DE19602287A1

DE19602287A1 - Katalysator für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19602287A1
Application number: DE19602287A
Authority: DE
Inventors: Kimiyoshi Nishizawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2016-01-24
Also published as: DE19602287C2; JPH08210127A; US5839276A; JP3562004B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Katalysatoren für Verbrennungsmotorenabgase und insbeson dere auf einen Katalysator, der eine Heizvorrichtung zum Heizen eines katalysatorbeschichteten Kerns während der Aufwärmphase des Verbrennungsmotors besitzt.

Es ist üblich, in einem Katalysator zur Reinigung der Abgase eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors eine Heiz vorrichtung zum Heizen eines katalysatorbeschichteten Kerns vorzusehen, um den Katalysator während der Aufwärm phase des Verbrennungsmotors zu aktivieren.

Aus der JP 4-60108-A ist eine Katalysatorsystem bekannt mit einem eingangsseitigen Katalysator, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, sowie mit einem ausgangs seitigen Katalysator, der keine Heizvorrichtung besitzt. Diese Katalysatoren sind in Serie angeordnet, wobei eine Umgehungsleitung zum Umgehen des eingangsseitigen Kataly sators vorgesehen ist, um das Abgas von einer Motorabgas leitung direkt zum ausgangsseitigen Katalysator zu lei ten. Das System umfaßt ferner ein Umschaltventil, das die Abgasleitung entweder mit der Umgehungsleitung oder mit dem eingangsseitigen Katalysator verbindet.

Bei diesem Katalysatorsystem heizt die Heizvorrichtung während der Motoraufwärmphase, d. h. wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur noch nicht erreicht hat, den Katalysatorkern im eingangsseitigen Katalysator, wobei das Umschaltventil die Umgehungsleitung sperrt, so daß das Abgas zum eingangsseitigen Katalysator geleitet wird. Wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht, werden HC und CO im Abgas oxidiert, wobei die Kataly satortemperatur aufgrund der Reaktionswärme weiter an steigt.

Wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht, wird die Energiezufuhr zur Heizvorrichtung gestoppt, ferner sperrt das Umschaltventil den Durchlaß zum ein gangsseitigen Katalysator, so daß das Abgas zur Umge hungsleitung geleitet wird. Anschließend reinigt der ausgangsseitige Katalysator das Abgas, der durch das durch den eingangsseitigen Katalysator strömende Abgas aufgewärmt worden ist. Dies beschleunigt die Aktivierung des Katalysators während der Warmlaufphase und verhindert ferner eine Überhitzung des eingangsseitigen Katalysators nach der Warmlaufphase.

Da jedoch bei diesem System das gesamte Abgas durch den eingangsseitigen Katalysator strömt, wenn der Heizvor richtung Energie zugeführt wird, kann durch ein großes Volumen kühlen Abgas es dem Katalysator Wärme entzogen werden. Dies verzögert das Erreichen der Aktivierungstem peratur des Katalysators. Ferner besteht das Problem, das mehrere Katalysatoren und eine Umgehungsleitung das System groß und komplex machen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperaturanstieg eines Katalysators für einen Verbrennungsmotor während der Warmlaufphase des Verbren nungsmotors zu beschleunigen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Größe des Katalysatorsystems, das mit eingangsseiti gen und ausgangsseitigen Katalysatoren und einer Umge hungsleitung zum Umgehen des eingangsseitigen Katalysa tors versehen ist, zu verringern.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dem in den ausgangsseitigen Katalysator des obenerwähnten Systems strömenden Abgas eine gleichmäßige Temperaturver teilung zu verleihen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Feuchtigkeitskondensation in der Umgebung einer Elektrode zu verhindern, die in einem Katalysator als Teil einer Heizvorrichtung vorgesehen ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Katalysator für Verbrennungsmotoren, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Kataly sators für Verbrennungsmotoren gemäß der vorlie genden Erfindung;

Fig. 2 eine horizontale Querschnittsansicht des Kataly sators;

Fig. 3 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Temperatur eines katalysatorbeschichteten Kerns und einer Verbrennungsmotorlaufzeit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Aufteilungsrate und einem Temperaturanstieg des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 eine vertikale Querschnittsansicht eines Kataly sators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine horizontale Querschnittsansicht des Kataly sators gemäß der zweiten Ausführungsform;

Fig. 7 eine vertikale Querschnittsansicht eines Kataly sators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine horizontale Querschnittsansicht des Kataly sators gemäß der dritten Ausführungsform;

Fig. 9 eine horizontale Querschnittsansicht eines Kata lysators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht des Katalysators längs der Linie X-X in Fig. 9;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht des Katalysators längs der Linie XI-XI in Fig. 9.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Katalysator 1 für Verbrennungsmotoren ein zylindrisches Gehäuse 4, ein Isolationselement 8, das am Innenumfang des Gehäuses 4 angeordnet ist, sowie einen katalysatorbeschichteten Kern, der vom Innenumfang des Isolationselements 8 unter stützt ist. Das Gehäuse 4 ist mit einem Einlaß 2 und einem Auslaß 3 versehen, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Der katalysatorbeschichtete Kern umfaßt einen eingangs seitigen katalysatorbeschichteten Kern 5 und einen aus gangsseitigen beschichteten Kern 6, die zwischen dem Einlaß 2 und dem Auslaß 3 in Serie angeordnet sind.

Diese Kerne sind jeweils Wabenmonolithe mit einer großen Anzahl feiner Öffnungen, die von einer gewellten Metall folie gebildet werden. Die Metallfolie ist mit einem Katalysatormetall wie z. B. Platin beschichtet, das durch seine katalytische Wirkung das durch die Öffnungen strö mende Abgas reinigt.

Das Isolationselement 8, das aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, ist zwischen dem eingangsseitigen kata lysatorbeschichteten Kern 5 und dem Gehäuse 4 angeordnet. Das Isolationselement 8 ist ferner zwischen dem ausgangs seitigen katalysatorbeschichteten Kern 6 und dem Gehäuse 4 angeordnet. Diese Isolationselemente 8 dienen der thermischen und elektrischen Isolierung zwischen dem Gehäuse 4 und den Kernen 5, 6.

Eine Anode 9 und eine Katode 10 sind mit dem eingangssei tigen Kern 5 verbunden. Diese Elektroden sind in einem Winkel von ungefähr 180° am äußeren Umfang des eingangs seitigen katalysatorbeschichteten Kerns 5 angeordnet. Diese Elektroden sind durch die Wand des Gehäuses 4 hindurchgeführt. Die Anode 9 ist über ein Anschlußkabel und eine Schaltvorrichtung, die nicht gezeigt sind, mit einem positiven Anschluß einer Batterie verbunden, wäh rend die Katode 10 über ein Anschlußkabel und die Karos serie des Kraftfahrzeugs, die nicht gezeigt sind, mit der Batterie verbunden ist.

Der eingangsseitige katalysatorbeschichtete Kern 5 gibt Wärme ab, wenn über die Elektroden 9, 10 durch ihn ein Strom geleitet wird, wobei im Wabenmonolithen des Kerns 5 wie in Fig. 1 gezeigt mehrere Schlitze 15 ausgebildet sind. Die Schlitze 15 führen wie in Fig. 2 gezeigt in Längsrichtung durch den Monolithen, wobei benachbarte Schlitze wie in Fig. 1 gezeigt in entgegengesetzten Richtungen ausgebildet sind. Die Wärmemenge, die vom Monolithen bei Energiezuführung erzeugt wird, hängt von der Stromweglänge des Monolithen ab, die durch die Anord nung dieser Schlitze 15 bestimmt ist.

Innerhalb des Gehäuses 4 ist zwischen dem eingangsseiti gen Kern 5 und dem ausgangsseitigen Kern 6 ein Mischraum 17 mit einem vorgegebenen Volumen angeordnet.

Das Isolationselement 8, das den eingangsseitigen Kern 5 bedeckt, ist durch obere und untere Zwischenräume, die Umgehungsdurchlässe 16 bilden, in linke und rechte Ab schnitte aufgeteilt. Die Begriffe "oben" und "unten" beziehen sich in der folgenden Beschreibung auf Fig. 1. Ein Ende des Umgehungsdurchlasses 16 mündet in den Einlaß 2, während das andere Ende in den Mischraum 17 mündet.

Der eingangsseitige Kern 5 umfaßt einen linken und einen rechten gekrümmten Abschnitt 21, die mit den Isolations elementen 8 in Kontakt stehen, sowie einen oberen und einen unteren flachen Abschnitt 22, die an die Umgehungs durchlässe 16 grenzen. Da der Innenumfang des Gehäuses 4 zylindrisch gekrümmt ist, sind die Querschnitte der Umgehungsdurchlässe 16, die von den oberen und unteren flachen Abschnitten 22 und dem Gehäuse 4 gebildet werden, halbmondförmig ausgebildet.

Wenn die Strömungsrate des durch den Kern 5 strömenden Abgas es X beträgt und die Strömungsrate des durch den Umgehungsdurchlaß 16 strömenden Abgases Y beträgt, ist die Aufteilungsrate für den eingangsseitigen Kern durch folgende Gleichung gegeben:

Die Querschnittsfläche der beiden Umgehungsdurchlässe 16 ist so gewählt, daß die obenerwähnte Aufteilungsrate im Bereich von 10 bis 80% liegt.

Die Energiezufuhr zum Kern 5 wird von einer nicht gezeig ten Steuereinheit wie folgt gesteuert.

Wenn der Verbrennungsmotor läuft, wird eine Temperatur erfaßt, die die Katalysatortemperatur darstellt, wie z. B. die Kühlwassertemperatur oder die Abgastemperatur. Auf der Grundlage dieser Temperatur wird festgelegt, ob der Kern 5 eine vorgegebene Katalysatoraktivierungstempe ratur erreicht hat. Wenn die vorgegebene Katalysatortem peratur noch nicht erreicht worden ist, wird dem Kern 5 zur Erwärmung Energie zugeführt.

Wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur noch nicht erreicht hat, wird somit der Kern 5 geheizt, so daß die Zeitspanne, die der Kern 5 zum Erreichen der Aktivie rungstemperatur benötigt, kurz ist. Wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht, werden HC und CO im Abgas mit Hilfe des Katalysators oxidiert, wobei die Katalysatortemperatur aufgrund der Reaktionswärme weiter ansteigt.

Wenn in diesem Fall die Strömungsrate des durch den Kern 5 strömenden kühlen Abgases während des Aufheizens des Kerns groß ist, kann dem Katalysator Wärme entzogen werden, so daß die Zeitspanne bis zum Erreichen der Aktivierungstemperatur länger ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Teil des in den Einlaß 2 des Gehäuses 4 strömenden Abgases um den Kern 5 herum in den Umgehungsdurchlaß 16 geleitet, so daß die Abgasströmungsrate durch den Kern 5 geeignet verringert wird. Folglich ist die durch das kühle Abgas dem Kern 5 entzogene Wärmemenge gering, so daß die Zeitspanne, die der Katalysator im Kern 5 zum Erreichen der Aktivie rungstemperatur benötigt, ebenfalls gering ist.

Im Mischraum 17 wird das im Kern 5 erwärmte Abgas mit dem durch den Umgehungsdurchlaß 16 geleiteten Abgas ver mischt. Anschließend strömt das Gas in den ausgangsseiti gen Kern 6 und erwärmt diesen.

Da die Zeitspanne, die der Kern 5 zum Erreichen der Aktivierungstemperatur benötigt, kürzer ist, steigt die Temperatur des in den Kern 6 strömenden Abgases früher an, wobei auch die Aktivierung des Kerns 6 früher ein tritt.

Auf diese Weise wird durch Umleiten eines Teils des Abgases in den Umgehungsdurchlaß 16 in der Weise, daß die Strömungsrate durch den Kern 5 verringert wird, die Aktivierung der Kerne 5 und 6 früher erreicht, wodurch sich während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors eine deutliche Verringerung der HC- und CO-Emissionen ergibt.

Fig. 4 zeigt die Zeitspanne, die erforderlich ist, bis die Temperatur im Mischraum 17 und die Innentemperatur des Kerns 6 350°C erreichen, wenn die Aufteilungsrate für den Kern 5 von 0 bis 100% verändert wird. Dabei wird deutlich, daß ein günstiger Temperaturanstieg erhalten wird, wenn die Aufteilungsrate für den Kern 5 im Bereich von 10 bis 80% liegt.

Da das kühle Abgas, das durch die beiden Umgehungsdurch lässe 16 geführt worden ist, aus entgegengesetzten Rich tungen in den Mischraum 17 strömt, wird es mit dem heißen Gas, das durch den Kern 5 geführt worden ist, gut ver mischt. Daher wird die Temperaturverteilung des Abgases vor Eintritt in den Kern 6 gleichmäßig gehalten, wodurch die Aktivierung des Kerns 6 früher erreicht wird.

Im Vergleich zur Struktur des Standes der Technik, bei der der Umgehungsdurchlaß eine unabhängige Röhre umfaßt, sind bei der obenbeschriebenen Konstruktion, in der die Umgehungsdurchlässe 16 zwischen dem Gehäuse 4 und dem Kern 5 ausgebildet sind, die Umgehungsdurchlässe 16 kürzer und das Volumen des Mischraums 17 kleiner. Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist hinsichtlich der Förderung der Vermischung des kühlen Abgases, das durch den Umgehungsdurchlaß 16 geleitet worden ist, und des heißen Abgases, das durch den Kern 5 geleitet worden ist, ebenfalls von Vorteil. Die Tatsache, daß die Wärme kapazität der Elemente, die die Umgehungsdurchlässe 16 und den Mischraum 17 bilden, kleiner ist, hat ebenfalls eine vorteilhafte Auswirkung auf den Temperaturanstieg des in den Kern 6 strömenden Abgases.

Durch Ausbilden der Umgehungsdurchlässe 16 mit gleichen Abständen von den Elektroden 9, 10 ist ein Wärmeverlust in der Umgebung der Elektroden 9, 10 aufgrund des durch die Durchlässe 16 strömenden kühlen Abgases gering. Dies hat ebenfalls eine vorteilhafte Auswirkung bei der Be schleunigung der Aktivierung des Kerns 5.

Ferner wird durch Anordnen der Umgehungsdurchlässe 16 zwischen dem zylindrischen Gehäuse 4 und den flachen Abschnitten 22 des Kerns 5 das Gehäuse 4 kompakter und ein für die Installation des Katalysators erforderlicher Raum kleiner.

Durch Anordnen der Elektroden 9, 10 in einer horizontalen Richtung, wie in Fig. 1 gezeigt, wird verhindert, daß sich Feuchtigkeit, die in den Umgehungsdurchlässen 16 kondensiert, in der Umgebung der Elektroden ansammelt, was zu einer elektrischen Entladung führen könnte.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Gemäß dieser Ausführungsform besitzt der Kern 5 einen kreisförmigen Querschnitt, während das Gehäuse 4 eine Wand 41 besitzt, die eine Ausstülpung aufweist. Der Umgehungsdurchlaß 16 wird durch die Außenfläche des Kerns 5 und durch diese Wand 41 gebildet.

Das Gehäuse 4 aus Metallblech ist in zwei Hälften ge teilt. Diese werden von einer Presse geformt und zusam mengeschweißt. Das Isolationselement 8 besitzt in in vertikaler Richtung einen C-förmigen Querschnitt und ist um den Kern 5 angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Die Durchlaßwand 41 umfaßt einen horizontalen Wandab schnitt 41a, der in Horizontalrichtung orientiert ist, sowie einen vertikalen Wandabschnitt 41b, der senkrecht orientiert ist, wobei der Abschnitt zwischen 41a und 41b als Sumpf 42 zum Sammeln der im Gehäuse 4 kondensierten Feuchtigkeit dient.

Die Anode 9 ist oberhalb des Umgehungsdurchlasses 16 in einem Abschnitt angeordnet, der über der Mitte des Kerns 5 liegt, während die Katode 10 auf einer Seite des Umge hungsdurchlasses 16 in einem Abschnitt angeordnet ist, der unterhalb der Mitte des Kerns 5 liegt.

Durch Anordnen der Anode 9 oberhalb des Umgehungsdurch lasses 16 und Vorsehen des Sumpfes 42 zum Sammeln der im Gehäuse 4 kondensierten Feuchtigkeit wird verhindert, daß die kondensierte Feuchtigkeit zur Anode 9 fließt, wodurch eine elektrische Entladung der Anode 9 verhindert wird.

Durch Ausbilden des Umgehungsdurchlasses 16 mittels der ausgestülpten Wand 41 wird ein größerer Freiheitsgrad beim Festlegen der Querschnittsfläche des Durchlasses 16 erreicht. Die Form des Gehäuses 4 kann entsprechend der Form des Freiraums, in welchem der Katalysator am Kraft fahrzeug installiert wird, geändert werden.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei Umgehungsdurchlässe 16 vorgesehen. Jeder Durchlaß 16 wird durch eine Durch laßwand 31 ähnlich der Wand 41 der zweiten Ausführungs form und durch eine Außenfläche des Kerns 5 gebildet.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Gemäß dieser Ausführungsform ist zusätzlich zur Struktur der dritten Ausführungsform im Gehäuse 4 eine Führung 51 in der Weise ausgebildet, daß das aus dem Umgehungsdurch laß 16 ausströmende Abgas zur Mitte abgelenkt wird. Die Führung 51 ist zwischen den Kernen 5 und 6 angeordnet und durch eine ringförmige Einstülpung der Wandfläche des Gehäuses 4 ausgebildet.

Die Führung 51 führt das aus dem Umgehungsdurchlaß 16 in den Mischraum 17 strömende kühle Abgas in Richtung zur Mitte des Mischraums 17 und fördert somit dessen Vermi schung mit dem heißen Abgas, das durch den Kern 5 gelei tet worden ist. Dies trägt dazu bei, daß die Temperatur verteilung des in den Kern 6 strömenden Abgases gleichmä ßig wird.

Claims

1. Katalysator (1) zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors, mit einem eingangsseitigen katalysa torbeschichteten Kern (5), einem ausgangsseitigen kataly satorbeschichteten Kern (6), einer Vorrichtung (5, 9, 10) zum Heizen des eingangsseitigen Kerns (5) sowie einem Umgehungsdurchlaß (16) zum Umgehen des eingangsseitigen Kerns (5) in der Weise, daß das Abgas direkt zum aus gangsseitigen Kern (6) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (1) ferner ein Gehäuse (4) um faßt, das einen Einlaß (2) und einen Auslaß (3) für das Abgas besitzt und die eingangsseitigen und ausgangsseiti gen Kerne (5, 6) hintereinanderliegend aufnimmt, wobei der Umgehungsdurchlaß (16) zwischen dem Gehäuse (4) und dem eingangsseitigen Kern (5) ausgebildet ist, so daß ein Teil des in den Einlaß (2) strömenden Abgases den ein gangsseitigen Kern (5) umgeht und in den ausgangsseitigen Kern (6) strömt.

2. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (4) durch eine zylindrische Wand gebildet ist,
der eingangsseitige Kern (5) am äußeren Umfang einen flachen Abschnitt (22) besitzt, und
der Umgehungsdurchlaß (16) zwischen dem flachen Abschnitt (22) und der zylindrischen Wand ausgebildet ist.

3. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eingangsseitige Kern (5) eine zylindrische Außenfläche besitzt,
das Gehäuse (4) eine Wand (41) besitzt, die eine Ausstülpung aufweist, und
der Umgehungsdurchlaß (16) zwischen der Fläche und der Wand (41) ausgebildet ist.

4. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem eingangsseitigen Kern (5) und dem ausgangsseitigen Kern (6) ein Zwischenraum (17) ausgebil det ist, um das durch den eingangsseitigen Kern (5) strömende Abgas und das durch den Umgehungsdurchlaß (16) strömende Abgas zu vermischen.

5. Katalysator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgehungsdurchlaß (16) zwei Durchlässe um faßt, die mit einem Abstand von ungefähr 180° an der Außenseite des eingangsseitigen Kerns (5) angeordnet sind.

6. Katalysator (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Führung (51), die das aus dem Umgehungs durchlaß (16) in den Mischraum (17) strömende Abgas in Richtung zur Mitte des Mischraums (17) lenkt.

7. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsrate des vom Einlaß (2) in den eingangsseitigen Kern (5) strömenden Abgases im Bereich von 10 bis 80% der Strömungsrate des in den Einlaß (2) strömenden Abgases eingestellt wird.

8. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eingangsseitige Kern (5) aus einem Material hergestellt ist, das bei Zufuhr elektrischer Energie Wärme abgibt, und
die Heizvorrichtung (5, 9, 10) den eingangsseiti gen Kern (5), eine Anode (9) sowie eine Katode (10), die am Außenumfang des eingangsseitigen Kerns (5) angeschlos sen sind, umfaßt, wobei die Anode (9) in einem Abschnitt angeordnet ist, der höher liegt als der Umgehungsdurchlaß (16).