DE19602266A1 - Elektrisch beheizbarer Abgas-Katalysator einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbaren Abgas-Katalysator einer Brennkraftmaschine mit einer sich nur über einen Teilbereich des Abgas- Strömungsquerschnittes erstreckenden Heizzone. Bekannt ist eine derartige Katalysatoranordnung aus der DE 40 17 360 A1.

Um anschließend an einen Kaltstart einer Brennkraftmaschine möglichst kurzfristig eine Schadstoffkonvertierung im in der Abgasanlage der Brenn­ kraftmaschine vorgesehenen Abgas-Katalysator zu erzielen, der wie bekannt für eine erfolgreiche Konvertierung eine gewisse Mindesttemperatur besitzen muß, kann zumindest ein Teilbereich des Abgaskatalysators beheizt werden. Aus der oben genannten Schrift ist es bekannt, daß hierzu praktisch nur ein kleiner Teilbereich möglichst kurzfristig auf die sog. Konvertierungstempera­ tur gebracht werden muß, wonach sich der Rest des Abgas-Katalysators durch exotherme Reaktionen in Strömungsrichtung fortschreitend selbsttätig aufheizt. Grundsätzlich reicht somit ein einmaliges Zünden quasi an einem "hot-spot" aus, um den gesamten Abgas-Katalysator relativ schnell auf seine Konvertierungstemperatur zu bringen.

An der aus der oben genannten Schrift bekannten Katalysator-Anordnung, bei der lediglich ein Teilbereich beheizbar ist und somit auch lediglich ein Teil des gesamten Abgasstromes durch diese sog. Heizzone hindurchtritt, wo­ hingegen der restliche Abgas-Teilstrom widerstandslos an dieser Heizzone vorbeistreichen kann, sind jedoch Verbesserungen möglich, die aufzuzeigen sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind Maßnahmen zur Beaufschlagung der Heiz­ zone mit einem überproportionalen Anteil des Abgasstromes vorgesehen. Durch geeignete Maßnahmen ist somit dafür Sorge getragen, daß ein größe­ rer Abgas-Teilstrom durch die Heizzone hindurchtritt, als sich dies bei der in der oben genannten Schrift gezeigten Anordnung ergeben würde.

Erreichbar ist die erfindungsgemäße überproportionale Beaufschlagung der Heizzone mit einem Abgas-Teilstrom durch verschiedene Maßnahmen. Da eine Beheizung des Abgaskatalysators praktisch nur zu Beginn der Warm­ laufphase der Brennkraftmaschine erfolgt, d. h. also dann, wenn lediglich ein relativ kleiner Abgasstrom erzeugt wird, ist es möglich, diesen relativ kleinen Abgasstrom durch einfache Maßnahmen gezielt so zu führen, daß ein über­ proportionaler Anteil desselben die Heizzone durchdringt. Vorgesehen sein kann daher stromauf der Heizzone eine an diese angepaßte düsenartige Verengung des Strömungsquerschnittes, welche zur Folge hat, daß der ent­ sprechend geführte Abgasstrom im wesentlichen gezielt auf die Heizzone hingeleitet wird. Daneben ist es möglich, die sich nur über einen Teilbereich des Abgas-Strömungsquerschnittes erstreckende Heizzone mit einer Viel­ zahl von katalytisch beschichteten Abgas-Strömungskanälen zu umgeben, die ihrerseits ein Strömungshindernis für den ansonsten an der Heizzone vorbeiströmenden Abgasstrom darstellen und somit einen erhöhten Anteil des Abgasstromes der Heizzone zuordnen. Diese Maßnahme ist besonders wirkungsvoll, wenn die Heizzone im wesentlichen zentrisch im Abgas-Strö­ mungsquerschnitt angeordnet ist, wobei sich der Begriff der Zentrizität auf die mengenmäßige Verteilung des Abgasstromes über dem gesamten Strö­ mungsquerschnitt bezieht. Dabei fallen üblicherweise die mengenmäßige sowie die geometrische Zentrizität zusammen, d. h. insbesondere bei einem relativ niedrigen Abgas-Summenstrom, wie er während der Beheizung in der Warmlaufphase auftritt, befindet sich die größte Teilmenge des Abgasstro­ mes im geometrischen Zentrum des Abgaskatalysators. Lediglich bei kom­ plexen Einströmverhältnissen in das Gehäuse des Abgaskatalysators kann das mengenmäßige Strömungszentrum geometrisch auch dezentral liegen.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand bevorzugter, lediglich prinzipiell dargestellter Ausführungsbeispiele. In Fig. 1 sind oberhalb und unterhalb der Symmetrielinie zwei einander ähnliche Ausführungsbeispiele dargestellt, Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Stets ist mit der Bezugsziffer 1 ein Gehäuse eines Brennkraftmaschinen-Ab­ gaskatalysators bezeichnet, innerhalb dessen u. a. ein sog. weiterer Kata­ lysatorkörper 2 vorgesehen ist, der wie üblich aufgebaut sein kann, d. h. eine Vielzahl von Abgas-Strömungskanälen 3 aufweist, die wie üblich katalytisch beschichtet sind. Dabei bezeichnen die Pfeile 4 den durch das Gehäuse 1 geführten Brennkraftmaschinen-Abgasstrom.

Stromauf des Katalysatorkörpers 2 ist eine sog. Heizzone 5 in Form eines üblichen Metallträger-Katalysators vorgesehen. Elektroden 6 versorgen diese Heizzone 5 mit der erforderlichen elektrischen Spannung, die zu Heiz­ zwecken an diese Heizzone 5 angelegt wird. Wie ersichtlich erstreckt sich diese Heizzone 5 lediglich über einen Teilbereich T des gesamten Abgas- Strömungsquerschnittes Q innerhalb des Gehäuses 1. Beim Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 ist im restlichen verbleibenden Strömungsquerschnitt (Q-T) ein sog. Stütz-Katalysatorkörper 7 vorgesehen, der ebenfalls katalytisch beschichtete Abgas-Strömungskanäle aufweist. Dieser Stütz-Katalysatorkör­ per 7 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, wobei die Heizzone 5 im wesentlichen zentrisch zu diesem und somit auch im wesentlichen zentrisch im Abgas-Strömungsquerschnitt Q angeordnet ist.

Mit dieser beschriebenen Anordnung stellt sich binnen kürzester Zeit eine optimale Aufheizung der Heizzone 5 ein, sobald dann an diese Heizzone über die Elektroden 6 eine elektrische Spannung angelegt wird. Binnen kür­ zester Zeit erreicht diese Heizzone 5, die ihrerseits selbstverständlich wie üblich ebenfalls katalytisch beschichtete Abgas-Strömungskanäle 3 aufwei­ sen kann, somit ihre Konvertierungstemperatur, ab der sie in der Lage ist, schädliche Abgasbestandteile erfolgreich zu konvertieren. Diese Zeitspanne beträgt üblicherweise ca. 20 Sekunden. Sobald nun diese Heizzone in Form eines üblichen Metallträger-Katalysators ihre Konvertierungstemperatur er­ reicht hat, läuft hierin eine chemische Reaktion ab, die eine große Wärme­ menge freigibt und hiermit insbesondere den weiteren Katalysatorkörper 2 aufheizt, aber auch den Stütz-Katalysatorkörper 7 aufheizen kann. Die Auf­ heizung des weiteren Katalysatorkörpers 2 erfolgt dabei durch Wärmeüber­ tragung über den Abgasstrom 4, während die Aufheizung des Stütz-Kataly­ sators 7 im wesentlichen durch Wärmeleitung erfolgt, wenn die Heizzone 5 bzw. der entsprechende übliche Metallträger-Katalysator 5 mit dem Stütz- Katalysatorkörper 7 bzw. mit den darin vorgesehenen katalytisch beschichte­ ten Abgas-Strömungskanälen bzw. Kanalwänden in wärmeleitender Verbin­ dung steht.

Gegenüber den bisher bekannten Ausführungsformen, bei denen sich die Heizzone 5 bzw. der entsprechende Metallträger-Katalysator 5 über den ge­ samten Strömungsquerschnitt Q erstreckt, muß bei der hier vorliegenden Gestaltung auf elektrischem Wege lediglich eine kleinere Heizzone 5 und somit auch lediglich eine geringere, eine Wärmekapazität bildende Masse erwärmt werden. Die zur Erwärmung dieser geringeren Wärmekapazität be­ nötigte elektrische Energie ist somit gegenüber den anderen bekannten Ausführungsformen mit sich über den gesamten Querschnitt Q erstreckender Heizzone deutlich geringer. Die Heizwirkung ist somit bei der hier beschrie­ benen Ausführungsform effizienter.

Gegenüber dem aus der oben genannten DE 40 17 360 A1 bekannten Stand der Technik besitzt die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß tatsächlich eine große Teilmenge des Abgasstromes 4 die Heizzone 5 durchdringt, da der die Heizzone umgebende und den Restquerschnitt (Q-T) ausfüllende Stütz-Katalysatorkörper 7 zumindest einen der Heizzone 5 vergleichbaren Strömungswiderstand besitzt. Während somit bei der Aus­ führungsform nach der DE 40 17 360 A1 der größte Teil des Abgasstromes 4 an der Heizzone 5 vorbeistreicht, wird bei der vorliegenden Erfindung der größte Teil des Abgasstromes 4 quasi gezwungen, die Heizzone zu passie­ ren, insbesondere auch deshalb, weil die Heizzone 5 im wesentlichen zentral im Abgasstrom 4 bzw. zentral innerhalb des Gehäuses 1 liegt, wobei be­ kanntermaßen aus strömungsdynamischen Gründen in diesem Zentralbe­ reich ohnehin der größte Teil des Abgasstromes 4 anzutreffen ist. In anderen Worten strömt somit durch die Heizzone 5 eine größere Abgasmenge als durch den die Heizzone 5 umgebenden Stütz-Katalysatorkörper 7. Neben der effizienteren Heizwirkung gewährleistet die erfindungsgemäße Anord­ nung somit eine verbesserte Konvertierung der Abgasschadstoffe bereits in der Aufheizphase.

Die Heizzone 5 bzw. der entsprechende Metallträger-Katalysator kann dabei mit seinem Außenumfang direkt am Innenumfang des Stütz-Katalysatorkör­ pers 7 an liegen, um die wärmeleitende Verbindung zwischen diesen beiden Katalysatorkörpern herzustellen, es kann jedoch auch zwischen der Heiz­ zone 5 sowie dem Stütz-Katalysatorkörper 7 eine wärmeleitende Lage­ rungsmatte 8 vorgesehen sein, insbesondere aus Festigkeitsgründen. Vor­ gesehen sein können ferner sog. Tragstifte 9 zwischen der Heizzone 5 bzw. dem entsprechenden Metallträger-Katalysator sowie dem stromab desselben angeordneten weiteren Katalysatorkörper 2. Diese Tragstifte 9 dienen insbesondere der Lagerung der Heizzone 5/des Metallträger-Katalysators 5, können jedoch zusätzlich auch eine Wärmeleitfunktion übernehmen, um den weiteren Katalysatorkörper 2 schneller auf seine Konvertierungstemperatur zu bringen, nachdem die Heizzone 5 bzw. der entsprechende Metallträger- Katalysator diese bereits erreicht hat und aufgrund der darin stattfindenden katalytischen Reaktionen eine hohe Wärmemenge abzugeben in der Lage ist.

Noch bezug nehmend auf Fig. 1 erstreckt sich oberhalb der Symmetrielinie der Stütz-Katalysatorkörper 7 über die gesamte Länge des Gehäuses 1, so daß die Heizzone 5/der Metallträger-Katalysator 5 sowie der weitere Kataly­ satorkörper 2 lediglich in den Innenraum dieses ringförmigen Stütz-Kataly­ satorkörpers 7 eingeschoben werden müssen. Beim Ausführungsbeispiel unterhalb der Symmetrielinie erstreckt sich der Stütz-Katalysatorkörper 7 lediglich über die gleiche Länge wie die Heizzone 5, so daß stromab dessel­ ben der weitere Katalysatorkörper 2 das Gehäuse im wesentlichen vollstän­ dig ausfüllt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. So befindet sich auch hier innerhalb des Gehäuses 1 ein weiterer Katalysatorkörper 2, stromauf dessen ein als Heiz­ zone fungierender Metallträger-Katalysator 5 angeordnet ist, der sich ledig­ lich über einen Teilbereich T des Strömungsquerschnittes Q im Inneren des Gehäuses 1 erstreckt. Diese wieder mit Elektroden 6 versehene sog. Heiz­ zone 5 kann abermals über Tragstifte 9 am weiteren Katalysatorkörper 2 befestigt sein. Zusätzlich oder alternativ können umfangsmäßig verteilt meh­ rere Stützrippen 10 vorgesehen sein, die die Heizzone 5 bzw. den entspre­ chenden Metallträger-Katalysator innerhalb des Gehäuses 1 positionieren bzw. zentrieren.

Um nun sicherzustellen, daß zumindest dann, wenn die Heizzone 5 elek­ trisch beheizt wird, ein überproportionaler Anteil des Abgasstromes 4 durch die Heizzone 5 hindurchtritt, ist stromauf dieser Heizzone 5 eine an diese angepaßte düsenartige Verengung V des Strömungsquerschnittes vorgese­ hen. Realisiert ist diese Verengung V hier durch eine entsprechende Gestal­ tung des Gehäuses 1, welches im Bereich dieser Verengung V in entspre­ chender Weise eingeschnürt ist. Stromauf der Verengung V kann der Strö­ mungsquerschnitt wieder die Größe des im Bereich des weiteren Katalysa­ torkörpers 2 vorgesehenen Abgas-Strömungsquerschnittes Q haben. Dabei kann in diesem Bereich stromauf der Verengung V innerhalb des Gehäuses 1 noch ein weiterer Katalysatorkörper 2′ vorgesehen sein. Stets ergibt sich mit dieser in Fig. 2 prinzipiell dargestellten Strömungsführung durch die Ver­ engung V eine Abgasströmung derart, daß ein überproportionaler Anteil des Abgasstromes 4 die Heizzone 5 passiert, wodurch sich abermals bei mög­ lichst geringer elektrischer Heizleistung eine schnellstmögliche Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators, d. h. des Metallträger-Katalysators 5 und des weiteren Katalysatorkörpers 2 ergibt. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abwei­ chend von den gezeigten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Elektrisch beheizbarer Abgas-Katalysator einer Brennkraftmaschine mit einer sich nur über einen Teilbereich (T) des Abgas-Strömungs­ querschnittes (Q) erstreckenden Heizzone (5), gekennzeichnet durch Maßnahmen zur Beaufschlagung der Heizzone (5) mit einem überproportionalen Anteil des Abgasstromes (4).

2. Abgas-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Heizzone (5) eine an diese angepaßte düsenartige Verengung (V) des Strömungsquer­ schnittes vorgesehen ist.

3. Abgas-Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zentrisch im Ab­ gas-Strömungsquerschnitt (Q) angeordnete Heizzone (5) von einer Vielzahl von katalytisch beschichteten Abgas-Strömungskanälen (3) umgeben ist.

4. Abgas-Katalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Heizzone (5) fungierender Me­ tallträger-Katalysator innerhalb eines im wesentlichen ringförmigen Stütz-Katalysatorkörpers (7) angeordnet ist und mit diesem in wärme­ leitender Verbindung steht.

5. Abgas-Katalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Heizzone (5) ein weiterer Katalysatorkörper (2) vorgesehen ist.