DE10021421A1 - Vorrichtung zur Abgasreinigung - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasreinigung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung an einer Brennnkraftmaschine mit einer Abgasturbine, die stromab dem Abgasauslaß der Brennkraftmaschine in einer Abgasleitung angeordnet ist und die eine Bypassleitung aufweist, über die von einem Bypassventil gesteuert Abgas an der Abgasturbine vorbeiführbar ist, wobei in der Bypassleitung eine Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist. Zur Erzielung eines noch schnelleren Ansprechens der Abgasreinigungseinrichtung sind die Bypassleitung, die steuerbare Klappe des Bypassventiles und die Abgasreinigungseinrichtung in das Gehäuse der Abgasturbine integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung an einer Brenn­ kraftmaschine mit einer Abgasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung zeigt die US 4,404,804, bei der in einer die Ab­ gasturbine umgehenden Bypassleitung ein Vorkatalysator und in der stromab der Abgasturbine liegenden Abgasleitung ein Hauptkatalysator angeordnet ist. Zum schnellen Aufheizen des Vorkatalysators ist in der stromauf liegen­ den Abgasleitung eine steuerbare Klappe angeordnet, die bei noch nicht be­ triebswarmer Brennkraftmaschine schließbar ist und das gesamte Abgas über die Bypassleitung und durch den Vorkatalysator leitet. Dies bewirkt, dass relativ schnell eine Aufheizung des Vorkatalysators und damit eine schnell einsetzende Abgasreinigung erreichbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiter­ zuentwickeln, dass eine zeitlich noch schneller einsetzende Abgasreinigung bei einer baulich kompakten Konstruktion verwirklichbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die Bypassleitung, die steuer­ bare Klappe des Bypassventiles und die Abgasreinigungseinrichtung in das Gehäuse der Abgasturbine zu integrieren. Damit werden die Abgaswege bzw. der Abgasbypass wesentlich verkürzt und damit verbunden die Ver­ lustwärme noch weiter drastisch vermindert, wodurch eine sehr schnell ein­ setzende Aufheizung der Abgasreinigungseinrichtung auf ihre Betriebstemperatur erzielbar ist. Die Abgaseinrichtung kann dabei ein Dreiwege-Kataly­ sator oder ein HC-Adsorber je nach Bauart der Brennkraftmaschine sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn in Weiterbildung der Erfindung die Ab­ gasreinigungseinrichtung gegenüber dem Gehäuse der Abgasturbine wär­ meisoliert, insbesondere luftspaltisoliert angeordnet ist. Damit gelingt es, die im Abgas enthaltene Wärmeenergie nahezu verlustfrei an die Abgasreini­ gungseinrichtung weiterzuleiten.
Eine baulich besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn bei tangenti­ aler Einströmung des Abgases in die Abgasturbine und axialer Abströmung des Abgases durch eine Hauptleitung die Bypassleitung und die Abgasreini­ gungseinrichtung parallel zur Hauptleitung verlaufen. Bevorzugt können dann die Bypassleitung und die Hauptleitung noch vor dem Abströmflansch des Gehäuses der Abgasturbine zu einem einzigen Abgasstrom vereinigt sein. An diesen Abströmflansch kann dann unmittelbar eine weitere Abgasreini­ gungseinrichtung angeschlossen sein, die insbesondere bei betriebswarmer Brennkraftmaschine die Konvertierung der schädlichen Abgasbestandteile übernimmt.
Die in das Gehäuse der Abgasturbine integrierte Abgasreinigungseinrichtung kann in bekannter Weise entweder ein Dreiwege-Katalysator oder aber ein HC-Adsorber sein. Im letzteren Falle kann die den Durchfluss durch den HC- Adsorber steuernde Klappe durch entsprechende Ansteuerung über ein Mo­ torsteuergerät auch die Adsorption und Desorption des HC-Adsorbers steu­ ern; d. h., dass bei erschöpfter HC-Adsorptionsfähigkeit die Bypassklappe geschlossen wird, bis die Temperatur des nachgeschalteten Hauptkatalysa­ tors einen definierten Wert erreicht hat und dann zur HC-Desorption wieder kurzzeitig geöffnet wird.
Es versteht sich, dass über die Bypassklappe in an sich bekannter Weise der Ladedruck für die Brennkraftmaschine steuerbar ist. Ggf. könnte es jedoch auch vorteilhaft sein, zusätzlich zu der Bypassklappe ein weiteres Bypass­ ventil und eine zweite Bypassleitung zur Steuerung des Ladedruckes vorzu­ sehen. Die zweite Bypassleitung könnte eine separate Leitung oder eine weitere, in das Gehäuse der Abgasturbine integrierte Bypassleitung sein.
Zum noch schnelleren Ansprechen der Abgasreinigungseinrichtung könnte diese ferner elektrisch beheizbar sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel­ heiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen an einen Abgaskrümmer einer Hubkolben-Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasturbolader mit einer integrierten Bypassleitung und einer ersten Abgasreinigungseinrichtung und einer an das Gehäuse des Ab­ gasturboladers angeschlossenen zweiten Abgasreinigungseinrichtung.
Der nur schematisch dargestellte Abgasturbolader 10 für eine Vierzylinder- Hubkolben-Brennkraftmaschine ist über einen Anschlussflansch 12 an einen Abgaskrümmer 14 der nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeschlos­ sen und setzt sich im wesentlichen aus einem Verdichter 16 und einer Ab­ gasturbine 18 zusammen, die über eine Welle 20 miteinander verbunden sind, so dass das Turbinenrad 18a das Verdichterrad 16a antreibt. Soweit nicht beschrieben ist der Abgasturbolader 10 bekannter Bauart.
Wie an sich bekannt strömt das Abgas tangential (in der schematischen Zeichnung nicht ersichtlich) in die Abgasturbine 18 ein und strömt im wesent­ lichen axial über eine Hauptleitung 24 zu einem Abströmflansch 26, an den ein Hauptkatalysator 28 (nur teilweise dargestellt) unmittelbar angeschlossen ist. Der Hauptkatalysator 28 kann ein Dreiwege-Katalysator oder ein DeNOx- katalysator sein. Aus baulichen Gründen kann jedoch auch zwischen dem Hauptkatalysator 28 und dem Abgasturbolader 10 eine Abgasleitung dazwi­ schengeschaltet sein.
In das Gehäuse 22 der Abgasturbine 18 ist eine parallel zur Hauptleitung 24 verlaufende Bypassleitung 30 integriert, die mittels einer schwenkbar über eine Achse 32 gelagerten Klappe 34 als Teil eines Bypassventiles 36 mit einem entsprechenden Stellelement (elektrisch oder pneumatisch) mehr oder weniger öffenbar oder schließbar ist.
Die Klappe 34 kann bevorzugt stromab der Abgasreinigungseinrichtung 38 und stromab der Abgasturbine 18 angeordnet sein (dick ausgezogene Li­ nien). Sie ist so regelungstechnisch besser beherrschbar als in der gestri­ chelt angedeuteten Position stromauf der Abgasturbine 18, obwohl auch diese Anordnung ggf. zweckmäßig sein kann.
In der Bypassleitung 30 ist eine Abgasreinigungseinrichtung 38 zylindrischer Gestalt angeordnet, die zwischen zwei stirnseitigen Trägerblechen 40, 42 gehalten ist. Der Durchmesser der übrigen, zylinderförmigen Abgasreini­ gungseinrichtung 38 ist geringer als der korrespondierende Durchmesser der Bypassleitung 30, so dass dazwischen als Wärmeisolierung ein mantelförmi­ ger Luftspalt 44 gebildet ist.
Die Bypassleitung 30 und die Hauptleitung 24 sind in Abgasströmungsrich­ tung vor dem Abströmflansch 26 strömungsdynamisch ähnlich einem Diffu­ sor zusammengeführt.
Die Klappe 34 des Bypassventiles 36 kann in eine Stellung A gesteuert wer­ den, in der sie die Bypassleitung 30 schließt und zugleich eine unbehinderte Abströmung des Abgases von der Abgasturbine 18 sicherstellt.
In der Stellung B der Klappe 34 ist die Abgasturbine 18 kurzgeschlossen und es strömt das gesamte Abgas strömungsdynamisch günstig in die Abgaslei­ tung 30 bzw. durch die Abgasreinigungseinrichtung 38.
In Zwischenstellungen der Klappe 34 kann der Ladedruck bzw. die Leistung des Verdichters 16 durch Steuern des Absatzdurchsatzes durch die Abgas­ turbine 18 entsprechend geregelt werden.
Das Bypassventil 36 wird dazu über das nicht dargestellte elektrische Mo­ torsteuergerät entsprechend angesteuert. So ist bei noch kalter Brennkraft­ maschine bzw. bei noch kalter Abgasreinigungseinrichtungen 38,28 die Klappe 34 in der Stellung B und es wird das gesamte Abgas durch die Ab­ gasreinigungseinrichtung 38 geleitet. Dies bewirkt eine schnelle Aufheizung der Abgasreinigungseinrichtung 38, insbesondere auch aufgrund deren durch den Luftspalt 44 bewirkter Wärmeisolierung gegenüber dem Gehäuse 22 des Abgasturboladers 10.
Zusätzlich wird die vom Abgas beaufschlagte Fläche durch Versperrung des Turbinenkanals verkleinert und somit weniger Wärmeenergie an das Turbi­ nengehäuse abgegeben.
Nach dem Erreichen der Anspringtemperatur der Abgasreinigungseinrich­ tung 38 erwärmt sich auch relativ schnell der weitere stromab liegende Be­ reich der Abgasführung und damit Verbunden der Hauptkatalysator 28. Nach dessen Erreichen der Anspringtemperatur wird die Bypassleitung 30 über die Klappe 34 geschlossen und nunmehr das Abgas über die Abgasturbine 18 bzw. die Hauptleitung 24 geleitet.
Übersteigt der Ladedruck der Brennkraftmaschine einen definierten Wert, so wird wiederum die Klappe 34 zur Steuerung des Ladedruckes mehr oder minder geöffnet, so dass ein Teil der Abgasmenge über die Bypassleitung 30 bzw. die Abgasreinigungseinrichtung 38 strömt.
Die Abgasreinigungseinrichtung 38 kann ein sogenannter Vorkatalysator oder Startkatalysator in Form eines monolytischen Dreiwege-Katalysators oder ein HC-Adsorber sein.
Im Falle eines HC-Adsorbers kann das Bypassventil 36 bzw. die Klappe 34 ferner so angesteuert werden, dass sie bei Erschöpfung der Adsorbtionsfä­ higkeit des HC-Adsorbers 38 in die Stellung A gesteuert wird, so dass nur noch der Hauptkatalysator 28 mit Abgas beaufschlagt wird. Nach Erreichen dessen Betriebstemperatur kann die Klappe 34 kurzzeitig in die Stellung B oder in eine Zwischenstellung (Bypassleitung 30 teilweise offen) gesteuert werden, um eine HC-Desorbtion im HC-Adsorber 38 durchzuführen.
In nicht dargestellter Weise kann die Abgasreinigungseinrichtung 38 zusätz­ lich elektrisch beheizbar sein, um die Anspringtemperatur (light off) noch schneller zu erreichen. Danach wird die Beheizung abgeschaltet.
Ferner kann ggf der Ladedruck bzw. die Verdichterleistung über eine zweite Bypassleitung (nicht dargestellt) gesteuert sein. Dabei kann entweder in dem Gehäuse 22 des Abgasturboladers 10 eine weitere Bypassleitung integriert sein oder eine außerhalb liegende Bypassleitung vorgesehen sein, die über ein weiteres Bypassventil bekannter Bauart gesteuert ist.
Damit kann die Abgasreinigungseinrichtung 38 mit hoher Zelldichte (z. B. < 600 opsi - entsprechend hoher Abgasgegendruck) bei hohem Wirkungsgrad ausgelegt sein und eine schnelle, noch wirksamere Abgasreinigung bei kalter Brennkraftmaschine ermöglichen. Hat der Hauptkatalysator 28 seine light off Temperatur erreicht, so kann die Klappe 34 geschlossen oder zur Durchfüh­ rung der beschriebenen HC-Adsorbtion-Desorbtion gesteuert werden.
Gleichermaßen wird die zweite Bypassleitung nach Erreichen der Betriebs­ temperatur der Brennkraftmaschine oder der Betriebstemperatur der Abgasreinigungseinrichtungen 38, 28 angesteuert, um in bekannter Weise den La­ dedruck der Brennkraftmaschine bzw. den Abgasdurchsatz durch die Ab­ gasturbine 18 zu steuern.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung an einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine, die stromab dem Abgasauslaß der Brennkraftmaschine in einer Abgasleitung angeordnet ist und die eine Bypassleitung aufweist, über die von einem Bypassventil gesteuert Abgas an der Abgasturbine vorbeiführbar ist, wobei in der Bypassleitung eine Abgasreinigungsein­ richtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (30), die steuerbare Klappe (34) des Bypassventiles (36) und die Abgasreinigungseinrichtung (38) in das Gehäuse (22) der Abgasturbine (18) integriert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas­ reinigungseinrichtung (38) gegenüber dem Gehäuse (22) der Abgastur­ bine (18) wärmeisoliert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei tangentialer Einströmung des Abgases in die Abgasturbine (18) und axi­ aler Abströmung durch eine Hauptleitung (24) die Bypassleitung (30) und die Abgasreinigungseinrichtung (38) parallel zur Hauptleitung (24) ver­ laufen.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (24) und die Bypassleitung (30) stromauf des Abströmflansches (26) für die weiterführende Abgasleitung (28) zusammengeführt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas­ reinigungseinrichtung (38) in der Bypassleitung (30) luftspaltisoliert ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung (38) ein Dreiwege- Katalysator ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung (38) mit einer HC- Adsorbtionsbeschichtung versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei er­ schöpfter HC-Adsorbtionsfähigkeit der Abgasreinigungseinrichtung (38) die Bypassklappe (34) geschlossen ist, bis die Temperatur einer nachge­ schalteten Abgasreinigungseinrichtung (28) einen definierten Wert er­ reicht hat und dann zur HC-Desorbtion kurzzeitig wieder geöffnet ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ladedrucksteuerung der Brennkraftmaschine eine zweite, die Abgasturbine (18) umgehende Bypassleitung mit einem Bypassventil vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung (38) bei niedriger Temperatur elektrisch beheizbar ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassklappe (34) stromab der Abgasreini­ gungseinrichtung (38) und/oder stromab der Abgasturbine (18) angeord­ net ist.
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