DE102010040016A1

DE102010040016A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen eines in einer Fluidleitung, insbesondere in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, befindlichen Katalysators

Info

Publication number: DE102010040016A1
Application number: DE102010040016A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baumeister; Andy Krueger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erhitzen eines in einer Fluidleitung, insbesondere in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, befindlichen Katalysators, enthält eine zumindest an einen Teil eines Gehäuses des Katalysators angrenzende Reaktionskammer, in der ein Adsorptionsmittel aufgenommen ist, eine von einem oberen Bereich der Reaktionskammer ausgehende, in einen oberen Bereich eines Kondensationsbehälters führende Steigleitung, eine aus einem unteren Bereich des Kondensationsbehälters in die Reaktionskammer führende Zuleitung, eine in dem Kondensationsbehälter aufgenommene Flüssigkeit, und ein in der Zuleitung angeordnetes Absperrventil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen eines in einer Fluidleitung, insbesondere in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, befindlichen Katalysators.
Abgaskatalysatoren benötigen für ihre Wirksamkeit eine von ihrer Beschichtung abhängige Mindesttemperatur. Damit diese Mindesttemperatur nach einem Anlassen der Brennkraftmaschine möglichst rasch erreicht wird, muss der Katalysator möglichst nahe an der Brennkraftmaschine angeordnet werden oder der Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine und dem Katalysator in aufwendiger Weise wärmeisolierend ausgeführt sein. Da die Temperaturfestigkeit des Katalysators beschränkt ist und im Allgemeinen unter der Temperatur liegt, die das Abgas bei unter Volllast laufender Brennkraftmaschine annimmt, ist eine große Nähe des Katalysators zum Auslass der Brennkraftmaschine für die Volllastfestigkeit nachteilig.
Aus der US 6,272,849 B1 ist eine Vorrichtung zum Vorheizen eines Katalysators in einem Automobil bekannt, die ein Elektrolysesystem zum Herstellen und getrennten Speicher von Wasserstoff und Sauerstoff in stöchiometrischen Anteilen und mit etwa gleichem Druck enthält. Eine Vorderseite des Katalysators bildet Einlässe in mehrkanälige, mit Katalysatorsubstanz beladene Strömungspfade. Der Vorderseite kann Wasserstoff und Sauerstoff in kontrollierter Weise zugeführt werden, so dass mittels der spontanen exothermen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff eine rasche Aufheizung erfolgen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, wie mit geringem baulichen Aufwand kostengünstig und wartungsarm eine raschere Aufheizung des Katalysators erzielt werden kann.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
Der Anspruch 2 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Lösung der Erfindungsaufgabe.
Die Erfindung ist ganz allgemein für Fluid durchströmte Katalysatoren anwendbar, die für Ihre Wirksamkeit auf eine durch die katalytische Reaktion vorgegebene Betriebstemperatur gebracht werden müssen und von einem Fluid durchströmt werden, dessen Temperatur zumindest nach einiger Betriebszeitdauer auf der oder über der Betriebstemperatur liegt. Bei ihrer Anwendung für einen Katalysator in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine hat die Erfindung den zusätzlichen Vorteil, dass der Katalysator in größerer Entfernung von der Brennkraftmaschine angeordnet werden kann.
Die Ansprüche 3 bis 8 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeiten reversibel und wartungsarm, indem keine Nachfüllung von Flüssigkeit oder Adsorptionsmittel erforderlich ist. Des Weiteren wird zum Regenerieren des Adsorptionsmittels keine zusätzliche Energie benötigt, sondern lediglich im Fluid ohnehin enthaltene Wärmeenergie verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer einzigen Figur eines Ausführungsbeispiels bei ihrer Anwendung an einer Brennkraftmaschine erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Prinzipanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß der einzigen Figur führt ein Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine 12 durch einen Katalysator 14.
Der Katalysator 14 ist doppelwandig aufgebaut, wobei die Innenwand 16 das eigentliche Gehäuse eines in seinem Aufbau an sich bekannten Katalysators bildet und zwischen der Außenwand 18 und der Innenwand 16 eine Reaktionskammer 20 gebildet ist, die zumindest teilweise mit einem Adsorptionsmittel 22 gefüllt ist, beispielsweise Zeolith oder Silicagel, das vorzugsweise in Form einzelner Partikel in der Reaktionskammer 20 angeordnet ist, so dass das Adsorptionsmittel einerseits eine sehr große für die Adsorption zur Verfügung stehende Oberfläche aufweist und andererseits Flüssigkeit zwischen den einzelnen Partikeln des Adsorptionsmittels 22 hindurchströmen kann.
Von einem oberen Bereich der Reaktionskammer 20 führt eine Steigleitung 24 in einen oberen Bereich eines Kondensationsbehälters 26. Der Kondensationsbehälter 26 ist zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser gefüllt, das mit Frostschutz und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen, wie Korrosionsindikatoren usw. versehen ist. Aus einem unteren Bereich des Kondensationsbehälters 26 führt eine Zuleitung 30 in die Reaktionskammer 20, wobei die Zuleitung 30 vorzugsweise mehrere in die Reaktionskammer 20 fühlende Anschlüsse 32 aufweist.
Die Zuleitung 30 ist mittels eines Absperrventils 34 absperrbar.
In einem oberen Bereich des Kondensationsbehälters 26 befindet sich ein vorzugsweise von Kühlflüssigkeit, mit der auch die Brennkraftmaschine 12 gekühlt wird, durchströmter Wärmetauscher 36.
Zur Steuerung des Absperrventils 34 dient eine elektronische Steuereinrichtung 38, deren Eingänge beispielsweise mit nicht dargestellten Temperaturfühlern verbunden sind, mit denen die Abgastemperatur und/oder die Temperatur des Katalysators 14, vorzugsweise die seiner Innenwand 16, bestimmt wird.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist beispielsweise wie folgt:
Es sei angenommen, die Brennkraftmaschine 12 ist kalt und wird angelassen. Beim Anlassen oder vorzugsweise bereits vor dem Anlassen wird das Absperrventil 34 geöffnet, so dass die Flüssigkeit 28 durch die Zuleitung 30 in die Reaktionskammer 20 strömt, diese rasch füllt und von dem Adsorptionsmittel 22 adsorbiert wird. Die Flüssigkeit 28 und das Adsorptionsmittel 22 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Flüssigkeit von dem Adsorptionsmittel rasch unter Freisetzung von Adsorptionswärme adsorbiert wird. Die Adsorptionswärme wird von der nicht adsorbierten, in der Reaktionskammer befindlichen Flüssigkeit und/oder durch unmittelbare Anlage des Adsorptionsmittels an der Innenwand 16 auf den Katalysator übertragen und heizt diesen rasch auf, so dass er, gegebenenfalls von Abgas weiter aufgeheizt, rasch auf seine Betriebstemperatur kommt. Bei weiterer Erhitzung des Katalysators durch das inzwischen heiße Abgas der Brennkraftmaschine wird das mit Flüssigkeit gefüllte Adsorptionsmittel 22 aufgeheizt, wodurch die Flüssigkeit aus dem Adsorptionsmittel ausgetrieben wird und als Dampf durch die Steigleitung 24 in den Kondensationsbehälter 26 gelangt, wo der Dampf, unterstützt durch den Wärmetauscher 36 abkühlt und zur Flüssigkeit kondensiert. Das Absperrventil 34 wird spätestens abgesperrt, wenn der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei der das Austreiben der adsorbierten Flüssigkeit 28 aus dem Adsorptionsmittel 22 einsetzt.
Die in dem Kondensationsbehälter 26 kondensierte Flüssigkeit 28 steht anschließend für eine erneute Adsorption zur Verfügung.
Die beschriebene Anordnung kann nicht nur beim Anlassen der kalten Brennkraftmaschine vorteilhaft genutzt werden. Sie kann auch dann vorteilhaft angewendet werden, wenn der Katalysator kalt ist, die Brennkraftmaschine aber noch warm ist, ein Zustand, der sich beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen bereits kurz nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine einstellt.
Je nach der in Folge der Adsorption der Flüssigkeit in dem Adsorptionsmittel frei werdender Wärmemenge, Temperatur des Katalysators und Temperatur des Abgases unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine, kann es vorteilhaft sein, das Absperrventil 34 erst eine von den genannten Einflussgrößen abhängige Zeitdauer nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine zu öffnen, damit sicher gestellt ist, dass der Katalysator nach der Adsorption der Flüssigkeit an dem Adsorptionsmittel wirksam wird.
Das Adsorptionsmittel 22 wird beispielsweise durch Adsorption der Flüssigkeit auf bis zu 130°C aufgeheizt. Ein Austreiben der adsorbierten Flüssigkeit aus dem Adsorptionsmittel setzt beispielsweise bei etwa 180°C ein. Die zum Austreiben notwendige Energie wird vom heißen Abgas geliefert, so dass die Abwärme der Brennkraftmaschine zusätzlich genutzt wird.
Die beispielhaft beschriebene Vorrichtung kann vielfältig abgeändert werden.
Die den eigentlichen Katalysatorbehälter bildende Innenwand 16 kann für eine wirksamere Wärmeübertragung gewellt sein oder mit Rippen versehen sein. Die Außenseite der Innenwand 16 kann unmittelbar mit Adsorptionsmittel beschichtet sein. Es kann nur ein Teil der das Katalysatorgehäuse bildenden Innenwand an eine Reaktionskammer grenzen, so dass der Katalysator 14 nicht vollständig doppelwandig ist.
Bedingt durch die geometrischen Verhältnisse in einem Kraftfahrzeug kann in der Steigleitung 24 ein Lüfter und/oder in der Zuleitung 30 eine Pumpe erforderlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Abgasstrang
12: Brennkraftmaschine
14: Katalysator
16: Innenwand
18: Außenwand
20: Reaktionskammer
22: Adsorptionsmittel
24: Steigleitung
26: Kondensationsbehälter
28: Flüssigkeit
30: Zuleitung
32: Anschluss
34: Absperrventil
36: Wärmetauscher
38: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6272849 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Erhitzen eines in einer Fluidleitung, insbesondere in einer Abgasleitung (10) einer Brennkraftmaschine, befindlichen Katalysators, dessen Gehäuse an ein in einer Reaktionskammer befindliches Adsorptionsmittel angrenzt, welches Adsorptionsmittel eine Flüssigkeit unter Wärmeentwicklung reversibel adsorbiert, enthaltend folgende Schritte: – Beschicken des Adsorptionsmittels mit der Flüssigkeit bei unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegender Temperatur des Katalysatorgehäuses, – Erwärmen des Gehäuses mittels der entstehenden Adsorptionswärme, – Austreiben der von dem Adsorptionsmittel adsorbierten Flüssigkeit als Flüssigkeitsdampf mittels Wärme, die von dem Gehäuse als Folge der Durchströmung des Katalysators mit heißem Fluid abgegeben wird, abgegebener Warme, – Kondensieren des ausgetriebenen Flüssigkeitsdampfes, – Sammeln der aus dem kondensierten Flüssigkeitsdampf entstehenden Flüssigkeit und – bedarfsweise erneutes Beschicken des Adsorptionsmittels mit der gesammelten Flüssigkeit.
Vorrichtung zum Erhitzen eines in einer Fluidleitung, insbesondere in einer Abgasleitung (10) einer Bremskraftmaschine (12), befindlichen Katalysators (14), enthaltend eine zumindest an einen Teil eines Gehäuses (16) des Katalysators angrenzende Reaktionskammer (20), in der ein Adsorptionsmittel (22) aufgenommen ist, eine von einem oberen Bereich der Reaktionskammer ausgehende, in einen oberen Bereich eines Kondensationsbehälters (26) führende Steigleitung (24), eine aus einem unteren Bereich des Kondensationsbehälters in die Reaktionskammer führende Zuleitung (30), eine in dem Kondensationsbehälter aufgenommene Flüssigkeit (28), und ein in der Zuleitung (30) angeordnetes Absperrventil (34).
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Adsorptionsmittel Zeolith und/oder Silicagel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Flüssigkeit Wasser enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Gehäuse des Katalysators (14) doppelwandig ausgebildet ist und der Zwischenraum zwischen den Gehäusewänden (16, 18) die Reaktionskammer (20) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Adsorptionsmittel (22) in Form von einzelnen Partikeln in der Reaktionskammer (20) aufgenommen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, enthaltend weiter eine elektronische Steuereinrichtung (38), mittels der das Absperrventil (34) in Abhängigkeit von zumindest der Temperatur des Gehäuses des Katalysators betätigbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zumindest ein oberer Bereich des Kondensationsbehälters (26) gekühlt ist.