DE19851433A1 - Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen

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Abstract

Eine Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen, besteht aus einem in einem rohrförmigen Abgassystem angeordneten Katalysator mit einem Eintritt für die von der Brennkraftmaschine kommenden Abgase und einem zum Auspuff führenden Austritt für die gereinigten Abgase. Zur Rückführung eines Teils der im Katalysator gereinigten Abgase ist eine Abgasrückführvorrichtung vorgesehen, die von einem Bereich hinter dem Katalysator-Austritt ausgeht und in den Eintrittsbereich des Katalysators einmündet. DOLLAR A Diese Maßnahmen ermöglichen einerseits ein Anordnen des Katalysators möglichst nahe am Abgasaustritt des Motors, wodurch nach dem Start des Motors eine rasche Aufnahme der Reinigungsfunktion des Katalysators gewährleistet ist. Andererseits verhindern die genannten Maßnahmen Überhitzungen des Katalysators, zum Beispiel bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Da die volle Funktion eines Katalysators zur Reinigung von Abgasen erst dann erreicht wird, wenn die Motorabgase eine bestimmte Temperatur aufweisen, arbeiten bekannte Abgasreinigungsanlagen beim Start und während der Warmlaufphase des Motors unbefriedigend.
Eine bekannte Maßnahme, ein möglichst rasches "Anspringen" des Katalysators nach dem Kaltstart des Motors zu bewirken, besteht darin, den Katalysator im Abgassystem möglichst nahe am Motor anzuordnen. Teilweise wurde sogar versucht, Katalysatoren in Abgaskrümmer zu integrieren.
Der Vorteil eines ehestmöglichen "Anspringens" des Katalysators wird hierbei allerdings durch den Nachteil erkauft, daß bei warmgelaufenem Motor bzw. bei Vollastbetrieb desselben die Gefahr der Überhitzung des Katalysators besteht, da ein nahe am Motor angeordneter Katalysator von entsprechend heißen Abgasen beaufschlagt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, geeignete Maßnahmen dafür zu treffen, daß der Katalysator zwecks schnellen "Anspringens" möglichst nahe am Abgasaustritt des Motors angeordnet werden kann, ohne daß bei Vollastbetrieb Überhitzungen des Katalysators zu befürchten sind.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Abgasreinigungsanlage der eingangs bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2-12 zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Rückführung eines Teils der im Katalysator gereinigten und dort gleichzeitig abgekühlten Abgase in den Eintrittsbereich des Katalysators erfolgt eine Vermischung derselben mit den unmittelbar vom Motor kommenden Abgasen. Sind die unmittelbar vom Motor kommenden Abgase sehr heiß, zum Beispiel bei Vollastbetrieb, so wird durch die Vermischung die Temperatur des in den Katalysator einströmenden Abgasgemisches entsprechend herabgemindert und auf diese Weise eine Beaufschlagung des Katalysators mit zu heißen Abgasen vermieden.
Die Erfindung ermöglicht somit eine Anordnung des Katalysators sehr nahe am Abgasaustritt des Motors.
Gleichzeitig wird durch die teilweise Abgasrückführung vorteilhafterweise eine Mehrfachreinigung der Abgase bewirkt.
Die Erfindung ist nun anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung veranschaulicht, welches im folgenden detailliert beschrieben wird. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines Abgassystems mit Abgasreinigungsanlage, in Gesamtdarstellung, und
Fig. 2 die Abgasreinigungsanlage nach Fig. 1, im vertikalen Längsschnitt (schematisch) und in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung.
Es bezeichnet 10 insgesamt eine Brennkraftmaschine, zum Beispiel einen 4-Zylinder- Ottomotor eines Kraftfahrzeuges. Ein Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine 10 mit vier Abgängen 11-14 ist insgesamt mit 15 beziffert. An den Abgaskrümmer 15 schließt sich eine Abgasreinigungsanlage 16 an, die wesentlicher Bestandteil des gesamten Abgassystems ist. Am Ende der Abgasreinigungsvorrichtung 16 - bei 17 - schließt sich ein Auspuffrohr 18 mit Schalldämpfer 19 (Auspufftopf) an.
Die Abgasreinigungsanlage 16 ist insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich. Sie besitzt einen Katalysator 20 mit einem Eintrittsbereich 21 und einem Austrittsbereich 22. Eintrittsbereich 21 und Austrittsbereich 22 des Katalysators 20 sind jeweils konisch ausgebildet.
Wie weiterhin aus Fig. 2 hervorgeht, ist der konische Eintritt 21 des Katalysators 20 von einem ersten ringförmigen Gehäuse 23 umschlossen, welches sich unmittelbar an den Abgaskrümmer 15 in Strömungsrichtung 24 der vom Motor kommenden Abgase anschließt. Innerhalb des ersten ringförmigen Gehäuses 23 ist eine Abgasführung angeordnet, die sich zunächst - bei 25 - konusförmig verengt, sodann ein verengtes Teilstück 26 mit entsprechend kleiner Anströmfläche aufweist, welches schließlich in den sich wieder konusförmig erweiternden Katalysatoreintritt 21 übergeht. Der die Teile 25, 26 und 21 durchströmende, den Katalysator 20 beaufschlagende Abgasstrom ist durch einen Pfeil 27 angedeutet.
Wie desweiteren aus der Zeichnung, insbesondere aus Fig. 2, hervorgeht, ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Abgasreinigungsanlage eine insgesamt mit 28 bezeichnete Abgasrückführvorrichtung, die parallel und eng benachbart zu dem übrigen rohrförmigen Abgassystem 15-23 angeordnet ist. Die Abgasrückführvorrichtung 28 geht aus von einem zweiten ringförmigen Gehäuse 29, das an einem dem Katalysator 20 nachgeschalteten Abgasrohr 30, dieses hierbei umschließend, angeordnet ist. Das Abgasrohr 30 besitzt eine Verdickung 31, die in den Innenraum 32 des zweiten ringförmigen Gehäuses 29 einmündende Durchtrittsbohrungen 33, 34 aufweist. Die Abgasrückführvorrichtung 28 ist mittels eines gekrümmten Rohrleitungsteils 35 vergleichsweise kleinen Durchmessers an das zweite ringförmige Gehäuse 29 angeschlossen und mit dessen Innenraum 32 verbunden. An das gekrümmte Rohrleitungsteil 35 schließt sich in Pfeilrichtung 36 ein Mittelteil 37 an, welches einen vergleichsweise großen Durchmesser und damit eine entsprechend große Umfangsfläche besitzt, die eine optimale Kühlung der die Abgasrückführvorrichtung in Pfeilrichtung 36 durchströmenden gereinigten Abgase ermöglicht. Mittels eines weiteren gekrümmten Rohrleitungsteils 38 ist die Abgasrückführvorrichtung 28 an das erste ringförmige Gehäuse 23 angeschlossen und mit dessen Innenraum 39 verbunden. Der ringförmige Innenraum 39 des ersten ringförmigen Gehäuses 23 wiederum ist durch Ausnehmungen 40, 41 mit dem konusförmigen Katalysatoreintritt 21 verbunden.
Fig. 1 macht deutlich, daß das zweite ringförmige Gehäuse 29 mit dem Anschluß 35 der Abgasrückführvorrichtung 28 in dem zwischen dem Katalysator 20 und dem Schalldämpfer 19 liegenden Bereich des Abgassystems angeordnet ist. Es wäre aber auch denkbar und unter Umständen vorteilhaft, wenn das zweite ringförmige Gehäuse 29 und der Anschluß 35 der Abgasrückführvorrichtung 28 dem Schalldämpfer 19 nachgeschaltet würde. Hierdurch ergebe sich ein längerer Weg des rückgeführten Abgases und damit eine noch bessere Möglichkeit der Abkühlung desselben, bevor es in das erste ringförmige Gehäuse 23 zurückgeführt wird.
Eine weitere Besonderheit der insbesondere aus Fig. 2 ersichtlichen Abgasrückführvorrichtung 28 besteht darin, daß in dem gekrümmten Rohrleitungsteil 35, welches den Eingang der Abgasrückführvorrichtung 28 bildet, eine um eine Achse 42 schwenkbare Steuerklappe 43 angeordnet ist. Die Steuerklappe 43 ermöglicht eine Steuerung des die Abgasrückführvorrichtung 28 durchströmenden Abgas-Volumenstroms, in Fig. 2 durch Pfeile 36 und 44-47 gekennzeichnet. Die Betätigung der Steuerklappe 43 erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der Temperatur der unmittelbar vom Motor 10 kommenden und in den Innenraum 39 des ersten ringförmigen Gehäuses 23 eintretenden Abgase (Pfeil 24).
Die aus der Zeichnung ersichtliche und im vorstehenden in ihrem Aufbau beschriebene Abgasreinigungsvorrichtung 28 arbeitet nun wie folgt. Beim Kaltstart des Motors 10 beziehungsweise während der Warmlaufphase desselben haben die vom Krümmer 15 in den Eintrittsbereich 25, 26, 21 des Katalysators 20 eintretenden Abgase noch eine vergleichsweise niedrige Temperatur. In dieser Anfangsphase des Motorbetriebs ist zweckmäßigerweise die Steuerklappe 43 geschlossen, so daß keine Abgase in die Abgasrückführvorrichtung 28 gelangen können. Hierdurch wird eine ehestmögliche Aufnahme der Reinigungsfunktion des Katalysators 20 ermöglicht.
Falls die Abgasrückführvorrichtung 28 keine Steuerklappe 43 besitzen sollte, so würde auch in der Anfangsphase des Motorbetriebs Abgas in den Innenraum 39 des ersten ringförmigen Gehäuses 23 gelangen (siehe Pfeile 36 und 44-47). Diese rückgeführten Abgase würden sich jedoch in ihrer Temperatur nur wenig von dem unmittelbar vom Motor kommenden Abgas (Pfeil 24) unterscheiden, so daß eine nennenswerte weitere Abkühlung der Abgase nicht erfolgt. Günstig wirkt sich hierbei auch die infolge der Verengung 26 sehr kleine Anströmfläche des Eintrittsbereiches des Katalysators 20 aus.
Wird nun der Motor 10 - nach Beendigung der Warmlaufphase - in Vollast betrieben, so könnten die unmittelbar vom Motor in den Katalysator 20 einströmenden Abgase eine so hohe Temperatur erreichen, daß eine einwandfreie Reinigungsfunktion des Katalysators nicht mehr gewährleistet wäre. In diesem Betriebsstadium des Motors sollte deshalb die Steuerklappe 43 geöffnet sein, so daß ein Teil der gereinigten Abgase aus dem Innenraum 32 des zweiten ringförmigen Gehäuses 29 in die Abgasrückführvorrichtung 28 eintreten und durch diese dem Innenraum 39 des ersten ringförmigen Gehäuses 23 zugeführt werden kann. Während dieses Rückführvorganges kühlt sich die rückgeführte Abgasmenge, insbesondere in dem erweiterten Mittelteil 37 der Abgasrückführvorrichtung 28, weiter ab. Aus dem Innenraum 39 des ersten ringförmigen Gehäuses 23 gelangen die rückgeführten, bereits gereinigten Abgase durch die Rückführungsausnehmungen 40, 41 in den konusförmigen Katalysatoreintritt 21 (siehe Pfeile 48, 49, in Fig. 2) und vermischen sich dort mit den unmittelbar vom Motor 10 kommenden heißen und noch nicht gereinigten Abgasen (Pfeil 27). Das den Katalysator 20 schließlich beaufschlagende Abgasgemisch weist deshalb eine geringere Temperatur auf als die unmittelbar vom Motor kommenden heißen Abgase (Pfeil 24).
Eine optimale Mischtemperatur des den Katalysator 20 beaufschlagenden Abgasgemisches ist dann gewährleistet, wenn die Abgasrückführvorrichtung 28 so ausgelegt ist, daß etwa 50% der das gesamte rohrförmige Abgassystem durchströmenden Abgase in den Eintrittsbereich 21 des Katalysators 20 rückgeführt wird. Die Steuerklappe 43 sollte dabei so gesteuert sein, daß sie erst bei Temperaturen zwischen 300 und 500°C, vorzugsweise bei etwa 400°C, der von der Brennkraftmaschine 10 kommenden Abgase (Pfeil 24) öffnet.
Der im vorstehenden angegebene Temperaturbereich für die Steuerung der Steuerklappe 43 eignet sich insbesondere für Zeolith-Katalysatoren und für NOx-Speicher. Letztere lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Abgasrückführvorrichtung 28 bei hohen Abgastemperaturen im Katalysator 20 sogar entschwefeln beziehungsweise regenerieren. In diesem Falle sollte auch bei hohen Temperaturen der vom Motor kommenden Abgase (Pfeil 24) die Steuerklappe 43 geöffnet sein.

Claims (17)

1. Abgasreinigungsanlage für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen, mit einem in einem rohrförmigen Abgassystem angeordneten Abgasreinigungsmittel, insbesondere einem Katalysator, mit einem Eintritt für die von der Brennkraftmaschine kommenden Abgase und einem zum Auspuff führenden Austritt für die gereinigten Abgase, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung eines Teils der im Abgasreinigungsmittel (20) gereinigten Abgase eine Abgasrückführvorrichtung (28) mit einem Abgasrückführmengenstellmittel (43), insbesondere einer Steuerklappe, vorgesehen ist, die von einem Bereich (29) hinter dem Abgasreinigungsmittel-Austritt (22) ausgeht und in den Eintrittsbereich (23, 21) des Abgasreinigungsmittels (20) einmündet.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (21) des Abgasreinigungsmittels (20) von einem ersten ringförmigen Gehäuse (23) umschlossen ist, in das die Abgasrückführvorrichtung (28) einmündet, und daß der Eintritt des Abgasreinigungsmittels (20) durch Rückführungsausnehmungen (40, 41) mit dem Innenraum (39) des ersten ringförmigen Gehäuses (23) verbunden ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbereich des Abgasreinigungsmittels (20) innerhalb des ersten ringförmigen Gehäuses (23) eine Verengung (26) aufweist, die sich zum Abgasreinigungsmittel (20) hin wieder konusförmig erweitert (21), und daß die Rückführungsausnehmungen (40, 41) in der konusförmigen Erweiterung (21) angeordnet sind.
4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Abgasreinigungsmittel (20) nachgeschaltetes Abgasrohr (30) von einem zweiten ringförmigen Gehäuse (29) umschlossen ist, welches den Ausgang der Abgasreinigungsvorrichtung (28) bildet, und daß das Abgasrohr (30) axial/radial gerichtete Verbindungsausnehmungen (33, 34) zum Innenraum (32) des zweiten ringförmigen Gehäuses (28) aufweist.
5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 4, mit einem oder mehreren im rohrförmigen Abgassystem angeordneten Schalldämpfern, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite ringförmige Gehäuse (29) zwischen Abgasreinigungsmittel-Austritt (22) und dem beziehungsweise einem der Schalldämpfer (19) angeordnet ist.
6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 4, mit einem oder mehreren im rohrförmigen Abgassystem angeordneten Schalldämpfern, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite ringförmige Gehäuse (29) dem beziehungsweise einen der Schalldämpfer (19) beziehungsweise dem Endschalldämpfer nachgeschaltet ist.
7. Abgasreinigungsanlage nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrückführvorrichtung (28) ein Steuerventil oder eine Steuerklappe (43) zur Unterbrechung der Abgasrückführung angeordnet ist.
8. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil oder die Steuerklappe (43) in dem sich an das zweite ringförmige Gehäuse (29) anschließenden Ausgangsbereich (35) der Abgasreinigungsvorrichtung (28) angeordnet ist.
9. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil oder die Steuerklappe (43) in Abhängigkeit der Temperatur der von der Brennkraftmaschine (10) kommenden, in den Abgasreinigungsmittel (20) eintretenden Abgase (Pfeil 24) steuerbar ist.
10. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil oder die Steuerklappe (43) derart gesteuert ist, daß sie (erst) bei Temperaturen zwischen 300 und 500°C, vorzugsweise bei etwa 400°C, der von der Brennkraftmaschine (10) kommenden Abgase (24) öffnet.
11. Abgasreinigungsanlage nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführvorrichtung (28) parallel und benachbart zu dem rohrförmigen Abgassystem (15-23) angeordnet ist.
12. Abgasreinigungsanlage nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasrückführvorrichtung (28) so ausgelegt ist, daß bis etwa 50% der das rohrförmige Abgassystem durchströmenden Abgase in den Eintritt (21) des Abgasreinigungsmittels (20) rückgeführt werden.
13. Abgasreinigungsanlage nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigungseigenschaften des Abgasreinigungsmittels temperatursensitiv sind, und daß bei einer vorgegebenen Abgastemperatur (am Eintritt des Abgasreinigungsmittels) eine Kühlung des Abgases durch Öffnen des Abgasrückführmengenstellmittels (43) erfolgt.
14. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasreinigungsmittel ein Sorbenz ist, insbesondere ein Kohlenwasserstoffadsorber und/oder ein Stickoxidspeicher.
15. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Kohlenwasserstoffadsorber über die Kühlung eine Desorption der Kohlenwasserstoffe vermieden oder vermindert wird, bis ein nachgeschalteter Katalysator eine zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe geeignete Temperatur erreicht hat.
16. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffspeicher bei höheren Abgastemperaturen während des Speicherns von Stickoxiden über die Abgasrückführung gekühlt wird und zur Regeneration, insbesondere auch von sonstigen eingespeicherten Stoffen, wie z. B. Schwefelverbindungen, die rückgeführte Abgasmenge zur Erhöhung der Abgastemperatur verringert wird.
17. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasreinigungsmittel ein Zeolith ist, und daß über die Abgasrückführung eine Kühlung erfolgt, um eine Zerstörung des Zeolithen durch Übertemperatur zu vermeiden.
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