AT4964U1 - Brennkraftmaschine mit einem abgassystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (1) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugweise als NO`x -Speicherkatalysators ausgebildeten Katalysators (13) angeordneten Abgaskrümmer (3), welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt (7a) zwischen einer Außenschale (5) und einem abgasführenden Innenrohr (6) gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal (7), welcher einen Lufteintritt (9) und einen Luftaustritt (17) aufweist, wobei der mit einer Kühlluftzuführleitung (10) verbundene Lufteintritt (9) in einem Anfangsbereich (8) des Krümmers (3) angeordnet ist, und wobei in der Kühlluftzuführleitung (10) ein Steuerorgan (21) für den Kühlluftdurchfluss angeordnet ist. Um auf möglichst einfache Weise eine Steuerung der Abgastemperatur zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Abgaskrümmer (3) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist.

Description

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  Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysator ausgebildeten Katalysators angeordneten Abgaskrümmer, welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt zwischen einer Aussenschale und einem abgasführenden Innenrohr gebildeten, mit   Kühlluft   durchströmbaren   Kühlkanal,   welcher einen Lufteintritt und einen Luftaustritt aufweist, wobei der mit einer   Kühlluftzuführleitung   verbundene Lufteintritt in einem Anfangsbereich des Krümmers angeordnet ist, und wobei in der Kühlluftzuführleitung ein Steuerorgan für den   Kühlluftdurchfluss   angeordnet ist. 



  Die US 3, 747, 346 A beschreibt ein Temperaturregelsystem für einen Katalysator einer Brennkraftmaschine. Stromaufwärts eines Katalysators ist dabei ein Abgasrohr von einer Gehäusestruktur umgeben, wobei zwischen der Gehäusestruktur und dem Abgasrohr ein Luftspalt für einen   Kühlkanal   ausgebildet ist. Der   Kühlkanal   weist einen Lufteintritt im Anfangsbereich der Gehäusestruktur und einen Luftaustritt im Endbereich der Gehäusestruktur auf. Die Gehäusestruktur und der   Kühlkanal   enden dabei noch stromaufwärts des Katalysators. Im Bereich des Lufteintrittes und des Luftaustrittes sind jeweils miteinander mechanisch verbundene Steuerklappen angeordnet. Die Steuerklappen werden in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur über ein Magnetventil betätigt.

   Lufteintritt und Luftaustritt sind unmittelbar mit der Umgebung verbunden. Da eine separate Gehäusestruktur zur Kühlung des Abgasrohres erforderlich ist, ist die Temperaturregeleinrichtung relativ aufwendig. 



  Die US 3, 820, 327 A beschreibt eine Temperaturregeleinrichtung für einen Katalysator. Ein Teil der Abgasleitung sowie der Katalysator sind dabei von einem separaten   Kühlgehäuse   umgeben, dessen   Kühllufteintritt   mit dem Kühlerventilatorraum verbunden ist. Mittels einer Umschaltklappe kann die   Kühlluft   wahlweise in das   Kühlgehäuse   zur Kühlung des Katalysators oder um das   Kühlge-   häuse herum geleitet werden. Auch diese Kühleinrichtung ist relativ aufwendig, da ein separates   Kühlgehäuse   erforderlich ist. 



  Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 09-133 019 A ist ein luftspaltisolierter Schalenkrümmer für ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher ein das Abgas führendes Innenrohr und eine Aussenschale aufweist. Zwischen dem Innenrohr und der   Aussenschale   ist ein Luftspalt ausgebildet. Die Au- ssenschale weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, durch weiche ein äusserer Luftstrom zufolge des Fahrtwindes in den Luftspalt geblasen wird. Die   Kühlluft   verlässt den Luftspalt im Endbereich des Krümmers. Eine Steuerung der Kühlung ist nicht vorgesehen. 

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 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise eine Steuerung der Abgastemperatur zu ermöglichen, um bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch die Emissionen zu verbessern. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Abgaskrümmer durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist. Luftspaltisolierte Abgaskrümmer wurden bisher dazu verwendet, um das Ansprechverhalten von Katalysatoren, welches entscheidend für die Erfüllung von Emissionsgrenzen ist, zu verbessern. Dazu wurden bisher die geringe thermische Trägheit des Schalenkrümmers und die gute Isolierung des Schalenkrümmers zur Umgebung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Luft ausgenützt. Auch dem erfindungsgemässen Vorschlag kommen diese Eigenschaften zugute. 



  Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Katalysator ummantelt ausgeführt ist, wobei zwischen der Ummantelung und dem Katalysatorgehäuse ein Luftspalt ausgebildet ist, welcher einen Teil des   Kühlkanals   bildet und mit dem Luftspalt zwischen Aussenschale und dem abgasführenden Rohr des Abgaskrümmers im Anfangsbereich des Katalysators strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt im Endbereich des Katalysators angeordnet ist. Somit wird nicht nur der Abgaskrümmer stromaufwärts des Katalysators, sondern auch der Katalysator selbst durch einen Luftmantel isoliert bzw.   gekühlt.   Zwischen dem Innenrohr des Abgaskrümmers und der Aussenschale wird bei Bedarf   Kühlluft   eingeleitet, um das Abgas zu kühlen.

   Dabei wird die volle Krümmeroberfläche zur Kühlung, sowie die geringe thermische Trägheit des luftspaltisolierten Schalenkrümmers genutzt, ohne dass während der Warmlaufphase bis zum Anspringen des Katalysators Nachteile infolge stärkerer Abkühlung in Kauf genommen werden müssten. Eine ungewünschte Abkühlung während der Warmiaufphase kann insbesondere dadurch vermieden werden, dass mittels des vorzugsweise durch eine Umschaltklappe gebildeten Steuerorganes wahlweise zwischen dem   Kühlkanal   und einer den   Kühlkanal   umgehenden Bypassleitung oder Bypassöffnung umgeschaltet werden kann. Während der Warmlaufphase ist somit die Luftzufuhr geschlossen. 



  Um insbesondere bei hohem   Kühlluftbedarf   eine ausreichende Kühlung des Abgases zu ermöglichen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die   Kühlluftzuführleitung   vom Kühlerventilatorraum des Fahr-   zeugkühlers   ausgeht. Dies ermöglicht eine zusätzliche aktive Steuerung des Luftstromes durch den Kühlerventilator. Über das Steuerorgan kann eine zu starke Abkühlung des Abgases vermieden werden. 



  Wesentlich ist, dass gemäss dem erfindungsgemässen Vorschlag ein luftspaltisolierter Standard-Abgaskrümmer verwendet wird, wodurch der Fertigungsaufwand so klein wie möglich gehalten werden kann. Luftspaltisolierte Abgaskrümmer zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die Aussenschale eine höhere 

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 Steifigkeit aufweist, als das abgasführende Innenrohr, sowie dass das abgasführende Innenrohr eine höhere Temperaturleitfähigkeit aufweist als die Aussenschale. 



  Mit dem erfindungsgemässen Vorschlag kann die Abgastemperatur bei Vollast wirksam abgesenkt werden und somit ein höchstmöglicher Katalysatorschutz ohne Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht werden, so dass kein Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf genommen werden muss. Nach hohen Motorlasten kann sehr rasch die Abgastemperatur abgesenkt werden, um bei   DeNox-Kataly-   satoren möglichst schnell wieder den Temperaturbereich für die Stickoxideinspeicherung zu erreichen und damit wieder den Magerbetrieb zu ermöglichen. Durch den luftspaltisolierten Abgaskrümmer kann eine gute thermische Isolation des Abgases zur Umgebung erreicht werden, wodurch die Gefahr von Emissionsproblemen durch zu geringe Katalysatortemperaturen bei "Ausgehen" des Katalysators hintangestellt werden kann. 



  Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. 



  Die Figur zeigt ein Abgassystem 1 einer Brennkraftmaschine 2 mit einem als luftspaltisolierter   Schalenkrümmer   ausgebildeten Abgaskrümmer 3, welcher stromaufwärts eines   NOx-Katalysators   13 im durch die Pfeile 4 angedeuteten Abgasstrom angeordnet ist. Zwischen einer Aussenschale 5 und einem den Abgasströmungsweg bildenden Innenrohr 6 weist der Abgaskrümmer 3 einen einen Kühlkanal 7 bildenden Luftspalt 7a auf, welcher einerseits das Abgasrohr 6 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert und über den andererseits der Abgasstrom 4   gekühlt   werden kann. Der   Kühlkanal   7 weist im Anfangsbereich 8 des Abgaskrümmers 3 einen Lufteintritt 9 auf, an weichen eine   Kühlluftzuführleitung   10 angeschlossen ist.

   Die   Kühlluftzuführleitung   10 geht vom Kühlerventilatorraum 11 eines Fahrzeugkühlers 12 aus. 



  Der NOx-Katalysator 13 weist eine Ummantelung 14 auf, weiche mit dem Katalysatorgehäuse 15 ebenfalls einen Luftspalt 16 ausbildet, welcher mit dem Luftspalt 7a zwischen dem abgasführenden Innenrohr 6 und der Aussenschale 5 des Abgaskrümmers 3 verbunden ist und den   Kühlkanal   7 bildet. Der Luftaustritt 17 des   Kühlkanals   7 ist im Endbereich 18 des Katalysators 13 angeordnet. 



  Die Aussenschale 5 des Abgaskrümmers 3 weist eine höhere Steifigkeit und eine geringere Temperaturleitfähigkeit auf, als das abgasführende Innenrohr 6 des Abgaskrümmers 3. Dadurch wird einerseits eine relativ geringe thermische Trägheit des Abgaskrümmers 3 und andererseits eine gute Isolierung des Abgaskrümmers 3 gegenüber der Umgebung aufgrund der schlechteren Wärmeleitfähigkeit der Luft im Luftspalt 7a erreicht. 

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 Die durch die Pfeile 19 angedeutete   Kühlluft   gelangt über den   Fahrzeugkühler   12 und den   Kühlerventilator   20 durch den Kühlerventilatorraum 11 in die   Kühlluft-   zuführleitung 10.

   In der   Kühlluftzuführleitung   10 ist ein durch eine Klappe gebildetes Steuerorgan 21 angeordnet, mit welchem der Strömungsweg zum Abgaskrümmer 3 oder zu einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung 22 geschaltet werden kann. Bei Bedarf wird die   Kühlluft   über die   Kühlluftzuführleitung   10 durch den Lufteintritt 9 dem   Kühlkanal   7 zugeleitet, um den Abgasstrom 4 zu kühlen. Dabei wird die volle Krümmeroberfläche des Abgaskrümmers 3 zur Kühlung, sowie die geringe thermische Trägheit des abgasführenden Innenrohres 6 genutzt. Somit kann eine hohe Kühlleistung bereits vor dem NOx-Katalysator 13 eingebracht werden, was folgende Vorteile ergibt : - Absenkung der Abgastemperatur bei Vollast und damit Katalysator-Schutz ohne Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches.

   Dadurch ergibt sich ein
Verbrauchsvorteil bei Volllast. 



   - Schnelle Temperaturabsenkung nach hohen Motorlasten, um bei NOx-Spei-   cherkatalysatoren   13 möglichst schnell wieder den Temperaturbereich für die NOx-Einspeicherung zu erreichen und damit Magerbetrieb zu ermögli- chen. 



   - Gute Isolation zur Umgebung und somit verringerte Gefahr von Emissions- problemen durch zu geringe Katalysatortemperaturen infolge "Ausgehen" des   NOx-Speicherkatalysators   13. 



  Durch das Steuerorgan 21 wird vermieden, dass insbesondere während der Warmiaufphase eine zusätzliche Kühlung des Abgases erfolgt und somit   das "An-   springen" des NOx-Speicherkatalysators 13 verzögert. Über einen im Bereich des NOx-Speicherkatalysators 13 im Abgassystem 1 angeordneten Temperaturfühler 23 wird die Abgastemperatur bestimmt und einer Steuereinheit 24 zugeführt. 



  Liegt die gemessene Abgastemperatur unter einem vordefinierten Mindestwert, so wird über die Steuereinheit 24 mittels des Steuerorganes 21 der Strömungsweg zum   Kühlkanal   7 geschlossen und der   Kühlluftstrom   19 einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung 22 bzw. Bypassöffnung zugeführt. Eine Unterbrechung der   Kühlluftzufuhr   zum   Kühikanal   7 wird insbesondere während der Warmiaufphase, aber auch bei Niedriglast bei heissem Motor bei zu geringer Abgastemperatur durchgeführt. Besteht ein mässiger   Kühlluftbedarf,   so verschliesst das Steuerorgan 21 die Bypassleitung 22 und gibt den Strömungsweg zum Kühlkanal 7 frei.

   Die   Kühlluftströmung   19 kann somit zur Kühlung des Abgaskrümmers 3 und des   NOx-Katalysators   13 verwendet werden. Besteht hoher   Kühlluft-   bedarf, so ist zusätzlich der Kühlerventilator 20 aktiviert. 



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Claims (5)

1. ANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (1) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysators ausgebil- deten Katalysators (13) angeordneten Abgaskrümmer (3), welcher zumin- dest teilweise von einem durch einen Luftspalt (7a) zwischen einer Aussen- schale (5) und einem abgasführenden Innenrohr (6) gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal (7) umgeben ist, welcher einen Lufteintritt (9) und einen Luftaustritt (17) aufweist, wobei der mit einer Kühlluftzuführleitung (10) verbundene Lufteintritt (9) in einem Anfangsbereich (8) des Krümmers (3) angeordnet ist, und wobei in der Kühlluftzuführleitung (10) ein Steuerorgan (21)

   für den Kühlluftdurchfluss angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (3) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist, dass der Katalysator (13) ummantelt ausgeführt ist, wobei zwischen der Ummantelung (14) und dem Katalysatorgehäuse (15) ein Luftspalt (16) ausgebildet ist, welcher einen Teil des Kühlkanals (7) bildet und mit dem Luftspalt (7a) zwischen Aussenschale (5) und dem abgasführenden Innenrohr (6) des Abgaskrümmers (3) im Anfangsbereich (8) des Katalysators (13) strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt (17) im Endbereich (18) des Katalysators (13) angeordnet ist.
2. 2. Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlkanal (7) führende Kühlluftzuführleitung (10) vom Kühlerventilatorraum (11) des Fahrzeugkühlers (12) ausgeht.
3. 3. Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass mittels des vorzugsweise durch eine Umschaltklappe gebildeten Steuerorganes (21) wahlweise zwischen dem Kühlkanal (7) und einer den Kühlkanal (7) umgehenden Bypassleitung (22) oder Bypassöff- nung umgeschaltet werden kann.
4. 4. Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Aussenschale (5) eine höhere Steifigkeit aufweist, als das abgasführende Innenrohr (6).
5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass das abgasführende Innenrohr (6) eine höhere Temperatur- leitfähigkeit aufweist als die Aussenschale (5).