DE4400202C1 - Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von
Kohlenwasserstoff-Emissionen einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der US-PS 5 051 244 ist bereits ein gattungsgemäßes Verfah
ren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen bekannt.
In einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einem Kataly
sator befindet sich stromauf des Katalysators ein Adsorber zur
Adsorption von Kohlenwasserstoff, wobei der Adsorber in einer
Bypassleitung der Abgasleitung angeordnet ist. An der Ausmün
dungsstelle der Bypassleitung aus der Abgasleitung ist ein
Schaltventil zur Regelung einer Strömungsverbindung zwischen Ab
gasleitung und Bypassleitung angeordnet, wobei die Regelung u. a.
in Abhängigkeit der Temperatur des Adsorbers vorgenommen wird.
Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften
DE 39 28 760 C2, DE 42 05 496 C1, 42 07 005 A1, DE-GM 90 03 204,
EP 0 424 966 A1, EP 0 460 542 A2 und JP 2-135126 verwiesen.
Ein Nachteil bekannter Verfahren zur Reduzierung der Kohlenwas
serstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen liegt darin, daß die
Desorptionstemperatur des Adsorbers wesentlich unterhalb der An
springtemperatur des Katalysators stromab des Adsorbers liegt,
weshalb in bestimmten Abschnitten der Kaltstartphase
unerwünscht hohe Kohlenwasserstoff-Emissionen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah
rens so auszubilden, daß eine wesentliche Reduzierung der Koh
lenwasserstoff-Emission während der gesamten Kaltstartphase ei
ner Brennkraftmaschine erreichbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß
während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine eine wesent
lich bessere Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emission als im
bekannten Stand der Technik erreichbar ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
darin, daß durch die motornahe Anordnung des Katalysators strom
auf des Adsorbers wesentlich weniger unverbrannte Kohlenwasser
stoffe in den Adsorber gelangen, als bei bekannten Verfahren,
weshalb die Adsorptionsleistung des Sorbens auch bei baulich
kompakten Adsorbern ausreicht, um die bis zum Erreichen der An
springtemperatur des motornahen Katalysators anfallenden unver
brannten Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren. Eine Desorption des
Adsorbers wird erst vorgenommen, nachdem der motorferne Kataly
sator (Unterboden-Katalysator) seine Anspringtemperatur erreicht
hat.
Durch vorteilhafte Ausnutzung von Betriebsphasen der Brennkraft
maschine gemäß Anspruch 2 und 3 ist der zur Desorption der Koh
lenwasserstoffe aus dem Sorbens des Adsorbers benötigte Sauer
stoff auf einfache Weise erhältlich.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung der Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 7 und 8 liegt
darin, daß erst nach Erreichen der Anspringtemperatur des motor
nahen Katalysators auch die Desorptionstemperatur des Adsorbers
erreicht ist, weshalb während der gesamten Kaltstartphase entwe
der eine Adsorption der unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch
den Adsorber oder deren katalytische Umsetzung im motornahen Ka
talysator stattfindet.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus
den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Sie zeigt in einer schematischen Dar
stellung eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasleitung 2, in
der ein motorferner Katalysator 3 (Unterboden-Katalysator) und
ein motornaher Katalysator 4 angeordnet ist.
Zwischen dem motornahen Katalysator 4 und dem Katalysator 3
(z. B. Dreiwege-Katalysator) ist eine Bypassleitung 5′ zur Abgas
leitung 2 geschaltet.
Stromauf des Katalysators 3 ist in der Bypassleitung 5 der Abgas
leitung 2 ein Adsorber 6 angeordnet, dessen Sorbens Kohlenwas
serstoffe unterhalb einer Desorptionstemperatur adsorbiert und
oberhalb einer Desorptionstemperatur desorbiert.
In der Abgasleitung 2 befindet sich ein Schaltventil 7 und in
der Bypassleitung 5 ein Schaltventil 8 zur Regelung einer Strö
mungsverbindung zwischen Bypassleitung 5 und Abgasleitung 2.
Das Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen
der Brennkraftmaschine 1 während deren Kaltstartphase umfaßt,
betrachtet von der Zündschlüsselbetätigung bis kurz nach Errei
chen der Anspringtemperatur des motorfernen Katalysators 3, fol
gende Verfahrensschritte:
- 1. Unterhalb einer Anspringtemperatur des stromauf der By paßleitung 5 angeordneten motornahen Katalysators 4 sowie unterhalb der Desorptionstemperatur des Adsorbers 6 wird das Abgas durch die Bypassleitung 5 nebst Adsorber 6 gelei tet.
- 2. Ab Erreichen der Desorptionstemperatur des Adsorbers 6 wird die Bypassleitung 5 durch das Schaltventil 8 geschlossen.
- 3. Ab Erreichen der Anspringtemperatur des motornahen Kata lysators 4 wird die Bypassleitung 5 mindestens bis zum Er reichen der Anspringtemperatur des stromab des Adsorbers 6 angeordneten Katalysators 3 geschlossen.
- 4. Oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators 3 sowie oberhalb der Desorptionstemperatur des Adsorbers 6 ist, zur Desorption von Kohlenwasserstoff aus dem Sorbens des Adsor bers 6, ein Teil des Abgases durch die Bypassleitung 5 nebst Adsorber 6 leitbar.
Variante 4. A: die Kohlenwasserstoff-Desorption wird
während Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 mit
Schubabschaltung (keine Kraftstoffzufuhr) vorgenommen,
in dem ein Teil des Abgases (bei Schubabschaltung im
wesentlichen Luft) durch die Bypassleitung 5 nebst Ad
sorber 6 geleitet wird.
Variante 4. B: die Brennkraftmaschine 1 wird zur Koh
lenwasserstoff-Desorption im Adsorber 6 kurzzeitig mit
Luftüberschuß betrieben, wobei ein Teil des Abgases
durch die Bypassleitung 5 nebst Adsorber 6 geleitet
wird.
In die Bypassleitung stromauf des Adsorbers 6 ist Luft über eine
separate Zuführungsleitung 13 nebst Schaltventil 14 einblasbar.
Diese Luft dient hauptsächlich zur Einstellung eines stöchiome
trischen Gemisches des Abgases vor dem Eintritt in den Katalysa
tor 3. Durch die Einblasung der Luft stromauf des Adsorbers 6
kann diese durch entsprechende Regelung der Luftzuführung auch
zur Kohlenwasserstoff-Desorption im Adsorber 6 eingesetzt wer
den.
Die Regelung der Schaltventile 7 und 8 erfolgt über eine Auswer
te -und Stelleinrichtung 9, deren Eingangsparameter die mittels
Temperatursensoren 10, 11 und 12 gemessenen Temperaturen des Ka
talysators 3, des motornahen Katalysators 4 und des Adsorbers 6
sind. Die Temperatursensoren 10-12 sind durch strichliert
angedeutete Leitungen 10′, 11′ und 12′ mit der Auswerte- und
Stelleinrichtung 9 verbunden.
Das Sorbens des Adsorbers 6 besteht in prinzipiell bekannter
Weise aus Aktivkohle, Metallhydrid oder Keramik (Zeolith), wobei
das Sorbens bei relativ niederen Temperaturen (z. B. unterhalb
von ca. 150-200°C, je nach Sorbens) Kohlenwasserstoffe adsor
biert und ab einer bestimmten Desorptionstemperatur (z. B. ober
halb von ca. 150-200°C, je nach Sorbens) Kohlenwasserstoffe
desorbiert.
Die Anspringtemperatur des motorfernen Katalysators 3 und des
motornahen Katalysators 4 liegt bei ca. 300°C. Durch die motor
nahe Anordnung des Katalysators 4 und eine Isolierung der Abgas
leitung zwischen Auslaßseite der Brennkraftmaschine 1 und Kata
lysator 4 wird dessen Anspringtemperatur innerhalb etwa 20-50
Sekunden nach dem Start erreicht, während die Anspringtemperatur
des motorfernen Katalysators 3 je nach Betriebsart der Brenn
kraftmaschine erst deutlich später erreicht wird.
Zur Erreichung einer möglichst minimalen Kohlenwasserstoff-Emis
sion ist es sinnvoll, die Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens derart auszubilden, daß die Desorptionstemperatur des
Adsorbers erst oberhalb der Anspringtemperatur des motornahen
Katalysators 4 erreicht wird, somit also die oben geschilderten
Verfahrensschritte 2 und 3 zeitlich zusammenfallen, so daß wäh
rend der Kaltstartphase entweder eine Adsorption oder eine kata
lytische Umsetzung der Kohlenwasserstoffe stattfindet. Da die
Anspringtemperatur des Katalysators 4 um ca. 100°C (je nach
Sorbens des Adsorbers 6) höher ist als die Desorptionstemperatur
des Adsorbers 6, wird dies erreicht, in dem das Abgas nach Ver
lassen des motornahen Katalysators 4 und vor dem Eintritt in den
Adsorber 6 gekühlt wird, so daß bei Erreichen der Anspringtempe
ratur des Katalysators 4 die Eintrittstemperatur des Abgases in
den Adsorber 6 noch unterhalb dessen Desorptionstemperatur
liegt. Die Kühlung des Abgases kann entweder durch eine Abgas
leitung zwischen Katalysator 4 und Adsorber 6 mit einer Länge
entsprechend der aus dem Abgas abzuführenden Wärmemenge erfol
gen, oder es ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
zwischen Katalysator 4 und Adsorber 6 ein Abgaskühleinrichtung
in der Bypassleitung 5 (z. B. Abgasrohr mit Kühlrippen) angeord
net.
Um eine thermische Überlastung des motornahen Katalysators 4 in
der Abgasleitung 2 zu vermeiden, ist dieser in prinzipiell be
kannter Weise in einem Doppelrohrgehäuse integrierbar, das ein
Innenrohr und ein dieses konzentrisch umschließendes Außenrohr
umfaßt. Die anströmseitige Stirnseite des Doppelrohrgehäuses ist
über ein diffusorartiges Gehäuseteil mit der Abgasleitung derart
verbunden, daß das Abgas sowohl das Innenrohr wie auch den ring
förmigen Querschnitt zwischen Innenrohr und Außenrohr beauf
schlagt. Die abströmseitige Stirnseite des Doppelrohrgehäuses
ist über ein düsenartiges Gehäuseteil mit der Abgasleitung ver
bunden. Der Katalysator 4 befindet sich zwischen Innenrohr und
Außenrohr. In dem Innenrohr ist eine regelbare Drosselklappe an
geordnet. Bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysa
tors 4 wird die Drosselklappe im Innenrohr geschlossen und das
Abgas strömt durch den zylinderringförmigen Teil des Doppelroh
res und somit durch den Katalysator 4. Ist die Anspringtempera
tur des motorfernen Katalysators 3 erreicht, wird der motornahe
Katalysator 4 weitgehend abgeschaltet, in dem die Drosselklappe
geöffnet wird, wodurch der größte Teil des Abgases den Weg des
geringsten Widerstandes durch das Innenrohr des Doppelrohrgehäu
ses strömt und lediglich ein geringer Teil des Abgases über den
motornahen Katalysator strömt.
Der Schutz vor thermischer Überlastung des motornahen Katalysa
tors 4 ist auch erreichbar, wenn dieser in der Bypassleitung 5
stromauf des Adsorbers 6 angeordnet ist. Es ist dann besonders
auf eine ausreichende Wärmeabfuhr, beispielsweise durch eine
Rohr mit Kühlrippen zwischen Adsorber und motornahem Katalysa
tor, bei Katalysatortemperaturen oberhalb der Desorptionstempe
ratur des Adsorbers zu achten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann anstelle der
beiden Schaltventile 6 und 7 auch ein einziges Schaltventil an
der Ausmündungsstelle von Bypassleitung 5 und Abgasleitung 2 an
geordnet sein.
Claims (11)
1. Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen
während einer Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine
mit mindestens einem Katalysator und einem Adsorber mit einem
Sorbens, das Kohlenwasserstoffe unterhalb einer Desorptionstem
peratur adsorbiert und oberhalb der Desorptionstemperatur desor
biert, wobei der Adsorber stromauf des Katalysators in einer By
paßleitung einer Abgasleitung mit mindestens einem Schaltventil
zur Regelung einer Strömungsverbindung zwischen Bypassleitung und
Abgasleitung angeordnet ist, wobei
- - unterhalb einer Anspringtemperatur des Katalysators sowie un terhalb der Desorptionstemperatur das Abgas durch die Bypasslei tung nebst Adsorber leitbar ist,
- - unterhalb der Anspringtemperatur des Katalysators sowie ober halb der Desorptionstemperatur die Bypassleitung geschlossen wird und
- - oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators sowie ober halb der Desorptionstemperatur mindestens ein Teil des Abgases durch die Bypassleitung nebst Adsorber zur Desorption von Kohlen wasserstoff leitbar ist,
gekennzeichnet durch
einen stromauf der Bypassleitung (5) angeordneten motornahen Ka talysator (4) in der Abgasleitung (2), wobei beim Erreichen der Anspringtemperatur des motornahen Katalysators (4) die Bypasslei tung (5) mindestens bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des stromab des Adsorbers (6) angeordneten Katalysators (3) ge schlossen wird.
einen stromauf der Bypassleitung (5) angeordneten motornahen Ka talysator (4) in der Abgasleitung (2), wobei beim Erreichen der Anspringtemperatur des motornahen Katalysators (4) die Bypasslei tung (5) mindestens bis zum Erreichen der Anspringtemperatur des stromab des Adsorbers (6) angeordneten Katalysators (3) ge schlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohlenwasserstoff-Desorption während Betriebsphasen der
Brennkraftmaschine (1) mit Schubabschaltung vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (1) zur Kohlenwasserstoff-Desorption
im Adsorber (6) kurzzeitig mit Luftüberschuß betrieben wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
wobei die Vorrichtung mindestens einen Katalysator und einen Ad
sorber mit einem Sorbens, das Kohlenwasserstoffe unterhalb einer
Desorptionstemperatur adsorbiert und oberhalb der Desorptionstem
peratur desorbiert, umfaßt, wobei der Adsorber stromauf des Ka
talysators in einer Bypassleitung einer Abgasleitung mit minde
stens einem Schaltventil zur Regelung einer Strömungsverbindung
zwischen Bypassleitung und Abgasleitung angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
einen stromauf der Bypassleitung (5) angeordneten motornahen Ka
talysator (4) in der Abgasleitung (2).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Schaltventile (7, 8) in der Abgasleitung (2) und in der Bypass
leitung (5) über eine Auswerte -und Stelleinrichtung (9) regelbar
sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der motorferne Katalysator (3), der motornahe Katalysator (4)
und der Adsorber (6) je einen Temperatursensor (10, 11, 12) auf
weist, wobei die Meßsignale der Temperatursensoren (10, 11, 12)
Eingangssignale der Auswerte- und Stelleinrichtung (9) sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Wärmeabfuhr aus dem Abgas die Länge der Abgasleitung (2)
zwischen Adsorber (6) und motornahem Katalysator (4) derart ab
gestimmt ist, daß bei Erreichen der Anspringtemperatur des motor
nahen Katalysators (4) die Abgastemperatur vor dem Adsorber (6)
noch unterhalb der Desorptionstemperatur liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Bypassleitung (5) stromauf des Adsorbers (6) eine Ab
gaskühleinrichtung angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Luftzuführungsleitung (13), die stromauf des Adsor
bers (6) in die Bypassleitung (5) mündet, ein Schaltventil (14)
angeordnet ist, das über die Auswerte- und Stelleinrichtung (9)
regelbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der motornahe Katalysator (4) in der Bypassleitung (5) strom
auf des Adsorbers (6) angeordnet ist.
Priority Applications (5)
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