DE4338883B4

DE4338883B4 - Katalysatoranordnung zum Vermindern von in sauerstoffhaltigen Abgasen enthaltenen Stickoxiden

Info

Publication number: DE4338883B4
Application number: DE4338883A
Authority: DE
Inventors: Werner Engeler; Gerhard Dipl.-Ing. Kahmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1993-11-13
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2013-11-14
Also published as: DE4338883A1

Abstract

Katalysatoranordnung zum Vermindern von in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden mit mehreren, in Abgasströmungsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgenden Katalysatoren und mit Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zu der Abgasströmung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils sowohl oxidierende als auch reduzierende Katalysatoren (2, 3, 4) derart aufeinanderfolgend beabstandet angeordnet sind, daß sich für jeden Katalysator (2, 3, 4) unterschiedliche Abgaseintrittstemperaturen einstellen, wobei jedem Katalysator (2, 3, 4) eine Einrichtung (6, 7, 8) zum Einspeisen von Kraftstoff der Brennkraftmaschine (1) vorgeschaltet ist, denen eine Dosiereinrichtung (5) geordnet ist, welche in Abhängigkeit von Signalen für die Abgastemperatur (T_M) und den jeweiligen Abgasvolumenstrom die jeweilige Kraftstoffeinspeisung vor jedem Katalysator (2, 3, 4) jeweils unabhängig voneinander wahlweise aktiviert oder deaktiviert derart, daß ausschließlich vor wenigstens einem Katalysator die Kraftstoffeinspeisung aktiviert ist, in dem die bzgl. des Konvertierungsgrades (K) günstigste Abgastemperatur herrscht, wobei die Dosiereinrichtung (5) derart ausgebildet ist, daß sie die einzuspeisende Kraftstoffmenge entsprechend dem jeweiligen Abgasvolumenstrom und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung zum Vermindern von in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden mit mehreren, in Abgasströmungsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgenden Katalysatoren und mit Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zu der Abgasströmung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Katalysatoranordnung ist für die Abgase von Dieselmaschinen oder Ottomaschinen, die mit magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch (Kraftstoff-Luft-Verhältnis größer als 1) betrieben werden, aus der DE 36 42 018 A1 in der Weise bekannt, daß in Strömungsrichtung der Abgase ein zeolithhaltiger Katalysator zur Stickoxid-Reduktion und ein Oxidationskatalysator mit Abstand, also als getrennte Katalysatoren, aufeinanderfolgen. Dem zeolithhaltigen Katalysator ist eine Einrichtung zur Zufuhr von Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen in gasförmiger oder flüssiger Form vorgeschaltet.

Bekannt sind auch, siehe die DE 37 35 151 A1 , Einzelkatalysatoren, die sowohl reduzierende als auch oxidierende Materialien enthalten. Dabei wird auf einen gemeinsamen, aus Aluminiumoxid, Kieselerde, Zeolith oder einem Stoffgemisch bestehenden Träger eingangsseitig Kupfer und auf einen zweiten Abschnitt zumindest ein Metall aufgebracht, das oxidierend wirkt. Bezüglich Einzelheiten hinsichtlich der verwendeten Stoffe ist auf die Schrift zu verweisen. Auch hier erfolgt in Strömungsrichtung der Abgase vor dem Katalysator die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen. Während also die erstgenannte Offenlegungsschrift die Reihenschaltung von zwei Katalysatoren offenbart, die unterschiedlich aufgebaut sind, ist der letztgenannten Offenlegungsschrift ein Einzelkatalysator zu entnehmen, der sowohl reduzierend als auch oxidierend wirkt.

Bekanntlich zeigen Katalysatoren zur Abgasreinigung eine starke Temperaturabhängigkeit ihres Konvertierungsgrads, und zwar nicht nur in der Weise, daß sie überhaupt erst nach Erreichen einer Mindesttemperatur arbeiten, sondern auch bei oberhalb dieser Mindesttemperaturen liegenden Abgastemperaturen. Das bedeutet, daß bei der aus der diskutierten DE 37 35 151 A1 bekannten Katalysatoranordnung mit einem einzigen Katalysator die Wirksamkeit desselben mit der Abgastemperatur starken Schwankungen unterliegt. Nicht viel anders verhält sich übrigens die Katalysatoranordnung nach der eingangs genannten DE 36 42 018 A1 , da auch dort die Abgastemperatur am Ort der beiden Katalysatoren, von denen der eine reduzierend und der andere oxidierend wirkt, stark schwankt.

Aus DE 34 12 289 A1 ist es bekannt, zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden gleichartige Katalysatoren in Reihe zu schalten und vor diesen Katalysatoren jeweils regelbar ein Reduktionsmittel zuzuführen.

Für ein schnelles Ansprechen von Katalysatoren beim Warmlauf einer Brennkraftmaschine sind beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik auch Katalysatoranordnungen aus zwei in Strömungsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgenden Katalysatoren gleichen Verhaltens bekannt, von denen ein in Strömungsrichtung erster, brennraumnah angeordneter sogenannter Startkatalysator sehr klein dimensioniert ist, so daß er schnell auf seine Umwandlungstemperatur aufgeheizt wird, während der in Strömungsrichtung der Abgase zweite Katalysator wesentlich größer bemessen und in einem solchen Abstand von der Maschine angeordnet ist, daß er auch bei den höchsten auftretenden Abgastemperaturen nicht überhitzt wird. Gegebenenfalls wird nach Beendigung des Warmlaufs der Startkatalysator mittels eines Bypasses zum Schutze überbrückt. Auch bei einer derartigen, zwei Katalysatoren enthaltenden Katalysatoranordnung ist aber der eingangs beschriebene Nachteil der Temperaturabhängigkeit ihres Konvertierungsgrads nicht vermieden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Katalysatoranordnung zu schaffen, die in einem breiten Temperaturbereich der Abgase mit hohem Konvertierungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Katalysatoranordnung der o.g. Art mit den kennzeichnenden Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß mehrere, jeweils sowohl oxidierende als auch reduzierende Katalysatoren derart aufeinanderfolgend beabstandet angeordnet sind, daß sich für jeden Katalysator unterschiedliche Abgaseintrittstemperaturen einstellen, wobei jedem Katalysator eine Einrichtung zum Einspeisen von Kraftstoff der Brennkraftmaschine vorgeschaltet ist, denen eine Dosiereinrichtung zugeordnet ist, welche in Abhängigkeit von Signalen für die Abgastemperatur T_M und den jeweiligen Abgasvolumenstrom die jeweilige Kraftstoffeinspeisung vor jedem Katalysator jeweils unabhängig voneinander wahlweise aktiviert oder deaktiviert derart, daß ausschließlich vor wenigstens einem Katalysator die Kraftstoffeinspeisung aktiviert ist, in dem die bzgl. des Konvertierungsgrades K günstigste Abgastemperatur herrscht, wobei die Dosiereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die einzuspeisende Kraftstoffmenge entsprechend dem jeweiligen Abgasvolumenstrom und der Abgastemperatur T_M bemißt.

Dies hat den Vorteil, daß mit an sich bewährten Mitteln eine gattungsgemäße Katalysatoranordnung zur Verfügung steht, die über einen großen Abgas-Temperaturbereich hinweg einen hohen Konvertierungsgrad sicherstellt.

In Abweichung von der Anordnung nach der DE 36 42 018 A1 verwendet die Erfindung also Katalysatoren, die sowohl reduzierende als auch oxidierende Wirkung entfalten. In Abweichung von der Anordnung nach der DE 37 35 151 A1 sind zumindest zwei derartige Katalysatoren in der Abgasströmung mit vorgegebenem Abstand in Reihe geschaltet.

Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Katalysatoren – es können auch mehr als zwei Katalysatoren Verwendung finden – ist so dimensioniert, daß in dem zwischen aufeinanderfolgenden Katalysatoren verlaufenden Bereich der Abgasleitung eine deutliche Abkühlung der Abgase erfolgt. Die Ansteuerung der einzelnen Katalysatoren erfolgt nun mittels der Dosiereinrichtung so, daß jeweils derjenige Katalysator, in dem die bezüglich des Konvertierungsgrads günstigste Abgastemperatur herrscht, durch Zufuhr von Kraftstoff der Brennkraftmaschine, also Benzin oder Dieselöls, gleichsam aktiviert wird. Dies schließt nicht aus, daß bei einer größeren Anzahl von Katalysatoren mehr als ein Katalysator in dieser Weise aktiviert wird oder daß in einem relativ schmalen Temperaturbereich mehrere Katalysatoren gleichzeitig aktiviert sind. Entscheidend ist, daß die Dosiereinrichtung die Aktivierung der Katalysatorfolge in Abhängigkeit von der Abgastemperatur gleichsam hin und her schiebt, so daß in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der bei dieser Temperatur hinsichtlich des Konvertierungsgrads günstigste Katalysator ausgewählt wird. Gegenüber der eingangsseitigen Belieferung aller Katalysatoren mit Kraftstoff hat diese Auswahl eine vorteilhafte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zur Folge.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
Der Abgaserzeuger ist eine Diesel-Brennkraftmaschine oder eine Otto-Brennkraftmaschine, die im Magerbetrieb arbeitet. Die Abgastemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine 1 ist mit T_M bezeichnet. In Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsweise des Motors – Kaltstart, Warmlauf, Leerlauf, Teillast, Vollast – unterliegt die Abgastemperatur T_M großen Schwankungen.
Die stickoxidenthaltenden Abgase werden nun einer Katalysatoranordnung zugeführt, die in diesem Ausführungsbeispiel drei gleiche Katalysatoren 2, 3 und 4 mit aus der DE 37 35 151 A1 bekanntem Aufbau. Alle drei Katalysatoren wirken also sowohl reduzierend als auch oxidierend. Zwischen ihnen liegen Abstände ΔT vor, die so bemessen sind, daß sie eine deutliche Absenkung der Abgastemperatur bewirken.
Unter den Katalysatoren 2, 3 und 4 erkennt man identische Diagramme, die den Verlauf des Konvertierungsgrads K über der jeweiligen Abgastemperatur T im Katalysator wiedergeben. Deutlich sichtbar ist ein Maximum des Konvertierungsgrads bei einer bestimmten Abgastemperatur im jeweiligen Katalysator. Das bedeutet, daß infolge durch Schwankungen der Abgastemperatur T_M bedingter Schwankungen der Temperatur T des Abgases im jeweiligen Katalysator 2, 3 und 4 dessen Konvertierungsgrad ebenfalls schwankt.
Erfindungsgemäß wird nun dennoch eine wirkungsvolle Konvertierung dadurch erreicht, daß mittels der Dosiereinrichtung 5 nur die demjenigen Katalysator vorgeschaltete Einrichtung 6, 7 oder 8 zur Zugabe von Kraftstoff in die Abgasströmung, d.h. in die Abgasleitung 9, betätigt wird, in dem die Temperatur des Abgases am günstigsten bezüglich der das Maximum des Konvertierungsgrads K bewirkenden Temperatur liegt. Beispielsweise wählt die Dosiereinrichtung 5 bei relativ hohen (aber noch nicht maximalen) Abgastemperaturen T_M den mittleren Katalysator 3 durch Kraftstoffzufuhr durch die Einrichtung 7 aus, während die Kraftstoffzufuhren durch die Einrichtung 6 und 8 abgeschaltet und dadurch die Katalysatoren 2 und 4 wirkungslos gemacht werden. Bei sehr hohen Abgastemperaturen dagegen wird auf diese Weise der Katalysator 4, bei niedrigen Abgastemperaturen der Katalysator 2 aktiviert.
Betrachtet man nun das unterste Diagramm in der Zeichnung, so ergibt sich ein resultierender Konvertierungsgrad K der die Katalysatoren 2, 3 und 4 enthaltenden Katalysatoranordnung, der über der Abgastemperatur T_M einen gegenüber den entsprechenden Kurven der einzelnen Katalysatoren geglätteten Verlauf besitzt. Mit anderen Worten: Diese Katalysatoranordnung stellt einen hohen Konvertierungsgrad in einem großen Abgastemperaturbereich sicher.
Die Dosiereinrichtung 5 erhält nicht nur Signale für die Abgastemperatur T_M (gleichsam ein Maß für die Last der Brennkraftmaschine 1), sondern auch für den Abgas-Volumenstrom, der beispielsweise durch Drehzahlsignale n wiedergegeben wird. Diese Signale dienen zur Einstellung einer adäquaten Kraftstoffmenge.
Zur Sicherstellung eines hohen Konvertierungsgrads zumindest ist es grundsätzlich auch möglich zwei derartige Folgen von Katalysatoren parallel zu schalten.

Claims

Katalysatoranordnung zum Vermindern von in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden mit mehreren, in Abgasströmungsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgenden Katalysatoren und mit Zufuhr von Kohlenwasserstoffen zu der Abgasströmung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils sowohl oxidierende als auch reduzierende Katalysatoren (2, 3, 4) derart aufeinanderfolgend beabstandet angeordnet sind, daß sich für jeden Katalysator (2, 3, 4) unterschiedliche Abgaseintrittstemperaturen einstellen, wobei jedem Katalysator (2, 3, 4) eine Einrichtung (6, 7, 8) zum Einspeisen von Kraftstoff der Brennkraftmaschine (1) vorgeschaltet ist, denen eine Dosiereinrichtung (5) geordnet ist, welche in Abhängigkeit von Signalen für die Abgastemperatur (T_M) und den jeweiligen Abgasvolumenstrom die jeweilige Kraftstoffeinspeisung vor jedem Katalysator (2, 3, 4) jeweils unabhängig voneinander wahlweise aktiviert oder deaktiviert derart, daß ausschließlich vor wenigstens einem Katalysator die Kraftstoffeinspeisung aktiviert ist, in dem die bzgl. des Konvertierungsgrades (K) günstigste Abgastemperatur herrscht, wobei die Dosiereinrichtung (5) derart ausgebildet ist, daß sie die einzuspeisende Kraftstoffmenge entsprechend dem jeweiligen Abgasvolumenstrom und der Abgastemperatur (T_M) bemißt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale für den Abgasvolumenstrom aus Signalen für die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) abgeleitet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Folgen von Katalysatoren (2, 3, 4) parallel in der Abgasströmung angeordnet sind.
Anordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit des Konvertierungsgrads (K) für alle Katalysatoren (2, 3, 4) im wesentlichen gleich ist.
Anordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoren (2, 3, 4) von gleicher Bauart sind.