DE19609306A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus dem SAE-Paper 94 04 69, Fig. 16, sind zwei Alternativen für die Ausgestaltung von Abgasanlagen, enthaltend zumindest einen Dreiwege-Katalysator und einen in einem By­ pass zur Abgasleitung angeordneten Adsorber für Kohlenwasserstoffe, bekannt.

Die erste Alternative weist zwei in Reihe zueinander angeordnete Dreiwegekatalysatoren in der Abgaslellung auf, wobei zwischen beiden ein Absperrventil angeordnet ist, welches von dem den Adsorber enthaltenden Bypass übergriffen wird. Nach einem Kaltstart der Brenn­ kraftmaschine wird das Absperrventil geschlossen und der gesamte Abgasstrom durch­ strömt den Adsorber. Nach einigen Sekunden wird das Absperrventil geöffnet und ein stromauf des Adsorbers im Bypass an geordnetes welleres Ventil verschlossen. Hierdurch soll der Adsorber relativ kühl gehalten werden, so daß keine Desorption stattfindet, so lange der stromab liegende Dreiwegekatalysator seine Anspringtemperatur nicht erreicht hat. Nach einigen welleren Sekunden wird das dem Adsorber zugeordnete Ventil zu Desorpti­ onszwecken geöffnet und das Absperrventil in der Abgaslellung um einen bestimmten Be­ trag in seine Schließstellung gebracht, so daß ein Teilabgasstrom den Adsorber durch­ strömt. Der Desorptionsvorgang kann ggf. durch zusätzlich eingeblasene Luft in den By­ passtrom stromauf des Adsorbers gefördert werden.

In dieser Alternative ist der Adsorber somit in bestimmten Betriebsphasen der Brennkraft­ maschine vollständig ab gekoppelt.

Die zweite Alternative in diesem Stand der Technik weist eine sogenannte HC-Falle auf, wobei die Abgaslellung einen Dreiwegekatalysator, stromab dazu einen ersten Schall­ dämpfer und endseitig einen zweiten Schalldämpfer aufweist, wobei der als HC-Falle die­ nende Adsorber in einem Bypass über diesen zweiten Schalldämpfer geschaltet ist. Nach einem Kaltstart sperrt ein Ventil die Abgasleitung stromauf des zweiten Schalldämpfers ab, so daß der gesamte Abgasstrom über den Adsorber geleitet wird. Nach Erreichen der An­ springtemperatur des stromauf angeordneten Dreiwegekatalysators öffnet das Absperrventil und der gesamte Abgasstrom durchströmt den zweiten Schalldämpfer unter Umgehung des Bypasses. Die Rückführung der Kohlenwasserstoffe aus dem Adsorber erfolgt über eine unterdruckbetriebene Rückführleitung in die Brennkraftmaschine. Die Regenerierung des Adsorbers kann dabei durch einen nicht näher bezeichneten Wärmeübergang auf den Adsorber unterstützt werden.

Auch in dieser Alternative ist der im Bypass angeordnete Adsorber in bestimmten Betriebs­ phasen der Brennkraftmaschine vollständig ab gekoppelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche eine verbesserte Abgasreinigung bietet, d. h. ei­ nen geringeren Schadstoffausstoß, insbesondere in der Kaltstartphase einer Brennkraft­ maschine.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.

Wenn bei einer gattungsgemäßen Abgasanlage zur Regeneration des Adsorbers eine Rückführleitung an den Bypass angeschlossen ist, welche in die Abgasleitung mündet, d. h. stromab der Brennkraftmaschine und das Umschaltventil in jeder Betriebsphase der Brenn­ kraftmaschine zumindest einen Teilabgasstrom durch den Adsorber leitet, so ist hierdurch eine optimale Abgasreinigung, insbesondere eine bessere Regeneration des Adsorbers, dadurch schneller erreicht, daß der Adsorber in keiner Betriebsphase der Brennkraftma­ schine ab gekoppelt ist. Um ständig betriebsfähig zu sein, muß der Adsorber in kurzer Zeit wieder regeneriert werden. Nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird das Absperr­ ventil die Abgasleitung vollständig verschließend betätigt, so daß der gesamte Abgasstrom durch den Adsorber strömt, wobei gleichzeitig der Dreiwegekatalysator ständig erwärmt wird. Nach Erreichen der Anspringtemperatur des Dreiwegekatalysators wird das Absperr­ ventil vollständig geöffnet, wobei jedoch ein geringer Teilabgasstrom weiterhin durch den Adsorber im Bypass strömt, und diesen somit zumindest ständig auf einer Temperatur oberhalb seiner Desorptionstemperatur hält. Dieser Teilabgasstrom wird zusammen mit den desorbierten Kohlenwasserstoffen über die Rückführleitung in die Abgasleitung stromauf eines Katalysators eingespeist, so daß die desorbierten Kohlenwasserstoffe in diesem Katalysator verbrannt werden können.

Dieser Katalysator kann der vorgenannte Dreiwegekatalysator sein, welcher die desorbier­ ten Kohlenwasserstoffe umsetzt.

Alternativ kann dieser Katalysator ein zusätzlicher Oxidationskatalysator sein, welcher vor­ zugsweise stromab des Dreiwegekatalysators und vorzugsweise in direktem Wärmekontakt mit diesem angeordnet sein kann.

Bei der erstgenannten Ausführung erfolgt die Einspeisung der rückgeführten Kohlenwas­ serstoffe stromauf des Dreiwegekatalysators vorzugsweise durch ein unterdruckerzeugen­ des Bauteil, beispielsweise durch eine Saugstrahlpumpe oder ähnliches, wodurch eine se­ parate Fördereinrichtung entfällt.

Bei Anwendung des Oxidationskatalysators unmittelbar am Dreiwegekatalysator kann die Rückförderung über zusätzlich von einer Sekundärluftpumpe vorgenommene Lufteinbla­ sung in den Oxidationskatalysator unterstützt werden.

Die Steuerung der Rückführung kann hierbei vorzugsweise über einen zusätzlichen HC- Sensor in der Rückführleitung erfolgen, welcher ebenso wie das Umschaltventil und die Se­ kundärluftsteuerung mit einer elektronischen Steuerung zusammenwirken, welche zumin­ dest betriebsparameterabhängig arbeitet und zusätzlich eine Zeitsteuerung aufweisen kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Abgasanlage einer ersten Ausführung der Erfindung mit einer Rückführung stromauf eines Dreiwegekatalysators und

Fig. 2 schematisch eine Abgasanlage einer zweiten Ausführung der Erfindung mit einer Rückführung stromab des Dreiwegekatalysators.

Die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine 1 weist eine Abgasleitung 2 mit einem darin angeordneten Dreiwegekatalysator 3 auf.

Stromab des Dreiwegekatalysators 3 ist parallel zur Abgasleitung 2 ein Bypass 4 in Form einer Rohrleitung 5 angeordnet, in deren Verlauf ein Adsorber 6 für Kohlenwasserstoff an­ geordnet ist.

Der Bypass 4 übergreift ein in der Abgasleitung 2 an geordnetes Umschaltventil 7, welches von einer elektronischen Steuerung 8 einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine an­ gesteuert wird und beispielsweise mittels Unterdruck betätigt wird.

Die Steuerung 8 nimmt unter anderem Signale einer stromauf des Dreiwegekatalysators angeordneten Lambda-Sonde 9 sowie eines Temperatursensors 10 am Adsorber 6 auf und steuert neben dem Umschaltventil 7 unter anderem eine Sekundärluftpumpe 11 der Brenn­ kraftmaschine 1, welche über eine Sekundärluftleitung 12 betriebsparameterabhängig Luft in die Abgasleitung 2 einbläst.

Der Bypass 4 ist mittels einer Rückführleitung 13 mit der Abgasleitung 2 verbunden.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform mündet diese Rückführleitung 13 stromauf des Dreiwegekatalysators 3 in die Abgasleitung 2 ein, wobei die Einmündungs­ stelle in nicht gezeigter Weise in der Art einer Saugstrahlpumpe ausgebildet ist.

Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 verschließt die Steuerung 8 die Abgaslei­ tung 2 mittels des Umschaltventiles 7 derart, daß der gesamte Abgasstrom stromab des Dreiwegekatalysators 3 über die Rohrleitung 5 durch den Adsorber 6 und anschließend zu­ rück in einen endseitigen Abschnitt 14 der Abgasleitung 2 strömt. Die Anspringtemperatur des Dreiwegekatalysators 3 ist noch nicht erreicht, so daß es zu einem ungehinderten Durchtritt von Kohlenwasserstoffen kommt. Diese werden anschließend im Adsorber 6 an­ gelagert. Nach Erreichen der Anspringtemperatur, welches mittels eines nicht gezeigten Temperatursensors, der λ-Sonde oder einer Zeitsteuerung der Steuerung 8 signalisiert wird, öffnet diese Steuerung 8 das Umschaltventil 7 vollständig. Ein Großteil des Abgasstromes gelangt somit unter Umgehung des Adsorbers zu dem Abschnitt 14.

Eine Klappe 15 des Umschaltventiles 7 wird dabei in einer solchen Stellung gehalten, daß ein vergleichsweise geringer Teilabgasstrom über den Bypass 4 geleitet wird und dabei den Adsorber 6 auf dessen Desorptionstemperatur hält. Dieser Teilabgasstrom wird gemeinsam mit dem Adsorbat, bestehend aus den zuvor adsorbierten Kohlenwasserstoffen, über die Rückführleitung 13 zwischen Brennkraftmaschine 1 und Dreiwegekatalysator 3 in die Abgasleitung 2 eingespeist, so daß die Kohlenwasserstoffe nunmehr in diesem Katalysator 3 um gesetzt werden können.

Der Adsorber 6 wird also in jeder Betriebsphase der Brennkraftmaschine von Abgas durch­ strömt, während der Kaltstartphase vom gesamten Abgasstrom, später von dem Teilab­ gasstrom. Während des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine 1 wird der Adsorber somit ständig regeneriert und auf der Desorptionstemperatur gehalten.

Erforderlichen falls kann ein vorzeitiges Desorbieren durch zu hohe Temperaturen durch die Anordnung von Kühlrippen 16 stromauf des Adsorbers 6 in der Rohrleitung 5 verhindert werden. Zusätzlich kann die Desorption durch Wärmeübergang von der Abgasleitung 2 unterstützt werden.

Die zweite Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 2 weist zusätzlich einen stromab des Dreiwegekatalysators 3 und in unmittelbarem Kontakt mit diesem stehenden Oxidations­ katalysator 17 auf. Die Rückführleitung 13 ist hierbei an eine diesem Oxidationskatalysator 17 zugeordnete Mischkammer 18 angeschlossen, in welche zur Förderung des Teilabgas­ stromes und zur Oxidation über eine von der Sekundärluftleitung 12 abgezweigte Verbin­ dungsleitung 19 Luft eingeblasen wird.

Die Betriebsweise während eines Kaltstartes ist analog zu der der zuerst beschriebenen Ausführungsform. Nach der durch den direkten Kontakt vergleichsweise schnellen Aufhei­ zung des Oxidationskatalysators 17 wird das Umschaltventil 7 in die vorbeschriebene, die Abgasleitung 2 vollständig freigebende Stellung gebracht. Zusätzlich wird jetzt von der Steuerung 8 ein Steuerventil 20 in der Sekundärluftleitung 12 derart betätigt, daß die Se­ kundärluft von der Pumpe 11 aus in die Mischkammer 18 geführt wird, wobei ein entste­ hender Unterdruck den Teilabgasstrom rückführt.

Die Rückführleitung 13 kann zur Steuerung der Rückführung, der Sekundärluft oder auch zum Zwecke einer On-Board-Diagnose (OBD) einen HC-Sensor 21 zur Überwachung der Kohlenwasserstoffrate im Teilabgasstrom aufweisen, um z. B. die Luftzufuhr durch die Ver­ bindungsleitung 19 dann zu unterbrechen, wenn keine rückgeführten Kohlenwasserstoffe mehr sensiert werden.

Claims (6)

1. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (1), mit mindestens einem in einer Abgaslei­ tung (2) angeordneten Dreiwegekatalysator (3) und einem stromab dazu in einem By­ pass (4) zur Abgasleitung (2) angeordneten Adsorber (6) für Kohlenwasserstoffe, und mit einer Steuereinrichtung, welche zumindest ein in der Abgasleitung (2) einge­ setztes Umschaltventil (7) zur betriebsparameterabhängigen Steuerung der Abgas­ ströme in der Abgasleitung (2) und dem Bypass (4) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regeneration des Adsorbers (6) eine Rückführleitung (13) für Adsorbat an den Bypass (4) angeschlossen ist, welche in die Abgasleitung (2) stromauf eines Katalysators mündet und das Umschaltventil (7) in jeder Betriebsphase der Brennkraftmaschine (1) zumindest einen Teilabgasstrom durch den Adsorber (6) leitend angeordnet ist.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (13) stromauf des Dreiwegekatalysators (3) einen Unterdruck erzeugend in die Abgasleitung (2) mündet.

3. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (2) zwi­ schen dem Dreiwegekatalysator (3) und dem Bypass (4) einen Oxidallonskatalysator (17) aufweist, in welchen die Rückführleitung (13) mündet.

4. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer in eine Abgasleitung mündenden Sekundärluftleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft­ leitung (12) eine Verbindungsleitung (19) zum Oxidationskatalysator (17) aufweist.

5. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftleitung (12) ein Steuerventil (20) zur wahlweisen Beaufschlagung der Verbindungsleitung (19) mit Luft aufweist und diese gemeinsam mit der Rückführleitung (13) in eine den Teilab­ gasstrom fördernde Mischkammer (18) des Oxidationskatalysators (17) mündet.

6. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückführleitung (13) einen HC-Sensor (21) aufweist, dessen Si­ gnale mittels der Steuereinrichtung das Umschaltventil (7) betätigen.