DE19826284B4

DE19826284B4 - Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit Katalysator

Info

Publication number: DE19826284B4
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: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: DE19826284A1

Abstract

Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit katalytischer Reinigung und/oder 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 Zellen/cm² oder mehr aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit katalytischer Reinigung und/oder 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 Einsetzen 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 Verbesserung 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 Katalysator leitet und diesen somit aufheizt. Ferner wurde auch eine elektrische Beheizung des Katalysators, insbesondere eines Vorkatalysators, vorgeschlagen. Ein derartiger sogenannter 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 DE 40 24 942 A1 ist ein Abgaskatalysator, bestehend aus einem monolithischen metallischen Wabenkörper mit variierender Kanalzahl bekannt. Der Wabenkörper weist zwei oder mehr in Strömungsrichtung hintereinanderliegende Teilabschnitte auf, in welchen die Anzahl von Blechen und von Kanälen pro Querschnittsfläche und somit die Querschnittsfläche der einzelnen Kanäle variiert. Hierdurch soll das Anspringverhalten und die Temperaturverteilung im Inneren des Wabenkörpers verbessert werden. Die Anzahl von Kanälen pro cm² soll dabei beispielsweise in einem ersten Abschnitt des Wabenkörpers 8 bis 16 betragen, in einem zweiten Abschnitt etwas 31 bis 77 und in einem gegebenenfalls erforderlichen dritten Abschnitt ca. 16 bis 31.
Aus der US 5 083 427 A ist eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem aus zwei Katalysatoren bestehenden Katalysatorsystem bekannt. Hierbei ist für ein rasches thermisches Anspringen des Katalysatorsystemes ein erster, kleinvolumiger Katalysator beabstandet zu einem Hauptkatalysator angeordnet, wobei dieser als Filterkatalysator bezeichneter erste Katalysator ca. 10% bis 20% des gesamten Katalysatorvolumens umfasst und eine Zellendichte von ca. 31 bis 62 Zellen/cm² aufweist.
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 Abgasstrom 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 Anspruch 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 Zellen/cm² 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 Katalysatorträger 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
1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Wärmetransports von der Kanallänge in einem Katalysatorträger,
2 eine erste vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung,
3 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung und
4 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie in 2 dargestellt, umfasst ein Vorrohr 10, einen ersten, als Katalysatorscheibe ausgebildeten Katalysatorträger 12, einen zweiten, als Katalysatorscheibe ausgebildeten Katalysatorträger 14 und ein Abgasrohr 16. Die Darstellung gemäß 2 ist dabei eine konzentrische Anordnung der Katalysatorträger 12 und 14. Die Darstellung gemäß 3 ist eine exzentrische Anordnung der Katalysatorscheiben und die Ausführungsform gemäß 4 zeigt eine räumliche Trennung der beiden Katalysatorscheiben. Hierbei ist zusätzlich ein Zwischenrohr 18 zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorträger 12 bzw. 14 vorhanden.
Der in Strömungsrichtung ersten Katalysatorscheibe kommt dabei die Funktion einer "Anspringscheibe" zu. Diese Katalysatorscheibe ist als guter Wärmetauscher ausgebildet. Wie sich aus der in 1 dargestellten Abhängigkeit des Wärmetransports, hier ausgedrückt durch die dimensionslose 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 Zellen/cm² angewendet werden, ist erfindungsgemäß bei der ersten Katalysatorscheibe eine Zelldichte von 90 Zellen/cm², 90 Zellen/cm² bis 120 Zellen/cm² 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 Katalysatorscheibe kleiner oder höchstens gleich der der nachfolgenden Katalysatorscheibe.
Die nachfolgende(n) Katalysatorscheibe(n) werden von dem ersten Katalysatorträger 12 durch die auf dieser stattfindenden exothermen Reaktion aufgeheizt. Bei hoher Motorbelastung stellen die folgenden Katalysatorscheiben eine vollständige Abgasreinigung sicher. Ferner kann dadurch die erste Katalysatorscheibe "überlaufen" werden, was diese vor Alterung schützt. Mit anderen Worten können Mittel vorgesehen sein, die bei hoher Belastung den Abgasstrom von der ersten Katalysatorscheibe fernhalten oder die erste Katalysatorscheibe ist derart ausgebildet, dass diese bei hoher Motorbelastung inaktiv ist. Bei niedrigen Motorbelastungen werden von den folgenden Katalysatorscheiben Abgasbestandteile umgesetzt, die eventuell die erste Katalysatorscheibe noch passiert haben.
Die folgenden Katalysatorträger 14 sind ferner ähnlich wie bekannte Träger aufgebaut und mit deutlich niedrigeren Zelldichten im Bereich von etwa 40 bis 65 Zellen/cm² ausgebildet als die erste Katalysatorscheibe.
Das Volumen der ersten Katalysatorscheibe beträgt beispielsweise 5% bis 50% des Volumens der folgenden Katalysatorscheiben. Vorzugsweise liegt dieser Wert bei 25%.
Als Material für die Katalysatorträger 12 und 14 kommen bekannte Werkstoffe, wie beispielsweise Metall und Keramik für die erste und die folgenden Katalysatorscheiben in beliebiger Kombination in Frage.
Der Winkel zwischen den Katalysatormittelachsen von erster Katalysatorscheibe und den folgenden Katalysatorscheiben beträgt in den in 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 Katalysatorscheiben zustande kommt.

Claims

Anordnung für eine Kfz-Abgasanlage mit katalytischer Reinigung und/oder 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 Zellen/cm² oder mehr aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorträger (12) derart ausgebildet ist, dass das Verhältnis von geometrischer Oberfläche zu Wärmekapazität des Trägermaterials 8 m²·K/kJ oder mehr beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des ersten Katalysatorträgers (12) 5% bis 50%, insbesondere 50%, des Volumens eines folgenden Katalysatorträgers (14) beträgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorträger (12, 14) Katalysatorscheiben sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorträger (12) ein metallischer Katalysatorträger ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite oder jeder weitere Katalysatorträger (14) ein keramischer Katalysatorträger ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorträger (12) motorseitig oder beidseitig eine Stirnfläche aufweist, welche kleiner oder gleich der Stirnfläche des oder der nachfolgenden Katalysatorträger (14) ist.