DE19928974B4

DE19928974B4 - Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19928974B4
Application number: DE1999128974
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Dr. König Axel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: DE19928974A1

Abstract

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, für das zur Betätigung ein Steuergasstrom durch eine Strömungsmaschine bereitgestellt 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 NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist. Der Abgasstrom der Dieselbrennkraftmaschine kann durch ein Schaltelement wahlweise über den ersten, den NO_x-Speicherkatalysator aufweisenden Abgaszweig oder über einen zweiten, einen Bypass für den NO_x-Speicherkatalysator bildenden Abgaszweig geleitet werden. Durch diese Möglichkeit des Umleitens des Abgases um den NO_x-Speicherkatalysator wird es möglich, auch bei Dieselbrennkraftmaschinen den NO_x-Speicherkatalysator in einfacher Weise zu regenerieren. Es ist bekannt, daß eine Regeneration eines NO_x-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 NO_x-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 Temperaturerhöhung durch den relativ hohen Sauerstoffgehalt des Abgases von Dieselbrennkraftmaschinen, so daß eine Überhitzung, des NO_x-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 196 26 836 A1 bekannte Ausbildung der Abgasanlage wird es nunmehr möglich, den Abgaszweig, in dem der NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist, durch das Schaltelement passiv zu schalten, so daß unabhängig von der momentanen Abgasführung der Dieselbrennkraftmaschine eine Regeneration des NO_x-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. Ein derartiges fluidisches Ventil ist beispielsweise aud der DE 197 09 432 A1 bekannt.
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. Der Steuergasstrom zum Schalten des fluidischen Ventils wird durch eine externe Strömungsmaschine, die impulsartig zuschaltbar ist, bereitgestellt. 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. 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:
1 schematisch eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante und
2 schematisch eine Abgasanlage für eine Dieselbrennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante.
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 NO_x-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 NO_x-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 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 NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysator 36 geführt wird. Hierbei werden in dem NO_x-Speicherkatalysator 36 im Abgas enthaltene NO_x-Einlagerungen und SO_x-Einlagerungen in bekannter Weise gespeichert. Der NO_x-Speicherkatalysator 36 besitzt je nach Baugröße nur eine bestimmte Speicherkapazität, so daß dieser in Abständen regeneriert (entladen) werden muß.
Eine Regeneration des NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Anteil enthaltende Abgas wird dann über den zweiten Abgaszweig 34 am NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators 36. Hierzu wird über die Kraftstoffeinspritzung 52 Kraftstoff in den Abgaszweig 32 eingespritzt. Hierdurch wird für den NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators dauert je nach Speicherinhalt zirka zwischen 0,2 und 20 Sekunden. Diese Zeit reicht üblicherweise aus, um die Regeneration des NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Speicherkatalysators 36 auch während dieser Betriebsphasen der Dieselbrennkraftmaschine 12 erfolgen kann.
2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante der Abgasanlage 10 zum Bereitstellen eines fetten Abgasgemisches während der Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 36. Im übrigen sind gleiche Teile wie in 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 2 dargestellte Abgasanlage 10 zeigt folgende Funktion, wobei nur auf Unterschiede zu der in 1 dargestellten Abgasanlage 10 eingegangen wird:
Während des Schub- oder Leerlaufbetriebes der Dieselbrennkraftmaschine 12 erfolgt die Regeneration des NO_x-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 fetter 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 NO_x-Speicherkatalysators 36 das benötigte fette Abgas zur Verfügung. Gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsvariante kann somit auf eine, gegebenenfalls beheizte, Kraftstoffeindüsung 52 verzichtet werden.

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (40) ein fluidisches Ventil (38) ist, für das zur Betätigung ein Steuergasstrom durch eine Strömungsmaschine bereitgestellt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) ein Impulsverstärker ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) ein Wandstrahl-Kippglied ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergasstrom aus einem verdichterseitigen Ladegasstrom einer Turbo-Brennkraftmaschine bereitgestellt ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Abgaszweig (32) zwischen dem fluidischen Ventil (38) und dem NO_x-Speicherkatalysator (36) eine Kraftstoffeindüsung (52) mündet.
Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffeindüsung (52) eine Heizeinrichtung zugeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Abgaszweig (32) eine Abgasleitung (62) mündet, über die ein fettes Abgasgemisch einleitbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 7, 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.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit eines Betriebsmodus der Dieselbrennkraftmaschine (12) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit eines Beladezustands des NO_x-Speicherkatalysators (36) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fluidische Ventil (38) in Abhängigkeit einer vorgebbaren Zeitspanne ansteuerbar ist.