DE19638802A1 - Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten Automobilkatalysatoren - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten AutomobilkatalysatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Damit die Reinigung der Schadstoffe im Motorabgas am Automobilkatalysator erfol
gen kann, muß dieser eine Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius
aufweisen. Die Erwärmung des Katalysators erfolgt bisher nur über den heißen Motor
abgasstrom und benötigt etwa eine Minute. In dieser kurzen Zeitspanne direkt nach
dem Motorstart, der sogenannten Kaltstartphase, wird der maßgebliche Anteil der
gesamten Fahrzeugemissionen freigesetzt, da der Katalysator in der Regel nur Umge
bungstemperatur aufweist und die Schadstoffe im Motorabgas nicht oder nur teilweise
umgesetzt werden können, während das Motorabgas bei betriebswarmen Autoabgas
katalysator praktisch vollständig gereinigt werden kann.
Zur schnellen Erwärmung des Autoabgaskatalysators und damit zur Emissionsmin
derung während der Kaltstartphase ist ein hoher, zusätzlicher Energieeintrag in den
Katalysator erforderlich. Für diese Zielsetzung sind verschiedene Verfahren bekannt.
U.S. Patent 5,146,743 und SAE-Paper 951072 zeigen die Nutzung der im Fahrzeug zur
Verfügung stehenden elektrischen Leistung der Autobatterie für die schnelle Behei
zung eines kleinen Vorkatalysators (Ekat), der im Abgasstrang vor dem eigentlichen
Autoabgaskatalysator angeordnet ist. An diesem heißen Ekat erfolgt ein Vorumsatz
der Abgasschadstoffe und eine Erwärmung des Massenstroms. Über den somit vorge
heizten Abgasstrom wird eine schnelle Aufheizung des Automobilkatalysators erreicht.
Beim Einsatz eines vor dem Katalysator angeordneten Kraftstoffbrenners nach SAE-
Paper 940474 wird der im Fahrzeug zur Verfügung stehende Kraftstoff unter annähernd
stationären Bedingungen in einem externen Brenner verbrannt. Das dabei entstehen
de, heiße Brennergas wird über den Autoabgaskatalysator geführt, wodurch dieser
erwärmt werden kann. Nach einem ähnlichen Wirkungsprinzip arbeiten die Verfahren
nach SAE Paper 920400 und 960346. Der heiße Gasstrom wird jedoch in diesem Fall
durch eine der Motorverbrennung nachgeschaltete, homogene Verbrennung der Schad
stoffe im Motorabgas bzw. von zudosiertem Wasserstoff erzielt. U.S. Patent 5,125,231
und SAE-Paper 960348 zeigen ein Abgasreinigungsverfahren unter Verwendung eines
Adsorberfestbettes. Hier sollen die Schadstoffe im Abgas solange am Adsorber ge
speichert werden, bis der Autoabgaskatalysator durch den Motorabgasstrom für die
katalytische Schadstoffumsetzung ausreichend aufgeheizt ist.
Der Einsatz des elektrisch beheizten Vorkatalysators belastet die Autobatterie sehr
stark, da über einen kurzen Zeitraum eine hohe Leistungsabgabe erforderlich ist. Die
zur Verfügung stehende elektrische Leistung ist durch die Batteriekapazität stark ein
geschränkt, so daß ein wiederholtes Aufheizen des Ekats in kurzen Zeitabständen nicht
möglich ist. Bei der Aufheizung des Automobilkatalysators über einen heißen Gas
strom, der durch einen Brenner erzeugt wird, wird der Katalysator thermisch stark
belastet. Dies kann zur mechanischen Schädigung des Katalysatorträgermaterials so
wie zur Verschlechterung der katalytischen Eigenschaften des Autoabgaskatalysators
führen. Bei der Verwendung des Kraftstoffbrenners werden darüber hinaus zusätzli
che Schadstoffe freigesetzt sowie der Kraftstoffverbrauch und damit der Ausstoß an
Kohlendioxid erhöht. Durch den Einsatz des Adsorbers im Autoabgasrohr resultiert
ein erheblich höherer Druckverlust im Abgasrohr, verbunden mit einer Leistungsab
nahme des Motors sowie einem höheren Platzbedarf für das Abgasreinigungssystem
im Unterbodenbereich des Fahrzeugs. Hochtemperaturbeständige Adsorbermateriali
en mit ausreichender Speicherkapazität für dieses Verfahren stehen derzeit noch nicht
zur Verfügung. Ein weiterer Nachteil dieses Systems liegt in der großen Zeitspanne von
mehreren Minuten, bis ein Kaltstart erneut durchgeführt werden kann, da das Adsor
berfestbett vollständig regeneriert und auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden
muß.
Alle vorgenannten Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Automo
bilkatalysatoren sind apparativ und steuerungstechnisch sehr aufwendig. Zudem kann
der Autoabgaskatalysator bei jedem dieser Verfahren nur über den Abgasmassenstrom
aufgeheizt werden, so daß nur der in Strömungsrichtung vorderste Teil des Kataly
sators erwärmt werden kann. Dabei wird die Aufheizung des Autoabgaskatalysators
maßgeblich durch den Wärmeübergang vom heißen Gasstrom zum kalten Feststoff li
mitiert. Bei Katalysatoren, die über einen längeren Zeitraum im Fahrzeug eingesetzt
werden, kann aber gerade im vorderen Bereich des Katalysators eine starke Desakti
vierung beobachtet werden. Eine gezielte, ausschließliche Beheizung der in diesem Fall
verbleibenden, katalytisch aktiven Bereiche des Autoabgaskatalysators ist mit den vor
genannten Konzepten jedoch nicht möglich. Aus diesem Grund sind die vorgenannten
Verfahren bei gealterten Automobilkatalysatoren nicht mehr effektiv.
Es stellt sich also die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, bei dem mit geringem Zu
satzaufwand eine schnelle Aufheizung des katalytisch aktiven Teils des Katalysators
auf die zur Umsetzung der Abgasschadstoffe notwendige Temperatur erreicht werden
kann. Dabei sollte die reaktionsbeschleunigende Wirkung des Katalysators möglichst
gut ausgenutzt werden. Dies läßt sich erfindungsgemäß am besten durch Zugabe ei
nes Zusatzbrennstoffs erreichen (Fig. 1), der schon bei sehr niedriger Temperatur an
den aktiven Teilen des Katalysators umgesetzt werden kann. Von den dafür in Fra
ge kommenden Zusatzbrennstoffen erwies sich als flüssiger Zusatzbrennstoff Methanol
und als gasförmiger Zusatzbrennstoff Wasserstoff als am besten geeignet. Für bei
de Brennstoffe ist eine niedrige Zündtemperatur an platin- oder palladiumhaltigen
Edelmetallkatalysatoren seit langem bekannt. Sie beträgt ca. 100°C für Methanol-
Luftgemische und weniger als 0°C für Wasserstoff-Luftmischungen. Allerdings zeigte
es sich, daß in der Gegenwart von Motorabgas die katalytische Zündtemperatur stark
ansteigt, bei Wasserstoff-Luftmischungen auf über 100°C und bei Methanol-Luft noch
darüber. Aus diesem Grund wird in dem im SAE-Paper 960346 vorgestellten Konzept
Wasserstoff nicht katalytisch sondern thermisch verbrannt.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch umgangen, daß kurz vor dem Mo
torstart der Zusatzbrennstoff zusammen mit der Verbrennungsluft über den kalten Au
tomobilkatalysator geleitet wird. Dieser Zusatzbrennstoff wird an den katalytisch akti
ven Teilen des Katalysators umgesetzt, wodurch die Katalysatortemperatur lokal auf
100-250°C ansteigt, bevor das Motorabgas den Katalysator erreicht. Bei Einsatz von
Methanol als Zusatzbrennstoff wird der Katalysator durch eine elektrische Vorheizung
lokal auf ein Temperaturniveau von ca. 100 bis 150°C erwärmt. Die Zusatzbrennstoff- bzw.
Luftdosierung wird solange aufrechterhalten, bis der Automobilkatalysator durch
den heißen Motorabgasstrom auf ein Temperaturniveau erwärmt ist, das eine ausrei
chende Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet.
Für das erfindungsgemäße Vorgehen muß ein Zusatzbrennstoff (Methanol bzw. ei
ne andere Flüssigkeit mit niedriger katalytischer Zündtemperatur oder vorzugsweise
Wasserstoff) mitgeführt oder an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden.
Für die Wasserstofferzeugung bietet sich insbesondere die Druckelektrolyse aus Wasser
während des Fahrbetriebs an. Die benötigte Menge Wasserstoff pro Kaltstart von ca.
6 bis 8 Normliter wird bei einem Druck von ca. 10 bar gespeichert. Der Aufbau zur
Wasserstofferzeugung und Speicherung im Fahrzeug kann ähnlich der in SAE-Paper
960346 vorgestellten Vorrichtung erfolgen. Für das erfindungsgemäße Vorgehen, kann
der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff allein eingesetzt werden oder zusätzlich auch
der bei der Elektrolyse produzierte Sauerstoff als Ersatz eines Teils der benötigten
Frischluft genutzt werden.
Alternativ hierzu kann die Wasserstofferzeugung über die Reformierung eines flüssigen
Treibstoffs in Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid erfolgen. Gegebe
nenfalls muß eine Nachreinigung des erhaltenen Wasserstoffs vorgenommen werden
bevor dieser unter Druck gespeichert wird.
Der erzeugte Wasserstoff kann anstelle der Druckspeicherung auch in einem Hydrid
speicher aufbewahrt werden.
Für die zusätzliche Luftdosierung ist ein zuschaltbares Luftgebläse vorzusehen. Al
ternativ kann die benötigte Luft vor Start des Motors auch dadurch bereit gestellt
werden, daß der Motor kurz ohne Treibstoffzufuhr und Zündung vom Anlasser durch
gedreht wird, wobei die Luftförderung durch eine geeignete Ventilsteuerung des Motors
unterstützt werden kann.
Mit einem serienmäßigen Pkw mit 4-Zylinder-Ottomotor mit einem Hubraum von 2.0
Liter sowie Benzineinspritzung und A-geregelter Kraftstoff-Luftgemischbildung wurden
an einer in Fig. 2 schematisch dargestellten Versuchsapparatur folgende Experimente
durchgeführt:
In der Versuchsanlage wird vor dem serienüblichen Automobilkatalysator Luft bzw. Wasserstoff in das Abgasrohr eingeleitet. Beide Zusatzmassenströme werden über Ma gnetventile geschaltet und über Durchflußregler eingestellt. Zur quantitativen Bestim mung des Aufheiz- und Umsatzverhaltens des Katalysators während des Kaltstarts wird im Automobilkatalysator über Thermoelemente ein axiales Temperaturprofil auf genommen und die Zusammensetzung des Motorabgases vor bzw. hinter dem Kata lysator analysiert. Aufgrund der motorfernen Positionierung des Katalysators in der Versuchsanlage liegt die Abgastemperatur im Katalysatoreinlauf bei der Versuchs durchführung permanent unter der im realen Einsatz zu erwartenden Zulauftempera tur.
In der Versuchsanlage wird vor dem serienüblichen Automobilkatalysator Luft bzw. Wasserstoff in das Abgasrohr eingeleitet. Beide Zusatzmassenströme werden über Ma gnetventile geschaltet und über Durchflußregler eingestellt. Zur quantitativen Bestim mung des Aufheiz- und Umsatzverhaltens des Katalysators während des Kaltstarts wird im Automobilkatalysator über Thermoelemente ein axiales Temperaturprofil auf genommen und die Zusammensetzung des Motorabgases vor bzw. hinter dem Kata lysator analysiert. Aufgrund der motorfernen Positionierung des Katalysators in der Versuchsanlage liegt die Abgastemperatur im Katalysatoreinlauf bei der Versuchs durchführung permanent unter der im realen Einsatz zu erwartenden Zulauftempera tur.
Versuchsparameter | |
Dosierungszeit Luft/H₂ | |
- vor Motorstart | 5 s |
- nach Motorstart | 5 s |
Luftmassenstrom: | 11,8 l/s |
H₂-Massenstrom: | 0,59 l/s |
Katalysatorzustand: | vollaktiv |
Fig. 3 zeigt die bei dieser Versuchsdurchführung erhaltenen axialen Temperaturpro
file im Automobilkatalysator zu verschiedenen Zeitpunkten. Durch die katalytische
Verbrennung des Wasserstoffs am aktiven Katalysator und die dabei freigesetzte Re
aktionswärme wird der Katalysator im vorderen Bereich lokal auf eine Temperatur von
200 bis 450°C erwärmt, bevor das Motorabgas den Katalysator erreicht (t = 0 s). Da
die Luft- und Wasserstoffdosierung über weitere 5 s aufrecht erhalten wird, erfolgt eine
fortlaufende Aufheizung des Katalysators bis auf Maximaltemperaturen von 700 °C
durch die parallele Verbrennung des Wasserstoffs und der Abgasschadstoffe (t = 5 s).
Auch nach Abschalten der Luft- und Wasserstoffzufuhr bleibt der Katalysator auf
einem hohen Temperaturniveau (t = 45 s), so daß fortwährend eine ausreichende Um
setzung der Abgasschadstoffe erzielt werden kann.
Fig. 4 zeigt die im Versuch ermittelten zeitlichen Verläufe der Schadstoffkonzentra
tionen vor bzw. hinter dem Automobilkatalysator. Nach dem anfänglichen Durchbre
chen der Schadstoffkomponenten, bei dem die Maximalkonzentrationen aufgrund der
begrenzten Meßbereiche der Analysegeräte nicht exakt bestimmt werden konnten, er
folgt die katalytische Umsetzung am sich erwärmenden Katalysator sehr schnell, so
daß die vollständige Abreinigung des Motorabgases im Versuch nach 20-30 s erreicht
werden kann.
Versuchsparameter | |
Dosierungszeit Luft/H₂ | |
- vor Motorstart | 15 s |
- nach Motorstart | 0 s |
Luftmassenstrom: | 11,8 l/s |
H₂-Massenstrom: | 0,59 l/s |
Katalysatorzustand: | gealtert |
Fig. 5 zeigt wiederum die bei der Versuchsdurchführung erhaltenen axialen Tempe
raturprofile im Automobilkatalysator zu verschiedenen Zeitpunkten. Der in diesem
Versuch eingesetzte Katalysator weist auf den ersten 2-3 cm der Katalysatorlänge
durch eine vorangegangene Schädigung keine katalytische Aktivität auf. Daher erfolgt
in diesem Bereich auch keine Wasserstoff-Verbrennung am Katalysator und demzufol
ge auch keine (unnötige) Erwärmung des inaktiven Teils des Katalysators. Während
der Vorheizphase von 15 s wird vielmehr selektiv der aktive Teil des Katalysators auf
ein ausreichendes Temperaturniveau für die Schadstoffumsetzung gebracht, bevor das
Motorabgas den Katalysator erreicht.
Die Wirksamkeit dieses Verfahrens auch bei gealterten Katalysatoren zeigt sich in
besonderem Maße bei den zeitlichen Verläufen der ausgestoßenen Schadstoffkonzen
trationen (Fig. 6). Trotz der ausgeprägten Schädigung des Katalysators im vorderen
Bereich werden im Experiment im Rahmen der Meßgenauigkeit die gleichen Schad
stoffumsätze erzielt.
Der Einsatz der vorgenannten alternativen Verfahren zur Aufheizung des gealterten
Automobilkatalysators über den Gasstrom würde nur den katalytisch inerten Teil des
Katalysators erwärmen, ohne eine sofortige Schadstoffumsetzung zu bewirken.
Versuchsparameter | |
Dosierungszeit Luft/H₂ | |
- vor Motorstart | 0 s |
- nach Motorstart | 10 s |
Luftmassenstrom: | 11,8 l/s |
H₂-Massenstrom: | 0,59 l/s |
Katalysatorzustand: | vollaktiv |
Die katalytische Verbrennung des Wasserstoffs wird durch die Abgasschadstoffe so
stark beeinträchtigt, daß diese auf dem Katalysator sehr schnell zum Erliegen kommt.
Bei gleichzeitiger Zugabe des Wasserstoff-Luftgemisches und des Motorabgases konnte
daher nur kurzzeitig eine lokale Temperaturerhöhung am Katalysator auf ca. 40°C
gemessen werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven und gealter
ten Automobilkatalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor
dem Motorstart ein Gemisch aus Luft und einem Zusatzbrennstoff über den
kalten oder lokal elektrisch vorgeheizten Katalysator geleitet wird, wobei der
Zusatzbrennstoff an den aktiven Teilen des Katalysators katalytisch verbrannt
wird und die Katalysatortemperatur lokal auf 100-250°C ansteigt, bevor das Mo
torabgas den Katalysator erreicht und die Luft- und Zusatzbrennstoffdosierung
solange aufrechterhalten wird, bis durch den Zustrom von heißem Motorabgas
eine ausreichende Umsetzung der Abgasschadstoffe gewährleistet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzbrennstoff
Wasserstoff verwendet wird, keine elektrische Vorheizung des kalten Katalysators
erfolgt und Motorabgas auf den Abgaskatalysator treffen kann, sobald lokal eine
Temperatur von 80 bis 150°C erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzbrennstoff
Methanol verwendet wird, wobei eine lokale elektrische Vorheizung des Kataly
sators auf ca. 100 bis 150°C erforderlich ist und Motorabgas auf den Katalysator
treffen kann, sobald lokal eine Temperatur von 150 bis 200°C erreicht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzudosie
rung über den vom Anlasser durchgedrehten Antriebsmotor erfolgt, wobei die
Kraftstoffdosierung zunächst ausgeschaltet ist und die Ventilsteuerung im Hin
blick auf einen effizienten Luftförderbetrieb angepaßt sein kann.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der benötigte
Wasserstoff an Bord während des normalen Fahrbetriebs oder in Stillstandszeiten
erzeugt wird, wobei der für den Kaltstart benötigte Wasserstoff unter Druck,
in Metallhydridspeichern oder in anderer geeigneter Form zwischengespeichert
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des
benötigten Wasserstoffs durch Wasserelektrolyse erfolgt, wobei der gleichfalls
produzierte Sauerstoff zur Unterstützung der Verbrennungsreaktion mitbenutzt
werden kann.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des
benötigten Wasserstoffs durch Reformierung des mitgeführten Kraftstoffs oder
eines speziellen Zusatzbrennstoffs gegebenenfalls mit nachfolgender Reinigung
des erhaltenen Wasserstoffs erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung des
benötigten Wasserstoffs in wiederbefüllbaren oder auswechselbaren Druckbehäl
tern erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19638802A DE19638802A1 (de) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten Automobilkatalysatoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19638802A DE19638802A1 (de) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten Automobilkatalysatoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19638802A1 true DE19638802A1 (de) | 1998-03-26 |
Family
ID=7806487
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19638802A Withdrawn DE19638802A1 (de) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | Verfahren zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von vollaktiven oder gealterten Automobilkatalysatoren |
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