DE10162738A1

DE10162738A1 - Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10162738A1
Application number: DE10162738A
Authority: DE
Inventors: Paul Kueper; Rainer Tirgrath; Cyrill Kammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; DaimlerChrysler AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (100), in dem die Brennkammer (16) vorgesehen ist und welches in einer vorgegebenen Strömungsrichtung (S) in die Abgasanlage (14; 14') der Brennkraftmaschine einbaubar bzw. eingebaut ist; zumindest einem Katalysator (10; 10a, 10b), welcher in dem Gehäuse (100) vorgesehen ist; und einer in der Brennkammer (16) vorgesehenen Zündeinrichtung (18) zum Entzünden des brennbaren Gasgemischs. Stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) ist eine Flammenstabilisatoreinrichtung (50; 50') vorgesehen, welche eine strömungsdurchlässige Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen (60) aufweist, deren maximaler Querschnitt (A¶max¶) derart gestaltet ist, daß eine Flammenausbreitung stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) verhindert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. 2 Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende Abgasanlage.
Bei der Abgasnachbehandlung von einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges hat die Reduzierung der Schadstoffe im Abgas während dem Kaltstart und Warmlauf der Brennkraftmaschine als aussichtsreichstes Potenzial zur Schadstoffreduzierung Vorrang. Unter anderem sind hierzu Verfahren bekannt, wobei beim Kaltstart ein brennfähiges Luft- /Kraftstoffgemisch im Abgasstrang erzeugt wird und der im Abgas enthaltene Heizwert zur schnellen Erwärmung der schadstoffumsetzenden Katalysatoren auf deren Starttemperatur bzw. Einsatztemperatur genutzt wird. Dies geschieht dadurch, dass das brennfähige Luft-/Kraftstoffgemisch an geeigneter Stelle in unmittelbarer Nähe vom betreffenden Katalysator erneut gezündet wird.
Bei den bisher eingesetzten Systemen zur Abgasnachverbrennung handelt es sich einerseits um Systeme mit passiver Zündung, zum Beispiel durch katalytische Reaktion, und andererseits um Systeme mit aktiver Zündung, bei denen die Zündung beispielsweise durch eine Glühkerze bewirkt wird.

Zur schnellen Aufheizung von einem katalytischen System sind in der WO 93/07365 und in der WO 92/22734 gattungsgemäße Systeme zur Abgasnachverbrennung vorgeschlagen worden.

Das in der WO 92/22734 offenbarte System zur Abgasnachverbrennung ist in Fig. 5 illustriert.

In Fig. 5 bezeichnet Bezugszeichen 12 eine Brennkraftmaschine, welche durch einen Ansaugverteiler mit Luft L versorgt wird, wobei die Luftmenge durch eine Luftmengenbemessungseinheit 22 und ein Drosselventil 24 gesteuert wird.

Bezugszeichen 20 bezeichnet eine übliche Kraftstoffeinspritzungseinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff K.

Eine Abgasleitung 14 führt von der Brennkraftmaschine 12 zu einer zweiteiligen Katalysatoreinrichtung mit den Monolithen 10a, 10b, wobei im Gehäuse der Katalysatoreinrichtung eine Brennkammer 16 vorgesehen ist, in der eine Zündhilfe 18, beispielsweise eine Zündkerze, eingebaut ist. Sekundärluft SL kann den Abgasen A der Brennkraftmaschine 12 von einem Zweig der Abgasleitung 14 zugeführt werden, der eine Sekundärluftpumpe 30 und ein Steuerventil 32 aufweist.

Das in der WO 93/07365 offenbarte System zur Abgasnachverbrennung ist in Fig. 6 illustriert und unterscheidet sich von dem System gemäß Fig. 5 im wesentlichen dadurch, daß die Brennkammer 16 mit der Zündhilfe 18 zwischen den zwei Katalysatoren 10a, 10b angeordnet ist. Ansonsten bezeichnen in Fig. 6 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 5 identische bzw. funktionsgleiche Bestandteile.

Bei diesen beiden bekannten Systemen wird der Motor nach dem Kaltstart fett betrieben, vor dem Katalysatorsystem 10a, 10b wird die Sekundärluft zugemischt, und das brennfähige Abgas-Luftgemisch wird in der Brennkammer 16 gezündet und möglichst vollständig verbrannt. Während der Heizphase ist das Abgas in der Brennkammer also wesentlich wärmer als das zuströmende Abgas. Die Reaktionswärme dient zur schnellen Aufheizung des hinter der Brennkammer angeordenten Katalysators.

In der Regel gelingt die zuverlässige Zündung des Abgases in der Brennkammer. Durch Pulsationen und Flammenausbreitung entgegen der Strömungsrichtung wandert die Verbrennung jedoch unerwünschter Weise stromaufwärts bis vor die Brennkammer und vor die Zündeinrichtung. Insbesondere kommt es dabei zu einer Flammenausbreitung gegen die Strömungsrichtung aufgrund einer Flammengeschwindigkeit, die aufgrund der bedingt turbulenten Bedingungen größer als (typischerweise 10 m/s) als die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases (circa 1 m/s). Dies führt zu einem Ausbrennen des brennbaren Gemisches im Bereich zwischen der Glühkerze und der Sekundärlufteinblasung und damit zu einem Verlöschen der Flammenfront. Die gesamte Verbrennung in der Brennkammer wird beendet, und es dauert circa 100 ms, bis wieder ausreichend teilweise unverbranntes Gemisch in die Brennkammer strömt und sich dort an der Glühkerze erneut entzünden. In der Phase zwichen dem Verlöschen der Verbrennung und der Wiederentzündung an der Glühkerze können unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Katalysator ohne Nachverbrennung gelangen und zu einer erhöhten Kohlenwasserstoffemission beitragen bzw. diesen bei einer Nachreaktion thermisch hoch beanspruchen. Dies ist insbesondere dann störend, wenn für die erfolgreiche Abgasnachverbrennung sogar bewußt mit einer erhöhten Anfettung des Kraftstoff-/Luft-Gemisches gefahren wird.

Andererseits gelangt die thermische Reaktion in der Brennkammer durch Pulsationen des brennenden Abgases auch in den nachfolgenden Adsorber oder Katalysator und führt dort wiederum zu hohen thermischen Belastungen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche eine unkontrollierte Ausbreitung der Nachverbrennungs-Flammenfront vermeiden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. die entsprechende Abgasanlage nach Anspruch 9 weisen den Vorteil auf, daß die Flammenfront am Flammenstabilisator stabil gehalten wird und nicht durch Pulsation bzw. unkontrollierte Flammenfrontausbreitung stromaufwärts aus der Brennkammer wandern kann. Durch die flammenlöschende Struktur vor der Zündeinrichtung kann außerdem die Gefahr einer unkontrollierten Verbrennung in Form einer Verpuffung oder Explosion verbunden mit einem Zurückbrennen in den vorgelagerten Abgasstrakt mit einer möglichen Bauteilschädigung, Schädigung der Katalysator-Matrix oder Sekundärluftpumpe, verringert werden.

Zudem bleibt die Ausbreitung bzw. Länge der Flamme/Verbrennung nahezu konstant, so dass ein Wandern der Flamme/Verbrennung in den nachfolgenden Katalysator wirkungsvoll vermieden werden kann. Damit kann durch den Flammenstabilisator der nachfolgende Katalysator wirkungsvoll vor thermischer Überlastung geschützt werden.

Die Erfindung ermöglicht somit eine kontrollierte gleichförmige Abgasnachverbrennung zur weiteren Verminderung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas in der Brennkammer.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee ist eine Abgasnachverbrennung in der Brennkammer mit aktiver Zündung durch eine Glühkerze mit einer unmittelbar vor der Zündeinrichtung in die Brennkammer oder in das Abgasrohr eingefügten flammenstabilisierenden bzw. flammenlöschenden Struktur. Bei dieser flammenstabilisierenden Struktur handelt es sich um eine strömungsdurchlässige Strukur, deren einzelne Öffnungen alle einen Querschnitt kleiner als der Flammenlöschquerschnitt haben müssen.

Solche Flammenlöschquerschnitte lassen sich für bekannte Gaszusammensetzungen in Abhängigkeit von Zustandsparametern, wie zum Beispiel Druck aus der Literatur entnehmen oder können experiementell bestimmt werden. Dabei handelt es sich im Grunde um eine Optimierungsaufgabe zwischen Flammenlöschung einerseits und Strömungswiderstand andererseits. Durch eine Flammenlöschung in dieser Struktur wird ein Zurückbrennen in den Abgaskanal entgegen der Strömungsrichtung des Abgases verhindert und als Folge ein anschließendes Verlöschen der Flamme ausgeschaltet. Gleichzeitig findet eine Flammenstabilisierung an dieser Struktur statt. Die Flamme brennt nach Einführung einer solchen Struktur an deren stromabwärts gelegenen Seite gleichförmig und stabil. Auch ein unkontrolliertes Durchbrennen in Strömungsrichtung, verbunden mit der Gefahr der Schädigung nachfolgender Bauteile, zum Beispiel weiterer Katalysator oder Adsorber, wird verhindert. Die Verbrennung findet stabil in der Nähe der flammenlöschenden Struktur statt. Die strömungsdurchlässige, flammenlöschende Struktur führt außerdem zu einer Laminarisierung der Strömung unmittelbar im Bereich der Zündeinrichtung, was eine stabile Verbrennung zusätzlich unterstützt.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weitet sich das Gehäuse beiderseits von einem jeweiligen Querschnitt der Abgasanlage auf einen Maximalquerschnitt des Katalysators auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Flammenstabilisatoreinrichtung den Maximalquerschnitt auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Flammenstabilisatoreinrichtung den Querschnitt der stromaufwärts befindlichen Abgasanlage auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Katalysator stromabwärts der Brennkammer vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind ein erster Katalysator stromaufwärts der Brennkammer und ein zweiter Katalysator stromabwärts der Brennkammer vorgesehen, wobei die Flammenstabilisatoreinrichtung stromabwärts des ersten Katalysators vorgesehen ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Flammenstabilisatoreinrichtung mindestens eines der foldenden Elemente auf: ein Drahtgitter, ein Drahtgeflecht, eine unbeschichtete Katalysatormatrix, einen Sinterkörper.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels der Flammenstabilisatoreinrichtung bei der ersten und zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 das in der WO 92/22734 offenbarte System zur Abgasnachverbrennung; und
Fig. 6 das in der WO 93/07365 offenbarte System zur Abgasnachverbrennung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der ersten in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Katalysatorvorrichtung mit einem Gehäuse 100 an den Einfügestellen E, E' in den Abgasstrang der Brennkraftmaschinen nach Fig. 5 bzw. 6 anstelle der dort angegebenen bekannten Katalysatorvorrichtungen eingefügt. Hierbei bezeichnet das Bezugszeichen 14 die Abgasleitung stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung und 14' die Abgasleitung stromabwärts der Katalysatorvorrichtung. F ist die Strömungsrichtung des Abgases. In dem Gehäuse 100 vorgesehen ist ein üblicher Katalysator 10, welcher einen größeren Querschnitt als die Abgasleitungen 14, 14' aufweist, weshalb das Gehäuse 100 entsprechend aufgeweitet ist.
Vor dem Katalysator 10 befindet sich eine Brennkammer 16, innerhalb derer eine Zündeinrichtung 18, zum Beispiel eine Glühkerze oder eine Zündkerze, angeordnet ist. Stromaufwärts der Zündeinrichtung 18 ist im Gehäuse 100 eine Flammenstabilisatoreinrichtung 50 vorgesehen, welche den Brennraum stromaufwärts begrenzt.
Die Flammenstabilisatoreinrichtung 50 ist eine strömungsdurchlässige Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen 60, deren maximaler Querschnitt A_max derart gestaltet ist, dass eine Flammenausbreitung stromaufwärts der Zündeinrichtung 18 verhindert ist und sich somit die Flammen homogen unmittelbar hinter der Flammenstabilisatoreinrichtung 50 ausbilden.
Somit läßt sich ein Zurückwandern der Flammenfront in Richtung Sekundärluftpumpe und Brennkraftmaschine bzw. eine unkontrollierte Ausbreitung in den Katalysator 10 effektiv verhindern.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform sind in dem Gehäuse 100 am Anfang und am Ende des verbreiternden Bereichs jeweils ein Katalysator 10a bzw. 10b vorgesehen. Unmittelbar stromabwärts des ersten Katalysators 10a ist eine Flammenstabilisatoreinrichtung 50' im Gehäuse angeordnet, welche den Brennraum 16 zusammen mit dem zweiten Katalysator 10b definiert. Der Brennraum 16 enthält wie bei der ersten Ausführungsform eine Zündeinrichtung 18.
Die Flammenstabilisatoreinrichtung 50' ist genauso konstrukturiert wie die Flammenstabilisatoreinrichtung 50 der ersten Ausführungsform. Durch die Anordnung vor dem ersten Katalysator 10a läßt sich dieser unmittelbar gegen ein Zurückschlagen der Flammenfront schützen.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Flammenstabilisatoreinrichtung bei der ersten und zweiten Ausführungsform.
Die in Fig. 3 gezeigte Flammenstabilisatoreinrichtung 50 bzw. 50' gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform hat die Form eines Drahtgitters. Das Drahtgitter weist eine Vielzahl von Öffnungen 60 auf, deren maximaler Querschnitt A_max derart gewählt ist, dass er kleiner oder höchstens gleich groß ist wie der Flammenlöschungsquerschnitt. Der Flammenlöschungsquerschnitt läßt sich, wie gesagt, experiementell oder theoretisch ermitteln.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in Fig. 4 gezeigten vierten Ausführungsform ist wie bei der ersten Ausführungsform innerhalb des Gehäuses 100 ein Katalysator 10 vorgesehen. Im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungsformen jedoch ist die Flammenstabilisatoreinrichtung 50" nicht innerhalb des Gehäuses 100 vorgesehen, sondern in der stromaufwärts der Katalysatorvorrichtung gelegenen Abgasleitung 14.
Dies hat den Vorteil, dass die Flammenstabilisatoreinrichtung 50" einfacher im Fall eines Verschleißes ausgetauscht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Selbstverständlich könnte die Flammenstabilisatoreinrichtung 50' auch direkt an der Einfügestelle E, zum Beispiel in Form eines Einlegeteils an der Verbindung (nach dem Prinzip eines Einlegesiebs) eingelegt werden. Auch denkbar ist eine Einfügung im vorderen Bereich des Gehäuses 100, welcher noch nicht den vergrößerten Querschnitt des Katalysators 10 aufweist.
Obwohl die Flammenstabilisatoreinrichtung 50, 50' bei diesen Ausführungsbeispielen ein Drahtgitter ist, ist im Prinzip jeder mit Öffnungen versehene Körper als Flammenstabilisatoreinrichtung verwendetbar, welcher einen geeigneten Strömungswiderstand für die Abgasströmung bildet und welcher die erforderte Flammenlöscheigenschaft aufweist. Dabei sollte eine Optimierung dieser beiden Größen möglich sein.
Als Beispiel für andere Arten von Flammenstabilisatoreinrichtungen seien insbesondere eine unbeschichtete Katalysator-Matrix, ein Sinterkörper oder ein Drahtgeflecht erwähnt.

Claims

1. Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit:
einem Gehäuse (100), in dem die Brennkammer (16) vorgesehen ist und welches in einer vorgegebenen Strömungsrichtung (S) in die Abgasanlage (14; 14') der Brennkraftmaschine einbaubar ist;
zumindest einem Katalysator (10; 10a, 10b), welcher in dem Gehäuse (100) vorgesehen ist; und
einer in der Brennkammer (16) vorgesehenen Zündeinrichtung (18) zum Entzünden des brennbaren Gasgemischs;
dadurch gekennzeichnet, daß
stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) im Gehäuse (100) eine Flammenstabilisatoreinrichtung (50; 50') vorgesehen ist, welche eine strömungsdurchlässige Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen (60) aufweist, deren maximaler Querschnitt (A_max) derart gestaltet ist, daß eine Flammenausbreitung stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) verhindert ist.

2. Katalysatorvorrichtung mit Brennkammer zur Verbrennung eines brennbaren Gasgemischs für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit:
einem Gehäuse (100), in dem die Brennkammer (16) vorgesehen ist und welches in einer vorgegebenen Strömungsrichtung (S) in die Abgasanlage (14; 14') der Brennkraftmaschine eingebaut ist;
zumindest einem Katalysator (10; 10a, 10b), welcher in dem Gehäuse (100) vorgesehen ist; und
einer in der Brennkammer (16) vorgesehenen Zündeinrichtung (18) zum Entzünden des brennbaren Gasgemischs;
dadurch gekennzeichnet, daß
stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) in der Abgasanlage (14) eine Flammenstabilisatoreinrichtung (50") vorgesehen ist, welche eine strömungsdurchlässige Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen (60) aufweist, deren maximaler Querschnitt (A_max) derart gestaltet ist, daß eine Flammenausbreitung stromaufwärts der Zündeinrichtung (18) verhindert ist.

3. Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gehäuse (100) beiderseits von einem jeweiligen Querschnitt der Abgasanlage (14, 14') auf einen Maximalquerschnitt des Katalysators (10; 10a, 10b) aufweitet.

4. Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenstabilisatoreinrichtung (50; 50') den Maximalquerschnitt aufweist.

5. Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenstabilisatoreinrichtung (50; 50') den Querschnitt der stromaufwärts befindlichen Abgasanlage (14) aufweist.

6. Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (10) stromabwärts der Brennkammer (16) vorgesehen ist.

7. Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Katalysator (10a) stromaufwärts der Brennkammer (16) und ein zweiter Katalysator (10b) stromabwärts der Brennkammer (16) vorgesehen sind und daß die Flammenstabilisatoreinrichtung (50') stromabwärts des ersten Katalysators (10a) vorgesehen ist.

8. Katalysatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenstabilisatoreinrichtung (50; 50'; 50") mindestens eines der foldenden Elemente aufweist: ein Drahtgitter, ein Drahtgeflecht, eine unbeschichtete Katalysatormatrix, einen Sinterkörper.

9. Abgasanlage mit mindestens einer Katalysatorvorrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.