DE4106588A1 - Verfahren zur verkuerzung der anspringzeit von konvertern fuer die entgiftung von abgasen - Google Patents

Description

Verfahren zur Verkürzung der Anspringzeit von Konver­ tern für die Entgiftung von Abgasen, insbesondere bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei welchen den an der Konversion beteiligten Massen in einem Heizbereich Wärme zugeführt wird.

Es kann sich dabei um katalytische Konverter oder um thermische Konverter handeln.

Mit dem Begriff "an der Konversion beteiligte Massen" werden nicht nur die gesamten Abgase mit den einzel­ nen schädlichen Komponenten und den für ihre Konver­ sion erforderlichen reaktiven Gasbestandteilen, sondern auch die Wände und Einbauten des Konverters einschließlich der bei katalytischen Konvertern an­ zutreffenden Massen der katalytischen Beschichtung und deren Trägermaterial verstanden.

Beim Kaltstart des Motors verlassen die Abgase den Motor in relativ kaltem Zustand. Sie treffen dann auf einen kalten Konverter, so daß eine Umsetzung der schädlichen Abgasbestandteile nicht erfolgen kann, weil dazu z. B. beim katalytischen Konverter Tempera­ turen um mindestens 300°C an der katalytischen Be­ schichtung des Konverters erforderlich sind.

Mit zunehmendem Warmlaufen des Motors werden die Abgase wärmer, unterstützt von der nach dem Kaltstart einsetzenden Wärmezufuhr in der Heizzone. Diese Wär­ mezufuhr, z. B. durch elektrische Beheizung der Ab­ gase, bewirkt eine von der elektrischen Leistung abhängige Temperaturerhöhung der Abgase, so daß nach beispielsweise 50 Sekunden die Bedingungen für die katalytische Umwandlung gegeben sind und der Kataly­ sator zündet.

Nach der Zündung des Katalysators kann es noch erfor­ derlich sein, die Beheizung der Abgase fortzusetzen, um die Konversion aufrechtzuerhalten, bis das allge­ meine Temperaturniveau der aus dem Motor austretenden Abgase hoch genug ist, um die katalytische Konversion auch ohne die zusätzliche Beheizung in Gang zu hal­ ten.

In dieser Zeit wird dem Konverter durch die Abgase ständig Wärme zugeführt, und zwar einmal vom Motor herrührend, dann von der Wärmezufuhr im Heizbereich und schließlich nach der Zündung des Konverters durch die bei der katalytischen Verbrennung entstehende Umwandlungswärme. Ein großer Teil dieser Wärme geht jedoch in Form heißer Abgase an die Umgebung verlo­ ren.

Bei heute eingesetzten Konvertern, z. B. katalytischen Konvertern, beträgt die Anspringzeit etwa 100 Sekun­ den. Durch elektrische Beheizung der Abgase vor de­ ren Eintritt in den katalytischen Konverter oder durch elektrische Beheizung des katalytischen Konverters selbst kann die Anspringzeit auf etwa 50 Sekunden verringert werden.

Die erste hohe Emissionsspitze tritt im CVS-Test bereits 20 Sekunden nach dem Kaltstart auf. Der Abbau dieser Emissionsspitze ist erforderlich, um künftige Forderungen bereits bestehender Abgasgesetze in den Vereinigten Staaten von Amerika zu erfüllen.

Die Anspringzeit gegenüber den vorstehend genannten 50 Sekunden mittels der elektrischen Beheizung noch weiter und insbesondere bis unter 20 Sekunden zu verkürzen, erfordert so hohe elektrische Leistungen, daß solche Versuche an dem dafür erforderlichen hohen Aufwand scheitern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei ver­ tretbarem finanziellen Aufwand eine Anspringzeit des Konverters von etwa 20 Sekunden zu realisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zumin­ dest bis zur Zündung des Konverters ein Wärmetausch zwischen den den Konverter verlassenden Abgasen und den in den Konverter einströmenden Gasen vor deren Eintritt in den Heizbereich stattfindet.

Durch Wärmetausch zwischen den aus dem Konverter ausströmenden heißen Abgasen und den kälteren, dem Heizbereich zuströmenden Abgasen kann ein Teil des den Konverter verlassenden Wärmestroms zurückgeführt werden, wodurch der Aufheizprozeß im Konverter expo­ nentiell beschleunigt wird. Bei sonst gleicher Wär­ mezufuhr im Heizbereich kann damit eine drastische Reduzierung der Anspringzeit erreicht werden; außer­ dem kann die Wärmezufuhr in den Heizbereich sofort nach dem Anspringen des Konverters entfallen, weil die Wärmezufuhr dann durch die Wärmerückgewinnung über den Wärmetausch ersetzt wird. Damit ist eine weitere Verkürzung der Heizzeit für den Heizbereich verbunden, so daß trotz stark verkürzter Anspringzeit des Konverters die zusätzlich erforderliche Heizener­ gie drastisch reduziert werden kann. Dies hat zur Folge, daß sich auch die Kapazität und damit Volumen und Gewicht eines gegebenenfalls zur Beheizung einge­ setzten Wärmespeichers wesentlich reduzieren. Es kann somit bei insgesamt etwa gleich bleibenden Kosten die Anspringzeit des Konverters wesentlich verbessert und der Energieverbrauch für die zusätzli­ che Beheizung gesenkt werden.

Bei Abgassystemen mit einem im Abgasstrom einem Hauptkonverter vorgeschalteten Vorkonverter wird die Erfindung in der Weise angewandt, daß der Wärmetausch zwischen den den Vorkonverter verlassenden und den in den Vorkonverter einströmenden Gasen stattfindet.

Vorzugsweise werden die im Wärmetausch stehenden Gase im Gegenstrom geführt.

Weil bei Fahrzeugen die elektrische Energie aus dem Bordnetz erst mit einer geringen Verzögerung nach dem Start für die Heizung zur Verfügung steht, ist es eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung, wenn die Heizenergie einem Wärmespeicher entnommen wird, weil dadurch, insbesondere bei Einsatz eines Latentwärme­ speichers, eine hohe Heizleistung gegebenenfalls bereits vor dem Start zur Vorheizung der vom Abgas im Heizbereich bestrichenen Flächen eingesetzt werden kann, wodurch sich die Zeitspanne bis zum Anspringen des Konverters weiter reduzieren läßt. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorkonverter ein Wärmespeicher ist, dessen vom Abgas bestrichene Flächen katalytisch beschichtet sind, so daß der Vorkonverter zugleich den Heizbereich bildet.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors angeordneten Konverter und einem im Strömungsweg des Abgases stromauf vom Konverter angeordneten Heizbe­ reich weist erfindungsgemäß einen Gas-Gas-Wärme­ tauscher auf, dessen wärmeaufnehmender Bereich in den stromauf vom Heizbereich gelegenen Abschnitt der Abgasleitung und dessen wärmeabgebender Bereich in den stromab vom Konverter gelegenen Abschnitt der Abgasleitung einbezogen ist.

Weist die Anordnung einen einem Hauptkonverter vorge­ schalteten Vorkonverter auf, der speziell auf Kalt­ startbedingungen ausgelegt sein kann, sich aufgrund eines gegenüber dem Hauptkatalysator kleineren Vo­ lumens rascher erwärmen und deshalb bereits vor dem Anspringen des Hauptkonverters in Funktion treten soll, so besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß der Heizbereich dem Vorkonverter zugeord­ net ist und der wärmeabgebende Bereich des Wärmetau­ schers in den zwischen Vorkonverter und Hauptkonver­ ter verlaufenden Abschnitt der Abgasleitung einbezo­ gen ist.

Da der Wärmetauscher nur erforderlich ist, bis das Temperaturniveau der Abgase ausreichend hoch ist, um die Konversion auch ohne Wärmezufuhr bzw. -rückfüh­ rung aufrechtzuerhalten, ist der Warmetauscher vor­ zugsweise abschaltbar. Zu diesem Zweck kann dem wär­ meabgebenden Bereich des Wärmetauschers in der Abgas­ leitung ein Bypass zugeordnet sein, wobei durch ein Steuerventil der Abgasstrom wahlweise über den wär­ meabgebenden Bereich des Wärmetauschers oder über den Bypass leitbar ist.

Gleichermaßen kann aber auch der wärmeaufnehmende Bereich oder der Wärmetauscher insgesamt wahlweise umgehbar sein.

Da nach dem Anspringen und der Stabilisierung der Funktion des Hauptkonverters der Vorkonverter wegen unerwünschter Nebeneffekte, insbesondere der Verur­ sachung eines hohen Druckverlusts mit Rückwirkung auf die Motorleistung bei Vollast, zweckmäßigerweise vom Abgasstrom umgangen werden sollte, besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß dem Vorkonverter ein Bypass zugeordnet ist und daß durch ein Steuerventil der Abgasstrom wahlweise über den Vorkonverter oder den Bypass leitbar ist, wobei in besonders zweckmäßiger Weise ein Bypass zugleich den Vorkonverter und den wärmeaufnehmenden Bereich des Wärmetauschers umgeht.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung das Abgassystem eines Verbrennungsmotors mit einem Konver­ ter, einer elektrischen Abgasheizung und einem Wärmetauscher und

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung eines Abgassystems mit einem Vor- und einem Hauptkonverter, wobei der Vorkonverter zugleich als Wärme­ speicher ausgebildet ist, und einem Wärme­ tauscher.

Die in einem Verbrennungsmotor 10 entstehenden Abgase werden durch eine Abgasleitung 12 abgeleitet, die über einen ständig vom Abgas durchströmten Konverter 14 führt. Vor dem Eintritt in den Konverter 14 durchquert der Abgasstrom eine Heizvorrichtung 16, die hier als elektrische Heizeinrichtung dargestellt ist. Nach dem Kaltstart wird der Abgasstrom durch die Heizeinrichtung 16 zusätzlich erwärmt und gibt einen Teil seiner Wärme an den noch kalten Konverter 14 ab, der sich dadurch ebenfalls erwärmt. Der aus dem Kon­ verter 14 austretende Abgasstrom trifft auf ein Ven­ til 18.

Wenn der Konverter seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, wird der Abgasstrom am Ventil 18 in den wärmeabgebenden Bereich 20 eines Wärmetauschers 22 weitergeleitet, wo er Wärme an den der Heizein­ richtung 16 zuströmenden Gasstrom abgibt, wodurch die Temperatur im Konverter 14 sehr rasch auf die An­ springtemperatur des Konverters ansteigt. Es wird dann zunächst die Heizeinrichtung 14 abgeschaltet. Wenn sich die Konversionswirkung stabilisiert hat, wird das Ventil 18 so umgestellt, daß der aus dem Konverter 14 austretende Abgasstrom über eine den wärmeabgebenden Bereich 20 umgehende Bypassleitung 24 direkt in den zum Auspuff führenden Leitungszweig der Abgasleitung 12 eintritt.

Es wird dann der dem Konverter 14 zuströmende Gas­ strom zwar den wärmeaufnehmenden Bereich 26 des Wär­ metauschers 22 und anschließend die Heizeinrichtung 16 durchströmen, ohne aber dort Wärme aufzunehmen.

Falls es bei diesem Betriebszustand wünchenswert erscheint, den Gasstrom direkt in den Konverter ein­ zuleiten, beispielsweise um Reibungsverluste im Be­ reich des Wärmetauschers und der Heizeinrichtung zu vermeiden, kann zugleich mit dem Ventil 18 ein gege­ benenfalls vorhandenes, in Fig. 1 zusammen mit einer Leitungsverbindung 28 in unterbrochenen Linien darge­ stelltes Ventil 30 umgestellt werden, das den Gas­ strom dann unter Umgehung des Wärmetauschers 22 und der Heizeinrichtung 16 über die Leitungsverbindung 28 direkt in den Konverter 14 führt.

Die Fig. 2 zeigt eine Variante des Abgassystems mit einem dem Konverter 14, nun als Hauptkonverter be­ zeichnet, vorgeschaltetem Vorkonverter 32. Dieser Vorkonverter 32 ist als Wärmespeicher, vorzugsweise als Latentwärmespeicher, ausgebildet, der für hohe Effizienz bei niedrigen Motordrehzahlen ausgelegt ist. Der vom Abgas bestrichene Bereich des Wärmespei­ chers und Vorkonverters 32 wird von einem Speicher­ medium durch Wärmetauscherflächen 34 getrennt, die auf ihrer vom Abgas bestrichenen Seite katalytisch beschichtet sind.

Der Eingang 36 des Vorkonverters 32 ist über den wärmeaufnehmenden Zweig 38 eines Wärmetauschers 40 und der Ausgang 42 des Vorkonverters 32 über den wärmeabgebenden Zweig 44 des Wärmetauschers 40 zur Abgasleitung 12 geführt, wobei sich zwischen den beiden Anschlüssen des Eingangs 36 und des Ausgangs 42 an die Abgasleitung 12 ein als Bypass dienendes Verbindungsstück 48 erstreckt.

Die beim Austritt aus dem Vorkonverter 32 noch im Gasstrom enthaltete Wärme wird im Wärmetauscher 40 an das nach dem Kaltstart noch verhälnismäßig kalte Abgas abgegeben, bevor es zur weitere Aufheizung in den zugleich als Heizeinrichtung dienenden Vorkonverter 32 eintritt.

Sobald der Hauptkonverter 14 die Anspringtemperatur und eine stabile Funktionsweise erreicht hat, wird eine Drosselklappe 50 im Verbindungsstück 48 geöffnet, um das Abgas am Vorkonverter 32 vorbei direkt dem Hauptkonverter 14 zuzuführen. Damit bei voll geöffneter Drosselklappe 50 eine durch den Druckunterschied zwischen den Anschlüssen an beiden Enden des Verbindungsstücks 48 entstehende Strömung des Abgases über den Vorkonverter stattfinden kann, ist auch in der den Wärmetauscher 40 durchquerenden, zum Eingang 36 führenden Zweigleitung eine Absperrvor­ richtung 52, etwa in Form einer Drosselklappe, vorge­ sehen, die geschlossen wird, wenn sich die Drossel­ klappe 32 öffnet.

Vorzugsweise wird der Strömungsweg über den Vorkon­ verter 32 mit einer so ausreichenden Verzögerung geschlossen, daß der Wärmespeicher durch die inzwi­ schen Betriebstemperatur aufweisenden Abgase wieder geladen. Bevor dieser Weg für das Abgas geschlossen wird, sollte der Wärmespeicher wieder aufgeladen worden sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verkürzung der Anspringzeit von Konvertern für die Entgiftung von Abgasen, insbeson­ dere bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei welchen den an der Konversion beteiligten Massen in einem Heizbereich Wärme zugeführt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest bis zur Zündung des Kon­ verters ein Wärmetausch zwischen den den Konverter verlassenden Abgasen und den in den Konverter ein­ strömenden Gasen vor deren Eintritt in den Heizbe­ reich stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem einem Hauptkonverter im Abgasstrom vorgeschalteten Vorkon­ verter, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch zwischen den den Vorkonverter verlassenden und den in den Vorkonverter einströmenden Gasen stattfindet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in der Start­ phase der Heizbereich mit Wärme aus einem Wärmespei­ cher versorgt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem in der Abgasleitung (12) eines Verbrennungsmotors (10) angeordneten Konverter (14; 32) und einem Heizbereich (16; 32), der geeignet ist, die in den Konverter einströmenden Gase zu erwärmen, gekennzeichnet durch einen Gas-Gas-Wärmetauscher (22; 40), dessen wärmeaufnehmender Bereich (26; 38) in den stromauf vom Heizbereich (16; 32) gelegenen Ab­ schnitt der Abgasleitung und dessen wärmeabgebender Bereich (20; 44) in den stromab vom Konverter (14; 32) gelegenen Abschnitt der Abgasleitung einbezogen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem einem Hauptkonverter (14) vorgeschalteten Vorkonverter (32), dadurch gekennzeichnet, daß der Heizbereich dem Vorkonverter (32) zugeordnet ist und der wärmeabge­ bende Bereich (44) des Wärmetauschers (40) in den zwischen Vorkonverter (32) und Hauptkonverter (14) verlaufenden Abschnitt der Abgasleitung (12) einbezo­ gen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (22; 40) abschaltbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem wärmeabgebenden Bereich (20) des Wärmetauschers (2) in der Abgasleitung (12) ein Bypass (28) zugeordnet ist und daß durch ein Steuer­ ventil (18) der Abgasstrom wahlweise über den wärme­ abgebenden Bereich (20) des Wärmetauschers (22) oder über den Bypass (28) leitbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorkonverter (32) ein zugleich als Heizbereich dienender Wärmespeicher ist, dessen vom Abgas bestrichene Flächen (34) katalytisch beschich­ tet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorkonverter (32) ein Bypass (48) zugeordnet ist und daß durch ein Steuer­ ventil (50) der Abgasstrom wahlweise über den Vorkon­ verter (32) oder den Bypass (48) leitbar ist.

10. Anordnung nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (48) zugleich den Wärmetauscher (40) und den Vorkonverter (32) umgeht.