DE102006059299A1

DE102006059299A1 - HC-Kondensat-Absaugung mit dichter Abgasklappe

Info

Publication number: DE102006059299A1
Application number: DE102006059299A
Authority: DE
Inventors: Klaus Bourdon
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-06-19

Abstract

Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine, welcher Abgasstrang eine durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung (22) führende Leitung (24) und eine die Abgasbehandlungsvorrichtung umgehende Bypassleitung (26) aufweist, wobei in der Bypassleitung zwei Ventile (34, 36) hintereinander angeordnet sind, durch deren gleichzeitiges Schließen die Bypassleitung absperrbar ist, wobei eine Rückführleitung (50) vorgesehen ist, die zwischen den Ventilen von einer tiefsten Stelle (64) der Bypassleitung (26) ausgeht und an eine Unterdruckquelle (52) zum Absaugen von zwischen an der tiefsten Stelle befindlichem Abgaskondensat anschließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Abgasstrang ist beispielsweise aus der DE 34 462 47 A1 bekannt. Die Abgasbehandlungsvorrichtung ist dabei ein Katalysator, der durch bleihaltiges Benzin irreversibel geschädigt wird. Wenn kein bleifreies Benzin zur Verfügung steht, wird der Katalysator vor einer Schädigung geschützt, indem die durch den Katalysator führende Leitung mittels der Ventile abgesperrt wird, und das Abgas durch die Bypassleitung strömt.
Die Anforderungen an die Abgasqualität von Brennkraftmaschinen werden aus Umweltschutzgründen immer strenger. Eine Eigenart von Brennkraftmaschinen liegt darin, dass sie in der Kaltstartphase erhöhte Mengen an Kohlenwasserstoffen emittieren. Kohlenwasserstoffe haben die Eigenschaft, bei Temperaturen unter etwa 100°C zu kondensieren. Dabei entsteht im Abgasstrang eine Mischung aus Wasser und Kohlenwasserstoffen, die an den kalten Wänden des Abgasstrangs kondensiert und verdunstet bzw. verdampft, wenn die Temperatur des Abgases ansteigt. Dieser Vorgang führt zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen nach einem Kaltstart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasstrang der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art derart weiter zu bilden, dass die erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen einer Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart vermindert werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Rückführleitung zwischen den Ventilen von einer tiefsten Stelle der Bypassleitung abzweigt, wird erreicht, dass sich das Kondensat aus Wasser und Kohlenwasserstoffen in diesem Bereich der Rückführleitung sammelt und mittels der an eine Unterdruckquelle angeschlossenen Rückführleitung abgesaugt werden kann, sodass das Kondensat nicht in umweltschädlicher Weise freigesetzt wird.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abgasstrangs gerichtet, wobei insbesondere mit den Merkmalen 3 und 5 das Kondensat aus Wasser und Kohlenwasserstoffen dem Einlass der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann und dort vollständig verbrennt bzw. in Wasserdampf umgewandelt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen erläutert:
1 zeigt eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit zugehörigem Abgasstrang, und
2 zeigt eine gegenüber der 1 abgeänderte Ausführungsform.
Gemäß 1 sind Abgasleitungen je dreier Zylinder einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine 10 zu zwei Abgassammelrohren 12 und 14 zusammengefasst, die durch je einen Dreiwegekatalysator 16 und 18 führen. Die Abgassammelrohre 12 und 14 münden stromabwärts der Katalysatoren 16 und 18 in ein gemeinsames Sammelrohr 20, von dem eine durch einen Stickoxidspeicherkatalysator 22 führende Leitung 24 und eine den Stickoxidspeicherkatalysator 22 umgehende Bypassleitung 26 abzweigt. Die Leitungen 24 und 26 münden strömungsabwärts des Speicherkatalysators 22 in eine gemeinsame Leitung 28, die durch Schalldämpfer 30 und 32 in die Umgebung führt.
In der Verzweigung des Sammelrohrs 20 in die Leitungen 24 und 26 ist ein Dreiwegeventil 34 angeordnet, über das das Sammelrohr 20 wahlweise mit der Leitung 24 oder der Bypassleitung 26 verbindbar ist. Ähnlich ist in der Mündung der Leitungen 24 und 26 in die Leitung 28 ein Dreiwegeventil 36 angeordnet, mittels dessen wahlweise die Leitung 24 mit der Leitung 28 oder die Bypassleitung 26 mit der Leitung 28 verbindbar ist.
Strömungsoberhalb der Katalysatoren 16 und 18 ist je eine lineare Lambdasonde 40 angeordnet.
Strömungsabwärts des Katalysators 16 ist eine Lambda-Sprungsonde 42 angeordnet.
Strömungsoberhalb des Stickoxidspeicherkatalysators 22 befindet sich ein Temperatursensor 44 zur Messung der Temperatur der dem Stickoxidspeicherkatalysator 22 zugeleiteten Abgase. Strömungsabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 22 ist ein Stickoxidsensor 48 angeordnet.
Von der Bypassleitung 26 zweigt eine Rückführleitung 50 ab, die über eine Unterdruckquelle 52 mit dem Einlass der Brennkraftmaschine 10 verbunden ist. In der Rückführleitung können ein gestrichelt eingezeichnetes Absperrventil 54 und ein Sensor 55, beispielsweise ein Durchflusssensor oder ein Drucksensor zum Erfassen der durch die Rückführleitung strömenden Gasdurchflussmenge angeordnet sein.
Die Unterdruckquelle 52 kann bei einem Dieselmotor eine Unterdruckpumpe sein oder eine Venturianordnung, bei der mit Hilfe der Einlassströmung in den Motor Unterdruck erzeugt wird, der ermöglicht, dass Abgas aus der Rückführleitung 50 abgesaugt und der in die Brennkraftmaschine 10 strömenden Frischluft beigemengt wird. Im Falle eines Ottomotors kann die Unterdruckquelle 52 einfach darin bestehen, dass die Rückführleitung 50 strömungsabwärts einer im Einlass der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe in den Ansaugkanal mündet. Wenn die Brennkraftmaschine ein aufgeladener Otto- oder Dieselmotor ist, kann als Unterdruckquelle eine Pumpe, eine Venturianordnung usw. verwendet werden, um das Abgas aus der Rückführleitung dem Einlasstrakt der Brennstoffmaschine beispielsweise zwischen dem Lader und den Einlassventilen zuzuführen.
Die Ausgangssignale der Sensoren werden den Eingängen 56 einer elektronischen Steuerungseinrichtung 58 zugeführt, die gegebenenfalls mit weiteren Steuereinrichtungen über ein Bussystem verbunden ist, so dass abhängig von den Ausgangssignalen der Sensoren sowie gegebenenfalls weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine über Ausgänge 60 die Ventile 34, 36 sowie, falls vorhanden, das Absperrventil 54 und weitere Baugruppen, wie beispielsweise die Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine, gesteuert werden können.
Ein typischer Anwendungsfall der geschilderten Anordnung liegt darin, dass der Speicherkatalysator 22 von unzulässig hohen, vom Temperatursensor 44 gemessenen Temperaturen geschützt wird, indem zumindest ein Teil des Abgasstroms durch entsprechendes Betätigen des Ventils 34 in die Bypassleitung 26 geleitet wird, von der aus es zur Abgasrückführung abge zweigt wird und der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dabei ist das Ventil 36 in einer Stellung, in der es die Bypassleitung 26 von der Leitung 28 trennt und die Leitung 24 mit der Leitung 28 verbindet. Ist keine Abgasrückführung erwünscht, kann das Ventil 54 geschlossen werden und, falls zulässig, das Ventil 36 in eine Stellung gebracht werden, in der es beide Leitungen 24 und 28 mit der Leitung 28 verbindet.
Wenn der Stickoxidspeicherkatalysator 22 nicht durch unzulässig hohe Temperaturen gefährdet wird, werden die Ventile 34 und 36 in eine Stellung gebracht, in der sie die Mündungen der Bypassleitung 26 möglichst vollständig und dichtend abschließen. Etwaige Undichtigkeiten der Ventile 34 und 36 sind dadurch unschädlich, dass eventuell in die Bypassleitung 26 gelangendes stickoxidhaltiges Abgas durch die Rückführleitung 50 abgesaugt wird und der Brennkraftmaschine erneut zugeführt wird, so dass es nicht in die Umgebung gelangt und die Wirksamkeit des Stickoxidspeicherkatalysators 22 nachteilig beeinflusst.
Wie aus 1 ersichtlich, ist der Abgasstrang derart ausgebildet, dass die Rückführleitung 50 von der tiefsten Stelle 64 der Bypassleitung 26 ausgeht und der Leitungsverlauf der mit der Bypassleitung 26 verbundenen Leitungen, d.h. der Leitungen 12, 14, 20 und 24 zwischen den Dreiwegekatalysatoren 16 und 18 und dem Stickoxidspeicherkatalysator 22 und der Leitungen 24 und 28 zwischen dem Stickoxidspeicherkatalysator 22 und dem Schalldämpfer 30, derart ist, dass diese Leitungen ein zu der Rückführleitung 26 hin gerichtetes Gefälle aufweisen. Mit dieser Anordnung wird erreicht, dass in der Kaltstartphase sich in den Leitungen niederschlagendes Kondensat aus Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen zu der tiefsten Stelle 64 strömt und von dort durch die Rückführleitung 50 abgeleitet und der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird, um dort verdampft bzw. verbrannt zu werden.
Die Steuerung der Ventile während einer Kaltstartphase erfolgt beispielsweise wie folgt:
Beim Anlassen der kalten Brennkraftmaschine 10 schließen die Dreiwegeventile 34 und 36 die Verbindungen zum Stickoxidspeicherkatalysator 22 ab, so dass Kondensat, das sich in den Leitungen 12 und 14 strömungsabwärts der Dreiwegekatalysatoren 16 und 18, dem Sammelrohr 20 der Bypassleitung 26 und der Leitung 28 bildet, zu der tiefsten Stelle 64 hin strömt. Sobald eine Erwärmung des Abgasstrangs einsetzt, die beispielsweise von einem weiteren, nicht dar gestellten Temperatursensor erfasst wird, der die Temperatur der Bypassleitung 26 oder des durch sie strömenden Abgases misst, werden die Dreiwegeventile 34 und 36 in eine Stellung gebracht, in der sie die Bypassleitung 26 abtrennen und wird das vorher geschlossene Absperrventil 54 geöffnet, so dass das in der Bypassleitung 26 angesammelte Kondensat dem Einlass der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird und in der Brennkraftmaschine verdampft bzw. verbrannt wird. Die Durchflussmenge an Kondensat kann mit Hilfe des Absperrventils 54 gesteuert werden, so dass keine Wasserschlaggefahr besteht. Weiter kann dem rückgeführten flüssigen Kondensat Abgas zugemischt werden, indem das Dreiwegeventil 34 einen Durchlass zwischen dem Sammelrohr 20 und der Bypassleitung 26 zumindest teilweise offen hält. Die Menge des durch die Bypassleitung 26 und die Rückführleitung 50 strömenden Abgases kann mittels der Ventile 34 oder 54 durch ein im Steuergerät 58 abgelegtes Kennfeld oder mit Hilfe des Durchflusssensors 62 gesteuert werden.
Gemäß dem Vorstehenden wird vermieden, dass kohlenwasserstoffreiches Abgas in die Umgebung gelangt, da das infolge eines Kaltstart entstehende Kondensat zumindest weitgehend der Brennkraftmaschine wieder zugeführt wird, wo die Kohlenwasserstoffe verbrannt werden. Der Stickoxidspeicherkatalysator 22 wird erst benutzt, wenn das Abgas erwärmt ist. Das Niederschlagen von Kondensat aus dem kalten Abgas wird vermieden, da anfänglich unmittelbar nach dem Kaltstart das Abgas an dem Stickoxidspeicherkatalysator 22 vorbeigeführt wird.
Zur Steuerung der Ventile 34, 36 und gegebenenfalls 54 zum Zwecke der Rückführung des Abgaskondensats muss nicht zwingend ein im Abgasstrang geeignet angeordneter Temperaturfühler verwendet werden, sondern kann auch ein Kennfeld herangezogen werden, das vorteilhafterweise den Abgasdurchsatz und die Abgastemperatur enthält, die aus Betriebsparametern der Brennkraftmaschine hergeleitet sind.
Die beschriebene Anordnung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise können für bestimmte Anwendungen eines der beiden oder beide Dreiwegeventile 34 und 36 durch einfache Absperrventile ersetzt sein, die in der Bypassleitung 26 oder der Leitung 24 sind. Das Ventil 34 kann ein Vierwegeventil sein, wenn die beiden Abgassammelrohre 12 und 14 nicht zu dem Sammelrohr 20 zusammengefasst sind, sondern unmittelbar in das Ventil 34 münden. In diesem Fall verbindet das Ventil 34 die beiden Abgassammelrohre 12 und 14 mit der Leitung 24, um dann die Einströmung zur Bypassleitung 26 mehr oder weniger freizugeben. Je nach Anwendungsfall können die Ventile 34 und 36 auch derart ausgebildet sein, dass wahlweise die Leitung 24 oder die Bypassleitung 26 voll vom Sammelrohr 20 bzw. den Sammelrohren 12 und 14 bzw. der Leitung 28 abtrennbar oder mehr oder weniger freigebbar sind. Die Ventile 34 und 36 können als einfache Klappenventile ausgebildet sein, die mittels beispielsweise eines Schrittschaltaktors in jedwelche Stellung bewegt werden können.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann an Stelle des Stickoxidspeicherkatalysators auch jedwelcher anderer Art sein, beispielsweise eine Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), ein Dreiwegekatalysator usw., wobei unterschiedliche Behandlungssysteme miteinander kombiniert werden können.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die beiden Dreiwegeventile 34 und 36 der 2 durch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Ventile 66 und 68 ersetzt sind, die jeweils von einem eigenen, vom Steuergerät 58 gesteuerten Aktor betätigt werden. Der Boden des Gehäuses ist mit einem Sammeltrog 70 ausgebildet, der die tiefste Stelle der Bypassleitung 26 bildet. Die Anordnung gemäß 2 kann in gleicher Weise betrieben werden wie die der 1. Eine weitere Möglichkeit, die Anordnung gemäß 2 zu betreiben, ist folgende:
Beim Anlassen der kalten Brennkraftmaschine werden beide Klappen bzw. Ventile 66 und 68 geschlossen. An der Verzweigung des Sammelrohrs 20 in die Leitung 24 und die Bypassleitung 26 wird durch geeignete Rohr- bzw. Leitungsführung insbesondere der Leitung 24, beispielsweise Aufwärtsführung der Leitung 24, das das Kondensat enthaltende Abgas in eine im Wesentlichen kein Kondensat enthaltende, in der Leitung 24 strömende Gasströmung und in das abgeschiedene Kondensat aufgeteilt, das in der Bypassleitung 26 abwärts fließt. Das Kondensat sammelt sich vor dem Ventil 66, das eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Anlassen geöffnet wird, in den Sammeltrog 70 gelangt und von dort abgesaugt wird. Das Kondensat kann auch bei einem ständig vorhandenen kleinen Spalt im Ventil 66 permanent abgesaugt werden und in die Brennkraftmaschine 10 rückgeführt werden. Die Ventile 66 und 68 können als einfache Klappen ausgebildet sein.
Wenn im Abgasstrang keine gesonderte Abgasbehandlungsvorrichtung, wie der Stickoxidspeicherkatalysator 22 vorgesehen ist, der durch eine Bypassleitung umgehbar ist, kann die Leitung 24 fehlen und können auch die Ventile 34 und 36 bzw. 66 und 68 fehlen und kann die Öffnung der von der tiefsten Stelle 64 der dann alleine vorhandenen Leitung 26 ausgehenden Rückführleitung 50 zur zweckentsprechenden Rückführung des Kondensats gesteuert werden. Weiter ist eine Ausbildung des Abgasstrangs entsprechend den Figuren, jedoch ohne den Stickoxidspeicherkatalysator 22 möglich, so dass Abgaskondensat aus der Bypassleitung 26 rückgeführt werden kann während zumindest ein Teil des bereits wärmeren Abgases durch die Leitung 24 strömt. An Stelle der beiden Ventile 34 und 36 bzw. 66 und 68 kann lediglich ein Ventil vorgesehen sein.

10: Brennkraftmaschine
12: Abgassammelrohr
14: Abgassammelrohr
16: Dreiwegekatalysator
18: Dreiwegekatalysator
20: Sammelrohr
22: Stickoxidspeicherkatalysator
24: Leitung
26: Bypassleitung
28: Leitung
30: Schalldämpfer
32: Schalldämpfer
34: Dreiwegeventil
36: Dreiwegeventil
40: Lambda-Sonde
42: Lambda-Sprungsonde
44: Temperatursensor
48: Stickoxidsensor
50: Rückführleitung
52: Unterdruckquelle
54: Absperrventil
55: Sensor
56: Eingänge
58: Elektronisches Steuergerät
60: Ausgänge
64: tiefste Stelle
66: Ventil
68: Ventil
70: Sammeltrog

Claims

Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine, welcher Abgasstrang eine durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung (22) führende Leitung (24) und eine die Abgasbehandlungsvorrichtung umgehende Bypassleitung (26) aufweist, wobei in der Bypassleitung zwei Ventile (34, 36; 66, 68) hintereinander angeordnet sind, durch deren gleichzeitiges Schließen die Bypassleitung absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (50) vorgesehen ist, die zwischen den Ventilen (34, 36; 66, 68) von einer tiefsten Stelle (64) der Bypassleitung (26) ausgeht und an eine Unterdruckquelle (52) zum Absaugen von zwischen an der tiefsten Stelle befindlichem Abgaskondensat anschließbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung stromab wenigstens eines Dreiwegekatalysators (16, 18) angeordnet ist und die Stelle der Bypassleitung (26), von der die Rückführleitung (50) ausgeht, tiefer liegt als der Auslass des(r) Dreiwegekatalysators(en).
Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (50) an die Einlassseite der Brennkraftmaschine angeschlossen ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ein Stickoxidspeicherkatalysator (22) ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Sensor (55) zum Bestimmen der Menge des durch die Rückführleitung (50) strömenden Abgases und eine elektronische Steuereinrichtung (58) zum Steuern wenigstens eines der Ventile (34, 36; 66, 68) derart, dass eine vorbestimmte Abgasmenge durch die Rückführleitung strömt.
Verfahren zum Vermindern von Kohlenwasserstoffemissionen nach dem Kaltstart einer Brennkraftmaschine, bei welchem Verfahren sich an den Wänden von Teilen des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine niederschlagendes Kondensat aus Kohlenwasserstoffen und Abgas an einer tiefsten Stelle zumindest eines Teils des Abgasstrangs gesammelt und zu einem Einlass der Brennkraftmaschine rückgeführt wird.