DE4038829A1 - Ermittlung einer reaktionszone in einem katalysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ermittlung einer Reaktionszone in einem Katalysator, der von einem Fluid durchströmbar ist, das Bestandteile enthält, die durch eine katalysierte, exotherme Reaktion umsetzbar sind.

Als "Katalysator" wird hierbei ein wabenähnlicher Körper aus Metall oder Keramik verstanden, der einen Innenbereich mit einer Vielzahl von Kanälen aufweist, die von Abgasen oder anderen fluiden mit umsetzbaren Bestandteilen durchströmbar sind. Jeder Kanal weist dabei eine Wand auf, die mit einer Beschichtung aus katalytisch aktivem Material, dem Katalysator im eigentlichen Sinne, bedeckt ist. Derartige Katalysatoren finden vielfältige Anwendung, insbesondere in den Abgassystemen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zur Umsetzung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffen in unschädliche Verbindungen. Metallische Katalysatoren werden im allgemeinen aus strukturierten Blechen geschichtet, spiralig aufgewickelt oder auf andere Weise verschlungen. Möglichkeiten hierzu sind in den Patentschriften EP 02 23 058 B2, EP 02 45 737 B2 und EP 02 45 738 B2 beschrieben.

Es ist auch bereits bekannt, zur Überwachung der Funktion eines Katalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine an oder in dem Katalysator Temperaturmeßfühler vorzusehen, aus deren Meßwerte Rückschlüsse auf die Funktion beim Betrieb der Brennkraftmaschine gezogen werden können. Diesbezügliche Vorschläge sind der DE 26 43 739 A1, der DE 37 10 268 A1 und der EP 02 36 659 A1 zu entnehmen. Gemäß der beiden erstgenannten Schriften soll ein Katalysator mit zumindest zwei voneinander beabstandeten Temperaturfühlern ausgestattet werden; diese können beide außerhalb des Katalysators, ein erster Fühler vor der Anströmseite des Katalysators und ein zweiter Fühler hinter der Abströmseite des Katalysators, oder auch im Inneren des Katalysators, angeordnet sein. Weiterhin wird vorgeschlagen, aus den Meßsignalen zweier Fühler ein Signal zu bilden, das der Differenz der von den Meßfühlern ermittelten Temperaturen entspricht, und dieses Signal heranzuziehen zu Bewertung der Funktion des Katalysators. Ein einsprechendes Auswertesystem zu diesem Zweck wird in der letztgenannten Schrift vorgeschlagen; dieses Auswertesystem veranlaßt ein Warnsignal, falls die Temperaturdifferenz einen gewissen ersten Grenzwert überschreitet, und ein einen dauerhaften Schaden angebendes Signal, falls die Temperaturdifferenz einen deutlich über dem ersten Grenzwert liegenden zweiten Grenzwert übertrifft.

Konkrete Aussagen über die im Inneren eines Katalysators herrschenden thermodynamischen Verhältnisse sind mit den Vorschlägen des Standes der Technik nicht möglich; insbesondere kann mit den bekannten Systemen der Zustand eines insgesamt noch ausreichend funktionierenden Katalysators nicht beurteilt werden. Dies ist aber notwendig zur Gewinnung von Aussagen über den Abnutzungsgrad eines Katalysators im Hinblick auf die während des Betriebs auftretenden Alterungs- und/oder Vergiftungsvorgänge.

Dementsprechend sollen mit der vorliegenden Erfindung Verfahren angegeben werden, die einfach und schnell eine Funktionsüber­ prüfung eines Katalysators, insbesondere im Hinblick auf Alterungs- und/oder Vergiftungserscheinungen, ermöglichen; die Verfahren sollen während des regulären Betriebs des Katalysators oder im Rahmen kürzester Betriebsunterbrechungen anwendbar sein. Im speziellen Fall der Funktionsüberprüfung von Katalysatoren in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen sollen sie eine Überprüfung im Rahmen der beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland üblichen Kraftfahrzeug­ Reihenuntersuchung gestatten.

Gemäß vorliegender Erfindung wird vorgeschlagen, zur Funktionsüberprüfung eines Katalysators festzustellen, in welchem Bereich im Inneren des Katalysators die katalysierte Reaktion zur Umsetzung der reagiblen Bestandteile des den Katalysator durchströmenden Fluides hauptsächlich stattfindet; im besonderen wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Reaktionszone in einem Katalysator vorgeschlagen, wobei

• a) der Katalysator einen Innenbereich aufweist, der von einer etwa parallel zu einer Strömungsrichtung erstreckten Mantelfläche umgeben ist;
• b) der Innenbereich entlang der Strömungsrichtung von einem Fluid durchströmbar ist, das Bestandteile enthält, die im Innenbereich durch eine katalysierte, exotherme Reaktion umsetzbar sind;
• c) die Reaktionszone gegeben ist als Teil des Innenbereiches, in dem die Reaktion überwiegend stattfindet;
• d) die Reaktionszone ermittelt wird durch Messung der Verteilung der Temperatur auf der Mantelfläche entlang einer Meßstrecke parallel zur Strömungsrichtung, wobei die Reaktionszone bestimmt ist durch einen Abschnitt der Meßstrecke, auf dem die Temperatur um weniger als ein vorgegebener Grenzwert von dem Maximalwert der Temperatur auf der Meßstrecke abweicht.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß stets die katalytische Aktivität eines Katalysators, worunter die mit dem Katalysator maximal erzielbare Umsetzungsrate der katalysierten Reaktion zu verstehen ist, für eine gegebene Anwendung mit erheblichem Überschuß bemessen wird; damit soll ein während des Betriebs stets auftretender Aktivitätsverlust durch Alterung und/oder Vergiftung ausgeglichen und eine hohe betriebliche Nutzungsdauer des Katalysators erzielt werden. Aufgrund der hohen katalytischen Aktivität findet die katalysierte Reaktion nicht gleichmäßig über den gesamten Katalysator statt, sondern sie ist auf eine relativ eng begrenzte Zone des Katalysators, die im folgenden "Reaktionszone" genannt wird und in einem neuen Katalysator kaum mehr als 20% des insgesamt zur Verfügung stehenden Volumens ausmacht, beschränkt. Dabei ist die Form der Reaktionszone u. a. auch bestimmt durch das Strömungsprofil des den Katalysator durchströmenden Fluides; da üblicherweise die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides in der Mitte des Katalysators am größten ist und zu den Randbereichen hin abnimmt, ist die Reaktionszone im Inneren des Katalysators nicht eben, sondern etwa kegelförmig. Im Bereich der Mantelfläche ist die Reaktionszone wahrnehmbar durch die Wärmestrahlung, die von ihr ausgeht; im Innenbereich des Katalysators sinkt die Temperatur des Fluides hinter der Reaktionszone nicht wesentlich ab, im Bereich der Mantelfläche wird jedoch ein nennenswertes Absinken der Temperatur hinter der Reaktionszone aufgrund der von der Mantelfläche ausgehenden Wärmestrahlung beobachtet.

Dementsprechend kann die Reaktionszone nachgewiesen werden durch Bestimmung des Bereiches auf der Mantelfläche mit maximaler Temperatur. Dies erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß auf der Mantelfläche eine günstigerweise etwa parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Meßstrecke festgelegt wird und entlang dieser Meßstrecke die Temperaturmessung erfolgt.

Die Erfindung gestattet die Ermittlung der Reaktionszone während des Betriebs des Katalysators; hierzu ist beispielsweise die Mantelfläche mit entsprechenden Temperaturmeßfühlern oder dergleichen zu versehen. Günstig ist es in einem solchen Falle, das Verfahren auf solche Betriebszustände zu beschränken, bei denen das Fluid den Innenbereich des Katalysators in einer stationären Strömung durchströmt. Instationäre Strömungen treten insbesondere in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen bei jedem Lastwechsel auf; diese sind, da stets verbunden mit Änderungen der chemischen Zusammensetzung, der Temperatur und der Strömungsgeschwindig­ keit des Abgases, in ihrer Wechselwirkung mit dem Katalysator nur schwer beschreibbar, da der Katalysator aufgrund seiner Wärmekapazität insbesondere einer Temperaturänderung nur in Zeitskalen der Größenordnung etwa 1 sec. folgen kann, können instationäre Betriebszustände u. U. nur eingeschränkt interpretierbare Meßergebnisse liefern.

Die Erfindung gestattet aufgrund ihrer Einfachheit auch, die Reaktionszone unmittelbar nach einer Durchströmung des Innenbereichs mit dem Fluid zu bestimmen. Dies ist besonders wichtig z. B. zur Untersuchung von Kraftfahrzeug-Katalysatoren im Rahmen der in einigen Ländern üblichen Reihenuntersuchung; die Überprüfung des Katalysators kann unmittelbar nach einer kurzen Außerbetriebsetzung des Kraftfahrzeuges erfolgen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung erfolgt die zur Ermittlung der Reaktionszone notwendige Temperaturmessung durch Auswertung der von der Mantelfläche ausgehenden Wärmestrahlung. Dies hat den Vorzug, daß die zur Messung notwendige Meßeinrichtung nicht fest mit dem Katalysator verbunden werden muß, was besonders bei mobilen Katalysatoren Vorteile bringen kann. Besonders einfach wird die Messung ausgeführt, indem von einem die Meßstrecke enthaltenden Ausschnitt der Mantelfläche des Katalysators eine fotografische Infrarot-Aufnahme gemacht wird. Hierzu können sofortentwickelnde Filme eingesetzt werden, so daß nach kürzester Frist ein Temperaturprofil der Meßstrecke zur Verfügung steht. Eine besonders anschauliche Darstellung wird dann erhalten, wenn die Aufzeichnung in Farbe erfolgt, wobei unterschiedliche Farben unterschiedliche Temperaturen anzeigen. Die Filmaufnahme kann selbstverständlich durch eine Video-Aufnahme oder dergleichen ersetzt werden; damit ist auch in Verbindung mit bekannten elektronischen Bildverarbeitungs­ einrichtungen eine unmittelbare maschinelle Auswertung der Temperaturmessung möglich.

Eine weitere einfache Möglichkeit zur Durchführung der Temperaturmessung ist die Überdeckung der Meßstrecke mit einem Substrat, das eine durch Wärmeeinwirkung veränderbare Farbe aufweist. Ein solches Substrat kann beispielsweise ein entsprechend beschichteter Papierstreifen oder eine Beschichtung auf der Mantelfläche selbst sein. Die Reaktionszone wird, wie im Falle der Infrarot-Aufnahme, ermittelt durch Auswertung der Farbe des Substrats.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Temperaturmessung auch mit zumindest einem auf der Meßstrecke befindlichen und über diese beweglichen Temperaturmeßfühler durchgeführt werden; auch kann die Meßstrecke mit einer Mehrzahl von Temperaturmeßfühlern ausgestattet werden. Diese Ausbildung der Erfindung ist zwar apparativ aufwendiger, sie erlaubt jedoch die permanente Betriebsüberwachung des Katalysators.

Im Rahmen jedweder Ausbildung der Erfindung kann die Ermittlung der Reaktionszone in der Weise vereinfacht werden, daß die im konkreten Fall gemessene Verteilung der Temperatur mit einer Vielzahl vorgegebener Standardverteilungen verglichen wird, die im Rahmen von Eichmessungen für den jeweiligen Typ des Katalysators ermittelt wurden und für deren jede die Lage der Reaktionszone bekannt ist. Standardverteilungen können auch durch Simulationsrechnungen gewonnen werden. Die Lage der Reaktionszone kann anhand von Standardverteilungen durch Interpolation ermittelt werden; zur Erzielung einer vorgegebenen Genauigkeit ist eine hinreichende Anzahl verschiedener Standardverteilungen erforderlich.

Besondere Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren jedweder Ausgestaltung in erster Linie zur Bestimmung des Abnutzungsgrades eines Katalysators, wobei die Lage der Reaktionszone bezüglich der Meßstrecke als Maß für den Abnutzungsgrad herangezogen wird. Ist der Katalysator neu, so findet die katalysierte Reaktion in erster Linie in unmittelbarer Nähe der Anströmseite statt, an der das Fluid in den Katalysator eintritt; mit zunehmender Alterung verschiebt sich die Reaktionszone von der Anströmseite zur Abströmseite, wo das Fluid den Katalysator wieder verläßt. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Funktionsüberprüfung realisiert werden.

Ein besonderes Einsatzgebiet der Erfindung ist, wie bereits näher ausgeführt, die Funktionsüberprüfung von Katalysatoren in den Abgassystemen von Kraftfahrzeugen. Im Rahmen üblicher Tests für die Qualifizierung von Katalysator-Baumustern, insbesondere im Rahmen des in den Vereinigten Staaten von Amerika gesetzlich vorgesehenen Tests zur Simulation des gewöhnlichen Fahrzeugbetriebs, stellen sich auf den Mantelflächen der Katalysatoren Temperaturen zwischen etwa 300°C und 400°C ein. Die Lage der Reaktionszone im Innenbereich eines Katalysators tritt dabei durch ein Temperaturmaximum auf der Mantelfläche deutlich hervor; die Temperatur der Mantelfläche in der Umgebung der Reaktionszone ist üblicherweise gegenüber der Temperatur der Mantelfläche abseits der Reaktionszone um etwa 60 K bis etwa 80 K überhöht. Ein solcherart ausgeprägtes Maximum ist leicht feststellbar und bietet, da sich seine Lage mit zunehmender Abnutzung des Katalysators in beschriebener Weise verschiebt, ein einfaches und sicheres Mittel zur Funktionsprüfung und/oder Funktionsüberwachung eines Katalysators im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiele; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen zur erfindungsgemäßen Ermittlung der Reaktionszone ertüchtigten Katalysator;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Katalysator;

Fig. 3 die Temperaturverteilung auf der Mantelfläche eines Katalysators.

Fig. 1 zeigt einen Katalysator 2, der entlang einer Strömungsrichtung 4 von einem katalytisch umsetzbare Anteile enthaltenden Fluid, insbesondere dem Abgas eines Verbrennungsmotors, durchströmbar ist. Das Fluid tritt an einer Anströmseite 12 in den Katalysator 2 ein und verläßt den Katalysator 2 an einer Abströmseite 13. Im vorliegenden Fall ist der Katalysator 2 zylindrisch; denkbar sind auch andere Formen, wie sie beispielsweise im zitierten Stand der Technik beschrieben sind. Zwischen Anströmseite 12 und Abströmseite 13 ist der Katalysator 2 begrenzt durch eine Mantelfläche 5, im vorliegenden Fall den Zylindermantel, auf der eine Meßstrecke 6 zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Verteilung der Temperatur auf der Mantelfläche 5 ausgewiesen ist. Die Messung der Temperaturverteilung kann beispielsweise mit Temperaturmeß­ fühlern 10, 11 erfolgen, wobei gleichermaßen bewegliche Temperaturmeßfühler 10 und ortsfeste Temperaturmeßfühler 11 einsetzbar sind. Weiterhin kann zur Temperaturmessung die von einem die Meßstrecke 6 enthaltenen Ausschnitt 8 der Mantelfläche 5 ausgehende Wärmestrahlung 7 analysiert werden; dies kann beispielsweise durch Anfertigung einer Infrarot- Fotoaufnahme des Ausschnittes 8 erfolgen. Ein wirkungsgleiches Mittel ist das Aufbringen eines Substrates 9 mit einer unter Wärmeeinfluß reversibel oder irreversibel veränderlichen Farbe auf den Ausschnitt 8. Anhand der eingetretenen Farbveränderung kann auf dem Substrat 9 die Lage der Reaktionszone 1 ermittelt werden. In Fig. 1 sind beispielhaft dargestellt drei Substrate 9, wobei die eingezeichneten Querstriche Farbgrenzen darstellen sollen; die Lage der Reaktionszone 1 ist jeweils angedeutet.

Fig. 2 verdeutlicht die Lage der Reaktionszone 1 im Innenbereich 3 eines Katalysators 2. Die Reaktionszone 1 ist aufgrund des entlang der Strömungsrichtung 4 von der Anströmseite 12 zur Abströmseite 13 fließenden Fluides nicht eben, sondern gekrümmt; die Krümmung ist dabei im wesentlichen bestimmt durch die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides, die am Rand des Innenbereiches 3 stets kleiner ist als im Bereich seiner Mitte.

In Fig. 3 ist die Temperaturverteilung auf der Meßstrecke 6 von der Anströmseite 12 zur Abströmseite 13 angedeutet. Auf der Abszisse des Diagramms ist der über die Meßstrecke 6 verlaufende Weg w dargestellt, auf der Ordinate die Temperatur T. Im Bereich der Anströmseite 12 entspricht die Temperatur auf der Meßstrecke 6 im wesentlichen der Temperatur des einströmenden Fluides; hinter der Anströmseite 12 steigt die Temperatur auf der Meßstrecke 6 aufgrund der einsetzenden katalysierten Reaktion an bis zum Erreichen eines Maximums und fällt schließlich zur Abströmseite 13 hin wieder ab. Das Maximum der Temperatur zeigt die Lage der Reaktionszone 1 im Innenbereich des Katalysators an, da in der Reaktionszone 1 die Wärmeerzeugung maximal ist. Hinter der Reaktionszone 1 findet praktisch keine Wärmeerzeugung mehr statt, und aufgrund der Wärmeabstrahlung von der Mantelfläche sinkt die auf der Meßstrecke zu messende Temperatur wieder ab. Die Lage des Maximums der Temperaturverteilung auf der Meßstrecke 6 kann als Indikator für die Lage der Reaktionszone 1 im Inneren des Katalysators herangezogen werden: Ist der Katalysator relativ neu, so findet sich das Maximum der Temperaturverteilung in der Nähe der Anströmseite 12 - dies ist angedeutet durch die ausgezogene Kurve in Fig. 3; mit zunehmender Alterung und/oder Vergiftung des Katalysators wandert die Lage des Maximums von der Anströmseite 12 zur Abströmseite 13, da der Katalysator in der Nähe der Anströmseite 12 seine Aktivität weitgehend verloren hat - siehe hierzu die strichpunktierte Kurve in Fig. 3.

Die Erfindung bietet eine einfach, schnell und sicher auszuführende Möglichkeit zur Gewinnung einer Aussage über die Funktionsfähigkeit eines Katalysators.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Reaktionszone (1) in einem Katalysator (2), wobei

• a) der Katalysator (2) einen Innenbereich (3) aufweist, der von einer etwa parallel zu einer Strömungsrichtung (4) erstreckten Mantelfläche (5) umgeben ist;
• b) der Innenbereich (3) entlang der Strömungsrichtung (4) von einem Fluid durchströmbar ist, das Bestandteile enthält, die im Innenbereich (3) durch eine katalysierte, exotherme Reaktion umsetzbar sind;
• c) die Reaktionszone (1) gegeben ist als Teil des Innenbereiches (3), in dem die Reaktion überwiegend stattfindet;
• d) die Reaktionszone (1) ermittelt wird durch Messung der Verteilung der Temperatur auf der Mantelfläche (5) entlang einer Meßstrecke (6) parallel zur Strömungsrichtung (4), wobei die Reaktionszone (1) bestimmt ist durch einen Abschnitt der Meßstrecke (6), auf dem die Temperatur um weniger als ein vorgegebener Grenzwert von dem Maximalwert der Temperatur auf der Meßstrecke (6) abweicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktionszone (1) ermittelt wird, während der Innenbereich (3) von dem Fluid durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluid den Innenbereich (3) in einer stationären Strömung durchströmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktionszone (1) unmittelbar nach einer Durchströmung des Innenbereichs (3) mit dem Fluid bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung durch Auswertung der von der Mantelfläche (5) ausgehenden Wärmestrahlung (7) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mit der von einem die Meßstrecke (6) enthaltenden Ausschnitt (8) der Mantelfläche (5) ausgehenden Wärmestrahlung (7) eine fotografische Aufzeichnung des Ausschnitts (8) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei

• a) die Meßstrecke (6) mit einem Substrat (9) überdeckt wird, das eine durch Wärmeeinwirkung veränderbare Farbe aufweist;
• b) die Reaktionszone (1) ermittelt wird durch Auswertung der Farbe des Substrats (9).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messung mit zumindest einem auf der Meßstrecke (6) befindlichen und über diese beweglichen Temperaturmeßfühler (10) erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messung mit einer Mehrzahl von Temperaturmeßfühlern (10, 11, 12) erfolgt, die auf der Meßstrecke (6) angeordnet sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

• a) die gemessene Verteilung der Temperatur mit einer Vielzahl vorgegebener Standardverteilungen verglichen wird, für deren jede die Reaktionszone (1) bekannt ist;
• b) für die gemessene Verteilung der Temperatur die Reaktionszone (1) durch Interpolation bestimmt wird.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung des Abnutzungsgrades eines Katalysators (2), wobei die Lage der Reaktionszone (1) bezüglich der Meßstrecke (6) als Maß für den Abnutzungsgrad verwendet wird.