DE4017360A1 - Verfahren zur nachbehandlung der abgase von brennkraftmaschinen waehrend des kaltstarts - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen durch katalytische Konverter während des Kaltstarts, und sie bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Während des Kaltstarts werden Ottomotoren mit niedrigem Luftver­ hältnis betrieben, um ein gutes Ansprechverhalten des Motors bei Laständerung zu gewährleisten. Daher hat das Abgas einen hohen Anteil an unverbrannten Kraftstoffkomponenten CO und HC, und es hat einen niedrigen Anteil an NO und Sauerstoff. Abgaskatalysa­ toren benötigen zur Nachoxidation unvollständig verbrannter Abgaskomponenten eine Temperatur oberhalb etwa 250°C. Die Temperatur des Abgases von Ottomotoren erreicht zwar schon kurz nach dem Start Werte oberhalb dieser Temperatur, jedoch ist der katalytische Konverter selbst noch kalt, und er benötigt bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur im Fahrzeug je nach Bauart und Betriebsweise etwa 30 bis 100 Sekunden. Dementsprechend findet in dieser Zeit fast keine Umsetzung der Schadstoffe statt, und es werden daher hohe HC- und CO-Mengen emittiert.

Um zu vermeiden, daß in der Aufheizphase zu viele HC- und CO- Mengen ausgestoßen werden, werden zusätzlich zu einem Hauptkata­ lysator in manchen Fällen kleine Startkatalysatoren in den Abgas­ krümmer eingesetzt. Diese heizen sich aufgrund ihrer geringen Masse und des Einbaus in unmittelbarer Nähe des Motors ent­ sprechend schnell auf, so daß relativ früh nach dem Motorstart eine katalytische Nachoxidation einsetzt. Nachteilig ist die hohe Temperaturbelastung dieser Startkatalysatoren bei höheren Motor­ lasten, die zu einem frühzeitigen Nachlassen der Wirkung der katalytischen Schicht führt.

Auch wurde versucht, den Katalysator oder das Abgas während des Kaltstarts durch Sekundärenergie zusätzlich zu beheizen, um ein frühes Ansprechen des Katalysators zu erreichen. Eine solche Aufheizung zur Verkürzung des Katalysatorkaltstarts erfordert aber Leistungen im Bereich der Motorleistung und ist nur mit aufwendigen Brennern oder elektrischen Heizsystemen sehr hoher Leistung möglich. Diese Verfahren sind daher zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Katalysatoren nicht wirtschaftlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen durch kataly­ tische Konverter während der Kaltstartphase zu schaffen, die ein frühes Einsetzen der Wirksamkeit des Konverters mit sparsamen konstruktiven Mitteln und besonders geringem Energieaufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die katalytische Schicht des Konverters in Strömungsrichtung am Anfang der Behandlung durch elektrische Energie auf Temperaturen gebracht wird, die eine Oxidation von Komponenten im Abgas bewirkt, derart, daß durch exotherme Reaktionen ein in Strömungsrichtung fortschreitendes Aufheizen des Katalysators erfolgt.

Katalytische Konverter bestehen aus einem Träger, auf dem zur Oberflächenvergrößerung eine Zwischenschicht aufgebracht ist, auf die das eigentliche katalytische Material aufgetragen ist. Zur Verminderung der thermischen Trägheit des Konverters und zur Verkürzung der Aufheizzeit kann daher am Konvertereintritt die aktive Schicht partiell derart elektrisch geheizt werden, daß durch die dort einsetzende exotherme Oxidation eine Verbrennungs­ welle durch den katalytischen Konverter läuft und er sich selbst in Strömungsrichtung fortschreitend auf die Arbeitstemperatur aufheizt.

Bei einem Verfahren dieser Art kann es zweckmäßig sein, daß die elektrisch zugeführte Energie in Abhängigkeit von der Temperatur im Einströmbereich des katalytischen Konverters geregelt wird. Weitere Vorteile lassen sich erreichen, wenn während des Kaltstarts und der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine dem Einströmbereich des katalytischen Konverters zusätzlich Luft zugeführt wird, die über einen Abgaswärmetauscher durch das heiße Abgas im Ausströmbereich des katalytischen Konverters vorgewärmt ist.

Eine Vorrichtung zur Ausübung des beschriebenen Verfahrens kann im Einströmbereich des katalytischen Konverters angeordnete Mittel zur Erhitzung oder zur partiellen Erhitzung der kataly­ tischen Schicht durch elektrische Energie auf die zur Reaktion erforderliche Temperatur enthalten. Dabei ist vorzugsweise das Trägermaterial für die katalytische Schicht im Einströmbereich des Konverters elektrisch leitend, derart, daß es durch elektri­ sche Energie auf die erforderliche Reaktionstemperatur gebracht werden kann.

Auch kann auf dem elektrisch nicht leitenden Trägermaterial für die katalytische Schicht im Einströmbereich des Konverters eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht sein, durch die die aktive Schicht direkt und/oder indirekt aufgeheizt werden kann, und es kann auch das Katalysatormaterial unmittelbar in der elektrisch leitenden Schicht eingebettet sein.

Weitere Vorteile sind erreichbar, wenn zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der katalytischen Schicht zusätzlich eine die Oberfläche vergrößernde Zwischenschicht aufgetragen ist, oder wenn zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Träger des katalytischen Materials eine zusätzliche Isolationsschicht aufgebracht ist.

Eine zusätzlich Energieersparnis ist möglich, wenn die elektrisch leitende Schicht einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist oder wenn einzelne elektrisch leitende Träger des katalytischen Materials parallel zur Strömung der zu behandelnden Abgase ange­ ordnet und elektrisch hintereinander geschaltet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Die Fig. 1-3 zeigen in schematischer Schnittdarstellung drei Ausführungsbeispiele von Konverteranordnungen zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich vor einem katalytischen Konverter 1 ein katalytisch beschichte­ ter, elektrisch mit der Fahrzeugspannung von 12 Volt gespeister, elektrisch beheizter Katalysator 2, durch den der Strom des zu be­ handelnden Abgases 3 gelangt, bevor er Konverter 1 erreicht.

In Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der der kata­ lytisch beschichtete, elektrisch beheizte Katalysator 2 sich über den vollen Strömungsquerschnitt erstreckt, ist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, daß ein elektrisch be­ heizter Katalysator 4 nur über einem Teilbereich des Stromes des zu behandelnden Abgases 3 angeordnet ist, so daß eine partielle elektrische Vorheizung des katalytischen Konverters erfolgt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausschnitt eines katalytischen Konverters 1 ist eine Trägerwand 5 erkennbar, an der sich auf der Zuströmseite der zu behandelnden Abgase eine elektrisch leitende Schicht 6 befindet, die über eine Zuleitung 7 mit der Fahrzeug­ spannung von 12 Volt gespeist und dadurch erwärmt wird. Zwischen der Trägerwand 5 des katalytischen Konverters und dem Konverter 1 befinden sich eine Zwischenschicht 8 (wash coat) und eine kata­ lytische Schicht 9.

Es ist also eine dünne, elektrisch leitende Schicht 6 auf die Oberfläche der Trägerwand 5 aufgebracht. Diese Schicht 6 trägt die katalytische Schicht 9 direkt oder - wie in Fig. 3 darge­ stellt ist - über eine Zwischenschicht 8 indirekt. Wenn die elek­ trisch leitende Schicht 6 mit Strom beaufschlagt wird, so wird zunächst mit dem elektrisch leitenden Material die aktive Schicht erwärmt und die exothermen Oxidationsreaktionen eingeleitet.

Eine weitere vorteilhafte Lösung besteht darin, den Konverter in Strömungsrichtung am Anfang aus elektrisch leitendem Trägermate­ rial herzustellen und dieses Trägermaterial partiell durch Strom­ zufuhr direkt aufzuheizen, um so die exothermen fortschreitenden Reaktionen einzuleiten.

Bei Anwendung der Erfindung ist es möglich, mit kleiner elektri­ scher Leistung eine ausreichend schnelle Aufheizung des kataly­ tischen Konverters sicherzustellen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das elektrische Heizmaterial einen mit der Temperatur stei­ genden elektrischen Widerstand bietet. Hierbei wird der elektri­ sche Stromverbrauch dann vermindert, wenn eine entsprechende Tem­ peratur der Heizschicht erreicht ist. In vorteilhafter Weise kann der zur Nachoxidation erforderliche Sauerstoff durch einen Wärme­ tauscher nach dem Konverter durch das dort heiße Abgas vorgewärmt und über z. B. ein Pull-Air-System dem Abgas vor dem Konverter zugeführt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschi­ nen durch katalytische Konverter während des Kaltstarts, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Schicht des Konverters in Strömungsrichtung am Anfang der Behandlung durch elektrische Energie auf Temperaturen gebracht wird, die eine Oxidation von Komponenten im Abgas bewirkt, derart, daß durch exotherme Reaktionen ein in Strömungsrichtung fortschreitendes Aufheizen des Katalysators erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch zugeführte Energie in Abhängigkeit von der Temperatur im Einströmbereich des katalytischen Konverters geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kaltstarts und der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine dem Einströmbereich des katalytischen Konverters zusätzlich Luft zugeführt wird, die über einen Abgaswärmetauscher durch das heiße Abgas im Ausströmbereich des katalytischen Konverters vorgewärmt ist.

4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Einströmbereich des katalytischen Konverters angeordnete Mittel zur Erhitzung oder zur parti­ ellen Erhitzung der katalytischen Schicht durch elektrische Energie auf die zur Reaktion erforderliche Temperatur.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial für die katalytische Schicht im Einströmbereich des Konverters elektrisch leitend ist, derart, daß es durch elektrische Energie auf die erforderliche Reaktionstemperatur gebracht werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem elektrisch nicht leitenden Trägermaterial für die katalytische Schicht im Einströmbereich des Konverters eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, durch die die aktive Schicht direkt und/oder indirekt aufgeheizt werden kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial unmittelbar in der elektrisch leitenden Schicht eingebettet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der katalytischen Schicht zusätzlich eine die Oberfläche vergrößernde Zwischen­ schicht aufgetragen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Träger des katalytischen Materials eine zusätzliche Isolationsschicht aufgebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne elektrisch leitende Träger des katalytischen Materials parallel zur Strömung der zu behandelnden Abgase angeordnet und elektrisch hintereinander geschaltet sind.