Im Hinblick auf immer strenger werdender Abgasrichtlinien in vielen Ländern müssen katalytische Konverter zur Reinigung eines Abgases immer präziser an die Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und deren Betriebsweise angepaßt werden.

Bei der Abgasreinigung von Otto-Motoren ist es bekannter Stand der Technik, zur Verringerung des Schadstoffausstoßes in der Kaltstartphase einen katalytischen Konverter zur verwenden, der eine erste Zone mit möglichst geringer Wärmeka- pazität pro Volumeneinheit aufweist, damit sich diese Zone schnell aufheizt, eine katalytische und exotherme Reaktion auslöst und durch die dabei entstehende Wärmeenergie weiter stromabwärts liegende Teile des katalytischen Konverters aufheizt. Beispiele für solche katalytischen Konverter sind in der WO 92/02716, der US 5,549,873 und der EP 0 705 962 AI beschrieben.

Ein Konzept zur Abgasreinigung von Dieselmotoren oder sogenannten Magermo- toren ist beispielsweise in der WO 99/58827 beschrieben. Diesel-und Magermo- toren werden mit erheblichem Luftüberschuß betrieben, wobei im Abgas wesent- lich niedrigere Temperaturen als bei stöchiometrischem Betrieb auftreten. In der WO 99/58827 ist ein katalytischer Konverter beschrieben, der nach einem Kalt- start des Motors schnell seine Betriebstemperatur erreicht und in nachfolgenden

Phasen mit geringerer Abgastemperatur sehr langsam abkühlt. Der dort beschrie- bene katalytische Konverter ist ebenfalls in Strömungsrichtung in mehrere Zonen unterteilt, wobei hinter einer ersten Zone mit geringer Wärmekapazität eine zweite Zone mit besonders hoher Wärmekapazität pro Volumeneinheit angeordnet ist.

Eine weitere Motorart gewinnt derzeit zunehmend an Bedeutung. Dabei handelt es sich um Verbrennungskraftmaschinen, die für einen Betrieb mit gasförmigen Kraftstoffen geeignet sind. Als gasförmiger Kraftstoff wird dabei insbesondere Methan eingesetzt, da dieses kohlenwasserstoffhaltige Gas in großen Mengen verfügbar ist. Solche Gasmotoren werden insbesondere bei Lastkraftwagen und Omnibussen eingesetzt.

Die oben beschriebenen Konzepte lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auf der- artige Gasmotoren übertragen. Zum einen werden solche Gasmotoren mit einem sehr abweichenden Fahrzyklus betrieben, wobei insbesondere die ununterbroche- ne Betriebsdauer gegenüber anderen Motoren verlängert ist. Weiterhin kommt es beim Betrieb eines Gasmotors häufig zu einer unvollständigen Verbrennung des gasformigen Kraftstoffes, wodurch im Abgas peakformige Kohlenwasserstoff- konzentrationen auftreten. Der hohe Luftanteil mit einer relativ niedrigen Tempe- ratur kühlt das Abgas im Betrieb. Aus diesem Grund werden katalytisch aktive Konverter motornah eingebaut, damit diese ihre Anspringtemperatur nach einer möglichst kurzen Zeitdauer erreichen.

Das Abgas des Gasmotors weist allerdings peakförmige Wasserstoffkonzentratio- nen auf. Treffen diese Wasserstoffkonzentrationen auf eine katalytisch aktive O- berfläche, erfolgt eine stark exotherme Reaktion. Aufgrund dieser exothermen Reaktion können Temperaturen bis 1. 200 °C auftreten. Diese hohen Temperaturen führen zu einer verstärkt auftretenden Korrosion des Katalysator-Trägerkörpers.

Gerade im Hinblick auf die dynamische Belastung eines Katalysator- Trägerkörpers, bilden sich Risse, die eine Ausbreitung der Korrosionserscheinun- gen begünstigt und somit letztendlich zum Versagen der Trägerstruktur führt.

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Ein weiterer Aspekt bei der Gestaltung und Auslegung eines Katalysator- Trägerkörpers ist das Anspringverhalten direkt nach dem Start der Verbrennungs- kraftmaschinen. Mit dem Ziel, in möglichst kurzer Zeit den Katalysator- Trägerkörper auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der eine katalytische Umset- zung der Schadstoffe im Abgas erfolgt, wurden bekannte Katalysator- Trägerkörper beispielsweise in Zonen unterteilt, wobei die erste, stromaufwärts angeordnete Zone eine geringere Wärmekapazität aufweist als stromabwärts an- geordnete. Derart hat sich diese erste Zone sehr schnell aufgeheizt und die exo- therme Umsetzung in Gang gesetzt. Die bei der katalytischen Umsetzung freier- dende thermische Energie unterstützt zudem die Erwärmung der stromabwärts angeordneten Zonen. Weiterhin ist bekannt, daß eine geringere Wärmekapazität durch Bleche mit geringer Dicke erzeugt werden kann. Allerdings sind diese dün- nen Bleche sehr empfindlich gegenüber Temperaturspitzen, wie sie in einem Ab- gas bzw. während der katalytischen Umsetzung vorkommen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Katalysator-Trägerkörper und eine besonders vorteilhafte Verwendung anzugeben, der eine dauerhafte und ef- fektive Umsetzung der Schadstoffe im Abgas ermöglicht.

Diese Aufgaben werden durch einen Katalysator-Trägerkörper mit den Merkma- len des Anspruchs 1 bzw. eine Verwendung gemäß den Merkmalen des An- spruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Katalysator-Trägerkörper weist eine Wabenstruktur auf und ist in einer Ab- gasanlage zum Reinigen eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine ange- ordnet. Der Katalysator-Trägerkörper ist für ein Abgas in einer Strömungsrich- tung durchströmbar und weist in Strömungsrichtung hintereinander eine erste und eine zweite Zone auf. Erfindungsgemäß weist die erste Zone eine höhere oberflä- chenspezifische Wärmekapazität auf als die stromabwärts angeordnete zweite

Zone. Unter oberflächenspezifischer Wärmekapazität wird die pro geometrischer Oberfläche vorhandene Wärmekapazität verstanden.

Entgegen dem Entwicklungstrend bei katalytischen Konvertern, die erste Zone mit einer geringeren Wärmekapazität auszuführen und das Kaltstartverhalten zu verbessern, weist der erfindungsgemäße Katalysator-Trägerkörper an der Abgas- eintrittsseite eine höhere oberflächenspezifische Wärmekapazität auf als auf der Gasaustrittsseite.

Eine höhere oberflächenspezifische Wärmekapazität in der ersten Zone hat den Vorteil, daß ein Großteil der lokal auftretenden Temperaturerhöhungen aufge- nommen und verteilt wird, die aufgrund der exothermen Reaktion mit unverbrann- tem Kohlenwasserstoff entsteht. Dem Abgas wird auf diese Weise in der ersten Zone relativ viel thermische Energie entzogen, wodurch eine verstärkte Korrosion und/oder Alterung in der zweiten Zone verhindert wird.

Dieser Effekt ist unabhängig von der Art der Verbrennungskraftmaschine auch dann besonders wirkungsvoll, wenn die Wabenstruktur des Katalysator- Trägerkörpers besonders dünnwandig ist und/oder eine sehr hohe Kanalanzahl pro Querschnittsfläche aufweist. Diese Katalysator-Trägcrkörper werden aufgrund der hohen Anforderungen an die Effektivität bei der katalytischen Umsetzung der Schadstoffe im Abgas verwendet, da sie bei einem bestimmten Volumen eine sehr große katalytisch aktive Oberfläche bereitstellen, mit der das Abgas reagieren kann.

Diese hohen thermischen Belastungen des Katalysator-Trägerkörpers haben dem- nach ihren Ursprung einerseits in dem Betrieb der Verbrcnnungskraßmaschine und/oder andererseits in der besonders filigranen und daher auch empfindlichen Beschaffenheit des Katalysator-Trägerkörpers. Erfindungsgemäß wird durch die erste Zone eine Art Schutzzone bereitgestellt, welche die kritischen Temperatur-

spitzen abfängt und eine schnelle thermische Alterung der stromabwärts liegenden Zonen verhindert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Katalysator-Trägerkörper eine Wabenstruktur auf, wobei die Wabenstruktur in der ersten Zone eine größere Wanddicke aufweist in der zweiten Zone. Die Wabenstruktur bezeichnet in die- sem Zusammenhang den Teil des Katalysator-Trägerkörpers, der die Strömung- passagen des Abgases begrenzt. Die Vergrößerung der Wanddicke der Waben- struktur stellt somit eine Materialkonzentration in der ersten Zone dar. Diese Ma- terialkonzentration eignet sich besonders gut, um eine höhere oberflächenspezifi- sche Wärmekapazität in der ersten Zone herzustellen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Wabenstruktur in der ersten Zone eine Wanddicke von 0,04 mm bis 0,11 mm hat, insbesondere zwischen 0,065 und 0,08 mm.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Katalysator-Trägerkörpers hat die Wabenstruktur in der zweiten Zone eine Wanddicke kleiner als 0,04 mm, vor- zugsweise kleiner als 0,03 mm. Wabenkörper mit einer geringeren Wanddicke sind reagieren zunehmend empfindlicher auf thermische Beanspruchung. Dem- nach ist es gerade bei diesen Wanddicken vorteilhaft, eine Schutzzone stromauf- warts anzuordnen. Diese Schutzzone glättet insbesondere Temperaturspitzen des Abgases, wodurch die katalytisch aktive Lebensdauer der zweiten Zone erhöht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysator- Trägerkörpers weist die Wabenstruktur der ersten Zone eine höhere Wärmeleitfä- higkeit auf als in der zweiten Zone. Die erhöhte Wärmeleitfähigkeit in der ersten Zone gewährleistet einen schnellen Transport von thermischer Energie, wodurch insbesondere das Auftreten von lokal begrenzten, heißen Punkten (Hot-Spots) vermieden wird, wie sie insbesondere bei der exothermen Reaktion von unver- brannten Kohlenwasserstoffen mit der katalytisch aktiven Oberfläche des Kataly- sator-Trägerkörpers auftreten. Dabei ist es vorteilhaft, die erste Zone mit einer

Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 Watt pro Meter und Kelvin [W/(m-K)], vorzugsweise von mindestens 20 W/(m-K), ausgeführt ist.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels weist der Katalysator-Trägerkörper für ein Abgas durchströmbare Kanäle auf, wobei die erste Zone eine geringere Anzahl von Kanälen pro Einheitsquerschnittsfläche aufweist als pro Einheitsquer- schnittsfläche in der zweiten Zone. Die reduzierte Anzahl der Kanäle bedeutet eine Verringerung der Oberfläche in dieser Zone, wodurch eine geringere katalyti- sche Umsetzung in dieser Zone erfolgt. Somit werden die Temperaturmaxima in der ersten Zone reduziert, die zu einer vorzeitigen Alterung der katalytisch aktiven Beschichtung führt. Da sich diese hohen Temperaturen durch die Strömung auch den nachfolgenden Schichten mitteilen, wird ebenfalls eine thermische Alterung der stromabwärts gelegenen Zonen verhindert. Eine geringere Anzahl der Kanäle pro Einheitsquerschnittsfläche in der ersten Zone verringert demzufolge die Schä- digung des Katalysator-Trägerkörpers durch thermische Alterung. Bevorzugt soll- te die erste Zone wenigstens 20 % weniger Kanäle pro Einheitsquerschnittsfläche haben als die zweite Zone.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Anzahl der Kanäle in der ers- ten Zone zwischen 100 und 400 cpsi (cells per square inch) vorgeschlagen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anzahl der Kanäle in der zweiten Zone mindestens 300 cpsi (cells per square inch) ist. Da die Empfindlichkeit des Kata- lysator-Trägerkörpers auf thermische Belastungen mit steigender Anzahl von Ka- nälen steigt, ist die Anzahl der Kanäle in der zweiten Zone insbesondere mindes- tens 600 cpsi, vorzugsweise mindestens 1000 cpsi.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform hat der Katalysator-Trägerkörper in der ersten Zone eine erste Wanddicke und in der zweiten Zone eine zweite Wand- dicke, wobei das Verhältnis der ersten Wanddicke zur zweiten Wanddicke min- destens halb so groß ist, wie das Verhältnis der Anzahl der Kanäle der zweiten Zone zur Anzahl der Kanäle in der ersten Zone. Das bedeutet beispielsweise, daß

ein Katalysator-Trägerkörper, der in der ersten Zone eine Kanaldichte von 100 cpsi und in der zweiten Zone von 600 cpsi aufweist (Verhältnis 1 : 6), demzufolge mit einer ersten Wanddicke der Wabenstruktur in der ersten Zone ausgeführt ist, die mindestens das dreifache der zweiten Wanddicke der Wabenstruktur in der zweiten Zone aufweist. Diese Materialanhäufung in der ersten Zone gleicht den schlechteren Wärmeübergang aufgrund der geringeren Anzahl von Kanälen pro Einheitsquerschnittsfläche aus.

Gemäß noch einer weiteren Ausfiihrungsform weist die erste Zone eine erste axia- le Länge und die zweite Zone eine zweite axiale Länge auf, wobei die erste axiale Länge so bemessen ist, daß sie 10 % bis 50 %, vorzugsweise 20 %, der zweiten axialen Länge entspricht. Somit kann auch bei einer kompakten Bauform eine Erhöhung der Lebensdauer des Katalysator-Trägerkörpers gewährleistet werden.

Weiterhin wurde festgestellt, daß für eine Vielzahl von Katalysator-Trägerkörper eine erste Zone mit einer axialen Länge von 20 mm zum Abbauen von besonders hohen thermischen Belastungsspitzen ausreichend ist.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist der Katalysator-Trägerkörper eine katalytisch aktive Beschichtung mit Edelmetallen auf, insbesondere mit E- delmetallen der Platin-Elementgruppe. Die Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Gehalt an Edelmetallen in der ersten Zone niedriger ist als in der zweiten Zone. Der Gehalt an Edelmetallen spielt eine wichtige Rolle bei der kata- lytischen Umsetzung von Schadstoffen in einem Abgas. Ein niedriger Gehalt an Edelmetallen, insbesondere der Platin-Elementgruppe, hat eine geringere katalyti- sche Umsetzungsrate in der ersten Zone des Katalysator-Trägerkörpers zur Folge.

Somit werden die exothermen Reaktionen, wie sie beispielsweise beim Auftreffen von im Abgas befindlichen Kohlenwasserstoffkonzentrationen entstehen, deutlich verringert und einer vorzeitigen, thermischen Alterung entgegengewirkt. Beson- ders vorteilhaft ist es dabei, die Beschichtung in der ersten Zone mit einem Gehalt an Edelmetallen von 5 bis 50 g/ft3 auszuführen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Wabenstruktur mit zumindest teilweise strukturierten Blechlagen ausgeführt. Derartige Blechlagen stellen eine große katalytische Oberfläche zur Umsetzung von im Abgas befindlichen Schad- stoffen zur Verfügung. Weiterhin zeichnen sie sich durch eine relativ hohe Wär- meleitfähigkeit aus, die einer lokalen Überhitzung des Katalysator-Trägerkörpers entgegenwirkt.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone einen Spalt anzuordnen. Der Spalt verhindert eine Wärmeleitung von der Wabenstruktur in der ersten Zone hin zur zweiten Zo- ne. Somit werden die hohen Temperaturen überwiegend von der ersten Zone auf- genommen, wobei eine Überhitzung der zweiten Zone vermieden wird.

Nach einer weiteren Ausführungsfbrm wird vorgeschlagen, daß die Beschichtung des Katalysator-Trägerkörpers in der ersten Zone dicker als in der zweiten Zone ausgeführt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Kataly- sator-Trägerkörper bei dem Herstellungsvorgang mehrmals einem Beschichtungs- vorgang unterzogen wird. Somit könnte beispielsweise in der ersten Zone deutlich mehr Washcoat an der Wabenstruktur in der ersten Zone haften bleiben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsfbrm hat der Katalysator-Trägerkörper zumin- dest einige Blechlagen in der ersten Zone einen Kragen aufweisen, der im wesent- lichen parallel zur Blechlage angeordnet ist, vorzugsweise an einer Blechlage an- liegt. Solche Kragen können beispielsweise so hergestellt werden, daß die jeweili- gen Bleche bzw. Blechlagen mit einer Länge ausgeführt sind, die gegenüber den anderen Blechen bzw. Blechlagen ca. den Betrag der ersten axiale Lange der ers- ten Zone länger ist, wobei diese überstehenden Bereiche umgeformt werden und sich letztendlich in das Innere des Katalysator-Trägerkörpers erstrecken. Diese Kragen sind dabei im wesentlichen parallel zu den Blechlagen angeordnet und liegen zumindest teilweise an diesen an.

Weiterhin wird die Verwendung eines erfindungsgemäßen Katalysator- Trägerkörper insbesondere für Abgassysteme von Verbrennungsmaschinen vorge- schlagen, die mit gasformigem Kraftstoff betrieben werden. Solche Gasmotoren werden insbesondere in Lastkraftwagen und Omnibussen eingesetzt. Diese Fahr- zeuge zeichnen sich durch sehr lange Fahrzyklen aus, wobei das Kaltstartverhal- ten n nur eine untergeordnete Bedeutung hat. Somit weist der Katalysator stets eine Temperatur auf, bei welcher eine effektive katalytische Umsetzung der Schadstof- fe im Abgas gewährleistet ist. Weiterhin können die extremen thermischen Belas- tungen aufgrund der pcakformigen Wasserstoffkonzentrationen im Abgas einfach abgebaut werden. Die hat einen besonders positiven Einfluß auf die Lebensdauer von insbesondere so motornah angeordneten Katalysator-Trägerkörpem.

Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einem erfin- dungsgemäßen Katalysator-Trägerkörper ; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausfuhrungsfbrm des erfin- dungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers ; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Einheitsquerschnittsflä- che ; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Einheitsquerschnitts- fläche und Fig. 5 eine schematische Detailansicht eines Katalysator-Trägerkörpers.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Abgasanlage 23 einer Verbrennungskraftmaschine 3 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers mit einem Wabenkörper 1. Der Verbrennungskraftmaschine 3, hier als Gasmotor ausgeführt, wird ein Gemisch aus Luft 21 und gasförmigem Kraftstoff 20 zuge- führt. Nach erfolgter Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird das Abgas 2 mit einer Abgasleitung durch einen Katalysator-Trägerkörper 1 geführt, wobei eine Umsetzung der Schadstoffe im Abgas 2 erfolgt. Nach der Umsetzung wird das gereinigte Abgas 2 an die Umgebung abgegeben. Der Katalysator- Trägerkörper 1 weist eine erste Zone 6 und eine zweite Zone 7 auf, wobei die ers- te Zone 6 eine höhere oberflächenspezifische Wärmekapazität aufweist als die stromabwärts 5 angeordnete zweite Zone 7.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Kataly- sator-Trägerkörpers l. Der Katalysator-Trägerkörper 1 weist in Strömungsrich- tung 5 hintereinander eine erste 6 und eine zweite Zone 7 auf. Zwischen der ersten Zone 6 und der zweiten Zone 7 ist ein Spalt 19 angeordnet. Die erste Zone 6 hat eine erste axiale Länge 14, welche vorzugsweise 20 % der zweiten axialen Länge 15 der zweiten Zone 7 ist. Der Katalysator-Trägerkörper 1 weist eine Wabenstruk- tur 8 auf, welche eine Anzahl von Kanälen 10 begrenzt. Der Katalysator- Trägerkörper 1 ist zusätzlich von einem Mantelrohr 24 umschlossen. Die erste Zone 6 des dargestellten Katalysator-Trägerkörpers 1 weist eine geringere Anzahl von Kanälen 8 pro einer ersten Einheitsquerschnittsfläche 11 auf als eine zweite Einheitsquerschnittsfläche 12 der zweiten Zone 7.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der ersten Einheitsquerschnittsfläche 11.

Dabei sind Blechlagen 4 zu erkennen, welche die Wabenstruktur 8 bilden. Die Blechlagen 4 sind so strukturiert, daß diese für ein Abgas 2 durchströmbare Kanä- le 10 aufweisen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht der zweiten Einheitsquerschnittsfläche 12.

Die Kanäle 8 sind hierbei gegenüber der ersten Einheitsquerschnittsfläche 11 aus Fig. 3 deutlich kleiner ausgeführt, wodurch eine höhere Anzahl der Kanäle 8 ge- währleistet ist. Die Blechlagen 4 der ersten Zone 6 sind dabei mit einer größeren Wanddicke 9 ausgeführt, als die Blechlagen 4 der zweiten Zone 7.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Detailansicht des Katalysator-Trägerkörpers l. Die Wabenstruktur 8 bildet dabei für ein Abgas 2 durchströmbare Kanäle 10. Die Wa- benstruktur 8 weist eine Wanddicke auf, wobei bevorzugt die erste Wanddicke 9 in der ersten Zone 6 größer ausgeführt ist, als die zweite Wanddicke 13 der Wa- benstruktur 8 in der zweiten Zone 7. Die Wabenstruktur 8 ist mit einer Beschich- tung 16 ausgeführt, die in den Kanälen 10 angeordnet ist. Die Beschichtung 16 weist Edelmetalle 17 auf, insbesondere Edelmetalle 17 der Platin- Elementengruppe, die eine Umsetzung der Schadstoffe im Abgas 2 unterstützen.

Zur Verhinderung von heftigen exothermen Reaktionen des Abgases 2 in der ers- ten Zone 6 weist die Beschichtung 16 in der ersten Zone 6 bevorzugt einen gerin- geren Gehalt von Edelmetallen 17 gegenüber in der zweiten Zone 7 auf.

Der erfindungsgemäße Katalysator-Trägerkörper eignet sich insbesondere für eine Abgasanlage eines Gasmotors, wie er bevorzugt bei Lastkraftwagen oder Omni- bussen eingesetzt wird. Er ist in der Lage, selbst bei besonders häufig auftretenden lokalen Temperaturmaxima des Abgases eine dauerhafte und effiziente Schad- stoffumsetzung zu gewährleisten.

Bezugszeichenliste Katalysator-Trägerkörper 2 Abgas 3 Verbrennungskraftmaschine 4 Blechlage 5 Strömungsrichtung 6 erste Zone 7 zweite Zone 8 Wabenstruktur 9 (erste) Wanddicke 10 Kanal 11 Einheitsquerschnittsfläche in der ersten Zone 12 Einheitsquerschnittsfläche in der zweiten Zone 13 zweite Wanddicke 14 erste axiale Länge 15 zweite axiale Länge 16 Beschichtung 17 Edelmetall 19 Spalt 20gasförmiger Kraftstoff 21 Luft 23 Abgasanlage 24 Mantelrohr