Während
in der Vergangenheit für
Kraftfahrzeuge meist bei einem stöchiometrischen Luftverhältnis arbeitende
Otto-Motoren verwendet wurden, werden gegenwärtig immer häufiger zur
wirksamen Senkung des Kraftstoffverbrauchs magerlauffähige Verbrennungsmotoren,
insbesondere DI-Ottomotoren, eingesetzt. Dem Vorteil eines geringeren
Kraftstoffverbrauchs stehen bei diesen die aufgrund des Sauerstoffüberschusses
bei einem mageren Abgas auftretenden höheren Stickoxid (NOx-Emissionen)
gegenüber,
die mit konventionellen Abgasreinigungsmaßnahmen, wie beispielsweise
einem Dreiwegekatalysator, nicht in akzeptablem Ausmaß reduziert
werden können.
Daher erfordern diese sogenannten Magerkonzepte (DI-Ottomotor, DI-Selbstzünder) einen
erhöhten
Aufwand bei der Abgasreinigung, um den heutigen und zukünftigen
Emissionsvorschriften entsprechen zu können.
Zur Abgasreinigung für die angesprochenen
magerlauffähigen
Verbrennungsmotoren sind Katalysatorsysteme mit Kombinationen aus
motornahen Vorkatalysatoren und stromab dieser angeordneten Hauptkatalysatoren
bekannt. Ein derartiger Hauptkatalysator ist üblicherweise als NOx-Speicherkatalysator
(NOx-Katalysator) ausgebildet. Ein NOx-Speicherkatalysator besitzt dabei gegenüber einem
konventionellen Dreiwegekatalysator die zusätzliche Fähigkeit, NOx eines mageren
Abgases zu speichern. Demgegenüber
besteht die Aufgabe eines Vorkatalysators darin, die in Warmlaufphasen
auftretenden Emissionen von Schadstoffen zu konvertieren und darüber hinaus
einen großen
Anteil der Schadstoffkonvertierung bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors
mit stöchiometrischem
Gemisch zu sichern.
Ein NOx-Speicherkatalysator weist
gegenüber
einem Dreiwegekatalysator zusätzliche
Speicherkomponenten für
Stickoxide auf. Auf einem Träger,
meist aus dem keramischen Material Cordierit oder gewickelten Metallfolien,
befindet sich ein Washcoat, hauptsächlich aus Aluminiumoxid und
Ceroxid. Der Washcoat dient als Träger für Edelmetallkatalysatoren,
vorzugsweise Platin, Palladium, und / oder Rhodium. Zur NOx-Speicherung
sind Materialien aus der Gruppe der schweren Alkalimetalle, der
schweren Erdalkalimetalle oder der leichten seltenen Erden in Form
von Oxid oder Carbonat auf dem Washcoat aufgebracht. Um eine möglichst große geometrische
Oberfläche
zur Verfügung
zu stellen, ist der keramische oder metallische Träger durch
wabenförmige
Zellen gebildet. Eine hohe NOx-Konversionsrate wird von derartigen
NOx-Speicherkatalysatoren nur innerhalb eines NOx-Arbeitstemperaturfensters
erreicht.
Bei der Auslegung der NOx-Speicherkatalysatoren
sind mehrere Faktoren zu beachten. Neben der Höhe der NOx-Rohemission des
Verbrennungsmotors, insbesondere bei Magerbetrieb, sind dies vor
allem Fahrzeuggewicht, Motorhubraum, eine geforderte Abgasreinigungswirkung,
der Magerbetriebsanteil im Typzulassungstest und im Kundenverkehr.
Die geforderte Abgasreinigungswirkung
wird durch gesetzliche Vorschriften zur Abgasemission vorgegeben,
wobei die Höhe
der Grenzwerte während
sogenannter Fahrzyklen vorgeschrieben ist. In den EU-Ländern wird
gemäß der EU
Richtlinie 91/441/EWG von dem Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ ein
Geschwindigkeitsprofil vorgegeben, das einem typischen Stadt- und Überlandverkehraufkommen
entsprechen soll. Ein Test entsprechend dem NEFZ hat eine Gesamtdauer
von 1180 S, wobei die zurückgelegte
Fahrstrecke 11,007 km beträgt.
Die gemessenen kumulierten Emissionen während des Fahrzyklus werden
auf die Fahrstrecke bezogen.
Die Grenzwerte gemäß der Emissionsstufe
EU 3 und EU 4 sind im folgenden dargestellt:
Ein wesentlicher Faktor,
der die Konversionseffizienz eines NOx-Speicherkatalysators bestimmt,
ist dessen Volumen KATVOL. Definiert man ein spezifisches NOx-Speicherkatalysatorvolumen,
SKVOL = KANOL / VH · MLEERund einen spezifischen
Motorhubraum
SVH = VH / MLEERmit KATVOL
= NOx-Speicherkatalysatorvolumen in Litern, VH = Motorhubraum in
Litern und MLEER = Fahrzeugleergewicht in Tonnen bei der Fahrzeug-Typzulassung,
so ergeben sich Kenngrößen, mit
denen sich die Katalysatorauslegung eines Kraftfahrzeugs charakterisieren
lässt.
Als Katalysatorvolumen wird hierbei das vom Katalysatorgehäuse umschlossene
Volumen bezeichnet. Das Leergewicht ist das Gewicht des betriebsfertigen
Fahrzeugs mit gefülltem
Kraftstoffbehälter
und Ersatzrad in serienmäßiger Grundausstattung.
Für bisher
am Markt befindliche Fahrzeuge mit DI-Ottomotoren ergeben sich folgende
Werte:
Die Modelle VW Lupo, Citroen Xantia
und VW Golf erfüllen
dabei die Anforderungen der europäischen Emissionsstufe EU 3
bzw. EU 4. Sofern im europäischen
Fahrzyklus NEFZ spätestens
ab Sekunde 250 die Leerlauf- und Konstantfahrphasen bei Fahrgeschwindigkeiten < 100 km/h im geschichteten
Magerbetrieb oder homogenen Magerbetrieb mit Lambda > 1,2 zurückgelegt
werden sollen, ist zu erkennen, dass ein SKVOL > 0,8 erforderlich ist. Ferner ist zu erkennen,
dass die gegenwärtig
im Markt befindlichen Fahrzeuge große spezifische Hubräume mit
SV > 1,2 aufweisen.
Andererseits ist zu erkennen, dass Fahrzeuge, die dem weniger anspruchsvollen
japanischen Testzyklus Japan 10-15 genügen, mit kleineren Katalysatoren
mit SKVOL ≤ 0,67 ausgestattet
sind.
Bei kleineren spezifischen Hubräumen SV < 1,2 ist mit einer
höheren
mittleren Last des Motors zu rechnen. Damit sind im Magerbetrieb
höhere
NOx-Rohemissionen zu erwarten, so dass der Bedarf an einer hocheffizienten
NOx-Konversion durch den NOx-Speicherkatalysator zunimmt. Um ein
spezifisches Katalysatorvolumen SKVOL von mindestens 0,8 für ein Fahrzeug
mit einem Leergewicht von 1500 kg und einem Hubraum von 1,6 l zu
erhalten, ist gemäß der üblichen
Auslegung mindestens ein Katalysatorvolumen von 1,92 l erforderlich,
sofern die europäischen
Abgasgrenzwerte EU 3 eingehalten werden sollen.
Mit einer Auslegung gemäß dem Stand
der Technik wäre
eine deutliche Kostensteigerung durch ein erhöhten Materialaufwand für Katalysatorträger und
Edelmetallbeladung des Katalysators verbunden. Als weitere Folge
wäre ein
Emissions- und Verbrauchsanstieg nicht auszuschließen, da
ein größerer Katalysator
eine größere thermische
Trägheit
aufweist und mehr Energie zum Erreichen der Drei-Wege-Lightoff-Temperatur
benötigt.
Dies wiederum hätte
zur Folge, dass in der ersten homogenen Fahrphase nach einem Kaltstart
mehr Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und NOx emittiert
wird. Die höhere
thermische Trägheit
verzögert
auch das Erreichen der Katalysator-Mindesttemperatur, bei der ein
Magerbetrieb des Verbrennungsmotors freigegeben werden kann. Darüber hinaus
wird durch einen größeren Katalysator
die Auskühlung
des NOx-Speicherkatalysators in das NOx-Arbeitstemperaturfenster
nach einem Hochlastbetrieb verzögert
und damit ein Magerbetrieb erneut eingeschränkt. Analog muss ein Entschwefelungsprozess
gegebenenfalls für längere Zeit
und mit mehr Heizaufwand durchgeführt werden.
Bereits bekannt ist aus der
DE 199 21 263 A1 eine
Brennkraftmaschine mit nachgeschaltetem Katalysator, der so ausgelegt
ist, dass er eine gesetzlich geforderte hohe Effektivität erreicht,
aber ein signifikant kleineres Volumen als der Hubraum des Verbrennungsmotors
aufweist. Der Katalysator hat dabei einen Wabenkörper mit einem Volumen, welches
mindestens um den Faktor 0,6 kleiner ist als der Hubraum der Brennkraftmaschine,
wobei die geometrische Oberfläche
so bemessen ist, dass der Katalysator eine Effektivität von mehr
als 98% hat. Der Wabenkörper
besitzt für
Abgas durchströmbare
Kanäle,
wobei die Anzahl der Kanäle im
Querschnitt des Wabenkörpers
mindestens 500 cpsi (cells per square inch) beträgt. Die durchschnittliche Dicke
der die Kanäle
voneinander trennenden Kanalwände
beträgt
dabei bei Verwendung von Metallfolien höchstens 40 μm und liegt vorzugsweise zwischen
18 μm und
32 μm.
Der Wabenkörper kann auch eine Anzahl
von Kanälen
von mehr als 750 cpsi und ein Volumen von weniger als dem 0,5-fachen
des Hubraums der Brennkraftmaschine aufweisen.
Katalysatoren mit mehr als 600 cpsi
und unterschiedlichen Wandstärken
von 1 mil (1 mil = 0,0254 mm) sind im Stand der Technik bereits
seit einiger Zeit bekannt. So sind in der
DE 199 57 311 A1 ein Katalysator mit
wenigstens 800 cpsi und einer Wandstärke von 1 mil, in der
DE 199 21 263 A1 ein
Katalysator mit 600 cpsi – 800
cpsi bei Wandstärken
von ca. 1,2 mil aus den
DE
43 411 60 A1 , der
DE
42 154 81 A1 ein Katalysator mit 1200 cpsi und Wandstärken von
ca. 4 mil, der
DE 43
411 59 A1 ein Katalysator mit 1000 cpsi und Wandstärken von
kleiner als 1 mm beschrieben. Ferner offenbaren die WO 02/23020
A1 sowie die
DE 100
45 502 A1 einen Katalysator mit 800 cpsi und Wandstärken unter
1 mil.
Zu vermerken ist, dass bei der aus
der
DE 199 21 263
A1 bekannten Brennkraftmaschine kein NOx-Speicherkatalysator
vorgesehen ist und lediglich vorgeschlagen wird, einen geringen
Wert des Volumens der Wabenkörper
relativ zum Hubraum der Brennkraftmaschine zu wählen und dessen negativen Effekt
auf die Reinigungseffektivität
des Katalysators durch eine Bemessung der geometrischen Oberfläche des
Katalysators auszugleichen.
Bei Fahrzeugen mit 3-Wege- Katalysatorsystemen
können
aufgrund der höheren
durchschnittlichen Abgastemperatur vor dem Katalysatorsystem und
der resultierenden vermiedenen Auskühlung bis in den Lightoff-Temperaturbereich
geringere Katalysatorvolumina als bei Katalysatorsystemen für Magerbetrieb
vorgesehen werden Trotz der im Stand der Technik vorhandenen Bandbreite
von Katalysatoren mit hoher Zelldichte wurde bisher angenommen,
dass für
magerlauffähige
Motoren zum Erreichen der Europäischen
Abgasgrenzwerte EU III und schärfer
bei Verwendung von NOx-Speicherkatalysatorsystemen
ein SKVOL von mindesten 0,8 erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Schaffung eines Kraftfahrzeugs, das mit einem magerlauffähigen Verbrennungsmotor
mit einem oder mehreren NOx-Speicherkatalysatoren mit einem geringen
spezifischen Katalysator-Gesamtvolumen ausgerüstet ist und das dennoch strenge
gesetzliche Abgasvorschriften erfüllen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist mit einem
oder mehreren NOx-Speicherkatalysatoren
mit einem spezifischen Katalysator-Volumen SKVOL < 0,8 versehen, wobei
das Kraftfahrzeug im Neuen Europäischen
Fahrzyklus NEFZ für
zumindest 250 Sekunden bei einem Abgaslambda von > 1,1 betreibbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform
genügt
SKVOL der Bedingung SKVOL ≤ 1 – 1,25 (SVH-1),
wobei SVH den spezifischen Hubraum des Fahrzeugs bezeichnet. Mit
einem derartigen Fahrzeug können
deutliche Kostenverminderungen, aufgrund des kleinen spezifischen
Katalysatorvolumens, erreicht werden. Ferner weist erfindungsgemäß der NOx-Speicherkatalysator
eine geringere thermische Trägheit
auf, was sich günstig
auf das Verbrauchs- und Emissionsverhalten des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs
auswirkt.
Weiterhin ist zur Reduzierung einer
aufgrund eines höheren
Fahrzeuggewichts erhöhten
Emission von NOx, HC und/oder weiteren Schadstoffen im Abgas bei
einem spezifischen Katalysatorvolumen SKVOL < 0,8 der Wert der geometrischen Oberfläche GSA
des oder der NOx-Speicherkatalysatoren erhöht. Vorzugsweise wird dieser
Wert so gewählt,
dass das Fahrzeug im NEFZ die Erfüllung der Emissionsstufe EU3
oder EU4 erlaubt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Fahrzeug dabei
für zumindest
250 Sekunden mit einem Abgaslambdawert > 1,1 betreibbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein NOx-Speicherkatalysator mit Zellen mit einer
Zelldichte von 800 cpsi oder mehr, insbesondere 900 cpsi, vorgesehen.
Wenn die Zellen eines keramischen
Katalysatorträgers
Zellwände
mit einer Randstärke
von höchsten 3,5
mit, vorzugsweise 3,0 mit, besonders bevorzugt 2,5 mit, aufweisen,
kann damit auch bei einer hohen Zelldichte ein geringer Abgasgegendruck
erreicht werden.
Wenn ausgehend von einem vorgegebenen
SKVOL = 0,8 bei einer Reduzierung dieses Werts die geometrische
Oberfläche
GSA gemäß folgender
Vorschrift erhöht
wird
| SKVOL-Änderung | GSA-Änderung |
| –5% | +1,25%
/ +1,67% / +2,5% |
| –10% | +2,5%
/ +3,33% / +5% |
| –15% | +3,75%
/ +5% / +7,5% |
kann trotz reduziertem spezifischen Katalysatorvolumen
durch die korrespondierende Änderung
der geometrischen Oberfläche
des NOx-Speicherkatalysators eine Erfüllung der europäischen Abgasnormen
realisiert werden.
Hierbei wird von einem in üblicherweise
Weise aufgebauten NOx-Speicherkatalysator mit einem wabenförmigen Träger mit
einer als Washcoat ausgebildeten Oberfläche ausgegangen. Als geometrische
Oberfläche
wird hier die Oberfläche
des wabenförmigen
Trägers
ohne den Washcoat bezeichnet. Bei mehreren NOx-Speicherkatalysatoren
beziehen sich die Werte vom SKVOL sowie der geometrischen Oberfläche GSA auf
die Gesamtheit die Speicherkatalysatoren.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einem
relativ niedrigen spezifischen Motorhubraum kann trotz eines relativ
kleinen spezifischen Katalysatorvolumens strenge Abgasemissionsvorschriften
erfüllen.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der
Erfindung sind den abhängigen
Ansprüchen,
sowie unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen.
Die Zeichnungen zeigen in
1 einen
Verbrennungsmotor mit einem Katalysatorsystem,
2 eine
schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem spezifischen
Hubraumvolumen und dem spezifischen Katalysatorvolumen für bereits
am Markt befindliche Kraftfahrzeuge sowie für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Der in 1 dargestellte
magerlauffähige
Verbrennungsmotor 1 für
ein Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein direkt einspritzender, insbesondere
schichtladefähiger
Ottomotor oder ein Dieselmotor. Der Verbrennungsmotor 1 hat
einen Lufteinlasskanal 2 und eine Abgasanlage 3,
von der eine Abgasrückführungsleitung 4 zu dem
Lufteinlasskanal 2 führt.
Mittels der Abgasrückführungsleitung 4 kann
die NOx-Rohemission reduziert werden. Die Abgasanlage 3 umfasst
eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einer motornahen Vorkatalysatoreinrichtung
5 und
stromab der Vorkatalysatoreinrichtung 5 einen NOx-Speicherkatalysator 7.
Die Entnahme des rückgeführten Abgases
kann abweichend von 1 auch
hinter einer Vorkatalysatoreinrichtung 5 erfolgen. Im Lufteinlasskanal 2 ist
stromauf der Einmündung
der Abgasrückführungsleitung 4 eine
Drosselklappe 8 angeordnet, die beispielsweise mittels
eines Stellmotors 9 zu öffnen
und zu schließen
ist. Zur Kontrolle der von der Abgasanlage 3 zu dem Lufteinlass 11 zurückgeführten Abgasmenge
ist ein Stellventil 10 in der Abgasrückführungsleitung 4 angeordnet.
Stromauf der Katalysatoren 5, 7 ist eine Abgassonde 6 zur
Ermittlung eines Abgas-Lambdawertes angeordnet.
Abweichend von der 1 kann die Abgasreinigungsvorrichtung
auch mehrere NOx-Speicherkatalysatoren
und/oder Vorkatalysatoren aufweisen.
Eine Lambdasonde 12 ist
stromaufwärts
des NOx-Speicherkatalysators 7 in der Abgasanlage angeordnet,
mit der an dieser Position der Sauerstoffgehalt des Abgases ermittelt
werden kann. Die Signale der Lambdasonde 12 werden einer
Steuerung 13 zugeführt,
die wiederum den Stellmotor 9 der Lufteinlassdrossel 8 und
das Stellventil 10 ansteuert. Ferner erhält die Steuerung 13 weitere
motorrelevante Werte, wie bspw. die Drehzahl N des Motors und sowie
den Lastwert, bspw. von einem Gaspedal 14.
Der Verbrennungsmotor 1 wird
in an sich bekannter Weise derart betrieben, dass das aus dem Vorkatalysator 5 und
dem NOx-Speicherkatalysator 7 bestehende Katalysatorsystem
eine den vorgeschriebenen Abgasgrenzwerten entsprechende Gesamtemission
an Schadstoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid
(CO) und Stickoxid (NOx) nicht überschreitet.
Besonders bevorzugt ist ein Schichtladebetrieb mit einem mageren
Gemisch. In Abhängigkeit
von der NOx-Beladung des NOx-Speicherkatalysators 7 und
unter Umständen
noch weiteren Randbedingungen ist eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit
einem stöchiometrischen
bis fetten Gemisch erforderlich.
Vorzugsweise wird bei dem Betrieb
des Verbrennungsmotors 1 ferner eine Temperatur zumindest
von Teilen des NOx-Speicherkatalysators 7 in einem Arbeitsfenster
zwischen 250 °C
und 500 °C
gewährleistet.
In Abhängigkeit
von einer mit an sich bekannten Mitteln diagnostizierbaren Schwefelvergiftung
kann der NOx-Speicherkatalysator auch auf höhere Temperaturen zur Durchführung einer
Desulfatierung aufgeheizt werden, wenn dies wegen einer durch schwefelhaltigen
Kraftstoff verursachten Schwefelvergiftung des NOx-Speicherkatalysators 7 erforderlich
sein sollte.
Die Vorkatalysatoreinrichtung 5 ist
vorzugsweise zur Reinigung eines stöchiometrischen Abgases optimiert
ausgelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorkatalysatoreinrichtung 5 als
Dreiwegekatalysator, d.h. als geregelter Katalysator ausgebildet
um Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxid mit einer Abgaszusammensetzung
im Bereich um Lambda = 1 zu konvertieren. Bevorzugt besteht diese
Vorkatalysatoreinrichtung aus einem wabenförmigen Keramik- oder Metallträger, in
dessen Kanälen
eine Trägerschicht
aus Aluminiumoxid aufgebracht ist, die die Oberfläche stark
vergrößert. Auf
diese Oberfläche
ist das eigentliche Katalysatormaterial, vor allem Edelmetalle wie
Platin, Palladium und Rhodium aufgebracht.
Der NOx-Speicherkatalysator 7 ist
in an sich bekannter Weise aufgebaut und weist einen wabenförmigen Träger mit
einer als Washcoat ausgebildeten Oberfläche auf. Vorzugsweise enthält der Washcoat γ-Aluminiumoxid.
Als Speichermaterial für
Stickoxide werden vorzugsweise basische Materialien wie Alkalimetalloxide
oder Erdalkalimetalloxide verwendet.
Ferner enthält der NOx-Speicherkatalysator
eine Edelmetallbeladung, vorzugsweise Platin, Palladium und/oder
Rhodium. Zur Verbesserung des Speicher- und/oder des katalytischen
Verhaltens des NOx-Speicherkatalysators kann dieser auch noch weitere
Merkmale aufweisen, bspw. ein besonders poröses Trägermaterial, unter Umständen Abschnitte,
die ein saures Material enthalten und auch mehrere Trägerschichten aufweisen.
Der Träger,
der auch aus Metallfolien bestehen kann, bildet wabenförmige Zellen,
die durch Zellwände
getrennt sind und durch die Abgas strömen kann.
Als Volumen des Katalysators wird
im Folgenden die einhüllende
Kontur des beschichteten Katalysatorträgers ohne umhüllende Halte-
oder Verpackungsvorrichtungen bezeichnet. Beispielsweise ist daher
bei einem zylinderförmigen
Katalysator das Volumen π /
4 · d2 · 1
, wobei d der Durchmesser und l die Länge des Katalysatorträgers ist.
Die in 2 dargestellten
Kenngrößen, das
spezifische NOx-Speicherkatalysatorvolumen SKVOL = KATVOL / VH · MLEER
und der spezifische Motorhubraum SVH = VH / MLEER erlauben es, die
Katalysatorauslegung eines Kraftfahrzeugs zu charakterisieren. Hierbei
bezeichnet KATVOL das Volumen eines NOx-Speicherkatalysators in
Litern, VH den Motorhubraum in Litern und MLEER das Fahrzeugleergewicht
in Tonnen bei der Fahrzeugtypzulassung. Das Leergewicht ist das
Gewicht des betriebsfertigen Fahrzeugs mit gefülltem Kraftstoffbehälter und
Ersatzrad in serienmäßiger Grundausstattung.
Die dargestellten Werte beziehen sich auf Verbrennungsmotoren bzw.
Kraftfahrzeuge mit derartigen Verbrennungsmotoren mit einem Katalysatorsystem,
welches zumindest einen NOx-Speicherkatalysator, unter Umständen jedoch
auch einen Vorkatalysator aufweisen. Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise
ein DI-Ottomotor oder ein direkteinspritzender selbstzündender
Motor. Jedes kreisförmige
Element in 2 bezeichnet
eine Kombination eines SVH-Wertes mit einem SKVOL-Wert, wobei zu
beachten ist, dass die zugehörigen
Verbrennungsmotoren bzw. Fahrzeuge die europäische Emissionsstufe EU 3 bzw.
EU 4 erfüllen.
Die rechteckigen Symbole bezeichnen die Werte von Verbrennungsmotoren
bzw. Kraftfahrzeugen mit einem relativ hohen spezifischen Motorhubraum
SVH und niedrigen spezifischen Katalysatorvolumen SKVOL, die jedoch
die Grenzwerte gemäß der europäischen Emissionsstufen
nicht erfüllen,
da das spezifische Katalysatorvolumen zu gering gewählt ist.
Der Bereich in 2 unterhalb der Geraden mit einem Wert
SKVOL = 1 – 1,25
(SVH – 1)
bezeichnet den Bereich der erfindungsgemäßen Auslegung des Verbrennungsmotors
bzw. des Kraftfahrzeugs. In diesem Bereich wird vorzugsweise die
geometrische Oberfläche
des Katalysators so groß gewählt, dass
eine NOx-Konversionsrate des NOx-Speicherkatalysators
von mindestens 90% erreicht wird.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann im Neuen
Europäischen
Fahrzyklus NEFZ bei einem Abgaslambdawert in einem Bereich von vorzugsweise > 1,1 sowie vorzugsweise < 8 mit einem Magerbetriebsanteil
von zumindest 250 Sekunden, vorzugsweise sogar 350 Sekunden betrieben
werden. Dabei ist vorzugsweise für
die Gesamtheit aller NOx-Speicherkatalysatoren
des zugeordneten Abgasreinigungssystems das spezifische Katalysatorgesamtvolumen
SKVOL < 0,8. Bevorzugt
sind ferner Ausführungsformen
bei denen das spezifische Katalysatorvolumen SKVOL < 0,75 bzw. < 0,7 oder < 0,6 ist. Es hat
sich ferner gezeigt, dass es günstig
ist ein spezifisches Katalysatorgesamtvolumen > 0,2, < 0,3
und Idealerweise > 0,4
zu wählen.
Weiterhin wird ein Wert von SKVOL < 0,8
bei Verbrennungsmotoren mit einem kleinen relativen Hubraum SVH < 1,2 gewählt, die
aufgrund der höheren
Leistungsforderung zu höheren
NOx-Emissionen tendieren.
Zur Erhöhung der geometrischen Oberfläche GSA
des Speicher-Katalysators wird bei gegebenem Katalysatorvolumen
die Zelldichte, das heißt
die Anzahl der Zellen pro Querschnittsfläche, erhöht. Allerdings führt eine
erhöhte
Zelldichte bei dem Betrieb des Katalysators zu einem erhöhten Abgasgegendruck
und damit verbundenem erhöhten
Energieverbrauch. Zur Absenkung des Abgasgegendrucks ist es daher
zweckmäßig, die Wandstärke der
Zellen zu verringern, womit auch die thermische Trägheit vermindert
und somit eine weitere Reduzierung des Energieverbrauchs begünstigt wird.
Erfindungsgemäß ist daher
eine Zelldichte mit einem Wert von mindestens 900 cpsi (cells per
square inch) vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist ein solcher Wert der
Zelldichte in Verbindung mit keramischen Zellwänden und einer Reduzierung
der Zell-Wandstärke
auf < 4 mil, besonders
bevorzugt < 3 mil,
optimal < 2,5 mil,
wobei 1 mil = 0,0254 mm.
Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Auslegung
des Verbrennungsmotors für
einen 1,6 Liter DI-Ottomotor und ein Fahrzeug von 1250 kg Leergewicht
beispielhaft beschrieben. Um die Emissionsstufe EU 4 zu erreichen,
wird ein Keramik-Katalysator mit einem Volumen von 4,66" × 6" und 600 cpsi / 4 mil als NOx-Speicherkatalysator
eingesetzt. Das spezifische Hubraumvolumen SVH hat einen Wert von
1,28. Bei dem Katalysatorvolumen von 1,68 l beträgt in diesem Fall der Wert
SKVOL des spezifischen Katalysatorvolumens 0,84. Die geometrische
Oberfläche
des Katalysators beträgt
5,2 m2.
Wird das Fahrzeugleergewicht um 18
% von einem Wert von 1250 kg auf 1480 kg erhöht, wird der spezifische Hubraum
SVH auf einen Wert von 1,08 reduziert. Erfindungsgemäß wird der
Wert des spezifischen Katalysatorvolumens SKVOL verringert. Bei
einer beispielsweise aus Kostengründen beibehaltenen Katalysatorvolumen
von 1,68 l sinkt der Wert von SKVOL auf 0,71, das heißt um 15
% gegenüber
dem Wert des leichteren Grundfahrzeugs. Die Reduzierung des spezifischen
Katalysatorvolumens wird erfindungsgemäß mit einer Erhöhung der
geometrischen Oberfläche
des Katalysators verbunden, so dass die Emissionsstufe EU 4 erreicht
wird. Beispielsweise kann die geometrische Oberfläche um einen
Wert von mindestens 7,5 % auf 5,59 m2 angehoben
werden. Erreicht werden kann dies beispielsweise, wenn die Zellstruktur
des Katalysators von 600 cpsi / 4 mil auf 900 cpsi / 2,5 mil modifiziert
wird.
Im Vergleich zu der oben genannten
Auslegung des Verbrennungsmotors bzw. des Fahrzeugs mit einem Leergewicht
von 1480 kg müsste
gemäß dem Stand
der Technik zur Erfüllung
derselben Schadstoffeinstufung das Katalysatorvolumen auf 1,89 l
ansteigen, um ein spezifisches Katalysatorvolumen von SKVOL > 0,8 zu erreichen.
Damit wären beträchtliche
Mehrkosten für
die Träger
sowie ein erhöhter
Aufwand an Edelmetall verbunden. Bei einem vergrößerten Katalysatorvolumen wären ferner
Probleme beim Einbau zu lösen und
ein höheres
Gewicht sowie unter Umständen
eine Neukonstruktion von weiteren Teilen der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs
zu bewältigen.
Bei Einsatz eines Abgasreinigungssystems,
dass zumindest einen NOx-Speicherkatalysator und einen vorgeschalteten
Dreiwege-Katalysator als Vorkatalysator aufweist, kann der Edelmetallgehalt
auf ≤ 100 g/ft3, bevorzugt < 80 g/ft3,
besonders bevorzugt auf ≤ 60
g/ft3 abgesenkt werden. Mit thermisch ungeschädigten Katalysatoren
und einer gespeicherten Schwefelmasse < 0,2 g/l Katalysatorvolumen und einen
zeitlich gefeuerten Magerbetriebsanteil ohne Schubabschaltungsphasen
mit einem Lambda > 1,15
von zumindest 250 Sekunden, insbesondere mindestens 350 Sekunden,
kann eine HC-Emission
von < 0,07 g/km
und eine NOx-Emission von < 0,05
g/km erreicht werden.
Bei einer Zelldichte von 900 cpsi
kann in einem Sättigungstest
bei 350 Grad NOx-Speicherkatalysatortemperatur
und einer NOx-Konzentration von 800 ppm stromauf des NOx-Speicherkatalysators
bis zum Absinken der NOx-Konversionsrate auf 50 % eine etwa 20 %
höhere
NOx-Speicherfähigkeit
erreicht werden als bei einer Zelldichte mit 600 cpsi und gleichem
Volumen. Dies entspricht in etwa der aufgrund des erhöhten Fahrzeuggewichts
vergrößerten NOx-Rohemission.
Somit können
ohne eine Änderung
des Katalysatorvolumens oder der Außenkonturen des Katalysators
bei einer erfindungsgemäßen Auslegung
des Kraftfahrzeugs die gesetzlichen Vorschriften erfüllt werden.
