DE2333092A1

DE2333092A1 - Abgasreinigungsanlage

Info

Publication number: DE2333092A1
Application number: DE19732333092
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Ing Oetting
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1975-01-16

Description

VOLKSWAGENWEHK Aktiengesellschaft

518 Wolfsbur/?
Unsere Zeichen: K 1514
1702-Pt-We/Sf

28.6. 73

Abgasreinigungsanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einem in einer Abgaführenden Leitung eingeschalteten Katalysator.

Zum Zwecke der Reinigung der in einer Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsabgase von darin enthaltenen Schadstoffen 13t es bekannt, der Brennkraftmaschine eine Abgasreinigungsanlage, beispielsweise eine mit Katalysatoren arbeitende Eachverbrennungsanlage, nachzuschalten. Diese Katalysatoren bestehen entweder direkt aus einer die chemische Umsetzung der schädlichen Gasbestandteile bewirkenden Katalysatormasse oder aus einem mit dieser Katalysatormasse überzogenen Trägermaterial. Dabei kann das Trägermaterial entweder ein Schüttgut oder ein Peststoffkörper (Monolith) mit durchgehenden Kanälen sein. Um günstige Arbeitsergebnisse zu erzielen, ist es jedoch erforderlich, daß die Betriebstemperatur . der Abgasreinigungsanlage sich innerhalb eines bestimmten,

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verhältnismäßig hochliegenden Temperaturbereiches befindet. Während unterhalb der Grenzen dieses Temperaturbereiches die Umsetzung der Schadstoffe nur unzureichend ist, besteht bei Temperaturen oberhalb dieses Bereiches die Gefahr der Zerstörung der Abgasreinigungsanlage.

Besondere Schwierigkeiten entstehennun beim Start einer Brennkraftmaschine aus dem kalten Zustand, da in diesem Betriebszustand eine längere Zeit vergeht, ehe die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase die Abgasreinigungsanlage auf die zur Erzielung befriedigender Abgasv/erte erforderliche Betriebstemperatur gebracht haben. Während dieser Zeit gelangen die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe im wesentlichen unumgewandelt in die Atmosphäre, was besonders deshalb bedenklich ist,weil gerade während des Kaltstartbetriebes einer Brennkraftmaschine die sich aus der unvollkommenen Verbrennung ergebenden schädlichen Bestandteile an Kohlenmonoxyd, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxyden in besonders großem Maße vorhanden sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine Abgasreinigungsanlage zu schaffen, die auch während des Startbetriebes der Brennkraftmaschine schon zu arbeiten in der Lage ist und die ihre volle Leistung in kürzester Zeit erreicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine zuschaltbare Heizvorrichtung vorgesehen ist, die zumindest einen Teilbereich des Katalysators auf einer das fruhzeitigeAnspringen der katalytischen Umwandlungsreaktion sicherstellenden Temperatur hält. Dadurch, daß die von der Erfindung vorgeschlagene Heizvorrichtung, die gegebenenfalls nach einer vorbestimmten Zeit, beispielsweise nach 48 Stunden, abgeschaltet werden könnte, zumindest einen Teilbereich des Katalysators nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine auf der Anspringtemperatur hält, ist sichergestellt, daß schon während des Anwerfens der Brennkraftmaschine zumindest ein Teil der Abgase gereinigt werden kann. Da die Umwandlungsreaktion unter Wärmeabgabe erfolgt, werden durch die dabei freigesetzte Wärme auch die übrigen Bereiche des Katalysators verhältnismäßig schnell auf die zur Umwandlung notwendige Betriebs-

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temperatur gebracht. Zur Aufheizung des Katalysators trägt selbstverständlich auch die in den von der Brennkraftmaschine herangeführten Abgasen enthaltene Wärme bei.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen sein, die entweder aus der der Brennkraftmaschine zugeordneten Batterie oder aus einem externen Energienetz gespeist wird.

Da esaus Kostengründen nicht zweckmäßig sein dürfte, den gesamten Katalysator für längere Zeit nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine zu heizen, soll gemäß der Erfindung nur ein im wesentlichen in der Mitte zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsquerschnitt liegende Teilbereich des Katalysators heizbar sein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Katalysator mehrere scheibenförmige, im Abstand voneinander angeordnete Teile aufweist, von denen ein mittlerer Teil heizbar ist. Diese Aufteilung in mehrere Einzelteile ermöglicht eine gute und wirkungsvolle Isolierung des mittleren, beheizten Teiles, so daß die für Beheizung aufzuwendende Energie verhältnismäßig klein gehalten werden kann.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung soll die Heizvorrichtung in der Weise ausgebildet sein, daß die Temperaturverteilung in dem beheizten Katalysatorteilbereich dem Geschwindigkeitsprofil des beim Betrieb der Brennkraftmaschine durch diesen Querschnitt strömenden Abgases entspricht. Auch diese Maßnahme soll die Zuführung der Heizenergie klein halten und sicherstellen, daß die zugeführte Energie möglichst günstig ausgenutzt wird.

TJm die Wärmeverluste des Katalysators möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, wenn das den Katalysator aufnehmende Gehäuse zumindest in dem beheizten Katalysatorteilbereich eine Värmeisolation aufweist. Eine Beschränkung der Konvektionsverluste kann weiter dadurch erreicht werden, daß der Katalysator an der höchsten Stelle der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist oder daß zumindest die Abgas-

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leitung im Bereich des Katalysators waagerecht ausgerichtet ist.

Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise in

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Abgasreinigungsanlage mit einem in einer Abgasleitung eingeschalteten, beheizbaren Katalysator und

Figur 2 ein Diagramm, das über dem Katalysatorradius R

den Verlauf der Abgasgeschwindigkeit ν und der von der Heizvorrichtung zu haltenden Temperatur T zeigt.

In der Figur 1 ist mit 1 eine Abgasreinigungsanlage gezeigt, die ein in einer Abgasleitung 5 eingeschaltetes Gehäuse 2 mit einem in drei scheibenförmige Teile 4» 5 und 6 aufgeteilten Katalysator aufweist. Die einzelnen Katalysatorteile 4 bis 6 sind mit Abstand voneinander angeordnet, so daß axiale Spalte 7 und 8 entstehen, die das mittlere Katalysatorteil 5 von den beiden Endteilen 4 und 6 trennen. Das mittlere Katalysatorteil 5 weist eine Heizvorrichtung 10 auf, die im wesentlichen aus Heizdrähten 11 besteht, die von einer Batterie 12 entsprechend der Stellung eines Schalters 13 gespeist werden. Um die Wärmeverluste des Katalysators möglichst klein zu halten, ist das Katalysatorgehäuse 2 im Bereich der Katalysatorteile von einer Wärmeisolierung 9 umgeben.

Die von der Erfindung vorgeschlagene Heizvorrichtung 10, die mit oder nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine wenigstens für eine gewisse Zeit zugeschaltet wird, soll nun zumindest in einem Teilbereich des Katalysators eine Temperatur aufrechterhalten, die nach erneutem Start der Brennkraftmaschine ein frühzeitiges Einsetzen der Umwandlungs-

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reaktion ermöglicht. Die Höhe dieser Temperatur hängt von der Art des Katalysators und von der konstruktionsbedingten Größe der Wärmeverluste der von der Brennkraftmaschine zugeführten Abgase zwischen Motorbrennraum und dem Katalysator in der Anspringphase ab. Sind beispielsweise die Leitungen zwischen der Abgasreinigungsanlage und dem Brennraum der Brennkraftmaschine sehr kurz und gut isoliert, so weist das aus der Brennkraftmaschine austretende Abgas auch in der Startphase verhältnismäßig hohe Temperaturen auf, die eine schnelle Aufheizung des Katalysators ermöglichen. In diesem Fall kann die von der Heizvorrichtung zu haltene Temperatur wesentlich niedriger liegen, als bei einer Anlage, in der eine verhältnismäßig lange und damit Wärmeverluste erzeugende Yerbindungsleitung zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasreinigungsanlage vorgesehen ist. Bei günstiger Ausführung kann die von der Heizvorrichtung zu haltene Temperatur niedriger als etwa 200 - 3OO⁰ C sein.

Um nun die für die Temperaturhaltung zuzuführende Energie auf einen möglichst niedrigen Pegel zu halten, empfiehlt es sich, nur einen Teilbereich des Katalysators, vorzugsweise einen mittleren Querschnitt des Katalysators auf dieser Anspringtemperatur zu halten. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß die benachbarten, nicht direkt beheizten Teilbereiche des Katalysators selbst als Wärmeisolierung wirken, zumal das Trägermaterial der heute üblichen Katalysatoren aus einem gut wärmeisolierenden Material besteht. Eine weitere Isolierung des beheizten mittleren Katalysatorbereiches ergibt sich, wenn, wie in der Zeichnung gezeigt ist, der Katalysator in mehrere scheibenförmige Teile geteilt ist, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Die in der Figur 1 zu erkennenden axialen Spalte 7 und 8, die den mittleren, beheizten Katalysatorteil 5 von den beiden Endteilen 4 und 6 trennen, wirken nämlich mit ihrem Gaspolster als besonders gute Isolierung. Auch an dem äußeren, den Katalysator aufnehmenden Gehäuse 2 soll eine gute Wärmeisolierung 9 vorhanden sein, so daß die Wärmeverluste aus dem Katalysator aahr gering bleiben. Wenn weiter die Eohrleitungen in der Umgebung des Katalysators möglichst waagerecht ausgerichtet sind oder wenn die Abgasreinigungsanlage an der höchsten Stelle der Abgasrohrleitung angeordnet ist, dann können dadurch besonders die durch Konvektion bedingten Wärmeverluste niedrig gehalten werden.

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Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung stellt nun sicher, daß auch nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine zumindest ein Teilbereich des Katalysators, bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung der mittlere scheibenförmige Teil 5, auf der Anspringtemperatur gehalten wird. Die Heizvorrichtung kann dabei so durch eine hier nicht gezeigte Regelvorrichtung geregelt werden, daß für eine bestimmte Zeit nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine die Solltemperatur gehalten wird. Diese Zeit könnte beispielsweise 48 Stunden betragen, wobei davon ausgegangen wird, daß die Mehrzahl der Kraftfahrzeuge, für die im wesentlichen die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage gedacht ist, nicht mehr als 48 Stunden hintereinander außer Betrieb ist. Nach dieser Zeit könnte die Heizvorrichtung, beispielsweise mittels eines Zeitgerätes, abgeschaltet werden, damit die Energieaufnahme aus der Batterie 12 oder einem ähnlichen Energiespeicher nicht zu groß wird.

Selbstverständlich wäre es auch denkbar, die Heizvorrichtung 10 so auszubilden, daß sie wahlweise auch mit einem externen Energienetz verbindbar ist. So wäre es beispielsweise bei einem in einer Garage abgestellten Kraftfahrzeug ohne Schwierigkeiten möglich, die Heizvorrichtung an das Haus-Stromnetz anzuschließen.

Erfindungsgemäß soll die Heizvorrichtung weiterhin so ausgebildet und angeordnet sein, daß in dem beheizten Katalysatorquerschnitt eine Temperaturverteilung vorliegt, die im wesentlichen dem Geschvindigkeitsprof.il des bei Betrieb der Brennkraftmaschine durch diesen Querschnitt strömenden Abgases entspricht. In der Figur 2 ist mit gestrichelten ^xLinien der Verlauf der Geschwindigkeit über dem Radius des im Querschnitt kreisförmigen Katalysators gezeigt. Dabei ergibt sich, daß in einem mittleren Bereich des Katalysators eine etwa konstante Geschwindigkeit vorliegt, die am Rand (Rg. . = Katalysatoraußenradius) bis auf den Vert 0 abfällt. Entsprechend soll die Temperatur in dem beheizten Katalysatorbereich einen in der Figur 2 mit ausgezogenen Linien angedeuteten Verlauf nehmen, bei dem sie in dem mittleren Bereich einen zum Anspringen des Katalysators ausreichenden

Wert T. einnimmt, der in dem Randbereich auf einen wesentlich Anspr·

niedrigeren Wert T„ , abfällt. Diese Ausbildung des Temperaturprofils,

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die durch eine entsprechende Konzentrierung der Heizdrähte in dem achsnahen Bereich des Katalysators erreicht werden kann, bewirkt nun eine besonders wirtschaftliche Ausnutzung der zugeführten Energie, indem nur diejenigen Bereiche des Katalysators warm gehalten werden, in denen ein besonders hoher Umsatz an Schadstoffen erfolgt, während die wesentlich niedriger beaufschlagten Eandpartien beim Startvorgang vernachlässigt werden können. Dadurch, daß die Randtemperaturen des Katalysators auch in dem beheizten Teilbereich verhältnismäßig niedrig liegen, kann die Wärmeabgabe an die Wand auf relativ kleine Werte begrenzt werden.

Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage stellt also sicher, daß für eine bestimmte Zeit nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Temperatur zumindest in einem Teilbereich des Katalysators aufrechterhalten wird. Dieser Teilbereich des Katalysators sorgt also sofort oder bald nach dem Anstellen der Brennkraftmaschine für eine zumindest teilweise Eeinigung der Abgase, wobei die infolge der exothermen Umwandlungsreaktion entstehende reaktionswärme eine schnelle Aufheizung auch der anderen Katalysatorbereiche zusammen mit der in dem Abgas enthaltenen Wärme bewirkt. Dadurch ist schon wenige Augenblicke nach dem Anstellen der Brennkraftmaschine der gesamte Katalysator betriebsbereit, so daß auch die gerade während des Startvorganges mit kaltem Motor in besonders großem Maße anfallenden schädlichen Abgasbestandteile umgewandelt werden können.

Es wäre auch denkbar, die erfindungsgemäße Katalysator-Heizvorrichtung mit an sich bekannten Steuergeräten auszurüsten, die ein Einschalten der Heizvorrichtung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt bewirken. Abweichend von der zuvor beschriebenen Betriebsweise, bei der die Anspringtemperatur im Katalysator für marimal 48 Stunden nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine aufrecht erhalten wird, könnte so durch entsprechende Einstellung des Steuergerätes das Zuschalten der Heizvorrichtung auch erst zu einem für die Aufheizung des Katalysators ausreichend frühen Zeitpunkt vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine erreicht werden.

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Claims

AlTSP Ht* CHE

1.J Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren, mit einem in einer abgasführenden Leitung eingeschalteten Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine zuschaltbare Heizvorrichtung (10) vorgesehen ist, die zumindest einen Teilbereich (5) des Katalysators (4» 5» 6) auf einer das frühzeitige Anspringen der katalytischen Umwandlungsreaktion sicherstellenden Temperatur hält.

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (10.) nach einer vorbestimmten Zeit abschal tbar ist.

3· Abgasrei-iigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Heizvorrichtung (10) vorgesehen ist.

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4· Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizvorrichtung (10) aus einer der Brennkraftmaschine zugeordneten Batterie (12) gespeist ist.

5· Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung aus einem externen Energienetz gespeist ist.

6. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen in der Mitte zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsquerschnitt liegender Teilbereich (5) des Katalysators heizbar ist.

7· Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mehrere scheibenförmige, im Abstand voneinander angeordnete Teile (4» 5t 6) aufweist, von denen ein mittlerer Teil (5) heizbar ist.

8. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (1O) in der V/eise ausgebildet ist, daß die Temperaturverteilung über den Querschnitt des beheizten Katalysatorbereichs dem Geschwindigkeitsprofil des beim Betrieb der Brennkraftmaschine durch diesen Querschnitt strömenden Abgases entspricht.

9. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Katalysator (4 - 6) aufnehmende Gehäuse (2) zumindest in dem beheizten Katalysatorteilbereich eine Wärmeisolation (9) aufweist.

10. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (4 - 6) an der höchsten Stelle der Abgasleitung (3) der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

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11. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (5) zumindest im des Katalysators (/] - 6) waagerecht ausgerichtet ist.

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