DE3608292A1

DE3608292A1 - Anordnung fuer fahrzeuge, insbesondere kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3608292A1
Application number: DE19863608292
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Bernhardt; Wolfgang Dr.-Ing. Held; Axel Dr.-Ing. König
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1985-03-16
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1986-09-18

Description

Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere
Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Um optimale Abgaswerte bei Fahrzeugen mit gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen (Otto-Motoren) zu erzielen, sind Anlagen bekannt, bei denen ein im Abgassystem angeordneter einen Multifunktionskatalysator enthaltender Konverter mit einem geregelten Gemischbildungssystem kombiniert wird, wobei als Regelgröße für die Gemischregelung die Meßwerte einer den Sauerstoffgehalt des Abgases erfassenden Lambda-Sonde herangezogen werden. Ein derartiges System bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand und läßt sich nicht ohne weiteres bei bereits in Betrieb befindlichen Fahrzeugen einsetzen.
Als Nachrüstlösung für solche bereits im Betrieb befindliche Fahrzeuge ist daher eine Ausführung bekannt geworden, bei der unter Verzicht auf die Lambda-Sonde und die aufwendige Gemischregelung lediglich der Konverter mit dem Multifunktionskatalysator im Abgassystem eingeschaltet wird. Diese Katalysatoren, die üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung versehenen Trägerkörper bestehen, setzen aber nur in einem sehr engen Bereich um das stöchiometrische Kraftstoff- Luft-Verhältnis von X = 1 die drei aus Luftreinerhaltungsgründen limitierten Abgasschadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NOx, simultan um. Bei Verbrennungsabgasen aus fettem Gemisch ( t < 1) können sie dagegen im wesentlichen nur die Stickoxide und bei den Abgasen aus magerem Gemisch ( Ar > 1) nur Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe verringern. Da eine mit einem solchen Multifunktaonskatalysãtor versehene n#rennkiaü###aschine tei der genannten Nachrüstlösung ohne eine Gemischregelung betrieben wird, ist das Luftverhältnis und damit auch die Konversionsrate für die einzelnen Abgasbestandteile eine Funktion der zufälligen Betriebsweise des Fahrzeugs. Zu erwarten ist daher eine Konversionsrate im Bereich zwischen lediglich 30 und 50 %.
Neben dieser relativ niedrigen Konversionsrate liegt ein weiterer Nachteil dieses bekannten Systems darin, daß die Multifunktionskatalysatoren bei Gemischverhältnissen t < 1 einen Teil der Stickoxide nicht direkt zu Stickstoff, sondern zu Ammoniak (NH3) reduzieren, wodurch zumindest eine Geruchsbelästigung auftreten kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung der im Oberbegriff genannten Art zu schaffen, bei der eine Verbesserung der Schadstoffemissionen, insbesondere bei den Stickoxiden, und gleichzeitig eine Vermeidung der Abgabe von Ammoniak erreicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale erzielt. Der erfindungsgemäß in dem zweiten Konverter enthaltene Katalysator entspricht dabei im Prinzip den für die Stickoxidreduktion der Abgase von Kraftwerk- und sonstigen Industrieanlagen verwendeten und entwickelten Katalysatoren. Solche Katalysatoren, die beispielsweise aus einem Trägerkörper mit einer Beschichtung aus einem Oxid eines Nichtedelmetalls, wie z.B. Titan, Vanadium, Cerium, Kupfer, Kobalt, Wolfram, Mangan, Molybdän, Eisen, Chrom, Niob, aus Aktivkoks oder aus Zeolithen bestehen können, haben die Eigenschaft, Stickoxide bei netto oxydierenden Bedingungen, zum Beispiel in Verbrennungsabgasen aus magerem Motorbetrieb, unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel zu reduzieren. Durch die erfindungsgemäße Heranziehung eines solchen zweiten Konverters wird also gleichzeitig die aus dem Motor stammende Stickoxidemission und die vom ersten Konverter herrührende Ammoniakabgabe gesenkt. Dabei liegen die Arbeitstemperaturen je nach verwendetem Katalysator zwischen etwa 150 und 5000C mit einem Optimum zwischen 250 und 3500 C, somit in einem Bereich, der bei Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen leicht erreicht und, gegebenenfalls unter Heranziehung einer Sekundärluftzuführung, eingehalten werden kann. Dabei wäre es zweckmäßig, wenn der zweite Konverter Mittel zur Speicherung von mit dem Abgas mitgeführtem Ammoniak aufweist. Während Zeolith- Katalysatoren, aber auch Aktivkokskatalysatoren, durch ihre von Hause aus gegebene Struktur eine erhebliche Speicherfähigkeit für Ammoniak besitzen, kann bei anderen Katalysatorarten diese Eigenschaft durch eine auf die Struktur sich auswirkende entsprechende Werkstoffwahl bzw. Dotierung des Katalysatorträgers oder -zwischenträgers gezüchtet werden.
In der Zeichnung ist anhand eines schematichen Schaltbildes einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutet wird. In der Zeichnung ist mit 1 eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine (Otto-Motor) bezeichnet, die in ihrer Ansaugleitung 3 einen herkömmlichen ungeregelten Gemischbildner 2 aufweist. Dieser Gemischbildner kann dabei als Vergaser, aber auch als mechanische oder elektrische Einspritzeinrichtung ausgeführt sein, wobei, wie dies bei heutigen Anlagen ohne Katalysator üblich ist, eine verbrauchsoptimale Abstimmung bei leichtem Luftüberschuß im größten Teil des Kennfeldes und mit fetten Anteilen lediglich bei Leerlauf, Vollast, in Beschleunigungs-und Schubphasen sowie bei kaltem Motor vorgesehen ist.
Zur Beseitigung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 enthaltenen Schadstoffe ist in der Abgasleitung 4 ein erster Konverter 5 vorgesehen, der einen sogenannten Multifunktionskatalysator aufweist und üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung auf einer Zwischenschicht versehenen Trägerkörper besteht. Der Katalysator dieses ersten Konverters 5 setzt bei dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis (# = 1) alle drei limitierten Abgasschadstoffe simultan um, während er aus den Abgasen eines fetten Verbrennungsgemischs mit ; < 1 im wesentlichen nur die Stickoxide und aus den Abgasen eines mageren Verbrennungsgemischs mit > 1 nur die Kohlenmonoxide und die Kohlenwasserstoffe umsetzt.
Diesem ersten Konverter 5 ist in der Abgasleitung 4 ein zweiter Konverter 6 nachgeschaltet, dessen Katalysator die Eigenschaft besitzen soll, Stickoxide in oxydierender Atmosphäre unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel zu reduzieren. Solche Katalysatoren sind im Prinzip aus Stickoxid-Reduktionsanlagen von Kraftwerken und sonstigen Industrieanlagen bekannt und können zum Beispiel aus Zeolithen, aus Aktivkoks oder aus einem mit einer Nichtmetall-Oxid-Beschichtung versehenen Trägerkörper bestehen, wobei das Nichtedelmetall aus Titan, Vanadium, Cerium, Kupfer, Kobalt, Wolfram, Mangan, Molybdän, Eisen, Chrom oder Niob besteht. Insbesondere die aus Zeolithen oder Aktivkoks bestehenden Katalysatoren besitzen aufgrund ihrer inneren Struktur die vorteilhafte Eigenschaft, das als Reduktionsmittel verwendete und vom ersten Konverter abgegebene Ammoniak zu speichern.
Wird ein Katalysator aus einem Nichtedelmetalloxyd verwendet, muß ein derartiges Ammoniak-Speichervermögen, beispielsweise durch Züchtigung einer entsprechenden Struktur des Trägerkörpers oder der auf diesem angebrachten Zwischenträgerschicht herbeigeführt werden. Die Ammoniakspeicherung ist deshalb von besonderer Wichtigkeit, weil auf diese Weise das während der Umsetzung der aus der fetten Verbrennung herrührenden Verbrennungsgase im ersten Konverter 5 erzeugte und im zweiten Konverter 6 gespeicherte Ammoniak bei anschließenden Betriebszuständen mit Verbrennung magerer Gemische für die dann notwendige und auch mögliche Stickoxidreduzierung in dem zweiten Konverter 6 herangezogen werden kann.
Um den Sauerstoffanteil im Abgas für die Reduzierung in dem zweiten Konverter 6 in optimalen Bereichen von z.B. 4 bis 5 % zu halten, kann zwischen dem ersten Konverter 5 und dem zweiten Konverter 6 eine in der Zeichnung mit 7 angedeutete Sekundärluftzuführung, beispielsweise in Form einer selbsttätigen Luftansaugung, vorgesehen sein. Diese Sekundärluftzuführung kann gleichzeitig zur Abgaskühlung herangezogen werden, um in dem zweiten Konverter eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 250 und 3500 C einhalten zu können.
Bei dem in der Zeichnung gezeigten System saugt also die Brennkraftmaschine 1 über die Ansaugleitung 3 mit dem ungeregelten Gemischbildner 2 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch an und gibt das bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas über die Abgasleitung 4 und die beiden Konverter 5 und 6 an die Umgebung wieder ab. Entsprechend der instationären Betriebsweise des Fahrzeugs wechselt das motorische Luft-Kraftstoff-Luft-Verhältnis zwischen der mageren Grundeinstellung und fetten Anteilen, insbesondere bei Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Vollastphasen. In den fetten Betriebsphasen setzt der erste Konverter 5 die Stickoxide zu eine#m bestimmten Teil um, und zwar zum größten Teil zu Stickstoff, zu einem kleineren Anteil zu Ammoniak. Dieses Ammoniak wird im zweiten Konverter 6 dazu benutzt weitere Stickoxide zu reduzieren. Diese Stickoxid-Reduktion im zweiten Konverter 6, die vorzugsweise bei oxydierender Atmosphäre, das heißt also bei Luftüberschuß, stattfindet, kann daher in mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, jedoch nur so lange, wie Ammoniak in der Masse des Katalysators gespeichert ist. Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden im ersten Konverter 5 nachverbrannt, und zwar im wesentlichen nur während der mageren Betriebsphasen mit > 1. Die gegebenenfalls in das System integrierte Sekundärluftzuführung 7, die beispielsweise an einer venturiartigen Verengung der Abgasleitung 4 zwischen den beiden Konvertern 5 und 6 vorgesehen sein kann, ermöglicht eine Zumischung von Luft zum Abgas, die eine zur optimalen Funktion des zweiten Katalysators erforderliche Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie gegebenenfalls eine zur Einhaltung einer optimalen Betriebstemperatur erforderliche Abgastemperierung gewährleistet.
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Claims

ANSPRÜCHE @ Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, einem in der Ansaugleitung vorgesehenen, ungeregelten Gemischbildner und mit einer in der Abgasleitung eingeschalteten, einen Multifunktionskatalysator enthaltenden katalytischen Abgasreinigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigungseinrichtung in Strömungsrichtung hinter einem ersten, den Multifunktionskatalysator enthaltenden Konverter (5) einen zweiten Konverter (6) mit einem Stickoxyde in oxydierender Atmosphäre und unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel reduzierenden Katalysator aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Konverter (6) Mittel zur Speicherung von mit dem Abgas mitgeführtem Ammoniak aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Konverter (6) eine Ammoniak speichernde katalytische Beschichtung aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Konverter (6) ein Ammoniak speicherndes Trägermaterial bzw. Zwischenträgermaterial aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Beschichtung des zweiten Konverters (6) aus Oxyden einzelner oder mehrrerer Nichtedelmetealle wie Titan, Vanadium, Cerium, Kupfer, Kobalt, Wolfram, Mangan, Molybdän, Eisen, Chrom, Niob besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator des zweiten Konverters (6) aus Aktivkoks besteht.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator des zweiten Konverters aus Zeolithen besteht.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Konverter (5) und dem zweiten Konverter (6) eine Sekundärluftzuführung (7) vorgesehen ist.