DE10206066A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (1) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NO¶x¶-Speicherkatalysator ausgebildeten Katalysators (13) angeordneten Abgaskrümmer (3), welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt (7a) zwischen einer Außenschale (5) und einem abgasführenden Innenrohr (6) gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal (7) umgeben ist, welcher einen Lufteintritt (9) und einen Luftaustritt (17) aufweist, wobei der mit einer Kühlluftzuführleitung (10) verbundene Lufteintritt (9) in einem Anfangsbereich (8) des Krümmers (3) angeordnet ist und wobei in der Kühlluftzuführleitung (10) ein Steuerorgan (21) für den Kühlluftdurchfluss angeordnet ist. Um auf möglichst einfache Weise eine Steuerung der Abgastemperatur zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Abgaskrümmer (3) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist und dass der Katalysator (13) ummantelt ausgeführt ist, wobei zwischen der Ummantelung (14) und dem Katalysatorgehäuse (15) ein Luftspalt (16) ausgebildet ist, welcher einen Teil des Kühlkanals (7) bildet und mit dem Luftspalt (7a) zwischen Außenschale (5) und dem abgasführenden Innenrohr (6) des Abgaskrümmers (3) im Anfangsbereich (8) des Katalysators (13) strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt (17) im Endbereich (18) des Katalysators (13) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysators ausgebildeten Katalysators angeordneten Abgaskrümmer, welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt zwischen einer Außenschale und einem abgasführenden Innenrohr gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal umgeben ist, welcher einen Lufteintritt und einen Luftaustritt aufweist, wobei der mit einer Kühlluftzuführleitung verbundene Lufteintritt in einem Anfangsbereich des Krümmers angeordnet ist, und wobei in der Kühlluftzuführleitung ein Steuerorgan für den Kühlluftdurchfluss angeordnet ist.
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 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 Umschaltklappe 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.
Die Abgaskrümmer sind bei den beschriebenen Auspuffanlagen zwar durch ein Gehäuse ummantelt, die bekannten Abgaskrümmer selbst sind aber nicht als Schalenkrümmer im eigentlichen Sinn ausgebildet.
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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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 Abgaskrümmer durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist, und dass der Katalysator ummantelt ausgeführt ist, wobei zwischen der Ummantelung und dem Katalysatorgehäuse ein Luftspalt ausgebildet ist, welcher einen Teil des Kühlkanales bildet und mit dem Luftspalt zwischen Außenschale und dem abgasführenden Innenrohr des Abgaskrümmers im Anfangsbereich des Katalysators strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt im Endbereich des Katalysators angeordnet ist. Luftspaltisolierte Abgaskrümmer wurden bisher dazu verwendet, um das Ansprechverhalten von Katalysatoren, welches entscheidend für die Erfüllung von Emissionsgrenzen ist, zu verbessern. Dazu wurden bisher die geringe thermische Trägheit des Schalenkrümmers und die gute Isolierung des Schalenkrümmers zur Umgebung aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Luft ausgenützt. Auch dem erfindungsgemäßen Vorschlag kommen diese Eigenschaften zugute.
Dadurch, dass der Katalysator ummantelt ausgeführt ist, wird nicht nur der Abgaskrümmer stromaufwärts des Katalysators, sondern auch der Katalysator selbst durch einen Luftmantel isoliert bzw. gekühlt. Zwischen dem Innenrohr des Abgaskrümmers und der Außenschale wird bei Bedarf Kühlluft eingeleitet, um das Abgas zu kühlen. Dabei wird die volle Krümmeroberfläche zur Kühlung, sowie die geringe thermische Trägheit des luftspaltisolierten Schalenkrümmers genutzt, ohne dass während der Warmlaufphase bis zum Anspringen des Katalysators Nachteile infolge stärkerer Abkühlung in Kauf genommen werden müssten. Eine ungewünschte Abkühlung während der Warmlaufphase kann insbesondere dadurch vermieden werden, dass mittels des vorzugsweise durch eine Umschaltklappe gebildeten Steuerorganes wahlweise zwischen dem Kühlkanal und einer den Kühlkanal umgehenden Bypassleitung oder Bypassöffnung umgeschaltet werden kann. Während der Warmlaufphase ist somit die Luftzufuhr geschlossen.
Um insbesondere bei hohem Kühlluftbedarf eine ausreichende Kühlung des Abgases zu ermöglichen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die zum Kühlkanal führende Kühlluftzuführleitung vom Kühlerventilatorraum des Fahrzeugkühlers ausgeht. Dies ermöglicht eine zusätzliche aktive Steuerung des Luftstromes durch den Kühlerventilator. Über das Steuerorgan kann eine zu starke Abkühlung des Abgases vermieden werden.
Wesentlich ist, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag ein luftspaltisolierter Standard-Abgaskrümmer verwendet wird, wodurch der Fertigungsaufwand so klein wie möglich gehalten werden kann. Luftspaltisolierte Abgaskrümmer zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die Außenschale eine höhere Steifigkeit aufweist, als das abgasführende Innenrohr, sowie dass das abgasführende Innenrohr eine höhere Temperaturleitfähigkeit aufweist als die Außenschale.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag kann die Abgastemperatur bei Volllast wirksam abgesenkt werden und somit ein höchstmöglicher Katalysatorschutz ohne Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht werden, so dass kein Kraftstoffmehrverbrauch in Kauf genommen werden muss. Nach hohen Motorlasten kann sehr rasch die Abgastemperatur abgesenkt werden, um bei DeNOx-Katalysatoren möglichst schnell wieder den Temperaturbereich für die Stickoxideinspeicherung zu erreichen und damit wieder den Magerbetrieb zu ermöglichen. Durch den luftspaltisolierten Abgaskrümmer kann eine gute thermische Isolation des Abgases zur Umgebung erreicht werden, wodurch die Gefahr von Emissionsproblemen durch zu geringe Katalysatortemperaturen bei "Ausgehen" des Katalysators hintangestellt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Abgassystem 1 einer Brennkraftmaschine 2 mit einem als luftspaltisolierter Schalenkrümmer ausgebildeten Abgaskrümmer 3, welcher stromaufwärts eines NOx-Katalysators 13 im durch die Pfeile 4 angedeuteten Abgasstrom angeordnet ist. Zwischen einer Außenschale 5 und einem den Abgasströmungsweg bildenden Innenrohr 6 weist der Abgaskrümmer 3 einen einen Kühlkanal 7 bildenden Luftspalt 7a auf, welcher einerseits das Abgasrohr 6 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert und über den andererseits der Abgasstrom 4 gekühlt werden kann. Der Kühlkanal 7 weist im Anfangsbereich 8 des Abgaskrümmers 3 einen Lufteintritt 9 auf, an welchen eine Kühlluftzuführleitung 10 angeschlossen ist. Die Kühlluftzuführleitung 10 geht vom Kühlerventilatorraum 11 eines Fahrzeugkühlers 12 aus.
Der NOx-Katalysator 13 weist eine Ummantelung 14 auf, welche mit dem Katalysatorgehäuse 15 ebenfalls einen Luftspalt 16 ausbildet, welcher mit dem Luftspalt 7a zwischen dem abgasführenden Innenrohr 6 und der Außenschale 5 des Abgaskrümmers 3 verbunden ist und den Kühlkanal 7 bildet. Der Luftaustritt 17 des Kühlkanales 7 ist im Endbereich 18 des Katalysators 13 angeordnet.
Die Außenschale 5 des Abgaskrümmers 3 weist eine höhere Steifigkeit und eine geringere Temperaturleitfähigkeit auf, als das abgasführende Innenrohr 6 des Abgaskrümmers 3. Dadurch wird einerseits eine relativ geringe thermische Trägheit des Abgaskrümmers 3 und andererseits eine gute Isolierung des Abgaskrümmers 3 gegenüber der Umgebung aufgrund der schlechteren Wärmeleitfähigkeit der Luft im Luftspalt 7a erreicht.
Die durch die Pfeile 19 angedeutete Kühlluft gelangt über den Fahrzeugkühler 12 und den Kühlerventilator 20 durch den Kühlerventilatorraum 11 in die Kühlluftzuführleitung 10. In der Kühlluftzuführleitung 10 ist ein durch eine Klappe gebildetes Steuerorgan 21 angeordnet, mit welchem der Strömungsweg zum Abgaskrümmer 3 oder zu einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung 22 geschaltet werden kann. Bei Bedarf wird die Kühlluft über die Kühlluftzuführleitung 10 durch den Lufteintritt 9 dem Kühlkanal 7 zugeleitet, um den Abgasstrom 4 zu kühlen. Dabei wird die volle Krümmeroberfläche des Abgaskrümmers 3 zur Kühlung, sowie die geringe thermische Trägheit des abgasführenden Innenrohres 6 genutzt. Somit kann eine hohe Kühlleistung bereits vor dem NOx-Katalysator 13 eingebracht werden, was folgende Vorteile ergibt:
  • - Absenkung der Abgastemperatur bei Volllast und damit Katalysator-Schutz ohne Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches. Dadurch ergibt sich ein Verbrauchsvorteil bei Volllast.
  • - Schnelle Temperaturabsenkung nach hohen Motorlasten, um bei NOx- Speicherkatalysatoren 13 möglichst schnell wieder den Temperaturbereich für die NOx-Einspeicherung zu erreichen und damit Magerbetrieb zu ermöglichen.
  • - Gute Isolation zur Umgebung und somit verringerte Gefahr von Emissionsproblemen durch zu geringe Katalysatortemperaturen infolge "Ausgehen" des NOx-Speicherkatalysators 13.
Durch das Steuerorgan 21 wird vermieden, dass insbesondere während der Warmlaufphase eine zusätzliche Kühlung des Abgases erfolgt und somit das "Anspringen" des NOx-Speicherkatalysators 13 verzögert. Über einen im Bereich des NOx-Speicherkatalysators 13 im Abgassystem 1 angeordneten Temperaturfühler 23 wird die Abgastemperatur bestimmt und einer Steuereinheit 24 zugeführt. Liegt die gemessene Abgastemperatur unter einem vordefinierten Mindestwert, so wird über die Steuereinheit 24 mittels des Steuerorganes 21 der Strömungsweg zum Kühlkanal 7 geschlossen und der Kühlluftstrom 19 einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung 22 bzw. Bypassöffnung zugeführt. Eine Unterbrechung der Kühlluftzufuhr zum Kühlkanal 7 wird insbesondere während der Warmlaufphase, aber auch bei Niedriglast bei heißem Motor bei zu geringer Abgastemperatur durchgeführt. Besteht ein mäßiger Kühlluftbedarf, so verschließt das Steuerorgan 21 die Bypassleitung 22 und gibt den Strömungsweg zum Kühlkanal 7 frei. Die Kühlluftströmung 19 kann somit zur Kühlung des Abgaskrümmers 3 und des NOx-Katalysators 13 verwendet werden. Besteht hoher Kühlluftbedarf, so ist zusätzlich der Kühlerventilator 20 aktiviert.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (1) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysators ausgebildeten Katalysators (13) angeordneten Abgaskrümmer (3), welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt (7a) zwischen einer Außenschale (5) und einem abgasführenden Innenrohr (6) gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal (7) umgeben ist, welcher einen Lufteintritt (9) und einen Luftaustritt (17) aufweist, wobei der mit einer Kühlluftzuführleitung (10) verbundene Lufteintritt (9) in einem Anfangsbereich (8) des Krümmers (3) angeordnet ist, und wobei in der Kühlluftzuführleitung (10) ein Steuerorgan (21) für den Kühlluftdurchfluss angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (3) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet ist, und dass der Katalysator (13) ummantelt ausgeführt ist, wobei zwischen der Ummantelung (14) und dem Katalysatorgehäuse (15) ein Luftspalt (16) ausgebildet ist, welcher einen Teil des Kühlkanales (7) bildet und mit dem Luftspalt (7a) zwischen Außenschale (5) und dem abgasführenden Innenrohr (6) des Abgaskrümmers (3) im Anfangsbereich (8) des Katalysators (13) strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt (17) im Endbereich (18) des Katalysators (13) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlkanal (7) führende Kühlluftzuführleitung (10) vom Kühlerventilatorraum (11) des Fahrzeugkühlers (12) ausgeht.
3. Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des vorzugsweise durch eine Umschaltklappe gebildeten Steuerorganes (21) wahlweise zwischen dem Kühlkanal (7) und einer den Kühlkanal (7) umgehenden Bypassleitung (22) oder Bypassöffnung umgeschaltet werden kann.
4. Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (5) eine höhere Steifigkeit aufweist, als das abgasführende Innenrohr (6).
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abgasführende Innenrohr (6) eine höhere Temperaturleitfähigkeit aufweist als die Außenschale (5).
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