DE102004046918A1 - Device for catalytic conversion of unwanted constituents of exhaust gases from engine into less harmful constituents has section of catalyser assembly which when heater is not available is first set in operation in cold start phase - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung unerwünschter Bestandteile von Abgasen von einem Verbrennungsmotor in weniger schädliche Bestandteile gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a device for converting unwanted Components of exhaust gases from an internal combustion engine into less harmful components according to the generic term of claim 1.
Um eine Emissionsbelastung von Verbrennungsmotoren zu senken und damit eine bessere Umweltverträglichkeit zu erreichen, ist es seit langem bekannt, im Abgasstrang sogenannten Katalysatoren zur Abgasreinigung einzusetzen. Derartige Katalysatoren weisen häufig ein Gehäuse und einen darin gelagerten, oftmals keramischen, Monolithen auf, dessen Oberfläche mit einer porösen, katalytischen Schicht versehen ist. Beim Durchströmen des Katalysators werden die Verbrennungsabgase von der katalytischen Beschichtung des Katalysators umgewandelt. Der Umwandlungsprozess erfordert jedoch eine bestimmte Mindesttemperatur, welche ca. 400° C beträgt. Insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, in welcher das Abgas lediglich eine Temperatur von ca. 100° C aufweist, findet durch den Katalysator nahezu keine Reduzierung der Schadstoffe statt. Vielmehr erwärmt das Abgas in der Kaltstartphase zunächst den Katalysator, bis dieser seine Betriebstemperatur erreicht hat. Zur Verbesserung der Schadstoffreduktion, insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, sind daher verschiedenste Lösungen, wie beispielsweise Zusatzheizungen zur Erwärmung des Katalysators, bekannt.Around to reduce an emission load of internal combustion engines and thus a better environmental compatibility To achieve it, it has long been known in the exhaust system so-called Use catalysts for exhaust gas purification. Such catalysts point frequently a housing and a monolith, often ceramic, stored therein, its surface with a porous, catalytic layer is provided. When flowing through the Catalyst, the combustion gases from the catalytic Coating of the catalyst converted. The transformation process however, requires a certain minimum temperature, which is about 400 ° C. Especially in a cold start phase of the internal combustion engine, in which the exhaust gas only has a temperature of about 100 ° C, found by the Catalyst almost no reduction of pollutants instead. Much more heated the exhaust gas in the cold start phase, first the catalyst until this his Operating temperature has reached. To improve pollutant reduction, especially in the cold start phase of the internal combustion engine, are therefore different solutions, such as additional heaters for heating the catalyst, known.
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Aus
der
Schließlich ist
aus der
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher insbesondere ein schnelleres Anspringen einer Katalysatoranordnung und damit eine verbesserte Reduktion der Schadstoffemission in der Kaltstartphase erreicht werden kann.The present invention employs dealing with the problem, for a device initially mentioned Kind an improved embodiment specify with which in particular a faster start of a Catalyst arrangement and thus an improved reduction of pollutant emissions can be achieved in the cold start phase.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention this Problem with the objects the independent one claims solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Vorrichtung zur katalytischen Umwandlung unerwünschter Bestandteile von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor in weniger schädliche Bestandteile eine in einem Abgasstrang bypassfrei angeordnete und von den Abgasen in Längsrichtung durchströmbare Katalysatoranordnung mittels einer elektrischen Heizeinrichtung zu beheizen, wobei die Heizeinrichtung innerhalb eines Bereiches der Katalysatoranordnung, der bei nicht vorhandener Heizeinrichtung in einer Kaltstartphase zuerst anspringen würde, angeordnet und/oder von den axialen Enden der Katalysatoranordnung um ein Maß beabstandet ist, welches bei zumindest ca. 20% der axialen Längserstreckung der Katalysatoranordnung liegt. Die Katalysatoranordnung besteht im Wesentlichen entweder aus einem einzigen Katalysatorkörper oder aus mehreren neben- und/oder hintereinander angeordneten Katalysatorkörpern. Die elektrische Heizeinrichtung beheizt dabei zumindest einen Teil des/der Katalysatorkörper(s) während einer Startphase.The The invention is based on the general idea of a device for the catalytic conversion of undesirable constituents of exhaust gases from an internal combustion engine into less harmful components an in an exhaust line bypass-arranged and the exhaust gases in the longitudinal direction flow-through Catalyst arrangement by means of an electric heater to heat, with the heater within a range the catalyst assembly, the non-existent heater would start in a cold start phase first, arranged and / or by the axial ends of the catalyst assembly is spaced by a degree, which at least about 20% of the axial length of the catalyst assembly lies. The catalyst arrangement consists essentially either from a single catalyst body or of a plurality of catalyst bodies arranged side by side and / or in succession. The Electric heater heats at least a part of / the Catalyst body (s) while a start phase.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der elektrischen Heizeinrichtung kann eine besonders effektive Aufheizung der Katalysatoranordnung bzw. der Katalysatorkörper erreicht werden, ohne dass es zu einem wesentlichen Heizenergieverlust kommt. Denn die Heizeinrichtung ist im Vergleich zu einer eingangsseitig oder endseitig der Katalysatoranordnung angeordneten Heizeinrichtung deutlich effektiver und wirtschaftlicher, da die Heizenergie unmittelbar auf katalytisch wirksame Zonen der Katalysatoranordnung übertragen wird und Abstrahlverluste, wie sie bei einer eingangs- oder endseitig angeordneten Heizeinrichtung auftreten, vermieden werden können.By the inventive arrangement the electric heater can be a particularly effective heating the catalyst arrangement or the catalyst body can be achieved, without that there is a significant loss of heating energy. Because the Heating device is compared to an input side or end the catalyst assembly arranged heater much more effective and more economical, since the heating energy directly on catalytic effective zones of the catalyst arrangement is transmitted and radiation losses, as with an input or end arranged heating device occur can be avoided.
Darüber hinaus haben Temperaturmessungen an Katalysatoranordnungen ohne Heizeinrichtung in der Kaltstartphase gezeigt, dass die Katalysatoranordnung zunächst nicht in einem anströmseitigen Bereich, sondern weiter hinten, das heißt beabstandet von der Anströmseite der Katalysatoranordnung anspringt. Der Bereich, innerhalb dessen die Katalysatoranordnung zuerst anspringt, lässt sich durch simultane Temperaturmessungen an verschiedenen Bereichen der Katalysatoranordnung ermitteln. Denn das Anspringen der Katalysatoranordnung ist stets mit einer exothermen Reaktion und damit mit einem signifikanten Sprung/Anstieg der Temperatur des anspringenden Bereiches der Katalysatoranordnung verbunden.Furthermore have temperature measurements on catalyst assemblies without a heater shown in the cold start phase that the catalyst arrangement initially not in an upstream side Range, but further back, that is spaced from the upstream side of the Catalyst arrangement starts. The area within which the catalyst assembly first starts, lets by simultaneous temperature measurements on different areas determine the catalyst arrangement. Because the onset of the catalyst arrangement is always with an exothermic reaction and thus with a significant Jump / increase in the temperature of the starting region of the catalyst arrangement connected.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, genau die Bereiche der Katalysatoranordnung zu beheizen, welche bei einer Katalysatoranordnung ohne elektrische Heizeinrichtung zuerst anspringen würden. Bei der Erfindung ist die Heizeinrichtung demnach nicht strömungseingangsseitig der Katalysatoranordnung, sondern in einem davon beabstandeten und stromab gelegenen Bereich angeordnet, wodurch das schnelle Anspringen eines optimalen Bereiches der Katalysatoranordnung unterstützt bzw. beschleunigt und somit die kurzfristig initiierte exotherme Reaktion im angesprungenen Bereich der Katalysatoranordnung zu deren weiterer Aufheizung genutzt und die Kaltstartphase wesentlich verkürzt werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung erreicht somit, dass der für das Anspringen, das sogenannte „Light-off" der Katalysatoranordnung, notwendige Wärmeeintrag bedarfsgerecht erfolgt und die Leistungsaufnahme der elektrischen Heizeinrichtung zur Erreichung der Katalysatoraktivierung auf ein notwendiges Mindestmaß reduziert wird. Im Ergebnis braucht bei der Erfindung die Heizeinrichtung nur während eines kurzen Zeitintervalls eingeschaltet zu werden, was darüber hinaus zur Folge hat, dass die Kosten für notwendige Zusatzbauteile für den Eintrag der thermischen Energie in die Katalysatoranordnung ebenfalls minimiert werden können.According to the invention, it is provided exactly to heat the areas of the catalyst assembly, which in a catalyst assembly without an electric heater would jump first. In the invention, the heater is therefore not flow input side the catalyst arrangement, but in one of them spaced apart and arranged downstream area, causing the quick start an optimal range of the catalyst arrangement supported or accelerates and thus the short-term initiated exothermic reaction in the cracked region of the catalyst arrangement to the other Heating used and the cold start phase are significantly shortened can. The solution according to the invention is achieved thus that for the Starting, the so-called "light-off" of the catalyst arrangement, necessary heat input as required and the power consumption of the electrical Heating device to achieve the catalyst activation on a necessary minimum reduced becomes. As a result, in the invention, the heater needs only during a short time interval to be turned on, what more The result is that the cost of necessary additional components for the entry of the thermal energy in the catalyst arrangement can also be minimized.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich somit eine Reduktion der zum Anspringen der Katalysatoranordnung benötigten Heizenergie bei gleichzeitig verkürzter Kaltstartphase erreichen, wodurch sich insgesamt eine verbesserte Energiebilanz und ein verbessertes Umweltverhalten einstellen.By the solution according to the invention can be thus a reduction in the onset of the catalyst arrangement required Achieve heating energy with a simultaneously shortened cold start phase, resulting in an overall improved energy balance and an improved energy balance Set environmental behavior.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, dass die zur Aufheizung der Katalysatoranordnung bzw. der/des Katalysatorkörper(s) dienende Heizung selbst eine katalytische Beschichtung aufweist. Dies bietet den großen Vorteil, dass eine katalytische Wirkung noch schneller erreicht werden kann, da die elektrische Heizeinrichtung sehr schnell die zur katalytischen Umwandlung von Abgasen erforderliche Temperatur von ca. 400° C erreicht und dadurch die Kaltstartphase erheblich verkürzt. Gleichzeitig heizt die elektrische Heizeinrichtung die umliegenden Katalysatorkörper und verkürzt dadurch einen zur Aktivierung derselben benötigten Zeitraum.The solution according to the invention is based continue on the general idea that to heat up the Catalyst arrangement or the / of the catalyst body (s) serving heating itself having a catalytic coating. This offers the great advantage that a catalytic effect can be achieved even faster because the electric heater very fast to the catalytic Conversion of exhaust gases required temperature of about 400 ° C reached and thereby significantly shorten the cold start phase. At the same time it heats up electric heater the surrounding catalyst body and shortened thereby a period of time required to activate it.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Katalysatoranordnung zumindest zwei in Strömungsrichtung hintereinander gelegene und als Scheiben ausgebildete Katalysatorkörper auf. Die Katalysatorkörper können dabei jeweils als Monolithe ausgebildet oder aus mehreren einzelnen Katalysator(kreis)segmenten zusammengesetzt sein, so dass ein individueller Aufbau der Katalysatoranordnung denkbar ist. Vorzugsweise sind dabei die Scheiben in Strömungsrichtung voneinander beabstandet angeordnet, wodurch sich die aus einer stromauf gelegenen Katalysatorscheibe austretenden Abgase in einem Zwischenraum zwischen den beiden Katalysatorscheiben gleichmäßig verteilen können und homogenisiert sowie mit gleichförmiger Verteilung über den Querschnitt der Katalysatorscheibe in die nächste Katalysatorscheibe eintreten können. Dies verbessert den Wirkungsgrad der Katalysatoranordnung, da eine nahezu gleichmäßige Durchströmung der gesamten Katalysatoranordnung erfolgt und eine Überlastung einzelner Bereiche vermieden werden kann.According to an advantageous embodiment of the solution according to the invention, the catalyst arrangement has at least two catalyst bodies arranged one behind the other in the flow direction and designed as disks. The catalyst bodies can each be formed as monoliths or be composed of several individual catalyst (circle) segments, so that an individual structure of the catalyst arrangement is conceivable. Preferably, the discs are arranged spaced apart in the flow direction, where by itself can distribute the exiting from an upstream catalyst disc exhaust gases in an intermediate space between the two catalyst disks evenly and homogenized and can enter with uniform distribution over the cross section of the catalyst disk in the next catalyst disk. This improves the efficiency of the catalyst arrangement, since a virtually uniform flow through the entire catalyst arrangement takes place and overloading of individual areas can be avoided.
Zweckmäßig ist die Heizeinrichtung zwischen zwei Scheiben angeordnet. Dies vereinfacht zum einen die Anordnung der Heizeinrichtung und ermöglicht zum anderen ein paralleles Aufheizen von benachbarten Katalysatorscheiben und Abgasen.Is appropriate the heating device is arranged between two panes. This simplifies to one the arrangement of the heater and allows the other a parallel Heating of adjacent catalyst disks and exhaust gases.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Katalysatoranordnung zumindest eine Aufnahme in Form einer Bohrung oder eine Ausfräsung zur Aufnahme der Heizeinrichtung auf. Dies erleichtert insbesondere bei monolithisch ausgebildeten Katalysatorkörpern die Anordnung der elektrischen Heizeinrichtung bzw. macht die erfindungsgemäße Anordnung der Heizeinrichtung an monolithischen Katalysatoranordnungen überhaupt erst möglich. Ohne die erfindungsgemäße Aufnahme müsste die elektrische Heizeinrichtung in herkömmlicher Weise längsendseitig der Katalysatoranordnung angeordnet werden, wodurch sich die Kaltstartphase verlängert und das Umweltverhalten verschlechtert.According to one advantageous development of the solution according to the invention comprises the catalyst arrangement at least one receptacle in the form of a hole or a cutout for Recording of the heater on. This facilitates in particular at monolithically formed catalyst bodies, the arrangement of the electrical Heating device or makes the inventive arrangement of the heater only possible on monolithic catalyst arrangements. Without the recording according to the invention should the electric heater in a conventional manner along the end the catalyst assembly are arranged, whereby the cold start phase extended and the environmental behavior deteriorates.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform fluchtet die Aufnahme für die elektrische Heizeinrichtung mit einer Durchtrittsöffnung in einem die Katalysatoranordnung umgebenden Gehäuse. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Einbau bzw. Austausch der elektrischen Heizeinrichtung und steigert die Wartungsfreundlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gleichzeitig können auf diese Weise Wartungs- und/oder Reparaturkosten gesenkt werden.at a preferred embodiment is aligned the recording for the electric heater with a passage opening in a housing surrounding the catalyst assembly. This allows one particularly simple installation or replacement of the electric heater and increases the ease of maintenance of the device according to the invention. At the same time In this way maintenance and / or repair costs are reduced.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.preferred embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explains where like reference numerals refer to the same or functionally same or similar Refer to components.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,there show, in each case schematically,
Entsprechend
Des
Weiteren ist zumindest eine elektrische Heizeinrichtung
Um
das Anspringen der Katalysatoranordnung
Dies
bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu einer stirnendseitig an
der Katalysatoranordnung
Gemäß
Generell
ist auch denkbar, dass die Katalysatoranordnung
Durch
die Zwischenräume
Denkbar
ist wie oben erwähnt
auch, dass die Heizeinrichtung
Generell
kann eine abströmseitige
Rückseite
Vorzugsweise
weist die Heizeinrichtung
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weist
die Heizeinrichtung
Gemäß
Im Folgenden zeigt:
- – Kurve B den zeitabhängigen Verlauf
der Temperatur auf der Strömungseingangsseite
einer Katalysatoranordnung
3 mit erfindungsgemäß angeordneter Heizeinrichtung6 , - – Kurve
C den zeitabhängigen
Verlauf der Kohlenwasserstoffkonzentration ausgangsseitig dieser Katalysatoranordnung
3 mit Heizvorrichtung6 , - – Kurve
D den zeitabhängigen
Verlauf der Temperatur auf der Strömungseingangsseite einer Katalysatoranordnung
3 ohne Heizeinrichtung6 und - – Kurve
E den zeitabhängigen
Verlauf der Kohlenwasserstoffkonzentration ausgangsseitig der letzteren
Katalysatoranordnung
3 ohne Heizeinrichtung6 .
- Curve B shows the time-dependent course of the temperature on the flow input side of a catalyst arrangement
3 with inventively arranged heating device6 . - Curve C shows the time-dependent course of the hydrocarbon concentration on the outlet side of this catalyst arrangement
3 with heating device6 . - Curve D shows the time-dependent course of the temperature on the flow input side of a catalyst arrangement
3 without heating device6 and - Curve E shows the time-dependent course of the hydrocarbon concentration on the output side of the latter catalyst arrangement
3 without heating device6 ,
Bei
einem Katalysator ohne Heizeinrichtung
Bei
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Das
Diagramm gemäß
Aus
Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt
charakterisieren:
Die Erfindung sieht vor, bei einer Vorrichtung
The invention provides, in a device
Idealerweise
weist die Heizeinrichtung
Claims (13)
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