DE19854095B4 - Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit zumindest einer von der Maschine abgehenden Abgasleitung, in die zumindest ein Katalysator eingeschaltet ist, wobei das Abgas insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine teilweise in einer separaten Leitung geführt ist, die mittels eines Strömungsabsperrelementes steuerbar ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
– ein Drei-Wege-Katalysator (16) ist möglichst nahe am Maschinenauslaß angeordnet;
– ein NOx-Adsorber (24) liegt stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) mit einer dazwischen liegenden Abgasrohrlänge von zumindest 1,5 m; und
– die separate Leitung (36) verläuft mit deutlich geringerem Querschnitt und weitgehendst luftspaltisoliert innerhalb dem Abgasmittelrohr (20) zwischen dem Drei-Wege-Katalysator (16) und dem NOx-Adsorber (24).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine derartige Vorrichtung zeigt beispielsweise die DE 36 29 945 A1 , bei der in einem einheitlichen Gehäuse ein radial äußerer Katalysatorabschnitt mit einer Abgasleitung und ein zweiter, zentral liegender, kleinerer Katalysatorabschnitt mit einer im Durchmesser verminderten separaten Leitung kombiniert ist, die stromab des Katalysators liegen. In der größeren Abgasleitung ist ein Strömungsabsperrelement in Form einer drehbaren Klappe angeordnet, mittels der die Abgasleitung, z. B. bei kalter Brennkraftmaschine, absperrbar ist. Die Vorrichtung dient dem Zweck, zunächst durch Absperren der größeren Abgasleitung das Abgas der Brennkraftmaschine nur durch den kleineren, zentral liegenden Katalysatorabschnitt und die separate Leitung abströmen zu lassen, um schnell die Anspringtemperatur (Light off Temperatur) des Katalysators zu erreichen. Anschließend wird durch Aufsteuern der drehbaren Klappe der gesamte Katalysatorquerschnitt zur Abgasentgiftung zugeschaltet. Die maximal verkraftbare Temperaturbelastung eines Drei-Wege-Katalysators liegt bei ca. 1.000°C.
  • Aus der Druckschrift JP 07-279 651 A ist eine Emissionskontrolleinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche stromab der Brennkraftmaschine einen Abgaskrümmer, einen Drei-Wege-Katalysator und einen NOx-Speicherkatalysator aufweist. Zur teilweisen Umgehung des motornahen Drei-Wege-Katalysators ist dort eine Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil vorgesehen, durch welche das Abgas des vierten Zylinders direkt von dem Abgaskrümmer in den NOx-Speicherkatalysator eingeleitet wird.
  • Und in der Druckschrift US 5/307/628 A ist ein Abgasrohr mit einem äußeren Rohrelement und einem inneren Rohrelement für das schnellere Anspringen eines Katalysators beschrieben. Das innere Rohrelement ist konzentrisch innerhalb des äußeren Rohrelements angeordnet, wobei der Eingang des inneren Rohres über eine temperaturabhängige Mündungseinrichtung an das zweite Rohrelement angebunden ist, und der Ausgang nahe am Katalysator angeordnet ist. Die temperaturabhängige Mündungseinrichtung vereilt das Abgas anteilig zwischen dem inneren Rohrelement und dem Ringraum zwischen dem äußeren und dem inneren Rohrelement, so dass bei kühlem Abgas im wesentlichen nur das innere Rohrelement und bei heißem Abgas beide Rohrelemente durchströmt werden.
  • Für Brennkraftmaschinen mit überwiegendem Magerbetrieb (Lambda > 1) sind ferner NOx-Adsorber entwickelt worden, die ggf. auch mit einem nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator kombiniert sein können. Diese NOx-Adsorber haben eine niedrigere Anspringtemperatur (ca. 250°C) und auch eine niedrigere Maximaltemperatur-Belastbarkeit von ca. 800°C, ihre Betriebstemperatur sollte bei ca. 300–400°C liegen.
  • Daraus resultiert das Problem, einerseits den NOx-Adsorber schnell auf seine Anspringtemperatur zu bringen, ihn andererseits aber nicht zu überhitzen.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art und kombiniert mit einem NOx-Adsorber vorzuschlagen, die bei schnellem Ansprechverhalten und zuverlässig beherrschbaren Temperaturen baulich günstig und fertigungstechnisch einfach gestaltet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
  • Erfindungsgemäß wird in Kombination vorgeschlagen, einen Drei-Wege-Katalysator möglichst nahe am Maschinenauslaß anzuordnen, zusätzlich einen NOx-Adsorber stromab davon in einer Entfernung vorzusehen, die aufgrund der Abgasabkühlung in dem dazwischen liegenden Abgasrohr eine Überhitzung des NOx-Adsorbers unterbindet und schließlich im Kaltfahrbereich eine innerhalb der Abgasleitung liegende separate Leitung zu aktivieren, die bei Bedarf das noch kalte Abgas luftspaltisoliert vom Drei-Wege- Katalysator zum NOx-Adsorber leitet. Über den maschinennahe liegenden Drei-Wege-Katalysator wird im Kaltfahrbereich der Brennkraftmaschine eine zunächst schnell einsetzende Konvertierung der Abgase eingeleitet; dabei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der zu fordernden Fahrbarkeit der Brennkraftmaschine im direkten Kaltfahrbereich kein Magerbetrieb, sondern eher eine Kraftstoff-Luft-Gemischzuführung im stöchiometrischen oder fetten Bereich (= Lambda = 1) gefahren wird. Durch die Ableitung der Abgase vom Drei-Wege-Katalysator luftspaltisoliert innerhalb eines im Durchmesser verminderten, separaten Rohres wird zudem trotz der verlängerten Abgasstrecke zum NOx-Adsorber eine schnelle Erwärmung auf dessen Anspringtemperatur erreicht. Trotzdem kann ggf. gänzlich auf eine Abgaskühlung – z. B. eine Wasserkühlung – verzichtet werden.
  • Unterteilt man eine Abgasanlage hinsichtlich der Rohrabschnitte in an sich bekannter Weise in ein Abgasvorrohr, ein Abgasmittelrohr und schließlich ein Abgasendrohr, so kann die separate Leitung innerhalb des an das Abgasvorrohr anschließenden Abgasmittelrohres bis hin zum NOx-Adsorber verlaufen.
  • Die innerhalb der äußeren Abgasleitung verlaufende separate Leitung kann aber auch noch innerhalb des Abgasvorrohres bis hin zum Drei-Wege-Katalysator geführt sein. Diese Ausbildung bewirkt, dass die Luftspaltisolierung der separaten Leitung schon beim Ausgang des Drei-Wege-Katalysators beginnt und bis hin zum NOx-Adsorber verläuft. Der Anfang dieser separaten Leitung kann ggf. sogar so nahe an den Monolithen des Drei-Wege-Katalysators herangeführt sein, dass dessen Durchströmung im Kaltfahrbereich wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt nur in einem zentralen Abschnitt erfolgt.
  • Bei thermisch hoch belasteten Brennkraftmaschinen mit entsprechend heißem Abgas bei Volllast kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die separate Leitung durch einen zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem NOx-Adsorber angeordneten Kühlschalldämpfer hindurch verläuft. Der Kühlschalldämpfer ist ein im Durchmesser gegenüber dem Abgasrohr erweitertes Bauteil, welches ggf. zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung auch noch mit entsprechenden Kühlrippen versehen sein kann.
  • Die Abgasleitung und die separate Leitung können fertigungstechnisch besonders vorteilhaft aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren herge stellt sein, wobei die Halbrohre im Strangpressverfahren gefertigt und anschließend durch Längsschweißnähte oder durch entsprechende Lötverbindungen gasdicht miteinander verbunden werden. Die Abgasleitung und die separate Leitung können aber auch einstückig aus einen im Querschnitt durchgehend umgeformten Blech gefertigt und die Endbereiche zumindest am Außenumfang gasdicht verschweißt oder verlötet sein. Alternativ oder bereichsweise kann die Abgasleitung zudem durch einen nicht kreissymmetrischen Außenumfang und/oder durch längs verlaufende Erhöhungen oder Vertiefungen mit einer vergrößerten Umfangsfläche zur zusätzlichen Abgaskühlung und zur Anpassung an Einbauverhältnisse versehen sein.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
  • 1 eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage für eine Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine;
  • 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der 1 durch das Abgasmittelrohr;
  • 3 eine zur 2 alternative Ausbildung des Abgasmittelrohres in einstückiger Ausführung; und
  • 4 eine ebenfalls zur 2 alternative Ausbildung des Abgasmittelrohres z. B. im Bereich eines Mitteltunnels eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges.
  • Gemäß 1 ist an einem Zylinderkopf 10 einer nicht näher dargestellten Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug eine allgemein mit 12 bezeichnete Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase angeschlossen, die sich im wesentlichen aus einem Abgaskrümmer 14, einem daran anschließenden Drei-Wege-Katalysator 16, einem Abgasvorrohr 18, einem Abgasmittelrohr 20, einem im Abgasmittelrohr 20 angeordnetem Kühlschalldämpfer 22, einem NOx-Adsorber 24, einem unmittelbar daran anschließenden zweiten Drei-Wege-Katalysator 26 und schließlich einem Abgasendrohr 28 mit integriertem weiteren Abgasschalldämpfer 30 zusammensetzt. Das nicht vollständig dargestellte Abgasendrohr 28 endet in bekannter Weise am Heck des Kraftfahrzeuges.
  • Wie aus der 1 ersichtlich ist, ist der Drei-Wege-Katalysator 16 über allgemein mit 32 bezeichnete Flansche unmittelbar an den Abgaskrümmer 14 angeschlossen. Über die weiteren Flansche 32 ist der Drei-Wege-Katalysator 16 stromabwärts mit dem Abgasvorrohr 18 verbunden. Das Abgasvorrohr 18 wiederum geht über eine Anschlussmuffe 34 in das Abgasmittelrohr 20 über, wobei die Länge l zwischen der Anschlussmuffe 34 und dem NOx-Adsorber 24 im Ausführungsbeispiel 2,2 m beträgt; der baulich integrierte Kühlschalldämpfer 22 ist maßlich mit einbezogen.
  • Innerhalb des Abgasmittelrohres 20 ist eine separate Leitung 36 vorgesehen, die sich von der Anschlussmuffe 34 beginnend bis unmittelbar zum NOx-Adsorber 24 erstreckt. Ferner ist in der Nähe des NOx-Adsorbers 24 im Mündungsbereich der separaten Leitung 36 eine drehbare Klappe 38 als Strömungsabsperrelement vorgesehen, die z. B. über an ein Motorsteuergerät angeschlossenes elektromagnetisches Stellglied so steuerbar ist, dass sie das um die separate Leitung 36 herum verlaufende Abgasmittelrohr 20 bei definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine absperrt.
  • Gemäß 2 können das Abgasmittelrohr 20 und die separate Leitung 36 zumindest teilweise aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren 20a und 20b bestehen, die jeweils durch diametral verlaufende Wandabschnitte 40 in sich geschlossen sind. Durch Aneinanderfügen der beiden Halbrohre 20a und 20b und gasdichtes Verschweißen oder Verlöten im Bereich der Wandabschnitte 40 wird somit in fertigungstechnisch einfacher Weise das Abgasmittelrohr 20 mit der separaten Leitung 36 geringeren Querschnitts gebildet.
  • Bei geschlossener Klappe 38 strömt das Abgas nur innerhalb der separaten Leitung 36 und ist über die äußeren Ringräume des Abgasmittelrohres 20 luftspaltisoliert. Dabei können die Wärmebrücken darstellenden Wandabschnitte 40 mit Durchbrüchen versehen sein, um den Wärmeübergang zu verringern.
  • Wird die drehbare Klappe 38 geöffnet, so wird aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes im Abgasmittelrohr 20 vornehmlich der Bereich außerhalb der separaten Leitung 36 des Abgasmittelrohres 20 durchströmt, wodurch nunmehr das Abgas über den Außenumfang des Abgasmittelrohres 20 und über den Kühlschalldämpfer 22 entsprechend gekühlt wird.
  • Alternativ oder abschnittsweise kann das Abgasmittelrohr 20' gemäß 3 ausgebildet sein, wobei hier ein zunächst ebener Blechstreifen im Querschnittsverlauf gesehen zunächst zu der separaten Leitung 36' rundgeformt und dann über den radial verlaufenden Wandabschnitt 42 zu dem äußeren Rohrabschnitt des Abgasmittelrohres 20' gebogen wird. Durch eine Längsschweiß- oder Lötverbindung zwischen dem Wandabschnitt 42 und dem endseitigen Umfangsabschnitt (bei 44) wird das Abgasmittelrohr 20' wiederum gasdicht verschlossen. Ggf. können auch am Innenbereich des Wandabschnittes 42 und dem Endbereich der separaten Leitung 36 zumindest punktweise Schweiß- oder Lötverbindungen vorgesehen sein, um ein temperaturbedingtes „aufrollen" der separaten Leitung 36 auszuschließen. Eine absolute Gasdichtheit ist innerhalb des Abgasmittelrohres 20' nicht erforderlich.
  • Die 4 schließlich zeigt eine weitere alternative oder abschnittsweise Ausführungsform des Abgasmittelrohres 20'', wie sie beispielsweise in Verlegung in einem Tunnelbereich 46 innerhalb der Karosserie des Kraftfahrzeuges vorteilhaft sein kann. Dabei ist die Außenkonfiguration des Abgasmittelrohres 20'' oval (oder dreieckförmig) ausgebildet und wiederum die innenliegende, separate Leitung 36'' über einen Wandabschnitt 48 unmittelbar angeformt. Das Abgasmittelrohr 20'' kann dabei zweischalig ausgeführt sein, mit einer oberen Schale 50 mit der daran angeformten separaten Leitung 36'' und einer unteren Schale 52, die als Blechpressteil hergestellt mit längs verlaufenden Erhöhungen oder Vertiefungen in Form von Rippen 54 zur verbesserten Abgaskühlung versehen sein kann. Die Halbschalen 50, 52 können bei 56 wieder entsprechend gasdicht verbunden sein. Die nicht kreissymmetrische Ausbildung des Abgasmittelrohres 20'' hat neben der verbesserten Abgaskühlung den Vorteil, das sie strömungsdynamisch günstig in den Tunnel 46 des Kraftfahrzeuges integrierbar ist, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann.
  • Wird die Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet, so ist über das Motorsteuergerät und das nicht dargestellte elektromagnetische Stellglied die Klappe 38 geschlossen, wobei die Klappe 38 nur das Abgasmittelrohr 20, nicht aber die separate Leitung 36 innerhalb des Abgasmittelrohres 20 verschließt (in der Klappe 38 kann dazu eine entsprechende Ausnehmung vorgesehen sein). Das von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas durchströmt somit zunächst den Abgaskrümmer 14, den unmittelbar daran anschließenden Drei-Wege-Katalysator 16, das Abgasvorrohr 18 und von dort beginnend die separate Leitung 36, die sich durch den Kühlschalldämpfer 22 und das Abgasmittelrohr 20 erstreckt. An der Mündung der separaten Leitung 36 bei der Klappe 38 durchströmt das Abgas den NOx-Adsorber 24, wobei durch die asymmetrische Abströmung (vgl. Zeichnung 1) ein geringerer Strömungswiderstand und eine günstigere Anordnung und Lagerung der Klappe 38 erreicht wird. Insgesamt werden die unmittelbar vorstehend beschriebenen Bauteile relativ schnell beheizt, so dass der Drei-Wege-Katalysator 16 und der NOx-Adsorber 24 schnell ihre Ansprechtemperatur von ca. 350°C und 250°C erreichen.
  • Sobald der NOx-Adsorber 24 seine Anspringtemperatur erreicht hat, wird die Brennkraftmaschine auf magere Gemischzusammensetzung umgeschaltet und in bekannter Weise im Magermixbetrieb betrieben. Sobald die Temperatur des NOx-Adsorbers 24 einen definierten Schwellwert erreicht hat oder sobald die Lastanforderung der Brennkraftmaschine über ein definiertes Maß erhöht wird, wird über die Motorsteuerung die Klappe 38 geöffnet, so dass nunmehr das Abgas vornehmlich über die außerhalb der separaten Leitung 36 liegende Strömungsführung im Abgasmittelrohr 20 zum NOx-Adsorber 24 geführt wird. Dieser Übergang kann durch entsprechende Steuerung der Klappe 38 gleitend erfolgen. Durch die zunehmend einsetzende Abgaskühlung über die außen liegenden Bereiche des Kühlschalldämpfers 22 und das Abgasmittelrohr 20 wird die Temperatur am NOx-Adsorber 24 auf einen Wert gehalten, der eine optimale Konvertierung der Abgase sicherstellt. Die eingangs genannte Maximaltemperatur von 800°C am NOx-Adsorber 24 wird nicht überschritten.
  • Die Einhaltung der maximalen Temperatur und auch des Zeitraumes bis zum Anspringen des NOx-Adsorbers 24 kann durch die Länge des Abgasmittelrohres 20 und durch dessen Gestaltung entsprechend den 2, 3 oder 4 beeinflusst werden. Hinsichtlich der Länge l sind selbstverständlich die baulichen Gegebenheiten innerhalb des Kraftfahrzeuges zu berücksichtigen. Es versteht sich aber, dass das Abgasmittelrohr 20 nicht unbedingt wie im Ausführungsbeispiel geradlinig, sondern zur Erzielung der gewünschten Länge l auch U-förmig oder mäanderförmig ausgebildet sein könnte.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit zumindest einer von der Maschine abgehenden Abgasleitung, in die zumindest ein Katalysator eingeschaltet ist, wobei das Abgas insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine teilweise in einer separaten Leitung geführt ist, die mittels eines Strömungsabsperrelementes steuerbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – ein Drei-Wege-Katalysator (16) ist möglichst nahe am Maschinenauslaß angeordnet; – ein NOx-Adsorber (24) liegt stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) mit einer dazwischen liegenden Abgasrohrlänge von zumindest 1,5 m; und – die separate Leitung (36) verläuft mit deutlich geringerem Querschnitt und weitgehendst luftspaltisoliert innerhalb dem Abgasmittelrohr (20) zwischen dem Drei-Wege-Katalysator (16) und dem NOx-Adsorber (24).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Katalysator (16) unmittelbar in einem an einen Abgaskrümmer (14) anschließenden Abgasvorrohr (18) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Adsorber (24) mit einer dazwischen liegenden Abgasrohrlänge ≥ 2 m stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) liegt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Leitung (36) innerhalb eines an das Abgasvorrohr (18) anschließenden Abgasmittelrohres (20) bis unmittelbar hin zum NOx-Adsorber (24) verläuft.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das als eine Klappe (38) ausgebildete Strömungsabsperrelement nahe dem NOx-Adsorber (24) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Leitung (36) auch innerhalb des Abgasvorrohres (18) bis hin zum Drei-Wege-Katalysator (16) geführt ist.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Drei-Wege-Katalysators (16) in dem Abgasmittelrohr (20) ein Kühlschalldämpfer (22) eingeschaltet ist, dessen vergrößerte Außenumfangsfläche eine vermehrte Wärmeabfuhr ergibt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die separate Leitung (36) durch den Kühlschalldämpfer (22) hindurch erstreckt.
  9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmittelrohr (20) und die separate Leitung (36) zumindest teilweise aus zwei doppelwandigen, C-förmigen Halbrohren (20a, 20b) hergestellt sind, die miteinander durch Längs-Schweiß- oder Lötverbindungen gasdicht verbunden sind.
  10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmittelrohr (20') und die separate Leitung (36') einstückig aus einen im Querschnitt durchgehendem Blech geformt und zumindest am Außenumfang gasdicht verschlossen ist.
  11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasmittelrohr (20'') zumindest teilweise durch einen ovalen Außenumfang und/oder durch längs verlaufende Erhöhungen oder Vertiefungen (54) mit einer vergrößerten Umfangsfläche zur zusätzlichen Abgaskühlung versehen ist.
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