DE19810360C1 - Katalytischer Konverter für einen Fahrzeugauspuff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Konverter für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges.

Die Verwendung eines katalytischen Konverters in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges ist bekannt. Der katalytische Konverter wirkt auf die Ab­ gase, die den Motor des Fahrzeuges verlassen, indem er Kohlenmonoxid, die Oxide von Stickstoff und Kohlenwasserstoffe in den Abgasen umwan­ delt. Ein typischer katalytischer Konverter besteht aus einer Anzahl von Bausteinen (beschichteten Substraten), durch welche die Abgase hin­ durchtreten können. Um wirksam zu arbeiten, müssen diese Bausteine eine Temperatur aufweisen, die über der Aufwärmtemperatur (light-off temperature) liegt - die Temperatur, über der eine Umwandlung am wirk­ samsten erreicht wird. Die Temperatur der Abgase wird verwendet, um die Temperatur dieser Bausteine über der Aufwärmtemperatur zu halten (die Schwellentemperatur, über welcher der Katalysator aktiv ist). Wenn je­ doch der Motor kalt gestartet wird, gibt es einen Anfangszeitraum (die Kaltphase oder Aufwärmzeit), wenn der katalytische Konverter kalt und inaktiv ist, jedoch Abgase durch den Konverter hindurchtreten. Während dieses Anfangszeitraums arbeitet der Konverter nicht auf effektive Weise.

Aus der EP 0 821 146 A2 ist ein katalytischer Konverter für eine Ab­ gasanlage eines Kraftfahrzeuges bekannt, umfassend ein Gehäuse mit ei­ nem Einlaß und einem Auslaß, einen in dem Gehäuse benachbart zu dem Einlaß angeordneten ersten Baustein zum Einleiten katalytischer Auf­ wärmfunktionen von Abgasen, die durch den ersten Baustein strömen, einen benachbart zu dem ersten Baustein unterstromig von dem Einlaß angeordneten Baustein zur Kohlenwasserstoffabsorption und -oxidation von Abgasen, die durch denselben strömen, und einen benachbart zu und beabstandet von diesem Baustein unterstromig von dem Einlaß angeord­ neten weiteren Baustein zum Aufwärmen von Abgasen, die durch diesen Baustein strömen, wobei der davor liegende Baustein im wesentlichen ringförmig ist und sich eine Durchgangsbohrung axial durch diesen er­ streckt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen katalytischen Kon­ verter mit einem verringerten inaktiven Zeitraum nach einem Kaltstart zu schaffen.

Ein erfindungsgemäßer katalytischer Konverter für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges umfaßt ein Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß, einen in dem Gehäuse benachbart zu dem Einlaß angeordneten ersten Baustein zum Einleiten katalytischer Aufwärmfunktionen von Abgasen, die durch den ersten Baustein strömen, einen benachbart zu dem ersten Baustein unterstromig von dem Einlaß angeordneten zweiten Baustein zur Drei-Wege-Umwandlung von Abgasen, die durch den zweiten Baustein strömen, einen benachbart zu dem zweiten Baustein unterstromig von dem Einlaß angeordneten dritten Baustein zur Kohlenwasserstoffadsorpti­ on und -oxidation von Abgasen, die durch den dritten Baustein strömen, und einen benachbart zu und beabstandet von dem dritten Baustein un­ terstromig von dem Einlaß angeordneten vierten Baustein zum Aufwär­ men von Abgasen, die durch den vierten Baustein strömen, wobei der dritte Baustein im wesentlichen ringförmig ist und sich eine Durchgangs­ bohrung axial durch diesen erstreckt, und wobei der zweite Baustein eine geschlossene Bohrung aufweist, die sich axial erstreckt und in die Durch­ gangsbohrung des dritten Bausteins öffnet.

Der katalytische Konverter der vorliegenden Erfindung ist derart ausgebil­ det, daß der vierte Baustein durch Abgase, die durch die ausgerichteten Bohrungen treten, auf seine Aufwärmtemperatur erhitzt wird, bevor der dritte Baustein seine Schwellentemperatur (Desorptionstemperatur) er­ reicht. Eine derartige Anordnung verringert den inaktiven Zeitraum des Konverters im Vergleich mit früher bekannten Anordnungen bei einer mi­ nimalen Zunahme der Kosten oder Komplexität. Bei einer bevorzugten An­ ordnung ist der vierte Baustein ein beschichteter, metallischer Schaum, der die Gasmischung in dem Baustein steigert und die radiale Wärmelei­ tung verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be­ schrieben, in dieser ist

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen katalyti­ schen Konverters.

Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, dient der erfindungsgemäße katalyti­ sche Konverter 10 zur Verwendung in einer Abgasanlage (nicht gezeigt), die mit einem Motor eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Der Konverter 10 umfaßt ein Gehäuse 12 mit einem Einlaß 14 und einem Auslaß 16. Der Einlaß 14 empfängt Abgase von dem Motor, und der Auslaß 16 leitet um­ gewandelte Abgase in Richtung des Auslasses der Abgasanlage, so daß die Gasströmung durch den Konverter 10 vom Einlaß 14 zum Auslaß 16 er­ folgt. Der Einlaß 14 und der Auslaß 16 können im wesentlichen ausge­ richtet sein. In dem Gehäuse 12 sind jeweils erste, zweite, dritte, vierte bzw. fünfte Bausteine 18, 20, 22, 24, 26 angeordnet, wobei der erste Bau­ stein 18 benachbart zu dem Einlaß 14 und der fünfte Baustein 26 be­ nachbart zu dem Auslaß 16 angeordnet ist. Der zweite Baustein 20 ist zwischen den ersten und dritten Bausteinen 18, 22 angeordnet und steht mit diesen in Kontakt, und der vierte Baustein 24 ist zwischen den dritten und fünften Bausteinen 22, 26 angeordnet und ist von diesen beabstan­ det. Die Bausteine 18-26, die unten ausführlicher beschrieben sind, ge­ statten, daß Abgase durch den Konverter 10 von dem Einlaß 14 zu dem Auslaß 16 strömen.

Der erste Baustein 18 ist ein beschichtetes Substrat mit der Hauptfunkti­ on, die katalytische Umwandlung der Gase einzuleiten, wenn das System aus kalten Bedingungen (Umgebungsbedingungen) startet. Der zweite Baustein 20 ist ein beschichtetes Substrat mit der Hauptfunktion, eine katalytische Drei-Wege-Umwandlung (CO zu CO₂, NO zu N₂O und HC zu H₂O und CO₂) ergänzend zu dem ersten Baustein 18 insbesondere nach der Aufwärmphase zu schaffen. Der zweite Baustein 20 ist dazu bestimmt, eine maximale Umwandlung in dem gesamten Motorbetriebsbereich zu erreichen, wenn der Konverter 10 auf seine normale Betriebstemperatur erhitzt ist. Der dritte Baustein 22 ist ein beschichtetes Substrat mit den Hauptfunktionen einer Kohlenwasserstoffadsorption und Kohlenwasser­ stoffoxidation. Der vierte Baustein 24 ist ein beschichteter Schaum (vorzugsweise metallisch, wie rostfreier Stahl oder ein Material, das ähnli­ che Eigenschaften aufweist) mit der Hauptfunktion eines schnellen Auf­ wärmens und eines schnellen thermischen Ansprechens. Der fünfte Bau­ stein 26 (der nicht zwingend ist) ist ein beschichtetes Substrat mit der Hauptfunktion einer Drei-Wege-Umwandlung. Das beschichtete Material bzw. die beschichteten Materialien auf den Bausteinen 18-26 und das Material bzw. die Materialien für die Substrate für die ersten, zweiten, dritten und fünften Bausteine 18, 20, 22, 26 und der Schaum für den vierten Baustein 24 können irgendein bzw. irgendwelche geeigneten Mate­ rialien zur Erfüllung der oben erwähnten Hauptfunktionen sein.

Die axialen Längen der ersten und zweiten Bausteine 18, 20 sind so vor­ bestimmt, daß sie den dritten Baustein 22 unter seiner Desorptionstem­ peratur halten, bis nachdem die Temperatur des ersten Bausteins 18 über seine Aufwärmtemperatur angestiegen ist.

Der dritte Baustein 22 ist im wesentlichen ringförmig und weist eine Durchgangsbohrung 28 auf, die sich in eine geschlossene Bohrung 30 öff­ net, die in dem zweiten Baustein 20 gebildet ist. Die Bohrungen 28, 30 erstrecken sich axial entlang der Längsachse des Konverters 10. Die Durchgangsbohrung 28 öffnet sich auch in den Raum 32 zwischen dem dritten Baustein 22 und dem vierten Baustein 24. Der vierte Baustein 24 weist einen verringerten Außendurchmesser im Vergleich mit den anderen Bausteinen 18-22, 26 auf und ist an einem ringförmigen Halteelement 34 angebracht, das eine winklige, oberstromige Seite 36 und eine winklige, unterstromige Seite 38 aufweist. Die winkligen Seiten 36, 38 sind vorgese­ hen, um Strömungsbeschränkungen zu verringern.

In Gebrauch kommen Abgase, die durch den ersten Baustein 18 und den zweiten Baustein 20 in die Bohrungen 28, 30 strömen, an dem vierten Baustein 24 mit einer höheren Temperatur an als die Abgase, die durch die ersten, zweiten und dritten Bausteine 18-22 strömen, bevor sie an dem vierten Baustein 24 ankommen. Die Abgase, die durch die Bohrun­ gen 28, 30 strömen, leiten eine Temperaturanstiegsrate in dem vierten Baustein 24 ein, während der dritte Baustein 22 mit einer langsameren Rate durch die Abgase erhitzt wird, die durch die zweiten und dritten Bausteine 20, 22 strömen. Die Abgase, die durch die zweiten und dritten Bausteine 20, 22 strömen, werden durch Wärmetransport zu dem Substrat abgekühlt. Der Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Abgasströmen hängt von dem Durchmesser D und der axialen Länge L der Bohrungen 28, 30 ab. Dies hat die Wirkung, die Zeit zu verzögern, die notwendig ist, damit der dritte Baustein 22 seine Desorptionstemperatur (die Schwellentemperatur, über welcher der dritte Baustein 22 gespei­ cherte Kohlenwasserstoffe freigibt) erreicht, bis nachdem der vierte Bau­ stein 24 über seine Aufwärmtemperatur erhitzt worden ist. Infolgedessen werden die Kohlenwasserstoffe, die anschließend von dem dritten Bau­ stein 22 freigegeben werden, von dem vierten Baustein 24 umgewandelt. Die Werte D und L sind für die Abgasanlage spezifisch, an dem der Kon­ verter 10 angebracht ist, und werden entsprechend bestimmt, daß sicher­ gestellt ist, daß der vierte Baustein 24 auf seine Aufwärmtemperatur er­ hitzt worden ist, bevor der dritte Baustein 22 seine Desorptionstemperatur erreicht.

Der verringerte Durchgang des vierten Bausteins 24 erzwingt die Vermi­ schung von Abgasen, die aus dem dritten Baustein 22 und den Bohrun­ gen 28, 30 in den Raum 32 herausströmen. Der metallische Schaum des vierten Bausteins 24 schafft eine offenporige Struktur, die als ein ther­ misch ansprechendes Element innerhalb des Konverters 10 wirkt. Ein derartiges Element schafft wegen der zufälligen Struktur und radialer Wärmeleitung eine Abgasströmungsmischung. Der Außendurchmesser des vierten Bausteins 24 ist verringert, um ein Erwärmen von den Abga­ sen, die aus den Bohrungen 28, 30 herausströmen, auf eine kleinere Oberfläche zu konzentrieren. Die winklige, unterstromige Seite 38 des Halteelements 34 gestattet, daß die umgewandelten Abgase aus dem vier­ ten Baustein 24 herausströmen, um durch den Raum 40 zwischen den vierten und fünften Bausteinen 24, 26 hindurchzutreten und somit die volle Querschnittsfläche des fünften Bausteins 26 zu erreichen. Die An­ ordnung verringert die Aufwärmzeit des Konverters 10.

Claims (6)

1. Katalytischer Konverter (10) für eine Abgasanlage eines Kraftfahr­ zeuges, umfassend ein Gehäuse (12) mit einem Einlaß (14) und einem Auslaß (16), einen in dem Gehäuse (12) benachbart zu dem Einlaß (14) angeordneten ersten Baustein (18) zum Einleiten kata­ lytischer Aufwärmfunktionen von Abgasen, die durch den ersten Baustein (18) strömen, einen benachbart zu dem ersten Baustein (18) unterstromig von dem Einlaß (14) angeordneten zweiten Bau­ stein (20) zur Drei-Wege-Umwandlung von Abgasen, die durch den zweiten Baustein (20) strömen, einen benachbart zu dem zweiten Baustein (20) unterstromig von dem Einlaß (14) angeordneten drit­ ten Baustein (22) zur Kohlenwasserstoffadsorption und -oxidation von Abgasen, die durch den dritten Baustein (22) strömen, und ei­ nen benachbart zu und beabstandet von dem dritten Baustein (22) unterstromig von dem Einlaß (14) angeordneten vierten Baustein (24) zum Aufwärmen von Abgasen, die durch den vierten Baustein (24) strömen, wobei der dritte Baustein (22) im wesentlichen ring­ förmig ist und sich eine Durchgangsbohrung (28) axial durch diesen erstreckt, und wobei der zweite Baustein (20) eine geschlossene Bohrung (30) aufweist, die sich axial erstreckt und in die Durch­ gangsbohrung (28) des dritten Bausteins (22) öffnet.

2. Katalytischer Konverter nach Anspruch 1, wobei der vierte Baustein (24) an einem ringförmigen Halteelement (34) angebracht ist und einen verringerten Durchmesser im Vergleich mit dem Außendurch­ messer des dritten Bausteins (22) aufweist.

3. Katalytischer Konverter nach Anspruch 2, wobei das ringförmige Halteelement (34) eine winklige, oberstromige Seite (36) in dem Raum (32) zwischen den dritten und vierten Bausteinen (22, 24) aufweist.

4. Katalytischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vierte Baustein (24) einen beschichteten, metallischen oder äquivalenten Schaum umfaßt.

5. Katalytischer Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfas­ send einen benachbart zu und beabstandet von dem vierten Bau­ stein (24) unterstromig von dem Einlaß (14) angeordneten fünften Baustein (26) zur Drei-Wege-Umwandlung von Abgasen, die durch den fünften Baustein (26) strömen.

6. Katalytischer Konverter nach Anspruch 5, wobei der vierte Baustein (24) an einem ringförmigen Halteelement (34) angebracht ist, wobei das ringförmige Halteelement (34) eine winklige, unterstromige Seite (38) in dem Raum (40) zwischen den vierten und fünften Bausteinen (24, 26) aufweist.