DE10392766B4

DE10392766B4 - Abgasleitung für einen Brennkraftmotor mit einer thermischen Regelung der Abgase

Info

Publication number: DE10392766B4
Application number: DE10392766.2T
Authority: DE
Inventors: Bertrand Gessier; Philippe Jouanny
Original assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Current assignee: Valeo Thermique Moteur SA
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: FR2840355B1; FR2840355A1; AU2003255624A1; WO2003102404A1; JP2005528554A; DE10392766T5

Abstract

Abgasleitung für die Gase eines Brennkraftmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit, in dem Abgaskanal (9) in Reihe angeordnet, einem Abgaskanal (9), einem Abgaskatalysatortopf (13) und einem Katalyseelement (15), das die Stickoxide beseitigen soll, wobei sie eine Zirkulationsleitung (23) umfasst, um einen Teil der Abgase zurückzuleiten, sowie einen Wärmetauscher (17) zum Kühlen der Abgase, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsleitung (23) an den Wärmetauscher (17), der zwischen dem Abgaskatalysatortopf (13) und dem Katalyseelement (15) eingesetzt ist, angeschlossen ist, um einen Teil der Abgase zurückzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft Brennkraftmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Sie betrifft eine Abgas- und Zirkulationsleitung für die Gase eines Brennkraftmotors und insbesondere eine Abgasleitung, die einen Abgaskanal, einen Katalysatortopf und ein Katalyseelement, das die Stickoxide beseitigen soll, umfasst, die in dem Abgaskanal in Reihe angeordnet sind.
Die Umweltschutznormen fordern eine starke Reduktion der Emissionspegel der Brennkraftmotoren von Kraftfahrzeugen. Um die Bildung der Stickoxide zu reduzieren, ist es bekannt, bei geringer Last und bei Teillast des Fahrzeugmotors einen Teil der Abgase zu den Einlassstutzen des Motors mittels eines Zirkulationsrohrs oder -kanals zurückzuleiten. Es gelingt so, die Verbrennungstemperatur und damit die Bildung von Stickoxiden zu vermindern.
Um den Emissionspegel von Stickoxiden noch weiter zu vermindern, ist es bekannt, einen Wärmetauscher einzufügen, der es gestattet, die Temperatur der zum Einlass rückgeführten Abgase bis auf etwa 100°C abzusenken. Dieser Wärmetauscher ist im Allgemeinen von der Flüssigkeit-Gas-Art. Er ist an den Kühlkreislauf des Motors angeschlossen.
Es ist darüber hinaus ebenso bekannt, insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung von Benzin, die viel Stickoxide produzieren, wenn sie mit Magergemisch arbeiten (Gemisch aus Frischluft und rückgeführten Gasen), einen Reduktionskatalysator einzusetzen, der diese Stickoxide beseitigen soll. Dieser Katalysator erlaubt es, zunächst die Stickoxide im oxidierenden Milieu zu speichern (Magergemisch) und sie dann im reduzierenden Milieu (fettes Gemisch) zu reduzieren.
Ein derartiges Katalyseelement weist jedoch den Nachteil auf, in einem reduzierten Temperaturbereich zu funktionieren. Diese Begrenzung verhindert es, dass es so oft verwendet wird, wie es möglich und wünschenswert wäre, um die Möglichkeiten des Motors zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs auszunutzen. Andererseits ist das maximale Temperaturniveau, das akzeptabel ist, um die Leistungen dieses Katalyseelements nicht zu beinträchtigen, geringer (800 bis 850°C) als dasjenige eines klassischen Dreiwegekatalysators (mehr als 900°C).
Es sind derzeit keine Vorrichtungen zur thermischen Regulierung der Abgase bekannt.
Es sind nur Vorrichtungen bekannt, die es erlauben, ihre Temperatur zu mäßigen, indem die Länge der Abgasrohrleitung vor dem Reduktionskatalysator moduliert wird, der die Stickoxide beseitigen soll (Presseveröffentlichung von Eberspächer).
DE 198 53 119 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, in welchem zumindest ein erster Abgaskatalysator angeordnet ist, sowie mit einem Abgasrückführsystem, wobei zur externen Abgasrückführung stromabwärts des ersten Abgaskatalysators eine Abgasrückführleitung vom Auslasssystem abzweigt und in das Einlasssystem (2) mündet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasleitung für einen Brennkraftmotor, der diesen Nachteil durch das Vorhandensein einer thermischen Regulierung der Abgase behebt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Anspruch 3 definiert.
Die Erfindung erlaubt es, die zurückgeführten Abgase zu kühlen. Dies erlaubt es, auf herkömmliche Weise die Temperatur der Verbrennungsgase zu senken und damit den Emissionspegel der Stickoxide in diesen Abgasen. Aber das Vorhandensein des Wärmetauschers erlaubt es außerdem, auch die nicht zurückgeführten Abgase zu kühlen, die das Katalyseelement durchqueren, das die Stickoxide beseitigen soll.
Das Katalyseelement kann somit in einem größeren Temperaturbereich der Abgase verwendet werden, und sogar unabhängig von der Temperatur dieser letzteren. Man kann daher den Motor häufiger mit Magergemisch arbeiten lassen oder sogar jedes Mal, wenn dies wünschenswert ist, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Bei einer ersten Ausführungsform ist der Kühlungswärmetauscher in der Abgasleitung in Reihe geschaltet.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abgasleitung eine Abzweigung, bzw. Bypass, die eine Abzweigungsleitung für die Abgase umfasst, die einen Teil oder die Gesamtheit der Abgase zum Kühlungswärmetauscher leitet, und eine Rückführleitung für die Abgase, die den zurückgeleiteten Teil der Abgase zur Abgasleitung zurückleitet.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist ein Regelventil zwischen dem Anschluss, bzw. der Abzweigung der Abzweigungsleitung der Abgase und der Einmündung der Rückführleitung der Abgase eingesetzt. Dies erlaubt es, den Durchfluss des zurückgeführten Teils der Abgase in Abhängigkeit von den Motorbedürfnissen zu steuern.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervorgehen, die zur Veranschaulichung dienen und Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen nehmen:
1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wärmetauscher zur Kühlung der Abgase direkt in dem Abgaskanal montiert ist;
2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wärmetauscher zur Kühlung der Abgase relativ zum Abgaskanal verlagert ist.
In 1 umfasst der Brennkraftmotor 1 einen Einlasskrümmer 3, der über eine Leitung 5 mit Frischluft gespeist wird, und einen Auslasskrümmer 7, der an einen Abgaskanal 9 angeschlossen ist, der es gestattet, die Abgase zu einem so genannten (nicht gezeigten) ”schalldämpfenden” äußeren Auspufftopf zu leiten, der die Abgase in die Atmosphäre ableitet.
Ein Turbokompressor 11 erlaubt es, die in den Motor eingelassene Frischluft zu komprimieren, um die spezifische Leistung des letzteren zu erhöhen. Der Turbokompressor 11 umfasst herkömmlicherweise eine Antriebsturbine, die durch die Energie der Abgase betätigt wird und hierzu im Abgaskanal 9 angebracht ist.
Ein Topf zur katalytischen Oxidation 13 ist im Abgaskanal 9 in Reihe montiert. Außerdem ist ebenso ein Katalyseelement 15, das die Stickoxide beseitigen soll, in dem Abgaskanal 9 in Richtung des Entweichens der Gase stromabwärts von dem Katalysatortopf 13 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Katalysatortopf 13 und dem Katalyseelement 15 ein Wärmetauscher 17 eingesetzt. Der Wärmetauscher 17 erlaubt es, die Abgase zu kühlen, die aus dem Katalysatortopf 13 austreten. Es handelt sich um einen Wärmetauscher vom Flüssigkeit-Gas-Typ und er wird durch das Wasser des Kühlkreislaufs des Motors gekühlt.
Hierzu führt eine Leitung 19 das Wasser des Kühlkreislaufs zum Wärmetauscher 17, wie es durch den Pfeil 20 angezeigt ist. Nach dem Wärmetausch mit den Abgasen verlässt das Wasser den Wärmetauscher durch eine Leitung 21, wie durch den Pfeil 22 skizziert ist. Eine an den Wärmetauscher 17 angeschlossene Zirkulationsleitung 23 erlaubt es, einen Teil der in dem Wärmetauscher 17 gekühlten Abgase zu entnehmen und sie in den Einlasskrümmer 3 wieder einzuführen, um sie mit den von der Leitung 5 kommenden Frischgasen zu mischen.
Auf diese Weise wird ein abgemagertes Gemisch hergestellt, das es, wie zuvor erläutert, gestattet, die Verbrennungstemperatur des Motors und infolge davon den Emissionspegel der Stickoxide abzusenken. Ein an der Zirkulationsleitung angebrachtes Ventil 25 erlaubt es, den Teil des in den Motor zurückgeleiteten Abgases zu regeln.
Durch das Vorhandensein des Wärmetauschers 17 zwischen dem Katalysatortopf 13 und dem Katalyseelement 15 wird die Gesamtheit der Abgase gekühlt. Der zurückgeführte Teil der Abgase wird gekühlt, wodurch die Effizienz der Zirkulation erhöht wird. Andererseits wird der nicht zurückgeführte Teil der Abgase ebenso gekühlt, wodurch es ermöglicht wird, das Katalyseelement 15 nicht zu schädigen und es einschließlich bei hoher Last des Motors arbeiten zu lassen, wenn die ausgestoßenen Gase eine erhebliche Temperatur aufweisen, die außerhalb des optimalen Temperaturfensters für die Effizienz des Katalyseelements liegt.
In 2 ist eine andere Ausführungsform einer Abgasleitung der Erfindung dargestellt. Sie unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Wärmetauscher der Abgase 17 nicht in der Abgasleitung in Reihe geschaltet ist, sondern relativ zu dieser Leitung verlagert ist. Insbesondere beim dargestellten Beispiel ist dieser Wärmetauscher 17 in unmittelbarer Nähe des Motors angeordnet; dies erlaubt es, die Länge der Zirkulationsleitung 23 beträchtlich zu verkürzen.
Bei dieser Ausführung wird der Wärmetauscher 17 durch das Wasser des Kühlkreislaufs des Motors gekühlt, das durch die Leitung 9, wie durch den Pfeil 20 skizziert, eindringt und das durch die Leitung 21, wie durch den Pfeil 22 wieder skizziert austritt. Der Wärmetauscher 17 ist an den Abgaskanal 19 über eine Abzweigungsleitung 27 angeschlossen, die es erlaubt, den zurückgeführten Teil der Abgase zum Eingang des Wärmetauschers zu führen. Eine Rückführleitung 29 erlaubt es, die gekühlten Gase zur Abgasleitung 9 zu bringen.
Ein Regelventil 31 ist zwischen dem Anschluss der Abzweigungsleitung 27 und der Einmündung der Leitung 29 eingesetzt. Das Regelventil 31 erlaubt es, den zurückgeführten Teil der Abgase zu regeln. Wenn es geschlossen ist, strömt die Gesamtheit der Gase durch die Abzweigungsleitung und die Rückführleitung. Wenn es in der ganz offenen Stellung ist, wird die Gesamtheit der Abgase direkt nach außen geleitet, ohne in den Motor zurückgeführt zu werden. Das Regelventil 31 erlaubt es ebenso, einen Gegendruck beim Entweichen aufzubauen, der eine Erhöhung der Temperatur hervorruft und es damit erlaubt, mehr Wärme zurückzugewinnen.
Obschon die unter Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Beispiele einen Turbokompressor 11 umfassen, der die in den Motor eingelassene Luftmenge erhöht, findet die Erfindung auch bei einer Abgasleitung für einen Motor ohne einen derartigen Turbokompressor Anwendung.

Claims

Abgasleitung für die Gase eines Brennkraftmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit, in dem Abgaskanal (9) in Reihe angeordnet, einem Abgaskanal (9), einem Abgaskatalysatortopf (13) und einem Katalyseelement (15), das die Stickoxide beseitigen soll, wobei sie eine Zirkulationsleitung (23) umfasst, um einen Teil der Abgase zurückzuleiten, sowie einen Wärmetauscher (17) zum Kühlen der Abgase, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationsleitung (23) an den Wärmetauscher (17), der zwischen dem Abgaskatalysatortopf (13) und dem Katalyseelement (15) eingesetzt ist, angeschlossen ist, um einen Teil der Abgase zurückzuleiten.
Abgasleitung für die Gase eines Brennkraftmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit, in dem Abgaskanal (9) in Reihe angeordnet, einem Abgaskanal (9), einem Abgaskatalysatortopf (13) und einem Katalyseelement (15), das die Stickoxide beseitigen soll und mit einer Abzweigungsleitung (27) für die Abgase, die einen Teil oder die Gesamtheit der Abgase zu einem Kühlungswärmetauscher (21) leitet und eine Verzweigung in eine Zirkulationsleitung (23), die einen Teil der Abgase zum Motor zurückleitet und eine Rückführleitung (29) für die Abgase, die zumindest einen Teil der Abgase zum Abgaskanal (9) zurückleitet, enthält, wobei die Abzweigungsleitung (27) und die Rückführleitung (29) zwischen dem Abgaskatalysatortopf (13) und dem Katalyseelement (15), enden.
Abgasleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Regelventil (31) umfasst, das zwischen einem Anschluss der Abzweigungsleitung (27) und einer Einmündung der Rückführleitung der Abgase (29) eingesetzt ist.