DE4240012A1 - Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Konverter sowie einem Adsorber - Google Patents

Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Konverter sowie einem Adsorber

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Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem katalytischen Konver­ ter sowie einem stromauf desselben angeordneten, insbe­ sondere ein Zeolith enthaltenden Adsorber.
Eine derartige Abgasreinigungsvorrichtung ist in der DE 39 28 760 C2 gezeigt. Der Adsorber, der insbesondere auf Zeolithbasis aufgebaut ist, dient dabei dazu, in der Startphase der Brennkraftmaschine, in der der katalyti­ sche Abgas-Konverter noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat und daher noch nicht wirksam ist, Abgas- Schadstoffe zu speichern bzw. zu adsorbieren. Bei Verwen­ dung von Zeolith ist die Adsorption von Kohlenwasserstof­ fen besonders wirkungsvoll. Mit zunehmender Erwärmung der Abgasanlage bzw. des Adsorbers werden die daran angela­ gerten Schadstoffe/Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt und können dann zumindest theoretisch im nachgeschalteten katalytischen Konverter, der dann ebenfalls seine Be­ triebstemperatur erreicht haben sollte, unschädlich ge­ macht werden. Tatsächlich hat sich jedoch gezeigt, daß ausgehend von einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bei der Erwärmung der gesamten Brennkraftmaschinen-Abgasan­ lage das Adsorptionsvermögen eines Zeolith-Adsorbers eher nachläßt als ein katalytischer Konverter in der Lage ist, Kohlenwasserstoffe erfolgreich zu konvertieren. Das heißt, daß die zunächst im Adsorber gespeicherten Kohlen­ wasserstoffe/Schadstoffe auch wieder freigesetzt werden, noch ehe der katalytische Konverter diese Schadstoffe un­ schädlich machen kann. Die kurzzeitige Speicherung der Kohlenwasserstoffe ausgehend von einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bleibt somit im wesentlichen unwirk­ sam, da in Summe betrachtet keine Entlastung der Umwelt erfolgt, sondern die Schadstoffe lediglich zu einem spä­ teren Zeitpunkt konzentriert ausgestoßen werden.
Hier Abhilfemaßnahmen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Heizvorrichtung für den katalytischen Konverter vorgesehen, die vom Adsorber ausreichend weit beabstandet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen beschreiben die Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, die nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine die ebenfalls kalte Abgasanlage bzw. den ebenfalls kalten katalytischen Konverter schneller auf seine Betriebstemperatur bringen kann. Somit ist gewährleistet, daß dann, wenn der Adsor­ ber, insbesondere Zeolith-Adsorber die zunächst gespei­ cherten Schadstoffe/Kohlenwasserstoffe wieder freigibt, der katalytische Konverter diese Schadstoffe erfolgreich konvertieren kann. Dabei ist die Anordnung so zu wählen, daß eine Erwärmung des Adsorbers durch die Heizvorrich­ tung ausgeschlossen ist, d. h. die Heizvorrichtung sollte ausreichend weit vom Adsorber beabstandet sein. Neben einem elektrisch beheizten Katalysator kann auch zwischen dem Adsorber sowie einem üblichen monolithischen Kataly­ sator ein Brenner vorgesehen sein. Zwar sind derartige Brenner, die einen katalytischen Konverter schneller auf seine Betriebstemperatur bringen, an sich bekannt, jedoch sind beim bekannten Stand der Technik diese Konverter stets direkt stromab der Brennkraftmaschine angeordnet. Würde man nun bei einer gattungsgemäßen Abgasreinigungs­ vorrichtung mit einem katalytischen Konverter sowie einem diesem vorgeschalteten Adsorber einen Brenner ebenfalls direkt stromab der Brennkraftmaschine und somit stromauf des Adsorbers anordnen, so würde der Wirkungsgrad einer derartigen Abgasreinigungsvorrichtung noch verschlech­ tert, da der Adsorber lediglich für einen noch kürzeren Zeitraum als ohne Brenner in der Lage wäre, Schadstoffe einzufangen und zu speichern. Demgegenüber wurde bei der vorliegenden Erfindung erkannt, daß mit der vorgeschlage­ nen Brenneranordnung bzw. Heizvorrichtungs-Anordnung einerseits der Adsorber/Zeolith-Adsorber seine bekannte Wirksamkeit behält, und daß andererseits mit Abschluß der Adsorptionsfunktion der nachgeschaltete katalytische Kon­ verter bereits wirksam ist, d. h. in der Lage ist, die emittierten Abgas-Schadstoffe erfolgreich umzuwandeln.
Ein Brenner kann direkt in der Abgasanlage der Brenn­ kraftmaschine zwischen dem Adsorber sowie dem Konverter angeordnet sein. Ist er jedoch außerhalb der Abgasanlage angeordnet, so stellt der Brenner vorteilhafterweise bei Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine kein Strömungshinder­ nis dar. Besitzt der Brenner dabei neben der eigenen Brennstoffversorgung auch eine eigene Brennluftversor­ gung, so läßt sich ein optimaler Brennerbetrieb auf ein­ fache Weise einstellen. Eine eigene Brennstoffversorgung für den Brenner ist im übrigen erforderlich, da im Be­ reich des Brenners ein brennbares Gemisch, u. a. beste­ hend aus Kohlenwasserstoffen, vorhanden sein muß. Wenn aber der Brenner einem Adsorber, der u. a. Kohlenwasser­ stoffe aus dem Abgasstrom ausscheidet, nachgeschaltet ist, so müssen selbstverständlich die für den erfolgrei­ chen Brennerbetrieb erforderlichen Kohlenwasserstoffe wieder separat zugeführt werden. Liegt - wie bereits er­ wähnt - der Brenner außerhalb der eigentlichen Abgasan­ lage, so erfolgt die Erwärmung bzw. Aufheizung des Kon­ verters über die Brenner-Abgase. Diese werden dazu stromab des Adsorbers sowie stromauf des Konverters in die Abgasanlage eingeleitet. Stromab der Mündungsstelle dieser Brenner-Abgase bzw. direkt stromauf des Konverters kann dabei eine im Zusammenhang mit katalytischen Abgas­ reinigungsvorrichtungen bekannte Lambda-Sonde angeordnet sein. Dieser vorgeschlagene Montageort ermöglicht es, trotz der Zufuhr von insbesondere überstöchiometrischem Brenner-Abgas den katalytischen Konverter, insbesondere 3-Wege-Katalysator, mit "stöchiometrischem Abgas" zu be­ aufschlagen und somit eine optimale Reduktion von Stick­ oxiden zu erzielen. Der Begriff des "stöchiometrischen Abgases" ist dabei so zu deuten, daß die Brennkraftma­ schine unter Ausnutzung der Signale der Lambda-Sonde mit einem derartigen Gemisch betrieben wird, daß das Brenn­ kraftmaschinen-Abgas und das Brenner-Abgas ein derartiges Abgasgemisch ergeben, als wenn die Brennkraftmaschine bei stillgesetztem Brenner mit stöchiometrischem Gemisch be­ trieben werden würde.
Die beigefügte und im folgenden erläuterte Prinzipskizze zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit der Bezugsziffer 1 ist eine fremdgezündete, in be­ triebswarmem Zustand in weiten Kennfeldbereichen mit stö­ chiometrischem Gemisch betriebene Brennkraftmaschine be­ zeichnet. Deren Abgase gelangen über einen Abgaskrümmer 2 in einen Adsorber 3, der ein Zeolith enthält. Die sich an den Adsorber 3 anschließende, in ihrer Gesamtheit mit 4 bezeichnete Abgasanlage besteht u. a. aus einem katalyti­ schen Konverter 5 sowie einem Schalldämpfer 6. Über das Endrohr 7 gelangen die Brennkraftmaschinen-Abgase in die Umgebung.
Stromab des Adsorbers 3 sowie stromauf des Konverters 5 können über ein Brennerrohr 8 Abgase eines Brenners 9 in die Abgasanlage 4 gelangen. Die Mündungsstelle des Bren­ nerrohres 8 in die Abgasanlage 4 ist dabei ausreichend weit vom Adsorber 3 entfernt, um zu verhindern, daß der Adsorber 3 durch heiße Brennerabgase erwärmt wird. Der Brenner 9 ist mit einer eigenen Brennstoffversorgung 10 sowie einer eigenen Brennluftversorgung 11 (Gebläse) ver­ sehen. Vorgesehen ist ferner eine stromab der Mündung des Brennerrohres 8 in die Abgasanlage 4 hineinragende Lambda-Sonde 12, deren Signale bei der Bemessung des der Brennkraftmaschine zugeführten brennbaren Gemisches be­ rücksichtigt werden.
Wird die kalte Brennkraftmaschine 1 gestartet, so ist auch die Abgasanlage 4 noch kalt, d. h. der katalytische Konverter 5 besitzt noch nicht seine Betriebstemperatur von mindestens 300°C, ab der er in der Lage ist, schädli­ che Abgasbestandteile umzuwandeln. Mit einem Start der Brennkraftmaschine 1 wird gleichzeitig der Brenner 9 in Betrieb genommen, d. h. er wird mit Brennluft sowie Brennstoff versorgt und gezündet. Die dabei freiwerdenden heißen Brenner-Abgase gelangen über das Brennerrohr 8 in die Abgasanlage 4 und bewirken somit eine verstärkte bzw. beschleunigte Erwärmung des Konverters 5.
Solange der mit einem Zeolith befüllte Adsorber 3, durch den die Brennkraftmaschinen-Abgase hindurchströmen, noch kälter als ca. 200°C-250°C ist, können in diesem Adsor­ ber 3 Kohlenwasserstoffe, die in den Brennkraftmaschinen- Abgasen enthalten sind, gespeichert werden. In einer er­ sten Zeitspanne anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine gelangen dank des Adsorbers 3 somit keine Kohlenwasserstoffe in die Umgebung. Beträgt jedoch die Temperatur des Adsorbers 3 ca. 250°C-300°C, so gibt der Adsorber 3 die zunächst gespeicherten Kohlenwasser­ stoffe wieder frei. Zu diesem Zeitpunkt hat dank des Be­ triebs des Brenners 9 jedoch der Konverter 5 bereits seine Betriebstemperatur erreicht und ist nunmehr in der Lage, nicht nur die laufend von der Brennkraftmaschine 1 emittierten Kohlenwasserstoffe, sondern auch die zunächst im Adsorber gespeicherten und nunmehr freigesetzten Koh­ lenwasserstoffe erfolgreich zu konvertieren. Selbstver­ ständlich kann nunmehr, da der katalytische Konverter 5 seine Betriebstemperatur erreicht hat, auch der Brenner 9 abgeschaltet werden.
Indem eine Lambda-Sonde 12, mit der der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom ermittelt werden kann, direkt stromauf des Konverters 5 sowie stromab der Mündung des Brennerrohres 8 angeordnet ist, wird zum einen gewährleistet, daß auch diese Lambda-Sonde 12 nach einem Kaltstart der Brenn­ kraftmaschine 1 kurzfristig ihre Betriebstemperatur er­ reicht, was ebenfalls im Hinblick auf erfolgreiche Schadstoffkonvertierung im katalytischen Konverter 5 er­ wünscht ist. Zum anderen mißt die Lambda-Sonde 12 an der vorgeschlagenen Stelle den Summen-Abgasstrom, der sich aus dem Brennkraftmaschinen-Abgas sowie dem Brenner-Abgas ergibt. Hiermit ist es möglich, die Brennkraftmaschine 1 während der Warmlaufphase mit unterstöchiometrischem Ge­ misch zu betreiben und dennoch aufgrund der Brennluftver­ sorgung 11 im katalytischen Konverter 5 ein Abgas vorlie­ gen zu haben, welches im wesentlichen einem stöchiometri­ schen Gemisch entspricht, so daß im Konverter ebenfalls Stickoxide erfolgreich umgewandelt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellt der Konverter 5 eine Baueinheit dar aus einem üblichen monolithischen Abgaskatalysator sowie einem diesem vorge­ schalteten, durch eine elektrische Widerstandsheizung be­ heizbaren Metallkatalysator. Hier wird der katalytische Konverter - wie an sich bekannt - elektrisch beheizt und ist somit ebenfalls in der Lage, wirkungsvoll Schadstoffe umzuwandeln, wenn der Adsorber 3 aufgrund seiner Erwär­ mung diese zunächst gespeicherten Schadstoffe freigibt. Gewährleistet sein muß dabei lediglich, daß der Adsorber 3 ausreichend weit von der Heizvorrichtung, d. h. vom Elektro-Katalysator beabstandet ist, so daß der Adsorber durch diese Heizvorrichtung keine zusätzliche Erwärmung erfährt. Selbstverständlich ist bei Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung kein Brenner 9 inklusive seiner Peripherie-Vorrichtungen 8, 10, 11 erforderlich. Dabei kann es empfehlenswert sein, dann die Lambda-Sonde 12 direkt stromab der Brennkraftmaschine 1 sowie stromauf des Adsorbers 3 anzuordnen. Jedoch kann dies sowie wei­ tere Details durchaus anderweitig gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine (1) mit einem katalytischen Konverter (5) sowie einem stromauf desselben angeordneten, insbesondere ein Zeolith enthaltenden Adsorber (3), gekennzeichnet durch eine vom Adsorber (3) ausrei­ chend weit beabstandete Heizvorrichtung für den ka­ talytischen Konverter.
2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet und im Konverter (5) integriert ist.
3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung als ein zwischen dem Adsorber (3) sowie dem Konverter (5) vorgesehener, mit einer eigenen Brennstoffver­ sorgung (10) versehener Brenner (9) zur Erhitzung des Konverters (5) und/oder des Abgasstromes ausge­ bildet ist.
4. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:
  • - der Brenner (9) besitzt eine eigene Brennluftversor­ gung (11)
  • - der Brenner (9) ist außerhalb der den Adsorber (3) mit dem Konverter (5) verbindenden Abgasanlage (4) angeordnet
  • - die Brenner-Abgase gelangen stromab des Adsorbers (3) sowie stromauf des Konverters (5) über ein Bren­ nerrohr (8) in die Abgasanlage (4)
  • - eine Lambda-Sonde (12) mißt die Abgaszusammensetzung stromauf des Konverters (5) und stromab des Brenners (9).
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