DE19948148A1 - Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer Abgasreinigung über einen hinter einem Abgaskrümmer eingesetzten Vorkatalysator und einen im Abgasstrom dahinter angeordneten Hauptkatalysator, insbesondere einem NO¶x¶-Speicherkatalysator, zur Verfügung gestellt, dessen katalytische Abgasreinigung über einen erweiterten Motorbetriebsbereich dadurch optimiert werden kann, indem im Kraftfahrzeug ein Luftleitschacht (1) angeordnet ist, der in einem Bereich der Front des Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung (2) aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer (9) und/oder einen Abgaskühler gerichtet ist und der im Bereich der Eintrittsöffnung (2) eine steuerbare Schaltklappe (3, 4) aufweisen kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer
Abgasreinigung über mindestens einen unmittelbar hinter einem Abgaskrümmer einge
setzten Vorkatalysator und mindestens einem im Abgasstrom dahinter angeordneten
Hauptkatalysator, insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator.
Bekannte Kraftfahrzeugmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung arbeiten in einem
weiten Teil eines Motorbetriebskennfeldes mit einem Luftüberschuß, was eine deutliche
Verringerung des Kraftstoffverbrauches ermöglicht. Unter diesen Randbedingungen kön
nen zur Konvertierung der Stickoxyde keine konventionellen Dreiwege-Katalysatoren
eingesetzt werden. Für die Stickoxydkonvertierung von magerem Abgas werden deshalb
u. a. NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt.
Mit solchen NOx-Speicherkatalysatoren können ausreichend hohe Konvertierungsraten
jedoch nur in einem schmalen Abgastemperaturfenster erreicht werden, wodurch der den
Wirkungsgrad steigernde Magerbetriebsbereich des Motors stark begrenzt wird. Somit ist
es notwendig, den Motorbetrieb und das Katalysatorsystem so aufeinander abzustim
men, daß die Abgastemperaturen am Eintritt in den oder die Speicherkatalysator/en über
einen möglichst großen Motorbetriebsbereich innerhalb dieses Temperaturfensters lie
gen. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten ist diesbezüglich die obere Temperatur
grenze problematisch. Für die Erweiterung des Motorbetriebsbereiches bei höheren Mo
tordrehzahlen und Motorbelastungen sind daher Maßnahmen sinnvoll, die zur Abkühlung
des Abgases und damit auch der Absenkung der Katalysatortemperatur führen.
Bei einer bekannten Abgasanlage, DE 41 27 634 A1, ist ein Vorrohr eines konventionel
len Dreiwege-Katalysators mit einer Hülle umgeben, die als Kühlluftrohr bis zum Endrohr
der Abgasanlage geführt ist und dort in einer Saugstrahlpumpe unter Ausnutzung des
Abgasstromes endet. Nachteilig an dieser vorbekannten Abgasanlage ist insbesondere,
daß sich nur die Temperatur des Abgases vor dem Hauptkatalysator beeinflussen läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine zur Verfü
gung zu stellen, dessen katalytische Abgasreinigung über einen erweiterten Motorbe
triebsbereich optimiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfin
dungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene
technische Lehre vermittelt.
Im Fahrzeug ist dazu ein Luftleitschacht angeordnet, der in einem Bereich der Front des
Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer
und/oder einen speziellen Abgaskühler gerichtet ist und der im Bereich der Eintrittsöff
nung mit einer steuerbaren Schaltklappe versehen sein kann.
Über diesen Luftleitschacht läßt sich insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
der Auspuffkrümmer und damit das Abgas herunterkühlen, so daß sich ebenfalls die
Temperaturen eines Vor- und Speicherkatalysators verringern. Ein weiterer Vorteil der
Abgaskühlung besteht darin, daß bei hohen Motordrehzahlen und -lasten die thermische
Belastung von Vor- und Speicherkatalysator herabgesenkt wird, was erheblich zur Ver
längerung der Bauteillebensdauer beiträgt.
Wenn im weiteren Text ein Vorkatalysator und/oder ein Hauptkatalysator erwähnt wird,
so können hierunter auch jeweils mehrere solche Katalysatoren an einem einzigen
Kraftfahrzeug gemeint sein.
Weiterhin kann eine Vollastanreicherung des Verbrennungsgemisches zurückgenommen
werden, was zu einer deutlichen Verbrauchsminderung und Erhöhung der
Katalysatorlebensdauer führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus
und in Kombination mit den weiteren, abhängigen Ansprüchen.
Die im Bereich der Eintrittsöffnung des Luftleitschachtes optional angeordnete Schalt
klappe kann entweder zwei Schaltzustände, geöffnet und geschlossen, aufweisen oder
stufenlos regelbar ausgebildet sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die steuerbare
Schaltklappe als Luftumlenkvorrichtung ausgebildet, so daß sie in einer Betriebsstellung
den Kühlluftstrom in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher umlenkt und so
sichergestellt werden kann, daß beispielsweise bei einer Bergfahrt des Kraftfahrzeuges
unter hoher Last und zu hoher Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine der Luft
strom zur zusätzlichen Kühlung des Kühlwasser-Wärmetauschers genutzt werden kann.
In einem solchen, sehr selten auftretenden Betriebsfall kann dann der Bauteileschutz für
den Vorkatalysator und den Speicherkatalysator über eine erhöhte Anreicherung des
Verbrennungsgemisches gewährleistet werden.
Zur Vergrößerung der Effektivität der Abgaskühlung kann die Eintrittsöffnung Luftleitble
che aufweisen, die trichterförmig ausgebildet sind sowie im Bereich der Eintrittsöffnung
ein Gebläse angeordnet sein, um auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten eine befriedi
gende Kühlung des Abgases bzw. der Katalysatoren gewährleisten zu können.
Zusätzlich können neben diesen Maßnahmen zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und der
Strömungsgeschwindigkeit im Luftleitschacht Luftführungsbleche angeordnet sein, um
eine gezielte Führung der Luftströmung um die zu kühlenden Bauteile zu verwirklichen.
Weiterhin kann die gesamte Abgasanlage ergänzend oder optional optimiert ausgebildet
sein, beispielsweise über eine Verrippung oder über den Einsatz von speziellen Rohr
geometrien mit größerer Oberfläche, über eine Beschichtung der Abgasanlage zur Erhö
hung der Emissionskoeffizienten und damit der Wärmeabgabe durch Strahlung ebenso
wie Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Abgas und Abgasanlage
vorgesehen sein können.
Die Schaltklappe wird bevorzugterweise über eine elektronische Steuerung des Motor
managements bedient, wobei die Schaltklappe in einer Ruhestellung oder einer Default-
Stellung aufgesteuert ist und während den nachfolgend aufgezählten Betriebsbedingun
gen zugesteuert ist: während des Aufheizens des Vor- und Hauptkatalysators nach ei
nem Motorstart oder wenn eine Entschwefelung des Vor- und Hauptkatalysators erfor
derlich ist; wenn die Abgastemperatur nach dem Hauptkatalysator geringer ist als der
Taupunkt oder wenn die Kühlmitteltemperatur geringer ist als eine Minimumschwelle;
wenn die Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator kleiner ist als eine Minimumschwelle
und die Abgastemperatur nach dem Vorkatalysator kleiner ist als eine Minimumschwelle
und gleichzeitig die Temperatur des Hauptkatalysators kleiner ist als eine Minimum
schwelle oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer ist als eine Minimumschwelle.
Die Schaltklappe ist in eine Umlenkstellung gesteuert, wenn die Kühlmitteltemperatur der
Brennkraftmaschine größer ist als eine Maximumschwelle und die Abgas- bzw. Kataly
satortemperatur größer ist als eine Maximumschwelle.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Abgaskühlung,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Version mit Luftumlenkvorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Version einer Abgaskühlung in Seitenansicht,
Fig. 4 eine Darstellung der Fig. 3 in einer Draufsicht,
Fig. 5 eine weitere Version der Abgaskühlung in Seitenansicht und
Fig. 6 eine Darstellung zweier Luftströmungen der Version nach Fig. 5.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 10 mit katalytischer Abgasreinigung mit
einem unmittelbar hinter einem Abgaskrümmer 9 angeordneten Vorkatalysator 7 und
einem im Abgasstrom dahinter angeordneten, als NOx-Speicherkatalysator ausgebilde
ten Hauptkatalysator 8 weist zur Kühlung des Abgases einen Luftleitschacht 1 auf, der im
Bereich der Front eines Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung 2 besitzt und dessen Ende
auf den Abgaskrümmer 9 und/ oder einen zeichnerisch nicht dargestellten Abgaskühler
gerichtet ist und im Bereich der Eintrittsöffnung 2, die bevorzugt hinter einem Kühler
schutzgitter 12 angeordnet ist, eine steuerbare Schaltklappe 3; 4 aufweist. Diese Schalt
klappe 3; 4 besitzt entweder zwei Schaltzustände, einen aufgesteuerten Zustand und ei
nen zugesteuerten Zustand oder ist stufenlos regelbar ausgebildet, wodurch die Abga
stemperatur besonders genau auf den optimalen Arbeitsbereich des
NQx-Speicherkatalysators eingeregelt werden kann.
Eine steuerbare Schaltklappe 4, wie in Fig. 2 dargestellt, ist als Luftumlenkvorrichtung
ausgebildet, die in eine Durchflußstellung gebracht werden kann, in der der Kühlluftstrom
in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher ausgerichtet ist, was insbesondere in
dem seltenen Fall bei einer Bergfahrt unter hoher Last und zu hoher Kühlwassertempe
ratur der Fall sein kann, wobei dann zum Bauteileschutz jedoch eine erhöhte Anreiche
rung des Verbrennungsgemisches notwendig wird.
Eine konkretere Ausführungsform weist, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, hinter
einem Kühlerschutzgitter 12, welches oberhalb eines Stoßfängers 15 und unterhalb einer
Motorhaube 14 angeordnet ist, eine Eintrittsöffnung 2 des Luftleitschachtes 1 auf, welche
an ihrer Vorderseite Luftleitbleche 6 aufweist, die trichterförmig angeordnet sind. Inner
halb des Belüftungsschachtes 1 ist eine steuerbare Schaltklappe 3 angeordnet, der sich
im Luftleitschacht 1 ein flexibles Element 16 zur schwingungstechnischen Entkopplung
von Brennkraftmaschine 10 und Karosserie anschließt, wobei der Luftleitschacht 1 in ein
auf den Krümmer 9 gerichtetes Wärmeabschirmblech 11 mündet, um die heißen Abgase
vor dem Vorkatalysator 7 auf eine gewünschte Temperatur herunterkühlen zu können.
Innerhalb des Wärmeabschirmbleches 11 können weitere Luftleitbleche vorgesehen
sein, die zur Vergleichmäßigung der Anströmung der Abgasrohre der einzelnen Zylinder
dienen, was insbesondere bei schräger Anströmung der Abgasrohre sinnvoll ist.
Die Steuerung der Schaltklappe 3 erfolgt über ein Steuergerät 17, welches zusätzlich zu
den bekannten Motorbetriebsdaten über einen vor und/oder hinter dem Vorkatalysator
und/oder vor dem Hauptkatalysator angeordneten Temperatursensor 18 mit auszuwer
tenden Prozeßdaten versorgt wird.
Weiterhin kann, wie in Fig. 1 dargestellt, zusätzlich auch das Vorrohr des als Speicher
katalysator ausgebildeten Hauptkatalysators 8 auf eine bekannte Art und Weise gekühlt
werden, beispielsweise durch zusätzliche Luftleitbleche 13 in der Unterbodenkapsel des
Kraftfahrzeuges, die optional auch schaltbar ausgeführt sein können.
Gemäß weiterer, zeichnerisch nicht dargestellter Ausführungsformen der Erfindung kann
entweder zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und der Strömungsgeschwindigkeit durch
den Luftleitschacht 1 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 2 oder stromab der Schaltklappe
3 ein zusätzliches Gebläse vorgesehen werden oder zur Verbesserung der Wärmeabfuhr
die Abgasanlage eine zusätzlich Verrippung aufweisen oder auch der Einsatz von
speziellen Rohrgeometrien mit größerer Oberfläche erfolgen wie auch eine Beschichtung
der Abgasanlage zur Erhöhung der Emissionskoeffizienten und damit der Wärmeabgabe
durch Strahlung dazu beitragen kann oder es können weitere bekannte Maßnahmen zur
Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen dem Abgas und der Abgasrohrwand oder
zwischen dieser und der Umgebung getroffen werden.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Version wird die Kühlluft unterhalb des Stoßfängers 15
entnommen. Diese Ausführung kann besonders vorteilhaft sein bei Fahrzeugen mit sehr
stark heruntergezogener Motorhaube 14, wenn ein Lufteintritt im Kühlerschutzgitter 12
nur einen geringen Querschnitt aufweist. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung auch, daß
die Kühlluft im Bereich des höchsten Staudrucks entnommen wird. Ein Luftleitschacht 1
führt neben dem oder über einen Kühler schräg nach oben und wird bogenförmig auf das
Wärmeabschirmblech 11 geleitet. Um ein Festsetzen der Schaltklappe 3 zu verhindern,
ist diese bevorzugt im schräg nach oben führenden Luftleitschacht 1 anzuordnen.
Die in Fig. 5 dargestellte Version kann durch die mehrfache Umlenkung des Kühlluft
stromes zu einer inhomogenen Ausbildung der Luftströmung führen. Fig. 6 verdeutlicht
durch verschieden stake Pfeile, wie durch eine geeignete Schrägstellung der Schaltklap
pe 3, rechte Darstellung, ein Teil der im vorkatnahen Bereich stärker ausgeprägten
Kühlluftströmung, linke Darstellung, in den oberen Teil des Luftleitschachtes gelenkt
werden kann und damit zu einer Homogenisierung der Anströmung beiträgt. Die Schräg
stellung der Schaltklappe 3 kann in der aufgesteuerten Ruhestellung durch entsprechen
de konstruktive Ausführung des maximalen Verstellweges dieser Klappe 3 sichergestellt
werden. Denkbar ist aber auch, einen Anschlagpuffer vorzusehen, der fest oder verstell
bar ausgeführt werden kann. Die Schrägstellung der Klappe 3 in Ruheposition kann dann
abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und/oder der Abgas- bzw. Katalysatorentempe
raturen eingestellt werden.
Eine weitere Homogenisierung der Luftströmung bei der Abgaskühlung in der Version
gemäß Fig. 1, 2, 3, 4 oder 5 ist möglich durch weitere stromauf oder stromab der Schalt
klappe angeordnete feste oder verstellbare Luftleitbleche 22, wie beispielhaft in Fig. 6
dargestellt.
Claims (16)
1. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine mit katalytischer Abgasreinigung über
mindestens einen hinter einem Abgaskrümmer eingesetzten Katalysator, insbe
sondere Vorkatalysator, vorzugsweise mit mindestens einem im Abgasstrom da
hinter angeordneten Hauptkatalysator, insbesondere einem NOx-Speicherkatalysa
tor, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfahrzeug ein Luftleitschacht (1) angeord
net ist, der in einem Bereich der Front des Kraftfahrzeuges eine Eintrittsöffnung (2)
aufweist und dessen Ende auf den Abgaskrümmer (9) und/ oder einen Abgasküh
ler gerichtet ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein
trittsöffnung (2) eine steuerbare Schaltklappe (3, 4) eingesetzt ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare
Schaltklappe (3, 4) zwei Schaltzustände, auf und zu, aufweist oder stufenlos regel
bar ausgebildet ist.
4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaltzustand
"auf" die Schaltklappe (3, 4) zumindest näherungsweise parallel zu der sie umge
benden Luftströmung steht.
5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare
Schaltklappe (4) als Luftumlenkvorrichtung ausgebildet ist und daß in einer von ei
ner Durchflußstellung in den Luftleitschacht (1) abweichenden Stellung der Kühl
luftstrom in Richtung auf einen Kühlwasser-Wärmetauscher (5) ausgerichtet ist.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung
(2) Luftleitbleche (6) aufweist und trichterförmig ausgebildet ist.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein
trittsöffnung (2) ein Gebläse in dem Luftleitschacht (1) angeordnet ist.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse vor der
Schaltklappe (4) angeordnet ist.
9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse zwi
schen der Schaltklappe (4) und einem Wärmeabschirmblech (11) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um den Abgas
krümmer (9) ein Wärmeabschirmblech (11) angeordnet und der Luftleitschacht (1)
daran fest oder lösbar angeschlossen ist.
11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe
(3, 4) in einer Ruhestellung und in einer Default-Stellung aufgesteuert ist und Zuge
steuert ist während des Aufheizens des zumindest einen Vor-Katalysators (7) und
des zumindest einen Speicherkatalysators (8) nach einem Motorstart oder wenn
eine Entschwefelung des zumindest einen Vor-Katalysators (7) oder des zumindest
einen Speicherkatalysators (8) erforderlich ist oder wenn die Abgastemperatur
nach dem zumindest ein Speicherkatalysator (8) geringer ist als der Taupunkt oder
wenn die Kühlmitteltemperatur geringer ist als eine Minimumschwelle oder wenn
die Abgastemperatur vor dem zumindest einen Vorkatalysator (7) kleiner ist als ei
ne Minimumschwelle und die Abgastemperatur nach dem zumindest einen Vorka
talysator (7) kleiner ist als eine Minimumschwelle und gleichzeitig die Temperatur
des zumindest einen Speicherkatalysators (8) kleiner ist als eine Minimumschwelle
oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer ist als eine Minimumschwelle.
12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe (4)
in eine Umlenkstellung gesteuert ist, wenn die Kühlmitteltemperatur größer ist als
eine Maximumschwelle.
13. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vollast und
wenn die Kühlmitteltemperatur größer ist als eine Maximumschwelle, die Schalt
klappe (4) umgesteuert ist und die Abgastemperatur vor oder hinter dem zumindest
einen Vorkatalysator oder vor dem zumindest einen NOx-Speicherkatalysators größer
ist als eine Maximumschwelle von einem Steuergerät (17) der Brennkraftma
schine (19) eine Kraftstoffanreicherung des Verbrennungsgemisches eingeregelt
ist.
14. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung
(2) im Bereich eines Kühlerschutzgitters (12) oberhalb eines Stoßfängers (15) und
innerhalb oder unterhalb einer Motorhaube (14) angeordnet ist.
15. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung
(2) im Bereich eines Kühlerschutzgitters (12) innerhalb oder unterhalb des Stoß
fängers angeordnet ist.
16. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltklappe
(3, 4) im Schaltzustand "auf" zur besseren Luftverteilung im Luftleitschacht (1)
winkelig zu der sie umgebenden Luftströmung steht.
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