieinhalt gespeichert werden kann.

Beispielsweise weist der mindestens eine Wärmespeicher Speicherbereiche auf, welche mit einer Beschichtung aus katalytisch aktivem Material versehen sind, wobei Gas an diesen Beschichtungen vorbeiführbar ist.

Günstig ist es, wenn mindestens ein Kanal zur Durchführung von Gas auf die Katalysatorstruktur mit einer Beschichtung aus katalytisch aktivem Material versehen ist. Die Beschichtung bildet dann selber die Katalysatorstruktur.

Vorteilhafterweise ist eine Mehrzahl von Kanälen zur Durchführung von Gas durch die Katalysatorstruktur vorgesehen. Dadurch läßt sich zum einen ein großer Volumendurchfluß durch die Katalysatorstruktur erreichen. Zum anderen läßt sich dadurch eine große "innere" Oberfläche bereitstellen, über die der Wärmespeicher Wärme aus dem Gas aufnehmen kann.

Insbesondere sind zwischen Kanälen Wärmespeicherbereiche angeordnet. Dadurch läßt sich auf einfache Weise Wärme speichern und auch an die Katalysatorstruktur wieder abgeben.

Bei einer Ausführungsform ist an dem mindestens einen Wärmespeicher eine extern betätigbare Heizeinrichtung angeordnet. Diese umfaßt beispielsweise eine oder mehrere Heizschlangen, welche in dem Wärmespeicher angeordnet sind. Die Heizeinrichtung ist beispielsweise an ein elektrisches System eines Fahrzeugs gekoppelt oder ihr kann von außen elektrische Energie zugeführt werden. Eine solche extern betätigbare Heizeinrichtung kann vorteilhaft sein, wenn sehr niedrige Außentemperaturen vorliegen bzw. wenn die Stillstandszeiten des Fahrzeugs so lang sind, daß durch den mindestens einen Wärmespeicher die optimale Betriebstemperatur nicht aufrecht erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperierung einer Katalysatorstruktur zur Gasreinigung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu reinigendes Gas/gereinigtes Gas einen Wärmespeicher thermisch belädt und der Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgibt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Katalysatorvorrichtung erläutert.

Insbesondere wird der Wärmespeicher während Betriebszeiten der Gasreinigung thermisch beladen. Wenn beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors gereinigt werden soll, dann ist dieses mit derart hohen Temperaturen bereitgestellt, daß der Wärmespeicher ohne besonderen Energieverlust aufgeladen werden kann.

Günstigerweise gibt während Nichtbetriebszeiten der Gasreinigung der Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur ab. Dadurch läßt sich die Temperatur der Katalysatorstruktur für einen längeren Zeitraum in einem optimalen Betriebstemperaturbereich halten.

Günstigerweise wird für Nichtbetriebszeiten der Gasreinigung eine Gaszuführungsleitung zu der Katalysatorstruktur und/oder eine Gasabführungsleitung von der Katalysatorstruktur gesperrt. Dadurch läßt sich die konvektive Wärmeabfuhr von der Katalysatorstruktur und dem Wärmespeicher stark verringern.

Insbesondere wird die Sperrung der Gaszuführungsleitung/Gasabführungsleitung mit der Gaszuführung zur Katalysatorstruktur synchronisiert. Wenn beispielsweise die Gaszuführung gestartet wird (beispielsweise nach einem Start des Verbrennungsmotors), dann werden die Sperrventile geöffnet, um die Gasreinigung zu ermöglichen. Mit oder nach Abschalten des Verbrennungsmotors werden die Sperrventile geschlossen, da kein Gas mehr gereinigt werden muß und jetzt der konvektive Wärmetransport von der Katalysatorstruktur und dem Wärmespeicher zu verringern ist.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels;
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 gemäß 2.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Katalysatorvorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Katalysatorstruktur 12 aus einem oder mehreren katalytisch aktiven Materialien. Bei der Katalysatorstruktur 12 handelt es sich beispielsweise um einen oder mehrere von Gas durchströmbare Katalysatorblöcke. Bei der Katalysatorstruktur kann es sich beispielsweise um einen keramischen Katalysator oder um einen Metallkatalysator handeln.
Durch die Katalysatorstruktur 12 ist ein Gas zur Reinigung durchführbar. Bei dem Gas handelt es sich beispielsweise um das Abgas eines Verbrennungsmotors. Die Katalysatorvorrichtung 10 ist beispielsweise an einem Kraftfahrzeug angeordnet, welches einen Verbrennungsmotor umfaßt. (Wie unten noch näher erläutert wird, läßt sich die erfindungsgemäße Katalysatorvorrichtung 10 vorteilhaft bei einem Hybridfahrzeug einsetzen, welches sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Antriebselektromotor umfaßt.)
Die Katalysatorvorrichtung 10 umfaßt ein Gehäuse 14, in welchem die Katalysatorstruktur 12 gekapselt angeordnet ist. Die Katalysatorstruktur 12 ist beabstandet zu Gehäusewänden 16 des Gehäuses 14.
Das Gehäuse 14 weist beispielsweise eine zylindrische Form auf mit einem Zylindermantel 18, welcher an einem ersten Ende mit einem ersten Deckel 20 und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende mit einem zweiten Deckel 22 verschlossen ist. Innerhalb des Zylindermantels 18 ist ein zylindrischer Innenraum 24 gebildet.
Der erste Deckel 20 weist einen Anschluß 26 für eine Zuführungsleitung 28 zur Zuführung von zu reinigendem Gas zu der Katalysatorstruktur 12. Die Zuführungsleitung 28 ist über den Anschluß 26 in den Innenraum 24 des Gehäuses 14 zu der Katalysatorstruktur 12 geführt.
An der Zuführungsleitung 28 sitzt ein Erweiterungsbereich 30, welcher einen sich von der Zuführungsleitung 28 (die insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt hat) in Richtung der Katalysatorstruktur 12 erweiternden Querschnitt hat. Dadurch läßt sich das zu reinigende Gas der Katalysatorstruktur 12 über einen größeren Querschnitt zuführen.
An dem zweiten Deckel 22 ist ein Anschluß 32 zur Abführung von in der Katalysatorstruktur 12 gereinigtem Gas gebildet. Über den Anschluß 32 ist eine Abführungsleitung 34 für gereinigtes Gas aus dem Innenraum 24 des Gehäuses 14 herausgeführt.
Zwischen der Katalysatorstruktur 12 und der Abführungsleitung 34 (die insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweist) ist ein Verengungsbereich 36 angeordnet, dessen Querschnitt sich von der Katalysatorstruktur 12 zu der Abführungsleitung 34 hin verengt. Über den Verengungsbereich 36 läßt sich über einen großen Querschnitt Gas von der Katalysatorstruktur 12 abführen und in die Abführungsleitung 34, welche einen kleineren Querschnitt aufweist als die Katalysatorstruktur 12, einkoppeln.
Der Durchtritt der Zuführungsleitung 28 durch den ersten Deckel 20 des Gehäuses 14 ist gasdicht abgedichtet. Ferner ist der Durchtritt der Abführungsleitung 34 durch den zweiten Deckel 22 gasdicht abgedichtet.
Das Gehäuse 14 ist wärmeisolierend ausgebildet. Beispielsweise ist es aus pyrogenem Metalloxid wie beispielsweise pyrogenem Aluminiumoxid hergestellt.
Es kann vorgesehen sein, daß dem Gehäuse 14 eine Leckschutzeinrichtung 38 zugeordnet ist. Beispielsweise ist das Gehäuse 14 dazu auf seiner Außenseite und/oder Innenseite mit einer Beschichtung 40 versehen. Diese Beschichtung 40 deckt insbesondere den Zylindermantel 18, den ersten Deckel 20 und den zweiten Deckel 22 nach außen und/oder innen ab. (In 20 ist die Beschichtung 40 für einen Teilabschnitt gezeigt.) Das Beschichtungsmaterial ist so gewählt, daß ein Leck in dem Gehäuse 14 durch das Beschichtungsmaterial überdeckt wird. Ein Beispiel für ein mögliches Beschichtungsmaterial ist Blähcarbon.
An der Katalysatorstruktur 12 sitzt ein (passiver) Wärmespeicher 42, welcher die Katalysatorstruktur ringförmig umgibt. Der Wärmespeicher 42 steht in mechanischem und thermischem Kontakt mit einer Außenseite 44 der beispielsweise zylindrischen Katalysatorstruktur 12. Der Wärmespeicher 42 ist beabstandet zu Wänden 16 des Gehäuses 14, das heißt zwischen den Gehäusewänden 16 und dem Wärmespeicher 42 liegt ein Freiraum 46.
In dem Innenraum 24 des Gehäuses 14 herrschen Unterdruckbedingungen und insbesondere Vakuumbedingungen, um den Wärmetransport von Wärmequellen innerhalb des Gehäuses 14 auf die Gehäusewände 16 zu minimieren. Bei diesen Wärmequellen handelt es sich insbesondere um die Katalysatorstruktur 12 und den Teil der Zuführungsleitung 28, welcher innerhalb des Gehäuses 14 liegt, dem Erweiterungsbereich 30, dem Teil der Abführungsleitung 34, welcher innerhalb des Gehäuses 14 liegt und dem Verengungsbereich 36.
Der Wärmespeicher 42 ist so angeordnet, daß er aus dem durch die Katalysatorvorrichtung 10 durchgeführten Gas Wärme aufnehmen kann. Insbesondere ist er so angeordnet, daß er aus der Katalysatorstruktur 12 Wärme aufnehmen kann, die vom Gas an die Katalysatorstruktur 12 abgegeben wurde. Insbesondere kann der Wärmespeicher 42 Wärme aus heißem Abgas aufnehmen, welches durch die Katalysatorvorrichtung 10 geführt wird.
Als Speichermedium wird in dem Wärmespeicher 42 ein Material verwendet, welches eine hohe thermische Speicherfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweist. Es sollte hochtemperaturbeständig sein, insbesondere bis mindestens einer Temperatur von ca. 1000 °C. Weiterhin sollte es temperaturwechselbeständig sein. Ein geeignetes Speichermaterial ist Kohlenstoff einschließlich Kohlenstoff in Form von Graphit. Kohlenstoff ist nicht toxisch, steht kostengünstig zur Verfügung, weist eine relativ niedrige Dichte auf und ist leicht bearbeitbar.
Es ist vorgesehen, daß der Wärmespeicher 42 einen Speichermediumbereich 48 aufweist, welcher gegenüber dem Innenraum 24 des Gehäuses 14 durch eine Wärmeisolierung 50 wärmeisoliert ist. Die Wärmeisolierung 50 umfaßt, wie in 1 angedeutet, insbesondere eine Strahlungsschildeinrichtung 52 zur Verringerung der Wärmeabstrahlung. Diese Strahlungsschildeinrichtung 52 ist beispielsweise als Strahlungsschutzschicht ausgebildet, welche beispielsweise mittels einer oder mehreren Graphitfolien hergestellt ist.
Ferner ist eine Hochtemperaturisolierung 54 vorgesehen, welche beispielsweise durch eine Perlrußschicht gebildet ist.
Ein Wärmespeicher mit Graphit als Speichermedium wird auch als Carbon-Super-Akkumulator bezeichnet. Graphit ist bis über 2 000 °C temperaturbeständig, kostengünstig erhältlich, hat eine hohe Energiedichte, kann sehr schnell aufgeladen werden, hat eine hohe Zyklenfestigkeit und einen hohen Speicherwirkungsgrad.
Ein Beispiel eines Carbon-Super-Akkumulators (Hochtemperatur-Akkumulators), welcher einen Wärmeenergiespeicher und einen Graphitkern umfaßt, welcher gegenüber der Umgebung von Isolationsmaterial umgeben ist, wobei das Isolationsmaterial in wenigstens zwei Isolationsmaterialschichten unterteilt ist und im Grenzbereich zwischen zwei Isolationsmaterialschichten anfallende Wärmeenergie mittels wenigstens einem Wärmeleitmittel aus dem Hochtemperatur-Akkumulator herausleitbar ist, ist in der DE 101 46 699 A1 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Es ist grundsätzlich möglich, daß der Wärmespeicher 42 eine (aktive) Heizeinrichtung 56 umfaßt, über die das Speichermedium des Wärmespeichers 42 aufheizbar ist (und dabei nicht durch das Gas aufheizbar ist). Beispielsweise umfaßt der Wärmespeicher 42 dazu ein oder mehrere elektrisch beheizbare Heizwicklungen 58.
Die Heizeinrichtung 56 weist Anschlüsse 59a, 59b auf, über die sich die Heizwicklung der Heizwicklungen 58 mit elektrischer Energie versorgen lassen. Die Anschlüsse 59a, 59b sind beispielsweise extern zugänglich oder sie sind an ein elektrisches Versorgungssystem, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, angeschlossen.
An der Zuführungsleitung 28 ist ein Sperrventil 60 angeordnet, wobei das Sperrventil 60 im Innenraum 24 des Gehäuses 14 positioniert ist. Das Sperrventil 60 umfaßt einen Schließkörper 62, welcher wärmeisolierend ausgebildet ist. Durch den Schließkörper 62 läßt sich die Zuführungsleitung 28 schließen. Das Sperrventil 60 ist dabei gesteuert aktivierbar und insbesondere an eine Steuerungseinrichtung der Anwendung, welche mit der Katalysatorvorrichtung 10 versehen ist, gekoppelt. Wenn keine Gasreinigung durchzuführen ist, wird das Sperrventil 60 geschlossen. Dadurch wird die Wärmeabfuhr von dem Wärmespeicher 42 aufgrund von konvektivern Wärmetransport in der Zuführungsleitung 28 stark verringert.
An der Abführungsleitung 34 sitzt ein Sperrventil 64 mit einem wärmeisolierend ausgebildeten Schließkörper 66. Das Sperrventil 64 ist insbesondere im Innenraum 24 des Gehäuses 14 positioniert. Das Sperrventil 64 ist ebenfalls gesteuert aktivierbar und insbesondere an eine Steuerungseinrichtung der Anwendung gekoppelt. Durch das Sperrventil 64 läßt sich die Abführungsleitung 34 verschließen. Dadurch wiederum läßt sich der konvektive Wärmetransport in der Abführungsleitung 34 (welcher grundsätzlich zu einer Abkühlung des Speichermediums 48 im Wärmespeicher 42 führt) stark verringern.
Das Sperrventil 60 und das Sperrventil 64 haben die gleiche Aufgabe, nämlich während Nichtbetriebszeiten der Katalysatorstruktur 12, das heißt den Zeiten, in denen kein Gas zu reinigen ist, den konvektiven Wärmetransport zu verringern. Insbesondere sind die Sperrventile 60 und 64 synchronisiert aktivierbar.
Die Katalysatorvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
Während einer Gasreinigungsphase sind die Sperrventile 60 und 64 geöffnet. Der Katalysatorstruktur 12 kann zu reinigendes Abgas wie beispielsweise Abgas eines Verbrennungsmotors zugeführt werden. Katalysatorstrukturen arbeiten üblicherweise in einem optimalen Temperaturgebiet. Bezogen auf Verbrennungsmotorabgase liegt ein optimiertes Temperaturgebiet bei einem Keramikkatalysator beispielsweise zwischen ca. 300 °C und ca. 600 °C und bei einem Metallkatalysator beispielsweise zwischen ca. 300 °C und ca. 800 °C.
Das durch die Katalysatorstruktur 12 zur Reinigung strömende heiße Gas wärmt das Speichermedium 48 des Wärmespeichers 42; dieser wird thermisch aufgeladen bzw. nach der thermischen Aufladung wird seine thermische Beladung "gehalten".
Wenn kein zu reinigendes Gas ansteht, beispielsweise weil der Verbrennungsmotor ausgeschaltet wurde, dann werden die Sperrventile 60 und 64 derart aktiviert, daß die zugehörigen Schließkörper 62, 66 die Zuführungsleitung 28 bzw. die Abführungsleitung 34 schließen, um einen konvektiven Wärmeaustrag aus dem Gehäuse 14 heraus weitgehend zu verhindern.
Der Wärmespeicher 42 gibt die zuvor gespeicherte Wärme in die Katalysatorstruktur 12 ab. Diese kühlt dadurch langsamer aus, das heißt sie wird für einen längeren Zeitraum in ihrem optimalen Betriebsbereich gehalten.
Übliche Katalysatorstrukturen 12 haben einen verminderten Reinigungseffekt wenn das Katalysatormaterial noch nicht seinen optimalen Temperaturbereich erreicht hat. Durch den Wärmespeicher 42 läßt sich mindestens für einen bestimmten – verlängerten – Zeitraum ein Absenken unterhalb den optimalen Arbeitsbereich verhindert. Dadurch läßt sich beim erneuten Starten eine verbesserte Reinigungswirkung erzielen.
(Für sehr lange Zeiträume kann das Speichermedium 48 über die Heizeinrichtung 56 dauerhaft geheizt werden oder vor dem Start auf die optimale Betriebstemperatur gebracht werden, um die Katalysatorstruktur 12 in ihrem optimalen Temperaturbereich zu halten.)
Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich Anfahrtemissionen wie beispielsweise Kaltstartemissionen vermeiden oder zumindest stark verringern. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Antriebs-Elektromotor. Während einer Elektromotor-Antriebsphase des Fahrzeugs läßt sich eine Auskühlung der Katalysatorstruktur 12 verhindern.
Durch den Wärmespeicher 42 läßt sich auch die Katalysatorstruktur 12 auf einer "konstanteren" Temperatur halten; Temperatur-Wechselvorgänge sind bezüglich Amplitude und Zeit verringert. Dadurch läßt sich die Lebensdauer der Katalysatorstruktur 12 erhöhen, da diese geringeren mechanischen Spannungen und Verformungen unterworfen ist, das heißt eine geringere Belastung über die Temperaturzyklen erfährt.
Die Katalysatorvorrichtung 10 läßt sich kostengünstig herstellen und kompakt aufbauen. Dadurch lassen sich auch vorhandene Systeme nachrüsten. Es ist grundsätzlich kein zusätzlicher Energieeintrag zur Katalysatorheizung notwendig, um Kaltstartemissionen zu verringern, wenn die Abkühlungsphase nicht zu lang ist. Aber auch bei langen Abkühlungsphasen läßt sich auf einfache Weise durch externen Energieeintrag die Katalysatorstruktur 12 auf ihren optimalen Temperaturbereich heizen, indem der Wärmespeicher 42 geheizt wird.
Wenn nach einer Nichtbetriebsphase die Katalysatorvorrichtung 10 wieder Gas reinigen soll, dann werden die Sperrventile 60, 64 geöffnet. Das Öffnen und Schließen der Sperrventile 60, 64 läßt sich dabei insbesondere automatisch durchführen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich die Katalysatorstruktur über einen langen Zeitraum temperieren oder innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums auf die optimale Betriebstemperatur bringen, um erhöhte Kaltstartemissionen zu verhindern.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Katalysatorvorrichtung, welche in den 2 und 3 gezeigt und dort mit 68 bezeichnet ist, ist eine integrale Kombination 70 aus Katalysatorstruktur und Wärmespeicher vorgesehen. Die weiteren Elemente der Katalysatorvorrichtung 68 entsprechen denjenigen der Katalysatorvorrichtung 10; für diese Elemente werden die gleichen Bezugszeichen wie für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwendet.
Die Kombination 70 umfaßt einen Wärmespeicher 72, welcher aus einem Speichermedium hergestellt ist, welches Wärme speichern kann. Bei dem Speichermedium handelt es sich beispielsweise um Kohlenstoff beispielsweise in der Form von Graphit oder in der Form von Kohlenstoff, welcher aus Pech zusammengemischt wurde.
In dem Wärmespeicher 72 ist eine Mehrzahl von röhrenförmigen Durchführungsleitungen 74 (Kanäle) gebildet, durch die Gas durch den Wärmespeicher 72 durchführbar ist. Die Durchführungsleitungen 74 stehen in fluidwirksamer Verbindung mit dem Erweiterungsbereich 30 zur Einkopplung von zu reinigendem Gas in den Wärmespeicher 72 und stehen in fluidwirksamer Verbindung mit dem Verengungsbereich 36 zur Auskopplung von gereinigtem Gas von dem Wärmespeicher 72.
Die Durchführungsleitungen 74 sind im wesentlichen parallel zu einer Achse 76 (welche eine Zylinderachse des Gehäuses 14 ist) ausgerichtet.
An einem Außenbereich des Wärmespeichers 72 sitzt eine Strahlungsschildeinrichtung 78 und eine Hochtemperaturisolierung 80, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel 10 beschrieben worden sind.
Der Wärmespeicher 72 weist Beschichtungen 82 aus katalytisch aktiven Material (für die Gasreinigung) auf, wobei diese Beschichtungen 82 an den Durchführungsleitungen 74 angeordnet sind. Durch das katalytisch aktive Material dieser Beschichtungen 82 erfolgt eine Gasreinigung.
Bei dem Ausführungsbeispiel 68 sind der Wärmespeicher 72 und die Katalysatorstruktur (welche durch die Beschichtungen 82 gebildet ist) integriert, das heißt der Wärmespeicher 72 und die Katalysatorstruktur bilden eine Einheit. Der Wärmespeicher 72 bildet gewissermaßen auch einen Träger für die Katalysatorstruktur. (Bei dem ersten Ausführungsbeispiel 10 ist die Katalysatorstruktur 12 der Träger für den Wärmespeicher 42.)
Durch die Integration von Wärmespeicher und Katalysatorstruktur läßt sich ein großes Speichervolumen bereitstellen, so daß der Wärmespeicher 72 einen hohen Wärmeinhalt aufnehmen kann. Die Wärmeübertragung von dem Gas in das Speichermaterial des Wärmespeichers 72 ist optimiert und ebenso ist die Wärmeabgabe des Wärmespeichers 72 an die Katalysatorstruktur optimiert.
Ansonsten funktioniert die Katalysatorvorrichtung 68 wie im Zusammenhang mit der Katalysatorvorrichtung 10 beschrieben.

Claims

Katalysatorvorrichtung zur Gasreinigung, mit einer Katalysatorstruktur (12; 82) aus katalytisch aktivem Material, der zu reinigendes Gas zuführbar ist und von der zu reinigendes Gas abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmespeicher (42; 72) in thermischem Kontakt mit der Katalysatorstruktur (12; 82) steht, wobei vom Wärmespeicher (42; 72) Wärme aus dem Gas aufnehmbar ist und von dem Wärmespeicher (42; 72) Wärme an die Katalysatorstruktur (12; 82) abgebbar ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) so angeordnet und ausgebildet ist, daß Wärme über die Katalysatorstruktur (12; 82) aufnehmbar ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) ein passiver Wärmespeicher ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) in einem Gehäuse (14) angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) wärmeisolierend ausgebildet ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorstruktur (12; 82) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mindestens einen Wärmespeicher (42; 72) und Wänden (16) des Gehäuses (14) ein Freiraum (46) liegt.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenraum (24) des Gehäuses (14) unter Unterdruck steht.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mindestens einen Anschluß (26) zur Einkopplung von zu reinigendem Gas aufweist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mindestens einen Anschluß (32) zur Auskopplung von gereinigtem Gas aufweist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) eine zylindrische Form hat.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wände (16) des Gehäuses (14) aus einem Material mit wärmeisolierenden Eigenschaften hergestellt sind.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Wände (16) des Gehäuses (14) aus einem pyrogenen Metalloxid umfassenden Material hergestellt sind.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gehäuse (14) eine Leckschutzeinrichtung (38) zugeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Zuführungsleitung (28) für zu reinigendes Gas zu der Katalysatorstruktur (12; 82) mindestens ein Sperrventil (60) angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sperrventil (60) einen wärmeisolierend ausgebildeten Schließkörper (62) aufweist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sperrventil (60) innerhalb eines Gehäuses (14) positioniert ist, in welchem der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) sitzt.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Abführungsleitung (34) für gereinigtes Gas von der Katalysatorstruktur (12; 82) mindestens ein Sperrventil (64) angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sperrventil (64) einen wärmeisolierend ausgebildeten Schließkörper (66) aufweist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Sperrventil (64) innerhalb eines Gehäuses (14) angeordnet ist, in welchem der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) sitzt.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) an der Katalysatorstruktur (12; 82) angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) einen Speichermediumbereich aufweist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium Kohlenstoff umfaßt.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) mit einer Wärmeisolierung (52, 54; 78, 80) versehen ist.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung eine Strahlungsschildeinrichtung (52; 78) umfaßt.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsschildeinrichtung (52; 78) eine oder mehrere Graphitfolien umfaßt.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Perlrußisolierungsschichten (54; 80) vorgesehen sind.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42; 72) in mechanischem Kontakt mit der Katalysatorstruktur (12; 82) steht.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (42) mindestens teilweise um die Katalysatorstruktur (12) herum angeordnet ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (72) und die Katalysatorstruktur (82) ineinander integriert sind.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmespeicher (72) Speicherbereiche aufweist, welche mit einer Beschichtung (82) aus katalytisch aktivem Material versehen sind.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kanal (74) zur Durchführung von Gas durch die Katalysatorstruktur (82) mit einer Beschichtung (82) aus katalytisch aktivem Material versehen ist.
Katalysatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Kanälen (74) zur Durchführung von Gas durch die Katalysatorstruktur (82) vorgesehen sind.
Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kanälen (74) Wärmespeicherbereiche angeordnet sind.
Katalysatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Wärmespeicher (42; 72) eine extern betätigbare Heizeinrichtung (56) angeordnet ist.
Verfahren zur Temperierung einer Katalysatorstruktur zur Gasreinigung, bei dem zu reinigendes Gas/gereinigtes Gas einen Wärmespeicher thermisch belädt und der Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgibt.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher während Betriebszeiten der Gasreinigung thermisch beladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß während Nichtbetriebszeiten der Gasreinigung der Wärmespeicher Wärme an die Katalysatorstruktur abgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß für Nichtbetriebszeiten der Gasreinigung eine Gaszuführungsleitung zur Katalysatorstruktur gesperrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß für Nichtbetriebszeiten der Gasreinigung eine Gasabführungsleitung von der Katalysatorstruktur gesperrt wird.
Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrung der Gaszuführungsleitung/Gasabführungsleitung mit der Gaszuführung zur Katalysatorstruktur synchronisiert wird.