DE69908074T2

DE69908074T2 - Methode zur abgasbehandlung einer brennkraftmaschine und zugehörige auspuffleitung

Info

Publication number: DE69908074T2
Application number: DE69908074T
Authority: DE
Inventors: Franck Castagna; Brigitte Martin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2001522436A; FR2775498B1; WO1999043934A1; FR2775498A1; EP1015741B1; DE69908074D1; EP1015741A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Auspuffabgasbehandlung aus Verbrennungsmotoren.
Genauer betrifft die Erfindung die katalytische Entgiftung dieser Auspuffgase.
In einigen Anwendungen (bei der Dreiwegekatalyse oder in der Entgiftung der Zweitaktmotoren) kommt ein beträchtliches Problem von der starken Exothermizität der Reaktionen bei den gewöhnlichen, in der Auspuffleitung angeordneten Katalysatoren. Man wird im folgenden des Textes jedes Element "Katalysator" oder "Monolith" bezeichnen, das einen mechanischen Träger umfasst, auf dem der Katalysator selbst angeordnet ist. Die Exothermizität, ruft beträchtliche Temperaturentwicklungen der Monolithe hervor; diese Temperaturen sind gefährlich für die mechanische Beständigkeit des Trägers (Metall, Keramik oder anderer). Im übrigen sind diese hohen Temperaturen schädlich für die katalytische Aktivität des Katalysators, der auf dem Träger abgeschieden ist und sich nach einigen zehntausend von dem Fahrzeug gefahrenen Kilometern abbauen wird.
Bei anderen Anwendungen (Stickoxidentfernungskatalyse oder Oxidationskatalyse, z. B. für Dieselmotoren) sind die Temperaturniveaus weniger hoch aber eine verminderte katalytische Effizienz kann angetroffen werden, da der Katalysator nicht permanent in dem Temperaturbereich arbeitet, der dem eingesetzten Entgiftungssystem am besten angepasst ist.
Um diese Probleme zu lösen, sind mehrere Konzepte bereits vorgeschlagen worden. Eine gewisse Anzahl unter ihnen offenbart Auspuffleitungen, die mit einem oder mehreren Monolithen ausgerüstet sind und in denen eines oder mehrere Ventilsysteme es ermöglichen, bei jedem Moment den oder die Monolithe auszuwählen, in die das Auspuffgas geleitet werden wird. Die Wahl der mit Gas versorgten Monolithe ist abhängig von verschiedenen Kriterien wie z. B. der Temperatur oder dem Gasdurchsatz.
Das Patent US 5 377 486 ist ein Beispiel. In einer solchen Auspuffleitung ist ein erster Monolith, genannt "Light-off" oder "Starter" sehr nahe des Auslasses des Motors angeordnet, wobei ein Hauptmonolith hinter jenem angeordnet ist. Der erste Monolith wird lediglich beim Motorstart mit Auspuffgas gespeist, während die Auspuffgase noch zu kalt sind, um den Wirkungseinsatz des Hauptmonolithen zu erhoffen. Am nächsten am Motor gelegen und von verminderter Größe, ist dieser erste Monolith hingegen schnell effizient und ermöglicht es, teilweise die Inaktivität des Hauptmonolithen beim Starten zu ersetzen. Wenn die Gase ausreichend heiß werden, ermöglicht es ein gesteuertes Ventil die Gase nicht mehr in den ersten Monolithen durchlaufen zu lassen, sie gehen direkt zum Hauptmonolithen, welcher sich in Betrieb setzt. Es geht somit darum, den "Light-off"-Katalysator zu erhalten.
Das Dokument JP-08 189344 offenbart daher ein Ventilieren in Abhängigkeit der Temperatur der Gase am Auslass des Motors.
Ein anderes bekanntes Konzept, wie in dem Patent US 3 796 546 z. B. beschrieben besteht darin, die Gase durch die verschiedenen Wege gemäß deren Temperatur passieren zu lassen. Gemäß diesem Dokument laufen die Gase so entweder aufeinanderfolgend entlang der beiden Katalysatoren oder durchlaufen keinen davon.
Diese Konzepte haben nicht vernachlässigbare Kosten, die mit der Notwendigkeit verbunden sind, gesteuerte Ventilsysteme in Abhängigkeit verschiedener Betriebscharakteristika der Fahrzeuge zu verwenden. Sie erfordern daher die zusätzliche Anwesenheit mehrerer Sensoren in der Auspuffleitung sowie die Entwicklung von Regelungsstrategien.
Die oben dargelegte Problematik in Verbindung mit der katalytischen Reaktionstemperatur wird gemäß der Erfindung in neuer und originaler Weise überwunden.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, die Temperatur auf dem Niveau des oder der in der Auspuffleitung vorliegenden Katalysatoren unter Betrieb des Katalysators und unter partieller Kühlung der Auspuffgase zwischen jeder Fraktion des Katalysators zu begrenzen.
So hat die vorliegende Erfindung eine Auspuffleitung von einem Verbrennungsmotor zum Gegenstand, umfassend eine Leitung mit einem ersten Ende das mit dem Ausgang des Motors verbunden ist und mehrere Monolithen oder Gruppen von Monolithen umfassend, die ausgerichtet auf die katalytische Umwandlung der Auspuffgase und angeordnet in Reihe in der Leitung und voneinander durch Hohlräume getrennt sind.
Gemäß der Erfindung umfasst diese Leitung im übrigen ein Mittel, das ausgerichtet ist, um in permanenter Weise einen ersten Teil der Auspuffgase einzig entlang von einem wenigstens der Monolithe oder Gruppen von Monolithen und den zweiten Teil der Auspuffgase entlang aller Monolithe passieren zu lassen, um die Temperaturspitzen zu begrenzen, die durch die Monolithe unterstützt sind und/oder sie in einem vorgegebenen Temperaturbereich arbeiten zu lassen (vergleichbar mit JP-A-04 140 413).
Gemäß der Erfindung umfasst der erste Monolith oder Gruppe von Monolithen mehrere Monolithe, die in Reihe angeordnet und durch Hohlräume von Monolithen getrennt sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Auspuffleitung einen ersten und einen zweiten Monolithen und eine Leitung, welche es dem ersten Teil des Auspuffgases ermöglicht, nicht in die erste Gruppe von Monolithen zu passieren und direkt auf den zweiten Monolith zu treffen, nachdem es mit dem zweiten Teil des Gases gemischt worden ist, welchen es in der ersten Gruppe von Monolithen passiert hat.
Im Übrigen umfasst die zweite Gruppe von Monolithen mehrere Monolithe, die in Reihe angeordnet und durch Hohlräume von Monolith getrennt sind.
Die Auspuffleitung gemäß der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der erste und zweite Monolith in einem Gehäuse angeordnet sind, in welches ein zweites Ende der Leitung mit einem Teil mündet, welcher das Gehäuse durchschreitet, wobei Öffnungen in dem durchschreitenden Teil vorgesehen sind, damit ein Teil der Gase davon ausweicht, bevor er den ersten Monolith erreicht; und ein Mittel, das in dem Gehäuse angeordnet ist, welches es ermöglicht, die Gesamtheit der Gase entlang des zweiten Monolithen zu leiten.
Speziell ist der erste Monolith am Ende des die Leitung durchschreitenden Teils angeordnet.
Im Übrigen kann der zweite Monolith auf einer Wand zum Trennen des Gehäuses in zwei Volumina derart angeordnet sein, dass er einzig ein Durchgangsmittel der Auspuffgase des ersten Volumens zum zweiten Volumen definiert.
Die Erfindung betrifft auch ein Behandlungsverfahren der Auspuffgase aus einem Verbrennungsmotor, darin bestehend, aufeinanderfolgend entlang mehrerer Monolithe oder Gruppen von Monolithen, die für deren katalytische Umwandlung vorgesehen sind, passieren zu lassen.
Gemäß der Erfindung lässt man permanent einen ersten Teil der Gase entlang eines ersten Monolithen oder Gruppe von Monolithen passieren und dann entlang eines Raumes ohne Monolithen und dann entlang eines zweiten Monolithen oder Gruppe von Monolithen und dabei so, dass der zweite Teil der Gase nicht entlang des ersten Monolithen oder Gruppe von Monolithen passiert, um die Temperaturspitzen zu begrenzen, die durch die Monolithen unterstützt werden, und/oder sie in einem vorgegebenen Temperaturbereicht arbeiten zu lassen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet das Verfahren einen dritten Monolith oder Gruppe von Monolithen, angeordnet hinter dem zweiten Monolithen. Der zweite Teil der Gase wird mit dem ersten Teil der Gase vermischt, die den zweiten Monolithen verlassen und die Mischung wird zum Eingang des dritten Monolithen oder Gruppe von Monolithen eingeführt.
Andere Merkmale, Vorteile, Details der Erfindung werden besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung klar werden, die veranschaulichend und keinesfalls begrenzend in Bezug auf die anliegenden Zeichnungen gemacht wird, in denen:
- Die Fig. 1 ein allgemeines Schema des Prinzips der Erfindung ist;
- die Fig. 2 ein schematisierter Schnitt einer Ausführungsform der Erfindung ist;
- die Fig. 3 ein Schema einer anderen Ausführungsform ist.
Genauer, wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Auspuffleitung 1 einen ersten Monolith 5 oder Gruppe von Monolithen und einen zweiten Monolith 10 umfassen. Eine Leitung 110 leitet einen ersten Teil des Gases, der die Leitung 1 gemäß den Pfeilen A verlässt, ab, welcher nicht in den ersten Monolithen 5 läuft und in einem Volumen 7 mit dem zweiten Teil der Auspuffgase wieder vermischt wird, der gemäß den Pfeilen B in den ersten Monolithen 5 gelaufen ist. Diese Mischung wird vor dem zweiten Monolithen 10 derart durchgeführt, dass das ganze Gas ihn durchqueren kann, bevor es in die Atmosphäre verworfen wird. Kein Ventilsystem ist vorgesehen. Der Gasanteil, welcher nicht in den ersten Monolithen 5 läuft, ist abhängig vom Gesamtgasdurchsatz, der Dimensionierung und der Orientierung der "Bypass"- Leitung 110.
Die Fig. 2 zeigt genauer eine Auspuffleitung mit einer Leitung 1, die den Motor verlässt. Die Leitung 1 ist geteilt, stromaufwärts des ersten Monolithen 5 derart, dass ein erster Teil der Auspuffgase den Pfeilen A folgt, entlang eines Bypass 110 des ersten Monolithen 5. Der zweite Teil der Auspuffgase durchquert den ersten Monolithen 5 gemäß den Pfeilen B. Die beiden Teile der Gasströme vereinigen sich vor dem zweiten Monolithen 10 in einem Hohlraum 7 wieder.
Das Gemisch tritt daher somit über den zweiten Monolithen 10 ein und tritt daraus durch eine Leitung 9 wieder aus, welche später in die Atmosphäre mündet.
Das Interesse der Erfindung liegt darin, dass der erste Teil der Gase, welcher nicht entlang des ersten Monolithen 5 passiert, zu keiner katalytischen Reaktion beiträgt, welche in diesem Monolithen stattfindet. Man erhält daher als ersten Effekt eine Begrenzung der Temperatur in dem Monolithen 5. Im übrigen startet der erste Teil der Gas kälter als der zweite Teil, welcher für seinen Teil durch seinen Durchgang in dem ersten Monolithen 5 angewärmt worden ist. Das Gemisch der beiden Teile des Auspuffgases in dem Volumen 7 wird daher ermöglichen, ein Gas mit einer weniger exzessiven Temperatur am Eingang des zweiten Monolithen 10 zu haben und dies in permanenter Weise. Man kann daher die Maximalbetriebstemperatur der Monolithe begrenzen und die Degenerierungsrisiken jener begrenzen.
Ein solches Verfahren ermöglicht es ebenso, länger in dem gewünschten Temperaturbereichen in den Fällen zu starten, wo man einen optimalen Betrieb des Katalysators wünscht. Die in den Monolithen 5 erwärmten Auspuffgase werden daher in dem Volumen 7 durch die Gase gekühlt, welche die Leitung 110 durchqueren, bevor sie den zweiten Monolithen 10 erreichen. Dies kann es daher ermöglichen, den zweiten Monolithen 10 bei einer Temperatur nahe jener des ersten Monolithen 5 arbeiten zu lassen und nicht bei einer höheren Temperatur, was aufgrund der Erwärmung der Gesamtheit der Gase in dem ersten Monolithen 5 im Falle der Abwesenheit der Leitung 110 geschehen würde.
Ein anderes Interesse des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, dass es kein gesteuertes Ventilsystem erfordert und daher keinen Zusatzsensor in der Auspuffleitung erfordert. Der Gasanteil, welcher durch den Bypass 110 läuft, hängt vor allem vom Gesamtdurchsatz der Auspuffgase, deren Temperatur und der Geometrie dieser Leitung 110 ab, welche später gemäß der betreffenden Anwendung angepasst sein können wird.
Ein zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 gezeigt. Dieser Auspuffleitungstyp, z. B. verwendet für Zweitaktmotoren entspricht der Leitung 1 mit einem ersten Ende 2, das mit dem Auslass des Motors (nicht dargestellt) verbunden ist; an seinem zweiten Ende 3 mündet die Leitung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung in einem Gehäuse 4, welches gewöhnlich als Schalldämpfer dient. Genauer überschreitet die Leitung 1 eine gewisse Länge in das Gehäuse 4 hinein.
Am Ende 3 ist ein erster Monolith 5 angeordnet, der zur katalytischen Umwandlung der Auspuffgase vorgesehen ist.
Im übrigen schließt das Gehäuse 4 eine Trennwand 6 ein, die zwei Volumina definiert; das erste 7 enthält das Ende 3 der Leitung 1 und den ersten Monolithen 5.
Das zweite Volumen 8 des Gehäuses 4 umfasst die Öffnung 9 für den Austritt der entgifteten Auspuffgase in die Atmosphäre.
Auf der Trennwand 6 ist ein einziger Durchgang vorgesehen, welcher den zweiten Monolithen 10 empfängt.
Im übrigen sind gemäß der Erfindung die Öffnungen 11 in der Leitung 1 in der Nähe des zweiten Endes 3 vorgesehen; die Öffnungen 11 sind in dem Teil ausgeführt, welcher die Leitung 1 derart überschreitet, dass die Gase, welche die Öffnungen 11 durchqueren, sich systematisch im ersten Volumen 7 wiederfinden.
So ist die Leitung der Gase die folgende: alle Gase fließen von dem ersten Ende 2 der Leitung 1 zum zweiten Ende 3.
Angekommen auf dem Niveau der Öffnungen 11 entweicht ein erster Teil der Gase entlang der Öffnungen gemäß der Pfeile A, ohne einer katalytischen Reaktion zu unterliegen und daher ohne einer Temperaturerhöhung zu unterliegen. Der zweite Teil der Gase wird gemäß dem Pfeil B entlang des ersten Monolithen 5 geleitet und tritt dann in das Mischungsvolumen 7 ein. Die Temperatur dieses zweiten Teils der Gase wird aufgrund der Tatsache der in dem ersten Monolithen durchgeführten katalytischen Reaktionen anwachsen.
Somit befindet sich die Gesamtheit der Gase in dem Mischungsvolumen 7 wieder und tritt daraus aus, indem es entlang des zweiten Monolithen 10 durchläuft, welcher der einzige Durchgang zum zweiten Volumen 8 ist. Die Temperatur der Gase am Eingang des zweiten Monolithen 10 wird durch die Mischung der beiden Teile des Auspuffgases begrenzt werden, jenem der in dem Monolithen 5 durchgelaufen ist und jenem, der durch die Öffnungen 11 gelaufen ist. Schließlich bildet (bilden) die Öffnung(en) 9 den allgemeinen Austritt der Gase.
Wohlverstanden können andere Ausführungsformen, welche es einem Teil des Gases ermöglichen, permanent einen oder mehrere Monolithe in der Auspuffleitung zu durchlaufen, durch den Fachmann vorgesehen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Gleichermaßen kann man vorsehen, dieses Prinzip in Kaskaden im Falle von Auspuffleitungen zu reproduzieren, die wenigstens drei Monolithe in Reihe, getrennt durch Hohlräume enthalten. In diesem Fall kann der zweite Teil der Gase, der nicht durch den ersten Monolithen gelaufen ist, mit den Gasen vermischt werden, welche den zweiten Monolithen zum Eingang des dritten Monolithen verlassen. Am Ausgang des ersten Monolithen können die Gase geteilt werden, um teils in den zweiten Monolithen und teils zum zweiten Teil der Gase zu laufen.
Die vorliegende Erfindung findet ihre Verwendung bevorzugt in den Fällen, wo die Temperaturen der Auspuffgase sehr hoch sind, und eine Schädigung des Katalysatorträgers oder der katalytischen Leistungsfähigkeiten mit sich ziehen können. Die Erfindung kann somit die Temperaturspitzen begrenzen, die in den katalytischen Entgiftungssystemen der Motoren mit gesteuerter Zündung oder Zweitaktmotoren beobachtet werden.
Aber sie kann auch vorteilhaft in den Fällen anwendbar sein, wo man versucht, den Katalysator in einem strikten Temperaturfenster arbeiten zu lassen.
So beobachtet man bei der Entgiftung der Verbrennungsmotoren, obwohl die erreichten Temperaturniveaus nicht gefährlich für die Beständigkeit der Katalysatoren sind, häufig eine optimale Umwandlung der NOx bei der Stickoxidkatalyse in einen Temperaturbereich zwischen 200 und 250ºC. Ebenso verschwindet bei der Oxidationskatalyse die Entfernung des SO&sub2;, welche bei 200ºC anfängt, gegen 350ºC. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung in diesen Bereichen wird es erlauben, wenn das Entgiftungssystem in optimaler Weise in der Auspuffleitung angeordnet ist, maximal die Temperaturauswüchse außerhalb dieser optimalen Anwendungsbereiche zu begrenzen und die Gesamteffizienz der Entgiftung zu steigern.

Claims

1. Auspuffleitung für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Leitung (1) mit einem ersten Ende (2) das mit dem Ausgang des Motors verbunden ist und wenigstens einen ersten oder einen zweiten Monolith oder Gruppen von Monolithen umfasst, ausgerichtet auf die katalytische Umwandlung der Auspuffgase, angeordnet in Reihe in der Leitung und voneinander durch Hohlräume getrennt, im übrigen umfassend ein Mittel (110; 11), das ausgerichtet ist, um in permanenter Weise einen ersten Teil der Auspuffgase einzig entlang von einem wenigstens der Monolithe oder Gruppen von Monolithen (10) und den zweiten Teil der Auspuffgase entlang aller Monolithe (5, 110) passieren zu lassen, um die Temperaturspitzen zu begrenzen, die durch die Monolithe unterstützt sind und/oder sie in einem vorgegebenen Temperaturbereich arbeiten zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Monolith oder Gruppe von Monolithen (5) mehrere Monolithe umfasst, die in Reihe angeordnet und durch Hohlräume von Monolithen getrennt sind.

2. Auspuffleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Leitung (110) umfasst, welche es dem ersten Teil des Auspuffgases ermöglicht, nicht in die erste Gruppe von Monolithen (5) zu passieren und direkt auf den zweiten Monolith (10) zu treffen, nachdem es mit dem zweiten Teil des Gases gemischt worden ist, welchen es in der ersten Gruppe von Monolithen (5) passiert hat.

3. Auspuffleitung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe von Monolithen (10) mehrere Monolithe umfasst, die in Reihe angeordnet und durch Hohlräume von Monolithen getrennt sind.

4. Auspuffleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (5) und zweite (10) Monolith in einem Gehäuse (4) angeordnet sind, in welches ein zweites Ende (3) der Leitung (1) mit einem Teil mündet, welcher das Gehäuse (4) durchschreitet, wobei Öffnungen in dem durchschreitenden Teil vorgesehen sind, damit ein Teil der Gase davon ausweicht, bevor er den ersten Monolith (5) erreicht; und ein Mittel (6) ist in dem Gehäuse (4) angeordnet, welches es ermöglicht, die Gesamtheit der Gase entlang des zweiten Monolithen (10) zu leiten.

5. Auspuffleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Monolith (5) am Ende (3) des die Leitung durchschreitenden Teils (1) angeordnet ist.

6. Auspuffleitung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Monolith (10) auf einer Wand (6) zum Trennen des Gehäuses (4) in zwei Volumina (7, 8) derart angeordnet ist, dass er einzig ein Durchgangsmittel der Auspuffgase des ersten Volumens (7) zum zweiten Volumen (8) definiert.

7. Behandlungsverfahren der Auspuffgase aus einem Verbrennungsmotor, darin bestehend, aufeinanderfolgend entlang mehrerer Monolithe oder Gruppen von Monolithen, die für deren katalytische Umwandlung vorgesehen sind, sie passieren zu lassen und darin bestehend, dass man permanent einen ersten Teil der Gase entlang eines ersten Monolithen oder Gruppe von Monolithen passieren lässt und dann entlang eines Raumes ohne Monolithen und dann entlang eines zweiten Monolithen oder Gruppe von Monolithen und darin, dass der zweite Teil der Gase nicht entlang des ersten Monolithen oder Gruppe von Monolithen passiert, um die Temperaturspitzen zu begrenzen, die durch die Monolithen unterstützt werden, und/oder sie in einem vorgegebenen Temperaturbereicht arbeiten zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Monolith oder Gruppe von Monolithen mehrere Monolithen umfasst, die in Reihe angeordnet und durch Hohlräume von Monolith getrennt sind.

8. Behandlungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man einen dritten Monolith oder Gruppe von Monolithen, angeordnet hinter dem zweiten Monolithen, verwendet, dadurch dass der zweite Teil der Gase mit dem ersten Teil der Gase vermischt wird, die den zweiten Monolithen verlassen und die Mischung zum Eingang des dritten Monolithen oder Gruppe von Monolithen eingeführt wird.