DE1476499A1

DE1476499A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachverbrennung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE1476499A1
Application number: DE1964D0046014
Authority: DE
Inventors: Saeufferer Dr-Ing Helmut
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1964-12-10
Filing date: 1964-12-10
Publication date: 1969-10-02
Also published as: US3386241A; FR1457181A; GB1061140A

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft 1476499 Palm 6553/4

Stuttgart-Untertürkheim 7. Dezember 1964

Patentanmeldung:

Dr. ExpL

Verfahren und Vorrichtung zur Nachverbrennung der Abgase von Verbrennungskraftmaschlnen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytisehen Nachverbrennung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen unter Zweitluftzugabe und eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens*

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird den Abgasen Zweitluft in einer bestimmten Beimischrate beigemengt und diese Gasmischung gelangt dann in einen Kätalysatortopf, in dem die katalytische Nachverbrennung stattfindet; jedoch erst dann, wenn diese Gasmischung eine bestimmte Temperatur - die Anspringtemperatur des Katalysators - überschreitet, setzt die katalytische Nachverbrennung ein.

Beim Starten einer kalten Verbrennungskraftmaschine müssen zunächst die Teile der Katalysatoranlage und die zugehörigen Rohrleitungen durch die heißen Abgase aufgeheizt werden, bevor die Anspringtemperatur erreicht wird. Dieser Anwärmvorgang wird bei dem bekannten Verfahren durch die kalte Zweitluft verzögert. Da diese Zweitluft in der Anwärmphase nicht benötigt wird, weil in dieser Phase keine Nachverbrennung stattfinden kann, wird erfindungsgemäß die Zweitluft erst nach Ablauf einer Anwärmphase zugegeben.

Durch die Erfindung wird die Anwärmphase, in der die Abgase unverbrannt ins Freie gelangen, verkürzt.

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Ähnliche Umstände, wie sie beim Starten einer Verbrennungskraftmaschine auftreten, liegen auch vor, wenn während des Betriebes die Temperatur unterschritten wird, bei der die katalytische Nachverbrennung stattfinden kann. Auch in solchen Betriebsphasen, in denen die katalytische Nachverbrennung aussetzt, muß die Anordnung wieder aufgeheizt werden. Dieser Aufheizvorgang wird bei dem bekannten Verfahren durch die in dieser Phase nicht benötigte, aber dennoch zugegebene kalte Zweitluft ebenfalls verzögerf. Aus diesem Grunde wird die Zweitluft gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur zugegeben. Da die Anspringtemperatur für Katalysatoren entsprechend dem Temperaturbereich, für den sie ausgelegt sind, unterschiedlich ist, erfolgt auch die Zweitluft zugabe je nach der Art des infrage stehenden Katalysators bzw. nach dessen Zusammensetzung bei einer Temperatur, die für verschiedene Katalysatoren verschieden sein kann. Vorzugsweise wird die Zweitluft, beginnend bei einer Katalysatortemperatur unterhalb der Einsatztemperatur für die katalytische Nachverbrennung mit zunehmender Beimischrate zugegeben, so daß die Beimischrate ihren Betriebswert erreicht, wenn der Katalysator im wesentlichen auf seine Anspringtemperatur erhitzt ist.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Beimischstutzen mit einer thermogesteuerten Drosselvorrichtung, der stromaufwärts von einem Eabalysatortopf in die Abgasleitung mündet, vorgesehen ist.

Erfolgt die Zweitluftzugabe nicht durch ein besonders angetriebenes Gebläse, dann empfiehlt es sich, den Beimischstutzen unter Zwischenschaltung eines Luftin;)ektors an die Abgasleitung anzuschließen.

Verwendet man für die Zweitluftzugabe eine maschinell angetriebene Luftpumpe, dann kann die Thermosteuerung direkt an der Luftpumpe vorgenommen werden, indem die Fördermenge der Luftpumpe in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturwerten gesteuert wird.

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Zur Thermosteuerung 1st zweckmäßig ein Thermofühler im Katalysatortopf vorgesehen.

Für die Steuerung der Drosselvorrichtung bzw. der Zweitluftzugabe ist die Katalysatortemperatur maßgebend. Der Thermofühler wird daher im Katalysatortopf zweckmäßig so angeordnet, daß er die Katalysatortemperatur mißt. In einem solchen Fall läßt sich eine optimale Betriebsweise im Sinne einer Verkürzung der Anwärmzeit erzielen.

Vorzugsweise erfolgt die Betätigung der Drosselklappe bzw. die Steuerung der Luftpumpe über ein im Katalysatortopf angebrachtes Bimetallelement, das über ein Gestänge mit der Luftpumpe bzw. mit der Drosselvorrichtung verbunden ist. Als Drosselvorrichtung ist in einem solchen Fall zweckmäßig eine einfache Drosselklappe vorgesehen. Das Bimetallelement ist zweckmäßig in direktem Wärmekontakt mit der Katalysatormasse des Katalysators angeordnet, so daß die Verstellungen, die durch das Bimetallelement hervorgerufen werάan, unmittelbar von der Temperatur der Katalysatormasse abhängig wind.

Statt die Luftpumpe in ihrer Fördermenge zu steuern, kann man sich in einer einfacheren Ausführungsform auch damit begnügen, die Luftpumpe nur ein- und auszuschalten. Die Luftpumpe wird dann eingeschaltet, und zwar auf volle Förderung, kurz bevor der Katalysator die Anspringtemperatur erreicht hat. Die Abschaltung erfolgt beim Unterschreiten dieser Temperatur.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen sohematlsoh

Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer thermogesteuerten Drosselklappe,

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Fig,2 ein zweites Ausführungsbeisniel mit einer therrriOizesteuerten Luftpumpe ,

Fig. 3 ein drittes Ausf Llhrungsbeispiel mit einer birnetallgesteuerten Drosselklappe,

Fig.4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer birnetallgesteuerten Luftpumpe und

Fig.5 ein Diagramm, aus dem die Zweitluftbeimischung in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur bzw. der Abgastemperatur ersichtlich ist.

In Pig.1 ist mit 1 eine Verbrennungskraftmaschine bezeichnet, deren einzelne Auspuffkrümmer 2 an eine Abgassammelleitung 3 angeschlossen sind. Die Abgasleitung 3 mündet in einem Katalysatortopf 4» der mit der Katalysatormasse 4a gefüllt ist und in dem die katalytische Nachverbrennung der Abgase stattfindet. Von dem Katalysatortopf 4 führt eine übliche Auspuffleitung 5, gegebenenfalls über einen Schalldämpfer, ins Freie.

Mit 6 ist ein Stutzen für die Zweitluftzugabe bezeichnet, der stromaufwärts vom Katalysatortopf 4 unter Zwischenschaltung eines Luftinjektors 10 in die Abgasleitung 3 mündet und Ifcfz vor der Mündung durch eine schwenkbare Drosselklappe'7 verschließbar ist. Zum Einstellen der Drosselklappe ist ein Steuergerät 8 bekannter Art vorgesehen, das an einen Thermofühler 9 angeschlossen ist. Der Thermofühler ragt in die Katalysatormasse 4a hinein, so daß er unmittelbar deren Temperatur mißt.

Die Betriebsweise der in Pig.1 dargestellten Vorrichtung wird nun an Hand des in Fig.5 gezeigten Diagramms erläutert. In diesem Diagramm ist der Öffnungswinkel a der Drosselklappe 7 gegen die Temperatur T, die von dem Thermofühler 9 gemessen wird, aufgetragen. Es sei angenommen, dt;ß die katalytische Nachverbrennung bei einer Temperatur T = 24O⁰O einsetzt und daß die Drosselklappe 7 bei einem Öffnungswinkel a « 60° am weitesten geöffnet ist

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und zwar so weit, daß die Zweitluft mit einer Beimischrate angesaugt wird, die für die katalytische Nachverbrennung ausreicht, und bei einem Öffnungswinkel a = 0° geschlossen ist. Es sei weiterhin angenommen, daß die katalytische Nachverbrennung aussetzt^ wenn die Temperatur an dem Thermofühler 9 unter den Wert T « 200⁰C absinkt.

Beim Start der kalten Verbrennungskraftmaschine ist die Drosselklappe 7 geschlossen, weil der Katalysator kalt ist. Steigt die Temperatur T im Katalysator im Laufe der Anwärmphase auf einen Wert kurz unterhalb der Anspringtemperatur T = 24O⁰C an, im Beispiel etwa auf T = 200⁰C, dann beginnt die Drosselvorrichtung 7 sich unter dem Einfluß dee Steuergerätes 8 zu öffnen und die Öffnung wird mit ansteigender Katalysatortemperatur - wie durch die Kurve aus Fig.5 angegeben - größer, bis sie bei der Anspringtemperatur T « 240⁰C ihren Maximalwert a » 60° erreicht. Mit der Anspringtemperatur T =» 240⁰C setzt die katalytische Nachverbrennung ein. Die Anordnung befindet sich nun im normalen Betriebszustand, bei der die Abgase katalytisch nachverbrannt werden und auch die dazu erforderliche Zweitluft beigemischt wird. Sinkt die Temperatur am Thermofühler 9 unter die Katalysatorarbeitstemperatur T » 240⁰C ab, dann wird durch das Steuergerät 8 die Drosselklappe 7 mit dem Absinken der Temperatur T geschlossen. Dies kann bei bestimmten Betriebszuständen der Maschine eintreten, wenn z.B. in deren Abgasen nur eine sehr niedrige Kohlenmonoxyd- und Kohlenwasserstoffkonzentration vorhanden ist. In einem solchen Fall wird die Zweitluft nicht benötigt, weil keine Nachverbrennung stattfinden kann. Die Zweitluft würde also in einem solchen Betriebszustand nur in nachteiliger Weise zur weiteren Abkühlung des Katalysators beitragen.

In Fig.2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem mit 3¹, 6^f, 8¹ , 9¹ und 4¹ Ueilejbezeichnet sind, die den mit den gleichen Bezugsziffern, jedoch ohne Strich, bezeichneten Teilen aus Pig.1 entsprechen. Nach Fig.2 ist ein dem Luftinjektor 10 entsprechender Luftinjektor nicht vorgesehen. Statt dessen ist · für die Zweitluftzugabe eine bspw. elektrisch angetriebene Luft-

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pumpe 11 in dem Zweitluftstutzen 6¹ angeordnet, die von dem Steuergerät 8' thermogesteuert wird, und zwar mit der Maßgabe, daß die Zweitluftzugabe nach den gleichen Grundsätzen erfolgt, wie dies elDen im Zusammenhang mit Fig.1 im Text zu Fig.5 beschrieben wurde.

In Fig.3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die der Abgasleitung 3 aus Fig.1 entsprechende Abgasleitung ist mit 13 bezeichnet. Sie mündet in einen Katalysatortopf 21, der dem Katalysatortopf 4 aus Fig.1 entspricht. Mit 16 ist ein Zweitluftstutzen bezeichnet, der unter Zwischenschaltung eines Luftinjektors 14 in die Abgasleitung 13 mündet und in der Nähe seiner Mündung durch eine einstellbare Drosselklappe 1? verschließbar ist. In dem Katalysatortopf 21 ist eine Bimetallspirale 20 angeordnet, die in unmittelbarem Wärmekontakt mit der Katalysatormasse 21a steht. Die Bimetallspirale ist über ein aus dem Katalysatorgehäuse 21 herausgeführtes Gestänge 22 mit der Drosselklappe 17 verbunden, so daß die Drosselklappe in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur nach den gleichen Gesichtspunkten gesteuert wird, wie sie bereits oben im Text zu Fig,1 an Hand der Fig.5 erläutert wurden.

In Fig.4 ist ein letztes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem mit 13¹, 20', 21^f und 22' Teile bezeichnet sind, die den mit den gleichen Bezugsziffern, jedoch ohne nachgesetztem Strich, in Fig.3 bezeichneten Teilen entsprechen. Der Zweitluftstutzen 16^! mündet nach Fig.4 direkt in die Abgasleitung 13*. Ein dem Luftinjektor 14 aus Fig.3 entsprechender Luftinjektor ist nach Fig.4 nicht vorgesehen. Statt dessen ist für die Zweitluftzugabe, wie bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Luftpumpe 11* vorgesehen, deren Fördermenge durch die Bimetallspirale 20» über das Gestänge 22» so geregelt wird, daß die Zweitluftzugabe nach den Gesichtspunkten, die im Text zu Fig.5 erläutert wurden, erfolgt.

Bei den in Fig.2 und Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispielen kann man, statt eine Luftpumpe vorzusehen, die in ihrer Fördermenge

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regelbar ist, auch eine solche vorsehen, die nur ein- und ausschaltbar ist. In einem solchen Fall wird die Luftpumpe bei einer Katalysatortemperatur von etwa 240⁰O ein- bzw. ausgeschaltet.

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Claims

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Patentansprüche s

1. Verfahren sur katalytisehen I&ehTerbreiuuutg der Abgase Ton Verbrennungskraftmaschinen unter SwaItluftaugab», dadurch gekennzeichnet_s daß die Zweitluft erst nach Ablauf einer Anwärmph&s® sugegebeB wird.

2. Verfahren .nach Anspruch 1, -iadurc^ gtkeiineelehnet, daS die Zweitluft in Abliängigiceit Toa i.#r Katalysatortemperatur «»gegeben

3» Verfahren nach Anepruoa 1 wad 2_f dadurch das die Zweitluft, beginnend mit einer Xatalyeator» temperatur unterhalb der Aftepriagte»|ä#i»®tHX föx iU® kat*l7tieohe lTaohTerbrennung Mit sun*im«nd«r BeiA.itcitrate eugegeben wird» eo daS die Beiiaieoarate ikr#n Betriebswert- erreioht» ν*η& übt Katalyßator i» «$■*entliehen die Anepringtemperatur «rreioht*

4· Vorrichtung sur Ausübung des Verfahrene n&oh eineE itr Tevihergehenden Anspruch·, geJcenaseichnet durch einem Sweitluftstutsen (6) mit einer thermogeeteuerten Dre@scl«* vorrldiiiuiig (7)# der strovaufwärts iron einem Katalya&tertopf (4) i■ die Abgasleitung (3) mündet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4* dadiirali geker^x«*lehnet, daß der Zweitluftetucsen (6) unter Swieehensahaltusg; eines Luftinjefctore (10) in die Abgasleitung (3) sündet»

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6. Vorrichtung «er Aueübung dta Verfahrene nach eine» der Aneprüche 1 bie 3, gekennzeichnet durch einen Iweitluftstutsen (6*) «it einer thermogeeteuertea Luftpumpe (11), der stromaufwärts toa einem Katalyeatortopf (4*) ±& dl« Abgaeleitung (3*) mündet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4,5 und/oder 6, dadureh gekennseiohnet, daß ear Thermoeteuerung ein Thermoftlhler (9» 9') Ia dem latalyeatortopf (4» 4') rorgeeehen 1st.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Aneprüohe

4ff 5 «Ad T₉ dadureh gekennmelehnet, daß ale Droeael-Torriohtung eine Droeeelklappe (17) Torgeeehen ist, dl· über ein Gestänge (22) toa einem im tataljeatortopf (21) angeordneten Bimetallelement (20) betatigbar iet.

9. Vorrichtung nach Anepruoh $ und 7» daduroh gekennselohnet, das eine Luftpumpe (11·) τοrgesehen ist» die über ein Gestänge (22·) τοη einem 1« Katalyeatortopf (21·) angeordneten Bimetallelement (20·) Ia ihrer Förderleistung regelbar iet.

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