DE19836250C1 - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor ist mit einem Adsorber für Kohlenwasserstoffe und einem dem Adsorber in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Katalysator versehen. Der Adsorber weist eine Durchgangsbohrung, insbesondere im zentralen Bereich, auf. Am Eingang oder im Eingangsbereich des Katalysators sind ein oder mehrere Einrichtungen angeordnet, durch die eine in Richtung auf die Außenbereiche des Katalysators gerichtete Strömung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Ver­ brennungsmotor nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Abgasanlage ist z. B. aus der EP 0 697 505 A1 bekannt. Auch die EP 0 661 098 A2 zeigt einen vor einem Katalysator angeordneten Adsorber, welcher eine Durchgangsbohrung für einen freien Durch­ fluß von Abgasen besitzt.

Problematisch im Fahrbetrieb bei einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der einen Katalysator in der Abgasanlage aufweist, ist jeweils der Kaltstart, da hier eine katalytische Nachbehandlung der Abgase durch das niedrige Temperaturniveau im Katalysator noch nicht erfolgt. Erst bei Katalysatortemperaturen von 200 bis 400°C (je nach Art und Zustand des Kata­ lysators) beginnt die Umsetzung der reaktiven Kompo­ nenten Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO), die ihrerseits Reaktionswärme erzeugen (Exothermie). Nach dem Beginn der ersten Umsetzung wird somit ket­ tenreaktionsartig, innerhalb einer nur kurzen Zeit­ spanne, ein ausreichendes Betriebstemperaturniveau für eine nahezu 100%ige Umsetzung der Abgaskomponenten CO, HC und auch von Stickstoffoxiden (No_x) gewährlei­ stet.

Aus dem vorstehend genannten Stand der Technik ist es deshalb bereits bekannt, direkt nach dem Kaltstart die HC-Emission des Verbrennungsmotores von einem dem Ka­ talysator vorgeschalteten HC-Adsorber, der im allge­ meinen auf Zeolith-Basis basiert, zwischenzuspeichern bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht. Durch die ebenfalls ansteigende Adsorbertemperatur wird ab einem bestimmten Temperaturbereich wieder die Desorption des gespeicherten HC eingeleitet. Die desorbierten HC sollen dann in dem mittlererweile auf­ geheizten nachfolgenden Katalysator umgesetzt werden.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch nur beschränkt tauglich, denn eine HC-Desorption in dem Adsorber tritt bereits in einem Temperaturbereich auf, in wel­ chem der nachgeschaltete Katalysator noch nicht "angesprungen" ist. Dies bedeutet, die desorbierten Kohlenwasserstoffe können noch nicht oxidiert werden und passieren unverändert das Abgasreinigungssystem. Diese "Temperaturlücke" zwischen einer Desorption der in dem Adsorber zwischengespeicherten Kohlenwasser­ stoffe und dem Anspringen des Katalysators kann mit den derzeitig bekannten Maßnahmen und Materialien nicht geschlossen werden. Zwar könnten mit Wärmetau­ schern, klappengesteuerte Bypässe und dergleichen oder mit beweglichen Teilen versehene Einrichtungen Verbes­ serungen geschaffen werden, aber diese scheiden auf­ grund ihrer Aufwendigkeit, Haltbarkeits- oder Kosten­ gründen im Allgemeinen aus.

In den EP 0 697 505 A1 und 0 661 098 A2 wird eine Ver­ besserung des Kaltstartproblemes dadurch erreicht, daß der Adsorber mit ein oder mehreren Durchgangsbohrungen versehen ist. Auf diese Weise wird ein Teilstrom unge­ hindert durch das Loch des Adsorbers, also am Adsorber vorbei geleitet, während ein weiterer Teilstrom der Kaltstartemission durch die Peripherie des Adsorbers geleitet und dort eine HC-Adsorption erreicht wird. Der andere Teilstrom, der durch die Durchgangsbohrung geleitet wird, wird somit ohne HC-Adsorption und ohne Abkühleffekt direkt zur Aufheizung des nachfolgenden Katalysators verwendet. Auf diese Weise wird der Kata­ lysator eintrittsseitig im Zentrum (bei einer zentra­ len Durchgangsbohrung) mit dem Teilstrom relativ schnell aufgeheizt, so daß seine Anspringtemperatur in diesem Bereich früher erreicht wird. In Verbindung mit der dann entstehenden Exothermie, was den Tempera­ turanstieg beschleunigt, findet dann ein zunehmend rascher Temperaturanstieg und damit ein Anspringen des Katalysators in den übrigen Bereichen statt.

In nachteiliger Weise wird dabei jedoch in Kauf genom­ men, daß der Teilstrom, der anfangs durch die Durch­ gangsbohrung strömt, bis zum Anspringen des Katalysa­ tors das System ungereinigt verläßt. Darüber hinaus dauert es auch immer noch eine Zeit bzw. entsteht auch bei den vorbekannten Abgasanlagen noch eine deutliche Temperaturlücke bis die Außenbereiche des Katalysators so weit aufgeheizt sind, daß die von dem Adsorber be­ reits vorher desorbierten Kohlenwasserstoffe umgewan­ delt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der die "Temperaturlücke" zwischen der Desorption des Adsorbers und dem Anspringen des Katalysators so gering wie möglich gehalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Ebenso wie beim Stand der Technik trifft ein Teil­ strom, der durch die Durchgangsbohrung in dem Adsorber geströmt ist, zum Aufheizen des Katalysators konzen­ triert auf eine kleine Fläche des Eintrittsquerschnit­ tes des Katalysators. Dort wird sehr schnell die An­ springtemperatur und damit frühzeitig eine weitere exotherme Wärmeerzeugung erreicht. Im Unterschied zu den bekannten Katalysatorausgestaltungen mit der axia­ len Ausrichtung der Abgasströmung werden jedoch erfin­ dungsgemäß nunmehr auf die Außenbereiche des Katalysa­ tors gerichtete Strömungen erzeugt, womit auch die Randbereiche des Katalysators relativ rasch erwärmt werden. Insbesondere nach Erreichen der Anspringtempe­ ratur in dem kleinen Flächenbereich und der dann ent­ stehenden Exothermie, wird auf diese Weise auch sehr schnell eine Anspringtemperatur in den Außenbereichen des Katalysators erreicht, so daß die von dem Adsorber desorbierten Kohlenwasserstoffe, die in die Außenbe­ reiche des Katalysators einströmen, deutlich früher umgewandelt werden können.

Die auf die Außenbereiche des Katalysators gerichtete Strömung läßt sich auf verschiedene Weise erzeugen. So sind z. B. strömungsumlenkende Leiteinrichtungen, die entsprechende Querströmungen erzeugen, wie z. B. (schräge) Bohrungen, Kanäle, Leiteinrichtungen oder dergleichen, möglich. Gleiches gilt für Kreuzkanalaus­ bildungen des Katalysators im Eingangsbereich.

In Anspruch 6 ist eine Alternativlösung, die auf dem gleichen Lösungsprinzip basiert, beschrieben.

Durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung vor dem Katalysator oder in dessen Eingangsbereich werden die Außenbereiche des Katalysators abgedeckt. Dies bedeutet, nicht nur der Teilstrom, der ungehin­ dert durch die Durchgangsbohrung in dem Adsorber strömt, trifft in einem zentralen Bereich auf den Ka­ talysator, sondern auch der Teilstrom bzw. die Teil­ ströme, die durch den Adsorber verlaufen, wobei eine Adsorption von HC stattfindet. Durch die Umlenkung bzw. zwangsweise nach innen geführte Teilströmung, welche ebenfalls noch eine erhöhte Temperatur besitzt, wird auf diese Weise eine schnellere Erwärmung des zentralen Eingangsbereiches des Katalysators erreicht. Mit anderen Worten: beide Teilströme aus dem Adsorber werden vermischt und auf eine begrenzte Eintrittsflä­ che des Katalysators konzentriert. Der Teilstrom, der durch den Adsorber geführt ist, bringt zwar zunächst eine gewisse Abkühlung des Abgases für den aufzuhei­ zenden Bereich des Katalysators, allerdings ist dieser relativ gering im Vergleich zu dem Stand der Technik.

Dies bedeutet, es erfolgt im Zentrum des Katalysators ein deutlich schnellerer Temperaturanstieg, als wenn die gesamte Eintrittsfläche beaufschlagt werden müßte, womit der Katalysator schneller anspringt. Auch bei der darauf folgenden Desorption der HC wird der Ge­ samtstrom immer noch durch die mittlerweile ausrei­ chend aufgewärmte Mitte des Katalysators gezwungen. Die äußeren Randbereiche des Katalysators sind zwar zu diesem Zeitpunkt noch immer kalt, sie werden jedoch auch nur geringfügig mit Abgas beaufschlagt, da sie im Strömungsschatten liegen. Aus diesem Grunde ist die Menge der HC-Emission, die unkonvertiert diese kühlen Randbereiche passiert, nur von untergeordneter Bedeu­ tung.

Wenn sich bei höherer Motorleistung und nach der Kalt­ startphase der Durchsatz durch den Adsorber und den Katalysator entsprechend erhöht, werden zwangsweise durch die Erzeugung eines Gegendruckes auch die Rand­ bereiche des Katalysators durchströmt, so daß dann seine vollständige Wirksamkeit zur Verfügung steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzip­ mäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil einer Abgasanlage mit einem Adsor­ ber und einem Katalysator nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Teil einer Abgasanlage mit einem Adsor­ ber und einem Katalysator in einer ersten er­ findungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 3 einen Teil einer Abgasanlage mit einem Adsor­ ber und einem Katalysator in einer zweiten er­ findungsgemäßen Ausführungsform, und

Fig. 4 einen Teil einer Abgasanlage mit einem Adsor­ ber und einem Katalysator in einer dritten er­ findungsgemäßen Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 ist ein bekannter Adsorber 1 mit einer Durchgangsbohrung 2 im zentralen Bereich versehen. Mit geringem Abstand von dem Adsorber ist in Strömungs­ richtung ein Katalysator 3 nachgeschaltet.

Wie aus den Pfeilen ersichtlich ist, strömt ein Teil­ strom durch den Adsorber 1, wobei HC adsorbiert wer­ den, während ein weiterer Teilstrom zentral und unge­ hindert durch die Durchgangsbohrung 2 strömt. Auf die­ se Weise entsteht im Eingangsbereich des Katalysators 3 im Zentrum ein kleiner Bereich 4 mit einer erhöhten Temperatur. Von diesem Bereich 4 aus beginnt dann nach einem entsprechenden Anspringen des Katalysators die Konversion der Abgase, wobei sich der Bereich 4 im wesentlichen in die gestrichelte Richtung erstreckt.

Wie ersichtlich, durchströmt auf diese Weise ein er­ heblicher Teil des Restabgases die deutlich kälteren Außenbereiche des Katalysators, wobei die von dem Ad­ sorber vor Erreichen der "Anspringtemperatur" des Ka­ talysators freigegebenen Kohlenwasserstoffe ohne Kon­ version den Katalysator im Außenbereich durchströmen und verlassen.

Durch die Größe bzw. Länge des Spaltes zwischen dem Adsorber 1 und dem Katalysator 3 kann man den Vermi­ schungsgrad der Kaltströme beim Eintritt in den Kata­ lysator 3 zwar beeinflussen, aber der Wirkungsgrad ist immer noch ungenügend. Bei einem geringen Spalt er­ folgt eine schnellere Aufheizung des Zentrums des Ka­ talysators und eine geringere Vermischung, bei einem größeren Abstand erfolgt zwar eine bessere Durch­ mischung in Querrichtung, allerdings bedeutet dies eine Reduzierung der Aufheizgeschwindigkeit des nach­ folgenden Katalysators, denn die zur Verfügung stehen­ de Wärme muß nun auf einen größeren Bereich verteilt werden, womit die Anspringtemperatur auch später er­ reicht wird.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2 sind der Adsorber 1 und der Katalysator 3 mit geringem oder gegebenenfalls ohne Abstand direkt "auf Block" aneinandergesetzt. Der Teilstrom, der zum Aufheizen des Katalysators 3 durch die Durchgangsboh­ rung 2 des Adsorbers 1 einströmt, trifft konzentriert auf den zentralen kleinen Bereich 4 des Katalysators 3. Auf diese Weise wird sehr schnell die Anspringtem­ peratur und damit frühzeitig eine weitere exotherme Wärmereaktion erreicht. Durch in der Fig. 2 nicht nä­ her dargestellte Einrichtungen 5 wird gemäß Pfeile eine Quer- bzw. Schrägströmung erreicht, womit ein radialer Strömungsausgleich im Katalysator 3 geschaf­ fen wird.

Die Einrichtungen, die eine entsprechende zu den Au­ ßenbereichen des Katalysators gerichtete Strömung er­ zeugen, können beliebige Ausgestaltungen besitzen.

Zur Verstärkung des Effektes der Querströmungen kann am hinteren Ende bzw. am Ausgang des Katalysators 3 im zentralen Bereich eine Abdeckscheibe 6 vorgesehen sein, welche wenigstens annähernd dem Querschnitt bzw. Durchmesser der Durchgangsbohrung 2 entspricht. Durch die Abdeckscheibe 6 wird ein Verschluß der Strömungs­ kanäle im Zentrum des Katalysators 3 an dessen Aus­ trittsseite und damit eine direkte Durchströmung die­ ser Kanäle vollkommen unterbunden. Daraus resultiert ein entsprechender Gegendruck, der den Abgasstrom in die peripheren Kanäle bzw. die Außenbereiche des Kata­ lysators 3 leitet.

In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform darge­ stellt, wobei der Katalysator 3 in zwei Katalysator­ teile 3a und 3b aufgeteilt ist, welche hintereinander liegen und durch einen Spalt 7 voneinander getrennt sind. Der erste Katalysatorteil 3a ist im Vergleich zu dem zweiten Katalysatorteil 3b bezüglich seiner Durch­ strömungslänge um ein Mehrfaches kürzer. In dem ersten Katalysatorteil 3a bildet sich durch den die Durch­ gangsbohrung 2 durchströmende Abgasteilstrom wiederum ein Bereich 4 mit einer erhöhten Temperatur, in dem der Katalysator 3 zuerst anspringt. Dadurch, daß der erste Katalysatorteil 3a praktisch nur eine relativ dünne Scheibe darstellt, erwärmt sich dieser sehr schnell, so daß auch hier die Konversionstemperatur relativ schnell erreicht wird. Durch den nachfolgenden Spalt 7 kann eine Vermischung der Abgasteilströme in Querrichtung bzw. in radialer Richtung stattfinden, so daß schließlich mit Hilfe des ersten Katalysatorteils 3a, in dem durch die Exothermie ein entsprechend hohes Temperaturniveau erreicht wird, auch zum Zeitpunkt der Desorption von HC am Adsorber 1 die katalytische Um­ setzung der desorbierten Kohlenwasserstoffe im gesam­ ten Katalysatorvolumen gesichert ist.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei durch eine Lochblende 8, welche sich in einem Spalt 9 zwischen dem Adsorber 1 und dem nachgeschalteten Katalysator 3 befindet, eine Einrich­ tung geschaffen wird, durch die die Außenbereiche des Katalysators 3 abgeschirmt sind. Wie ersichtlich, wer­ den auch die die wirksamen Bereiche des Adsorbers durchströmenden Abgase durch die Lochblende 8 nach innen in den zentralen Bereich gezwungen und strömen auf diese Weise auch in den Innenbereich des Katalysa­ tors, in welchem sich wiederum ein Bereich 4 mit einer erhöhten Temperatur befindet, in welchem der Katalysa­ tor 3 zuerst anspringt. Bei höherer Motorleistung ver­ teilen sich dann die durch die Lochblende 8 gezwunge­ nen Abgasströme wieder auf den gesamten Bereich des Katalysators 3, so daß dieser dann voll für eine Ab­ gaskonversion zur Verfügung steht.

Die Öffnungsweite der Lochblende 8 kann wenigstens annähernd dem Durchmesser der Durchgangsbohrung 2 ent­ sprechen. Wenn die Öffnungsweite der Lochblende 8 ein- bzw. verstellbar ist, dann lassen sich die Abgasströme zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage noch besser steuern.

Claims (9)

1. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Adsorber für Kohlenwasserstoffe und einem dem Ad­ sorber in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Katalysator, wobei der Adsorber mit einer Durch­ gangsbohrung, insbesondere im zentralen Bereich, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang oder im Eingangsbereich des Katalysa­ tors (3) ein oder mehrere Einrichtungen (5) ange­ ordnet sind, durch die eine in Richtung auf die Außenbereiche des Katalysators (3) gerichtete Strömung erzeugt wird.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangsbereich des Katalysators (3) strömungs­ umlenkende Leiteinrichtungen (5) angeordnet sind.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangsbereich des Katalysators (3) als Ein­ richtungen, durch die eine in Richtung auf die Au­ ßenbereiche des Katalysators (3) gerichtete Strö­ mung erzeugt wird, Bohrungen, Kanäle oder derglei­ chen angeordnet sind, deren Längsachse schräg oder senkrecht zur Längsachse des Katalysators (3) ge­ richtet ist.

4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärtigen Ende des Katalysators (3) eine Abdeckscheibe (6) angeordnet ist, die wenigstens annähernd in einer axialen Verlängerung zu der Durchgangsbohrung (2) in dem Adsorber (1) liegt.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (3) zweigeteilt ist, wobei ein erstes Katalysatorteil (3a) in Strömungsrichtung um ein Mehrfaches kürzer ist als ein zweites Kata­ lysatorteil (3b), und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorteil die Einrich­ tung(en) (7) angeordnet ist (sind), durch die eine in Richtung auf die Außenbereiche des zweiten Ka­ talysatorteils (3b) gerichtete Strömung erzeugt wird.

6. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Adsorber für Kohlenwasserstoffe und einem dem Ad­ sorber nachgeschalteten Katalysator, wobei der Ad­ sorber mit einer Durchgangsbohrung, insbesondere im zentralen Bereich, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Katalysator (3) oder in dessem Eingangsbe­ reich eine Einrichtung (8) angeordnet ist, durch die die Außenbereiche des Katalysators (3) abge­ schirmt sind.

7. Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Lochblende (8) aufweist, die zwischen dem Adsorber (1) und dem Katalysator (3) angeordnet ist.

8. Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Lochblende (8) wenigstens annä­ hernd dem Durchmesser der Durchgangsbohrung (2) durch den Adsorber (1) entspricht.

9. Abgasanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsweite der Lochblende (8) verstellbar ist.