DE19928974A1 - Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgaskanal zum Ableiten des Abgases, wobei der Abgaskanal in einem Abschnitt zwei parallel angeordnete Abgaszweige aufweist, in einem ersten Abgaszweig ein NO¶x¶-Speicherkatalysator angeordnet ist und ein Abgasstrom über den ersten, den NO¶x¶-Speicherkatalysator aufweisenden Abgaszweig und/oder über den zweiten Abgaszweig geführt wird und zur Umschaltung zwischen den Abgaszweigen ein Schaltelement in den Abgaskanal integriert ist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß das Schaltelement (40) ein fluidisches Ventil (38) ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine mit den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Abgasanlagen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der DE 196 26 836 A1
bekannt. Dort wird vorgeschlagen, einen Abgaskanal der Dieselbrennkraftmaschine in
einem Abschnitt in zwei parallel angeordnete Abgaszweige aufzuteilen, wobei in einem
ersten Abgaszweig ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Der Abgasstrom der
Dieselbrennkraftmaschine kann durch ein Schaltelement wahlweise über den ersten,
den NOx-Speicherkatalysator aufweisenden Abgaszweig oder über einen zweiten, einen
Bypass für den NOx-Speicherkatalysator bildenden Abgaszweig geleitet werden. Durch
diese Möglichkeit des Umleitens des Abgases um den NOx-Speicherkatalysator wird es
möglich, auch bei Dieselbrennkraftmaschinen den NOx-Speicherkatalysator in einfacher
Weise zu regenerieren. Es ist bekannt, daß eine Regeneration eines NOx-
Speicherkatalysators dadurch erzielt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine im
stöchiometrischen Betrieb (λ = 1) oder im fetten Betrieb unter reduzierenden
Bedingungen (λ < 1) betrieben wird.
Beim Betrieb von Dieselbrennkraftmaschinen ist jedoch ein Betrieb unter
stöchiometrischen oder fetten Bedingungen (λ ≦ 1) für den NOx-Speicherkatalysator nur
dann ohne nennenswerte Partikel-Mikroemissionen simulierbar, wenn eine zusätzliche
Kraftstoffeinspritzung in den aktiven Abgasstrang erfolgt. Hierdurch kommt es jedoch zu
einem erheblichen Anstieg von Schadstoffen im Abgas und zu einer erheblichen Tempe
raturerhöhung durch den relativ hohen Sauerstoffgehalt des Abgases von Diesel
brennkraftmaschinen, so daß eine Überhitzung des NOx-Speicherkatalysators möglich
ist. Ein tatsächlicher Betrieb der Dieselbrennkraftmaschinen im stöchiometrischen oder
fetten Bereich (λ ≦ 1) erfolgt lediglich in Schub- und Leerlaufphasen und gegebenenfalls
im unteren und mittleren Teillastbereich.
Durch die aus der DE 136 26 836 A1 bekannte Ausbildung der Abgasanlage wird es
nunmehr möglich, den Abgaszweig, in dem der NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist,
durch das Schaltelement passiv zu schalten, so daß unabhängig von der momentanen
Abgasführung der Dieselbrennkraftmaschine eine Regeneration des NOx-
Speicherkatalysators im passiven Abgaszweig erfolgen kann.
Bei der bekannten Anordnung ist nachteilig, daß das Schaltelement zum Umschalten
der Abgaszweige dem Abgasstrom ausgesetzte, bewegte mechanische Elemente,
beispielsweise Klappen, Lagerwellen der Klappen und dergleichen, aufweist. Neben
einem hiermit verbundenen Verschleiß durch die gegebene mechanische und
thermische Belastung in exponierter Lage in der Abgasanlage wird das Schaltelement
durch im Abgas vorhandene Partikel Schwefel- und Salpetersäure, ausgesetzt, die zu
Ablagerungen des sich im Abgasweg befindenden Schaltelementes führen können.
Hierdurch ist ein Wirkungsgrad der Schalteinrichtung hinsichtlich seiner Abdichtung des
gesperrten Zweiges reduziert, außerdem kann die Schalteinrichtung durch die
Ablagerungen blockiert werden.
Aus der Fluidik ist allgemein bekannt, als strömungsmechanische Schaltelemente
sogenannte fluidische Ventile einzusetzen. Diese fluidischen Ventile besitzen keine
mechanisch beweglichen Teile und sind somit verschleißlos. Die Änderung eines
Schaltzustandes der fluidischen Ventile erfolgt je nach konkreter Ausführungsform durch
Beaufschlagen mit einem Steuergasstrom oder durch infolge von Wirbelbildung
entstehender Coanda-Effekte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, die einfach und zuverlässig arbeitet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den im Anspruch 1
genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß das Schaltelement zum Umschalten des
Abgasstromes auf den ersten oder zweiten Abgaszweig im Abgaskanal ein fluidisches
Ventil ist, kann auf die Anordnung mechanisch beweglicher Teile innerhalb der
Abgasanlage verzichtet werden. Somit wird eine Verschleißanfälligkeit vermindert. Die
Standzeit der Abgasanlage erhöht sich hierdurch wesentlich, so daß eine
Kostenreduktion eintritt. Durch die verschleißlos arbeitenden fluidischen Ventile ist ein
Wartungsaufwand der Abgasanlage erheblich reduziert. Insbesondere wird die
Zuverlässigkeit dadurch erhöht, daß fluidische Ventile unabhängig von auf sie
einwirkenden Beschleunigungskräften arbeiten. Gerade beim Betrieb in Kraftfahrzeugen
treten Beschleunigungskräfte in unterschiedlichsten Richtungen auf, die dort auf den
Betrieb des Schaltelements - im Gegensatz zu einem mechanisch bewegliche Teile
aufweisenden Schaltelement - keinen Einfluß haben.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das fluidische Ventil ein
Impulsverstärker oder ein Wandstrahl-Kippglied ist. Hierdurch wird in einfacher Weise
möglich, durch kurze impulsartige Beaufschlagung des fluidischen Ventils mit einem
Steuergasstrom die Umschaltung von dem ersten Abgaszweig auf den zweiten
Abgaszweig vorzunehmen. Aufgrund der kurzen Reaktionszeiten derartiger Wandstrahl-
Kippglieder, die im Bereich von wenigen msec liegen, kann sehr exakt eine Umschaltung
der Abgasanlage erfolgen. Der Steuergasstrom zum Schalten des fluidischen Ventils
kann bevorzugterweise durch eine externe Strömungsmaschine oder einen
abgezweigten Abgasstrom, der impulsartig zuschaltbar ist, bereitgestellt werden. Bei
Turboladebrennkraftmaschinen kann der Steuerstrom bevorzugt auch aus einem
Ladegasstrom eines Turboladers abgeleitet werden. In jedem Fall kann der zum
Schalten des fluidischen Ventils notwendige Steuergasstrom in einfacher Weise aus
gegebenenfalls vorhandenen Komponenten der Abgasanlage beziehungsweise der
Brennkraftmaschine abgezweigt werden. Da der Steuergasstrom nur einen geringen,
impulsartigen Volumenstrom benötigt, können zur Realisierung relativ einfache und
somit zuverlässige Steuerleitungen und gegebenenfalls in den Steuerleitungen
vorgesehene Schaltmittel zum Erzeugen der Impulse vorgesehen sein.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in
den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine
in einer ersten Ausführungsvariante und
Fig. 2 schematisch eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine
in einer zweiten Ausführungsvariante.
Fig. 1 zeigt eine Abgasanlage 10 für eine Dieselbrennkraftmaschine 12. Die
Dieselbrennkraftmaschine 12 dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs.
Die Dieselbrennkraftmaschine 12 umfaßt vier Zylinder 14, 16, 18 und 20. Über eine
lediglich angedeutete Sauganlage 22 ist der Dieselbrennkraftmaschine 12 eine
Verbrennungsluft zuführbar, in die in nicht näher gezeigter Weise ein Kraftstoff
einbringbar ist. Das hieraus resultierende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird innerhalb der
Dieselbrennkraftmaschine 12 in bekannter Weise verbrannt. Die hierbei entstehenden
Abgase werden über die Abgasanlage 10 geführt. Die Abgasanlage 10 umfaßt einen
Abgaskrümmer 24, der über einen Abgaskanal 26 mit einem Abgasauslaß 28 verbunden
ist. Der Abgaskanal 26 besitzt einen Abschnitt 30, innerhalb dem dieser von zwei parallel
angeordneten Abgaszweigen 32 und 34 gebildet ist. Innerhalb eines ersten
Abgaszweiges 32 ist ein NOx-Speicherkatalysator 36 angeordnet. Im
Verzweigungspunkt des Abgaskanals 26 zu den Abgaszweigen 32 und 34 ist ein als
fluidisches Ventil 38 ausgebildetes Schaltelement 40 angeordnet. Das fluidische Ventil
38 besitzt einen Eingang 42, an den der Abgaskanal 26 angeschlossen ist. Ferner
besitzt das fluidische Ventil 38 einen ersten Ausgang 44, an den der erste Abgaszweig
32 angeschlossen ist und einen zweiten Ausgang 46, an den der zweite Abgaszweig 34
angeschlossen ist. Darüber hinaus sind Steuereingänge 48 und 50 vorgesehen, die mit
einer nicht dargestellten Steuergasstromquelle verbunden sind. Die
Steuergasstromquelle kann beispielsweise von einer mechanischen oder elektrisch
betriebenen Strömungsmaschine, einer Abgasabzweigung aus der Abgasanlage 10
oder einer Ladeluft bei Turbo-Dieselbrennkraftmaschinen gebildet sein.
In den ersten Abgaszweig 32 mündet zwischen dem fluidischen Ventil 38 und dem NOx-
Speicherkatalysator 36 eine Kraftstoffeindüsung 52, die beheizt oder unbeheizt
ausgebildet sein kann. Zwischen dem Abschnitt 30 der Abgasanlage 10 und dem
Abgasauslaß 28 ist ein Oxidationskatalysator 54 angeordnet.
Die in Fig. 1 dargestellte Abgasanlage 10 zeigt folgende Funktion:
Beim Betrieb der Dieselbrennkraftmaschine 12 werden die entstehenden Abgase über
den ersten Abgaszweig 32 und somit über den NOx-Speicherkatalysator 36 geführt.
Hierzu ist der Eingang 42 des fluidischen Ventils 38 mit dem Ausgang 44 verbunden, so
daß der angedeutete Abgasstrom 56 komplett über den NOx-Speicherkatalysator 36
geführt wird. Hierbei werden in dem NOx-Speicherkatalysator 36 im Abgas enthaltene
NOx-Einlagerungen und SOx-Einlagerungen in bekannter Weise gespeichert. Der NOx-
Speicherkatalysator 36 besitzt je nach Baugröße nur eine bestimmte Speicherkapazität,
so daß dieser in Abständen regeneriert (entladen) werden muß.
Eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 36 erfolgt nicht, wenn dieser seine
maximale Speicherkapazität ausgeschöpft hat, sondern in Abhängigkeit definierter
Betriebsbedingungen der Dieselbrennkraftmaschine 12 oder vorgebbarer Zeitspannen.
Insbesondere, wenn die Dieselbrennkraftmaschine 12 sich im Schubbetrieb oder
Leerlauf befindet, ist ein NOx-Anteil im Abgas gering. Dieser Schubbetrieb der
Dieselbrennkraftmaschine 12 wird durch ein nicht dargestelltes Motorsteuergerät
erkannt. Bei Eintreten des Schubbetriebes gibt das Motorsteuergerät einen Steuerbefehl
an das fluidische Ventil 38, das daraufhin den Eingang 42 mit dem Ausgang 46
verbindet. Das im Schubbetrieb den niedrigen NOx-Anteil enthaltende Abgas wird dann
über den zweiten Abgaszweig 34 am NOx-Speicherkatalysator 36 vorbeigeleitet. In
diesem Zustand ist der zweite Abzweig 34 aktiv für das Abgas geschaltet, während der
erste Abgasabzweig 32 passiv für das Abgas geschaltet ist.
Das Umschalten des fluidischen Ventils 38 erfolgt durch impulsartiges Anlegen eines
Steuergasstroms entweder an den Steuereingang 48 oder den Steuereingang 50.
Dieser impulsartige Steuergasstrom beaufschlagt den Abgasstrom 56 innerhalb des
fluidischen Ventils 38, so daß dieser - je nachdem, ob der Eingang 48 oder der Eingang
50 mit dem Steuergasstrom beaufschlagt wird - zum Ausgang 44 beziehungsweise zum
Ausgang 46 umkippt. Das fluidische Ventil 40 arbeitet demnach bistabil (Flipflop) und
benötigt zum Umschalten zwischen den Eingängen 44 und 46 keinerlei mechanisch
bewegte Teile.
Während des Schubbetriebes der Brennkraftmaschine 12, das heißt, wenn das Abgas
über den zweiten Abgaszweig 34 geführt wird, erfolgt die Regeneration des NOx-
Speicherkatalysators 36. Hierzu wird über die Kraftstoffeinspritzung 52 Kraftstoff in den
Abgaszweig 32 eingespritzt. Hierdurch wird für den NOx-Speicherkatalysator 36 ein
fettes Abgas simuliert, so daß die eingelagerten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und
Kohlenwasserstoffe zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert werden können. Diese
Funktion des NOx-Speicherkatalysators 36 ist bekannt, so daß im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen werden soll. Um die
notwendigen Oxidationstemperaturen zu erreichen, kann vorgesehen sein, die
Kraftstoffeindüsung 52 zu beheizen, so daß die erforderlichen Temperaturen erreicht
werden können.
Der Regenerationsvorgang des NOx-Speicherkatalysators dauert je nach Speicherinhalt
zirka zwischen 0,2 und 20 Sekunden. Diese Zeit reicht üblicherweise aus, um die
Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 36 während einer Schub- oder
Leerlaufphase der Dieselbrennkraftmaschine 12 zu erreichen. Ist die Schub- oder
Leerlaufphase beendet, wird dies vom Motorsteuergerät erkannt. Dieses generiert
daraufhin ein Steuersignal für das fluidische Ventil 38, das daraufhin den Abgasstrom 56
wieder über den ersten Abgaszweig 32 und somit den NOx-Speicherkatalysator 36 leitet.
Durch den Oxidationskatalysator 54 können insbesondere geruchsintensive Stickstoff-
und Schwefelverbindungen des Abgases, wie beispielsweise H2S, COS, H2SO4, NO,
CO, HS, nachoxidiert werden.
Bei bestimmten Betriebsbedingungen der Dieselbrennkraftmaschine 12, beispielsweise
bei lang andauernden Beschleunigungsphasen, kann vorgesehen sein, den Abgasstrom
56 nur teilweise über den zweiten Abgaszweig 34 zu führen, so daß ein Anteil des
Gesamtabgasstromes weiterhin über den ersten Abgaszweig 32 geführt ist. Hier erfolgt
dann die erwähnte Anfettung über die Kraftstoffeindüsung 52, so daß die Regeneration
des NOx-Speicherkatalysators 36 auch während dieser Betriebsphasen der
Dieselbrennkraftmaschine 12 erfolgen kann.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante der Abgasanlage 10 zum Bereitstellen
eines fetten Abgasgemisches während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators
36. Im übrigen sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen
und nicht nochmals erläutert.
Im Ansaugrohr 56 eines der Zylinder, hier des Zylinders 20, der
Dieselbrennkraftmaschine 12 ist eine Drosselklappe 58 integriert. Gleichzeitig ist das
Abgasrohr 60 des Zylinders 20 über eine Abgasleitung 62 mit dem ersten Abgaszweig
32 verbunden. In die Abgasleitung 62 ist ein Schaltmittel 64, beispielsweise ein Ventil,
integriert.
Die in Fig. 2 dargestellte Abgasanlage 10 zeigt folgende Funktion, wobei nur auf
Unterschiede zu der in Fig. 1 dargestellten Abgasanlage 10 eingegangen wird:
Während des Schub- oder Leerlaufbetriebes der Dieselbrennkraftmaschine 12 erfolgt
die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 36, indem dieser mit einem fetten
Abgasgemisch beaufschlagt wird. Hierzu ist vorgesehen, daß das Saugrohr 56 des
Zylinders 20 gedrosselt wird, so daß dieser mit einem fetten Gemisch (λ < 1) betrieben
wird. Hierdurch kommt es zu einer entsprechenden Sauerstoffreduktion im Abgas des
Zylinders 20. Über die Abgasleitung 62 kann nunmehr das fette Abgas des Zylinders 20
bei geöffnetem Schaltventil 64 zumindest teilweise in den ersten Abgaszweig 32 geleitet
werden. Hierdurch steht für die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 36 das
benötigte fette Abgas zur Verfügung. Gegenüber der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsvariante kann somit auf eine, gegebenenfalls beheizte, Kraftstoffeindüsung
52 verzichtet werden.
Claims (13)
1. Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgaskanal zum
Ableiten des Abgases, wobei der Abgaskanal in einem Abschnitt zwei parallel
angeordnete Abgaszweige aufweist, in einem ersten Abgaszweig ein NOx-
Speicherkatalysator angeordnet ist und ein Abgasstrom über den ersten, den NOx-
Speicherkatalysator aufweisenden Abgaszweig und/oder über den zweiten
Abgaszweig geführt wird und zur Umschaltung zwischen den Abgaszweigen ein
Schaltelement in den Abgaskanal integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schaltelement (40) ein fluidisches Ventil (38) ist.
2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische
Ventil (38) ein Impulsverstärker ist.
3. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische
Ventil (38) ein Wandstrahl-Kippglied ist.
4. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Steuergasstrom zur Betätigung des fluidischen Ventils
(38) durch eine Strömungsmaschine bereitgestellt ist.
5. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steuergasstrom durch einen abgezweigten Abgasstrom
bereitgestellt ist.
6. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steuergasstrom aus einem verdichterseitigen
Ladegasstrom einer Turbo-Brennkraftmaschine bereitgestellt ist.
7. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in den ersten Abgaszweig (32) zwischen dem fluidischen
Ventil (38) und dem NOx-Speicherkatalysator (36) eine Kraftstoffeindüsung (52)
mündet.
8. Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kraftstoffeindüsung (52) eine Heizeinrichtung zugeordnet ist.
9. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
in den ersten Abgaszweig (32) eine Abgasleitung (62) mündet, über die ein fettes
Abgasgemisch einleitbar ist.
10. Abgasanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung
(62) von einem Abgasrohr wenigstens eines Zylinders (20) der
Dieselbrennkraftmaschine (12) abgezweigt ist, der in einen fetten Kraftstoff-Luft-
Gemisch-Betrieb umschaltbar ist.
11. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit eines
Betriebsmodus der Dieselbrennkraftmaschine (12) ansteuerbar ist.
12. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit eines
Beladezustands des NOx-Speicherkatalysators (36) ansteuerbar ist.
13. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit einer vorgebbaren
Zeitspanne ansteuerbar ist.
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DE1999128974 DE19928974B4 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19928974B4 DE19928974B4 (de) | 2013-06-20 |
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DE1999128974 Expired - Fee Related DE19928974B4 (de) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine |
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