DE4431134C2 - Vorrichtung zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit von Katalysatoren für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren-Katalysatoren.

Derartige Vorrichtungen sind z. B. aus den Druckschriften DE-AS 21 37 818, DE 39 20 844 A1, US 37 54 870, DE 40 24 942 A1, DE 35 18 756 A1, DE 28 15 456 A1 und DE 36 08 635 A1 bekannt.

Hierbei ist insbesondere bekannt, daß der Katalysator bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur keine oder nur eine stark reduzierte Minderung der Abgasemission bewirkt.

Um die Zeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur zu verkürzen hat es daher in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, durch einen motornahen Einbau des Katalysators ein schnelles Anspringen der Abgasentgiftung zu bewirken.

Trotz guter Ergebnisse in bezug auf die Abgasemission in den gesetzlichen Testzyklen wird aber derzeit darauf verzichtet, den Katalysator in unmittelbarer Nähe des Motors anzuordnen, da sich bei Dauerhaltbarkeitstests insbesondere im praktischen Fahrbetrieb große Unsicherheiten ergeben haben.

Als Alternative wird daher momentan ein Katalysatoreinbau relativ weit entfernt vom Motor bevorzugt, wobei durch eine Isolation der Abgasrohre und durch eine Reduktion der wärmeaktiven Masse der mit dem Abgas vor dem Katalysator in Kontakt stehenden Rohrabschnitte versucht wird, ein möglichst schnelles Aufheizen des Katalysators sicherzustellen.

Dies hat u. a. auf die bekannte Ausführung von Abgaskrümmer und Abgassammelrohr in doppelwandiger Schweißkonstruktion geführt, welche nicht nur mit erheblichen Kosten verbunden ist, sondern auch nur bedingt ähnliche Ergebnisse bringt, wie ein motornaher Einbau des Katalysators.

Deshalb sind derzeit intensive Bemühungen im Gange, über ein entsprechendes Vorheizen des Katalysators auf elektrischem Wege bzw. über einen Zusatzbrenner für ein schnelles Zünden des Katalysators zu sorgen.

Alternativ zur Vorheizung sind auch Bemühungen bekannt, über eine Zwischenspeicherung der Abgase aus dem Kaltstart bis zum Zünden des Katalysators die geforderten Emissionsgrenzwerte zu erreichen.

Die Kosten für das Vorheizen des Katalysators bzw. für die Zwischenspeicherung der Abgase sind enorm, wobei auch für diese Verfahren die Frage der Dauerhaltbarkeit noch nicht vollständig geklärt ist.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, eine Vorrichtung zu entwickeln, die die Temperaturbeständigkeit und damit das Alterungsverhalten von Abgaskatalysatoren, insbesondere von Katalysatoren für die pulsierenden Abgase von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart, verbessert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Insbesondere kann durch eine derartige Vorrichtung sichergestellt werden, daß beispielsweise beim in den USA vorgeschriebenen Abgastest nach 100 000 Meilen keine Probleme durch übermäßiges Altern des Katalysators zu erwarten sind.

Diese Vorrichtung ist somit insbesondere als kostengünstige Alternative zu den bereits erwähnten Vorrichtungen zur Katalysatorbeheizung bzw. zur Zwischenspeicherung der Kaltstartemissionen zu sehen. Dabei muß vielfach nicht das volle Potential der elektrischen Katalysatorbeheizung erreicht werden, um die geforderten gesetzlichen Emissionsbeschränkungen zu erfüllen.

In einem weiterführenden Schritt besteht hierdurch die Möglichkeit, die aufwendige Isolation bzw. die doppelwandige Ausgestaltung der Abgasrohre vor dem Katalysator auf einen möglichst kleinen Bereich zu beschränken oder sie sogar überflüssig zu machen.

Die erfindungsgemäße Aufteilung des Katalysators in reaktionsfähige und reaktionsträge Bereiche führt zu einem Katalysatorverhalten, bei welchem mehrere, sich in idealer Weise ergänzende Wechselwirkungen dazu genutzt werden, um lokale Temperaturspitzen in besonders gefährdeten Zonen des Katalysators zu vermeiden.

Ein erstes Problemfeld liegt hierbei in der speziellen Ausgestaltung des sogenannten Washcoats mit seiner extrem porösen und zerklüfteten Oberfläche, auf welche die katalytisch wirkenden Substanzen aufgebracht sind.

Aufgrund der Zerklüftung der Oberfläche sind die oberflächennahen Zonen bei starken Temperaturschwankungen im Abgasstrom extrem schnell aufgeheizt, d. h. sie folgen in erster Näherung der Temperatur der Gasströmung ohne Zeitverzögerung. Dieser Effekt wird durch die Porösität des Washcoats noch verstärkt, da die Temperatur hierdurch nur relativ schlecht in die weiter innen liegenden Zonen des Washcoats und des Trägermaterials geleitet wird.

Weiterhin kommt es durch die katalytische Reaktion zu einer signifikanten Wärme­ freisetzung innerhalb des Washcoats. Auch dieser Vorgang ist in den oberflächennahen Zonen des Katalysators intensiver als in den Zonen weiter im Innern des Washcoats.

Hieraus folgt, daß in Betriebszuständen hoher katalytischer Abgaskonvertierung speziell in den oberflächennahen Bereichen des Katalysators hohe Temperaturspitzen auftreten.

Für direkt hinter den Auslaßventilen angeordnete Katalysatoren bedeutet dies, daß die Temperaturspitze des Abgases kurz nach dem Öffnen des Auslaßventils nahezu in vollem Umfang an der Oberfläche des Washcoats anliegt. In Fällen extremer katalytischer Reaktion wird dieser ohnehin schon extremen Temperaturbelastung noch die Temperaturbelastung über die exotherme Reaktion überlagert. Dies führt im praktischen Fahrbetrieb vielfach zu einer unzulässig starken Alterung des Katalysators. Insbesondere kommt es zu der gefürchteten Reduktion der katalytisch wirksamen Oberfläche durch Schmelz- bzw. Sintervorgänge im überhitzten Washcoat.

Als besonders kritisch sind in diesem Zusammenhang die instationären Effekte bei starker Pulsation des Abgasstromes einzustufen. Diese führen bekanntlich nicht nur auf eine starke Schwankung der Abgastemperatur, sondern auch auf eine starke Schwankung des Wärmeübergangskoeffizienten. Hinzu kommt, daß in analoger Weise auch die exotherme Reaktion starken Schwankungen unterworfen ist, da der Stoffaustauschkoeffizient an der Katalysatoroberfläche bzw. in der abgasseitigen Grenzschicht ebenfalls stark variiert.

Für den motornah eingebauten Katalysator ist hierbei insbesondere zu beachten, daß die hohe Abgastemperatur zum gleichen Zeitpunkt auftritt, wie der hohe Wärme- bzw. Stoffübergangskoeffizient in der Grenzschicht und zumindest teilweise auch wie die hohe Wärmefreisetzung im Katalysator.

Anhand dieser Analyse ist es nicht verwunderlich, daß sich beim motornahen Einbau der heute verfügbaren Katalysatoren Probleme durch thermische Alterung ergeben.

Aber auch bei etwas weiter vom Motor entferntem Einbau des Katalysators ergeben sich heute noch vielfach Probleme mit der thermischen Alterung des Katalysators. Dies trifft insbesondere bei guter Wärmeisolation der Abgasanlage oder auch bei Abgasanlagen mit relativ starker Pulsation des Abgasstroms im katalysatornahen Bereich zu.

So ist beispielsweise bei 6-Zylindermotoren mit aus gasdynamischen Gründen aus zwei Strängen mit zwei Abgaskatalysatoren aufgebauten Abgasanlagen bei guter Isolation der Abgasleitungen vor den Katalysatoren mit einer verstärkten Katalysatoralterung zu rechnen. Bei diesen werden die Temperaturspitzen des Abgases beim Öffnen der Auslaßventile zwar durch den Wärmeaustausch mit dem Abgaskrümmer und dem Vorrohr gedämpft, doch bleiben die übrigen Effekte mit ihren Auswirkungen bezüglich der Katalysatorüberhitzung weitgehend wirksam. Da die thermische Wechselbeanspruchung durch die Erhöhung der Anzahl der wirksamen Abgasausstoßimpulse um den Faktor 3 - im Vergleich zum Katalysatoreinbau direkt am Motorauslaß - eine wesentlich erhöhte Frequenz aufweist und in Verbindung mit der Dämpfung der Abgastemperatur an den Abgasrohrleitungen und in Verbindung mit Vermischungsvorgängen im Vorrohr auch eine deutlich geringere Amplitude aufweist, ist ein derartiges Abgasreinigungssystem aber bereits wesentlich unkritischer als ein System mit extrem motornahem Katalysator. Hieran ist jedoch auch die im Rohrsystem vor dem Katalysator über Wärmestrahlung an die Umgebung abgegebene Wärmemenge beteiligt.

Die Problematik der Überhitzung des Washcoats im oberflächennahen Bereich wird durch die Vorgänge in den abgasseitigen Temperaturgrenzschichten, die sich entlang der Strömungskanäle des Katalysators ausbilden, noch verschärft. So ist beispielsweise aus Messungen an stationär durchströmten Katalysatoren bekannt, daß sich die maximalen Temperaturen des Washcoats bzw. des Trägermaterials erst einige Zentimeter hinter dem Katalysatoreintritt einstellen. Dies läßt sich über die Wärmefreisetzung durch die katalytische Reaktion erklären. Diese ergibt eine Wärmeabgabe von der Oberfläche des Washcoats an die Gasphase. Dies wiederum führt in der abgasseitigen Grenzschicht so lange zu einer Temperaturerhöhung, bis die an der katalytischen Reaktion beteiligten Reaktionspartner weitgehend aufgebraucht sind. Weiter stromab fällt dann die Abgas- bzw. die Katalysatortemperatur aufgrund von Wärmeverlusten an die Umgebung wieder ab.

Auch in diesem Zusammenhang führt die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einer signifikaten Verbesserung, wenn mehrere reaktionsfähige und reaktionsträge Katalysatorabschnitte aneinandergereiht werden.

Eine derartige Ausgestaltung der Katalysatoroberflächen führt dazu, daß im reak­ tionsfähigen Abschnitt die Temperatur in der abgasseitigen Grenzschicht steigt und im reaktionsträgen Abschnitt wieder eine Abkühlung durch die im Bereich der Kernströmung ja noch wesentlich kühleren Abgasmassen erfolgt. Hier wechseln sich also zweckmäßigerweise Erwärmung des wandnahen Abgases durch katalytische Reaktion am Washcoat und Abkühlung des wandnahen Abgases durch die kältere Kernströmung ab. Dies bringt bereits bei stationärer Strömung signifikante Vorteile.

Die volle Tragweite der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird aber erst sichtbar, wenn sich der Betrachter von der stationären Betrachtungsweise der Wärme- und Stofftransportvorgänge sowie der Energiesetzungsraten in den Abgasleitungen und im Katalysator löst und zur für die motorische Verbrennung wesentlich relevanteren instationären Betrachtung übergeht.

Wie bereits angedeutet wurde, hat in diesem Zusammenhang insbesondere die zyklische Schwankung der Abgastemperatur und der Abgasgeschwindigkeit eine weitreichende Bedeutung.

Anhand eines einfachen Beispiels für die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Katalysators sollen die bisher beschriebenen physikalischen Wechselwirkungen noch einmal wiederholt und weitere Effekte mit einbezogen werden.

Fig. 2 zeigt einen verfeinerten Schnitt (vgl. S1 in Fig. 5) durch den Washcoat 1 im Kontakt mit dem Trägermaterial 2.

Fig. 3 zeigt einen noch feineren Schnitt (vgl. S2 in Fig. 2) durch den Washcoat 2 mit den angelagerten katalytischen Substanzen 3, welche in diesem Beispiel die Edelmetalle Platin und Rhodium sind.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt (vgl. S3 in Fig. 3) durch die angelagerten katalytischen Substanzen 3 aus Fig. 3.

Fig. 5 zeigt den heute üblichen Aufbau eines Katalysators mit Washcoat 1 und Trägermaterial 2.

Insbesondere die Darstellungen in Fig. 3 und Fig. 4 verdeutlichen, welch enorme Anstrengungen bei der Katalysatorfertigung üblicherweise unternommen werden, um die für die Abgase erreichbare freie Oberfläche möglichst groß zu machen.

Es wird aber auch klar, daß bereits ein geringfügiges Verschmelzen der katalytischen Substanzen und insbesondere ein Verschmelzen der Oberfläche des Washcoats zu einer drastischen Reduktion der Wirksamkeit des Katalysators führen wird.

Als Extremfall für die Anwendung der erfindungsgemäßen Erkenntnisse sei an dieser Stelle von einem Katalysator ausgegangen, der sich bereits innerhalb des Auspuffkrümmers befindet, d. h. jedem Zylinder ist ein Katalysator zugeordnet. Der Einbauort ist also nicht nur extrem motornah, sondern die Pulsation des Abgasstroms und auch der Abgastemperatur ist nahezu maximal.

Der Einbau konventioneller Katalysatoren mit Zellgrößen von 1 bis 2 mm Durchmesser und einer Länge des Katalysators in der Größenordnung von 90 bis 150 mm mit den heute als serientauglich erwiesenen Materialien an einer derart kritischen Stelle würde im Normalfall an Dauerhaltbarkeitsproblemen scheitern.

Als einfache und auch schnell am Versuchsstand erprobbare Maßnahme wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Katalysator aus einer Vielzahl einzelner Scheiben von Standardkatalysatoren, bevorzugt mit metallischem Trägermaterial, aufzubauen, wobei die erste Scheibe weder einen Washcoat aufweist, noch mit katalytischem Material beschichtet ist, und wobei diese eine hinreichende Oberfläche und eine hinreichende Masse aufweist, um die Temperaturspitze des Abgases zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils zu dämpfen.

Daran schließt in genauer Flucht der einzelnen Strömungskanäle eine zweite Scheibe an, welche nun mit katalytischem Material beschichtet ist, dann wieder eine ohne katalytisches Material etc.

Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 nur der vordere Bereich der Strömungskanäle durch einen nach dieser Methode aufgebauten Katalysator gezeichnet. Dieser weist die Bereiche 1 und 3 ohne Washcoat und ohne katalytische Beschichtung auf sowie die Bereiche 2 mit Washcoat und katalytischer Beschichtung.

Die Spitzentemperaturen der Abgase beim Öffnen des Einlaßventils erfahren bei dieser Anordnung an der etwas dicker ausgeführten ersten Scheibe, d. h. im Strömungskanal 1 eine signifikante Abkühlung. Das Abgas gibt also zu diesem Zeitpunkt Wärme an den nur aus Trägermaterial bestehenden Katalysatorteil ab. Es bildet sich abgasseitig eine Temperaturgrenzschicht aus, welche die katalytisch wirksame Zone im Bereich 2 vor der extremen Abgastemperatur in der frühen Auslaßphase schützt. Gleichzeitig zur Abnahme der Abgastemperatur mit zunehmendem Kurbelwellenwinkel erwärmt sich bei der reaktionsträgen Zone 1 das Innere des Metalls immer mehr, so daß die Zone 1 in der Spätphase des Auspuffvorgangs kaum mehr eine Abkühlung der Abgase vornimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist dies aber auch nicht erforderlich, ja vielfach gar nicht erwünscht.

Bis zum nächsten Auspuffvorgang kühlt sich die Zone 1 ebenso wie das hier befindliche Abgas aufgrund von Wärmeverlusten allmählich ab, bis der beschriebene Vorgang beim nächsten Auspuffvorgang wieder von vorne beginnt.

Durch die erfindungsgemäße Dämpfung der periodischen Schwankungen der Abgas­ temperatur in der Zone 1 wird also gezielt der Bereich der Washcoatoberfläche in Zone 2 vor Überhitzung geschützt, indem die Abgastemperaturspitze zumindest in unmittelbarer Wandnähe reduziert wird. Mit anderen Worten der gefährlichen Temperaturspitze, die während der frühen Auslaßphase an der Oberfläche des Washcoats entstehen kann, wird im Gegensatz zum Standardkatalysator nicht nur durch Wärmeleitung ins Innere des Katalysators, d. h. in Richtung Trägermaterial, begegnet, sondern auch durch eine Reduktion der gasseitigen Temperaturen im wandnahen Bereich.

Dennoch kann aufgrund der exothermen Reaktion im Bereich des Washcoats i. a. nicht vermieden werden, daß in der Zone 2 die Temperaturen des Washcoats und des Abgases im wandnahen Bereich in Strömungsrichtung zunehmen. Deshalb schließt sich an Zone 2 in dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankengutes die Zone 3 an, welche wieder aus reinem Trägermaterial besteht.

Da in dieser Zone keine katalytische Reaktion mit Wärmefreisetzung abläuft, erfolgt in dieser Zone wiederum eine Reduktion der Abgastemperatur im wandnahen Bereich. Diese basiert speziell in der Phase maximaler Temperaturbelastung der Washcoatoberfläche auf der bereits beschriebenen Eigenschaft des Metalls, der Gasströmung in dieser Phase temporär Wärme zu entziehen und speziell im wandnahen Bereich für die nachfolgende reaktionsfähige Zone 2 Abgas reduzierter Temperatur bereitzustellen.

Weiterhin kann es auch in der Phase, in der nur noch Abgas vergleichsweise niedriger Temperatur in den Katalysator eingeleitet wird, aufgrund der Wärmefreisetzung im Katalysator vorkommen, daß die Temperatur des Abgases im wandnahen Bereich des reaktionsfähigen Abschnittes 2 und auch die Temperatur des Washcoats in Strömungsrichtung stark zunehmen. Auch hier erfolgt im Bereich der Zonen 3 wieder eine Absenkung der Abgastemperatur im wandnahen Bereich, so daß nicht befürchtet werden muß, daß es bei einer bestimmten Längskoordinate in Strömungsrichtung zur Katalysator­ überhitzung kommt. In diesem Fall stammt die Kühlwirkung allerdings nicht aus der Pufferwirkung des Metalls in den Zonen 3, sondern aus dem in dieser Phase auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindlichen Kern der Abgasströmung.

Speziell zur Nutzung des soeben angesprochenen Kühlpotentials im Kern der Gas­ strömung, aber auch zum Ausgleich von radialen Temperaturunterschieden in den einzelnen Strömungskanälen kann es weiterhin auch vorteilhaft sein, zumindest einige wenige Luftspalte, d. h. Unterbrechungen der abgasführenden Strömungskanäle innerhalb des Katalysators vorzusehen.

Als weitere positive Begleiterscheinung hat die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 den Vorteil, daß es die Dämpfung der zeitlichen bzw. periodischen Schwankungen der Abgastemperatur und insbesondere die Vermeidung lokaler Überhitzungserscheinungen an der Washcoatoberfläche auch bei einem Vorzeichenwechsel der Strömungsgeschwindigkeit noch bewirkt. Speziell bei dem hier vorgestellten Extremfall mit je einem Katalysator pro Zylinder ist dies von großer Wichtigkeit, da es hier je nach Einbauort temporär zu einer starken Rückströmung im Abgaskrümmer kommt.

Weiterhin ist in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen, daß sich bei starker Pulsation des Abgasstroms und insbesondere bei einem Vorzeichenwechsel der Strömungsgeschwindigkeit eine gewisse Phasenverschiebung zwischen der maximalen Temperaturbelastung von der Abgasseite her und der maximalen Temperaturbelastung von der exothermen Reaktion im Innern des Washcoats her einstellt. Hier ist erstere durch den hohen Wärme- und Stoffübergang in der gasseitigen Grenzschicht normalerweise etwas früher wirksam als die Temperaturbelastung von innen her.

Doch auch hier erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zum Katalysator bekannter Bauart als vorteilhaft, da es zu einer signifikanten Dämpfung der Temperaturspitzen führt. Dabei wird als besonders vorteilhafte Ausgestaltung zu einer extrem feinen Aufteilung des Katalysators in reaktionsträge und reaktionsfähige Bereiche übergegangen, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung in Strömungsrichtung zu erzielen.

Die bisherigen Ausführungen zur praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankengutes beschränkten sich auf die Variante mit je einem Katalysator je Zylinder. Diese Variante hat zwar viele Vorteile, doch dürfte klar sein, daß die erfindungsgemäßen Grundgedanken auf fast alle Katalysatorsysteme anwendbar sind.

Ganz besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung allerdings bei stark pulsierenden Strömungen und insbesondere bei starken Temperaturschwankungen im Abgassystem.

Wieviele Abgasleitungen bzw. Zylinder allerdings für jeweils einen Katalysatorzweig zusammengefaßt werden, das hängt vom Anwendungsfall und nicht zuletzt auch vom in Zukunft erreichbaren Niveau für die zulässigen Katalysatortemperaturen ab.

Die zusätzliche Katalysatormasse aufgrund der Zonen mit reaktionsträgem Verhalten scheint auf den ersten Blick einen großen Nachteil für eine schnelle Katalysatoraufheizung darzustellen.

Weiterhin scheinen nicht nur die Kosten für den erhöhten Bedarf an Trägermetall, sondern auch der Druckverlust nachteilig für die neue Vorrichtung zu sein.

Diese Aussagen relativieren sich aber, wenn man bedenkt, daß beispielsweise bei einer Aufteilung des Strömungsquerschnittes bzw. des Katalysatorvolumens eines für einen Vierzylindermotor ausreichenden Katalysators auf vier einzelne Katalysatoren, welche innerhalb des Auspuffkrümmers angeordnet werden, eine starke Verbesserung des Wärme- und Stoffüberganges und insbesondere auch der katalytischen Umsetzungsrate ergibt. Diese resultiert zum einen aus den hohen Gasgeschwindigkeiten während des Öffnens der Auslaßventile, zum andern aus der Tatsache, daß bei einer Anordnung des Katalysators in einer hinreichenden Entfernung zum Auslaßventil nach dem Schließen des Auslaßventils eine Schwingung der Gassäule vorliegt. Dies bedeutet, daß nach dem Schließen des Auslaßventils die Strömungsgeschwindigkeit im zeitlichen Mittel betrachtet zwar nahezu bei Null liegt, aber der Wärme- und Stoffübergang und damit auch die Konvertierung weiterhin erfolgt. Hieraus resultiert im zeitlichen Mittel eine wesentlich höhere Umsetzungsrate pro katalytisch wirksamer Oberfläche.

Dies gilt unter der Annahme unveränderter Beladung des Washcoats mit Edel­ metallen. Umgekehrt hat natürlich die erhöhte katalytische Wirksamkeit auch eine höhere thermische Belastung des Washcoats zur Folge. Genau diese thermische Belastbarkeit des Washcoats wird aber wiederum durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen verbessert.

Für die Serienanwendung folgt hieraus unter anderem, daß für die gleiche Konver­ tierungsgüte eine geringere Menge katalytisch wirkender Edelmetalle erforderlich sein wird, verbunden mit einer entsprechenden Senkung der Produktionskosten. Ob diese Verringerung der eingesetzten Edelmetallmenge über eine Reduktion der Zellenzahl des Katalysators, oder eine Vergrößerung des Zellendurchmessers bei unverändertem Katalysatordurchmesser erfolgt, oder ob lediglich die Beladungsdichte des Washcoats mit Edelmetallen reduziert wird, hängt vom Anwendungsfall ab. Insbesondere ist auch eine Variante denkbar, bei der die in der bisherigen Serienanwendung als optimal erwiesenen Verhältnisse in bezug auf die Geometrie der Zellen und die Beladung des Washcoats mit Edelmetallen beibehalten werden, und bei der lediglich ein hinreichend häufiges Abwechseln zwischen reaktionsfähigen und nicht reaktionsfähigen Abschnitten der Strömungskanäle erfolgt.

Wie eine serientaugliche Ausgestaltung der Strömungskanäle mit derart häufigem Wechsel zwischen reaktionsfähiger und nicht reaktionsfähiger Oberfläche letztendlich aussehen wird, das ist derzeit noch nicht geklärt.

Denkbar ist beispielsweise eine Beschichtung der gesamten Katalysatorfläche mit Washcoat- Material und eine anschließende lokale Imprägnierung des Washcoats mit einem Material guter Temperaturleitfähigkeit, so daß für die nicht reaktionsfähige Zone eine weitgehend porenfreie Struktur vorliegt.

Eine andere Variante wäre die Ausgestaltung des nicht reaktionsfähigen Bereichs durch ein nachträgliches Verdichten des Washcoats. Dabei dürfte es relativ unerheblich sein, ob beim anschließenden Aufbringen der katalytisch wirksamen Substanzen eine geringfügige Benetzung der verdichteten Zonen erfolgt, da diese im Vergleich zum Washcoat nur noch eine geringe Oberfläche aufweisen. Bei Bedarf ist es aber auch kein Problem, auch dieses zu vermeiden.

Es ist aber auch ein Fertigungsverfahren denkbar, bei dem lediglich eine lokale Beschichtung des Trägermetalls mit Washcoat und Edelmetallen erfolgt.

Zur Verbesserung des Potentials zur Dämpfung von Temperaturspitzen ist es bei den letzten beiden Varianten vorteilhaft, die reaktionsträgen Zonen mit einem Material guter Temperaturleitfähigkeit zu beschichten.

Die alternative Herstellungsmethode mit einzelnen Scheiben mit und ohne katalytisch wirksamer Oberfläche wurde bereits beschrieben. Für diese Variante ist es insbesondere vorteilhaft, zur Vermeidung von Druckverlusten für ein gutes Fluchten der einzelnen Strömungskanäle zu sorgen. Des weiteren hat ein gutes Fluchten der Strömungskanäle den Vorteil, daß die wandnahe Temperaturgrenzschicht erhalten bleibt.

Im Gegensatz hierzu ist es bei Strömungsverhältnissen mit unterschiedlicher Beauf­ schlagung der Katalysatoreintrittsfläche mit Abgas oder gar bei stark unterschiedlicher Be­ aufschlagung mit unverbranntem Kraftstoff vorteilhaft, zumindest hin und wieder einen größeren Luftspalt für einen radialen Strömungsausgleich vorzusehen.

Wie bereits beschrieben, ist es vorteilhaft, den Katalysator in Zonen hoher Geschwin­ digkeiten und insbesondere in Zonen mit Vorzeichenwechsel der Strömungsgeschwindigkeit in das Abgassystem zu integrieren. Hieran sind aber u. U. auch unerwünscht hohe Druckverluste gekoppelt. Übersteigt bei den bisher vorgestellten Katalysatorbauarten der Druckverlust das zulässige Niveau und wird hierdurch beispielsweise der Ladungswechsel beeinträchtigt, so kann auf eine Bauart reduzierten Druckverlustes übergegangen werden. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Katalysatoraußendurchmesser relativ groß zu gestalten, und ausgehend vom durch den Abstand der einzelnen Zylinder i. a. konstruktiv begrenzten Durchmesser der Abgasleitung durch eine fächerförmige Erweiterung der Katalysatoreintrittskanäle eine weitgehend ablösungsfreie und damit druckverlustarme Strömung der Abgase zu erzielen.

Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt, wo die vom Auslaßventil wegführende Abgas­ leitung 10 zum Katalysatorgehäuse 11 führt, in welchem die hier durch eine spiralförmige Wicklung 12 gebildeten Katalysatorkanäle ausgehend von einem relativ geringen Durchmesser auf einen erweiterten Durchmesser führen.

Wahlweise kann bei Bedarf der Katalysator am Austritt in analoger Weise wieder auf einen reduzierten Rohrdurchmesser für die weiterführende Abgasleitung 13 gebracht werden (Fig. 7).

Zum Abschluß sei noch eine besonders einfache Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, bei der auf einfachste Weise ein bereits heute serienüblicher Katalysator, der bei einem bestimmten Fahrzeug gerade knapp die Anforderungen bezüglich der Dauerhaltbarkeit verfehlt, diese Hürde überwinden kann.

In diesem Fall kann es je nach Entfernung des Katalysators zum Motor u. U. genügen, bei unverändertem Einbauort durch ein in der Masse präzise abgestimmtes Stück Katalysator­ trägermaterial, welches nach Möglichkeit fluchtend mit dem eigentlichen Katalysator angeordnet ist, die Auslaßtemperaturspitze zu dämpfen. Die Abstimmung der erforderlichen Masse erfolgt am einfachsten über die Länge des mit dem eingesetzten Katalysator übereinstimmenden Katalysatorträgermaterials. Spielt der Druckverlust eine untergeordnete Rolle, kann u. U. bereits ein sorgfältig ausgewähltes Stück Drahtgeflecht vor dem Katalysator ausreichen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Reinigung von Verbrennungsabgasen mittels Katalysator, insbesondere Katalysator für die pulsierenden Abgase von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart, wobei der Katalysator in Strömungsrichtung durch eine Reihenschaltung reaktionsfähiger und reaktionsträger Abschnitte aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen reaktionsfähigen Abschnitte aus einer Vielzahl näherungsweise parallel durchströmter Katalysatorzellen bestehen, und daß die reaktionsträgen Abschnitte aus einer wärmeaktiven Masse zur Dämpfung von Temperaturschwankungen des Abgasstromes bestehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit einem reaktionsträgen Abschnitt beginnt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit einem reaktionsträgen Abschnitt beginnt und mit einem reaktionsträgen Abschnitt endet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktionsträge Abschnitt aus dem gleichen Material besteht wie der reaktionsfähige Abschnitt, wobei lediglich auf die katalytischen Substanzen verzichtet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktionsträge Abschnitt zur Verbesserung der Temperaturleitfähigkeit behandelt, d. h. insbesondere imprägniert oder verdichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktionsträge Abschnitt aus dem gleichen Material besteht wie das Trägermaterial für den Washcoat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der reaktionsträge Abschnitt zumindest an der Oberfläche aus einem Material mit erhöhter Temperaturleitfähigkeit besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle durch den Katalysator in Strömungsrichtung durch einen oder mehrere Luftspalte unterbrochen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrzylindermotor zur Anwendung kommt, und daß jede Abgasleitung, die den einzelnen Zylindern zugeordnet ist, einen eigenen Abgaskatalysator aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrzylindermotor zur Anwendung kommt, daß mehrere, aber nicht alle Abgasleitungen, die den einzelnen Zylindern zugeordnet sind, zur Nutzung gasdynamischer Effekte stromauf der katalytischen Umwandlung zusammengefaßt sind, und daß diese zusammengefaßten Leitungen alle einen eigenen Abgaskatalysator aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 2 reaktionsträge Abschnitte vorhanden sind.

12. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere reaktionsfähige Abschnitte vorhanden sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die reaktionsträgen Abschnitte aus einem Sieb bestehen.

14. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 3 sowie 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein reaktionsträger Abschnitt außerhalb des Katalysatorgehäuses angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Katalysator führenden Strömungskanäle reaktionsträge und reaktionsfähige Abschnitte und im Bereich des Eintritts in die Strömungskanäle in Strömungsrichtung eine Querschnittserweiterung aufweisen.

16. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Katalysator führenden Strömungskanäle reaktionsträge und reaktionsfähige Abschnitte und im Bereich des Austritts aus den Strömungskanälen in Strömungsrichtung eine Querschnittsverengung aufweisen.