AT501385B1 - Brennkraftmaschine mit einem abgassystem - Google Patents

Description

2 AT 501 385 B1

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einem Abgasstrang, welcher über einen Abgaskrümmer an die Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und zumindest einer stromabwärts des Abgaskrümmers angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung und der Abgasstrang stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer abgasführenden Innenwand und einer Außenwand ein einen Kanal bildender Spalt ausgebildet ist, welcher durch ein wärmeübertragendes Medium durchströmbar ist, und wobei der Kanal vorzugsweise in einem Anfangsbereich des Abgaskrümmers einen Eintritt und vorzugsweise im Endbereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Austritt aufweist.

Zur Erfüllung von gesetzlich geforderten Emissionsniveaus am Auspuffende einer Brennkraftmaschine sind verschiedene Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie etwa Katalysatoren oder dergleichen, Stand der Technik. Die Funktion solcher Abgasnachbehandlungseinrichtungen ist im Allgemeinen abhängig von der Betriebstemperatur. Dabei gibt es eine untere Grenze, ab der die Schadstoffreduktion einsetzt (z.B. im Katalysator das "Light Off") und eine obere Grenze, ab der Sekundäremissionen gebildet werden (der Dieseloxidationskatalysator bildet z.B. ab ca. 400°C Sulfate) bzw. ab der die Abgasnachbehandlungseinrichtung geschädigt werden würde (ein Otto-Dreiweg-Katalysator wird etwa oberhalb 950°C geschädigt). Das schnelle Erreichen dieses Temperaturbereiches bzw. das Verweilen innerhalb dieses, kann im Allgemeinen durch Manipulation von Gemischzusammensetzung, Zündung und Position der Komponenten innerhalb des Abgassystems weitgehend sichergestellt werden, was sich allerdings letztlich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.

Es sind verschiedene Maßnahmen zur Kühlung des Abgasstranges und der Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt, um ein Überschreiten der maximal zulässigen Temperatur zu vermeiden.

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. Eine ähnliche Auspuffanlage ist aus der DE 22 40 681 A bekannt.

Die EP 0 928 885 A2 zeigt eine Abgasvorrichtung mit einem durch ein Gehäuse ummantelten Abgaskrümmer.

Die DE 101 33 422 A1 offenbart eine Einrichtung zum Einstellen der Temperatur von Abgasen, wobei ein zwischen dem Abgasrohr und einer dieses umgebenden Außenschale befindlicher Luftspalt zur Isolation abgeschlossen und zur Kühlung passiv und/oder aktiv belüftet werden kann.

Die US 2002/0139114 A1 beschreibt einen beheizbaren und isolierten katalytischen Konverter, wobei ein Spalt zwischen Abgasrohr und einer Außenschale durch eine kalorische Heizvorrichtung beheizbar ist.

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 Umschalt- 3 AT 501 385 B1 klappe kann die Kühlluft wahlweise in das Kühlgehäuse zur Kühlung des Katalysators oder um das Kühlgehäuse 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 Außenschale weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, durch welche 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. Ein durch eine Doppelrohrkonstruktion gebildeter Abgaskrümmer ist auch aus der EP 0 622 531 A1 bekannt.

Die Veröffentlichungen US 5,983,628 A und US 5,987,885 A zeigen Abgassysteme für Brennkraftmaschinen mit einem Katalysator im Abgasstrang, wobei stromaufwärts des Katalysators ein Wärmetauscher im Abgasstrang angeordnet ist, bei welchem Kühlluft über ein Gebläse quer zum Abgasstrom zur Kühlung des heißen Abgases kalt geblasen wird. Weiters ist im Bereich des Wärmetauschers im Abgasstrang eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen, um die Anspringzeit des Katalysators bei Kaltstart zu vermindern. Sowohl Kühlung als auch Beheizung des Abgases sind hier allerdings mit einem sehr hohen konstruktiven und herstellungstechnischen Aufwand verbunden. Für die Beheizung des Abgases werden elektrische Ressoursen verbraucht, was die Fahrzeugbatterie während des Start- und Warmlaufbetriebes der Brennkraftmaschine zusätzlich belastet.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und 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 Kanal durch eine vorzugsweise durch eine Zusatzheizeinrichtung gebildete Wärmequelle beheizbar ist und dass der Eintritt durch ein Schaltorgan wahlweise mit der Wärmequelle oder einer Wärmesenke funktionell verbindbar ist, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Zusatzheizeinrichtung eine kalorische Heizvorrichtung ist und eine Abgasleitung für das Brennerabgas aufweist, welche mit dem Eintritt des Kanals verbindbar ist.

Dadurch, dass der Eintritt durch ein Schaltorgan wahlweise mit der Wärmequelle oder einer Wärmesenke funktionell verbindbar ist, kann die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung sowohl an der unteren als auch an der oberen Grenze gesteuert werden.

Zusatzheizeinrichtungen, etwa auf der Basis eines Brenners, sind heute aus Komfortgründen für die Fahrzeuginnenraumheizung in weiter Anwendung. Besonders bei effizienten Dieselfahrzeugen lässt sich die kurzfristige Innenraumbeheizung nur mittels Zusatzheizeinrichtungen verwirklichen. Dadurch, dass das heiße Brennerabgas der Zusatzheizeinrichtung zur Erwärmung des Abgasstranges stromaufwärts des Katalysators verwendet wird, werden keine zusätzlichen Energieressoursen des Fahrzeuges verbraucht. Der konstruktive Aufwand ist äußert gering, wenn eine bereits im Fahrzeugbereich vorgesehene Zusatzheizeinrichtung verwendet wird.

Der konstruktive Aufwand kann sehr gering gehalten werden, wenn die Wärmesenke durch eine mit Luft als Kühlmedium arbeitende, vorzugsweise ein Gebläse aufweisende Kühleinrichtung gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmesenke durch ein Sekundärluftgebläse gebildet ist. Sekundärluftgebläse werden üblicherweise zur Abgasverdünnung während der Start- und Warmlaufphase einer hier fett betriebenen Brennkraftmaschine verwendet. Als zusätzliche Funktion kann das Sekundärluftgebläse als Warmsenke fungieren. 4 AT 501 385 B1

In weiterer Ausführung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmesenke und die Wärmequelle durch den selben Bauteil gebildet sind. Beispielsweise kann der Brenner einer Zusatzheizeinrichtung im deaktivierten Zustand, also bei abgeschalteter Kraftstoffzufuhr, als Wärmesenke verwendet werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine Brennkraftmaschine in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante und Fig. 2 eine Brennkraftmaschine in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante.

Funktionsgleiche Teile sind den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Abgassystem 2 mit einem Abgaskrümmer 3 auf, welcher stromaufwärts einer durch einen Katalysator gebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 im Abgasstrang 5 angeordnet ist. Stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 befindet sich ein Schalldämpfer 6 im Abgasstrang.

Der Abgasstrang 5 ist zwischen dem Abgaskrümmer 3 und der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 doppelwandig ausgeführt, wobei zwischen der Abgas führenden Innenwand 7 und der Außenwand 8 ein einen Kanal 9 bildender Luftspalt ausgebildet ist. Der ringförmige Kanal 9 weist einen Eintritt 10 am Beginn des Abgaskrümmers 3 und einen Austritt 11 am Ende der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 auf. Im Bereich des Austrittes 11 kann der Kanal 9 über eine Verbindungsleitung 12 an einer Stelle 13 stromabwärts des Schalldämpfers 6 in den Abgasstrang 5 einmünden. Der Eintritt 10 ist über ein Schaltorgan 14 mit einer Wärmequelle 15 verbindbar.

Die Wärmequelle 15 wird durch eine kalorische Zusatzheizung 16 gebildet, deren Abgasleitung 17 durch das Schaltorgan 14 in Strömungsverbindung mit dem Kanal 9 gebracht kann.

Es ist auch möglich, dass die Zusatzheizeinrichtung 16 Luft aufheizt und diese anstelle des Brennerabgases dem Kanal 9 zuführt.

Ist die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 unterhalb des Solltemperaturbereiches, so heizt die Zusatzheizeinrichtung 16 entweder Luft auf oder nützt direkt das heiße Brennerabgas und leitet es über die Leitung 17 in den Kanal 9, wodurch das Auslasssystem 5 zwischen Brennkraftmaschine 1 und Abgasnachbehandlungssystem 4 aufgeheizt wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante ist der Eintritt 10 wahlweise mit einer Wärmequelle 15 oder einer Wärmesenke 18 verbindbar. Die Wärmequelle 15 wird vorteilhafter Weise durch eine mit Luft als Kühlmedium arbeitende Kühleinrichtung 19 mit einem Gebläse 20 gebildet. Über das Schaltorgan 14 ist der Eintritt 10 wahlweise mit der Abgasleitung 17, der Zusatzheizeinrichtung 16 oder mit der Luftleitung 21 des Luftkühlsystems 19 strömungsverbindbar. Unterhalb der Solltemperatur wird die Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 durch Verbindung des Eintrittes 10 mit der Abgasleitung 17 aufgeheizt. Bei Erreichen der unteren Solltemperatur kann über das Schaltorgan 14 die Verbindung mit dem Eintritt 10 getrennt werden, so dass weder eine zusätzliche Erwärmung noch eine Kühlung des Abgasstranges 5 erfolgt. Wird die obere Temperaturgrenze der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 überschritten, so wird das Abgassystem 2 mit der Wärmesenke 18 verbunden, indem über das Schaltorgan 14 eine Strömungsverbindung zwischen dem Eintritt 10 und der Luftleitung 21 hergestellt wird. Dabei fördert das Gebläse 20 kühle Umgebungsluft durch den Kanal 9 und kühlt das Abgassystem 2 entsprechend ab.

Claims (5)

1. 5 AT 501 385 B1 Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgassystem (2) mit einem Abgasstrang (5), welcher über einen Abgaskrümmer (3) an die Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, und zumindest einer stromabwärts des Abgaskrümmers (3) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (4), wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) und der Abgasstrang (5) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer abgasführenden Innenwand (7) und einer Außenwand (8) ein einen Kanal (9) bildender Spalt ausgebildet ist, welcher durch ein wärmeübertragendes Medium durchströmbar ist, und wobei der Kanal (9) vorzugsweise in einem Anfangsbereich des Abgaskrümmers (3) einen Eintritt (10) und vorzugsweise im Endbereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) einen Austritt (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (9) durch eine vorzugsweise durch eine Zusatzheizeinrichtung (16) gebildete Wärmequelle (15) beheizbar ist und dass der Eintritt (10) durch ein Schaltorgan (14) wahlweise mit der Wärmequelle (15) oder einer Wärmesenke (18) funktionell verbindbar ist.
2. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizeinrichtung (16) eine kalorische Heizvorrichtung ist und eine Abgasleitung (17) für das Brennerabgas aufweist, welche mit dem Eintritt (10) des Kanals (9) verbindbar ist.
3. 3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (18) durch eine mit Luft als Kühlmedium arbeitende, vorzugsweise ein Gebläse (20) aufweisende Kühleinrichtung (19) gebildet ist.
4. 4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (18) durch ein Sekundärgebläse gebildet ist.
5. 5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (18) und die Wärmequelle (15) durch den selben Bauteil gebildet sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen