DE19824428A1 - Abgaskatalysatorkörper mit unterschiedlichen, parallelen Zellstrukturbereichen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskatalysatorkörper mit einer durchströmbaren Zellstruktur, die wenigstens zwei parallel durchströmbare Bereiche unterschiedlicher Zelldichte beinhaltet. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind die beiden parallel durchströmbaren Zellstrukturbereiche unterschiedlicher Zelldichte mit verschieden abgasreinigungsfunktionellen Beschichtungen versehen, z. B. mit einer Adsorberbeschichtung einerseits und einer oxidationsfördernden Metallbeschichtung andererseits. DOLLAR A Verwendung z. B. in Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaskatalysatorkörper mit einer durchströmbaren Zellstruk­ tur, die wenigstens zwei parallel durchströmbare Bereiche mit unterschiedlicher Zelldichte auf­ weist.

Abgaskatalysatorkörper mit einer durchströmbaren Zellstruktur werden allgemein zur Abgasreini­ gung, insbesondere von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, eingesetzt und sind typischerweise wabenförmig z. B. aus aufgerollten, gewellten und bei Bedarf mit einer abgasreinigungsaktiven Be­ schichtung versehenen Streifen aus Blech oder dgl. gebildet.

In der Offenlegungsschrift DE 40 25 434 A1 ist ein Abgaskatalysatorkörper der eingangs genann­ ten Art offenbart, der aus einer Vielzahl einzelner Bleche aufgebaut ist, deren Strukturen sich zu­ mindest bei einem Teil der Bleche in ihrer Höhe und/oder Breite kontinuierlich oder stufenweise ändern, so daß parallel durchströmbare Bereiche unterschiedlicher Zelldichte entstehen. Vorzugs­ weise wird der Abgaskatalysatorkörper durch miteinander verschlungenes Stapeln mehrerer Ble­ che derart-gebildet, daß die entstehende Zellstruktur in einem inneren Bereich eine andere Zell­ dichte besitzt als in einem anschließenden äußeren Bereich. Anordnungen mit im Vergleich zum äußeren Bereich niedrigerer Zelldichte, d. h. größeren Kanälen, des inneren Bereichs werden be­ sonders für mit einem Drall angeströmte Zellstrukturen zum Ausgleich der unterschiedlichen Strö­ mungsgeschwindigkeiten als vorteilhaft bezeichnet. Als typische Zelldichten sind für den Bereich der kleineren Kanalquerschnitte etwa 400 cpsi (Kanäle pro Quadratinch) und für den Bereich der größeren Kanalquerschnitte etwa 100 cpsi genannt.

Aus der Offenlegungsschrift JP 07-232085 (A) ist ein Abgaskatalysatorkörper mit zylindrischer, spi­ raliger Wellblechwicklung bekannt, die in ihrem äußersten, umfangseitigen Teil eine niedrigere Strukturhöhe und -breite aufweist als im davon umgebenen, inneren Teil. Dies soll die Festigkeit der Verbindung der zylindrischen Wellblechstruktur mit einem umgebenden Außenzylinder erhö­ hen, indem mehr Verbindungslinien zur Verfügung stehen als bei nicht reduzierter Strukturhöhe und -breite.

Ein in der Offenlegungsschrift EP 0 241 269 A2 offenbarter Abgaskatalysatorkörper besitzt eine keramische Wabenstruktur mit einer Vielzahl von im Querschnitt rechteckförmigen Zellen, wobei wenigstens in einem an den Außenumfang anschließenden Teilbereich im Querschnitt dreieckför­ mige Zellen durch Teilungswände gebildet sind, die schräg zu den Teilungswänden der viereckigen Zellen und im wesentlichen in Richtung des Mittelpunkts der Wabenstruktur verlaufen. Die schrä­ gen, die dreieckförmigen Zellen bildenden Teilungswände sollen die statische Festigkeit der Struk­ tur erhöhen und die Druckverluste auf ein Minimum reduzieren.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Abgaskatalysatorkörpers der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem vorteilhafte Abgasreinigungsfunktionalitäten über einen weiten Bereich unterschiedlicher anfallender Abgasmengen realisierbar sind.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Abgaskatalysatorkörpers mit den Merkmalen des Anspruches 1. Bei diesem Abgaskatalysatorkörper sind wenigstens zwei parallel durchströmbare Bereiche der Zellstruktur, die unterschiedliche Zelldichte aufweisen, mit verschie­ den abgasreinigungsfunktionellen Beschichtungen versehen. Dadurch können mit ein und dem­ selben Abgaskatalysatorkörper wenigstens zwei unterschiedliche Abgasreinigungsfunktionen aus­ geführt werden, z. B. im einen Bereich eine Kohlenwasserstoff- oder Stickoxid-Adsorberfunktion und im anderen Bereich eine Oxidationsfunktion. Die bereitgestellten Abgasreinigungsfunktionen können je nach Anwendungsfall ausgewählt werden, z. B. im Fall einer Abgasreinigungsanlage für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor abhängig davon, ob es sich um einen Motor mit oder ohne Direkteinspritzung handelt. Da mit steigender Abgasmenge die Differenz zwischen dem vom Be­ reich höherer Zelldichte und dem vom Bereich niederer Zelldichte erzeugten Abgasgegendruck progressiv anwächst, strömt mit höher werdender Abgasmenge ein größerer Anteil durch den Be­ reich niederer Zelldichte, was neben den unterschiedlichen Beschichtungen zur Erzielung ge­ wünschter Eigenschaften des Abgaskatalysatorkörpers im Abgasreinigungsbetrieb genutzt werden kann.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Abgaskatalysatorkörper wird der Bereich niedrigerer Zelldichte direkter und damit gegenüber demjenigen höherer Zelldichte bevorzugt angeströmt. Auch diese Eigenschaft kann zur Erzielung eines gewünschten Betriebsverhaltens des Abgaskataly­ satorkörpers genutzt werden.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Abgaskatalysatorkörper ist der Bereich höherer Zell­ dichte mit einer Adsorberbeschichtung versehen, bei der es sich je nach Anwendungsfall insbe­ sondere um eine solche zur Zwischenspeicherung von Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden han­ deln kann.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Abgaskatalysatorkörper ist der Bereich niedrigerer Zelldichte mit einer oxidationsfördernden Metallbeschichtung versehen, so daß er eine Oxidations­ katalysatorfunktion erfüllen kann, insbesondere auch im Sinne eines sogenannten Startkatalysa­ tors, der seine oxidierende Funktion bei einem Kaltstart sehr rasch erreicht.

Bei einem nach Anspruch 5 weitergebildeten Abgaskatalysatorkörper bildet der Bereich niederer Zelldichte einen inneren Zellstrukturbereich, der vom Bereich höherer Zelldichte als einem äußeren Zellstrukturbereich umgeben ist, wobei die Querschnittsfläche des äußeren Bereichs größer als diejenige des inneren Bereichs gewählt wird. Bevorzugt beinhaltet in diesem Fall der äußere Be­ reich höherer Zelldichte eine Adsorberbeschichtung und der innere Bereich niedrigerer Zelldichte eine oxidationsaktive Metallbeschichtung. Der umgebende Bereich höherer Zelldichte schirmt den oxidierenden inneren Bereich thermisch ab, in welchem eine höhere Betriebstemperatur erwünscht ist, während er andererseits außenseitig Wärme an die Umgebung abgeben und so auf einer für die Adsorptionsfunktion günstigeren, niedrigeren Betriebstemperatur gehalten werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nach­ folgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht des eintrittsseitigen Bereichs eines Abgas­ katalysatorkörpers mit zweiteiliger Zellstruktur,

Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer zur Herstellung des Abgaskatalysa­ torkörper von Fig. 1 verwendbaren Wellblechstruktur,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Abgasreinigungsanlage für einen Kraftfahr­ zeugmotor mit geschnittenem Abgaskatalysatorkörper gemäß Fig. 1 und nachge­ schaltetem Drei-Wege-Katalysator,

Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der zeitabhängigen Tempera­ turverhältnisse bei einem Kaltstart für die Anlage von Fig. 3 und

Fig. 5 ein Konversionsgrad-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der Abgaskonversion für einen Kaltstartfall entsprechend Fig. 4.

Der in Fig. 1 ausschnittweise gezeigte Abgaskatalysatorkörper ist von zylindrischer Bauform und beinhaltet innerhalb eines Gehäuses 1 eine in Längsrichtung durchströmbare Zellstruktur 2. Die Zellstruktur 2 ist zweiteilig aus einem innen liegenden Bereich 2a niedrigerer Zelldichte und einem diesen ringförmig umgebenden, außenliegenden Bereich höherer Zelldichte 2b gebildet. Die Zell­ dichte im inneren Bereich 2a beträgt zwischen 50 cpsi und 400 cpsi, diejenige des äußeren Be­ reichs 2b zwischen 200 cpsi und 1600 cpsi. Der äußere Zellstrukturbereich 2b besitzt eine größere Querschnittsfläche und damit auch ein größeres Volumen als der innere Zellstrukturbereich 2a.

An der Eintrittsseite bildet das Gehäuse 1 einen sich trichterförmig aufweitenden Einlaßabschnitt 1a, der einen entsprechenden Einlaßraum 3 begrenzt, in den einerseits die beiden parallel durch­ strömbaren Zellstrukturbereiche 2a, 2b und andererseits ein Abgaszufuhrrohr 4 einmünden. Dabei liegt der innere Zellstrukturbereich 2a eintrittsseitig in Abgasströmungsrichtung etwa fluchtend ei­ ner stirnseitigen Ausmündung 4a des Zufuhrrohres 4 mit relativ geringem Abstand gegenüber und wird daher vom dort austretenden Anteil 5a des zugeführten Abgasstroms 5 direkt und bevorzugt angeströmt. Außerdem ist das Zufuhrrohr 4 umfangsseitig in seinem in den Einlaßraum 3 ragenden Endbereich perforiert, so daß ein restlicher Abgasanteil 5b durch die entsprechenden Perforati­ onsöffnungen 6 mit radial nach außen weisender Strömungskomponente in den Einlaßraum 3 und dort speziell in den bevorzugten Einzugsbereich des äußeren Zellstrukturbereichs 2b gelangt.

Die beiden Zellstrukturbereiche 2a, 2b unterschiedlicher Zelldichte sind mit voneinander verschie­ denen Beschichtungen versehen, die unterschiedliche Abgasreinigungsfunktionen erfüllen. In ei­ nem bevorzugten Beispiel trägt der äußere Bereich höherer Zelldichte 2b eine Adsorberbeschich­ tung, die je nach Anwendungsfall auf die Zwischenspeicherung von Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden ausgelegt ist. Im Gegensatz dazu beinhaltet der innere Bereich niedrigerer Zelldichte 2a eine oxidationsfördernde
Metallbeschichtung, z. B. eine reine Pd-Beschichtung mit einer hohen Beladung, die beispielhaft 300 g/cf betragen kann. Alternativ kann eine andere herkömmliche Mono-, Bi- oder Trimetallbe­ schichtung mit Oxidationskatalysatorfunktion vorgesehen sein.

Eine solche Beschichtung eignet sich besonders als schnell anspringender Startkatalysator, dem vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator nachgeschaltet ist.

Die Herstellung der Zellstruktur 2 kann unter Verwendung einer Wellblechstruktur erfolgen, wie sie in Fig. 2 schematisch gezeigt ist. Die Wellblechstruktur besteht aus einem gewellten Streifen 7 mit zur Wellenrichtung senkrechter Längsrichtung, längs der er zur Bildung der Zellstruktur gewickelt wird. Der Streifen 7 ist in einem ersten Teil 7a seiner Länge mit größerer Strukturhöhe und größe­ rer Strukturbreite und im restlichen, zweiten Teil 7b mit geringerer Strukturhöhe und geringerer Strukturbreite gewellt. Der erste Streifenteil 7a trägt die oxidationsaktive Metallbeschichtung, wäh­ rend der zweite Streifenteil 7b die adsorptionsaktive Beschichtung trägt, z. B. eine solche auf Zeo­ lith-Basis. Der Streifen 7 wird dann vom Ende seines ersten Teils 7a her aufgewickelt, wodurch der erste Teil 7a den inneren Zellstrukturbereich 2a niedrigerer Zelldichte mit der Oxidationsbeschich­ tung und der zweite Teil 7b den äußeren Zellstrukturbereich 2b höherer Zelldichte mit der Adsorp­ tionsbeschichtung bildet. Das Wickeln erfolgt in herkömmlicher Weise unter Einfügen eines planen, ungewellten Streifens, der als Trennmittel zwischen den aufeinanderfolgenden Wicklungslagen des Wellblechstreifens 7 fungiert.

Der wie beschrieben aufgebaute und dimensionierte Abgaskatalysatorkörper eignet sich insbeson­ dere zur Verwendung in einer Abgasreinigungsanlage für einen Kraftfahrzeugmotor, wie sie sche­ matisch in Fig. 3 dargestellt ist. Die Anlage von Fig. 3 beinhaltet im Abgasstrang 8 des Motors 9, z. B. eines Otto-Motors mit oder ohne Direkteinspritzung, den Abgaskatalysatorkörper 10 gemäß Fig. 1 sowie einen diesem nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 11. Der Abgaskatalysatorkör­ per 10 ist speziell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt, insbesondere hinsichtlich seiner unterschiedlichen Beschichtungen im inneren Bereich 2a einerseits und im äußeren Bereich 2b andererseits. So ist für den Fall eines Otto-Motors ohne Direkteinspritzung die Verwendung einer Adsorberbeschichtung im äußeren Zellstrukturbereich 2b vorteilhaft, die Kohlenwasserstoffe (HC) während der Kaltstartphase zwischenzuspeichern vermag, bis der nachgeschaltete Drei-Wege- Katalysator 11 seine Betriebstemperatur erreicht hat und dann eine effektive Umwandlung der desorbierten Kohlenwasserstoffe ermöglicht. Im Fall eines Otto-Motors mit Direkteinspritzung, der hauptsächlich im Magerbereich gefahren wird, wird die Adsorberbeschichtung im äußeren Zell­ strukturbereich 2b auf die Zwischenspeicherung von Stickoxiden ausgelegt, die in den Magerbe­ triebsphasen vom Drei-Wege-Katalysator 11 nicht effektiv reduziert werden können.

Der übrige Aufbau und die Dimensionierung des Abgaskatalysator­ körpers 10 unterstützen dessen vorteilhafte kombinierte Betriebsweise in Verbindung mit dem Drei-Wege-Katalysator 11. So schirmt der umgebende, äußere Zellstrukturbereich 2b den innenlie­ genden Zellstrukturbereich 2a thermisch ab und unterstützt so ein rasches Erreichen einer zur oxi­ dierenden Abgaskonversion geeigneten, erhöhten Temperatur im inneren Bereich 2a. Letzterer eignet sich daher insbesondere als oxidierender Startkatalysator. Dazu trägt auch sein vergleichs­ weise geringes, aufzuheizendes Volumen bei. Umgekehrt ermöglicht das größere Volumen des äu­ ßeren Zellstrukturbereichs 2b eine hohe Speicherkapazität für die zu adsorbierenden Kohlenwas­ serstoffe oder Stickoxide. Zudem kann der äußere Zellstrukturbereich 2b Wärme über seine Au­ ßenseite an die Umgebung abgeben, so daß er leichter auf einer für den Adsorptionsbetrieb wünschenswerten, im Vergleich zum oxidierenden Innenbereich 2a geringeren Temperatur gehal­ ten werden kann. Bei Bedarf kann diese Wärmeabstrahlung durch eine entsprechende Strukturie­ rung des Gehäuses 1 unterstützt werden, z. B. durch Ausformung von Wärmeleitrippen.

Fig. 4 illustriert die sich für die verschiedenen Katalysatorkomponenten der Anlage von Fig. 3 auf diese Weise ergebenden Temperaturverläufe qualitativ für den Fall eines Motorkaltstarts. Eine erste Kennlinie T₁ repräsentiert den Temperaturverlauf im inneren Zellstrukturbereich 2a des Abgaskata­ lysatorkörpers 10, eine zweite Kennlinie T₂ den Temperaturverlauf in dessen äußerem Zellstruktur­ bereich 2b und eine dritte Kennlinie T₃ den Temperaturverlauf im Drei-Wege-Katalysator 3. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, steigt die Temperatur T₁ in inneren Bereich 2a des Abgaskatalysatorkörper 10 besonders rasch an und ermöglicht dessen Startkatalysatorfunktion. Dagegen erwärmt sich der äußere Zellstrukturbereich 2b langsamer und seine Temperatur T₂ bleibt auf einem gegenüber dem inneren Zellstrukturbereich 2a niedrigeren Niveau. Die Temperatur T₃ im Drei-Wege-Katalysator 3 steigt zunächst nur langsam an, erreicht dann aber nach gewisser Zeit die Temperatur des inneren Bereichs 2a des vorgeschalteten Katalysatorkörpers 10 und wird dadurch konversionsaktiv.

Die beschriebene Dimensionierung des Abgaskatalysatorkörpers 10 ergibt zudem ein erwünschtes Betriebsverhalten bei variierender Abgasmenge, insbesondere bedingt durch die direktere Anströ­ mung des inneren Zellstrukturbereichs 2a und die Tatsache, daß der Abgasgegendruck des äuße­ ren Bereichs 2b höherer Zelldichte mit größerer Abgasmenge stärker ansteigt als derjenige des in­ neren Bereichs 2a niederer Zelldichte.

Bei geringer Abgasgesamtmenge machen sich die Unterschiede im Abgasgegendruck durch die verschiedenen Zelldichten nicht signifikant bemerkbar, so daß die Abgasstromdichte für beide Zell­ strukturbereiche 2a, 2b in derselben Größenordnung liegt. Wegen der insgesamt größeren Quer­ schnittsfläche strömt mehr Abgas durch den äußeren Bereich 2b als durch den inneren Bereich 2a. Wegen der Möglichkeit der Wärmeabführung bleibt die Aufheizung im adsorptionsaktiven, äußeren Bereich 2b dennoch begrenzt, während sich der innere, mit einem Oxidationskatalysatormaterial hoch beladende Bereich 2a schnell aufheizen kann und einen frühen Konversionsbeginn ermög­ licht, was insgesamt eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Katalysatorkörper ergibt. Durch das relativ niedrig bleibende Temperaturniveau im äußeren, adsorptionsaktiven Bereich 2b bleibt dessen Alterung gering.

Bei mittlerer Abgasmenge steigt der Anteil des durch den inneren Zellstrukturbereich 2a strömen­ den Abgases, was die rasche Aufheizung dieses Bereichs 2a weiter begünstigt. Durch den abneh­ menden Anteil an durch den äußeren Bereich 2b strömendem Abgas bleibt dessen thermisch be­ dingte Alterung begrenzt.

Bei hoher Abgasmenge strömt ein verhältnismäßig hoher Anteil des Abgases durch den inneren Bereich 2a niederer Zelldichte, wodurch eine hohe thermische Belastung eher auf diesen Bereich 2a begrenzt ist. Dieser Bereich 2a ist, wie schon erwähnt, mit einer temperaturbeständigen Be­ schichtung versehen (z. B. Pd ausschließlich), so daß hier ebenfalls die thermisch bedingte Alte­ rung begrenzt ist. Zudem trägt die gut wärmeleitende Metallmatrix dazu bei, daß punktförmige Überhitzungen vermieden werden und dadurch insgesamt weniger Überhitzungsprobleme entste­ hen.

Fig. 5 veranschaulicht die Vorteile des mit dem vorliegenden Abgaskatalysatorkörper realisierbaren Abgaskonzeptes anhand einer qualitativen Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Abgaskonversi­ onsgrades für die Anlage von Fig. 3. Eine erste Konversionskennlinie K₁ zeigt den Konversions­ gradverlauf für den inneren Bereich 2a des Abgaskatalysatorkörpers 10, während eine zweite Kon­ versionskennlinie K₂ den Konversionsgradverlauf für dessen außenliegenden Bereich 2b repräsen­ tiert. Eine dritte Konversionskennlinie K₃ repräsentiert den Konversionsgradverlauf für den Drei- Wege-Katalysator 11. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, übernimmt zunächst der adsorptionsaktive, äußere Bereich 2b des Abgaskatalysatorkörpers 10 den hauptsächlichen Konversionsbeitrag, wobei sein Konversionsgrad K₂ im weiteren Verlauf durch die steigende Temperatur abnimmt, bis der äußere Zellstrukturbereich 2b zu einem bestimmten Zeitpunkt T₀ vom vorherigen Adsorptionsbetrieb in ei­ ne anschließende Desorptionsphase übergeht. Der Konversionsgrad K₁des inneren Zellstrukturbe­ reichs 2a des Abgaskatalysatorkörpers 10 steigt nach dem Motorkaltstart an und erreicht nach ei­ ner gewissen Zeit ein bestimmtes Niveau. Der Konversionsgrad K₃ des Drei-Wege-Katalysators 11 steigt zunächst langsamer an, erreicht dann aber ein höheres Niveau als der innere Bereich 2a des vorgeschalteten Katalysatorkörpers. In der Summe ergibt sich dadurch ein gesamter Konversions­ grad K_G aller drei Komponenten, der über den gesamten Verlauf einer Motorkaltstartphase hinweg relativ hoch bleibt.

Claims (5)

1. Abgaskatalysatorkörper mit

• - einer durchströmbaren Zellstruktur (2) mit wenigstens zwei parallel durchströmbaren Bereichen (2a, 2b) unterschiedlicher Zelldichte, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die beiden parallel durchströmbaren Zellstrukturbereiche (2a, 2b) unterschiedlicher Zelldichte mit verschieden abgasreinigungsfunktionellen Beschichtungen versehen sind.

2. Abgaskatalysatorkörper nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zellstrukturbereiche (2a, 2b) mit ihren Eintrittsseiten in einen Einlaßraum (3) münden, in den andererseits eine Abgaseinlaßöffnung (4a) mündet, die dem Zellstrukturbereich (2a) niedrige­ rer Zelldichte mit im wesentlichen gleich großer Querschnittsfläche in Abgasströmungsrichtung ge­ gen überliegt.

3. Abgaskatalysatorkörper nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Zellstrukturbereich (2b) höherer Zelldichte mit einer Adsorberbeschichtung versehen ist.

4. Abgaskatalysatorkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Zellstrukturbereich (2a) niedrigerer Zelldichte mit einer oxidationsfördernden Metallbeschich­ tung versehen ist.

5. Abgaskatalysatorkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Zellstrukturbereich (2a) niedrigerer Zelldichte einen inneren Bereich bildet, der vom Zell­ strukturbereich (2b) höherer Zelldichte umgeben ist, und
• - die Querschnittsfläche des Zellstrukturbereichs (2b) höherer Zelldichte größer ist als diejenige des Zellstrukturbereichs (2a) niedrigerer Zelldichte.