DE19910663A1

DE19910663A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19910663A1
Application number: DE19910663A
Authority: DE
Inventors: Achim Donnerstag
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: DE19910663B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorrichten zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einer sich von der Brennkraftmaschine erstreckenden Abgasleitung, in der ein 3-Wege-Katalysator mit einer katalytischen Beschichtung angeordnet ist. Es ist der Zweck der Erfindung, die Aufheizphase des Katalysators zu verkürzen. Dies wird dadurch erreicht, daß die katalytische Beschichtung eine Komponente aufweist, die Sauerstoff bei den vorhandenen Temperaturen der Startphase schnell speichert und langsam wieder abgibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9.

Bedingt durch die steigenden Anforderungen an die Qualität der Abgasreinigung kommt der Aufheizphase des 3-Wege-Katalysators besondere Aufmerksamkeit zu. Dabei ist die Forderung zu berücksichtigen, daß die Aufheizzeit so kurz wie möglich gehalten werden soll.

Um die Aufheizphase eines 3-Wege-Katalysators zu verkürzen, sind bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden.

Eine Maßnahme besteht darin, dem 3-Wege-Katalysator einen elektrisch beheizbaren Vorkatalysator vorzuordnen, um den 3-Wege-Katalysator schneller auf Ansprechtemperatur zu bringen. Eine andere Maßnahme, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet, besteht darin, anstelle einer elektrischen Beheizung dem 3-Wege-Katalysator einen Brenner zuzuordnen, der mit Kraftstoff gespeist wird. Eine noch andere Maßnahme besteht darin, die Brennkraftmaschine im fetten Gemischverhältnis (typisch: Lambda kleiner gleich 0,8) zu betreiben unter Zugabe von Sekundärluft in den Abgasstrang zum Erzielen eines überstöchiometrischen Luftverhältnisses. Die zuletzt genannte Maßnahme kann auch noch mit einer Brennkammer und einer Zündvorrichtung kombiniert werden.

Bei den vorgenannten Maßnahmen ist es wegen der Reaktionskinetik des Kohlenmonoxids notwendig, das Netto-Luftverhältnis im Zulauf des Katalysators im mageren Bereich zu halten, um ein schnelles Anspringen zu gewährleisten. Bei herkömmlichen Ottomotoren ist aber ein Betrieb im mageren Bereich während der Warmlaufphase aus Gründen des funktionssicheren Betriebs und der Fahrbarken nicht möglich (typisch: Lambda etwa 0,95), daher muß das gewünschte Luftverhältnis durch Zugabe von Luft zwischen der Brennkraftmaschine und dem Katalysator mittels einer Pumpe oder dergleichen eingestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die Aufheizphase für einen 3-Wege- Katalysator verkürzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die katalytische Beschichtung des 3- Wege-Katalysators eine Komponente auf, die Sauerstoff bei den in der Startphase vorhandenen Temperaturen schnell speichert und langsam wieder abgibt. Hierdurch erfolgt eine Verringerung des Sauerstoffanteils des im Katalysator zu behandelnden Abgases, die aufgrund der zeitverzögernden Wirksamkeit der Komponente zeitverzögert wieder abgegeben wird und zur Reduktion des Kohlenmonoxids dienen kann.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eignet sich insbesondere mit einem Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, bei dem periodisch oder stochastisch das Kraftstoff/Luft-Verhältnis geändert wird, z. B. dadurch, daß eine beliebige Anzahl von Zylindern (z. B. zwei bei einem Vierzylindermotor) für eine bestimmte Anzahl von Verbrennungen mager betrieben wird. Hierbei wird der auftretende Sauerstoff durch die Speicherkomponente gebunden und in den folgenden Fettphasen zur Reduktion vornehmlich des Kohlenmonoxids benutzt. Es ist nicht erforderlich, daß das CO vollständig umgesetzt wird. Vielmehr soll durch die exotherme Reaktion der Katalysator schneller aufgeheizt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, zu der sich eine Luftansaugleitung 2 und von der sich eine Abgasleitung 3 erstrecken. In die Luftansaugleitung 2 mündet im Bereich einer Einspritzvorrichtung 4 mit nicht dargestellten Einspritzventilen eine Kraftstoffleitung 5, die sich von einem Kraftstoffvorrat 6, z. B. von einem Tank, erstreckt. In der Abgasleitung 3 befindet sich ein 3-Wege-Katalysator 7, in dessen Anfangsbereich in an sich bekannter Weise eine Lambda-Sonde 8 angeordnet ist, die durch eine Signalleitung 9 mit einer elektronischen Steuervorrichtung 10 verbunden ist, von der sich eine Steuerleitung 11 zur Einspritzvorrichtung 4 erstreckt und dazu dient, die jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge einzustellen. Die Strömungsrichtung in der Abgasleitung ist mit 3a bezeichnet.

Die Funktion des geregelten 3-Wege-Katalysators 7 einschließlich der Regelung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses in Abhängigkeit vom Sollwert des Sauerstoffanteils nach fortwährender Ermittlung des Sauerstoff-Istwerts ist allgemein bekannt.

Der 3-Wege-Katalysator 7 weist in der Strömungsrichtung 3a hinter der Lambda-Sonde 8 eine katalytische Beschichtung 12 auf, bzw. er wird durch sie gebildet, der eine Komponente 13 zugeordnet ist, die Sauerstoff bei den in der Startphase herrschenden Temperaturen, z. B. 20 bis 350°C, schnell speichert und langsam wieder abgibt. Betreibt man die Brennkraftmaschine 1 so, daß periodisch oder stochastisch das Kraftstoff/Luft- Verhältnis mager betrieben wird, z. B. dadurch, daß eine beliebige Anzahl von Zylinder (z. B. zwei von einem Vierzylindermotor) für eine bestimmte Anzahl von Verbrennungen mager betrieben werden, wird der auftretende Sauerstoff durch die Speicherkomponente 13 gebunden und in den folgenden Fettphasen zur Reduktion vornehmlich des Kohlenmonoxids benutzt. Es ist nicht erforderlich, daß das CO vollständig umgesetzt wird. Vielmehr soll durch die exotherme Reaktion der Katalysator schneller aufgeheizt werden.

Es ist vorteilhaft, die vorbeschriebene Sauerstoff-Speicherkomponente 13 mit einem Edelmetall zu kombinieren, das eine geringere Selbsthemmung der CO-Oxidation aufweist. Dies kann z. B. Rhodium sein. Ist die gesamte Katalysatoranlage mehrteilig, z. B. dann, wenn separate Vor-Kats oder mehrere Scheiben in einem Gehäuse vorhanden sind, dann muß die Speicherkomponente 13 nicht notwendigerweise auf allen Trägern vorhanden sein. Z. B. kann die Komponente 13 auf dem Startkatalysator als Kaltstartkomponente angeordnet sein bzw. dessen Beschichtung zugeordnet sein, während der nachfolgende Teil eine konventionelle 3-Wege-Beschichtung aufweist. Die Komponente 13 kann aber auch, wie bei einteiligen Systemen an sich bekannt, zusammen mit der 3-Wege-Beschichtung aufgebracht sein. Dies kann in einem Arbeitsschritt durch Mischen oder in mehreren Schritten durch Aufbringen übereinander oder hintereinander erfolgen. Die Komponente 13 ist somit ein Werkstoffanteil, der in die katalytische Beschichtung eingemischt sein kann oder eine eigene Schicht bilden kann.

Als Trägermaterial und -bauform kommen alle heute bekannten Varianten in Frage, z. B. monolitische Keramikträger und aus Folien gebaute Metallträger.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Brennkraftmaschine

2

Luftansaugleitung

3

Abgasleitung

3

a Strömungsrichtung

4

Einspritzvorrichtung

5

Kraftstoffleitung

6

Kraftstoffvorrat

7

3-Wege-Katalysator

8

Lambda-Sonde

9

Signalleitung

10

elektronische Steuervorrichtung

11

Steuerleitung

12

katalytische Beschichtung

13

Komponente

Claims

1. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), mit einer sich von der Brennkraftmaschine (1) erstreckenden Abgasleitung (2), in der ein 3-Wege- Katalysator (7) mit einer katalytischen Beschichtung (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Beschichtung (12) eine Komponente (13) aufweist, die Sauerstoff bei den vorhandenen Temperaturen der Startphase schnell speichert und langsam wieder abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (13) Cer-haltig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (13) ein Edelmetall ist, das eine geringere Selbsthemmung der CO- Oxidation aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (13) Rhodium aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus mehreren in der Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Teilen bestehenden 3-Wege-Katalysator (7) die Komponente (13) nur der katalytischen Beschichtung des oder der ersten Teile zugeordnet ist und die übrigen Teile eine konventionelle 3-Wege-Beschichtung aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (13) in die katalytische Beschichtung (12) eingemischt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (13) eine Beschichtung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponentenschicht (13) auf der katalytischen Schicht (12) angeordnet ist.

9. Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasleitung (3), in der ein 3-Wege-Katalysator (7) mit einer Lambda-Sonde (8) angeordnet ist, bei dem der Sauerstoffanteil im Abgas gemessen wird und bei einer Abweichung von einem Sollwert das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches nach einer Sollwert-Kennlinie des Sauerstoffanteils im Abgas geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines 3-Wege-Katalysators (7) nach Anspruch 1 die Brennkraftmaschine (1) periodisch oder stochastisch mager betrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Anzahl von Zylindern der Brennkraftmaschine (1) für eine bestimmte Anzahl von Verbrennungen mager betrieben werden.