DE10050464A1 - Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Es wird eine Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator (1), der einen von Abgas durchströmten Träger und eine katalytisch aktive Belegung auf dem Täger aufweist, vorgeschlagen, die den systembedingten Aufwand deutlich reduziert und gleichzeitig das Anspringverhalten wesentlich verbessert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Katalysator (1) wenigstens ein Heizelement (3) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Entsprechend dem fortschreitenden Kenntnisstand werden zum Schutz der Gesundheit und der Umwelt gesetzliche Vorgaben, die die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, ständig verschärft. Zur Erfüllung dieser Vorgaben werden beispielsweise, neben der Verwendung von entsprechend modifizierten Treibstoffen, schädliche Abgasbestandteile mittels einem Katalysator aus dem Abgas entfernt.
Katalysatoren benötigen jedoch zur Erfüllung ihrer Funktion bestimmte Betriebstemperaturbedingungen, die insbesondere beim Start einer entsprechenden Brennkraftmaschine noch nicht gegeben sind.
In handelsüblichen Fahrzeugen wird beispielsweise mittels in der Abgasleitung vor dem Katalysator angeordneter Heizwicklungen das Abgas beim Startvorgang erwärmt und somit die katalytische Belegung des Katalysators zusätzlich erwärmt, damit diese ihre Funktion erfüllen kann.
Auch werden in gängigen Fahrzeugen bereits innermotorische Maßnahmen durchgeführt, wie die Veränderung im Zündwinkel, so dass insbesondere mittels sogenannter "Spätzündung" heißeres Abgas erzeugt wird, das anschließend den Katalysator durchströmt und diesen hierdurch zusätzlich erwärmt. Ebenso ist das Beströmen des Katalysators mit fettem Abgas unter Einblasung von Nebenluft bereits bekannt, wobei die hierdurch erhöhte Reaktionsrate von brennbaren Gasen mit Sauerstoff wiederum das Abgas und somit indirekt den Katalysator zusätzlich erwärmt.
Diese bereits bekannten Vorrichtungen zur zusätzlichen Erwärmung des Abgases sind jedoch vergleichsweise aufwendig, führen zu einem erhöhten, nachteiligen Kraftstoffverbrauch und/oder weisen nachteilige thermische Übergangswiderstände auf, so dass beispielsweise von der Heizwicklung auf das Abgas und/oder vom Abgas auf die katalytische Beschichtung entsprechende thermische Übergangswiderstände überwunden werden müssen. Diese Vorrichtungen führen zu einem vergleichsweise langsamen bzw. nachteiligen Anspringverhalten des Katalysators.
Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, der einen von Abgas durchströmten Träger und eine katalytisch aktive Belegung auf den Träger aufweist, vorzuschlagen, die den systembedingten Aufwand deutlich reduziert und gleichzeitig das Anspringverhalten des Katalysators wesentlich verbessert.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Abgasreinigungseinheit der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Abgasreinigungseinheit dadurch aus, dass der Katalysator wenigstens ein Heizelement umfasst, das als Teil seines Körpers ausgebildet ist oder vorgeschaltet ist.
Mit Hilfe eines derartigen Katalysators ist die katalytisch aktive Belegung wesentlich schneller und verlustärmer erwärmbar. Beispielsweise entfallen thermische Übergangswiderstände zwischen dem Abgas und der katalytisch aktiven Belegung. Vorteilhafterweise kann hierbei auf eine nachteilige Gas-Feststoff-Wärmeübertragung einer konventionellen Heizung vollständig verzichtet werden.
Erfindungsgemäß kann eine unmittelbare Erwärmung der katalytischen Zentren des Katalysators umgesetzt werden. Vor allem durch Vermeidung nachteiliger Wärmeübergangswiderstände, einschließlich entsprechender Verluste, verringert sich der erforderliche Energieeinsatz, der insbesondere zur Erwärmung der katalytisch aktiven Belegung auf die entsprechende Betriebstemperatur benötigt wird. Aufgrund des verbesserten Anspringverhaltens ist hierdurch eine effizientere und umweltschonendere Abgasreinigungseinheit realisierbar.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein keramischer Träger vorgesehen. Hierdurch kann auf bereits bewährte Materialien zur Herstellung von Katalysatorträgern zurückgegriffen werden. So ist eine vorteilhafte Herstellung erfindungsgemäßer Katalysatoren realisierbar, was zu einem besonders wirtschaftlichen Einsatz erfindungsgemäßer Katalysatoren führt.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Träger eine dem Stand der Technik vergleichbare, oberflächenvergrößernde Struktur auf, einschließlich einer entsprechend vorteilhaften Beschichtung. Hierzu wird beispielsweise der Träger von zahlreichen kleinen Kanälen durchzogen und eine vorteilhafte Trägerschicht zur Oberflächenvergrößerung, gegebenenfalls aus Aluminiumoxid, aufgebracht.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist der Katalysator Bereiche mit unterschiedlicher Heizelement- Anzahl auf. Hierdurch ist ein örtlich differenzierbarer Energieeintrag im Katalysator realisierbar. Vorzugsweise kann hiermit ein den Strömungsbedingungen angepasster Energieeintrag umgesetzt werden, wodurch sich das Anspringverhalten einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungseinheit weiter verbessert.
In vorteilhafter Weise umfasst ein in Strömungsrichtung vorne angeordneter Bereich des Katalysators wenigstens ein Heizelement. Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise der Träger des Katalysators lediglich in dem entsprechenden Teilbereich ein erfindungsgemäßes Heizelement umfassen. Hierdurch kann die Fertigung bzw. der finanzielle Aufwand einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungseinheit reduziert werden. In vorteilhafter Weise wird zuerst der vorne angeordnete Bereich des Katalysators sowohl vom Heizelement als auch vom Abgas erwärmt, so dass hiermit der vergleichsweise kleine Bereich eine wesentlich schnellere Erwärmung der entsprechenden katalytisch aktiven Belegung bei minimalem zusätzlichen Energieeinsatz erfährt. So wird wenigstens ein Teil des Abgasstromes besonders schnell von schädlichen Abgasbestandteilen befreit.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass keine Zuleitungen zu Heizvorrichtungen am Katalysator angebracht sein müssen.
Darüber hinaus kann durch die bei der katalytischen Reaktion freiwerdende Wärme auch die katalytisch aktive Belegung des Katalysatorteilbereiches, der kein Heizelement umfasst, zusätzlich erwärmt werden, was zu einem besonders günstigen Kaltstartverhalten führt.
In einer besonderen Ausführungsform kann der Katalysator einen herkömmlichen Katalysatorträger sowie eine erfindungsgemäße Katalysatorscheibe umfassen, bei der der Durchmesser deutlich größer ist als die Dicke.
In vorteilhafter Weise umfasst der Träger das Heizelement. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine besonders einfache Fertigung des Katalysators realisierbar ist. Beispielsweise können elektrische Heizwicklungen in den Träger eingebracht werden, so dass diese die katalytisch aktive Belegung des Katalysators erwärmen und somit in einfacher Weise der erfindungsgemäße Katalysator realisierbar ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist wiederum ein keramischer Träger, der beispielsweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, vorteilhaft.
Vorzugsweise ist ein in den Katalysator eingelagerter Zusatzstoff für die Heizung vorgesehen. Hierdurch wird ermöglicht, dass beispielsweise die Einbringung der Heizenergie in den Katalysator und/oder die Wärmeleitung des Katalysators verbessert wird.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Zusatzstoff einen dielektrischen, magnetischen und/oder ohmschen Widerstand auf. Insbesondere mittels der an den kapazitiven, dielektrischen, induktiven und/oder ohmschen Widerständen des Zusatzstoffes hervorgerufenen Verluste wird unter Bestromung oder unter dem Einfluss eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes die erfindungsgemäße Erwärmung der katalytisch aktiven Belegung umgesetzt. Bei einer vorteilhaften, örtlich differenzierten Verteilung des Zusatzstoffs im Katalysator kann hierdurch eine schnellstmögliche Erwärmung der katalytisch aktiven Belegung realisiert werden.
Vorzugsweise ist der Zusatzstoff metallisch und/oder keramisch ausgebildet, wodurch eine vorteilhafte Realisierung der erfindungsgemäßen Widerstände und somit der entsprechenden Verluste, die zur Erwärmung des Katalysators führen, ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise umfasst ein keramischer Katalysatorträger, beispielsweise bestehend aus Corderit, unter anderem Übergangsmetalloxide, insbesondere Eisen-, Nickel- und Kobaltoxide, und/oder elektrisch leitende Keramiken, insbesondere Spinnellen, Perovkiten oder dergleichen.
Gegebenenfalls können die Zusatzstoffe bereits bei der Fertigung des Katalysatorträgers und/oder der Belegung beigemengt und/oder nachträglich eingebracht bzw. aufgebracht werden. Hierbei können diese beispielsweise den sonstigen Ausgangsstoffen zudosiert und/oder im Rahmen der Beschichtung des Trägers mit der katalytisch aktiven Belegung auf den Träger aufgebracht bzw. in die katalytisch aktive Belegung eingebracht werden. Insbesondere die Beimengung der Zusatzstoffe während des Fertigungsprozesses des Trägers oder der Belegung ermöglicht eine wirtschaftlich vorteilhafte Herstellung erfindungsgemäßer Katalysatoren.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Heizeinheit einen Sender zum Aussenden elektromagnetischer Wellen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Heizenergie in vorteilhafter Weise in den Katalysator eingebracht werden kann. Hierbei ist insbesondere der Träger und/oder die Belegung als Absorber elektromagnetischer Heizstrahlung ausgebildet, so dass die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen zur Erwärmung der katalytischen Belegung vorgesehen werden können. Unter Verwendung erfindungsgemäßer Zusatzstoffe ist hiermit, insbesondere bei entsprechend vorteilhafter Verteilung der Zusatzstoffe, eine besonders deutliche Verbesserung des Anspringverhaltens realisierbar.
Vorzugsweise sendet der Sender Hochfrequenz und/oder Mikrowellen aus. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine vorteilhafte Heizstrahlung zur Erwärmung der katalytisch aktiven Belegung vorgesehen ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Einkopplung der elektromagnetischen Heizenergie beispielsweise durch vorteilhafte Leitungszüge, die insbesondere eine reflexionsarme Einkopplung der Heizenergie realisieren können.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Katalysators,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Katalysators und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines weiteren erfindungsgemäßen Katalysators.
Ein in Fig. 1 dargestellter Katalysator 1 weist eine in Strömungsrichtung vorne angeordnete Scheibe 2 auf, die ein nicht näher dargestelltes Heizelement 3 umfasst. Beispielsweise besteht der Katalysatorträger aus Corderit, der zahlreiche von Abgas durchströmte Kanäle aufweist.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Katalysators 1 dargestellt, der Zusatzstoffe 4 aufweist, die beispielsweise aus eingelagerten Übergangsmetalloxiden und/oder keramischen Additiven bestehen. In der dargestellten Variante weist lediglich ein Träger 5 die Zusatzstoffe 4 auf. Eine katalytisch aktive Schicht 6 wird beispielsweise durch elektromagnetisch induzierte Erwärmung der Zusatzstoffe 4 vergleichsweise schnell auf Betriebstemperatur erwärmt, wodurch das Anspringverhalten deutlich verbessert wird.
Eine weitere Variante der Erfindung gemäß Fig. 3 weist einen Katalysator 1 auf, wobei sowohl der Träger 5 als auch die Schicht 6 Zusatzstoffe 4 umfassen. Hierdurch wird vor allem die Einbringung der Heizenergie und somit die Erwärmung der Schicht 6 zusätzlich verbessert.
Bezugszeichenliste
1
Katalysator
2
Scheibe
3
Heizelement
4
Zusatzstoff
5
Träger
6
Schicht

Claims (11)

1. Abgasreinigungseinheit einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator (1), der einen von Abgas durchströmten Träger (5) und eine katalytisch aktive Belegung (6) auf dem Träger (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (1) wenigstens ein Heizelement (3) umfasst.
2. Abgasreinigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Träger (5) vorgesehen ist.
3. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (1) Bereiche (2, 5, 6) mit unterschiedlicher Heizelement-Anzahl aufweist.
4. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Strömungsrichtung vorne angeordneter Bereich (2) des Katalysators (1) das Heizelement (3) umfasst.
5. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) das Heizelement (3) umfasst.
6. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Katalysator (1) eingelagerter Zusatzstoff (4) für die Heizung vorgesehen ist.
7. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (4) einen dielektrischen, magnetischen und/oder ohmschen Widerstand aufweist.
8. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (4) metallisch und/oder keramisch ausgebildet ist.
9. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit einen Sender von elektromagnetischen Wellen umfasst.
10. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) und/oder die Belegung (6) als Absorber elektrischer bzw. elektromagnetischer Heizstrahlung ausgebildet ist.
11. Abgasreinigungseinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender Hochfrequenz- und/oder Mikro-Wellen aussendet.
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