Bei der Abgasreinigung von Otto-Motoren ist es bekannter Stand der Technik, zur Verringerung des Schadstoffausstoßes in der Kaltstartphase einen katalytischen Konverter zu verwenden, der eine erste Zone mit möglichst geringer Wärmekapazität pro Volumeneinheit aufweist, damit sich diese Zone schnell aufheizt, die katalytische Reaktion auslöst und durch die dabei entstehende Wärmeenergie weiter hinten liegende Teile des katalytischen Konverters aufheizt.

Ein Beispiel für einen solchen katalytischen Konverter ist in der WO 92/02716 beschrieben.

Wabenkörper mit im vorderen Bereich verringerter Wärmekapazität beschreiben auch die US 5,549,873 und die EP 0 705 962 Al. Allen drei Schriften ist gemeinsam, daß in der ersten Zone eine geringere Oberfläche vorhanden ist als in der zweiten Zone, wodurch im wesentlichen die Verringerung der Wärmekapazität erreicht wird.

Neben den beschriebenen monolithischen Wabenkörpem mit einer ersten Zone ver- ringerter Wärmekapazität gibt es in vielen Abgasanlagen Lösungen mit zwei Wabenkörpern, von denen der erste eine geringere Kanalzahl pro Querschnittsfläche und dadurch eine geringere Wärmekapazität hat.

Ein genereller Trend der Entwicklung in den letzten Jahren geht hin zu dünneren Wänden bei allen Wabenkörpern und zu einer insgesamt möglichst geringen Wärmekapazität. Der Grund dafür ist neben Gewichtseinsparung vor allem der gewünschte möglichst geringe Druckverlust im Abgassystem in Verbindung mit möglichst großen Oberflächen pro Volumeneinheit.

Diese im wesentlichen bei Otto-Motoren gewonnenen und zutreffenden Erkenntnisse beziehen sich auf übliche Motorkonzepte, bei denen das Gemisch von Abgas und Brennstoff möglichst genau stöchiometrisch geregelt wird.

Diese Konzepte lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auf Dieselmotoren oder soge- nannte Magermotoren, d. h. mit erheblichem Luftüberschuß betriebene Motoren, inbesondere mit Benzin-Direkteinspritzung, übertragen. Wegen des hohen Luftüber- schusses im Abgas herrschen dort beim Betrieb wesentlich niedrigere Temperaturen als bei stöchiometrischem Betrieb. Zwar bleibt natürlich der Wunsch bestehen, nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors im katalytischen Konverter möglichst schnell die für die katalytische Umsetzung notwendige Betriebstemperatur zu erreichen, jedoch treten im späteren Betrieb, insbesondere in Leerlaufphasen so niedrige Abgastemperaturen auf, daß ein katalytischer Konverter unter Umständen unter die zur Umsetzung nötige Betriebstemperatur abgekühlt wird, woraufhin in einer nachfolgenden Lastphase zunächst Schadstoffe an die Umwelt abgegeben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen katalytischen Konverter zur Reinigung von Abgas zu schaffen, welcher insbesondere für Dieselmotoren und Magermotoren geeignet ist, nach dem Kaltstart des Motors schnell seine Betriebstemperatur erreicht, diese jedoch in nachfolgenden Phasen geringerer Abgastemperatur nicht schnell wieder verliert.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein katalytischer Konverter nach dem Anspruch 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein entscheidender Schritt der vorliegenden Erfindung liegt darin, im katalytischen Konverter hinter der üblichen und auch im vorliegenden Fall gewünschten Zone geringer Wärmekapazität eine zweite Zone mit besonders hoher Wärmekapazität pro Volumeneinheit des Wabenkörpers zu schaffen. Entgegen dem Entwicklungstrend wird dabei ein höheres Gewicht und ein geringfügig höherer Druckverlust im Hinblick auf die erheblich verbesserten Abgasreinigungswerte in Kauf genommen.

Erfindungsgemäß weist ein katalytischer Konverter zur Reinigung von Abgas mindestens einen mit katalytisch aktivem Material beschichteten Wabenkörper auf, der vom Abgas durchströmbare, durch Wände voneinander getrennte Kanäle aufweist, wobei der Konverter in Strömungsrichtung hintereinander eine erste und eine zweite Zone aufweist, wobei die erste Zone eine geringere Wärmekapazität pro Volumeneinheit des Wabenkörpers aufweist als die zweite. Die zweite Zone hat dabei eine besonders hohe Wärmekapazität von mindestens 800 Joule pro Liter und Kelvin [J/1K], vorzugsweise mindestens 900. Die Wirkung dieser hohen Wärmekapazität in der zweiten Zone besteht in einer Speicherung von Wärme, die bei geringer Abgastemperatur die katalytische Reaktion für eine gewisse Zeit aufrechterhalten kann.

Nach dem Kaltstart des Motors heizt sich die erste Zone, wie nach dem Stand der Technik bekannt, schnell auf und beginnt mit der katalytischen Umsetzung von schädlichen Abgasbestandteilen, insbesondere Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Diese Reaktion ist exotherm und unterstützt die schnelle Aufheizung der zweiten Zone, die nun beginnt, Wärme zu speichern. Für die Umsetzung in dieser Kaltstartphase reicht die Oberflache der ersten Zone des katalytischen Konverters weitestgehend aus, so daß die langsame Aufwärmung der

zweiten Zone keine Nachteile für den Schadstoffausstoß bringt. Dafür kann die zweite Zone in einer nachfolgenden Betriebsphase mit geringer Abgastemperatur die katalytische Reaktion durch die gespeicherte Wärme weiter aufrechterhalten, während die erste Zone wegen ihrer geringen Wärmekapazität schnell abgekühlt wird unter die notwendige Umsetzungstemperatur. In einer wiederum folgenden Phase höherer Abgastemperatur verlagert sich die exotherme Umsetzung schnell wieder in die erste Zone, wodurch die zweite Zone wieder aufgeheizt wird und neue Wärme speichern kann. Dieser Vorgang führt insgesamt zu einer gleichmäßig effektiven Abgasreinigung auch bei wechselnder Betriebsweise des Motors, wie sie insbesondere beim Fahrbetrieb innerhalb von Ortschaften und bei entsprechenden Testzyklen auftreten kann.

Grundsätzlich gibt es mehrere Möglichkeiten, einen katalytischen Konverter mit einer zweiten Zone besonders hoher Wärmekapazität herzustellen. Die Wärmekapazität kann durch Erhöhung der Wanddicke der Trägerstruktur und/oder durch Erhöhung der Dicke der Beschichtung erreicht werden. Zusätzlich kann natürlich die Anzahl der Zellen pro Querschnittsfläche gegenüber der ersten Zone erhöht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der katalytische Konverter aus zwei einzelnen Wabenkörpern, die nahe beieinander oder räumlich etwas getrennt angeordnet sein können, wobei der zweite Wabenkörper dickere Wände als der erste Wabenkörper hat. Im Falle von aus Metallblechlagen gewickelten, geschichteten oder geschlungenen Wabenkörpern soll erfindungsgemäß die erste Zone eine durchschnittliche Wanddicke ohne Beschichtung von wenigster als 0,06 mm, vorzugsweise weniger als 0,04 mm aufweisen, während die zweite Zone im Durchschnitt eine Wanddicke ohne Beschichtung von mehr als 0,06 mm, vorzugsweise mehr als 0,08 mm, insbesondere 0,11 mm aufweist. Da es aus fertigungstechnischen und/oder mechanischen Gründen eventuell erforderlich sein kann, einzelne Blechlagen, insbesondere die glatten und die gewellten Blechlagen

unterschiedlich dick auszuführen, wird im vorliegenden Fall die durchschnittliche Dicke der Metallblechlagen angegeben. Besonders bevorzugt ist es aber, alle Blechlagen in einer Zone gleich dick zu machen. Die bisher für metallische Wabenkörper kaum in Betracht gezogenen Blechdicken von mehr als 0,08 mm ermöglichen aufgrund der hohen Wärmekapazität der üblicherweise verwendeten rostfreien Stähle die Speicherung einer beachtlichen Wärmemenge, welche den als Beschichtung auf den Blechlagen vorhandenen keramischen Washcoat fur eine gewisse Zeit auf Betriebstemperatur halten kann, auch wenn die Abgastemperatur stark abfällt.

Alternativ oder additiv kann natürlich in einem katalytischen Konverter auch die Dicke der Beschichtung in der ersten und zweiten Zone unterschiedlich sein, so daß sich in der ersten Zone eine Gesamtdicke der Wände mit Beschichtung von weniger als 0,08 mm ergibt und in der zweiten Zone eine Gesamtdicke größer als 0,1 mm, vorzugsweise größer als 0,12 mm. Dies ist besonders für monolithische Wabenkörper aus einem Trägermaterial durchgehend gleicher Dicke eine Möglichkeit, zwei Zonen unterschiedlicher Wärmekapazität zu schaffen.

Um in der Kaltstartphase trotz der sich langsam auflleizenden zweiten Zone genügend Oberfläche fur die katalytische Umsetzung zu haben, sollte die erste Zone eine axiale Lange von 10 bis 60 mm, vorzugsweise von 20 bis 50 mm haben.

Insgesamt sollte aber die zweite Zone eine mindestens doppelt so große axiale Lange wie die erste Zone haben. Für beide Zonen hat sich eine Anzahl von mindestens 360 cpsi (cells per squareinch) als günstig herausgestellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung, die ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein katalytischer Konverter mit einem Wabenkörper 6 dargestellt. Dieser Wabenkörper hat eine erste axiale Zone 1 der axialen Länge a und eine zweite axiale Zone 2 der axialen Länge b. Der Wabenkörper 6 wird in Strömungsrichtung S vom Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Magermotors, durchströmt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wabenkörper 6 ein monolithischer Wabenkörper sein kann, in dem die Zonen 1,2 mit unterschiedlicher Warmekapazität ausgebildet sind, es kann aber auch eine Anordnung aus zwei getrennten Wabenkörper für die beiden Zonen 1, 2 sein, die dann in einem gemeinsamen Mantelrohr 7 untergebracht sind. Der Wabenkörper gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist aus gegensinnig miteinander verschlungenen glatten 4 und gewellten 5 Metallblechlagen aufgebaut, welche für Abgas durchströmbare Kanäle 3 bilden. In einem bevorzugten Ausfiih- rungsbeispiel ist die Dicke aller Bleche in der ersten Zone 1 etwa 0,03 mm, in der zweiten Zone 2 hingegen etwa 0,11 mm. Für die zweite Zone ergibt sich daraus eine Wärmekapazität mit Beschichtung von über 900 J/1K.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die effektive Abgasreinigung bei wechselnden Betriebszuständen eines Dieselmotors oder eines Magermotors, wobei die erfindungsgemäße Lösung einfach, kostenmäßig günstig und mit nur geringen Nachteilen bezüglich Gewicht und Druckverlust behaftet ist.

Bezugszeichenliste

1 erste axiale Zone 2 zweite axiale Zone 3 Kanal <BR> 4 glatte Blechlage<BR> 5 gewellte Blechlage 6 Wabenkörper 7 Mantelrohr a Lange der ersten axialen Zone b Länge der zweiten axialen Zone S Stromungsrichtung