DE69219111T2 - Verfahren und vorrichtung zur katalysator-emissionskontrolle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur katalysator-emissionskontrolle

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Katalysator- Emissionskontrolle in Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
  • Neue und striktere Bestimmungen, insbesondere in USA, bzgl. der künftigen Begrenzung der luftverschmutzenden Emissionsgrößen machen es zunehmend wünschenswert, eine effizientere Emissionskontrolle beim Kraftfahrzeug zu erreichen. Heutzutage sind Katalysator-Emissionskontrollvorrichtungen diejenigen, die am meisten verwendet werden. Sie sind jedoch nicht in der Lage, während der Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs mit maximaler Reinigungseffizienz zu arbeiten. Demzufolge werden ein großer Anteil der luftverschmutzenden Auspuffgase, die von dem gegenwärtigen mit Katalysator ausgerüsteten Kraftfahrzeugen ausgestoßen werden, während der Aufheizphase des Katalysators erzeugt, eine Phase, die so lange dauert, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur (annähernd 250ºC bis 400ºC) erreicht. Bei Kaltstarten kann dieser Zeitraum einige Minuten dauern und ist daher problematisch.
  • Herkömmliche Katalysatoren können durch einen zusätzlich elektrisch aufgeheizten Startkatalysator ergänzt sein. Eine Vorrichtung dieser Art ist bereits aus der Patentveröffentlichung WO 89/10470 bekannt. Durch elektrisches Erhitzen des Startkatalysators während des Startens des Motors wird es möglich, die Aufheizphase des Katalysatorpakets als Ganzes zu verkürzen.
  • Die vorliegende Erfindung sorgt für eine verbesserte Reinigung der Auspuffgase in Kraftfahrzeugen, wobei die Emission von Verunreinigungen innerhalb festgesetzter Größen kontrolliert werden kann. Dies wird mittels eines Verfahrens erreicht, das im Anspruch 1 definiert ist und mittels einer Vorrichtung, die in Anspruch 5 angegeben ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf ein Ausführungsbeispiel derselben und die beigefügte Zeichnungsfigur 1 beschrieben, die ein Emissionskontrollsystem gemäß der Erfindung zeigt.
  • Das in der Figur dargestellte System soll die Abgase von einem Verbrennungsmotor 1 reinigen, welche entweder aus einer herkömmlichen Verbrennung stammen, oder ist für alternative Kraftstoffe wie beispielsweise LPG, Erdgas oder Alkoholkraftstoffe vorgesehen. Der Motor ist mit einem Einlaßrohr 2 und einem Abgasrohr 3 versehen. Die Abgase von dem Motor 1 werden durch ein Katalysatorpaket geleitet, das einen elektrisch beheizten Startkatalysator 4 und einen Hauptkatalysator 5 aufweist, welcher mit dem Startkatalysator verbunden ist. Der Hauptkatalysator 5 besteht aus einem Standardtyp, bestehend beispielsweise aus einem runden Keramiksubstrat 4,66" x 6", 400 cpsi (cpsi = Zellen pro Quadrat Inch) mit einer PM- Füllung von 50g/ft³ (PM Edelmetall) und einem Verhältnis Pt/Rh von 5:1. Der Startkatalysator 4 ist stromaufwärts des Hauptkatalysators 5 in einer Entfernung von diesem montiert, die etwa 0,1 bis 5 mal und vorzugsweise 1,5 bis 2 mal der Länge des Halteaufbaus des Startkatalysators entspricht, um günstige Strömungs- und Temperaturbedingungen zu erreichen.
  • Der Startkatalysator 4 besitzt ein rohrförmiges metallisches katalysatorbeschichtetes Gehäuse (z.B. mit einem Durchmessser von 90 cm, einer Länge L von 28 cm, 200 cpsi, mit einer PM- Füllung von 60 g/ft³ und einem Verhältnis Rt/Rh von 5:1) mit einer besonders hitzebeständigen Eigenschaft. Der Katalysatorhalter im Innern des Metallgehäuses fungiert als Lastwiderstand, der mit einer Stromquelle zum Erhitzen verbunden werden kann.
  • Zusätzlich ist der Startkatalysator mit einer Batterie 6 verbunden, die üblicherweise die normale Fahrzeuganlaßbatterie ist. In einigen Fällen ist die normale Fahrzeuganlaßbatteriekapazität nicht ausreichend für den Strombedarf des Startkatalysators 4, in welchem Fall ein separates elektrisches Energieversorgungssystem erforderlich sein kann.
  • Um den Startkatalysator 4 mit der Stromquelle zu verbinden ist ein elektronischer Schalter 7 zwischen dem Katalysator 4 und der Batterie 6 eingesetzt. Der Schalter ist vorzugsweise nach Art eines Halbleiters zur Minimierung von Verlusten und zur Gewährleistung eines zuverlässigen Anschlusses des Stroms zu dem Startkatalysator 4 ohne Risiken für die Erzeugung von elektromagnetischen Impulsen ausgewählt, ein Phänomen, das sonst häufig bei Fahrzeugen auftritt. Der Schalter 7 könnte auch nach Art eines Relais ausgebildet sein.
  • Stromaufwärts von dem Startkatalysator 4 ist ein Sensor, bekannt als Lambdasonde 8, zur Ermittlung des Vorhandenseins von Sauerstoff in dem Abgas angeordnet. Die Lambdasonde 8 ist mit einer elektronischen Einheit 9 zur Anpassung der Signale von der Lambdasonde 8 zu einer Korrektureinheit 10 verbunden. Die Korrektureinheit 10 dient zur Bestimmung und Abgabe eines sich auf das Luft/Kraftstoffgemisch beziehenden Signals an die Einspritzeinheit 11 des Motors 1. Die Einspritzeinheit 11 besteht vorzugsweise aus einer herkömmlich an dieser Stelle verwendeten Art, ebenso wie auch ein Luftmengenmesser 12, der in das System eingebunden ist.
  • Das System weist auch eine elektrisch kontrollierte Luftpumpe 13 auf, der Luft durch einen ersten Luftkanal 14 zugeführt wird, wobei der letztere mit dem Einlaßrohr 2 des Motors stromaufwärts von dem Luftmengenmesser 12 verbunden ist. Die Luftpumpe 13 kann auch zur Luftzuführung in das System stromaufwärts von dem Katalysatorpaket 4, 5 durch einen zweiten Luftkanal 15 betrieben werden, der mit dem Abgasrohr 3 an einer Stelle zwischen der Lambdasonde 8 und dem Startkatalysator 4 verbunden ist. Die Luftpumpe 13 besitzt ein (nicht dargestelltes) Rückschlagventil, das zum Schutz der Luftpumpe 13 vor irgendwelchen heißen zurückströmenden Abgasen dient, die in Richtung auf die Luftpumpe 13 strömen könnten. Um die Luftpumpe 13 zu betreiben, ist diese mit einer Durchführungsklemme des elektronischen Schalters 7 verbunden, welche unabhängig von dem Betrieb des Startkatalysators 4 ist.
  • Zu dem System gehört auch eine computergestützte Kontrolleinheit 16, die mit dem Schalter 7 und der Luftpumpe 13 verbunden ist und für die Abgabe von Kontrollsignalen vorgesehen ist. Ein (nicht dargestellter) Temperatursensor ist in gleicher Weise mit der Kontrolleinheit 16 verbunden, wobei der Sensor neben dem Startkatalysator 4 angeordnet und für das Liefern eines Signals vorgesehen ist, das für die Temperatur des Startkatalysators 4 repräsentativ ist. Der Temparatursensor kann aus einem ummantelten Widerstandsthermometer bestehen, das in den Startkatalysator 4 während dessen Herstellung integriert ist. Auf diese Weise kann die Temperatur des Startkatalysators genau überwacht werden.
  • Die Kontrolleinheit 16 dient dazu, den Betrieb des Startkatalysators auf Zeitbasis und/oder bzgl. der Temperatur zu regeln, den Startkatalysator 6 einschließlich des Temperatursensors zu überwachen, die Stromversorgung für den Startkatalysator 4 von der Batterie 6 und im Bedarfsfall von dem (nicht dargestellten) Fahrzeugstromgenerator zu überwachen und auch den Betrieb der Luftpumpe 13 hinsichtlich der Strömungsmenge zu steuern. Die Überwachung der Stromversorgung wird durch hier detailliert nicht näher beschriebene Spannungsmessung bezogen auf den Schaltkreis der Anlasserbatterie vorgenommen. Das Überwachen des Startkatalysators 4 wird durch Messen seines Widerstandes vorgenommen, was hier nicht in jedem Detail beschrieben wird.
  • Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Emissionskontrollsystems der Erfindung beschrieben. Wenn der Motor 1 angelassen wird, führt die oben erwähnte Stromzufuhrüberwachungsaktivität zu der Durchführung einer Prüfung hinsichtlich der Kapazität der Batterie 6 zum Zuführen von ausreichend Energie zu dem Startkatalysator 4. Falls die Ladung der Batterie sich als ausreichend herausstellt und falls die Überwachungsbedingungen des Startkatalysators normal sind, wird das Verfahren für das Aufheizen des Startkatalysators 4 begonnen. Zur selben Zeit wird die zusätzliche Luftzufuhr über die Luftpumpe 13 gestartet. Das Erhitzen und die Luftzufuhr werden für eine vorbestimmte Zeitdauer oder bis eine vorbestimmte Temperatur in dem Startkatalysator erreicht ist, fortgesetzt. Diese Bedingungen korrespondieren mit dem Erreichen der Anspringtemperatur in dem Katalysatorpaket 4, 5 als Ergebnis des elektrischen Heizens und exothermer Reaktionen. An dieser Stelle werden die Luftzuführung und das Heizen beendet.
  • Es ist darauf hinzuweisen, daß üblicherweise nach Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysatorpakets 4, 5 keine Luftzufuhr erfolgt, da eine derartige Zufuhr einen ungünstigen Effekt auf die NOx-Emissionen hätte und daß weiterhin das Aufheizen des Startkatalysators 4 unabhängig von der Luftzuführung über die Luftpumpe 13 vorgenommen werden kann.
  • Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Schalter 7 derart aktiviert, daß der Vorgang des Heizen des Startkatalysators 4 unmittelbar nach dem Zünden des Motors 1 (nach dem sogenannten "Motorabgang") begonnen wird. Es kann auch wünschenswert sein, den Startkatalysator vor dem Drehen des Motors vorzuheizen, alternativ in sowohl vor als auch nach dem Drehvorgang zu heizen. Es kann jedoch nachteilig sein, den Startkatalysator 4 während des Betriebs des Anlassers zu aktivieren, da der letztere die gesamte Kapazitätbatterie 6 benötigen kann. Das Heizen erhöht die Temperatur des Abgases, das durch den Startkatalysator 4 strömt, wenn diese Abgase in den Hauptkatalysator 5 mit dem Ergebnis geführt werden, daß das vollständige Katalysatorpaket 4, 5 seine Anspringtemperatur schneller erreicht, d.h. die Temperatur, bei der das Katalysatorpaket 4, 5 ausreichend zum Betrieb mit einer akzeptablen Reinigungseffizienz erhitzt ist.
  • Die Luftströmung von einer aktivierten Luftpumpe 13 soll zu einer vergleichsweise mageren Abgasmischung beitragen, die zu dem Katalysatorpaket 4, 5 während der Aufheizphase des letzteren geleitet wird, d.h. die Abgasmischung im Innern des Abgasrohres 3 soll einen geringen Sauerstoffüberschuß besitzen. Da es bei der Lambdasonde 8 etwa 30 Sekunden zum Erreichen ihres vollen wirkungsgrades dauert, damit der Motor 1 beim stöchiometrischen Verhältnis läuft, kann das Lamdasondensystem nicht zum Regulieren der Luftzufuhr zu den Katalysatoren 4, 5 während dieser Phase verwendet werden. Die Luftzuführung stromabwärts von der Lamdasonde 8 kann jedoch dazu führen, daß ein kontrollierter Überschuß von Sauerstoff den Abgasen zugeführt wird, die zu dem Startkatalysator während des Startens des Aufheizens und anfänglicher Fahrphasen des Motors strömen. Auf diese Weise wird die Wirkung der Lambdasonde 8 nicht durch die von der Luftpumpe 13 gelieferte Luftströmung gestört, da die Luftzuführung stromabwärts von der Lambdasonde 8 stattfindet.
  • Es hat sich herausgestellt, daß überschüssiger Sauerstoff in der Größenordnung von 1% (im Vergleich zur stöchiometrischen Menge von 0,63 Sauerstoff) eine Abnahme der Katalysatoranspringtemperatur um 20 bis 30ºC (bzgl. der Kontrolle von HC und CO) liefert, während ein Überschuß an Sauerstoff in der Größenordnung von 2% eine entsprechende Abnahme der Anspringtemperatur um 30 bis 500 liefert. Auch die Anspringtemperatur bzgl. der Kontrolle der NOx-Emissionen kann durch einen Überschuß an Sauerstoff in dem Abgasgemisch verbessert werden.
  • Wenn das Erhitzen des Startkatalysators 4 beendet wird, gibt es einen plötzlichen Temperaturabfall mit einem resultierenden Abkühlen des Startkatalysators 4, was seinerseits zu einer Verringerung des erhaltenen Reinigungsgrades führt. Zusammen mit der vorhandenen kühlen und angereicherten Abgaszusammensetzung hat dieses Abkühlen jedoch den Effekt, daß der Hauptkatalysator 5 so reagiert, daß eine Übergangstemperaturzunahme in seinem Katalysatormaterial stattfindet, bevor er abgekühlt. Das Phänomen wird manchmal als "Falschwegverhalten" bezeichnet und ist offenbart in "Transients of Monolithic Catalytic Converters: Response to Step Changes in Feedstream Temperature as Related to Controlling Automobile Emissions", SE H. Oh & James C. Cavendish, General Motors Research Laboratories, Warren, Michigan 48090, USA Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., Vol. 21, No. 1, 1982. Dieser Effekt kann in folgender Weise ausgenutzt werden. Das Emissionskontrollsystem gemäß der Erfindung kann so ausgelegt sein, daß über die Kontrolleinheit 16 und den Schalter 7 ein pulsierender Strom an den Startkatalysator 4 geliefert wird, wobei die Stromimpulse rasche Temperaturzunahmen, gefolgt von Temperaturabnahmen, in dem Startkatalysator 4 verursachen. Im Zusammenhang mit der Voraussetzung, daß einerseits die Stromversorgungskapazität ausreichend ist (d.h. die Stromversorgung für den Startkatalysator 4 ausreichend hoch ist) und andererseits die geometrische Stellung des Startkatalysators 4 von dem Hauptkatalysator 5 in einer Entfernung von vorzugsweise 1,5 bis 2 x der Länge des Halteaufbaus des Startkatalysators 4 ist, ergibt sich, daß "Falschwegverhalten" des Katalysatorpakets 4, 5, das in signifikanter Weise zu einer Verringerung der Zeit beiträgt, die benötigt wird, ehe das Katalysatorpaket 4, 5 seine Anspringtemperatur erreicht.
  • Es ist darauf hinzuweisen, daß Parameter, wie beispielsweise Stromstärke vor dem Zuführen zu dem Startkatalysator 4 und die Geometrie der Anordnung des Startkatalysators 4 bzgl. der Stellung des Hauptkatalysators 5 abhängig von den Bedürfnissen der speziellen Anwendung des Systems eingestellt werden können.
  • Weiterhin ist festzuhalten, daß ein System gemäß der Erfindung durch Heizen des Startkatalysators 4 ohne Luftzufuhr von der Luftpumpe 13 und umgekehrt kontrolliert werden kann. Der Gesamteffekt der Emissionskontrolle, der von dem Katalysatorpaket 4, 5 im Fall des Aufheizens in Kombination mit Luftzufuhr erreicht wird, übersteigt jedoch die Größe der Kontrolle, die von jedem dieser Funktionen separat erreicht wird.
  • Weiterhin wird eine verbesserte Reinigungswirksamkeit erreicht, wenn die Kontrolleinheit 16 zur Betätigung der Luftpumpe 13 in der Form vorgesehen ist, daß die Luftzufuhr bzgl. der Strömung des Abgases optimiert ist, anstelle des Beibehaltens der Luftströmung auf eine konstante Größe wie oben angegeben. In diesem Fall muß die Luftpumpe 13 in der Lage sein, eine variable Luftströmung in das Abgasrohr 13 zu liefern. Die Größe des Sauerstoffüberschusses in den Abgasen kann dann auf Zeitbasis bei Aktivieren der Luftpumpe 13 geregelt werden. Beispielsweise kann die Strömung derart dimensioniert werden, daß überschüssiger Sauerstoff in den Abgasen schrittweise verringert wird, um die Reinigungseffizienz des Katalysatorpakets 4, 5 zu optimieren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Katalysator-Emissionskontrolle in Kraftfahrzeugen mit einem Motor (1), welcher ein Einlaßrohr (2) und ein Abgasrohr (3) aufweist, wobei ein elektrisch beheizter Start-Katalysator (4) und ein Hauptkatalysator (5) nebeneinander im Abgasrohr (3) angeordnet sind, wobei dem Abgasrohr (3) eine Luftströmung in Verbindung mit dem Starten des Motors über einen Kanal (15), der stromaufwärts des Start-Katalysators (4) in das Rohr mündet, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Start-Katalysator (4) in Verbindung mit dem Start des Motors (1), wenn die Abgasmischung fett ist, durch einen pulsierenden Strom zum Erzeugen alternierender Erhöhungen und Reduzierungen der Temperatur des Start- Katalysators (4) aktiviert wird und daß die Temperaturänderungen auf den Hauptkatalysator (5) mittels der Abgasmischung derart übertragen werden, daß ein Temperaturanstieg in den Katalysatoren (4, 5) in Übereinstimmung mit dem sogenannten "Falschweg-Verhalten" auftritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Abgasrohr (3) zugeführte Luftströmung zum Erzeugen einer schrittweisen Reduzierung der Strömung beginnend bei einem vorbestimmten Startpegel geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Abgasrohr (3) zugeführte Luftströmung zum Erzeugen eines Sauerstoffgehalts in den Abgasen zwischen 5 und 0 % oberhalb des stöichiometrischen Sauerstoffpegels geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt der Abgase schrittweise reduziert wird.
5. Vorrichtung zur Katalysator-Emissionskontrolle in Kraftfahrzeugen mit einem Motor (1), welcher ein Einlaßrohr (2) und einem Abgasrohr (3) aufweist, wobei ein elektrisch beheizter Start-Katalysator (4) und ein Hauptkatalysator (5) nebeneinander in dem Abgasrohr (3) angeordnet sind, wobei dem Abgasrohr (3) eine Luftströmung in Verbindung mit dem Starten des Motors über ein Kanal (15), der stromaufwärts des Start-Katalysators (4) in das Rohr mündet, zuführbar ist, gekennzeichnet durch,
einen Schalter (7) und eine Kontrolleinheit (16), wobei dem Schalter (7) durch die Kontrolleinheit (16) Steuersignale zur Versorgung des Start-Katalysators (4) mit einem pulsierenden Strom zum Erzeugen alternierender Erhöhungen und Reduzierungen der Temperatur des Start-Katalysators (4) zuführbar sind, wobei die Temperaturänderungen auf den Hauptkatalysator (5) mittels der Abgasmischung zur Erzeugung eines Temperaturanstiegs in den Katalysatoren (4, 5) in Übereinstimmung mit dem sogenannten "Falschweg- Verhalten" übertragbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Start-Katalysator (4) in dem Abgasrohr (3) stromaufwärts des Hauptkatalysators (5) in einem Abstand davon, welcher das 0,1- bis 5,0-fache, vorzugsweise das 1,5- bis 2,0-fache, der Länge der Halterungsstruktur des Start-Katalysators (4) beträgt, positioniert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Luftquelle (13) aufweist, welche mit dem Abgasrohr (3) über den Luftkanal (15), der in das Abgasrohr (3) einmündet, verbunden ist, und daß die Strömung der Luftquelle (13) durch die Steuereinheit (16) regelbar ist, welche mit der Luftquelle (13) verbunden ist und durch welche die Luftströmung von der Luftquelle (13) zum Abgasrohr (3) regelbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kontrolleinheit die Strömung zur Aufrechterhaltung eines Überschusses an Sauerstoff in den Abgasen, welcher im Vergleich zum stöichiometrischen Verhältnis konstant ist, regelbar ist.
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