DE2240681A1 - Auspuffanlage eines kraftfahrzeuges mit einem katalytischen umsetzer zur abgasentgiftung - Google Patents

Auspuffanlage eines kraftfahrzeuges mit einem katalytischen umsetzer zur abgasentgiftung

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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem
Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.
In Sachen:
Ford-Werke Aktiengesellschaft
Köln / Rhein
Ottoplatz 2
Auspuffanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem katalytischen Umsetzer zur Abgasentgiftung.
Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer von dessen Brennkraftmaschine unter Einschluß einer Anzahl von Auspuffkrummem ausgehenden Abgasleitung und einem an diese angeschlossenen katalytischen Umsetzer zur Abgasentgiftung, dessen Katalysator für seine Aktivierung eine bestimmte Mindestemperatür erfordert.
Beträchtliche Anstrengungen werden von der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen für den Versuch aufgebracht, die unerwünschten Bestandteile in den von den Brennkraftmaschinen ins Freie abgeleiteten Abgase zu vermindern. Unerwünschte Bestandteile sind insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyd und Stickstoffoxyde. Es hat gegenwärtig den Anschein, daß es zur wesentlichen Verminderung dieser Bestandteile unter die derzeit auftretenden Mengen erforderlich ist, einen katalytischen Umsetzer zu verwenden, mit welchem die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxyd oxydiert werden und vielleicht auch die Reduktion der Stickstoffoxyde unterstützt wird. Unglücklicherweise besitzen die für solche
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Umsetzer vorgeschlagenen katalytischen Materialien jedoch eine Mindesttemperatür, unterhalb welcher die verhältnismäßig unwirksam im Vergleich zu ihrer katalytischen Aktivität bei Temperaturen oberhalb dieses Mindestwertes sind. Diese Mindesttemperatur ist bei den einzelnen Materialien etwas unterschiedlich, liegt jedoch charakteristischerweise in der Höhe von etwa 2600C für diejenigen Materialien, die augenblicklich für eine umfangreiche Benutzung in Verbindung mit Kraftfahrzeugen in Betracht kommen.
Da die vorgeschlagenen katalytischen Materialien diese Mindesttemperatur aufweisen, unterhalb welcher sie verhältnismäßig unwirksam in bezug auf die Oxydation und Reduktion unerwünschter Abgasbest-andteile sind, ist der katalytische Umsetzer während der ersten zwei Minuten des Betriebs der Brennkraftmaschine nicht sehr wirkungsvoll, wenn eine solche Maschine zu Betriebsbeginn auf oder in die Nähe der Umgebungstemperatur abgekühlt war. Aus diesem Grunde ist der Gehalt an unerwünschten Bestandteilen in den Abgasen während der ersten zwei Minuten des Maschinenbetriebes beträchtlich.
An Brennkraftmaschinen sind" regelmäßig Auspuffkrümmer angeschlossen, die als Abgasleitung zur Abführung der verbrannten Gase weg von der Maschine benutzt werden. Falls ein katalytischer Umsetzer zur Reinigung dieser Abgase verwendet wird, sind die Auspuffkrümmer entweder unmittelbar oder über eine diese vereinigende Auspuffleitung an den Einlaß des katalytischen Umsetzers angeschlossen. Bei den üblichen bekannten Auspuffanlagen mit Abgasentgiftung besteht di e Abgasleitung mit den darin enthaltenen Auspuffkrümmern aus einem verhältnismäßig langen Gußstück mit großer Wärmeträgheit, jedoch ziemlich gutem Wärmeableitvermögen. Die große Wärmeträgheit trägt wesentlich zu einem Verlust an Wärmeenergie und demzufolge niedrigen Temperaturen der in den
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katalytisehen Umsetzer eintretenden Abgase während der ersten zwei Minuten des Fahrzeugbetriebes bei.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Temperaturaufbaus bei den bekannten Auspuffanlagen besteht in der Verminderung des Wärmeableitvermögens durch Isolation gegenüber der Umgebung. Dies ist jedoch unbefriedigend, weil die Temperatur der Abgasleitung und der darin enthaltenen Gase nach den ersten zwei Minuten des Maschinenbetriebes sehr hoch wird. Katalytische Materialien haben maximale Grenztemperaturen unterhalb welcher sie zerstört werden oder wenigstens ihre Wirksamkeit beträchtlich nachläßt. Hohe Temperaturen der in den katalytischen Umsetzer eintretenden Abgase in Verbindung mit der durch die katalytische Reaktion entstehenden Wärme können zu Temperaturen im Umsetzer oberhalb dieser maximalen Grenztemperatur führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Auspuffanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits durch raschen Temperaturanstieg der in den katalytischen Umsetzer gelangenden Abgase zu einer sehr schnellen Aktivierung des Katalysators führt und andererseits die Gefahr ausschließt, daß der Katalysator nach Erreichen der Dauertemperatur der Abgase durch übermäßig, hohe Temperaturen zerstört wird oder an Wirksamkeit beträchtlich verliert. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine solche Ausbildung der Abgasleitung gelöst, daß sie einerseits eine geringe Wärmeträgheit und andererseits ein bei Temperaturen oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators hohes Wärmeableitvermögen besitzt.
Durch die geringe thermische Trägheit der Abgasleitung einerseits und das hohe Wärmeableitvermögen bei Temperaturen oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators andererseits wird erreicht, daß die Temperatur der in den katalytischen Umsetzer eintretenden Gase zunächst ohne
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wesentliche Wärmeableitung rasch ansteigt, während später das bei höheren Temperaturen beträchtlich ansteigende Wärmeableitvermögen das Erreichen gefährlicher Ubertemperaturen verhindert.
Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Auspuffanlage in Übereinstimmung mit den Unteransprüchen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig· 1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Auspuffanlage gemäß der Erfindung von oben betrachtet,
Fig. 2 in ähnlicher Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 4 ein Diagramm, das den durch die Erfindung angestrebten zeitlichen Anstieg der Abgastemperatur im Vergleich mit dem zeitlichen Temperaturanstieg bei den bekannten Auspuffanlagen wiedergibt.
In allen Zeichnungsfiguren ist die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges übereinstimmend mit 10 bezeichnet. Bei dein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auspuffanlage nach Fig. 1 setzen an den Seiten der Brennkraftmaschine 10 zwei Auspuffkrümmer 12 bzw. 14 an, an welche eine sich zu den beiden Auspuffkrummem 12, 14 verzweigende Auspuffleitung 16 bei 18 bzw. 20 angeflanscht ist. Die Auspuffleitung 16 verbindet die Auspuffkrümmer 12, 14 indirekt mit dem Einlaß 22 eines katalytischen Umsetzers 24, an dessen
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Ausgangsseite ein Auspuffrohr 26 angeschlossen ist.
Die Auspuffkrümmer 12 und 14 sind mit Rippen gemäß der Darstellung oder mit Hüten, Riefen oder Rillen zur Steigerung ihres Wärmeableitvermögens versehen. -Diese Steigerung tritt dadurch auf, daß die von den Abgaskrümmern abgestrahlten Wärmeverluste proportional der Strahlungsoberflache sowie der vierten Potenz der absoluten Temperatur sind. Ebenfalls ist die Wärmeableitung durch Konvektion proportional der Größe der Oberfläche. Die Rippen bzw. Nuten, Riefen oder Rillen erhöhen diese Oberflächengröße beträchtlich.
Die Auspuffkrümmer 12 und 14 sollen erfindungsgemäß eine geringe Wärmeträgheit besitzen. Vorzugsweise wird dies in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch erreicht, daß die Auspuffkrümmer aus Metallblech hergestellt sind. Es ist Jedoch auch die Herstellung im dünnwandigen Guß denkbar. Wenn wie im Äusführungsbeispiel nach Fig. 1 die Verbindung zwischen den Auspuffkrummem 12, 14 und dem katalytischen Umsetzer 24 über eine zwischengeschaltete Auspuffleitung wie die Leitung 16 erfolgt, ist auch diese Leitung vorzugsweise mit Rippen bzw. Nuten, Riefen oder Rillen versehen, um ihr Wärmeableitvermögen bei höheren Temperaturen zu vergrößern und ihre Ausbildung mit geringer Wärmeträgheit zu ermöglichen. Wenn notwendig, können zusätzlich Hilfsmittel wie Gebläse zur weiteren Steigerung der Wärmeableitung durch Konvektion von den Auspuffkrümmern 12 und 14 und der Auspuffleitung 16 verwendet werden. :
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind wiederum zwei Auspuffkrümmer 30 und 32 an der Maschine 10 angeschlossem, die sich vereinigen und mit dem gemeinsamen Ende am Einlaß des katalytischen Umsetzers 24 angeschlossen sind. Die Auspuffkrümmer 30 und 32 sind mit allseitigem Abstand von
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einem Mantel 34 umschlossen, der das Hindurchströmen eines Kühlmediums zwischen dem Mantel und den Auspuff krummem gestattet. Die Wirkung der Kühlmittelströmung zwischen den Auspuffkrummem und deren Mantel besteht in einer Steigerung des Wärmeableitvermögens der Auspuffkrümmer insbesondere bei Temperaturen des katalytischen Material im Umsetzer oberhalb der Aktivierungstemperatur.
Als Kühlmittel zur Steigerung des Wärmeableitvermögens der Auspuffkrümmer zwischen diesen und deren Mantel 34 kommen verschieden Medien in Betracht. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dient Luft als wärmeübertragendes Medium. Besondere Mittel in Gestalt von Gebläsen 36 und 38 können verwendet werden, um die Luft durch den Spalt zwischen den Auspuffkrümmern 30 und 32 und dem diese umgebenden Mantel 34 zu drücken. Die Einschaltung der Gebläse 36 und 38 wird vorzugsweise von einer thermischen Fühleinrichtung 40 mit einem darin enthaltenen Schalter gesteuert, der zwischen einer elektrischen Energiequelle wie der Fahrzeugbatterie und den Gebläsen 36 und 38 angeordnet ist. Die temperaturempfindliche Fühleinrichtung 40 kann so ausgebildet werden, daß sie bei einer bestimmten Temperatur, wie der Aktivierungstemperatur des katalytischen Materials im Umsetzer 24 entspricht, den in ihr enthaltenen Schalter einschaltet. Die Auspuffkrümmer 30 und 32 bestehen wiederum vorzugsweise aus Blech oder dünnwandigem GuB, um ihre Wärmeträgheit möglichst klein zu halten.
Falls es erwünscht ist, zur Erhöhung des Wärmeableitvermögens an den Auspuffkrümmern 30 und 32 Wasser zu verwenden, werden die Gebläse 36 und 38 durch Pumpen ersetzt, und der Mantel 34 würde an den Enden abgedichtet werden, um die Verwendung eines zirkulierenden Kühlsystems zu schaffen. Auch kann hiervon abweichend im -Fall einer wassergekühlten Brennkraftmaschine deren Kühlwasserpumpe zur
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Zufuhr des Kühlwassers auch in den Mantel 34 verwendet werden. In diesem Falle ist es vorzuziehen, daß die. temperatur emp findl ic he Fühleinrichtung 40 ein Magnetventil od.dgl· (nicht dargestellt) steuert, durch welches die Kühlmittel- * zufuhr zum Mantel bei Erreichen einer vorbestimmten Abgastemperatur am katalytischen Umsetzer 24 geöffnet wird. Es sind dann auch Mittel zur Entwässerung des Mantels vor einem erneuten Kaltstart der Maschine erforderlich.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 dient ein in gewöhnlicher Weise auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine iO befestigter Ventilator 44 zur Zufuhr von Luft zu dem die Auspuffkrümmer 30 und 32 umgebenden Mantel 46. Der Mantel ist mit seinen Enden 48 und 50 gegen den Ventilator 44 gerichtet. Zur Steuerung des Luftstromes im Spalt zwischen den Auspuffkrummem 30 und 32 und deren Mantel 46 können Ventileinrichtungen verwendet werden, die beispielsweise von elektrisch betätigten Klappenventilen 52 und 54 gebildet sein können. Die Betätigung der Klappenventile 52 "und wird vorzugsweise wiederum durch eine temperaturempfindliche Kühleinrichtung 40 gesteuert, die am katalytischen Umsetzer angeordnet ist.
In dem Diagramm der Fig. 4 stellt die strichpunktiert eingezeichnete Kurve 60 den charakteristischen Temperaturanstieg eines bekannten Schnell-Warmlaufsystems dar, in welchem die Auspuffkrümmer und weiteren Verwindungen zum Einlaß des katalytischen Umsetzers von der umgebenden Atmosphäre isoliert sind. Dies erbringt einen sehr schnellen TemperatuTranstieg für die in den Einlaß des katalytdschen Umsetzers eintretenden Abgase wegen der Zurückhaltung der Wärme in den Auspuffkrümmern und sonstigen Verbindungsleitungen. Die Kurve 60 ist keine gerade Linie; vielmehr ist, wenn kleinere-Spitzen und Einsenkungen der Kurve außer Acht gelassen werden, ersichtlich, daß die zeitliche Temperatur-
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änderung für dieses Schnell-Warmlaufsystem am Anfang sehr steil ist und dann stark abnimmt, bis nach etwa 2 Minuten vom kalten Anlassen der Maschine an ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die anfängliche zeitliche Anstiegssteil-'heit der Einlaßtemperatur für die heißen Gase am Umsetzer kann bei einem typischen Schnell-Warmlaufsystem bei etwa 14 C/Sek. betragen, und diese Anderungssteilheit der Temperatur sinkt im weiteren Verlauf bis zum Gleichgewichtszustand auf O°C/Sek. ab. Aus dem Verlauf der Kurve 60 ist weiterhin ersichtlich, daß die Einlaßtemperatur der Abgase nach 2 Minuten in der Größenordnung von 6500C liegt, d.h. einer Temperatur, die in Hinblick auf die maximale Grenztemperatur für das im Umsetzer enthaltene katalytische Material als zu hoch angesehen werden muß.
Die Kurve 62 veranschaulicht das Verhalten eines typischen Niedrigtemperatur-Auspuffsystems. Dies ist ein System mit einer großen Wärmeträgheit und entspricht den für gewöhnlich verwendeten Auspuffanlagen, worin die an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Auspuffkrümmer aus schweren Gußstücken ohne Isolation bestehen und sich der Katalysator in einer beträchtlichen Entfernung stromabwärts von der Brennkraftmaschine befindet, um die maximale Katalysatortemperatur zu begrenzen. Wenn die kleineren Spitzen und Einsenkungen in der Kurve 62 außer Acht gelassen werden, läßt sich sagen, daß diese Kurve ein System darstellt, in welchem die zeitliche Anstiegssteilheit der Einlaßtemperatur der Abgase, vom Kaltstart der Maschine an gemessen, sehr flach verläuft und sich ziemlich gleichmäßig in dieser flachen Form fortsetzt, bis ein Gleichgewicht nach einer beträchtlichen Zeit von weit mehr als 2 Minuten, vom Kaltstart an gerechnet, erreicht wird. Systeme dieser Art, die eine große Wärmeträgheit aufweisen, sind unerwünscht, weil sie nicht in der Lage sind, in kurzer-Zeit die Ein-
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laßtemperatur der Abgase auf Werte oberhalb der Äktivierungstemperatur des im katalytischen Umsetzer verwendeten Katalysators zu bringen.
Eine Kurve 64 veranschaulicht den gewünschten Temperaturverlauf für die Einlaßtemperatur der Abgase über der Zeit vom Kaltstart einer Brennkraftmaschine an. Es läßt sich aus dem Verlauf der Kurve 64 entnehmen, daß die Abgas-Einlaßtemperatur sehr schnell während der ersten 10 bis 15 Sekunden vom Kaltstart an bis zu einer Höhe 66 ansteigt, die etwa der Aktivierungstemperatur des Katalysators im katalytischen Umsetzer entspricht. Hinter dem Punkt 66 setzt sich der Anstieg der Abgas-Einlaßtemperatur nur sehr langsam fort, bis schließlich der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Auch läßt sich beobachten, daß die Anstiegssteilheit für die Abgas-Einlaßtemperatur in dem ersten Abschnitt 68 wesentlich größer ist als die Anstiegssteilheit in dem nachfolgenden Bereich 70 nach Erreichen der Aktivierungstemperatur 66 des katalytischen Materials. Beispielsweise beträgt die Ansteigssteilheit für die Abgas-Einlaßtemperatur im Bereich 68 etwa 14°C/Sek., während hinter dem Temperaturpunkt 66 die Anstiegssteilheit auf 1,6 bis 1,7°C/Sek. fällt.
Bei dem vorstehend in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Auspuffanlagen wird der vorstehend beschriebene erwünschte Verlauf der Abgas-Einlaßtemperatur als Punktion der Zeit vom Kaltstart einer .Brennkraftmaschine an durch die Verwendung einer Abgasleitung erhalten, die eine geringe Wärmeträgheit für die Abgastemperaturen am Eingang des Umsetzers unterhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators liefert, sowie durch die Schaffung eines verbesserten Wärmeableitvermögens für die Abgasleitung bei einer Eingangstemperatur der Abgase in den Umsetzer oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators. Aus vorstehender Beschrei-
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bung geht klar hervor, daß die geringe Wärmeträgheit und das hohe Warmeableitvermogen für die Auspuffanlage zwischen der Brennkraftmaschine und dem katalytisehen Umsetzer auf verschiedene Weise erhalten werden können.
Patentansprüche /
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Claims (1)

  1. Patent ansprüche
    h.y Auspuffanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer von dessen Brennkraftmaschine unter Einschluß einer Anzahl von Auspuffkrüminern ausgehenden Abgasleitung und einem an diese angeschlossenen katalytischen Umsetzer zur Abgasentgiftung, dessen Katalysator für seine Aktivierung eine bestimmte Mindesttemperatur (Aktivierungstemperatur) erfordert, ge kennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Abgasleitung (12, 1A-, 16; 30, 32), daß sie einerseits eine geringe Wärmeträgheit und andererseits ein bei Temperaturen oberhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators (24-) hohes Wärmeableitvermögen besitzt.
    2. Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Abgasleitung (12, 14, 16) mit Kühlrippen versehen ist.
    3- Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abgasleitung mit Nuten, Riefen oder Rillen zur Steigerung ihres Wärmeableitvermögens versehen ist.
    4. Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung aus Metallblech besteht.
    5. Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abgasleitung (30, 32) mit allseitigem Abstand von einem Mantel (34·; 46) umgeben ist, durch welchen ein Kühlmedium zu fließen vermag·
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    6. Auspuffanlage nach Anspruch 5, gekennzeich net durch Mittel (36, 38; 44) zum Hindurchdrücken des Kühlmediums durch den Raum zwischen der Abgasleitung (30, 32) und dem Mantel (34; 46).
    7. Auspuffanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Abgasleitung auf die Höhe der Temperatur ansprechenden Mittel zur Betätigung der Mittel zum Hindurchdrücken des Kühlmediums aufweist.
    8. Auspuffanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Hindurchdrücken des Kühlmediums von einem Luftgebläse (36, 38; 44) gebildet sind.
    9. Auspuffanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Hindurchdrücken des Kühlmediums von einer Flüssigkeitspumpe gebildet sind.
    10. Auspuffanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß am katalytischen Umsetzer (24) eine Temperaturfühleinrichtung (40) angebracht ist, durch welche das Luftgebläse (36, 38) in Abhängigkeit von der Temperatur im Umsetzer (24) einschaltbar ist.
    11. Auspuffanlage nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung zur Steuerung des Flüssigkeit sStroms von der Flüssigkeitspumpe durch den Spalt zwischen der Abgasleitung und deren Mantel.
    12. Auspuffanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Gebläse von einem durch die Brennkraftmaschine (10) in bekannter Weise antreibbaren Ventilator (44) gebildet ist.
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    13. Auspuffanlage nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet , daß der Mantel (46) um die Abgasleitung (JO, 32) Ventileinrichtungen (52, 54) zur Steuerung des LuftStroms durch den Spalt zwischen der Abgasleitung (30, 32) und deren Mantel (46) enthält.
    14. Auspuffanlage nach Anspruch 13» dadurch ge kennzeichnet, daß an dem katalytischen Umsetzer (24) eine Temperaturkühleinrichtung (40) angebracht ist, mittels welcher die Ventileinrichtung (52, 54) in Abhängigkeit von der Temperatur im katalytischen Umsetzer (24) steuerbar ist.
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