WO1995014160A1

WO1995014160A1 - Beheizbarer katalysator mit kohlenwasserstoff-falle für abgassysteme

Info

Publication number: WO1995014160A1
Application number: PCT/EP1994/003585
Authority: WO
Inventors: Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1995-05-26
Also published as: DE4339424A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die mindestens eine erste und eine zweite katalytische Konverterzone (20, 21) in einer Reihe aufweist, so daß sie nacheinander von einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, durchströmt werden können, wobei mindestens eine erste katalytische Konverterzone (20), die in Strömungsrichtung nicht die letzte in der Reihe ist, eine integrierte Beschichtung aufweist, die bis zu einer Temperaturschwelle Bestandteile des Verbrennungsgases adsorbieren kann und diese oberhalb dieser Temperaturschwelle wieder abgeben kann und zumindest die zweite katalytische Konverterzone (21) als letzte in der Reihe beheizbar ist.

Description

B e s c h r e i b u n g:

Beheizbarer Katalysator mit Kohlenwasserstoff-Falle für Abgassysteme

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die minde¬ stens zwei katalytische Konverterzonen in einer Reihe aufweist, so daß sie nacheinander von einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise eines Otto-Motors, durchströmt werden können.

Die in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine verwendeten katalytischen Konverter haben typischerweise eine Minimaltemperatur, oberhalb derer sich die katalytische Wirkung des Konverters erst entfal¬ tet. Unterhalb dieser Minimaltemperatur gibt es praktisch keine katalyti¬ sche Umsetzung von Stoffen, die sich im Abgasstrom befinden und die wegen ihrer schädlichen Wirkung für die Umwelt vor deren Austritt aus dem Abgassystem chemisch umgesetzt werden sollen. Bei betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine sind auch Bereiche des Abgassystems derart erwärmt, daß ein katalytischer Konverter, der in solchen Bereichen des Abgassystems angeordnet ist, sich über diese Minimaltemperatur erwärmt. Bei diesen Betriebsbedingungen sind also keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um die katalytische Umsetzung der erwähnten Schadstoffe zu bewirken.

Da die Verbrennungskraftmaschine jedoch nicht im Dauerbetrieb betrie¬ ben wird, insbesondere gilt dies für Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, gibt es Zeitintervalle, während denen die Verbrennungs- kraftmaschine stillsteht und sich somit das Abgassystem allmählich auf die Umgebungstemperatur abkühlt. Bei einem erneuten Start der Ver¬ brennungskraftmaschine kann sich das Abgassystem unter die Minimaltem¬ peratur des katalytischen Konverters abgekühlt haben, so daß bis zum erneuten Erreichen dieser Minimaltemperatur eine Zeitperiode verstreicht, während der keine katalytische Umsetzung von Schadstoffen erfolgt. Unter bestimmten Einsatzbedingungen eines Kraftfahrzeugs (häufige Kurzstreckenfahrten mit dazwischenliegenden längeren Stillstandszeiten) kann das Verhältnis der Zeitperiode, während der der katalytische Kon¬ verter nicht aktiv ist, zur Gesamtbetriebsdauer der Verbrennungskraftma- schine unverhältnismäßig hoch werden. Dadurch ist auch der Schadstoff¬ ausstoß von Verbrennungskraftmaschinen unter solchen Einsatzbedingun¬ gen besonders hoch, was in Anbetracht der Auswirkungen dieser Schad¬ stoffe auf die natürliche Umwelt nicht akzeptabel ist. Dieser Tatsache wird in einer zunehmenden Anzahl von Ländern in Form von verschärf- ten gesetzlichen Regelungen Rechnung getragen.

Verschiedene Lösungsansätze sind im Hinblick auf die oben dargelegte Problematik bereits unternommen worden. Aus der DE-U-92 02 965 ist eine Vorrichtung zur katalytischen Nachverbrennung der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bekannt geworden, bei der eine sekundäre Heizung für • den Katalysator vorgesehen ist, um diesen durch verschiedene Maßnahmen so bald wie möglich nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine auf dessen Minimaltemperatur zu bringen. Jedoch sind die dazu verwendeten Eingangsgrößen, wie das Öffnen der Fahrertür, Öffnungsbetätigung der Türverriegelung, Belegen des Fahrersitzes, Öffnen einer Garagentür o. ä. nur unvollkommen geeignet, um zu versichern, daß zum Zeitpunkt des Starts der Abgaskata¬ lysator bereits seine Minimaltemperatur erreicht hat. In einem Fall ist die Heizzeit zu kurz, dann ist beim Starten der Verbrennungskraftma- schine noch keine katalytische Umsetzung gegeben, und es werden dann in jedem Falle Schadstoffe frei. Obwohl dies durch eine absichtliche Startverzögerung ausgeglichen werden könnte, wird eine solche Maßnahme jedoch vom Anwender nicht ohne weiteres akzeptiert. Im anderen Fall ist die Heizzeit unnötig lang und führt daher zu einem unnötigen Ver- brauch von

Die Heizenergie wird typischerweise in elek¬ trischer Form von einer sich im Kraftfahrzeug befindlichen Batterie aufgebracht und steht daher nur in begrenztem Ausmaß zur Verfügung. Bestimmte Einsatzbedingungen des Kraftfahrzeugs könnten dazu führen, daß die Batterie während des Betriebs der Verbrennungsmaschine nicht mehr in den ursprünglichen Ladezustand aufgeladen wird und sich daher allmählich entlädt.

Aus der DE-U-90 03 204 ist eine Vorrichtung zur Behandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren bekannt, bei der einem katalytischen Konverter ein Emissionspuffer vorgeschaltet ist, der geeignet ist, in einem ersten Zustand schädliche Motoremissionen zu speichern und in einem zweiten Zustand wieder abzugeben. Die Realisierung einer solchen Vorrichtung stellt sich jedoch kompliziert dar, da der Emissionspuffer oberhalb bestimmter Temperaturen zerstört oder zumindest beschädigt wird. Solche Temperaturen werden gewöhnlich in einem Abgassystem bei betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine stromaufseitig von dem kataly¬ tischen Konverter, der seinerseits, wie bereits erwähnt, eine -minimale Betriebstemperatur hat, mühelos erreicht. Die Anordnung einer solchen Vorrichtung an einem stromabseitigen Ort, an dem keine so hohen Temperaturen zu erwarten sind, ist andererseits nicht günstig, da dadurch die Wirksamkeit des dem Emissionspuffer nachgeschalteten Katalysators wesentlich verschlechtert wird. Der Katalysator benötigt dann eine viel längere Zeit, um seine Minimaltemperatur zu erreichen, und ein typischer Emissionspuffer kann schädliche Abgase nicht über einen so langen Zeitraum aufnehmen. Es würden also wieder über einen gewissen Zeit¬ raum schädliche Abgase unbehandelt freigesetzt.

Beim Realisieren einer solchen Vorrichtung wird daher eine Einrichtung erforderlich, mit der der Emissionspuffer zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Start der Verbrennungskraftmaschine aus dem mittlerweile heißen Abgasstrom herausgenommen werden kann. Eine solche Einrichtung ist mit einer Reihe zusätzlicher Elemente, wie Ventile, Rohrleitungsstücke und dazugehörige Steuerungselemente, verbunden und ist dadurch ent- sprechend aufwendig in der Herstellung und erhöht folghch die Kosten für das gesamte Abgassystem. Die erhöhte Anzahl von Bauelementen führt ohne zusätzliche Maßnahmen auch zu einer herabgesetzten Be¬ triebszuverlässigkeit des Abgassystems.

Katalytische Konverter weisen typischerweise einen Wabenkörper auf, der von dem Abgasstrom durchsetzt wird. Die Oberflächen des Wabenkör¬ pers, die mit dem Abgasstrom in Kontakt kommen, weisen eine kataly- tisch aktive Beschichtung auf. Diese Katalysatorbeschichtung ist jedoch nicht unmittelbar auf die Oberflächen des Trägermaterials des Wabenkör- pers aufgetragen, sondern auf eine z. B. keramische Zwischenschicht, die zwischen dem Trägermaterial und der Katalysatorschicht angeordnet ist, welche Zwischenschicht ihrerseits auf die Trägermaterialoberfläche des Wabenkörpers aufgetragen wurde. Es ist herausgefunden worden, daß für diese Zwischenschicht, auch Washcoat genannt, ein Material verwendet werden kann, z. B. Zeolith, das bei niedrigen Temperaturen Kohlen¬ wasserstoffe adsorbieren kann. Bei hohen Temperaturen werden diese Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt. Ein mit einem solchen Material als Washcoat hergestellter katalytischer Konverter hat also die zusätzliche Eigenschaft, daß er bei geeigneter Materialwahl bestimmte Stoffe in dem Abgasstrom adsorbieren und bis zu einer bestimmten Temperaturgrenze speichern kann. Mit einem derart aufgebauten Wabenkörper für einen katalytischen Konverter können jedoch die bereits oben erwähnten Pro¬ bleme einer übermäßig hohen Heizenergie oder einer die Einsatzmöglich¬ keiten beschränkenden oberen Temperaturgrenze für die adsorbierende Zwischenschicht nicht ausgeräumt werden.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die im Aufbau einfach ist, die einen vergleichsweise geringen Heizenergieverbrauch hat, und mit der schädliche Stoffe im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine in allen zu erwartenden Einsatzbedin¬ gungen zuverlässig umgesetzt werden können.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtungen sind den Unteransprü- chen zu entnehmen. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung ist in den Ansprüchen 14 - 16 beschrieben.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung der Erfindung zu¬ mindest zwei katalytische Konverterzonen auf, die bezüglich der Strö- mungsrichtung eines Abgasstroms hintereinandergeschaltet sind. Das heißt, der Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine durchströmt die katalyti¬ schen Konverterzonen nacheinander. Die Verbrennungsmaschine ist typischerweise ein Otto-Motor, jedoch eignet sich diese Vorrichtung bei geeigneter Ausgestaltung auch für andere Typen von Verbrennungskraft- maschinen, wie Dieselmotoren. Mindestens eine katalytische Konverterzo¬ ne der Vorrichtung, die in Strömungsrichtung nicht die letzte in der Reihe ist, weist eine integrierte Beschichtung auf. Die integrierte Be¬ schichtung ist in der Lage, bis zu einer Temperaturschwelle Bestandteile des Verbrennungsgases zu adsorbieren und diese oberhalb dieser Tempe- raturschwelle wieder abzugeben. Die Temperaturschwelle wird durch die physikalischen Eigenschaften der integrierten Beschichtung bestimmt. Die Angabe einer Temperatur bezieht sich im folgenden daher auf die Temperatur der integrierten Beschichtung, die sich von der Temperatur des Trägermaterials der Beschichtung in der katalytischen Konverterzone und des die katalytische Konverterzone durchströmenden Abgases unter¬ scheiden kann. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die letzte katalytische Konver¬ terzone in der Reihe beheizbar ist.

Bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung im Abgassystem eines Otto-Motors entfaltet diese folgende Wirkung. Es wird zunächst angenommen, daß sich im Abgassystem des Otto-Motors an geeigneter Stelle stromaufseitig vom Einbauort der Vorrichtung ein herkömmlicher Abgaskatalysator befindet, der typischerweise nicht beheizbar ist. Die Vorrichtung ist an einer Stelle des Abgassystems eingebaut, die auch bei extremen Lastsituationen der Verbrennungskraftmaschine durch das durchströmende Abgas nicht über eine bestimmte Temperatur hinaus erwärmt wird. Dies ist typischerweise stromabseitig einer Strömungsdämp- fungsvorrichtuπg (Schalldämpfer) der Fall. Nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, d. h. nach einer längeren Stillstandszeit, innerhalb der sich das Abgassystem und die Verbrennungskraftmaschine im wesentlichen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt haben, werden im herkömmlichen katalytischen Konverter stromaufseitig der Vorrichtung zunächst keine schädlichen Abgase umgesetzt. Die katalytische Wirkung entfaltet sich erst ab einer Temperatur von etwa 250 - 350° C. Auch an den katalytischen Oberflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt aus demselben Grund noch keine katalytische Umsetzung. Da jedoch mindestens eine katalytische Konverterzone der Vorrichtung, die in Strömungsrichtung nicht die letzte ist, eine wie oben beschriebene inte- grierte Beschichtung aufweist, werden in dieser Zone bestimmte Bestand- teile des Verbrennungsgases adsorbiert, insbesondere Kohlenwasserstoffe, und damit daran gehindert, aus dem Abgassystem zu entweichen. Nach ca. einer Minute Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine hat sich der vorgeschaltete herkömmliche Katalysator soweit erwärmt, d. h. auf etwa 250 - 350° C, daß er katalytisch aktiv wird. Da die umzusetzenden Bestandteile des Verbrennungsgases ab diesem Zeitpunkt in diesem herkömmlichen Katalysator umgesetzt werden, gelangen also keine solchen Bestandteile mehr zu der Vorrichtung. Typischerweise bleibt die Gastem¬ peratur vor der Vorrichtung etwa vier bis sechs Minuten nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine unter etwa 100° C, der Temperaturschwel¬ le der integrierten Beschichtung. Es verbleibt also eine gewisse Zeit¬ periode, die zur Desorption der integrierten Beschichtung genutzt werden kann. Dazu wird eine der ersten Konverterzone nachgeschaltete zweite beheizbare Konverterzone auf geeignete Weise aktiviert, d. h. auf eine Temperatur von zumindest 250 - 350° C erwärmt. Die allmählich desor- bierenden Bestandteile des Verbrennungsgases werden in dem Abgasstrom mitgerissen und in der nachfolgenden aktiven katalytischen Konverterzone umgesetzt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die unmittelbar nach dem Kaltstart zw-schengespeicherten Bestandteile des Verbrennungsgases noch vor Austritt aus dem Abgassystem umgesetzt werden. Die Beheizung muß jedoch nur so lange erfolgen, bis auch die erstere katalytische Konverterzone, die die integrierte Besc-iichtung aufweist, eine Temperatur erreicht hat, bei der sie katalytisch aktiv ist. Dann werden die darin desorbierenden Bestandteile in dieser Zone an dessen katalytischer Beschichtung auch gleich unmittelbar umgesetzt. Die Umsetzung verläuft exotherm, so daß sich der Umsetzungsvorgang in der ersten katalytischen Konverterzone, die die integrierte Beschichtung aufweist, zumindest solange selbst trägt, wie Bestandteile aus der integrierten Beschichtung desorbiert werden. Eine Regeneration bei bestimmten Betriebszuständen mit geringem Massestrom, der das elektrische Aufheizen begünstigt, kann das Ergebnnis optimieren. Bei geeigneter Dimensionierung der kataly¬ tischen Konverterzonen und bei geeigneter Anordnung der Vorrichtung in einem Abgassystem erübrigt sich sogar der oben genannte herkömm¬ liche Katalysator.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vor¬ richtung zwei katalytische Konverterzonen auf. Damit weist die erste katalyische Konverterzone die integrierte Beschichtung auf, und die zweite katalytische Konverterzone ist beheizbar. Bevorzugterweise erfolgt die Beheizung der katalytischen Konverterzone durch thermische Umwandlung elektrischer Energie. Insbesondere weist die zweite katalytische Konver¬ terzone, die beheizbar ist, einen im wesentlichen metallischen Wabenkör- per auf. Dieser ist so aufgebaut, daß ein Heizstrom hindurchleitbar ist, und der Wabenkörper sich dadurch erwärmt.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch die erste katalytische Konverterzone, die die integrierte Beschichtung aufweist, aus einem im wesentlichen metallischen Wabenkörper aufgebaut. Auch dieser Wabenkörper ist so aufgebaut, daß ein Heizstrom durch ihn leitbar ist, so daß der Wabenkörper erwärmt wird. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß durch Anlegen eines Heizstromes und damit Erwärmung des Wabenkörpers eine Desorption der adsorbierten Bestandteile des Verbrennungsgases gezielt veranlaßt werden kann. Es muß also nicht abgewartet werden, bis der Abgasstrom den Wabenkörper auf die erfor- derüche Desorptionstemperatur erwärmt. Weiterhin kann ein bestimmter Betriebszustand des Verbrennungsmotors, vorzugsweise Leerlauf oder Schubbetrieb, ausgenutzt werden, um den Heizvorgang einzuleiten, weil dadurch ein schwächerer Abgasstrom dem Wabenkörper weniger Wärme entzieht. Eine Überladung des ersten Wabenkörpers mit adsorbierten Kohlenwasserstoffen durch mehrere aufeinander folgende Kurzstrecken¬ fahrten kann so vermieden werden.

Vorzugsweise ist der elektrische Widerstand der zweiten beheizbaren katalytischen Konverterzone kleiner als der Widerstand der ersten kataly¬ tischen Konverterzone, die eine integrierte Beschichtung aufweist. Bei gleicher angelegter Spannung, z. B. der Spannung der Batterie in dem Kraftfahrzeug, wird in der zweiten katalytischen Konverterzone eine höhere elektrische Leistung in Wärmeenergie umgesetzt. Auf diese Weise wird die Temperatur, ab der die katalytische Beschichtung aktiv ist, dort deutlich schneller erreicht als in der ersten Konverterzone. Natürlich können die beiden Konverterzonen auch einzeln geschaltet und nachein¬ ander beheizbar sein.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung in einem einzigen Gehäuse unterge¬ bracht. Es wird weiterhin bevorzugt, daß der Abstand zwischen den zwei (benachbarten) katalytischen Konverterzonen kleiner 5 mm ist und es wird bevorzugt, daß die zweite beheizbare katalytische Konverterzone eine Länge von unter 20 mm, vorzugsweise unter 15 mm, hat. Durch die relativ geringe Länge der zweiten beheizbaren katalytischen Konverterzo¬ ne wird dieser nur wenig Wärme- durch den Abgasstrom entzogen. Der Heizvorgang wird dadurch besonders schnell. Eine benachbarte, strom- aufseitige erste katalytische Konverterzone mit integrierter Beschichtung ist räumlich relativ nahe oder direkt angrenzend angeordnet, so daß sich im wesentlichen durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung auch diese Konverterzone in den Bereich, der an die beheizbare Konverterzone angrenzt, schnell erwärmt. Dies begünstigt den Effekt, daß sich der Desorptionsvorgang in diesem Bereich bald wegen der Exotherme der katalytischen Umsetzungsreaktion selbst trägt. Dieser Zustand setzt sich entgegen der Strömungsrichtung des Abgases fort und der Desorptionsvor- gang wird dadurch beschleunigt.

Typischerweise haben alle katalytischen Konverterzonen etwa die gleiche Querschnittsform. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die zweite beheiz- bare katalytische Konverterzone wesentlich kürzer ist als die erste kataly¬ tische Konverterzone, die die integrierte Beschichtung aufweist. Durch eine geringere Masse wird dadurch zusätzlich die Heizzeit in der zweiten beheizbaren Konverterzone verkürzt.

Typischerweise sind die bei unterschiedlicher Leistung beheizbaren kataly¬ tischen Konverterzonen untereinander und/oder von nicht beheizbaren weiteren katalytischen Konverterzoπen elektrisch isoliert. Jedoch ist auch eine elektrische Verbindung untereinander denkbar, solange auf geeignete Weise unterschiedliche Leistungsraten erzielt werden können.

Bevorzugt wird die Vorrichtung stromabseitig einer Strömungsdämpfungs¬ einrichtung in dem Abgassytem eines Otto-Motors angeordnet. In alterna¬ tiver Weise kann die Vorrichtung auch zwischen Elementen einer mehr- teiligen Strömungsdämpfungseinrichtung oder in einem Bypass angeordnet sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus- führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisiertes Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematisierte Schnittansicht eines bevorzugten Ausführungs¬ beispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Schichtstruktur, wie sie in einem Wabenkörper einer Vor- richtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 4 eine Teilquerschnittsansicht eines Wabenkörpers einer Vorrich¬ tung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 ein Diagramm von verschiedenen Temperaturverläufen gegenüber der Zeit.

Fig. 1 zeigt eine Konfiguration eines Abgassystems unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Otto-Motor 1 hat im allgemeinen mehrere Abgasauslaßöffnungen, an die ein Abgasröh¬ rensystem 4 angeschlossen ist. Das Abgassystem ist nur schematisch gezeichnet und zeigt daher nicht alle Komponenten, die darin vorkom¬ men können. Ein typisches Abgassystem weist jedenfalls eine oder mehre¬ re Strömungsdämpfungseinrichtungen 2, 2' auf. Ein herkömmlicher Haupt- katalysator 3 ist stromaufseitig von den Strömungsdämpfungseinrichtungen 2, 2' angeordnet. Eine Vorrichtung 5 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in diesem Ausführungsbeispiel stromabseitig von den Strömungsdämp- fungseinrichtungen 2, 2' angeordnet. Schematisch sind auch Stroman¬ schlußklemmen 6 für bestimmte beheizbare katalytische Konverterzonen innerhalb der Vorrichtung dargestellt. Der herkömmliche Katalysator 3 erreicht seine Aktiv-e-ungstemperatur erst nach einer bestimmten Be¬ triebszeit, was nach einem Kaltstart nach z. B. ca. einer Minute der Fall ist. Die Vorrichtung 5 ist in der Lage, bestimmte Bestandteile des Verbrennungsabgases, insbesondere Kohlenwasserstoffe, während dieser Kaltstartphase zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu desor- bieren und in einem anderen Teil der Vorrichtung 5 anschließend umzu¬ setzen und die durch die Umsetzung unschädlich gemachten Bestandteile auszugeben.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vor¬ liegenden Erfindung mit zwei katalytischen Konverterzonen 20, 21. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile angezeigt. Die katalyti¬ schen Konverterzonen sind in einem Mantelrohr 9 gehalten. Dieses Mantelrohr 9 ist an seinen Enden jeweils mit Flanschen 7, 8 verbunden, durch die eine Abgasströmung der Vorrichtung zugeführt bzw. abgeführt wird. Die Querschnittsform des Mantelrohrs 9 ist an sich beliebig, jedoch ist bevorzugt, daß die Querschnittsform über die ganze Länge der Vor¬ richtung im wesentlichen gleich ist, es werden ferner Querschnittsformen mit besonderen Symmetrieeigenschaften bevorzugt, insbesondere kreis- förmig oder oval. Die Flansche 7 und 8 sind im Bereich, wo sie mit dem Mantelrohr 9 verbunden sind, diesem im Querschnitt angepaßt. Typischerweise münden die -Anschlußstutzen 7, 8 jeweils in einen kleine¬ ren, im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, an dem eine Verbindung mit dem übrigen Abgasrohrsystem hergestellt wird.

Innerhalb des Mantelrohrs 9 sind zwei katalytische Konverterzonen 20, 21 angeordnet, und zwar in Strömungsrichtung hintereinander. Die katalyti¬ schen Konverterzonen weisen jeweils einen Wabenkörper 12 bzw. 13 auf, der in Figur 2 nur schematisiert veranschaulicht ist. Die Wabenkörper 12, 13 werden ihrerseits jeweils von Umfassungen 10 bzw. 11 gehalten. Die Umfassungen 10 bzw. 11 sind in das Mantelrohr 9 eingepaßt. Sie erleich¬ tern den Montagevorgang, könnten jedoch weggelassen werden, wenn die Wabenkörper 12 bzw. 13 direkt in das Mantelrohr 9 eingepaßt werden. In Figur 2 sind beide Wabenkörper 12, 13 jeweils mit elektrischen Anschlüssen 14 bzw. 15 versehen, über die ein elektrischer Heizstrom durch beide Wabenkörper 12, 13 geleitet werden kann. Diese Eigenschaft ist in Figur 2 durch Windungen veranschaulicht, jedoch wird damit in keiner Weise eine mögliche Realisierung dargestellt. Bezüglich der Tech¬ nologie beheizbarer Wabenkörper wird z. B. auf die WO-89/10470 und den dort erwähnten Stand der Technik verwiesen. Aus Gründen der Beheizbarkeit ist das Trägermaterial der Wabenkörper 12, 13 vorzugs¬ weise aus Metall. Der erste Wabenkörper 12 in der katalytischen Kon¬ verterzone 20 weist eine integrierte Beschichtung 17 auf, die zwischen dem Trägermaterial des Wabenkörpers und der katalytischen Beschichtung 18 angeordnet ist. Details hierzu werden in Verbindung mit Figur 3 beschrieben werden.

Wie in Figur 2 veranschaulicht, ist die erste katalytische Konverterzone 20, die die integrierte Beschichtung aufweist, länger als die zweite kataly- tische Konverterzone 21. Die Länge \₁ beträgt z.. B. etwa 75 mm und die Länge 1₂ beträgt z. B. etwa 15 mm. Beide Konverterzonen sind um etwa 1₃ = 5 mm voneinander beabstandet. Es wird jedoch bevorzugt, einen geringeren Abstand zwischen beiden Zonen zu erzielen.

Fig. 3 zeigt den möglichen Schichtaufbau der Wände eines Wabenkör¬ pers. Die Schichtdicken sind nicht- maßstabsgerecht gezeichnet. Auf ein Trägermaterial 16 ist eine Zwischenschicht 17 aufgetragen. Im bevorzug¬ ten Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial ein Metall. Herkömm¬ licherweise ist die Zwischenbeschichtung 17 eine Washcoat-Beschichtung. Auf und/oder in der Zwischenbeschichtung 17 eingelagert ist schließlich eine katalytisch wirkende Beschichtung 18 vorhanden. Diese katalytisch wirkende Beschichtung 18 enthält typischerweise eine Kombination be¬ stimmter Edelmetalle. Die Schichtstruktur der Wände des Wabenkörpers 12 in der ersten katalytischen Konverterzone 20, die eine integrierte Beschichtung aufweist, ist zunächst die gleiche, wie gezeigt in Fig. 3. Der Unterschied besteht im wesentlichen darin, daß die herkömmliche Washcoat-Beschichtung 17 in diesem Wabenkörper 12 durch ein Material ersetzt ist, das in der Lage ist, bestimmte Bestandteile des Verbrennungs¬ gases zu adsorbieren. Vorzugsweise ist das Material der Zwischenschicht 17 dann ein Zeolith. Dieses ist insbesondere in der Lage, die im Ver¬ brennungsgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren. Die Adsorp¬ tionsfähigkeit der Zwischenschicht 17, die auch als Kohlenwasserstoff-Falle bezeichnet wird, ist temperaturabhängig. Bis zu einer Temperatur von etwa 80 - 100° C überwiegt die Adsorption von Kohlenwasserstoffen. Ab einer Temperatur von etwa 80 - 100° C überwiegt die Desorption adsorbierter Kohlenwasserstoffe, d. h. die Zwischenschicht 17 gibt dann mehr Kohlenwasserstoff frei, als sie gerade adsorbiert. Die Desorption erfolgt so lange, bis alle zuvor adsorbierten Kohlenwasserstoffe freigege¬ ben worden sind. Bei einem entsprechenden Temperaturverlauf wird somit eine Speicherwirkung erzielt, d. h., bei niedriger Temperatur werden sich in der Umgebung der Oberfläche befindliche Kohlenwasser¬ stoffe eingefangen, die dann bei einer höheren Temperatur, die zeitlich verzögert erreicht wird, wieder abgegeben werden. Zur Erzielung optima¬ ler Ergebnisse wird daher die Speicherkapazität der Zwischenschicht dem zu erwartenden zeitlichen Temperaturverlauf angepaßt.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Querschnittsansicht eines typischen Wabenkörpers. Die Figur zeigt die Umfassung 10 sowie darin eingefaßte Wabenzellen, die, wie im Stand der Technik bekannt, durch geeignete Formung von Blechen hergestellt werden können. Figur 4 zeigt insbeson¬ dere dünne Isolierschichten 19, 19' oder Spalte, die zum einen den Wabenkörper elektrisch von der Umfassung 10 isolieren, als auch benach¬ barte Wabenschichten voneinander elektrisch isolieren. Auf diese Weise wird es wie im Stand der Technik bekannt möglich, gezielt einen elek- trischen Strom durch sämtliche Teile des Wabenkörpers zu führen. - 16 -

teile des Verbrennungsgases unbehandelt durchgelassen und erreichen die Vorrichtung 5. Die integrierte Beschichtung der ersten katalytischen Konverterzone 20 ist jedoch in der Lage, diese Bestandteile zu adsorbie¬ ren, da in diesem Zeitraum die Temperatur der ersten katalytischen Konverterzone 20 unterhalb der Desorptionstemperatur ist. Die Kapazität der integrierten Beschichtung in der ersten katalytischen Konverterzone 20 ist ausreichend groß dimensioniert, so daß die im Zeitraum vom Start bis zu t_a durchgelassenen schädlichen Bestandteile des Verbrennungsgases adsorbiert werden können.

Nach dem Zeitpunkt t_a nimmt die Temperatur aller Elemente typischer¬ weise weiterhin zu. Die integrierte Beschichtuπg in der ersten katalyti¬ schen Konverterzone 20 muß jedoch keine weiteren schädlichen Bestand¬ teile adsorbieren, da der herkömmliche Katalysator 3 ab diesem Zeit- punkt katalytisch aktiv wird. Die Temperaturzunahme ist jedoch typischer¬ weise nicht streng monoton, da die Verbrennungskraftmaschine typischer¬ weise nicht unter konstanter Last betrieben wird. Es gibt daher Bereiche, in denen die Temperatur in den Elementen geringfügig abnimmt, wenn z. B. die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf oder Schubbetrieb arbeitet. Eine Steuerung (nicht gezeigt), die auf die Vorrichtung 5 abge¬ stimmt ist, wird einen solchen Niedriglastzustand der Verbrennungskraft¬ maschine erkennen und dann gezielt die Desorption der ersten katalyti¬ schen Konverterzone 20 einleiten. Im Diagramm geschieht dies z. B. zum Zeitpunkt t_b. Wegen des Niedriglastzustandes der Verbrennungskraftma- schine fällt auch die Temperatur im herkömmlichen Katalysator 3 gering¬ fügig ab, bleibt jedoch über der Aktiv-erungstemperatur.

Zum Zeitpunkt t_b ist die Temperatur in der ersten katalytischen Konver¬ terzone 20 noch unterhalb der Desorptionstemperatur der integrierten Beschichtung, die im Beispiel 80° C beträgt. Es wird dann ein Heizstrom - 15 -

Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit einem möglichen Temperaturverlauf eines herkömmlichen Katalysators 3, bezeichnet mit T₃, sowie der katalytischen

Konverterzonen 20 und 21 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieis der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, bezeichnet mit T₂₀ bzw. T₂₁. Die aufgetragenen Temperaturverläufe T₃, T₂₀ und T₂₁ entsprechen den

Temperaturverläufen von bestimmten Punkten innerhalb der genannten

Elemente. Der Temperaturverlauf innerhalb dieser Elemente ist jedoch nicht homogen. Es gibt dabei insbesondere ein Temperaturgefälle in

Strömungsrichtung. Das Diagramm von Fig. 5 dient jedoch nur der Veranschaulichung einer möglichen Verwendung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und berücksichtigt deshalb nicht irgendwelche

Inhomogenitäten der Temperaturverteilung innerhalb der genannten

Elemente. Die angegebenen Zahlenwerte sind veranschaulichend für einen typischen Einsatz einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausgangspunkt des Diagramms ist ein Kaltstart der Verbrennungskraftma¬ schine, bei dem das ganze Abgassystem etwa auf Umgebungstemperatur ist. Nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine nimmt die Tempera¬ tur an dem herkömmlichen Katalysator 3, der stromaufseitig von der Vorrichtung 5 angeordnet ist, relativ schnell zu und erreicht nach ca. einer Minute die katalytische Aktivierungstemperatur von etwa 250° C. Die Temperatur in den katalytischen Konverterzonen 20, 21 in der Vorrichtung 5 nimmt dagegen wesentlich langsamer zu, da der Abgas¬ strom einen Teil der Wärme in ^■ . romaufseitigen Elementen des Abgas- Systems bereits abgegeben hat. Dabei ist die Temperatur in der katalyti¬ schen Konverterzone 21 stets niedriger als die Temperatur in der kataly¬ tischen Konverterzone 20, da sie dieser nachgeschaltet ist.

Da im Zeitraum vom Start bis zum Zeitpunkt t_a der herkömmliche Katalysator 3 noch nicht katalytisch aktiv ist, werden schädliche Bestand- an beide katalytischen Konverterzonen 20, 21 in der Vorrichtung 5 angelegt. Die katalytische Konverterzonen 20, 21 sind so ausgelegt, daß in der zweiten katalytischen Konverterzone 21 eine deutlich höhere Heizleistung erzielt wird als in der ersten katalytischen Konverterzone 20. Typischerweise beträgt die Heizleistung in der zweiten katalytischen Konverterzone 21 etwa 1500 W und in der ersten katalytischen Konver¬ terzone 20 etwa 500 W. Die Temperatur in der zweiten katalytischen Konverterzone 21 steigt daher sehr steil an und erreicht spätestens nach ca. zehn Sekunden die Aktivierungstemperatur von 350° C.

Die Vorrichtung 5 ist so ausgelegt oder wird so gesteuert, daß die erste katalytische Konverterzone 20 mit der integrierten Beschichtung frühestens dann die Desorptionstemperatur von 80 - 100° C erreicht, wenn die zweite katalytische Konverterzone 21 ihre Aktiv-erungstemperatur erreicht hat. Beide Zeitpunkte sollten jedoch eng beieinander liegen. Wenn nämlich die zweite katalytische Konverterzone 21 zum Zeitpunkt t_c ihre Aktivierungstemperatur erreicht, sollte die Desorption in der ersten katalytischen Konverterzone 20 allmählich beginnen. Die freiwerdenden schädlichen Stoffe werden dann an der zweiten katalytischen Konver- terzone umgesetzt. Die dabei freiwerdende Energie führt zur weiteren Erwärmung der zweiten katalytischen Konverterzone 21 und die elek¬ trische Beheizung kann dann kurz danach abgeschaltet werden, da sich der Umsetzungsprozeß in der zweiten katalytischen Konverterzone 21 selbst trägt.

Die räumliche Nähe der katalytischen Konverterzonen 20, 21 führt dazu, daß sich Bereiche in der ersten katalytischen Konverterzone 20, die mit der zweiten katalytischen Konverterzone 21 benachbart sind, im wesentli¬ chen durch Wärmestrahlung und Wärmeieitung ebenfalls beschleunigt erwärmen. Diese Bereiche erreichen ebenso die katalytische Aktivierungs- temperatur, die durch die exotherme katalytische Umsetzung aufrecht erhalten oder sogar noch erhöht wird. Durch Wärmeleitung steigt die Temperatur in der ersten katalytischen Konverterzone 20 allmählich entgegen der Strömungsrichtung in ihrem gesamten Bereich über die katalytische Aktivierungstemperatur. Diese wird dann so lange aufrecht erhalten, wie schädliche Bestandteile aus der integrierten Beschichtung desorbiert werden. Somit ist sichergestellt, daß alle seit dem Zeitpunkt des Starts der Verbrennungskraftmaschine durch diese abgegebenen schädlichen Bestandteile letztendlich vor Abgabe an die Umwelt kataly- tisch umgesetzt werden. Durch gezielte Aufteilung der katalytischen Konverterzonen 20, 21 in der Vorrichtung 5 wird nur eine kurze Heizzeit und damit eine geringe Heizenergie benötigt, um dies zu erreichen im Gegensatz zu Vorrichtungen des Standes der Technik.

Obwohl der Einsatz einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Katalysator 3 beschrieben worden ist, kann sich letzterer durch geeignete Kombination von katalyti¬ schen Konverterzonen und durch geeignete Anordnung innerhalb des Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine 1 auch erübrigen. Insbeson- dere ist es denkbar, daß eine Vorrichtung 5 gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen Elementen der. Strömungsdämpfungsvorrichtung 2, 2' angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung, die mindestens eine erste und eine zweite katalytische Konverterzone (20, 21) in ei. er Reihe aufweist, so daß sie nachein¬ ander von einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere eines Ottomotors, durchströmt werden können,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß

mindestens eine erste katalytische Konverterzone (20), die in Strö¬ mungsrichtung nicht die letzte in der Reihe ist, eine integrierte Beschichtung (17) aufweist, die bis zu einer Temperaturschwelle

Bestandteile des Verbrennungsgases adsorbieren kann und diese oberhalb dieser Temperaturschwelle wieder abgeben kann, und

zumindest die zweite katalytische Konverterzone (21) als letzte in der Reihe beheizbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur die erste und die zweite katalytische Konverterzone (20, 21) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch thermische Umwandlung elektrischer Energie erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite katalytische Konverterzone (21), die beheizbar ist, einen im wesentlichen metallischen Wabenkörper (13) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizstrom in der zweiten katalytischen Konverterzone (21) im we¬ sentlichen durch deren im wesentlichen metallischen Wabenkörper (13) selbst leitbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch die erste katalytische Konverterzone (20), die die integrierte Beschichtung (17) aufweist, einen im wesentlichen metallischen Wabenkörper (12) aufweist, und daß diese erste kataly- tische Konverterzone (12) beheizbar ist durch einen Heizstrom, der im wesentlichen durch deren im wesentlichen metallischen Waben¬ körper (12) selbst leitbar ist.

7. Vorrichtung nach Anpruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand der zweiten katalytischen Konverterzone (21) kleiner ist als der elektrische Widerstand der ersten katalytischen Konverterzone (20).

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Konverterzone in einem einzigen Gehäuse (9) untergebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei katalytischen Konverterzo- nen (20, 21) jeweils gleiche Querschnittsform haben.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite katalytische Konverterzone (21) wesentlich kürzer als die erste katalytische Konverterzone (20) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite katalytische Konverterzone (21) eine Länge in Durchströ¬ mungsrichtung von unter 20 mm hat, vorzugsweise unter 15 mm.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unterschiedlicher Leistungs beheizbare erste und zweite katalytische Konverterzone (20, 21) untereinander und von den nicht beheizbaren katalytischen Konverterzonen elek¬ trisch isoliert sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der ersten und der zwei¬ ten katalytischen Konverterzone (20, 21) kleiner s mm ist.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im Abgassy¬ stem eines Ottomotors (1) angeordnet ist.

15. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Vorrichtung stromabseitig einer Strömungsdämp¬ fungseinrichtung (2, 2') angeordnet ist.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vorrichtung zwischen Elementen einer mehrteiligen Strömungsdämpfungseinrichtung angeordnet ist.