DE4419776B4 - Abgasanlage - Google Patents

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Abstract

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einer Rohrleitung (4, 6, 9), in der eine Adsorptionseinrichtung (7) in Strömungsrichtung hinter einem Hauptkatalysator (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorptionseinrichtung (7) ein Hilfskatalysator (8) nachgeordnet ist.

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 Abgasprobleme 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 Kohlenwasserstoffkomponenten 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 zuschaltbaren Rücklaufleitung in dem dann Betriebstemperatur aufweisenden 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 Katalysator auf diese Weise bereits erzielte Verringerung der Wärme im Abgasmassenstrom führt darüber hinaus dazu, daß die Adsorptionseinrichtung 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 einer Weise verzögert werden kann, dass der an sich positive Effek der Adsorption durch das verspätete Anspringen des Katalysators kaum noch wirksam ist oder gegebenenfalls sogar negativ überlagert wird. Ein derartiger Einsatz des Adsorbers kann somit die Wirksamkeit des Gesamtsystems eventuell noch verschlechtern.
  • Die EP 06 02 963 A1 schlägt zur Erhöhung der Wirksamkeit einer Abgasanlage mit einem Adsorber und einem Katalysator vor, den Adsorber zwischen einem Hilfskatalysator und einen Hauptkatalysator anzuordnen und durch Zufuhr eines Oxidationsgases das Ansprechen der Abgasanlage beim Kaltstart zu beschleunigen.
  • Aus den zuvor genannten Schriften wie auch aus dem gattungsbildenden Stand der Technik ist es teilweise bekannt, mittels eine oder mehrerer Klappen im Abgasrohrleitungssystem die Schadstoffemission zu reduzieren. Bewegliche Klappen oder Ventile in Abgasanlagen 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 Nachteile vermieden werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäss wird also in Strömungsrichtung hinter der Adsorptionseinrichtung noch ein kleiner Hilfskatalysator angeordne dessen Beschichtung vorzugsweise aus Palladium gehalten ist. Eine derartige Beschichtung zeichnet sich durch eine sehr gute Konvertierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen (ca. 200°C) aus.
  • Besonders gute Resultate werden erzielt für eine Abgasanlage, bei der der Mindestabstand zwischen Katalysator und Adsorptionseinrichtung das 15-25-fache des Rohrleitungsquerschnittes beträgt. Durch diese grosse räumliche Trennung und der daraus resultierenden verlangsamten Aufheizung der Adsorptionseinrichtung wird der Beginn der Desorption stark verzögert, und zwar bis zum Anspringen des Katalysators. Ergänzend oder alternativ können der den Katalysator mit der Adsorptionseinrichtung verbindenden Rohrleitung 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 Schalldämpferanlage, beispielsweise ein Vor- oder Mittelschalldämpfer, integriert 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 zurückgegriffen 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 Brennkraftmaschine 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, einen Vorschalldämpfer 6a, eine Adsorptionseinrichtung 7, einen Hilfskatalysator 8 und eine einem Hauptschalldämpfer 9a enthaltende Endrohrleitung 9 schließlich in die Umgebung. Eine dem Hilfskatalysator 8 zugeordnete Heizeinrichtung 10 sowie eine Pumpe 11 für die Zufuhr von Sekundärluft werden hier mit einem gestrichelten Rahmen dargestellt, um so deren. bedarfsweisen Einsatz auch optisch hervorzuheben. Die Pumpe 11 und die Heizeinrichtung 10 sind zweckmäßigerweise durch ein ohnehin vorhandenes Motorsteuergerät 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 System auch vor der Adsorptionseinrichtung 7 zugeführt werden. Mit tels eines zeitgliedes 14 ist zudem die Betriebszeit der Adsorptionseinrichtung 7 erfaßbar. Als Kühleinrichtung ist der zweiten Rohrleitung 6 hier ein mit 15 bezeichnetes Kühlrippensystem zugeordnet. Vorstellbar ist aber auch eine Abkühlung des Abgasmassenstromes durch großflächige Abflachungen der Rohrleitung 6.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Adsorptionseinrichtung als Adsorber einen Zeolith und der Hilfskatalysator 8 eine Beschichtung aus Palladium auf. Letztere ist kostengünstiger als die bislang verwendeten Platin-Rhodium-Beschichtungen und ermöglicht eine Konvertierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bereits ab ca. 200°C. Für eine derartig ausgeführte Abgasanlage kann beispielsweise die Heizeinrichtung 10 entfallen, weil aufgrund der niedrigeren Anspringtemperatur der mit Palladium beschichtete Hilfskatalysator 8 die desorbierte Kohlenwasserstoffe 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 Palladium keine Konvertierung von Stickoxiden ermöglicht. Eine solche Kombination kann auch dargestellt werden auf einem Monolith, der beide Beschichtungsarten trägt. Katalysator 5 und Hilfskatalysator 8 können also auch beide oder einzeln eine Mischbeschichtung aufweisen.
  • Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 durchströmen in der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 die Schadstoffe den Hauptkatalysator 5 praktisch ohne Konvertierung und gelangen dann in die Adsorptionseinrichtung 7. Je nach Adsorptionsmaterial werden dort die Schadstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe, über einen bestimmten Zeitraum gespeichert. Mit zunehmender Erwärmung der Adsorptionseinrichtung 7 werden die zuvor während der Kaltstartphase gespeicherten Kohlenwasserstoffe allerdings wieder desorbiert. Durch die große räumliche Trennung von Hauptkatalysator 5 und Adsorptionseinrichtung 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 praktisch 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 entweder 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 Motorsteuergerät 12 die für die Aufheizung des Hilfskatalysator 8 notwendige Wärmemenge in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Adsorptionseinrichtung 7 beeinflußt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise an mehreren Stellen der Abgasanlage 1 die Temperatur des Abgases oder die Temperatur der Katalysatoren bestimmt werden, um so Rückschlüsse auf den Aufheizgrad des Hilfskatalysators 8 ziehen zu können. Denkbar ist aber auch die Vorgabe einer festen Betriebszeit nach Einschalten der Brennkraftmaschine 2.
  • Wichtig ist auch ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Hauptkatalysator 5 und der Adsorptionseinrichtung 7, damit letztere möglichst spät erwärmt wird. Der Abstand zwischen diesen Baueinheiten sollte deshalb zumindest das 15–25-fache des mittleren Rohrleitungsquerschnitts betragen.
  • Ergänzend oder alternativ zur Heizeinrichtung 10 kann mittels der Pumpe 11 auch Sekundärluft eingeblasen werden, damit durch exotherme Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff eine zusätzliche Temperaturerhöhung erzielt werden kann und außerdem zusätzlich Sauerstoff für die Konvertierung zur Verfügung steht.
  • Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel kann alternativ oder ergänzend die Sekundärluft vor der Adsorptionseinrichtung eingeführt werden (siehe strichpunktierte LiniyI, 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 Erzielung einer besonders kompakten Bauweise gemeinsam in einem Gehäuse 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 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 dasjenige des Hauptkatalysators (5).
  3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 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 einem der Brennkraftmaschine (2) zugeordneten Motorsteuergerät (12) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Abgasanlage (1) beeinflussbar ist.
  7. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Hauptkatalysator (5) und der Adsorptionseinrichtung (7) mindestens das 15-fache des Rohrleitungsquerschnittes beträgt.
  8. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrleitung (6) zwischen Hauptkatalysator (5) und Adsorptionseinrichtung (7) wenigstens ein Kühlmittel zugeordnet 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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