DE102006046529A1

DE102006046529A1 - Erdgas-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102006046529A1
Application number: DE102006046529A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr.-Ing. Pott; Alf Degen; Dirk Dr.-Ing. Hagelstein
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-09-30
Filing date: 2006-09-30
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erdgas-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgasturbolader und zumindest einem Katalysator, wobei zumindest ein erster Katalysator stromauf des Abgasturboladers angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgasturbolader und zumindest einem Katalysator.
Erdgas hat aufgrund seiner Eigenschaften als Alternativkraftstoff in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Verbrennungsmotorisch interessant ist Erdgas vor allem wegen seiner hohen Oktanzahl und damit hohen Klopffestigkeit und relativ hohen Energiedichte. Ein weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu Benzin niedrige Gehalt an Katalysatorgiften wie Phosphor und Schwefel und der im Vergleich zu Benzin oder Diesel geringe Kohlenstoffanteil. Erdgas hat somit gute Verbrennungseigenschaften bei geringem Schadstoffausstoß und verminderter CO2-Emission.
Als Kraftstoff wird Erdgas in hoch verdichteter Form unter der Bezeichnung CNG (Compressed Natural Gas) verwendet. Das komprimierte Gas wird unter einem Druck von ca. 200 bar in den Tank gefüllt und dabei auf ein Zweihundertstel seines Volumens reduziert.
Erdgas betriebene Brennkraftmaschinen wurden in der Vergangenheit vor allem unter dem Gesichtspunkt niedriger Schadstoffemission konzipiert. Um auch im dynamischen Betrieb eine optimale Schadstoffumwandlung im Katalysator zu gewährleisten, ist eine präzise stöchiometrische Zusammensetzung des Erdgas-Luft-Gemisches (λ=1) erforderlich. Die Gaszumischung erfolgt deshalb in einigen Anwendungsfällen mit elektronisch geregelter Gaszufuhr, beispielsweise mittels einer Lambda-Regelung mittels Sauerstoffsensor, und „Multipoint"-Einblasung vor das Einlassventil eines jeden Zylinders der Brennkraftmaschine.
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zu Benzin-Brennkraftmaschinen ist die gasförmige Einblasung des Kraftstoffs in das Saugrohr. Dabei wird ein merklicher Anteil der Ansaugluft durch das Erdgas verdrängt. Dadurch nimmt die Ladung und damit auch die Leistung der Brennkraftmaschine ab. Bekanntlich liegt die Leistung eines üblichen Hubkolbenmotors bei Betrieb mit Erdgas ca. 15 % unter derjenigen bei Betrieb mit Benzin und unter derjenigen von aufgeladenen Dieselmotoren.
Ein Ausgleich der Minderleistung ist, wie in der DE 100 62 391 A1 offenbart, durch eine Aufladung der Brennkraftmaschine bei Betrieb mit Erdgas möglich.
Für Erdgas betriebene Brennkraftmaschinen ist eine Turboaufladung wegen der hohen Klopffestigkeit des im Erdgas enthaltenen Methans hinsichtlich der Verdichtung besonders günstig.
Bei der Abgasnachbehandlung erweist sich der hohe Anteil an chemisch stabilem Methan im Abgas als problematisch. Bei einem CNG-Betrieb werden schnell nach dem Kaltstart hohe Temperaturen, typischerweise mehr als 450°C im Katalysator benötigt, um das Methan cracken und die Emissionsgrenzwerte einhalten zu können. Die Abgastemperaturen steigen jedoch nur sehr langsam an und liegen generell unter denen von Benzin-Betrieb. Diese Probleme werden durch eine Turboaufladung noch verstärkt. Der als Wärmesenke wirkende Abgasturbolader hat eine große thermische Trägheit, so dass es lange nach dem Starten dauert, bis ein nach dem Abgasturbolader angeordneter Katalysator eine ausreichende Temperatur für die Konvertierung des Methans erreicht.
Um das Methan im Abgas schnell emissionsstabil abzubauen, werden daher Katalysatoren mit einer hohen Edelmetallbeladung, typischerweise mit mehr als 200 g/ft³ eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Lösung zum schnellen und emissionsstabilen Abbau von Methan im Abgas für mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist bei einer Erdgas-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und zumindest einem Katalysator zumindest ein erster Katalysator stromauf des Abgasturboladers angeordnet.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des ersten Katalysators können bei entsprechender Auslegung des ersten Katalysators durch dessen günstige Einbaulage die Abgasgrenzwerte EU IV über die Fahrzeuglebensdauer eingehalten werden.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt des stromauf des Abgasturboladers angeordneten ersten Katalysators ist, bei geeigneter Auslegung der Katalysatorgeometrie, eine Vergleichmäßigung der Strömung des Abgases, insbesondere bei sehr hohen Abgasströmungsgeschwindigkeiten, so dass eine spontanere Reaktion des Abgasturboladers erreicht werden kann und das Turboloch verringert wird. Die Trägerstruktur des Katalysators wirkt dabei wie ein Gleichrichter. Die aus der Package-optimierten Krümmergoeometrie resultierenden unerwünschten Strömungskomponenten in Querrichtung können damit weitgehend eliminiert werden. Die Turbinenanströmung wird verbessert und der Turbinenwirkungsgrad steigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der zumindest eine erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 150 g/ft³, von weniger als 120 g/ft³, von weniger als 100 g/ft³, von weniger als 80 g/ft³, bevorzugt von weniger als 60 g/ft³, besonders bevorzugt von weniger als 40 g/ft³, Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt auf. Durch die Reduzierung der Edelmetallbeladungen können erhebliche Kosten gespart werden.
Wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der erste Katalysator stromauf vom Abgasturbolader als Vorkatalysator eingesetzt und stromab des Abgasturbolader ein zweiter Katalysator als Hauptkatalysator eingesetzt, ist der erste Katalysator für eine verbesserte Vorkonvertierung des Methans nach Einsetzen des Light-Off ausgelegt, so dass der Hauptkatalysator nicht mehr die volle Konvertierungsleistung erbringen muss und somit ebenfalls nur eine sehr geringe Edelmetallbeladung, vorzugsweise von weniger als 100 g/ft³, von weniger als 80 g/ft³, von weniger als 60 g/ft³, von weniger als 40 g/ft³, bevorzugt von weniger als 20 g/ft³, bevorzugt von weniger als 10 g/ft³, besonders bevorzugt von weniger als 5 g/ft³, Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt benötigt.
Der erste Katalysator ist vorzugsweise zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasturbolader möglichst motornah angeordnet, wobei die Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil der Brennkraftmaschine bis zu einer Stirnfläche des ersten Katalysators insbesondere weniger als 250 mm, weniger als 200 mm, weniger als 150 mm, bevorzugt von weniger als 100 mm, besonders bevorzugt von weniger als 50 mm, beträgt.
Die Anordnung von jeweils einem ersten Katalysator zwischen den Auslassventilen der Brennkraftmaschine und dem Abgaskrümmer liegt ebenfalls im Rahmen dieser Erfindung. Bei einer derartigen Anordnung ist vorzugsweise jedem Auslassventil ein erster Katalysator zugeordnet. Die Katalysatorgeometrien sind dabei an die Abgaskrümmergeometrie und die hohen Abgasgeschwindigkeiten anzupassen.
Vorzugsweise weist der erste Katalysator oder die ersten Vorkatalysatoren, insbesondere zur Anpassung an deren Einbaulage, ein geringes und für eine Vorkonvertierung noch ausreichendes Volumen bzw. Gesamtvolumen von weniger als 0,3 Liter pro Liter Motorhubraum, weniger als 0,2 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt weniger als 0,15 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, auf.
Der zweite, als Hauptkatalysator stromab des Abgasturboladers ausgelegte Katalysator benötigt dann für eine ausreichende Konvertierung, je nach Auslegung des Vorkatalysators, mehr als 0,4 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt mehr als 0,5 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und besonders bevorzugt mehr als 0,6 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und weniger als 1,4 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt weniger als 1,2 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und besonders bevorzugt weniger als 0,8 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum.
Die Zellzahl des ersten Katalysators wird, unter Berücksichtigung einer noch genügend hohen katalytischen Effektivität, zur Gegendruckminderung möglichst gering gehalten und liegt vorzugsweise unter 900 cpsi, unter 550 cpsi, unter 450 cpsi, bevorzugt unter 360 cpsi, besonders bevorzugt unter 300 cpsi.
Vorzugsweise weist der erste Katalysator zur weiteren Gegendruckminderung Kanalgeometrien auf, welche keine konstruktiv bedingten Querschnittsänderungen über die Lauflänge aufweisen. Vorzugsweise haben die durchströmbaren Kanäle des Katalysators einen graden, parallelen Verlauf zum Abgasrohr. Außerdem soll der Kathalysatorquerschitt etwa dem Querschnitt der stromauf bzw. stromab angeordneten Abgasleitung entsprechen. Gegebenenfalls erforderliche Querschnittsunterschiede werden vorzugsweise durch stetige Übergänge strömungsgünstig ausgeführt.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert. Es zeigt dazu:
1: Temperaturen vor einem Vorkatalysator im NEFZ bei Anordnung des Vorkatalysators vor und nach dem Abgasturbolader
Gemäß der Erfindung ist ein erster Katalysator der beispielhaften, mit CNG betriebenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader stromauf des Abgasturboladers angeordnet. Der erste Katalysator ist als Vorkatalysator ausgelegt. Nach dem Abgasturbolader ist ein zweiter Katalysator, der als Hauptkatalysator ausgelegt ist, angeordnet.
1 zeit den Temperaturverlauf vor einem Vorkatalysator im NEFZ bei Anordnung des Vorkatalysators vor einem Abgasturbolader (Kurve 1) und nach dem Abgasturbolader (Kurve 2).
Die Temperaturen vor dem Abgasturbolader (Kurve 1) steigen sehr schnell auf über 450°C an, so dass der Edelmetallgehalt des Vorkatalysators auf Grund der günstigen Einbaulage auf weniger als 120 g/ft³, bei günstigen Katalysatorauslegungen auf weniger als 60 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt unter Einhaltung der Abgasgrenzwerte EU IV über die Fahrzeuglebensdauer reduziert werden kann.
Der Vorkatalysator weist ein Volumen von weniger als 0,3 Liter pro Liter Motorhubraum, und zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasturbolader möglichst motornah angeordnet.
Ein zweiter, als Hauptkatalysator ausgelegter Katalysator ist stromab des Abgasturboladers angeordnet. Die Edelmetallbeladung kann auf Grund der Vorkonvertierung trotz der relativ „kalten" Einbaulage des Hauptkatalysators auf weniger als 80 g/ft³ bei einem Volumen des Hauptkatalysators von vorzugsweise 0,6 bis 0,8 Liter pro Liter Motorhubraum, reduziert werden.
Als Träger für den Vorkatalysator wird bevorzugt ein Metallträger, bevorzugt mit einer Zellzahl von weniger als 300 cpsi verwendet, welcher aus dünnen Stahlfolien mit einer Folienstärke von weniger als 70 μm, bevorzugt von weniger als 55 μm und besonders bevorzugt von weniger als 45 μm besteht und die einen Wabenkörper mit parallelen Kanälen bilden, um den Strömungswiderstand möglichst gering zuhalten.
Die Folien können vorzugsweise zusätzlich Perforierungen aufweisen, um eine bessere Durchmischung des Abgases und gleichmäßigere Anströmung des Abgasturboladers bei gleichzeitiger Verringerung des Gegendrucks zu bewirken.
Alternativ kann als Träger für den Vorkatalysator auch ein Keramikträger, bevorzugt ein Monolith mit einer Zellzahl von weniger als 700 cpsi und Wandstärken von weniger als 4 mil, bevorzugt von weniger als 3,5 mil und besonders bevorzugt von weniger als 2,7 mil verwendet werden; wobei 1 mil = 1/1000 Zoll ist.
Als Träger für den Hauptkatalysator wird insbesondere ein Metallträger oder ein Keramikträger, bevorzugt mit einer Zellzahl von mehr als 250 cpsi, von mehr als 350 cpsi, bevorzugt von mehr als 480 cpsi und besonders bevorzugt von mehr als 550 cpsi und eine Zellzahl von weniger als 950 cpsi, bevorzugt von weniger als 700 cpsi verwendet.
Der Metallträger besteht dabei beispielsweise aus Sintermetallfaserfliesen und Mischerwellfolien mit Schaufeln oder Folien mit Gegenwellungen im Kanal oder anderen Stahlfolien, ggf. mit Perforierungen, welche zur Optimierung des Wärme- und Stoffüberganges Kanalgeometrien mit konstruktiv bedingten Querschnittsänderungen über die Lauflänge bilden.
Die Folien weisen vorzugsweise eine Folienstärke von weniger als 90 μm, von weniger als 70 μm, bevorzugt von weniger als 55 μm und besonders bevorzugt von weniger als 45 μm auf.
Alternativ kann für den Hauptkatalysator ein Keramikträger verwendet werden.

Claims

Erdgas-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgasturbolader und zumindest einem Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Katalysator stromauf des Abgasturboladers angeordnet ist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 150 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 120 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 100 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 80 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 60 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 40 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator weniger als 0,3 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt weniger als 0,2 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator weniger als 0,15 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt weniger als 0,1 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Katalysator zwischen einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine und dem Abgasturbolader angeordnet ist. wobei.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil bis zu einer Stirnfläche eines ersten Katalysators weniger als 250 mm, weniger als 200 mm, weniger als 150 mm, bevorzugt weniger als 100 mm, besonders bevorzugt weniger als 50 mm beträgt.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator eine Zellzahl von weniger als 700 cpsi, bevorzugt von weniger als 550 cpsi aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator eine Zellzahl von weniger als 450 cpsi, bevorzugt von weniger als 360 cpsi, besonders bevorzugt von weniger als 300 cpsi aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator zur Gegendruckminderung Kanalgeometrien aufweist, welche keine konstruktiv bedingten Querschnittsänderungen über die Lauflänge aufweisen.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator Metallträger aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator Folien mit einer Folienstärke von weniger als 70 μm, bevorzugt von weniger als 55 μm und besonders bevorzugt von weniger als 45 μm aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator Folien mit Perforierungen aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator Keramikträger aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Monolithen mit Wandstärken von weniger als 4 mil, bevorzugt von weniger als 3,5 mil und besonders bevorzugt von weniger als 2,7 mil aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Abgasturboladers zumindest ein zweiter Katalysator angeordnet ist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator einen Edelmetallgehalt von weniger als 100 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 80 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 60 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 40 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 20 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 10 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Edelmetallgehalt von weniger als 5 g/ft³ Pd oder Pt oder beliebiger Mischungen von Pd und Pt aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator mehr als 0,4 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt mehr als 0,5 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und besonders bevorzugt mehr als 0,6 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und weniger als 1,4 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum, bevorzugt weniger als 1,2 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum und besonders bevorzugt weniger als 0,8 Liter Volumen pro Liter Motorhubraum aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator eine Zellzahl von mehr als 250 cpsi, von mehr als 350 cpsi, bevorzugt von mehr als 480 cpsi und besonders bevorzugt von mehr als 550 cpsi und eine Zellzahl von weniger als 950 cpsi, bevorzugt von weniger als 700 cpsi aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator Metallträger aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator Folien mit einer Folienstärke von weniger als 90 μm, von weniger als 70 μm, bevorzugt von weniger als 55 μm und besonders bevorzugt von weniger als 45 μm aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator zur Optimierung des Wärme- und Stoffüberganges Kanalgeometrien aufweist, welche konstruktiv bedingte Querschnittsänderungen über die Lauflänge aufweisen.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator Folien mit Perforierungen und/oder Folienverprägungen zur Erzeugung von Kanalstrukturierungen aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator Keramikträger aufweist.
Erdgas-Brennkraftmaschine nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator einen Monolithen mit Wandstärken von weniger als 5 mil, bevorzugt von weniger als 3,5 mil und besonders bevorzugt von weniger als 2,7 mil aufweist.