DE4105734A1

DE4105734A1 - Verfahren zum schnellen erwaermen eines in einer abgasreinigungsvorrichtung angeordneten katalysators auf eine anspring-temperatur, insbesondere 3-wege-katalysator von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4105734A1
Application number: DE4105734A
Authority: DE
Inventors: Eckard Pueschel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1991-02-23
Filing date: 1991-02-23
Publication date: 1992-08-27

Description

Die Erfindung geht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 von der WO 90/14 507 aus.

Der Gegenstand dieser Druckschrift betrifft ein Verfahren zur Verkürzung der Ansprechzeit eines im Stand der Technik bekannten Katalysators mit katalytisch wirkenden Stoffen in einer Zwischenschicht (wash-coat) auf einem Träger, z. B. einem keramischen Monolithen. Bekanntlich ist für eine einwandfreie Konversion der im Abgas ent haltenen Schadstoffe eine solch hohe Temperatur erforder lich, die weder beim Starten einer kalten Brennkraft maschine gegeben noch durch die Abgase der gestarteten Brennkraftmaschine rasch erreicht wird. Da die gängigen katalytischen Stoffe bereits unterhalb der optimalen Umwandlungstemperatur ansprechen, sind zur relativ schnellen Erwärmung des Katalysators auf diese Anspring- Temperatur verschiedene Verfahren und/oder Vorrichtungen bekanntgeworden.

So ist neben der zusätzlichen Erhitzung des Abgases z. B. mit der GB-A-13 49 426 vorgeschlagen worden, den Monolithen eines 3-Wege-Katalysators kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine zumindest partiell elektrisch zu erwärmen zum schnelleren Erreichen der Anspring-Tempera tur. Aus der DE-A-23 33 092 ist ein 3-Wege-Katalysator mit unterschiedlich großen Monolithen bekannt, wobei der kleinste Monolith mittels einer elektrischen Heizvorrich tung nach Abstellen der Brennkraftmaschine bis zum näch sten Start auf Temperatur gehalten wird. Diese bekannten Heizvorrichtungen belasten das elektrische Bordnetz eines Fahrzeuges erheblich.

Beim Gegenstand der eingangs erwähnten gattungsbildenden Schrift ist ein scheibenförmiger Abschnitt eines Katalysator-Monolithen in einem Hohlraumresonator einer über einen Hohlleiter angeschlossenen Mikrowellen-Quelle angeordnet. Ziel dieser Anordnung ist, die katalytisch wirkenden Stoffe und diese fixierende, metallische Zwischenschicht auf dem Monolithen mittels der Mikrowel len rasch auf das Niveau der Anspring-Temperatur zu brin gen. Da aufgrund der von den Postbehörden zugelassenen Betriebsfrequenzen für Mikrowellen-Einrichtungen die Nennweite des Hohlraumresonators größer gewählt werden muß als die der Abgasleitung, ist mit der Ausbildung des Hohlraumresonators im Gehäuse des 3-Wege-Katalysators bei dieser bekannten Anordnung eine baulich günstige Lösung erreicht. Nachteilig dagegen ist die nicht ausreichend beherrschbare Aufheizung der Zwischenschicht mittels Mikrowellen, wobei die Gefahr des Durchglühens der Zwischenschicht als größter Nachteil anzusehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum schnellen Erreichen der Anspring-Temperatur eines Katalysators unter Verwendung einer Mikrowellen-Quelle aufzuzeigen, wobei eine Beschädigung der Zwischenschicht des Katalysators trotz rascher Aufheizung vermieden ist.

Gelöst wird die Aufgabe nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 dadurch, daß ein strömungsfähiges Medium aus als elektrische Dipole vorgegebenen Elementen in einem Mikrowellenfeld aufgeheizt und mit dem Abgas strom dem Katalysator zugeführt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die schnelle Erwär mung des Katalysators über ein mit dem Abgasstrom zuge führtes Wärmeübertragungsmittel bewirkt, dessen Tempera tur über die Mikrowellen-Quelle sicher beherrschbar ist. Das Verfahren gestaltet sich besonders einfach wenn als Medium ein Anteil des Abgases gewählt wird. Besonders einfach und effizient bei relativ geringem Leistungsauf wand aus dem elektrischen Bordnetz wird das Verfahren bei Verwendung des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes als Wärmeübertragungsmittel. In dem durch ein Mikrowellenfeld vorzugsweise eines Hohlraumresonators einer über einen Hohlleiter angeschlossenen Mikrowellen-Quelle, insbeson dere Magnetron, geleiteten Abgasstrom wird der enthaltene Wasserdampf derart überhitzt, daß zumindest die kataly tisch wirkenden Stoffe - wie z. B. Platin und/oder Rodium - im Abgas-Anströmbereich des Katalysators durch Wärme übertragung auf eine Anspring-Temperatur - ca. 250°C bis 280°C - gebracht werden. Mit der bei Anspring-Temperatur beginnenden exothermen Konversion der Abgasschadstoffe wird schließlich der übrige Bereich des Katalysators auf die entsprechende Konversions-Temperatur gebracht.

Da das Wärmeübertragungsmittel Wasserdampf bei gestarte ter Brennkraftmaschine sowohl unmittelbar gegeben ist als auch erst durch Verdampfen von in der Abgasleitung befindlichem Kondenswasser durch die Mikrowellen-Quelle mittelbar erzeugt ist und dieser Wasserdampf schnell überhitzt werden kann, braucht das erfindungsgemäße Verfahren erst nach abgeschlossenem Startvorgang der Brennkraftmaschine eingeleitet zu werden. Dies hat den Vorteil der geringeren Belastung des Bordnetzes beim Startvorgang der Brennkraftmaschine, wobei mit Beginn der Katalysator-Heizphase der Stromgenerator der Brennkraft maschine bereits Energie dem Bordnetz zuführt.

Für Aufbau und Anordnung einer Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere auf die EP-B-01 91 437 der Anmelderin verwiesen.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines bevorzugten Beispiels erläutert.

Eine Brennkraftmaschine umfaßt eine Abgasreinigungs vorrichtung mit einem üblichen 3-Wege-Katalysator. Dieser soll nach einem Start der Brennkraftmaschine rasch auf eine Anspring-Temperatur gebracht werden. Hierfür ist die Abgasreinigungsvorrichtung stromauf des 3-Wege-Katalysator mit einem Hohlraumresonator einer über einen Hohlleiter angeschlossenen Mikrowellen-Quelle - z. B. Magnetron - angeschlossen. Der Hohlraumresonator kann gemäß den Fig. 1 und 2 der bereits weiter o. g. EP-B-01 91 437 als E₀₁₀-Resonator gemäß der Schwingungs mode E₀₁₀ oder aber gemäß den Fig. 3 und 4 der vorgenann ten EP-B-01 91 437 als H₀₁₁- oder als E₀₂₀-Resonator betrieben werden. Bei der erstgenannten Ausführung besitzen die elektrischen Feldlinien ihr Maximum im Bereich der Rotationsachse des Hohlraumresonators, während bei der zweitgenannten Ausführung der Bereich hoher Energiedichte mit einer Ringzone um die Rotations achse des Hohlraumresonators zusammenfällt.

In jedem der vorgenannten Beispiele führt ein Betrieb der jeweiligen Mikrowellen-Quelle mit Frequenzen von 2,425 bis 2,475 GHz dazu, daß im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltener Wasserdampf beim Durchgang durch das im Hohl raumresonator anliegende Mikrowellenfeld bis auf ca. 500°C bis 600°C überhitzt wird. Der derart überhitzte Wasserdampf wird mit dem Abgasstrom dem 3-Wege-Katalysator zugeführt. Die auf einem Monolithen des 3-Wege-Katalysators in einer metallenen Zwischen schicht (wash-coat) fixierten katalytisch wirkenden Stoffe wie Platin und/oder Rodium u. a. werden beim Kontakt mit dem überhitzten Wasserdampf durch Wärmeüber tragung zumindest im Abgas-Anströmbereich des 3-Wege-Katalysators rasch auf die jeweilige Anspring- Temperatur gebracht. Mit dieser beginnt zumindest partiell eine wärmefreisetzende bzw. exotherme Konversion von Abgas-Schadstoffen im 3-Wege-Katalysators, der in seinen übrigen Bereichen durch eine sich rasch steigernde Konversion die übliche Umwandlungstemperatur erreicht.

Zur sicheren und raschen Überhitzung relativ großer Wasserdampfmengen im Abgas können auch mehrere Hohlraum resonatoren vorgesehen werden, wie dies z. B. in den Fig. 5 und 6 der oben erwähnten EP-B-01 91 437 darge stellt ist.

Mit dem Verfahren der schnellen Erwärmung zumindest in partiellen Teilen eines Katalysators auf Anspring-Tempe ratur mittels eines Wärmeübertragungsmittels zwischen einer als Heizeinrichtung dienenden Mikrowellen-Quelle und dem Katalysator ist für diesen eine einwandfreie Betriebsweise über die vorgesehene Betriebszeit trotz rascher Aufheizung nach einem Start der Brennkraft maschine gewährleistet.

Claims

1. Verfahren zum schnellen Erwärmen eines in einer Abgasreinigungsvorrichtung angeordneten Katalysators auf eine Anspring-Temperatur, insbesondere 3-Wege-Katalysator von Brennkraftmaschinen,

- mit einer Mikrowellen-Quelle als Heizeinrichtung,

dadurch gekennzeichnet,

- daß ein strömungsfähiges Medium aus als elektrische Dipole vorgegebenen Elementen in einem Mikrowellen feld aufgeheizt und mit dem Abgasstrom dem Kataly sator zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium ein Anteil des Abgases gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als abgasanteiliges Medium Wasserdampf gewählt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß der im Abgas enthaltene Wasserdampf im Mikro wellenfeld eines Hohlraumresonators einer über einen Hohlleiter angeschlossenen Mikrowellen-Quelle (z. B. Magnetron) derart überhitzt wird,
- daß zumindest die katalytisch wirkenden Stoffe (z. B. Platin, Rodium) im Abgas-Anströmbereich des Kataly sators durch Wärmeübertragung auf Anspring-Temperatur gebracht werden.