DE19933716B4

DE19933716B4 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19933716B4
Application number: DE1999133716
Authority: DE
Inventors: Ulrich-Dieter Dr. Standt; Kurt Weidmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2019-07-20
Also published as: DE19933716A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer in einem Abgaskanal angeordneten Katalysatoranordnung, die in Strömungsrichtung des Abgases eine Reihenschaltung eines Hauptkatalysators, eines Kohlenwasserstoff-Adsorbers und eines Axidationskatalysators umfaßt. Es ist vorgesehen, daß zwischen dem Kohlenwasserstoff-Adsorber (16) und dem Oxidationskatalysator (18) eine erste steuerbare Sekundärluftzuführung (22) in den Abgaskanal (20) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Abgasanlagen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. In die Abgasanlage integrierte Katalysatoren benötigen zum Umsetzen eine Mindesttemperatur. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist die Mindesttemperatur des Katalysators noch nicht erreicht, so daß dieser in seinem Wirkungsgrad während der Kaltstartphase eingeschränkt ist. Um auch während der Kaltstartphase im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe adsorbieren zu können, ist bekannt, in den Abgasanlagen einen HC(Hydrocarbon-)Adsorber zu integrieren. Diese HC-Adsorber sind in der Lage, eine Kohlenwasserstoffemission unmittelbar nach Kaltstart der Brennkraftmaschine zu speichern. Die HC-Adsorber besitzen hierzu Zeolithe, an denen sich die Kohlenwasserstoffmoleküle ablagern. Mit steigender Abgastemperatur werden die in dem HC-Adsorber gespeicherten Kohlenwasserstoffmoleküle desorbiert und vom Hauptkatalysator, beispielsweise einem 3-Wege-Katalysator, umgesetzt.
Bekannt ist, die Zeolithe in den Hauptkatalysator zu integrieren. Hierbei ist jedoch nachteilig, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, bei denen der Hauptkatalysator motornah angeordnet ist, daß während des Betriebes der Brennkraftmaschine am Katalysator Temperaturen erreicht werden, die zu einer Desaktivierung der Zeolithe führen können.
Aus Society of Automotive Engineers, Inc. SAE-paper 1999-01-0770 "The Necessity of Optimizing the Interactions of Advanced Post-Treatment Components in Order to Obtain Compliance with SULEV-Legislation", Brück u.a. ist bekannt, in die Abgasanlage eine Reihenschaltung eines Hauptkatalysators eines HC-Adsorbers und eines Oxidationskatalysators zu integrieren. Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, daß beim Kaltstart der Brennkraftmaschine die im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffemission durch den nach dem Hauptkatalysator angeordnete HC-Adsorber zwischengespeichert wird. Mit steigender Temperatur des Abgases wird die Desorptionstemperatur des HC-Adsorbers erreicht, so daß die adsorbierten Kohlenwasserstoffmoleküle desorbiert werden und in dem nachgeschalteten Oxidationskatalysator umgesetzt werden. Bei einer derartigen Anordnung ist jedoch nachteilig, daß bei einem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine (λ = 1) das den Hauptkatalysator verlassende Abgas praktisch sauerstofffrei ist. Hierdurch steht für die Oxidation der aus dem HC-Adsorber desorbierten Kohlenwasserstoffatome im nachgeschalteten Oxidationskatalysator nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, so daß der Wirkungsgrad dieser Katalysatoranordnung für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine eingeschränkt ist.
DE 44 34 835 A1 beschreibt eine Abgasanlage, die in Strömungsrichtung des Abgases einen Hauptkatalysator, einen HC-Absorber sowie einen Hilfskatalysator umfaßt. Die Abgasanlage umfaßt ferner eine Sekundärluftzuführung, die stromauf des HC-Absorbers in die Abgasleitung mündet. Die Sekundärluftzufuhr erfolgt nach Abschluß der Warmlaufphase des Hauptkatalysators im Dauerbetrieb, bis die Betriebstemperatur des Hauptkatalysators erreicht ist.
Aus DE 44 19 776 A1 ist eine Abgasanlage bekannt, die in Strömungsrichtung des Abgases eine Reihenschaltung eines Hauptkatalysators, eines HC-Absorbers sowie eines Oxidationskatalysators umfaßt. Ferner weist die Abgasanlage eine Sekundärluftpumpe auf, die zwischen dem HC-Absorber und dem Oxidationskatalysator mündet. Die Sekundärluftpumpe wird durch ein Motorsteuergerät in Abhängigkeit eines Temperatursignals sowie einer Betriebszeit des HC-Absorbers gesteuert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und mittels der auch in Kaltstartphasen von Brennkraftmaschinen eine sichere Umsetzung von Kohlenwasserstoffemissionen möglich ist. Insbesondere soll die aus DE 44 19 776 A1 bekannte Abgasanlage weiterentwickelt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß zwischen dem Kohlenwasserstoff(HC)-Adsorber und dem Oxidationskatalysator eine erste steuerbare Sekundärluftzuführung in den Abgaskanal mündet, ist vorteilhaft möglich, bei stöchiometrischem Betrieb der Brennkraftmaschine oder bei sogenannten Magerbrennkraftmaschinen während der Desorptionsphase der HC-Adsorber zusätzlich Luft in das Abgas einzubringen, so daß eine sichere Oxidation (Umsetzung) der Kohlenwasserstoffemission im Oxidationskatalysator erfolgen kann. Durch eine derartige Anordnung wird einerseits erreicht, daß die thermische Stabilität der Zeolithe des HC-Adsorbers durch eine relativ motorferne Anordnung gewährleistet ist und andererseits genügend Sauerstoff für die Oxidation der Kohlenwasserstoffe zur Verfügung gestellt werden kann. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Ansteuerung der ersten steuerbaren Sekundärluftzuführung über ein in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine abgelegtes Kennfeld in Abhängigkeit von den Parametern Abgasmassenstrom, Drehzahl und/oder Last und Temperatur vor HC-Adsorber erfolgt, wobei die Temperatur bevorzugt durch ein vor dem HC-Adsorber angeordnetes Temperaturmeßelement in der Abgasanlage erfaßt wird, dessen Signalausgang mit einem Steuergerät für die Sekundärluftzuführung verbunden ist. Durch eine derartige Ausgestaltung wird vorteilhaft erreicht, daß eine Sekundärluftzuführung zu dem Abgas dann erfolgt, wenn das Abgas die Desorptionstemperatur für den HC-Adsorber erreicht hat. Durch das Messen der Abgastemperatur unmittelbar vor dem HC-Adsorber läßt sich die tatsächlich gemessene Ist-Temperatur in einfacher Weise mit einer bekannten Soll-Desorptionstemperatur vergleichen und in Abhängigkeit dieses Vergleiches die Sekundärluftzuführung ansteuern, das heißt öffnen. Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Steuergerät für die erste Sekundärluftzuführung ein Zeitglied umfaßt. Hierdurch kann in einfacher Weise erreicht werden, daß nach Erreichen der Desorptionstemperatur im HC-Adsorber die erste Sekundärluftzuführung für eine vorgebbare Zeitspanne erfolgt, die über das Zeitglied einstellbar ist. Somit wird die Zuführung der Sekundärluft tatsächlich nur auf den Zeitraum beschränkt, in dem die Desorption des HC-Adsorbers erfolgt. Anschließend wird die erste Sekundärluftzuführung geschlossen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß stromauf des Hauptkatalysators eine zweite steuerbare Sekundärluftzuführung in den Abgaskanal mündet. Durch eine derartige Ausgestaltung wird vorteilhaft erreicht, daß in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine zusätzlich Sauerstoff in das Abgas vor dem Hauptkatalysator eingebracht wird. Hierdurch kann zur Verkürzung der Kaltstartphase die Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch gefahren werden. Der hierdurch im Abgas auftretende Sauerstoffmangel zum möglichst schnellen Erreichen der Betriebstemperatur des Hauptkatalysators wird durch die gesteuerte Zuführung der Sekundärluft vor dem Hauptkatalysator ausgeglichen. Dieser erreicht somit schneller seine Betriebstemperatur. Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Erreichen der Betriebstemperatur des Hauptkatalysators durch das Temperaturmeßglied zwischen Hauptkatalysator und HC-Adsorber ermittelt wird. Durch Vergleich der Ist-Temperatur mit einer vorgebbaren Soll-Temperatur läßt sich das Erreichen der Betriebstemperatur des Hauptkatalysators in einfacher Weise detektieren.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß neben der ersten steuerbaren Sekundärluftzuführung auch die Ansteuerung der zweiten steuerbaren Sekundärluftzuführung über ein in einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine abgelegtes Kennfeld in Abhängigkeit von den Parametern Ansaugluftmassenstrom, Kraftstoffmassenstrom (daraus berechnet Abgasmassenstrom), Drehzahl und/oder Last und Temperatur vor HC-Adsorber erfolgt. Somit ist ein zusätzlicher Bauteileaufwand zur Realisierung der erfindungsgemäß vorgesehenen Abgasanlage minimiert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine und
2 ein Zeit-Temperatur-Diagramm der Abgasanlage.
Die 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Abgasanlage einer Brennkraftmaschine 12. Die Abgasanlage 10 umfaßt einen Hauptkatalysator 14, der beispielsweise von einem 3-Wege-Katalysator gebildet ist, einem Kohlenwasserstoff(HC)-Adsorber 16 sowie einem Oxidationskatalysator 18. Der Hauptkatalysator 14, der HC-Adsorber 16 und der Oxidationskatalysator 18 sind in Reihe in einen Abgaskanal 20 integriert. In den Abgaskanal 20 mündet zwischen dem HC-Adsorber 16 und dem Oxidationskatalysator 18 eine erste Sekundärluftzuführung 22. Die erste Sekundärluftzuführung 22 wird von einem über ein Steuergerät 24 ansteuerbares Ventil 26 gebildet.
In den Abgaskanal 20 mündet ferner eine zweite Sekundärluftzuführung 28, die ebenfalls ein über das Steuergerät 24 ansteuerbares Ventil 30 umfaßt. Die Sekundärluftzuführungen 22 und 28 sind mit einer Sekundärluftquelle 32, beispielsweise einer Pumpe, verbunden. Zwischen dem Hauptkatalysator 14 und dem HC-Adsorber ist ein Temperaturmeßelement 34 angeordnet, dessen Signalausgang ebenfalls mit dem Steuergerät 24 verbunden ist. Das Steuergerät 24 kann in ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 12 integriert sein.
Die Abgasanlage 10 zeigt folgende, anhand des in 2 dargestellten Diagramms verdeutlichte Funktion:
Zum Zeitpunkt t₀, der dem Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine 12 entspricht, wird von dem Temperaturmeßglied 34 die Temperatur T₀ dem Steuergerät 24 mitgeteilt. Der am Steuergerät 24 vorgesehene Komparator 25 vergleicht die Temperatur T₀ mit einer vorgegebenen Betriebstemperatur T_B des Hauptkatalysators 14. Mit fortschreitender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine 12 steigt die vom Temperaturmeßglied 34 gemessene Temperatur T_ist an. Über den Komparator 25 wird die Temperatur T_ist mit der Betriebstemperatur T_B verglichen. Solange gilt T_B < T_ist wird über das Steuergerät 24 das Ventil 30 der zweiten Sekundärluftzuführung 28 geöffnet, so daß in das Abgas 13 Luft (Sauerstoff) eingeleitet wird. Diese Lufteinleitung in das Abgas 13 führt in an sich bekannter Weise zu einer Temperaturerhöhung, so daß die Anspringtemperatur T_A des Hauptkatalysators 14 schneller erreicht wird. Insbesondere wird hierdurch möglich, die Brennkraftmaschine 12 in der Kaltstartphase zunächst mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben.
Zum Zeitpunkt t₁ stellt der Komparator 25 fest, daß die Temperatur T_ist des Abgases 13 nach dem Hauptkatalysator 14 die Anspringtemperatur T_A des Hauptkatalysators 14 erreicht hat. Hierauf wird durch das Steuergerät 24 das Ventil 30 der zweiten Sekundärluftzuführung 28 geschlossen. Gleichzeitig wird zum Zeitpunkt t₁ das Ventil 26 der ersten Sekundärluftzuführung 22 über das Steuergerät 24 geöffnet. Das die Anspringtemperatur T_A des Hauptkatalysators 14 aufweisende Abgas 13 besitzt mit Erreichen der Anspringtemperatur T_A gleichzeitig eine Mindestdesorptionstemperatur für den HC-Adsorber 16.
Während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 10 passieren Kohlenwasserstoffe des Abgases 13 den Hauptkatalysator 14, da dieser noch nicht seine Anspringtemperatur T_A erreicht hat, und lagern sich im HC-Adsorber 16 an den dort vorgesehenen Zeolithen ab. Diese Einlagerung erfolgt – wie bekannt – bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur als der sogenannten Anspringtemperatur T_A des Hauptkatalysators 14.
Nach Erreichen der Anspringtemperatur T_A durch das Abgas 13 findet eine Desorption der in dem HC-Adsorber 16 abgelagerten Kohlenwasserstoffmoleküle statt. Gleichzeitig mit diesem zum Zeitpunkt t₁ beginnenden Prozeß wird über das Steuergerät 24 das Ventil 26 der ersten Sekundärluftzuführung 22 geöffnet. Hierdurch wird dem Abgas 13 nach dem HC-Adsorber Luft zugeführt, so daß in dem nachgeschalteten Oxidationskatalysator 18 genügend Sauerstoff zur Oxidation der Kohlenwasserstoffmoleküle zur Verfügung steht. Das Ventil 26 ist bis zum Zeitpunkt t₂ geöffnet. Die sich aus der Differenz t₂ – t₁ ergebene Zeitspanne, in der das Ventil 26 geöffnet ist, wird durch das Zeitmeßglied 27 oder durch das Steuergerät 24 bestimmt. Diese Zeitspanne ist in Abhängigkeit bekannter Parameter des HC-Adsorbers 16, insbesondere dessen Speicherkapazität für Kohlenwasserstoffmoleküle, vorgebbar. Das Steuergerät 24 übernimmt kennfeldgesteuert die Ansteuerung der Sekundärluftzuführung. Als Steuerparameter dienen ein aus Luftmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom ermittelter Abgasmassenstrom, Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine 12 und die gemessene Temperatur T_ist.

Claims

Abgasanlage (10) für eine Brennkraftmaschine (12), mit einer in einem Abgaskanal (20) angeordneten Katalysatoranordnung, die in Strömungsrichtung des Abgases eine Reihenschaltung eines Hauptkatalysators (14), eines Kohlenwasserstoff-Adsorbers (16) und eines Oxidationskatalysators (18) umfaßt, wobei zwischen dem Kohlenwasserstoff-Adsorber (16) und dem Oxidationskatalysator (18) eine erste steuerbare Sekundärluftzuführung (22) in den Abgaskanal (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärluftzuführung (22) von einem Steuergerät (24) über ein abgelegtes Kennfeld in Abhängigkeit von den Steuerparametern Abgasmassenstrom, Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine (12) und Temperatur (T_ist) vor dem Kohlenwasserstoff-Adsorber (16) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärluftzuführung (22) ein Ventil (26) umfaßt, das von dem Steuergerät (24) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hauptkatalysator (14) und dem Kohlenwasserstoff-Adsorber (16) ein Temperaturmeßglied (34) angeordnet ist, dessen Signalausgang mit dem Steuergerät (24) verbunden ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3 soweit von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (24) ein Zeitmeßglied (27) aufweist, über das das Ventil (26) der ersten Sekundärluftzuführung (22) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4 soweit von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (26) der ersten Sekundärluftzuführung (22) für eine Zeitspanne t₂ – t₁ ansteuerbar ist, die abhängig von Parametern, insbesondere einer Speicherkapazität, des Kohlenwasserstoff-Adsorbers (16) ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Hauptkatalysators (14) eine zweite steuerbare Sekundärluftzuführung (28) mündet.
Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärluftzuführung (28) ein Ventil (30) umfaßt, das von dem Steuergerät (24) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärluftzuführung (28) vom Steuergerät (24) derart ansteuerbar ist, daß über ein abgelegtes Kennfeld als Steuerparameter ein Abgasmassenstrom, eine Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine (12) und eine Temperatur (T_ist) vor dem Kohlenwasserstoff-Adsorber (16) auswertbar sind.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8 soweit von Anspruch 7 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (24) einen Komparator (25) aufweist, über den das Ventil (30) der zweiten Sekundärluftzuführung (28) ansteuerbar ist.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9 soweit von Anspruch 7 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (30) der zweiten Sekundärluftzuführung (28) für eine Zeitspanne t₁ – t₀ ansteuerbar ist, die abhängig vom Erreichen einer Anspringtemperatur (T_A) des Hauptkatalysators (14) ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (24) in ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (12) integriert ist.