EP1924340A1 - Abgasreinigungsbauteil zur reinigung eines brennkraftmaschinenabgases - Google Patents

Abgasreinigungsbauteil zur reinigung eines brennkraftmaschinenabgases

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EP1924340A1
EP1924340A1 EP06791679A EP06791679A EP1924340A1 EP 1924340 A1 EP1924340 A1 EP 1924340A1 EP 06791679 A EP06791679 A EP 06791679A EP 06791679 A EP06791679 A EP 06791679A EP 1924340 A1 EP1924340 A1 EP 1924340A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
gas purification
coating
purification component
oxygen storage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06791679A
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Clemens Brinkmeier
Christof SCHÖN
Guido Vent
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Exhaust gas purification component for cleaning an engine exhaust gas
  • the invention relates to an exhaust gas purification component for cleaning an engine exhaust gas having the features of the preamble of claim 1.
  • the channels are usually provided with a catalytically active coating, which is applied to the channels, so that the exhaust gas flowing through the channels comes into contact with the coating and catalyzed by the coating reactions of exhaust gas components can proceed.
  • the coatings have an oxygen storage capacity. This allows in particular a catalyzing of redox reactions.
  • aging of the exhaust gas purification component may result in a reduction of its functionality.
  • aging may be accompanied by a decrease in the oxygen storage function. Such undesirable aging effects reduce the reliability of the corresponding emission control component.
  • the object of the invention is therefore to provide an exhaust gas purification component with improved operational reliability.
  • the coating with oxygen storage capability is provided for a first delimited subregion of the carrier body, and a second delimited subregion of the carrier body is free of a coating with oxygen storage capability or has a coating with a greatly reduced oxygen storage capacity compared to the first subsection.
  • the coating used is preferably a coating designed as a so-called washcoat.
  • the coating may contain finely divided catalytically active noble metals, in particular of the platinum group.
  • the coating contains an oxygen-capable material, such as an oxide of a rare-earth element. This is homogeneously distributed in the coating or the washcoat, so that the coating has an overall oxygen storage capacity in this case.
  • cerium oxide and / or praseodymium oxide-based oxides or mixed oxides as materials with oxygen storage capability, which are homogeneously distributed in the coating, so that the coating as a whole has an oxygen storage capacity.
  • the first sub-area For the first sub-area, a share of about 20% to 70% of the Materials with oxygen storage capacity in the coating are preferred. By contrast, a content of less than 10% is preferred for the second subregion. However, the second portion may also have a coating that does not contain such material, or it may be completely free of coating. For the sake of simplicity, an OSC-rich subarea and an OSC-poor or OSC-free subarea (OSC) will be referred to below for the embodiments of the first and the second subarea.
  • OSC-rich subarea and an OSC-poor or OSC-free subarea OSC
  • different shaped regions of the exhaust gas purification component may be formed as a first or second partial region.
  • the extend first and / or the second portion over the entire length of the carrier body, but not over the full cross-sectional area.
  • the first and / or the second subregion can also extend over the full cross-sectional area of the carrier body, but not over the entire length.
  • the first portion and / or the second portion extend over the entire cross section of the carrier body and are limited in the axial direction with respect to the extension of the carrier body.
  • This embodiment is particularly easy to manufacture by means of a dip / suction coating.
  • the first subarea adjoins the second subarea.
  • an OSC-rich subarea extends over the entire cross section of the carrier body and in the axial direction directly adjoins an OSC-poor or OSC-free subarea which likewise extends over the entire cross section. In this way, the transitions are clearly defined and located in the axial direction on the carrier body.
  • the first OSC-rich subregion extends over the predominant part of the length of the carrier body.
  • This embodiment is particularly advantageous for exhaust gas purification components that require a large amount of oxygen storage capacity for their function. For example, this is the case with three-way catalysts.
  • the first, OSC-rich subsection extends from an end which is remote from the input side of the carrier body in the axial direction Place to the output side end of the carrier body.
  • An input-side, preferably disk-shaped portion of the carrier body is thus OSC-poor or OSC-free executed. This avoids that oxygen-storing materials experience an increased aging in the usually particularly temperature-stressed input area of the exhaust gas cleaning component.
  • heat-dissipating reactions proceeding from the input area are displaced axially to the rear via the oxygen-storing material.
  • sufficient oxygen storage capacity is still available downstream of the OSC-poor or OSC-free input area for the function of the exhaust gas purification component.
  • At least two spaced-apart (OSC-rich) first partial regions are provided for the exhaust gas purification component. It can be advantageous, in particular, for the function of an exhaust gas catalytic converter as an exhaust gas purification component to alternate successively in the axial direction, preferably in each case disk-shaped OSC-poor or OSC-free partial areas and OSC-rich partial areas.
  • the exhaust gas purification component is designed as an exhaust gas catalytic converter. It may be a so-called full catalyst or a so-called supported catalyst. Particularly advantageous is an embodiment of the exhaust gas purification component according to the invention as a three-way catalyst.
  • the exhaust gas purification component is designed as an exhaust gas particle filter.
  • This is preferably a particle filter in a so-called wall-flow design.
  • the channels of the particulate filter can along its gas inlet side and / or be catalytically coated along its gas outlet side or be substantially free of a catalytic coating.
  • temperature detection means are provided for detecting the temperature of the coating with oxygen storage capability in the first subregion.
  • temperature changes caused by redox reactions occurring via the OSC-rich coating can be detected. If the activity of the coating decreases as a result of aging, this can be detected by the detected temperatures of the coating.
  • a modification transition of the oxygen-storing material occurring during an oxygen storage can be detected, since this is usually accompanied by a heat of reaction.
  • their oxygen storage capacity can be detected. Therefore, it is possible to diagnose the exhaust gas purifying component, since age-related deterioration of the function of the oxygen-storing coating can be detected through the temperature detection.
  • 1 shows a first advantageous embodiment of the exhaust gas purification component according to the invention
  • 2 shows a second advantageous embodiment of the exhaust gas purification component according to the invention
  • FIG. 6 shows a first arrangement of a temperature sensor for the exhaust gas purification component according to the invention in a side view (left) and in a front view (right),
  • Fig. 7 shows a second arrangement of a
  • Temperature sensor for the exhaust gas purification component according to the invention in a side view
  • Fig. 8a to 8d further advantageous embodiments of the exhaust gas purification component according to the invention in conjunction with a temperature sensor arranged in FIG. 6 and
  • FIG. 1 schematically shows an exhaust gas purification component 1 designed as an exhaust gas catalyst m honeycomb body design.
  • the catalytic converter 1 may be embodied as a so-called full catalytic converter in which the honeycomb body itself consists of catalytically active material, a supported catalytic converter with a metallic or ceramic carrier body is assumed below.
  • the carrier body is of a plurality of flow channels. 2 crossed on the walls 3 at least partially a coating is applied, which is not shown in detail. This is preferably a catalytically active coating.
  • the exhaust gas catalytic converter 1 is provided in its rear partial region 5 with an OSC-rich coating, ie with a coating having a comparatively large oxygen storage capacity.
  • the catalytic converter 1 is OSC-free or low-OSC.
  • the input-side partial region 6 can be designed to be free of a coating or have a coating without or with a comparatively low oxygen storage capacity. From a manufacturing point of view, it is preferred if coatings on the walls 3 of the flow channels 2 in the respective subregions 5, 6 are applied approximately uniformly and comprise the entire cross section of the catalytic converter 1.
  • FIG. 1 The embodiment shown in FIG. 1 is preferred for a catalytic converter which is used close to the engine as the first catalytic exhaust gas purification component in the exhaust gas system of an internal combustion engine.
  • Such exhaust gas cleaning components are exposed to strong thermal loads, in particular in their input area, since the incoming exhaust gas can have high temperatures. Reactions of reactive exhaust constituents with oxygen stored in the catalyst and / or modification transitions of the oxygen storage material itself may further increase the temperature load on the catalyst.
  • the input region of the catalytic converter is OSC-poor or OSC-free.
  • the directly adjacent downstream portion 5 is preferably carried out uniformly rich OSC.
  • an input-side subregion 5 OSC-rich and a directly adjacent, downstream subregion 6 are OSC-poor or OSC-free , This embodiment is recommended if an increased oxygen storage capacity is not required for the function of the exhaust gas purification component 1. This may be the case, for example, in an exhaust gas purification component 1 designed as an oxidation catalyst or as a soot filter.
  • the input-side OSC-rich subregion 5 can serve in particular in this case as a diagnostic region such that the aging of the exhaust gas purification component 1 is determined by repeated determinations of the oxygen storage capability of the OSC-rich subregion 5.
  • An approximately 5 mm to 50 mm, or an approximately 5% to 50% of its total length OSC-rich executed input-side portion 5 of the exhaust gas purification component 1 is advantageous.
  • an input-side partial region 5 ⁇ as well as a rear partial region 5 are OSC-rich, ie designed with a coating with comparatively high oxygen storage capacity.
  • OSC-rich subregions 5 ⁇ 5 Between the OSC-rich subregions 5 ⁇ 5, an OSC-poor or OSC-free executed middle portion 6 is arranged.
  • the middle OSC-poor or OSC-free executed partial region 6 preferably makes up about 20% to 30% of the total length of the exhaust gas catalytic converter. sators 1 off.
  • the catalytic converter 1 therefore has an OSC-rich coating over the greater part of its length, so that its relevant function is available to a sufficient extent.
  • an exhaust gas catalyst 1 is shown.
  • a middle portion 5 is executed OSC rich.
  • a directly adjacent front portion 6 and a directly adjacent rear portion 6 ⁇ OSC arm or OSC-free running.
  • Such an embodiment is particularly advantageous for catalytic exhaust gas purification components in which a comparatively low oxygen storage capacity is required.
  • This embodiment offers the advantage over a coating implemented over the entire length with a uniformly reduced oxygen storage capability that only a partial region has a reduced temperature resistance.
  • the central portion 5 makes up about 20% to 60% of the total length of the catalytic converter 1.
  • OSC-rich subregions 5, 5... 5 > ⁇ , 5 ⁇ > ⁇ alternate with OSC-poor or OSC-free subareas 6, 6 ⁇ , ⁇ x 6 ⁇ .
  • the input-side portion 6 OSC-poor or OSC-free executed.
  • the entrance area has a coating with high oxygen storage capacity. Since, in particular, cerium-containing coatings can catalyze water gas shift reactions with formation of hydrogen, in such a case hydrogen formed in the subregions with high oxygen storage capacity can be used in the subsequent subregions with little or no oxygen storage capability. This way you can the catalytic function of the catalytic converter 1 can be extended.
  • each subregion makes up about 20% of the total length of the catalytic converter 1.
  • the individual subregions can be made approximately the same length or different lengths.
  • an improved catalytic function of the exhaust gas purification component results.
  • the embodiment according to the invention can be used for monitoring the exhaust gas purification component with respect to its aging. For this purpose, a temperature detection of the coating with oxygen storage capacity in the OSC-rich portion is made such that a heat of reaction of a occurring during the storage of oxygen modification transition of the material can be detected with oxygen storage capacity. When oxygen is stored in the material with oxygen storage capacity, this changes from an oxygen-poor modification into an oxygen-rich modification.
  • ceria-based materials having oxygen storage ability ceria changes from its trivalent form (Ce 2 ⁇ 3 ) to tetravalent form (CeO 2 ).
  • the corresponding oxygen uptake reaction proceeds very rapidly and exothermally, therefore, with the storage of oxygen, the temperature of the coating with oxygen storage capacity increases. Due to the nature of the temperature increase can therefore be determined whether and to what extent a modification transition occurs, ie whether and to what extent material with oxygen storage capacity is available.
  • a catalyst aging for example, as a result of exposure to elevated temperatures or poisoning, itself makes noticeable by a decrease in the oxygen storage capacity, can be evaluated by evaluating the temperature increase in the oxygen storage of the aging state of the exhaust gas purification component and a diagnosis can be performed. For this purpose, for example, the size of the temperature increase is determined and compared with a reference value.
  • a temperature detection made at a distance from the exhaust gas inlet can distinguish between the temperature-increasing effect of a gas oxidation and a modification transition in the coating.
  • a particularly reliable monitoring of the exhaust gas purification component can be made with determination of the existing there oxygen storage capacity.
  • a change in operating mode of the internal combustion engine with a transition from reducing exhaust gas to a conditions with oxygen deficiency to oxidizing exhaust conditions with oxygen surplus occurring temperature increase evaluated. In this way, caused by gas oxidation temperature effects can be effectively hidden.
  • the detection of the heat of reaction of the modification transition occurring when oxygen is stored in the material with oxygen storage capability can advantageously be carried out in exhaust-gas purification components which, according to the embodiments shown in FIGS. 1 and 3, are predominantly provided with an OSC-rich coating from the outset.
  • the temperature detection can be done only at one point in the OSC-rich coating or at several axially and / or radially offset positions.
  • a temperature sensor is preferably brought into heat-transmitting connection with the corresponding coating.
  • the temperature sensor is preferably introduced in the radial direction or in the axial direction into the exhaust gas purification component and with its temperature-sensitive region in heat-transfer contact with the OSC-rich coating.
  • FIG. 6 schematically shows a radial feed of a temperature sensor 7 into an exhaust gas purification component 1.
  • the temperature-sensitive region of the temperature sensor 7 can be arranged off-center. A placement approximately at the height of the central longitudinal axis is of course also possible.
  • FIG. 7 schematically shows an axial feed of a temperature sensor 7 into an exhaust gas purification component 1.
  • a placement of the temperature sensor 7 in height of the central longitudinal axis, as shown is not required.
  • the sensor axis can be moved parallel to the central longitudinal axis, these cut or skewed stand to her.
  • the OSC-rich subregion 5 surrounds only the temperature-sensitive region of the temperature sensor 7 in the radial direction.
  • the OSC is shown in FIGS. 8b and 8d -rich portion 5 in the axial direction comparatively short and only in the vicinity of the temperature sensor 7 available.
  • the OSC-rich subregion 5 surrounds the entire sensor 7 from its entry point into the exhaust gas purification component 1; in FIG. 8d, the OSC-rich subregion 5 surrounds only the temperature-sensitive tip of the temperature sensor 7.
  • a temperature sensor 7 for example designed as a thermocouple
  • the latter can be in heat-transfer contact with an OSC-rich coating which is uniform over the entire component length or in an axial subarea or, as illustrated, with an OSC-rich coating present only in the immediate vicinity of the temperature-sensitive region of the temperature sensor 7.

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Abstract

Es wird ein Abgasreinigungsbauteil zur Reinigung eines Brennkraftmaschinenabgases, mit einem von einer Vielzahl von Strömungskanälen (2) für das Abgas durchzogenen Trägerkörper vorgeschlagen. Wenigstens ein Teil der Wände (3) der Strömungskanäle weisen eine Beschichtung mit Sauerstoff Speicherfähigkeit auf. Erfindungsgemäß ist die Beschichtung mit Sauerstoff Speicherfähigkeit für einen ersten abgegrenzten Teilbereich (5; 5'; 5'') des Trägerkörpers vorgesehen und ein zweiter abgegrenzter Teilbereich (6; 6'; 6'') des Trägerkörpers ist frei von einer Beschichtung mit Sauerstoff Speicherfähigkeit ausgeführt oder weist eine Beschichtung mit einer gegenüber dem ersten Teilbereich (5; 5'; 5'') stark verminderten Sauerstoff Speicherfähigkeit auf.

Description

Abgasreinigungsbauteil zur Reinigung eines Brennkraftmaschinenabgases
Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungsbauteil zur Reinigung eines Brennkraftmaschinenabgases mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zur Reinigung von Brennkraftmaschinenabgasen ist es allgemein üblich, zylindrische Trägerkörper im Abgasstrang vorzusehen, die von einer Vielzahl von Strömungskanälen für das Abgas durchzogen sind. Für eine katalytisch unterstützte Abgasreinigung sind die Kanäle meist mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen, die auf die Kanäle aufgebracht ist, so dass das durch die Kanäle strömende Abgas in Kontakt mit der Beschichtung kommt und von der Beschichtung katalysierte Umsetzungen von Abgasbestandteilen ablaufen können. Häufig weisen die Beschichtungen eine SauerstoffSpeicherfähigkeit auf. Dies ermöglicht insbesondere eine Katalysierung von Redoxreaktionen .
Insbesondere infolge einer Beanspruchung durch erhöhte Temperaturen kann sich eine Alterung des Abgasreinigungsbauteils mit einer Verminderung seiner Funktionsfähigkeit ergeben. Bei einem Abgasreinigungsbauteil mit einer Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit kann die Alterung mit einem Nachlassen der SauerstoffSpeicherfunktion einher gehen. Solche unerwünschten Alterungseffekte vermindern die Zuverlässigkeit des entsprechenden Abgasreinigungsbauteils.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abgasreinigungsbauteil mit einer verbesserten Betriebszuverlässigkeit anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasreinigungsbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit für einen ersten abgegrenzten Teilbereich des Trägerkörpers vorgesehen und ein zweiter abgegrenzter Teilbereich des Trägerkörpers ist frei von einer Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführt oder weist eine Beschichtung mit einer gegenüber dem ersten Teilabschnitt stark verminderten SauerstoffSpeicherfähigkeit auf.
Als Beschichtung kommt vorzugsweise eine als so genannter washcoat ausgeführte Beschichtung zum Einsatz. Je nach bestimmungsgemäßer Funktion kann die Beschichtung fein verteilt katalytisch wirksame Edelmetalle insbesondere der Platingruppe enthalten. Weist die Beschichtung eine Sauerstoffspeicherfähigkeit auf, so enthält sie ein zur Speicherung von Sauerstoff befähigtes Material wie beispielsweise ein Oxid eines Elements der Seltenen Erden. Dieses ist homogen in der Beschichtung bzw. dem washcoat verteilt, so dass die Beschichtung in diesem Fall insgesamt eine SauerstoffSpeicherfähigkeit aufweist. Besonders bevorzugt sind Ceroxid- und/oder Praseodymoxid-basierte Oxide oder Mischoxide als Materialien mit SauerstoffSpeicherfähigkeit, welche homogen in der Beschichtung verteilt sind, so dass die Beschichtung insgesamt eine SauerstoffSpeicherfähigkeit aufweist. Für den ersten Teilbereich ist ein Anteil von etwa 20 % bis 70 % des Materials mit SauerstoffSpeicherfähigkeit in der Beschichtung bevorzugt. Für den zweiten Teilbereich ist hingegen ein Gehalt von weniger als 10 % bevorzugt. Der zweite Teilbereich kann jedoch auch eine Beschichtung aufweisen, die kein derartiges Material enthält, oder er kann vollkommen frei von einer Beschichtung ausgeführt sein. Zur Vereinfachung wird nachfolgend für die Ausführungsformen des ersten und des zweiten Teilbereichs von einem OSC-reichen Teilbereich und von einem OSC-armen oder OSC-freien Teilbereich (OSC = oxygen storage capacity) gesprochen.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung, nur einen abgegrenzten Teilbereich des Trägerkörpers mit einer OSC-reichen Beschichtung zu versehen, bleiben über das Material mit Sauerstoffspeicherfähigkeit ablaufende chemische Umsetzungen überwiegend oder völlig auf diesen Bereich des Abgasreinigungsbauteils begrenzt. Infolgedessen bleibt die mit den Umsetzungen verbundene Wärmefreisetzung ebenfalls auf diesen Bereich begrenzt, wodurch die Temperaturbelastung des Abgasreinigungsbauteils zumindest in den übrigen Bereichen verringert ist. Da die SauerstoffSpeicherfähigkeit infolge von Alterung nachlassen kann, ist es darüber hinaus ermöglicht, durch eine Erfassung der SauerstoffSpeicherfähigkeit im OSC-reichen Teilbereich die Stärke der Alterung des Abgasreinigungsbauteils zu erfassen bzw. abzuschätzen. Wird eine zu stark oder zu rasch verlaufende Alterung festgestellt, so können gegensteuernde Eingriffe in den Betrieb der Brennkraftmaschine vorgenommen werden, wodurch die Lebensdauer und die Betriebszuverlässigkeit des Abgasreinigungsbauteils ebenfalls verbessert wird.
Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche geformte Bereiche des Abgasreinigungsbauteils als erster bzw. zweiter Teilbereich ausgebildet sein. Beispielsweise können sich der erste und/oder der zweite Teilbereich über die gesamte Länge des Trägerkörpers, nicht aber über die volle Querschnittsfläche erstrecken. Der erste und/oder der zweite Teilbereich können sich jedoch auch über die volle Querschnittsfläche des Trägerkörpers, nicht aber über die gesamte Länge erstrecken.
In Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich der erste Teilbereich und/oder der zweite Teilbereich über den gesamten Querschnitt des Trägerkörpers und sind in axialer Richtung in Bezug auf die Ausdehnung des Trägerkörpers begrenzt. Diese Ausführungsform ist mittels einer Tauch-/Saugbeschichtung besonders einfach zu fertigen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung grenzt der erste Teilbereich an den zweiten Teilbereich an. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein OSC-reicher Teilbereich sich über den gesamten Querschnitt des Trägerkörpers erstreckt und in axialer Richtung unmittelbar an einen sich ebenfalls über den gesamten Querschnitt erstreckenden OSC-armen bzw. OSC-freien Teilbereich angrenzt. Auf diese Weise sind die Übergänge eindeutig definiert und in axialer Richtung auf dem Trägerkörper lokalisiert .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der erste OSC-reiche Teilbereich über den überwiegenden Teil der Länge des Trägerkörpers. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Abgasreinigungsbauteile vorteilhaft, die für ihre Funktion eine betragsmäßig große SauerstoffSpeicherfähigkeit benötigen. Beispielsweise ist dies bei Dreiwege-Katalysatoren der Fall.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der erste, OSC-reiche Teilabschnitt von einer vom eingangsseiti- gen Ende des Trägerkörpers in axialer Richtung beabstandeten Stelle bis zum ausgangsseitigen Ende des Trägerkörpers. Ein eingangsseitiger, vorzugsweise scheibenförmiger Teilabschnitt des Trägerkörpers ist somit OSC-arm bzw. OSC-frei ausgeführt. Dadurch wird vermieden, dass Sauerstoff speichernde Materialien im üblicherweise besonders temperaturbeanspruchten Eingangsbereich des Abgasreinigungsbauteils eine erhöhte Alterung erfahren. Zudem werden über das Sauerstoff speichernde Material ablaufende wärmeliefernde Reaktionen vom Eingangsbereich axial nach hinten verlagert. Andererseits steht stromab vom OSC-armen oder OSC-freien Eingangsbereich noch ausreichend SauerstoffSpeicherkapazität für die Funktion des Abgasreinigungsbauteils zur Verfügung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind für das Abgasreinigungsbauteil wenigstens zwei voneinander beabstandete (OSC-reiche) erste Teilbereiche vorgesehen. Vorteilhaft für die Funktion eines Abgaskatalysators als Abgasreinigungsbauteil kann es insbesondere sein, wenn in axialer Richtung mehrmals abwechselnd, vorzugsweise jeweils scheibenförmige OSC-arme bzw. OSC-freie Teilbereiche und OSC-reiche Teilbereiche aufeinander folgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abgasreinigungsbauteil als Abgaskatalysator ausgebildet. Es kann sich dabei um einen so genannten Vollkatalysator oder um einen so genannten Trägerkatalysator handeln. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils als Dreiwege-Katalysator.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abgasreinigungsbauteil als Abgaspartikelfilter ausgebildet. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Partikelfilter in einer so genannten wall-flow Ausführung. Die Kanäle des Partikelfilters können dabei längs ihrer Gaseintrittsseite und/oder längs ihrer Gasaustrittsseite katalytisch beschichtet oder im wesentlichen frei von einer katalytischen Beschichtung sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Temperaturerfassungsmittel zur Erfassung der Temperatur der Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit im ersten Teilbereich vorgesehen. Auf diese Weise können Temperaturänderungen erfasst werden, die von über die OSC-reiche Beschichtung ablaufenden Redoxreaktionen verursacht werden. Lässt infolge von Alterung die Aktivität der Beschichtung nach, so kann dies anhand der erfassten Temperaturen der Beschichtung erkannt werden. Insbesondere kann durch Erfassung der Temperatur der Beschichtung ein bei einer Sauerstoffspeicherung auftretender Modifikationsübergang des Sauerstoff speichernden Materials detek- tiert werden, da dieser üblicherweise von einer Wärmetönung begleitet ist. Anhand der erfassten Temperatur der Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit kann daher deren SauerstoffSpeicherkapazität erfasst werden. Es ist daher eine Diagnose des Abgasreinigungsbauteils ermöglicht, da eine alterungsbedingte Verschlechterung der Funktion der Sauerstoff speichernden Beschichtung über die Temperaturerfassung detektiert werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils, Fig. 2 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils ,
Fig. 3 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils,
Fig. 4 eine vierte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils ,
Fig. 5 eine fünfte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils ,
Fig. 6 eine erste Anordnung eines Temperaturfühlers für das erfindungsgemäße Abgasreinigungsbauteil in einer Seitenansicht (links) und in einer Vorderansicht (rechts) ,
Fig. 7 eine zweite Anordnung eines
Temperaturfühlers für das erfindungsgemäße Abgasreinigungsbauteil in einer Seitenansicht,
Fig. 8a bis 8d weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils in Verbindung mit einem gemäß Fig. 6 angeordneten Temperaturfühler und
Fig. 9a bis 9c weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsbauteils in Verbindung mit einem gemäß Fig. 7 angeordneten Temperaturfühler.
In Fig. 1 ist ein als Abgaskatalysator m Wabenkörperbauform ausgestaltetes Abgasreinigungsbauteil 1 schematisch dargestellt. Obschon der Abgaskatalysator 1 als so genannter Vollkatalysator ausgeführt sein kann, bei welchem der Wabenkörper selbst aus katalytisch wirksamem Material besteht, wird nachfolgend von einem geträgerten Abgaskatalysator mit einem metallischen oder keramischen Trägerkörper ausgegangen. Der Trägerkörper ist von einer Vielzahl von Strömungskanälen 2 durchzogen, auf deren Wänden 3 wenigstens teilweise eine Beschichtung aufgebracht ist, was im Detail nicht näher dargestellt ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine katalytisch wirksame Beschichtung. In Bezug auf die mit dem Pfeil 4 gekennzeichnete Abgasströmungsrichtung ist der Abgaskatalysator 1 in seinem hinteren Teilbereich 5 mit einer OSC- reichen Beschichtung, d.h. mit einer Beschichtung mit einer vergleichsweise großen SauerstoffSpeicherfähigkeit versehen. Im demgegenüber deutlich kürzeren eingangsseitigen Teilbereich 6 ist der Abgaskatalysator 1 hingegen OSC-frei oder OSC-arm ausgeführt. Der eingangsseitige Teilbereich 6 kann dabei frei von einer Beschichtung ausgeführt sein oder eine Beschichtung ohne oder mit einer vergleichsweise geringen SauerstoffSpeicherfähigkeit aufweisen. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es bevorzugt, wenn Beschichtungen auf den Wänden 3 der Strömungskanäle 2 in den jeweiligen Teilbereichen 5, 6 annähernd gleichmäßig aufgebracht sind und den gesamten Querschnitt des Abgaskatalysators 1 umfassen.
Bevorzugt ist die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform für einen Katalysator, der motornah als erstes katalytisches Abgasreinigungsbauteil im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Derartige Abgasreinigungsbauteile sind insbesondere in ihrem Eingangsbereich starken thermischen Belastungen ausgesetzt, da das eintretende Abgas hohe Temperaturen aufweisen kann. Reaktionen von reaktiven Abgasbestandteilen mit im Katalysator gespeicherten Sauerstoff und/oder Modifikationsübergänge des Sauerstoffspeichermateri- als selbst können die Temperaturbelastung des Katalysators weiter erhöhen. Um den für die Abgasreinigungsleistung wichtigen eingangsseitigen Bereich vor zu hohen Temperaturen zu schützen, kann es daher vorteilhaft sein, wenn der Eingangsbereich des Katalysators OSC-arm oder OSC-frei ausgeführt ist. Vorteilhaft ist ein auf etwa 5 mm bis 50 mm, bzw. ein auf etwa 5 % bis 50 % seiner Gesamtlänge OSC-arm oder OSC- frei ausgeführter eingangsseitigen Teilbereich 6 des Abgaskatalysators 1. Der direkt angrenzende stromabwärtige Teilbereich 5 ist bevorzugt gleichmäßig OSC-reich ausgeführt.
Fig. 2 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Abgasreinigungsbauteils 1. Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist hier ein ein- gangsseitiger Teilbereich 5 OSC-reich und ein direkt angrenzender, stromabwärts liegender Teilbereich 6 OSC-arm oder OSC-frei ausgeführt. Diese Ausführungsform empfiehlt sich, wenn für die Funktion des Abgasreinigungsbauteils 1 eine erhöhte SauerstoffSpeicherfähigkeit nicht erforderlich ist. Dies kann beispielsweise bei einem als Oxidationskatalysator oder als Russfilter ausgebildeten Abgasreinigungsbauteil 1 der Fall sein. Der eingangsseitige OSC-reiche Teilbereich 5 kann insbesondere in diesem Fall als Diagnosebereich derart dienen, dass über wiederholte Ermittlungen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des OSC-reichen Teilbereichs 5 die Alterung des Abgasreinigungsbauteils 1 bestimmt wird. Vorteilhaft ist ein auf etwa 5 mm bis 50 mm, bzw. ein auf etwa 5 % bis 50 % seiner Gesamtlänge OSC-reich ausgeführter eingangsseitiger Teilbereich 5 des Abgasreinigungsbauteils 1.
Fig. 3 zeigt eine dritte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Abgaskatalysators 1. Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist hier ein eingangsseitiger Teilbereich 5 λ ebenso wie ein hinterer Teilbereich 5 OSC-reich, d.h. mit einer Beschichtung mit vergleichsweise hoher SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführt. Zwischen den OSC-reichen Teilbereichen 5\ 5 ist ein OSC-arm oder OSC-frei ausgeführter mittlerer Teilbereich 6 angeordnet. Der mittlere OSC-arm oder OSC-frei ausgeführte Teilbereich 6 macht vorzugsweise etwa 20 % bis 30 % der Gesamtlänge des Abgaskataly- sators 1 aus. Der Abgaskatalysator 1 weist daher über den größeren Teil seiner Länge eine OSC-reiche Beschichtung auf, so dass deren maßgebliche Funktion in ausreichendem Umfang zur Verfügung steht.
In Fig. 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Abgaskatalysators 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist lediglich ein mittlerer Teilbereich 5 OSC-reich ausgeführt. Hingegen sind ein direkt angrenzender vorderer Teilbereich 6 sowie ein direkt angrenzender hinterer Teilbereich 6λ OSC-arm oder OSC-frei ausgeführt. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere für katalytische Abgasreinigungsbauteile vorteilhaft, bei welchen eine vergleichsweise geringe SauerstoffSpeicherfähigkeit erforderlich ist. Diese Ausführungsform bietet gegenüber einer über der gesamten Länge mit gleichmäßig verminderter SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführten Beschichtung den Vorteil, dass lediglich ein Teilbereich eine verminderte Temperaturfestigkeit aufweist. Vorzugsweise macht der mittlere Teilbereich 5 etwa 20 % bis 60 % der Gesamtlänge des Abgaskatalysators 1 aus.
In der in Fig. 5 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform wechseln OSC-reiche Teilbereiche 5, 5\ 5>λ, 5λ>λ mit OSC-armen oder OSC-freien Teilbereichen 6, 6λ, βx\ 6λλλ ab. Dabei kann wie dargestellt der eingangsseitige Teilbereich 6 OSC-arm oder OSC-frei ausgeführt sein. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Eingangsbereich eine Beschichtung mit hoher SauerstoffSpeicherfähigkeit aufweist. Da insbesondere Cer-haltige Beschichtungen Wassergas-Shift- Reaktionen mit Bildung von Wasserstoff katalysieren können, kann in einem solchen Fall in den Teilbereichen mit hoher Sauerstoffspeicherfähigkeit gebildeter Wasserstoff in den nachfolgenden Teilbereichen mit geringer oder fehlender SauerstoffSpeicherfähigkeit genutzt werden. Auf diese Weise kann die katalytische Funktion des Abgaskatalysators 1 erweitert werden. Bevorzugt macht jeder Teilbereich etwa 20 % der Gesamtlänge des Abgaskatalysators 1 aus. Die einzelnen Teilbereiche können etwa gleich lang oder unterschiedlich lang ausgeführt sein.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Abgasreinigungsbauteils mit einem ersten abgegrenzten Teilbereich mit OSC-reicher Beschichtung und einem zweiten abgegrenzten OSC-arm oder OSC-frei ausgeführten Teilbereich ergibt sich eine verbesserte katalytischen Funktion des Abgasreinigungsbauteils. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Ausführungsform zur Überwachung des Abgasreinigungsbauteils hinsichtlich seiner Alterung genutzt werden. Hierzu wird eine Temperaturerfassung der Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit im OSC-reichen Teilbereich derart vorgenommen, dass eine Reaktionswärme eines bei der Einspeicherung von Sauerstoff auftretenden Modifikationsübergangs des Materials mit SauerstoffSpeicherfähigkeit erfasst werden kann. Bei der Einspeicherung von Sauerstoff in das Material mit Sauerstoffspeicherfähigkeit geht dieses von einer sauerstoffarmen Modifikation in eine Sauerstoffreiche Modifikation über. Beispielsweise wandelt sich im Fall von Ceroxid-basierten Materialien mit SauerstoffSpeicherfähigkeit Ceroxid von seiner dreiwertigen Form (Ce2θ3) in die vierwertige Form (CeO2) um. Die entsprechende Sauerstoffaufnahmereaktion verläuft sehr rasch und exotherm, weshalb mit der Einspeicherung von Sauerstoff die Temperatur der Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit ansteigt. Aufgrund der Natur der Temperaturerhöhung kann daher ermittelt werden, ob und in welchem Umfang ein Modifikationsübergang eintritt, d.h. ob und in welchem Umfang Material mit SauerstoffSpeicherfähigkeit zur Verfügung steht. Da eine Katalysatoralterung, beispielsweise infolge einer Einwirkung erhöhter Temperaturen oder einer Vergiftung, sich durch einen Rückgang der SauerstoffSpeicherfähigkeit bemerkbar macht, kann durch Auswertung der Temperaturerhöhung bei der Sauerstoffeinspeicherung der Alterungszustand des Abgasreinigungsbauteils beurteilt und eine Diagnose durchgeführt werden. Hierzu wird beispielsweise die Größe der Temperaturerhöhung ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen.
Die Natur und die Wirkung der bei einer Einspeicherung von Sauerstoff in das Material mit SauerstoffSpeicherfähigkeit auftretenden Temperaturerhöhung muss dabei deutlich unterschieden werden von Temperaturerhöhungen, welche infolge des Ablaufens katalysierter Gasreaktionen auftreten können. Während im erstgenannten Fall ein exothermer Modifikationsübergang im Material mit SauerstoffSpeicherfähigkeit die Ursache der Temperaturerhöhung ist, sind dies im zweitgenannten Fall exotherme Reaktionen von Abgasbestandteilen. Die mit der Einspeicherung von Sauerstoff frei werdende Reaktionswärme wirkt daher unmittelbar in der Beschichtung selbst und erwärmt diese deshalb sehr rasch, weshalb eine Temperaturerhöhung auch dann eintritt, wenn keine exothermen Gasreaktionen auftreten. Hingegen erwärmen von der Beschichtung katalysierte Gasreaktionen die Beschichtung mittelbar und treten insbesondere an vom Gaseintritt beabstandeten Bereichen des Abgasreinigungsbauteils verzögert ein. Folglich kann bei einer beabstandet zum Abgaseintritt vorgenommenen Temperaturerfassung zwischen der temperaturerhöhenden Wirkung einer Gasoxidation und eines Modifikationsübergangs in der Beschichtung unterschieden werden. Dies bedeutet, dass bei einer beabstandet zum Abgaseintritt vorgenommenen Temperaturerfassung eine besonders zuverlässige Überwachung des Abgasreinigungsbauteils mit Ermittlung der dort vorhandenen SauerstoffSpeicherfähigkeit vorgenommen werden kann. Vorzugsweise wird ein unmittelbar bei einem Betriebsartwechsel der Brennkraftmaschine mit einem Übergang von reduzierenden Abgasbe- dingungen mit Sauerstoffmangel zu oxidierenden Abgasbedingungen mit Sauerstoffüberschuss auftretender Temperaturanstieg ausgewertet. Auf diese Weise können durch Gasoxidationen hervorgerufene Temperatureffekte wirksam ausgeblendet werden.
Die Erfassung der Reaktionswärme des bei einer Einspeicherung von Sauerstoff in das Material mit SauerstoffSpeicherfähigkeit auftretenden Modifikationsübergangs kann mit Vorteil bei Abgasreinigungsbauteilen vorgenommen werden, welche entsprechend der in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen von vornherein überwiegend mit einer OSC-reichen Beschichtung versehen sind. Die Temperaturerfassung kann dabei nur an einer Stelle in der OSC-reichen Beschichtung oder an mehreren axial und/oder radial zueinander versetzten Stellen erfolgen.
Zur Überwachung eines Abgasreinigungsbauteils, für welches von vornherein keine Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit vorgesehen ist, kann dieses lokal in einem vergleichsweise kleinen abgegrenzten Teilbereich mit einer solchen Beschichtung versehen werden. Über eine Auswertung der mit einer Sauerstoffeinspeicherung verbundenen Temperaturerhöhung in diesem Bereich ist damit eine Überwachung und Diagnose auch bei Bauteilen möglich, welche überwiegend frei von einer Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit sind. Hierzu ist es vorteilhaft, das Abgasreinigungsbauteil entsprechend den in den Figuren 2, 4 und 5 dargestellten Varianten auszuführen.
Zur Erfassung der Reaktionswärme des bei einer Einspeicherung von Sauerstoff in das Material mit SauerstoffSpeicherfähigkeit auftretenden Modifikationsübergangs wird vorzugsweise ein Temperaturfühler in wärmeübertragende Verbindung mit der entsprechenden Beschichtung gebracht. Der Temperaturfühler ist vorzugsweise in radialer oder axialer Richtung in das Abgasreinigungsbauteil eingeführt und mit seinem temperatursensitiven Bereich in Wärmeübertragungskontakt mit der OSC- reichen Beschichtung .
In Fig. 6 ist schematisch eine radiale Zuführung eines Temperaturfühlers 7 in ein Abgasreinigungsbauteil 1 dargestellt. Der temperatursensitive Bereich des Temperaturfühlers 7 kann dabei außermittig angeordnet sein. Eine Platzierung etwa in Höhe der Mittellängsachse ist natürlich ebenfalls möglich.
In Fig. 7 ist schematisch eine axiale Zuführung eines Temperaturfühlers 7 in ein Abgasreinigungsbauteil 1 dargestellt. Eine Platzierung des Temperaturfühlers 7 in Höhe der Mittellängsachse, wie dargestellt ist nicht erforderlich. Die Fühlerachse kann gegenüber der Mittellängsachse parallel verschoben sein, diese schneiden oder windschief zu ihr stehen.
Bei Abgasreinigungsbauteilen, welche aus funktionellen Gründen überwiegend frei von einer Beschichtung mit Sauerstoffspeicherfähigkeit oder mit einer Beschichtung mit geringer SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführt sind, kann vorgesehen sein, lediglich in der unmittelbaren Umgebung des Temperaturfühlers bzw. seines temperatursensitiven Bereichs eine OSC- reiche Beschichtung vorzusehen. Beispielhafte Ausführungsformen für radiale Zuführungsformen des Temperaturfühlers sind im Schnitt in den Figuren 8a bis 8d entsprechend den in Fig. 6 gekennzeichneten Schnittlinien A und B dargestellt. In den Figuren 8a und 8c ist ein über die volle Länge des Abgasreinigungsbauteils 1 aber nur einen Teil des Querschnitts umfassender Teilbereich 5, in den der Temperaturfühler 7 eintaucht, mit einer OSC-reichen Beschichtung versehen. In Fig. 8a umgibt dieser den temperatursensitiven Teil des Tempera- turfühlers 7 - hier dessen Spitze - und reicht bis an die Außenfläche des Abgasreinigungsbauteils 1. In Fig. 8c umgibt der OSC-reiche Teilbereich 5 in radialer Richtung lediglich den temperatursensitiven Bereich des Temperaturfühlers 7. Vorzugsweise ist jedoch gemäß Fig. 8b und 8d der OSC-reiche Teilbereich 5 in axialer Richtung vergleichsweise kurz ausgeführt und nur in der Umgebung des Temperaturfühlers 7 vorhanden. In Fig. 8b umgibt der OSC-reiche Teilbereich 5 den gesamten Fühler 7 von seiner Eintrittsstelle in das Abgasreinigungsbauteil 1, in Fig. 8d umgibt der OSC-reiche Teilbereich 5 lediglich die temperatursensitive Spitze des Temperaturfühlers 7. Mit den in den Figuren 8a bis 8d dargestellten Ausführungsformen ist es somit möglich, auch bei Abgasreinigungsbauteilen, welche überwiegend arm an oder frei von einer Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführt sind, eine Überwachung hinsichtlich einer Bauteilalterung durchzuführen.
Wie in den Figuren 9a bis 9c dargestellt, ist es in analoger Weise ebenfalls möglich, einen beispielsweise als Thermoelement ausgeführten Temperaturfühler 7 axial in das zu überwachende Abgasreinigungsbauteil 1 einzuführen. Dieser kann mit einer über die volle Bauteillänge oder in einem axialen Teilbereich gleichmäßig ausgeführten OSC-reichen Beschichtung oder, wie dargestellt, mit einer lediglich in unmittelbarer Umgebung des temperatursensitiven Bereichs des Temperaturfühlers 7 vorhandenen OSC-reichen Beschichtung in Wärmeübertragungskontakt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasreinigungsbauteil zur Reinigung eines Brennkraftmaschinenabgases, mit einem von einer Vielzahl von Strömungskanälen (2) für das Abgas durchzogenen Trägerkörper, wobei wenigstens ein Teil der Wände (3) der Strömungskanäle eine Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit für einen ersten abgegrenzten Teilbereich (5; 5'; 5'') des Trägerkörpers vorgesehen ist und ein zweiter abgegrenzter Teilbereich (6; 6'; 6'') des Trägerkörpers frei von einer Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit ausgeführt ist oder eine Beschichtung mit einer gegenüber dem ersten Teilbereich (5; 5'; 5'') stark verminderten Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist.
2. Abgasreinigungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (5; 5'; 5'') und/oder der zweite Teilbereich (6; 6'; 6'') sich über den gesamten Querschnitt des Trägerkörpers erstrecken und in axialer Richtung in Bezug auf die Ausdehnung des Trägerkörpers begrenzt sind.
3. Abgasreinigungsbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (5; 5'; 5'') an den zweiten Teilbereich (6; 6'; 6'') angrenzt.
4. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Teilbereich (5; 5'; 5'') über den überwiegenden Teil der Länge des Trägerkörpers erstreckt.
5. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erste Teilbereich (5; 5'; 5'') von einer vom eingangsseitigen Ende des Trägerkörpers in axialer Richtung beabstandeten Stelle bis zum ausgangsseitigen Ende des Trägerkörpers erstreckt.
6. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei voneinander beabstandete erste Teilbereiche (5; 5'; 5'') vorgesehen sind.
7. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasreinigungsbauteil (1) als Abgaskatalysator ausgebildet ist.
8. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasreinigungsbauteil (1) als Abgaspartikelfilter ausgebildet ist.
9. Abgasreinigungsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturerfassungsmittel (7) zur Erfassung einer Temperatur der Beschichtung mit SauerstoffSpeicherfähigkeit im ersten Teilbereich (5; 5'; 5'') vorgesehen sind.
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