DE4132440A1

DE4132440A1 - Anordnung zur aufheizung eines abgaskatalysators

Info

Publication number: DE4132440A1
Application number: DE4132440A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Phys Burk; Noureddine Dr Rer Nat Khelifa; Michael Dr Ing Loehle
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1991-09-28
Filing date: 1991-09-28
Publication date: 1993-05-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufheizung eines Ab gaskatalysators, insbesondere in der Kaltstartphase eines Ver brennungsmotors.

Es ist bekannt, daß die Abgaskatalysatoren für Verbrennungsmo toren zur gewünschten Umsetzung von Abgasbestandteilen eine be stimmte Temperatur erreichen müssen. Diese Temperatur liegt beim Kaltstart eines Verbrennungsmotores nicht vor. Man hat deshalb schon verschiedene Verfahren und Anordnungen vorge schlagen, um beim Kaltstart eines Motors eine entsprechende Er wärmung der Abgase und damit des Katalysators zu erreichen. Die DE 39 18 596 beispielsweise schlägt vor, einen Vorkatalysator dem eigentlichen Abgaskatalysator vorzuschalten und diesen Vor katalysator mit einem gesonderten Latent-Wärmespeicher aufzu heizen. In der PCT-WO 89/10 470 wird vorgeschlagen, zur Be schleunigung des Ansprechens eines Abgaskatalysators den für den Katalysator vorgesehenen Metallträgerkörper als elektrische Widerstandsheizung auszunützen und auf diese Weise den Kata lysator in der Startphase vorzuheizen. Dies erfordert aber während des Kaltstartes eine hohe elektrische Leistung und entsprechend dicke elektrische Kabel, damit die notwendigen Stromstärken zur Verfügung gestellt werden können. Diese elektrische Leistung kann in der Regel nur durch eine zusätz liche Batterie zur Verfügung gestellt werden, was wiederum eine stärkere Lichtmaschine für ein Fahrzeug voraussetzt. Keramische Trägerkörper für Abgaskatalysatoren können auf diese Weise nicht aufgeheizt werden. Gleiches gilt auch für den Lösungs vorschlag der PCT-WO 89/10 471.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An ordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß große Wärmemengen schnell zur Verfügung gestellt werden können, ohne daß jedoch auf elektrische Energie zurückgegriffen werden muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden mindestens zwei gasdichte Behälter vorgesehen, die untereinander durch mindestens eine mit einem Ventil versehene Leitung in Verbindung stehen und von denen der erste mit einem bestimmten gasförmigen Medium unter Wärmeentwicklung bei hohen Temperaturen reversibel reagierenden Hochtemperaturfeststoff gefüllt ist und in Wärmekontakt mit dem Trägerkörper des Abgaskatalysators oder mit einem diesem vor geschalteten Wärmetauschers steht, während der zweite Behälter mit einem mit dem gasförmigen Medium bei niedrigerer Temperatur reagierenden Niedertemperaturfeststoff oder nur mit der flüssigen Phase des bei Umgebungstemperatur kondensierenden Gases gefüllt ist und in Wärmekontakt mit einem Bereich steht, in dem auch während des Betriebes eine deutlich niedrigere Temperatur als im Abgaskatalysator oder der Abgasleitung, insbesondere Umgebungstemperatur herrscht.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß man zur Vorheizung von Abgaskatalysatoren besonders vorteilhaft Reaktions stoffpaare einsetzen kann, die Wärmeenergie in chemischer Form speichern und als thermochemische Speicher wirken können, mit deren Hilfe auch eine schnelle und wirksame Aufheizung von Katalysatoren erreichbar ist. Dabei können als Reaktionspartner Metallhydrid/Metall-Wasserstoffsysteme vorgesehen werden, wie sie in anderem Zusammenhang aus der DE 36 39 545 Cl an sich bekannt sind. Besser ist es allerdings, anstelle der dort vorgeschlagenen Magnesiumhydride als Hochtemperaturhydride solche zu verwenden, die unter Verwendung von Titan hergestellt sind. Mit solchen Metallhydriden nämlich wird es möglich, auf der Hochtemperaturseite Temperaturen in der Größenordnung zwischen 400°C und 700°C zu erreichen, ohne daß die bei der Wasserstoffabgabe im Hochtemperaturhydrid notwendigen Drücke Werte annehmen, die eine praktische Durchführung unmöglich machen. Mit Magnesiumhydriden können zwar auch Temperatu ren um 500°C erreicht werden. Man benötigt dann aber Drücke bis zu 150 bar im System, die technisch, insbesondere bei der Beheizung von Abgaskatalysatoren, nicht mehr wirtschaftlich beherrschbar sind.

Anstelle der Metallhydride ist aber auch die Verwendung anderer Reaktionspartner, beispielsweise die Verwendung des Reaktions stoffpaares Ba0 + H₂= ⇆ Ba (OH)₂ möglich, mit dem je nach dem Druck des in diesem Fall als Wasserdampf vorliegenden Wassers Temperaturen von ca. 700 bis 800°C erzielbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. So ist es gemäß den Unteransprüchen 3 und 4 möglich, den ersten Behälter mit dem Hochtemperaturhydrid mit einem Wärmetauscher in Verbindung zu bringen, der in einem Bypass der Abgasleitung vor dem Abgaska talysator angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher kann dabei als eine dem Querschnitt der Abgasleitung angepaßte Rippenstruktur ausgebildet sein, die den ersten Behälter umgibt. Natürlich könnte ein solcher Wärmetauscher dem Abgaskatalysator, der in üblicher Weise ein Metall-, oder ein Keramikkatalysator sein kann, auch unmittelbar, d. h. nicht in einem Bypass vorgeschal tet sein.

Es ist aber auch möglich, daß der Trägerkörper des Abgaskataly sators selbst den Wärmetauscher für den Hochtemperaturhydridbe hälter bildet. Dies läßt sich insbesondere dann vorteilhaft verwirklichen, wenn der Abgaskatalysator einen aus geschichte ten oder gewickelten Metallblechen aufgebauten Trägerkörper be sitzt, der sich schon aufgrund seiner Struktur durch eine gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, die zur Abfuhr der im Hochtem peraturhydridbehälter entstehenden Wärme geeignet ist.

Bei dieser Version der erfindungsgemäßen Anordnung kann in Wei terbildung der Erfindung als erster Behälter mindestens ein pa tronenartig ausgebildetes Rohr vorgesehen sein, das sich im Trägerkörper in Strömungsrichtung des Abgases erstreckt und eng an den Metallblechlagen anliegt. Bei dieser Ausführung findet eine gute Wärmeübertragung statt, ohne daß die Strömung der Ab gase zu stark beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere, wenn nach Anspruch 8 mehrere gleichmäßig über den Strömungsquer schnitt des Trägerkörpers verteilte Rohrpatronen vorgesehen sind, deren Durchmesser verhältnismäßig klein sein kann.

In Weiterbildung der Erfindung kann nach Anspruch 9 jede Rohr patrone aus einem beidseitig geschlossenen Mantelrohr bestehen, durch das von der offenen Seite her ein Zuführrohr geführt ist. Dieses Zuführrohr kann bei Einsatz von Metallhydriden aus einem wasserstoffdurchlässigen Sintermaterial oder bei Verwendung anderer Reaktionspartner, z. B. jener des Patentanspruches 20 aus einem Sintermaterial bestehen, das wasserdampfdurchlässig ist. Die Zuführrohre werden an eine außerhalb der Rohrpatrone verlaufende Wasserstoffzuführleitung angeschlossen.

Nach Anspruch 11 kann natürlich anstelle der in der Strömungs richtung des Abgases liegenden Patronen als erster Behälter auch mindestens ein sich quer zu der Strömungsrichtung des Ab gases durch den Trägerkörper erstreckendes einseitig geschlos senes Rohr vorgesehen sein, das eng an den Metallblechlagen an liegt, beispielsweise mit diesem verlötet oder verschweißt ist. Dieses Rohr kann ein Flachrohr sein, dessen geringere Breite senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist.

Nach Anspruch 13 kann der erste Behälter, der den Hochtempera turhydridbehälter bildet, auch zwischen den Außenseiten mehre rer parallel zueinander verlaufender Rohre gebildet sein, die jeweils einen Trägerkörper aufnehmen. Es ergibt sich dann eine Struktur etwa wie die eines Heizkessels, bei dem durch parallel zueinander liegende Rohre eines der Wärmetauschmedien fließt, während sich in den Zwischenräumen das andere Wärmetauschmedium befindet. Bei dieser Ausführungsform können nach Anspruch 14 die Zuführrohre für den Wasserstoff als den im Zwischenraum zwischen den Rohren gebildeten Behälter durchquerende Kanäle aus einem wasserstoffdurchlässigen oder bei Verwendung anderer Reaktionspartner, aus einem entsprechend gasdurchlässigen Sintermaterial ausgebildet sein, die entsprechend an eine Zuführleitung angeschlossen werden. Besonders vorteilhaft ist es nach Anspruch 15, wenn die Kanäle durch die Hohlräume zwischen jeweils einem Paar von halbschalenartig ausgebildeten Platten gebildet sind, die aneinander anliegen und senkrecht zu den Rohrachsen verlaufen. Es wird dann möglich, das Reaktions gas, beispielsweise Wasserstoff oder Wasserdampf über sehr große Flächen sehr schnell in alle Bereiche des mit dem Reaktionspartner, z. B. dem mit Hydrid oder mit BaO gefüllten Behälters aus- und eintreten zu lassen.

Eine besonders einfache und stabile Struktur für den Träger körper des Abgaskatalysators ergibt sich nach Anspruch 16 dann, wenn die Rohre, welche jeweils einen der Trägerkörper, insbesondere aus Metallblechen geschichtete oder gewickelte Trägerkörper aufnehmen, an ihren beiden Enden aufgeweitet sind und mit diesen aufgeweiteten Endbereichen dicht aneinander lie gen. Auf diese Weise entsteht, wenn die ganze Anordnung noch von einem Mantel umgeben wird, ein geschlossener Behälter, in dem das Hochtemperaturhydrid oder das BaO aufgenommen werden kann. Dieses steht unmittelbar mit den Mantelrohren der metal lischen Trägerkörper in Wärmekontakt, so daß eine schnelle und gute Aufheizung erreicht werden kann.

Nach Anspruch 17 können die aufgeweiteten Endbereiche die Form regelmäßiger Sechsecke haben und im wesentlichen in einer Ebene wabenförmig aneinandergesetzt sein. Dabei bilden sich mehrere untereinanderliegende Ebenen aus, in denen die Achsen der Rohre verlaufen. Nach Anspruch 18 können die Kanäle für die Zuführung des Reaktionsgases in Ebenen verlaufen, die parallel zu den in je einer Ebene liegenden Achsen der Rohre und in gleichem Abstand zu diesen Ebenen verlaufen.

Bei Verwendung anderer, z. B. der vorher erwähnten und in Anspruch 20 aufgeführten Reaktionspartner kann es nach Anspruch 21 notwendig sein, den zweiten Behälter als Reservoir, Ver dampfer oder Kondensator für das gasförmige Medium auszubilden. Ein solches System benötigt in diesem zweiten Behältern kein Speichermedium. Das gasförmige Medium, im Beispiel Wasserdampf wird dabei in flüssiger Form in dem entsprechend ausgebildeten Behälter gespeichert.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem in einem Bypass der Abgasleitung angeordneten und von einem Wärmetauscher umgebenen Hochtemperaturhydridbehälter,

Fig. 2 eine Anordnung gemäß der Erfindung, bei der der Hoch temperaturhydridbehälter unmittelbar in den Abgaska talysator integriert ist,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Anordnung der Fig. 2, bei der mehrere als Patronen ausgebildete Hochtemperatur hydridbehälter in der Strömungsrichtung des Abgases unmittelbar in die Struktur eines aus Metallblechen gebildeten Katalysatorträgerkörpers integriert sind,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch den Katalysa torträgerkörper der Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung einer der als Heiz patronen wirkenden Hochtemperaturmetallhydridbehälter der Fig. 3 und 4,

Fig. 6 eine Teilstirnansicht eines Katalysatorträgerkörpers ähnlich Fig. 3, bei der jedoch die als Heizpatronen ausgebildeten Hochtemperaturhydridbehälter zwischen die Lagen eines gewickelten Metallbandes mit einge wickelt sind,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform des Abgaskatalysators nach Fig. 2, bei der die Hochtemperaturhydridbehälter aus mehreren Flachrohren bestehen, die quer zur Strö mungsrichtung des Abgases in die Struktur eines aus Metallblechen geschichteten Trägerkörpers integriert sind,

Fig. 8 eine vergrößerte Teildarstellung eines Bereiches des Katalysatorträgerkörpers der Fig. 7 in der Strömungs richtung des Abgases gesehen,

Fig. 9 eine Variante des Katalysatorträgerkörpers aus Fig. 2 bei der der Katalysatorträgerkörper aus mehreren pa rallel zueinander verlaufenden Rohren besteht, deren Umfang im Abstand zueinander steht, wobei der Zwi schenraum zwischen diesen Rohren, die jeweils einen aus Metallblechen gewickelten oder geschichteten Trä gerkörper aufnehmen, zur Anordnung des Hochtempera turhydrids ausgenützt wird,

Fig. 10 den Querschnitt durch die Rohranordnung der Fig. 9 längs der Schnittlinie X-X,

Fig. 11 die Stirnansicht eines Teiles eines Abgaskatalysator trägerkörpers gemäß Fig. 9,

Fig. 12 den Längsschnitt durch den Trägerkörper der Fig. 11 längs der Schnittlinie XII-XII in Fig. 11,

Fig. 13 den Längsschnitt durch den Trägerkörper der Fig. 11 in Richtung der Schnittlinie XIII, XIII gesehen,

Fig. 14 die vergrößerte Detaildarstellung der Einzelheit XIV in Fig. 12,

Fig. 15 eine vergrößerte Detaildarstellung der Einzelheit XV in Fig. 13, die einen Schnitt durch einen Randbereich des Trägerkörpers der Fig. 9 bis 14 und

Fig. 16 einen Schnitt ähnlich Fig. 15, jedoch mit einem aus Platten aufgebauten Rohrsystem .

In der Fig. 1 ist schematisch eine Abgasleitung (1) eines Ver brennungsmotors gezeigt, in die ein Abgaskatalysator (2) einge setzt ist. Die Abgasleitung (1) und der Abgaskatalysator (2) werden im Betrieb in Richtung des Pfeiles (3) von dem vom Motor kommenden Abgas durchströmt. In diesem Betriebszustand befindet sich eine Abgasklappe (4) in ihrer gestrichelt eingezeichneten Lage (4′).

Beim Kaltstart des nicht gezeigten Verbrennungsmotors wird die Klappe (4) in die ausgezogene Stellung geschwenkt und das vom Motor kommende Abgas wird daher in einen Bypass (5) gelenkt, der vor dem Abgaskatalysator (2) in der Leitung (1) liegt. In diesem Bypass (5) ist ein Behälter (6) eingesetzt, der mit ei nem Hochtemperaturhydrid, zum Beispiel in der Form eines Me tallpulvers gefüllt ist. Als Hochtemperaturhydrid kann Metall pulver auf der Basis von Titan oder, in besonderen Fällen, auch auf der Basis von Magnesium verwendet werden. Dieser Hoch temperaturhydridbehälter (6) ist an seinem Umfang mit einer sternförmig angelegten Berippung (7) versehen, deren Fläche dazu dient, den Wärmeaustausch zwischen dem Behälter (6) und den im Bypass (5) strömenden Abgas möglichst gut herbeizu führen.

Der Behälter (6) steht über eine Verbindungsleitung (8) mit einem Ventil (9) mit einem zweiten Behälter (10) in Verbindung, der an seinem Umfang ebenfalls mit einer nur schematisch ange deuteten Wärmeaustauschberippung (11) versehen ist und mit ei nem Niedertemperaturhydrid gefüllt ist für das beispielsweise Ti_0,8 Zr_0,2 Cr Mn oder Ti_0,98 Zr_0,02 V_0,43 Cr_0,05 Mn_1,2 oder andere geeignete Metallhydride verwendet werden können. In bekannter Weise kann Wasserstoff beim Öffnen des Ventiles (9), der in den im Behälter (6) angeordneten Metallhydriden ge speichert ist, unter Wärmeabgabe am Behälter (6) in den Nieder temperaturhydridbehälter (10) zurückströmen. Die vom Hoch temperaturhydridbehälter (6) abgegebene Wärme wird an das durch den Bypass (5) gelenkte Abgas abgegeben. Dabei können bei Verwendung der vorher erwähnten Hochtemperaturhydride Tempera turen über 400°C bis 700°C erreicht werden, die ausreichen, um in der Kaltstartphase eine schnelle Aufheizung des Abgaskataly sators (2) auf seine Betriebstemperatur zu erreichen. Die beim Öffnen des Ventiles entstehende Wärme bildet sich innerhalb weniger Sekunden. Es kann zur Auslösung der Wärmeentwicklung im Hochtemperaturhydridbehälter auch noch ein Starter, beispiels weise ein elektrischer Starter (12) vorgesehen sein. Die Wasserstoffabgabe vom Hochtemperaturhydrid an das Nieder temperaturhydrid im Behälter (10) erfolgt bei Temperaturen zwischen etwa 400°C und 700°C und bei einem Druck zwischen 1 und 10 bar. Die Behälter müssen daher entsprechend ausgebildet werden. Der vom Hochtemperaturhydridbehälter (6) zum Nieder temperaturhydridbehälter (10) strömende Wasserstoff wird im Niedertemperaturhydrid gespeichert und kann von dort, wenn das Ventil (9) entsprechend wieder geöffnet wird, bei Raumtempera tur und bei Drücken in der gleichen Größenordnung wie vorher erwähnt, wieder freigegeben werden, so daß die später zum Aufheizen des Abgaskatalysators (2) notwendige Wärmemenge in Form von chemischer Energie wiederum im Hochtemperaturhydrid behälter (6) gespeichert werden kann.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der allerdings der Niedertemperaturhydridbehälter (10′) weitgehend ähnlich zu je nem der Fig. 1 ausgebildet und angeordnet sein kann. Auch der Behälter (10′) ist mit einer Wärmetauschberippung (11′) verse hen und auch er ist, wie der Behälter (10), in einem Bereich angeordnet, in dem weitgehend Umgebungstemperatur herrscht, wie das beispielsweise am Fahrzeugboden im genügenden Abstand zur Abgasleitung der Fall ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Niedertemperaturhydridbehälter (10′) über die Verbindungslei tung (8) mit dem Ventil (9) mit einem oder mehreren Hochtempe raturhydridbehältern verbunden, die in gleicher Weise wirken wie der Hochtemperaturhydridbehälter (6) der Fig. 1, allerdings in noch zu erläuternder Weise in den Trägerkörper des Abgaska talysators (2a) integriert sind. Wie dies im einzelnen geschehen kann, wird anhand der folgenden Figuren noch deutlich gemacht. Die Funktionsweise der chemischen Energiespeicherung ist aber auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und den nachfolgend zu dessen Erläuterung dienenden Figuren die gleiche wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel für den Abgaskatalysator (2a) der Fig. 2. Bei diesem Ausführungsbei spiel ist in einem Mantelrohr (13) ein Katalysatorträgerkörper (14) eingesetzt, der aus übereinander geschichteten Metallband abschnitten besteht, von denen jeweils eine glatte Metallband schicht mit einer gewellten Metallbandschicht abwechselt. In diesen so aufgebauten Metallträgerkörper, der mit dem Katalysa tor beschichtet ist, sind fünf gleichmäßig auf dem Querschnitt verteilte Heizpatronen (15) eingesetzt, die jeweils einen Hoch temperaturhydridbehälter der vorher erwähnten Art bilden. Die Heizpatronen (15) sind dabei so in den Trägerkörper (14) einge setzt, daß sie mit ihrem Außenmantel eng, und daher in gutem Wärmekontakt zu der wabenförmigen Gitterstruktur des Trägerkör pers (14) stehen. Alle Heizpatronen (15) sind zylindrisch aus gebildet und mit ihrer Längsachse in der Richtung (3) des strö menden Abgases angeordnet. Der durch ihre Anordnung bedingte Strömungswiderstand ist daher gering. Die Fig. 4 und 5 zeigen, daß alle Heizpatronen (15) an einem Ende, beim Ausführungsbei spiel an dem entgegen der Strömungsrichtung weisenden Ende mit einer Abschlußwand (16) versehen sind, die wie in Fig. 5 punk tiert angedeutet und mit (16′) bezeichnet ist, auch strömungs technisch günstig ausgebildet sein könnte. Jede Heizpatrone (15) besteht im übrigen aus einem zylindrischen Rohr (17), das mit dem Hochtemperaturhydrid, beispielsweise in Pulverform, ge füllt ist, wie mit (18) angedeutet ist. Im Zentrum des Rohres (17) verläuft koaxial ein Zuführ- beziehungsweise Abführrohr (19) für den Wasserstoff, das beispielsweise aus einem für Was serstoff durchlässigen Sintermaterial bestehen kann. Dieses Rohr (19) kann dann, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, mit jeweils einer Zuführleitung (20) (oder Abführleitung) für Wasserstoff verbunden werden. Diese Leitung (20) kann dann in die Verbindungsleitung (8) nach Fig. 2 übergehen. Selbstver ständlich wird das Rohr (17) auch an dem von der Wand (16) ab gewandten Ende verschlossen, und zwar so, daß die Zuführleitung (20) abgedichtet in die Patrone (15) hereingeführt wird, wo es dann in die wasserstoffdurchlässige Rohrleitung (19) übergeht.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bis 5 sind die Heizpatronen (15) unter nachträglicher Verformung des Trägerkörpers (14) in diesen eingesetzt. Sie können beispielsweise in den Trägerkör per (14) hereingedrückt werden, ehe dieser in sein Mantelrohr (13) geschoben wird. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 liegt ein Trägerkörper (14′′) vor, der zwar ebenfalls aus glatten und gewellten Metallblechschichten besteht. Bei diesem Beispiel al lerdings ist der Trägerkörper (14′′) durch spiralförmiges Wic keln eines glatten und eines gewellten Bandes hergesellt. Die Heizpatrone (15), die im übrigen der in der Fig. 5 gezeigten entspricht, wird hier beim Herstellungsvorgang des Trägerkör pers (14′) mit zwischen zwei Lagen der gewickelten Metallbän dern eingewickelt. Durch diesen Einwickelvorgang kann eine be sonders gute Anlage der Heizpatrone an den angrenzenden Metall bändern erreicht werden. Die Herstellung ist außerdem relativ einfach. Der so gewickelte und mit den Heizpatronen, die wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 gleichmäßig auf dem Querschnitt des Trägerkörpers (14′′) verteilt sein können,versehene Träger körper wird dann in ein Mantelrohr (13) eingeschoben.

Bei der Ausführungsform der Fig. 7, die wieder einem Abgaskata lysator (2a) entspricht, wie er in Fig. 2 angedeutet ist, ist in einem Mantelrohr (21) ein ähnlich Fig. 3 aus glatten und ge wellten Blechen geschichteter Trägerkörper (14′) angeordnet. In diesen in der Richtung (3) vom Abgas durchströmten Trägerkörper (14′) sind Aufheizpatronen (22) in der Form von Flachrohren eingeschoben, die in Fig. 7 auf der vom Betrachter abgewandten Seite geschlossen sind, auf der anderen Seite bis nahe zum Man tel (21) und aus diesem Mantel (21) heraus mit zumindest einem inneren Rohr (23) geführt sind, das, wie Fig. 8 zeigt, als Anschluß für die Zu- und Abfuhr von Wasserstoff dient und mit der Verbindungsleitung (8) gemäß Fig. 2 verbunden ist. Natür lich ist es auch möglich, das Rohr (22) selbst aus dem Mantel (21) herauszuführen, da dann aber auch ein Teil der Wärmeent wicklung außerhalb des Mantels (21) erfolgt, muß dafür gesorgt werden, daß auch dann die Wärme vorwiegend an den Trägerkörper (14′) innerhalb des Mantels (21) abgeführt wird. Auch die Flachrohre (22) sind im Zwischenraum zwischen ihrer Innenwand und dem inneren Rohr (23), das wieder als ein wasserstoffdurch lässiges Sintermetallrohr ausgebildet sein kann, mit Hochtem peraturhydriden (24) gefüllt und zwar in der gleichen Weise, wie dies anhand von Fig. 5 erläutert wurde.

Die Fig. 9 bis 15 schließlich zeigen ein anderes Ausführungs beispiel für den Aufbau eines Abgaskatalysators gemäß der sche matischen Darstellung (2a) in der Fig. 2. Hier sind, wie aus den Fig. 9 und 10 entnommen werden kann, mehrere runde Rohre (25) parallel zueinander, aber im Abstand gegeneinander ange ordnet, die jeweils in ihrem Inneren mit einem aus Metallblech gewickelten oder geschichteten Trägerkörper (141) versehen sind.

Die Rohre (25) sind an ihren beiden Enden aufgeweitet und zwar zu einem Querschnitt eines regelmäßigen Sechseckes, so daß diese sechseckigen Rohrenden (26) wabenförmig und dicht inein ander gefügt und miteinander verbunden werden können. Der zwi schen dem so entstehenden regelmäßigen Wabenkörper zu einem Kreisquerschnitt verbleibende Querschnitt wird durch Abdeck plattenstücke (27) ausgefüllt, so daß nach Anordnung eines zylinderförmigen Mantels (28) ein an beiden Seiten geschlosse ner Behälter (140) entsteht, der in den Zwischenräumen zwischen den Rohren (25) mit dem Hochtemperaturhydrid (29) gefüllt wer den kann. Es entsteht dadurch die Struktur etwa eines Wärmetau schers wie in einem Dampfkessel, bei dem eine Bündel parallel zueinander gelegter Rohre von einem Wärmetauschmedium durch strömt wird. Der außerhalb der Rohre liegende Raum wird im vorliegenden Fall aber nicht von einem Wärmetauschmedium durch strömt, sondern mit einem solchen aufgefüllt. Die chemisch ge speicherte Wärme kann dadurch unmittelbar an die Rohre (25) abgegeben werden, die wiederum mit den metallischen Trägerkör pern (141) ausgefüllt sind, an die die übertragene Wärme schnell und direkt abgegeben werden kann.

Zur Zu- bzw. Abfuhr des Wasserstoffes können in diesem Fall rohrartige Kanäle aus einem wasserstoffdurchlässigen Sintermaterial vorgesehen werden. Diese Kanäle (30), deren Achsen in der Fig. 10 und 11 nur angedeutet sind, werden in diesem Fall parallel zu den Ebenen (31) gelegt, in denen die Achsen der Rohre (25) im Wabenkörper liegen. Die Abmessungen der Rohre und ihrer aufgeweiteten Enden mit den Rohrenden (26) mit Sechseckquerschnitt sind dabei so zu wählen, daß in diesen parallelen Ebenen noch Platz ist, um die Kanäle (30) zwischen den Rohren (25) durchzuschieben. Die Ausbildung der Rohre (25) muß daher mit dem Außendurchmesser der Kanäle (30) abgestimmt werden. Auch in diesem Fall kann dann Wasserstoff von außen in die Kanäle (30) geleitet werden und umgekehrt, so daß die gewünschte Wärmeübertragung ausgelöst wird. Wie die Fig. 12 und 14 zeigen, können im Bereich des Mantels (28) auch kurze Zuführstutzen (32) für Wasserstoff aus einem Sintermaterial vorgesehen werden, die auch aus der Fig. 15 ersichtlich sind. Durch die Anordnung dieser Stutzen wird es möglich, den mit dem Hochtemperaturhydrid gefüllten Innenraum möglichst gleichmäßig mit Wasserstoff zu versorgen oder den Wasserstoff von dort abzuführen. Die geschlossenen Kanäle (30) können auch, wie Fig. 15 zeigt, einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, der sich dem Abstand der Rohre (25) anpaßt.

Fig. 16 zeigt, daß anstelle der in Fig. 15 gezeigten rohr artigen Sintermetallkanäle (30) auch jeweils paarweise und senkrecht zu den Achsen der Metallträgerrohre (25) verlaufende Sintermetallplatten (35, 36) angeordnet sein können, die jeweils halbschalenartig ausgebildet und so profiliert sind, daß sie, paarweise mit ihren Rändern (35a, 36a) und ihren Aus nehmungen (38) gegeneinander gestellt, zwischen den Metall trägerrohren (25) ein Kanalsystem in Hohlräumen (37) bilden, durch das sich der Wasserstoff gleichmäßig auf die gesamte Querschnittsfläche verteilen kann. Die einzelnen, längs der Achsen der Rohre (25) gegeneinander auf Abstand versetzten Sintermetallplatten (35, 36) sind im Bereich ihres am zylin drischen Mantelrohr (28) anliegenden Umfangs mit in Richtung der Achsen der Rohre (25) verlaufenden Verbindungsstutzen (39) versehen, die die Hohlräume (37) benachbarter Plattenpaare (35, 36) untereinander und mit Zuführstutzen (40) verbinden, durch die der Wasserstoff dem Kanalsystem zu- oder daraus abgeführt werden kann. Durch diese Ausgestaltung, bei der die Hohlräume (37) über den ganzen Querschnitt verteilt und jeweils um die Metallträgerrohre (25) herum verlaufen, kann eine großflächige Verteilung des Wasserstoffes in dem Metallhydrid (29) erreicht werden. Die Wasserstoffdiffusionslängen in dieses Hydrid hinein können dadurch, bei geeigneter Wahl des Abstandes der Sinter metallplatten (35, 36) sehr klein gewählt werden. Die Reaktions kinetik kann dadurch entscheidend begünstigt werden.

Bei allen gezeigten Ausführungsformen des Hochtemperatur behälters kann anstelle des Hochtemperaturfeststoffes in der Form des Hydrides auch ein anderer Reaktionspartner für ein anderes Gas, z. B. das bereits erwähnte BaO eingefüllt werden, das mit Wasserdampf reagiert. Dieser Wasserdampf steht dabei aus dem Niedertemperaturbehälter zur Verfügung, in dem über der kondensierten, flüssigen Phase des Wassers ein Dampfdruck ent steht. Die Reaktion mit BaO verläuft im übrigen in der von Zeolithen her bekannten Weise (Zeitschrift Ki Klima-Kälte- Heizung 1/1985 S. 23-26).

Claims

1. Anordnung zur Aufheizung eines Abgaskatalysators, insbesondere in der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch mindestens zwei gasdichte Behälter (6, 10, 15, 22, 140), die untereinander durch mindestens eine mit einem Ventil (9) versehene Leitung (8) in Verbindung stehen und von denen der erste (6, 10, 15, 22, 140) mit einem mit einem be stimmten gasförmigen Medium unter Wärmeentwicklung bei hohen Temperaturen reversibel reagierenden Hochtemperaturfeststoff gefüllt ist und in Wärmekontakt mit dem Trägerkörper (14, 141) des Abgaskatalysators (2a) oder mit einem diesen vorgeschal teten Wärmetauscher (7) steht, während der zweite Behälter (10, 10′) mit einem mit dem gasförmigen Medium bei niedrigerer Temperatur reagierenden Niedertemperaturfeststoff oder wenn das gasförmige Medium bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Umgebungstemperatur kondensiert, nur mit der flüssigen Phase des gasförmigen Mediums gefüllt ist und in Wärmekontakt mit einem Bereich steht, in dem während des Betriebes eine deutlich niedrigere Temperatur als im Abgaskatalysator (2, 2a) oder der Abgasleitung (1), insbesondere Umgebungstemperatur, herrscht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochtemperaturfeststoff ein mit Wasserstoff reagieren des Hochtemperaturhydrid und als Niedertemperaturfeststoff ein Niedertemperaturhydrid vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Behälter (6) mit einem in einem Bypass (5) der Abgasleitung (1) vor dem Abgaskatalysator (2) angeord neten Wärmetauscher (7) in Wärmekontakt steht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) als eine dem Quer schnitt der Abgasleitung angepaßte Rippenstruktur (7) ausge bildet ist, die den ersten Behälter (6) umgibt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (14, 14′) des Abgaskatalysator (2a) den Wärmetauscher (7) für den ersten Behälter (15, 22) bildet.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskatalysator (2a) einen aus geschichteten oder gewickelten Metallblechen aufgebauten Trägerkörper (14, 14′) aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als erster Behälter mindestens ein patronenartig ausgebildetes Rohr (15) vorgesehen ist, das sich im Trägerkör per (14) in Strömungsrichtung (3) des Abgases erstreckt und eng an den Metallblechlagen (14) anliegt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt des Trä gerkörpers (14) verteilte Rohrpatronen (15) vorgesehen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeich net, daß jede Rohrpatrone (15) aus einem beidseitig geschlosse nen Mantelrohr (17) besteht, in das von der einen Seite her ein Zuführrohr (19) für das gasförmige Medium geführt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführrohr (19) aus wasserstoff- oder gasdurchlässigem Sintermaterial besteht und an eine außerhalb der Rohrpatrone verlaufende Zuführleitung (20) angeschlossen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als erster Behälter mindestens ein sich quer zu der Strömungsrichtung (3) des Abgases durch den Trägerkörper (14′) erstreckendes beidseitig geschlossenes Rohr (22) vorgese hen ist, das eng an den Metallblechlagen anliegt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (22) ein Flachrohr ist, dessen geringere Breite senkrecht zur Strömungsrichtung (3) ausgerichtet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeich net, daß der erste Behälter (140) von den Außenseiten mehrerer parallel zueinander verlaufender Rohre (25) und von einem diese umgebenden Mantel (27,28) gebildet ist, die jeweils einen Trä gerkörper (141) aufnehmen.

14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrohre (30) als den Zwischenraum (29) zwischen den Rohren (25) durchquerende Kanäle aus einem wasserstoff- oder gasdurchlässigen Sintermaterial ausgebildet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle durch Hohlräume (37) zwischen jeweils einem Paar von halbschalenartig ausgebildeten Platten (35, 36) gebildet sind, die mit ihren Ausnehmungen (38) einander zugewandt sind, mit ihren Schalenrändern (35a, 36a) aneinander anliegen und senkrecht zu den Achsen der Rohre (25) verlaufen.

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (25) an beiden Enden aufgeweitet sind und mit diesen aufgeweiteten Endbereichen (26) dicht aneinander an liegen.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeweiteten Endbereiche (26) die Form regelmäßiger Sechsecke haben und im wesentlichen in einer Ebene wabenförmig aneinandergesetzt sind.

18. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kanäle (30) in Ebenen verlaufen, die parallel zu den ebenfalls in je einer Ebene (31) liegenden Achsen der Rohre (25) und in gleichem Abstand zu diesen Ebenen liegen.

19. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Hochtemperaturhydride Metallhydride aus Titan und gegebenenfalls Magnesium verwendet werden.

20. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochtemperaturfeststoff Bariumverbindungen, insbeson dere BaO und als gasförmiges Medium Wasserdampf verwendet wird.

21. Anordnung nach Anspruch 1 oder 20, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Behälter (10, 10′) als Reservoir, Verdampfer und Kondensator für das Gas ausgebildet ist, das mit dem im Behälter (6, 15) befindlichen Feststoff reversibel und unter Wärmeabgabe bzw. -aufnahme reagiert.