DE19826284A1

DE19826284A1 - Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit Katalysator

Info

Publication number: DE19826284A1
Application number: DE19826284A
Authority: DE
Inventors: Achim Donnerstag
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: DE19826284B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit katalytischer Reinigung bzw. Zerlegung von heißen Abgasen mit wenigstens zwei Katalysatorträgern im Abgasweg der Abgasanlage.

In Abgasanlagen von Ottomotoren betriebene, bekannte Katalysatoren haben nach einem Kaltstart des Motors eine Warmlaufphase von etwa ein bis zwei Minuten. In dieser Zeit werden bei einem Test gemäß den Anforderungen der Emissionsvorschriften in Europa und USA mehr als drei Viertel der im Gesamttest anfallenden Schadstoffe ausgestoßen. Erst nach Einsetzten der Betriebsbereitschaft des Katalysatorsystems findet eine nahezu völlige Reinigung der Abgase statt. Durch die immer schärfer werdenden Emissionsvorschriften in Europa und USA ist daher die Zeitspanne zwischen Motorstart und Betriebsbereitschaft des Katalysators ein zunehmend kritischer Bereich.

Zur Verbesserungen wurden bisher aktive Systeme vorgeschlagen, die während oder vor der Anspringphase das Katalysatorsystem beheizen. Eine bekannte Lösung ist hierbei beispielsweise ein Kraftstoffbrenner, der dem Einspritzsystem des Fahrzeugs Kraftstoff entnimmt, diesen mit zugeführter Luft verbrennt und die heißen Abgase über den Kataly sator leitet und diesen somit aufheizt. Ferner wurde auch eine elektrische Beheizung des Katalysators, insbesondere eines Vorkatalysators, vorgeschlagen. Ein derartiger soge nannter E-Kat ist dem Hauptkatalysator vorgeschaltet und wird ab Motorstart elektrisch beheizt. Die nicht verbrannten Abgasbestandteile reagieren exotherm auf dem E-Kat und heizen den nachfolgenden Hauptkatalysator auf. Diese Systeme sind jedoch aufwendig und verbrauchen zusätzliche Energie.

Ferner ist als passive Methode zur schnelleren Heizung eine motornahe Anordnung von Vor- und Hauptkatalysator bekannt. Dabei wird die Wärmesenke, welche sich aufgrund des Abgassystems ergibt, verkleinert und so der Wärmeverlust zwischen Motor und Katalysator verringert, was letztlich zu einer schnelleren Aufheizung des Katalysatorsystems führt. Dies ist jedoch aufwendig und je nach Motor- und Kfz-Typ nicht immer in der gewünschten Weise realisierbar.

Aus der EP 0 604 992 A1 ist es als weitere Lösung bekannt, daß nach dem Starten des Verbrennungsmotors mindestens einer der Abgasbehandlungskörper möglichst rasch auf seine erforderliche Betriebstemperatur dadurch aufgeheizt wird, daß in der Warmlaufphase eine Bypass-Leitung Teile des Abgassystems überbrückt und die Abgase direkt in einen Teil des Katalysatorsystems geleitet werden. Die zusätzlichen Teile für das Bypass-System sind jedoch aufwendig, teuer und störanfällig.

In der EP 0 693 616 A1 wird ferner vorgeschlagen einen ersten Katalysatorträger im Abgas strom in einem Metallmantel einzubetten, so daß ein geringer Luftspalt zum Gehäuse des gesamten Katalysatorsystems ausgebildet wird. Dies vermindert den Wärmeübergang vom ersten Katalysatorträger zur Umgebung und verkürzt damit die Aufheizzeit. Dies schafft aber nur geringe Verbesserungen und ist darüber hinaus aufwendig und teuer.

Aus der EP 0 526 611 B1 ist es ferner bekannt, daß eine erhöhte Zahl der Öffnungen pro Fläche im Wabenkörper eine verbesserte Katalysatorwirkung aufgrund einer verminderten Diffusionslänge durch die kleineren Öffnungen bewirkt. Die Aufheizzeit wird dadurch jedoch nicht beeinflußt bzw. infolge der größeren thermischen Masse eher verlängert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und die Anspringphase nach einem Kaltstart des Motors verkürzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung der o.g. Art mit den in An spruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der in Strömungsrichtung gesehen erste Katalysatorträger ein kleineres Volumen als der zweite oder jeder folgende Katalysatorträger und eine Zelldichte von 90 cm^-2 oder mehr aufweist.

Dies hat den Vorteil, daß durch die kleineren Abmessungen bei erhöhter Wirksamkeit des ersten Katalysators weniger Wärmeenergie zum Aufheizen auf Betriebstemperatur benötigt wird und daher eine wesentlich schnellere Aufheizung erfolgt. Dies ist dabei unabhängig von der Katalysatorbeschichtung, so daß teure Spezialbeschichtungen und auch alle sonst üblichen aktiven Systeme entfallen können. Auch eine motornahe Katalysatoranordnung ist entbehrlich.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dabei der erste Katalysatorträger derart ausgebildet, daß das Verhältnis von geometrischer Oberfläche zu Wärmekapazität des Trägerkörpers acht oder mehr beträgt, wobei dieser Zahlenwert in m² *K/kJ bestimmt ist.

Für eine optimale Verkürzung der Aufheizphase des Katalysatorsystems beträgt das Volumen des ersten Trägers vorzugsweise 5% bis 50%, insbesondere 50%, des Volumens eines Folgeträgers.

Ein einfacher und kostengünstiger Aufbau ergibt sich dadurch, daß die Katalysatorträger Katalysatorscheiben sind.

In vorteilhafter Weise ist dabei der erste Katalysatorträger ein metallischer Katalysatorträger und der zweite oder jeder weitere Katalysatorträger ein keramischer Katalysatorträger. Dies verbesserte weiter die Wärmeleit- und Aufheizeigenschaften.

Zum Erzielen einer geringen Wärmekapazität weist in vorteilhafter Weise der erste Katalysa torträger motorseitig oder beidseitig eine Stirnfläche auf, welche kleiner oder gleich der Stirnfläche des oder der nachfolgenden Katalysatorträger ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Wärmetransports von der Kanallänge in einem Katalysatorträger,

Fig. 2 eine erste vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 4 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie in Fig. 2 darge stellt, umfaßt ein Vorrohr 10, eine erste Katalysatorscheibe 12, eine zweite Katalysator scheibe 14 und ein Abgasrohr 16. Die Darstellung gemäß Fig. 2 ist dabei eine konzentrische Anordnung der Katalysatorscheiben 12 und 14. Die Darstellung gemäß Fig. 3 ist eine exzen trische Anordnung der Katalysatorscheiben 12 und 14 und die Ausführungsform gemäß Fig. 4 zeigt eine räumliche Trennung der beiden Katalysatorscheiben 12 und 14. Hierbei ist zusätzlich ein Zwischenrohr 18 zwischen der ersten und der zweiten Katalysatorscheibe 12 bzw. 14 vorhanden.

Der in Strömungsrichtung ersten Scheibe 12 kommt dabei die Funktion einer "Anspring scheibe" zu. Diese Scheibe ist als guter Wärmetauscher ausgebildet. Wie sich aus der in Fig. 1 dargestellten Abhängigkeit des Wärmetransports, hier ausgedruckt durch die dimen sionslose Nußelt-Zahl, von der Kanallänge ergibt, fällt nämlich die Wärmeleitung auf den ersten vier Millimetern um etwa vier Größenordnungen ab. Daher sind viele Stellen mit hoher Nußelt-Zahl, also viele Zellen, vorteilhaft. Während in gebräuchlichen Katalysatorträgern Zelldichten von 40 bis 65 cm^-2 angewendet werden, ist erfindungsgemäß bei der ersten Scheibe eine Zelldichte von 90 cm_-2, 90 cm^-2 bis 120 cm^-2 oder mehr vorgesehen.

Die dadurch einstellbare hohe geometrische Oberfläche des Trägers sorgt für einen vorteilhaft hohen Koeffizienten von geometrischer Oberfläche zur Wärmekapazität des Trägermaterials. Dieser Quotient (in m²*K/kJ) wird erfindungsgemäß auf acht oder mehr eingestellt und kann durch eine geeignete Materialauswahl und durch Verringerung der Materialstärke noch weiter erhöht werden.

Um die Wärmekapazität gering zu halten ist die Stirnfläche der ersten Scheibe 12 kleiner oder höchstens gleich der der nachfolgenden Scheibe 14.

Die nachfolgende(n) Scheibe(n) 14 werden von der Anspringscheibe 12 durch die auf dieser stattfindenden exothermen Reaktion aufgeheizt. Bei hoher Motorbelastung stellen die Folge scheiben 14 eine vollständige Abgasreinigung sicher. Ferner kann dadurch die erste Scheibe 12 "überlaufen" werden, was diese vor Alterung schützt. Mit anderen Worten können Mittel vorgesehen sein, die bei hoher Belastung den Abgasstrom von der ersten Scheibe 12 fernhalten oder die erste Scheibe ist derart ausgebildet, daß diese bei hoher Motorbelastung inaktiv ist. Bei niedrigen Motorbelastungen werden von den Folgescheiben 14 Abgas bestandteile umgesetzt, die eventuell die erste Scheibe 12 noch passiert haben.

Die Folgescheiben 14 sind ferner ähnlich wie bekannte Träger aufgebaut und mit deutlich niedrigeren Zelldichten im Bereich von etwa 40 bis 65 cm^-2 ausgebildet als die erste Scheibe 12.

Das Volumen der ersten Scheibe 12 beträgt beispielsweise 5% bis 50% des Volumens der Folgescheiben 14. Vorzugsweise liegt dieser Wert bei 25%.

Als Material für die Katalysatorträger kommen bekannte Werkstoffe, wie beispielsweise Metall und Keramik für die erste und die Folgescheiben 12, 14 in beliebiger Kombination in Frage.

Der Winkel zwischen den Katalysatormittelachsen von erster und Folgescheiben 12 und 14 beträgt in den in Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen 0 Grad. Dieser Winkel kann jedoch auch beliebige Werte annehmen, so daß ein schräger oder kurviger Verlauf der Abgasströmung zwischen den Scheiben 12 und 14 zustande kommt.

Claims

1. Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit katalytischer Reinigung bzw. Zerlegung von heißen Abgasen mit wenigstens zwei Katalysatorträgern (12,14) im Abgasweg der Abgasanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strömungsrichtung gesehen erste Katalysatorträger (12) ein kleineres Volumen als der zweite oder jeder folgende Katalysatorträger (14) und eine Zelldichte von 90 cm^-2 oder mehr aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysatorträger (12) derart ausgebildet ist, daß das Verhältnis von geometrischer Oberfläche zu Wärmekapazität des Trägermaterials acht m² *K/kJ oder mehr beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des ersten Trägers (12) 5% bis 50%, insbesondere 50%, des Volumens eines Folgeträgers (14) beträgt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorträger (12, 14) Katalysatorscheiben sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysatorträger (12) ein metallischer Katalysatorträger ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite oder jeder weitere Katalysatorträger (14) ein keramischer Katalysatorträger ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysatorträger (12) motorseitig oder beidseitig eine Stirnfläche aufweist, welcher kleiner oder gleich der Stirnfläche des oder der nachfolgenden Katalysa torträger ist.