DE4314043A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Für das Erreichen niedrigster Schadstoffanteile im Abgas einer Brennkraftmaschine ist die Reduktion von Kohlenwasserstoffen (HC) insbesondere in der Kaltstartphase unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine ein bekanntes Problem.
Das Problem besteht darin, daß ein im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingesetzter Abgaskatalysator in der Kaltstartphase noch nicht die für die Umwandlung der HC-Anteile erforderliche Anspringtemperatur besitzt. Diese Temperatur wird üblicherweise so definiert, daß bei ihrem Erreichen der Katalysator 50 Prozent seiner maximal möglichen Umwandlungsrate erreicht hat. Dieses Problem wird dadurch verschärft, daß diese Anspringtemperatur mit der Alterung des Katalysators zu höheren Werten verschoben wird.
Zur Lösung dieses Problemes ist es aus DE - 3928760 C2 bekannt, stromauf eines Katalysators einen Adsorber für HC anzuordnen. Dieser Adsorber adsorbiert die Kohlenwasserstoffe bei relativ niedrigen Abgastemperaturen, bei welcher der Katalysator noch keine ausreichende Temperatur zur Umwandlung aufweist. Bei steigender Abgastemperatur muß ab ca. 250°C damit gerechnet werden, daß die angelagerten HC-Teile aus dem Adsorber desorbieren und dem Katalysator zugeführt werden. Im gealterten Zustand weist ein solcher Katalysator eine Anspringtemperatur von ca. 350°C auf, so daß es während einer relativ langen Zeitspanne, die vom Desorptionsbeginn bis zum Erreichen der Katalysatoranspringtemperatur reicht, zu einem sogenannten HC-Schlupf kommt, also einem unerwünschten Durchtritt von HC-Teilen durch den Katalysator.
Zur Vermeidung dieses HC-Schlupfes ist es aus EP - 0460542 A2 bekannt, einen mit verzweigten Rohrleitungen und mit mehreren Ventilen versehenen Abgasstrang vorzusehen, in dem das Abgas vollständig oder teilweise so lange zirkuliert, bis die Katalysatoren ihre Anspringtemperatur erreicht haben.
Eine solche Anordnung ist aufwendig aufgrund der Vielzahl von erforderlichen Leitungen und Ventilen. Diese sind gewichtserhöhend, Bauraum beanspruchend und kostenintensiv. Darüber hinaus sind direkt vom Abgas beaufschlagte Ventile kritisch bezüglich ihrer Funktionsfähigkeit über einen langen Zeitraum.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche einen Durchtritt von Kohlenwasserstoffen weitestgehend vermeidet und dabei von vergleichsweise einfachem Aufbau ist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wenn bei einer Abgasreinigungsvorrichtung stromab des Adsorbers und stromauf des Katalysators als Heizeinrichtung z. B. ein erwärmbarer Heizkatalysator angeordnet ist, so bewirkt dieser Heizkatalysator eine rasche Temperatursteigerung des den Adsorber verlassenden Abgases. Durch die Beheizung und die exotherme katalytische Reaktion in dem Heizkatalysator wird das Abgas soweit erwärmt, daß der stromab dazu liegende Katalysator schneller seine Anspringtemperatur erreicht. Diese wird dabei so schnell erreicht, daß der Zeitpunkt dieses Erreichens auch bei gealtertem Katalysator vor dem oder zumindest im Zeitpunkt des Desorptionsbeginnes der Kohlenwasserstoffe aus dem Adsorber liegt. Die erfindungsgemäße Reihenanordnung vermeidet den sonst üblichen Aufwand an Leitungen und Ventilen und ist daher leichtgewichtig, kostengünstig und frei von z. B. Undichtigkeiten von im Abgasstrom liegenden Ventilen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein Steuergerät vorgesehen, welches Signale von Temperaturmeßstellen im Abgasstrang aufnimmt und in Abhängigkeit dieser Signale die Heizung des Heizkatalysators betätigt. Hierfür kann die Temperatur der Matrix des Heizkatalysators und/oder die im Adsorber erfaßt werden. Im Steuergerät ist ein einem einstellbaren unteren Grenzwert für diese Temperatur entsprechender Wert gespeichert. Wird dieser Wert, der z. B. ca. 100°C entspricht, überschritten, wird der Heizkatalysator z. B. elektrisch erwärmt. Dieses hat den Vorteil, daß unmittelbar nach dem Anlassen der kalten Brennkraftmaschine keine Heizleistung für die Verdampfung von in der Beschichtung des Heizkatalysators angelagerter Feuchtigkeit aufgewendet wird. Hierdurch wird die Einschaltzeit der Heizung verringert, d. h. die Energieentnahme aus einem elektrischen Speicher wird gemindert.
Zur weiteren Optimierung der Heizleistung wird die Heizung beim Erreichen oder Überschreiten eines einstellbaren oberen Grenzwertes für die Trägertemperatur abgeschaltet. Dieser Grenzwert liegt oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators.
Die Heizeinrichtung kann z. B. als elektrisch beheizter Heizkatalysator oder als Brennersystem ausgebildet sein. In bevorzugter Ausführung ist er als elektrisch beheizbarer Katalysator ausgebildet, dessen Heizleistung in Abhängigkeit der Systembedingungen im Bereich von ca. 1000 Watt bis 2000 Watt liegt. Die Systembedingungen sind z. B. durch die Lage der Abgasreinigungsvorrichtung relativ zur Brennkraftmaschine, durch deren Abgasmenge, Größe des Adsorbers und der Katalysatoren etc. gegeben.
Die Beschränkung auf den angegebenen Leistungsbereich hat den Vorteil, daß gegenüber bekannten elektrischen Heizkatalysatoren diese Leistung von den üblicherweise verwendeten Generatoren aufgebracht werden kann, wobei sich die Belastung der Fahrzeugbatterie und der Aufwand für Leistungsschalter und Kabelquerschnitte in vertretbaren Grenzen halten. Eine zusätzliche Batterie ist nicht erforderlich.
Die abgasreinigende Wirkung dieser Vorrichtung kann weiter verbessert werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einer z. B. elektrisch angetriebenen Sekundärluftpumpe versehen ist, welche in der Kaltstartphase Sekundärluft nahe der Brennkraftmaschine über Leitungen in den Abgasstrang stromauf des Adsorbers führt. Üblicherweise wird in dieser Startphase die Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch, d. h. fett betrieben, wodurch erhöhte Kohlenmonoxid- und HC-Werte emittiert werden. Das Einblasen einer ausreichend großen Sekundärluftmenge bewirkt eine Reaktion mit CO und HC und eine überstöchiometrische Abgaszusammensetzung. Hierdurch wird die Anspringtemperatur des Katalysators zu niedrigen Werten verschoben, wodurch die Zeit bis zum Erreichen dieser Temperatur verkürzt ist und die Heizung des Heizkatalysators früher ausgeschaltet werden kann, was wiederum die aufzuwendende Heizleistung verringert.
Der Adsorber besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren mit einem hochtemperaturfesten Zeolith beschichteten Metall- oder Keramikträger, wobei zusätzlich eine katalytisch wirksame Schicht aufgebracht sein kann. Diese besteht vorzugsweise u. a. aus Edelmetallen wie Platin, Palladium und Rhodium oder einer Kombination hieraus. Diese zusätzliche Beschichtung hat den Vorteil, daß zu einem möglichst frühen Zeitpunkt in einem nah an der Brennkraftmaschine gelegenen Bauteil, dem Adsorber, eine exotherme, katalytische Reaktion auftritt, wodurch das hindurchströmende Abgas erwärmt wird und die nachgeschalteten Katalysatoren schneller ihre Anspringtemperatur erreichen.
In vereinfachter Weise kann die Steuerung der Heizung des Heizkatalysators unter Vermeidung der Temperaturmeßstellen auf der Basis einer Zeitsteuerung erfolgen. Hierzu ist ein entsprechender zeitlicher Ablauf im Steuergerät gespeichert. Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird dabei nach einer gewissen Vorlaufzeit die Heizung des Heizkatalysators für eine vorbestimmte Zeit eingeschaltet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit in einem Abgasstrang angeordneter Abgasreinigungsvorrichtung,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Temperaturen im Abgasstrang ohne Beheizung und
Fig. 3 einen Verlauf ähnlich Fig. 2 mit einer Beheizung.
Eine Brennkraftmaschine 1 weist auslaßseitig einen Abgasstrang 2 auf, welcher aus Abgaskrümmern 3, einem Rohrstück 4 und einem nachfolgenden Gehäuse 5 sowie weiteren, nicht gezeigten Bestandteilen wie Schalldämpfer etc. besteht. Benachbart einem Abgaseintritt 6 des Gehäuses 5 ist in diesem ein einen mit Zeolith beschichteten Träger 7 aufweisender Adsorber 8 für Kohlenwasserstoffe angeordnet. Zusätzlich weist der Adsorber 8 eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Stromab dazu ist unmittelbar benachbart als Heizeinrichtung ein elektrisch beheizbarer, als Vorkatalysator wirkender Heizkatalysator 9 angeordnet und stromab dazu ein als Hauptkatalysator wirkender Katalysator 10.
In einer Matrix 11 des Vorkatalysators ist eine Temperaturmeßstelle 12 angeordnet, welche eine Matrixtemperatur T1 erfaßt. Ein dieser Temperatur T1 entsprechendes Signal wird über eine elektrische Verbindungsleitung 13 einem Steuergerät 14 zugeführt. Dieses Steuergerät 14 nimmt darüber hinaus u. a. Werte der Brennkraftmaschinendrehzahl N und der Kühlwassertemperatur K auf.
Eine von der Brennkraftmaschine 1 angetriebene Sekundärluftpumpe 15 fördert durch eine mit einem über das Steuergerät 14 betätigbaren Absperrventil 16 versehene Leitung 17 Sekundärluft stromauf des Adsorbers 8 in den Abgasstrang 2.
Mit 18, 19 und 20 sind weitere Temperaturmeßstellen bezeichnet, wobei bei 18 eine Adsorbertemperatur T2, bei 19 eine Temperatur T3 vor dem Eintritt in den Katalysator 10 und bei 20 eine Hauptkatalysatortemperatur T4 erfaßt wird.
Der Heizkatalysator 9 ist mit einer nicht näher gezeigten elektrischen Heizeinrichtung 21 versehen, welche über eine Verbindungsleitung 22 von dem Steuergerät 14 ein- bzw. ausgeschaltet wird und über das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeuges versorgt wird.
Anhand der Fig. 2 und 3 wird nachfolgend ein typischer Temperaturverlauf in dem Abgasstrang 2 verdeutlicht.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperaturen T2, T3 und T4 in einer Abgasreinigungsvorrichtung ohne beheizbaren Vorkatalysator. Die Temperatur T2 im Adsorber 8 steigt aufgrund der relativ nahen Lage zur Brennkraftmaschine 1 am schnellsten an, gefolgt von der Temperatur T3 vor Eintritt in den Hauptkatalysator.
Die in einem bestimmten Abstand von einem Eintrittsquerschnitt 25 des Katalysators 10 angeordnete Meßstelle 20 erfaßt die Temperatur T4, welche in der Startphase zunächst der Temperatur T3 folgt. Bei ca. 350°C ist parallel zur Zeitachse t verlaufend eine Temperaturlinie 26 eingezeichnet, die die Anspringtemperatur TU eines gealterten Katalysators 10 darstellt. Ab dem Erreichen dieser Temperatur TU durch T4 erfolgt verstärkt eine exotherme katalytische Reaktion im Katalysator 10, so daß T4 im weiteren zeitlichen Verlauf höhere Werte als T3 einnimmt.
Mit 27 ist eine Temperaturlinie TD bei ca. 250°C bezeichnet, welche dem Beginn der Desorption von HC aus dem Adsorber 8 entspricht. Zwischen einem dem Desorptionsbeginn entsprechenden Zeitpunkt tD und einem dem wirksamen Umwandeln im Katalysator 10 entsprechenden Zeitpunkt tU liegt eine Zeitspanne t1, in welcher ein unerwünschter HC-Schlupf auftritt.
Fig. 3 verdeutlicht den Verlauf der zuvor beschriebenen Temperaturen bei einer Abgasreinigungsvorrichtung mit beheizbarem Vorkatalysator, dessen Matrixtemperatur T1 zusätzlich dargestellt ist. Nach dem Erreichen eines im Steuergerät 14 gespeicherten, einstellbaren unteren Grenzwertes G1 der Matrixtemperatur T1 wird vom Steuergerät 14 über die Leitung 22 ein die Heizeinrichtung 21 einschaltendes Signal abgegeben. Infolge dessen steigen die stromab dazu erfaßten Temperaturen T3 und T4 im Vergleich zu Fig. 2 relativ steil an, wodurch die Zeitspanne t1 deutlich verkürzt ist.
Die Heizeinrichtung 21 bleibt während einer Heizzeit t2 eingeschaltet, bis ein im Steuergerät 14 gespeicherter, einstellbarer oberer Grenzwert G2 der Matrixtemperatur T1 erreicht ist, der zumindest dem Wert TU entspricht.
Die Anordnung der Meßstelle 20 beabstandet zum Eintrittsquerschnitt 23 stellt sicher, daß stromauf dieser Meßstelle im Katalysator 10 bereits ein ausreichend großes Volumen die Anspringtemperatur TU überschritten hat. Der HC-Schlupf ist somit unterdrückt.

Claims (9)

1. Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasstrang, in dem ein Katalysator eingesetzt ist und mit einem stromauf dazu angeordneten Adsorber zur Adsorption von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Adsorbers (8) und stromauf des Katalysators (10) eine erwärmbare Heizeinrichtung angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Matrix (11) des Heizkatalysators (9) eine Temperaturmeßstelle (12) zur Erfassung einer Matrixtemperatur (T1) angeordnet ist und ein Steuergerät (14) ein dieser Temperatur (T1) entsprechendes Signal erfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (8) eine Temperaturmeßstelle (18) zur Erfassung einer Adsorbertemperatur (T2) aufweist und ein Steuergerät (14) ein dieser Temperatur (T2) entsprechendes Signal erfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (14) bei Überschreiten eines einstellbaren, unteren Grenzwertes (G1) der Matrixtemperatur (T1) oder der Adsorbertemperatur (T2) ein die Erwärmung eines als Heizeinrichtung ausgebildeten Heizkatalysators (9) beginnendes Signal abgibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (14) bei Überschreiten eines einstellbaren, oberen Grenzwertes (G2) der Matrixtemperatur (T1) oder der Adsorbertemperatur (T2) ein die Erwärmung des Heizkatalysators (9) beendendes Signal abgibt, wobei dieser Grenzwert (G2) oberhalb der Anspringtemperatur (TU) des Katalysators (10) liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (9) als elektrisch beheizter Heizkatalysator (9) ausgebildet ist und eine Leistungsaufnahme von ca. 1000 Watt bis 2000 Watt aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß brennkraftmaschinennah stromauf des Adsorbers (8) eine Sekundärluft zuführende Leitung (17) im Abgasstrang (2) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (8) mindestens einen mit einem hochtemperaturfesten Zeolith beschichteten Träger (7) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (8) zusätzlich eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
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