DE4419776A1 - Abgasanlage - Google Patents
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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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