-
Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine als Fahrzeugantrieb dienende Brennkraftmaschine, mit einer Katalysatoranordnung, einer Umlenkeinrichtung für Abgase bei Schubabschaltungsbetrieb sowie ein Verfahren für dessen Betrieb. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende Brennkraftmaschine sowie ein Steuergerät für eine derartige Brennkraftmaschine. Beim Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs werden Luft und Kraftstoff einem Brennraum zugeführt und durch ein Abgassystem abgeführt. Dabei sind mehrere Betriebszustände bekannt, z. B. der befeuerte und der unbefeuerte Betrieb, wobei Letzterer im Weiteren Schub genannt wird. Die Betriebsart des Schubs, der besser mit Schiebebetrieb bezeichnet wird, ist dadurch charakterisiert, dass die Brennkraftmaschine kein Drehmoment erzeugt, sondern ihrerseits von dem rollenden Kraftfahrzeug angetrieben wird und trotzdem unverbrannte Luft von der Brennkraftmaschine angesaugt und wieder abgeführt wird.
-
Zur Reinigung der bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Schadstoffe im Abgas ist im Abgassystem dieser Brennkraftmaschinen üblicherweise ein Katalysator vorgesehen, bspw. ein sog. Dreiwege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator. Im Rahmen dieser Erfindung werden alle derartigen Elemente zusammenfassend als Katalysator bezeichnet. Diese Katalysatoren benötigen für einen optimalen Betrieb eine bestimmte Temperatur, bspw. etwa 300 Grad Celsius. Bei zeitlich längeren Schubphasen besteht die Gefahr, dass der Katalysator auskühlt und dann seinen optimalen Arbeitsbereich verlässt. Dies ergibt sich daraus, dass im Schiebebetrieb keine Verbrennung von Kraftstoff erfolgt und somit kein neues heißes Gas entsteht, welches den Katalysator auf Betriebstemperatur hält. Stattdessen wird jedoch kalte Umgebungsluft von der Brennkraftmaschine angesaugt, unverbrannt in das Abgassystem geleitet und dort über den Katalysator in die Umgebung abgeführt. Im Weiteren wird die während des Schiebebetriebs durchgeleitete Luft als Schiebeluft bezeichnet. Die Auskühlung des Katalysators hat jedoch zur Folge, dass die Abgase beim Übergang vom Schiebebetrieb zurück in den befeuerten Betrieb nicht mehr optimal gereinigt werden. Erst nach erneutem Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators werden die Abgase wieder optimal gereinigt. Desweiteren verstärkt der Sauerstoff der Schiebeluft die sog. Katalysatoralterung, welche aufgrund der Oxidation von im Katalysator enthaltenen Edelmetallen entsteht. Zusätzlich sorgt nach einer längeren Beschleunigungsphase der Schiebebetrieb dafür, dass der Sauerstoff in der Schiebeluft mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen reagiert. Dabei entstehen sehr hohe Temperaturen, die dazu führen, dass die Edelmetalle im Katalysator verklumpen. Dies wiederum führt zu einer Verschlechterung der katalytischen Wirkung. Dies schädigt den Katalysator auf Dauer zusätzlich.
-
Gemäß
DE4322736A1 wird im Schiebebetrieb Abgas mittels einer Umlenkeinrichtung durch einen Bypass an einem Katalysator vorbeigeführt. Nachteilig daran ist aber, dass Kraftstoff- und Öldämpfe, welche zum einen aus der Kurbelgehäuseentlüftung stammen und zum anderen aus Kraftstoff- und Ölablagerungen in der Brennkraftmaschine entstehen, in die Umwelt gelangen können. Zudem ist als nachteilig zu nennen, dass bei falscher Steuerung der Umlenkeinrichtung, auch im befeuerten Betrieb Abgase ohne katalytische Nachbehandlung in die Umgebung ausgestoßen werden können. Ferner sind bei modernen Fahrzeugen mit mehreren seriell angeordneten Katalysatoren lange Bypassleitungen im Abgasstrang notwendig, welche aus Platz- und Kostengründen nicht sinnvoll sind. Ein weiterer Nachteil dieses Standes der Technik ist die aufwendige und kostspielige Montage und Reparatur im Falles eines Defekts, da die Umlenkeinrichtung sowohl mit der eigentlichen Abgasleitung mit stromabwärts folgendem Katalysator und dem Bypass verbunden ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen der Katalysator auch nach einer Schubphase der Brennkraftmaschine in der Lage ist, Abgase optimal zu reinigen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, den Katalysator vor Abkühlung und Alterung zu schützen.
-
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
-
Durch den Einsatz einer gesteuerten Umlenkeinrichtung, die mit einer Rückführleitung verbunden ist, durch die die Abgase vor die Brennkraftmaschine zurückgeführt werden, wird erreicht, dass der Abgasmassenstrom im Schiebebetrieb keinesfalls durch die der Brennkraftmaschine nachgeschaltete Katalysatoranordnung hindurchströmen kann. Um mindestens den Katalysator zu schützen, der hauptsächlich an der katalytischen Nachbehandlung beteiligt ist, wird die Umlenkeinrichtung so positioniert, dass sie verhindert, dass die Schiebeluft durch den genannten Katalysator strömt. Damit kühlt der Katalysator nicht durch kalte Schiebeluft ab, wodurch beim Wiedereinsetzen der Verbrennung nach einer Schubphase der Katalysator in einem optimalen Betriebspunkt weiterarbeitet. Desweiteren wird verhindert, dass die sauerstoffreiche Schiebeluft im Katalysator zur Oxidation mit Edelmetallen führt. Zusätzlich wird verhindert, dass Edelmetalle im Katalysator aufgrund der Verbrennung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit der Schiebeluft und den dabei entstehenden hohen Temperaturen verklumpen und inaktive Phasen bilden. Die eben genannten Vorteile ergeben sich daraus, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Schiebeluft in einem Kreislauf, der die Brennkraftmaschine einschließt, zirkuliert. Ein mögliches Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit oben genanntem System hat den Vorteil, dass warme Luft im Kreislauf zirkuliert, sobald Schiebebetrieb vorliegt, und damit alle von der Schiebeluft durchströmten Komponenten warm bleiben. Hierzu gehört z. B. der Brennraum. Dies wird dadurch erreicht, dass die Menge der zugeführten Frischluft beim Ottomotor verringert wird. Ein anderes Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit oben genanntem System hat den Vorteil, dass im Schiebebetrieb das Schleppmoment der Brennkraftmaschine reduziert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass beim Ottomotor die zugeführte Frischluftmenge erhöht wird. Das Abgas wird deaktivierten, d. h. nicht mit Kraftstoff versorgten Zylindern zugeführt. Im Schiebebetrieb betrifft dies alle Zylinder der Brennkraftmaschine.
-
Über ein Mittel zur Steuerung kann die Rückführleitung unabhängig von der Umlenkeinrichtung im Abgassystem geöffnet und geschlossen werden. Wenn die Rückführleitung geschlossen ist, wird verhindert, dass Abgase im befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine auf die Frischluftseite gelangen können. Des Weiteren wird, wenn die Rückführleitung geöffnet ist, ermöglicht, dass Schiebeluft im Schiebebetrieb vollständig über die Rückführleitung auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden kann. Die Schiebeluft wird über die oben genannte Rückführleitung von der Abgasseite auf die Ansaugseite geleitet und dann von der Brennkraftmaschine wieder angesaugt.
-
Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass die kühlere, unverbrannte Luft vor dem heißen Katalysator zirkuliert und diesen nicht durchströmen kann. Somit kann die Temperatur des Katalysators auch in der Schubphase weiterhin auf ausreichend hohem Niveau gehalten werden. Somit wird bei Wiedereinsetzen der Verbrennung und Rückschaltung der Umlenkeinrichtung eine optimale Konvertierung der Abgase ermöglicht, da der Katalysator von Beginn der erneuten Verbrennung in der Brennkraftmaschine weiterhin seine Betriebstemperatur hat. Bei zu niedriger Temperatur des Katalysators, lässt seine Fähigkeit, Schadstoffe im Abgas einer Brennkraftmaschine zu konvertieren, stark nach.
-
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass durch die Zirkulation der Schiebeluft im Schiebebetrieb niemals schädliches Abgas, also z. B. Kraftstoff- und Öldämpfe, welche zum einen aus der Kurbelgehäuseentlüftung stammen und zum anderen aus Kraftstoff- und Ölablagerungen in der Brennkraftmaschine entstehen, in die Umwelt gelangen können.
-
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass im Schiebebetrieb und geschlossener Umlenkeinrichtung die Schiebeluft nicht durch den Katalysator strömen kann und ihn dadurch vor sog. Katalysatoralterung bewahrt. Hiermit wird erreicht, dass Edelmetalle im Katalysator aufgrund der Verbrennung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit dem Sauerstoff der Schiebeluft und den dabei entstehenden hohen Temperaturen verklumpen, d. h. es entstehen Verklumpungen. Dabei bilden sich inaktive Phasen, welche nicht mehr an der katalytischen Umwandlung der Schadstoffe teilnehmen.
-
Weiterhin als Vorteil zu nennen ist, dass im Fehlerfall der Umlenkeinrichtung, also z. B. bei nicht mehr schließender Umlenkeinrichtung, niemals schädliches Abgas ohne katalytische Nachbehandlung in die Umgebung gelangen kann, da die Abgase unter allen Umständen den Katalysator durchströmen müssen.
-
Ebenfalls als Vorteil zu nennen ist, dass es aufgrund des Haltens des höheren Temperaturniveaus der Katalysatoranordnung möglich ist, motorische Maßnahmen zum Wiedererreichen der Betriebstemperatur des Katalysators zu reduzieren und damit letztendlich Kraftstoff einzusparen. Zu diesen Maßnahmen der Aufheizung zählt z. B. das kurzzeitige Unterbrechen des Schiebebetriebs um Kraftsoff einzuspritzen und zu verbrennen, um mit den entstehenden hohen Temperaturen den Katalysator erneut auf Betriebstemperatur zu bringen.
-
Außerdem von Vorteil der genannten Erfindung ist, dass alle zu einem Abgassystem gehörenden Komponenten wie Sensoren und weitere Katalysatoren zusätzlich auf einem höheren Temperaturniveau gehalten werden und somit besser funktionieren können. Hier sei z. B. die Lambdasonde zu nennen, welche für einen optimalen Betrieb eine ausreichend hohe Temperatur benötigt. Dies ermöglicht eine sehr gute Überwachung des Katalysatorzustands mit Hilfe der genannten Lambdasonde direkt nach einer Schubphase, da die Temperatur der Sonde ebenfalls nicht unter eine kritische Temperatur gesunken ist.
-
Zusätzlich ist ein Vorteil der Erfindung darin zu sehen, dass die gestellte Aufgabe mit sehr einfachen, bekannten Maßnahmen gelöst werden kann. Dazu gehören bekannte Mittel zur Steuerung, welche die Rückführleitung öffnen und schließen können, sowie Umlenkeinrichtungen, welche das Abgassystem öffnen und schließen können.
-
Außerdem sind nur geringe Modifikationen an bestehenden Abgassystemen notwendig, um die Erfindung zu realisieren, da die Integration der Umlenkeinrichtung in das Abgassystem aufgrund der Form und des geringen Bauraumes durch Ersetzen eines kurzen Leitungsabschnitts möglich ist.
-
Die Rückführleitung selbst ist ebenfalls sehr einfach und mit wenig Aufwand zu installieren, da sie einen geringen Querschnitt im Vergleich zum Abgassystem aufweist und durch die Nähe zur Brennkraftmaschine eine geringe Länge benötigt. Zusätzlich sind die chemischen und thermischen Anforderungen an das Material der Rückführleitung gering, da sie keine heißen, Ablagerungen und Schadstoffe enthaltende Abgase aus der Verbrennung der Brennkraftmaschine durchströmen. Des Weiteren ist von großem Vorteil, dass bei Vorhandensein einer sogenannten Abgasrückführung bereits eine entsprechend ausgelegte Rückführleitung existiert, welche je nach Ausführung der Erfindung genutzt werden kann.
-
Bezüglich der Wartung ist es als vorteilhaft zu nennen, dass nur einzelne Komponenten des Abgassystems zu ersetzen sind und somit aufwendige und kostspielige Montage- und Reparaturarbeiten ausbleiben. Dies wird dadurch erreicht, dass die Umlenkeinrichtung und die Rückführleitung sowie das Mittel zur Steuerung jeweils separat in das bestehende Abgassystem integriert werden und somit einzeln demontiert und ersetzt werden können. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
-
1 die Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
2 die Prinzipskizze eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer bekannten Steuerung, welche um die Funktionalität der Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erweitert wird.
-
3 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
1 zeigt eine, einen üblichen und daher nicht zu beschreibenden Aufbau besitzende, ein Fahrzeug antreibende Brennkraftmaschine 1. Ein Abgaskrümmer 8, der direkt an der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dient zum Sammeln der Abgase der Maschine 1 und leitet diese in eine Abgasleitung 2, in der eine Katalysatoranordnung 3 bekannten und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus angebracht ist. Zum Schutz mindestens des an der katalytischen Nachbehandlung hauptsächlich beteiligten Katalysators 3 wird eine Umlenkeinrichtung 4 eingesetzt. Während des Schiebebetriebs, d. h. bei von außen angetriebener Maschine, öffnet ein Mittel zur Steuerung 5 eine Rückführleitung 6, um die Rückführung der Schiebeluft zu ermöglichen. Gleichzeitig wird die Umlenkeinrichtung 4 geschlossen, um den vollständigen Schiebeluftstrom durch die Rückführleitung 6 zu einem Saugrohr 7 strömen zu lassen. Im befeuerten Betrieb wird die Umlenkeinrichtung 4 geöffnet. Somit strömt das bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 entstehende Abgas durch die Katalysatoranordnung. Gleichzeitig verschließt das Mittel zur Steuerung 5 die Rückführleitung 6, sodass kein Abgas mehr auf die Ansaugseite strömen kann.
-
In 2 ist dargestellt, dass das Mittel zur Steuerung 5, die Umlenkeinrichtung 4 und die Brennkraftmaschine 1 mit einem Steuergerät 9 verbunden sind.
-
In 3 ist ein Verfahren dargestellt, mit dem das Rückführen der Schiebeluft im Schiebebetrieb ermöglicht wird. Das Verfahren wird von dem Steuergerät 9 durchgeführt. Dieses Verfahren hat dabei die folgenden Schritte:
Es wird von einem Ausgangszustand ausgegangen, der dadurch charakterisiert ist, dass die Umlenkeinrichtung 4 vollständig geöffnet und das Mittel zur Steuerung 5 vollständig geschlossen ist. In einem Schritt 10 wird geprüft, ob sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Schiebebetrieb befindet. Hierzu können eine Mehrzahl von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 abgefragt werden, insbesondere die Stellung des Fahrpedals, die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 oder der gleichen. Wird in dem Schritt 10 erkannt, dass kein Schiebebetrieb vorliegt, so wird das Verfahren erneut von Beginn an durchgeführt und die Vorrichtung bleibt weiterhin im Ausgangszustand. Somit wird das Abgas über den Katalysator 3 und die nachfolgende Abgaseinrichtung in die Umgebung geleitet.
-
Wird in Schritt 10 ein Schiebebetrieb erkannt, so wird in einem nachfolgenden Schritt 11 geprüft, ob sich die Temperatur des Katalysators 3 in seinem Arbeitsbereich befindet. Dies kann zum Beispiel mithilfe eines Temperatursensors vorgenommen werden, der die Temperatur des Katalysators 3 erfasst. Ebenfalls kann die Temperatur des Katalysators 3 mithilfe einer Modellierung nachgebildet und auf diese Weise erfasst werden. Weiterhin kann der Arbeitsbereich des Katalysators 3 durch einen oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden, mit dem beziehungsweise denen die Temperatur des Katalysators 3 verglichen wird. Der unteren Temperatur des Arbeitsbereiches des Katalysators 3 kann beispielsweise ein Schwellwert zugeordnet sein, der (gegebenenfalls auch nur geringfügig) größer ist als diese untere Temperatur, sodass das Verfahren der 3 bereits eingreift, bevor die Temperatur des Katalysators 3 den Arbeitsbereich verlässt.
-
Befindet sich die Temperatur des Katalysators 3 in seinem Arbeitsbereich, so wird das Verfahren erneut von Beginn an durchgeführt und die Vorrichtung bleibt weiterhin im Ausgangszustand. Somit wird die Schiebeluft über den Katalysator 3 und die nachfolgende Abgaseinrichtung in die Umgebung geleitet.
-
Wird jedoch erkannt, dass sich der Katalysator 3 nicht mehr in seinem Arbeitsbereich befindet, da seine Temperatur über einem oberen Schwellwert liegt, so bedeutet dies, dass das Verfahren erneut von Beginn an durchgeführt wird und die Vorrichtung bleibt weiterhin im Ausgangszustand. Somit wird die Schiebeluft über den Katalysator 3 und die nachfolgende Abgaseinrichtung in die Umgebung geleitet, wobei die Temperatur des Katalysators 3 absinkt. Wird jedoch erkannt, dass sich der Katalysator 3 nicht (mehr) in seinem Arbeitsbereich befindet, da seine Temperatur unter einem unteren Schwellwert liegt, so bedeutet dies, dass der Katalysator 3 bereits ausgekühlt ist und er nicht mehr weiter abkühlen soll. Es wird dann in einem nachfolgenden Schritt 12 die Umlenkeinrichtung 4 geschlossen und zwar insbesondere vollständig. Weiterhin wird im gleichen Schritt das Mittel zur Steuerung 5 vollständig geöffnet. Somit wird die Schiebeluft über die Rückführleitung 6 in das Ansaugrohr 7 der Brennkraftmaschine 1 rückgeführt, um dort über die Brennkraftmaschine 1 wieder in den Abgaskrümmer 8 zu gelangen. Dieser Zustand wird solange beibehalten und das beschriebene Verfahren von Beginn an erneut durchgeführt, bis im Schritt 10 erkannt wird, dass kein Schiebebetrieb mehr vorliegt. Daraufhin wird die Umlenkeinrichtung 4 wieder geöffnet und zwar insbesondere vollständig. Weiterhin wird im gleichen Schritt das Mittel zur Steuerung 5 vollständig geschlossen. Somit wird das Abgas über den Katalysator 3 und die nachfolgende Abgaseinrichtung in die Umgebung geleitet. Grundsätzlich wird das Verfahren kontinuierlich von Beginn an durchgeführt, um eine ständige Überprüfung zu gewährleisten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
