DE10206066B4 - Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine
(2) mit einem Abgassystem (1) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise
als NOx-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, und wobei der Abgaskrümmer (3) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten
Schalenkrümmer
gebildet und 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 der Außenschale
(5) und dem abgasführenden
Innenrohr (6) des Abgaskrümmers
(3) im Anfangsbereich des Katalysators (13) strömungsverbunden ist,...
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysator 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, und wobei der Abgaskrümmer durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet und 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 der Außenschale und dem abgasführenden Innenrohr des Abgaskrümmers im Anfangsbereich des Katalysators strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt im Endbereich des Katalysators angeordnet ist.
- Die
US 37 47 346 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 derDE 22 40 681 A bekannt. - Die
EP 09 28 885 A2 zeigt eine Abgasvorrichtung mit einem durch ein Gehäuse ummantelten Abgaskrümmer. - Die
US 38 20 327 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 06 22 531 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 die Außenschale eine höhere Steifigkeit aufweist als das abgasführende Innenrohr und dass das abgasführende Innenrohr eine höhere Temperaturleitfähigkeit aufweist als die Außenschale. 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. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Innenrohres verbessert die Ansprechzeit bei der Steuerung der Abgastemperatur maßgeblich.
- 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 Brennkraftmaschine2 mit einem als luftspaltisolierter Schalenkrümmer ausgebildeten Abgaskrümmer3 , welcher stromaufwärts eines als NOx-Katalysator bzw. als NOx-Speicherkatalysator ausgebildeten Katalysators13 im durch die Pfeile4 angedeuteten Abgasstrom angeordnet ist. Zwischen einer Außenschale5 und einem den Abgasströmungsweg bildenden Innenrohr6 weist der Abgaskrümmer3 einen einen Kühlkanal7 bildenden Luftspalt7a auf, welcher einerseits das Innenrohr6 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert und über den andererseits der Abgasstrom4 gekühlt werden kann. Der Kühlkanal7 weist im Anfangsbereich8 des Abgaskrümmers3 einen Lufteintritt9 auf, an welchen eine Kühlluftzuführleitung10 angeschlossen ist. Die Kühlluftzuführleitung10 geht vom Kühlerventilatorraum11 eines Fahrzeugkühlers12 aus. - Der NOx-Katalysator
13 weist eine Ummantelung14 auf, welche mit dem Katalysatorgehäuse15 ebenfalls einen Luftspalt16 ausbildet, welcher mit dem Luftspalt7a zwischen dem abgasführenden Innenrohr6 und der Außenschale5 des Abgaskrümmers3 verbunden ist und den Kühlkanal7 bildet. Der Luftaustritt17 des Kühlkanales7 ist im Endbereich18 des Katalysators13 angeordnet. - Die Außenschale
5 des Abgaskrümmers3 weist eine höhere Steifigkeit und eine geringere Temperaturleitfähigkeit auf, als das abgasführende Innenrohr6 des Abgaskrümmers3 . Dadurch wird einerseits eine relativ geringe thermische Trägheit des Abgaskrümmers3 und andererseits eine gute Isolierung des Abgaskrümmers3 gegenüber der Umgebung aufgrund der schlechteren Wärmeleitfähigkeit der Luft im Luftspalt7a erreicht. - Die durch die Pfeile
19 angedeutete Kühlluft gelangt über den Fahrzeugkühler12 und den Kühlerventilator20 durch den Kühlerventilatorraum11 in die Kühlluftzuführleitung10 . Inder Kühlluftzuführleitung10 ist ein durch eine Klappe gebildetes Steuerorgan21 angeordnet, mit welchem der Strömungsweg zum Abgaskrümmer3 oder zu einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung22 geschaltet werden kann. Bei Bedarf wird die Kühlluft über die Kühlluftzuführleitung10 durch den Lufteintritt9 dem Kühlkanal7 zugeleitet, um den Abgasstrom4 zu kühlen. Dabei wird die volle Krümmeroberfläche des Abgaskrümmers3 zur Kühlung, sowie die geringe thermische Trägheit des abgasführenden Innenrohres6 genutzt. Somit kann eine hohe Kühlleistung bereits vor dem NOx-Katalysator13 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-Speicherkatalysators13 verzögert. Über einen im Bereich des NOx-Speicherkatalysators13 im Abgassystem1 angeordneten Temperaturfühler23 wird die Abgastemperatur bestimmt und einer Steuereinheit24 zugeführt. Liegt die gemessene Abgastemperatur unter einem vordefinierten Mindestwert, so wird über die Steuereinheit24 mittels des Steuerorganes21 der Strömungsweg zum Kühlkanal7 geschlossen und der Kühlluftstrom19 einer in die Umgebung mündenden Bypassleitung22 bzw. Bypassöffnung zugeführt. Eine Unterbrechung der Kühlluftzufuhr zum Kühlkanal7 wird insbesondere während der Warmlaufphase, aber auch bei Niedriglast bei heißem Motor bei zu geringer Abgastemperatur durchgeführt. Besteht ein mäßiger Kühlluftbedarf, so verschließt das Steuerorgan21 die Bypassleitung22 und gibt den Strömungsweg zum Kühlkanal7 frei. Die Kühlluftströmung19 kann somit zur Kühlung des Abgaskrümmers3 und des NOx-Katalysators13 verwendet werden. Besteht hoher Kühlluftbedarf, so ist zusätzlich der Kühlerventilator20 aktiviert.
Claims (4)
- Brennkraftmaschine (
2 ) mit einem Abgassystem (1 ) mit zumindest einem stromaufwärts eines vorzugsweise als NOx-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, und wobei der Abgaskrümmer (3 ) durch einen doppelwandigen, luftspaltisolierten Schalenkrümmer gebildet und 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 der Außenschale (5 ) und dem abgasführenden Innenrohr (6 ) des Abgaskrümmers (3 ) im Anfangsbereich des Katalysators (13 ) strömungsverbunden ist, wobei der Luftaustritt (17 ) im Endbereich (18 ) des Katalysators (13 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (5 ) eine höhere Steifigkeit aufweist als das abgasführende Innenrohr (6 ) und dass das abgasführende Innenrohr (6 ) eine höhere Temperaturleitfähigkeit aufweist als die Außenschale (5 ). - Brennkraftmaschine (
2 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlkanal (7 ) führende Kühlluftzuführleitung (10 ) von einem Kühlerventilatorraum (11 ) eines Fahrzeugkühlers (12 ) ausgeht. - Brennkraftmaschine (
2 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Steuerorganes (21 ) wahlweise zwischen dem Kühlkanal (7 ) und einer den Kühlkanal (7 ) umgehenden Bypassleitung (22 ) oder Bypassöffnung umgeschaltet werden kann. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan eine Umschaltklappe ist.
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