DE4400202C1 - Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen einer Brennkraftmaschine

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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.
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.
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