DE2139772A1

DE2139772A1 - Verfahren zur katalytischen abgasbehandlung in kraftfahrzeugen mit benzinbetriebenen verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2139772A1
Application number: DE2139772A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Chem Dr Niklas; August Dipl Phys Dr Pro Winsel
Original assignee: VARTA AG
Current assignee: VARTA AG
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1971-08-09
Publication date: 1973-03-22
Also published as: FR2144510A5; JPS4827124A; IT961246B; GB1378208A

Description

Reg. Nr. 6 OP 165 DT 21. Dez. 1972

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VARTA Aktiengesellschaft 6 Prankfurt/Main

Verfahren zur katalytisehen Abgasbehandlung in Kraftfahrzeugen mit benzinbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur katalytisehen Nachbehandlung von Abgasen in benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen mit verkürzter Anspringzeit des katalytischen Reaktors.

Abgase aus Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen enthalten bekanntlich Schadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, deren Konzentration in der luft von Ballungsgebieten bedrohliche Formen angenommen hat. Deshalb wurden in vielen Ländern den Automobilherstellern gesetzliche Auflagen gemacht", nach denen die Schadstoffemissionen vorgegebene Höchstwerte nicht überschreiten dürfen. Diese Schadstoffwerte werden in einem Fahrzyklus ermittelt, der neben Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen auch den Kaltstart bei 20⁰C mit umfaßt.

Man kann die Schadstoffkonzentration durch katalytischem Nachbehandlung des Abgases verringern. Zu diesem Zweck wird das unvollständig verbrannte heiße Abgas in ein reduzierendes Katalysatorbett geleitet, in dem die Stickoxide zu Ammoniak reduziert werden. Danach führt man frische Verbrennungsluft in das Abgas ein und leitet das Gemisch über einen Oxydationskatalysator. In diesem Katalysatorbett bildet sich aus Kohlenmonoxid da3 in geringen Konzentrationen unschädliche Kohlendioxid, und auch die unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffe werden zu Wasser und

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Kohlendioxid oxydiert. Aus dem Ammoniak bilden sich jedoch zum großen Teil bei der Nachverbrennung Stickoxide zurück, wenn man diese nicht an einem Ammoniak-Spaltkatalysator hinter der katalytischen Reduktionszone in Wasserstoff- und Stickstoffgas zerlegt. Auf diese Weise gelingt es, den Schadstoffgehalt des Abgases in allen Fahrbereichen des warmen Motors im Mittel unter den vorgegebenen Höchstwerten zu halten.

. Die kritische Phase bei der Abgasnachbehandlung ist jedoch der Kaltstart. In den ersten 200 s nach dem Start reicht die Temperatur des Katalysators nicht aus, um die gewünschten katalytischen Reaktionen durchzuführen. In diesem Zeitraum wirft der Motor jedoch einen besonders hohen Schadstoffanteil aus, der voll in die Atmosphäre bzw. in den Abgastest übergeht.

Man hat schon Überlegungen angestellt, das Katalysatorbett auf die Betriebstemperatur vorzuheizen, bevor man den Motor anläßt. Dieses Verfahren erfordert jedoch wegen der großen Temperaturdifferenz eine sehr leistungsstarke Heizung; denn die Wärmekapazität des Katalysatorbettes ist um so größer, je größer dessen Masse ist.

Es wurde gefunden, daß sich bei der Inbetriebnahme des katalytischen Abgasreaktors besonders die Wasserkondensation in den Poren des kalten Katalysators ungünstig auswirkt. Man kann dies dadurch verhindern, daß man das Katalysatorbett auf eine Temperatur vorwärmt, bei der keine Kapillarkondensation in den Mikroporen mehr erfolgen kann. 150⁰C erveist sich in fast allen Fällen als ausreichend; meist kommt man jedoch mit Temperaturen aus, die noch näher am Siedepunkt des Wassers liegen.

Außerdem hat sich gezeigt, daß man zur Verbesserung des Abgases in der Anlaßphase nicht das ganze· Katalysatorbett

auf der Betriebstemperatur zu haben braucht. Da man in dieser Phase mit einem überfetteten, reduzierenden Benzin-Luft-Gemisch im Motor führt, in dem praktisch keine Stickoxide vorhanden sind, genügt die Aufheizung eines Teils des oxydierenden Katalysatorbettes zur Abgasverbesserung. Dieser Teil soll ein scheibenförmiger Bereich sein, der den Querschnitt des Abgassystems an einer Stelle voll ausfüllt.

Die Aufheizung des Katalysatorbettes oder eines Teils davon kann mit Hilfe einer Benzinbrennerflamme erfolgen; man kann sie jedoch auch elektrisch vornehmen. Die elektrische Heizung hat den Vorteil, daß man den Heizleiter als Wärmequelle in das oft schlecht leitende Katalysatorbett so einbauen kann, daß ein scheibenförmiger Bereich gleichmäßig und schnell auf die Betriebstemperatur gebracht wird.

Bei Mehrbettkatalysatoren hat.es sich als zweckmäßig erwiesen, die fetten Abgase des kalten Motors nicht zunächst in das reduzierende Katalysatorbett zu leiten, sondern es mit einem Bypass um diesen herum unter Zuführung von Verbrennungsluft sofort in das vorgewärmte oxydierende Bett zu leiten. Dadurch wird die ganze Abgaswärme und die Wärme der Nachverbrennung im Katalysatorbett frei, so daß dieses insgesamt sehr schnell die Betriebstemperatur annimmt. Mit einer elektrischen Zündung des Nachverbrennungsgemisches kann man diesen Vorgang noch beschleunigen. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, wird der Bypass aufgehoben und das reduzierende Bett zu dessen Aufheizung durchströmt.

Fig. 1 zeigt das Verfahrensschema. Der Motor Mo bekommt bei (1) Benzin und bei (2) Verbrennungsluft zugeführt. V ist das Ventil zur Einschaltung des Bypasses BP für das Reduktionsbett RB des Abgasreaktors. Der Kompressor Ko saugt bei (3) Luft an und führt sie bei (5) in die Abgaoleitung ein, so daß dem oxydierenden Bett OB den Abgasreaktors ein verbrennung^ fertige;« Cioraluch augeführt v/ird. HZ bezeichnet dj e Hrjjz,j;ono den Ox idationrjbetteu; dao lot der Bereich,

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der vorweg auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird und den Querschnitt des Abgaskanals im Oxydationsbett ausfüllt. (4) bezeichnet den Auspuff.

Dem Fachmann ist geläufig, daß man diesen Vorgang der Vorheizung des Oxydationsbettes und- der Einschaltung des Bypasses mit dem Anlaßvorgang koppeln kann. Man kann z. B. die Vorheizung in der Heizzone HZ mit dem Zündschlüssel einschalten und die Zündung erst dann freigeben, wenn ein Thermofühler "die Betriebstemperatur in HZ als erreicht meldet. Damit ist sichergestellt, daß vom Anlassen des kalten Motors an das unvollständig verbrannte Abgas auf einen betriebsbereiten Katalysator trifft. Auch die Stellung des Bypassventils V kann man durch den Betriebszustand des Motors oder Abgassystems steuern. Z. B. kann man den Bypass ausschalten, wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, oder man kann die Temperatur des Oxydationsbettes in dem Bereich, der dem Auspuff benachbart ist, zur Steuerung der Ventilstellung für den Bypass ausnutzen.

- Patentansprüche -

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Claims

m t? ^im Reg. Nr. 6 DP 165 DT 21. Dez. 1972 P 21 39 772.8 * 6 P Pnn/mü 2I39772 Patentansprüche

1. Verfahren zur katalytisehen Abgasbehandlung in Kraftfahrzeugen mit benzinbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen, in denen das Abgas einem katalytischen Abgasreaktor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett oder ein Teil des Bettes auf eine Temperatur von über 100⁰C vorgeheizt wird.

.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung durch Widerstandsheizung mittels elektrischer Energie vorzugsweise aus der Fahrzeugbatterie erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeheizte Teil des Katalysators ein scheibenförmiger Bereich des Oxydationskatalysators auf der Einlaßseite des Abgases ist und daß dieser Bereich den gesamten Querschnitt des Abgaskanals ausfüllt.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anfahrphase des Motors das Reduktionsbett des Abgasreaktors mittels eines Bypasses bo lange umgangen wird, bis der Motor oder das ■ Oxydationsbett.die Betriebstemperatur erreicht hat.

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