DE2303773A1

DE2303773A1 - Anordnung zur abgasfuehrung

Info

Publication number: DE2303773A1
Application number: DE2303773A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Gospodar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-01-26
Filing date: 1973-01-26
Publication date: 1974-08-01

Description

Anordnung zur jbgasfiihrwig Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Zuführung der in einer Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsabgase zu einer nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage.
Zum Zwecke der Reinigung der in einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Kraftfahrzeugmotor, erzeugten Verbrennungsabgase von darin enthaltene Schadstoffen ist es bekannt, der Brenn¢Faftmaschine eine Abgasreinigungsanlage, beispielsweise eine mit Katalysatoren arbeitende Nachverbrennungsanlage, nachzuschalten. Um sHinstige Arbeitsergebnisse zu erzielen, ist es Jedoch erforderlich, daß die Betriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage sich innerhalb eines bestimmten, verhältnismäßig hoch liegenden Temperaturbereiches befindet.
Während unterhalb der Grenzen dieses Temperaturbereiches die Umsetzung der Schadstoffe nur noch unzureichend ist, besteht bei Temperaturen oberhalb dieses Bereiches die Gefahr des Ausfalls der Abgasreinigungsanlage durch Zerstörung der katalytisch wirksamen Schichten.
Fur die Zuführung der in der Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsabgase zu der Abgasreinigungsanlage ergeben sich daher bei den verschiedenen Betriebszuständen unterschiedliche Forderungen. So sollten beim Start der Brennkraftmaschine sowie bei niedrigeren Teillasten die Abgase möglichst ohne Wärmeentzug der Abgasreinigungsanlage zugeführt werden, damit diese in kürzester Zeit die zur Erzielung befriedigender Abgaswerte erforderliche Betriebstemperatur erreichen und halten kann. Bei höheren Teillasten oder Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine, wenn also die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase sehr hohe und damit die Abgasreinigungsanlage gefährdende Temperaturen aufweisen, sollten diese Abgase dagegen nicht ungekühlt der Abgasreinigungsanlage zugeführt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung zur Zuführung der in einer Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsabgase zu einer nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage zu schaffen, mit deren Hilfe die bei den verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine auftretenden Forderungen hinsichtlich des Temperaturverhaltens der der Abgasreinigungsanlage zugeführten Verbrennungsabgase ohne größeren Aufwand erfüllt werden können. Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß die Brennkraftmasohine bis zum Erreichen der Soll-Betriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage über eine kurze Abgasdirektleitung und darüberhinaus über eine längere, die kurze Abgasdirektleitung umgehende Abgaarohrschleife mit der Abgasreinigungsanlage verbunden ist. Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Verbrennungsabgase bis zum Erreichen der Sollbetriebstemperatur, also im Startbetrieb und bei niedrigen Teillasten der Brennkraftmaschine, auf kürzestem Wege der nahe dem Motor angeordneten Abgasreinigungsanlage zugeführt werden, kann die für ein befriedigendes Arbeiten der Abgasreinigungsanlage erforderliche Betriebstemperatur verhältnismäßig schnell erreicht und gehalten werden, da die Wärmeverluste der Verbrennungsabgase auf dem kurzen Weg durch die Abgasdirektleitung, die einen Isoliermantel aufweisen kann, vernachlässigbar klein sind. Dadurch sind die an der Auspuffanlage austretenden Abgase schon kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine im wesentlichen schadstofffrei. Bei höheren-Teillasten oder bei Vollast der Brennkraftmaschine, wenn also die in der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase verhältnismäßig heiß sind, sollen sie gemäß der Erfindung über eine längere, die kurze Abgasdirektleitung umgehende Abgasrohrschleife, in der nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ein Abgaskühler vorgesehen sein kann, der Abgasreinigungsanlage zugeführt werden. Auf dem Weg durch die längere Abgasrohrschleife verringern dabei die Abgase ihre Temperatur durch Wärmeabgabe, so daß sie anschließend mit einer zulässigen Temperatur in die Abgasreinigungsanlage gelangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll an einer Abzweigstelle der Abgasrohrschleife von der kurzen Abgasdirektleitung eine den Abgasstrom umleitende Umlerkvorrichtung vorgesehen sein. Diese, beispielsweise in Form einer schwenkbaren Klappe ausgebildete Umlenkvorrichtung kann nach einem Vorschlag der Erfindung in Abhängigkeit von der Abgastemperatur gesteuert sein. Dazu kann beispielsweise ein die Klappe betätigender Stellmotor vorgesehen sein, der nach Maßgabe der Differenz zwischen der am Eingang der Abgasreinigungsanlage gemessenen Abgastemperatur und der an dieser Stelle einzuhaltenden Solltemperatur angesteuert wird.
Nach einem anderen Vorschlag kann die Umlenkvorrichtung auch in Abhängigkeit von der Motorleistung gesteuert sein. Dazu könnte die Umlenkvorrichtung mit der Drosselklappe so mechanisch gekoppelt sein, daß sie bei Vollaststellung der Drosselklappe die Abgasdirektleitung absperrt.
Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise in Figur 1 die Schaltung einer Abgaszuführungsleitung zu einer Abgasreinigungsanlage und Figur 2 eine andere Schaltung für einen Vier-Zylinder-Motor.
In den beiden Figuren der Zeichnung sind gleiche Positionen durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet, wobei lediglich die Teile der in der Figur 2 doppelt vorgesehenen Abgasleitung durch Hinzufügung der Buohstaben a und b voneinander unterschieden werden.
In der Figur 1 ist mit 1 eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bezeichnet, an deren-Abgasauslaßöffnungen vier Anschlußstutzen 2 einer Abgassammelleitung 3 angeschlossen sind. Das in der Brennkraftmasohine 1 erzeugte Abgas wird je nach Betriebszustand der Maschine entweder über eine verhältnismäßig kurze Abgasdirektleitung 5 oder auf dem Umweg über eine relativ längeresmit einem Abgaskühler 7 versehene Abgasrohrschleife 6 einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage 8 zugeführt, die beispielsweise aus einer mit einem Katalysatorkörper 9 ausgerüsteten Nachverbrennungsanlage besteht. Eine nachgeschaltete Abgasleitung 16 leitet das Abgas anschließend in einen hier nicht weiter dargestellten Abgasschalldämpfer.
Die Steuerung des Abgas stromes wird von einer beispielsweise als schwenkbare Verschlußklappe 11 ausgebildeten Umlenkvorrichtung vorgenommen, die bei im in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Stellmotor 12 betätigt wird, der wiederum von einer einen Soll-Istwert-Vergleich durchführenden Steuervorrichtung 13 beaufschlagt wird. Die Steuervorrichtung 13 vergleicht dabei die mit Hilfe einer Temperaturmeßvorrichtung 14, beispielsweise einem Thermoelement, am Eingang der Abgasreinigungsanlage 8 gemessene Temperatur des Abgases mit einem Temperatursollwert, der der Sollbetriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage 8 entspricht. Überschreitet die an der Abgasreinigungsanlage 8 gemessene Abgastemperatur die Sollbetriebstemperatur, 8o betätigt der Stellmotor 12 die in einer Rohrverzweigung 4 angeordnete Umlenkklappe 11 in Richtung Schließen der Abgasdirektleitung 5. Dadurch wird sichergestellt, daß bei höheren, die Abgasreinigungsanlage gefährdenden Abgastemperaturen, also bei höheren Teillasten und bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 die Verbrennungsabgase nicht mehr direkt und ohne Wärmeentzug in die Abgasreinigungsanlage geleitet werden. Bei niedrigeren, die Sollbetriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage 8 unterschreitenden Abgastemperaturen steht dagegen die Umlenkklappe 11 in der in der Zeichnung mit ausgezogenen Linien angedeuteten Stellung, in der sie den Zugang zu der Abgasrohrschleife 11 absperrt. Dadurch gelangt das beim Start und im niedrigeren Teillastbereich der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Verbrennungsabgas auf kürzestem Wege, nämlich über die Abgasdirektleitung 5 in die Abgasreinigungsanlage 8, so daß diese die für günstige Arbeitsergebnisse notwendige Betriebstemperatur verhältnismäßig schnell erreichen kann. Die so kurz wie möglich auszuführende Abgasdirektleitung 5 kann gegebenenfalls, um etwa mögliche Wärmeverluste vollständig auszuschließen, mit einer Wärmeisolierung 17 umgeben sein.
Während also die Abgasdirektleitung 5 möglichst kurz ausgeführt ist, so daß die Abgasreinigungsanlage 8 möglichst nahe der Brennkraftmaschine 1 angeordnet werden kann, ist die Abgasrohrschleife 6 nun so geführt, daß das durch sie strömende Abgas möglichst viel Wärme abgeben kann. Dies kann einmal durch eine längere, beispielsweise vom Fahrtwind umspülte Rohrstrecke oder aber durch einen besonderen, in die Rohrschleife 6 eingeschalteten Abgaskühler erreicht werden. In der Ausführung nach der Figur 1 kann die Abgasrohrschleife 6 im Bereich 7 durch besondere, die Wärmeabfuhr verbessernde Maßnahmen und durch Anordnung eines Kühlluft fördernden Gebläses 15 zu einem solchen Abgaskühler ausgebildet sein. Wenn also im höheren Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 die Abgase über die Abgasrohrschleife 6 geleitet werden, dann weisen sie beim Eintritt in die Abgasreinigungsanlage 8 nur noch eine Temperatur auf, die die Anlage nicht mehr gefährdet.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Umlenkklappe 11 auch mittlere, zwischen den beiden Endlagen liegende Stellungen einnehmen kann und dabei den von der Brennkraftmaschine 1 kommenden Abgasstrom in die Abgasdirektleitung 5 bzw.
die Abgasrohrschleife 6 beaufschlagende Teil ströme aufteilt, die in der vor der Abgasreinigungsanlage 8 angeordneten Rohrverzweigung 10 wieder zusammengeführt werden, läßt sich die Temperatur der der Abgasreinigungsanlage zugeführten Abgase über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 so regeln, daß die gewünschte Betriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage schnell erreicht und danach einwandfrei gehalten werden kann.
In der Figur 2 der Zeichnung ist nun eine Abgasanlage gezeigt, bei der zwei parallel geschaltete Abgasleitungen vorgesehen sind.
Ausgehend von der Kenntnis, daß ein Zusammenführen der Abgase der äußeren und inneren Zylinder bei einem Vi'Zylinder-Reihenmotor auf einem allzu kurzen Wege leistungsmindernd ist, wurden bei dieser Ausführung die Abgasstutzen 2a der äußeren Zylinder zu einer ersten Abgassammelleitung 3a und die Abgasstutzen 2b der inneren Zylinder zu einer zweiten Abgassammelleitung 3b zusammengefaßt. Diesen beiden Abgassammelleitungen 3a bzw. 3b schließt sich dann jeweils die schon aus der Figur 1 hervorgehende Abgasführung an, deren Einzelteile hier Jedoch entsprechend der Zuordnung zu den beiden Zylinderpaaren mit dem zusätzlichen Buchstaben a und b gekennzeichnet ist. Vor dem Eintritt in die Abgasreinigungsanlage 8 werden die Abgas ströme der beiden Zylinderpaare dann über einen Sammler 18 wieder zusammengeführt. Auch ist es denkbar, die beiden Abgasströme schon vorher, also etwa im Bereich der Abgasrohrsohleifen 6 und der Abgasdirektleitungen 5 zusammenzufassen.
In der Figur 2 ist schließlich noch die Möglichkeit der Betätigung der Umlenkvorrichtung 11 in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine 1 angedeutet, wozu die beiden Umlenkklappen 11a und lib über eine Wirkleitung 21 mit der in der Ansaugleitung 19 angedeuteten Drosselklappe 20 gekoppelt sind. Diese Koppelung kann beispielsweise durch ein mechanisches Gestänge herbeigeführt sein, mit dessen Hilfe die Umlenkklappen 11 entsprechend der Stellung der die Leistung der Brennkraftmaschine 1 steuernden Drosselklappe 20 verstellt werden. In diesem Fall muß die Steuerung so erfolgen, daß bei der Startstellung und bei niedrigen Teillaststellungen der Drosselklappe die Umlenkklappen 11 die Abgasrohrschleifen 6 absperren, während bei den größeren Teillasten bmw. der Vollast entsprechenden Stellungen der Drosselklappe die Umlenkklappen 11 zunehmend die Abgasdirektleitungen 5 absperren.
Neben diesen beiden in den Figuren 1 und 2 angedeuteten Möglichkeiten der Steuerung der Umlenkvorrichtung 11 wäre es auch möglich, diese in Abhängigkeit von der Zeit oder dem Erreichen eines oder mehrerer typischer Abgaskomponentenwerte durchzuführen. So könnte beispielsweise nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine der Abgas strom durch Betätigung der Umlenkvorrichtung über die Abgasrohrschleife -6 geleitet werden oder aber die Umlenkvorrichtung wird von einem Stellmotor betätigt, der von einem oder mehreren die Abgas zusammensetzung am Austritt der Abgasreinigungsanlage ermittelnden Indikatoren angesteuert wird.
Schließlich sei noch auf eine Schaltungsmöglichkeit hingewiesen, die ebenfalls dem Schutz der Abgasreinigungsanlage vor thermischer Überbelastung dient. Gemäß dieser Sohaltung kann beim Auftreten von Motorfehlern, beispielsweise beim Ausfall einzelner Zündkerzen, das Abgas vor der Abgasreinigungsanlage 8 in die Atmosphäre geleitet werden, wobei das damit verbundene laute Auspuffgeräusch auf den Motorfehler aufmerksam macht. Bei derartigen Motorfehlern, bei denen in den Abgasen noch ein verhältnismäßig großer Teil an unverbranntem Brennstoff und Luft vorhanden ist, reicht im allgemeinen die Abgaskühlung auch bei einer Umleitung der Abgase über die Abgasrohrschleife 6 und den Abgaskühler 7 nicht aus, um ein Überschreiten der zulässigen Betriebstemperatur in der Abgasreinigungsanlage wirksam zu verhindern. In diesem Fall kann die Temperaturmeßvorrichtung 14 bei Überschreiten eines zweiten Grenzwertes diesen Hilfsauspuff steuern.
Insgesamt gesehen wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der in einer mit einer Abgasreinigungsanlage ausgerüsteten Brennkraftmaschine über den gesamten Betriebsbereich befriedigende Abgaswerte dadurch erzeugt werden, daß die Abgasreinigungsanlage schon kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht und anschließend ohne die Gefahr der Überhitzung auf dieser Betriebstemperatur bzw. in diesem Betriebstemperaturbereich gehalten werden kann.
Zum Abschluß soll noch darauf hingewiesen werden, daß hinsichtlich der Steuerung der Abgasströme auch die Möglichkeit besteht, eine Umlenkklappe nur an der die Abgasteilströme wieder zusammenführenden Rohrverzweigung 10 anzuordnen. Eine derartige Anordnung würde besonders dann Vorteile bringen, wenn es sich um eine Anlage handelt, bei der ähnlich der Ausführung nach Figur 2 die Abgasleitungen der beiden inneren und der beiden äußeren Zylinder in zwei getrennte Abgassysteme aufgeteilt sind und bei der die Abgasleitungen åeweils schon im Bereich der Abgasdirektleitungen bzw. Abgasrohrsohleifen wieder zusammengeführt sind. Hier braucht dann nur eine einzige Umlenk- bzw. Sperrvorrichtung an dem Zusammenfluß der beiden Sammelleitungen, nämlich der Sammeldirektleitung und der Sammelrohrschleife, angeordnet zu werden.
Anstelle der in den Zeichnungen gezeigten Umlenkklappen oder ähnlich ausgebildeter 2-Wege-Hähne kann auch ein Sperrorgan nur in der bzw. den Abgasdirektleitungen verwendet werden.
Während dabei im Start- und niedrigen Teillastbereich, also bei vollkommen geöffneter Direktleitung, deren sehr geringer Strömungswiderstand selbsttätig eine wesentliche Beaufschlagung der verlustreicheren Rohrschleife mit Abgas verhindert, kann bei höheren Teillasten allein durch Betätigung dieses Sperrorgans in Schließrichtung, die einer Vergrößerung des Strömungswiderstandes der Direktleitung entspricht, die Abgasbeaufschlagung der Rohrschleife bis zur maximalen Abgas-Durchflußmenge gesteigert werden.

Claims

Ansprüche

9 Anordnung zur Zuführung der in einer Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsabgase zu einer nachgeschalteten Abgasreinigungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) bis zum Erreichen des Sollbetriebstemperaturbereiches der Abgasreinigungsanlage (8) über eine kurze Abgasdirektleitung (5) und darüberhinaus über eine längere, die kurze Abgasdirektleitung umgehende Abgasrohrschleife (6) mit der Abgasreinigungsanlage verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasrohrschleife (6) ein Abgaskühler (7) eingeschaltet ist.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Verzweigungsstelle (4) zwischen der Abgasrohrschleife (6) und der Abgasdirektleitung (5) eine den Abgasstrom steuernde Umlenkvorrichtung (11) vorgesehen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (11) in Abhängigkeit von der Abgastemperatur gesteuert ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (11) in Abhängigkeit von der Motorleistung gesteuert ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (11) mit der Drosselklappe (20) in der Weise gekoppelt ist, daß in der Vollaststellung der Drosselklappe die Abgasdirektleitung (5) und in der Startstellung der Drosselklappe die Abgasrohrschleife (6) vollständig gesperrt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für einen 4-Zylinder-Reihenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitungen der beiden äußeren und der beiden inneren Zylinder paarweise zusammengefaßt sind und Jedem Zylinderpaar Jeweils eine Abgasdirektleitung und eine davon abzweigende Abgasrohrschleife nachgeschaltet sind.