DE4419776A1 - Abgasanlage - Google Patents

Abgasanlage

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Abgasanlage offenbart die EP-0 460 542-A2 (F01N3/20). Dort werden in der Beschreibungseinleitung die Abgas­ probleme von Brennkraftmaschinen beim Kaltstart näher erläutert. Zur Verbesserung des Emissionsverhaltens nach einem Kaltstart wird vorgeschlagen, stromabwärts eines katalytischen Konverters eine Adsorptionseinrichtung anzuordnen, in welcher die Kohlenwas­ serstoffkomponenten nach dem Durchströmen des Konverters zunächst für einen bestimmten Zeitraum aufgenommen werden. Mit zunehmender Erwärmung werden die Kohlenwasserstoffe jedoch wieder desorbiert und können anschließend nach Durchströmung einer über Ventile zu­ schaltbaren Rücklaufleitung in dem dann Betriebstemperatur auf­ weisenden Katalysator konvertiert werden. Dieses Konzept hat den Vorteil, daß durch die unmittelbare Nähe zur Brennkraftmaschine der Katalysator besonders schnell aufgeheizt wird und so schon nach kürzester Zeit seine Anspringtemperatur erreicht. Die im Ka­ talysator auf diese Weise bereits erzielte Verringerung der Wärme im Abgasmassenstrom führt darüber hinaus dazu, daß die Adsorp­ tionseinrichtung entsprechend langsamer aufgeheizt wird und so über einen größeren Zeitraum adsorbierend aktiv sein kann.
Ein anderer Weg wird in den Schriften DE-40 33 827-A1 (F01N3/28), DE 39 28 760-C2 (F01N3/08), DE-22 57 968-A1 (F01N3/10), DE 41 30 178-C1 (F01N3/08) und EP-0 532 803-A1 (B01D53/36) aufgezeigt.
Erfinderseitige Untersuchungen haben an solchen Konzepten jedoch ergeben, daß aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität der Adsorptionseinrichtung die Aufheizung des Katalysators in ei­ ner Weise verzögert werden kann, daß der an sich positive Effekt der Adsorption durch das verspätete Anspringen des Katalysators kaum noch wirksam ist oder gegebenenfalls sogar negativ überla­ gert wird. Ein derartiger Einsatz des Adsorbers kann somit die Wirksamkeit des Gesamtsystems eventuell noch verschlechtern.
Aus den zuvor genannten Schriften wie auch aus dem gattungsbil­ denden Stand der Technik ist es teilweise bekannt, mittels einer oder mehrerer Klappen im Abgasrohrleitungssystem die Schadstoff­ emission zu reduzieren. Bewegliche Klappen oder Ventile in Abgas­ anlagen erfordern aber einen hohen apparativen Aufwand und sind zudem wegen der hohen thermischen Belastung sehr störanfällig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Abgasanlagen derart weiterzubilden, daß die oben genannten Nach­ teile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Wei­ terbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird also in Strömungsrichtung hinter der Adsorp­ tionseinrichtung noch ein kleiner Hilfskatalysator angeordnet, dessen Beschichtung vorzugsweise aus Palladium gehalten ist. Eine derartige Beschichtung zeichnet sich durch eine sehr gute Konver­ tierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bei verhältnis­ mäßig niedrigen Temperaturen (ca. 200°C) aus.
Besonders gute Resultate werden erzielt für eine Abgasanlage, bei der der Mindestabstand zwischen Katalysator und Adsorptionsein­ richtung das 15-25-fache des Rohrleitungsquerschnittes beträgt. Durch diese große räumliche Trennung und der daraus resultieren­ den verlangsamten Aufheizung der Adsorptionseinrichtung wird der Beginn der Desorption stark verzögert, und zwar bis zum Ansprin­ gen des Katalysators. Ergänzend oder alternativ können der den Katalysator mit der Adsorptionseinrichtung verbindenden Rohrlei­ tung Kühlmittel zugeordnet werden, um den zuvor im Zusammenhang mit der räumlichen Trennung beschriebenen Effekt zu verstärken. In die gleiche Rohrleitung kann auch ein Teil der Schalldämpfer­ anlage, beispielsweise ein Vor- oder Mittelschalldämpfer, inte­ griert sein. Auf diese Weise kann für die gesamte Abgasanlage eine kompakte Bauweise erzielt werden.
Im Hinblick auf eine leichte Montierbarkeit können darüber hinaus auch Teile der Schalldämpferanlage in einem Gehäuse gemeinsam mit der Adsorptionseinrichtung und dem Hilfkatalysator untergebracht werden.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung ist die Tatsache, daß auf bereits bestehende Komponenten zurückge­ griffen werden kann und somit keine aufwendigen Neukonstruktionen notwendig sind.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung symbolisch dargestellt. Man erkennt dort eine insgesamt mit 1 bezeichnete Abgasanlage, die einer Brennkraftma­ schine 2 nachgeschaltet ist. Die aus der Brennkraftmaschine 2 austretenden Abgase gelangen über einen Abgasrohrkrümmer 3 und eine erste Rohrleitung 4 zunächst in einen - vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgeführten - Hauptkatalysator 5. Von dort gelangt der Abgasmassenstrom über eine zweite Rohrleitung 6, ei­ nen Vorschalldämpfer 6a, eine Adsorptionseinrichtung 7, einen Hilfskatalysator 8 und eine einem Hauptschalldämpfer 9a enthal­ tende Endrohrleitung 9 schließlich in die Umgebung. Eine dem Hilfskatalysator 8 zugeordnete Heizeinrichtung 10 sowie eine Pu­ mpe 11 für die Zufuhr von Sekundärluft werden hier mit einem ge­ strichelten Rahmen dargestellt, um so deren bedarfsweisen Einsatz auch optisch hervorzuheben. Die Pumpe 11 und die Heizeinrichtung 10 sind zweckmäßigerweise durch ein ohnehin vorhandenes Motor­ steuergerät 12 beeinflußbar, das seinerseits unter anderem auch von einem Sensor 13 Temperatursignale aufnimmt. Die von der Pumpe 11 geförderte Sekundärluft kann ergänzend oder alternativ dem Sy­ stem auch vor der Adsorptionseinrichtung 7 zugeführt werden. Mit­ tels eines Zeitgliedes 14 ist zudem die Betriebszeit der Adsorp­ tionseinrichtung 7 erfaßbar. Als Kühleinrichtung ist der zweiten Rohrleitung 6 hier ein mit 15 bezeichnetes Kühlrippensystem zuge­ ordnet. Vorstellbar ist aber auch eine Abkühlung des Abgasmassen­ stromes durch großflächige Abflachungen der Rohrleitung 6.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Adsorptionsein­ richtung als Adsorber einen Zeolith und der Hilfskatalysator 8 eine Beschichtung aus Palladium auf. Letztere ist kostengünstiger als die bislang verwendeten Platin-Rhodium-Beschichtungen und er­ möglicht eine Konvertierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlen­ monoxid bereits ab ca. 200°C. Für eine derartig ausgeführte Ab­ gasanlage kann beispielsweise die Heizeinrichtung 10 entfallen, weil aufgrund der niedrigeren Anspringtemperatur der mit Palla­ dium beschichtete Hilfskatalysator 8 die desorbierte Kohlenwas­ serstoffe bereits bei niedrigen Temperaturen konvertiert und sich somit schneller erwärmt.
Die Kombination von Palladium-Katalysator und Platin-Rhodium- Katalysator wird hier deshalb vorgeschlagen, weil bislang Palla­ dium keine Konvertierung von Stickoxiden ermöglicht. Eine solche Kombination kann auch dargestellt werden auf einem Monolith, der beide Beschichtungsarten trägt. Katalysator 5 und Hilfskatalysa­ tor 8 können also auch beide oder einzeln eine Mischbeschichtung aufweisen.
Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 durchströmen in der er­ findungsgemäßen Abgasanlage 1 die Schadstoffe den Hauptkatalysa­ tor 5 praktisch ohne Konvertierung und gelangen dann in die Ad­ sorptionseinrichtung 7. Je nach Adsorptionsmaterial werden dort die Schadstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe, über einen be­ stimmten Zeitraum gespeichert. Mit zunehmender Erwärmung der Ad­ sorptionseinrichtung 7 werden die zuvor während der Kaltstartpha­ se gespeicherten Kohlenwasserstoffe allerdings wieder desorbiert. Durch die große räumliche Trennung von Hauptkatalysator 5 und Ad­ sorptionseinrichtung wird aber sichergestellt, daß ein Großteil der gespeicherten Kohlenwasserstoffe erst dann wieder desorbiert wird, wenn der Hauptkatalysator 5 seine Betriebstemperatur schon längst erreicht hat. Dem Hilfskatalysator 8 fällt hier nun die Aufgabe zu, die mit Erwärmung der Adsorptionseinrichtung 7 wieder freiwerdenden Kohlenwasserstoffe zu konvertieren, so daß prak­ tisch keine Schadstoffe in die Umgebung gelangen. Hinsichtlich seiner Baugröße ist der Hilfskatalysator 8 so bemessen, daß er nur die von der Adsorptionseinrichtung 7 maximal desorbierbaren Kohlenwasserstoffmengen konvertieren kann. Gegebenenfalls kann zur Optimierung dieser Konvertierung der Hilfskatalysator 8 durch die Heizeinrichtung 10 beaufschlagt werden. Die Heizung kann ent­ weder durch elektrischen Strom oder durch ein chemisches Medium erfolgen. Vorstellbar ist auch die Ausnutzung der Wärme im Abgas oder im Kühlsystem der Brennkraftmaschine 2.
Zur Optimierung der gesamten Energiebilanz wird durch das Motor­ steuergerät 12 die für die Aufheizung des Hilfskatalysator 8 not­ wendige Wärmemenge in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Ad­ sorptionseinrichtung 7 beeinflußt. Zu diesem Zweck kann bei­ spielsweise an mehreren Stellen der Abgasanlage 1 die Temperatur des Abgases oder die Temperatur der Katalysatoren bestimmt wer­ den, um so Rückschlüsse auf den Aufheizgrad des Hilfskatalysators 8 ziehen zu können. Denkbar ist aber auch die Vorgabe einer fe­ sten Betriebszeit nach Einschalten der Brennkraftmaschine 2.
Wichtig ist auch ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Hauptkatalysator 5 und der Adsorptionseinrichtung 7, damit letz­ tere möglichst spät erwärmt wird. Der Abstand zwischen diesen Baueinheiten sollte deshalb zumindest das 15-25-fache des mitt­ leren Rohrleitungsquerschnitts betragen.
Ergänzend oder alternativ zur Heizeinrichtung 10 kann mittels der Pumpe 11 auch Sekundärluft eingeblasen werden, damit durch exo­ therme Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff eine zu­ sätzliche Temperaturerhöhung erzielt werden kann und außerdem zu­ sätzlich Sauerstoff für die Konvertierung zur Verfügung steht.
Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiel kann alternativ oder ergänzend die Sekundärluft vor der Ad­ sorptionseinrichtung eingeführt werden (siehe strichpunktierte Linie), um so eine Kühlung derselben herbeizuführen und somit eine längere Adsorptionsdauer erzielen zu können.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Adsorptionseinrichtung 7 und der Hilfskatalysator 8 zur Er­ zielung einer besonders kompakten Bauweise gemeinsam in einem Ge­ häuse 16 untergebracht. Möglich wäre auch noch eine zusätzliche Unterbringung des Hauptschalldämpfers 9a.

Claims (9)

1. Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einer Rohrleitung (4, 6, 9), in der eine Adsorptionseinrichtung (7) in Strömungsrichtung hinter einem Katalysator (Hauptkatalysator 5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionseinrichtung (7) ein Hilfskatalysator (8) nachgeordnet ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauvolumen des Hilfskatalysators (8) geringer ist als dasje­ nige des Katalysators (Hauptkatalysator 5).
3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Adsorptionseinrichtung (7) und dem Hilfskatalysator (8) eine Einrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft vorgesehen ist.
4. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskatalysator (8) mit Palladium beschichtet ist.
5. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hilfskatalysator (8) eine Heizeinrichtung (10) zugeordnet ist.
6. Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Heizeinrichtung (10) zugeführte Wärmemenge von einer der Brennkraftmaschine (2) zugeordneten Steuereinrichtung (Motorsteuergerät 12) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Abgasanlage (1) beeinflußbar ist.
7. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Katalysator (Hauptkatalysator 5) und der Adsorptionseinrichtung (7) mindestens das 15-fache des Rohr­ leitungsquerschnittes beträgt.
8. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrleitung (6) zwischen Katalysator (Hauptkatalysator 5) und Adsorptionseinrichtung (7) wenigstens ein Kühlmittel zugeord­ net ist.
9. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor der Adsorptionseinrichtung (7) eine Einrichtung zur Zufuhr von Sekundärluft vorgesehen ist.
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