DE19646025C2 - Heizanordnung für einen Katalysator - Google Patents

Description

Heizanordnung für einen Katalysator; insbesondere für einen geregelten Dreiwegekatalysator, der zum Entgiften der Auspuffabgase von Brennkraftmaschinen einen in einem metallischen Außengehäuse gelagerten Katalysatorträger mit einem Monolithen aus Keramik oder einem Wickelkörper aus Metall mit Wabenstruktur oder dergleichen aufweist, welcher mit katalytisch aktivem Edelmetall beschichtet und zur Reduzierung des Reaktionsverzuges in der Kaltlaufphase motorunabhängig elektrisch beheizbar ist.

Das Erreichen niedrigster Schadstoffanteile durch Reduktion von Kohlenwasserstoffen im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere in der Kaltstartphase unmittelbar nach dem Anlassen, ist ein bekanntes Problem, welches darauf zurückzuführen ist, daß der im Abgasstrang eingesetzte Dreiwegekatalysator in der Kaltstartphase noch nicht die für die Umwandlung der H₂ und CO Anteile erforderliche Anspringtemperatur besitzt. Das Problem wird dadurch verschärft, daß die Anspringtemperatur durch thermische Alterung des Katalysators zu höheren Werten hin verschoben wird.

Die beim Leerlauf von Kraftfahrzeugmotoren entstehenden Abgase haben außerdem am Motoraustritt normalerweise eine Temperatur von etwa 260 bis 280°C. Beim Anlassen des Motors, insbesondere in der kalten Jahreszeit, sind die Abgase im Leerlauf wesentlich kälter. Da der Katalysator je nach Beschaffenheit erst beim Erreichen einer Betriebstemperatur zwischen 400 und 650°C wirkungsvoll zum Entgiften eingesetzt werden kann, ist in der Zwischenzeit eine Reinigung der Abgase nicht gewährleistet. Die Emission der schädlichen Abgase tritt verstärkt in Erscheinung, wenn die Kaltstartphase mit einer Fortbewegung des Fahrzeuges zum Beispiel in geschlossenen Ortschaften, bei geringen Drehzahlen und im Teillastbereich des Motors, zusammenfällt. Während dieses Zeitraums kann der Abgaskatalysator nicht wirksam werden.

In der Literatur, Jürgen Kasedorf, Benzineinspritzung und Katalysatortechnik, Vogel Verlag, 1. Auflage 1995, Tabelle 5.5, wird bei einem frischen Katalysator eine Ansprechzeit von 30- 90 Sekunden bis zu einer Temperatur von 250°C angegeben. Bei einem gealterten Katalysator liegt die Ansprechtemperatur des Katalysators demgemäß höher. Diese Ansprechtemperatur bezieht sich bestenfalls auf Kohlenmonoxid, das nur eine geringere Ansprechtemperatur des Katalysators erfordert. Zum schnellen Aufheizen des Katalysators auf die Anspringtemperatur wurde deshalb in der EP 639 708 A1 der Vorschlag unterbreitet, von Start weg unabhängig von der Gaspedalstellung einen Mindest-Luftvolumenstrom einzustellen, wobei gleichzeitig der Zündzeitpunkt in Richtung spät verstellt werden soll. In der EP 710 771 A1 wird das Luft- Kraftstoff-Verhältnis zugunsten einer schnellen Aufheizung des Katalysators in der "warm up" Periode des Kraftfahrzeuges unterstöchiometrisch, das heißt mit einem geringeren Luftvolumenstrom eingestellt. In der EP 718 493 A1 wird vorgeschlagenen, daß zum Erreichen einer schnellen Aufheizung des Katalysator der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit eines Kohlenstoff empfindlichen Sensors im Abgasstrom entsprechend verändert wird.

Diese Maßnahmen können jedoch nicht greifen, wenn desgleichen beim Stadtverkehr, im Leerlauf und bei einer Geschwindigkeit unter 45 Kilometer pro Stunde die Abgastemperatur unter der Anspringtemperatur des Katalysators liegt. Da der Katalysator besonders in der kalten Jahreszeit längere Zeit benötigt, um auf die notwendige Temperatur zu kommen und deshalb noch unwirksam ist, wird hierbei erheblich mehr Benzin verbraucht, so daß zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um die Anspringtemperatur zu erreichen. Durch einen höheren Platingehalt beispielsweise kann eine niedrige Starttemperatur ermöglicht werden, was jedoch auf der anderen Seite die Gefahr in sich birgt, daß sich hochaktivierte Katalysatoren bei Vollast auf Temperaturen von über 1100°C erhitzen und von selbst zerstören.

Aus diesem Grunde werden die Abgaskatalysatoren auch nicht in unmittelbarer Nähe des Abgaskrümmers, sondern in der Regel in der Mitte des Fahrzeugs unterhalb des Bodenbleches angeordnet. Um an dieser Stelle die Anspringtemperatur zu erreichen, wird eine zusätzliche Wärmedämmung gegen schnelles Auskühlen vorgesehen. In der DD 296 990 A5 wird bei einer Vorrichtung zur katalytischen Entgiftung ein doppelwandiges Gehäuse mit einer Innenschale vorgeschlagen, die gegenüber einer Außenschale radial beabstandet ist. Infolge des Abstandes zwischen der Innenschale und der Außenschale sowie einer dazwischenliegenden Isolierung wird die Temperatur des Außenmantels des Katalysators gegen Überhitzung geschützt. Gleichzeitig wird die Anspringtemperatur schneller erreichbar, weil die Wärmeverluste geringer sind.

Gemäß EP 596 854 A1 oder DE 39 18 596 A1 wird zur Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Katalysators im Inneren des Monolithen oder in einem Vorheizbereich ein Latentwärmespeicher angeordnet, um die Wärme im Falle des Leerlaufs oder bei Unterbrechung der Fahrt zu speichern. In der DE 11 98 128 A2 wird in einer Nebenschlußleitung zur Abgasleitung, vor dem Katalysator eine Brennkammer mit einem Gebläse und einem die Brennkammer umhüllenden Wärmetauscher angeordnet, mit deren Hilfe der Katalysator abwechselnd entsprechend den vorherrschenden Betriebsbedingungen beheizt oder gekühlt werden kann. In der WO 96/12876 A1 wird in einem äußeren Ringbereich des Katalysatorträgers, durch Anlegen einer auf dem Umfang umlaufenden Sicke und durch Verschließen der peripher liegenden Kanäle des Katalysatorträgers, eine Wärmeisolierung ausgebildet, wodurch sich der Monolith in der Warmlaufphase schneller erwärmen soll.

Voraussetzung für die Wirksamkeit einer Wärmespeicherung ist ein Überschuß an Wärmeenergie, der erst bei einer exothermen Reaktion des Katalysators zustande kommen kann. Ein schnelles Erreichen der Anspringtemperatur beim Kaltstart eines Kraftfahrzeuges ist dadurch nur bedingt möglich. Hierzu werden Startkatalysatoren, zusätzliche Brenner oder elektrische Heizungen zur Wärmeerzeugung benötigt, mit deren Hilfe die benötigte Wärmeenergie schnell bereitgestellt werden kann. Während zusätzliche Brenner und Startkatalysatoren außerdem Kraftstoff erfordern, der die Abgasmenge nicht verringert, konnten sich elektrisch beheizte Katalysatoren zum schnellen Erreichen der Anspringtemperatur nicht durchsetzen, weil die Leistung der Batterie schnell erschöpft ist und die Bordnetzspannung stark abfällt, so daß dadurch die Sicherheitseinrichtungen außer Betrieb gesetzt werden. Wobei nach Maßgabe der US Patentschrift 5 404 720 und der US Patentschrift 5 390 493 Heizleistungen zwischen 1000 und 4.700 Watt erforderlich sind.

Um dem entgegenzuwirken ist in der WO 96/00343 A1 für die Beheizung des Katalysators eine Glühkerze und eine zweite Batterie vorgesehen, die mittels eines Trennschalters von dem Bordnetz und der Starterbatterie getrennt werden kann, wenn eine Funktionsstörung oder ein Spannungseinbruch zu befürchten ist. In der DE 43 26 384 A1 wird eine Heizeinrichtung über einen Zeitschalter und einen Spannungsprüfer mit einer Gleichspannung beaufschlagt und der Katalysator innerhalb von 90 Sekunden auf eine Temperatur von 300 bis 400°C aufgeheizt. Wenn der Spannungsabfall vorher einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder die vorgeschriebene Zeitspanne abgelaufen ist, wird die Heizeinrichtung abgeschaltet und der Fahrer über ein Warnsignal über die nicht ordnungsgemäße Aufheizung des Katalysators in Kenntnis gesetzt.

Für die enorme Heizleistung ist ein und dieselbe Ursache, genau gesagt die räumliche Anordnung der Heizeinrichtung erkennbar. Bei der DE 43 36 091 A1 besteht das Heizelement aus einem rohrförmigen Bauteil, das eine Wicklung aus Widerstandsdraht enthält, die in der Mitte des Katalysators angeordnet ist. In der Mitte der Wicklung befindet sich ein Abgriff zur Überwachung des Spannungsabfalls, der mit der halben Batteriespannung verglichen wird.

Aus der JP 08049527 A ist eine Heizanordnung für einen Katalysator bekannt, der zum Entgiften der Auspuffabgase von Brennkraftmaschinen einen in einem metallischen Außengehäuse gelagerten Katalysatorträger mit einem Monolithen mit Wabenstruktur aufweist, welche mit katalytisch aktivem Edelmetall beschichtet und zur Reduzierung des Reaktionsverzuges in der Kaltlaufphase motorunabhängig elektrisch beheizbar ist. In dem Zwischenraum zwischen dem Katalysatorträger und dem Außengehäuse ist ein wärmeisolierendes Material vorgesehen, in das die Heizwendel der Heizung eingebettet sind. Die Aufwärmung des Katalysatorträgers beim Kaltstart ist daher sehr zeitabhängig.

In der PCT - Internationale Patentanmeldung WO 96/07021 A1 wird in Längsrichtung gesehen nur ein Teilkörper des Katalysators beheizt, damit dieser schnell seine Betriebstemperatur erreichen kann. Nachteilig ist, daß der beheizte Bereich des Katalysators mit dem kalten Abgasstrom beaufschlagt wird. Die Erwärmung des gesamten Katalysators soll wie bei einem Vorkatalysator durch den erhitzten Abgasstrom erfolgen. Durch einen nicht vollständigen Wärmeaustausch zwischen dem Abgasstrom und dem Katalysator gelangt somit ein erheblicher Teil der Heizwärme ins Freie und die Heizleistung erhöht sich dementsprechend.

Um ohne größeren energiemäßigen Aufwand die zur katalytischen Entgiftung erforderliche Temperatur zu erreichen, wurde in der DE 11 88 373 A3 vorgeschlagen, von dem Hauptabgasstrom einen Nebenstrom für einen Hilfsnachbrenner abzutrennen und mit entsprechend geringerer Leistung mit einer Glühdrahtspirale zu beheizen. Dadurch soll der Hauptabgasstrom auf die notwendige Temperatur gebracht werden. Die bei sehr niedrigen Temperaturen und beim Leerlauf durch den Abgasstrom entstehenden Wärmeverluste können jedoch durch einen Zusatzbrenner nicht verhindert werden. Dies erfordert eine große Heizleistung, so daß die Glühdrahtspirale nur bei laufendem Motor in Betrieb gesetzt werden kann, wenn die Bordnetzspannung nicht über einen zulässigen Wert hinaus herabgesetzt werden soll.

Beim Warmlaufen des Motors kann die erforderliche Betriebstemperatur des Katalysators nicht schnell genug erreicht werden. Die Arbeitsweise des Katalysators ist von daher nicht zufriedenstellend, wenn die zulässigen Abgaswerte entsprechend den kalifornischen Abgasvorschriften ULEV (ULTRA LOW EMISSION VEHIKEL) eingehalten werden sollen. Insbesondere beim Leerlauf, bei einer Betriebsunterbrechung oder bei innerstädtischem Verkehr ist es erforderlich, daß der Katalysator motorunabhängig schnell auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht und gehalten werden kann.

Um auch in der Kaltlaufphase eine volle Katalysatorfunktion zu gewährleisten, bezweckt die Erfindung unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik eine mit geringem konstruktiven Aufwand zu realisierende Heizanordnung für einen Katalysator, insbesondere zum Entgiften der Auspuffabgase von Brennkaltmaschinen, welcher mit einem geringen Energieaufwand und unter Reduzierung von Wärmeverlusten in der Startphase bis zum Erreichen der Ansprechtemperatur motorunabhängig elektrisch beheizbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Reduzierung des Reaktionsverzuges in der Kaltlaufphase durch eine Heizunordnung für den Katalysator gelöst, die einen Verbundheizkörper mit mehrschichtiger Struktur umfaßt und eine dünne temperaturbeständige, wärmeleitend mit dem Außengehäuse oder dem Katalysatorträger verbundene, elektrisch isolierende Trägerschicht und eine dicke, in fester, fließfähiger oder pastöser Form darauf aufgebrachte, elektrisch leitfähige, mit Anschlußelektroden als Widerstandsheizung und Wärmespeicher fungierende, Kohlenstoff, Graphitteilchen und/oder Kohlenstoffasern enthaltende Heizschicht aufweist, welche nach außen gesehen mit einer Wärmedämmschicht ummantelt ist.

Die Erfindung geht davon aus, daß Kohlenstoff elektrisch leitfähig und durch Hindurchleiten eines vergleichsweise niedrigen Stromes in wenigen Sekunden auf die Betriebstemperatur des Katalysators aufheizbar ist. Gleichzeitig ist Kohlenstoff ein guter Wärmeleiter, der die beim Beheizen erzeugte Wärme schnell an den Katalysator abgeben kann. Infolgedessen kann die Anspringtemperatur des Katalysator in einer kurzen Zeitspanne erreicht werden. Andererseits kann durch eine kurzzeitige Inbetriebnahme der Heizschicht in bestimmten Intervallen die Betriebstemperatur wieder hergestellt werden, wenn bei einer vorübergehenden Betriebsunterbrechung der Katalysator auskühlt. Bei Ausbildung einer entsprechenden Schichtdicke der Heizschicht kann außerdem ein Teil der durch exotherme Reaktion in dem Katalysator erzeugte Wärme gespeichert werden.

Schließlich befindet sich die Katalysatorheizung in einem peripheren Bereich des Katalysator außerhalb des Abgasstroms, so daß bei niedriger Abgastemperatur primär kein Verlust der Heizwärme eintreten kann. Die von der Heizschicht erzeugte Wärme kann zuerst auf die äußeren Randbereiche des Katalysatorträgers einwirken, die einer geringeren Abgasströmung ausgesetzt sind. Der Katalysatorträger kann derart in den Randbereichen rasch seine Anspringtemperatur erreichen und mit Einsetzen der exothermen Verbrennung der Schadstoffe wird in kürzester Frist die Betriebstemperatur ermöglicht. Zusätzliche Startkatalysatoren werden deshalb nicht benötigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizschicht bei einem keramischen Monolithen auf der Mantelfläche des Katalysatorträgers selber angeordnet ist. Bei einem Wickelkörper aus Metall wird eine dielektrische Zwischenschicht vorgesehen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Heizschicht eine Zusammensetzung auf, die Kohlenstoff, Graphitpulver, Kohlenstoffasern oder eine Mischung derselben aufweist oder aus einem Gemisch auf der Basis von Graphitteilchen und einem mit Wasser verdünnbarem Bindemittel wie Wasserglas sowie Verstärkungseinlagen besteht, wobei das Verhältnis der Volumenanteile bezogen auf die Ausgangsbestandteile der Graphitteilchen zu dem Bindemittel in Form von Wasserglas in einem Bereich von 1 : 1 bis 3 : 1 rangiert. Aus dieser Mischung oder mit Hilfe von Kohlenstoffasern oder Graphitpulver können beliebige Heizschichten geformt und der unterschiedlich ausgeprägten Bauweise des Katalysators angepaßt werden.

Die Vorteile einer mit einem anorganischen Bindemittel wie Wasserglas hergestellten Heizschicht liegen darin, daß diese längere Zeit hohe Temperaturen aushält. Das bedeutet, daß die Heiztemperatur ohne weiteres an die Betriebstemperatur des Katalysators angepaßt werden kann. Unter Verwendung eines Bindemittels kann die Heizschicht äußerst einfach durch Gießen, Streichen oder Spritzen aufgetragen oder bei Verwendung von Kohlenstoffasern oder mit Verstärkungszusätzen nach Belieben mit hoher Festigkeit ausgestaltet werden. Gegenüber einer auf einem Heizdraht basierenden Heizung ist die Lebensdauer der vorgeschlagenen Heizschicht bedeutend länger. Sie ist außerdem korrosionsbeständig und ihre Herstellung ist äußerst einfach und billig.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektrisch isolierende Trägerschicht und die Wärmedämmschicht hauptsächlich anorganische Stoffe mit faserartigen Verstärkungseinlagen aufweisen. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn für die Trägerschicht und die Wärmedämmschicht Glasfaserzement verwendet wird. Glasfaserzement ist hitzebeständig und besitzt einen mit Wasserglas vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten, wodurch dieser besonders gut als elektrisch isolierende Trägerschicht bei nicht unterscheidbarer Wärmeübertragung Verwendung finden kann.

Schließlich gewährleistet der Einsatz von Glasfaserzement, daß der Verbundheizkörper aus zwei separaten Halbschalen hergestellt werden kann. Bei geteilter Ausbildung der Heizschicht in Form von Halbschalen können vorhandene Katalysatoren nachgerüstet werden, bei denen die Anspringtemperatur infolge der thermischen Alterung besonders schwierig zu erreichen ist. Hierbei werden die Halbschalen wärmeleitend mit dem Außengehäuse des Katalysators verbunden. Der vorzeitige Ersatz eines teuren Abgaskatalysators kann dadurch aufgeschoben werden. Im Vordergrund steht jedoch auch hierbei die Verringerung der Emission von schädlichen Bestandteilen in den Auspuffabgasen von Brennkraftmaschinen, was im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiel näher erläutert werden soll. In den zu dem Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Katalysator mit einer Heizanordnung zum Beheizen der Außenmantelfläche des Katalysatorgehäuse,

Fig. 2 einen Katalysator mit einer Heizanordnung zum Direktbeheizen des Katalysatorträgers,

Fig. 3 eine Heizanordnung, die an der Innenmantelfläche des Katalysatorgehäuses befestigt ist,

Fig. 4 eine aus zwei Schalenhälften aufgebaute Heizanordnung in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist in vereinfachter Darstellung ein Katalysatorgehäuse 1 dargestellt, das gewöhnlich aus zwei Halbschalen von vorgeformten Blechzuschnitten gefertigt und in Höhe der strichpunktiert gezeichneten Mittellinie 2 durch Schweißung oder einen umlaufenden Falz zu einer Baueinheit gasdicht verbunden ist. Das Katalysatorgehäuse 1 weist an seiner linken Endseite einen sich konisch verjüngenden Einströmtrichter 3 mit einem Anschlußflansch 4 auf, der zu einer hier nicht gezeigten Abgasleitung einer Brennkraftmaschine führt. Die über den lichten Querschnitt des Anschlußflansches 4 einströmenden Abgase 5, die durch einen Pfeil verdeutlicht sind, werden in Richtung zu der Stirnfläche 6 des Katalysatorträgers 7 geleitet. Der Katalysatorträger 7 besteht in an sich bekannter Weise aus einem keramischen Monolith oder einem Wickelkörper aus Metall, der mit einer Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden Katalysatorkanälen 8 zur Vergrößerung der Oberfläche versehen ist. Die Oberfläche des Katalysatorträgers 7 ist mit katalytisch aktivem Edelmetall zum Entgiften der Abgase 5 beschichtet. Wie aus der vereinfachten Darstellung erkennbar ist, treffen die Abgase 5 hauptsächlich in einem zentrumsnahen Bereich auf die Stirnseite des Katalysatorträgers 7 und durchströmen in erster Linie die innenliegenden Katalysatorkanäle 8, was außerdem durch den Umstand gefördert wird, daß die Abgase 5 hinter dem Katalysatorträger 7 in einem sich wieder konisch verjüngenden Ausströmtrichter 9 gesammelt und zu einem Auspuffstutzen 11 sowie Schalldämpfer geführt werden, wobei der Auspuffstutzen 11 den gleichen lichten Querschnitt wie der Anschlußflansch 4 aufweist. Die Strömung der Abgase 5 wird auf Grund dieser Sache durch die engeren Abschnitte im Einströmbereich und im Ausströmbereich des Katalysators bestimmt. Da eine Überbeanspruchung der mittleren Katalysatorkanäle 8 hauptsächlich bei vereinfachter kreisrunder und konzentrischer Bauweise des Katalysators zu verzeichnen ist, sind desgleichen flache, sogenannte rennbahnförmige Katalysatorgehäuse 1 entwickelt worden, bei denen die Strömung der Abgase 5 gleichmäßiger über den Querschnitt des Katalysatorträgers 7 verteilt ist. Dennoch werden auch hierbei weniger stark durchströmte Katalysatorkanäle 8 in Erscheinung treten.

Bei diesem Sachverhalt setzt die Erfindung ein, um ein schnelles Aufheizen des Katalysatorträgers 7 beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors oder eines Kraftfahrzeuges zu erreichen. Indem die starke zentrumsnahe Strömung der Abgase 5 bei hoher Gasgeschwindigkeit einen großen Wärmeverlust beinhaltet, der durch den Auspuffstutzen 11 ins Freie gelangen kann, werden die im peripheren Bereich angeordneten Katalysatorkanäle 8 weniger stark durchströmt, so daß eine von außen einwirkende stoßartige Aufheizung mit wesentlich geringeren Wärmeverlusten einhergeht und mit einem Bruchteil des erforderlichen Energieaufwands zu bewerkstelligen ist.

Demzufolge kann die Heizanordnung auf der Außenmantelfläche 12 des Katalysatorgehäuses 1 angeordnet werden, wobei der Katalysatorträger 7 mit seiner Mantelfläche 13 auf der Innenmantelfläche 14 das Katalysatorgehäuses 1 mit einem elastischen Drahtgestrick oder einer Quellmatte 15 stoßfrei gelagert ist. Die Heizanordnung weist gehäuseseitig eine dünne, temperaturbeständige, wärmeleitend mit dem Katalysatorgehäuse 1 verbundene, elektrisch isolierende Trägerschicht 16 aus einem dielektrischen Stoff auf. Hierbei können hauptsächlich anorganische Stoffe wie Quarz, Glas, Keramik, Metalloxide oder Zement mit faserartigen Verstärkungseinlagen als Verbundwerkstoff verwendet werden. Als Verstärkungseinlagen kommen insbesondere anorganische keramische Fasern, Wiskers oder Glasfasern in Betracht, die in Form von Kurzfasern, Vliesen, Matten, Gewebe, Rovings oder dergleichen in die Matrix einfügbar sind.

Besonders vorteilhaft ist, wenn für die Trägerschicht 16 Glasfaserzement verwendet wird. Glasfaserzement kann leicht in der erforderlichen Schichtdicke bis zu 0,5 mm aufgetragen werden. Daneben ist Glasfaserzement hitzebeständig und besitzt einen mit Wasserglas vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten, so daß dieser besonders gut als elektrisch isolierende Trägerschicht 16 bei hinreichender Wärmeübertragung Verwendung finden kann.

In Höhe der Stirnkanten 17 ist die Trägerschicht 16 mit stromführenden streifenförmigen Elektroden 18 bandagiert, die mit der Starterbatterie beziehungsweise dem Bordnetz der Brennkraftmaschine über eine geeignete Stromzuführungsleitung 19 und über einen abschaltbaren Leistungsschalter 21 in Verbindung stehen. Zwischen den Elektroden 18 wird durch Streichen oder Spritzen eine wärmeleitende, elektrisch leitfähige Heizschicht 22 aufgetragen, die aus Kohlenstoff einem Graphitpulver, Kohlenstoffasern oder aus einem Gemisch auf der Basis von Graphitteilchen und einem mit Wasser verdünnbaren Bindemittel wie Wasserglas besteht. Das Verhältnis der Volumenanteile bezogen auf die Ausgangsbestandteile der Graphitteilchen zu dem Bindemittel in Form von Wasserglas soll in einem Bereich von 1 : 1 bis 3 : 1 rangieren. Außerdem wird der Graphitanteil durch den gewünschten elektrischen Widerstandswert oder die Schichtdicke der Heizschicht 22 bestimmt und die Leitfähigkeit der Heizschicht 22 in Abhängigkeit des Graphitanteils eingestellt. Im Verbund mit Kohlenstoffasern oder bei Verwendung von Graphitpulver kann die Heizschicht 22 besonders geformt und eine Flächenwiderstandsheizung mit einer an der Außenmantelfläche 12 des Katalysatorgehäuses 1 adaptierbaren Kontur gebildet werden.

Bei Verwendung einer fließfähigen oder dispersen Mischung unter Verwendung von Wasserglas kann das Aufgetragen in beliebiger Weise durch Gießen, Spritzen oder mittels Pinsel vorgenommen werden. Das Auftragen kann in einer Schicht oder in mehreren Schichten erfolgen, wobei die Schichtdicke zwischen einem halben Millimeter und mehreren Millimetern liegen kann. Bevorzugt werden vergleichsweise dickere Schichten, die ein Vielfaches der Schichtdicke der Trägerschicht 16 betragen können, um die in der Heizschicht 22 und im Katalysatorträger 7 erzeugte Wärme außerdem zu speichern. Bei Ausbildung einer Schichtdicke von 0,5 bis 5 mm kann die Heizschicht in weniger als 30-90 Sekunden bei einer normalen Bordnetzspannung ohne Überbeanspruchung der Batterie auf die Betriebstemperatur des Katalysators aufgeheizt werden. Auf die übliche Batteriespannung soll die Erfindung jedoch nicht eingegrenzt werden, wenn zum Beheizen der elektrisch leitenden Widerstandsschicht ein Umformer 26 zum Erzeugen einer höheren Spannung eingesetzt wird. Daraus resultiert, das die Heizschicht 22 desgleichen zum kurzfristigen Aufheizen des Katalysators in bestimmten Intervallen in Betrieb genommen werden kann, wenn dessen Betriebstemperatur bei einer vorübergehenden Betriebsunterbrechung oder bei Teillast der Brennkraftmaschine unterschritten wird. Die Aufheizung des Katalysators kann hierbei mit Hilfe einer Temperaturüberwachungseinrichtung 27 gesteuert werden.

Um das Abstrahlen von Wärme nach außen zu verhindern, wird über der Heizschicht 22 als äußere Umhüllung eine Wärmedämmschicht 23 vorgesehen, die vorzugsweise den gleichen Aufbau wie die Trägerschicht 16 aufweist und als Verbundwerkstoff mit eingelagerten Verstärkungsfaser ausgebildet ist. Die Wärmedämmschicht 23 kann eine Schichtdicke von 0,5 bis 3 cm aufweisen. Außerdem kann infolge der Abschirmung der durch den Katalysator erzeugten Wärme eine aus einem geeigneten Kunststoff bestehende Hüllschicht vorgesehen werden, mit welcher der Katalysator und die Wärmedämmschicht 23 gegen Stoß und Schlag gesichert ist.

In Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel mit einer auf der Mantelfläche 13 des Katalysatorträgers 7 angeordneten Heizschicht 22 vorgesehen. Hierbei kann der Aufbau der Heizanordnung vereinfacht werden, wenn der Katalysatorträger 7 ein keramischer Monolith ist, der eine dielektrische Mantelfläche 13 aufweist. Das Auftragen der Heizschicht 22 kann unmittelbar auf den Katalysatorträger 7 erfolgen. Bei einem Wickelkörper aus Metall wird auf die Mantelfläche 13 eine dielektrische Zwischenschicht 10 eingefügt, die zum Beispiel aus Aluminiumoxid bestehen kann. Die Schichtdicke der Heizschicht 22 soll möglichst groß gewählt werden und mindestens 0,5 bis 5 mm betragen, damit die Heizenergie dem Katalysatorträger 7 in kurzer Zeitspanne zuführbar ist. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der in die Heizschicht 22 eingelagerten Graphitteilchen wird eine rasche stoßartige Wärmeableitung in den Katalysatorträger 7 gewährleistet, der auf diese Weise ohne Wärmeverluste anspringt und in den peripheren Katalysatorkanälen 8 in wenigen Sekunden die Betriebstemperatur erreicht. Der Beginn der exotherme Verbrennung und Entgiftung der Abgase 5 findet dementsprechend synchron mit dem Vorheizen statt, wodurch der Katalysator in einer kurzer Zeitspanne seine Betriebstemperatur erreichen kann. Die Abgasemissionen können auf diese Weise beim Kaltstart wesentlich verringert und die Abgasvorschriften eingehalten werden. Durch die kurzfristige Aufheizung des Katalysators wird desgleichen eine sehr geringe Heizenergie erforderlich und eine Überbeanspruchung der Batteriespannung vermeidbar, weil das Zuschalten der Heizschicht 22 auch nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Dadurch werden schließlich aufwendige Vorkehrungen gegen das unzulässige Abfallen der Batteriespannung entbehrlich.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der die Heizanordnung an der Innenmantelfläche 14 des Katalysatorgehäuses 1 unter Zwischenschalten einer Wärmedämmschicht 23 befestigt ist. Zwischen der Heizschicht 22 und dem Katalysatorträger 7 befindet sich die Quellmatte 15, die das Durchströmen von kaltem Abgas 5 verhindert. Die in der Heizschicht 22 gespeicherte Wärme wird dadurch ohne Verluste hauptsächlich durch Wärmeleitung und Strahlung auf den Katalysatorträger 7 übertragen. Diese Ausführungsform kann insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Heizschicht 22 in Verbundbauweise mit Hilfe eines Formmodells ausgeführt und bei hohem Druck gepreßt wird. Derartige Formkörper unter Einsatz von Graphitpulver und gegebenenfalls Kohlenstoffasern können Temperaturen von weit über 1000°C aushalten. Die Heizschicht 22 wird vor dem Montieren des Katalysators mit den beiden Gehäusehälften zusammenfügt und jeweils an den Elektroden 18 mit einer angemessen Stromzuführungsleitung 19 versehen, die mit dem Bordnetz verbunden ist.

In prinzipiell gleicher Weise ist eine in Fig. 4 gezeigte, in Verbundbauweise aus zwei Halbschalen 24 bestehende Heilanordnung ausgebildet, die insbesondere zum Nachrüsten von bestehenden Katalysatoranlagen vorgesehen ist. Hierbei weist die Heizunordnung einen mehrschichtigen Aufbau ausgehend von einem Formmodell auf, das mit der jeweiligen Katalysatorkontur identisch ist. Die Trägerschicht 16, die Heizschicht 22 und die Wärmedämmschicht 23 werden in Verbundbauweise in einer zuvor beschriebenen Weise hergestellt. Die Halbschalen 24 werden mit Hilfe von Schellen 25 an der Außenmantelfläche 12 befestigt. Dadurch können in Gebrauch befindliche Katalysatoren nachgerüstet werden. Die Entgiftung der Motorabgase kann so bei geringem konstruktiven Aufwand wesentlich verbessert werden.

Claims (9)

1. Heizanordnung für einen Katalysator, insbesondere für einen geregelten Dreiwegekatalysator, der zum Entgiften der Auspuffabgase von Brennkaltmaschinen einen in einem metallischen Außengehäuse gelagerten Katalysatorträger mit Wabenstruktur aufweist, welcher mit katalytisch aktivem Edelmetall beschichtet und zur Reduzierung des Reaktionsverzuges in der Kaltlaufphase motorunabhängig elektrisch beheizbar ist, umfassend in Verbundbauweise eine dünne temperaturbeständige, wärmeleitend mit der Außenmantelfläche (12) oder der Innenmantelfläche (14) des Katalysators oder der Mantelfläche (13) des Katalysatorträgers (7) verbundene, elektrisch isolierende Trägerschicht (16) und eine dickere, in fester, fließfähiger oder pastöser Form darauf aufgebrachte elektrisch leitfähige, mit Elektroden (18) versehene, als Widerstandsheizung und Wärmespeicher fungierende Heizschicht (22), welche nach außen gesehen mit einer Wärmedämmschicht (23) ummantelt ist.

2. Heizanordnung für einen Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschicht bei einem keramischen Monolithen auf einer dielektrischen Mantelfläche (13) des Katalysatorträgers (7) selber, bei einem Wickelkörper aus Metall durch Einfügen einer dielektrischen Zwischenschicht (10), angeordnet ist.

3. Heizanordnung für einen Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschicht (22) 0,5 bis 5 mm dick ausgebildet und in weniger als 30 bis 90 Sekunden auf die Betriebstemperatur des Katalysators aufheizbar ist.

4. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizschicht (22) aus Kohlenstoff, Graphitpulver, Kohlenstoffasern oder unter Verwendung derselben aus einem Gemisch auf der Basis von Graphitteilchen und einem mit Wasser verdünnbaren Bindemittel wie Wasserglas sowie gegebenenfalls Verstärkungseinlagen zusammengesetzt ist, wobei das Verhältnis der Volumenanteile bezogen auf die Ausgangsbestandteile der Graphitteilchen zu dem Bindemittel in Form von Wasserglas in einem Bereich von 1 : 1 bis 3 : 1 rangiert.

5. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die elektrisch isolierende Trägerschicht (16) als auch die Wärmedämmschicht (23) hauptsächlich anorganische Stoffe wie Quarz, Glas, Keramik, Metalloxide oder Zement mit anorganischen faserartigen Verstärkungseinlagen aufweist.

6. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß keramische Fasern, Wiskers oder Glasfasern in Form von Kurzfasern, Vliesen, Matten, Gewebe, Rovings als Verstärkungseinlage vorgesehen sind.

7. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (16) eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.

8. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Trägerschicht (16) und die Wärmedämmschicht (23) - Glasfaserzement vorgesehen ist.

9. Heizanordnung für einen Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizanordnung zwei Halbschalen (24) jeweils in Verbundbauweise aufweist, die wärmeleitend mit der Außenmantelfläche (12) des Katalysators verbunden sind.