DE19638802A1

DE19638802A1 - Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten Automobilkatalysatoren

Info

Publication number: DE19638802A1
Application number: DE19638802A
Authority: DE
Inventors: Gerhart Prof Dr In Eigenberger; Thomas Kirchner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-03-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beschreibung

Damit die Reinigung der Schadstoffe im Motorabgas am Automobilkatalysator erfol gen kann, muß dieser eine Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufweisen. Die Erwärmung des Katalysators erfolgt bisher nur über den heißen Motor abgasstrom und benötigt etwa eine Minute. In dieser kurzen Zeitspanne direkt nach dem Motorstart, der sogenannten Kaltstartphase, wird der maßgebliche Anteil der gesamten Fahrzeugemissionen freigesetzt, da der Katalysator in der Regel nur Umge bungstemperatur aufweist und die Schadstoffe im Motorabgas nicht oder nur teilweise umgesetzt werden können, während das Motorabgas bei betriebswarmen Autoabgas katalysator praktisch vollständig gereinigt werden kann.

Zur schnellen Erwärmung des Autoabgaskatalysators und damit zur Emissionsmin derung während der Kaltstartphase ist ein hoher, zusätzlicher Energieeintrag in den Katalysator erforderlich. Für diese Zielsetzung sind verschiedene Verfahren bekannt. U.S. Patent 5,146,743 und SAE-Paper 951072 zeigen die Nutzung der im Fahrzeug zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung der Autobatterie für die schnelle Behei zung eines kleinen Vorkatalysators (Ekat), der im Abgasstrang vor dem eigentlichen Autoabgaskatalysator angeordnet ist. An diesem heißen Ekat erfolgt ein Vorumsatz der Abgasschadstoffe und eine Erwärmung des Massenstroms. Über den somit vorge heizten Abgasstrom wird eine schnelle Aufheizung des Automobilkatalysators erreicht. Beim Einsatz eines vor dem Katalysator angeordneten Kraftstoffbrenners nach SAE- Paper 940474 wird der im Fahrzeug zur Verfügung stehende Kraftstoff unter annähernd stationären Bedingungen in einem externen Brenner verbrannt. Das dabei entstehen de, heiße Brennergas wird über den Autoabgaskatalysator geführt, wodurch dieser erwärmt werden kann. Nach einem ähnlichen Wirkungsprinzip arbeiten die Verfahren nach SAE Paper 920400 und 960346. Der heiße Gasstrom wird jedoch in diesem Fall durch eine der Motorverbrennung nachgeschaltete, homogene Verbrennung der Schad stoffe im Motorabgas bzw. von zudosiertem Wasserstoff erzielt. U.S. Patent 5,125,231 und SAE-Paper 960348 zeigen ein Abgasreinigungsverfahren unter Verwendung eines Adsorberfestbettes. Hier sollen die Schadstoffe im Abgas solange am Adsorber ge speichert werden, bis der Autoabgaskatalysator durch den Motorabgasstrom für die katalytische Schadstoffumsetzung ausreichend aufgeheizt ist.

Der Einsatz des elektrisch beheizten Vorkatalysators belastet die Autobatterie sehr stark, da über einen kurzen Zeitraum eine hohe Leistungsabgabe erforderlich ist. Die zur Verfügung stehende elektrische Leistung ist durch die Batteriekapazität stark ein geschränkt, so daß ein wiederholtes Aufheizen des Ekats in kurzen Zeitabständen nicht möglich ist. Bei der Aufheizung des Automobilkatalysators über einen heißen Gas strom, der durch einen Brenner erzeugt wird, wird der Katalysator thermisch stark belastet. Dies kann zur mechanischen Schädigung des Katalysatorträgermaterials so wie zur Verschlechterung der katalytischen Eigenschaften des Autoabgaskatalysators führen. Bei der Verwendung des Kraftstoffbrenners werden darüber hinaus zusätzli che Schadstoffe freigesetzt sowie der Kraftstoffverbrauch und damit der Ausstoß an Kohlendioxid erhöht. Durch den Einsatz des Adsorbers im Autoabgasrohr resultiert ein erheblich höherer Druckverlust im Abgasrohr, verbunden mit einer Leistungsab nahme des Motors sowie einem höheren Platzbedarf für das Abgasreinigungssystem im Unterbodenbereich des Fahrzeugs. Hochtemperaturbeständige Adsorbermateriali en mit ausreichender Speicherkapazität für dieses Verfahren stehen derzeit noch nicht zur Verfügung. Ein weiterer Nachteil dieses Systems liegt in der großen Zeitspanne von mehreren Minuten, bis ein Kaltstart erneut durchgeführt werden kann, da das Adsor berfestbett vollständig regeneriert und auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden muß.

Alle vorgenannten Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Automo bilkatalysatoren sind apparativ und steuerungstechnisch sehr aufwendig. Zudem kann der Autoabgaskatalysator bei jedem dieser Verfahren nur über den Abgasmassenstrom aufgeheizt werden, so daß nur der in Strömungsrichtung vorderste Teil des Kataly sators erwärmt werden kann. Dabei wird die Aufheizung des Autoabgaskatalysators maßgeblich durch den Wärmeübergang vom heißen Gasstrom zum kalten Feststoff li mitiert. Bei Katalysatoren, die über einen längeren Zeitraum im Fahrzeug eingesetzt werden, kann aber gerade im vorderen Bereich des Katalysators eine starke Desakti vierung beobachtet werden. Eine gezielte, ausschließliche Beheizung der in diesem Fall verbleibenden, katalytisch aktiven Bereiche des Autoabgaskatalysators ist mit den vor genannten Konzepten jedoch nicht möglich. Aus diesem Grund sind die vorgenannten Verfahren bei gealterten Automobilkatalysatoren nicht mehr effektiv.

Problem und Problemlösung

Es stellt sich also die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, bei dem mit geringem Zu satzaufwand eine schnelle Aufheizung des katalytisch aktiven Teils des Katalysators auf die zur Umsetzung der Abgasschadstoffe notwendige Temperatur erreicht werden kann. Dabei sollte die reaktionsbeschleunigende Wirkung des Katalysators möglichst gut ausgenutzt werden. Dies läßt sich erfindungsgemäß am besten durch Zugabe ei nes Zusatzbrennstoffs erreichen (Fig. 1), der schon bei sehr niedriger Temperatur an den aktiven Teilen des Katalysators umgesetzt werden kann. Von den dafür in Fra ge kommenden Zusatzbrennstoffen erwies sich als flüssiger Zusatzbrennstoff Methanol und als gasförmiger Zusatzbrennstoff Wasserstoff als am besten geeignet. Für bei de Brennstoffe ist eine niedrige Zündtemperatur an platin- oder palladiumhaltigen Edelmetallkatalysatoren seit langem bekannt. Sie beträgt ca. 100°C für Methanol- Luftgemische und weniger als 0°C für Wasserstoff-Luftmischungen. Allerdings zeigte es sich, daß in der Gegenwart von Motorabgas die katalytische Zündtemperatur stark ansteigt, bei Wasserstoff-Luftmischungen auf über 100°C und bei Methanol-Luft noch darüber. Aus diesem Grund wird in dem im SAE-Paper 960346 vorgestellten Konzept Wasserstoff nicht katalytisch sondern thermisch verbrannt.

Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch umgangen, daß kurz vor dem Mo torstart der Zusatzbrennstoff zusammen mit der Verbrennungsluft über den kalten Au tomobilkatalysator geleitet wird. Dieser Zusatzbrennstoff wird an den katalytisch akti ven Teilen des Katalysators umgesetzt, wodurch die Katalysatortemperatur lokal auf 100-250°C ansteigt, bevor das Motorabgas den Katalysator erreicht. Bei Einsatz von Methanol als Zusatzbrennstoff wird der Katalysator durch eine elektrische Vorheizung lokal auf ein Temperaturniveau von ca. 100 bis 150°C erwärmt. Die Zusatzbrennstoff- bzw. Luftdosierung wird solange aufrechterhalten, bis der Automobilkatalysator durch den heißen Motorabgasstrom auf ein Temperaturniveau erwärmt ist, das eine ausrei chende Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet.

Für das erfindungsgemäße Vorgehen muß ein Zusatzbrennstoff (Methanol bzw. ei ne andere Flüssigkeit mit niedriger katalytischer Zündtemperatur oder vorzugsweise Wasserstoff) mitgeführt oder an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden.

Für die Wasserstofferzeugung bietet sich insbesondere die Druckelektrolyse aus Wasser während des Fahrbetriebs an. Die benötigte Menge Wasserstoff pro Kaltstart von ca. 6 bis 8 Normliter wird bei einem Druck von ca. 10 bar gespeichert. Der Aufbau zur Wasserstofferzeugung und Speicherung im Fahrzeug kann ähnlich der in SAE-Paper 960346 vorgestellten Vorrichtung erfolgen. Für das erfindungsgemäße Vorgehen, kann der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff allein eingesetzt werden oder zusätzlich auch der bei der Elektrolyse produzierte Sauerstoff als Ersatz eines Teils der benötigten Frischluft genutzt werden.

Alternativ hierzu kann die Wasserstofferzeugung über die Reformierung eines flüssigen Treibstoffs in Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid erfolgen. Gegebe nenfalls muß eine Nachreinigung des erhaltenen Wasserstoffs vorgenommen werden bevor dieser unter Druck gespeichert wird.

Der erzeugte Wasserstoff kann anstelle der Druckspeicherung auch in einem Hydrid speicher aufbewahrt werden.

Für die zusätzliche Luftdosierung ist ein zuschaltbares Luftgebläse vorzusehen. Al ternativ kann die benötigte Luft vor Start des Motors auch dadurch bereit gestellt werden, daß der Motor kurz ohne Treibstoffzufuhr und Zündung vom Anlasser durch gedreht wird, wobei die Luftförderung durch eine geeignete Ventilsteuerung des Motors unterstützt werden kann.

Anwendungsbeispiele

Mit einem serienmäßigen Pkw mit 4-Zylinder-Ottomotor mit einem Hubraum von 2.0 Liter sowie Benzineinspritzung und A-geregelter Kraftstoff-Luftgemischbildung wurden an einer in Fig. 2 schematisch dargestellten Versuchsapparatur folgende Experimente durchgeführt:
In der Versuchsanlage wird vor dem serienüblichen Automobilkatalysator Luft bzw. Wasserstoff in das Abgasrohr eingeleitet. Beide Zusatzmassenströme werden über Ma gnetventile geschaltet und über Durchflußregler eingestellt. Zur quantitativen Bestim mung des Aufheiz- und Umsatzverhaltens des Katalysators während des Kaltstarts wird im Automobilkatalysator über Thermoelemente ein axiales Temperaturprofil auf genommen und die Zusammensetzung des Motorabgases vor bzw. hinter dem Kata lysator analysiert. Aufgrund der motorfernen Positionierung des Katalysators in der Versuchsanlage liegt die Abgastemperatur im Katalysatoreinlauf bei der Versuchs durchführung permanent unter der im realen Einsatz zu erwartenden Zulauftempera tur.

1. Versuch: Vorheiz-/Anspringverhalten bei vollaktivem Katalysator

Versuchsparameter
Dosierungszeit Luft/H₂
- vor Motorstart	5 s
- nach Motorstart	5 s
Luftmassenstrom:	11,8 l/s
H₂-Massenstrom:	0,59 l/s
Katalysatorzustand:	vollaktiv

Fig. 3 zeigt die bei dieser Versuchsdurchführung erhaltenen axialen Temperaturpro file im Automobilkatalysator zu verschiedenen Zeitpunkten. Durch die katalytische Verbrennung des Wasserstoffs am aktiven Katalysator und die dabei freigesetzte Re aktionswärme wird der Katalysator im vorderen Bereich lokal auf eine Temperatur von 200 bis 450°C erwärmt, bevor das Motorabgas den Katalysator erreicht (t = 0 s). Da die Luft- und Wasserstoffdosierung über weitere 5 s aufrecht erhalten wird, erfolgt eine fortlaufende Aufheizung des Katalysators bis auf Maximaltemperaturen von 700 °C durch die parallele Verbrennung des Wasserstoffs und der Abgasschadstoffe (t = 5 s). Auch nach Abschalten der Luft- und Wasserstoffzufuhr bleibt der Katalysator auf einem hohen Temperaturniveau (t = 45 s), so daß fortwährend eine ausreichende Um setzung der Abgasschadstoffe erzielt werden kann.

Fig. 4 zeigt die im Versuch ermittelten zeitlichen Verläufe der Schadstoffkonzentra tionen vor bzw. hinter dem Automobilkatalysator. Nach dem anfänglichen Durchbre chen der Schadstoffkomponenten, bei dem die Maximalkonzentrationen aufgrund der begrenzten Meßbereiche der Analysegeräte nicht exakt bestimmt werden konnten, er folgt die katalytische Umsetzung am sich erwärmenden Katalysator sehr schnell, so daß die vollständige Abreinigung des Motorabgases im Versuch nach 20-30 s erreicht werden kann.

2. Versuch: Vorheiz-/Anspringverhalten bei geschädigtem Katalysator

Versuchsparameter
Dosierungszeit Luft/H₂
- vor Motorstart	15 s
- nach Motorstart	0 s
Luftmassenstrom:	11,8 l/s
H₂-Massenstrom:	0,59 l/s
Katalysatorzustand:	gealtert

Fig. 5 zeigt wiederum die bei der Versuchsdurchführung erhaltenen axialen Tempe raturprofile im Automobilkatalysator zu verschiedenen Zeitpunkten. Der in diesem Versuch eingesetzte Katalysator weist auf den ersten 2-3 cm der Katalysatorlänge durch eine vorangegangene Schädigung keine katalytische Aktivität auf. Daher erfolgt in diesem Bereich auch keine Wasserstoff-Verbrennung am Katalysator und demzufol ge auch keine (unnötige) Erwärmung des inaktiven Teils des Katalysators. Während der Vorheizphase von 15 s wird vielmehr selektiv der aktive Teil des Katalysators auf ein ausreichendes Temperaturniveau für die Schadstoffumsetzung gebracht, bevor das Motorabgas den Katalysator erreicht.

Die Wirksamkeit dieses Verfahrens auch bei gealterten Katalysatoren zeigt sich in besonderem Maße bei den zeitlichen Verläufen der ausgestoßenen Schadstoffkonzen trationen (Fig. 6). Trotz der ausgeprägten Schädigung des Katalysators im vorderen Bereich werden im Experiment im Rahmen der Meßgenauigkeit die gleichen Schad stoffumsätze erzielt.

Der Einsatz der vorgenannten alternativen Verfahren zur Aufheizung des gealterten Automobilkatalysators über den Gasstrom würde nur den katalytisch inerten Teil des Katalysators erwärmen, ohne eine sofortige Schadstoffumsetzung zu bewirken.

3. Versuch: Anspringverhalten ohne Vorheizen bei einem Katalysator

Versuchsparameter
Dosierungszeit Luft/H₂
- vor Motorstart	0 s
- nach Motorstart	10 s
Luftmassenstrom:	11,8 l/s
H₂-Massenstrom:	0,59 l/s
Katalysatorzustand:	vollaktiv

Die katalytische Verbrennung des Wasserstoffs wird durch die Abgasschadstoffe so stark beeinträchtigt, daß diese auf dem Katalysator sehr schnell zum Erliegen kommt. Bei gleichzeitiger Zugabe des Wasserstoff-Luftgemisches und des Motorabgases konnte daher nur kurzzeitig eine lokale Temperaturerhöhung am Katalysator auf ca. 40°C gemessen werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven und gealter ten Automobilkatalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Motorstart ein Gemisch aus Luft und einem Zusatzbrennstoff über den kalten oder lokal elektrisch vorgeheizten Katalysator geleitet wird, wobei der Zusatzbrennstoff an den aktiven Teilen des Katalysators katalytisch verbrannt wird und die Katalysatortemperatur lokal auf 100-250°C ansteigt, bevor das Mo torabgas den Katalysator erreicht und die Luft- und Zusatzbrennstoffdosierung solange aufrechterhalten wird, bis durch den Zustrom von heißem Motorabgas eine ausreichende Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzbrennstoff Wasserstoff verwendet wird, keine elektrische Vorheizung des kalten Katalysators erfolgt und Motorabgas auf den Abgaskatalysator treffen kann, sobald lokal eine Temperatur von 80 bis 150°C erreicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzbrennstoff Methanol verwendet wird, wobei eine lokale elektrische Vorheizung des Kataly sators auf ca. 100 bis 150°C erforderlich ist und Motorabgas auf den Katalysator treffen kann, sobald lokal eine Temperatur von 150 bis 200°C erreicht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzudosie rung über den vom Anlasser durchgedrehten Antriebsmotor erfolgt, wobei die Kraftstoffdosierung zunächst ausgeschaltet ist und die Ventilsteuerung im Hin blick auf einen effizienten Luftförderbetrieb angepaßt sein kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der benötigte Wasserstoff an Bord während des normalen Fahrbetriebs oder in Stillstandszeiten erzeugt wird, wobei der für den Kaltstart benötigte Wasserstoff unter Druck, in Metallhydridspeichern oder in anderer geeigneter Form zwischengespeichert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des benötigten Wasserstoffs durch Wasserelektrolyse erfolgt, wobei der gleichfalls produzierte Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennungsreaktion mitbenutzt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des benötigten Wasserstoffs durch Reformierung des mitgeführten Kraftstoffs oder eines speziellen Zusatzbrennstoffs gegebenenfalls mit nachfolgender Reinigung des erhaltenen Wasserstoffs erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung des benötigten Wasserstoffs in wiederbefüllbaren oder auswechselbaren Druckbehäl tern erfolgt.