DE4230595A1 - Abgaskatalysator, insbesondere für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbeson­ dere für eine Brennkraftmaschine, mit einer das Katalysa­ torgehäuse umgebenden Wärmeisolationsschicht Abgaskatalysatoren, mit Hilfe derer schädliche Abgas­ bestandteile beispielsweise einer Brennkraftmaschine um­ gewandelt werden, benötigen zur erfolgreichen Konvertie­ rung eine gewisse Betriebstemperatur, die direkt im An­ schluß an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine noch nicht erreicht ist. Daher werden die Katalysatorgehäuse üblicherweise mit einer Isolationsschicht umhüllt, um die Wärmemenge des zugeführten Abgasstromes möglichst effek­ tiv für eine kurzfristige Aufheizung nutzen zu können. Andererseits müssen die Abgaskatalysatoren im Dauerbe­ trieb vor einer schädlichen Überhitzung geschützt werden, d. h. es muß eine ausreichende Wärmeabgabe an die Umge­ bung möglich sein. Hinsichtlich dieser konträren Anforde­ rungen sind die Isolationsschichten üblicher Abgaskataly­ satoren, von denen einer beispielsweise in der DE 34 02 916 A1 gezeigt ist, auszulegen. Daher wurde auch bereits vorgeschlagen (DE 35 37 080 C1), den Isoliermantel eines Abgaskatalysators zu evakuieren, wobei dieser evakuierte Hohlraum mit Gasen befüllt werden kann, die in einer Get­ ter-Legierung gespeichert sind. Bei betriebskaltem Abgas­ katalysator absorbiert diese Getter-Legierung die Gase, so daß der Hohlraum evakuiert wird, wodurch erwünschter­ maßen eine gute Wärmeisolationsschicht entsteht. Bei be­ triebswarmem Abgaskatalysator gibt die Getter-Legierung diese Gase frei, so daß nunmehr Wärme über den nur noch geringfügig isolierend wirkenden Hohlraum vom Abgaskata­ lysator an die Umgebung abgegeben werden kann.

Da die Auslegung üblicher Isolationsschichten stets einen unbefriedigenden Kompromiß darstellt und der letztbe­ schriebene Vorschlag aufgrund der erforderlichen Dicht­ heit des Hohlraumes nur sehr schwer technisch realisier­ bar ist, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine funktional verbesserte Wärmeisolation für Abgaskata­ lysatoren aufzuzeigen. Diese funktional verbesserte Wär­ meisolation soll bei betriebswarmem Abgaskatalysator Wärme aufnehmen und bei betriebskaltem Abgaskatalysator dessen schnelle Erwärmung unterstützen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Wärme­ isolationsschicht zumindest teilweise als Latentwärme­ speicher ausgebildet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiter­ bildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die Überschußwärme, die bei Dauerbe­ trieb des betriebswarmen Katalysators anfällt, in einem im Abgaskatalysator integrierten Latentwärmespeicher ge­ speichert. Durch Wärmeabgabe aus diesem La­ tentwärmespeicher kann ein nicht von heißem Abgas beauf­ schlagter Abgaskatalysator auf seiner Betriebstemperatur oder zumindest auf einem gegenüber der Umgebungstempera­ tur erhöhten Temperaturniveau gehalten werden. Bevorzugt liegt der Latentwärmespeicher in einem hocheffektiv iso­ lierten Raum, so daß keine besonderen Anforderungen hin­ sichtlich Belade- und Entladedynamik vorliegen. Da da­ rüber hinaus in Form der Begrenzungsflächen des eigentli­ chen Katalysatorgehäuses relativ große Wärmeübertragungs­ flächen zur Verfügung stehen, läßt sich ein Latentwärme­ speicher für diesen Anwendungsfall relativ einfach auf­ bauen.

Latentwärmespeicher sind an sich bekannt, so beispiels­ weise aus der WO 89/09375. Analog diesem bekannten La­ tentwärmespeicher kann auch im vorliegenden Fall eines einen Abgaskatalysator umgebenden Latentwärmespeichers ein geeignetes Speichermedium, das in den sich einstel­ lenden Temperaturspannen einen Phasenwechsel erfährt, zum Einsatz kommen. Dieses Speichermedium wird bevorzugt in einen Raum zwischen dem eigentlichen Katalysatorgehäuse, innerhalb dessen die Abgase beispielsweise der Brenn­ kraftmaschine geführt werden, sowie einem das Katalysa­ torgehäuse umgebenden Speichergehäuse eingefüllt. Dabei sollte das zur Verfügung stehende theoretische Speicher­ volumen nur teilweise mit Speichermedium befüllt werden, da neben der Volumenänderung beim Phasenübergang auch ein Pufferraum von beispielsweise 2% des theoretisch zur Verfügung stehenden Gesamtvolumens vorgesehen werden sollte.

Es wird vorgeschlagen, den mit dem Speichermedium befüll­ ten Raum zwischen dem Katalysatorgehäuse und dem Spei­ chergehäuse nach dem Konstruktionsprinzip eines Platten­ wärmetauschers mit eingebundenen Rippen bzw. Lamellen aufzubauen. Dabei sollten diese Rippen bzw. Lamellen so ausgerichtet werden, daß sich geschlossene Ringräume bzw. Teilräume bilden, die den Abgaskatalysator im Querschnitt einschließen. Mit der angegebenen Orientierung kann in diesen Ringräumen eine optimale Wärmespeicherung erfol­ gen, da diese Orientierungsrichtung einem optimalen Pha­ senwechsel des Speichermediums förderlich ist.

Wie bereits erwähnt, empfiehlt es sich nicht nur, zur Verringerung der Isolationsverluste auch das Speicherge­ häuse mit einer weiteren Isolationsschicht zu umgeben, sondern es kann darüber hinaus zwischen dem Latentwärme­ speicher sowie dem Katalysatorgehäuse eine insbesondere im Hochtemperaturbereich wirksame Isolationsschicht vor­ gesehen sein. Eine derartige Isolationsschicht schützt den Latentwärmespeicher vor unzulässig hoher Wärmezufuhr; dabei sind Isolationsschichten, die in speziellen Tempe­ raturbereichen eine besonderes intensive Isolationswir­ kung besitzen, durchaus bekannt. Im vorliegenden Anwen­ dungsfall soll diese Isolationsschicht bei niedrigeren Temperaturen nur eine relativ geringe Wirkung besitzen, um dann erwünschtermaßen durch Wärmeabgabe aus dem La­ tentwärmespeicher den Abgaskatalysator auch bei Nichtbe­ aufschlagung mit Abgas langzeitig auf seiner Betriebstem­ peratur bzw. zumindest auf einem erhöhten Temperatur­ niveau zu halten.

Die im folgenden beschriebene Prinzipskizze dient als be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel der näheren Erläuterung der Erfindung.

Mit der Bezugsziffer 1 ist das Katalysatorgehäuse eines Abgaskatalysators einer Brennkraftmaschine bezeichnet. Innerhalb dieses Katalysatorgehäuses 1 werden die Brenn­ kraftmaschinenabgase gemäß Pfeilrichtung 11 durch einen monolithischen Trägerkörper 12, der katalytisch beschich­ tet ist, geführt. Da diese katalytische Schicht nur in­ nerhalb eines gewissen Temperaturbereiches Schadstoffe im Abgas erfolgreich konvertieren kann, ist das Katalysator­ gehäuse 1 allseitig u. a. von einer Wärmeisolations­ schicht 2 umgeben.

Da es andererseits erforderlich ist, den Abgaskatalysator bei Stationärbetrieb zu kühlen, ist zwischen der Wärme­ isolationsschicht 2 sowie dem Katalysatorgehäuse 1 ein Latentwärmespeicher 3 vorgesehen. Dieser Latentwärmespei­ cher 3 besteht im wesentlichen aus einem geeigneten Spei­ chermedium, das in ein Speichergehäuse 4 eingefüllt ist, das das Katalysatorgehäuse 1 unter Bildung eines Zwi­ schenraumes umgibt. Überschußwärme der Abgase bzw. des Abgaskatalysators wird vom Latentwärmespeicher 3 aufge­ nommen und in diesem auf bekannte Weise, nämlich durch Phasenwechsel des Speichermateriales gespeichert. Soll hingegen bei Nichtbeaufschlagung des Abgaskatalysators mit Abgas der monolithische Trägerkörper 12 möglichst auf seiner optimalen Betriebstemperatur, jedoch zumindest auf einem erhöhten Temperaturniveau gehalten werden, so ist der Latentwärmespeicher 3 in der Lage, diese erforderli­ che Wärmemenge durch abermaligen Phasenwechsel des Speichermaterials wieder freizusetzen. Auch nach einer längeren Stillstandsphase der dem Abgaskatalysator vorge­ schalteten, nicht gezeigten Brennkraftmaschine besitzt demzufolge ein erfindungsgemäß gestalteter Abgaskatalysa­ tor noch eine höhere Temperatur, so daß er bei einem nachfolgenden Kaltstart der Brennkraftmaschine binnen kürzester Zeit seine Betriebstemperatur erreicht und so­ mit erwünschtermaßen erfolgreich schädliche Abgasbestand­ teile umwandeln kann.

Zwischen dem Katalysatorgehäuse 1 sowie dem Speicherge­ häuse 4 bzw. dem Latentwärmespeicher 3 ist eine weitere insbesondere im Hochtemperaturbereich wirksame Isola­ tionsschicht 5 vorgesehen. Bei dieser Isolationsschicht wird das in gewissen Betriebszuständen sehr hohe Tempera­ turniveau des Abgaskatalysators auf ein für den Latent­ wärmespeicher 3 besser geeignetes Temperaturniveau redu­ ziert. Gilt es hingegen, den Abgaskatalysator bzw. den monolithischen Trägerkörper 12 auf seiner minimalen Be­ triebstemperatur bzw. zumindest auf einem gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Temperaturniveau zu halten, so stellt diese Isolationsschicht 5 für den Wärmeübergang vom Latentwärmespeicher 3 auf das Katalysatorgehäuse 1 bzw. den Trägerkörper 12 kein wesentliches Hindernis dar.

Im Raum zwischen dem Katalysatorgehäuse 1 sowie dem Spei­ chergehäuse 4 sind Rippen 6 vorgesehen, die durch mäan­ derförmig zwischen dem Katalysatorgehäuse 1 sowie dem Speichergehäuse 4 eingebundene Lamellen gebildet werden. Diese Rippen bilden eine Vielzahl von Teilräumen 7, die das Katalysatorgehäuse im Querschnitt umrundende, ge­ schlossene Ringräume bilden. Befüllt sind die einzelnen Teilräume 7 mit dem in den sich einstellenden Temperatur­ spannen einen Phasenwechsel durchführenden Speicherme­ dium. Die gezeigte Orientierung der Teilräume 7 ist dabei einem optimalen Phasenwechsel förderlich. Jedoch kann dies sowie weitere konstruktive Details durchaus ander­ weitig gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprü­ che zu verlassen.

Claims (6)

1. Abgaskatalysator, insbesondere für eine Brennkraft­ maschine, mit einer das Katalysatorgehäuse (1) umge­ benden Wärmeisolationsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolations­ schicht (2) zumindest teilweise als Latentwärmespei­ cher (3) ausgebildet ist.

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Latentwärmespeicher (3) aus einem geeigneten, in den sich einstellenden Temperaturspannen einen Phasenwechsel durchführenden Speichermedium besteht, das sich in einem Raum zwi­ schen dem Katalysatorgehäuse (1) sowie einem dieses umgebenden Speichergehäuse (4) befindet.

3. Abgaskatalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Kata­ lysatorgehäuse (1) und Speichergehäuse (4) verrippt ist.

4. Abgaskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6) in sich geschlossene, ringförmige Teilräume bilden.

5. Abgaskatalysator nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Latentwär­ mespeicher (3) sowie dem Katalysatorgehäuse (1) eine insbesondere im Hochtemperaturbereich wirksame Iso­ lationsschicht (5) vorgesehen ist.

6. Abgaskatalysator nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichergehäuse (4) von einer weiteren Isolationsschicht (2) umgeben ist.