DE19709432A1 - Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen aus Brennkraftma­ schinen mit mehreren in einem Abgasstrang angeordneten Behandlungseinrichtungen für die Abgase gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus DE-36 29 945 A1 dergestalt bekannt, daß dort als Abgasbehandlungseinrichtungen zwei Katalysatoren koaxial zueinander angeordnet sind und jedem Katalysator dabei eine das Abgas abführende Leitung zugeordnet ist. In Ab­ hängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine bzw. der Abgase werden in diesen Leitungen angeordnete, mechanische Drehklappen derart betätigt, daß in be­ stimmten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine nur jeweils einer der beiden Katalysa­ toren oder etwa beide gemeinsam durchströmt werden.

Aus der Veröffentlichung TESAR V.: "Großmaßstäbliche fluidische Ventile für die Durch­ flußsteuerung", Messen-steuern-regeln, Bd. 26, Nr. 4, Berlin, 1983 ist es bekannt, klappen­ lose Strömungsverteilerelemente für die Durchflußsteuerung von Fluiden zu verwenden. Hierin wird insbesondere auf die Gebäudeklimatisierung mittels solcher Ventile verwiesen. Zur Durchflußsteuerung werden hierbei bistabile Umschaltelemente eingesetzt, denen über einen Einlaßstutzen ein Fluid zugeleitet wird, welches durch das Strömungsverteilerelement in verschiedene Ausgangsstutzen geleitet werden kann. Die Verteilung auf einen dieser beiden Kanäle erfolgt mittels Beaufschlagung des Fluidstromes mittels eines quer eingelei­ teten Luftstromes.

Dieses Dokument offenbart weiterhin eine koaxiale Anordnung eines Verteilerventiles, welche in einem Kraftfahrzeugvergaser zum Einsatz kommen kann. Ohne zusätzlich einge­ blasenen Steuerluftstrom umströmt hierbei das zugeführte Fluid einen Verdrängungskörper eng anliegend, während durch Ausblasen des Steuerluftstromes aus diesem Verdrän­ gungskörper das zugeführte Fluid derartig radial abgelenkt wird, daß es verwirbelnde Leit­ schaufeln, die koaxial zu dem Verdrängungskörper angeordnet sind, durchströmen muß.

Aus der Veröffentlichung PERERA P. C., SYRED N.: "A Coanda Switch for High Tempe­ rature Gas Control", ASME Paper 83-WA/DSC-26, ASME - W.A.M., Boston 1983 ist es für die Hochtemperaturvergasung von Kohle unter hohem Druck bekannt, ein zumindest prin­ zipiell dem vorgenannten Stand der Technik ähnliches, bistabiles Strömungsverteilerele­ ment unter Ausnutzung des sogenannten Coanda-Effektes zu verwenden.

Das unterdruckbedingte Anlegen eines durch eine Öffnung in einen Raum bzw. eine Lei­ tung austretenden Fluidstromes an eine benachbart zu dieser Öffnung angeordnete Be­ grenzungswandung wird als Coanda-Effekt bezeichnet.

Ein aus DE-24 29 002 A1 bekannter Abgasreaktor für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges soll durch eine spezielle Ausgestaltung einer Abgasleitung vor dem Abgas­ reaktor eine strömungsverlustarme, gleichmäßige Beaufschlagung des gesamten Abgas­ reaktorquerschnittes gewährleisten. Hierbei sollen durch in einen Verbindungsstutzen zwischen einer Abgasleitung und dem Abgasreaktor eingesetzte, mit Öffnungen versehene Luftleittrichter unter Ausnutzung des Coanda-Effektes, nach Art einer Strahlpumpe die Ab­ gase auch in einen äußeren Bereich des Abgasreaktors gezogen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Be­ handlung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen mit mehreren Behandlungseinrichtungen für Abgas zu schaffen, welche eine vereinfachte, bauteilreduzierte, kostenoptimale und schnelle, betriebsparameterabhängige Beaufschlagung der Behandlungseinrichtungen ge­ währleistet.

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 Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen mit mehreren, in einem Abgasstrang angeordneten Behandlungseinrichtungen für diese Abgase das min­ destens eine, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder der Abgase geschaltete Ventil als klappenfreies, fluidisches Verteilerventil ausgebildet ist, so entfällt der aus dem Stand der Technik bekannte Aufwand für separate, mechanische Ventile, beispielsweise als Drehklappen ausgebildet. Dieses Verteilerventil ist in einfacher; kostengünstiger Weise zu fertigen und durch den Entfall der beweglichen Teile sind diesbe­ zügliche Montagezeiten entbehrlich. Weiterhin ist durch den Verzicht auf im Abgasstrom liegende, bewegliche Teile eine langfristige Haltbarkeit gewährleistet, wobei gleichzeitig deren eventuell notwendige Wartungsarbeiten entfallen.

Das Verteilerventil weist einen das Abgas der Brennkraftmaschine zuführenden Einlaß­ stutzen sowie einen Auslaßstutzen auf, welche in Abhängigkeit der Betriebsparameter den Abgasstrom als einen von mindestens zwei Auslaßströmen vorzugsweise zu einer der Be­ handlungseinrichtungen führt. Die Auslaßströme treten dabei jeweils wechselweise auf und werden jeweils bevorzugt einem von zwei Auslässen zugeführt, in welchen unterschiedliche Behandlungseinrichtungen eingebaut sein können.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zwei Be­ handlungseinrichtungen für Abgas koaxial zueinander angeordnet sind. Hierbei ist in das Verteilerventil eine als Verdrängungskörper wirkende Strömungsweiche derart eingesetzt, daß in Abhängigkeit der Temperaturen der koaxialen Behandlungseinrichtungen das Abgas entweder den Verdrängungskörper umströmend in eine mittig und zentral angeordnete, bei­ spielsweise als Startkatalysator ausgebildete Behandlungseinrichtung leitet, während in normalen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine das Abgas aufgrund der veränderten Temperatur und Druckverhältnisse den koaxial außen liegenden, ringförmig ausgebildeten Hauptkatalysator durchströmt.

Alternativ zum Katalysator kann hierbei die außen liegende Behandlungseinrichtung als Ad­ sorber für Kohlenwasserstoffe (HC) ausgebildet sein, während die mittig angeordnete Be­ handlungseinrichtung beispielsweise als wärmetauschendes, ansonsten lediglich rohrförmig ausgebildetes Leitungselement angeordnet ist.

Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine stromab dazu liegende, weitere Behandlungseinrichtung in Form eines bekannten Dreiwegekatalysators als Hauptkataly­ sator angeordnet sein.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß der eine der Auslaßströme über einen Hauptauslaß des Auslaßstutzens in bestimmten Betriebszu­ ständen einer ersten, beispielsweise als Startkatalysator ausgebildeten Abgasbehandlungs­ einrichtung zugeführt wird, während in anderen Betriebszuständen der andere Auslaßstrom über einen Nebenauslaß in Form eines Bypasses an dieser Behandlungseinrichtung vorbei stromab dazu in den Abgasstrang eingespeist wird. Wiederum stromab zu dieser Stelle liegend ist eine weitere Behandlungseinrichtung angeordnet.

Zusätzlich oder alternativ zu der bisher beschriebenen, passiven Umschaltung des Ver­ teilerventiles kann eine aktiv den Abgasstrom beeinflussende Beaufschlagung z. B. mittels eines Steuerluftstromes in dem Verteilerventil vorgesehen sein. Hierzu ist im Bereich der Strömungsweiche mindestens eine seitliche Ausströmöffnung angeordnet, deren Zuleitung von einem in Abhängigkeit der Betriebsparameter steuerbaren Ventil beherrscht wird. Mit Hilfe dieses Steuerluftstromes kann mit äußerst geringem Energieaufwand der Abgasstrom in einer sehr kurzen Schaltzeit zwischen den beiden Auslässen des Auslaßstutzens umge­ schaltet werden.

Ergänzend hierzu können mehrere Ausströmöffnungen angeordnet sein, welchen in ver­ schiedenen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine in kontrollierter Weise Steuerströme zur Beeinflussung des Abgasstromes zugeführt werden.

Die genannten Behandlungseinrichtungen für Abgas können jeweils zum Beispiel als Oxi­ dationskatalysator; katalytisch beschichteter Dreiwegekatalysator; als Adsorber oder als Absorber ausgebildet sein.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläuterten Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Vorrichtung mit einer Reihenschaltung von zwei Be­ handlungseinrichtungen,

Fig. 2 eine Variante der ersten Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3a eine zweite Vorrichtung mit koaxialer Anordnung während eines Kaltstartes

Fig. 3b die zweite Vorrichtung gemäß Fig. 3a nach einem Kaltstart,

Fig. 4 eine Variante der zweiten Vorrichtung und

Fig. 5 eine dritte Vorrichtung mit insgesamt drei Behandlungseinrichtungen für Abgas.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst eine erste Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen aus einer Brennkraftmaschine erläutert.

Einem insgesamt mit 1 bezeichneten Abgasstrang der Brennkraftmaschine wird über einen Einlaßstutzen 2 das gesamte Abgas zugeführt. Dieser Einlaßstutzen 2 ist Teil eines fluidischen Verteilerventiles 3, welches einen zwei noch näher zu erläuternde Auslaßströme zulassenden Auslaßstutzen 4 aufweist.

Das Verteilerventil 3 weist eine Strömungsweiche 5 auf, welche einen ersten Auslaßstrom 6 einem Hauptauslaß 7 des Auslaßstutzens 4 zuführt. Im Anschluß an diesen Hauptauslaß 7 ist im Zuge einer Rohrleitung 8 des Abgasstranges 1 eine als motornaher Startkatalysator ausgebildete erste, Behandlungseinrichtung 9 für Abgase angeordnet.

Das Verteilerventil 3 weist weiterhin einen den Startkatalysator umgehenden Nebenauslaß 10 auf, welcher im Zuge einer weiteren Rohrleitung 11 stromab des Startkatalysators mit dessen Rohrleitung 8 in einem gemeinsamen Stutzen 22 zusammengeführt ist. Im weiteren Zuge des Abgasstranges 1 ist stromab zu dieser Zusammenführung als Hauptkatalysator eine zweite Behandlungseinrichtung 12 für Abgase angeordnet.

Die Funktionsweise dieser ersten Vorrichtung ist folgende. Nach einem Kaltstart der Brenn­ kraftmaschine wird der gesamte Abgasstrom über den Einlaßstutzen 2 dem Verteilerventil 3 zugeführt. Aufgrund der speziellen Ausgestaltung des Vertellerventiles 3 und des Coanda- Effektes legt sich der Abgasstrom zunächst als erster Auslaßstrom 6 an die Wandung des Hauptauslasses 7 an und durchströmt somit bevorzugt die erste Behandlungseinrichtung 9. Aufgrund steigender Abgastemperatur und des mit der steigenden Temperatur dieser Be­ handlungseinrichtung 9 zunehmenden Druckverlustes ΔP über diese Behandlungsein­ richtung 9 steigt der Strömungswiderstand im Zuge der Rohrleitung 8 an, bis dieser einen solchen Wert erreicht, daß die Coanda-Haftung im Hauptauslaß 7 abreißt und das Ver­ teilerventil 3 passiv den gesamten Abgasstrom als zweiten Auslaßstrom 13 bevorzugt dem Nebenauslaß 10 und der weiteren Rohrleitung 11 zuführt. Das passive Umschalten des Verteilerventils 3 erfolgt in diesem Fall in Abhängigkeit der Abgastemperatur automatisch und selbsttätig.

In einer monostabilen Variante der zuvor beschriebenen ersten Vorrichtung, ist gemäß Fig. 2 dem Verteilerventil 3 im Bereich der Strömungsweiche 5 eine Ausströmöffnung 14 zugeordnet. Diese wird von einem in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraft­ maschine und/oder der Abgase angesteuerten, elektromagnetischen Ventil 15 beherrscht.

Nach einem Kaltstart wird der gesamte Abgasstrom wiederum als erster Auslaßstrom 6 dem Hauptauslaß 7 zugeführt. Nach Erreichen von bestimmten Werten einzelner Betriebspara­ meter öffnet das elektromagnetische Ventil 15 eine mit einem Pitotrohr 16 verbundene Ein­ laßöffnung 17, so daß über die Ausströmöffnung 14 der Abgasstrom mit einem gasförmigen Überdruck-Steuerstrom beaufschlagt werden kann. Bereits eine kurzfristige Ausströmung dieses Steuerstromes unterstützt ein Umlenken des Abgasstromes vom Hauptauslaß 7 in den Nebenauslaß 10, sie kann jedoch auch ständig erfolgen.

Bei einer geometrischen Ausbildung des Verteilerventiles 3 im wesentlichen gemäß Fig. 1 kann eine bistabile Ausführung durch eine weitere, hier nicht gezeigte Ausströmöffnung, gegenüberliegend zu der gezeigten Ausströmöffnung 14, erzielt werden. Diese kann eben­ falls durch das bereits erläuterte Ventil 15 oder ein weiteres Ventil angesteuert werden und erlaubt ein gezieltes, aktives Umschalten des Abgasstromes zwischen Hauptauslaß 7 und Nebenauslaß 10. Beide Ventile arbeiten dabei wechselweise.

In einer zweiten Vorrichtung gemäß Fig. 3a mit koaxialer Anordnung von Behandlungsein­ richtungen für Abgas sind Bauteile mit gleicher Funktion wie bei der ersten Vorrichtung mit identischen Bezugszeichen versehen.

Der über den Einlaßstutzen 2 zugeführte Abgasstrom legt sich nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine an die Außenkontur der Strömungsweiche 5 an und wird als erster Auslaßstrom 6 dem Hauptauslaß 7 zugeführt, in welchem eine wiederum als Startkataly­ sator ausgebildete erste Behandlungseinrichtung 9 für Abgase angeordnet ist. Diese er­ wärmt sich zunehmend und gibt dabei die eigenen Wärmeverluste im wesentlichen an eine radial dazu außen liegend angeordnete, als Hauptkatalysator ausgebildete zweite Be­ handlungseinrichtung 12 für Abgase ab. Die Abstimmung dieser Ausführung ist dabei so gewählt, daß das selbsttätige Umschalten des Vertellerventiles 3 vom Hauptauslaß 7 auf den Nebenauslaß 10 ungefähr dann erfolgt, wenn der Hauptkatalysator seine Um­ wandlungstemperatur erreicht hat.

Fig. 3b zeigt diesen Zustand mit dem Abgasstrom als zweiten Auslaßstrom 13, welcher die zweite Behandlungseinrichtung 12 durchströmt. In Abhängigkeit der anfallenden Abgas­ menge und der gewählten Querschnittsverhältnisse kann hierbei eine geringfügige Rück­ strömung 18 eingestellt werden, welche die erste Behandlungseinrichtung 9 permanent auf einem bestimmten Temperaturniveau hält.

Fig. 4 zeigt wiederum eine aktive, monostabile Variante der zuvor beschriebenen zweiten Vorrichtung. Die Zuleitung des gasförmigen Steuerstromes erfolgt hierbei zentral in der Strömungsweiche 5, so daß sich eine auf deren Außenumfangsfläche verteilte Ausström­ öffnung 14 ergibt. In Abhängigkeit der genannten Betriebsparameter kann mittels elektro­ magnetischem Ventil 15 der Steuerstrom über die Ausströmöffnung 14 dem ersten Auslaß­ strom 6 zugeführt werden, so daß dieser in den zweiten Auslaßstrom 13 des Umgehungs­ auslasses 10 überführt wird.

Anhand von Fig. 5 wird eine dritte Vorrichtung mit insgesamt drei Behandlungseinrich­ tungen für Abgas erläutert.

Das aktive Verteilerventil 3 wird nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine über die ringförmig zur Strömungsweiche 5 angeordnete Ausströmöffnung 14 mittels elektromagne­ tischem Ventil 15 und einer Leitung 19 mit einem Saugrohrunterdruck der Brennkraftma­ schine beaufschlagt. Dies hat zur Folge, daß zunächst der gesamte Abgasstrom als erster Auslaßstrom 6 dem außen liegenden Hauptauslaß 7 und somit der als Kohlenwasserstoff (HC)-Adsorber oder Startkatalysator ausgebildeten ersten Behandlungseinrichtung 9 zuge­ führt wird. Nach Erreichen von bestimmten Werten einiger Betriebsparameter schließt Ventil 15, so daß der Abgasstrom als zweiter Auslaßstrom 13 der Strömungsweiche 5 folgend dem Nebenauslaß 10 zugeführt wird. Dieser ist als Leerrohr (Bypass) bzw. als Wärme­ tauscher und somit als zweite Behandlungseinrichtung 12 ausgebildet und bewirkt ab einem bestimmten Betriebszustand durch Kontakt eine Desorption der Kohlenwasserstoffe aus der ersten Behandlungseinrichtung 9 und hält diese auf Betriebstemperatur. Im weiteren Zuge des Abgasstranges 1 ist als dritte Behandlungseinrichtung 20 ein Dreiwege­ katalysator angeordnet.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine mit mehreren, in einem Abgasstrang (1) angeordneten Behandlungseinrichtungen (9, 12, 20) für Ab­ gase, wobei mittels mindestens eines in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine und/oder der Abgase geschalteten Ventiles diese Abgase eine oder mehrere der Behandlungseinrichtungen (9, 12, 20) durchströmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als fluidisches Verteilerventil (3) frei von be­ wegten Teilen ausgebildet ist, welches mit einem das Abgas zuführenden Einlaß­ stutzen (2) und einem mindestens zwei Auslaßströme (6, 13) ermöglichenden Auslaß­ stutzen (4) versehen ist, wobei die Auslaßströme (6, 13) in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters wechselweise einstellbar und jeweils einer anderen Be­ handlungseinrichtung (9, 12) zugeführt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zwei Auslaß­ strömen (6, 13) zugeordneten Behandlungseinrichtungen (9, 12) koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zwei Auslaß­ strömen (6, 13) zugeordneten Behandlungseinrichtungen (9, 12) hintereinanderliegend zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zwei Auslaß­ strömen (6, 13) zugeordneten Behandlungseinrichtungen (9, 12) koaxial zueinander angeordnet sind und stromab dazu eine weitere Behandlungseinrichtung (20) ange­ ordnet ist, welche von dem einen (6) oder dem anderen (13) Auslaßstrom durchströmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verteilerventil (3) eine Strömungsweiche (5) aufweist, die das über den Einlaßstutzen (2) zugeführte Abgas wahlweise in Form des einen Auslaßstromes (6) einem Hauptauslaß (7) oder in Form des anderen Auslaßstromes (13) einem Ne­ benauslaß (10) des Auslaßstutzens (4) zu führt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verteilerventil (3) im Bereich der Strömungsweiche (5) mindestens eine von einem in Abhängigkeit der Be­ triebsparameter steuerbaren Ventil (15) beherrschte Ausströmöffnung (14) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur aktiven Umschaltung des Verteilerventiles (3) mittels Ventil (15) über die Ausströmöffnung (14) dem Abgas­ strom ein gasförmiger Steuerstrom überlagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine weitere Ausströmöffnung im Bereich der Strömungsweiche (5), wobei über die eine Ausströmöffnung (14) während einer Betriebsphase der Brennkraftmaschine und während einer weiteren Betriebs­ phase über die weitere Ausströmöffnung dem Abgas der gasförmige Steuerstrom überlagert zugeführt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Behand­ lungseinrichtung (9) als Startkatalysator und die zweite Behandlungseinrichtung (12) als Hauptkatalysator ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Behandlungsein­ richtung (9) als Kohlenwasserstoff-Adsorber und die dritte Behandlungseinrichtung (20) als Dreiwegekatalysator ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Steuer­ strom stromauf des Einlaßstutzens (2) dem Abgasstrang (1) entnommen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Steuer­ strom stromauf des Einlaßstutzens (2) als Unterdruck dem Saugrohr der Brennkraft­ maschine entnommen wird.