DE4322524A1 - Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine mit einem Trägerkörper für die kataly­ tische Schicht, der in einem vom Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine umspülten Gehäuse angeordnet ist, mit einem über weiten Bereichen der Trägerkörper-Oberfläche vorgesehenen Luftspalt zwischen Trägerkörper und Gehäuse bei kaltem Trägerkörper.

Beispielsweise aus der DE-OS 25 09 210 ist es bekannt, einen Abgaskatalysator relativ nahe am Auslaßkanal einer Brennkraftmaschine anzuordnen, da hierdurch die Abgase weitgehend ungekühlt in den Katalysator gelangen, so daß dieser ausgehend von einem Kaltstart der Brennkraftma­ schine relativ kurzfristig seine Betriebstemperatur er­ reicht. Andererseits gilt es jedoch, im Dauerbetrieb den Katalysator vor einer Überhitzung zu schützen. Daher wird ein den Katalysator aufnehmendes Gehäuse vom Kühlmittel­ kreislauf der Brennkraftmaschine umspült, so daß schädi­ gende Wärmemengen über diesen Kühlmittelkreislauf ab­ transportiert werden können. Beim bekannten Stand der Technik ist zwischen dem vom Kühlmittelkreislauf umspül­ ten Gehäuse sowie dem katalytisch beschichteten Träger­ körper ein isolierender Luftspalt vorgesehen.

Versuche haben gezeigt, daß aufgrund dieses über weiten Bereichen der Trägerkörper-Oberfläche vorgesehenen Luft­ spaltes zwischen dem Trägerkörper und dem Gehäuse keine ausreichende Wärmeabfuhr im Dauerbetrieb der Brennkraft­ maschine möglich ist. Insbesondere bei unregelmäßiger Verbrennung in den Brennkraftmaschinen-Zylindern, so bei­ spielsweise bei Zündaussetzern, bei Ausmagern oder auch bei Einsetzen einer Klopfregelung kann weiterhin die thermische Belastungsgrenze des Katalysators überschrit­ ten werden. Wird andererseits auf den Luftspalt vollstän­ dig verzichtet, d. h. liegt andererseits der Trägerkörper im wesentlichen vollständig am vom Kühlmittelkreislauf umspülten Gehäuse an, so wird bereits in der sich an einen Kaltstart anschließenden Warmlaufphase der Brenn­ kraftmaschine dieser Katalysator so stark abgekühlt, daß er seine Anspringtemperatur bzw. Betriebstemperatur zu spät erreichen. Erhöhte Schadstoffemissionen sind hiervon die Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine demgegenüber verbesserte Anordnung für einen Abgaskatalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der be­ triebswarme Trägerkörper aufgrund von Wärmedehnung in weiten Oberflächenbereichen am Gehäuse anliegt.

Erläutert wird dies sowie weitere ggf. erfindungswesent­ liche Merkmale anhand einer Prinzipskizze. In dieser Skizze ist mit der Bezugsziffer 1 ein katalytisch be­ schichteter Trägerkörper bezeichnet, der wie bekannt, eine Vielzahl von Kanälen für einen gemäß Pfeilrichtung 2 durch den Trägerkörper 1 hindurchgeleiteten Abgasstrom einer Brennkraftmaschine aufweist. Über einen geeignet gestalteten Zentrierring 3 oder dgl. ist der Trägerkörper 1 in einem Gehäuse 4 gelagert, das vom Kühlmittelkreislauf 5 der nicht gezeigten Brennkraftmaschine umspült ist. Geführt wird dieser Kühlmittelkreislauf somit einer­ seits von Außenwand des Gehäuses 4 sowie andererseits von einer geeignet gestalteten Begrenzungswand 6.

Mit der gezeigten Anordnung bzw. Lagerung des Trägerkör­ pers 1 innerhalb des Gehäuses 4 ergibt sich über weiten Bereichen der Trägerkörper-Oberfläche der mit der Bezugs­ ziffer 7 bezeichnete Luftspalt zwischen dem Trägerkörper 1 sowie dem Gehäuse 4. Dieser Luftspalt verhindert, daß anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine die Wärmemenge, die dazu benötigt wird, den Abgaskataly­ sator schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen, über den Kühlmittelkreislauf 5 abgeführt wird. Der ge­ zeigte Katalysator erreicht somit nach einem Kaltstart umgehend seine Betriebstemperatur und beginnt erfolgreich mit der Schadstoff-Konversion. Bei weiterem Betrieb der Brennkraftmaschine und insbesondere bei vermehrtem Abgas­ strom 2, hervorgerufen durch eine höhere Brennkraftma­ schinen-Belastung, nimmt die Temperatur des Katalysators weiter zu, so daß sich der Trägerkörper 1 aufgrund von Wärmedehnung solange ausdehnt, bis die Mantelfläche 1′ an der Innenseite des Gehäuses 4 zumindest bereichsweise an­ liegt, so daß nun die im Katalysator vorhandene Wärme durch Wärmeleitung in gesteigertem Maße in den Kühlmit­ telkreislauf 5 gelangen kann. Während nämlich bei Vorhan­ densein eines Luftspaltes 7 eine Wärmeabgabe vom Träger­ körper 1 an den Kühlmittelkreislauf 5 nur über Wärme­ strahlung erfolgen kann, tritt dann, wenn der betriebs­ warme Trägerkörper 1 am Gehäuse 4 anliegt, direkte Wärme­ leitung auf, über die bekanntermaßen größere Wärmemengen transportiert werden können. Eine Überhitzung des kataly­ tisch beschichteten Trägerkörpers 1 wird somit erfolg­ reich verhindert.

Nach Abstellen der Brennkraftmaschine kühlt sich auch der Trägerkörper 1 ab und zieht sich zusammen. Hierdurch wird wieder der gezeigte, isolierende Luftspalt 7 gebildet, so daß bei einem neuerlichen Start der Brennkraftmaschine der Katalysator auch schnell wieder seine Betriebstempe­ ratur erreicht. Über die Größe des Luftspaltes bei Umge­ bungstemperatur bzw. bei kaltem Trägerkörper 1 ist die Grenztemperatur einstellbar, bei welcher die Wärmeleitung beginnt. Besonders vorteilhaft und wirksam ist die ge­ zeigte Katalysatoranordnung für die sog. Vorkatalysato­ ren, die nahe des und bevorzugt im Auslaßkanal eines Brennkraftmaschinen-Zylinderkopfes gelagert bzw. angeord­ net sind. In diesem Falle kann das Gehäuse 4 selbst die Wand des Auslaßkanales sein. Bei diesen relativ kleinen Vorkatalysatoren, die jeweils das Abgas eines einzigen Brennkraftmaschinen-Zylinders konvertieren, liegt ein be­ sonders günstiges Größenverhältnis zwischen dem Volumen des Katalysators sowie der wärmeabführenden Mantelfläche 1′ vor.

Das vorgeschlagene Kühlkonzept ermöglicht die thermische Isolation des beispielsweise monolithischen Trägerkörpers 1 im Warmlauf der Brennkraftmaschine und stellt gleich­ zeitig seine Kühlung bei hohen Abgastemperaturen sicher. Damit wird die thermische Belastung des Katalysators ver­ ringert und hohe Konversionsraten auch bei langer Be­ triebsdauer sichergestellt. Bei einem Kaltstart erreicht der Katalysator schneller seine Betriebstemperatur und vermindert somit erfolgreich die Schadstoffemissionen während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine. Wird die beschriebene Anordnung für ein Fahrzeug gewählt, so ver­ hindert der ebenfalls beschriebene brennkraftmaschinen­ nahe Einbau, daß bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten sowie im Leerlauf der Katalysator auskühlt und nicht mehr zu konvertieren in der Lage ist. Somit kann der Leerlauf verbrauchsgünstiger ausgelegt und der Kraftstoffverbrauch abgesenkt werden. Zur Aufheizung des Katalysators sind keine zusätzlichen Maßnahmen, wie beispielsweise Sekun­ därlufteinblasung oder elektrische Katalysatorheizung er­ forderlich. Auch kann das beschriebene System direkt an die Auslaßkanäle des Brennkraftmaschinen-Zylinderkopfes angeflanscht werden und ist deshalb auch zur Nachrüstung für Altfahrzeuge geeignet.

Claims (2)

1. Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine mit einem Trägerkörper (1) für die katalytische Schicht, der in einem vom Kühlmittelkreislauf (5) der Brennkraft­ maschine umspülten Gehäuse (4) angeordnet ist, mit einem über weiten Bereichen der Trägerkörper-Mantel­ fläche (1′) vorgesehenen Luftspalt (7) zwischen Trä­ gerkörper (1) und Gehäuse (4) bei kaltem Trägerkör­ per, dadurch gekennzeichnet, daß der betriebswarme Trä­ gerkörper (1) aufgrund von Wärmedehnung in weiten Mantelflächenbereichen (1′) am Gehäuse (4) anliegt.

2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) im Aus­ laßkanal des Brennkraftmaschinen-Zylinderkopfes ge­ lagert oder durch diesen gebildet ist.